Bài giảng hệ thống điều khiển chương trình số

Để thực hiện được các yêu cầu này cần thiết tiến hành quá trình tự động hóa, các máy tự động sử dụng các cơ cấu vấu tì hay công tắc hành trình, mẫu chép hình, cơ cấu cam trên trục phân p

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ

1.1 Khái niệm về điều khiển theo chương trình số:

Các máy công cụ, máy cắt kim loại đã được phát triển từ rất lâu để gia công các chi tiết khác nhau trong ngành cơ khí Một thời gian dài xuất hiện, các máy công cụ đều do các công nhân trực tiếp điều khiển, thao tác bằng tay, quan sát bằng mắt để gia công Cách điều khiển này khiến cho thời gian phụ khá lớn, phế phẩm nhiều và như vậy năng suất làm việc không cao Khi mà nhu cầu sản suất hàng loạt lớn và hàng khối phát sinh, cần thiết phải nâng cao năng suất, giảm thời gian phụ và giảm phần trăm phế phẩm Để thực hiện được các yêu cầu này cần thiết tiến hành quá trình tự động hóa, các máy tự động sử dụng các cơ cấu vấu tì hay công tắc hành trình, mẫu chép hình, cơ cấu cam trên trục phân phối như là các chương trình điều khiển máy đã được lập và ghi sẵn thông qua các cơ cấu này Các máy tự động loại này giúp rút ngắn được thời gian phụ nhưng thời gian chuẩn bị các cơ cấu điều khiển như vấu tì, mẫu chép hình, cam … khá mất nhiều thời gian Do vậy, nếu cần thay đổi mẫu mã và kích thước của các chi tiết gia công, các cơ cấu điều khiển như vấu tì, cam…hay các chương trình điều khiển “cứng” cần phải được thay đổi và chuẩn bị lại từ đầu và mất nhiều công sức, đặc biệt là khi các chi tiết gia công phức tạp Vì vậy, các máy tự động loại này chỉ thích hợp cho việc sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối

Hình 1.1 Điều khiển bằng vấu tì

Hình 1.2 Điều khiển bằng

công tắc hành trình

Hình 1.3 Điều khiển bằng

cam

Xã hội loài người càng phát triển, nhu cầu các mẫu mã sản phẩm trở nên phức tạp hơn và cần thay đổi liên tục với số lượng chi tiết gia công đôi khi không phải luôn luôn là hàng loạt lớn hay hàng khối, việc áp dụng các máy tự động trong

sản xuất không có hiệu quả kinh tế cao Như vậy,

cần phải có một loại máy có khả năng thay đổi

chương trình điều khiển một cách nhanh chóng

hơn, dễ dàng chuẩn bị, “mềm” và linh hoạt hơn so

với cách điều khiển “cứng” như trong máy tự động

Máy điều khiển theo chương trình “mềm và linh

hoạt” ra đời trong bối cảnh và yêu cầu thực tiễn

này Để giúp điều khiển máy và thay đổi nội dung

điều khiển “mềm”, linh hoạt và nhanh chóng hơn,

người ta không thể sử dụng các “chương trình điều khiển cứng” như cam, hay mẫu chép hình như trước mà sử dụng các chương trình được mã hóa dưới dạng số với các loại mã khác nhau Các máy điều khiển theo chương trình sử dụng các chương trình được mã hóa dưới dạng số này được gọi là máy điều khiển theo chương trình số (numerical control), cũng được gọi là máy NC

Các chương trình được mã hóa dưới dạng số này chứa đựng tất cả các lệnh điều khiển các chuyển động và hoạt động của máy NC Thông qua bộ phận đọc chương trình, các câu lệnh sẽ được đưa về bộ điều khiển để điều khiển một phần hay toàn bộ quá trình hoạt động của máy

NC Các chương trình điều khiển máy NC có thể được ghi trên băng đục lỗ, film, băng từ, đĩa mềm, đĩa CD, đĩa cứng…

1.2 Đặc điểm của máy NC

1.2.1 Đặc điểm sử dụng:

Như đã đề cập ở trên, các chương trình

điều khiển máy NC được ghi trên băng đục

lỗ, film, băng từ, đĩa mềm, đĩa CD, đĩa

cứng…, nên máy NC có khả năng thay đổi

chương trình điều khiển một cách linh

hoạt, nhanh chóng và thuận tiện và không

phải tháo ráp, thay đổi các “chương trình

cứng” như cam, mẫu chép hình như trong máy tự động Thời gian chuẩn bị chương trình cho máy NC nhanh chóng và đơn giản, không tốn nhiều chi phí và thời gian như việc chuẩn bị như việc lập trình “cứng” Tuy nhiên, cũng chính vì công việc điều khiển thuận tiện, đơn giản đối với con người mà cấu trúc của máy NC càng trở nên phức tạp hơn so với các máy công cụ

Hình 1.5 Tổn phí gia công

trên máy NC và máy tự động

Hình 1.4 Gia công chép hình

vạn năng thông thường và máy tự động Điều này làm giá thành của máy NC rất cao so với các loại máy công cụ vạn năng và tự động

Việc sử dụng máy NC rất hiệu quả nếu số lượng chi tiết vừa phải và các mẫu mã chi tiết thường xuyên thay đổi Máy NC thích hợp cho các loại chi tiết từ đơn giản đến phức tạp Máy

NC rõ ràng có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại máy khác Tuy nhiên, để lựa chọn nó, vấn đề tính kinh tế phải được đem ra xem xét Hình 1.5 cho thấy, giá thành chế tạo một chi tiết của máy NC sẽ cao hơn giá thành đó của máy tự động nếu tổng số chi tiết dự kiến được gia công trên máy lớn hơn giá trị N; tại điểm N: giá thành này của cả hai loại máy này bằng nhau và giá thành đó của máy NC thấp hơn nếu tổng số lượng chi tiết nhỏ hơn N Chi phí ban đầu a trên hình 1 của máy tự động xét đến việc ngừng để điều chỉnh máy, thay đổi các cơ cấu điều khiển “cứng”

Tóm lại, trong khi, máy tự động thích hợp với việc sản suất chuyên dùng một hoặc một vài chi tiết với số lượng lớn hàng loạt và hàng khối, thì máy NC thích hợp cho việc sản suất đa dạng các loại chi tiết với số lượng nhỏ hơn nếu xét về hiệu quả kinh tế

1.2.2 Đặc điểm cấu trúc:

Máy NC cũng là máy gia công kim loại nên, cấu trúc của máy NC về cơ bản cũng giống như các máy công cụ truyền thống Điều này có nghĩa là, máy NC cũng phải thực hiện nguyên lý cắt với hai chuyển động tương đối giữa dao và phôi Điểm khác biệt ở chỗ hệ thống điều khiển và cách thức điều khiển của chúng khác nhau

Hình 1.6 thể hiện sự khác biệt giữa máy công cụ thông thường (a,b) và máy NC (c,d)

Hình 1.6 Sự khác biệt giữa máy NC và máy công cụ truyền thống

a

Máy truyền thống

Dữ liệu vào,

các yêu cầu

Chương trình, câu lệnh đk

c

Máy NC

Bộ điều khiển

Người điều khiển

Dữ liệu vào,

các yêu cầu

Chương trình, câu lệnh đk Máy tính số

d

Máy công cụ truyền thống:

Người công nhân phải điều khiển máy trực tiếp bằng tay (hình 1.6 a – máy vạn năng) để điều khiển toàn bộ các quá trình hoạt động của máy hoặc phải gián tiếp thông qua bộ điều khiển (hình 1.6 b – máy tự động) để đo lường, điều chỉnh máy trước khi gia công Trong trường hợp hình 1.6 b, bộ điều khiển là một thiết bị kết hợp về cơ điện cùng với các “chương trình cứng” như cam, vấu tì, các mẫu chép hình… để tạo ra các tác động vật lý lên máy nhằm thay thế các tác động vật lý trực tiếp của người điều khiển lên máy Như vậy ở máy vạn năng, thông qua bản vẽ chi tiết, người công nhân tự lập ra toàn bộ quá trình hoạt động gia công của máy và trực tiếp điều khiển Ở máy tự động, các “chương trình cứng” điều khiển máy được ghi lại thông qua các mẫu chép hình, cam, vấu tì, …

