Các cách thiết kế chế tạo máy CNC

CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN
1.1. Sơ đồ hệ thống điện điều khiển
Hình 1-1 Sơ đ
ồ hệ thống điện điều khiển
Trên sơ đ
ồ trên bao gồm các khối chính như sau:
 M
ạch điều khiển chính: Nhận lệnh từ phần mềm tr
ên máy tính
đ
ể
đi
ều khiển các chuyển động quay của các động c
ơ; truyền về
máy tính tr
ạng thái hoạt động của máy (thông tin về tọa độ, trạng
thái công t
ắc giới hạn, tín hiệu điều khiển từ bảng điều khiển …).
 Driver: Đ
ộng c
ơ các trục của máy (3 trục X, Y và Z) được sử
d
ụng
là lo
ại động c
ơ bước. Do đó chúng ta phải sử dụng các bộ
driver, có nhi
ệm vụ nhận các tín hiệu xung điều khiển từ bộ điều
khi
ển v
à khuyếch đại và chuyển đổi sang dạng xung điều khiển

chuy
ển động của các động c
ơ.
 Đ
ộng cơ các trục X, Y và Z: Sử dụng động c
ơ bư
ớc truyền
chuy
ển động quay cho các trục vit me tương ứng với góc bước
quay xác đ
ịnh.
 Đ
ộng c
ơ phay: Động cơ phay mang mũi dao cắt, quay với tốc
đ
ộ cao để thực hiện cắt vật liệu.
 B
ảng điều khiển: Gồm các nút điều khiển dùng để hiệu chỉnh
máy, công t
ắc dừ
ng kh
ẩn để dừng máy khi gặp sự cố.
 Công t
ắc giới hạn: Hành trình của các trục được giới hạn trong
ph
ạm vi nhất định, sử dụng các công tắc giới hạn để báo cho bộ
đi
ều khiển các vị trí giới hạn của các trục.
 K
ết nối máy tính: Thực hiện truyền lệnh điều khiển

t
ừ phần
m
ềm tr
ên máy tính xuống bộ điều khiển. Bao gồm các lệnh: Lệnh
hi
ệu chỉnh máy, lệnh gia công … V
à truyền về máy tính các trạng
thái c
ủa bộ điều khiển (tọa độ các trục, trạng thái công tắc giới
h
ạn …).
Các kh
ối này được bố trí trong hộp thép, người
dùng có th
ể thao tác
v
ới các nút điều khiển ở trên mặt trước, kết nối với động cơ, công tắc, máy
tính đ
ều bố trí ở mặt sau.
1.2. Thiết kế hệ dẫn động các trục máy
1.2.1. Trục chính
1.2.1.1. Lựa chọn trục chính
Tr
ục chính máy công cụ đóng vai trò quan trọng trong các quá trình
gia công vì nó cung c
ấp tốc độ cắt cho dao và là một phần của chuỗi truyền
l
ực giữa máy công cụ và dụng cụ hoặc chi tiết. Tùy theo loại máy mà trục
chính có nh

ững đặc tính khác nhau. Đối với máy tiện, trục chính mang chi
ti
ết và cấp tốc độ cắt. Khi khoan v
à phay thì tr
ục chính quay
, dao đư
ợc lắp
trên nó đ
ể tạo ra tốc độ cắt. Trục chính của máy công cụ là đối tượng mà các
nhà ch
ế tạo đã và
đang t
ập trung nghiên cứu hoàn thiện và phát triển
.
Các thành ph
ần cơ bản của một trục chính là bộ phận gá dao, đòn kéo,
tr
ục, các ổ đỡ, hệ thống dẫn động, hệ thống làm mát và thân. Có một số loại
h
ệ thống dẫn động, về cơ bản nó bao bao gồm một động cơ, trực tiếp hoặc
gián ti
ếp, đi đôi với trục chính. Trên hình 1 là hai dạng trục chính máy công
c
ụ gia công cao tốc, một loại
đư
ợc dẫn động gián tiếp thông qua bộ truyền
đai (belt-driven) còn lo
ại kia được dẫn động trực tiếp từ một động cơ được
tích h
ợp trên trục (motorized).

