Nghiên cứu nâng cao chất lượng truyền động bàn máy gia công tia lửa điện cnc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
..

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY GIA CÔNG
TIA LỬA ĐIỆN CNC

NGUYỄN THỊ MAI

THÁI NGUYÊN, NĂM 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY GIA CÔNG
TIA LỬA ĐIỆN CNC

Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: NGUYỄN THỊ MAI

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ QUANG LẠP

THÁI NGUYÊN, NĂM 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƢỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY GIA CÔNG
TIA LỬA ĐIỆN CNC

Học viên: Nguyễn Thị Mai
Lớp:
TĐH – K11
Chuyên ngành: Tự động hóa
Người HD khoa học: PGS.TS Võ Quang Lạp

Ngày giao đề tài: 01/01/2010
Này hoàn thành: 30/07/2010
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS VÕ QUANG LẠP
DUYỆT BGH

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

HỌC VIÊN

NGUYỄN THỊ MAI
KHOA SAU ĐẠI HỌC




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là cơng trình do tơi tổng hợp và nghiên cứu.
Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Mai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

MỤC LỤC

Nội dung

Trang

Trang phụ bì a
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục hì nh vẽ và đồ thị
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt
Mở đầu
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC
1.1. Lý thuyết gia công tia lửa điện CNC

1

1.1.1. Lịch sử phát triển của máy gia công tia lửa điện CNC

1

1.1.2. Nguyên lý gia công bằng tia lửa điện

2

1.1.3. Các chỉ tiêu đánh giá

3

1.2. Giới thiệu tổng quan máy EDM

4

1.2.1. Giới thiệu sơ đồ

4

1.2.2. Các khâu quan trọng trong sơ đồ

5

1.3. Hệ thống đo lường trong máy EDM

14

1.3.1. Cảm biến vị trí, tốc độ

14

1.3.2. Các phương pháp đo vị trí

19

1.3.3. Hệ điều khiển các chuyển động

26

CHƢƠNG 2
PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG BÀN

2.1. Các yêu cầu của truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC

31

2.1.1. Phạm vi điều chỉnh tốc độ

31

2.1.2. Độ trơn điều chỉnh tốc độ

32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2.1.3.Độ ổn định tốc độ

32

2.1.4. Đặc tính phụ tải

32

2.1.5. Độ chính xác vị trí

33

2.2. Các hệ truyền động bàn trong máy gia công tia lửa điện CNC

34

2.2.1. Truyền động thuỷ lực

34

2.2.2. Hệ truyền động dùng động cơ bước

37

2.2.3. Hệ truyền động dùng động cơ tuyến tính

40

2.2.4. Hệ truyền động dùng động cơ AC servo(AC servo motor)

41

2.2.5. Hệ truyền động dùng động cơ servo một chiều(DC servo motor)

42

2.2.6. Hệ truyền động Thyristor - động cơ (T- Đ)

44

2.2.7. Hệ truyền động xung điện áp động cơ điện một chiều

45

CHƢƠNG 3
PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÀN

3.1. Sơ đồ khối

54

3.1.1. Giới thiệu sơ đồ

54

3.1.2. Thiết kế mạch tạo xung điều khiển đảo chiều

57

3.2. Tổng hợp hệ thống

62

3.2.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống

62

3.2.2. Hàm số truyền các khâu trong sơ đồ

63

3.2.3. Tổng hợp hệ điều khiển

65

3.3. Mô phỏng hệ truyền động bàn máy EDM khi sử dụng bộ điều khiển PD

71

3.3.1. Tính tốn các thơng số hệ truyền động

71

3.3.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bàn máy gia công tia lửa điện sử 71
dụng bộ điều khiển PD
CHƢƠNG 4

NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY GIA
CƠNG TIA LỬA ĐIỆN CNC
4.1. Tính phi tún của bộ điều khiển vị trí

