Báo cáo nhóm môn thiết kế máy theo nguyên tắc modun hóa chủ đề 2 đo lường trong máy CNC

I. Các phương pháp đo • I.1. Đo trực tiếp • I.2. Đo gián tiếp II. Nguyên tắc đo đường dịch chuyển • II.1. Đo trực tiếp • II.2. Đo gián tiếp 2 III. Các thiết bị đo và giám sát vị trí Đo trực tiếp • Hệ thống đo đường dịch chuyển như vậy không khai báo tọa độ của vị trí bàn máy mà cung cấp theo mỗi bước dịch động của bàn máy là một xung ( nghĩa là một vạch trên thước đo ). Hệ điều khiển đếm theo nguyên tắc “ mỗi một xung đo là thêm một bước dịch động “ vào vị trí tức thời của bàn máy và so sánh gia trị THỰC tính toán với giá trị CẦN. Để thực hiện điều đó, ngay khi bắt đàu đo đường dịch chuyển, bàn máy phải cho chạy về một vị trí mà khoảng cách từ đó đến điểm “0” của máy phải biết được một cách chính xác. Có như vậy hệ điều khiển mới có thể tính được các tọa độ , nghĩa là tính được các khoảng cách so với điểm “0” của máy. Hệ thống đo đường dịch chuyển chỉ được chuẩn hóa sau khi đóng mạch cho hệ điều khiển

BÁO CÁO NHÓM Môn: Thiết kế máy theo nguyên tắc modun hóa

Chủ đề 2: Đo lường trong máy CNC

Mai Hải Đăng

Lê Sơn Tuấn Phạm Mạnh Cường Nguyễn Ngọc Khoa

Tóm tắt

I Các phương pháp đo

• I.1 Đo trực tiếp

• I.2 Đo gián tiếp

II Nguyên tắc đo đường dịch chuyển

• II.1 Đo trực tiếp

• II.2 Đo gián tiếp

2

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí

I Các phương pháp đo trong máy CNC

I.1 Đo trực tiếp

Hình 1: Đo đường dịch chuyển trực tiếp trên máy tiện

I.1 Đo trực tiếp

• Ở hệ thống đo trực tiếp ( hình 1), đoạn đường đoạn đường dịch chuyển

sẽ được đọc trực tiếp trên thước đo chiều dài gắn trên giường máy hoặc bàn trượt

• Thước đo chiều dài trong ví dụ hình 1 là một băng phản quang có khắc vạch với một khoảng cách xác định Trong đầu phát tín hiệu đo có một nguồn sáng và một tế bào quang điện nhạy cảm Khi đầu phát tiến hiệu

đo chạy dọc theo thước khắc vạch, ánh sáng chỉ được phản quang ở vùng giữa hai vạch chia, còn trên bản thân vạch chia thì không Điều

đó có tác dụng làm cho ánh sáng phản quang ở dạng xung và tế bào quang điện cũng biến đổi chúng thành các xung điện rồi tiếp dẫn vào

hệ điều khiển

4

I Các phương pháp đo trong máy CNC

I.1 Đo trực tiếp

• Hệ thống đo đường dịch chuyển như vậy không khai báo tọa độ của vị trí bàn máy mà cung cấp theo mỗi bước dịch động của bàn máy là một xung ( nghĩa là một vạch trên thước đo ) Hệ điều khiển đếm theo nguyên tắc “ mỗi một xung đo là thêm một bước dịch động “ vào vị trí tức thời của bàn máy và so sánh gia trị THỰC tính toán với giá trị CẦN Để thực hiện điều đó, ngay khi bắt đàu đo đường dịch chuyển, bàn máy phải cho chạy về một vị trí mà khoảng cách từ đó đến điểm

“0” của máy phải biết được một cách chính xác Có như vậy hệ điều khiển mới có thể tính được các tọa độ , nghĩa là tính được các khoảng cách so với điểm “0” của máy Hệ thống đo đường dịch chuyển chỉ được chuẩn hóa sau khi đóng mạch cho hệ điều khiển