D
ẫn động trục chính là cơ cấu cung cấp và truyền chuyển động đến
tr
ục chính, bao gồm động cơ và khớp nối
. B
ằng cách này, tốc độ quay, mo
men xo
ắn và công suất sẽ được truyền đến dụng cụ nhờ cơ cấu kẹp dao. Nói
chung, có b
ốn loại trục chính phụ thuộc vào dạng dẫn động được sử dụng,
bao g
ồm loại dẫn động đai, dẫn động bánh răng, dẫn động trực tiếp và dẫn
đ
ộng
tích h
ợp.
Có nhi
ều kiểu dẫn động trục chính:
+ Dẫn động trục chính bằng đai.
+ D
ẫn động trục chính bằng bánh răng.
+ D
ẫn động trục chính trực tiếp.
+ D
ẫn động trục chính kiểu tích hợp.
V
ới mô hình thiết kế, để đảm bảo thiết kế hệ thống máy có kích thước
nh
ỏ gọn, nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về chế độ gia công. Ta chọn
phương án d

ẫn động trục chính trực tiếp. Ưu điểm của phương án này là:
Các tr
ục chính được dẫn động trực tiếp đạt hiệt suất truyền công suất từ
đ
ộng cơ đến dao gần 100%, có thể làm việc ở tố
c đ
ộ quay cao.
H
ệ thống
truy
ền động này ứng xử tốt về mặt rung động, có nghĩa là có thể đạt các tốc
đ
ộ cao và vẫn đạt được độ bóng bề mặt tốt. Tuy nhiên, vì truyền động thẳng
nên mô men xo
ắn đạt được không cao khi hoạt động ở tốc độ thấp, không có
xích truy
ền động nên không thể tăng mô men xoắn một cách cơ học để đáp
lại sự giảm tốc độ động cơ.
1.2.1.2. Đặc tính kỹ thuật
Dải tốc độ làm việc: 24000 vòng/phút.
Tần số: 400Hz
Công su
ất:
800W.
Mô men xo
ắn lớn nhất:
1.20 N.m
Làm mát: nư
ớc.
Kh

ối l
ượng:
6.8 Kg.
1.2.1.3. Điều khiển động cơ trục chính
Đ
ộng c
ơ trục chính là loại ba pha, điều tốc bằng biến tần
và tích h
ợp
v
ới bo mạch điều khiển chính.
Ch
ức năng điều khiển trục chính gồm: bật/tắt
đ
ộng c
ơ, đảo chiều trục chính, điều tốc thay đổi tốc độ vô cấp (từ 0 ÷ 24,000
vòng/phút).
Như v
ậy, đầu vào biến tần có 3 đường điều khiển, điều khiển bật/tắt
và đảo chiều nối với tiếp điểm rơ le đầu ra của bo mạch điều khiển; chỉnh
t
ốc độ bằng điện áp một chiều (0 ÷ 10V) nối với đầu ra của mạch chuyển đổi
s
ố
- tương t
ự (DAC) trên bo mạ
ch đi
ều khiển.
Ho
ạt động điều khiển được thao tác trên phần mềm, theo lệnh trong

chương tr
ình gia công hoặc bảng điều khiển trên mặt máy.
1.2.2. Trục cơ sở
Các đ
ộng cơ dẫn động ba trục đều sử dụng động cơ bước, là loại động
cơ có th
ể điều khiển chuyển động quay t
heo góc bư
ớc xác định. Ưu điểm
c
ủa động cơ bước là: khả năng điều khiển vi bước, bước quay của động cơ
có th
ể là 1.8
0
÷ 0.056
0
. Tính năng này phù h
ợp với việc điều khiển trục máy
CNC khi c
ần quay góc chính xác, tỷ số truyền nhỏ mà không phải dùng cơ
c
ấu gi
ảm tốc n
ào. Khi dừng, động cơ vẫn duy trì mômen “giữ” để giữ các
tr
ục quay cố định. Tuy nhiên động cơ bước có nhược điểm là: Mạch điều
khiển phức tạp, dòng điều khiển cao, khó đạt được tốc độ cao …
Hai tr
ục X v
à Y là trục dẫn động chính, có tải lớn nên cần

đ
ộng c
ơ
công su
ất cao. Trong đề t
ài này tôi chọn động cơ cho trục X và Y có thông
s
ố nh
ư sau:
 Hãng s
ản xuất:
Sanyo.
 Lo
ại động cơ:
2 pha.
 Góc bư
ớc:
1.8
0
.
 Mômen gi
ữ:
1.17 (N.m).
 Dòng
điện định mức:
3 (A/pha).
 Kh
ối l
ượng:
0.7 (Kg).

Đ
ộng c
ơ trục Z
làm vi
ệc với tải trọng ít h
ơn, nên động cơ được chọn
có công su
ất nhỏ h
ơn, các thông số chính như sau:
 Hãng s
ản xuất:
Sanyo.
 Lo
ại động cơ:
2 pha.
 Góc bư
ớc:
1.8
0
.
 Mômen gi
ữ:
0.83 (N.m).
 Dòng
điện định mức:
2 (A/pha).
 Kh
ối l
ượng:
0.65 (Kg).

