Tài liệu Công nghệ CAD / CAM Phần 7 docx

C7 CAD-CAM> CNC 1 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

CHƯƠNG 7

ĐIỀU KHIỂN SỐ
VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG ĐIỀU KHIỂN SỐ

7.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ
7.1.1. Khái niệm điều khiển số (NC).

Điều khiển số (Numerical Control - NC) là hoạt động điều khiển trực tiếp
một hệ thống bởi dữ liệu số.

Điều khiển số trong gia công cắt gọt là một hình thức tự động hoá bằng lập
trình, trong đó máy công cụ được đ
iều khiển bởi chương trình bao gồm các chỉ thị
được mã hoá dưới dạng ký tự chữ, số và các ký tự đặc biệt khác, trong đó chỉ thị điều
khiển được chuyển đổi thành hai dạng tín hiệu:

- Tín hiệu xung điện: điều khiển tốc độ các động cơ truyền động tạo nên
chuyển động tương đối giữa dao cắt và chi tiết gia công.
- Tín hi
ệu đóng / ngắt (ON/OFF): thực hiện chức năng chuyển mạch, đổi
chiều quay trục chính; điều khiển các thiết bị phụ trợ như bôi trơn làm nguội,
chọn và thay dao; và các chức năng khác như dừng máy, kẹp phôi, nhả phôi,...

Theo phương thức truyền thông dữ liệu điều khiển, ta phân biệt 3 phương thức
điều khiển số:
1. Điều khiển s
ố trực tiếp (Direct Numerical Control - DNC)
Điều khiển trực tiếp máy công cụ điều khiển số (máy NC) từ bên ngoài bởi máy

tính thực hiện chức năng lập trình, truyền chương trình, điều khiển quá trình gia
công. Đây là những hệ điều khiển dạng mạch cố định (hard-wirred), trong đó tất
cả các chức năng như nội suy, đọc băng, đọc chỉ thị, định vị
được thực hiện bởi
các mạch điện tử.


Hình 7.1- Điều khiển số trực tiếp
C7 CAD-CAM> CNC 2 GVC NGUYỄN THẾ TRANH


2. Điều khiển số bằng máy tính (Computer Numerical Control - CNC)
Nhờ ứng dụng các thành tựu của công nghệ vi điện tử, vi xử lý trong thiết lập
trực tiếp máy tính trên hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) để điều
khiển máy NC ngày nay hình thành nên phương thức điều khiển và thế hệ máy điều
khiển số bằng máy tính (máy CNC).
Do đó, CNC là hệ thống NC sử dụng máy tính thiết lậ
p trực tiếp trên hệ điều
khiển máy và được điều khiển bởi các chỉ thị lưu trữ trên bộ nhớ máy tính để
thực hiện một phần hoặc toàn bộ các chức năng điều khiển số.
Các hệ điều khiển CNC có khả năng thực hiện các chức năng điều khiển bởi
phần mềm (soft-wired), do đó làm đơn gi
ản mạch điều khiển CNC, giảm giá thành,
tăng độ tin cậy đồng thời có khả năng điều khiển linh hoạt và thông minh, có khả năng
hiệu chỉnh nhanh chóng và tiện ích, có khả năng lưu trữ dữ liệu gia công ngay trên
máy.
3. Điều khiển số phân phối (Distributive Numerical Control)
Nhờ khả năng thực hiện và lưu trữ đồng thời nhiều chương trính trên bộ nhớ
cho phép vậ
n hành máy CNC không phụ thuộc vào máy tính chủ nên có thể giải phóng

máy tính chủ để thực hiện nhiệm vụ khác của hệ thống.
Với sự phát triển của khoa học máy tính, kỹ thuật điều khiển logic khả lập trình
(Programmable Logic Control - PLC), kỹ thuật truyền thông, phương thức điều khiển
số phân phối ra đời trong đó mạng máy tính được sử dụng để phối hợp hoạt động của
nhiều máy CNC.
Ngoài chức năng truyền chương trình tới các máy CNC, phương thức này còn
có khả năng giám sát và điều khiểntoàn bộ hệ thống, như hiển thị thông tin về trạng
thái làm việc của hệ thống, xuất thông tin hay chỉ thị điều khiển, điều hành,...


