4.2.1.Khả năng kết nối ngoại vi
Bản thân máy sử dụng máy vi tính để điều khiển vì vậy các kết nối ngoại vi kết nối với máy có thể sử dụng là các card PCI, cổng USB, RS232, cổng LAN thông dụng nhất vẫn là cổng giao tiếp USB. Người sử dụng có thể kết nối các bộ điều khiển chuyên dụng hỗ trợ cho máy như điều khiển không dây qua cổng USB. Việc truy xuất các dữ liệu khác sẽ dễ dàng hơn nhờ tính năng của máy vi tính, cho phép người sử dụng trao đổi, nhập dữ liệu, chỉnh sửa trên cùng 01 thiết bị. Cũng như tính năng của các máy cùng loại trên thị trường, máy có thể thực hiện các truyền dữ liệu như qua các cổng được tích hợp trên máy vi tính, người vận hành máy có thể nhập dữ liệu trực tiếp từ bàn phím máy tính, có thể nhận dữ liệu của các file NC trực tiếp trên máy, qua công giao tiếp USB, PCI, Lan đây là ưu điểm rất lớn so với các máy CNC chuyên dụng. Ở các thiết bị CNC chuyên dụng trên thị trường người sử dụng phải sử dụng thiết bị khác chuyển đổi các thông tin từ CAD/CAM sau đó chuyển qua máy gia công CNC, với thiết bị hiện tại cho phép sử tích hợp khả năng CAD – CAM. Người sử dụng có thể thiết kế các bản vẽ của mình bằng các phần mềm CAD trên máy, sau đó sử dụng phần mềm CAM để biên dịch file NC.
4.2.2.Liên kết CAD-CAM
Hình 4.1. Sơ đồ liên kết CAD – CAM
Để gia công trên máy điều khiển số yêu cầu bắt buộc là cần có các dữ liệu số để truy xuất. Có thể sử dụng các câu lệnh nhập từ bàn phím hay sử dụng các file NC được truy xuất từ các phần mềm CAM.
Trên máy cắt GAS –OXY điều khiển số sử dụng phần mềm CAD thông dụng là Autocad 2007, cho ra các bản vẽ. Sử dụng phần mềm LADY CAM để biên dịch và chỉnh sửa từ bản vẽ CAD sang tệp tin NC. Trên thực tế sau khi xuất tệp tin NC từ Lady Cam người sử dụng phải chỉnh sửa một số thông số trên tệp tin NC sau đó mới sử dụng được. Do đặc thù của cắt Gas – Oxy trước hết kim loại được nung nóng bởi sự kết hợp của nguồn khí Oxy nung và Gas, sau khi được nung nóng mới sử dụng đến Oxy xả để thổi bay kim loại ra ngoài hình thành rãnh cắt. Khoảng thời gian này cũng chính là lúc điều chỉnh ngọn lửa cho phù hợp với từng loại vật liệu thời gian thông thường mất 3 - 4s, để máy cắt được người sử dụng chèn vào một vài câu lệnh để duy trì khoảng thời gian này.
4.2.3.Điều khiển quỹ đạo cắt
Điều khiển quỹ đạo cắt chính là điều khiển các động cơ, giả sử tay máy chỉ có 1 bậc tự do, chuyển động tịnh tiến theo trục X.
Sơ đồ điều khiển máy được mô tả như hình 4.2
Trước hết dữ liệu NC sẽ được đưa vào phần mềm Mach3 xử lý, mach 3 sẽ dựa trên các dữ liệu đầu vào để xử lý sau đó sẽ truyền dữ liệu xuống bo mạch đệm, nhiệm vụ của boar mạch đệm là chuyển đổi dữ liệu số được mach 3 xuất ra tới driver động cơ. Driver động chịu trách nhiệm điều khiển động cơ, điều khiển ở đây bao gồm điều khiển dịch chuyển, tốc độ, chiều quay. Qua hộp số và dây đai răng chuyển động quay của động cơ hình thành nên chuyển động tịnh tiến của đầu cắt.
Hình 4.1. Sơ đồ khối điều khiển tín hiệu
Tốc độ của động cơ phụ thuộc vào khoảng thời gian phát xung của mạch đệm thời gian phát xung càng nhanh thì động cơ dịch chuyển nhanh, số lượng xung
Dữ liệu NC MACH3 Mạch đệm
Driver Động cơ
càng lớn thì khoảng cách dịch chuyển của bàn máy sẽ tăng lên. Động cơ sẽ được điều khiển bằng tín hiệu từ driver vì vậy trong kết nối driver với bo mạch đệm chỉ cần kết nối các dây tín hiệu về xung chiều(pulse và dir).
