một thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay cnc dựa trên rung động của máy

Một thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay CNC dựa trên rung động
của máy
Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một thuật toán điều khiển lượng chạy dao (F)
cho máy phay CNC trên cơ sở đó và phân tích rung động của máy. Nghiên cứu
cũng đã đưa ra một phương pháp xác định biên độ và vận tốc rung động từ gia tốc
rung động. Hiện nay, tuy nghiên cứu mới đang ở trong giai đoạn xây dựng thuật
toán điều khiển và mô phỏng trên máy tính nhưng mục tiêu xa hơn của chúng tôi
trong tương lai là tích hợp thuật toán này vào trong các chíp vi điều khiển để tạo
thành các mô đun điều khiển mở rộng cho máy phay CNC nhằm mục đích nâng
cao và chất lượng gia công.
1. Giới thiệu chung về rung động của máy phay CNC và phân tích các phương
án điều khiển
Rung động của máy phay CNC là một hiện tượng vật lý sinh ra trong quá
trình gia công. Dưới tác dụng của lực cắt, cơ hệ (hệ thống công nghệ) gồm máy
phay – đồ gá – dao phay – chi tiết bị rung động cưỡng bức. Rung động này gây ra
một số tác hại chính như: làm giảm chất lượng bề mặt, gây ra sai số kích thước của
chi tiết gia công, làm lệch các bộ phận của máy dẫn đến giảm độ bền của máy và
làm gãy dụng cụ cắt. Trong ba đặc trưng (tần số, biên độ và pha) của rung động thì
đặc trưng biên độ gây ảnh hưởng trực tiếp và lớn nhất. Biên độ của rung động phục
thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau: chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt
(S) và lượng chạy dao (F). Đây là bốn thông số công nghệ đặc trưng cho chế độ gia
công trên máy phay CNC. Trước khi đặt ra bài toán điều khiển máy phay CNC trên
cơ sở rung động của máy, cần phải xét đến khả năng có thể thay đổi các yếu tố nào
trong bốn thông số công nghệ nêu trên. Để cụ thể chúng tôi đã chọn máy phay
CNC 5 trục V30 sử dụng bộ điều khiển 18MC của hãng Fanuc làm đối tượng
nghiên cứu và đã tìm ra một số khả năng có thể thay đổi các thông số công nghệ
(F,S,B,t) như sau:
- Trong quá trình gia công trên máy phay CNC, người vận hành có thể thay
đổi trực tiếp vận tốc cắt thông qua hai nút ấn và lượng chạy dao thông qua một
công tắc xoay 16 tiếp điểm trên bộ điều khiển CNC.
- Nếu điều khiển máy phay CNC theo phương pháp CNC (computer

