Đại cương về điều khiển theo chương trình số

ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ I _ KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ Ở máy thông thường việc điều khiển chuyển động cũng như thay đổi vận tốc của các bộ phận má

ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO

CHƯƠNG TRÌNH SỐ

I _ KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ

Ở máy thông thường việc điều khiển chuyển động cũng như thay đổi vận tốc của các bộ phận máy điều khiển được thực hiện bằng tay Với cách điều khiển này thời gian phụ thuộc khá lớn, nên không thể nâng cao năng suất lao động.

Để giảm thời gian phụ, cần thiết tiến hành tự động hóa quá trình điều khiển Trong sản xuất hàng khối, hàng loạt lớn, từ lâu người ta dùng phương pháp gia công tự động với việc tự động hóa quá trình điều khiển Đặc điểm của loại máy tự động này là rút ngắn thời gian phụ, nhưng thời gian chuẩn bị sản xuất quá dài (thời gian thiết kế và chế tạo,thời gian điều chỉnh máy …) Nhược điểm này không đáng kể, nếu sản xuất với khối lượng lớn Trái lại với lượng sản xuất nhỏ, mặt hàng thay đổi thường xuyên, loại máy tự động trở nên không kinh tế Do đó cần phải tìm ra phương pháp điều khiển mới, đảm bảo thời gian điều chỉnh máy để gia công từ loại chi tiết này sang chi tiết khác được nhanh Yêu cầu này được thực hiện với việc điều khiển theo chương trình.

Điều khiển theo chương trình là một dạng điều khiển tự động mà tín hiệu điều khiển (tín hiệu ra) được thay đổi theo một qui luật trước Nói cách khác, trên máy điều khiển theo chương trình, thứ tự, giá trị của các chuyển động cũng như thứ tự đóng mở các bộ phận máy, đóng mở hệ thống làm nguội, bôi trơn, thay mũi khoan… Điều được thực hiện đúng theo một chương trình đã vạch sẵn Các cơ cấu mang chương trình này được đặt vào thiết bị điều khiển, và sẽ làm tự động theo chương trình đã cho

Nếu các chương trình trên được ghi lại bằng các dấu tì, bằng hệ thống cam, bằng mẫu ghép hình … Ta gọi hệ thống điều khiển đó là hệ thống điều khiển theo chương trình phi số Nếu các chương trình được biểu thị bằng các chữ số dưới dạng mã hiệu, ta gọi hệ điều khiển theo chương trình số

Như vậy điều khiển theo chương trình số là một quá trình tự động cho phép đưa một cơ cấu di động từ vị trí này đến vị trí khác bằng một lệnh Sự dịch chuyển ấy có thể là lượng di động thẳng (hoặc một góc quay theo các bậc tự do)

Trong nhiều trường hợp, phương pháp điều khiển theo chương trình số được thiết

kế tự động hóa việc di chuyển một cơ cấu từ vị trí này đến vị trí khác, ta gọi là " điều khiển theo điểm" Nhưng ta cũng dễ dàng khi rút ngắn vô hạn khoảng cách giữa các

điểm di động kế tiếp nhau và sẽ đạt đến một quá trình điều khiển quỹ đạo gọi là điều khiển theo đường

Phương pháp điều khiển theo chương trình số có thể dùng để di động bất kỳ một cơ cấu nào được truyền động bằng động cơ Phạm vi sử dụng nó rất rộng, nhưng chủ yếu là tự động hóa máy công cụ

Vì chương trình số có thể tiến hành cách xa máy và máy có hệ thống đo lường riêng, nên hệ thống điều khiển này có thể điều khiển một cách dể dàng và nhanh chóng

Hệ thống điều khiển theo chương trình số còn được gọi tắt là hệ thống NC (Numerical Control) và máy điều khiển theo chương trình số được gọi là máy NC Như thế: Máy NC là loại máy công cụ hoạt động tự động một phần hoặc toàn phần với các lệnh được thể hiện bằng dạng tín hiệu là các chữ số được ghi trên băng từ, đĩa từ hoặc phim…

