Nghiên cứu, cải tiến máy phay điều khiển bằng PLC phục vụ cho công tác đào tạo tại trường cao đẳng công nghiệp việt đức

2

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT - ĐỨC











BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI


NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN MÁY PHAY ĐIỀU KHIỂN
BẰNG PLC PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC ĐÀO TẠO
TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT ĐỨC


Mã số: 109.11RD/HĐ-KHCN

Chủ nhiệm đề tài: Thạc sỹ VŨ XUÂN VƯỢNG

9138




THÁI NGUYÊN - 2011


3

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT - ĐỨC






TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN MÁY PHAY ĐIỀU KHIỂN
BẰNG PLC PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC ĐÀO TẠO
TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT ĐỨC



Thực hiện theo hợp đồng số: 109.11RD/HĐ-KHCN ngày 23 tháng 03 năm 2011,
giữa Bộ Công Thương và Trường Cao đẳng Công nghiệp Việt - Đức



Người chủ trì thực hiện nhiệm vụ: Thạc sỹ Vũ Xuân Vượng

Danh sách các thành viên tham gia:
1. Ông Vũ Xuân Vượng Hiệu trưởng – chủ nhiệm đề tài
2. Ông Lê Hồng Phương Phó hiệu trưởng - Ủy viên
3. Ông Phạm Văn Thắng Phó hiệu trưởng - Ủy viên
4. Ông Nguyễn Đức Sinh Trưởng phòng QLKH-HTQT - Ủy viên thư ký
5. Ông Nguyễn Ngọc Đương Trưởng phòng KT-KĐCL - Ủy viên
6. Ông Lê Quang Khánh P.Trưởng phòng QLKH-HTQT - Ủy viên
7. Ông Mạc Văn Hùng P.Trưởng phòng TTSX - Ủy viên
8. Ông Phạm Văn Phúc Trưởng Khoa Điện - điện tử - Ủy viên
9. Bà Trần Thị
Hảo Trưởng khoa Cơ khí cắt gọt - Ủy viên
10. Ông Nguyễn Viết Hải Trưởng phòng Đào tạo - Ủy viên

Đơn vị chủ trì thực hiện đề tài Chủ nhiệm đề tài
(Ký tên, ghi rõ họ tên) (Ký tên, ghi rõ họ tên)

THÁI NGUYÊN-2011



4
LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo máy Việt Nam trong những năm gần
đây, bộ PLC cũng đã được sử dụng ngày càng nhiều và rất có hiệu quả trong các thiết
bị máy móc sản xuất, đáp ứng được các yêu cầu cần thiết, bảo đảm độ tin cậy và tương
đương với trình độ tự động hoá của các thiết bị cùng loạ
i được sản xuất ở nước ngoài
hiện nay. Đó là các thiết bị như máy ép nhựa, máy ép vỉ thuốc, máy uốn dập kim loại,
máy làm bao bì, các loại băng tải trong dây chuyền tự động, các thang máy nhà cao
tầng, các bộ điều khiển phương tiện giao thông .vv.
Việc ứng dụng PLC vào các thiết bị máy móc, dây truyền sản xuất sẽ đóng góp rất lớn
vào sự nghiệp công nghiệp hoá, tự động hoá và hiện đạ
i hoá nền sản xuất của nước
nhà. Với nguồn vốn đầu tư mới hạn hẹp do đó bên cạnh việc mua sắm những trang
thiết bị mới, hiện đại cần phải cải tạo nâng cấp các hệ thống thiết bị máy cũ để đáp ứng
cho việc sản xuất. Việc nâng cấp các hệ thống này nhằm nâng cao tự động hoá, tăng
năng su

ất trong sản xuất. Bước thực hiện việc cải tạo nâng cấp một hệ thống máy móc
đầu tiên là thay thế hệ thống điều khiển cũ được sử dụng rơle bằng một thiết bị điều
khiển có thể lập trình được là PLC nhằm làm cho mạch điều khiển của hệ thống gọn
nhẹ, hoạt động chính xác đáng tin cậy hơ
n và quan trọng nhất là dễ dàng thay đổi
chương trình điều khiển khi có yêu cầu.
Trên cơ sở đó đề tài: "Nghiên cứu, cải tiến máy phay điều khiển bằng PLC phục vụ
cho công tác đào tạo tại Trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức" do trường Cao
đẳng Công nghiệp Việt- Đức thực hiện cũng không ngoài mục đích đóng góp vào hiện
đại các thiết bị của nhà trường mà còn gắ
n liền giữa đào tạo lý thuyết với ứng dụng
trong thực tế của đội ngũ giáo viên và học sinh trong trường.
Sự thành công của đề tài không thể tách rời sự tạo điều kiện, giúp đỡ, hợp tác của các
tổ chức, cá nhân. Nhân dịp này Ban chủ nhiệm đề tài xin chân thành cảm ơn: Vụ Khoa
học Công nghệ (Bộ Công Thương) các nhà quản lý, các thầy (cô) giáo, các chuyên gia
trong lĩnh vực đào tạo đ
ã tạo điều kiện, tư vấn, giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài
này.
Đề tài nghiên cứu một phạm vi rộng lớn với nhiều kiến thức chuyên sâu của nhiều
ngành kỹ thuật khác nhau và được thực hiện trong một thời gian ngắn nên chắc chắn
không tránh khỏi thiếu sót. Ban chủ nhiệm đề tài rất mong nhận được ý kiến góp ý để
đề tài được hoàn thiện hơn.