numerical control) nghĩa là toàn bộ chương trình gia công (đường chạy dao gia
công) do phần mềm CAM sinh ra sẽ được truyền vào bộ nhớ của bộ điều khiển
CNC vì vậy không thể thay đổi được các thông số công nghệ trong chương trình
gia công. Do đó chỉ có thể thay đổi hai thông số là vận tốc cắt và lượng chạy dao
bằng các nút ấn và công tắc trên bộ điều khiển CNC.
- Nếu điều khiển máy phay CNC theo phương pháp DNC (direct numercial
control) nghĩa là từng lệnh gia công (G- code) sẽ được máy tính gửi tới bộ điều
khiển CNC. Vì vậy chỉ có thể thay đổi được các thông số công nghệ (F, S, B, t)
trong công lệnh G – code tiếp theo. Câu lệnh mà máy đang thực hiện không thể sửa
đổi được. Như vậy khi sử dụng phương pháp này có thể xãy ra trường hợp dụng cụ
cắt đã bị gãy trước khi các thông số công nghệ (F, S, B, t) được thay đổi trong câu
lệnh G – code tiếp theo.
Trên cơ sở phân tích này, chúng tôi đề xuất hai phương án như sau:
- Phương án 1: Xấp xỉ (chia nhỏ) từng câu lệnh G – code thành nhiều câu
lệnh G – code khác. Số lượng bước chia nhỏ được chọn sao cho có thể kiểm soát
được trạng thái rung động của máy. Phương án này cho phép thay đổi được cả bốn
thông số công nghệ (F, S, B, t) tuy nhiên sẽ gây ra sai số lớn trong quá trình gia
công và chỉ có thể được áp dụng khi điều khiển máy theo phương pháp DNC.
- Phương án 2: Can thiệp trực tiếp vào phần cứng của bộ điều khiển CNC để
thay đổi hai thông số công nghệ là vận tốc cắt và lượng chạy dao nhờ thay thế hai
nút ấn và công tắc xoay 16 tiếp điểm bằng các tín hiệu điều khiển từ bên ngoài.
Phương án này có ưu điểm bằng các tín hiệu điều khiển từ bên ngoài. Phương án
này có ưu điểm là không gây ra sai số trong quá trình gia công và có thể được áp
dụng trong cả hai trường hợp điều khiển máy theo phương pháp CNC và DNC.
Để tránh sai số, chúng tôi lựa chọn phương án 2. Tuy nhiên vì đây là bước
nghiên cứu đầu tiên nên chỉ có lượng chạy dao được lựa chọn để thay đổi. Vì vậy
hướng nghiên cứu của chúng tôi là xây dựng một thuật toán điều khiển lượng chạy
dao cho máy phay CNC dựa trên rung động.
2. Xây dựng hệ thống đo và xử lý tín hiệu rung động
Hệ thống đo rung động cho máy phay CNC 5 trục V30 gồm 3 cảm biến đo

rung động có dải đo là ±68g với g là gia tốc trọng trường (g = 9,8m/s
2
). Ba cảm
biến đo rung động này được gắn trên chi tiết theo ba phương x, y, x. Vì tín hiệu ra
của các cảm biến này rất nhỏ nên cần phải đưa qua bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín
hiệu (hình 1). Đặc tính chuyển đổi của bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu là hoàn
toàn tuyến tính. Đầu ra của bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu là giá trị điện áp
một chiều trong khoảng -10V đến 10V. Sử dụng một card biến đổi ADC (Analog
Digital Converter) 12 bit để biến đổi các giá trị điện áp đo được thành các giá trị
số. Máy tính sẽ đọc dữ liệu từ card ADC và tính toán để tìm ra biên độ rung động
tổng hợp của máy phay theo ba phương x, y, x. Dựa vào độ lớn của biên độ rung
động tổng hợp, lượng chạy dao sẽ được chỉnh định theo một thuật toán điều khiển
thông qua bốn cổng ra số (P1, P2, P3, P4) của card ADC
Điều khiển tỷ lệ phần trăm
F (0÷150)
±68g
Bộ khuếch đại và chuẩn
hóa tín hiệu
±10 VDC
Card ADC (12 bit)
Máy tính làm nhiệm vụ đo lường, xử lý
tín hiệu rung động và điều khiển máy
phay CNC
P1 …P4
3 cảm biến đo rung động được
gắn trên chi tiết theo ba
phương (x, y, z)
RS 232
Các lệnh G-code
truyề tới máy phay