Đ
ộng c
ơ bư
ớc l
à loại động cơ đặc biệt, do đó cần thêm khối driver
đi
ều khiển nhằm chuyển tín hiệu xung điều khiển (công suất thấp) th
ành
d
ạng tín hiệu điều khiển động c
ơ (công suất cao). Trong các ứng dụng đòi
h
ỏi cần momen lớn, sử dụng động c
ơ bước loại lưỡng c
ực th
ì có l
ợi về
momen g
ấp đôi so với loại đ
ơn cực. Tuy nhiên thiết kế mạch điều khiển lại
đ
òi h
ỏi nhiều kỹ thuật phức tạp và chi phí lại khá cao. Vì vậy trong đề tài
này, tôi ch
ỉ sử dụng loại động c
ơ đơn cực, khả năng điều khiển động có có
dòng
đ
ịnh mức đ
ến 5A v

à kh
ả năng điều khiển vi bước đạt được 7 cấp: Toàn
bư
ớc, nửa b
ước, chia 4, chia 5, chia 8, chia 10 và chia 16 bước. Qua nghiên
c
ứu và thực nghiệm, chúng tôi quyết định sử dụng chế độ chia 10 để đảm
b
ảo momen đạt được lớn nhất mà vẫn đạt được tốc độ
cao.
Driver đi
ều khiển động cơ bước có thông số như sau:
Hình 1-2 Driver đi
ều khiển động cơ bước
 Đi
ện áp tối đa 85VDC.
 Dòng l
ớn nhất mỗi pha 5A.
 T
ần số xung lớn nhất 80kh
z.
 Ch
ức năng hạn chế dòng 50% khi không có xung điều khiển
trong kho
ảng thời gian 2s để giảm nhiệt cho động cơ.
1.3. Thiết kế hộp điều khiển
H
ộp điều khiển bao gồm các module điều khiển hoạt động của máy,
đư
ợc bố trí trong hộp kín

M
ạch điều khiển chính l
à khối
đi
ều khiển to
àn bộ hoạt động của máy.
M
ạch điều khiển thực hiện các nhiệm vụ chính l
à:
 Khi hi
ệu chỉnh máy: Xuất xung điều khiển chuyển động các
tr
ục đến những vị trí xác định, hiệu chỉnh gốc tọa độ, điều khiển
đóng/ng
ắt động cơ phay …
 Khi th
ực hiện gia côn
g: Nh
ận lệnh G Code từ máy tính, thực
hi
ện nội suy (nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn) để xuất
xung đi
ều khiển dịch chuyển các trục tương ứng. Các lệnh G
-
Code c
ũng có thể được lưu trữ trên mạch điều khiển để thực hiện
gia công mà không cần kết nối với máy tính. Đồng thời mạch
điều khiển truyền về máy tính các thông số trạng thái của máy.
Hình 1-3 Các kh
ối chứ năng trong bo mạch điều khiển

Hình v
ẽ trên biểu thị các khối chính trong mạch điều khiển. Tru
ng tâm
c
ủa mạch điều khiển là bộ vi xử lý, thực hiện mọi hoạt động điều khiển của
m
ạch. Vi xử lý liên kết với các khối chức năng thông qua các cổng truyền dữ
li
ệu để thực hiện các chức năng như:
 K
ết nối với khối truyền thông USB: truyền tín hiệu điều khiển
hai chi
ều giữa vi xử lý v
à máy tính qua đường truyền USB, bao
g
ồm: tín hiệu điều khiển (Đóng/ngắt động c
ơ, dịch chỉnh các trục,
d
ừng khẩn …) v
à dữ liệu (lệnh gia công G
-Code, thông s
ố c
ài đặt
ph
ần cứng …). Sử dụng đ
ường truyền giao tiếp USB có ưu điểm
là t
ốc độ truyền cao, ổn định v
à chống nhiễu tốt.
 K

ết nối với khối lưu trữ EEPROM: Chương trình gia công có
th
ể được lưu trữ trên bộ nhớ của mạch điều khiển. Bộ nhớ
EEPROM có dung lư
ợng nhỏ (512 KB) nhưng có thể lưu trữ
chương trình ngay cả khi mất nguồn điện. Chương trình lưu trữ
trên bộ nhớ có thể dùng để thực hiện gia công khi không cần kết
n
ối với máy tính.
 L
ệnh G
-Code truy
ền đến bộ vi xử lý, được nội suy và xuất các
xung đi
ều khiển động cơ, các xung này thông qua bộ đệm đầu ra
(khuy
ếch đại tín hiệu) và t
ruy
ền tới các trục tương ứng.
 Tín hi
ệu đầu vào (thông qua bộ đệm đầu vào) luôn được kiểm
soát, nh
ằm đảm bảo máy hoạt động trong phạm vi giới hạn cho
phép. Tín hi
ệu dừng khẩn nhằm dừng toàn bộ hoạt động của máy
khi g
ặp sự cố bất ngờ.
1.4. Bảng điều khiển máy
Trên h
ộp điều khiển có bố trí các công tắc điều khiển nguồn cấp cho

