Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ mở (OPEN CNG) để điều khiển máy phay 3 trục

Do ti p xúc gi a vít me vƠ đai c lƠ ma sát lăn nên ma sát có th lƠ coi lƠ không đáng k... Hình 3.8 Rãnh h i bi theolỗ khoan trong đai ốc Rãnh h i bi n ối giữa hai vòng ren kế tiếp nhau đ

CH NG 1 M Đ U 12

1.2 M c tiêu, khách th vƠ đ i t ợng nghiên cứu 15

1.2.1 M ục tiêu, khách thể 15

1.2.2 Đối t ợng nghiên cứu 15

2.3 Nhi m v c a đ tài và ph m vi nghiên cứu 15

1.3.1 Nhi ệm vụ nghiên cứu: 15

1.4 Ph ng pháp nghiên cứu 15

CH NG 2 T NG QUAN 17

2.1 Gi i thi u b đi u khi n có c u trúc m 17

2.1.1 Khái ni m v B đi u khi n có c u trúc m 17

2.1.2 T m quan trọng c a b đi u khi n c u trúc m 20

2.1.3 u đi m c a c u trúc m : 21

2.1.4 Tình hình nghiên cứu trong n c và th gi i 23

2.1.4.1 Các nghiên cứu ngoƠi n c 23

2.1.4.1.1 D ÁN OSACA ( Open Architeture for control within Automation Systems) 23

2.1.4.1.2 D ÁN OSEC ( Open systems environments for Controllers) 24

2.1.4.1.3 D ÁN OMAC (Open Modular Architecture Controller) 24

2.1.4.1.4 NgoƠi ra các tr ng đ i học cũng có nhi u nghiên cứu v lĩnh v c này 25

2.1.4.1.5 Các nghiên cứu trong n c 25

CH NG 3 C S LÝ THUY T 27

3.1 C U TRÚC MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 27

3.1.1 S đ nguyên lý và h th ng 27

3.1.2 K t c u ph n cứng máy phay CNC 29

3.1.2.1 Tr c vitme bi 29

3.1.2.2 s ng lăn 35

3.1.2 Ph n đi u khi n máy phay CNC 39

3.1.2.1 H th ng đi u khi n s 40

3.1.2.1.1 H th ng đi u khi n h 41

3.1.2.1.2 H th ng đi u khi n kín 42

3.1.2.1.3 C u trúc từng ph n c a h th ng đi u khi n s 43

3.1.2.2 Ph n m m CNC 44

3.1.2.2.1 Ph n m m đi u khi n 44

3.1.2.2.2 Ph n m m ghép n i 45

3.1.2.2.3 Post Processor 46

3.1.2.2.4 Ph n m m ứng d ng 47

3.1.2.3 Đ ng c b c 47

3.1.2.3.1 Khái ni m 47

CH NG 4 PH NG ÁN THI T K MÁY CNC 56

4.1 Các thông s kỹ thu t c a máy phay CNC 56

4.1.1 Các thông s chính 56

4.2 Thi t k ph n c khí 56

4.2.1 Ph ng án thi t k khung máy 56

4.3 Thi t k ph n đi u khi n 61

4.3.1Ph ng án thi t k m ch đi u khi n 62

4.3.2Ph ng án thi t k ph n m m đi u khi n 64

CH NG 5 TệNH TOÁN THI T K MÁY VÀ B ĐI U KHI N 67

5.1 Tính toán thi t k k t c u và h th ng d n đ ng c a máy 67

5.1.1 Xác đ nh l c kéo ph n thân máy: 67

5.1.2 Tính toán đ ng l c học và chọn đ ng c cho từng tr c 68

5.1.2.1 Tính toán cho tr c X 68

Hình 5.2 L c tác d ng lên tr c X 68

5.1.2.4 Tính toán cho tr c Z 73

5.2 Tính toán chọn s ng lăn 74

5.3 Tính toán chọn b c tr c vitme bi 76

5.3.1 Tính toán chọn tr c vitme bi cho tr c X 77

5.3.1 Tính toán chọn tr c vitme bi cho tr c Y 77

5.3.1 Tính toán chọn tr c vitme bi cho tr c Z 77

5.4 Thi t k ph ần đi u khi n 77

5.4.1Thi t k m ch Breakout 78

5.4.2 M ch Driver đ ng c b c 79

5.5 Thi t k Ph n m m đi u khi n 79

5.5.1.2 Các giao di n c a mach 3: 80

CH NG 6 CH T O VÀ CH Y KI M NGHI M 84

6.1 Ch t o các b ph n c a máy 84

6.1.1 Ch t o tr c X và k t c u n i tr c c a đ ng c 84

6.1.2 Ch t o tr c Y và k t c u n i tr c c a đ ng c 85

6.1.2 Ch t o tr c Z và k t c u n i tr c c a đ ng c 87

6.1.3 Ch t o m ch Breakout 88

6.1.4 Ch t o m ch m ch driver 3 tr c đ ng c 90

6.1.5 T đi n đi u khi n hoàn ch nh 91

6.1.6 Ph n m m đi u khi n 91

6.1.6 Máy hoàn ch nh 98

6.1.4 Giao di n máy khi đang lƠm vi c 100

6.2 Ch y ki m nghi m 100

CH NG 7 K T LU N VÀ KI N NGH 103

7.1 ĐÁNH GIÁ K T Q A 103 7.2 K T LU N 104 7.3 H NG PHÁT TRI N C A Đ TÀI 104

DANH SÁCH CÁCH CH Ữ VI T T T

NGUYÊN G C CH VI T T T

- Intelligent Machining Systems IMS

- Open architecture controller OAC

- Numerical Control Markup Language NCML

