Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay CNC

THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Học viên : Tạ Minh Tiến Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Võ Quang Lạp THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP *** Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -----------o0o----------- THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHI ÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Học viên: Tạ Minh Tiến Lớp: CHK8 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD khoa học: PGS. TS. Võ Quang Lạp Ngày giao đề tài: 01/11/2007 Ngày hoàn thành: 30/4/2008 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN TS. Nguyễn Văn Hùng PGS.TS. Võ Quang Lạp Tạ Minh Tiến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình vẽ Tên hình vẽ Trang Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC 1 Hình 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các 2 Hình 1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC 5 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của 1 máy phay đứng 3 trục (X,Y,Z) 6 Hình 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số 7 Hình 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC 9 Hình 1.7 Cấu trúc hệ điêu khiển NC 9 Hình 1.8 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC 10 Hình 1.9 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 11 Hình 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy 12 Hình 1.11 Cấu trúc của hệ CNC 14 Hình 1.12 Hệ DNC 15 Hình 1.13 Ghép nối các máy CNC với máy tính trung tâm 17 Hình 2.1 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC 21 Hình 2.2 Các điểm Reference Marks trên Encoder 22 Hình 2.3 Sai số tải được tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải được nối giữa công tác trượt và một đầu của dây điện trở. 23 Hình 2.4 Bộ đo góc, một loại cảm biến mà tín hiệu đầu ra của nó là một hàm lượng giác của vị trí trục roto . Hai cuộn roto đặt cách nhau 90 0 , hai cuộn Stator cũng đặt cách nhau 900 24 Hình 2.5 Bộ đo góc sử dụng như cảm biến, có môt cuộn dây roto ngắn mạch 24 Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ mã hóa số trực tiếp 25 Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian 26 Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số 26 Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital 26 Hình 2.10 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi thấu (Heidenhain) 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.11 Phương pháp nội suy dùng bộ tính toán arctang 28 Hình 2.12 Phương pháp nội suy dùng bảng nội suy và khối tính toán 29 Hình 2.13 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC 29 Hình 2.14 Thành phần cơ bản của MCU 31 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 36 Hình 3.2 Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên stator (,) 38 Hình 3.3 Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên rotor(x,y) 39 Hình 3.4 Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y) 40 Hình 3.5 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator (,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q). 42 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 47 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 48 Hình 3.8 Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 48 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần 51 Hình 3.10 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ. 52 Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. 53 Hình 3.12 Đường đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. 54 Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ shai mạch vòng kín. 55 Hình 3.14 Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tưởng. b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 56 Hình 3.15 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 60 Hình 3.16 Ảnh hưởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với quá trình khởi động. 1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng 2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân 61 Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay có cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay: a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá Hình 3.18 Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có cài đặt suất biến đổi dòng điện. ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện. CD – khâu vi phân dòng điện 65 Hình 3.19 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 65 Hình 3.20 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi dòng điện 66 Hình 4.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ 68 Hình 4.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều. 69 Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 70 Hình 4.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 71 Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 72 Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. 72 Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc thu gọn: a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện 73 Hình 4.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lưu 74 Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor a. khi chuẩn xác, b. khi gần đúng. 75 Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 76 Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 77 Hình 4.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 78 Hình 4.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 80 Hình 4.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 82 Hình 4.15 Quan hệ giữa  và  83 Hình 4.16 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 87 Hình 4.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vàođặt = 10(V), I = 0(A) 88 Hình 4.18 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vàođặt = 10V, I = 8,7 A 89 Hình 5.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 91 Hình 5.2 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ 94 Hình 5.3 Ví dụ chọn tập dữ liệu vào/ra 96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 5.4 Hệ điều khiển mờ theo luật I 101 Hình 5.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 101 Hình 5.6 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 102 Hình 5.7 Hệ điều khiển mờ PID 103 Hình 5.8 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí 105 Hình 5.9 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào: vị trí đặt 106 Hình 5.10 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra: Hệ số khuếch đại 106 Hình 5.11 Các luật điều khiển mờ 106 Hình 5.12 Sơ đồ khối của khối luật bù mờ. 107 Hình 5.13 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ 108 Hình 5.14 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ 108 Hình 5.15 Kết quả mô phỏng với đặt = 10V, I = 0A 109 Hình 5.16 Kết quả mô phỏng với đặt = 10V, I = 8,7A 110 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU Ngày nay , cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ vũ bão , không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới, trong đó có những thành tựu về kỹ thuật tự động hóa sản xuất . Đa số các máy côn g cụ hiện đại được điều khiển theo chương trình số . Đây là những điều kiện kỹ thuật cơ bản để thực hiện những điều kiện tự động hóa linh hoạt trên từng máy công cụ điều khiển số riêng lẻ, hay các trung tâm điều khiển số cũng như việc g hép nối chúng thành một hệ thống linh hoạt , điều khiển liên thông bằng máy tính ghép nối mạng. Với tiến bộ mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý đã tạo điều kiện nâng cao vượt bậc công năng của hệ điều khiển số , đồng thời với việc ngày càng giảm về giá thành của bộ điều khiển này. Cụm vi xử lý với tư cách là bộ phận chính yếu của thiết bị và các bo mạch ghép nối ngoại vi là những phần cứng không thể thiếu được trong các máy công cụ CNC. Trong các nhà máy xí nghiệp công nghiệp ở nước ta hiện nay máy phay CNC nói riêng và máy công cụ điều khiển số CNC nói ch ung ngày càng được sử dụng rộng rãi . Việc phát huy hiệu quả sử dụng , bảo dưỡng vận hành máy là vấn đề đặc biệt quan tâm của chúng ta . Muốn phát huy được hiệu quả tối đa khả năng thiết bị cũng như việc cải tiến nó cho phù hợp với điều kiện môi trường và con người Việt Nam đòi hỏi phải có sự hiểu biết sâu sắc về máy công cụ CNC . Việc “Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay CNC ” có một ý nghĩa rất lớn trong ng ành tự động hóa . Đó chính là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của tôi. Luận văn này được chia thành 5 chương sau: Chương I - Tổng quan về máy công cụ CNC. Chương II - Hệ thống đo lường và điều khiển trong máy CNC. Chương III - Phân tích và chọn phương án truyền động cho bàn máy phay CNC Chương IV - Tổng hợp hệ thống truyền động bàn máy phay CNC. Chương V - Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC bằng bộ điều khiển mờ lai. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS .TS Võ Quang Lạp đ ã hướng dẫn tận tình , chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này . Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy các cô Khoa sau đại học , Khoa điện và các bạn đồng nghiệp Trường ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên. Thái nguyên Ngày 30 tháng 04 năm 2008 Tác giả luận văn Tạ Minh Tiến 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC 1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC. 1.1.1 Cơ sở của máy CNC. Các trục của máy được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác toạ độ của bàn máy và của dao cụ (ví dụ Encoder vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch chuyển của bàn máy theo trục X trên hình 1.1). Khi trục máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác định được toạ độ chính xác của các trục máy. Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC Trong hệ toạ độ đề các được xây dựng trên ba trục toạ độ vuông góc (X,Y,Z). Một điểm trong mặt phẳng được xác định bởi hai trục toạ độ, một điểm trong không gian được xác định bởi ba trục toạ độ (X,Y,Z) hình 1.2 cho biết các trục của máy được miêu tả như thế nào thông qua hệ toạ độ đề các và kí hiệu các trục toạ độ theo quy tắc bàn tay phải. Các máy công cụ CNC có thể điều khiển tới chín trục, đó là các trục (U,V,W) là các trục chuyển động thứ hai song song với các trục (X,Y,Z) còn các trục (A,B,C) là các trục quay quanh các trục (X,Y,Z). Ngoài ra, trong lập trình gia công còn xử dụng hệ toạ độ cực. Một điểm trong mặt phẳng được biểu diễn thông qua hai giá trị là bán kính và góc trong hệ toạ độ cực. Y Z X 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.1.2 Đặc điểm và phân loại. Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo đặc điểm sau: - Truyền động: Thuỷ lực, khí và điện ... - Phương pháp điều khiển máy: Toạ độ hay quỹ đạo ... - Hệ thống định vị: Định vị kích thước nối tiếp và định vị tuyệt đối. - Các vòng lặp điều khiển . - Số trục tọa độ. Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn năng, có thể được chia thành các nhóm sau: - Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài ... - Nhóm may khoan, doa để khoan, doa các phôi. - Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên công bằng cách thay dao cụ, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp. - Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ ... - Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện, doa, ... Hình 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các máy CNC có thể thay dao bằng tay hoặc tự động. Có nhiều phương pháp thay dao tự động, nó phụ thuộc vào kết cấu cơ khí của máy, phụ thuộc vào chương trình điều khiển thay dao. Các máy CNC có thể cấp phôi bằng tay hoặc tự động. Những máy được trang bị bộ phận cấp phôi tự động có thể làm các chi tiết mà không cần có sự phục vụ của người vận hành. Kiểu máy này gọi là modul gia công linh hoạt (Flexibe Manufacturing Module). Các thông số kỹ thuật của máy CNC là: 1. Đường kính lớn nhất của phôi tiện trên máy tiện. 2. Đường kính khoan lớn nhất của máy khoan. 3. Đường kính trục doa lớn nhát của máy doa. 4. Chiều rộng lớn nhất của bàn máy phay. 5. Kích thước khuôn và trọng lượng máy. 6. Số trục phối hợp có thể điều khiển và số trục có thể điều khiển đồng thời. 7. Ngăn chứa dụng cụ (dao). 8. Thiết bị cấp (tháo) phội tự động của máy. 9. Băng tải phôi của máy. 10. Hệ thống điều khiển của máy. 11. Hệ thống truyền động của máy. 12. Hệ thống đo lường. 1.2 Nguyên lí vận hành của một máy công cụ điều khiển số. 1.2.1 Chƣơng trình gia công chi tiết. Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển và dữ liệu. Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích. 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu chỉnh máy, các số liệu về dao cụ ... được nạp vào từ bảng điều khiển. Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ CNC). 1.2.2 Khối điều khiển. Thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài. Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí (encoder), và tốc độ của các trục. Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dạng và tốc độ gia công đã xác định. 1.2.3 Điều khiển logic. Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau: Tốc độ chạy nhanh (Không cắt) tối đa, bố trí xếp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ (bàn máy, gá lắp, dao cụ), lệnh đóng/ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh đổi dao cụ. Đầu ra khối điều khiển logic đi điều khiển các cơ cấu chấp hành như: Van thuỷ lực, van khí nén, các rơle ... 1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC. Màn hình dùng để hiển thị toạ độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm việc của toàn hệ thống ... Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ thống ... Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh máy, đo chi tiết ... mà phải mở cửa làm việc. 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các khối vào ra (I/O), các bộ điều khiển truyền động (BKĐ) liên lạc với CPU thông qua một BUS hệ thống. Các khối Flash + RAM để lưu dữ các chương trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua BUS trong của CPU. Các cơ cấu chấp hành là van thuỷ lực, van khí nén, công tắc tơ, rơle...Các sensor thường là các sensor trạng thái (Proxymity sensor), sensor áp suất, sensor nhiệt độ ... Hệ thống đo lường là các cảm biến vị trí, cảm biến tốc độ để đưa các tín hiệu phản hồi về các bộ điều khiển (Controller). Trục chính dùng để quay dao, còn các trục toạ độ khác phục vụ cho việc di chuyển dao đến các vị trí được lập trình để tạo nên biên dạng mong muốn. 1 Màn hình 2 Bảng điều khiển 3 Mạch ghép nối 4 Tay quay điện tử Hình1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC KWH 1 3 2 HTĐK CPU Cnet Flash+Sram BUS I/O BĐK 4 Sensor HT đolường Trục chính và các trục TĐ khác Cơ cấu Chấp hành 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 1.4 sơ đồ nguyên lý của 1 máy phay đứng 3 trục (X,Y,Z). 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.4 Hệ thống truyền thông tin. Hình 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số Bảng điều khiển Tay quay Đầu đọc Máy vi tính Bảng điều khiển Bảng điều khiển Dữ liệu dao Dữ liệu máy Chuẩn bị thông tin Xử lí thông tin Điều chỉnh vị trí Điều chỉnh thích ứng Điều chỉnh số vòng quay trục chính Rơle vòng quay hiệu chỉnh dòng Rơle vòng quay hiệu chỉnh dòng Tổng thể máy công cụ Truyền động chạy dao Truyền động trục chính Lớp 2 Lớp 1 Lớp 5 Lớp 4 Lớp 3 Lớp 6 Quản lý Điều khiển 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Lớp 1: Dữ liệu được nạp vào từ các nguồn. - Bảng điều khiển - Các cơ cấu tay quay điện tử. Cơ cấu này giới hạn cho việc gia công chi tiết lẻ, kết cấu đơn giản hoặc quá trình hiệu chỉnh máy. - Đầu đọc vật mang tin (băng từ, đĩa từ, đĩa compact). - Từ một máy tính của hệ. Lớp 2: Lưu dữ. Thông tin đầu vào được lưu dữ trong các bộ nhớ. Chương trình gia công chi tiết, các dữ liệu về dao cụ và giá trị hiệu chỉnh được lưu dữ trong bộ nhớ RAM. Các dữ liệu hiệu chỉnh máy cũng được lưu dữ trong bộ nhớ RAM hoặc EPROM. Lớp 3: Lưu chuyển. Trong lớp này các dữ liệu chương trình bắt đầu được xử lý. Đường dịch chuyển cần được thực hiện trong câu lệnh kế tiếp được tính toán, quỹ đạo tương quan với biên dạng lập trình được tìm ra có tính đến khoảng cáchbằng bán kính dao. Các phương pháp kiểm tra, nghiệm lại các thông số chương trình quan trọng như trọng điểm kết một đường cong phi tuyến .v.v... Lớp 4: Lưu xử lí. Lớp này bao gồm các bộ nội suy, tìm gia những giá trị cần về toạ độ cho mạch vòng điều chỉnh vị trí trên từng trục và đưa ra các số liệu điều khiển trục chính và điều khiển toàn máy. Lớp 5: Điều chỉnh Gồm các bộ điều chỉnh dòng điện, bộ điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh vị trí để điều khiển các động cơ truyền động các trục phù hợp với tốc độ chạy dao và biên dạng đã lập trình. Lớp 6: Cơ cấu chấp hành, cơ cấu dịch chuyển và đo lường. 