*Nguyên tắc điều khiển:
Chương trình gia công bao gồm các chỉ thị được mã hoá để điều khiển quá trình gia công chi tiết, hệ điều khiển chuyển đổi các chỉ thị này thành tín hiệu điện kích hoạt các chức năng hoạt động của máy.
Hệ điều khiển máy thực hiện chức năng đọc và biên dịch mã lệnh và sau đó xuất các tín hiệu điện tương ứng truyền tới bộ khuếch đại servo để điều hành có cấu servo (động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực) của hệ thống truyền động.Thiết bị phản hồi như các cảm biến vị trí, chiều, tốc độ dịch chuyển và phản hồi các tín hiệu này về hệ điều khiển máy. Hệ điều khiển máy so sánh các tín hiệu này với tín hiệu tham chiếu cho trước bởi các mã lệnh điều khiển và xuất các tín hiệu điều chỉnh (sai lệch) tới bộ khuếch đại servo cho tới khi đạt đại lượng yêu cầu.
Hệ MCU gồm hai phần: hệ xử lý dữ liệu (Data Processing Unit - DPU) và mạch điều khiển (Control Loop Unit - CLU)
• DPU thực hiện các chức năng: - Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập - Xử lý mã lệnh hay giải mã.
- Truyền dữ liệu vị trí, tốc độ và các chức năng phụ trợ tới CLU. • CLU thực hiện các chức năng:
- Nội suy chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận từ DPU và xuất các tín hiệu điều khiển.
- Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuếch đại của hệ truyền động. Nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ.
Hệ thống truyền động thông thường bao gồm bộ khuếch đại servo, cơ cấu servo, bộ truyền đai răng, đai ốc-vít me bi và bàn trượt. Hệ thống này quyết định độ chính xác, công suất của máy.
*Nhập dữ liệu vào bộ nhớ máy:
- Bàn phím.
- Các phương tiện đọc khác như đĩa, băng…
- Trao đổi dữ liệu với các thiết bị lưu trữ bên ngoài.
Mạch giao tiếp dung để kết nối giữa máy tính PC và mạch điều khiển động cơ, các công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp… Vì vậy có thể xác định được vịt trí của mạch giao tiếp sẽ nằm ở bộ phận đọc chương trình (program input device). Ngoài mạch giao tiếp, trong bộ phận đọc chương trình còn có mạch drive điều khiển động cơ bước.
4.3. Tối ưu hóa sắp xếp 4.3.1.Đặt vấn đề 4.3.1.Đặt vấn đề
Trong ngành cơ khí chế tạo máy, số lượng chi tiết được gia công bằng phương pháp cắt từ vật liệu kim loại dạng tấm là rất lớn. Theo thống kê cho thấy, khoảng 60 đến 75% số luợng chi tiết trong ngành chế tạo ôtô, đóng tàu; 30 đến 40% trong ngành chế tạo máy kéo; 70 đến 75% trong ngành chế tạo dụng cụ; 20 đến 30% trong ngành công nghiệp năng lượng và giao thông vận tải được gia công cắt từ vật liệu tấm.[2] Do vậy, việc nghiên cứu tối ưu hóa sơ đồ cắt để nâng cao hiệu quả kinh tế trong việc gia công cắt các chi tiết từ vật liệu tấm là vấn đề luôn luôn được các nhà sản xuất quan tâm giải quyết từ trước đến nay.
Trước đây, công đoạn sắp xếp sơ đồ cắt được tiến hành theo phương pháp thủ công, chủyếu là dựa vào kinh nghiệm và tay nghề của người thợ. Do vậy, thời gian chi phí cho công đoạn sắp xếp sơ đồ cắt là rất lớn, hiệu quả sử dụng vật liệu chưa cao, phần vật liệu thừa bỏ đi còn nhiều, chi phí cho sản xuất cao.
Mục đích của việc nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học cho bài toán sắp xếp sơ đồ cắt các chi tiết cùng loại trên vật liệu kim loại dạng tấm khi cắt bằng
phương pháp cắt nhiệt để từ đó xây dựng các giải thuật tiến tới viết phần mềm kết nối với các loại máy cắt tự động CNC để gia công chi tiết đạt hiệu quả kinh tế cao nhất: số lượng chi tiết thu được là nhiều nhất, vật liệu tiết kiệm được cũng là nhiều nhất.