- Adaptive control with optimisation ACO

- Adaptive control with constraints ACC

- Open System Architecture for Controls within Automation systems OSACA

- Open System Environment for Controllers OSEC

- Open Modular Architecture Controller OMAC

- Automatic Programming Tool APT

- Computer-Aided Design CAD

- Personal Computer PC

- National Instruments NI

- Programmable Logic Controller PLC

- Application Programming Intreface API

- Dynamic Link Libraries DLL

- Digital Differential Analyse DDA

- Measurement & Automation Explorer MAX

- Open Modular Architecture Controller) OMAC

- Analog to digital converters A/D

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1: Máy phay CNC 8

Hình 2.1: Nh ng u đi m chính c a c u trúc m máy CNC 14

Hình 2.2: Ba cách m khác nhau c a h th ng đi u khi n 14

Hình 2.3: Nguyên lỦ ắOpen CNC” k t hợp PC 17

Hình 3.1: S đ nguyên lý c a máy phay CNC 20

Hình 3.2: S đ đi u khi n h th ng 21

Hình 3.3: Quan h gi a l c và t c đ c a vitme 22

đai c th ng vƠ vitme đai c bi Hình 3.4: Tr c vime bi 23

Hình 3.5: K t c u vitme bi 24

Hình 3.6 : Profil ren n a tròn 24

Hình 3.7: Rãnh h i bi ki u ng 25

Hình 3.8: Rãnh h i bi theo l khoan trong đai c 25

Hình 3.9: H i bi theo rƣnh khoan đ ng ng 26

Hình 3.10: Chi u moment tác d ng lên s ng lăn 27

Hình 3.11: H th ng đi u khi n h 30

Hình 3.12: H th ng đi u khi n kín 31

Hình 3.13: C u trúc từng ph n c a h th ng đi u khi n 32

Hình 3.14: M i liên h gi a PMC v i c m CNC và máy 34

Hình 3.15: C u trúc Post Processor 35

Hình 3.16: Đ ng c b c 36

Hình 3.17: S đ c u t o c a đ ng c b c 37

Hình 3.18: Đ ng c b c đ n c c 38

Hình 3.19: Đ ng c b c l ỡng c c 39

Hình 3.20: Đ ng c b c nhi u pha 39 Hình 3.21: Đ ng c b c ki u từ tr 40 Hình 3.22: Đ ng c b c ki u lai 40

Hình 3.23: S đ đi u khi n đ ng c b c 41 Hình 4.1: Ph ng án 1 42 Hình 4.2: Thanh d n h ng 43 Hình 4.3: C c u d n h ng c a các tr c 43 Hình 4.4: Ph ng án 2 44 Hình 4.5: S ng lăn bi 45 Hình 4.6: S đ nguyên lỦ ph ng án 1 46

Hình 4.7: S đ nguyên lỦ ph ng án 2 47

Hình 4.8: C u trúc ph n m m đi u khi n 48 Hình 5.1: L c kéo ph n thân máy 50

Hình 6.11: Giao di n c a menu toolpath 70

Hình 6.16: Giao di n c a máy khi đang lƠm vi c 75

CH NG 1 M Đ U Trong s phát tri n c a th i đ i hi n đ i hóa và công nghi p hóa ai ai cũng bi t

vƠ nghe nói đ n nhi u v t đ ng hóa Trong ngƠnh c khí cũng v y c m từ CNC( computer numerical controller) h u nh mọi ng i trong ngƠnh đ u bi t Máy CNC là máy gia công kim lo i tinh t có th t o ra nh ng chi ti t phức t p theo yêu c u c a công ngh hi n đ i Phát tri n nhanh chóng v i nh ng ti n b trong máy tính ta có th

b t gặp máy CNC d i d ng máy ti n, máy phay, máy c t laze, máy c t tia n c có

h t mƠi, máy đ t d p và nhi u d ng máy công nghi p hi n đ i khác

Hình 1.1 Máy phay CNC

Máy CNC ra đ i đƣ gi i quy t đ ợc r t nhi u v n đ s n xu t trong c khí, máy CNC nó có nh ng u đi m n i b t lƠ năng su t cao có th ch t o ra nh ng chi ti t có

đ chính xác cao Nh ng có nh ng khuy t đi m lƠ giá thƠnh cao vƠ chi phí đ b o trì

b o d ỡng thay th thi t b khó khăn, do h u h t máy CNC, ngày nay, ch y u lƠ đ c quy n nên vi c thay th các thi t b và ph n cứng r t khó khăn vƠ ph thu c r t nhi u vào nhà s n xu t

Chính vì lỦ do đó đ tài:“Nghiên cứu thi t k b đi u khi n h m (OPEN CNC) đ đi u khi n máy phay 3 tr c” là c n thi t vƠ đ ợc ti n hành v i m c đích lƠ:

Thi t k máy phay CNC 3 tr c v i h đi u khi n có th thay th và s a ch a d dàng

B n Báo cáo khoa học t ng k t đ tài nghiên cứu ngoƠi ch ng m đ u và k t

lu n đ ngh , g m 5 ch ng ph n n i dung có theo các ph l c, trong đó:

- Ch ng 1: Gi i thi u ph n m đ u, trong ch ng nƠy, tác gi đ c p đ n tính

c n thi t và lý do chọn đ tài Từ đó đ ra nhi m v , ph m vi vƠ ph ng pháp nghiên

cứu cho đ tài

- Ch ng 2: Trình bày t ng quan v lĩnh v c nghiên cứu Trong ch ng 2, tác gi

gi i thi u chung v lĩnh v c nghiên cứu, các công trình nghiên cứu trong và ngoài

n c- Ch ng 3: C s lý thuy t, t p trung trình bày ph n c s lý thuy t ph c v

cho quá trình tính toán ch ng 5, lƠ ph n thi t k tính toán v c khí vƠ ph n đi u khi n

- Ch ng 4: Nêu Ủ t ng vƠ ph ng án thi t k Trong ch ng nƠy, tác gi đ

c p đ n các ph ng án ch t o khung máy CNC từ đó chọn ra khung máy t i u vƠ phù hợp nh t đ ch t o

- Ch ng 5: Tính toán và thi t k máy và b đi u khi n

Từ ph ng án thi t k đƣ đ ợc chọn, tác gi ti n hành tính toán thi t k từng chi

ti t c a máy nh : Tính toán vƠ chọn đ ng c cho 3 tr c, thi t k b đi u khi n và ph n

m m cho máy phay CNC

- Ch ng 6: Ch t o và ki m nghi m

- Ch ng k t lu n vƠ đ nghị

Ph ụ lục

1.2 M c tiêu, khách th vƠ đối t ợng nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu, khách thể

Từ nh ng phân tích trên ta th y vi c ắNghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển hệ

mở (OPEN CNC) để điều khiển máy phay 3 trục” lƠ c n thi t, đóng vai trò quan trọng

trong v n đ c khí hóa, hi n đ i hóa n n s n xu t n c ta

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu

- B đi u khi n c a máy phay 3 tr c

2.3 Nhi m v c a đ tài và ph m vi nghiên cứu

1.3.1 Nhi ệm vụ nghiên cứu:

- Nghiên cứu t ng quan nh ng khái ni m và s phát tri n và tình hình ứng d ng c a

b đi u khi n c u trúc m ;

- Xây d ng ph n cứng c a mô hình máy phay CNC;

- Xây d ng ph n m m đi u khi n d ng c u trúc m ;

- Nghiên cứu th nghi m ho t đ ng c a mô hình t ng th

1.3.2 Ph ạm vi nghiên cứu

Đ tài t p trung nghiên cứu thi t k b đi u khi n h m (Open CNC) cho máy phay 3 tr c Các công vi c tính toán thi t k và ch t o đ ợc tri n khai chi ti t Các thi t b liên quan khác không thu c ph m vi nghiên cứu c a đ tài

1.4 Ph ng pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, phân tích lý thuy t

- Ph ng pháp tham kh o tài li u: Tài li u v đi u khi n t đ ng, tài li u v công ngh CNC, tài li u v thi t k mô ph ng, tài li u v l p trình vi đi u khi n, tài li u v

đ ng c b c, đ ng c Servoầ

- Tham kh o m t s máy CNC có c u trúc t ng t và giá thành c a chúng trên th

tr ng

- Tham kh o m t s tài li u v thi t k máy phay CNC tr c đơy

- Tham kh o các tài li u v thi t k b đi u khi n cho máy CNC

- Nghiên cứu k t c u c a các lo i máy CNC trên th tr ng có tính năng t ng t ,

c i ti n nh ng khuy t đi m

Ph ng pháp th c nghi m: L p ráp và thí nghi m các m ch đi u khi n đ ng c DC Step, b đi u khi n chính

CH NG 2 T NG QUAN 2.1 Gi i thi u b đi u khi n có c u trúc m

B đi u khi n có c u trúc m OAC (Open Architecture Controller) hi n là m t thu t ng đang đ ợc nh c nhi u đ n trong lĩnh v c đi u khi n, n i mƠ h th ng ph n cứng và ph n m m đ ợc thi t k theo c u trúc m đ có th m r ng đ ợc r t nhi u ứng d ng cho ng i dùng chọn l a Chính đi u nƠy cho phép ng i s d ng đi u ch nh

và thêm vào nh ng kỹ thu t m i M t ví d d th y nh t là có th g n thêm vào Mainboard các Card m r ng thông qua các rãnh c m hoặc có th b hoặc cƠi đặt ph n

m m khác d dàng, tính m c a h th ng máy tính đƣ khuy n khích r t nhi u công ty cũng nh các nhƠ nghiên cứu phát tri n và cung c p ph n m m, ph n cứng cũng nh

d ch v h trợ cho máy tính đi u nƠy lƠm tăng ti m năng c a s n phẩm cung c p và do

đó đáp ứng đ ợc nhu c u c a khách hàng, lợi nhu n thu ngày càng cao

Vì nh ng thành công to l n mà c u trúc m đƣ đ t đ ợc trong ngành máy tính và

nh ng u đi m c a nó, các công ty và nhà nghiên cứu mu n áp d ng nó vƠo lĩnh v c

đi u khi n Máy công c đi u khi n s CNC, h th ng PLC, robot là nh ng h th ng đang đ ợc quan tâm nghiên cứu đ áp d ng vào c u trúc m

2.1.1 Khái ni m v B đi u khi n có c u trúc m

Có nhi u đ nh nghĩa khác nhau v c u trúc h m ( hay h th ng m ) tùy theo cách hi u và s quan tâm, nh n m nh đ n khía c nh nƠo đó Tiêu chuẩn c a Hi p h i