Ưu, nhược điểm của máy NC:

NC giúp giảm cường độ lao động căng thẳng của người công nhân

- Giúp tăng khả năng tự động hóa quá trình sản xuất Các máy NC dễ dàng có thể liên kết với nhau để tạo thành trung tâm gia công

 Nhược điểm:

- Giá thành của máy NC cao

Chương trình đk,

- Người lập trình cho máy NC phải có kiến thức cơ bản về máy NC và ngôn ngữ lập trình

1.3 Vài nét phát triển của máy NC

Có thể nói Parsons người Mỹ là cha đẻ của ý tưởng áp dụng tín hiệu số cho các máy gia công cắt gọt vào năm 1947 Một số năm nghiên cứu sau đó với sự hỗ trợ của Viện công nghệ tự động Massachussets (M.I.T), ông đã hoàn chỉnh hệ thống điều khiển máy phay 3 tọa độ điều khiển bằng số, và vào năm 1954, máy này lần đầu tiên được gọi là “máy điều khiển theo chương trình số” như tên gọi ngày nay

Kể từ thời điểm này, khi thấy được lợi ích và tiềm năng to lớn của máy điều khiển chương trình số, các nước khác như Nhật, Anh, CHLB Đức, Liên xô (cũ)…, cũng đã tập trung vào nghiên cứu chế tạo và phát triển thành công máy điều khiển chương trình số

Năm 1955, trong triển lãm máy công cụ tại Chicago đã xuất hiện 4 máy điều khiển theo chương trình số bằng bìa và băng đục lỗ

Năm 1965, Mỹ đã đưa vào sử dụng 7000 máy NC các loại Và đến năm 1988, tổng số máy

NC ở Mỹ đã lên đến 186000 chiếc Ở châu Âu, cho đến năm 1964, CHLB Đức đã đưa vào sử dụng hơn 500 máy NC các loại Ở Anh vào năm 1962 cũng đã có 225 máy NC và đến cuối năm 1967 đã có đến 1300 chiếc máy NC Trong khi đó, ở Liên Xô cũ, việc chế tạo và ứng dụng máy NC vào sản xuất đã đạt nhiều thành tựu rực rỡ

1.4 Các loại máy và hệ thống điều khiển chương trình số và xu hướng phát triển

1.4.2 Trung tâm gia công (CNC – Computer Numerical Control)

Trung tâm gia công CNC là một loại máy NC điều khiển theo chương trình số sử dụng máy vi tính hoặc máy tính công nghiệp (PLC) để thực hiện các chức năng riêng lẻ của từng mảng linh kiện điện tử của máy NC, và có cơ cấu cấp dao tự động để thực hiện nhiều loại nguyên công khác nhau sau một lần kẹp phôi CNC ra đời vào khoảng cuối những năm 1950s

Hình 1.7 Hệ thống điều khiển số bằng máy vi tính (CNC system)

1.4.3 Máy điều khiển thích nghi (ANC – Adaptive Numerical Control)

Trong các máy gia công CNC, tốc độ cắt và lượng chạy dao được định trước bởi chương trình gia công chi tiết Việc quyết định các tham số hoạt động này phụ thuộc vào kinh nghiệm và kiến thức liên quan đến vật liệu chi tiết và vật liệu dao, điều kiện làm nguội và các yếu tố khác Ngược lại với điều này, ý tưởng chính trong hệ điều khiển thích nghi (adaptive control)

là cải thiện năng suất hay giảm giá

thành gia công, bằng cách tính toán

và thiết lập các tham số hoạt động tối

ưu trong suốt quá trình gia công

Việc tính toán này dựa trên các giá

trị đo của các biến của quá trình theo

thời gian thực (real-time), các giá trị

giới hạn của quá trình gia công và

sau đó các tham số hoạt động với

được hiệu chỉnh trực tuyến để tối ưu

hóa tính năng của hệ thống gia công

này

1.4.4 Hệ thống gia công (DNC – Direct Numerical Control)

Hệ thống gia công DNC là một hệ thống gồm nhiều máy NC do một máy tính điện tử trung tâm thực hiện mối liên hệ và điều khiển trực tiếp các máy NC DNC ra đời vào cuối những năm 1960 với ý tưởng là loại bỏ bớt đi một số phần cứng từ mỗi bộ điều khiển riêng lẻ của mỗi máy và bù trừ cho việc loại bỏ này bằng một máy vi tính trung tâm phức tạp Các hệ thống DNC hoạt động theo kiểu chia thời gian (time-shared mode) với một chương trình giám sát trong máy vi tính trung tâm liên kết các bộ điều khiển của các máy công cụ và thiết lập bất

kỳ một quyền ưu tiên nào đó

Chương trình đk,

Bộ điều khiển

Máy Máy

Quá trình gia công

Cảm biến

Các giới hạn Chiến lược Chỉ số tính năng

Hình 1.8 Hệ thống điều khiển thích nghi AC

1.4.5 Cụm sản xuất linh hoạt (Manufacturing Cell)

Cụm (trạm) sản xuất bao gồm một nhóm các máy CNC được sắp đặt theo một vòng tròn quanh một (hoặc một số robot) Robot này có nhiệm vụ vận chuyển chi tiết, tháo và lắp chi tiết và dụng cụ cắt… Sự giám sát và sự

kết hợp được thực hiện bởi máy vi tính

của trạm (cell-computer) Cấu trúc của

một cụm sản xuất được mô tả trong

hình 1.10 dưới đây

1.4.6 Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS – Flexible Manufacturing System)

Hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm các cụm sản xuất, mà mỗi cụm có một robot phục vụ cho một số các máy CNC, hay các máy hoạt động đơn lẻ khác như máy kiểm tra, máy hàn, máy gia công tia lửa điện EDM (Electrical Discharge Machining) Các cụm sản xuất này được đặt dọc theo các hệ thống truyền tải trung tâm, chẳng hạn như băng tải đai hay băng tải con lăn, nơi phôi và chi tiết di chuyển trên đó Việc sản xuất ra một chi tiết đòi hỏi việc gia công thông qua sự một sự kết hợp khác nhau của các cụm sản xuất Khi phôi đi đến một cụm được yêu cầu, nó sẽ được robot tương ứng của cụm gắp và đưa vào máy CNC Sau khi gia công xong ở cụm này, robot sẽ trả chi tiết bán thành phẩm hay chi tiết thành phẩm này về băng tải Chi tiết này sẽ di chuyển trên băng tải đến một cụm gia công tiếp theo, nơi mà việc gia công chi tiết này lại được tiếp tục Sự hoạt động như vậy ở mỗi cụm sẽ được lặp đi lặp lại cho đến kết thúc quá trình gia công Chi tiết thành phẩm có thể được đưa đến trạm kiểm tra tự động và sau đó được đưa ra khỏi hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS)

1.4.7 Hệ thống sản xuất tổng hợp (CIM – Computer Integrated Manufacturing)

Với sự phát triển của các họ máy NC, CNC, DNC, của các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS, của kỹ thuật người máy và các phần mềm CAD/CAM, các phần mềm điều khiển tự động của máy tính đã dẫn đến sự ra đời của hệ thống sản xuất tổng hợp vào năm 1978 Hệ thống CIM

là hệ thống tổ chức theo cấp bậc Trong khi các máy CNC thay thế sức lực và kỹ năng cho con người thì hệ thống CIM thay thế sự thông minh và trí tuệ của con người Cấu trúc theo cấp bậc của hệ thống CIM được biểu diễn trên hình 1.11

Máy tiện CNC

Máy phay CNC

Máy khoan tọa độ

Trạm pallet

và chứa chi tiết Trung tâm

gia công Bảng điều

khiển

robot

Hình 1.10 Cụm sản xuất linh hoạt

1.5 Một số khái niệm và qui ước cơ bản trong máy NC và CNC

* Như đã trình bày ở trên, máy NC và CNC khác với máy thông

thường ở chỗ chúng được điều khiển thông qua chương trình

được lập sẵn, do vậy cần qui định hệ tọa độ cho các loại máy

điều khiển theo chương trình số

+ Ba trục chuyển động chính được ký hiệu là các trục X, Y, Z

+ Trục Z vuông góc với hai trục còn lại để tạo nên hệ trục tọa

độ vuông góc theo qui tắc bàn tay phải (hình 1.12) Trục Z

thường được qui ước trùng với trục chính của máy Chiều

chuyển động dương theo phương Z sẽ là chiều làm dụng cụ cắt

rời xa khỏi chi tiết gia công (hình 1.13)

