a, Giới thiệu cổng song song
Cổng song song(LPT) cổng trên máy tính cá nhân PC dùng để kết nối máy tính với thiết bị ngoại vi (chủ yếu để kết nối với máy in nên ta thường gọi tên cổng song song là cổng máy in). Dữ liệu được truyền qua cổng này theo cách song song, cụ thể dữ liệu được truyền 8 bit đồng thời hay còn gọi byte nối tiếp bit song song.
Mức điện áp của cổng song song sử dụng đều là điện áp tương thích TTL(Transiztor – Transiztor - Logic) 0v → +5v trong đó:
0v là mức logic LOW.
2v → +5v là mức logic HIGH.
Vì vậy khi ghép nối với cổng này ta chỉ ghép nối những thiết bị ngoại vi có mức điện áp tương thích TTL. Nếu thiết bị ngoại vi không có mức điện áp tương thích TTL thì ta phải áp dụng biện pháp ghép mức hoặc ghép cách ly qua bộ ghép nối quang.
Khoảng cách cực đại giữa thiết bị ngoại vi ghép nối với máy tính qua cổng song song thường bị hạn chế. Lý do là hiện tượng cảm ứng giữa các đường dẫn và điện dung kí sinh hình thành giữa các đường dẫn có thể làm biến dạng tín hiệu. Khoảng cách giới hạn cực đại là 8m. Thông thường chỉ 1,5 đến 2m vì lí do an toàn dữ liệu.
Tốc độ truyền dữ liệu qua cổng song song phụ thuộc vào phần cứng được sử dụng. Trên lý thuyết tốc độ có thể đạt đến 1Mb/s nhưng với khoảng cách truyền hạn chế trong phạm vi 1m.
b, Cấu trúc cổng song song
Cổng song song có hai loại: ổ cắm 36 chân và ổ cắm 25 chân. Ngày nay, loại ổ cắm 36 chân không còn đư ợc sử dụng, hầu hết các máy tính PC đều trang bị ổ cắm 25 chân nên ta chỉ cần quan tâm đến loại 25 chân Hình 4.32.
Hình 4.32. Cổng song song 25 chân.
+ Thanh ghi dữ liệu (278H, 378H, 2BCH, 3BCH).
Thanh ghi dữ liệu không phải đường dẫn hai hướng trên tất cả các máy tính chính vì thế thanh ghi này chỉ có thể xuất ra 8 bit dữ liệu từ D0 → D7 tương ứng vói từ chân 2 →
39
Hình 4.33 Thanh ghi dữ liệu
+ Thanh ghi trạng thái (279H, 379H, 2BDH, 3BDH).
Thanh ghi này giúp cho ta nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vào máy tính qua cổng song song và sử lý các tín hiệu này.
Hình 4.34 Thanh ghi trạng thái
+ Thanh ghi điều khiển (27AH, 37AH, 2BEH, 3BEH)
Thanh ghi điều khiển hai hướng, hay nói cách khác bốn bit có giá trị thấp được sắp xếp vào các chân 1, 14, 16, 17. Cụ thểnhư sau :
40
CHƯƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 3.1. Kết cấu máy phay
Dựa trên nền cơ khí có sẵn, máy phay CNC có kết cấu cơ khí tương đối hoàn chỉnh gồm thân máy, động cơ trục chính, bàn máy, bộ truyền vitme-bi, động cơ các trục, các ổ bi, giá đỡ động cơ,công tắc hành trình:
Thân máy có độ cứng vững cần thiết, để đỡ tất cả các chi tiết khác của máy. Trục chính được gắn trên thân máy. Động cơ trục chính là động cơ AC. Từ động cơ đó qua 2 cấp của bộ truyền đai thang và một bộ truyền bánh răng côn tới trục chính. Trục chính là bộ phận mang dụng cụ cắt, khi trục chính quay làm cho dụng cụ cắt quay. Trục chính phải chịu tác động của lực cắt khi gia công.
