Đề cương ôn tập môn cnc

Mục Lục
Câu hỏi ơn tập CNC...................................................................................... 2
Phần 1: Ví dụ về các loại bộ lọc (Revised!!!)............................................2
Phần 2: Các sơ đồ khối cần quan tâm.......................................................5
2.1. Cấu trúc quy trình hoạt động..............................................................5
2.2. Tổng quan của hệ thống cả về phần cứng và phần mềm.....................6
2.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM......................................................7
2.4. Nội suy tuyến tính và nội suy trung bình............................................8
2.5. Cấu trúc các mạch vịng điều khiển....................................................9
2.6. Look ahead....................................................................................... 10
Chương 3. Các dạng tốn về DDA và Direct search...................................10
3.1. DDA................................................................................................ 10
3.2. Direct Search................................................................................... 11

1


Câu hỏi ơn tập CNC
Phần 1: Ví dụ về các loại bộ lọc (Revised!!!)

 Phương trình sai phần của các bộ lọc:
1. Tuyến tính
V LO ( k ) =

1
( V ( k )−V i ( k−m) ) + V LO ( k−1 )
m i

2. Theo hàm e mũ

(

V EO ( k )= 1−e

−1
τ

) V ( k ) +e
i

−1
τ

V EO (k−1)

3. Theo hình chữ S

2


V SO [ k ]=

1
¿
m2

 Ví dụ lập bảng tính các giá trị sau bộ lọc
Cho các tham số của bộ lọc như: m = 2, τ =2, đầu vào V i là xung vng có biên độ bằng 1
như hình dưới:

k

V LO [k ]
V EO [ k ]

1
0.5
0.393
4

2
1
0.632
1

3
0.5
0.384
0

4
0
0.232
5

5
0
0.141

6
0
0.085

5

7
0
0.052

8
0
0.031
4

3


 Đặc biệt với bộ lọc kiểu hình chữ S.
Tín hiệu đầu vào nên được lấy từ giá trị bắt đầu phải được lấy từ 2m+2. Giá trị tính
tốn bắt đầu từ k = 2m+2 để các chỉ số của biểu thức là có nghĩa:
Chẳng hạn: Cho m = 2 thì giá trị đầu vào bắt đầu phải từ 2*2+2 = 6 đến giá trị kết
thúc chẳng hạn lấy bằng 10. Lúc đó, thay vào biểu thức mới có nghĩa.
Yêu cầu: Tính tay các giá trị của bộ lọc loại S shape:
Với các tham số của bộ lọc như:
-

Giá trị m = 2
Tín hiệu đầu vào là xung vng bắt đầu từ k0 = 6 đến điểm kết thúc là 10

Bảng giá trị sẽ là:
k
V[k]

1->6
0

7
0.25

8
0.75

9
1

10
1

11
0.75

12
0.25

13
0

Ví dụ tính giá trị thứ 7.
VSO[6] = ¼ * (Vi[5] -2*Vi[3] + Vi[1]) + 2*VSO[5] – VSO[4]
= 0.25 * (0 – 2*0 + 0) + 2*0 – 0 = 0
VSO[7] = 0.25*(Vi[6] – 2Vi[4] + Vi[2]) + 2VSO[6] – VSO[5]
= 0.25*(1 – 2*0 + 0) + 2*0 – 0 = 0.25
VSO[8] = 0.25 * (Vi[7] – 2Vi[5] + Vi[3]) + 2VSO[7] – VSO[6]

= 0.25 * (1 – 2*0 + 0) + 2*.25 – 0 = 0.7.
4


Phần 2: Các sơ đồ khối cần quan tâm
Các sơ đồ khối chức năng (Revised!!!)
2.1. Cấu trúc quy trình hoạt động