Hình 1.12 Qui tắc

bàn tay phải

Hình 1.13 Hệ tọa độ thiết lập cho một số loại máy NC, CNC

a Máy phay, khoan trục đứng b Máy phay trục ngang c Máy tiện

Máy tính giám sát của hệ thống CIM

linh hoạt

Trạm lắp ráp

Robot công nghiệp

Điều khiển Bằng máy

vi tính

Hình 1.11 Hệ thống sản xuất tổng hợp

+ Trục X thường được chọn là trục tạo nên chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy NC, CNC (Vd: đối với các máy phay, khoan NC, CNC) (hình 1.13)

+ Trục Y là trục vuông góc với hai trục còn lại theo nguyên tắc bàn tay phải (hình 1.13)

* Trên máy NC, CNC tồn tại các hệ thống trục tọa độ Các hệ thống này có các trục song song nhưng tâm của các hệ thống tọa độ này có các vị trí khác nhau Dưới đây là một số các hệ thống tọa độ (chuẩn) quan trọng (hình 1.14):

+ M: chuẩn máy – là chuẩn được thiết lập trước bởi nhà sản xuất và không thay đổi được + W: chuẩn chi tiết – dùng làm gốc tọa độ làm việc trong quá trình gia công Chuẩn này có thể thay đổi được

+ P: chuẩn thảo chương – là chuẩn để lập chương trình gia công Chuẩn thảo chương có thể trùng hoặc không trùng với chuẩn chi tiết và có thể thay đổi được

* Máy NC sử dụng phần cứng điện tử dựa trên công nghệ mạch số để điều khiển máy CNC được phát triển sau sử dụng các vi máy tính hoặc vi điều khiển, kết hợp với các mạch phần cứng khác để điều khiển máy

+ Bộ điều khiển dựa trên phần cứng của máy NC sử dụng các xung để điều khiển máy Mỗi xung sẽ tạo nên một lượng chuyển động là một suất đơn vị BLU (basic length unit) (khoảng

di động nhỏ nhất đạt được của mỗi trục máy) trên một trục tương ứng Như vậy, trong hệ thống này, một xung tương ứng với 1 BLU

xung = BLU

+ Đối với máy CNC, vì máy tính xử lý thông tin và lưu trữ dưới dạng từ nhị phân (binary word), sự tăng hay giảm một bit của giá trị từ nhị phân sẽ tạo ra một chuyển động BLU của trục tương ứng

Bit = BLU

* Độ chính xác của máy NC, CNC phụ thuộc vào một thông số rất quan trọng; đó là suất đơn

vị (BLU – basic length unit) BLU là độ phân giải của hệ thống, là lượng dịch chuyển nhỏ nhất mà máy có thể thực hiện được trên mỗi trục

Hình 1.14 Các chuẩn máy M, chuẩn chi tiết W

và chuẩn thảo chương P trên máy tiện

phôi

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG TÍN HIỆU MÃ HIỆU 2.1 Phân loại tín hiệu

 Nếu dựa vào tính liên tục của tín hiệu, tín hiệu có thể phân làm hai loại chính: tín hiệu liên tục và không liên tục:

- Tín hiệu liên tục: là loại tín hiệu được truyền đi từ vị trí này đến vị trí khác liên tục

theo thời gian và là một hàm liên tục của thời gian

- Tín hiệu không liên tục: là loại tín hiệu rời rạc, ngắt quãng

 Nếu căn cứ theo dạng tín hiệu, tín hiệu có thể phân làm hai loại chính: tín hiệu tương tự (Analog) và tín hiệu số (digital):

- Tín hiệu tương tự: trong biểu diễn tương tự, một đại lượng được biểu diễn bởi một đại

lượng khác mà nó tỉ lệ trực tiếp với đại lượng ban đầu Như vậy, tín hiệu tương tự là

một hàm liên tục theo thời gian

- Tín hiệu số: trong biểu diễn số, các đại lượng không được biểu diễn bởi các đại lượng

tỉ lệ trực tiếp mà được biểu diễn bằng các con số Tín hiệu số là tín hiệu rời rạc

2.2 Hệ thống mã hiệu số

2.2.1 Hệ thập phân (decimal system)

Hệ thập phân bao gồm mười chữ số (biểu tượng) từ 0 đến 9 Sử dụng những biểu tượng này làm các chữ số của một số, chúng ta có thể biểu diễn bất kỳ đại lượng nào Hệ thập phân còn được gọi là hệ đếm cơ số 10 bởi vì nó có 10 chữ số

Hệ thập phân là một hệ thống giá trị phụ thuộc vị trí mà trong đó giá trị của một chữ số trong một số phụ thuộc vào vị trí của nó Ví dụ, xét một số hệ thập phân: 234 Chúng ta biết rằng: chữ số 2 thực sự đặc trưng cho 2 trăm, chữ số 3 đặc trưng cho 3 chục, và chữ số 4 đặc trưng cho 4 đơn vị Như vậy chữ số 2 mang giá trị lớn nhất và được gọi là chữ số có ý nghĩa nhất (MSD) Chữ số 4 mang giá trị nhỏ nhất và được gọi là chữ số có ý nghĩa nhỏ nhất (LSD) Đếm hệ 10:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ,

10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19,

20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29…

2.2.2 Hệ nhị phân (binary system)

Thật không may, hệ thập phân không thuận tiện cho việc tính toán trong các hệ thống tính toán số Ví dụ như: sẽ là rất khó để thiết kế một thiết bị điện tử mà có thể làm việc với 10 mức điện thế khác nhau (mỗi mức sẽ đặc trưng cho một chữ số từ 0 đến 9) Mặt khác, sẽ là rất dễ dàng để thiết kế các mạch điện chính xác, đơn giản mà có thể hoạt động được với chỉ hai mức điện thế Vì lý do này, người ta sử dụng hệ đếm nhị phân sử dụng hai chữ số 0 và 1 (hệ đếm

cơ số 2) Cũng như hệ thập phân, hệ nhị phân cũng có thể biểu diễn bất kỳ đại lượng đã cho nào nhưng với một số với nhiều chữ số hơn

2.2.3 Hệ bát phân (octal system)

Hệ bát phân sử dụng tám chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, và 7 và được gọi là hệ đếm cơ số 8 Mỗi chữ số của hệ có thể nhận giá trị bất kỳ từ 0 đến 7

2.2.4 Hệ thập lục phân (hexadecimal system)

Hệ thập lục phân sử dụng 16 ký tự 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F (tương ứng với các chữ số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 trong hệ thập phân) để biểu diễn một đại lượng bất kỳ

Ví dụ:

1FE16 = 1 x (162) + 15 x (161) + 14 x (160)

= 51010

2.3 Chuyển đổi giữa các hệ đếm

2.3.1 chuyển đổi số thập phân sang các hệ khác:

Muốn chuyển đổi một số thập phân sang một hệ có cơ số n bất ký, ta chia số đó cho n và ghi nhớ số dư; lấy thương số vừa thu được lại chia cho n và ghi nhớ số dư; và cứ làm như vậy cho đến khi thương số bằng 0 thì dứng lại Số chuyển đổi cơ số hệ n thu được là một số bao gồm tất cả các chữ số dư với MSD là số dư sau cùng và LSD là số dư đầu tiên

 Chuyển đổi số thập phân sang nhị phân:

Ví dụ: biểu diễn số 810 trong hệ nhị phân:

 Chuyển đổi số thập phân sang bát phân:

Ví dụ: biểu diễn số 6410 trong hệ bát phân:

64 : 8 = 8 dư 0

8 : 8 = 1 dư 0

1 : 8 = 0 dư 1

6410 = 1008

 Chuyển đổi số thập phân sang thập lục phân:

Ví dụ: biểu diễn số 25610 trong hệ thập lục phân:

2.3.2 Chuyển đổi số nhị phân sang bát phân và ngược lại

Một thuận lợi lớn của hệ đếm bát phân là dễ dàng chuyển đổi sang số nhị phân và ngược lại

Để chuyển đổi một số trong hệ bát phân sang hệ nhị phân, mỗi chữ số của số bát phân sẽ được biểu diễn bằng một số nhị phân 3 bit tương đương của hệ nhị phân Và ngược lại, để chuyển đổi số nhị phân sang hệ bát phân, ta lần lượt tách từng cụm 3 bit của số này ; bắt đầu từ bit có

ý nghĩa nhỏ nhất, sau đó biểu diễn từng cụm 3 bit này bằng một chữ số tương ứng trong hệ bát phân

Ví dụ: Biểu diễn số 2738 sang hệ nhị phân

Cách chuyển đổi giữa hệ thập lục phân và nhị phân cũng tương tự như chuyển đổi giữa hệ bát phân và nhị phân Nhưng mỗi chữ số của hệ thập lục phân được biểu diễn bởi một số nhị phân

2.4.1 Hệ mã nhị - thập phân (BCD code: binary-coded-decimal code )

Nếu mỗi chữ số của một số trong hệ thập phân được biểu diễn bởi một số nhị phân 4 bit tương

đương, điều này sẽ tạo ra một mã được gọi là nhị thập phân (BCD)

Ví dụ: biểu diễn số 87410 bằng mã nhị thập phân (BCD)

Mã Gray thuộc về một trong các loại mã được gọi là các mã có sự thay đổi nhỏ nhất, mà trong

đó chỉ có một bit thay đổi trong nhóm mã đó khi nó chuyển từ bước này sang bước tiếp theo

Mã thập phân Mã nhị phân Mã Gray

Mã này cũng dùng 4 bit để biểu diễn một đại lượng Mã này lớn hơn mã nhị phân 3 đơn vị

Để có số bù 9 của một số, ta cũng làm tương tự như với mã Aiken

Mã Aiken

Mã Nadler

Mã Stibitz

CHƯƠNG 3

HỆ THỐNG ĐIỂU KHIỂN MÁY NC VÀ CNC

A MÁY NC

3.1 Phân loại hệ thống điều khiển máy NC:

* Hệ thống điều khiển máy NC được chia làm hai loại chính:

- Máy NC điều khiển theo điểm và theo đoạn

- Máy NC điều khiển theo đường

* Xét về mặt tính chất điều khiển, ta có thể phân loại máy NC thành hai loại:

- Máy NC có hệ thống điều khiển hở

- Máy NC có hệ thống điều khiển vòng kín

Hình 3.1 mô tả cấu trúc cơ bản của một máy NC

* Hệ thống NC điều khiển hở (hình 3.2) sử dụng động cơ bước cho truyền động bàn máy Sử dụng động cơ bước là cách đơn giản nhất để chuyển các xung điện thành lượng di chuyển tỉ lệ

và cung cấp một giải pháp tương đối rẻ tiền cho việc điều khiển máy Vì không có hồi tiếp từ

vị trí trượt, độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào tính năng của động cơ bước được sử dụng

a

Bộ Phận điều khiển

Động cơ bước

Truyền động

cơ khí

Bàn máy

Hình 3.2 Hệ NC điều khiển hở

* Hệ NC điều khiển vòng kín (hình 3.3) sử dụng các động cơ điện servo một chiều Hệ điều khiển này đo lường vị trí và vận tốc thực của động cơ và đem các giá trị đó so sánh với các giá trị mong muốn thông qua đường hồi tiếp Nếu tín hiệu là khác nhau, tín hiệu sai lệch sinh

ra và tiếp tục điều khiển động cơ cho đến khi hai tín hiệu này là bằng nhau

3.1.1 Hệ thống điều khiển theo điểm và đoạn

a Điều khiển theo điểm

Trong quá trình điều khiển điểm, khi có lệnh yêu cầu các bàn máy và các trục của máy đưa phôi hoặc dao đi đến vị trí mong muốn, các tín hiệu từ bộ điều khiển sẽ phát đi để điều khiển riêng rẽ từng bàn máy hay trục để đạt được vị trí mong muốn đó mà không có mối quan hệ, ràng buộc giữa các trục hay bàn máy của máy cần điều khiển Như vậy, trong quá trình điều khiển này, không có sự kiểm tra quĩ đạo đi từ điểm ban đầu cho đến điểm mong muốn Vị trí cần xác định chính xác là vị trí (điểm) yêu cầu mà thôi Đặc điểm của loại máy này là, trong quá trình điều khiển phôi hay dao vào vị trí gia công, dao không làm việc (hình 3.4 b)

Hệ thống điều khiển điểm được ứng dụng trong các máy khoan lỗ, hàn điểm, đột lỗ, đánh dấu định tâm…

Hình 3.4 a thể hiện các quĩ đạo có thể có mà bàn máy x và y thực hiện để mang phôi hoặc dao

từ điểm A(x1,y1) đến điểm B(x2,y2):

Hình 3.4 sơ đồ điều khiển điểm

Bàn máy

Hình 3.3 Hệ NC điều khiển vòng kín

- Trong trường hợp hai bàn máy không chuyển động cùng lúc: quĩ đạo của nó đi từ A đến B

b Điều khiển theo đoạn

Cũng như điều khiển theo điểm, điều khiển theo đoạn cũng không có sự phối hợp giữa các chuyển động khác nhau của máy Sự khác biệt so với điều khiển điểm là khi điều khiển đoạn, dao cắt làm việc Do không có sự phối hợp chuyển động giữa các bàn máy, nên đường gia công chỉ song song với một trong các hướng chuyển động: ví dụ: song song phương chuyển động của bàn máy y hay song song phương chuyển động của bàn máy x (hình 3.5)

Loại điều khiển này dùng cho dùng cho các máy phay rãnh, khoan, tiện trụ có bậc

Hình 3.5 thể hiện các quĩ đạo có thể có mà máy có thể thực hiện tại một thời điểm bắt đầu từ điểm A(x1,y1) là:

- A  B : x1 không đổi

- A  C : y1 không đổi

* Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển điểm và đoạn được thể hiện trên hình 3.6:

Trên sơ đồ này ta thấy số liệu hình dáng và số liệu công nghệ là cơ sở để tạo nên dữ liệu gia công Các dữ liệu này phải được sắp đặt và biểu diễn theo một qui tắc nào đó; đó là công việc lập chương trình Chương trình đã được lập phải được ghi trên băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ… nhờ vào cơ cấu ghi; và ta có chương trình lưu trên các thiết bị lưu trữ Như vậy, từ lưu đồ từ

số liệu hình dáng và công nghệ cho đến chương trình là phần thao tác bên ngoài và không liên

quan đến máy Các khâu kế tiếp của chuỗi điều khiển này thuộc về bên trong máy và được gọi

là phần xử lý dữ liệu bên trong

Chương trình lưu trên thiết bị nhớ được máy “hiểu” nhờ vào cơ cấu đọc và cơ cấu giải mã

Cơ cấu đọc sẽ chuyển những thông tin, dữ liệu trên thiết bị nhớ dưới dạng tín hiệu số cho cơ

Dữ liệu gia công

Cơ cấu khuyêch đại

Động cơ điều khiển

T.bị đo hành trình

Cơ cấu so sánh

Cơ cấu khuyếch đại

Động cơ điều khiển T.bị đo hành trình

Bàn máy trục x

Bàn máy trục y

cấu giải mã Cơ cấu giải mã sẽ chuyển những tất cả các tín hiệu số đó thành tín hiệu điều khiển máy bao gồm hai loại tín hiệu: tín hiệu hành trình và tín hiệu khởi động Tín hiệu khởi động có tác động tắt mở các cơ cấu hoạt động Tín hiệu hành trình được đưa đến cơ cấu so sánh thông qua cơ cấu chuyển đổi Cơ cấu chuyển đổi ở đây có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu hành trình thành một dạng tín hiệu giống với tín hiệu vị trí tức thời của bàn máy mà thiết bị