1.5 Hệ thống tính toán và điều khiển. 1.5.1 Khái niệm và phân loại. Hệ điều khiển CNC thực hiện như lưu đồ điều khiển hình 1.6 Giai đoạn đầu tiên, những thông tin về kích thước công nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương Thông tin kích thước công nghệ 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trình, sau đó là công việc lập trình điều khiển. Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo ra tín hiệu điều khiển các hệ tự động. Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: NC (Numerical Control) và CNC (Computer Numerical Control). Trong hệ CNC (hình 1.7) chương trình điều khiển được đưa vào khối sao chương trình sau đó qua đầu vào đưa dến khối giải mã nhằm tạo ra các mã tương thích của máy. Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào bộ nhớ đệm và cuối cùng đến khối nội suy (Interpolation) để tính toán phân ra các toạ độ truyền động. Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều khiển công nghệ như tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay dao.v.v... Hệ truyền động điện tự động Thiết bị tính toán và điều khiển Chuẩn bị số liệu cho lập trình Chương trình điều khiển Chuẩn bị số liệu cho lập trình Hình 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC 3 1 2 4 5 6 8 Hệ T. Động 9 7 Lệnh công nghệ K H Ố I Đ ỈÊ U K H IỂ N Hình 1.7 Cấu trúc hệ điêu khiển NC 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong hệ CNC (hình 1.8) khối ALU (Arithmetic Logic Unit) thực hiên các phép toán số học và logic. Khối ALU nhận thông tin về công nghệ và thông tin điều khiển từ máy tính thông qua khối I/O. Bên cạnh ALU là bộ nhớ để chương trình và dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình. Hệ CNC bao gồm bộ vi điều khiển cấp dưới và máy vi tính cấp trên. Nhờ vậy, có thể khếp nối với hệ điều khiển cấp trên để thực hiện thiết kế tự động CAD và hệ điều hành sản xuất tự động CAM hợp thành một hệ sản xuất linh hoạt FMS ... 1.5.2 Chuẩn bị chƣơng trình điều khiển cho hệ CNC. a. Chuẩn bị chương trình bằng tay. Những thông tin cần thiết để chuẩn bị chương trình là: Các bản vẽ chi tiết và các điều kiện công nghệ. Người soạn thảo chương trình phải chuyển thông tin đó thành chương trình điều khiển số cho máy gia công. Nhớ cố định Nhớ 3 ALU Lệnh công nghệ Hình 1.8 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC Hệ T. Động Từ máy tính 2 1 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên + Chọn hệ toạ độ (Tương ứng với hướng dẫn của ISO) sao cho điểm toạ độ ban đầu cần phải trùng với điểm xuất phát của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công. + Dựa trên quỹ đạo chuyển động giữ các điểm tựa, viết chương trình quỹ đạo chuyển động (đường thẳng, đường tròn, Parabol, ...). Nếu như dùng phương pháp gần đúng thì phải tính sai số. + Dựa vào các thông tin về công nghệ như chế độ căt, dụng cụ cắt, tốc độ cắt ... thành lập biểu đồ công nghệ. b. Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính. Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi tiết gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo. Ngày Bản vẽ chi tiết Chương trình dạng Text Kế hoạch dụng cụ cắt Kế hoạch đồ gá Kế hoạch gia công Bảng các toạ độ Mã hóa Ghi băng Biểu đồ Công nghệ Hình 1.9 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nay người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính. Đặc trưng của lập trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng. Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy ta có thể: - Xác định những nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không thực hiện các tính toán bằng tay. - Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lượng lớn các số liệu cho nhiệm vụ gia công. - Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện. - Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp thành bởi những khái niệm phổ biến Trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ thuật gia công. Bản vẽ chi tiết thô & bản vẽ sản phẩm Kế hoạch đầu ra Soạn thảo chương trình bằng ngôn ngữ biểu tượng Trao đổi thông tin Hộp lưu dữ, băng đục lỗ Tính toán Khai báo chương trình các dữ liệu công nghệ Hoạt động theo nguyên tắc trực tiếp với máy NC hay ghép nối DNC Chương trình xử lý Băng đục lỗ. vật mang tin, đĩa CD Bảng danh mục Hình 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các chu trình công tác cần thực hiện. - Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán. Nếu tất cả các giai đoạn chuẩn bị chương trình đều thực hiện nhờ máy tính gọi là tự động tự động hoá toàn bộ khâu chuẩn bị chương trình. Tuy nhiên trong trường hợp chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác cần phải thực hiện bằng chương trình công nghệ theo mô hình toán học mô tả đối tượng. Hiện nay tồn tại nhiều ngôn ngữ lập trình cho việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển. Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính sẽ đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các toạ độ điểm tựa, tiệm cận hoá các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị. Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các bước sau: 1. Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải có đủ khả năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời diễn tả đơn giản dễ sử dụng. 2. Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối hợp với ngôn ngữ của máy gia công. 3. Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra. 4. Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể. 1.5.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC. Hình 1.11 Cấu trúc đầy đủ của một hệ CNC Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình. Ngoài ra nhờ có khối ghép nối (Interface Bus) để hệ có thể nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN. Bảng điều khiển và tay quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập trình gia công ... 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo, điều phối. Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ.Trong một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC, và khối vi điều khiển) được chế tạo thành một khối (hình 1.11), nó đảm bảo toàn bộ chức năng điều khiển của hệ. Hình 1.11 Cấu trúc của hệ CNC Máy tính lập trình, quản lý, theo dõi, DNC Bảng điều khiển, Tay quay điện tử Máy tính quan sát & vận hành Interface Bus Khối NC Khối Vi ĐK Biến đổi 1 Biến đổi 2 Biến đổi n Đo lường M1 Mn M1 Khối NC … … 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điểu chỉnh tốc độ ...) thực hiện tất cả các bước cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình. Các bộ phận của cấu trúc này như truyền động điện, đo lường, hệ điều khiển ... sẽ được nghiên cứu chi tiết ở các chương sau. 1.6 Hệ DNC. Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình số viết bằng các mã ký tự số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác. Trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt các bộ vi xử lí đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình số như: tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái thực của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong điều khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị mong muốn và giá trị thực. Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển theo chương trình số. Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tuyến (online) nhiều máy CNC với một máy tính. Hệ DCN có thể trao đổi thông tin theo hai cách: Cách 1: Vận hành BTR (Behind Tappe Reader). Thông tin điều khiển từ máy tính sau khi qua bộ phận đọc dữ liệu từ vật mang tin sẽ được chuyền vào hệ điều khiển CNC. Máy tính chủ Máy CNC Máy CNC Dữ liệu từ vật mang tin Hình 1.12 Hệ DNC Bộ phận ghép nối 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Cách 2: Vận hành trực tiếp. Máy tính trung tâm gộp luôn các bộ nhớ thông tin và bộ nhớ nội suy cũng như các khả năng khác của CNC vào trong máy tính. Các máy công tác chỉ còn có cụm điều khiển logic và các mạch vòng điều chỉnh, ngoài ra giữa chúng còn có một mạch nối ghép thích hợp . Cách 2 có ưu điểm là hệ điều khiển máy công tác rẻ hơn nhiều (do máy tính chủ đã phụ trách một số công việc). Nhưng do lệ thuộc hoàn toàn vào máy tính chủ nên ít dùng. Trong hệ DCN, nhiệm vụ cơ bản của máy tính trung tâm và quản lý tập trung các chương trình gia công CNC và phân phối đến các máy công tác. Quá trình lưu trữ và cập nhật dữ liệu điều khiển số cho từng máy CNC trong hệ thống có tính tiện lợi và kinh tế. Chức năng của một hệ DNC Chức năng cơ bản Quản lý chương trình NC Phân phối dữ liệu NC Sửa chữa dữ liệu NC Chức năng mở rộng Điều chỉnh chương trình NC Thu thập và xử lý các dữ liệu hoạt động Chức năng điều khiển cho dòng vật chất Các chức năng thành phần của quá trình gia công Tuỳ thuộc vào cấu hình của máy CNC riêng lẻ mà nó có thể ghép nối trực tiếp với máy tính chủ bởi giao thức truyền TCP/IP hình 1.13, OSI hoặc giao thức khác. Người điều khiển có thể thông qua một Terminal mà liên hệ với máy tính trung tâm. Theo nguyên tắc, người điều khiển máy chỉ cần thông báo cho máy tính trung tâm chương trình nào được khai thác tiếp theo. Bộ xử lý trung tâm của máy tính chủ cho phép gọi ra chương trình CNC cần thiết từ bộ nhớ ngoại vi của nó. Từ đó, các dữ liệu điều khiển máy CNC sẽ được thông báo, tuỳ thuộc hình thức tổ chức trong hệ điều khiển của máy công tác, theo từng câu lệnh riêng lẻ hoặc toàn bộ chương trình. 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Khả năng quản lý chương trình trong hệ CNC. - Quản lý các danh mục các chương trình CNC - Tìm kiếm một chương trình CNC - Truy cập và khai thác các chương trình CNC - Cất dữ các chương trình CNC - Quản lý các dữ liệu về dao - Quản lý các dữ liệu về vật liệu gia công - Quản lý các dữ liệu về đồ gá. 1.7 Hệ thống gia công linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System). Hệ thống gia công linh hoạt bao gồm các loại máy công tác, chủ yếu là các máy CNC, liên kết với nhau bởi các hệ thống điều khiển và hệ thống vận chuyển cho toàn bộ quá trình, sao cho phạm vi giới hạn của hệ thống, một trình tự gia công khác nhau, có thể được tiến hành theo thứ tự lựa chon tự do. Việc điều hành các quá trình tính toán cần thiết cho tất cả các hệ thống con trong hệ thống gia công linh hoạt, tất yếu phải dựa trên cơ sở các máy công cụ CNC vận hành theo nguyên tắc điều khiển DNC. Tính linh hoạt của hệ thống được thể hiện ở các mặt sau: - Có khả năng sản xuất từ 20 đến 30 lo._.ại chi tiết có quy trình gia công khác nhau. Hình 1.13 Ghép nối các máy CNC với máy tính trung tâm SERVER Progamming Station CNC 1 CNC 2 CNC n 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Có khả năng thay đổi số lượng sản phẩm. - Phí tổn cho việc lập trình. Tùy thuộc vào quy mô cấu trúc, hệ thống sản xuất linh hoạt có thể phân thành các loại sau: Đơn vị sản xuất linh hoạt (FMU: Flexible Manufacturing Unit). Đơn vị sản xuất linh hoạt là hệ thống có máy NC, thông thường là các máy CNC với bàn gá dao và bàn thay dao tự động. Có khả năng giảm bớt thao tác cho người sử dụng. Nhóm sản xuất linh hoạt ( FMC: Flexible Manufacturing Cell). Nhóm sản xuất linh hoạt bao gồm hai hay nhiều máy NC, tối thiểu là một CNC với bàn gá dao và cơ cấu cấp phôi, cấp dao tự động ở từng máy. Điều khiển toàn bộ hoạt động của FMC do máy tính trung tâm thực hiện phối hợp với mạng lưới vi tính độc lập. Phôi được hoàn tất một phần hoặc toàn phần sau khi rời nhóm sản xuất linh hoạt. Nhóm sản xuất linh hoạt thường dùng cho sản xuất hàng loạt, sản xuất nhỏ và trung bình. Hệ thống sản xuất linh hoạt ( FMS: Flexible Manufacturing System). Hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm một hay nhiều nhóm sản xuất linh hoạt có hệ thống vận chuyển tự động được điều khiển bằng máy tính. Điều khiển toàn bộ hệ thông là máy tính điện tử trung tâm. Hệ thống sản xuất linh hoạt thường dùng cho sản xuất trung bình và lớn. Hệ thống sản xuất tổng hợp (CIM: Computer Integrated Manufacturing) Với sự phát triển của bộ máy NC như CNC, DNC, các hệ thống FMC, FMS, kỹ thuật người máy và hệ thống phần mềm điều khiển tự động của máy tính điện tử đã dẫn đến sự ra đời của hệ thống sản xuất tổng hợp (CIM) vào năm 1978. Hiện nay CIM chỉ phát triển ở các nước có nền công nghiệp phát triển. CIM là một hệ thống sản xuất sử dụng trí tuệ nhân tạo tổng hợp ở trình độ cao các thiết bị sản xuất, các hệ thống thông tin các phần mền điều khiển để thực hiện một quá trình công tác tự động. Phần mềm xử lý: 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Nó là một tổng hợp các hệ thống thiết kế và kiểm tra tất cả các tài nguyên của quá trình sản xuất. - Là một phương tiện phục vụ cho việc tự đông hoá thu thập thông tin giữa các hệ thống máy tính và sử dụng nó cho việc hình thành một hệ thống phản hồi kín để thiết kế và điều khiển. Phần cứng của CIM: - Gồm nhiều đơn vị gia công dùng cho từng mục đích riêng biệt hoặc xây dựng thành một hệ thống sử dụng cho một mục tiêu. - Các hệ thống băng tải nối liền với các đơn vị gia công. - Hệ thống cấp phôi và dao tự động. - Máy tính điện tử trung tâm. Sự khác biệt giữa một máy CIM và NC là trình độ tự động hoá tổng hợp các quá trình công tác. Ở các máy NC tự động hoá thì thực hiện trên từng phần công việc, không có mối quan hệ trực tiếp giữa các khâu công tác của những máy độc lập. Ở CIM các đơn vị gia công thực hiện từng phần công việc có liên quan chặt chẽ với nhau tạo thành một quá trình sản xuất tổng hợp. Mối quan hệ giữa từng công đoạn không chỉ theo thứ tự công nghệ mà còn rất nghiêm ngặt về nhịp độ thời gian để chi tiết gia công từ máy này sang máy khác cùng một lúc nhiều loại chi tiết khác nhau. Nội dung hoạt động của CIM là tổng hợp của 5 lĩnh vực riêng: - Hệ thống thiết kế bằng máy tính điện tử CAD (Computer Aided Design). - Hệ thống thiết kế quá trình sản xuất và điều khiển bằng máy tính CAPPC (Computer Aided Production Engineering). - Hệ thống thiết kế quá trình sản xuất và điều khiển bằng máy tính CAPE (Computer Aided Production Engineering). - Hệ thống tồn trữ và vận chuyển điều khiển bằng máy tính CAST(Computer Aided Storage and Transportation). - Hệ thống tổ chức và điều khiển sản xuất bằng CAM (Computer Aided Manufacturing). 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Kết luận Máy công cụ điều khiển số CNC là loại máy gia công cơ khí rất phổ biến hiện nay , sự ra đời và phát triển của nó đã thúc đẩy sự phát triển của ngà nh cơ khí chế tạo , đóng góp to lớn vào việc tạo ra của cải cho xã hội. Sự ra đời của máy CNC làm cho các sản phẩm cơ khí chế tạo có chất lượng tốt hơn , độ chính xác cao hơn và đặc biệt có thể sản xuất hàng loạt. Máy CNC có nhiều chủng loại khác nhau , mỗi công nghệ gia công lại có một kiểu máy . Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các máy CNC đều có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau . Cấu trúc của tất cả các loại máy CNC đều bao gồm : Phần xử lý tung tâm (Giao diện người máy và thực hiện nội suy), phần điều khiển servo , động cơ servo , phản hồi tốc độ , vị trí . Hệ điều khiển vòng hở thường có độ chính xác không cao . Hệ thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao , ngày nay hầu hết người ta sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín. Chương tiếp theo sẽ đề cập đến hệ thống đo lường và điều khiển trong máy CNC. 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG II HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY CNC 2.1 Hệ thống đo lƣờng trong máy công cụ CNC. Mỗi trục chuyển động được điều chỉnh của một máy CNC bao giờ cũng có hai thiết bị đo lường, đó là thiết bị đo tốc độ quay của động cơ và thiết bị đo vị trí của sự dịch chuyển. 