Hình 4.2. Sắp xếp chi tiết theo 1 hàng một hướng
Sơ đồ sắp xếp thường dùng trong gia công chi tiết bằng phương pháp cắt bao gồm các dạng: sắp xếp theo hàng đơn và sắp xếp theo hàng đôi. Theo cách sắp xếp theo hàng đơn theo một hàng một hướng trên dải cắt, các chi tiết được sắp xếp theo một chiều một hướng (hình 4.2) và sắp xếp hai chiều, một hướng (hình 4.3– sắp xếp đảo đầu). Ngoài ra trong thực tếsản xuất còn phổ biến sơ đồ sắp xếp theo kiểu hàng đôi, cắt hai hàng (hình 4.4), trong đó các chi tiết được sắp xếp trên dải cắt theo hai hàng, hàng thứ nhất dịch chuyển tương ứng so với hàng thứ hai một đại lượng ω.
Hình 4.4. Sắp xếp theo hai hàng hai hướng
Bài toán sắp xếp tối ưu một loại chi tiết có kích thước và hình dạng phức tạp trên vật liệu tấm khi cắt bằng phương pháp cắt có thể tóm tắt như sau: Cho trước các khổ vật liệu dạng tấm có hình dạng hình chữ nhật với các thông số kích thước chiều rộng chuẩn là H1, H2, H3,…, Hi,…, Hm và chiều dài tương ứng của các tấm vật liệu là L1, L2 ,L3,…,Li,..., Lm; làm thế nào để dập được nhiều nhất số lượng chi tiết cùng loại S, hay có thể nói là lượng vật liệu bỏ đi sau khi cắt phải là nhỏ nhất. Chỉ tiêu để đánh giá tính kinh tế cho phương án sắp xếp là hệ số sử dụng vật
liệu : (1)
Trong đó: F0 – diện tích của n chi tiết; Fp – diện tích của tấm vật liệu. Khi gia công cắt chi tiết bằng phương pháp cắt trên vật liệu tấm, các chi tiết được sắp xếp song song theo hàng trên dải cắt. Trước tiên, vật liệu tấm phải được cắt thành các dải, nghĩa là, tấm vật liệu được cắt thành các phần nhỏ mà trên đó các chi tiết cắt dập được sắp xếp thành hàng theo chiều song song với nhau. Do vậy, phương án được chọn để giải bài toán là xác định được chiều rộng tối ưu của dải căt. Khi đó dải cắt có thể được cắt theo chiều rộng hoặc theo chiều dài của tấm vật liệu sao cho đạt được mục tiêu tối ưu là số lượng chi tiết thu được là nhiều nhất. Khi chọn chiều của dải cắt, đôi khi còn phải xét đến chiều chịu tải trọngcủa chi tiết được cắt, nghĩa là phải sắp xếp các chi tiết có chiều chịu tải trọng theo chiều thớ sợi của tấm vật liệu.
Hình 4.5. Sắp xếp các chi tiết trên giải cắt
Trong các phương án sắp xếp có hệ số sử dụng vật liệu là như nhau, phương án được chọn là phương án có chiều rộng của dải cắt lớn hơn vì như vậy bước cắt sẽ ngắn hơn và thời gian cắt cũng được tiết kiệm hơn. Để xác định đúng chiều rộng của dải cắt phải xét thêm khoảng cách chừa giữa các đường biên của chi tiết với chi tiết (các mạch nối) và khoảng chừa ’ giữa đường biên của chi tiết với đường biên của tấm vật liệu (mép thừa). Do vậy chiều rộng của dải cắt phải được bổ sung thêm khoảng cách 2 ’. Khi sắp xếp chi tiết trên giải cắt,đường biên của chúng phải được mở rộng so với đường biên thực của chi tiết một khoảng /2. Khi nghiên cứu bằng các kết quả thực nghiệm, khoảng cách chừa phụ thuộc vào chiều dày vật liệu, loại vật liệu, kích thước và hình dạng của chi tiết cắt.
4.3.2.Cơ sở toán học của bài toán sắp xếp
Sơ đồ cắt sắp xếp tối ưu là sơ đồ sắp xếp các chi tiết theo hệ thống hình bình hành. Theo đó, các chi tiết được sắp xếp theo hàng song song với nhau và các chi tiết liền kề có đường biên mở rộng được tiếp xúc nhau. Sơ đồ sắp xếp theo hình bình hành dễ dàng gia công cắtvà giảm thiểu được phần vật liệu thừa giữa các chi tiết. Giải thuật để xác định phương án sắp xếp tốt nhất trong công nghệ cắt được chọn trong các phương án sắp xếp các chi tiết theo dải một hàng và theo dải hai hàng tùy theo loạivật liệu tấm và yêu cấu của chi tiết được cắt. Sắp xếp theo dải một hàng có thể sắp xếp các chi tiết bố trí xen kẽ lệch nhau 1800 (chi tiết xen kẽ xoay 1800) Ý tưởng chủ đạo của giải thuật là xét đến tất cả các phương án sắp xếp chi tiết
trên tấm vật liệu và chọn phương án tốt nhất. Mỗi phương án sắp xếp xác định được số lượng chi tiết (ký hiệu là n). Các phương án được xét theo trình tự: chi tiết vừa dịch chuyển vừa xoay trên mặt phẳng tấm vật liệu.