các b
ộ phận của máy: Công tắc nguồn chung, công tắc nguồn động cơ trục
chính, công t
ắc nguồn động cơ trục. Tại mỗi công tắc có bố trí một đèn báo
đ
ể báo trạng thái của công tắc.
Ngoài ra, trên m
ặt máy cũng bố trí công tắc dừng khẩn. Công tắc có
chức năng tự giữ trạng thái khi đóng (muốn mở công tắc phải xoay núm
công t
ắc theo chiều mũi t
ên). Do đó khi gặp sự cố đối với hoạt động của
máy, nh
ấn công tắc dừng khẩn th
ì bộ điều khiển tạm dừng hoạt
đ
ộng, nguồn
c
ủa các động c
ơ được ngắt để đảm bảo máy dừng hoàn toàn. Sau khi khắc
ph
ục sự cố, mở công tắc dừng khẩn và thiết lập lại bộ điều khiển để tiếp tục
gia công.
1.5. Công tắc giới hạn
Tr
ục vít me chỉ có khoảng công tác nhất định, trường hợp đai ốc chạy
quá hành trình s
ẽ gây nên tình trạng kẹt làm ảnh hưởng trực tiếp đến vit me
– đai
ốc, động cơ và cả chi tiết gia công. Do yêu cầu đó, ta cần bố trí các

công t
ắc giới hạn nhằm hạn chế hành trình chuyển động trên các trục trong
ph
ạm vi cho phép.
Công t
ắc g
i
ới hạn còn có tác dụng xác định vị trí gốc “0” của máy. Tại
v
ị trí đó, tọa độ máy trên các trục đều là tọa độ gốc. Do yêu cầu cao về định
v
ị chính xác, ta sử dụng hệ thống công tắc quang. Công tắc quang có ưu
đi
ểm là độ chính xác đóng/mở cao, hoạt động th
eo nguyên lý quang nên
không có lực tiếp xúc, hoạt động tin cậy vì không còn tiếp điểm điện. Bố trí
công t
ắc quang tr
ên phần cố định của trục, phần di động mang một lá chắn
quang có th
ể chuyển động chạy qua phần r
ãnh chữ U của công tắc quang.
Hình 1-4 Công t
ắc quang
Hình 1-5 Cách b
ố trí công tắc quang
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN
Ph
ần mềm điều khiển bao gồm: phần mềm trên mạch điều khiển của
máy và ph

ần mề
m trên máy tính.
 Ph
ần mềm tr
ên mạch điều khiển có nhiệm vụ chính là nhận
l
ệnh gia công v
à thực hiện nội suy để xuất xung điều khiển động
cơ bư
ớc ở các trục. Ngo
ài ra còn thực hiện các nhiệm vụ truyền
thông v
ới máy tính, điều khiển động c
ơ trục chính, chọn
g
ốc tọa
đ
ộ, kiểm soát trạng thái các đầu v
ào …
 Ph
ần mềm trên máy tính có nhiệm vụ chính là truyền các lệnh
gia công đến mạch điều khiển của máy, hiển thị các thông tin
trạng thái gia công, thực hiện hiệu chỉnh máy.
2.1. Thuật toán nội suy trên phần mềm mạch điều khiển
M
ạch điều khiển cần phải xây dựng thuật toán nội suy (đ
ường thẳng
và cung tròn)
để đọc trực tiếp lệnh gia công G
-Code. Các l

ệnh gia công có
th
ể được truyền lần lượt từ phần mềm máy tính, hoặc có thể được lưu trữ
trong b
ộ nhớ EEPROM trên mạch điều
khi
ển của máy. Trong đề tài này, tôi
ch
ỉ sử dụng thuật toán nội suy đường thẳng để thực hiện lệnh gia công G00
và G01. L
ệnh nội suy cung tròn G02, G03 đã được phần mềm trên máy tính
chuy
ển đổi thành các lệnh nội suy đường thẳng G01 nhằm làm đơn giản
thu
ật
toán trên m
ạch điều khiển.
Các tr
ục máy đều điều khiển bằng động cơ bước, do đó tương ứng với
m
ỗi
xung, đ
ộng cơ dịch chuyển trục đi một khoảng cố định rất nhỏ. Giả sử
n
ếu ta sử dụng trục vít me có bước ren bằng 2mm, động cơ bước chạy với
ch
ế độ vi bước 1/10 (một vòng quay của động cơ chia làm 200 * 10 = 2000
bư
ớc nhỏ) tương ứng với khoảng dịch chuyển
)(001.0