5
MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7
TÓM TẮT ĐỀ CƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 8
Mục tiêu nghiên cứu 8
Nội dung thực hiện 8
Phương pháp nghiên cứu 8
Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 8
Chương 1: Giới thiệu chung về thiết bị điều khiển PLC và CNC 9
1.1 Giới thiệu chung về điều khiển PLC 9
1.1.1 Khái niệm về PLC 9
1.1.2 Cấu trúc bộ điều khiển PLC 9
1.1.3 Xử lý đầu xuất nhập 11
1.1.4 Các loại PLC 12
1.1.5 Ngôn ngữ lập trình 12
1.1.6 Cơ sở điều khiển PLC 12
1.2 Điều khiển CNC 13
1.2.1 Nguyên lý của điển khiển số 13
1.2.2 Các phương thức điều khiển số 14
1.2.3 Bộ nội suy 16
Chương 2 Khảo sát máy phay vạn năng FUW 315/III 23
2.1. Đặc tính kỹ thuật của máy FUW 315/III 23
2.2. Động học của máy 24
2.2.1. Chuyển động chính (chuyển động quay của dao) 24
2.2.2. Chuyển động tiến 27
2.3. Kết cấu máy 30
2.4. Phần điện. 33
2.5. Độ chính xác máy: 35
Chương 3 Xây dựng phương án cải tiến và lập trình điều khiển máy

phay FUW 315/III 41

3.1 Phần cơ khí 41
3.1.1. Nâng cao độ chính xác phần kết cấu của máy 41
3.1.2. Thiết kế, chế tạo các bộ phận cải tiến 41
3.1.2.1. Lựa chọn không gian để lắp động cơ 41
3.1.2.2 Thiết kế và chế tạo các bộ phần cải tiến cơ khí 43
3.2 Hệ thống điều khiển 44
3.2.1 Giải pháp điều khiển chung 44
3.2.2 Hệ thống điều khiển PLC 44
3.2.2.1 Mô hình hệ thống điều khiển PLC 44
3.2.2.2 Lựa chọn bộ điều khiển PLC 45
3.2.2.3 Giới thiệu về PLC S7-200 46
3.2.2.4 Mô tả bài toán và lưu đồ điều khiển 49
3.2.2.5 Chương trình điều khiển 50
3.2.2.6 Các thành phần trong hệ thống điều khiển PLC 53
3.2.3 Hệ thống điều khiển máy tính ( PC base) 57
3.2.3.1 Mô hình hóa hệ thống 57

6
3.2.3.2 Các thành phần chính hệ thống điều khiển máy tính 58

3.2.3.3. Tính toán cơ khí 62
3.2.3.3. Kết nối hệ thống điện: 65
3.2.3.4 Phần mềm điều khiển Mach3 67
3.3. Thử nghiệm máy phay FUW 315/III điều khiển số. 68
3.3.1. Mục đích thử nghiệm 68
3.3.2. Yêu cầu về thử nghiệm 68
3.3.3. Thử nghiệm khả năng hoạt động của hệ thống điều khiển 68
3.3.4. Thử nghiệm độ chính xác của máy (cắt chi tiết mẫu). 69

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 72
4.1. Kết quả đề tài 72
4.2. Những hạn chế và biện pháp khắc phục 73
4.3. Kết luận và kiến nghị 73
4.3.1. Kết luận 73
4.3.2. kiến nghị 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

7
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CNC Viết tắt của chữ Computer Numerical Control
PC Viết tắt của chữ Personal Computer (máy vi tính cá nhân)
LPT Viết tắt của chữ Line Printing Terminal (cổng máy in)
X, Y, Z phương của hệ hoạ độ X, Y, Z
AC Dòng điện xoay chiều
DC Dòng điện một chiều
DDA Viết tắt của chữ Digital Differential Analyzer
SA Viết tắt của chữ Stairs Approximation
CRT Viết tắt của chữ Cathode-Ray Tube (Màn hình điện tử
)
CLU Viết tắt của chữ Control loop unit
MCU Viết tắt của chữ machine control unit