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

74




4.2. Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong mạch vòng vị trí

76

4.2.1. Đặt vấn đề

76

4.2.2. Tổng hợp bộ điều chỉnh mờ PD
4.2.3. Sơ đồ mô phỏng

77

4.3 Mô phỏng hệ thống
4.3.1. Mơ phỏng hệ thống truyền động với tín hiệu đặt là hàm step 1(t)

83

4.3.2. Mô phỏng hệ thống truyền động với tín hiệu đặt là hàm hình sin

85

4.3.3. Nhận xét, so sánh kết quả mô phỏng
Kết luận và kiến nghị

86

82

83

88

Tài liệu tham khảo
Phụ lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

NC

Numberical Control

CNC

Computer Numberical Control

CAD

Computer Aided Design

CAM

Computer Aided Manufacturing

AC

Altemating Current

DC

Direct Current

EDM

Electrocdischarge machining

MCU

Machine Control Unit

CPU
DAC
PM

Central processing Unit
Digital Analog Convert
Permanent Motor

VR

Variable – Reluctance steper motor

PWM

Pulse Width Modulation

PID

Proportional Intergal Derivative

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




MỞ ĐẦU
Sự phát triển của khoa học công nghệ đã đem đến những tăng trưởng bền
vững cho các nước công nghiệp, đặc biệt nhờ giá trị gia tăng của “ chất xám’’
được áp dụng vào các sản phẩm công nghệ cao. Các sản phẩm này có mặt trong
hầu hết các ngành kinh tế quốc dân như sinh học, y học, hàng không vũ trụ, công
nghiệp… Nước ta đang trong quá trình CNH – HĐH và hội nhập kinh tế quốc tế
nên các sản phẩm này phải chịu áp lực cạnh tranh rất lớn với các sản phẩm của các
nước công nghiệp phát triển với đặc điểm mẫu mã đẹp, chất lượng tốt, giá thành
hạ. Ngày nay trong sản xuất và đời sống xuất hiện ngày càng nhiều các sản phẩm
hoặc chi tiết có hình dáng phức tạp hoặc được làm từ các vật liệu cứng rất khó gia
cơng cắt gọt. Thực tế đó địi hỏi phải phát triển các phương pháp cơng nghệ mới,
trong đó có gia cơng tia lửa điện. Phương pháp này cịn gọi là gia cơng EDM (
Electrical Discharge Machining ). Máy gia công tia lửa điện là một máy gia công
mới xuất hiện nhiều ở nước ta, tuy nhiên việc đào tạo về công nghệ này chưa được
quan tâm ở các trường Đại học kỹ thuật và các Viện nghiên cứu. Trong việc tự
động hoá các dây chuyền sản xuất, điều chỉnh tự động truyền động điện giữ vai trị
vị trí rất quan trọng đặc biệt là địi hỏi các máy sản xuất phải lớn, tính năng làm
việc cao. Trong máy gia công tia lửa điện CNC phần công nghệ và hệ truyền động
cần được nghiên cứu, khảo sát và hoàn thiện dần, một phần là để phục vụ công tác
nghiên cứu, một phần là để ứng dụng vào trong sản xuất. Vì vậy việc nghiên cứu
hệ truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC là rất cần thiết.
Trong các nhà máy xí nghiệp công nghiệp ở nước ta hiện nay máy công cụ
điều khiển số CNC ngày càng được sử dụng rộng rãi

. Việc phát huy hiệu quả sử

dụng, bảo dưỡng vận hành máy là vấ n đề đặc biệt quan tâm của chúng ta . Muốn
phát huy được hiệu quả tối đa khả năng thiết bị cũng như việc cải tiến nó cho phù
hợp với điều kiện môi trường và con người Việt Nam đòi hỏi phải có sự hiểu biết
sâu sắc về má y cơng cụ CNC trong đó có máy gia cơng tia lửa điện CNC .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Việc “ Nghiên cứu, nâng cao chất lƣợng truyền động bàn máy gia

công tia lửa điện CNC” có một ý nghĩ a rất lớn trong ngành tự đợng hóa

. Đó

chính là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của tôi.
Luận văn này được chia thành 4 chương sau:
Chương 1 - Tổng quan về máy gia công tia lửa điện CNC.
Chương 2 - Phân tích và chọn phương án truyền động bàn.
Chương 3 - Phân tích và tổng hợp hệ truyền động bàn.
Chương 4 - Nâng cao chất lượng hệ thống truyền động bàn máy gia
công tia lửa điện CNC.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS .TS Võ Quang Lạp đã hướng
dẫn tận tì nh, chỉ bảo cặn kẽ để tơi hồn thành luận văn này . Xin gửi lời cảm ơn tới
các th ầy các cô Khoa sau đại học , Khoa điện và Khoa điện tử viễn thông Trường
ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên.

Thái nguyên Ngày 30 tháng 07 năm 2010

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Mai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 1-

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC

( Electrical Discharge Machining – EDM)
1.1. Lý thuyết gia công tia lửa điện CNC
1.1.1. Lịch sử phát triển của máy gia công tia lửa điện CNC
Trong nửa thế kỷ qua, nhu cầu về các vật liệu cứng, lâu mòn và siêu cứng sử
dụng cho tuabin máy bay, dụng cụ khuôn mẫu.....tăng lên không ngừng ở các nước
phát triển. Việc gia cơng các vật liệu đó bằng cơng nghệ cắt gọt thơng thường
(Tiện, Phay, Mài...) là vơ cùng khó, đơi khi không thể thực hiện được.
Cách đây gần 200 năm, nhà nghiên cứu tự nhiên người anh Jo Seph Príetley
(1733- 1809), trong các thí nghiệm của mình đã nhận thấy có một hiệu quả ăn mịn
vật liệu gây ra bởi sự phóng điện. Nhưng mãi đến năm 1943, thơng qua hàng loạt
các nghiên cứu về tuổi bền của các thiết bị đóng điện, hai vợ chồng Lazarenko
người nga mới tìm ra công nghệ gia công tia lửa điện. Họ bắt đầu sử dụng tia lửa
điện để làm một quá trình hớt kim loại mà không phụ thuộc vào độ cứng của vật
liệu đó.
Các máy đầu tiên của thời kỳ những năm 50 – 60 của thế kỷ 20 ít tự động hố
và khơng tiện dùng lắm.