I Các phương pháp đo trong máy CNC

I.1 Đo trực tiếp

• Phương pháp đo trực tiếp có độ chính xác vị trí cao vì nó loại trừ được sai số do khe hở và biến dạng của bộ truyền động cơ khí

6

I Các phương pháp đo trong máy CNC

Hình 7: Hệ thống đo trực tiếp

I Các phương pháp đo trong máy CNC

I.2 Đo gián tiếp

Hình 2: Đo gián tiếp đường dịch chuyển.

I Các phương pháp đo trong máy CNC

I.2 Đo gián tiếp

• Khi đo gián tiếp, thước đo là một đĩa chia xung gắn liền với trục vitme

bi Đầu phát xung đo tiếp nhận trong khi đĩa chia quay các xung ánh sáng và dẫn vào hệ điều khiển ở dạng xung điện Hệ điều khiển tính toán vị trí của bàn máy theo số xung truyền tới

8

Hình 8: Hệ thống đo vị trí gián tiếp

I Các phương pháp đo trong máy CNC

I.2 Đo gián tiếp

• Thay vì đo trực tiếp chuyển động tịnh tiến của bàn máy ta gián tiếp đo chuyển động quay của vít me để từ đó thông qua bước vít của vít me

để biết vị trí hay độ dịch chuyển của bàn máy (xem hình 8)

• Các sai số mắc phải do sai lệch bước vít me cũng như khe hở của bộ truyền sẽ đưa vào trong sai số của phép đo Sai số này phải nằm trong phạm vi cho phép thông qua việc chế tạo bộ truyền có độ chính xác đủ lớn hoặc được bù lại thông qua các yếu tố hiệu chỉnh được cài đặt

trong chương trình điều khiển Thiết bị đo gián tiếp được sử dụng rộng rãi hiện nay vì các bộ truyền được chế tạo khá chính xác và bộ điều khiển cũng có khả năng hiệu chỉnh khe hở bước vít me Việc bảo vệ thiết bị đo gián tiếp khỏi bụi, phoi và nước làm mát dễ hơn so với thiết

bị đo trực tiếp

I Các phương pháp đo trong máy CNC

I.3 So sánh ưu nhược điểm giữa đo trực tiếp và gián tiếp

• Đo trực tiếp có độ chính xác cao hơn Các sai lệch bước vít của trục vít

me, khe hở - mặc dù nhỏ - và biến dạng dẻo của trục vít khi chịu tải sẽ chỉ ảnh hưởng đến kết quả đo ở cách gián tiếp Khi đơn vị tính nhỏ tới phần nghìn milimet thì ảnh hưởng này là đáng kể

• Nhược điểm của thước đo trực tiếp là sự nhạy cảm của thước đo chiều dài với sự nhiễm bẩn và có giá thành cao Thước chia xung phải được khắc vạch rất chính xác và không cho phép thay đổi khi nhiệt độ dao động

10

I Các phương pháp đo trong máy CNC

II Nguyên tắc đo đường dịch chuyển

• II.1 Hệ thống đo dịch chuyển

• Các hệ điều khiển máy CNC làm việc với hệ thống đo đường dịch chuyển, nhờ thế vị trí thực thường xuyên được giám sát và điều chỉnh

12

Hình 5: Sơ đồ phương thức làm việc của hệ điều khiển khi điều chỉnh vị trí

II Nguyên tắc đo đường dịch chuyển

II.1 Hệ thống đo dịch chuyển

Hình 9: Thước đo gia số và thước đo tuyệt đối.

