ĐỒ án điều KHIỂN máy CNC BẰNG CARD PCL 832

Giá trị từcảm biến vị trí được đưa về máy tính để xác định vị trí hiện tại của trục động cơ,từ đó hiệu chỉnh và xuất điện áp điều khiển thích hợp.. Để thay đổi tốc độ động cơ ta thay đổi

PHẦN II

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

CHƯƠNG I

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

I MÔ HÌNH:

Cảm biến vị trí ghép với động cơ DC:

Ta sử dụng động cơ một chiều 24V kích từ độc lập bằng nam châm vĩnhcửu, công suất nhỏ làm đối tượng điều khiển Cảm biến vị trí là EncoderIncremental, Encoder này được ghép đồng trục với trục động cơ DC bằng khớpnối cứng, và hồi tiếp vị trí trục động cơ DC về Card Pcl-832

Một điều ta phải quan tâm là khớp nối cứng giữa trục động cơ và trục cảmbiến ta cần phải thật chính xác, nhằm giúp động cơ và cảm biến quay đồng trụcvới nhau để sai số điều khiển sẽ giảm đi nhiều

+

-Mạch khuếch đại công suất

Máy

tính

Cảm biến vị trí

Mạch điều khiển

(Uđk)

Mạch động lực

II SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ:

Máy tính xuất ra điện áp thay đổi để điều khiển tốc độ và chiều quay củađộng cơ thông qua mạch điều khiển và mạch khuếch đại công suất Giá trị từcảm biến vị trí được đưa về máy tính để xác định vị trí hiện tại của trục động cơ,từ đó hiệu chỉnh và xuất điện áp điều khiển thích hợp

III MẠCH ĐỘNG LỰC:

Mạch khuếch đại công suất dùng để điều khiển chiều quay và tốc độ củađộng cơ, yêu cầu đặt ra là để động cơ có thể làm việc ở cả 4 phần tư của mặtphẳng đặc tính cơ, nghĩa là động cơ có thể làm việc được ở cả chế độ động cơ vàchế độ hãm

Ta sử dụng bộ mạch công suất là bộ chopper, với các công tắc bán dẫn làtransistor công suất có cấu hình như sau:

Các transistor công suất và các diode mắc đối song nhau, các diode cóchức năng là trả năng lượng từ động cơ về nguồn khi động cơ hoạt động ở chế độhãm tái sinh Transistor Q1 và Q3 dẫn điện áp cung cấp cho động cơ, làm động cơquay theo chiều thuận Transistor Q2 và Q4 dẫn điện áp cung cấp cho động cơlàm động cơ quay theo chiều nghịch Để thay đổi tốc độ động cơ ta thay đổikhoảng dẫn của các transistor bằng phương pháp điều rộng xung Sơ đồ khốimạch tạo tín hiệu điều rộng xung kích dẫn các transistor như sau :

Khốicách ly

Tín hiệu PWM kích dẫn transistor Q1, Q3

Tín hiệu PWM kích dẫn transistor Q2, Q4

Uđk

Khối xác định

chiều quay

DO

CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHỐI :

1 Khối tạo xung tam giác :

Yêu cầu xung tam giác được tạo ra có tần số thay đổi, để thay đổi tần sốđóng tắt của các transistor khi cần thiết

Dùng 2 op-amp so sánh và tích phân, mạch có dạng sau:

Nguyên tắc làm việc của mạch :

Op-amp U1A có ngõ ra là dạng xung vuông , Op-amp này thực hiện chứcnăng so sánh điện áp chân 2 (0V) và chân 3 Biến trở VR1 thay đổi tần số, biếntrở VR2 thay đổi biên độ xung vuông ngõ ra Opamp U1A