 CAD(Computer Aided Design): q trình phác thảo, dựng mơ hình, quỹ đạo
chuyển động. Từ sự hỗ trợ của máy tính, người ta dựng bản phác thảo 2D sau đó
dựng mơ hình chuyển động chi tiết.
 CAPP: CAPP là mối liên kết giữa CAD và CAM. Tại đây, người ta lập kế hoạch
cho quá trình sản xuất. Dự trù máy móc, thiết bị, cách vận hành, các điều kiện vận
hành,…
 CAM ( Computer-aided manufacturing) phần mềm dùng để sinh ra những đoạn
mã hợp lệ cho máy CNC và được máy CNC cắt theo một hình dạng đã được thiết
kế trước bởi hệ thống
 Các đoạn mã đã xây dựng xong sẽ được đưa vào CNC board. CNC Board sẽ đọc
mã và tiến hành điều khiển Driver, Motor để lưỡi cắt chạy theo đúng quỹ đạo đặt
trước.
 Các tín hiệu đo về như xung encoder, vị trí lưỡi cắt,… Sẽ được sử dụng làm đầu
vào cho các thuật toán điều khiển vịng kín giúp q trình cắt giảm thiểu tối đa sai
lệch.

5


2.2. Tổng quan của hệ thống cả về phần cứng và phần mềm

Cấu trúc tổng quan hệ thống:

Software
 MMI (Man/Machine Interface): Là thuật toán giao diện với người sử dụng. Hiểu
đơn giản là thuật toán nhúng trên mạch HMI.
 NCK (Numerical Control Kernel): Đóng vai trị phân tích các lệnh người dùng
nhập vào từ MMI, biên dịch câu lệnh thành mã code và xây dựng code nội suy.
 Khối Control: Tiến hành xử lý các code dữ liệu, tính tốn ra tín hiệu đặt vị trí, tín
hiệu điều khiển cho CNC board điều khiển các động cơ.
Hardware:
 Khối I/O interface: Gồm các đầu vào input, các cổng truyền thông lên máy tính,
truyền thơng đến Machine panel, đầu vào tin hiệu đo về.
 Khối CNC board: Bao gồm các mạch MMC, NCK, PLC có thể coi như bộ não của
máy CNC. Các thuật toán sẽ được nhúng trên các module mạch này, từ đó đưa ra
các tín hiệu điều khiển cho Motor.
 Khối Motor & Driver: Bao gồm động cơ và các mạch điều khiển động cơ, các
sensor đo vị trí, tốc độ, …
6


 Machine tool là các thiết bị phục vụ cắt CNC như lưỡi cắt chính, lưỡi cắt phụ, lưỡi
cắt chuyển tiếp,…
2.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

Bộ điều khiển trung tâm có tính năng





Thực hiện biên dịch chương trình.
Nội suy quỹ đạo, sinh ra quỹ đạo đặt cho các trục

Thực hiện thuật tốn điều khiển vị trí cho máy
Thực hiện tăng tốc giảm tốc

Cấu tạo:
 System memory: Bộ nhớ
o Part Program: Vùng nhớ lưu chương trình CNC
o Vùng nhớ RAM DPR:Trao đổi dữ liệu với MMI
o Internal DB: Ô nhớ lưu trữ dữ liệu
o Dual port Ram D.P.R: giao tiếp với PLC
o Menory: Lưu các dữ liệu giao thức với bên ngồi, IO bên ngồi, ví dụ
MPG(bộ phát xung), Fast D.I, Fast D.O (Đầu vào, đầu ra sốc tốc độ cao),
Memory chúa các encoder data, bộ biến đổi digial to analog converter, giao
tiếp với động cơ, driver
 Phần mềm:
o Non-cyclic task: tác vụ không lặp lại, chỉ thực hiện một số lần hữu hạn
 Com task(truyền thông) giữa dk trung tâm và giao diện người máy
 Interpreter task: biên dịch chương trình ra Internal DB
o Cyclic task: Tác vụ lặp đi lặp lại.
7


 Dữ liệu từ Intelnal DB đưa vào Interpolation task: Nội suy; Roungh
IPO routine là nội suy thô, Signal read là xử lý tín hiệu vào từ PLC.
Đẩy tín hiệu ra Signal write
 Sau khi nội suy ra quỹ đặt rời rạc với chu kỳ trích mẫu bằng chu kỳ
nội suy thô. Đưa vào bộ nhớ FIFO
 Bộ nhớ FIFO đưa vào điều khiển vị trí:
 Fine IPO routine: Nội suy tinh ra quỹ đạo
 Acc/Dec: Thực hiện tăng giảm tốc đảm bảo phần cứng đáp ứng được
 Position Control Routine: Thực hiện điều khiển vị trí.