Ngày nay với các thuật toán điều khiển mới, với các hệ thống điều khiển CNC
cho phép gia công đạt năng suất và chất lượng cao mà không cần đến sự tham ra
trực tiếp của con người. Các máy gia công tia lửa điện ngày nay được đặc trưng bởi
các mức độ tự động hoá cao.
Các hệ thống điều khiển CNC trên thị trường đã có tiến bộ rất nhiều đặc biệt
là máy cắt dây.
Các hệ điều khiển CNC trong nhiều năm qua đã có mặt ở các máy xung định
hình, nhưng đã mất rất nhiều thời gian để có thể tận dụng được mọi khả năng của
chúng. Các chuyển động hành tinh và chuyển động theo cơngtua của một điện cực
có hình dáng đơn giản cho phép gia cơng xung định hình các hình dáng đơn giản
và các hình dáng phức tạp. Ưu điểm của phương pháp này là ở chỗ việc chế tạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 2-

điện cực sẽ rẻ hơn và nếu sử dụng được điện cực quay thì điều kiện dịng chảy sẽ
tốt hơn và điện cực ăn mòn sẽ tốt hơn.
1.1.2. Nguyên lý gia công bằng tia lửa điện
Khi các tia lửa điện được phát ra, vật liệu mặt bôi trơn sẽ hớt đi bởi một q
trình điện - nhiệt thơng qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại, nó thay cho tác
động kim loại của dụng cụ vào phôi. Quá trình hớt kim loại bằng điện nhiệt bởi sự
phóng điện được gọi là “Gia công tia lửa điện “ ( Nguyên gốc tiếng anh là “
Electrical Discharge Machining.”, gọi tắt là gia cơng EDM).

Hình 1.1. Ngun lý gia cơng tia lửa điện
Đặt một điện áp một chiều giữa 2 tấm kim loại khác nhau, một được gọi là

điện cực và một gọi là chi tiết. Điện áp này thường nằm trong khoảng 80V đến
200V. Cả 2 tấm kim loại này được nhúng ngập trong 1 dung dịch cách điện đặc biệt
- gọi là dung dịch điện môi. Khi đưa 2 điện cực tiến lại gần nhau, đến một khoảng
cách  đủ nhỏ thì xảy ra sự phóng tia lửa điện. Điều này có thể giải thích là do điện
trường giữa khe hở đủ lớn (đạt khoảng 104 V/mm) dẫn đến việc iơn hố dung dịch
điện mơi và nó trở thành dẫn điện. Khi năng lượng tập trung đủ lớn, một dịng điện
hình thành do sự chuyển dịch của các ion và điện tử trong dung dịch điện môi - gọi
là kênh dẫn điện - kèm theo sự xuất hiện của tia lửa điện do hiện tượng ion hoá
mãnh liệt dung dịch điện môi. Nhiệt độ ở vùng này lên đến khoảng 100000 C làm
bốc hơi vật liệu các điện cực. Nguồn điện được ngắt đột ngột làm cho tia lửa điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 3-

biến mất. Dung dịch lạnh từ ngoài tràn vào kênh dẫn điện do sự chênh lệch áp suất
tạo ra tiếng nổ nhỏ và làm hoá rắn hơi vật liệu thành các hạt ơ-xít kim loại. Sau đó,
nguồn điện được cung cấp lại và tia lửa điện lại xuất hiện.
Có thể thấy những điểm chính của phương pháp gia cơng tia lửa điện là
nguồn cung cấp, vật liệu của các điện cực, dung dịch điện môi và khe hở giữa các
điện cực.
Nguồn cung cấp điện áp dạng xung: thời gian ngắt nguồn điện là khoảng thời
gian cần thiết để dung dịch điện mơi có thể khơi phục lại trạng thái khơng dẫn điện
của nó và sẵn sàng cho xung gia cơng tiếp theo. Nếu thời gian này khơng có hay
nhỏ quá sẽ làm dung dịch điện môi luôn ở trạng thái dẫn điện. Điều này làm cho tia
lửa điện phát triển thành hồ quang gây hỏng bề mặt chi tiết và điện cực.
Các điện cực làm bằng 2 loại vật liệu dẫn điện khác nhau và được nhúng