Op-amp U1B có ngõ ra là xung tam giác tạo ra bỡi quá trình nạp và xảcủa tụ điện C1 Khi xung vuông ở ngõ ra Op-amp U1A lên mức cao, tụ C1 nạpđiện, điện áp OUT tăng dần, vì dòng điện qua tụ không đổi nên điện áp ở ngõ

ra tuyến tính theo thời gian Khi xung vuông xuống mức thấp tụ C1 xả, điện áp ởngõ ra giảm dần Hình sau là dạng điện áp ở ngõ ra của hai Op-amp:

OUT

+

-U1B LF353 7 6

5 4

8

+

-U1A LF353 1 3

2 4 8

C1 0.1uF

R1 10K

VR2 50K

VR1 50K

tU1A

U1B

2 Khối so sánh :

Do xung tam giác tạo ra ở ngõ ra của Op-amp U1B có cả phần âm vàdương nên ta dùng mạch cộng điện áp để có xung tam giác ở hai mức 0 và 5Vcần thiết Các biến trở VR3 và VR4 dùng để điều chỉnh biên độ và mức offset sovới 0V của xung tam giác ngõ ra của Op-amp U2A

Dùng chức năng so sánh của Op-amp U2B để so sánh tín hiệu điện áp Uđktừ Card mở rộng và tín hiệu xung tam giác từ ngõ ra của U1A, nhằm tạo tín hiệusố có dạng xung vuông có bề rộng thay đổi được Bằng cách thay đổi Udk từ 0V -

>5V ta có độ rộng xung vuông PWM thay đổi từ 0% ->100% Dạng áp được môtả ở hình sau đây :

R3

10K

VR4 50K -Vcc

JP2

PWM

1 2 +Vcc

+ -

U2B LF353 5

R5 R

+Vcc

D1 DIODE

JP1

U_đk

1 2

3 Khối xác định chiều quay :

Gồm các cổng AND (74LS08) và NOT (74LS05) : nhằm tạo xung kíchcho các Opto theo 2 cách :

Cách 1 :

Tín hiệu xác định chiều quay từ máy tính gửi đến được AND với tín hiệuxung vuông vừa tạo ở phần trên Đồng thời tín hiệu xác định chiều quay nàyđược gửi qua cổng đảo rồi AND với tín hiệu xung vuông

- Khi tín hiệu xác định chiều quay của máy tính ở mức cao thì tín hiệu nàyđược AND với tín hiệu xung vuông để kích các Opto 1, 3 làm cho động cơquay theo chiều thuận Còn ngõ ra còn lại của cổng AND ở mức thấp nêncác Opto 2, 4 bị khóa

- Khi tín hiệu xác định chiều quay của máy tính ở mức thấp thì các Opto 1,

3 bị khóa Còn ngõ ra còn lại của cổng AND ở mức cao nên các Opto 2, 4được kích dẫn làm cho động cơ quay theo chiều nghịch

Các dạng xung trên các OPTO:

JP2 PWM 1 2

D0 PWM

U2A 74LS05

U1A 74LS08

1 2 3

U1B 74LS08

4

5 6

Kích Opto 2,4

Quay nghịch :

Cách 2 : Do trong hệ thống điều hiển vị trí động cơ DC, cần có điện áphãm để tăng độ chính xác, giảm sai số, khối xác định chiều quay sử dụng mạchsau:

Máy tính xuất ra một tín hiệu cho phép OE Khi OE ở mức thấp 4 Optođiều tắt, động cơ không được cấp điện áp Khi OE ở mức cao, xung vuông PWMand với OE kích các opto 1, 3 và đồng thời PWM qua cổng NOT and với OE đểđảo xung rồi đưa đến kích các opto 2, 4 Vậy khi OE ở mức cao ta có giản đồxung kích các Opto như sau:

Giản đồ xung :

U1A 74LS08

1 2 3

JP2 PWM 1 2

PWM

Kích Opto 2 ,4

U1B 74LS08

4

5 6

U2A 74LS05

5 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất và mạch điều khiển:

 Khi tín hiệu cho phép OE ở mức thấp (không cho phép động cơ hoạt động):