Hình 7.2- Điều khiển số phân phối
C7 CAD-CAM> CNC 3 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

7.1.2. Điều khiển số bằng máy tính (CNC).
1. Cấu trúc hệ thống CNC.
Hệ thống CNC bao gồm 6 thành phần chính:
- Chương trình gia công (Part program)
- Thiết bị đọc chương trình (Program input device)
- Hệ điều khiển máy (MCU)
- Hệ thống truyền động (Drive system)
- Máy công cụ (Machine tool)
- Hệ thống phản hồi (Feedback system)

Chương trình gia công bao gồm các chỉ thị được mã hoá để điều khiển quá trình
gia công chi tiết, hệ điều khiển chuyển đổi các chỉ thị này thành tín hiệu điện kích hoạt
các chức năng hoạt động của máy.
Hệ điều khiển máy thực hiện chức năng đọc và biên dịch mã lệnh và sau đó
xuất các tín hiệu điện tương ứng truyền tới bộ
khuếch đại servo để điều hành có cấu
servo (động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực) của hệ thống truyền động. Thiết bị phản

hồi như các cảm biến vị trí, chiều, tốc độ dịch chuyển và phản hồi các tín hiệu này về
hệ điều khiển máy. Hệ điều khiển máy so sánh các tín hiệu này với tín hiệu tham chiế
u
cho trước bởi các mã lệnh điều khiển và xuất các tín hiệu điều chỉnh (sai lệch) tới bộ
khuếch đại servo cho tới khi đạt đại lượng yêu cầu.
Hệ MCU gồm hai phần: hệ xử lý dữ liệu (Data Processing Unit - DPU) và mạch
điều khiển (Control Loop Unit - CLU)
• DPU thực hiện các chức năng:
- Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập
- Xử lý mã lệnh hay giả
i mã.
- Truyền dữ liệu vị trí, tốc độ và các chức năng phụ trợ tới CLU.

Hình 7.3- Cấu trúc hệ thống CNC
C7 CAD-CAM> CNC 4 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

• CLU thực hiện các chức năng:
- Nội suy chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận từ DPU và xuất các
tín hiệu điều khiển.
- Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuếch đại của hệ truyền động.
- Nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ.
- Điều khiển các thiết bị ph
ụ trợ.

Hệ thống truyền động thông thường bao gồm bộ khuếch đại servo, cơ cấu
servo, bộ truyền đai răng, đai ốc-vít me bi và bàn trượt. Hệ thống này quyết định độ
chính xác, công suất của máy.

2. Khả năng của CNC.
CNC có nhiều chức năng xử lý và điều khiển linh hoạt hơn NC:

a. Hiển thị chương trình và mô phỏng bằng đồ
hoạ quá trình gia công.
b. Nhập dữ liệu
c. Lưu trữ chương trình: ROM lưu trữ chương trình hệ thống, RAM lưu trữ
chương trình gia công.
d. Biên tập chương trình.
e. Kiểm tra chương trình: nhờ chức năng mô phỏng.
f. Chẩn đoán lỗi.
g. Tiện ích giao tiếp.
h. Quản lý dữ liệu.
i. Hệ toạ độ và hệ đơn vị.
j. Định dạng mã điều khiển: EIA và ASCII.
k. Kh
ả năng tính toán.
l. Bù trừ đường kính và chiều dài dao.
m. Nội suy hình học.
n. Chức năng lập trình: thực hiện được các phép biến đổi toạ độ.
o. Khả năng hậu xử lý.

3. Ưu điểm của CNC.
Ngày nay công nghệ CNC đã tạo nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật chế tạo
nhờ các ưu điểm chính sau đây:
a. Nâng cao năng suất.
b.
Độ chính xác và độ chính xác lặp lại cao.
c. Hạ giá thành sản xuất.
d. Giảm giá thành điều hành gián tiếp.

7.2. CHUYỂN ĐỘNG NỘI SUY.

Chức năng của hệ thống CNC hay cụ thể hơn là máy công cụ CNC là di chuyển
dụng cụ hoặc bàn máy để thực hiện qui trình gia công theo chương trình.

7.2.1. Phương thức di chuyển dụng cụ.
Có 2 phương thức di chuyển dao trong điều khiển số:
- Di chuy
ển điểm tới điểm (Point-To-Point - PTP)
- Di chuyển theo biên dạng (Contour).

C7 CAD-CAM> CNC 5 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

1. Di chuyển theo PTP:

Theo phương thức di chuyển PTP
dao di chuyển theo các hành trình thẳng
đến vị trí yêu cầu, thường dùng dể di
chuyển nhanh hay định vị. Có 3 chế độ di
chuyển:

* Di chuyển hướng trục (Axial path).
* Di chuyển theo phương xiên 45
0
.
* Di chuyển trực tiếp.