Bàn máy được đặt trên trục Z và được gắn với thân máy theo kiểu côngxôn. Mỗi bàn máy được điều khiển bởi một động cơ, mỗi động cơ kiểm soát chuyển động của từng bàn máy. Nhờ nội suy, tính toán và kiểm soát được chuyển động riêng rẽ hoặc kết hợp của các trục tạo nên các biên dạng khác nhau khi gia công. Kích thước bàn máy:
• Trục X 240mm
• Trục Y 85mm
• Trục Zmax 60mm
Bộ truyền vitme-bi, hạn chếđược sai số dọc trục, giảm ma sát khi chuyển động. Mỗi trục vitme-bi gắn với bàn máy riêng, trên đó trục bàn máy trục X có thể chuyển động tương đối với bàn máy trục Y. Trục vitme-bi Z là trục chịu tải trọng lớn nhất do đỡ cả bàn máy, chi tiết gia công, lực cắt khi gia công cũng tắc động nhiều đến trục Z. Bước vitme-bi của các trục như sau:
• Bước vitme-bi trục X = bước vitme-bi trục Y =5mm
• Bước vitme-bi trục Z = 8mm
Động cơ ba trục sử dụng động cơ secvor. Do trục Z là trục chịu lực lớn nhất nên động cơ trục Z là động cơ có công suất lớn (500w). Hai động cơ của trục X,Y có công suất nhỏ hơn (120w). Sử dụng driver để điều khiển các động cơ.
Bộ truyền chuyển động từ động cơ tới vitme-bi là dùng bộ truyền đai răng. Bộ truyền đai răng là bộ truyền ngoài không cần bôi trơn. Nó cũng có đặc điểm giống như bộ truyền bánh răng nhưng được dùng ở những nơi có không gian hẹp. Với kết cấu cơ khí có sẵn của máy thì việc dùng bộ truyền đai răng là hợp lý.
Các ổ bi, ổ đỡđược dùng để gắn trục chính vào thân máy, các trục vitme-bi vào bàn máy.
Giá đỡđộng cơ để gắn các động cơ vào bàn máy.
Công tắc hành trình để giới hạn hành trình của các bàn máy tránh trường hợp các bàn máy chuyển động quá giới hạn.
Trên cơ sở phần cứng có sẵn đó nhóm đã xây dựng được mô hình 3D của hệ cơ khí. Thiết kế chế tạo bổ xung một số chi tiết, bộ phận bị hỏng.
41
Hình 3.1 Kết cấu tách chi tiết của máy phay
Kết cấu cơ khí gồm thân máy, ba trục.Việc kiểm soát chuyển động của 2 trục X,Y tạo nên hình dáng chi tiết như mong muốn. Kiểm soát chuyển động 2 trục đồng thời gọi là nội suy.
3.2. Mô hình hệ thống điều khiển
3.2.1. Mô hình hóa hệ thống
Trên máy tính từ các lệnh G-code đưa vào chương trình điều khiển CNC, việc tính toán nội suy đưa dữ liệu chuyển động của các trục ra cổng LPT, từ cổng LPT chuyển tín hiệu qua mạch chuyển tiếp tới driver để kiểm soát chuyển động các trục.
42
Hình 3.2 Mô hình hoá hệ thống điều khiển
3.2.2. Xây dựng thuật toán điều khiển
a, Lý thuyết thuật toán điều khiển
Sự vận hành của bộ nội suy (interpolation plays) đóng vai trò của bộ phát dữ liệu di chuyển trên các trục từ khối dữ liệu được tạo ra từ các khối dữ liệu được tạo ra bằng chương trình dịch (interpreter) và là một trong các phần quan trọng (key components) của CNC, phản hồi (reflecting) gia tốc của nó. Trong chương này, bộ nội suy mềm sẽ được giới thiệu bao gồm cả“độ bền” và độổn định của nó. Thêm vào đó, bộ nội suy NURBS là một phương pháp nội suy tiên tiến cũng sẽ được giới thiệu cùng với thuật toán của nó.
Một máy CNC thường có nhiều hơn hai trục điều khiển để gia công hình dạng phức tạp. Hai loại điều khiển có thể được thực hiện: Phương pháp điều khiển điểm đến điểm được sử dụng để di chuyển trục tới vị trí mong muốn, và các phương pháp điều khiển theo biên dạng được sử dụng để di chuyển dọc theo một trục đường cong tùy ý.
Để thực hiện các phương pháp điều khiển thành công, công cụ chuyển động cần được chia thành các thành phần tương ứng với mỗi trục; các điểm của công cụ được tạo ra thông qua việc kết hợp các sự dịch chuyển riêng cho mỗi trục.
Ví dụ, nếu một công cụ cần di chuyển từ điểm P1 tới P2 bằng cách rút dao nhanh trong mặt phẳng XY, như Hình 3.3, nội suy chia sự chuyển động toàn bộ ra thành sự dịch
43
chuyển riêng của các X-và Y-trục dựa trên định nghĩa rút dao nhanh trước. Cuối cùng, vận tốc khối lệnh cho hai trục được tạo ra như Hình. 3.3.
Hình 3.3 Khái niệm cơ bản của nội suy.
Vì vậy, nội suy có các yêu cầu đặc điểm sau đây để nó có thể tạo ra và tốc độ di chuyển thành công cho nhiều trục từ hình dạng một phần và sự định nghĩa trước rút dao nhanh.
