HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC pot

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC
1. Kiến trúc của máy công cụ CNC và lưu đồ vận hành gia công:
Hình 1. Kiến trúc của máy công cụ CNC và lưu đồ vận hành gia công
2. Các thành phần trong hệ thống truyền động máy CNC
Các hệ thống biến đổi các lệnh từ NC thành các chuyển động máy được chỉ
ra trong hình 2. Hình 2.a mô tả cơ cấu điều khiển động cơ servo và bộ truyền
động. Động cơ servo, bắt nguồn từ “servue” của tiếng Latin, là thiết bị thực hiện
chính xác yêu cầu đã cho. Các lệnh từ NC làm quay động cơ servo, động cơ
servo quay được truyền đến vít me bi thông qua khớp nối, vít me bi quay tạo
thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc, và cuối cùng bàn máy và phôi cùng
chuyển động tịnh tiến. Nói tóm lại, cơ cấu điều khiển động cơ servo điều khiển
vận tốc và moment xoắn của bàn máy thông qua thiết bị điều khiển động cơ
servo của mỗi trục dựa trên các lệnh điều khiển từ NC.
Hình 2. Cơ cấu điều khiển của máy công cụ
Hình 2.b miêu tả đơn vị trục chính bao gồm trục động cơ và bộ phần truyền
động.
Động cơ quay truyền qua trục chính đến trục chính thông qua dây đai và tỉ số
vận tốc phụ thuộc vào tỉ lệ kích cở của 2 puly. Gần đây, các động cơ cảm ứng
được sử dụng như động cơ trục chính của các máy công cụ bởi vì động cơ cảm
ứng tốt hơn động cơ DC về mặt kích cở, khối lượng, quán tính, hiệu suất, tốc độ,
và việc bảo trì.
3. Các vòng điều khiển CNC
Vị trí và vận tốc được dò từ 1 cảm biến được phản hồi về 1 mạch điện điều
khiển, động cơ servo sử dụng trong máy CNC điều khiển liên tục để cực tiểu hóa
sai số vận tốc và sai số vị trí (hình 3). Hệ thống điều khiển phản hồi bao gồm 3
vòng điều khiển độc lập cho mỗi trục của máy công cụ, vòng điều khiển phía
ngoài cùng là vòng điều khiển vị trí, vòng điều khiển ở giữa là điều khiển tốc độ,
vòng điều khiển trong cùng là vòng điều khiển hiện hành. Nói chung, vòng điều
khiển vị trí được đặt trong NC và các vòng điều khiển khác thì đặc trong thiết bị
điều khiển động cơ servo. Tuy nhiên, không có tiêu chuẩn tuyệt đối về vị trí các
vòng điều khiển và các vị trí có thể khác nhau dựa trên ý định của người thiết kế.

