Tổng hợp các kiến thức về CAD-CAM - Chương 7

Thiết kế và chế tạo có sự tham gia của máy vi tính (CAD/CAM hay CAO/FAO) thường được trình bày gắn liền với nhau. Thật vậy, hai lĩnh vực ứng dụng tin học trong ngành cơ khí chế tạo này có nhiều đi

CHƯƠNG 7

ĐIỀU KHIỂN SỐ

VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG ĐIỀU KHIỂN SỐ

7.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ

7.1.1 Khái niệm điều khiển số (NC)

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

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

- Tín hiệu xung điện: điều khiển tốc độ các động cơ truyền động tạo nên

chuyển động tương đối giữa dao cắt và chi tiết gia công

- Tín hiệu đóng / ngắt (ON/OFF): thực hiện chức năng chuyển mạch, đổi

chiều quay trục chính; điều khiển các thiết bị phụ trợ như bôi trơn làm nguội, chọn và thay dao; và các chức năng khác như dừng máy, kẹp phôi, nhả phôi,

Theo phương thức truyền thông dữ liệu điều khiển, ta phân biệt 3 phương thức điều khiển số:

1 Điều khiển số trực tiếp (Direct Numerical Control - DNC)

Điều khiển trực tiếp máy công cụ điều khiển số (máy NC) từ bên ngoài bởi máy tính thực hiện chức năng lập trình, truyền chương trình, điều khiển quá trình gia công Đây là những hệ điều khiển dạng mạch cố định (hard-wirred), trong đó tất

cả các chức năng như nội suy, đọc băng, đọc chỉ thị, định vị được thực hiện bởi các mạch điện tử

Hình 7.1- Điều khiển số trực tiếp

2 Điều khiển số bằng máy tính (Computer Numerical Control - CNC)

Nhờ ứng dụng các thành tựu của công nghệ vi điện tử, vi xử lý trong thiết lập trực tiếp máy tính trên hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) để điều khiển máy NC ngày nay hình thành nên phương thức điều khiển và thế hệ máy điều khiển số bằng máy tính (máy CNC)

Do đó, CNC là hệ thống NC sử dụng máy tính thiết lập trực tiếp trên hệ điều

khiển máy và được điều khiển bởi các chỉ thị lưu trữ trên bộ nhớ máy tính để thực hiện một phần hoặc toàn bộ các chức năng điều khiển số

Các hệ điều khiển CNC có khả năng thực hiện các chức năng điều khiển bởi phần mềm (soft-wired), do đó làm đơn giản mạch điều khiển CNC, giảm giá thành, tăng độ tin cậy đồng thời có khả năng điều khiển linh hoạt và thông minh, có khả năng hiệu chỉnh nhanh chóng và tiện ích, có khả năng lưu trữ dữ liệu gia công ngay trên máy

3 Điều khiển số phân phối (Distributive Numerical Control)

Nhờ khả năng thực hiện và lưu trữ đồng thời nhiều chương trính trên bộ nhớ cho phép vận hành máy CNC không phụ thuộc vào máy tính chủ nên có thể giải phóng máy tính chủ để thực hiện nhiệm vụ khác của hệ thống

Với sự phát triển của khoa học máy tính, kỹ thuật điều khiển logic khả lập trình (Programmable Logic Control - PLC), kỹ thuật truyền thông, phương thức điều khiển

số phân phối ra đời trong đó mạng máy tính được sử dụng để phối hợp hoạt động của nhiều máy CNC

Ngoài chức năng truyền chương trình tới các máy CNC, phương thức này còn

có khả năng giám sát và điều khiểntoàn bộ hệ thống, như hiển thị thông tin về trạng thái làm việc của hệ thống, xuất thông tin hay chỉ thị điều khiển, điều hành,

Hình 7.2- Điều khiển số phân phối

7.1.2 Điều khiển số bằng máy tính (CNC)

1 Cấu trúc hệ thống CNC

Hệ thống CNC bao gồm 6 thành phần chính:

- Chương trình gia công (Part program)

