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 phải di chuyển trục X theo chiều dương.
48
Dk >0: Nghĩa là vị trí của điểm (Xk, Yk) là ngoài đường tròn trong trư ờng hợp này phải di chuyển trục Y theo chiều âm.
Dk =0: Ta có thể dùng 1 trong 2 cách trên đều được
Sau khi hoàn thành một bước bằng cách áp dụng các quy tắc trên, các vị trí (Xk+1,Yk+1) được cập nhật và thủ tục lặp đi lặp lại cho đến khi công cụ này đạt tới vị trí mong muốn, (Xf,Yf).
Trong thuật toán này, yêu cầu số lượng nhỏ phép tính và không gian bộ nhớ. Số lượng bước lặp có thểtính như sau:
N = |X0 - Xf| + |Y0 - Yf| (3.12) (X0,Y0) : Start Point
49
CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1. Kết cấu của máy phay CNC
Phần cơ khí
Bảo dưỡng hệ thống cơ khí của máy. Làm sạch máy, tra dầu mỡ vào các bộ phận chuyển động, khửdơ các trục chuyển động.
Sửa chữa và thay thế bộ phận chuyển động. Thiết kế, chế tạo lại bánh đai nhỏ của bộ truyền đai răng và giá đỡđộng cơ của hai trục X,Y.
Phần trục chính
Từ động cơ trục chính tới đầu mang dao qua một bộ truyền đai tiếp đó qua một bộ truyền bánh răng côn. Để chuyển từ trục chuyển động ngang sang trục chuyển động thẳng đứng. Tăng tốc độ quay trục chính bằng cách thay đổi tỷ số truyền của bộ truyền đai. Tăng điện dung của tụ kích giúp việc khởi động trục chính dễ dang hơn (trước đây phải quay mồi).
Phần bôi trơn
Đây là máy phay CNC loại nhỏ, chỉ sử dụng trong phòng thí nghiệm, cho nên hệ thống bôi trơn không lớn như hệ thống bôi trơn như các máy công nghiệp, không có bơm dầu, không có hệ thống làm mát dao. Việc bôi trơn cho các cơ cấu truyền động như bàn máy, bộ truyền…. đều sử dụng bằng tay. Hiện tại nhóm đã tiến hành bôi trơn hết tất cả các bàn máy, các trục vitme-bi, trục chính.
Bộ phận thay dao
Hiện tại ở máy này có 6 đầu mang dao có các kích thước : 2mm, 4mm, 6mm, 8mm, 10mm, 14mm
Việc thay dao hoàn toàn bằng tay với mỗi con dao mỗi kích cỡ đều phải dừng máy để thay dao bằng tay. Máy này không có hệ thống thay dao tựđộng
Dao
Máy phay có 3 con dao, một con dao phay ngón 10mm. Một con dao phay cầu r2, một con dao phay cầu r1.
Hệ thống cảm biến
+ Công tắc hành trình.
Nhóm đã thay thế tất cả các công tắc hành trình kết nối nó với phần điện tử để kiểm soát giới hạn của các trục bằng phần điều khiển.
+ Encoder.
• Encoder trục Z: Các đầu ra của encoder trục Z. Có 9 đầu ra, tuy vậy với việc ghép nối như nhóm đang dùng thì chỉ dùng 4 dây.
- Dây đỏ - dương nguồn 5VDC. - Dây đen – đất.
50
- Dây xanh lá cây – đầu ra của kênh A. - Dây xanh da trời - đầu ra của kênh B.
• Encoder trục X, Y. Có 6 đầu ra tuy nhiên theo kiểu kết nối nhóm dùng thì chỉ sử dụng các chân dưới đây
- Dây đỏ - dương nguồn 5VDC. - Dây đen – đất.
- Dây xanh lá cây – đầu ra của kênh A. - Dây xanh da trời - đầu ra của kênh B.
4.2. Các thiết bị điều khiển.
a, Driver
Sử dụng DCS810 của hãng LEADSHINE. Có 3 loại cổng:
Hình 4.1 Driver DCS810
+ Cổng tín hiệu. + Cổng encoder. + Cổng điện áp.
Điện áp sử dụng từ 18 tới 80 VDC
Cổng tín hiệu (Signal) có các chân chức năng sau: Hai chân tín hiệu xung điều khiển tốc độ.
• PUL+ : Tín hiệu xung điều khiển ở mức cao. Chân này được nối vơi chân số 2 của mạch chuyển tiếp. Đồng thời nhận tín hiệu từ trục chính đểđiều khiển tốc độ của động cơ
• PUL - : Tín hiệu xung điều khiển ở mức thấp. Được nối với chân GND của mạch chuyển tiếp.
Hai chân điều khiển chiều quay của động cơ.
•DIR+ : tín hiệu điều khiển hướng ở mức cao.
Với driver cho trục X thì chân này đư ợc nối với chân số 3 của mạch chuyển tiếp. Với hai trục Y và Z thì chân này được nối với chân +5VDC của mạch chuyển tiếp.
• DIR - : tín hiệu điều khiển hướng ở mức thấp.
Với driver cho trục X thì chân này đư ợc nối với chân GND của mạch chuyển tiếp. Với trục Y chân này được nối với chân số 5 của mạch chuyển tiếp. Trục Z chân này được nối với chân số 7 của mạch chuyển tiếp.
51
Việc kết nối như trên là phụ thuộc vào chiều quay của mỗi động cơ tương ứng với chiều chuyển động dương, âm của các trục.
Hai chân cho phép.
•EN + : Chân cho phép hoặc không cho phép ở mức cao.
• EN - : Chân cho phép hoặc không cho phép ở mức thấp.
ở cả 3 driver của 3 trục các chân EN- đều được nối đât, chân EN+ đươc nối với công tắc hành trình. Hoạt động như sau khi công tắc hành trình bật tức là chân EN+ sẽ được nối với dương nguồn khi đó driver sẽ ngắt tín hiệu điều khiển các động cơ.
Cổng Encoder (Encoder).
• E +5V : Chân dương nguồn 5V đưa vào encoder.
• EGND : Chân nối đất.
• EB - : Đầu vào kênh B đảo của encoder.
• EB + : Đầu vào kênh B của Encoder.
• EA + : Đầu vào kênh A của encoder.
• EA - : Đầu vào kênh A đảo của encoder.
Trong 6 đầu nối này thì chỉ sử dụng 4 cổng: E +5V,EGND,EB+,EA+ Cổng điện áp:
• +VDC : Với trục Z sử dụng động cơ có điện áp tối đa là 80V. Ở đây sử dụng nguồn 60VDC. Do đó chân này được nối với nguồn 60VDC. Ở hai trục X,Y sử dụng động cơ dùng được điện áp lớn nhất cho phép là 30VDC, do đó chân này được nối với nguồn 30VDC. Giải điện áp của Driver này khá rộng.
• GND : Chân nối với đất.
• Motor + : Chân này dùng để nối với dây dương của động cơ. Chân này là chân cung cấp nguồn dương cho động cơ.
• Motor - : Chân này dùng để nối dây với dây âm của động cơ. Chân này là chân