Bước phát triển cao của máy điều khiển theo chương trình số là sự ra đời của trung tâm gia công CNC Vậy trung tâm gia công là một loại máy điều khiển theo chương trình số có cơ cấu tự động để thực hiện nhiều loại nguyên công khác nhau sau một lần kẹp chi tiết, với sự trợ giúp của máy tính điện tử

CNC có thể phân thành 2 loại: Loại dùng để gia công có dạng thân hộp tấm, loại gia công chi tiết tròn xoay

II _ ĐẶC ĐIỂM CỦA CNC

- Tập trung nguyên công cao độ

- Có cơ cấu cấp dao tự động với dung lượng lớn

- Phần lớn CNC thường có bàn máy phụ và đồ gá

- Đạt được độ chính xác cao ở nguyên công tinh

- Các CNC thường dùng hệ thống điều khiển theo đường

III _ HỆ TOẠ ĐỘ MÁY

Các điểm mà trong khi gia công được xác định trong một chương trình để mô tả

vị trí của các điểm náy trong vùng làm việc, ta dùng hệ tọa độ Nó bao gồm ba trục vuông góc với nhau cũng cắt nhau tại điểm gốc 0

Với hệ toạ độ ba trục, bất kỳ điểm nào cũng được xác định thông qua các tọa độ của nó Hệ tọa độ máy do nhà chế tạo xác định, thông thường nó không thể thay đổi

Hình 1-1 : Hệ tọa độ vuông góc trên máy

- Trục X là trục chính trong mặt phẳng định vị Trên máy khoan nằm song song với bàn máy ( bàn kẹp chi tiết)

- Trục Y là trục thứ 2 trong mặt phẳng định vị Trên máy khoan nó nằm trên mặt máy và vuông góc với bàn máy

- Trục Z luôn luôn trùng với trục truyền động chính Trục này được nhà chế tạo xác định Chiều dương của trục Z chạy từ chi tiết hướng đến mũi khoan Điều đó có nghĩa là trong chuyển động theo chiều âm của trục Z, mũi khoan sẽ đi tới bề mặt chi tiết

Để xác định nhanh chiều của các trục, dùng luật bàn tay phải(Hình 1-1):

Ta đặt ngón giữa bàn tay phải theo chiều của trục Z thì ngón tay cái sẽ trỏ về chiều của trục x và ngón tay trỏ sẽ chỉ theo chiều của trục Y

Hệ toạ độ cơ bản được gắn liền với chi tiết

Hình 1-2: Xác định nhanh chiều trục tọa độ

Bởi vậy khi lập trình ta phải luôn luôn xuất phát từ chổ xác định chi tiết đứng yên còn mũi khoan thì chuyển động Điều đó có nghiã là:

Khi khoan rõ ràng chi tiết chuyển động là chính, nhưng để đơn giản hơn cho việc lập trình hãy quan niệm là chi tiết đứng yên còn mũi khoan thì dịch chuyển Ta gọi đó là chuyển động tương đối của mũi khoan

Để mô tả đường dịch chuyển của mũi khoan (dữ liệu tọa độ) trên một số máy CNC có cả hai khả năng

a) Dùng toạ độ Đề_Cac :

Khi dùng dữ liệu toạ độ Đề Các, ta đưa ra khoảng cách đo song song với trục từ một điểm tới một điểm khác

Các khoảng cách theo chiều dương của trục có kèm theo dấu dương (+) phía trước Các khoảng cách theo chiều âm của trục có kèm theo dấu âm (-) phía trước

 Các số đo có thể đưa ra theo hai phương thức:

 Đo tuyệt đối :

Với các số đo tuyệt đối, ta đưa ra tọa độ các điểm đích tính từ một điểm cố định trong vùng làm việc Nghĩa là trong mỗi chuyển động đều xác định mũi khoan phải dịch chuyển đến đâu kể từ một điểm gốc 0 tuyệt đối