- Thiết bị đọc chương trình (Program input device)

- Hệ điều khiển máy (MCU)

- Hệ thống truyền động (Drive system)

- Máy công cụ (Machine tool)

- Hệ thống phản hồi (Feedback system)

Chương trình gia công bao gồm các chỉ thị được mã hoá để điều khiển quá trình gia công chi tiết, hệ điều khiển chuyển đổi các chỉ thị này thành tín hiệu điện kích hoạt các chức năng hoạt động của máy

Hệ điều khiển máy thực hiện chức năng đọc và biên dịch mã lệnh và sau đó xuất các tín hiệu điện tương ứng truyền tới bộ khuếch đại servo để điều hành có cấu servo (động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực) của hệ thống truyền động Thiết bị phản hồi như các cảm biến vị trí, chiều, tốc độ dịch chuyển và phản hồi các tín hiệu này về

hệ điều khiển máy Hệ điều khiển máy so sánh các tín hiệu này với tín hiệu tham chiếu cho trước bởi các mã lệnh điều khiển và xuất các tín hiệu điều chỉnh (sai lệch) tới bộ khuếch đại servo cho tới khi đạt đại lượng yêu cầu

Hệ MCU gồm hai phần: hệ xử lý dữ liệu (Data Processing Unit - DPU) và mạch điều khiển (Control Loop Unit - CLU)

• DPU thực hiện các chức năng:

- Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập

- Xử lý mã lệnh hay giải mã

- Truyền dữ liệu vị trí, tốc độ và các chức năng phụ trợ tới CLU

Hình 7.3- Cấu trúc hệ thống CNC

• CLU thực hiện các chức năng:

- Nội suy chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận từ DPU và xuất các tín hiệu điều khiển

- Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuếch đại của hệ truyền động

- Nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ

- Điều khiển các thiết bị phụ trợ

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

2 Khả năng của CNC

CNC có nhiều chức năng xử lý và điều khiển linh hoạt hơn NC:

a Hiển thị chương trình và mô phỏng bằng đồ hoạ quá trình gia công

b Nhập dữ liệu

c Lưu trữ chương trình: ROM lưu trữ chương trình hệ thống, RAM lưu trữ chương trình gia công

d Biên tập chương trình

e Kiểm tra chương trình: nhờ chức năng mô phỏng

f Chẩn đoán lỗi

g Tiện ích giao tiếp

h Quản lý dữ liệu

i Hệ toạ độ và hệ đơn vị

j Định dạng mã điều khiển: EIA và ASCII

k Khả năng tính toán

l Bù trừ đường kính và chiều dài dao

m Nội suy hình học

n Chức năng lập trình: thực hiện được các phép biến đổi toạ độ

o Khả năng hậu xử lý

3 Ưu điểm của CNC

Ngày nay công nghệ CNC đã tạo nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật chế tạo nhờ các ưu điểm chính sau đây:

a Nâng cao năng suất

b Độ chính xác và độ chính xác lặp lại cao

c Hạ giá thành sản xuất

d Giảm giá thành điều hành gián tiếp

7.2 CHUYỂN ĐỘNG NỘI SUY

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

7.2.1 Phương thức di chuyển dụng cụ

Có 2 phương thức di chuyển dao trong điều khiển số:

- Di chuyển điểm tới điểm (Point-To-Point - PTP)

- Di chuyển theo biên dạng (Contour)

1 Di chuyển theo PTP:

Theo phương thức di chuyển PTP

dao di chuyển theo các hành trình thẳng

đến vị trí yêu cầu, thường dùng dể di

chuyển nhanh hay định vị Có 3 chế độ di

chuyển:

* Di chuyển hướng trục (Axial path)