2.1.1 Thiết bị đo tốc độ. Thiết bị đo tốc độ để đo tốc độ quay thực của động cơ và đưa tín hiệu phản hồi tốc độ của động cơ về bộ điều chỉnh tốc độ. Tín hiệu phản hồi này được so sánh với tốc độ đặt của động cơ, kết quả được đưa vào đầu vào của bộ điều chỉnh tốc độ. Để đo tốc độ quay của động cơ người ta dùng máy phát tốc hoặc Encoder gắn trực tiếp với trục động cơ. 2.1.2 Thiết bị đo vị trí. Các trục của máy được trang bị các dụng cụ đo vị trí để xác định toạ độ của bàn và của dao cụ (Ví dụ: Encode vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch chuyển của bàn theo trục X trên hình 2.1). Khi trục máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác định toạ độ chính xác của các trục máy. Các dụng cụ này đo khoảng cách dịch chuyển tức là xác định toạ độ thực tế tức thời của các trục toạ độ. Các đại lượng để đo ở đây là những đoạn đường trong các chuyển động thẳng và các góc trong các chuyển động quay của các trục toạ độ. Encoder Y Z X Hình 2.1 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC 22 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên tín hiệu đầu ra của các thiết bị này được đưa về so sánh với các giá trị đặt của vị trí, kết quả được đưa vào các đầu vào của bộ điều chỉnh vị trí. Trên các dụng cụ đo lường vị tri còn được trang bị một vài điểm chuẩn (Reference Mark) được chỉ ra trên hình 2.2. Mục đích để thiết lập lại toạ độ gốc của các trục sau mỗi lần khởi động máy. Khi khởi động thì các trục toạ độ phải di chuyển và khi qua các điểm chuẩn (Reference Mark) nó sẽ phát ra một tín hiệu. Tín hiệu này dùng để xác định toạ độ gốc của trục và hiển thị giá trị toạ độ thực tế lên màn hình. Vì vậy, chỉ sau khi chạy hết các trục về các điểm chuẩn (Reference Mark) thì mới thực hiện được gia công trên máy. 2.2 Phƣơng pháp đo vị trí. 2.2.1 Các phƣơng pháp đo vị trí. - Phương pháp đo vị trí có đầu ra là đại lượng tương tự: Đoạn đường hay góc cần đo được chuyển đổi liên tục thành đại lượng vật lý tương thích ( đại lượng tương tự), ví dụ chuyển đổi thành tín hiệu dòng điện hay điện áp. - Phương pháp đo vị trí có đầu ra là đại lượng số: Đoạn đường hay góc cần đo chia thành các yếu tố đơn vị có độ lớn như nhau. Quá trình đo chính là việc đếm hay cộng các yếu tố đơn vị đã đi qua. Nếu theo cách đo thì ta có phương pháp đo trực tiếp hay gián tiếp, phương pháp đo vị trí tuyệt đối, tuyệt đối theo chu kỳ và phương pháp đo vị trí theo kiểu gia số. 2.2.2 Các loại cảm biến có đầu ra tƣơng tự. Trong xử lý tín hiệu cả liên tục và rời rạc, cảm biến vị trí được sử dụng để xác định vị trí, đo lường bề dầy, đường kính của một vật, vị trí hiện tại của vật đang Reference Mark X(Y,Z) Hình 2.2 Các điểm Reference Marks trên Encoder 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên dịch chuyển, xác định sự tồn tại của một vật. Cảm biến vị trí thường có một trục quan hệ cơ khí với đối tượng cần đo. Để đo lường cảm biến dựa vào vị trí của trục cảm biến, chức năng của cảm biến là chuyển đổi vị trí của trục cảm biến thành một phẩm chất đo lường. Ví dụ vị trí hiện tại của trục cảm biến có thể gây lên sự thay đổi điện dung của một tụ điện, tự cảm của cuộn dây, hỗ cảm của hai cuộn dây, điện trở, … từ đó xác định được vị trí đối tượng. Ngoài ra trục của cảm biến có thể ghép với Encorder, một thiết bị chuyển đổi vị trí hiện tại thành tín hiệu số. Ngoài ra, một số cảm biến không cần tiếp xúc đối với đối tượng đo lường. Cảm biến này sử dụng sự thay đổi của hệ số hỗ cảm, điện dung, điện trở … để xác định sự hiện diện và đo lường vị trí của đối tượng. a. Cảm biến vị trí dùng triết áp. Cảm biến chứa đựng một biến trở và một công tác trượt có thể chuyển đổi từ đầu này đến đầu kia của biến trở. Cảm biến chiết áp đo lường dịch chuyển thẳng và dịch chuyển góc. Cảm biến vị trí dùng phương pháp chiết áp có thể gây ra sai số bởi dòng điện đi qua dây nối với công tắc trượt, do điện trở tải nối giữa công tắc trượt và điểm chuẩn. b. Cảm biến vị trí sử dụng selsyn (Synchro Systems). Selsyn là bộ phận chuyển đổi chuyển động quay (dịch chuyển góc) thành một điện áp AC, hay ngược lại chuyển đổi điện áp AC thành chuyển động quay. Có ba loại selsyn khác nhau được sử dụng trong chuyển đổi dịch chuyển góc là: Bộ điều khiển phát, bộ điều khiển biến áp và bộ điều khiển vi sai. c. Bộ đo góc (Resolvers). Hình 2.3 Sai số tải được tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải được nối giữa công tác trượt và một đầu của dây điện trở. Eout + - aRp IL RL + 1 - 2 Es 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bộ đo góc là một thiết bị chuyển đổi chuyển động quay thành một tín hiệu ở đầu ra là một hàm của vị trí roto. Hình 2.4 thể hiện vị trí của các cuộn dây trong bộ đo góc. Hai cuộn dây roto đặt cách nhau 900, Hai cuộn dây stato đặt cách nhau 900. Mỗi cuộn dây có thể xem như là cuộn sơ cấp và cuộn còn lại là cuộn thứ cấp. Công thức sau định nghĩa điện áp thứ cấp quan hệ với điện áp sơ cấp khi cuộn roto dược sử dụng như là cuộn sơ cấp: )sincos( 431  EEKE  (2.1) )sin3cos( 42  EEKE  (2.2) Khi bộ đo góc được sử dụng như là cảm biến vị trí, thì một cuộn dây roto được nối tắt hình 2.5 Nếu E4 được nối tắt thì công thức (2.1) và (2.2) được đơn giản thành: cos31 KEE  (2.3) cos31 KEE  (2.4) Công thức (2.3) và (2.4) định nghĩa đầu ra của bộ đo góc hình 2.5 Điện áp đầu vào : E3 = Asin(t), điện áp đầu ra E1 là điện áp dạng sin có biên độ đổi theo sin của góc dịch chuyển vị trí roto, tương tự đầu ra E2 cũng là dạng sin  E2 E1 E3 E4 Hình 2.4 Bộ đo góc, một loại cảm biến mà tín hiệu đầu ra của nó là một hàm lượng giác của vị trí trục roto . Hai cuộn roto đặt cách nhau 900, hai cuộn Stator cũng đặt cách nhau 900 Hình 2.5 Bộ đo góc sử dụng như cảm biến, có môt cuộn dây roto ngắn mạch Từ bộ đo góc đến encoder số E2 E1 E3 E4  25 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên có biên độ thay đổi theo hàm sin góc dịch chuyển vị trí roto. Cảm biến vị trí sử dụng bộ đo góc, yêu cầu một mạch xử lý tín hiệu để chuyển đổi hai điện áp E1, E2 thành tín hiệu điện thế có liên hệ với góc dịch chuyển roto . Nếu yêu cầu tín hiệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu số, thì mạch sử lý tín hiệu cũng phải chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang dạng số, vậy cảm biến thực hiện hai chức năng là bộ đo góc và chuyển đổi tín hiệu sang dạng số. 2.2.3 Các loại cảm biến có đầu ra là số. a. Bộ chuyển đổi số. * Bộ mã hóa số trực tiếp. Theo lý tưởng, bộ biến đổi có thể đo một đại lượng vật lý tự nhiên chuyển thành số Binary hay số BCD. Bộ biến đổi loại này rất ít, thực tế thì bộ mã hóa số hầu như chỉ là phần căn bản của bộ biến đổi số. Về căn bản bộ biến đổi số đo sự thay đổi của đại lượng. Tuy nhiên, nó có thể dùng để xác định lực, áp suất, mực chất lỏng bằng cách dùng thiết bị đo chuyển động cơ học (analog mechanical motion translators). Xung nhịp thời gian cũng thuộc loại này, nó trực tiếp tạo tín hiệu số ở đầu ra. * Bộ mã hóa xung, tần số và thời gian . Bộ mã hóa loại này tạo ra một chuỗi xung số ứng với một hiện tượng vật lý. Ở đây, giá trị của đại lượng cần đo được mã hóa thành độ rộng xung hoặc tần số của xung. Một vài bộ gia công số yêu cầu phải có một thời gian hoặc tần số mẫu chính xác để so sánh với xung của đại lượng vật lý được đo. Tần số và chu kỳ được liên hệ bởi công thức: Tần số =1/(chu kỳ). Thông tin từ bộ biến đổi số loại này tương thích với máy tính, máy tính phải đếm được độ rộng xung hoặc xung clock để lấy được thông tin của đại lượng bên ngoài. Bộ chuyển đổi Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ mã hóa số trực tiếp. Nhiệt độ, dòng chảy, áp suât, dòng điện , điện áp… Biến đổi trực tiếp Đầu ra số Máy tính Đầu vào số 26 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Bộ mã hóa tương tự sang số. Ở đây tín hiệu tương tự (thay đổi điện trở, ứng suất) được ghép với một mạch điện để tạo ra tần số hoặc một chuỗi xung . * Bộ chuyển đổi A/D. Tín hiệu tương tự từ bộ biến đổi có thể được đưa vào trong máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D. b. Encoder số. Mỗi bộ encoder số bao gồm một đĩa tròn với một vạch kẻ mẫu ở trên đó. Các vạch mẫu này được đọc bởi đầu cảm biến. Đĩa này thường đi kèm với trục của nó và trục này làm quay những mẫu khác phát ra tín hiệu cho mỗi vị trí nhận được. Cách ghi các mã trên đĩa phụ thuộc vào các vạch mẫu trên nó. Có ba loại encoder chính: * Encoder tiếp xúc: Điểm tiếp xúc thực tế của loại encoder này là giữa đĩa và đầu đọc thông qua chổi than. Loại này có nhược điểm là tạo ra ma sát, hao mòn, bụi bẩn, điện trở tiếp xúc và rung động… làm giảm độ chính xác và tuổi thọ. Bộ chuyển đổi Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian Tốc độ, dòng chảy, áp suât, dòng điện , điện áp… Xung Đầu ra số Máy tính Đầu vào số Bộ đếm Xử lý số Nhiệt độ, áp suât, khối lượng… Điện trở ứng suất Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số Đầu ra số khuếch đại Xử lý số Bộ đếm Xử lý số Xử lý tương tự Khuếch đại Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital Nhiệt độ, Dòng chảy, … Đầu ra số Chuyển đổi A/D hay V/F 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Độ phân giải của encoder phụ thuộc vào đường rãnh và độ chính xác nhỏ nhất của một rãnh có thể có được trên đĩa. Độ phân giải có thể tăng lên bằng các nhiều tầng đĩa hoặc dùng bộ đếm lên/xuống có dung lượng bộ đếm cao. * Encoder từ trường: Encoder từ trường yêu cầu đĩa phải được tráng một lớp vật liệu