Hình 3. 3 loại vòng điều khiển trong máy CNC
Trong hệ thống trục quay của máy công cụ, điều khiển phản hồi của tốc độ
được áp dụng để duy trì tốc độ quay ổn định.
Bộ dò được gắn trên trục của động cơ servo hoặc phần chuyển động và hệ
thống điều khiển được phân thành 4 loại theo vị trí mà bộ dò được gắn.
3.1. Vòng điều khiển nửa kín
Vòng điều khiển nửa kín là cơ cấu điều khiển phổ biến và có cấu trúc như
trong hình 4.a. Trong loại này, vị trí bộ dò được gắn trên trục của động cơ servo
và dò theo góc quay. Độ chính xác vị trí của trục bị ảnh hưởng lớn đến sự chính
xác của trục ví me bi. Vì lý do này, các vít me bi với độ chính xác cao được phát
triển và được sử dụng rộng rãi. Dựa vào độ chính xác của vít me bi, vấn đề với
độ chính xác được khắc phục thông qua thực tiển sản xuất.
Nếu cần thiết, bù về sai số ăn khớp và bù về sai số khe hở có thể được sử
dụng trong NC để mà tăng độ chính xác vị trí. Phương pháp bù sai số ăn khớp
hiệu chỉnh hệ thống điều khiển động cơ servo để mà loại bỏ sự tích lũy về sai số
vị trí. Phương pháp bù khe hở, bất cứ khi nào hướng di chuyển bị thay đổi, các
xung thêm vào tương ứng lượng khe hở được gởi tới hệ thống điều khiển động
cơ servo.
Hình 4. Phân loại cơ cấu điều khiển theo phương pháp dò dữ liệu vị trí
3.2. Vòng điều khiển kín
Việc thực thi vòng nửa kín phụ thuộc vào độ chính xác của vít me bi và có
thể tăng độ chính xác vị trí thông qua bù ăn khớp và bù khe hở. Tuy nhiên, nói
chung, lượng khe hở có thể bị thay đổi theo khối lượng của phôi và vị trí và sai
số ăn khớp tích lũy của vít me bi thay đổi theo nhiệt độ. Ngoài ra, bởi vì chiều
dài của vít me bị giới hạn cho nhiều lý do thực tế, 1 cái giá và 1 hệ thống điều
khiển bánh răng được sử dụng máy công cụ dạng lớn. Tuy nhiên, độ chính xác
của giá thì bị giới hạn. Trong trường hợp này, vòng điều khiển kín được chỉ ra
trong hình 4.b thì được áp dụng. Trong vòng điều khiển kín, vị trí máy dò được
gắn trên bàn máy và sai số vị trí thật sự được phản hồi về hệ thống điều khiển.
Vòng điều khiển kín và nửa kín thì giống nhau ngoại trừ vị trí của đầu dò, và độ

chính xác vị trí của vòng kín thì rất cao. Tuy nhiên, tần số cộng hưởng của thân
máy, sự tiến gián đoạn, sự mất chuyển động có ảnh hưởng đến đặc tính động cơ
servo bởi vì thân máy bao gồm vòng điều khiển vị trí.
Sự khác biệt giữa vị trí điều khiển và vị trí dò tìm xuất hiện và động cơ servo
quay với vận tốc tương ứng để giảm sai số xuống. Việc giảm tốc độ liên quan
đến độ lợi của vòng điều khiển vị trí. Độ lợi là yếu tố quan trọng để xác định đặc
tính của hệ thống động cơ servo. Nói chung, khi độ lợi tăng, tốc độ đáp ứng và
độ chính xác động tăng. Tuy nhiên, độ lợi cao làm cho hệ thống servo mất ổn
định. Trong vòng điều khiển kín, nếu tần số cộng hưởng của hệ thống điều khiển
máy không đủ lớn hơn độ lợi, hệ thống vòng điều khiển trở nên mất ổn định. Vì
vậy, cần thiết để tăng tần số cộng hưởng của hệ thống điều khiển máy, và vì điều
này, cần thiết để tăng độ cứng vững của máy, giảm hệ số ma sát bề mặt, và loại
bỏ nguyên nhân làm mất chuyển động.
3.3. Vòng điều khiển hổn hợp
Trong vòng điều khiển kín, cần thiết để giảm độ lợi xuống thấp khi gặp khó
khăn để tăng độ cứng vững cân xứng đến trọng lượng của đối tượng chuyển
động hoặc giảm sự mất chuyển động trong trường hợp máy nặng. Nếu độ lợi quá
thấp, mặc dù sự thực thi trở nên kém đi đặc biệt đối với thời gian đạt vị trí và độ
chính xác. Trong trường hợp này, vòng điều khiển hổn hợp được chỉ ra trong
hình 4.c được sử dụng.
Trong điều khiển hổn hợp, có hai loại vòng điều khiển: vòng điều khiển nửa
kín và vòng điều khiển kín. Điều khiển nửa kín khi vị trí được dò từ trục của
động cơ, và điều khiển vòng kín, dựa trên tỉ lệ tuyến tính. Trong vòng điều khiển
nửa kín, có thể điều khiển độ lợi cao bởi vì máy không bao gồm trong hệ thống
điều khiển. Vòng điều khiển kín tăng độ chính xác bởi sự bù sai số mà vòng điều
khiển nửa kín không điều khiển. Bởi vì vòng điều khiển kín được sử dụng cho bù
sai số vị trí, nó thích ứng tốt trong trường hợp độ lợi thấp. Bởi sự kết hợp vòng
điều khiển kín và điều khiển nửa kín, có thể đạt được độ chính xác cao với độ lợi
cao trong trường hợp điều kiện máy kém.
3.4. Vòng điều hở