8
TÓM TẮT ĐỀ CƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Mục tiêu nghiên cứu
Thông qua việc nghiên cứu, khảo sát và tìm hiểu thông tin về điều khiển PLC, điều
khiển CNC. Đề tài thực hiện ứng dụng hệ thống điều khiển PLC, CNC vào cải tiến hệ
thống điều khiển máy phay vạn năng, chạy thử, đưa máy vào hoạt động và áp dụng kết
quả vào đào t
ạo học sinh sinh viên tại trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức.
Nội dung thực hiện
- Tổng quan, tìm hiểu thông tin về điều khiển PLC, điều khiển CNC.
- Khảo sát máy phay vạn năng FUW 315/III.
- Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển PLC, điều khiển CNC cho máy phay.
- Nâng cao độ chính xác các bộ phận cơ khí của máy. Thiết kế, gia công, lắp đặt một số
bộ phận cơ khí cần thiế
t phải cải tiến khi thay đổi hệ thống điều khiển.
- Trên cơ sở hệ thống điều khiển PLC, CNC đã xây dựng, lắp ráp, kết nối, cài đặt và
chạy thử máy.
- Áp dụng kết quả vào đào tạo tại trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức
Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực tế sử dụng thiết bị

- Trên cơ sở khả năng điều khiển PLC, điều khiển CNC và khả năng lập trình, kết hợp
với yêu cầu hoạt động cũng như chức năng làm việc cơ bản của máy phay, tiến hành
thiết kế hệ thống điều khiển PLC, CNC và cải tiến bộ phận kết cấu máy cho phù hợp.
- Sử dụng công cụ đo kiểm đánh giá ch
ất lượng của sản phẩm.
- Áp dụng kết quả vào đào tạo và đánh giá kết quả.
Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Giới hạn của đề tài chỉ nghiên cứu, ứng dụng điều khiển PLC, điều khiển CNC vào cải
tiến 01 máy phay vạn năng. Sản phẩm của đề tài làm phương tiện cho giảng dạy thực
hành tại trường Cao đẳng Công nghiệp Vi
ệt - Đức.









9
Chương 1: Giới thiệu chung về thiết bị điều khiển PLC và CNC

1.1 Giới thiệu chung về điều khiển PLC
1.1.1 Khái niệm về PLC
Bộ điều khiển logic khả trình ( PLC) là bộ điều khiển dựa trên cơ sở nền tảng vi xử lý,
sử dụng các bộ nhớ khả trình để lưu các chỉ lệnh thực hiện các chức năng sau: logic,
sắp thứ tự, đặt thời gian, đếm và thực hiện các phép tính số học để
điều khiển thiết bị

và điều khiển quá trình. Thuật ngữ logic được sử dụng vì việc lập trình liên quan trước
hết đến thực hiện logic và chuyển mạch.
Các hoạt động, các thiết bị đầu vào ( ví dụ: các công tắc, nút bấm, cảm biến), các thiết
bị đầu ra ( ví dụ: động cơ, các van điện) trong hệ thống được kết nối tới PLC. Người
lập trình
đưa tuần tự các lệnh vào bộ nhớ chương trình PLC. Bộ điều khiển sẽ giám sát
các đầu xuất/nhập theo chương trình, qua đó để điều khiển thiết bị hay quá trình.
PLC được thiết kế xuất phát từ ý muốn thay thế các hệ thống rơle dây cứng và các hệ
thống điều khiển logic bấm giờ. Lợi thế của PLC là có khả năng thay thế cả hệ th
ống
điều khiển mà không phải đi lại dây cho thiết bị xuất/nhập mà chỉ cần nâng cấp một số
bộ lệnh khác. Kết quả là một hệ thống linh hoạt được sử dụng để điều khiển hệ thống,
thay đổi trạng thái và tính phức tạp của hệ.
PLC tương tự như máy tính nhưng có một số ưu điểm sau:
+ Hoạ
t động ổn định, bền và chịu được trong môi trường công nghiệp (như: ồn,
nhiệt, ẩm, rung).
+ Giao diện đầu nhập và đầu xuất nằm trong bộ điều khiển.
+ Dễ lập trình và dễ hiểu, lập trình liên quan đến các hoạt động chuyển mạch.