2000
2
mm
mm
l 
. Ta có th
ể
xem như tọa độ máy được chia lưới ô vuông nhỏ có kích thước bằng khoảng
d
ịch chuyển nhỏ nhất của trục máy. Thuật toán nội suy trở nên đơn giản hơn
b
ằng việc tính toán hành trình dịch chuyển theo bước gần trùng với hành
trình d
ịch chuyển thực tế nhất. Có nhiều thuật toán nội suy đã được ứng
d
ụng trong thực tế, sau đây tôi xin trình bày một số thuật toán tối ưu nhất.
2.1.1. Thuật toán nội suy Digital Differential Analys (DDA)
Hình 2-1 Sơ đ
ồ thuật toán nội suy DDA
Gi
ả sử cần thực hiện dịch chuyển vị trí trong mặt phẳng xOy từ điểm
có t
ọa độ (0,0) đến điểm có tọa độ (x,y). Khoảng dịch chuyển theo trục X là
b
ằng a xung, dịch chuyển theo trục Y là bằng b xung. Chiều dài đoạn thẳng
d
ịch ch
uy
ển là
)(

22
baL 
.
Đ
ộ phân giải của động cơ bước
)/(1000
2
2000
mmxungd 
,
T
ốc độ dịch chuyển F (mm/phút) vậy tần số phát xung là
)(
60
Hz
dF
f 
v
ới d là độ phân giải động cơ bước và F là tốc độ dịch chuyển.
Chu k
ỳ phát xung là
)(
60
giây
dF
T 
Ta s
ử dụng bốn thanh ghi của vi xử lý để nạp các giá trị. Giá trị số
xung a đư
ợc nạp vào thanh ghi p

x
, s
ố xung b được nạp vào thanh ghi p
y
. Hai
thanh ghi đ
ệm q
x
và q
y
ban đ
ầu đều bằng 0. Vi xử lý thực hiện tính toán theo
chu k
ỳ cố định
v
ới tần số
f, m
ỗi lần thực hiện tính toán sẽ xuất xung điều
khi
ển động cơ. Tại mỗi lần tính toán, giá trị của thanh ghi p
x
đư
ợc cộng vào
thanh ghi q
x
, khi giá tr
ị trong thanh ghi q
x
≥ L thì xuất một xung ra động cơ
X và giá tr

ị trong thanh ghi q
x
b
ằng q
x
= q
x
– L. T
ần số xung xuất cho động
cơ X là
)(Hz
L
fa
. Tương t
ự vậy, tại mỗi chu kỳ tính toán, giá trị thanh ghi p
y
đư
ợc cộng vào thanh ghi q
y
. Khi giá tr
ị q
y
≥ L th
ì xuất một xung ra động cơ
Y và giá tr
ị thanh ghi q
y
b
ằng q
y

– L. T
ần số xung x
u
ất cho động cơ Y là
)(Hz
L
fb
. T
ổng hợp hai chuyển động này ta đạt được tốc độ bước
)(
)(
22
Hzf
L
baf


. Th
ực hiện nội suy ba trục, ta chỉ thêm thanh ghi p
z
và
q
z
, tính toán tương tự như trên.
Ví d
ụ cần dịch chuyển từ tọa độ ban đầu (Xa,
Ya) = (0,0) đ
ến vị trí
(Xb,Yb) = (3,4). Thu
ật toán nội suy đ

ược thực hiện như bảng sau:
Xung
đ
ồng hồ
Px
Py
Qx
Qy
Xung
đ
ộng c
ơ
X
Xung
đ
ộng c
ơ
Y
1
3
4
3
4
0
0
2
3
4
6
8

1
1
3
3
4
4
7
0
1
4
3
4
7
6
1
1
5
3
4
5
5
1
1
0 1
2
3
4
0
1
2

3
4
Y
X
5
5
Thu
ật toán tr
ên có ưu điểm là đơn
gi
ản, thích hợp với vi xử lý tốc độ
th
ấp, đ
ường nội suy gần giống với đường thực tế. Tuy nhiên do có phép tính
s
ố thực
)(
22
baL 
nên th
ời gian tính toán nhiều h
ơn so với phép tính số
nguyên.
2.1.2. Thuật toán đường thẳng Bresenhem
Thu
ật toán n
ày đượ
c Bresenhem đ
ề xuất đển chuyển đổi đ
ường thẳng

s
ử dụng tính toán theo số tăng của số nguy
ên để thích ứng với vẽ các đường
tròn và các biên d
ạng cong khác. Bắt đầu từ điểm cuối phía b
ên trái của hệ
t
ọa độ (x0,y0), dịch từng bước theo cột (trục x) và tính to
án giá tr
ị y theo số
nguyên g
ần đường thẳng nhất. giả sử chúng ta xác định được vị trí điểm tại
(xk,yk), bư
ớc tiếp theo là tính toán đến vị trí kế tiếp với tọa độ xk+1.
Có hai ch
ọn lựa là (x
k
+ 1,y
k
) và (x
k
+ 1,y
k
+ 1) v
ới hai giá trị d
1
(chênh l
ệch dướ
i) và d
2

(chênh l
ệch trên).
 