theo DNC
Máy phay CNC5 trục V30
Hình 1: Mô hình hệ thống đo và xử lý tín hiệu rung động
Tổ hợp của bốn cổng ra số này tạo ra 16 trạng thái khác nhau của lượng chạy
dao F (xem bảng 1). Các giá trị của lượng chạy dao trong bảng được tính bằng tỷ lệ
phần trăm so với lượng chạy dao hiện thời lưu trong bộ nhớ của bộ điều khiển
CNC. Ví dụ: Nếu F= 50% (P1=1, P2=0, P3=1, P4=0) thì độ lớn của lượng chạy
dao F thực tế chỉ bằng 50% độ lớn của lượng chạy dao F hiện đang lưu trong bộ
nhớ của bộ điều khiển CNC.
Bảng 1: Bảng xác định độ lớn của lượng chạy dao thực tế
P4 P3 P2 P1 Phần trăm F
0 0 0 0 0%
0 0 0 1 10%
0 0 1 0 20%
0 0 1 1 30%
0 1 0 0 40%
0 1 0 1 50%
0 1 1 0 60%
0 1 1 1 70%
1 0 0 0 80%
1 0 0 1 90%
1 0 1 0 100%
1 0 1 1 110%
1 1 0 0 120%
1 1 0 1 130%
1 1 1 0 140%
1 1 1 1 150%
3. Kết quả đo rung động
Chúng tôi đã tiến hành đo và thu thập dữ liệu rung động của máy trong
nhiều chế độ gia công khác nhau. Hình 2 biểu diễn một kết quả đo rung động trên

máy phay CNC 5 trục V30 với dụng cụ cắt là dao phay ngón (thép gió
φ
12 không
phủ, 4 răng cắt) và phôi gia công là thép C45. Chế độ gia công gồm các thông số
sau: phay nghịch, vận tốc cắt S = 20m/ph (ứng với tốc độ quay trục chính
n=530v/ph), chiều sâu cắt t=1mm và lượng chạy dao F= 21,2mm/ph. Tần số lấy
mẫu là 1kHz.
Tổng hợp các kết quả đo này, chúng tôi nhận thấy rằng mỗi khi dụng cụ cắt
vào phôi sẽ gây ra rung động có gia tốc lớn có dạng như trong hình 3 ( ứng với
trường hợp phay nghịch). Tín hiệu gia tốc rung động này xuất hiện khi lưỡi dao
phay ăn vào chi tiết gia công. Khi lưỡi dao bắt đầu ăn vào chi tiết, gia tốc rung
động còn nhỏ. Gia tốc rung động sẽ lớn nhất khi lưỡi dao ăn sâu vào chi tiết nhiều
nhất và giảm dần khi lưỡi dao phay đi ra khỏi chi tiết. Khi tốc độ quay của trục
chính càng cao thì tần số xuất hiện các tín hiệu này càng lớn. Khi phay thuận, gia
tốc rung động sẽ lớn nhất khi lưỡi dao bắt đầu ăn vào chi tiết và giảm dần khi lưỡi
dao phay đi ra khỏi chi tiết.
Hình 3: Dạng tín hiệu gia tốc rung động ứng với trường hợp phay nghịch
4. Xây dựng thuật toán điều khiển lượng chạy dao
Với mục tiêu giữ cho rung động của máy luôn nằm trong một giới hạn cho
phép nhưng đồng thời phải giảm thời gain gia công tức là nâng cao năng suất,
chúng tôi đưa ra một luật điều khiển có dạng một khâu phi tuyến tính.
Hình 4: Luật điều khiển lượng chạy đaoựa trên rung động
Thuật toán điều khiển lượng chạy dao của máy phay CNC dựa trên rung
động (hình 5) có các thông số chính như sau:
- T là chu kỳ lấy mẫu (ms)
- n là số lượng mẫu G
X
, G
Y
G

Z
được sử dụng trong phép tính tích phân rời
rạc theo thời gian và m là số lượng giá trị biên độ rung động tổng hợp A
i
được
dùng để tính giá trị biên độ rung động trung bình A
TB
.
- A
gh
là giá trị biên độ rung động giới hạn (lớn nhất cho phép) của cụm trục
chính máy. Giá trị này phụ thuộc vào các yếu tố như: loại dao phay, vật liệu làm
dao và chi tiết, chế độ cắt như chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt (S)
… Giá trị A
gh
do người vận hành máy thiết lập và có thể thay đổi trong quá trình
gia công. Đơn vị tính của A
gh
là mm.
Hình 5: Lưu đồ thuật toán điều khiển lượng chạy dao
- G
X
, G
Y
G
Z
là các giá trị gia tốc rung động của máy tính theo đơn vị gia tốc
trọng trường g (với g= 9,8m/s
2