 Đo theo chuổi kích thước :

Với các số đo theo chuỗi kích thước, ta đưa ra tọa độ các điểm đích tính từ các điểm dừng lại của mũi khoan sau một lổ khoan được khoan Nghĩa là trong mỗi chuyển động đều đưa ra số liệu của mũi khoan cần được dịch chuyển tiếp một lượng là bao nhiêu nữa theo từng trục toạ độ.

b) Dùng tọa độ cực :

Khi sử dụng các dữ liệu trong hệ tọa độ cực, ta đưa ra vị trí của một điểm thông qua khoảng cách và góc so với một trục cơ sở

Các tọa độ cực chỉ có thể đo trên một mặt phẳng chính Trong phạm vi của một hệ tọa độ cực có 3 mặt phẳng chính Từ 3 trục x, y và z của hệ thống sẽ có 3 mặt kẹp, đó là: Mặt x/y, mặt x/z, mặt y/z

 Những điểm quan trọng trong một hệ tọa độ cực

 Điểm chuẩn : Là điểm gốc 0 của hệ tọa độ máy

 Điểm 0 chi tiết : Là điểm gốc 0 của hệ tọa độ chi tiết, nó được giữ cố định cho một chi tiết

 Điểm 0 lập trình : Là điểm gốc 0 từ đó xác định các dữ liệu cập nhật trong một chương trình Điểm này có thể thay đổi thông qua lệch dịch chuyển điểm 0

IV _ CÁC DẠNG ĐIỀU KHIỂN

Phù hợp với yêu cầu đa dạng trong thực tế, người ta phân biệt hệ điều khiển theo ba mức điều khiển khác nhau :

- Điều khiển theo điểm

- Điều khiển theo đoạn

- Điều khiển theo đường

1 Điều khiển theo điểm :

Là hệ thống điều khiển không có mối

quan hệ hàm số (vô hàm) giữa các chuyển

động dọc theo trục tọa độ Nhiệm vụ chủ

yếu của hệ thống điều khiển là định vị

chính xác mũi khoan hoặc chi tiết vào ví trí

yêu cầu Hệ thống này không kiểm tra theo

qũi đạo, vận tốc, mà kiểm tra theo vị trí

định vị

Điển hình nhất của hệ thống này là điều khiển để khoan lỗ tức là cần điều khiển chuyển động tương đối giữa dao và phôi đến từng điểm xác định Chẳng hạn từ điểm A(X1,Y1), B(X2,Y2) Đặc điểm của loại điều khiển này là trong quá trình điều khiển mũi khoan không làm việc Quá trình gia công chỉ được tiến hành theo bất cứ tọa độ nào: Có thể trước tiên theo tọa độ X, sau đó theo Y hoặc ngược lại, hoặc đồng thời thực hiện cùng một lúc trên hai trục với vận tốc lớn nhất

2 Điều khiểu theo đoạn :

Cũng giống như hệ thống điều khiển

theo điểm, tức là không có quan hệ

hàm số giữa các chuyển động theo tọa

độ Điểm khác là khi định vị, mũi

khoan làm việc nên không thể định vị

theo một đường bất kỳ, mà thông

thường phải theo hướng song song với

một trục tọa độ

Y

Hình 1-3: Sơ đồ điều khiển theo điểm

y2 y1

X

A

B

Hình 1-4: Sơ đồ điều khiển theo đoạn

X

Y y2 y1

 Thí dụ :

Khi khoan cạnh song song với trục tọa độ được xác định bởi các điểm (X1,Y1) và (X2,Y2) thì phải di động bàn máy (hoặc mũi khoan) theo tọa độ Y Trong lúc đó bàn trượt theo hướng X phải đứng yên Chỉ sau khi khoan xong các điểm song song với trục Y rồi mới tiến hành định vị các điểm song song với trục X