1
1
k k k
d y y m x b y     
   
2
1 1 1
k k k
d y y y m x b       
 
1 2
2 1 2 2 1
k k
d d m x y b     
Ta đưa vào tham s
ố:
 
1 2 k
2 yx 2
k k
p x d d xy c       
Dấu của p
k
cùng dấu với d1-d2 khi
0x 
với hằng số
 

2 2 1c y x b    
.
Như v
ậy điểm yk gần đường thẳng hơn tại điểm yk+1, nếu d1>d2 thì
pk âm.
T
ại b
ước thứ k + 1, tham số
1 k k
2 yx +1-2 xy +1+c
k
p

  
 
 
1 k+1 k k+1
2 y x -x -2 x y
k k
p pk y

    
Vì
1
1
k k
x x

 
nên

 
1 k+1
2 y-2 x y
k k k
p p y

    
Ở đây
1k k
y y


ch
ỉ có giá trị 0 hoặc 1 phụ thuộc vào dấu của p
k
.
Tham s
ố đầu tiên được tính trực tiếp
 
0 k k k
2 yx -2 xy +c=2 yx -2 y+ x 2b-1p      
Khi (x0,y0) th
ỏa m
ãn công thức của đường thẳng thì ta có:
0 0
y
y x b
x

 


K
ết hợp hai công thức ta có
0
2p y x   
H
ằng số
2 y
và
2 2y x  
đư
ợc tính một lần trong quá tr
ình tính
toán
Như v
ậy quá trình tính toán có thể tóm lược lại như sau:
Ch
ọn điểm đầu bên trái của đường thẳng (x0,y0), tính toán các hằng
s
ố
x
,
y
,
2 y
và
2 2y x  
Tính giá tr
ị tham số
0

2p y x   
v
ới mỗi điểm xk dọc trên đường
th
ẳng bắt đầu tại k = 0, kiểm tra nếu p
k
<0, đi
ểm tiếp theo là (x
k
+ 1,y
k
) và
1
2 y
k k
p p

  
; n
ếu pk>0 thì điểm tiếp theo là (x
k
+ 1,y
k
+1) và
1
2 y-2 x
k k
p p

   

. Ti
ếp tục lặp lại các bước trên
x
l
ần.
2.1.3. Thuật toán nội suy trên máy vẽ (Plotter)
S
ử dụng thuật toán n
ày phù hợp với phần
c
ứng vi xử lý tr
ên mạch
đi
ều khiển h
ơn. Thuật toán đơn giản, chính xác và tốc độ tính toán nhanh
trên các s
ố nguy
ên.
Gi
ả sử cần thực hiện lệnh
G01 (X1,Y1,X3,Y3) F
Trong đó X1,Y1 là t
ọa độ điểm đầu.
X3,Y3 là t
ọa độ điểm cuối.
F t
ốc độ dịch chuyển.
Bư
ớ
c 1: Kh

ởi tạo các biến. Đặt tọa độ tương đối (X2,Y2) của dao tại
đi
ểm (0,0). Tức là vị trí dao đang ở vị trí ban đầu (X1,Y1).
Bư
ớc 2: Tính toán chiều dịch chuyển của các trục. Khi dịch chuyển
theo m
ột đoạn thẳng, chiều dịch chuyển phụ thuộc vào tọa độ điểm
đ
ầu và
đi
ểm cuối. Đặt hai biến DX = X3
-X1; DY = Y3-Y1. Chi
ều dịch chuyển trục
X ph
ụ thuộc vào DX, chiều dịch chuyển trục Y phụ thuộc vào DY.
Bư
ớc 3: Tính toán giá trị sai lệch giữa |DX| và |DY|. Đặt biến FXY =
|DX| - |DY|.
Bước 4: Thực hiện xuất xung điều khiển, hoàn thành khi đạt đến tọa
đ
ộ của điểm cuối. Tại mỗi chu kỳ tính toán.
 N
ếu dấu của FXY>0 thì dịch chuyển trục X đi một bước theo
chi
ều dịch chuyển tính toán ở bước 2. Giá trị FXY = FXY
– DY,
giá tr
ị X2 = X2 + 1.
 N
ếu dấu của FXY<0 th