Hình 1.1: Mô hình bộ điều khiển PLC


1.1.2 Cấu trúc bộ điều khiển PLC
Cấu trúc bộ điều khiển PLC bao gồm các thành phần như sau:

10
+ Module CPU ( Xử lý tín hiệu )
+ Module vào/ra ( I/O)

+ Module nhớ
+ Module nguồn


Hình 1.2: Cấu trúc bộ điều khiển PLC

a) Module CPU (CPU):
CPU điều khiển và xử lý tất cả các hoạt động trong PLC, được cấp đồng hồ dao động
với tần số 1:8 MHz. Tần số này quyết định hoạt động của PLC, định thời gian và đồng
bộ hoá tất cả các thành phần trong hệ thống. Một hệ thống bus chuyển thông tin từ
CPU tới bộ nhớ và khố
i xuất nhập.
b) Module nhớ
Bộ nhớ PLC gồm hai thành phần là ROM, RAM
+ Bộ nhớ ROM: Để lưu toàn bộ hệ điều hành và dữ liệu cố định. Toàn bộ dữ liệu
trong bộ nhớ ROM luôn tồn tại và không bị mất đi.
+ Bộ nhớ RAM: Để lưu chương trình người sử dụng và lưu dữ liệu vùng đệm của
kênh xuất nhập dữ liệu. Các ch
ương trình trong RAM có thể thay đổi được bởi người
sử dụng, tuy nhiên để tránh mất chương trình này khi mất điện, một nguồn pin được sử
dụng để lưu dữ toàn bộ chương trình, dữ liệu trong RAM. Sau khi một chương trình
được lưu trong RAM nó có thể được tải vào chip nhớ EPROM và được lưu trong đó.
Kích thước bộ nhớ RAM quyết định đến số lượng dữ liệu và số lệnh ch
ương trình được
lưu trong đó. Dung lượng bộ nhớ PLC phụ thuộc vào từng loại PLC, PLC cỡ nhỏ thì
dung lượng bộ nhớ nhỏ và ngược lại.
c, Module vào/ra ( I/O)

11

Hình 1.3: Module vào ra của PLC

Có chức năng cung cấp giao diện giữa PLC và các thiết bị bên ngoài. Chương trình
được đưa vào thiết bị từ Panel bàn phím với màn hình tinh thể lỏng hay khối hiển thị
trực quan (VDU). Chương trình cũng có thể được đưa vào bộ điều khiển thông qua
máy tính trung gian và cài phần mềm thích hợp. Các kênh xuất nhập cung cấp các chức
năng điều hoà tín hiệu và bảo vệ. Như vậy các cảm biến và c
ơ cấu chấp hành có thể nối
trực tiếp vào chúng mà không qua các thiết bị trung gian khác. Thường điện áp đầu vào
là 5V, 24V; điện áp đầu ra là 24, 220V. Các đầu ra được định cụ thể là các loại rơle,
tranzito hoặc triac. Với loại rơle, tín hiệu PLC được sử dụng để vận hành rơle, có khả
năng chuyển dòng vài ampe mạch ngoài.
Rơle cách ly PLC với mạch ngoài, tuy nhiên chúng thường có thao tác chậm. Đầu ra
loại tranzito sử dụng mộ
t tranzito để chuyển dòng ra bên ngoài, khả năng chuyển mạch
nhanh hơn. Cách ly quang ( Optoisolator) được sử dụng với các bộ chuyển mạch
tranzito để tạo ra cách ly giữa mạch ngoài và PLC. Các đầu ra triac có thể được sử
dụng để điều khiển tải ngoài loại được nối với nguồn cấp AC.
d, Module nguồn
S7-200 có hai loại cơ bản:
Loại AC/DC/RLY: Điện áp nguồn cung cấp từ 85 ÷ 264VAC, tần số 47÷63Hz
Đi
ện áp vào: Nguồn cung cấp điện áp chuẩn cho sensor là 24VDC.
Điện áp ra: Được sử dụng nguồn điện ngoài, có thể là DC hoặc AC nhưng không
vượt quá 220V. Nếu sử dụng đối với những thiết bị tiêu thụ có công suất bé khoảng
chừng vài Woat thì có thể lấy trực tiếp nguồn của cảm biến.
Loại DC/DC/DC: Nguồn nuôi 24VDC.
Đầu ra Transitor hở colector nguồn cung cấp 24VDC.
1.1.3 .Xử lý đầu xuất/nhậ
p

PLC thực hiện chương trình theo trình tự như sau:
+ Quét các dữ liệu nhập kết hợp lại với một nấc thang chương trình.