đo hành trình đưa về cơ cấu so sánh để so sánh trong đó tín hiệu hành trình sẽ là tín hiệu chuẩn được xác định từ chương trình Nếu hai tín hiệu này khác nhau, cơ cấu so sánh sẽ phát tín hiệu sai lệch và thông qua cơ cấu khuyếch đại để tiếp tục điều khiển động cơ truyền động

bàn máy cho đến khi hai tín hiệu này giống nhau, tức là bàn máy đã đạt đến vị trí xác lập từ

chương trình, cơ cấu so sánh ngừng phát tín hiệu sai lệch và bàn máy dừng lại

3.1.2 Hệ thống điều khiển theo đường

Hệ thống điều khiển theo đường là hệ thống điều khiển có sự phối hợp chuyển động giữa các bàn máy hay giữa các trục để tạo nên một chuyển động tương đối giữa phôi và dao theo một đường có hình dáng bất kỳ

 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển đường được thể hiện trên hình 3.8: nói

chung sơ đồ này giống với sơ đồ của hệ thống điều khiển điểm và đoạn Điểm khác biệt ở

chỗ, trong sơ đồ điều khiển đường có sử dụng thêm cơ cấu nội suy Cơ cấu nội suy có chức

năng tìm ra các điểm trung gian cho phép hình thành nên một biên dạng trong dung sai cho phép

Tuỳ thuộc vào vị trí của cơ cấu nội suy ở bên trong, hay bên ngoài phần xử lý dữ liệu mà ta có thể phân hệ thống điều khiển theo đường thành hai loại:

- Hệ thống điều khiển theo đường với cơ cấu nội suy trong (hình 3.8)

- Hệ thống điều khiển theo đường với cơ cấu nội suy ngoài

Dựa vào quĩ đạo gia công, cơ cấu nội suy ngoài dùng máy tính điện tử để tính toán và nội suy sẵn các vị trí trung gian và các thông số liên quan khác và sau đó ghi thẳng vào chương trình

Hình 3.7 Điều khiển theo đường

Số liệu hình dáng Số liệu công nghệ

Dữ liệu gia công

Cơ cấu khuyêch đại

Động cơ điều khiển

T.bị đo hành trình

Cơ cấu so sánh

Cơ cấu khuyếch đại

Động cơ điều khiển T.bị đo hành trình

Bàn máy trục X

Bàn máy trục y

3.2 Các thành phần trong hệ thống điều khiển máy NC

Hình 3.8 sơ đồ cấu trúc điều khiển theo đường

3.2.1 Dữ liệu gia công

a Xác định số liệu hình dáng

- Dựa trên số liệu hình dáng, tức các kích thước chi tiết, ta xác định tọa độ các điểm, đoạn hay các đường quĩ đạo gia công Ví dụ: từ bản vẽ chi tiết (hình 3.9 a), ta biến đổi kích thước của chi tiết theo tọa độ (hình 3.9 b)

- Trên cơ sở những yêu cầu đối với chi tiết gia công và dựa vào các điều khiển đã có của máy, dao cắt và đồ gá, ta thiết kế qui trình công nghệ gia công Trong khi lập qui trình này, ta lập thành bảng các số liệu cần thiết để gia công, tức là lập chương trình điều khiển quá trình gia công dưới dạng các mã hiệu

- Khi xác định số liệu, cần thiết lập hệ thống tọa độ (chuẩn chi tiết, chuẩn thảo chương)

b Xác định số liệu công nghệ

- Số liệu công nghệ là những số liệu bổ sung cần thiết để tạo nên hình dáng của chi tiết gia công, trong đó bao gồm cả những số liệu về tính năng kỹ thuật của máy Trên cơ sở đó, ta có thể xác định các chế độ cắt để gia công chi tiết

- Tất cả những số liệu hình dáng và số liệu công nghệ được tổng hợp lại trong một bảng kê chương trình có số cột và số hàng được qui chuẩn hóa, để tiến hành biến đổi các số liệu thành

Bìa đục lỗ là một dạng thiết bị nhớ mà trên đó nó lưu trữ chương trình gia công Các vị trí có

lỗ tương đương với tín hiệu 1 và các vị trí không có lỗ tương đương với tín hiệu 0 Trên bìa

Hình 3.9 Các dạng ghi kích thước bản vẽ

đục lỗ, ngoài những dữ liệu về tọa độ gia công, còn có cả các thông tin về lượng chạy dao và vận tốc vòng trục chính (Hình 3.10)

b Băng đục lỗ

Băng đục lỗ (hình 3.11) cũng là một dạng thiết bị nhớ tương tự như bìa đục lỗ và được sử dụng rộng rãi trong những thập niên trước đây Băng đục lỗ có thể được chế tạo từ giấy, nhựa, kim loại với kích thước được tiêu chuẩn hoá: ví dụ: băng 5 hàng lỗ có kích thước 17,4mm (châu Âu) và băng 8 hàng lỗ có kích thước 24,5mm (Mỹ)

Chương trình có thể được ghi lên băng nhờ một thiết bị ghi mã hiệu gọi là cơ cấu đột lỗ

Cơ cấu đột lỗ được thể hiện trên hình 3.12 Cơ cấu 1 quay sẽ kéo băng tịnh tiến một lượng bằng khoảng cách của hai hàng lỗ Khi cần đột lỗ, nam châm 3 sẽ hút cần đẩy 4 cho đến khi

nó chạm vào vấu tì 5 của khung 6 và đầu của nó tì vào chốt đột lỗ 7 Cam 8 (có chu kỳ hoạt động trễ hơn cơ cấu 1 một ít) luôn quay và cứ mỗi chu ký nó lại tác động vào đòn bẩy 9 để nâng khung 6 Vì nam châm 3 đang hút cần đẩy 4 để nó tì vào chốt đột lỗ 7, nên đòn bẩy 9 nâng khung 6 thì cũng đồng thời nâng chốt 7 để đột lỗ Ngược lại, nếu nam châm 3 không hút cần đẩy 4 thì mặc dù đòn bẩy 9 nâng khung 6 lên, nhưng cần đẩy 4 không tác dụng lên chốt đột lỗ 7 Băng có bao nhiêu hàng thì sẽ có bấy nhiêu chốt đột lỗ 7

Ưu điểm cơ bản của loại thiết bị nhớ này là rẻ, các tín hiệu dễ kiểm tra, khả năng chứa tín hiệu lớn hơn và kích thước nhỏ hơn bìa đục lỗ

c Băng từ

Băng từ có mật độ chứa tín hiệu cao hơn

nhiều so với bìa và băng đục lỗ Nó

thường được làm bằng nhựa có tráng một

lớp chất nhiễm từ

Cách ghi mã được thực hiện như sau: băng

từ (1) được kéo di động phía trước đầu từ

(2) với một khoảng cách rất nhỏ Dòng

điện xung được dẫn vào cuộn dây của đầu

từ, một từ trường xuất hiện sẽ làm cho

băng bị nhiễm từ Các điểm của băng bị nhiễm từ tương đương với tín hiệu 1 và các điểm không bị nhiễm từ tương đương với tín hiệu 0

Ưu điểm của loại cơ cấu mang chương trình này là dễ dàng tẩy xóa và ghi lại, dung lượng chứa lớn Tuy nhiên nó dễ bị nhiễm bẩn, và môi trường làm việc cũng phải có tính chống bụi cao và khó kiểm tra các sai sót Việc đọc tín hiệu trên băng từ là quá trình ngược lại của quá trình ghi

3.2.3 Cơ cấu dọc

- Cơ cấu đọc là khâu đầu trong phần xử lý dữ liệu bên trong Nhiệm vụ của nó là nhận (đọc)

và chuyển những tín hiệu đã chứa trong cơ cấu mang chương trình đến cơ cấu giải mã

- Cơ cấu đọc của những chương trình bằng điện tử là những đầu từ Cơ cấu đọc của những chương trình băng, bìa đục lỗ có thể phân thành 3 loại: cơ khí, quang điện và khí ép

3.2.3.1 Cơ cấu đọc bằng cơ khí

Ở loại này, các mũi dò (1) luôn trượt trên các hàng lỗ của băng hoặc bìa mang chương trình (2) Ở những vị trí có lỗ, dưới tác dụng của lò xo nén (3), mũi dò (1) sẽ cắm vào lỗ, tiếp điểm (4) được khép kín, mạch điện của rơle (5) được nối liền làm cho nó họat động (Hình 3.14)