Đi n t qu c t IEEE đƣ đ nh nghĩa h th ng m nh sau:1

ắ Một hệ thống mở cung cấp khả năng có thể b sung những ứng dụng chạy trên nhi ều nền khác nhau từ những nhà cung cấp khác nhau, liên kết hoạt động với những

h ệ thống ứng dụng khác, và thể hiện kiểu t ơng tác phù hợp với ng ời sử dụng ”

( 1) TS.Thái Th Thu HƠ đề tài KC-03 trang 85

Nh ng đ nh nghĩa trên khá r ng đ nêu lên nh ng đặc đi m c a h th ng đi u khi n m M i nhóm nghiên cứu đƣ có đ nh nghĩa riêng vƠ có liên quan g n h n đ n

lĩnh v c s n xu t Giáo s Koren c a đ i học Michigan đ nh nghĩa nh sau: ắ Bộ điều khi ển có cấu trúc mở là bộ điều khiển đ ợc thiết kế và chế tạo nhằm tích hợp thiết bị

đo l ờng, điều khiển mới và những mođun phần mềm bằng cách cho phép truy cập đến

t ập hợp định sẵn những biến điều khiển bên trong bộ điều khiển”2

Trong khi đó đ nh nghĩa c a OSACA, m t d án nghiên cứu v c u trúc m c a Châu Âu l i nh n m nh đ n t m quan trọng c a vi c giao ti p gi a các môđun ph n

m m :

ắMột hệ thống điều khiển mở theo quan niệm của OSACA, bao g m những tập

h ợp hợp lý những thành phần rời rạc.Việc giao tiếp giữa những thành phần này với

n ền hệ thống đ ợc thiết kế sao cho những thành phần từ nhà cung cấp khác nhau , có

th ể kết hợp với nhau để tạo nên chức năng điều khiển hoàn chỉnh và chính xác.Các

ch ức năng điều khiển này có thể chạy trên nhiều nền khác nhau và thể hiện một dao

di ện phù hợp cho ng ời dùng cũng nh có thê giao tiếp tốt với hệ thống khác”( 3 )

M t đ nh nghĩa khá chi ti t v đi u khi n c a c u trúc m c a Shotfield trong

lu n văn ti n sĩ, Ông đ nh nghĩa nh sau : ắMột bộ điều khiển cấu trúc mở phải có tính linh ho ạt trong phần cứng và phần mềm Nó cho phép phần cứng thaỔ đ i cấu hình cơ

b ản , phần mềm thaỔ đ i ở các cấp điều khiển, điều này cho phép những nhà phát triển

ph ần cứng và phần mềm bên ngoài tham gia, do đó tạo ra một nền phát triển rộng lớn cho công ngh ệ mới” 4

( 2) TS.Thái Th Thu HƠ đề tài KC-03 trang 85

( 3) TS.Thái Th Thu HƠ đề tài KC-03 trang 85

( 4) TS.Thái Th Thu HƠ đề tài KC-03 trang 85

Tính linh ho t liên quan đ n khía c nh bên trong c a b đi u khi n c u trúc m ,

nó yêu c u b đi u khi n ph i có tính môđun vƠ m r ng Đ có ph n cứng linh ho t thì b đi u khi n ph i có c u trúc chức năng c a bus máy tính, có th tham gia hoặc

b t đi ph n cứng d dàng Nh ng ph n cứng này có th là các c m bi n, c c u ch p hành hay b x lý m nh h n đ th a mãn m t ứng d ng chuyên bi t nƠo đó C u trúc này ph i tuân theo chuẩn công nghi p nh VME bus hoặc PC bus.Tính linh ho t c a

ph n m m th hi n bằng vi c s d ng ngôn ng tiêu chuẩn cho l p trình, ng i s

d ng có th truy xu t đ n các c p c a ch ng trình có tính môđun đ d dàng s a đ i Ngôn ng l p trình cũng ph i tuân theo chuẩn công nghi p nh ngôn ng C/C++ chẳng

h n

Tính tích hợp s d ng d i 2 d ng:

- Thứ nh t, ph i có kh năng tích hợp thi t b cùng c p ( ví d nh liên k t v i robot và thi t b v n chuy n phôi

- Thứ 2 là d ng tích hợp mức cao h n, lên k ho ch ti n trình và thi t k h

th ng D ng tích hợp nƠy đôi khi không đ ợc chú ý nhi u khi thi t k b đi u khi n

c u trúc m

Tóm l i ng ợc v i tính linh ho t, tính tích hợp liên quan đ n ph n bên ngoài c a

b đi u khi n B i vì không có b t kỳ h th ng c a nhà cung c p nào có th th a mãn

t t c các tác v yêu c u nên kh năng tích hợp hi u qu v i thi t b khác là r t c n thi t c a b đi u khi n c u trúc m

Tính tiêu chuẩn là kh năng xơy d ng s n phẩm có th tích hợp t t v i h th ng

l n h n, liên k t ho t đ ng v i nh ng s n phẩm khác và có th ch y trên n n ph n

cứng máy tính khác nhau d a trên m t tiêu chuẩn chung.Tuy nhiên vi c th c thi tính tiêu chuẩn cho b đi u khi n c u trúc m là r t khó khăn ví v n ch a có s th ng nh t

và nhi u tr ng i vì khi l p ra tiêu chuẩn m i thì nh ng h th ng cũ lƠ h th ng không