ngập trong dung dịch điện môi: dung dịch này không dẫn điện ở trạng thái bình
thường nhưng có chức năng chính là mơi trường hình thành kênh dẫn điện ở điện
trường cao.
Giữa các điện cực ln có 1 khe hở nhỏ được gọi là kênh phóng điện. Khe
hở này cần được đảm bảo trong suốt q trình gia cơng để duy trì sự ổn định của tia
lửa điện.
1.1.3. Các chỉ tiêu đánh giá
Để có thể đánh giá được q trình gia cơng EDM, các nhà nghiên cứu về gia
công EDM đã đưa ra một số các chỉ tiêu. Các chỉ tiêu này không những được áp
dụng trong thiết kế và tính tốn thơng thường mà còn được các bộ điều khiển CNC
dùng làm tiêu chí để điều khiển tự động q trình gia công EDM. Các ký hiệu và ý
nghĩa các thông số cơng nghệ được trình bày ở mục 1.1.4.
1.1.3.1. Năng suất gia công (mm3/phút hay g/phút)
Năng suất gia công là lượng hớt vật liệu chi tiết trong 1 khoảng thời gian
(tính bằng phút hoặc giờ). Năng suất tỷ lệ thuận với cường độ dịng điện và khoảng
thời gian gia cơng có ích (thời gian giai đoạn 2).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 4-

Thực tế, một đại lượng khác tương tự năng suất thường được dùng trong quá
trình điều khiển là hiệu suất gia cơng . Hiệu suất gia cơng được tính theo công thức
sau:

t e( k )
= 

(k )
k 1 (t i  t 0 )
N

(1.1)

N là số chu kỳ lấy mẫu. Mỗi chu kỳ gia cơng được tính trong khoảng thời
gian (ti+to) (μs).
Theo cơng thức trên, hiệu suất được tính cho một q trình gia cơng hay một
khoảng thời gian xác định. Thông thường, các hệ điều khiển hiện đại như AGIE,
Charmill, Mitsubishi lấy N=1000.
1.1.3.2. Lƣợng mòn của điện cực Ve (g)
Khi gia công, bên cạnh vật liệu chi tiết bị mịn thì điện cực cũng bị mịn theo.
Độ mịn này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và hình dáng của chi tiết sau khi
gia cơng. Một đại lượng khác cũng hay được dùng là độ mòn tương đối V:

V

Ve
100
Vw

(%)

(1.2)

với Vw là lượng mòn của chi tiết (g) sau khi gia cơng. Các phương pháp điều
khiển thường có mục đích là làm giảm Ve và tăng Vw hay nói cách khác là giảm V.
1.1.3.3. Chất lƣợng chi tiết gia cơng
Chất lượng bao gồm độ chính xác hình dạng hình học, độ chính xác kích

thước, độ nhám bề mặt và chất lượng lớp bề mặt sau khi gia công (ứng suất dư tồn
tại ở lớp bề mặt, độ dày lớp vật liệu bị hư hại, độ cứng...). Chỉ tiêu này thường được
dùng nhất để giải bài toán tối ưu vì có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng các chi
tiết sau khi gia công EDM.
1.2. Giới thiệu tổng quan máy EDM
1.2.1. Giới thiệu sơ đồ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 5-

Hình 1.2. Sơ đồ máy xung định hình

1.2.2. Các khâu quan trọng trong sơ đồ
1.2.2.1. Máy phát xung
Máy phát cung cấp điện áp và cường độ dòng điện cần thiết cho q trình gia
cơng tia lửa điện. Máy phát được đặt trong khoang điều khiển. Nó được nối với một
máy phát xung bấm giờ, một bộ bật tắt dòng điện tử và một máy giới hạn dòng điện
theo sơ đồ hình 1.3.
Nguồn điện áp sẽ cung cấp điện áp ban đầu được u cầu cho gia cơng xung
định hình. Một cực của nguồn điện áp được nối trực tiếp vào phôi, cực kia được nối
vào điện qua một máy ngắt dòng điện và một máy hạn chế dòng.
Máy phát xung bấm giờ dùng để ngắt dòng điện tử. Xung bấm giờ một đặc
trưng của máy gia công tia lửa điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 6-

Hình 1.3. Sơ đồ khối máy phát xung
Máy giới hạn dòng điện đảm bảo rằng dòng điện được sử dụng cho gia công
tia lửa điện không vượt qua các hạn được quy định trong chương trình gia cơng và
được cung cấp bởi hệ thống điều khiển.