12
+ Giải quyết các hoạt động logic liên quan đến các dữ liệu nhập đó.
+ Thiết lập lại các dữ liệu xuất cho thang đó.
+ Chuyển sang nấc tiếp theo và lặp lại các bước đó.
Cứ như vậy cho đến nấc cuối và kết thúc chương trình
Có hai phương pháp để xử lý đầu xuất/nhập: Cập nhật liên tục và sao chép một lượng
lớn tín hiệu xuất/nhập.
1.1.4
.Các loại PLC
Căn cứ vào số lượng vào/ ra, ta có thể phân PLC thành bốn loại như sau:
+ Micro PLC là loại dưới 32 kênh vào/ ra
+ PLC cỡ nhỏ là loại cỡ 256 kênh vào/ ra
+ PLC cỡ trung bình có đến 1024 kênh vào/ ra
+ PLC cỡ lớn có trên 1024 kênh vào/ ra
1.1.5 .Ngôn ngữ lập trình
Ngôn ngữ lập trình cho phép người sử dụng trao đổi với thiết bị điều khiển khả lập
trình thông qua thiết bị lập trình. Các nhà sản xuất PLC sử dụng các ngôn ngữ lập
trình khác nhau, nh
ưng tất cả các ngôn ngữ này đều sử dụng các lệnh nạp chương trình
điều khiển vào hệ thống.
Chương trình được viết bằng sự tổ hợp các lệnh theo một trình tự xác định. Phương
thức tổ hợp các lệnh cũng như dạng của các lệnh đều được tuân theo những qui định
chung. Các qui định và các lệnh tổ hợp với nhau tạo ra ngôn ngữ lập trình. Có bốn
ngôn ngữ cơ bản được sử dụng:
+ Bảng lệnh ( STT)
+ Sơ đồ thang (LAD)
+ Sơ đồ khối hàm logic ( FBD)

+ Gracet
1.1.6 .Cơ sở điều khiển PLC
PLC ngày càng được mở rộng và hoàn thiện thực hiện rất nhiều chức năng điều khiển
khác nhau.
a) Điều khiển logic
Đây là chức năng điều khiển cơ bản và quan trọng nhất c
ủa PLC. Trên PLC được tích
hợp các I/O số là các biến vào ra số của PLC để thực hiện các phép toán logic. Phần
mềm lập trình PLC hỗ trợ rất nhiều các phép toán logic ( AND, OR, SET, RESET,
XOR vv…) giúp cho người lập trình dễ dàng viết chương trình điều khiển. Quá trình
điều khiển tuần tự dễ dàng được thực hiện nhờ bộ điều khiển PLC.

13

Hình 1.4: Mạch điều khiển logic

b) Điều khiển quá trình liên tục
PLC có thể điều khiển các quá trình liên tục như điều khiển chuyển động của các
động cơ, điều khiển quá trình nhiệt, áp suất, lưu lượng, mức vv… Trên PLC có các
module I/O analog thực hiện xuất nhập vào tín hiệu vào tương tự để điều khiển quá
trình liên tục. Ngoài ra PLC còn có các module đặc biệt chuyên dụng để
điều khiển quá
trình liên tục ( Module PID điều khiển động cơ, điều khiển nhiệt độ, mức vv…)
c) Truyền thông
Một hệ thống lớn bao gồm nhiều thiết bị điều khiển và nhiều PLC, các PLC này phải
phối hợp hoạt động với nhau để điều khiển hoạt động của một nhà máy. PLC có chức
năng giao tiếp được với nhau. D
ữ liệu của PLC có thể được truyền hoặc nhận bởi các
PLC khác hoặc bởi PC thông qua các hàm đọc truyền thông. Các PLC kết nối với nhau
nhờ các module truyền thông được tích hợp trên PLC

1.2 Điều khiển CNC
1.2.1 Nguyên lý của điều khiển số
Bộ điều khiển NC là bộ điều khiển trên cơ sở máy tính (Computer numerical control)
được sử dụng nhiều trong điều khiển máy công cụ
. Từ nguyên lý điều khiển số tức
điều khiển trực tiếp hành động của máy công cụ bằng dữ liệu số, bộ điều khiển phải có
khả năng tự động biên dịch ít nhất là một số đoạn của dữ liệu đó. Dữ liệu số chính là
chương trình người sử dụng lập để gia công chi tiết.
Một hệ
thống điều khiển số máy công cụ bao gồm một khối máy công cụ và một khối
điều khiển máy ( machine control unit- MCU). MCU phân tiếp thành bộ xử lý dữ liệu (
Data processing unit – DPU) và bộ điều khiển phản hồi ( Control loop unit – CLU).
DPU xử lý các dữ liệu mã hoá được đọc từ các môi trường lưu trữ ( băng đục lỗ, băng
từ, đĩa mềm…) chuyển các thông tin về vị trí của mỗi trục, hướ
ng chuyển động , vận
tốc và các chức năng hỗ trợ tới CLU. CLU điều khiển các cơ cấu chuyển động của
máy, nhận các tín hiệu phản hồi vị trí hiện thời và tốc độ của mỗi trục thông báo khi