- Ngõ ra 3 của cổng AND ở mức thấp, do đó không có dòng chảy vào cực Bcủa transistor Q1 nên Q1 ở trạng thái khóa dẫn đến không có dòng vàodiod phát quang của opto U3 và U6

Đối với opto U3, ngõ ra sẽ ở trạng thái khóa (hở mạch) Khi đó điện trởR7 nối với nguồn 24V sẽ làm cho cực B của transistor Q5 không có dòngqua, dẫn đến Q5 sẽ ở trạng thái khóa nên transistor Q6 cũng ở trạng thái

bị ngắt

Đối với opto U6, ngõ ra cũng ở trạng thái khóa (hở mạch) Khi đó điện trởR10 nối với mass sẽ làm cho cực B của transistor Q12 không có dòng qua,dẫn đến Q12 sẽ ở trạng thái khóa nên transistor Q11 cũng ở trạng thái bịngắt

- Ngõ ra 6 của cổng AND ở mức thấp, giải thích tương tự như trên ta cũngcó các transistor Q7, Q8, Q9 và Q10 cũng ở trạng thái bị ngắt

 Khi tín hiệu cho phép OE ở mức cao và tín hiệu chọn chiều quay PWM ởmức cao (cho phép động cơ quay theo chiều thuận):

- Ngõ ra 6 của cổng AND ở mức thấp, các transistor Q7, Q8, Q9 và Q10 ởtrạng thái bị ngắt

- Khi tín hiệu điều rộng xung PWM ở mức cao, ngõ ra 3 của cổng AND ởmức cao, điện trởø R3 tạo phân cực cho transistor Q1, Q1 dẫn kéo theo cácopto U3 và U6 dẫn Khi opto U3 dẫn sẽ tạo phân cực cho transistor Q5,Q5 dẫn kéo theo Q6 dẫn Tương tự, ta cũng có các transistor Q11 và Q12

dẫn Khi đó điện áp ngõ ra U AB = +24v.

 Khi tín hiệu cho phép OE ở mức cao và tín hiệu chọn chiều quay PWM ởmức thấp (cho phép động cơ quay theo chiều nghịch):

Giải thích tương tự như trường hợp trên ta có các transistor Q7, Q8, Q9 và

Q10 dẫn Khi đó điện áp ngõ ra U AB = -24v.

CHƯƠNG II

THIẾT KẾ PHẦN MỀM

I TÍNH TOÁN KHI THAY ĐỔI HỆ TOẠ ĐỘ CHI TIẾT :

1 Dùng trong lệnh G92: (khai báo gốc toạ độ mới cách dao một khoảng)

Ta sử dụng tọa độ tuyệt đối :

Ở đây ta đã có hệ toạ độ máy có gốc toạ độ O(0, 0, 0) Giả sử dao đang ở vịtrí M1(X1,Y1,Z1) đây là toạ độ thực so với gốc hệ toạ độ máy Ta muốnchuyển sang một hệ toạ độ mới có gốc O1X01,Y01,Z01 cách M1(X1,Y1,Z1) mộtkhoảng M1O1 a,b,c, ta chỉ cần cộng thêm vào toạ độ được khai báo trong hệtoạ độ mới các vectơ OM 1 M1O1=X 1 a,Y 1 b,Z 1 c=OO1

Tức là nếu trong hệ toạ độ mới ta khai báo (X, Y, Z) thì giá trị toạ độ so vớiđiểm gốc hệ toạ máy O(0, 0, 0) sẽ là :

X X1a,YY1b,ZZ1c

và đây là toạ độ thực được dùng để tính toán chạy dao

2 Dùng trong các lệnh G54 G59 :

Hệ toạ độ máy có gốc toạ độ O(0, 0, 0) Hệ toạ độ mới có gốc toạ độ

II THUẬT GIẢI TÌM TÂM CUNG TRÒN KHI DỮ LIỆU ĐẦU VÀO LÀ ĐIỂM ĐẦU, ĐIỂM CUỐI VÀ BÁN KÍNH R :