1.2.2.2. Các chuyển động chủ yếu
a. Điện cực: Đóng vai trị là một con dao cắt gọt kim loại giống như các máy gia
công khác, nhưng khác là dùng tia lửa điện. Các yêu cầu về chỉ tiêu đánh giá đã
được trình bày ở phần trên.
b. Chuyển động ăn dao: Có 3 chuyển động
Tất cả các bàn trượt theo phương X,Y,Z của máy xung định hình CNC đều
được trang bị động cơ riêng nhằm mục đích truyền chuyển động quay có điều khiển
cho bộ truyền vit me – bi làm dịch chuyển bàn trượt. Chúng có thể đồng thời dịch
chuyển theo lệnh điều khiển để xác định vị trí định vị trên cực hoặc để chạy dao gia
công.
Các chuyển động trên được điều khiển theo vị trí hay cịn gọi là hệ điều
khiển điểm điểm (point to point). Chức năng chính của hệ điều khiển theo vị trí là
chuyển động nhanh dụng cụ từ điểm này đến điểm khác đã được định trước với độ
chính xác vị trí cao.
Q trình điều khiển của hệ điều khiển vị trí tiến hành theo 4 bước:
* Bước 1: Dụng cụ chuyển động nhanh đến vị trí cần gia cơng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

- 7-

* Bước 2: Thực hiện gia công, thông thường dụng cụ chuyển động theo
trục Z hay còn gọi là chuyển động chạy dao đứng.
* Bước 3: Thực hiện chạy dao dọc theo trục Z thốt khỏi vùng gia cơng sau
khi gia công xong.
* Bước 4: Chuyển động nhanh dụng cụ tới vị trí gia cơng tiếp theo.

1

4
2

3

Hình 1.4. Điều khiển vị trí

Để thực hiện chuyển động chạy dụng cụ từ điểm vừa gia công xong đến điểm
gia công tiếp theo người ta có thể thực hiện theo các cách sau:
+ Chuyển động điểm:
Giả sử cần chuyển động dụng cụ từ điểm ban đầu A(xA,yA ) đến điểm B(xB,yB)
nằm trong góc phần tư thứ nhất. Theo cách chuyển động dụng cụ song song với trục
có thể thực hiện theo hai trình tự:
- Chuyển động dụng cụ song song với trục Y sau đó chuyển động dụng cụ song
song với trục X.
- Hoặc chuyển động dụng cụ song song với trục X tiếp theo chuyển động dụng
cụ song song với Y.

Y

yA

Y
A

yA

A
§-êng chuyển
động dụng cụ

Đ-ờng chuyển
động dụng cụ

B

yB
0

xA

xB

yB
X

0

B
xA

xB

Hỡnh 1.5a. Chuyn ng song song
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



X


- 8-

Cách chuyển động dụng cụ lần lượt song song với các trục là cách mà thời gian
cần thiết chuyển động dụng cụ từ điểm gia công này đến điểm gia cơng tiếp theo là
chậm nhất. Nhưng nó có ưu điểm là hệ điều khiển đơn giản, dễ dàng trong điều
khiển và đặc biệt là giá thành thấp.
+ Chuyển động nghiêng góc 45o
Chuyển động dụng cụ nghiêng góc 45o được điều khiển theo trình tự , ban đầu
dụng cụ từ điểm A(xA, yA) chuyển động đến điểm K là tổ hợp từ hai chuyển động
thẳng thành phần song song với hai trục máy X và Y với cùng tốc độ vì vậy đường
chạy dao là đường nghiêng một góc 450. Chuyển động dụng cụ thực hiện cho đến
khi một trong hai gia s X hoc Y bng khụng.

Y

Y

A

yA

Đ-ờng chuyển
động dụng cụ

yA

A
Đ-ờng chuyển
động dụng cụ

45
0

yB Y
0

K

xA

K

B

yB

B

0
xA
X
Hỡnh 1.5b. Chuyn ng nghiờng gúc 450
xK xB

xB

X

+ Chuyển động theo đường thẳng
Kiểu điều khiển chuyển động dụng cụ theo đường thẳng là hệ điều khiển thực
hiện đồng bộ cả hai trục chuyển động X và trục Y sao cho dụng cụ chuyển động
theo đường thẳng nối giữa hai điểm A(xA,yA ) và B(xB,yB). Tốc độ chuyển động của
trục X và trục Y là khác nhau. Thời gian cần thiết chuyển động từ điểm A đến điểm
B kiểu dẫn động dụng cụ theo đường thẳng là nhỏ nhất so với hai kiểu chuyển động
ở trên. Để thực hiện chuyển động đồng thời hai trục có tốc độ khác nhau, hệ thống
điều khiển thường rất phức tạp chính vì vậy mà giá thành của hệ thống này cao hơn
rất nhiều so với hai hệ điều khiển đã nêu ở trên.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 9-