Hình 3.13 Nguyên lý ghi

chương trình trên băng từ

Hình 3.14 Cơ cấu đọc bằng cơ khí

3.2.3.2 Cơ cấu đọc bằng quang điện

Cơ cấu đọc bằng quang điện được thể hiện trên hình 3.15 Hình a mô tả cấu tạo tổng quát của

bộ phận này; hình b mô tả nguyên lý đọc

Nhờ trục cuốn băng (1), băng đục lỗ 2 được kéo qua đầu đọc 3 Đầu đọc (3) bao gồm một nguốn sáng (4) phát ánh sáng đi qua khe hở của tấm chắn 5 và các lỗ của băng đục lỗ (2), tác dụng vào các quang trở 6 để tạo thành tín hiệu đưa về cơ cấu giải mã (7) Quang trở nào nằm

ở vị trí lỗ sẽ cho tín hiệu 1, và ở vị trí không có lỗ sẽ cho tín hiệu 0

Cơ cấu đọc quang điện được dùng phổ biến nhất vì nó đọc nhanh, kết cấu đơn giản

3.2.3.3 Cơ cấu đọc bằng khí nén

Băng hoặc bìa đục lỗ 1 di trượt trên đầu vòi phun khí nén 2 Nếu có một lỗ đang nằm ngay trên đầu vòi phun, áp suất ở trong ống phun giảm xuống Lực lò xo 3 sẽ thắng lực khí nén và đẩy tiếp điểm 4 đóng mạch Ngược lại, khi không có lỗ, áp suất trong ống phun cao sẽ thắng lực lò xo 3 và đẩy tiếp điểm 4 ra, làm hở mạch (hình 3.16)

3.2.4 Cơ cấu giải mã phân phối

Cơ cấu giải mã làm công việc ngược với công việc của cơ cấu mã hóa; có nghĩa là nó biến đổi các tín hiệu mã hóa thành các tín hiệu điều khiển tương ứng trong các xích điều khiển Cơ cấu giải mã có cấu tạo phụ thuộc vào cách mã hóa và loại mã sử dụng để mã hóa tín hiệu

Hình 3.15 Cơ cấu đọc bằng quang điện

Hình 3.16 Cơ cấu đọc bằng khí nén

Cấu tạo của cơ cấu giải mã bằng rơle (hình 3.17) bao gồm các quang trở (1) cảm nhận các tín hiệu từ băng đục lỗ để đóng ngắt các rơle (2) Trong trường hợp này sử dụng 4 rơle A, B, C,

D với các tiếp điểm thường mở a, b, c, d và thường đóng a , b , c , d tương ứng của chúng để giải mã ra các số thập phân từ 0 đến 9

3.2.5 Cơ cấu chuyển đổi

Cơ cấu chuyển đổi là một cơ cấu có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu từ dạng này sang dạng khác

Cơ cấu chuyển đổi có hai loại số - tương tự (D/A) hoặc tương tự - số (A/D)

a Cơ cấu chuyển đổi số - tương tự:

Cơ cấu chuyển đổi số tương tự có cấu tạo như hình 3.18: nếu lưới trở có n điện trở thì sẽ có 2n

giá trị có thể của ngõ ra tương tự V0 tương ứng với 2n trạng thái kết hợp khác nhau của các vị trí của các tiếp điểm Ở đây, các đại lượng được mã hóa dưới dạng nhị phân nên, nên để có các giá trị kề nhau của V0 có độ tăng như nhau, các điện trở lưới có giá trị theo qui luật:

Điện trở Giá trị tương ứng

Hình 3.17 Cơ cấu giải mã bằng rơle

Hình 3.18 Cơ cấu chuyển đổi số - tương tự

Bộ mã hóa số

0 0 2 2 1 1

R R

V R

L n R

thể hiện trạng thái của các tiếp điểm

Chúng sẽ nhận một trong hai giá trị 0

và 1: tn-i = 0 khi tiếp điểm n-i nối đất,

và ngược lại tn-i = 1

b Cơ cấu chuyển đổi tương tự - số:

Mạch trên hình 3.19 thể hiện một bộ

chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín

hiệu số sử dụng các IC khuyếch đại

thuật toán (OP AMP) Mạch này là

mạch của bộ chuyển đổi 4 bit, cần tới

16 IC khuyếch đại thuật toán cảm

nhận (SA) có chốt (latches)

Trong suốt thời gian lấy mẫu, một ngõ

ra sẽ tồn tại một và chỉ một ngõ ra của

SA, phụ thuộc vào mức điện thế của

tín hiệu vào này Mười sáu xung liên

tiếp được kích với từng xung lấy mẫu

sẽ tạo ra tất cả các trạng thái kết hợp

có thể của các mức (1) và (0) trong

suốt thời kỳ lấy mẫu T, với mỗi chuỗi xung đang được gán một mức tín hiệu nào đó

3.2.6 Cơ cấu nội suy bằng phần cứng trong máy NC

* Một đòi hỏi chung của tất cả các hệ thống gia công là tạo ra chuyển động phối hợp của các

trục được truyền động riêng lẻ để tạo ra được quĩ đạo dao tương đối với phôi Điều này bao

gồm việc tạo ra các tín hiệu mô tả hình dạng của chi tiết cần chế tạo và truyền chúng như là

tín hiệu xung chuẩn đầu vào tới các vòng điều khiển tương ứng Sự tạo ra những tín hiệu

chuẩn này được thực hiện bởi các bộ nội suy Các hệ thống NC chứa các bộ nội suy bằng

phần cứng mà bao gồm các mạch số, trong khi đó, các hệ thống CNC có bộ nội suy bằng phần

mềm

Hình 3.19 Cơ cấu chuyển đổi

tương tự - số

3.2.6.1 Bộ tích phân DDA (Digital differential analyzers

integrator)

* Nguyên tắc hoạt động: tích phân số về cơ bản được thực

hiện bởi các phép cộng liên tiếp sử dụng các phương pháp

gần đúng hình chữ nhật hoặc hình thang DDA trong các hệ

thống NC sử dụng phương pháp gần đúng hình chữ nhật

Chúng ta giả thiết rằng có một biến p là hàm của thời gian t,

như được minh họa trong hình 3.20 Phép tích phân số được

thực hiện bởi việc tính gần đúng diện tích dưới đường cong

như là tổng của các diện tích chữ nhật nhỏ, mà mỗi hình có

0

Δt p t d t

Giá trị của z tại t = k.t được ký hiệu bởi zk, có thể được viết như sau:

z t p Δt pkΔt

1 - k 1 i

* Như vậy, phép tích phân số được thực hiện theo 3 giai đoạn

+ giai đoạn 1: tung độ pk được tính bằng cách cộng gia lượng p, hay trừ nó đi từ tung độ trước đó pk-1:

p

t

t

bộ DDA bằng cách chứa biến p trong một thanh ghi n-bit, và do đó giới hạn giá trị cho phép của p đến 2n, tức là:

k của p là pk sẽ được cộng thêm vào với giá trị trước đó thứ k-1 của biến q là qk-1:

* Sơ đồ của bộ tích phân DDA được thể hiện trên hình

3.21

Một bộ tích phân DDA bao gồm hai thanh ghi n-bit, p

và q và một bộ cộng nhị phân Trong suốt một bước

lặp, giá trị mới của pk đạt được theo phương trình

[3-5], mà trong đó p hoặc là 0 hoặc 1 Phép tích phân được thực hiện theo phương trình [3-7] với sự hỗ trợ của bộ cộng mà nó cộng giá trị của hai thanh ghi p và q với nhau và ghi kết quả mới vào thanh ghi q Các giá trị tràn của bộ cộng chính là các gia lượng z Về mặt toán học, các gia lượng z này được cho bởi:

Hình 3.21 Sơ đồ bộ tích phân DDA

Hình 3.22 Biểu tượng của bộ

 z

Ngõ ra của DDA là một xung tràn z, mà có thể được nối với ngõ vào p của các bộ tích phân DDA khác để thiết kế ra các bộ phận nội suy mong muốn Tần số ra trung bình f0 của xung tràn z được tính bởi phương trình [3-9]:

3.2.6.2 Các bộ nội suy bằng phần cứng trong máy NC

Trong các hệ thống điều khiển đường, quĩ đạo gia công thường được tạo nên từ sự kết hợp của các đoạn thẳng và cung tròn Chỉ cần xác định tọa độ điểm đầu, điểm cuối của mỗi đoạn

và lượng chạy dao Hoạt động tạo ra hình dạng được yêu cầu dựa trên các thông tin này được gọi là nội suy Bộ phận thực hiện công việc nội suy được gọi là bộ nội suy Bộ nội suy có nhiệm vụ tính toán, kết hợp chuyển động của các trục để tạo nên quĩ đạo gia công Hai bộ nội suy thường thấy nhất trong thực tế là bộ nội suy đường thẳng và bộ nội suy cung tròn

a Bộ nội suy đường thẳng (bộ nội suy tuyến tính)

Khả năng để điều khiển chuyển động dọc theo một đường thẳng giữa các tọa độ đầu và cuối được gọi là nội suy đường thẳng Nội suy đường thẳng có thể được thực hiện trong một mặt

phẳng (2-D), sử dụng một hay hai trục chuyển động, hay trong không gian (3-D), trong đó có chuyển động kết hợp của 3 trục Trong chương này sẽ trình bày bộ nội suy 2-D

Bộ nội suy 2-D cung cấp các lệnh về vận tốc, tình bằng số xung trong một giây đồng thời cho

cả hai trục, và duy trì tỉ số giữa các tần số xung cho cả hai trục bằng với tỉ số giữa khoảng cách gia tăng được yêu cầu

Ví dụ: xét trường hợp trong hình 3.23, quĩ đạo

dao cần đi theo đường A B có phương trình

Với b =3 và a = 5, gia lượng (số BLU trên mỗi

giây) từ điểm A đến B lần lượt theo phương x

là 5 BLU, theo phương y là 3 BLU, trong đó, mỗi BLU tương đương với một xung ra Bộ nội suy phải cung cấp 5 xung cho vòng điều khiển theo trục x , đồng thời cấp 3 xung cho vòng điều khiển theo trục y, nghĩa là, tỉ số giữa hai tần số

này là 5:3 Quĩ đạo thực được thực hiện bởi bộ nội

suy bao gồm các gia lượng tình bằng BLU, và sai

số lớn nhất nhỏ hơn 1 BLU

Một bộ nội suy đường thẳng bao gồm 2 bộ DDA

được thể hiện trên hình 3.24

Mỗi trục cần có một bộ tích phân DDA, bộ DDA

thứ nhất cung cấp các xung cho trục x và bộ DDA

thứ hai cung cấp các xung cho trục y Cả hai bộ hoạt động bởi một đồng hồ cấp xung chung,

và vì thế các hoạt động đồng thời Khoảng cách gia tăng cần thiết của mỗi trục được cấp bởi thanh ghi p trong mỗi DDA tương ứng Các xung tràn từ ngõ ra ∆z được cấp cho các vòng điều khiển như là tín hiệu lệnh điều khiển Những xung này có thể kích hoạt các động cơ bước trong hệ thống hở, trong đó mỗi xung sẽ tạo ra một chuyển động bước, hay được đưa đến các

hệ thống kín như là tín hiệu chuẩn

Giả thiết rằng, một đường thẳng AB cần được gia công, với lượng tăng a và b dọc theo các trục x và y tương ứng Thanh ghi p của bộ DDA 1 được tải với a, và thanh ghi p của bộ DDA

2 được tải với b Theo phương trình [3-9], các ngõ ra tương ứng sẽ là:

batΔ

zΔ

tΔ

zΔ

Các kết quả 10 bước đầu tiên được cho trong bảng dưới đây:

bộ DDA thứ ba để điều khiển tần số của hai bộ DDA đầu tiên

Bộ DDA thứ ba này được xem như bộ DDA điều khiển tốc độ ăn dao, có 2 thanh ghi m bit Thanh ghi của nó được gán giá trị FRN (coded feedrate number – số được mã hóa của lượng chạy dao), được tính như sau:

L

V 10

trong đó V là lượng chạy dao, hay vận tốc tương đối của dao với phôi dọc theo quĩ đạo (số đơn vị chiều dài/phút) Chiều dài của quĩ đạo được tính với cùng đơn vị chiều dài của vận tốc:

2 2

b a

Tần số ra của DDA thứ 3 này được xác định bằng cách thay thế [3-18], vào [3-11], và ta có:

L 2

f V 10 FRN C

trong đó f là tần số xung đồng hồ ngõ vào của DDA thứ ba Ngõ ra của thứ ba được nối vào ngõ vào đồng hồ của bộ DDA thứ nhất và hai tương ứng của trục x và y theo [3-10], hằng số tích phân của những DDA này trở thành:

L 2 2

f V 10 2

C b

t Δ z Δ

Vận tốc của quĩ đạo mong muốn chỉ đạt được nếu tần số xung đồng hồ ngõ vào của DDA thứ

ba được chọn theo giá trị:

600

2 f

b Bộ nội suy cung tròn:

Bộ nội suy cung tròn loại bỏ nhu cầu xác định nhiều

điểm trên một cung tròn Chỉ có các điểm đầu và điểm

cuối và bán kính là cần được khai báo để tạo ra một

hay phương trình trên còn được biểu diễn dưới dạng phương trình tham số:

xrcoswt [3-28]

y  r sin wt [3-29]

Vận tốc tương ứng của các trục là:

sinwt r w dt

dx

coswt r w dt

Do vậy, từ các mối quan hệ trên ta có cấu trúc của bộ nội suy đường tròn DDA như sau:

3.2.6.3 Bộ nội suy hoàn thiện

Một bộ nội suy hoàn thiện đòng vai trò vừa có thể là bộ nội suy đường thẳng và bộ nội suy

cung tròn (hình 3.27) Người lập trình xác định kiểu nội suy thông qua từ khóa G Vận tốc dọc

theo quĩ đạo nội suy (hay lượng chạy dao) được điều khiển bởi DDA 3 Thanh ghi p của DDA

3 được tải vào giá trị FRN (feedrate number) FRN được tính theo công thức sau:

+ đối với nội suy đường thẳng từ điểm A đến điểm B có chiều dài L, với vận tốc dài V

L

V 10

Theo [3-20], tần số ra không đổi của DDA là:

 p p=r.sinwt

R 2

f V 10

3.2.7 Cơ cấu so sánh

Cơ cấu so sánh có nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu, một tín hiệu chuẩn mang giá trị mong muốn,

và tín hiệu còn lại là tín hiệu thực

Vì có hai loại tín hiệu, nên có hai loại cơ cấu so sánh: cơ cấu so sánh tín hiệu tương tự và tín hiệu số

3.2.7.1 Cơ cấu so sánh tương tự

Loại cơ cấu này có ưu điểm là kết cấu đơn giản và giá thành rẻ

Hình 3.28a thể hiện cấu tạo của cơ cấu so sánh dùng chiết áp Cơ cấu này sử dụng hai chiết áp

a và hai con trượt b Con trượt thứ nhất tạo ra điện thế U1 mang giá trị mong muốn và con trượt thứ hai tạo ra điệnt thế U2 mang giá trị thực Khi hai điện thế này khác nhau, sẽ sinh ra điện áp Ur khác 0 Nếu U2 có điện thế bằng với U1, Ur = 0

Tương tự, hình 3.28b thể hiện cơ cấu so sánh bán dẫn Điện áp ra Ur phụ thuộc vào các điện

áp vào U1 và U2 của cơ cấu so sánh này, trong đó, một trong hai điện áp vào sẽ là tín hiệu chuẩn

3.2.7.2 Cơ cấu so sánh tín hiệu số

Hình 3.29 a trình bày cấu tạo của bộ đếm nhị phân với 4 trigơ (trigơ là một phần tử điều khiển