14
một hoạt động đã hoàn thành. DPU đọc tuần tự dữ liệu khi từng dòng chương trình đã
thi hành xong và được CLU ghi nhận.
DPU gồm một số hoặc tất cả các thành phần sau:
+ Thiết bị nhập dữ liệu như băng từ, cổng RS 232
+ Các mạch đọc dữ liệu và kiểm tra logic kiểm parity
+ Các mạch giải mã cho miêu tả dữ liệu giữa các trục điều khiển
+ M
ột trình soạn thảo
CLU gồm:
+ Bộ nội suy, cấp các lệnh chuyển động máy giữa các điểm dữ liệu để cho chuyển
dịch dụng cụ.

+ Phần cứng của vòng phản hồi có điều khiển vị trí cho tất cả các trục chuyển động, ở
đó mỗi trục có một vòng lặp điều khiển riêng biệt
+ Các vòng lặp điều khiển t
ốc độ ở đó yêu cầu điều khiển tốc độ tiến
+ Các mạch giảm gia tốc và khử rơ
+ Điều khiển chức năng đóng/cắt, làm mát thay đổi chuyển động bánh răng, đóng cắt
trục chính

Hình 1.5: Cấu trúc hệ thống điều khiển CNC

1.2.2 Các phương thức điều khiển số
a) Điều khiển điểm – điểm
Là điều khiển chạy nhanh đến một điểm đã lập trình. Phụ thuộc vào kiểu bộ điều
khiển, các truyền động trục được khởi động đồng thời hoặc tuầ
n tự cho đến khi vị trí
điểm được lập. Điều khiển này hay được sử dụng để định vị nhanh dụng cụ ( tức di
chuyển không ăn dao tốc độ cao, hoặc trong máy khoan hoặc máy hàn điểm).

15

Hình 1.6: Điều khiển điểm - điểm
b) Điều khiển đường thẳng
Cho phép dụng cụ dịch chuyển song song theo các trục máy (X, Y, Z) với các tốc độ
gia công định trước. Tuy nhiên, tại một thời gian thì chỉ có truyền động được đưa vào
hoạt động. Điều khiển đường thẳng được sử dụng để gia công các đường thẳng và các
rãnh song song với các trục chính và các bộ
điều khiển cắt đường thẳng thường được
sử dụng trong các máy phay, máy tiện đơn giản. Bộ điều khiển luôn có khả năng điều
khiển điểm

Hình 1.7: Điều khiển đường thẳng

c) Điều khiển biên dạng
Điều khiển contur có các mức điều khiển phụ thuộc trước hết vào kích thước trong
không gian, quan hệ hàm tạo lên quỹ đạo dụng cụ. Đó là điều khiển contur 2D, 21/2D,
3D, tiếp theo là số trục có khả năng đồng thời điều khiển. Từ đó CNC có thể là điều
khi
ển 4 trục, 5 trục. Các bộ điều khiển CNC máy phay ngày nay là bộ điều khiển 3D.


Hình 1.8: Điều khiển biên dạng




16
1.2.3 Bộ nội suy
Để thực hiện dịch chuyển đồng thời các trục máy, các giá trị trung gian trên
đường bao giữa điểm đầu và điểm cuối phải được bộ điều khiển nội suy.
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 bằng chương trình dị
ch (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 độ ổn 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 tuỳ ý.
Để thực hiện các phương pháp đi
ều 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 1.9, nội suy chia sự chuyển động toàn bộ ra thành sự dị
ch
chuyển riêng của các X-và Y-trục dựa trên định nghĩa rút dao nhanh trước. Cuối cùng,
vận tốc khối lệnh cho hay trục được tạo ra như Hình 1.9.

Hình 1.9: 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 ti
ết kỹ thuật servo,
trong khi tính toán vận tốc.

17
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.
a, 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 phầ
n 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 sự ra đời của máy tính điều khiển số (CNC) hệ
thống.
Phương pháp điển hình cho nội suy phần cứ
ng 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.
 Nội suy phần cứng DDA
Nội suy phần cứng sử dụng DDA được dựa vào nguyên lý của mộ
t 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
1.10

Hình 1.10: 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 1.11 cho thấy các mạch cho nội suy tuyến tính và nội suy vòng tròn.

18

Hình 1.11: 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.
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 hiệ
n, 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 1.11a. 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 thể được thiết kế
như Hình 1.11b. Trong mạch, trong đó bao gồm hai DDA tích hợp, các trục X và trục
Y được tách ra và có thể được 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 c
ủa 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 1.1 và 1.2, tràn được cho
vào đầu vào của các vòng lặp kiểm soát vị trí.