+ Các yêu cầu của các chuyển động
Để giảm thời gian chạy khơng trong q trình chuyển động dụng cụ tới vị trí gia

cơng tiếp theo, tốc độ chuyển động dụng cụ cần phải đạt được tốc độ lớn nhất cho
phép. Do chuyển động của cơ cấu mang dụng cụ tốc độ cao, quán tính chuyển động
của cơ cấu rất lớn, vì vậy vấn đề dừng vị trí chính xác dụng cụ với thời gian dừng là
nhỏ nhất là vấn đề đặt ra cho những người thiết kế hệ thống điều khiển vị trí. Để
giảm lực quán tính của cơ cấu chấp hành khi chuyển nhanh từ vị trí gia cơng này tới
vị trí gia cơng tiếp theo bằng cách giảm dần tốc độ trước điểm dừng. Có hai phương
pháp thực hiện việc giảm tốc trong máy CNC: giảm tốc độ chuyển động theo cấp
(số cấp tốc độ phụ thuộc vào tốc độ chuyển động và khối lượng chuyển động), giảm
tốc độ vô cấp.
1.2.2.3. Hệ điều khiển máy EDM
Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển máy EDM bao gồm các cụm:
Cụm điều khiển máy(Machine Control Unit - MCU), cụm điều khiển động cơ servo
(Servo driver), cụm động cơ servo, cụm phản hồi tốc độ(Velocity feedback), cụm
phản hồi vị trí(Position feedback).
Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển máy EDM được trình bày như hình 1.6.
Cụm điều khiển máy đóng vai trò điều khiển tồn bộ hoạt động của hệ thống ,
nó làm nhiệm vụ giao tiếp giữa người vận hành và hệ thống , nhận lệnh điều khiển
tính tốn nội suy để đưa ra các thuật toán số học

, logic theo trì nh tự xác định . Từ

công nghệ gia công do người lập trì nh nạp vào MCU , nhờ hệ thống phần mền MCU
sẽ đưa ra tín hiệu từ cụm phản hồi vị trí để liên tục điều chỉnh các sai lệch vị trí
trong quá trình làm việc . Sai lệch tốc độ của động cơ servo sẽ được cụm phản hồi
tốc độ phát hiện và đưa tới cụm điều khiển servo để hiệu chỉnh.
* Chức năng của cụm điều khiển
Cụm điều khiển máy được coi là trái tim của máy công cụ điều khiển số. Nó
có nhiệm vụ liên kết tất cả các chức năng để điều khiển máy. Các chức năng bao
gồm: Vào, ra số liệu xử lý các số liệu và ghép nối máy với các thiết bị ngoại vi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 10-

MC
U

Servo driver

Servo motor

Velocity
feedback
(Encoder,
resolver)

Bàn máy

Position feedback
(Encoder,
inductosyn)
Hình 1.6. Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển máy EDM
+ S liu vào (data input)
Chức năng này bao gồm: Chức năng vào và lưu trữ số liệu. Đó là số liệu mơ
tả đường chuyển động của dụng cụ và điều kiện gia công sản phẩm.
+ Xử lý số liệu (data processing)
Cấu trúc chương trì nh điều khiển được đưa vào cụm MCU và được nó mã

hóa thành số nhị phân sau só lưu trữ vào cụm nhớ đệm . Các số liệu này được bộ xử
lý trung tâm (central processing unit - CPU) tính tốn xác định vị trí, lượng chạy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 11-

dao, hiệu chỉnh chiều dài (Tool length ofset) và đường kính dụng cụ (Tool diameter
offset). Cũng như các số liệu rời rạc như yêu cầu điều khiển đóng ngắt hệ thống bôi
trơn, làm mát chi tiết và các thiết bị điều khiển cổng

(I/0) đảm bảo trì nh tự truyề n

tín hiệu giữa máy cơng cụ, PLC và hệ điều khiển CNC.
+ Số liệu ra (data output)
Số liệu đưa ra của MCU là tín hiệu vị trí và lượng chạy dao. Các tín hiệu này
được đưa tới mạch điều khiển servo để sinh ra tín hiệu điều khiển động cơ. Trong
cụm dẫn động, động cơ ln có mạch khuyếch đại bởi vì tín hiệu trước khi đưa vào
cụm dẫn động rất nhỏ không đủ công suất để động cơ làm việc.
+ Ghép nối vào/ra (machine I/0 interface)
Các tín hiệu rời rạc yêu cầu từ số liệu vào như chiều quay trục chính, đóng
mở động cơ làm mát , bơi trơn, dừng khẩn cấp , dừng chu trì nh và các tín hiệu khác
từ máy cơng cụ gửi tới hệ điều khiển CNC.
* Phần cứng cụm điều khiển
Phần cứng của cụm MCU gồm 6 thành phần cơ bản : vi xử lý trung tâm , bộ
nhớ, điều khiển servo, thiết bị lôgic điều khiển trì nh tự và mạch ghép nối. Các thành
phần liên hệ với CPU thông qua BUS. Thành phần trong MCU chỉ ra trên hình 1.7.
ROM, RAM