2.4. Nội suy tuyến tính và nội suy trung bình

A. Nội suy tuyến tính
N: số điểm cần nội suy tinh trong 1 chu kỳ nội suy thô( chu kỳ nội suy thô/chu kỳ nội suy
tinh)
Khởi tạo j là số điểm nội suy thô
Kiểm tra j < Nacc (không phải N*Nacc) số thứ tự điểm nội suy thô phải nhỏ hơn tổng số
chu kỳ nội suy thô
I < N trong chu kỳ nội suy tinh < N
Các điểm nội suy tinh: bx(j+N*j) = pulseX(j)/N xung đầu tiên chia đều cho N
Gán vào xung ứng với chu kỳ nội suy tinh
8


I = N: nội suy tinh trong 1 chu kỳ nội suy thô kết thúc, tăng chu kỳ nội suy thô. Tiếp tục
tới khi j = Nacc: kết thúc nội suy
B. Nội suy trung bình
N: số điểm cần nội suy tinh trong 1 chu kỳ nội suy thô (chu kỳ nội suy thô/chu kỳ nội suy
tinh)
Thực hiện nội suy tuyến tính tính tốn ra các xung đặt của nội suy tuyến tính ax(j)
J=0, khởi tạo bước nội suy tính
Start, End: điểm đầu điểm cuối của bộ lọc
Vịng lặp: Tính trung bình của N xung liên tiếp từ j-start tới j – end:
J = N*Nacc: Kết thúc nội suy trung bình

2.5. Cấu trúc các mạch vòng điều khiển

9

2.6. Look ahead

Chương 3. Các dạng toán về DDA và Direct search
3.1. DDA
Nội suy vị trí khi biết giá trị vận tốc V(t)
Tính thời điểm phát xung
Ví dụ:
Q là thanh ghi 4 bit  Max(Q) = 2n−1=15
Giá trị thanh ghi V cho bởi hàm
V [ k ] =3 k (1 ≤ k ≤5 )
( 6 ≤k ≤ 10)
V [ k ] =15
V [ k ] =15−3 ( k−10 ) (11 ≤ k ≤ 15)

{

Tìm thời điểm phát xung:
k = 15  Nội suy 15 bước và tính giá trị thanh ghi V theo từng bước
Bước (k)
0
1
2
3
4

V
3
6
9
12

Q
0
3
9
2
14

∆S

1

10


5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

15
15
15

15
15
15
12
9
6
3
0

13
12
11
10
9
8
4
13
3
6
6

1
1
1
1
1
1
1
1

Bước 0: V(0) = 0, Q(0) = 0 (mặc định)
Bước 1: V(1) = 3, tính Q(1) theo cơng thức Q(k) = Q(k-1) + V(k)  Q(1) = 3 < 16 
Không tràn  ∆ S = 0
Bước 2: V(2)
Bước 3: V(3) = 9, Q(3) = V(3) + Q(2) = 18  tràn bit  Tính lại Q(3) = 18 – 16 = 2 và
∆ S=1.
…
- Thời điểm phát xung: Bước 3, 5-11, 13
3.2.

Direct Search

Phần này sẽ cho mấy cái ô vng r mình vẽ thơi. Mà vẽ cái này thì theo trong slide
chương 3 ha mn. Câu này vẽ th. S