2. Di chuyển theo Contour.

Theo phương thức này, dao di
chuyển theo biên dạng yêu cầu để thực
hiện qui trình công nghệ gia công. Về
hình học, biên dạng bao gồm chuỗi các
đường thẳng, đường cong, cung tròn, êlip,
parabol, hypebôn, đường cong bậc ba và
các đường cong bậc cao.

Để đơn giản việc tính toán các điểm
trên quĩ đạo di chuyển dao, các đường
cong bậc cao được tuyến tính hoá, tức là
các đường cong bậc cao được x
ấp xỉ bởi
chuỗi đoạn thẳng. Với giả thiết này, quĩ
đạo di chuyển dao tổng quát được xấp xỉ

bởi chuỗi phần tử hình học cơ bản thuộc
3 nhóm:

* Đường cong bậc nhất (đoạn thẳng).
* Đường cong bậc hai (cung tròn,
êlip, paraboon, hyperboon).
* Đường cong bậc ba.

Trong điều khiển số, các di chuyển
cơ bản này được gọi là chuyển độ
ng nội
suy (interpolated motion).

Di chuyển theo biên dạng đòi hỏi hệ
điều khiển phải có khả năng điều khiển
phối hợp các động cơ truyền động, như
vậy mỗi trục truyền động yêu cầu có
mạch điều khiển định vị và mạch điều
khiển tốc độ riêng biệt.



Hình 7.4- Các chế độ dịch chuyển
trong chuyển động PTP
Hình 7.5 - Điều khiển 2,5 trục
Hình 7.7 - Điều khiển 5 trục
Hình 7.6 - Điều khiển 3 trục
C7 CAD-CAM> CNC 6 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

4.2.2. Nội suy chuyển động.

Điều khiển số sử dụng 5 chế độ nội suy chuyển động: nội suy đường thẳng, nội
suy cung tròn, nội suy đường xoắn, nội suy parabol và nội suy bậc 3. Từ dữ liệu hình
học quĩ đạo di chuyển dao và chế độ nội suy yêu cầu, bộ nội suy tính toạ độ các điểm
trung gian trên quĩ đạo chuyển động.
Bộ nội suy (là thiế
t bị điện tử đối với hệ NC hoặc phần mềm đối với hệ CNC),
ngoài chức năng nội suy hình học còn có chức năng tính toán tốc độ của các trục tương
ứng để thực hiện chuyển động theo quĩ đạo và tốc độ di chuyển yêu cầu.

1. Nội suy đường thẳng.

Dao được di chuyển từ điểm đầu tới điể
m cuối hành trình theo chuỗi đoan thẳng.
Khi lập trình chuỗi chuyển động thẳng, chỉ cần xác định toạ độ cuối của mỗi đoạn, bởi
vì điểm cuối của đoạn trước là điểm đầu của đoạn tiếp theo.

Nội suy đường thẳng theo 2 và 3 trục là phương pháp thông dụng nhất. Có thể nội
suy đường thẳng phối hợp đồ
ng thời tối đa 5 trục (3 chuyển động thẳng, 2 chuyển
động quay) để 5thực hiện quĩ đạo chuyển động bất kỳ. Nội suy đường thẳng yêu cầu 3
thông số: toạ độ điểm đầu, toạ ssộ điểm cuối và tốc độ di chuyển trên mỗi trục. Với
điều khiển 2 trục, bộ nội suy tính tần số xung điều khiể
n tốc độ trục x và y sao cho tỷ
lệ tốc độ trên trục x vày bằng tỷ lệ gia lượng dịch chuyển tương ứng (dx/dy).

Thí dụ, để điều khiển chuyển động di chuyển theo đường thẳng từ S đến E, gia
lượng dịch chuyển theo phương x và y là 8 và 4 đơn vị chiều dài; như vậy bộ nội suy
phải xuất đồng thời 8 xung cho mạch điều khiển tố
c độ trục x và 4 xung cho mạch điều

khiển tốc độ trục y hoặc theo tỷ lệ 2:1. Tương tự, với điều khiển 3 trục, bộ nội suy tính
gia lượng di chuyển dx, dy và dz theo các trục tương ứng. Gia lượng dịch chuyển được
sử dụng như dữ liệu vào cho các mạch điều khiển định vị và tỷ lệ của chúng được sử
dụng để
điều khiển tốc độ.
Trên hình 10.9 ở mạch điều khiển vị trí:
dx = 4-1 = 3 ; dy = 4-2 = 2 ; dz = 9-3 = 6
và trên mạch điều khiển tốc độ: V
x
: V
y
: V
z
= dx : dy : dz = 3 : 2 : 6