Ghép nố i
Hệ thống
BUS

CPU

Điều khiển
servo

Điều khiển
lập trì nh
PLC

Hình 1.7. Thành phần cơ bản của MCU

+ Bộ xử lý trung tâm (CPU)
Bộ xử lý trung tâm

(Central Processing Unit- CPU) là một máy tính nhỏ

hoặc thành phần chính của một máy tính nào đó . Số lượng cấu trúc cơ bản của máy
tính có thể thực hiện được là nhờ mối liên hệ trực tiếp rất tinh vi của các mạch logic

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 12-

trong CPU. Nhờ chương trì nh nguồn ghi trong bộ nhớ để hì nh thành thuật toán trên
cơ sở dữ liệu đưa vào cho phù hợp với chương trì nh điều khiển và điều khiển các
thiết bị trong và ngồi CPU thơng qua BUS. Cấu trúc CPU gồm 3 phần tử cơ bản:
Phần tử điều khiển, phần tử logic số học, bộ nhớ truy nhập nhanh.
- Phần tử điều khiển
Phần tử điều khiển (Control section) làm nhiệm vụ điều khiển tất cả các phần
tử của nó và các phần tử khác của CPU. Xung nhịp từ đồng hồ đưa vào điều khiển
đồng bộ hoạt động của các phần tử. Phần tử điều khiển chuyển đổi thơng tin giữa nó
với các phần tử khác thơng qua BUS. Đồng thời nó cũng có nhiệm vụ sinh ra tín
hiệu u cầu thơng tin từ các phần tử khác . Tổ chức cấu trúc được lưu trữ trong bộ
nhớ của máy tính được xem như một chương trì nh và chương trì nh có thể thay đổi
được bằng cách thay đổi thứ tự các thông tin số đã lưu trữ trong bộ nhớ. Chính nhờ
khả năng quan trọng này của CPU đã làm cho MCU trở nên linh hoạt hơn .
Số liệu qua cổng vào /ra được đưa vào bộ nhớ truy nhập nhanh , phần tử điều
khiển gọi chương trì nh điều khiển lưu trữ trong ROM hoặc RAM của bộ nhớ chính
gửi tới và gửi tín hiệu đến các cụm trong hệ thống để thực hiện các cấu trúc yêu
cầu. Trong phần tử điều khiển có mạch giải mã lệnh

(Unit cotrol ). Mạch này giải

mã các thông tin đọc từ bộ nhớ truy nhập nhanh và đưa các thông tin sau khi xử lý
tới mạch tạo xung điều khiển. Các dãy xung điều khiển khác nhau sẽ điều khiển các
bộ phận khác nhau hoạt động phù hợp với yêu cầu.
- Phần tử số học (Arithmetic and logic unit - AUL)
Với nhiệm vụ hì nh thành các thuật toán mong muốn trên cơ sở dữ liệu đưa
vào. Kiểu thuật toán số học là cộng , trừ, nhân, chia, cộng logic và các chức năng
khác theo yêu cầu của chương trì nh . Khối logic số thực hiện các phép so sánh, phân
nhánh, lựa chọn, lặp, phân vùng bộ nhớ.
Liên kết với ALU là một thanh ghi lưu trữ các số liệu trong q trì nh tín

h

tốn. Thanh ghi lưu trữ số liệu này gần giống với vùng lưu trữ đặc biệt trong bộ nhớ
nhưng khác là các thanh ghi là các thanh ghi TTL tốc độ cao.
- Bộ nhớ truy cập nhanh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 13-

Bộ nhớ truy cập nhanh (Immediate access memory) là bộ nhớ trong của CPU
dùng để lưu trữ tạm thời các số liệu đang được các phần tử số học xử lý hoặc
chương trì nh điều khiển từ ROM, RAM gửi tới.
+ Bộ nhớ
Bộ nhớ trong CPU thường có dung lượng nhỏ và chỉ lưu trữ số liệu tạm thời
vì vậy trong CNC cần có bộ nhớ dung lượng lớn để lưu giữ chương trì nh ứng dụng
hay còn gọi là chương trì nh NC, chương trì nh điều khiển, chương trì nh ghép nối với
các số liệu đã được xử lý . Bên trong máy tính của CNC thường có hai loại bộ nhớ:
Bộ nhớ có sẵn (ROM, RAM) và bộ nhớ mở rộng (ổ cứng, ổ mềm, card nhớ, CD
room).
* Phần mềm CNC
Chương trì nh bên trong hệ điều khiển CNC có ba loại

: Chương trì nh điều

hành, chương trì nh điều khiển trì nh tự và chương trì nh công nghệ.