đ t tiêu chuẩn

2.1.2 Tầm quan trọng c a b đi u khi n c u trúc m

Thông th ng nh ng nhà s n xu t ph n cứng máy tính và các công ty vi t ph n

m m là riêng bi t nhau Nh ng công ty đi u khi n hƠng đ u cũng nh nhƠ ph n cứng truy n th ng l i mu n phát tri n h th ng c a mình bằng cách nhúng ph n m m vào

ph n cứng (ch ng trình đ ợc cƠi đặt sẵn trong IC chuyên d ng) Vì v y mu n ch y

th vi n chức năng nƠy có th đáp ứng nhu c u c a ng i s d ng trong quá trình s n

xu t, nh ng mu n m r ng m t s tính năng m i ( ví d nh thêm vƠo h th ng m t s

c m bi n m i đ ki m soát m t thông s nƠo đó trong quá trình s n xu t) thì không th

Nh ng h th ng CNC này có tính linh ho t b gi i h n vƠ không đáp ứng nh ng yêu

c u ngƠy cƠng tăng cao c a khách hàng

Trên th gi i có r t nhi u máy công c CNC h th ng c khí còn s d ng t t

nh ng b đi u khi n đƣ l i th i và ch có th v n hành v i hi u su t kém so v i b đi u khi n m i nh t Có th làm gì v i nh ng máy CNC nƠy khi chúng không đ hi u su t làm vi c và r t khó bán đ ợc, chi phí nâng c p thì quá cao Đơy chính là m t b t c p

c a máy CNC thông th ng có c u trúc đóng v i yêu c u nâng c p th ng xuyên c a nhà s n xu t

Mặt khác khi có máy h ng hóc c n thay th ph tùng, ng i s d ng ph i ph thu c hoàn toàn vào nhà cung c p máy Th i gian ch nhân viên b o trì s a ch a hoặc đặt mua nh ng ph tùng đ c quy n s kéo dài gây thi t h i l n v kinh t D ch v s a

- Có th đi u khi n đ ợc thông qua m ng INTERNET m ng LAN Đơy lƠ xu

h ng m i trong th i đ i công ngh thông tin;

- Chuẩn đoán tình tr ng c a máy trong th i gian th c

Tính m c a CNC khuy n khích các nhà s n xu t ph n cứng cũng nh ph n m m

c a máy gi ng nh ngƠnh máy tính

V i u đi m trên nên nh ng ng i c n đ n c u trúc m bao g m nh ng nhà tích hợp h th ng, nh ng ng i s d ng cu i cùng, nh ng công ty phát tri n ph n cứng và

ph n m m, đi u nƠy đ ợc minh họa nh hình 2.1

Hình 2.1: Nh ng u đi m chính c a c u trúc m máy CNC

Có 3 cách m trong m t ch ng trình đi u khi n đ ợc trình bày hình 2.2

Hình 2.2: 3 cách m khác nhau c a h th ng đi u khi n

Cách thứ 1 có giao di n ng i- máy m Đơy lƠ cách thông d ng và c n thi t hi n nay (Human machine interface-HMI) H u h t các nhà cung c p ( nh GE Fanuc Sienmens) đ a ra đặc đi m d a trên n n PC vƠ môi tr ng Window k t hợp v i đi u khi n đ gi i quy t nhi m v chuy n đ ng trong th i gian th c

Cách thứ 2 là nhà cung c p đ a ra ph ng pháp m đ i v i giao di n và c ph n

đi u khi n s (NC kernel) Có nhi u nhà s n xu t nh có gi i pháp d a trên máy tính

và card x lý tín hi u s đ đi u khi n chuy n đ ng M t s nhà cung c p khác ch y h

đi u hành th i gian th c song song v i h đi u hành Windows trên cùng m t vi x lý

Có th hi u ng n gọn là nhà cung c p t o ra m t th vi n các hàm API cho khách hàng mình s d ng vào nh ng ứng d ng riêng vào từng nhu c u

Cách m thứ 3 là cách m là nhà cung c p trung gian Trong tr ng hợp này, m t

t p hợp các công ty, t chức liên hi p l i vƠ xác đ nh t t c các ph ng thức giao ti p

c a nh ng môđun ph n m m đi u khi n khác nhau, bao g m c ph n th i gian th c (

nh đi u khi n chuy n đ ng, đi u khi n tr c)

2.1.4 Tình hình nghiên cứu trong n c vƠ th gi i

2.1.4.1 Các nghiên cứu ngoƠi n c

Hi n nay trên th gi i có các d án khác nhau v b đi u khi n c u trúc m nh OSACA, OSEC, OMAC và HOAM

2.1.4.1.1 D ÁN OSACA ( Open Architeture for control within Automation

Systems)

D án nƠy đ ợc các n c Pháp, Đức, Italia, Tây ban nha và Th y sỹ b t đ u th c

hi n từ năm 1992 D án nƠy đ ợc Liên minh Châu âu tài trợ (EC) v i thành ph n tham gia lƠ các tr ng đ i học và các công ty cung c p gi i pháp đi u khi n và máy công c d án này m c tiêu đặt ra là phát tri n m t b đi u khi n m c a nhà cung

c p trung gian, nhằm nâng cao tính c nh tranh và linh ho t c a m t b đi u khi n

K t qu đ t đ ợc g m 2 đi m chính:

- T o ra đ ợc m t giao di n l p trình ứng d ng API chung, đ c l p v i nh ng b

ph n hợp thƠnh khác nh ph n cứng, h đi u hành, kênh giao ti p mà t p hợp chúng l i