* Di chuyển theo phương xiên 450

* Di chuyển trực tiếp

2 Di chuyển theo Contour

Theo phương thức này, dao di

chuyển theo biên dạng yêu cầu để thực

hiện qui trình công nghệ gia công Về

hình học, biên dạng bao gồm chuỗi các

đường thẳng, đường cong, cung tròn, êlip,

parabol, hypebôn, đường cong bậc ba và

các đường cong bậc cao

Để đơn giản việc tính toán các điểm

trên quĩ đạo di chuyển dao, các đường

cong bậc cao được tuyến tính hoá, tức là

các đường cong bậc cao được xấp xỉ bởi

chuỗi đoạn thẳng Với giả thiết này, quĩ

đạo di chuyển dao tổng quát được xấp xỉ

bởi chuỗi phần tử hình học cơ bản thuộc

3 nhóm:

* Đường cong bậc nhất (đoạn thẳng)

* Đường cong bậc hai (cung tròn,

êlip, paraboon, hyperboon)

* Đường cong bậc ba

Trong điều khiển số, các di chuyển

cơ bản này được gọi là chuyển động nội

suy (interpolated motion)

Di chuyển theo biên dạng đòi hỏi hệ

điều khiển phải có khả năng điều khiển

phối hợp các động cơ truyền động, như

vậy mỗi trục truyền động yêu cầu có

mạch điều khiển định vị và mạch điều

khiển tốc độ riêng biệt

Hình 7.4- Các chế độ dịch chuyển trong chuyển động PTP

Hình 7.5 - Điều khiển 2,5 trục

Hình 7.7 - Điều khiển 5 trục Hình 7.6 - Điều khiển 3 trục

4.2.2 Nội suy chuyển động

Điều khiển số sử dụng 5 chế độ nội suy chuyển động: nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, nội suy đường xoắn, nội suy parabol và nội suy bậc 3 Từ dữ liệu hình học quĩ đạo di chuyển dao và chế độ nội suy yêu cầu, bộ nội suy tính toạ độ các điểm trung gian trên quĩ đạo chuyển động

Bộ nội suy (là thiết bị điện tử đối với hệ NC hoặc phần mềm đối với hệ CNC), ngoài chức năng nội suy hình học còn có chức năng tính toán tốc độ của các trục tương ứng để thực hiện chuyển động theo quĩ đạo và tốc độ di chuyển yêu cầu

1 Nội suy đường thẳng

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

vì điểm cuối của đoạn trước là điểm đầu của đoạn tiếp theo

Nội suy đường thẳng theo 2 và 3 trục là phương pháp thông dụng nhất Có thể nội suy đường thẳng phối hợp đồng thời tối đa 5 trục (3 chuyển động thẳng, 2 chuyển động quay) để 5thực hiện quĩ đạo chuyển động bất kỳ Nội suy đường thẳng yêu cầu 3 thông số: toạ độ điểm đầu, toạ ssộ điểm cuối và tốc độ di chuyển trên mỗi trục Với điều khiển 2 trục, bộ nội suy tính tần số xung điều khiển tốc độ trục x và y sao cho tỷ

lệ tốc độ trên trục x vày bằng tỷ lệ gia lượng dịch chuyển tương ứng (dx/dy)

Thí dụ, để điều khiển chuyển động di chuyển theo đường thẳng từ S đến E, gia lượng dịch chuyển theo phương x và y là 8 và 4 đơn vị chiều dài; như vậy bộ nội suy phải xuất đồng thời 8 xung cho mạch điều khiển tốc độ trục x và 4 xung cho mạch điều khiển tốc độ trục y hoặc theo tỷ lệ 2:1 Tương tự, với điều khiển 3 trục, bộ nội suy tính gia lượng di chuyển dx, dy và dz theo các trục tương ứng Gia lượng dịch chuyển được

sử dụng như dữ liệu vào cho các mạch điều khiển định vị và tỷ lệ của chúng được sử dụng để điều khiển tốc độ