từ, trong đó những vạch mẫu không được phủ. Các vết từ có thể đọc bằng một đầu đọc làm bằng nam châm. Encoder từ trường có tuổi thọ cao hơn Encoder tiếp xúc. * Encoder quang: Encoder quang là loại thông dụng nhất nhờ vào độ chính xác cao và dùng ánh sáng của bán dẫn (Leds). Một encoder quang có bốn phần chính: nguồn quang, đĩa mã, cảm biến quang và mạch xử lý tín hiệu. Encoder quang có thể được phân thành hai loại: Encoder tương đối (Incremental Encoder) và encoder tuyệt đối (Absolute Encoder). Chức năng cơ bản của mạch xử lý tín hiệu số của encoder tăng dần là xác định hướng quay và số xung phát ra để xác định góc dịch chuyển của đĩa mã. Số xung phát ra là tín hiệu số, do đó bộ chuyển đổi ADC là không cần thiết cho encoder loại này. 2.2.4 Nguyên lý của các encoder dùng nguyên tắc quang điện. Nguồn sáng Thấu kính hội tụ Tế bào quang điện Mã chuẩn Thước đo Lưới kính Hình 2.10 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi thấu (Heidenhain) 28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đầu phát gồm một thiết bị chiếu sáng, một thấu hính hội tụ, một lưới chia quang và các tế bào quang điện. Nguyên lý của nó là khi đầu phát có sự dịch chuyển tương đối so với thước đo chạy giữa thấu kính hội tụ và lưới chia, sẽ xuất hiện một tín hiệu dạng hình sin. Nhờ các tế bào quang điện bố trí thành hai hàng trên nhau, đặt lệch nhau một phần tư độ chia, ta nhận được hai tín hiệu I1 và I2 lệch pha nhau 90 0 . Hai tín hiệu hình sin này được đưa đến bộ nội suy và bộ số hóa tín hiệu điện bên ngoài để xử lý. Có nhiều phương pháp nội suy. Ở đây ta đưa ra hai phương pháp nội suy: 1. Phương pháp nội suy với bảng nội suy và khối tính toán hiệu chỉnh. Ở phương pháp này, hai tín hiệu dòng điện được phát ra từ hai cấu tử quang điện được khuyếch đại và biến đổi thành hai tín hiệu điện áp tương tự. Hai tín hiệu điện áp này được đưa đến khối lấy mẫu và lưu giư sau đó đưa đến bộ biến đổi ADC. Hai tín hiệu điện áp số đó được sử dụng để địa chỉ hàng và cột của bảng nội suy để xác định giá trị vị trí tức thời trong một chu kỳ tín hiệu. Còn bộ tính toán hiệu chỉnh so sánh giá trị tức thời với giá trị đạt được ở chu kỳ trước đó và tạo ra hai sóng hình vuông ua1 và ua2 lệch nhau 90 0 . 2. Một phương pháp nội suy số khác dùng vi xử lý được chỉ ra ở hình 2.12. Phương pháp này sử dụng bộ tính toán arctang. Ở đây hai giá trị điện áp số được đưa vào bộ Vi xử lý để tính thương S1/S2 và xác định được góc tương ứng từ bảng trong EPROM. Bảng này chỉ ra giá trị vị trí trong một chu kỳ tín hiệu. Tại cùng một thời điểm hai giá trị dòng điện tương tự I1 và I2 được biến đổi thành sóng hình vuông và chu kỳ tín hiệu được đếm. Giá trị vị trí thực được xác định bởi giá trị Nội suy Tính toán & hiệu chỉnh Ua1 Ua2 Lấy mẫu và lưu giữ A D S2 I1 I2 S1 Hình 2.11 Phương pháp nội suy dùng bảng nội suy và khối tính toán 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên đếm được và góc tính được. Ngoài ra, giá trị chính xác có thể được đọc từ bảng trong RAM và tính toán thàng giá trị vị trí . Kết quả của quá trình xử lý này là dữ liệu dạng mã mà được truyền đến bộ điều khiển, máy tính hoặc bộ hiển thị theo cổng nối tiếp hoặc song song. 2.3 Thành phần cơ bản của hệ điều khiển trong máy CNC Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC bao gồm các cụm điều khiển máy (Macchine Control Unit - MCU), cụm điều khiển động cơ servo (Servo driver), cụm động cơ servo, cụm phản hồi tốc độ (Velocity feedback), cụm phản hồi vị trí (Position feedback). Cụm điều khiển máy đóng vai trò điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống, nó làm nhiệm vụ giao tiếp giữa người vận hành và hệ thống , nhận lệnh điều khiển MCU Servo driver Bàn máy Servo motor Velocity feedback (Encoder, resolver) Position feedback (Encoder,inductosyn) Hình 2.13 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC Hình 2.12 Phương pháp nội suy dùng bộ tính toán arctang p Lấy mẫu và lưu giữ A D I1 I2 S1 S2 couter RAM ROM Transmitter Receiver Transmitter Driver 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên tính toán nội suy để đưa ra các thuật toán số học , logic theo trì nh tự xác định. Từ công nghệ gia công do người lập trì nh nạp vào MCU, nhờ hệ thống phần mền MCU sẽ đưa ra tín hiệu từ cụm phản hồi vị trí để liên tục điều chỉnh các sai lệ ch vị trí trong quá tŕnh làm việc. Sai lệch tốc độ của động cơ servo sẽ được cụm phản hồi tốc độ phát hiện và đưa tới cụm điều khiển servo để hiệu chỉnh. 2.4 Chức năng của cụm điều khiển. Cụm điều khiển máy được coi là trái tim của máy công cụ điều khiển số. Nó có nhiệm vụ liên kết tất cả các chức năng để điều khiển máy. Các chức năng bao gồm: Vào, ra số liệu xử lý các số liệu và ghép nối máy với các thiết bị ngoại vi. 2.4.1 Số liệu vào (data input). Chức năng này bao gồm: Chức năng vào và lưu trữ số liệu. Đó là số liệu mô tả đường chuyển động của dụng cụ và điều kiện gia công sản phẩm. 2.4.2 Xử lý số liệu (data processing). Cấu trúc chương trình điều khiển được đưa vào cụm MCU và được nó mã hóa thành số nhị phân sau só lưu trữ vào cụm nhớ đệm. Các số liệu này được bộ xử lý trung tâm (central processing unit - CPU) tính toán xác định vị trí, lượng chạy dao, hiệu chỉnh chiều dài (Tool length ofset) và đường kính dụng cụ (Tool diameter offset). Cũng như các số liệu rời rạc như yêu cầu điều khiển đóng ngắt hệ thống bôi trơn, làm mát chi tiết và các thiết bị điều khiển cổng (I/0) đảm bảo trì nh tự truyền tín hiệu giữa máy công cụ, PLC và hệ điều khiển CNC. 2.4.3 Số liệu ra (data output). Số liệu đưa ra của MCU là tín hiệu vị trí và lượng chạy dao. Các tín hiệu này được đưa tới mạch điều khiển servo để sinh ra tín hiệu điều khiển động cơ. Trong cụm dẫn động, động cơ luôn có mạch khuyếch đại bởi vì tín hiệu trước khi đưa vào cụm dẫn động rất nhỏ không đủ công suất để động động cơ làm việc. 2.4.4 Ghép nối vào/ra (machine I/0 interface). Các tín hiệu rời rạc yêu cầu từ số liệu vào như chiều quay trục chính, đóng mở động cơ làm mát, bôi trơn, dừng khẩn cấp , dừng chu trì nh và các tín hiệu khác từ máy công cụ gửi tới hệ điều khiển CNC. 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.5 Phần cứng cụm điều khiển. Phần cứng của cụm MCU gồm 6 thành phần cơ bản : vi xử lý trung tâm, bộ nhớ, điều khiển servo, thiết bị lôgic điều khiển trình tự và mạch ghép nối. Các thành phần liên hệ với CPU thông qua BUS. Thành phần trong MCU chỉ ra trên hình 2.14 2.5.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU). Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit- CPU) là một máy tính nhỏ hoặc thành phần chính của một máy tính nào đó. Số lượng cấu trúc cơ bản của máy tính có thể thực hiện được là nhờ mối liên hệ trực tiếp rất tinh vi của các mạch logic trong CPU. Nhờ chương trình nguồn ghi trong bộ nhớ để hình thành thuật to án trên cơ sở dữ liệu đưa vào cho phù hợp với chương trình điều khiển và điều khiển các thiết bị trong và ngoài CPU thông qua BUS. Cấu trúc CPU gồm 3 phần tử cơ bản: Phần tử điều khiển, phần tử logic số học, bộ nhớ truy nhập nhanh. a. Phần tử điều khiển. Phần tử điều khiển (Control section) làm nhiệm vụ điều khiển tất cả các phần tử của nó và các phần tử khác của CPU. Xung nhịp từ đồng hồ đưa vào điều khiển đồng bộ hoạt động của các phần tử.Phần tử điều khiển chuyển đổi thông tin giữa nó với các phần tử khác thông qua BUS. Đồng thời nó cũng có nhiệm vụ sinh ra tín hiệu yêu cầu thông tin từ các phần tử khác. Tổ chức cấu trúc được lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính được xem như một chương trình và chương trì nh có thể thay đổi được bằng thay đổi thứ tự các thông tin số đã lưu trữ trong bộ nhớ. Chính nhờ khả năng quan trọng này của CPU đã làm cho MCU trở nên linh hoạt hơn. ROM, RAM Ghép nối Hệ thống BUS Điều khiển servo Điều khiển lập trìnhPLC CPU Hình 2.14 Thành phần cơ bản của MCU 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Số liệu qua cổng vào/ra được đưa vào bộ nhớ truy nhập nhanh, phần tử điều khiển gọi chương trình điều khiển lưu trữ trong ROM hoặc RAM của bộ nhớ chính gửi tới và gửi tín hiệu đến các cụm trong hệ thống để thực hiện các cấu trúc yêu cầu. Trong phần tử điều khiển có mạch giải mã lệnh (Unit cotrol). Mạch này giải mã các thông tin đọc từ bộ nhớ truy nhập nhanh và đưa các thông tin sau khi xử lý tới mạch tạo xung điều khiển . Các dãy xung điều khiển khác nhau sẽ điều khiển các bộ phận khác nhau hoạt động phù hợp với yêu cầu. b. Phần tử số học (Arithmetic and logic unit - AUL). Với nhiệm vụ hì nh thành các thuật toán mong muốn trên cơ sở dữ liệu đưa vào. Kiểu thuật toán số học là cộng, trừ, nhân, chia, cộng logic và các chức năng khác theo yêu cầu của chương trì nh. Khối logic số thực hiện các phép so sánh, phân nhánh, lựa chọn, lặp, phân vùng bộ nhớ. Liên kết với ALU là một thanh ghi lưu trữ các số liệu trong quá trì nh tính toán. Thanh ghi lưu trữ số liệu này gần giống với vùng lưu trữ đặc biệt trong bộ nhớ nhưng khác là các thanh ghi là các thanh ghi TTL tốc độ cao c. Bộ nhớ truy cập nhanh. Bộ nhớ truy cập nhanh (Immediate access memory) là bộ nhớ trong của CPU dùng để lưu trữ tạm thời các số liệu đang được các phần tử số học xử lý hoặc chương trình điều khiển từ ROM, RAM gửi tới. 2.5.2 Bộ nhớ. Bộ nhớ trong CPU thường có dung lượng nhỏ và chỉ lưu chữ số liệu tạm thời vì vậy trong CNC cần có bộ nhớ dung lượng lớn để lưu giữ chương trì nh ứng dụng hay còn gọi là chương trình NC , chương trình điều khiển, chương trình ghép nối với các số liệu đã được xử lý . Bên trong máy tính của CNC thường có hai loại bộ nhớ: Bộ nhớ có sẵn (ROM, RAM) và bộ nhớ mở rộng (ổ cứng, ổ mềm, card nhớ, CD room). 