Hàm sắp xếp các chi tiết theo một hàng trên dải cắt phụ thuộc vào góc , góc tạo bởi trục của chi tiết với trục cố định của tấm vật liệu. Trong trường hợp sắp xếp chi tiết theo hàng hai, hàm sắp xếp còn phụ thuộc vào giá trị dịch chuyển tương ứng giữa các hàng. Do vậy, số lượng chi tiết sắp xếp trên tấm vật liệu là một hàm của 2 thông số: n = f(f, ) (2)
Góc xoay được xác định trong khoảng 0≤ ≤ tại vị trí ban đầu được xét = 0. Thông số – bước dịch chuyển tương ứng giữa các hàng nằm trong khoảng: - ( ) ≤ ≤ + ( ). Trong đó, ( ) là kích thước của chi tiết tương ứng tại giá trị góc xoay . Các đại lượng và ω thay đổi theo các bước được ấn định không đổi và . Do vậy, giá trị số lượng chi tiết n tìm được là một giá trị tương đối. Độ chính xác để xác định n phụ thuộc vào các giá trị , . Do đó, giải thuật phải tìm được sự sắp xếp tối ưu bằng cách cho chi tiết xoay và cho chi tiết dịch chuyển trên mặt phẳng theo các bước và cho trước và giải các phép toán hình học phức tạp khác nhau; chọn lựa và tính toán được chiều rộng của giải cắt.
Cách tìm kiểu sắp xếp hợp lý của 3 chi tiết đầu tiên được trình bày như sau: - Định vị chi tiết thứ nhất, chia đều khoảng cách từ điểm cao nhất đến điểm thấp nhất phía bên phải đường biên thành các bước .
- Tìm vị trí của chi tiết thứ hai so với chi tiết thứ nhất bằng cách dịch chuyển chi tiết thứ nhất đến vị trí sao cho chúng không còn giao nhau và sao cho điểm cao nhất bên trái của đường biên chi tiết thứ hai trùng với một trong số các điểm của đường biên bên phải của chi tiết thứ nhất. Tìm vị trí của chi tiết thứ 3 bằng cách dịch chuyển chi tiết thứ hai dọc theo trục OX về phía bên phải đến khi nào chúng
không còn giao nhau. Xem xét tất cả các phương án sắp xếp của 3 chi tiết đầu tiên theo các điểm được phân chia trên đường biên theo khoảng cách và chọn phương án tối ưu, nghĩa là tại đó số lượng chi tiết thu được là nhiều nhất. Sau đó, từ vị trí đầu tiên cho chi tiết thứ nhất xoay một góc . Quy trình tiếp tục được lặp lại cho đến khi góc xoay vượt quá giá trị π. Việc tính toán và chọn lựa chiều rộng phù hợp của dải cắt được xác định như sau: theomỗi phương án sắp xếp, hiệu của tọa độ lớn nhất và nhỏ nhất của chi tiết được xác định là chiều rộng của dải cắt. Từ đó có thể tìm được số lượng của dải cắt được cắt ra từ tấm vật liệu trong từng phương án sắp xếp.
Hình 4.6. Dịch chuyển đi 1 khoảng cách và xoay đi một góc
Để xây dựng phương án sắp xếp các chi tiết để cắt dập theo hàng một đạt hiệu quả tối ưu, giải thuật được trình bày như sau:
1. Xác định các hoành độ Xmin, Xmax của các điểm ngoài cùng bên trái và bên phải của chi tiết thứ nhất (chi tiết G1) và các tung độ Ymin,Ymax của các điểm thấp nhất và cao nhất của chi tiết G1.
2. Dựng trong dải cắt Ymin ≤ Y ≤ Ymax chi tiết thứ hai (chi tiết G2) thỏa mãn công thức; XiG2 = - XiG1 + 2Xmax; YiG2 = - YiG1 + Ymax + Ymin (3)
Trong trường hợp này, chi tiết G2 đã xoay đi một góc so với chi tiết G1 và vị trí của chi tiết trên dải cắt được xác định YG2max = Ymin; và rõ ràng tại vị trí này, hai chi tiết G1 và G2 là không giao nhau. Đây là điều kiện để kiểm tra sự không giao nhau của hai chi tiết.
3. Từ các điểm tựa Mi của các chi tiết G1 và G2 dựng các đường thẳng song song với trục OX. Xác định khoảng cách nhỏ nhất di và khoảng cách lớn nhất Di