Trên hình 10.9 ở mạch điều khiển vị trí:

dx = 4-1 = 3 ; dy = 4-2 = 2 ; dz = 9-3 = 6

và trên mạch điều khiển tốc độ: Vx : Vy : Vz = dx : dy : dz = 3 : 2 : 6

Hình 7.8- Nội suy đường thẳng

điều khiển 2 trục

Hình 7.9- Nội suy đường thẳng điều khiển 3 trục

2 Nội suy cung tròn

Nội suy cung tròn điều khiển chuyển động theo quĩ đạo cung tròn bởi một câu lệnh (block) đon giản, thay thế cho hàng ngàn câu lệnh nội suy đường thẳng Khả năng nội suy cung tròn của một số hệ điều khiển giới hạn bởi cung 900, như vậy để lập trình đường tròn cần 5 câu lệnh Phần lớn các hệ điều khiển theo chuẩn công nghiệp đều có khả năng điều khiển theo quĩ đạo đường tròn bởi 1 câu lệnh

Đối với vòng tròn có tâm ở gốc O và bán kính R trong mặt phẳng (x,y), ta có:

x = Rcosθ ; y = Rsinθ với θ = ωt Thành phần vận tốc:

Vx = dx/dt = -Rωsin(ωt) = -Vsin(ωt)

Vy = dy/dt = Rωcos(ωt) = Vcos(ωt)

V = Rω là tốc độ dài ứng với lượng chạy dao theo cung tròn

3 Nội suy đường xoắn

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

4 Nội suy Parabôn

Nội suy parabol sử dụng 3 điểm không thẳng hàng để xấp xỉ các đường cong tự

do Phương pháp nội suy này cho phép điều khiển chuyển động theo quĩ đạo đường cong phẳng hoặc đường cong 3 D Sử dụng nội suy parabol để xấp xỉ các đoạn đường

Về lý thuyết, sử dụng nội

suy đường thẳng có thể lập trình

quĩ đạo chuyển động cong bất kỳ

nhưng lượng dữ liệu cần xử lý

rất lớn So với nội suy đường

thẳng, nội suy cung tròn,

parabôn, đường xoắn hoặc

đường cong bậc ba làm giảm

đáng kể lượng dữ liệu cần lập

trình cho cùng quĩ đạo chuyển

động

Hình 4.10-13 minh hoạ một

số thí dụ ứng dụng nội suy

đường thẳng

Phần lớn các hệ CAD/CAM

đều sử dụng phương pháp nội

suy đường thẳng cho các mặt

cong phức tạp

Hình 7.10- Nội suy đường thẳng cho đoạn thẳng

Hình 7.12- Xấp xỉ đường cong bởi nội suy đường thẳng Hình 7.11- Xấp xỉ đường tròn bằng đa giác

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

5 Nội suy bậc 3

Phương pháp nội suy này không chỉ có khả năng xấp xỉ đường cong mà còn có khả năng kết nối trơn láng các đường cong kế cận Chương trình nội suy bậc 3 rất phức tạp, đòi hỏi khả năng xử lý cũng như yêu cầu về dung lượng bộ nhớ cao hơn các

Hình 7.13- Xấp xỉ mặt cong bởi nội suy đường thẳng

Hình 7.14 Hình 7.15

Hình 7.16- Nội suy Parabol Hình 7.17- Xấp xỉ đường cong bậc cao

bởi cung Parabol

phương pháp nội suy khác Với công nghệ máy tính hiện đại có khả năng tính toán và

xử lý dữ liệu mạnh và giá thành không cao, sử dụng nội suy bậc 3 hoàn toàn không có trở ngại

7.3 CƠ SỞ LẬP TRÌNH NC

7.3.1 Chương trình NC

Chương trình NC bao gồm chuỗi chỉ thị di chuyển dao, chỉ thị đóng ngắt và phụ trợ cần thiết để điều khiển máy tự động thực hiện công việc gia công Công việc xác lập tiến trình di chuyển dao cùng các chỉ thị lập trình cụ thể và lưu trữ các thông tin này trên thiết bị mang tin dưới dạng mã lệnh phục vụ cho quá trình đọc dữ liệu tự động bởi hệ điều khiển, được gọi là lập trình NC