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển theo điểm và theo đoạn không khác nhau Do đó, ta có thể thực hiện hệ thống này theo sơ đồ sau

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển theo điểm và đoạn khởi đầu bằng các số liệu về hình dáng và số liệu công nghệ chi tiết gia công Hai số liệu ấy tạo thành dữ liệu gia công Thông qua quá trình lập trình, nhờ cơ cấu ghi mã hiệu, các dữ liệu gia công được biến thành các mã hiệu ghi vào chương trình Chương trình này bao gồm tất cả mọi tín hiệu cần thiết cho việc điều khiển các cơ cấu của máy

Những khâu kể trên có thể thực hiện ở bất cứ nơi nào, tách xa khởi máy, nên gọi là phần xử lý dữ liệu bên ngoài Dữ liệu gia công cũng có thể đưa trực tiếp vào bảng điều khiển số đặt trên máy (như máy NC đơn giản) hoặc truy nhập trực tiếp vào máy tính trung tâm như

ở hệ thống CNC Các khâu kế tiếp của xích điều khiển điều đặt bên trong máy, nên gọi là phần xử lý dữ liệu bên trong

Khâu đầu tiên của phần xử lý dữ liệu bên trong là cơ cấu đọc Vì chương trình ghi các dữ liệu gia công dưới dạng mã hiệu, nên phải qua cơ cấu giải mã để biến mã hiệu thành những tín hiệu điều khiển: Tín hiệu hành trình và tín hiệu khởi động

Tín hiệu khởi động có nhiệm vụ đóng ngắt các cơ cấu tác động, nên ta không đề cập đến trong sơ đồ cấu trúc Còn tín hiệu hành trình là những trị số đã được xác định để định vị bàn máy theo tọa độ X-Y Tín hiệu hành trình cần đưa qua cơ cấu chuyển đổi, nhằm tạo nên những tín hiệu giống nhau để đưa vào cơ cấu so sánh

Cơ cấu so sánh có hai tín hiệu vào: một tín hiệu là những trị số xác định từ chương trình đưa đến gọi là giá trị cần, một tín hiệu là những trị số thực tế từ thiết bị đo hành trình của bàn máy đưa đến gọi là giá trị thực Qua cơ cấu so sánh, nếu hai gía trị chênh lệch nhau, sẽ tạo nên một tín hiệu sai lệch Qua cơ cấu khuếch đại, tín hiệu sai lệch làm khởi động động

cơ (động cơ quay bàn máy) để bù sai số Khi đạt đến vị trí đã định, giá trị cần và giá trị thực bằng nhau, tín hiệu sai lệch sẽ bằng không, cơ cấu khởi động dừng

SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO ĐIỂM VÀ ĐOẠN

Số liệu hình

Dữ liệu gia công Lập chương trình

Hệ thống điều khiển vừa mô tả trên là hệ thống kín Để tạo nên hệ thống kín thông thường rất tốn kém Vì thế, người ta đang cố gắng để tạo nên một hệ thống điều khiển đơn giản hơn

Thí dụ như hệ thống dùng cơ cấu ngắt Ở đây, các tín hiệu khởi động điều khiển trực tiếp các động cơ điều khiển, chứ không phải tìm hiệu số sai lệch của cơ cấu so sánh sau khi

Chương trình

Xử lý dữ

liệu

Bên ngoài

Bên trong Cơ cấu đọc

Cơ cấu giãi mã Tín hiệu hành trình

Cơ cấu chuyển đổi

Tín hiệu khởi động

Cơ cấu so sánh

Cơ cấu khuếch đại

Động cơ điều khiển

Thiết

bị đo hành trình

Thiết

bị đo hành trình

Bàn máy Bàn máy

Y

X

C ơ

Cơ cấu khuếch đại

Động cơ điều khiển

Nhưng khi có sai lệch nó sẽ tác động động cơ ngắt, làm dừng động cơ điều khiển.