Các dữ liệu nội suy tạo ra gần với hình dạng một hình khối thực tế.
Các nội suy nên xem xét giới hạn của tốc độ do cơ cấu máy và chi tiết kỹ thuật servo, trong khi tính toán vận tốc.
Sự tích luỹ của lỗi nội suy cần tránh để có vị trí cuối cùng gần trùng vị trí mong muốn.
Nội suy có thể được phân loại là nội suy phần cứng hoặc nội suy phần mềm bằng cách xem xét các phương pháp thực hiện. Nội suy phần cứng, bao gồm các thiết bị điện khác nhau, được sử dụng rộng rãi cho đến khi máy CNC được phát triển. Tuy nhiên, ngày hôm nay, nội suy sử dụng phần mềm được sử dụng trong các hệ thống CNC hiện đại. Khái niệm của nội suy phần mềm bắt nguồn từ nội suy phần cứng và nội suy phần cứng được giới hạn để kiểm soát hệ thống đơn giản.
b, Nội suy cứng
Nội suy phần cứng thực hiện việc tính nội suy và tạo ra các xung bằng cách sử dụng một mạch điện. Trong nội suy phần cứng, có thể thực hiện tốc độ cao, nhưng nó là khó khăn để thích ứng với các thuật toán mới hoặc sửa đổi các thuật toán. Trong NC, việc tính toán của nội suy và chương trình phụ thuộc vào phần cứng. Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào phần cứng đã giảm dần do sựra đời của máy tính điều khiển số (CNC) hệ thống.
Phương pháp điển hình cho suy phần cứng sử dụng một DDA (Digital Differential Analyzer) tích hợp. Phương pháp sử dụng tích hợp DDA chuyển thành phiên bản phần mềm và có thể được áp dụng cho CNC hiện đại. Trong phần này, nhà tích hợp DDA sẽ được giới thiệu và phương pháp nội suy sử dụng một phần cứng tích hợp DDA sẽ được giải quyết.
44
Nội suy phần cứng DDA
Nội suy phần cứng sử dụng DDA được dựa vào nguyên lý của một phép lấy tích phân bằng số. DDA là một mạch kỹ thuật số hoạt động là một tích hợp kỹ thuật số và tương tự của một bộ khuếch đại OP trong một mạch tương tự.
Hiểu biết các khái niệm về phép lấy tích phân bằng số nên được đi trước bởi kiến thức về nguyên tắc nội suy. Đưa cho hàm vận tốc V(t), lượng di chuyển S(t) có thể được xấp xỉ bởi tổng hợp các đỉnh của hình chữ nhật hẹp dưới đường cong vận tốc như Hình
3.4
Hình 3.4 Đường cong vận tốc và hình chữ nhật xấp xỉ
Phép nội suy phần cứng DDA, tính toán di dời và vận tốc của mỗi trục dựa trên hình dáng và vận tốc một phần lệnh, có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một máy tích phân DDA. Hình 3.5 cho thấy các mạch cho nội suy tuyến tính và nội suy vòng tròn.
Hình 3.5 Nội suy phần cứng DDA
Nội suy tuyến tính có nghĩa là kiểm soát sự chuyển động tuyến tính từ vị trí bắt đầu cho đến vị trí kết thúc. Nhìn chung, nội suy tuyến tính được thực hiện bởi hai trục đồng thời kiểm soát trên một mặt phẳng 2D hoặc ba trục trong không gian 3D.
45
Tuy nhiên, trong phạm vi nghiên cứu này chỉ nói đến nội suy tuyến tính trên một mặt phẳng 2D.
Khi nội suy tuyến tính 2D được thực hiện, điều quan trọng nhất là sự đồng bộ của hai trục đối với vận tốc và sự di dời.Ví dụ, giả sử rằng trục X di chuyển lớn nhất là A BLU và trục Y di chuyển tối đa B BLU, như Hình 3.5a. Trong trường hợp này, nội suy phần cứng DDA nên tạo ra "xung A cho trục X di chuyển" xung B cho trục Y di chuyển. Tỷ lệ tần số của A đến B nên được duy trì như là không đổi.
Một nội suy phần cứng DDA có thể đáp ứng những điều kiện này có thểđược thiết kế như Hình 3.5b. Trong mạch, trong đó bao gồm hai DDA tích hợp, các trục X và trục Y được tách ra và có thểđược thực hiện đồng thời sử dụng tín hiệu xung giống hệt nhau. Sự di chuyển hoàn toàn của mỗi trục được lưu trữ trong biến V của máy tích phân DDA tương ứng; biến V của nhà tích hợp DDA cho trục X được thiết lập là giá trị'A' và V đăng ký của nhà tích hợp DDA cho trục Y được thiết lập là giá trị 'B'. Các tràn từ mỗi tích phân DDA được tạo ra như trong công thức 3.1 và 3.2. tràn được cho vào đầu vào của các vòng lặp kiểm soát vị trí.