11


Thành phần cơ bản của CNC control loop

Khi vận tốc và vị trí thực tế được phát hiện từ cảm biến được đưa trở lại mạch điều
khiển, mô tơ servo được sử dụng trong máy CNC được điều khiển liên tục để giảm
thiểu lỗi vận tốc hoặc lỗi vị trí (Hình 1.10). Hệ thống điều khiển phản hồi bao gồm
ba vòng điều khiển độc lập cho từng trục của máy cơng cụ; vịng điều khiển ngồi
cùng là vịng điều khiển vị trí, vịng ở giữa là vịng điều khiển vận tốc và vòng
trong cùng là vòng điều khiển dòng điện. Nói chung, vịng điều khiển vị trí được
đặt trong NC và các vòng khác được đặt trong thiết bị dẫn động servo. Tuy nhiên,
khơng có tiêu chuẩn tuyệt đối về vị trí của các vịng điều khiển và vị trí có thể thay
đổi tùy theo ý đồ của người thiết kế.
Trong hệ thống trục chính của máy cơng cụ, điều khiển phản hồi vận tốc được áp

dụng để duy trì tốc độ quay đều đặn. Tín hiệu phản hồi thường được tạo ra theo hai
cách; một bộ tạo tacho, tạo ra điện áp cảm ứng (tín hiệu tương tự) dưới dạng tín
hiệu phản hồi và bộ mã hóa quang, tạo ra các xung (tín hiệu số). Trong thời gian
gần đây, thông thường điều khiển phản hồi được thực hiện dựa trên tín hiệu bộ mã
hóa quang học thay vì tín hiệu máy đo tốc độ
Máy dị có thể được gắn vào trục của động cơ servo hoặc bộ phận chuyển động và
hệ thống điều khiển có thể được phân loại thành bốn loại tùy theo vị trí mà máy dị
được gắn vào.
Semi-Closed loop

12


Vịng nửa kín là cơ cấu điều khiển phổ biến nhất và có cấu trúc như hình
1.11a. Trong loại này, một bộ phát hiện vị trí được gắn vào trục của động cơ servo
và phát hiện góc quay. Độ chính xác vị trí của trục có ảnh hưởng lớn đến độ chính
xác của vít bi. Vì lý do này, vít bi với độ chính xác cao đã được phát triển và sử
dụng rộng rãi. Nhờ có vít bi chính xác, vấn đề về độ chính xác thực tế đã được
khắc phục. Nếu cần, có thể sử dụng bù sai số cao độ và bù phản ứng dữ dội trong
NC để tăng độ chính xác của vị trí. Phương pháp bù sai số bước là, tại bước cụ thể,
các hướng dẫn cho hệ thống trình điều khiển servo được sửa đổi để loại bỏ sự tích
tụ của lỗi vị trí. Phương pháp bù phản ứng dữ dội là, bất cứ khi nào hướng di
chuyển bị thay đổi, các xung bổ sung tương ứng với lượng phản ứng dữ dội sẽ
được gửi đến hệ thống trình điều khiển servo. Gần đây, việc sử dụng vít bi loại HiLead với bước răng lớn để gia công tốc độ cao đã tăng lên.
Closed Loop
Hiệu suất của vịng nửa kín phụ thuộc vào độ chính xác của vít bi và có thể
tăng độ chính xác của vị trí thơng qua bù bước và bù phản ứng dữ dội. Tuy nhiên,
nói chung, lượng phản ứng dữ dội có thể thay đổi tùy theo trọng lượng của phơi và
vị trí và sai số bước tích lũy của vít bi thay đổi theo nhiệt độ. Ngồi ra, do chiều
dài của vít me bi bị giới hạn vì những lý do thực tế nên hệ thống truyền động thanh

răng và bánh răng được sử dụng trong các máy công cụ quy mơ lớn. Tuy nhiên, độ
chính xác của giá đỡ bị hạn chế. Trong trường hợp này, vòng lặp khép kín như
13