2.6 Phần mềm CNC. Chương trì nh bên trong hệ điều khiển CNC có ba loại : Chương trình điều hành, chương trình điều khiển trình tự và chương trình công nghệ. 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.6.1 Phần mềm điều hành. Phần mềm điều hành là chương trì nh điều hành máy, thực hiện các chức năng NC . Chương trì nh điều hành được sản xuất lập trì nh sẵn và được nạp vào ROM của máy. Chức năng chính của chương trì nh điều hành là chấp nhận chương trình ứng dụng như là tín hiệu vào và sinh ra tín hiệu điều khiển dẫn động động cơ. 2.6.2 Phần mềm điều khiển trình tự. Điều khiển trì nh tự cho các máy CNC người ta thường dùng các bộ điều khiển logic lập trình PLC . Phần mềm điều khiển trì nh tự là phần mềm lập trình điều khiển cho PLC. PLC sẽ truyền thông với CPU của MCU. Chương trình từ MCU gửi tới PLC là chương trình NC còn dữ liệu PLC gửi tới MCU là lệnh bắt đầu chu trình, Dừng khẩn cấp, giữ tốc độ, lệnh thay dao cụ, lệnh đóng mở hệ thống bôi trơn làm mát và một vài lệnh rời rạc khác. 2.6.3 Phần mềm ứng dụng. Chương trình ứng dụng còn gọi là chương trình NC . Chương trình cho phép mô tả đường chuyển động của dụng cụ trong quá trì nh gia công, kiểu chuyển động: chạy nhanh, nội suy thẳng , nội suy vò ng, điều kiện cắt, tốc độ trục chính, lượng ăn dao, chiều sâu cắt . Chương trình ứng dụng có thể viết bằng hai cách : Chương trình mã G và chương trình tham số. a. Chương trình mã G Lập trình theo chương trình mă G là sử dụng các mã lệnh G, M, S, F, T và các lệnh khác để hình thành chương trì nh gia công . Chương trì nh được viết theo khối, trong một khối nhiều từ (word). Ví dụ: N05 G90 G80 G17 N10 T01 M06 N15 G01 X20 Y50 F12 Chương trình này có ba khối, khối thứ nhất có bốn từ, khối thứ hai có ba từ, khối thứ ba có năm từ. b. Chương trình tham số 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Sử dụng mã G lập trình gia công một bề mặt phức tạp và có chương trình lặp bằng các chương trì nh con đơn giản gặp nhiều khó khăn , bởi vì cần phải xác định nhiều thông số cần thiết khi lập trình . Do vậy chương trì nh gia công dài mắc nhiều lỗi và độ chính xác thấp . Vì vậy với những gia công bề mặt phức tạp chương trì nh viết theo tham số sẽ dễ dàng hơn chương trì nh viết bằng mã G. Lập trình tham số cho phép thực hiện các phép tính số học, logic, phép lặp và nhiều tiện ích khác. Ngoài hai chương trì nh bằng tay trên hiện nay với sự trợ giúp bằng máy tính người ta đã lập được chương trì nh hỗ trợ cho phép người vận hành có thể lập trì nh trực tiếp bằng đồ họa trên máy và máy tự động tính toán để đưa ra chương trì nh công nghệ điều khiển chạy dao. Kết luận Hệ thống điều khiển CNC thông thường gồm các khối: Khối điều khiển máy, khối điều khiển servo , động cơ servo, khối phản hồi tốc độ , khối phẩn hồi vị trí . Khối điều khiển máy là đầu não trung tâm của máy CNC nó bao gồm: Một máy tính có nhiệm vụ điều khiển chung các hoạt động của máy , giao tiếp với người sử dụng , nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí và thực hiện các thuật toán nôi suy , so sánh và đưa ra của các lệnh điều khiển , hiệu chỉnh vị trí gia công , các bộ điều khiển khả trình PLC làm nhiệm vụ điều khiển các chức năng tuần tự của máy . Khối điều khiển servo làm nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển từ máy tính trung tâm nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến tốc độ , thực hiện các thuật toán điều chỉnh hợp l ý (PID, trượt, mờ, nơron) để điều khiển năng lượng cấp cho động cơ servo . Cảm biến dùng để đo tốc độ trong máy CNC hiện nay thường dùng là các loại Encoder , Reslve, Synchro. Cảm biến dùng để đo vị trí trong máy CNC thường là biến áp vi sai hoặc Encoder hoặc Induct osyn. Truyền động trong các máy CNC hiện nay thường là các máy CNC hiện nay thường là các hệ truyền động động cơ một chiều hoặc động cơ xoay chiều. Chương tiếp theo sẽ đề cập tới các hệ truyền động sử dụng cho hệ truyền động bàn máy phay CNC. 35 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG III PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Trong máy công cụ điều khiển số hệ truyền động gồm hai thành phần cơ bản đó là bộ điều khiển và động cơ. Thành phần điều khiển làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ CNC thành tín hiệu điều khiển động cơ . Động cơ làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng từ các dạng năng lượng khác nhau thành chuyển động cơ học.Thông thường trong máy cắt gọt kim loại có trục chính tác động ăn dao và các tác động phụ trợ trong tọa độ không gian 2 trục (X,Y), không gian 3 trục (X,Y,Z) hoặc các tác động quay xung quanh các trục tọa độ hay còn gọi là hệ nhiều trục . Ngoài nhiệm vụ tạo nên các quỹ đạo chuyển động , hệ tryền động đi._.n sai lệch, v.v .. Số lượng các tập mờ là trọng tâm cần lưu ý khi thiết kế các hệ điều khiển logic mờ. Trong một miền giá trị ta có thể chọn số tập mờ khác nhau, thông thường miền giá trị mờ đầu vào được chia thành nhiều tập mờ gối lên nhau. Thường người Khối luật mờ Vào Ra Khối hợp thành Khối giải mờ Khối mờ hóa 92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ta chia số tập mờ từ 3 đến 9 giá trị, số lượng các tập mờ đầu vào xác định số lượng lớn nhất các luật điều khiển mờ trong hệ điều khiển logic mờ. Khối hợp thành có nhiệm vụ đưa vào tập mờ đầu vào (trong tập cơ sở U) và tập các luật mờ (do người thiết kế đặt ra) để tạo thành tập mờ đầu ra (trong tập cơ sở V). Hay nói cách khác là nhiệm vụ của khối hợp thành là thực hiện ánh xạ tập mờ đầu vào (trong U) thành tập mờ đầu ra (trong V) theo các luật mờ đã có. Các nguyên lý logic mờ được áp dụng trong khối hợp thành để tổ hợp từ các luật mờ IF – THEN trong luật mờ cơ bản thành thao tác gán một tập mờ A‟ (trong U) tới tập mờ B‟ (trong V). Ta đã biết rằng các luật mờ IF - THEN được diễn giải thành các quan hệ mờ trong không gian nền U*V. Khi dùng quy tắc MAX – MIN thì dấu “*” được thay thế bằng cách lấy cực tiểu. Khi dùng quy tắc MAX – PROD thì dấu “*” được thực hiện bằng phép nhân bình thường. Các luật mờ cơ bản là tập hợp các luật mờ IF – THEN được xây dựng trên các biến ngôn ngữ, các luật mờ này được đặc trưng cho mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ, nó là trái tim của hệ điêu khiển logic mờ. Sử dụng luật mờ cơ bản này làm công cụ để suy luận và đưa ra các đáp ứng một cách có hiệu quả. Ta xét hệ mờ với nhiều đầu vào và một đầu ra (hệ MISO) với U = U1xU2x … xUn  R n. Nếu hệ có m đầu ra từ y1, y2, … yn thì có thể phân thành m hệ mỗ i hệ có n đầu vào và một đầu ra. Luật cơ sở là luật có dạng sau: Ru (1) : Nếu x1 là An 1 Và…Và xn là An 1 Thì y là B 1 Trong đó Ai 1 là B 1 là các tập hợp mờ trong U1  R n và V  R, nếu có M luật mờ cơ sở thì 1 = 1, 2, …, M. Luật mờ trên là luật mờ chính tắc, từ luật mờ chính tắc trên có một số mệnh khác bổ trợ khác. Giải mờ được định nghĩa như gán một tập mờ B‟ trong V  R (Là đầu ra của thiết bị hợp thành) với một giá trị rõ y*  V. Như vậy phép giải mờ là cụ thể 93 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hoá một điểm trong V mà nó có thể hiện rõ nhất tập mờ B‟. Tuy nhiên tập mờ B‟ được xây dựng theo các cách khác nhau. Để chọn phương pháp giải mờ thích hợp ta có thể dựa vào các tiêu chuẩn sau đây: - Tính tin cậy: Điểm y* phải đại diện cho tập mờ B‟ một cách trực giác, ví dụ có thể nằm ở gần giữa miền xác định của tập mờ B hoặc là điểm của hàm liên thuộc cao nhất trong B. - Đơn giản trong tính toán: đây là tiêu chuẩn quan trọng vì trong điều khiển mờ các tính toán đều làm việc trong chế độ thời gian thực. - Tính liên tục: Thể hiện ở việc làm khi có sự thay đổi nhỏ trong B‟ sẽ không gây sự biến đổi lớn trong y*. 