Có nhiều định dạng chương trình NC, phổ biến nhất là định dạng địa chỉ lệnh Định dạng này bao gồm các mã lệnh được truyền đến hệ thống servo, các rơle, công tắc, để thực hiện các di chuyển và tác vụ cần thiết cho việc gia công Theo hệ tiêu chuẩn qui định, các mã lệnh này được liên kết theo trình tự logic để tạo thành khối thông tin Mỗi khối thông tin bao gồm các thông tin vừa đủ để thực hiện một bước gia công

Hệ tiêu chuẩn EIA sử dụng các ký tự chữ cái alphabet, các ký tự số, ký tự đặc biệt khác để biểu diễn chương trình, trong đó ký tự chữ cái được sử dụng để phân biệt các lệnh trong khối lệnh Chiều dài khối lệnh và lệnh phụ thuộc vào thiết kế của hệ điều khiển

G 01 Nội suy đường thẳng

X 126.5

Y 0.5

Đồng thời theo trục X và Y tới vị trí (126.5, 0.5)

F 180 Tốc độ chạy dao 180 mm/ph

S 1200 Tốc độ trục chính 1200rpm

T 12

M 06

Thay dao số 12 vàoổtục chính

Hình 7.18- Cấu trúc chương trình

Khối

# 1

Khối

# 2

Khối

# 126

Đầu chương

trình Khối # 127 Kết thúc chương trình

Lệnh

# 2

Số khối Lệnh

# 1 Kết thúc khối lệnh

Số cài đặt

Tên chương trình

Ngày

Máy

Địa chỉ Giá trị N2 G01 X126.5

Hình 7.18 minh hoạ cấu trúc chương trình NC theo định dạng địa chỉ lệnh Chương trình bao gồm chuỗi khối lệnh mô tả tiến trình hoạt động của máy Mỗi khối lệnh tương ứng với một thủ tục di chuyển dụng cụ hoặc một tác vụ hoạt động của máy Các khối lệnh được đánh số tuần tự và phân cách bởi mã kết thúc khối lệnh, thí dụ hệ điều khiển Fanuc sử dụng mã kết thúc là (;)

1 Địa chỉ lệnh

Chữ cái alphabet đầu lệnh chỉ vị trí lưu trữ dữ liệu, số theo sau được gọi là địa chỉ lệnh Bảng 7.1 : giới thiệu các địa chỉ thông dụng và ý nghĩa của chúng

Bảng 7.1: Các lệnh cơ bản và địa chỉ tương ứng

Số hiệu chương trình O Số hiệu chương trình

Số thứ tự khối lệnh N Số thứ tự khối lệnh

X, Y, Z Trục chuyển động tịnh tiến chính

U, V, W Trục chuyển động tịnh tiến phụ

A, B, C Trục quay chính

I, J, K Toạ độ tâm cung tròn Kích thước

R Bán kính cung tròn Tốc độ chạy dao F Tốc độ chỵa dao FPM (FPR)

Tốc độ trục chính S Tốc độ quay trục chính

M Lệnh đóng/ngắt (ON/OFF) Lệnh phụ

B Điều khiển bàn xoay

Số hiệu thanh ghi dịch chỉnh D, H Số hiệu thanh ghi dịch chỉnh

Dừng tạm thời P, X Thời gian dừng tạm thời

Lệnh gọi chương trình P Số hiệu chương trình con;

Số lần lặp lại chương trình con

2 Lệnh

Lệnh là chuỗi ký tự chữ, số chỉ thị một đại lượng điều khiển nhất định, ví dụ:

N10 số thứ tự khối lệnh

G01 nội suy đường thẳng

X2.0 toạ độ phương X

Z10 toạ độ phương Z

F300 tốc độ chạy dao

S5000 tốc độ trục chính

T07 số hiệu dao

M09 ngắt thiết bị cung cấp chất làm nguội

3 Khối lệnh

Khối lệnh là chuỗi lệnh đầy đủ để thực hiện một thủ tục di chuyển hoặc một tác

vụ hoạt động của máy và được coi là đơn vị cơ bản của chương trình Mỗi khối lệnh