ì dịch chuyển t
r
ục Y đi một b
ước theo
chi
ều dịch chuyển tính toán ở b
ước 2. Giá trị FXY = FXY
– DX,
giá tr
ị Y2 = Y2 + 1.
 N
ếu X2 = DX và Y = DY thì vị trí dao đã dịch chuyển đến tọa
đ
ộ cuối và thoát khỏi vòng lặp.
Ví d
ụ cần dịch chuyển từ vị trí (0,0) đến vị trí (3,
-7), ta có b
ảng trạng
thái sau:
Xung
đ
ồng hồ
FXY
X2
Y2
Xung
đ
ộng cơ X
Xung
đ

ộng cơ Y
1
-4
0
0
0
-1
2
-1
0
1
0
-1
3
2
0
2
1
0
4
-5
1
2
0
-1
5
-2
1
3
0

-1
6
1
1
4
1
0
7
-6
2
4
0
-1
8
-3
2
5
0
-1
9
0
2
6
0
-1
10
3
2
7
1

0
-1
0
1
2 3
0
-1
-2
-3
-4
Y
X4
-5
-6
-7
Quan sát trên hình vẽ, dịch chuyển các trục là không đồng thời nên
biên d
ạng dịch chuyển gấp khúc. Khi thực hiện chạy máy sẽ x
ãy ra chuyển
đ
ộng giật v
à hành trình dịch chuyển không gần giống với hành trình dịch
chuy
ển thực tế so với ph
ương pháp nội suy DDA. Do đó, tôi chọn thuật toán
n
ội suy đ
ường thẳng DDA để xử lý trên mạch điều khiển.
2.2. Điều khiển chuyển động các trục
Đi

ều khiển chuyển động của động cơ trục cần phải đảm bảo chuyển
đ
ộng êm dịu, và hạn chế thấp nhất ảnh hưởng của giật do động cơ bước. Vì
v
ậy, tốc độ chuyển động của các
tr
ục cần phải điều khiển có gia tốc, tốc độ
tăng d
ần

Ổn định
 Gi
ảm dần. Như vậy biểu đồ vận tốc có dạng hình
thang tương
ứng với giai đoạn tăng tốc
-
ổn định
– gi
ảm tốc.
Hình 2-2 Hai biên d
ạng vận tốc đ
ặc tr
ưng trong điều khiển chuyển
động các trục máy
Trong thực tế, việc điều khiển tốc độ của động cơ bước là kiểm soát
chu k
ỳ phát xung cấp cho động c
ơ. Chu kỳ phát xung dài thì tốc độ của động
cơ nh
ỏ, v

à ngược lại chu kỳ phát xung ngắn thì tốc độ của động
cơ nhanh
hơn.
Đ
ộng c
ơ quay với tốc độ là hằng số, xung cấp cho động cơ được phát
ra v
ới chu kỳ đều nhau. Trong vi xử lý, ta d
ùng định thời để tạo bộ phát
xung chu
ẩn, chu kỳ xung phát ra
t
t
f
c
ctt 
(giây).
Trong đó:
t
Chu k
ỳ xung.
c giá tr
ị bộ đếm trong bộ định thời.
t
t
th
ời gian trễ của một đ
ơn vị định thời.
f
t

t
ần số của một đ
ơn vị định thời.
N
ếu nạp giá trị bộ đếm c l
à một hằng số, xung phát ra có chu kỳ là
m
ột hằng số. Khi đó động c
ơ quay với tốc độ đều. Để thay
đ
ổi tốc độ, ta
thay đ
ổi giá trị bộ đếm sau mỗi lần phát xung. Giá trị bộ đếm giảm dần

t
ốc độ động cơ tăng dần do chu kỳ phát xung giảm dần. Giá trị bộ đến tăng
d
ần
 t
ốc độ động cơ giảm dần do chu kỳ phát xung tăng dần.
T
ốc độ quay của động cơ

(rad/giây) đư
ợc tính bằng công thức:

là góc bư
ớc của động c
ơ tính bằng radian (1rad =


180
=57.3 đ
ộ).
Gia t
ốc góc


(rad/giây
2
) khi thay đ
ổi giá trị bộ đếm c
1
đ
ến c
2
là:
Yêu c
ầu điều khiển tốc độ của động cơ tăng/giảm tuyến tính thì gia
t
ốc góc phải là một hằng số và ta có mối liên hệ
tt .)( 


. L
ấy tích phân sẽ
đư
ợc góc bước của trục động cơ tại thời điểm t:
Trong đó n là số bước. khi đó trục của động cơ đư ợc tính
 .n
.