(1.1)

19
(1.2)
Để nội suy vòng tròn Hình 1.11c, 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:

()
22
2
RyRx =+−
(1.3)

()
ωtRx cos−=
,
ωtRy sin
=
(1.4)
trong đó R là bán kính của hình tròn và ω là vận tốc góc.
Theo cách khác, vận tốc cho mỗi trục có thể được tính toán và được xác định bởi các
công thức sau:

tsin.R
dt
d
V
x
x
ωω
==
(1.5)

ωR.cosωt
dt
V

d
Y
y
==
(1.6)

ωRsinωtdtdx =
(1.7)

(
)
ωtcosR.dωt.d tsinωR. −=
(1.8)

t ωR.cosωt.ddy =
(1.9)

)tsin.R(dtdtcos.R
ω
ω
ω
=
(1.10)
b, 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 sẽ được 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 1.12 cho
thấy biểu đồ cho một phần mềm DDA nội suy,
Hình 1.12a và Hình 1.12b tương ứng
hiển thị nội suy tuyến tính và suy tròn.Trong
Hình 1.12a, L biến là một di dời tuyến
tính và các biến A và B biểu thị sự dịch chuyển của trục X và Y, giá trị ban đầu của các
biến Q1 và Q2 là số không. Trong
Hình 1.12b, 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.


20

a) b)
Hình 1.12: 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 dụ dưới 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
toạ độ đầu tiên và
Hình 1.13 cho thấy kết quả của sự nội suy.

Hình 1.13: 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 sẽ được giải quyết và thuật toán cho một đường thẳng có thể được dễ dàng
xác định từ các thuật toán cho một vòng tròn.
Hình 1.14 hiển thị như thế nào là nội suy

21
SA cho vòng tròn một ứng với trường hợp có sự chuyển động tròn theo hướng chiều
kim đồng hồ ở góc toạ độ đầu tiên đối với trung tâm của vòng tròn.

Hình 1.14: Kết quả của nội suy mềm SA

Giả sử rằng công cụ này đạt đến vị trí (X
k
,Y
k
) sau khi lặp thứ i. Trong thuật toán này,
D
k
biến được tính bằng công thức.

22
k
2
kk
RYXD −+=
(1.11)
Hướng di chuyển của mỗi bước phụ thuộc vào D
k
. Ví dụ như đường tròn chuyển động
theo chiều kim đồng hồ ở góc phần tư thứ nhất thuật toán được tính như sau:

D
k
< 0: Nghĩa là vị trí của điểm (X
k
,Y
k
) là trong đường tròn trong trường hợp này phải
di chuyển trục X theo chiều dương.
D
k
>0: Nghĩa là vị trí của điểm (X
k
, Y
k
) là ngoài đường tròn trong trường hợp này phải
di chuyển trục Y theo chiều âm.
D
k
=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 (
X
k+1
,Y
k+1
)
được cập nhật và thủ tục lặp đi lặp lại cho đến khi công cụ này đạt tới vị trí mong
muốn,
(X
f
,Y

f
).
Trong thuật toán này, yêu cầu số lượng nhỏ phép tính và không gian bộ nhớ. Số lượng
bước lặp có thể tính như sau:
N = |X
0
- X
f
| + |Y
0
- Y
f
| (1.12)
(X
0
,Y
0
) : Start Point








22
Bảng 1.1 Các trường hợp dịch chuyển khi nội suy đường tròn

23
Chương 2 Khảo sát máy phay vạn năng FUW 315/III

2.1. Đặc tính kỹ thuật của máy FUW 315/III.
Máy phay vạn năng FUW 315/III của trường được sản xuất năm 1986 do hãng
RUHLA Cộng Hoà Liên Bang Đức. Máy bao gồm các bộ phận chính được chỉ ra trên
hình 2.1 như sau:

Hình 2.1: Tổng quan máy phay FUW 315/III
01 Trục chính phay ngang 08 Tay quay tiến ngang của trục chính
02 Trục chính phay đứng 09 Tay gạt tiến ngang
03 Bàn máy 10 Tay quay tiến bàn dọc
04 Tay quay tiến bàn đứng 11 Tay gạt tiến bàn dọc
05 Hộp bước tiến 12 Thân máy
06 Đế máy 13 Tay gạt tiến bàn đứng
07 Bảng điều khiển