II Nguyên tắc đo đường dịch chuyển

II.1.1 Hệ thống đo dịch chuyển kiểu gia số

• Ở hệ thống đo này, khi lưới khắc vạch chia phát xung, các bước đo lớn (các số gia hay lượng gia tăng kích thước) được cộng thêm hoặc trừ bớt đi Tổng các xung đếm được tương ứng với quãng đường dịch

chuyển của bàn máy Song song với lưới khắc vạch là dấu tham chiếu với vị trí đã biết, nhờ vậy sau khi dòng bị mất hoặc sau khi khởi động máy, vị trí của bàn trượt vẫn có thể xác định được

• Ở hệ thống đó kiểu gia số, sau khi đóng mạch cung cấp điện áp, trước hết bàn máy phải được chạy tới dấu tham chiếu

14

II Nguyên tắc đo đường dịch chuyển

II.1.1 Hệ thống đo dịch chuyển kiểu gia số

• Toàn bộ phạm vi dịch chuyển được chia thành các bước tăng

(increments) có độ lớn như nhau Vị trí hiện tại được tính bằng tổng các bước tăng đã đi qua Các gia số vượt qua đều cộng lại với nhau

hoặc trừ đi cho nhau để xác định vị trí thật tuỳ theo chiều chuyển động Giá thành của hệ thống đo gia số không đắt lắm nên được dùng nhiều

• Nhược điểm của nó là khi khởi động máy, vị trí thật của bàn máy lúc

đó không nhận biết được, do vậy sau khi mở máy, bộ điều khiển bắt người vận hành phải đưa các trục của máy về home (điểm 0) của nó (referrent zero point) để lấy điểm gốc ban đầu nếu như không có nguồn nuôi dự phòng

II Nguyên tắc đo đường dịch chuyển

II.1.2 Hệ thống đo dịch chuyển kiểu tuyệt đối

• Trong phương pháp đo này, mỗi giá trị đo đều được so sánh với điểm

O của thước đo

• Ở hệ thống đo kiểu tuyệt đối, mỗi bước chia được xếp vào một giá trị

số chính xác Thiết bị đếm xung sẽ xác định vị trí của bàn trượt thông qua tia sáng lọt qua hay không lọt qua các vạch trên thước đo Sau khi đóng mạch điện áp cung cấp, vị trí của trục máy được xác định mà

không cần đi tới một dấu tham chiếu

16

II Nguyên tắc đo đường dịch chuyển

II.1.2 Hệ thống đo dịch chuyển kiểu tuyệt đối

• Đối với phương pháp đo vị trí theo kiểu tương tự / tuyệt đối, ứng với mỗi vị trí trong phạm vi đường dịch chuyển là một mức điện áp đặt biệt

• Đối với phương pháp đo vị trí số hoá / tuyệt đối, mỗi một gia số vị trí được đánh dấu riêng bằng các mã nhị phân cho trước

• Ưu điểm của phương pháp đo tuyệt đối là tại mỗi thời điểm đo hay cả khi mất điện, vị trí tuyệt đối so với điểm O đều nhận biết ngay

• Nhược điểm của hệ thống đo tuyệt đối là phức tạp về cấu trúc nên giá thành đắt, vì vậy các máy mới hiện nay ít dùng vì lý do cạnh tranh về giá cả

II Nguyên tắc đo đường dịch chuyển

18

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoders)

III.1 Encoder

• Thiết bị dùng để kiểm tra vị trí nhằm mục đích giám sát và điều khiển

vị trí có tên gọi là encoder Thông thường nó được lắp vào đầu cuối của

hệ thống trục truyền động hoặc lắp vào trục của động cơ servo Để điều

khiển tốc độ, tốc độ được kiểm tra bằng một sensor gọi là tachometer

hoặc được tính thông qua dữ liệu vị trí do encoder cung cấp Phương

pháp kiểm tra vận tốc bằng encoder là cách đếm số xung tạo ra trên

một thời gian, tức là đồng nghĩa với chuyển vị trên một đơn vị thời

gian, hay nói cách khác chính là đo vận tốc

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoders)

III.2 Phân loại

20

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoders)