Th
ời gian trễ (thời gian giữa hai xung kế tiếp) cần thiết cho xung phát
ra th
ứ n là:
Khi đó giá tr
ị bộ đếm cần nạp cho xung thứ n là:
Giá tr
ị bộ đếm tính theo công thức:
Công th
ức trên có phép tính khai căn, đối với
vi x
ử lý nhỏ thì ảnh
hư
ởng đến tốc độ tính toán. Do đó ta sử dụng công thức gần đúng như sau:
Chu
ỗi Taylo
Ta có:
ho
ặc
Như v
ậy, giá trị bộ đếm có thể được tính theo công thức sau:
Theo phương pháp trên, biên d
ạng tốc độ của động cơ được điều
khiển nh
ư sau:
Hình 2-3 Biên d
ạng tốc độ khi điều khiển có gia tốc
2.3. Phần mềm điều khiển trên máy tính
Hình 2-4 Ph
ần mềm điều khiển tr

ên máy tính
Ph
ần mềm đ
ược
vi
ết bằng ngôn ngữ lập tr
ình Visual C++, giao diện
đơn gi
ản dễ thao tác. Cấu trúc phần mềm gồm 4 phần:
 Ph
ần hiệu chỉnh máy: Bố trí các thanh công cụ bên trái dùng để
hi
ệu chỉnh máy như: Dịch chỉnh tinh tọa độ các trục, đặt tọa độ
bù, đi
ều khiển đầu ra độn
g cơ tr
ục chính, hệ thống làm mát …
 Ph
ần quản lý lệnh gia công: File gia công đ
ược nạp vào phần
m
ềm đ
ược hiển thị từng dòng lệnh phía bên phải. Toàn bộ thông
tin v
ề file (số d
òng lệnh, dung lượng, kích thước vùng gia công)
đư
ợc liệt k
ê. Khi thực hiện gia c
ông, l

ệnh gia công hiện h
ành
đư
ợc hiển thị tr
ên thanh trạng thái phía dưới.
 Ph
ần màn hình đồ họa: Khi nạp lệnh gia công cho phần mềm,
biên d
ạng gia công được hiển thị trên màn hình đồ họa.
 Ph
ần cài đặt các thông số máy: Tốc độ chạy dao (cấp nhanh,
c
ấp bìn
h thư
ờng, cấp chậm), tọa độ bù, thông số (số bước/mm)
c
ủa từng trục …
2.3.1. Phần hiệu chỉnh máy
Hình 2-5 Các công c
ụ tr
ên giao diện phần mềm
Ph
ần tr
ên cùng điều khiển trạng thái của các cổng đầu ra, bao gồm
c
ổng
xu
ất xung PWM (chỉ sử dụng điều khiển đầu cắt laser), v
à ba cổng ra
d

ạng tiếp điểm r
ơle. Trong đề tài sử dụng cổng OUT1 điều khiển trục chính,
c
ổng OUT2, OUT3 có thể điều khiển hệ thống l
àm mát bằng nước. các trạng
thái đ
ầu v
ào của các công tắc giới hạn c
ũng đ
ư
ợc thể hiện trên màn hình.
Hi
ệu chỉnh máy có thể dịch chuyển các trục đi một bước nhất định.
Nh
ấn vào các nút tương ứng với trục, sẽ làm dịch chuyển đi một bước đặt
trư
ớc đối với trục tương ứng.
Đ
ặt tọa độ Offset: tọa độ bù là tọa độ cộng thêm vào sa
o cho v
ị trí tại
đó là g
ốc tọa độ của chương trình, tọa độ máy tại đó có giá trị đúng bằng tọa
đ
ộ bù. Ta có thể đặt được sáu tọa độ bù khác nhau, và khi thực thi chương
trình gia công g
ọi lệnh đặt tọa độ bù (G54
– G59), máy s
ẽ đặt tọa độ bù
tương

ứng.
2.3.2. Phần quản lý lệnh gia công
Khi th
ực hiện gia công phải tải file G
-Code vào chương tr
ình, các lệnh
gia công đư
ợc lọc và xử lý cho phù hợp với máy. Đồng thời, tính toán để
chuy
ển đổi đơn vị đo theo chiều dài (mm) thành đơn vị đo theo xung bước
c
ủa động cơ.
Khi th
ực hiện chạy lệnh gia công, các lệnh G
-Code đư
ợc truyền lần
lư
ợt xuống máy. Khi máy thực hiện gia công xong một lệnh sẽ báo về phần
m
ềm để gửi lệnh tiếp theo.
M
ạch điều khiển trên máy có thể nhận được các lệnh sau:
 G0 Ch
ạy dao nhanh.
 G1 N
ội suy đ
ường th
ẳng.
 G54 – G59 đặt tọa độ bù.
 M2 Kết thúc chương trình.

 M3, M4, M5 Đi
ều khiển động cơ trục chính.
 M6 L
ệnh thay dao.
 M7 B
ật hệ thống làm mát.
 M9 T
ắt hệ thống làm mát.
 M30 K
ết thúc ch
ương trình, dịch chuyển dao cắt về vị trí chờ.