24
Đặc tính kỹ thuật
Kích thước của bàn máy 710 x 300 mm
Hành trình làm việc của bàn máy X,Y,Z 440 x 440 x 350
Số cấp vòng quay trục chính (24 cấp) n (1800 ÷ 36) vòng /phút
Số cấp lượng tiến dọc và ngang (24 cấp) S
d,n
= 1250 ÷ 6,3 mm/phút
Công suất động cơ chính N
đc

= 4,5 Kw
Công suất động cơ tiến dao N
d
= 0,7 Kw
2.2. Động học của máy
Máy phay FUW 315/III có hai chuyển động tạo nên quá trình cắt gọt:
- Chuyển động chính: Là chuyển động của trục chính mang dao, đặc trưng là số vòng
quay/phút
- Chuyển động tiến dao: là chuyển động của bàn máy mang phôi nhằm cắt hết chiều
dài phôi đặc trưng là mm/phút. Trong chuyển động tiến dao có 3 chuyển động theo 3
phương khác nhau X, Y, Z.
Kết hợp hai chuyển động này trong quá trình cắt gọt tạo nên chuyển động thích hợp
cho quá trình tạo hình
2.2.1. Chuyển động chính (chuyển động quay của dao)
Máy phay FUW 315/III sử dụng động cơ một chiều, công suất 4,5 Kw và bộ khuếch
đại từ để thay đổi tốc độ động cơ chính vì vậy tốc độ động cơ được điều chỉnh vô cấp.
Trên bảng điều khiển được chia khoảng để làm cơ sở chọn tốc độ cắt. Có 24 cấp tốc độ
phân ra hai đường truyền, cấp nhanh và cấp chậm
Số
vòng quay max n
max
= 2850 vòng /phút
Số vòng quay min n
min
= 20 vòng /phút
Quá trình khảo sát đã xây dựng sơ đồ động học của máy như sau:


25
16

67
23
M3
M4
75
6
21
51
M1
18
71
37
M2
I
II
35
40
III
77
IV
V
77
44
44
23
43
28
28
18
47

25
36
34
17
26
30
27
VI
VII
N = 4,6 KW
n = 2850 v/p
N
= 0,8 KW
n = 2850 v/p
XIII
XII
XI
X
VIII
VII
VI
IV
V
II
I
III
48
IX
27
M5

M6
M7

Hình 2.2 Sơ đồ động học máy phay FUW 315/III
Dựa vào sơ đồ động học của máy hình 2.2 cho thấy, xích chuyển động trục chính có
hai đường truyền (tốc độ nhanh và tốc độ chậm) như sau:
Xích tốc độ nhanh:
Đường truyền nhanh được thực hiện nhờ đóng ly hợp ma sát điện từ M
1
. Phương trình
xích tốc độ của đường truyền nhanh thể hiện như sau:
n
đc
M
1

77
40
.
40
35
.
37
51
= n
tc
( Việc thay đổi các tốc độ trong đường truyền nhanh được thực
hiện nhờ thay đổi tốc độ động cơ)

26

Các tốc độ của đường truyền nhanh có 12 tốc độ:
1800 1500 1280 1100 950 800
680 550 480 412 355 320
Xích tốc độ chậm.
Đường truyền chậm của máy được thực hiện khi đóng ly hợp ma sát điện từ M
2
.
Phương trình xích tốc độ đường truyền chậm như sau:
n
đc

71
18
M
2

77
40
.
40
35
.


= n
tc
( Việc thay đổi các tốc độ trong đường truyền chậm được thực
hiện nhờ thay đổi tốc độ động cơ)
Các tốc độ của đường truyền chậm có 12 tốc độ:
330 265 223 188 160 133

110 88 71 58 45 36
Điều chỉnh tốc độ cắt:
Máy có 2 dẫy tốc độ, tốc độ nhanh và tốc độ chậm.Việc điều chỉnh tốc độ cắt của máy
phay FUW 315/III được th
ực hiện trên bảng điều khiển hình 2.3 như sau:










Hình 2.3 Bảng điều khiển máy phay FUW 315/III
01 - Núm điều chỉnh tốc độ trục chính
02 - Nút nhắp động cơ chính
03 - Công tắc 2 vị trí điều khiển ly hợp
điện từ hộp tốc độ
04 - Nút dừng động cơ chính
05 - Nút chạy động cơ chính
06 - Nút đóng/ ngắt động cơ chạy dao
07 - Công tắc điều khiển chế độ chạy bàn
08 - Công tắc 2 vị trí điều khiển ly hợp
điệ
n từ hộp bước tiến
09 - Đồng hồ báo
10 - Khoá bảng điều khiển
11 - Công tắc đèn

12 - Công tắc tưới nguội
13 - Núm điều chỉnh tốc độ chạy dao
14 - Nút ngắt tổng