III.3 Nguyên lý hoạt động

III.3.1 Nguyên lý cảm ứng điện từ

Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, người ta sử dụng một thước đo (thực

tế là một cuộn dây có dòng điện xoay chiều chạy qua, do đó hình thành

một trường điện từ biến thiên Từ trường biến thiên này làm xuất hiện

trên một thước dẫn điện khác (đặt trong phạm vi của nó) một điện áp

Điện áp cảm ứng phụ thuộc vào cường độ từ trường tức là phụ thuộc vào

khoảng cách giữa hai vật dẫn Như vậy thông qua đo điện áp có thể xác

định được khoảng cách (vị trí)

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoders)

III.3 Nguyên lý hoạt động

III.3.1 Nguyên lý quang điện

22

Nguyên lý đo hành trình kiểu quang điện chuyển động thẳng

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoders)

III.3 Nguyên lý hoạt động

III.3.1 Nguyên lý quang điện

Thiết bị gồm có một nguồn sáng 1, một thấu kính hội tụ 2, thước đo có

khắc vạch thành các khe hẹp để ánh sáng có thể lọt qua lưới kích quang

4 và các tế bào quang điện 5 Khi lưới kích quang có chuyển động tương

đối với thước đo, nguồn sáng xuyên qua các khe hở của thước đo và lưới

kích tác động lên các tế bào quang điện tạo ra các xung điện hình sin

Người ta bố trí các tế bào quang điện cách đều nhau và có tới hai lớp xếp

bố trí lệch nhau ¼ khoảng cách chia nên sẽ nhận được hai tín hiệu hình

sin lệch pha nhau 90° với mục đích giúp cho hệ điều khiển nhận biết

được chiều chuyển động Các tín hiệu hình sin này được chuyển thành

các xung hình chữ nhật thông qua một mạch điện tử khác để từ đó đưa

vào các cơ cấu đếm để xác định vị trí của bàn máy

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoders)

III.3 Nguyên lý hoạt động

III.3.1 Nguyên lý quang điện

• Để tăng độ phân giải của phép đo (tăng độ chính xác điều khiển) người

ta có thể dùng hai cách :

• - Tăng số vạch chia trên thước (lúc đó việc chế tạo thước khó hơn)

• - Biến đổi các xung chữ nhật thành các xung có chu kỳ nhỏ hơn (5 lần

hoặc 25 lần)

24

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoders)

III.3 Nguyên lý hoạt động

III.3.1 Nguyên lý quang điện

Nguyên lý hoạt động và nguyên lý cấu tạo của encoder quang chuyển động quay

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoders)

III.3 Nguyên lý hoạt động

III.3.1 Nguyên lý quang điện

26

Thước quang chuyển động quay

Đối với thiết bị đo vị trí quang điện chuyển động quay, thay vì dùng thước khắc vạch,

người ta sử dụng đĩa khắc vạch có các vòng lỗ gọi là track, nguyên tắc đo cũng tương tự

thước chuyển động thẳng (nguyên lý xác định vị trí con trỏ trên màn hình máy tính khi

sử dụng con chuột) Track bên ngoài dùng để xác định vị trí Track giữa dùng để xác

định hướng chuyển động Track trong cùng dùng để xác định kết thúc một vòng quay

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoders)

III.3 Nguyên lý hoạt động

III.3.1 Nguyên lý biến trở

Potentiometers chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến

Sử dụng Potentiometers, Là loại vật liệu có điện trở tỷ lệ thuận với chiều dài

Vị trí cần xác định cũng chính là vị trí của con chạy, được tính toán dựa vào tỉ

số điện áp (ở đây điện áp bằng cường độ dòng điện không đổi nhân với điện

trở tỷ lệ thuận với chiều dài của vật liệu làm potentiometers)

III Các thiết bị đo và giám sát vị trí (encoders)

28

THANK FOR YOUR ATTENTION