trong Hình 1.11b được áp dụng. Trong vịng khép kín, bộ phát hiện vị trí được gắn
vào bàn máy và lỗi vị trí thực tế được đưa trở lại hệ thống điều khiển. Vịng kín và
vịng nửa kín rất giống nhau ngoại trừ vị trí của bộ phát hiện vị trí và độ chính xác
vị trí của vịng kín là rất cao. Tuy nhiên, tần số cộng hưởng của thân máy, thanh
trượt và mất chuyển động có ảnh hưởng đến các đặc tính servo vì thân máy được
bao gồm trong vịng điều khiển vị trí.
Nghĩa là, một lỗi sau, sự khác biệt giữa vị trí lệnh và vị trí được phát hiện,
xảy ra và servo được quay ở tốc độ tỷ lệ với lỗi sau này để giảm nó. Tốc độ giảm
của lỗi sau có liên quan đến mức tăng của vịng điều khiển vị trí. Độ lợi là một yếu
tố quan trọng xác định thuộc tính của hệ thống servo. Nói chung, khi mức tăng, tốc
độ phản hồi và độ chính xác động tăng. Tuy nhiên, mức tăng cao làm cho hệ thống
servo không ổn định. Không ổn định có nghĩa là săn bắn, khơng thể dừng lại ở vị
trí chỉ huy do lặp đi lặp lại quá mức và quay trở lại. Trong vịng kín, nếu tần số
cộng hưởng của hệ thống điều khiển máy không đủ cao hơn mức tăng, hệ thống
vòng điều khiển sẽ trở nên khơng ổn định. Ngồi ra, trượt gậy và mất chuyển động
là những yếu tố chính làm phát sinh hiện tượng săn mồi. Do đó, cần phải tăng tần
số cộng hưởng của hệ thống truyền động máy và để làm được điều này, cần tăng
độ cứng vững của máy, giảm hệ số ma sát của bề mặt nhiễu, loại bỏ nguyên nhân
gây mất chuyển động.
Hybrid Loop
Trong vịng kín, cần giảm độ lợi trong trường hợp khó tăng độ cứng tương
ứng với trọng lượng của phần tử chuyển động hoặc giảm chuyển động bị mất như
trong máy nặng. Tuy nhiên, nếu mức tăng rất thấp, hiệu suất sẽ trở nên kém đối với
thời gian định vị và độ chính xác. Trong trường hợp này, vịng lai như trong Hình
1.11c được sử dụng. Trong vịng lặp hỗn hợp, có hai loại vịng điều khiển; vịng

bán kín, trong đó vị trí được phát hiện từ trục của động cơ và vịng kín, dựa trên
thang đo tuyến tính. Trong vịng bán kín, có thể điều khiển với mức tăng cao vì
máy khơng được bao gồm trong hệ thống điều khiển. Vịng kín tăng độ chính xác
bằng cách bù sai số mà vịng nửa kín khơng thể kiểm sốt. Bởi vì vịng kín chỉ
được sử dụng để bù lỗi vị trí, nên nó hoạt động tốt mặc dù mức tăng thấp. Bằng
cách kết hợp vịng kín và vịng nửa kín, có thể đạt được độ chính xác cao với mức
tăng cao trong một máy có điều kiện kém
Open Loop
Khơng giống như các vịng điều khiển đã đề cập ở trên, vịng mở khơng có
phản hồi. Vịng hở có thể được áp dụng trong trường hợp độ chính xác điều khiển
khơng cao và sử dụng động cơ bước. Do mạch hở không cần đầu báo và mạch
phản hồi nên cấu tạo rất đơn giản. Ngoài ra, độ chính xác của hệ thống truyền động
bị ảnh hưởng trực tiếp bởi độ chính xác của động cơ bước, vít bi và hộp số.
14


3. Giải thích cấu trúc hệ thống CNC

3.1. Phần mềm
Bao gồm MMI, NCK, PLC
-

-

-

MMI (Man Machine Interface): cung cấp giao diện tương tác giữa người dùng và
bộ điều khiển. Bao gồm cửa sổ lệnh hoạt động của máy, hiển thị trạng thái máy,
sửa đổi chương trình và truyền thơng.
NCK (Numerical Control Kernel): là lõi của hệ thống CNC. Thể hiện một phần

chương trình, cho phép nội suy, điều khiển vị trí và bù lỗi dựa trên chương trình
nội suy.
PLC (Programmable Logic Control): điều khiển thay dao, thay phôi, tốc độ trục
chính, xử lí tín hiệu vào ra, điều khiển hành vi.