Không giống như các vòng điều khiển đã đề cặp bên trên, vòng điều khiển hở
không có phản hồi (hình 5). Vòng điều khiển hở được áp dụng trong trường hợp
độ chính xác của điều khiển không cao và sử dụng động cơ bước. Bởi vì điều
khiển hở không cần một máy dò và mạch điện phản hồi, nên cấu trúc rất đơn
giản. Vì vậy, độ chính xác của hệ thống thì ảnh hưởng trực tiếp bởi độ chính xác
của động cơ bước, vít me bi, và bộ phận truyền động.
Hình 5. Vòng điều khiển hở
4. Các thành phần của hệ thống điều khiển số CNC
Hình 6. Cấu trúc của CNC
Hình 7. Hoạt động bên trong của hệ thống CNC
Theo quan điểm về chức năng, hệ thống CNC bao gồm đơn vị MMI, đơn vị
NCK, đơn vị PLC, được trình bày trong hình 6. MMI (đơn giao tiếp người –
máy), cung cấp giao diện giữa NC và người sử dụng, thực hiện điều khiển hoạt
động của máy, hiển thị tình trạng máy, cung cấp các chức năng cho hiệu chỉnh
chương trình và truyền thông. NCK (đơn vị điều khiển trung tâm), được xem
như là cái lõi của hệ thống CNC, biên dịch phần chương trình và thực thi việc
nội suy, điều khiển vị trí, và bù sai số dựa trên phần chương trình được biên dịch.
Cuối cùng, NCK điều khiển hệ thống servo và gia công phôi. PLC (bộ điều
khiển logic lập trình được) điều khiển sự thay đổi dao cụ, tốc độ trục chính, thay
đổi phôi, tín hiệu xử lý vào/ra và đóng vai trò điều khiển hành vi của máy ngoài
trừ điều khiển động cơ servo.
Thứ tự hoạt động bên trong của hệ thống CNC được thể hiện trên hình 7.
Hình 8 chỉ ra khái niệm cấu trúc của máy CNC theo quan điểm phần cứng và
phần mềm.
Hình 8. Các thành phần của hệ thống CNC
Theo quan điểm phần cứng, máy công cụ CNC bao gồm hệ thống điều khiển
số, hệ thống điều khiển động cơ và máy công cụ. Tín hiệu ra của vị trí điều khiển
được gởi đến hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống điều khiển động cơ vận
hành động cơ servo bởi điều khiển vận tốc và điều khiển moment, và cuối cùng,
động cơ servo làm di chuyển phần chuyển động thông qua bộ phận truyền động.

Trong hệ thống CNC, các modun xử lý các chức năng của đơn vị MMI, đơn vị
NCK, đơn vị PLC bao gồm bộ xử lý chính, hệ thống ROM và hệ thống RAM,
lưu trữ tương ứng các trình ứng dụng, phần chương trình gia công và chương
trình PLC. Modun xử lý thì được kết nối với một giao diện được gắn các phím
tín hiệu vào, hiển thị điều khiển, tín hiệu đầu vào bên ngoài và hệ thống bus
truyền dữ liệu. Vì vậy, kiến trúc của hệ thống CNC thì tương tự máy tính đa xử
lý. Hệ thống CNC có một thiết bị tương tự/số tín hiệu vào/tín hiệu ra cho việc
truyền thông trực tiếp với các máy bên ngoài và giao diện truyền thông được kết
nối thiết bị điều khiển động cơ.