ổn định ổn định một chiều; khi bi tác động bởi một xung điều khiển, nó sẽ chuyển sang một trạng thái ổn định khác – hình 3.29 b) với 4 đầu ra a, b, c, d (theo thứ tự bit lớn dần); các đầu

ra mang giá trị đảo a’, b’, c’của các trigơ này lần lượt được nối vào cổng kích hoạt (cổng vào) của bit mang giá trị lớn hơn Với cấu tạo này, bộ đếm nhị phân 4 trigơ có thể đếm từ 0 đến 15

và sau đó lặp lại giá trị ban đầu Một cơ cấu đếm khác tương đương sử dụng 4 Flip-Flop được

mô tả trên hình 3.30

Hình 3.29 Cơ cấu đếm nhị phân 4 bit dùng 4 trigơ

Hình 3.30 a Cơ cấu đếm nhị phân 4 bit dùng 4 Flip-Flop

Số đếm thập phân

Hình 3.30 b Sự hoạt động của bộ đếm theo thời gian t

Hình 3.30 c Bảng trạng thái của các ngõ ra theo thời gian

Nếu hai bộ đếm nhị phân như trên được dùng với chức năng: một bộ để nhận tín hiệu điều khiển – giá trị yêu cầu và một bộ lưu trữ giá trị đo tức thời được hồi tiếp từ các cơ cấu đo Hai giá trị này được so với nhau Nếu chúng giống nhau sẽ tạo nên tín hiệu trùng hợp – tín hiệu 1

và nếu chúng khác nhau sẽ tạo nên tín hiệu 0 như hình 3.31

3.2.8 Cơ cấu đo hành trình

Công việc đo hành trình có thể phân loại dựa trên 3 cơ sở:

- Phương pháp chuyển đổi dữ liệu: tương tự và số

- Phương pháp đo: tuyệt đối và tương đối

- Vị trí đo: trực tiếp và gián tiếp

Các phương án lắp đặt cơ cấu đo (hình 3.32):

- Bộ cảm biến C đặt ở trục động cơ Bộ cảm biến này sẽ biến đổi lượng quay tương ứng của trục động cơ (tương đương với một lượng di động tương ứng của bàn máy) thành một tín hiệu hồi tiếp với giá trị tương ứng và đưa về bộ so sánh

- Bộ cảm biến C đặt ở đầu vitme Phương án này ưu việt hơn phương án trên ở chỗ nó không chịu sai số truyền động giữa trục động cơ và trục vitme thông qua cặp bánh răng truyền động

- Bộ cảm biến C đặt trên bàn di trượt Khi bàn máy di trượt mang theo thanh răng; thanh răng

sẽ làm cho bánh răng ăn khớp quay và làm cho cảm biến quay để đo lượng di động của bàn máy

- Bộ cảm biến dịch chuyển lắp trên bàn trượt Đây là phương pháp đo trực tiếp lượng di động của bàn máy

Hình 3.31 Mạch logic cơ cấu so sánh tín hiệu số

P.án 1

Hình 3.32 Các phương án lắp cơ cấu đo hành trình

3.2.8.1 Cơ cấu đo hành trình tương tự - tuyệt đối

a Cơ cấu đo hành trình bằng chiết áp di động thẳng:

Máy chiết áp gồm có một điện trở R thẳng với bộ phận trượt tiếp xúc mà có thể trượt từ đầu

này đến đến đầu kia của điện trở như trên hình 3.33 Điện trở R0 tượng trưng cho điện trở của

bộ phận trượt và đo điện thế v0 Khi một nguồn điện có điện thế cố định vR được áp vào hai

đầu của điện trở, con trượt của máy di động trên điện trở R sẽ làm thay đổi giá trị điện áp ra v0

Từ mối quan hệ này, ta có thể xác định được

vị trí của đối tượng cần đo

Cơ cấu này được gắn với máy như hình

3.34, trong đó con trượt sẽ được gắn cố định

0

0

x R x R L L R

L x R v

R R x R L

x L

R L R x

R R x

)(

0

0

) ( ) (

R L R x

R R x R x L L

x L

Sensyn hoạt động theo nguyên tắc máy phát xoay chiều kiểu cảm ứng Nó có hai cuộn dây: một cuộn 3 pha đặt ở stato và một cuộn một pha đặt ở roto Cơ cấu đo hành trình bằng sensyn

sử dụng 2 sensyn, một đóng vai trò như sensyn phát (CX) và một đóng vai trò như sensyn thu (CT) (hình 3.35)

Nếu ta áp một điện thế xoay chiều ein = Em sint vào cuộn dây roto của sensyn phát CX thì điện áp của roto của sensyn thu là:

eout = (Emcos) sint [3-44] trong đó:

Em = biên độ lớn nhất

 = góc lệch giữa hai trục của roto của sensyn phát và thu

 = tần số của điện thế xoay chiều được áp vào roto phát

Hình 3.35 Cơ cấu đo hành trình bằng sensyn

Trong đó  là góc lệch giữa hai trục của hai sensyn

a  = 00

b  = 900

c  = -1800

Dấu và biên độ của số hạng (EOUT=Emcos) được quyết định bởi góc lệch  như được thể hiện trên hình 3.36 Phần đồ thị tuyến tính cho các giá trị góc  từ 200 đến 1600 Biên độ của Eout tỉ

lệ thuận với lượng chuyển vị góc

c Cơ cấu đo hành trình bằng cảm ứng (Resolver)

Resolver có đặc điểm về cấu trúc tổng quát giống như các động cơ AC cỡ nhỏ Chúng bao gồm một roto và một stato, mà cả hai đều có hai cuộn dây vuông góc nhau, như được minh họa trên hình …

Trong các hệ thống NC, resolver được sử dụng như là thiết bị đo lường vị trí, và được gắn vào trục vítme của bàn máy Hai cuộn dây của stato được kích hoạt bởi các tín hiệu hình sin có cùng tần số và biên độ nhưng lệch pha nhau 90o, được biểu diễn bởi phương trình:

: góc lệch giữa roto và stato,

V: biên độ điện thế kích hoạt

Trong ứng dụng đo lường vị trí của các hệ thống NC, người ta chỉ sử dụng tín hiệu điện thế từ một cuộn dây của roto, chẳng hạn tín hiệu vo1(t)

Hình 3.36 Biên độ EOUT thay đổi theo góc lệch giữa hai trục

Khi roto quay đều với vận tốc góc o, điện thế ra của resolver được tính như sau:

vo1 = V sin[( + o)t + o] [3-51] trong đó:  = 2f,

f : là tần số điện thế kích hoạt,

o: là vận tốc góc trung bình của roto,

o: góc tích lũy trong trạng thái quá độ cho đến khi đạt đến trạng thái ổn định

Số hạng (ot + o) trong phương trình trên đặc trưng cho vị trí của bàn máy, và o tỉ lệ với vận tốc của trục bàn máy

3.2.8.2 cơ cấu đo hành trình số

a Cơ cấu đo hành trình số - trực tiếp

Cơ cấu đo hành trình trực tiếp bao gồm một bộ phận đọc được gắn vào bên hông thân máy và

cố định, còn thước vạch chuẩn sẽ được gắn chặt vào bàn máy di động (hình 3.37)

Khi động cơ quay, trục vítme quay

làm cho bàn máy di động mang theo

thước vạch Như vậy lượng di động

của bàn máy sẽ được phản ánh qua

cơ cấu đo một cách trực tiếp Nếu vị

trí của bàn máy được mã hóa cụ thể

trên thước vạch (hình 3.38b), ta có

cơ cấu đo số – trực tiếp – tuyệt đối vì

qua cơ cấu này, ta biết ngay được vị

trí của bàn máy Nếu thước đo chỉ

bao gồm một hàng các vạch, các lỗ (hình 3.38a) thì khi bàn máy di động, cơ cấu đọc sẽ phát

về bộ phận điều khiển một số lượng xung nào đó tương ứng với lượng động vừa thực hiện tính từ vị trí trước đó của bàn máy mà không xác định được ngay vị trí tuyệt đối của bàn máy

so với hệ tọa độ chuẩn

Hình 3.37 Cơ cấu đo hành trình số - trực tiếp

Hình 3.38 Cơ cấu đo sử

dụng thước vạch tương

đối và tuyệt đối

a b