(3.1)
(3.2)
Để nội suy vòng tròn Hình 3.5c, một vị trí bắt đầu, một vị trí cuối cùng, bán kính, và vector từ vị trí bắt đầu đến trung tâm của vòng tròn là cần thiết.
Nội suy vòng tròn phải thoả mãn các phương trình sau đây:
( )2 2 2 R Y R X − + = (3.3) X =(R−cosωt),Y = Rsinωt (3.4) trong đó R là bán kính của hình tròn và ω là vận tốc góc.
Theo cách khác, vận tốc cho mỗi trục có thểđược tính toán và được xác định bởi các công thức sau: R.sin t dt d V x x = =ω ω (3.5) ωR.cosωt dt V dY y = = (3.6) dX = ωRsinωtdt (3.7) ωR.sinωt.d t=−d(R.cosωt) (3.8) t ωR.cosωt.d dY = (3.9) ) t sin . R ( d tdt cos . R ω ω ω = (3.10)
46
c, Nội suy mềm
Trong phần này, các khái niệm và các sơ đồ khối cho thuật toán DDA, các thuật toán xấp xỉ Stairs, và các thuật toán tìm kiếm trực tiếp sẽđược giải quyết. Đây là những thuật toán điển hình cho phương pháp-xung tham chiếu.
Nội suy mềm DDA
Phần mềm nội suy DDA có nguồn gốc từ nội suy phần cứng DDA và các bước thực hiện của họ cũng giống như hoạt động của nội suy phần cứng DDA. Hình 3.6 cho thấy
biểu đồ cho một phần mềm DDA nội suy, Hình 3.6a và Hình 3.6b tương ứng hiển thị nội suy tuyến tính và suy tròn.Trong Hình 3.6a, L biến là một di dời tuyến tính và các biến A và B biểu thị sự dịch chuyển của trục X và Y, và giá trị ban đầu của các biến Q1 và Q2 là số không. Trong Hình 3.6b, các giá trị ban đầu của các biến cũng tương tự như đối với nội suy tuyến tính, các biến R là bán kính của vòng tròn, và các biến P1 và P2 cho vị trí trung tâm khi các điểm bắt đầu của hình tròn là nguồn gốc của sự phối hợp hệ thống.
a) b)
Hình 3.6 Nội suy DDA.
Sau đây là một ví dụ về phần mềm DDA một thuật toán nội suy và một phần của chương trình là một ví dụdưới đây. Các đơn vị chiều dài của chương trình phần ví dụ là BLU và tốc độ một đơn vị là BLU / giây.
G01 X0.Y10.F10
G02 G90 X10. Y0. I0. J-10. F10
Chương trình phần ví dụ biểu thị sự chuyển động tròn trong chiều kim đồng hồ ở góc tọa độđầu tiên và Hình 3.7 cho thấy kết quả của sự nội suy.
47
Hình 3.7 Kết quả của nội suy mềm DDA.
Nội suy Stairs Approximation (SA)
Thuật toán nội suy SA, gọi là nội suy gia tăng, xác định hướng của mỗi bước đi khoảng BLU và gửi các xung với trục liên quan. Trong phần này, nội suy SA cho một vòng tròn sẽđược giải quyết và thuật toán cho một đường thẳng có thểđược dễ dàng xác định từ các thuật toán cho một vòng tròn. Hình 3.8 hiển thịnhư thế nào là nội suy SA cho vòng tròn một ứng với trường hợp có sự chuyển động tròn theo hướng chiều kim đồng hồ ở góc tọa độđầu tiên đối với trung tâm của vòng tròn.
Hình 3.8 Kết quả của nội suy mềm SA
Giả sử rằng công cụnày đạt đến vị trí (Xk,Yk) sau khi lặp thứ i. Trong thuật toán này, Dk biến được tính bằng công thức 3.9.
k2 2
2 k
k X Y R
D = + − (3.11)
Hướng di chuyển của mỗi bước phụ thuộc vào Dk. Ví dụ như đường tròn chuyển động theo chiều kim đồng hồở góc phần tư thứ nhất thuật toán được tính như sau:
Dk < 0: Nghĩa là vị trí của điểm (Xk,Yk) là trong đường tròn trong trư ờng hợp này