Với dữ liệu trên ta có thể xác định được 2 đường tròn (O1, R) và (O2, R)lần tượt có phương trình:

(X- I1)2 + (Y- J1) 2 = R2(X- I2)2 + (Y- J2) 2 = R2hay

B A B

đưa về dạng : X + Y + 1 = 0

Phương trình đương thẳng (d2)(d1) tại điểm C có dạng :

-X + Y + 2 = 0

thay toạ độ điểm C vào phương trình này  giá trị 2

Tìm toạ độ điểm O1 và O2 cách điểm C một đoạn là L = 2 2

1 0 0 )

, 0 (

O Y O Y B X A X

O Y O Y B X A X

Y

Trường hợp nội suy cung tròn theo chiều kim đồng hồ (CW):

 Nếu R>0  chọn tâm O của cung tròn trùng O1X1,Y1

 Nếu R<0  chọn tâm O của cung tròn trùng O2X2,Y2

Trường hợp nội suy cung tròn theo chiều ngược chiều kim đồng hồ (CCW):

 Nếu R>0  chọn tâm O của cung tròn trùng O2X2,Y2

 Nếu R<0  chọn tâm O của cung tròn trùng O1X1,Y1

Dữ liệu đầu vào:

A :Start point B: End point R:bán kính

R B

A



Tâm O

KẾT THÚCĐiểm C

Đã biết phương trình đường (AB):

X + Y + 1 = 0Phương trình đường (O1O2) (AB) tại C :

-X + Y + 2 = 0

Thay toạ độ điểm C vào (O1O2) để tìm 2 biết được

phương trình đường (O1O2)

- Cách điểm C một đoạn L

Toạ độ hai điểm O1 và O2

Nội suy theo chiều CW

Thuật giải (*) :

Chọn toạ độ hai điểm O1 và O2 sao cho :

AB

nằm bên phải vector

nằm bên trái vector

AB

Yes No

III TÍNH TOÁN CUNG TRÒN KHI BIẾT TÂM CUNG TRÒN VÀ CHIỀU CHẠY DAO:

Giả sử Start point là điểm AX , A Y A và End point là BX , B Y B

Chuyển từ hệ toạ độ Decac sang hệ toạ độ cực:

 Trường hợp 1 : Chiều chạy dao là CCW (chiều dương vòng lượng giác)

 Đưa tâm cung tròn O(I, J) về gốc tạo độ cực, lúc này coi như toạ độ O(0,0)

 Chuyển toạ độ điểm AX , A Y A và BX , B Y B sang toạ độ cực A

 Nếu sinA > 0  góc A> 0

 Nếu sinA < 0  chọn A = A+360 0 > 0

Tương tự cho B:

 Nếu sinB > 0  góc B> 0

 Nếu sinB < 0  chọn B = B+360 0 > 0

Và như vậy khi chạy dao từ A B ta chỉ cần tăng dần góc Alên

 Trường hợp 2 : Chiều chạy dao là CW (chiều âm vòng lượng giác)

 Đưa tâm cung tròn O(I, J) về gốc tạo độ cực, lúc này coi như toạ độ O(0,0)

 Chuyển toạ độ điểm AX , A Y A và BX , B Y B sang toạ độ cực A

A,R A và BB,R B

sinA = y R A (với yA=Y A- J)

 Nếu sinA > 0  góc A> 0

 Nếu sinA < 0  chọn A = A+360 0 > 0

Tương tự cho B:

 Nếu sinB > 0  góc B> 0

 Nếu sinB < 0  chọn B = B+360 0 > 0

Thuật giải nội suy cung tròn theo chiều CCW :