3.2 Phần cứng
Bao gồm CNC, động cơ và bộ điều khiển động cơ, các công cụ máy.

4. Cấu trúc bộ điều khiển trung tâm

15


Giải thích:
Bộ điều khiển trung tâm có các chức năng:
▪ Biên dịch chương trình
▪ Nội suy quỹ đạo
▪ Điều khiển vị trí
▪ Điều khiển tăng tốc/giảm tốc
Cấu trúc bộ điều khiển trung tâm gồm các function chính:





Interpreter
Interpolator
Accelebration/decelebration controller
Position controller

4.1 Interpreter (chương trình dịch)
Dịch các mã ASCII trong chương trình và lưu trữ dữ liệu đã biên dịch trong bộ nhớ cho
bộ nội suy. Ngoài ra, đưa ra các lệnh liên quan đến dữ liệu được biên dịch và thực hiện
biên dịch khối tiếp theo khi nhận được lệnh.
4.2 Interpolator (bộ nội suy)
Đóng vai trị đọc lần lượt dữ liệu từ bộ đệm và tính tốn vị trí, tốc độ trên một đơn vị thời
gian ở mỗi trục. Lưu trũ kết quả trong bộ đệm FIFO cho bộ điều khiển tăng giảm tốc. Bộ
16


nội suy sẽ tạo ra một xung tùy thuộc vào hình dạng nội suy và gửi tới bộ đệm FIFO, số
lượng xung phụ thuộc vào độ dài đường nội suy.
4.3 Position controller
Hoạt động dựa vào dữ liệu từ Bộ nội suy gửi tới, gồm có 4 cấu trúc: close, semi-close,
hybrid, open.
4.4 Accelebration/Dêclebration
Khi có rung lắc cơ học trong q trình di chuyển, khi bắt đầu hoặc dừng lại, quá trình lọc
này được tạo ra để kiểm soát sự rung lắc đó. Gồm 2 kiểu: tăng giảm tốc trước nội suy,
tăng giảm tốc sau nội suy.

17


NỘI SUY DDA – DIGITAL DIFFENTIAL ANALYZER

I.

SỬ DỤNG PHẦN MỀM

Ví dụ, Nội suy đường thẳng từ A(2;2) đến B(2;10)

dX = 0; dY =8; m = dY/dX = vo cung; step = 8
18


x_inc = 0; y_inc =1
 Xi = 2; 2; 2; 2; 2; 2; 2; 2
 Yi = 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10

Nội suy đường thẳng từ A(1;2) đến B(7;10)
dX = 6; dY = 8; step = 8;
x_inc = 6/8 = 0.75; y_inc = 1
 Xi = 1.75; 2.5; 3.25; 4; 4.75; 5.5 ; 6.25 ; 7 => Xi = 2 ; 3 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 6 ; 7
 Yi = 3 ; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10

Nội suy đường tròn
X =Rcosθθ+ X 0
Y =Rsθinθ +Y 0
d x =−Rsθinθdθ
d y =Rcosθθdθ

=>
d X =−( Y −Y 0 ) dθ
d X =( X −X 0 ) dθ

=>
X 2 =X 1 +d x =X 1−( Y 1 −Y 0 ) dθ
Y 2=Y 2 + d y =Y 1+ ( X 2− X 0 ) dθ
d θ=min¿

PHƯƠNG PHÁP XUNG ĐẶT

1, Nội suy DDA dùng phần mềm
2, Nội suy xấp xỉ bậc thang (Theo chiều kim đồng hồ, góc phần tư thứ I, cịn lại AE tra
bảng )
 Công thức:
19


Dk = X 2k +Y 2k −R 2

- Dk >0 : Điểm hiện tại nằm ngồi đường trịn,
→di chuyển trục Y theo chiều âm.

- Dk <0 : Điểm hiện tại nằm trong đường tròn,
→di chuyển trục X theo chiều dương.

- Dk =0: Điểm hiện tại nằm trên đường tròn,
→Chọn ngẫu nhiên 1 trong 2 di chuyển trục Y theo chiều âm hoặc di chuyển trục X theo

chiều dương.

Figure 1: Bảng chiều đi (CW: Cùng chiều đồng hồ)

VD: Di chuyển từ điểm (0;10) đến điểm (10;0) với tâm I(0;0) theo cùng chiều kim đồng
hồ,

20