+ Phần mềm điều hành
Phần mềm điều hành là chương trì nh điều hành máy

, thực hiện các chức

năng NC . Chương trì nh điều hành được sản xuất lập trì nh sẵn và được nạp vào
ROM của máy . Chức năng chính của chương trì nh điều hành là chấp nhận chương
trình ứng dụng như là tín hiệu vào và sinh ra tín hiệu điều khiển dẫn động động cơ .
+ Phần mềm điều khiển trì nh tự
Điều khiển trì nh tự cho các máy CNC người ta thường dùng các bộ điều
khiển logic lập trì nh PLC. Phần mềm điều khiển trì nh tự là phần mềm lập trì nh điều
khiển cho PLC. PLC sẽ truyền thông với CPU của MCU . Chương trì nh từ MCU gửi
tới PLC là chương trì nh NC còn dữ liệu PLC gửi tới MCU là lệnh bắt đầu chu trì nh ,
dừng khẩn cấp, giữ tốc độ, lệnh thay dao cụ, lệnh đóng mở hệ thống bơi trơn làm
mát và một vài lệnh rời rạc khác.
+ Phần mềm ứng dụng
Chương trì nh ứng dụng còn gọi l à chương trì nh NC . Chương trì nh cho phép
mô tả đường chuyển động của dụng cụ trong quá trì nh gia công , kiểu chuyển động :
chạy nhanh, nội suy thẳng , nội suy vòng , điều kiện cắt , tốc độ trục chính , lượng ăn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 14-

dao, chiều sâu cắt . Chương trì nh ứng dụng có t hể viết bằng hai cách : Chương trì nh
mã G và chương trình tham số.
- Chương trì nh mã G

Lập trì nh theo chương trì nh mã G là sử dụng các mã lệnh G , S, F và các lệnh
khác để hì nh thành chương trì nh gia công . Chương trì nh được viết theo khối , trong
một khối nhiều từ (word).
- Chương trì nh tham số
Sử dụng mã G lập trì nh gia công một bề mặt phức tạp và có chương trì nh lặp
bằng các chương trì nh con đơn giản gặp nhiều khó khăn , bởi vì cần phải xác định
nhiều thơng số cần thiết khi lập trì nh . Do vậy chương trì nh gia công dài mắc nhiều
lỗi và độ chính xác thấp . Vì vậy với những gia cơng bề mặt phức tạp chương trình
viết theo tham số sẽ dễ dàng hơn chương trì nh viết bằng mã G

. Lập trì nh tham số

cho phép thực hiện các phép tính số học, logic, phép lặp và nhiều tiện ích khác.
Ngoài hai chương trì nh bằng tay trên hiện nay với sự trợ giúp bằng máy tính
người ta đã lập được chương trì nh hỗ trợ cho phép người vận hành có thể lập trì nh
trực tiếp bằng đồ họa trên máy và máy tự động tính tốn để đưa ra chương trì nh
công nghệ điều khiển chạy dao.
1.3. Hệ thống đo lƣờng trong máy EDM
Mỗi trục chuyển động được điều chỉnh của một máy EDM bao giờ cũng có
hai thiết bị đo lường, đó là thiết bị đo tốc độ quay của động cơ và thiết bị đo vị trí
của sự dịch chuyển.
Để đo tốc độ quay và vị trí người ta dùng những cảm biến vị trí và tốc độ
1.3.1. Cảm biến vị trí, tốc độ
Để đo tốc độ rơto ta có thể sử dụng các phương pháp sau đây:
- Sử dụng máy phát tốc.
- Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hoá.
- Sử dụng máy đo góc tuyệt đối.
- Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà khơng
cần dùng bộ cảm biến tốc độ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




- 15-

Trong thực tế, chúng ta thường dùng bộ cảm biến quang với đĩa mã hố được
tích hợp trong Ecoder.

Hình 1.8. Bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hố.
Hình 1.8a. Sơ đồ cảm biến quang tốc độ; Hình 1.8b. Sơ đồ nguyên lý
tranzitor quang.
Hình 1.8 là sơ đồ sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ. Đĩa mã hố gắn trên
trục động cơ gồm các lỗ, trên hình 1.8a có 8 lỗ. Đặt đĩa mã hố giữa nguồn tia hồng
ngoại do điôt phát quang LED cung cấp và đầu thu là transistor quang. Khi đĩa quay
transistor quang sẽ chỉ chuyển mạch nếu vị trí LED, lỗ, transistor quang thẳng hàng.
Khi đó transistor quang đưa điện áp trên R2 về mức thấp. Khi đĩa ngăn ánh sáng thì
transistor quang bị khoá, kết quả là điện áp trên R2 về mức cao.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên