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

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 công và được cung cấp bởi hệ thống điều k

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

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

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 HỌC VIÊN

PGS.TS VÕ QUANG LẠP NGUYỄN THỊ MAI

DUYỆT BGH KHOA SAU ĐẠI HỌC

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi 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

Nội dung Trang Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục hình vẽ và đồ thị

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt

Mở đầu

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC

1.1.1 Lịch sử phát triển của máy gia công tia lửa điện CNC 1

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG BÀN

2.1 Các yêu cầu của truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC 31

2.2 Các hệ truyền động bàn trong máy gia công tia lửa điện CNC 34

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

CHƯƠNG 3

PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÀN

3.3 Mô phỏng hệ truyền động bàn máy EDM khi sử dụng bộ điều khiển PD 71

3.3.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bàn máy gia công tia lửa điện sử

dụng bộ điều khiển PD

CHƯƠNG 4

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY GIA

CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC

71

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 Central processing Unit

DAC Digital Analog Convert

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 công cắt gọt Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển các phương pháp công nghệ mới, trong đó có gia công tia lửa điện Phương pháp này còn gọi là gia công 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 trò

vị trí rất quan trọng đặc biệt là đòi 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 máy công cụ CNC trong đó có máy gia công tia lửa điện CNC

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 tình, chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này Xin gửi lời cảm ơn tới các thầy 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

CHƯƠNG 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 công các vật liệu đó bằng công nghệ cắt gọt thông thường (Tiện, Phay, Mài ) là vô cùng khó, đôi 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 mòn vật liệu gây ra bởi sự phóng điện Nhưng mãi đến năm 1943, thông 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 hoá

và không 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 côngtua của một điện cực

có hình dáng đơn giản cho phép gia công 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

điện cực sẽ rẻ hơn và nếu sử dụng được điện cực quay thì điều kiện dòng 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 quá trình điện - nhiệt thông 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 công EDM)

Hình 1.1 Nguyên lý gia công 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 iôn hoá dung dịch điện môi và nó trở thành dẫn điện Khi năng lượng tập trung đủ lớn, một dòng 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

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 ô-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 công 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 môi có thể khôi phục lại trạng thái không dẫn điện của nó và sẵn sàng cho xung gia công tiếp theo Nếu thời gian này không 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 môi trường hình thành kênh dẫn điện ở điện trường cao

Giữa các điện cực luôn có 1 khe hở nhỏ được gọi là kênh phóng điện Khe

hở này cần được đảm bảo trong suốt quá trình gia công để duy trì sự ổn định của tia lửa điện

1.1.3 Các chỉ tiêu đánh giá

Để có thể đánh giá được quá trình gia công 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 toán thông thường mà còn được các bộ điều khiển CNC dùng làm tiêu chí để điều khiển tự động quá trình gia công EDM Các ký hiệu và ý nghĩa các thông số công nghệ được trình bày ở mục 1.1.4

1.1.3.1 Năng suất gia công (mm 3 /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 dòng điện và khoảng thời gian gia công có ích (thời gian giai đoạn 2)

Thực tế, một đại lượng khác tương tự năng suất thường được dùng trong quá

trình điều khiển là hiệu suất gia công Hiệu suất gia công được tính theo công thức

k e

t t

t

1

) ( 0

) (

) ( (1.1)

N là số chu kỳ lấy mẫu Mỗi chu kỳ gia công được tính trong khoảng thời

gian (ti+to) (μs)

Theo công thức trên, hiệu suất được tính cho một quá trình gia công 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 mòn thì điện cực cũng bị mòn theo

Độ mòn này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và hình dáng của chi tiết sau khi

gia công Một đại lượng khác cũng hay được dùng là độ mòn tương đối V:

với Vw là lượng mòn của chi tiết (g) sau khi gia công 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 công

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

Nguồn điện áp sẽ cung cấp điện áp ban đầu được yêu cầu cho gia công 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

Hình 1.2 Sơ đồ máy xung định hình

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 công và được cung cấp bởi hệ thống điều khiển

1.2.2.2 Các chuyển động chủ yếu

a Điện cực: Đóng vai trò 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 còn 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

Quá 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 công

Hình 1.3 Sơ đồ khối máy phát xung

* 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 thoát khỏi vùng gia công sau khi gia công xong

* Bước 4: Chuyển động nhanh dụng cụ tới vị trí gia công tiếp theo

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

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 công 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 số X hoặc Y bằng không

+ 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

+ Các yêu cầu của các chuyển động

Để giảm thời gian chạy không trong quá trình chuyển động dụng cụ tới vị trí gia công 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 công này tới

vị trí gia công 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 toàn bộ hoạt động của hệ thống ,

nó làm nhiệm vụ giao tiếp giữa người vận hành và hệ thống , nhận lệnh điều khiển tính toán nội suy để đưa ra các thuật toán số học , logic theo trình tự xác định Từ công nghệ gia công do người lập trình 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 liệu vào (data input)

Chức năng này bao gồm: Chức năng vào và lưu trữ số liệu Đó là số liệu mô

tả đường chuyển động của dụng cụ và điều kiện gia công sản phẩm

+ Xử lý số liệu (data processing)

Cấu trúc chương trình 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 toán xác định vị trí, lượng chạy

Position feedback (Encoder,

inductosyn)

H×nh 1.6 Thµnh phÇn c¬ b¶n cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn m¸y EDM

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 trình tự truyề n tín hiệu giữa máy công 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 luôn 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 , bôi trơn, dừng khẩn cấp , dừng chu trình và các tín hiệu khác

từ máy công 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 trình 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

+ 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

Hệ thống BUS

Điều khiển servo

Điều khiển lập trình PLC

CPU

Hình 1.7 Thành phần cơ bản của MCU

trong CPU Nhờ chương trình nguồn ghi trong bộ nhớ để hình thành thuật toán trên

cơ sở dữ liệu đưa vào cho phù hợp với chương trình điều khiển và điều khiển các thiết bị trong và ngoài CPU thông 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 thông tin giữa nó với các phần tử khác thông qua BUS Đồng thời nó cũng có nhiệm vụ sinh ra tín hiệu yêu cầu thông tin từ các phần tử khác Tổ chức cấu trúc được lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính được xem như một chương trình và chương trình 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 trình 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 hình 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 trình 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 quá trình tín h toán 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

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 trình 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 trình ứng dụng hay còn gọi là chương trình NC, chương trình điều khiển, chương trình 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 trình bên trong hệ điều khiển CNC có ba loại : Chương trình điều

hành, chương trình điều khiển trình tự và chương trình công nghệ

+ Phần mềm điều hành

Phần mềm điều hành là chương trình điều hành máy , thực hiện các chức năng NC Chương trình điều hành được sản xuất lập trình sẵn và được nạp vào ROM của máy Chức năng chính của chương trình 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 trình tự

Điều khiển trình tự cho các máy CNC người ta thường dùng các bộ điều khiển logic lập trình PLC Phần mềm điều khiển trình tự là phần mềm lập trình điều khiển cho PLC PLC sẽ truyền thông với CPU của MCU Chương trình từ MCU gửi tới PLC là chương trình NC còn dữ liệu PLC gửi tới MCU là lệnh bắt đầu chu trình , dừng khẩn cấp, giữ tốc độ, lệnh thay dao cụ, lệnh đóng mở hệ thống bôi trơn làm mát và một vài lệnh rời rạc khác

+ Phần mềm ứng dụng

Chương trình ứng dụng còn gọi l à chương trình NC Chương trình cho phép

mô tả đường chuyển động của dụng cụ trong quá trình gia công , kiểu chuyển động : chạy nhanh, nội suy thẳng , nội suy vòng , điều kiện cắt, tốc độ trục chính , lượng ăn

dao, chiều sâu cắt Chương trình ứng dụng có t hể viết bằng hai cách : Chương trình

mã G và chương trình tham số

- Chương trình mã G

Lập trình theo chương trình mã G là sử dụng các mã lệnh G , S, F và các lệnh khác để hình thành chương trình gia công Chương trình được viết theo khối , trong một khối nhiều từ (word)

- Chương trình tham số

Sử dụng mã G lập trình gia công một bề mặt phức tạp và có chương trình lặp bằng các chương trình con đơn giản gặp nhiều khó khăn , bởi vì cần phải xác định nhiều thông số cần thiết khi lập trình Do vậy chương trình gia công dài mắc nhiều lỗi và độ chính xác thấp Vì vậy với những gia công bề mặt phức tạp chương trình viết theo tham số sẽ dễ dàng hơn chương trình viết bằng mã G Lập trình tham số cho phép thực hiện các phép tính số học, logic, phép lặp và nhiều tiện ích khác

Ngoài hai chương trình bằng tay trên hiện nay với sự trợ giúp bằng máy tính người ta đã lập được chương trình hỗ trợ cho phép người vận hành có thể lập trình trực tiếp bằng đồ họa trên máy và máy tự động tính toán để đưa ra chương trình công nghệ điều khiển chạy dao

1.3 Hệ thống đo lường 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 rôto 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 không cần dùng bộ cảm biến tốc độ

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

Hình 1.8 là sơ đồ sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ Đĩa mã hoá gắn trên trục động cơ gồm các lỗ, trên hình 1.8a có 8 lỗ Đặt đĩa mã hoá 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

Hình 1.8 Bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hoá

Hình 1.8a Sơ đồ cảm biến quang tốc độ; Hình 1.8b Sơ đồ nguyên lý

tranzitor quang

Kết quả là khi đĩa mã hoá quay, ứng với hình 1.8a trên đầu ra R2 ta được 8 xung hình chữ nhật Tần số xung phụ thuộc vào tốc độ đĩa.

Nếu ta muốn duy trì tốc độ quay của rôto ở tốc độ không đổi nào đó ứng với chu kỳ tín hiệu do bộ cảm biến tốc độ tạo nên, chu kỳ này xác định điểm đặt tốc độ

Để xác định chiều quay (thuận hay ngược) cần sử dụng bộ cảm biến kép gồm có 2 LED và 2 transistor quang, 2 đĩa mã hoá (hình 1.9) Khi đĩa quay ta nhận được 2 xung chữ nhật lệch nhau 900 Chiều quay được xác định bằng vị trí tương đối của 2 tín hiệu ra Tốc độ bằng 0 có nghĩa là xung tiếp theo không bao giờ tới Trong thực

tế áp dụng ta sử dụng bộ thời gian tràn khi các xung đến lớn hơn 65536 bằng bộ đếm thời gian thanh ghi

Thông thường các bộ cảm biến quang tốc độ còn kèm theo khả năng xử lý sườn xung tín hiệu và trên cơ sở đó cho phép tăng số lượng vạch đếm trong một vòng đĩa lên 4 lần Chuỗi xung A hoặc B được đưa tới cửa vào của khâu đếm tiến, biết số xung trong một chu kỳ, ta tính được tốc độ quay của động cơ:

n[vòng/phút] =

n

T N

N

04

60

(1.3)

Hình 1.9a Bộ cảm biến quang tốc độ

hai chiều quay

Hình 1.9b Xác định chiều quay bằng

so sánh pha 2 tín hiệu

Trong đó:

Tn là chu kỳ điều chỉnh tốc độ, ở đây là chu kỳ đếm xung tính bằng giây

N0: số xung trong 1 vòng, còn gọi là độ phân giải của bộ cảm biến tốc độ N: số xung trong thời gian Tn

Để nâng cao độ phân giải của phép đo tốc độ ta có 2 giải pháp:

- Một là: tăng số lỗ trong một rãnh, ta có đĩa mã hoá gồm nhiều rãnh, mỗi rãnh có số lỗ tăng dần theo quan hệ 2n, với n là số rãnh

Hình 1.10 Đĩa mã hoá tuyệt đối Hình 1.10a Trường hợp 3 rãnh; Hình 1.10b Trường hợp 12 rãnh

Ví dụ: Đĩa mã hoá trên hình 1.10a gồm có 3 rãnh Rãnh trong cùng gồm một nửa vòng tròn màu trong suốt, một nửa mờ Khi đọc rãnh này ta xác định được vị trí rôto đang ở nửa vòng tròn nào Trong trường hợp này ứng với bit trong lớn nhất (MSB) Rãnh giữa được chia thành 4 phần màu trong suốt và mờ liên tiếp nhau Đọc rãnh này ta xác định được vị trí rôto đang ở ¼ vòng nào Các rãnh tiếp theo cho

ta xác định được vị trí 1/8, 1/16, của vòng tròn Rãnh ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng tương ứng với bit trọng số nhỏ nhất (LSB) Hình 1.10b là đĩa mã hoá tuyệt đối gồm 12 rãnh

Hai là: Phân phối đếm xung và đo thời gian Bên cạnh việc đếm xung ở trên

ta đo khoảng thời gian, ví dụ tĐ0 trên hình 1.11 Giữa 2 sườn xung lân cận thời điểm bắt đầu và kết thúc chu kỳ T bằng cách đồng thời đếm một chuỗi phụ có tần số cố định Trường hợp này công thức (1.3) trở thành:

n = ( , ) 4

60

0 0

t N f t N

 (1.4)

Hình 1.11 Hai kênh tín hiệu ra lệch nhau 900

A và B của máy phát xung

Đạo hàm riêng của n, với ∆t = tĐ0 ≈ Tn ta được:

4

60

0 0

t d t

n t

d t

n dN t

Nếu xung đếm phụ có độ phân giải thời gian d(∆t) = 50ns, khi n = 3000v/p

theo (1.5) ta xác định được độ phân giải dn = 0,15 vòng/phút, tạo điều kiện ổn định

tốc độ n với độ chính xác rất cao Phương pháp đo thời gian phối hợp đếm xung có

độ phân giải không còn phụ thuộc vào độ phân giải của đĩa mã hoá mà chỉ phụ

thuộc vào tần số của chuỗi xung phụ đo thời gian Nhiều bộ cảm biến quang tốc độ

không cấp tín hiệu A, B chữ nhật mà có dạng sin như hình 1.12a

Hai tín hiệu A và B được đưa qua mạch trigơ (hình 1.12b) để tái tạo lại dạng

chữ nhật sau đó sử dụng như tín hiệu đo tốc độ thông thường có kèm theo khả năng

nâng độ phân giải của phép đo lên 18 – 20 bit/1vòng Bộ cảm biến quang tốc độ

bằng đĩa mã hoá thông dụng ngoài hai kênh A và B còn cấp xung “0’’ tín hiệu về

một góc cố định của trục quay tạo điều kiện sử dụng trong hệ truyền động động cơ đồng bộ

- Phương pháp đo vị trí có đầu ra là đại lượng số: Đoạn đường hay góc cần

đo chia thành các yếu tố đơn vị có độ lớn như nhau Quá trình đo chính là việc đếm hay cộng các yếu tố đơn vị đã đi qua

Nếu theo cách đo thì ta có phương pháp đo trực tiếp hay gián tiếp, phương pháp

đo vị trí tuyệt đối, tuyệt đối theo chu kỳ và phương pháp đo vị trí theo kiểu gia số

1.3.2.2 Các loại cảm biến có đầu ra tương tự

Trong xử lý tín hiệu cả liên tục và rời rạc, cảm biến vị trí được sử dụng để xác định vị trí, đo lường bề dầy, đường kính của một vật, vị trí hiện tại của vật đang dịch chuyển, xác định sự tồn tại của một vật

Cảm biến vị trí thường có một trục quan hệ cơ khí với đối tượng cần đo Để

đo lường cảm biến dựa vào vị trí của trục cảm biến, chức năng của cảm biến là chuyển đổi vị trí của trục cảm biến thành một phẩm chất đo lường Ví dụ vị trí hiện

Hình 1.12a Máy phát xung với

hai kênh A, B có tín hiệu dạng

xung

Hình 1.12b Sơ đồ nguyên lý

của mạch đo

tại của trục cảm biến có thể gây lên sự thay đổi điện dung của một tụ điện, tự cảm của cuộn dây, hỗ cảm của hai cuộn dây, điện trở, … từ đó xác định được vị trí đối tượng Ngoài ra trục của cảm biến có thể ghép với Encorder, một thiết bị chuyển đổi

vị trí hiện tại thành tín hiệu số

Ngoài ra, một số cảm biến không cần tiếp xúc đối với đối tượng đo lường Cảm biến này sử dụng sự thay đổi của hệ số hỗ cảm, điện dung, điện trở … để xác định sự hiện diện và đo lường vị trí của đối tượng

a Cảm biến vị trí dùng chiết áp

Cảm biến chứa đựng một biến trở và một công tắc trượt có thể chuyển đổi từ đầu này đến đầu kia của biến trở Cảm biến chiết áp đo lường dịch chuyển thẳng và dịch chuyển góc

Cảm biến vị trí dùng phương pháp chiết áp có thể gây ra sai số bởi dòng điện

đi qua dây nối với công tắc trượt, do điện trở tải nối giữa công tắc trượt và điểm chuẩn

b Cảm biến vị trí sử dụng selsyn (Synchro Systems)

Selsyn là bộ phận chuyển đổi chuyển động quay (dịch chuyển góc) thành một điện áp AC, hay ngược lại chuyển đổi điện áp AC thành chuyển động quay Có ba loại selsyn khác nhau được sử dụng trong chuyển đổi dịch chuyển góc là: Bộ điều khiển phát, bộ điều khiển biến áp và bộ điều khiển vi sai

c Bộ đo góc (Resolvers)

Bộ đo góc là một thiết bị chuyển đổi chuyển động quay thành một tín hiệu ở

đầu ra là một hàm của vị trí roto Hình 1.14 thể hiện vị trí của các cuộn dây trong bộ

đo góc Hai cuộn dây roto đặt cách nhau 900, hai cuộn dây stato đặt cách nhau 900

Mỗi cuộn dây có thể xem như là cuộn sơ cấp và cuộn còn lại là cuộn thứ cấp Công

Hình 1.13 Sai số tải

được tạo ra ở chiết áp

khi một điện trở tải

được nối giữa công tắc

trượt và một đầu của

thức sau định nghĩa điện áp thứ cấp quan hệ với điện áp sơ cấp khi cuộn roto được

sử dụng như là cuộn sơ cấp:

) sin cos

( 3 4

E   (1.6)

)sin3cos( 4

E   (1.7)

Khi bộ đo góc được sử dụng như là cảm biến vị trí, thì một cuộn dây roto

được nối tắt hình 1.15 Nếu E4 được nối tắt thì công thức (1.6) và (1.7) được đơn giản thành: E1 KE3cos (1.8)

Công thức (1.8) và (1.9) định nghĩa đầu ra của bộ đo góc hình 1.15

Điện áp đầu vào: E3 = Asin(t), điện áp đầu ra E1 là điện áp dạng sin có biên

độ thay đổi theo hàm sin của góc dịch chuyển vị trí roto, tương tự đầu ra E2 cũng là dạng sin có biên độ thay đổi theo hàm sin góc dịch chuyển vị trí roto

Cảm biến vị trí sử dụng bộ đo góc, yêu cầu một mạch xử lý tín hiệu để chuyển đổi hai điện áp E1, E2 thành tín hiệu điện thế có liên hệ với góc dịch chuyển roto  Nếu yêu cầu tín hiệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu số, thì mạch xử lý tín

Hình 1.14 Bộ đo góc, một loại

cảm biến mà tín hiệu đầu ra của

nó là một hàm lượng giác của vị

trí trục roto  Hai cuộn roto đặt

cách nhau 900, hai cuộn Stator

hiệu cũng phải chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang dạng số, vậy cảm biến thực hiện hai chức năng là bộ đo góc và chuyển đổi tín hiệu sang dạng số

1.3.2.3 Các loại cảm biến có đầu ra là số

a Bộ chuyển đổi số

* Bộ mã hóa số trực tiếp

Theo lý tưởng, bộ biến đổi có thể đo một đại lượng vật lý tự nhiên chuyển thành số Binary hay số BCD Bộ biến đổi loại này rất ít, thực tế thì bộ mã hóa số hầu như chỉ là phần căn bản của bộ biến đổi số Về căn bản bộ biến đổi số đo sự thay đổi của đại lượng Tuy nhiên, nó có thể dùng để xác định lực, áp suất, mực chất lỏng bằng cách dùng thiết bị đo chuyển động cơ học (analog mechanical motion translators) Xung nhịp thời gian cũng thuộc loại này, nó trực tiếp tạo tín hiệu số ở đầu ra

* Bộ mã hóa xung, tần số và thời gian

Bộ mã hóa loại này tạo ra một chuỗi xung số ứng với một hiện tượng vật lý

Ở đây, giá trị của đại lượng cần đo được mã hóa thành độ rộng xung hoặc tần số của xung Một vài bộ gia công số yêu cầu phải có một thời gian hoặc tần số mẫu chính xác để so sánh với xung của đại lượng vật lý được đo Tần số và chu kỳ được liên

hệ bởi công thức: Tần số =1/(chu kỳ)

Thông tin từ bộ biến đổi số loại này tương thích với máy tính, máy tính phải đếm được độ rộng xung hoặc xung clock để lấy được thông tin của đại lượng bên ngoài

Đầu ra số Đầu vào số Máy tính

Bộ chuyển đổi

Bộ đếm

Xử lý số

* Bộ mã hóa tương tự sang số

Ở đây tín hiệu tương tự (thay đổi điện trở, ứng suất) được ghép với một mạch điện để tạo ra tần số hoặc một chuỗi xung

* Bộ chuyển đổi A/D

Tín hiệu tương tự từ bộ biến đổi có thể được đưa vào trong máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D

b Encoder số

Mỗi bộ encoder số bao gồm một đĩa tròn với một vạch kẻ mẫu ở trên đó Các vạch mẫu này được đọc bởi đầu cảm biến Đĩa này thường đi kèm với trục của nó

và trục này làm quay những mẫu khác phát ra tín hiệu cho mỗi vị trí nhận được

Cách ghi các mã trên đĩa phụ thuộc vào các vạch mẫu trên nó

Có ba loại encoder chính:

* Encoder tiếp xúc: Điểm tiếp xúc thực tế của loại encoder này là giữa đĩa và

đầu đọc thông qua chổi than Loại này có nhược điểm là tạo ra ma sát, hao mòn, bụi bẩn, điện trở tiếp xúc và rung động… làm giảm độ chính xác và tuổi thọ

Độ phân giải của encoder phụ thuộc vào đường rãnh và độ chính xác nhỏ nhất của một rãnh có thể có được trên đĩa Độ phân giải có thể tăng lên bằng cách nhiều tầng đĩa hoặc dùng bộ đếm lên/xuống có dung lượng bộ đếm cao

Nhiệt độ,

áp suất,

khối lượng…

Điện trở ứng suất

Hình 1.18 Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số

Đầu ra số khuếch đại

Xử lý số

Bộ đếm

Xử lý sốXử lý tương tự

Khuếch đại

Hình 1.19 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital

A/D hay V/F

* Encoder từ trường: Encoder từ trường yêu cầu đĩa phải được tráng một lớp

vật liệu từ, trong đó những vạch mẫu không được phủ Các vạch từ có thể đọc bằng một đầu đọc làm bằng nam châm Encoder từ trường có tuổi thọ cao hơn Encoder tiếp xúc

* Encoder quang: Encoder quang là loại thông dụng nhất nhờ vào độ chính

xác cao và dùng ánh sáng của bán dẫn (Leds) Một encoder quang có bốn phần chính: nguồn quang, đĩa mã, cảm biến quang và mạch xử lý tín hiệu Encoder quang

có thể được phân thành hai loại: Encoder tương đối (Incremental Encoder) và encoder tuyệt đối (Absolute Encoder)

Chức năng cơ bản của mạch xử lý tín hiệu số của encoder tăng dần là xác định hướng quay và số xung phát ra để xác định góc dịch chuyển của đĩa mã Số xung phát ra là tín hiệu số, do đó bộ chuyển đổi ADC là không cần thiết cho encoder loại này

1.3.2.4 Nguyên lý của các encoder dùng nguyên tắc quang điện

Đầu phát gồm một thiết bị chiếu sáng, một thấu kính hội tụ, một lưới chia quang và các tế bào quang điện

Nguồn sáng

Thấu kính hội tụ

Tế bào quang điện

Mã chuẩn

Thước đo Lưới kính

Hình 1.20 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi thấu

(Heidenhain)

Nguyên lý của nó là khi đầu phát có sự dịch chuyển tương đối so với thước

đo chạy giữa thấu kính hội tụ và lưới chia, sẽ xuất hiện một tín hiệu dạng hình sin

Nhờ các tế bào quang điện bố trí thành hai hàng trên nhau, đặt lệch nhau một phần

tư độ chia, ta nhận được hai tín hiệu I1 và I2 lệch pha nhau 900 Hai tín hiệu hình sin này được đưa đến bộ nội suy và bộ số hóa tín hiệu điện bên ngoài để xử lý Có nhiều phương pháp nội suy Ở đây ta đưa ra hai phương pháp nội suy:

* Phương pháp nội suy với bảng nội suy và khối tính toán hiệu chỉnh

Ở phương pháp này, hai tín hiệu dòng điện được phát ra từ hai cấu tử quang điện được khuyếch đại và biến đổi thành hai tín hiệu điện áp tương tự Hai tín hiệu điện áp này được đưa đến khối lấy mẫu và lưu giữ sau đó đưa đến bộ biến đổi ADC Hai tín hiệu điện áp số đó được sử dụng để chỉ hàng và cột của bảng nội suy để xác định giá trị vị trí tức thời trong một chu kỳ tín hiệu Còn bộ tính toán hiệu chỉnh so sánh giá trị tức thời với giá trị đạt được ở chu kỳ trước đó và tạo ra hai sóng hình vuông ua1 và ua2 lệch nhau 900

* Một phương pháp nội suy số khác dùng vi xử lý được chỉ ra ở hình 1.22

Phương pháp này sử dụng bộ tính toán arctang Ở đây hai giá trị điện áp số được đưa vào bộ Vi xử lý để tính thương S1/S2 và xác định được góc tương ứng từ bảng trong EPROM Bảng này chỉ ra giá trị vị trí trong một chu kỳ tín hiệu Tại cùng một thời điểm hai giá trị dòng điện tương tự I1 và I2 được biến đổi thành sóng hình vuông và chu kỳ tín hiệu được đếm Giá trị vị trí thực được xác định bởi giá trị đếm được và góc tính được Ngoài ra, giá trị chính xác có thể được đọc từ bảng

Nội suy Tính toán

trong RAM và tính toán thàng giá trị vị trí Kết quả của quá trình xử lý này là dữ liệu dạng mã được truyền đến bộ điều khiển, máy tính hoặc bộ hiển thị theo cổng nối tiếp hoặc song song

1.3.3 Hệ điều khiển các chuyển động

Để chuyển động bàn máy, hệ điều khiển CNC cần phải có hệ dẫn động mà

nó có khả năng điều khiển được cả tốc độ lẫn vị trí Điều khiển các trục máy CNC

có thể thực hiện theo hai kiểu điều khiển: Điều khiển kiểu vòng hở và điều khiển kiểu vòng kín

* Hệ điều khiển kiểu vòng hở

Hệ điều khiển vòng hở là hệ điều khiển không có mạch phản hồi và kết quả hoạt động của hệ không được kiểm soát Hệ thống điều khiển vòng hở trong máy CNC thông thường sử dụng động cơ bước để chuyển động bàn máy Máy CNC sử dụng

hệ điều khiển hở: Máy phay mạch in, máy gia công theo phương pháp xung điện

Nhược điểm lớn nhất của hệ thống điều khiển hở là độ chính xác vị trí của hệ thống rất nhạy với sự biến đổi của tải trọng, bởi vì hàm điều khiển không phụ thuộc vào thời gian thực Khi tải trọng thay đổi, tốc độ chuyển động cũng thay đổi theo,

Hình 1.22 Phương pháp nội suy dùng bộ tính toán arctang

 p

Lấy mẫu

và lưu giữ

Transmitter Driver

hệ điều khiển không có khả năng điều khiển để phù hợp với tải trọng mới, ví dụ trong quá trình gia công, tại vùng gia công nào đó cơ tính của vật liệu gia công thay đổi làm tăng lực cắt dẫn đến giảm tốc độ cắt và hệ thống điều khiển vòng hở không kiểm xoát được sự thay đổi này nên không hiệu chỉnh được tốc độ cho phù hợp với tốc độ yêu cầu

Ngoài ra hệ điều khiển hở còn chịu ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ, bôi trơn và các yếu tố bên ngoài khác Vì vậy hệ thống điều khiển vòng hở chỉ phù hợp với các máy có công nghệ gia công theo vị trí Với độ chính xác chế tạo bộ truyền vít me-bi và công nghệ chế tạo động cơ bước, hệ điều khiển CNC kiểu vòng hở sử dụng động cơ bước có thể đạt độ chính xác tới 0,001 inch

Hệ thống điều khiển vòng hở thiết kế, chế tạo dễ dàng, giá thành thấp hơn so với hệ thống điều khiển vòng kín Thường hệ thống điều khiển kiểu vòng hở dùng cho các máy cần độ chính xác vị trí không cao

Hình 1.23 Hệ thống điều khiển

vòng hở

* Hệ điều khiển kiểu vũng kớn

Bàn máy

đại tín hiệu điều khiển

Vít

me-bi

Động cơ b-ớc

Điều khiển trục X

Điều khiển trục Y

Y

X

Hỡnh 1.24.Sơ đồ hệ thống điều khiển vũng hở

Hỡnh 1.25 Hệ thống điều khiển vũng kớn

Sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống điều khiển vòng kín và hệ thống điều

khiển vòng hở là ở chỗ hệ thống điều khiển vòng kín có mạch phản hồi Hệ thống phản hồi dùng để đo vị trí và tốc độ thực tế của trục và so sánh chúng với vị trí và

tốc độ yêu cầu Sự khác nhau giữa giá trị thực và giá trị yêu cầu là sai số Phần tử

chuyển đổi của mạch phản hồi thường sử dụng một trong hai kiểu: tương tự hoặc

số Trong máy CNC thông số tốc độ chuyển động của bàn máy phải được điều

khiển bởi tốc độ trên các trục có thể có quy luật biến thiên giống nhau nhưng cũng

có thể có quy luật biến thiên khác nhau Tachometer (cảm biến tốc độ) là kiểu

chuyển đổi tương tự và thường dùng để đo tốc độ chuyển động Resolver và

Encoder dùng để đo vị trí hoặc tốc độ Tín hiệu đưa ra từ Resolver cho dưới dạng

tương tự còn tín hiệu đưa ra từ Encoder cho ra dưới dạng tín hiệu số

Hệ thống điều khiển CNC thông thường có hai dạng: Điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển vòng hở thường có độ chính xác không cao, nhưng rẻ tiền do đó trong thực tế người ta thường dùng hệ điều khiển vòng hở cho những hệ thống không đòi hỏi cao về độ chính xác ví dụ như máy khoan CNC, máy phay mạch in CNC Hệ thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao, nhưng giá thành đắt, ngày nay người ta sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển

là hệ thống vòng kín

* Kết luận: Từ phân tích ở chương 1 ta thấy có rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu trong máy gia công tia lửa điện CNC Trong những vấn đề đó bản luận văn chọn vấn đề nghiên cứu truyền động bàn máy gia công tia lửa điện Hệ truyền động này được khảo sát là hệ truyền động mạch vòng kín nhằm ổn định vị trí chuyển động bàn máy Nội dung cụ thể được trình bày ở các chương tiếp theo

TÝn hiÖu

yªu cÇu

§éng c¬