2.1.4.1.2 D ÁN OSEC ( Open systems environments for Controllers)

D án này bao g m các công ty l n c a Nh t nh Toshiba, Toyota, Yamazaki, IBM Japan, Mitsubishi, đƣ liên k t thành m t nhóm đ phát tri n m t b đi u khi n c u trúc m đ đi u khi n các thi t b s M c đích nghiên cứu c a d án này là t o ra b

đi u khi n có c u trúc m trên n n máy tính cá nhơn đ đi u khi n các thi t b s n xu t

2.1.4.1.3 D ÁN OMAC (Open Modular Architecture Controller)

VƠo năm 1994, 3 hƣng s n xu t xe h i l n c a Mỹ (Chysler, Ford, General) đƣ nêu ra và yêu c u m t b đi u khi n có c u trúc m áp d ng cho ngành công nghi p ô

tô

Nhóm nghiên cứu này t p trung vào vi c xây d ng nh ng b đi u khi n khác nhau trên c s kinh nghi m c a các nhà s d ng ph n m m cũng nh c a các nhà ch

t o máy OMAC, 1999 có t t c 14 modun API phức t p Các môđun nƠy đ ợc xác

đ nh b i ngôn ng đ nh nghĩa giao ti p (Interface Definition Language ậIDL) và ph n

l n trong s chúng đ u có các ph n nh c p d i (Subpart) Nh ng đặc tính chi ti t c a các môđun nƠy, ví d môđun Axis có t t c 10 ph n ph c p d i v i h n 400 ph ng

thức

2.1.4.1.4 NgoƠi ra các tr ng đ i học cũng có nhi u nghiên cứu v lĩnh v c nƠy

Đ i học Michigan là m t trong nh ng tr ng đ u tiên nghiên cứu v c u trúc m

v i d án v máy phay CNC có c u trúc m Trong giai đo n đ u c a d án 1993) các môđun đi u khi n cho m t máy phay CNC thông th ng đƣ đ ợc phát tri n

(1986-và ch y trong môi tr ng MS-DOS trên máy tính Intel 486 Giai đo n 2 phát tri n c a

d án (từ năm 1993) ch y u t p trung vào kỹ thu t ph n m m Tuy v y áp l c c a th

tr ng vƠ xu h ng phát tri n c a công ngh , nh ng nhà s n xu t đƣ thay đ i theo

ng i s d ng đ phát tri n và t n t i V i c u trúc m b đi u khi n có th đ ợc xây

d ng từ nh ng b ph n c u thành t t nh t c a nh ng nhà cung c p t t nh t chứ không

ph thu c vào m t nhà cung c p chuy n từ ắc u trúc đóng, b o v th tr ng” sang

ắc u trúc m , đa d ng th tr ng” Đi u này phá b s đ c quy n, khuy n khích s t p trung nghiên cứu và phát tri n trong lĩnh v c máy công c đi u khi n s CNC gi ng

nh ngƠnh công nghi p máy tính

2.1.4.1.5 Các nghiên cứu trong n c

n c ta, v n đ c u trúc m cho máy CNC s đem l i nh ng ngu n lợi l n Các máy CNC thông th ng có giá thành r t cao, chi phí b o trì s a ch a l n vì ph thu c vào nhà cung c p đ c quy n V i c u trúc m ta có th t n d ng nh ng máy công c

NC hi n có, gi m giá thành, vi c thay th nâng c p d dƠng h n nhi u

Hi n t i trong n c cũng có r t nhi u các nghiên cứu v h th ng đi u khi n CNC

vƠ đ u l y Ủ t ng chính là Open CNC là kh năng s d ng PC và các chuẩn c a PC

ph m vi đ u vào CNC, nhằm tăng thêm kh năng tích hợp vƠ đ ng th i gi m giá thành cho b đi u khi n CNC Đi u này d n đ n vi c t o nên ph n t mang đặc đi m ắlõi CNC”

Hình 2.3 Nguyên lỦ ắOpen CNC” k t hợp PC + ắlõi CNC” thƠnh ắPC-NC” s làm

đ n gi n không ch v n đ ghép n i, mà c chính ắlõi CNC”

C th lƠ các đ tài nghiên cứu c p qu c gia sau:

- KC.05: Nghiên cứu, thi t k , ch t o h th ng máy phay-ti n đi u khi n s bằng máy tính (CNC) ph c v cho đƠo t o ngh c khí

- KC.05: Nghiên cứu ứng d ng h th ng tính toán song song hi u năng cao đ l p trình gia công các b mặt khuôn m u trên máy công c CNC

- KC.03: Nghiên cứu, thi t k , ch t o các b đi u khi n s (CNC) thông minh vƠ chuyên d ng cho các h th ng vƠ quá trình phức t p

- KC.05: Nghiên cứu, thi t k vƠ ch t o máy CNC s n xu t c t thép c a ng bê

tông kích th c l n

- KC.03: Nghiên cứu, thi t k ch t o máy CNC 5 tr c tọa đ

- KC.03.12 Nghiên cứu, thi t k , ch t o các b đi u khi n s (CNC) thông minh

và chuyên dùng cho các h th ng vƠ quá trình phức t p

CH NG 3 C S Lụ THUY T 3.1 C U TRÚC MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC

3.1.1 S đ nguyên lỦ vƠ h thống

Hình 3.1: S đ nguyên lý c a máy phay CNC

Nh hình 3.1 ta th y m t máy phay CNC 3 tr c nó g m 2 thành ph n chính là

ph n cứng và ph n đi u khi n

Ph n cứng bao g m: Khung máy, tr c X, tr c Y, tr c Z, các đ ng c c a 3 tr c

và tr c chính

Ph n đi u khi n bao g m : Driver 3 tr c đ ng c , m ch giao ti p v i máy tính

PC và ph n m m đi u khi n máy

Hình 3.2 S đ đi u khi n h th ng

- Xung đi u khi n đ ợc xu t ra c ng LPT

- Vít me đai c th ng: là lo i mƠ vít me vƠ đai c có d ng ti p xúc mặt;

- Vít me đai c bi: là lo i mà vít me vƠ đai c có d ng ti p xúc lăn

Khi đi u khi n máy CNC hai hoặc nhi u tr c đòi h i th i gian kh i đ ng bàn máy nhanh và momen nh Nhìn vào đ ng cong trên ta th y vít me đai c th ng không

đ m b o đ ợc yêu c u trên c a máy CNC

Thay vì tr ng thái ti p xúc mặt nh vít me đai c th ng thì vít me đai c bi có

d ng ti p xúc lăn bằng cách đ a vƠo các rãnh ren s l ợng l n bi hoặc bi tr Do ti p xúc gi a vít me vƠ đai c lƠ ma sát lăn nên ma sát có th lƠ coi lƠ không đáng k Từ đ

th trên ta th y vít me đai c bi đã xóa b đ ợc vùng ma sát khô và ma sát n a khô c a

ma sát th ng

Hình 3.3 Quan h gi a l c và t c đ c a vitme đai c th ng vƠ vitme đai c bi

Ta xét m i quan h gi a l c ma sát và t c đ c a vít me đai c th ng và vít me đai c bi:

- Đ ng cong trên lƠ đ ng cong bi u th m i quan h gi a l c ma sát và t c đ

c a vít me đai c th ng Đ ng cong này chia làm hai ph n:

- Ph n từ a đ n b là vùng ma sát n a t Vùng này có s ti p xúc tr c ti p gi a vít me vƠ đai c Khi v n t c bằng không, l c ma sát t l n nh t, khi v n t c tăng nêm d u d n d n hình thành làm l c ma sát gi m d n t i b

- Giai đo n ti p theo lƠ quá trình bôi tr n gi a hai b mặt th y đ ng vƠ nh đ th thì l c ma sát tăng theo t c đ

- Khi đi u khi n máy CNC hai hoặc nhi u tr c đòi h i th i gian kh i đ ng bàn máy nhanh và momen nh Nhìn vƠo đ ng cong trên ta th y vít me đai c th ng không đ m b o đ ợc yêu c u trên c a máy CNC

- Thay vì tr ng thái ti p xúc mặt nh vít me đai c th ng thì vít me đai c bi có

K ết cấu của bộ truyền vitme đai ốc bi

Vitme có đa d ng nh ng chúng đ u có k t c u chung nh sau:

1: Đai c bi;

2: Vòng đi u ch nh khe h ;

3: bi;

4: Vit me bi;

Hình 3.4 Tr c vime bi

Hình 3.5 K t c u vitme bi

D ạng profil răng

V n đ quan trọng nh t trong k t c u c a b truy n vít me đai c đó là d ng profil rang vít me vƠ răng đai c Profil răng vít me d ng ch nh t và d ng hình thang

là d ch t o nh t

Tuy nhiên do đ cong c a hai b mặt khác nhau quá l n nên d n đ n ứng su t

ti p xúc tăng và kh năng t i c a b truy n th p Vì v y hai d ng profil nƠy ít đ ợc s

d ng Do đó đ gi m đ ợc ứng su t ti p xúc, tăng kh năng t i, tăng đ cứng v ng c a

b truy n và gi m momen ma sát thì ta ph i tăng b mặt làm vi c Đ đ m b o đ ợc

đi u này thì ta ph i thi t k profil d ng tròn

N u bán kính c a bi là r1, bán kính c a profil ren là r2 nên chọn r1/r2 = 0.95 ÷ 0.97.V i profil là n a cung tròn thì góc ti p xúc c a b truy n có th là α = 600 Tuy nhiên b truy n v i góc ti p xúc α = 450 s có khe h nh nh t và cho kh năng ch

t o v i đ chính xác cao nh t

Hình 3.6 : Profil ren n a tròn

K ết cấu h i bi

Có nhi u d ng k t c u h i bi nh ng chúng ta có th chia thành các d ng c b n sau:

Rãnh h i bi ki ểu ống cong: đ ợc dùng khá ph bi n trong các b truy n

Trên đai c ng i ta khoan l ti p tuy n v i đ ng ren Vi c d n h ng cho bi vào ng h i bi có th dùng hai cách:

(a): mi ng ng h i bi tỳ lên mặt ren c a vít me

(b): dùng t m d n h ng đ đ a bi vƠo ng h i bi

Hình 3.7 Rãnh h i bi ki u ng

Trên đai c ng i ta có th b trí hai hoặc ba ng d n phân b thành hai hoặc ba vòng tu n hoàn kín K t c u h i bi d ng nƠy có nh ợc đi m lƠ tăng kích th c b truy n, đ b n mòn c a đ u ng th p, s kẹp chặt ng có đ tin c y không cao

Rãnh h i bi là l ỗ khoan trên thân đai ốc và song song với đ ờngtâm đai ốc

Đ ng d n bi đ n đ ng h i bi đ ợc b trí trên n p c a đai c đ ợc th hi n trên hình 3.6 K t c u h i bi d ng nƠy có u đi m: gọn nhẹ và tính công ngh t t