) Vì ba cảm biến đo rung động có giới hạn đo là
±68g nên các giá trị G
X
, G
Y
G
Z
đo được sẽ nằm trong khoảng [-666.4 ÷666.4] m/s
2
hay [-666400÷

666400] mm/s
2
.
- A
X
, A
Y
, A
Z
là các giá trị biên độ rung động hiện thời của máy, đơn vị tính
là mm.
- A
m
là giá trị biên độ rung động tổng hợp theo ba phương hiện thời của máy,
đơn vị tính là mm.
- A
TB
là giá trị biên độ rung động trung bình của m giá trị biên độ rung động
tổng hợp của máy (A

i
), đơn vị tính là mm.
Trong thuật toán điều khiển lượng chạy dao, cần phải thực hiện hai lần tích
phân rời rạc theo thời gian để xác định các giá trị biên độ rung động hiện thời A
X
,
A
Y
, A
Z
(mm) từ các giá trị gia tốc rung động G
X
, G
Y
G
Z
(mm/s
2
) trong khoảng thời
gian (Nt). Sử dụng phương pháp Ơ le lùi (Backward Euler) trong phép tính tích
phân rời rạc. Biểu thức tính của phương pháp này là: y(k)=y(k-1) +T*u(k) với
x(k)=y(k-1), k=1÷n.
Hình6: Mô hình mô phỏng phương pháp xác định vận tốc và biên độ rung động
từ gia tốc rung động
Khi sử dụng phương pháp Ơle lùi, khâu tích phân được xấp xỉ bằng biểu tức
T*z/(x-1). Để kiểm tra tính chính xác của phương pháp xác định biên độ rung động
từ gia tốc rung động trước khi xây dựng thành phần mềm hoàn chỉnh, chúng tôi đã
sử dụng công cụ Simelink của Matlab để xây dựng một mô hình mô phỏng. Khâu
“Giả tạo tín hiệu dao động” sẽ tạo ra tín hiệu gia tốc của rung động có dạng như
trong hình 3. Kết quả mô phỏng được biểu diễn như trong hình 7.

Hình 7: Kết quả mô phỏng phương pháp xác định biên độ và vận tốc rung động
từ gia tốc rung động
5. Các kết quả đạt được của nghiên cứu
Đề xuất một thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay CNC trên
cơ sở rung động của máy.
Đưa ra một phương pháp xác định biên độ và vận tốc rung động từ gia tốc
rung động.
Ngoài ra, chúng tôi cũng đã xây dựng được một phần mềm điều khiển DNC
cho máy phay CNC 3 trục với chức năng tương tự như một số phần mềm khác của
nước ngoài.
6. Đề xuất một vài hướng phát triển trong tương lai
Tích hợp thuật toán này vào trong các chip vi điều khiển để tạo thành các mô
đun điều khiển mở rộng cho máy phay CNC nhằm mục đích nâng cao năng suất và
chất lượng gia công.
Vì lượng chạy dao F chỉ có 16 giá trị khác nhau nên thuật toán điều khiển
lượng chạy dao còn nhiều hạn chế. Vì vậy cần đưa thêm vận tốc cắt vào để hình
thành bài toán điều khiển đồng thời cả lượng chạy dao và vận tốc cắt cho máy phay
CNC.
Xây dựng bài toán tối ưu hóa quá trình xấp xỉ (chia nhỏ) từng câu lệnh G –
code thành nhiều câu lệnh G – code khác với phiếm hàm mục tiêu là sai số nhỏ
nhất. Nếu thành công phương pháp này cho phép thay đổi được cả bốn thông số
công nghệ (F, S, B, t) khi điều khiển máy phay CNC theo phương pháp DNC.