Hình 7.8- Nội suy đường thẳng
điều khiển 2 trục
Hình 7.9- Nội suy đường thẳng
điều khiển 3 trục
C7 CAD-CAM> CNC 7 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

2. Nội suy cung tròn.
Nội suy cung tròn điều khiển chuyển động theo quĩ đạo cung tròn bởi một câu
lệnh (block) đon giản, thay thế cho hàng ngàn câu lệnh nội suy đường thẳng. Khả năng
nội suy cung tròn của một số hệ điều khiển giới hạn bởi cung 90
0
, như vậy để lập trình
đường tròn cần 5 câu lệnh. Phần lớn các hệ điều khiển theo chuẩn công nghiệp đều có
khả năng điều khiển theo quĩ đạo đường tròn bởi 1 câu lệnh.
Đối với vòng tròn có tâm ở gốc O và bán kính R trong mặt phẳng (x,y), ta có:
x = Rcosθ ; y = Rsinθ với θ = ωt
Thành phần vận tốc:
V

x
= dx/dt = -Rωsin(ωt) = -Vsin(ωt)
V
y
= dy/dt = Rωcos(ωt) = Vcos(ωt)
V = Rω là tốc độ dài ứng với lượng chạy dao theo cung tròn.

3. Nội suy đường xoắn.
Nội suy đường xoắn bao gồm nội suy cung tròn theo 2 trục và nội suy đường
thẳng theo trục thứ 3. Nội suy đường xoắn là phép nội suy trong không gian bởi vì cả 3
chuyển động đồng thời để tạo nên quĩ đạo chuyển động xoắn. Phép nội suy này thường
được sử dụng để gia công ren kích thướ
c lớn hay các trục xoắn.

4. Nội suy Parabôn.
Nội suy parabol sử dụng 3 điểm không thẳng hàng để xấp xỉ các đường cong tự
do. Phương pháp nội suy này cho phép điều khiển chuyển động theo quĩ đạo đường
cong phẳng hoặc đường cong 3 D. Sử dụng nội suy parabol để xấp xỉ các đoạn đường
Về lý thuyết, sử dụng nội
suy đường thẳng có thể lập trình
qu
ĩ đạo chuyển động cong bất kỳ
nhưng lượng dữ liệu cần xử lý
rất lớn. So với nội suy đường
thẳng, nội suy cung tròn,
parabôn, đường xoắn hoặc
đường cong bậc ba làm giảm
đáng kể lượng dữ liệu cần lập
trình cho cùng quĩ đạo chuyển
động.

Hình 4.10-13 minh hoạ một
số thí dụ ứng dụng nội suy
đường thẳng.

Phầ
n lớn các hệ CAD/CAM
đều sử dụng phương pháp nội
suy đường thẳng cho các mặt
cong phức tạp.

Hình 7.10- Nội suy đường thẳng
cho đo
ạn thẳng
Hình 7.12- Xấp xỉ đường cong bởi
n
ội suy đường thẳng
Hình 7.11- Xấp xỉ đường tròn
bằn
g đa giác

C7 CAD-CAM> CNC 8 GVC NGUYỄN THẾ TRANH

cong có ưu điểm làm giảm 50% số điểm lập trình so với phương pháp nội suy đường
thẳng. Nội suy Parabol được sử dụng chủ yếu trong gia công khuôn mẫu, khi các hình
dáng tự do mang tính thẩm mỹ quan trọng hơn nhiều so với những định nghĩa chính
xác về mặt toán học.

5. Nội suy bậc 3.
Phương pháp nội suy này không chỉ có khả năng xấp xỉ đường cong mà còn có
khả năng kết nối trơn láng các đường cong kế cận. Chương trình nội suy bậc 3 rất
phức tạp, đòi hỏi khả năng xử lý cũng như yêu cầu về dung lượng bộ nhớ cao hơn các
Hình 7.13- Xấp xỉ mặt cong bởi nội suy đường thẳng
Hình 7.14 Hình 7.15
Hình 7.16- Nội suy Parabol
Hình 7.17- Xấp xỉ đường cong bậc cao
bởi cung Parabol