Nội suy thẳng từ AM

Đưa toạ độ A, B, tâm

Ovề toạ độ cựcTính toán để được

>
>

Tính ngược lại theo

Tính M() theo Với = +

Gán toạ độ A = tức gán =

n e â n

c u n g t r

Thuật giải nội suy cung tròn theo chiều CW

Tính toán để được

>
>

Tính ngược lại theo

Tính M() theo Với = - Nội suy thẳng từ AM

KẾT THÚCBẮT ĐẦU

=

IV TÍNH TOÁN KHI CHUYỂN SANG TOẠ ĐỘ CỰC: (dùng khi nội suycung tròn)

 Đã xác định được tâm cung tròn, giả sử OX0,Y0 và bán kính R

 Thay đổi hệ toạ độ hiện thời có gốc toạ độ O1X01,Y01 sang hệ toạ độcó gốc tọa độ tại OX0,Y0 bằng phương pháp đã nêu trên

 Cộng thêm vào các giá trị khai báo trong hệ toạ độ cực (VD:

Rcos1,Rsin1 ) với giá trị toạ độ thực tế của gốc toạ độ cực so vớigốc hệ toạ độ máy O(0, 0)

Như vậy trong hệ toạ độ cực gốc OX0,Y0, nếu cho biết giá trị góc  vàbán kính R của một điểm thì ta sẽ tính toán được giá trị toạ độ thực trong hệ toạđộ Decac gốc O(0, 0)

VI TÍNH TOÁN NỘI SUY ĐOẠN THẲNG THEO LƯỢNG CHẠY DAO F :

Gọi E : là hệ số xung mm (sử dụng trong Card Pcl_832 )

T_dda : là thời gian 1 chu kỳ DDA (ms)

Lượng ăn dao F chính là vận tốc dịch chuyển dao (mm ph)= mm ms

6

10  4Trong một chu kỳ DDA thì dao cắt chạy được một khoảng là:

dda T

dda T E

 cos

R



sin

R

Quãng đường L cần L  E xung

Số chu kỳ DDA cần thiết để dịch chuyển hết quãng đường L :

Giá trị N_dda được làm tròn theo hướng lớn hơn (VD: 2045,2 2046)

Trong (N_dda – 1) chu kỳ đầu, mỗi chu kỳ sẽ được ghi :

Tuy nhiên cách tính toán trên chưa thực tế vì trong quá trình từ lúc dao cắtđứng yên đến khi đạt đến vận tốc F thì phải qua một quá trình gọi là khởi độngmềm: dao cắt di chuyển với vận tốc tăng dần từ 0 đến F Khi dao cắt di chuyểngần đến điểm đích thì giảm dần vận tốc từ F xuống 0

Vì vậy ta phải xử lý như sau:

Bộ khởi động mềm gồm một mảng bao gồm các giá trị xung như sau:

trong Soft[ 0 ], chu kì kế tiếp với số xung trong Soft[ 1 ], và cứ thế cho đến Soft[ m] Với m được tính như sau:

dda T E F

Max

6

10 10

1 10

Vậy chỉ có k chu kỳ ở khoảng giữa là thực sự chạy với tốc độ F, và số chukỳ đó được tính như sau :

Quãng đường dịch chuyển L cần L  E xung

VIII DI CHUYỂN QUẢNG ĐƯỜNG DÀI L(L X , L Y , L Z) TRÊN BA

TRỤC VỚI LƯỢNG CHẠY DAO F:

Ta có:

2 Z

2 Y

2

X L L L

L   

Lượng ăn dao trên trục X:

L

L F

F X X

F Y Y

F Z Z

Số chu kỳ : k =

- số xung trong )

Số xung trong một chu kỳ

=

- số xung trong )

dda T E

dda _ T E F 6

Không mất tính tổng quát, giả sử: L X  L Y  L Z

Số chu kỳ DDA cần thiết để dịch chuyển hết quãng đường L :