Nh ợc đi m là kh năng tách thành nhi u nhóm h i bi khó khăn

Hình 3.8 Rãnh h i bi theolỗ khoan trong đai ốc

Rãnh h i bi n ối giữa hai vòng ren kế tiếp nhau đ ợc bố trí trên máng lót đặc biệt

Đ đặt máng lót rãnh h i bi ng i ta phay trên đai c các h c nh trên hình 3.9

K t c u này khác hẳn v i các k t c u khác đó lƠ không s d ng các đ ng d n ti p xúc

v i b mặt vít me mƠ đ ng d n n i gi a hai rãnh k ti p nhau Ph n l n các b truy n

ng i ta dùng ba h c, các h c cách nhau 1200

Hình 3.9 H i bi theo rƣnh khoan đ ng ng

K t c u nƠy có u đi m: kích th c đ ng kính b truy n nh bằng v i kích

th c c a b truy n vít me th ng có cùng đ ng kính, không b mòn nhanh, có đ tin

c y cao và chi u dài rãnh h i bi nh

3.1.2.2 sống lăn

a u nh ợc đi m c a sống lăn:

S ng lăn lƠ lo i kh p chuy n đ ng t nh ti n s d ng nh ng ph n t lăn nh lƠ bi

hoặc con lăn Do s d ng nh ng ph n t lăn gi a thanh ray v i kh i t nh ti n, s ng lăn

có th chuy n đ ng t nh ti n v i đ chính xác cao H s ma sát c a s ng lăn ch bằng 1/50 so v i s ng tr ợt truy n th ng S ng lăn có th ch u t i trọng lên xu ng, trái, ph i

S ng lăn lƠ lo i chi ti t đ ợc s n xu t và bán c b , ng i dùng ch mua v l p ráp chứ không ch t o M i nhà ch t o có c s tính toán khác nhau đ ng i dùng có

Bi n d ng d x y ra gi a b mặt lăn vƠ con lăn khi s ng lăn ch u l c quá l n

hoặc t i trọng va đ p n u bi n d ng d v t quá gi i h n s làm cho s ng lăn ho t đ ng không còn êm T i tĩnh c s đ ợc đ nh nghĩa lƠ t i tĩnh có đ l n vƠ h ng không đ i làm cho con lan và b mặt bi n d ng d 0.0001 l n đ ng kính con lăn t i đi m ch u

ứng su t l n nh t giá tr nƠy đ ợc nhà s n xu t cho sẵn Giá tr t i tĩnh c a s ng lăn không đ ợc v ợt quá giá tr t i tĩnh c s này

Moment tĩnh cho phép (M0)

Moment tĩnh cho phép d ợc bi u di n bằng h ng và giá tr khi ứng su t l n

nh t tác d ng lên con lăn bằng ứng su t gây ra b i t i tĩnh Moment tĩnh cho phép bao

g m 3 thành ph n theo 3 h ng: MR, MP, MY.

Hình 3.10 chi ều moment tác dụng lên sống lăn

c H s ố an toƠn tĩnh:

Khi s ng lăn ho t đ ng v i t i tĩnh hoặc chuy n đ ng v i t c đ th p ph i xét

đ n h s an toƠn tĩnh H s an toƠn tĩnh ph thu c vƠo môi tr ng vƠ đi u ki n làm

vi c c a s ng lăn Khi h th ng ch u va đ p vƠ dao đ ng ta s chọn h s an toàn l n

trọng đ ng c s đ ợc đ nh nghĩa lƠ t i trọng không đ i l n nh t tác đ ng lên s ng lăn

đ s ng lăn có tu i thọ danh nghĩa 50km Giá tr t i trọng c s đ ợc cho trong b ng

s li u c a nhà s n xu t Tu i thọ danh nghĩa dùng đ d doán tu i thọ c a s ng lăn

e.Tu i th ọ c a sống lăn:

Khi b mặt lăn vƠ con lăn ch u tác đ ng cùa t i chu kì, b mặt làm vi c s b tróc

r vì m i Tu i thọ c a s ng lăn lƠ t ng quƣng d ng d ch chuy n cho đ n khi tróc r

b mặt do m i xu t hi n

Tu i thọ danh nghĩa c a s ng lăn lƠ quƣng đ ng mà s ng lăn di chuy n đ ợc khi ch u t i trọng danh nghĩa Thông th ng tu i thọ danh nghĩa c a s ng lăn lƠ 50km Giá tr t i trọng c s d ợc cho trong b ng s li u c a nhà s n xu t Tu i thọ danh nghĩa dùng đ d doán tu i thọ c a s ng lăn

Tính toán tuổi thọ danh nghĩa:

3.1.2 Phần đi u khi n máy phay CNC

Ph n đi u khi n c a máy CNC bao g m:

- H th ng đi u khi n s

- Ph n m m đi u khi n

- Đi u khi n đ ng c

3.1.2.1 H thống đi u khi n số

Là h th ng mƠ trong đó các ho t đ ng đ ợc đi u khi n là d li u s đ a vƠo

tr c ti p m t đi m nƠo đó H th ng đó ph i t đ ng d ch chuy n t i thi u m t ph n nƠo đó c a d li u này

D li u là thông tin cung c p b i mã nh phơn Nó đ ợc bi u di n d i d ng mã

s hoặc ký t Đơy lƠ thông tin c n thi t đ t o ra m t ch ng trình gọi lƠ ch ng trình gia công

Có hai lo i h th ng đi u khi n: H th ng đi u khi n kín và h th ng đi u khi n

h