N_dda = 10 6F LE ET_dda

X 4

L

L ] i [ Soft 

SoftZ[i]=

X

Z X

L

L ] i[

STOP

CÔNG TẮCHOME

STOP

CHẠY NHANHSANG TRÁI

CHẠY NHANHSANG PHẢI

CHẠY CHẬMSANG PHẢI

THUẬT GIẢI TRỞ VỀ HOME XÉT TRÊN MỘT TRỤC

Mục đích của việc dùng cảm biến INDEX :

Điểm chuẩn R (Reference point) được xác định trong vùng làm việc (vùngchạy dao) là điểm được dùng làm chuẩn để xác định gốc toạ độ O(0, 0) của hệ toạđộ máy (điểm HOME)

Thông thường để tiện lợi và nhanh chóng trong việc di chuyển dao về điểmgốc toạ độ người ta chọn điểm chuẩn R trùng với điểm gốc toạ độ máy HOME Vìthế khi cần di chuyển về HOME thay vì đầu tiên phải di chuyển về điểm chuẩn

R, rồi với một khoảng di chuyển cố định của mỗi trục, điều này có nghĩa là điểmchuẩn R được gán cho một toạ độ cố định và từ đây dao cắt di chuyển theo lệnh dichuyển về toạ độ (0, 0, 0); khi ta đã gán toạ độ điểm chuẩn R trùng với HOME thì

ta chỉ cần cho dao cắt di chuyển về điểm chuẩn (thông qua các cảm biến gắn trênđường di chuyển của bàn dao) rồi Reset toạ độ các trục về Zero

Cảm biến HOME thông thường là công tắc hành trình được gắn cố định.Một cữ chặn được gắn chặt vào bàn máy để khi bàn máy di chuyển thì cữ chặn sẽmột lúc nào đó đi ngang qua công tắc hành trình

Việc dùng cữ chặn và công tắc hành trình là cần thiết cho các hệ thống đolường vị trí dùng Incremental Encoder Ở đây cứ mỗi lần đóng mạch hệ điềukhiền thì các trục phải được chạy về điểm HOME của nó, có như vậy thì hệ điềukhiển mới có một điểm khởi xuất để từ đó đếm các khoảng dịch chuyển phản hồitừ Encoder

Tuy nhiên nếu chỉ dùng cữ chặn và công tắc hành trình thì không đảm bảođược độ chính xác khi di chuyển về HOME Bởi vậy cụm tổ hợp cữ chặn và côngtắc hành trình chỉ báo cho hệ điều khiển biết vùng lân cận của điểm HOME.Chiều rộng của vùng lân cận này nằm vượt ra ngoài dung sai khi đóng mạch mộtcông tắc chính xác

Do đó ta có khái niệm về cảm biến INDEX như sau :

Công tắc

hành trình

Cữ chặnBàn máy

Xác định điểm HOME trên một trục

tắc hành trình thì bắt đầu di chuyển ngược lại với mục đích thoát khỏi công tắchành trình với tốc độ chậm Sau khi thoát khỏi công tắc hành trình rồi nó lại dichuyển ngược lại với tốc độ rất chậm đến khi chạm vào công tác hành trình mộtlần nữa (hay một công tắc INDEX khác tuỳ theo quan điểm thiết kế) thì ngừng lại,và đây là vị trí điểm HOME trên trên trục này Ở trên ta chỉ dùng một cữ chặn vàmột công tắc hành trình cho một trục, vì thế có thể xem như cảm biến INDEXtrùng với cảm biến HOME.

Nhưng ta phải phân biệt :

- Cảm biến HOME xác định vùng lân cận điểm HOME

- Cảm biến INDEX xác định chính xác vị trí điểm HOME

Ta phải dùng hai khái niệm trên là vì khi xác định vùng lân cận điểm HOMEthì dao cắt chạy với tốc độ lớn hơn khi xác định vị trí chính xác HOME, do đócó thể rút ngắn thời gian tìm vị trí điểm HOME