5.1.2 Nguyên lý điều khiển mờ. Về nguyên lý, hệ thống điều khiển mờ cũng gồm các khối chức năng tương tự như hệ điều khiển truyền thống, điểm sai khác ở đây là sử dụng bộ điều khiển mờ làm việc có tư duy như “bộ não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo. Nếu khẳng định làm việc với bộ điều khiển mờ có thể giải quyết được theo phương pháp kinh điển thì không hoàn toàn chính xác, vì hoạt động của bộ điều khiển phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người, sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở của logic mờ. Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế trên: - Giao diện đầu vào bao gồm khâu mờ hoá và các khâu phụ trợ thêm để thực hiện các bài toán động như tích phân, vi phân... - Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển (luật mờ). - Khâu giao diện đầu ra (chấp hành) gồm khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng. Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ ra và sự lựa chọn luật điều khiển. Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các gía trị vào/ra 94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên biểu diễn dưới dạng dấu phảy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu của một bài toán điều khiển “rõ ràng” và “chính xác”. 5.1.3 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ. Như ta đã biết hệ thống điều khiển mờ có mục đích mô phỏng suy nghĩ điều khiển của con người để điều khiển một đối tượng nào đó. Nhìn chung, hiểu biết của con người để điều khiển một đối tượng kỹ thuật nào đó có thể phân tích thành hai loại: + Loại hiểu biết rõ: Conscious knowledge. + Loại hiểu biết chưa rõ Subconscious knowledge. - Khi xây dựng bộ điều khiển mờ, với các hiểu biết rõ thì ta dùng luật “Nếu... thì” và diễn đạt điều đó vào hệ thống mờ. Với các hiểu biết chưa rõ lúc điều khiển ta phải đo lường trực tiếp trên đối tượng, các số liệu vào ra lúc đó, sau đó tập hợp lại thành tập các dữ liệu vào/ra và ta sử dụng để xây dựng bằng cách chuyển đổi hiểu biết của con người thành bộ điều khiển mờ với bộ số liệu vào/ra như hình 5.2 Hình 5.2 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ. Giả thiết rằng, người thiết kế đã có đủ các kinh nghiệm và muốn chuyển nó thành thiết bị hợp thành trong một bộ điều khiển mờ thì ta phải tiến hành các bước sau đây: Bước 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra: Hiểu biết rõ Các luật nếu … thì Hiểu biết về đối tượng HỆ MỜ Hiểu biết chưa rõ Sử dụng chuyên gia mô phỏng hoạt động của đối tượng Đo lường cặp dữ liệu vào ra 95 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ở bước này tuỳ theo yêu cầu điều khiển và kinh nghiệm chuyên ra mà việc chọn các biến vào/ra vừa có tính khách quan vừa có tính chủ quan của người thiết kế. Giả sử rằng nếu bộ điều khiển mờ làm chức năng của một bộ điều chỉnh (nghĩa là bộ điều khiển nằm trong mạch kín với điều khiển thời gian thực và mục đích chính là đảm bảo sai lệch cho phép giữa tín hiệu đặt và tín hiệu cần điều khiển) thì biến đầu vào có thể chọn làm sai lệch và đạo hàm của sai lệch, biến ra là đại lượng phản ánh tín hiệu cần điều khiển. Nếu bộ điều khiển làm chức năng tạo ra tín hiệu đặt cho hệ thống (có thể là hệ kín hoặc hệ hở, có thể bộ điều khiển làm việc ở thời gian thực hoặc không ở thời gian thực) thì số biến vào/ra hoàn toàn phụ thuộc việc phân tích tình hình cụ thể với yêu cầu chung là tập biến ngôn ngữ vào/ra này phải phủ hết không gian biến vào/ra. Bước 2: Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ ) cho các biến vào/ra Các việc cần làm trong bước này bao gồm: Xác định miền giá trị vật lý cho các biến vào/ra . Đây là miền giá trị rõ tới hạn cho các biến vào/ra, do vậy việc xác định căn cứ hoàn toàn vào đối tượng cụ thể. Số lượng tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến. Nguyên lý chung là số lượng các giá trị ngôn ngữ cho mỗi biến nên nằm trong khoảng từ 3 đến 9 giá trị. Nếu số lượng các giá trị này nhỏ hơn 3 thì việc chọn là quá thô, nếu số lượng này lớn hơn 9 thì quá mịn (con người khó có khẳ năng cảm nhận quá chi li), ảnh hưởng đến bộ nhớ và tốc độ tính toán. Lưu ý là cần chọn các giá trị của biến có phần chồng lên nhau và phủ hết miền giá trị vật lý để trong quá trình điều khiển không xuất hiện “lỗ hỏng”. Ví dụ: Một hệ điều khiển có hai biến vào (n = 2) với số lượng tập mờ cho biến 1 là N1 = 5, số lượng cho biến 2 là N2 = 7 và một biến ra y với N = 5, chọn hàm liên thuộc dạng hình tam giác ta có tập mờ vào/ra như hình 5.3. 96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2S CES 1 B1 B2 0 1 1x 01 1 01 2x X 1 1 1(X ) 2 02 0 2 x02 1x 2 1X (X ) 2 S 1 2 CES 1 BB1 2 B3S 3 0 0 y 2yy 10 BCESS  (y) 1 12 1 y y B2 Hình vẽ 5.3 Ví dụ chọn tập dữ liệu vào/ra. Trong đó: ký hiệu S3 , S2 , S1 : rất nhỏ, nhỏ vừa, nhỏ. B3 , B2 , B1 : rất lớn, lớn vừa, lớn. CE: Trung bình. 1 – B1, 2 – B2 ,3 – B3: là khoảng giá trị tới hạn của các tập X1, X2 và Y. Xác định dạng hàm liên thuộc. Đây là một điểm cực kỳ quan trọng vì quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ rất phụ thuộc vào kiểu hàm liên thuộc. Cần chọn các hàm liên thuộc có phần chồng nên nhau và phủ kín miền giá trị vật lý để trong quá trình điều khiển không xuất hiện “ lỗ hổng ”. Trong kỹ thuật thường ưu tiên chọn hàm liên thuộc kiểu hình tam giác hoặc hình thang, khi cần thiết và có lý do rõ ràng mới chọn hàm liên thuộc khác. Bước 3: Xây dựng các luật điều khiển. Đây là tập các luật: “ Nều – thì ” với một hoặc nhiềuđiều kiện khi xây dựng các luật phải dựa vào bản chất vật lý, dựa vào các số liệu đo đạc và kinh nghiệm chuyên gia, đồng thời phải lưu ý rằng hầu hết các bộ điều khiển sẽ có tín hiệu ra bằng 0 khi tất cả các tín hiệu vào bằng 0. Trong bước này cần thực hiện các công việc sau: 97 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Đầu tiên dựa vào từng cặp dữ liệu vào/ra đã biết để tạo ra từng luật riêng biệt. Cần lưu ý là với mỗi giá trị vào/ra ta sẽ chọn tập mờ nào có giá trị hàm liên thuộc lớn nhất. Ví dụ: Theo Hình 5.3 với hai cặp giá trị (x101; x 1 02; y 1 0 ) và ( x 2 01; x 2 02; y 2 0) ta có hai luật: R4: Nếu x1 là B1 và x2 là S1 thì y là CE; R5: Nếu x1 là B1 và x2 là CE thì y là S1; - Xác định cấp độ mỗi luật : Nếu có các luật gây xung đột thì cần xác định trọng số cuả các luật này. Ví dụ: Xác định trọng số các luật ở Hình 5.3. Giá trị rõ đo được cho ra R4 là x 1 01; x 1 02; y 1 0 tương ứng với B1 (x 1 01) = 0,8, S1 (x 1 02) = 0,6, CE (x 1 01) = 0,8; như vậy trọng số cho R4 là 0,8x0,6x0,8 = 0,384. Giá trị rõ đo được cho R5 là x 2 01; x 2 02; y 2 0 thì B1 (x 2 01) = 0,6, CE (x 2 02) = 1, B1 (y 2 0) = 0,7; như vậy trọng số của R5 là 0,6x1x0,7 = 0,42. - Xác định tập đầy đủ các luật “ Nếu – thì ” và lập bảng luật theo tập vào. Dựa vào từng luật riêng, trọng số của luật (Nếu có xung đột) và kinh nghiệm chuyên gia ta thành lập bảng luật đó là bảng luật theo tập dữ liệu vào. x1/x2 S3 S2 S1 CE B1 B2 B3 S2 B2 S1 CE CE S2 S1 B1 CE B1 B2 B3 B1 CE B2 B1 Bảng: 5.1 Các luật điều khiển. Ví dụ: Ta có các luật điều khiển sau (các ký hiệu theo bảng 5.1) R1 : Nếu X1 = S2 và X2 = CE thì Y = B2 hoặc R2 : Nếu X1 = S1 và X2 = CE thì Y = CE hoặc R3 : Nếu X1 = CE và X2 = S2 thì Y = S1 hoặc R4 : Nếu X1 = B1 và X2 = S1 thì Y = CE hoặc R5 : Nếu X1 = B1 và X2 = CE thì Y = B1 hoặc R6 : Nếu X1 = CE và X2 = S3 thì Y = S2 hoặc 98 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên R7 : Nếu X1 = B2 và X2 = CE thì Y = B1 hoặc R8 : Nếu X1 = CE và X2 = B1 thì Y = B1 hoặc R9 : Nếu X1 = CE và X2 = B1 thì Y = B1 hoặc R10 : Nếu X1 = CE và X2 = B2 thì Y = B2 hoặc R11 : Nếu X1 = CE và X2 = B3 thì Y = B3 hoặc Để dễ ràng minh hoạ cách lập bảng dự liệu vào, ta mô tả trường hợp có hai tín hiệu vào x1 , x2 ở Hình 5.3 vì x1 có 5 tập và x2 có 7 tập giá trị mờ nên ta có bảng với 5x7 = 35 ô. Mỗi ô của bảng sẽ biểu thị một giá trị của tập kết quả, chẳng hạn với các luật từ R1 đến R11 như trên sẽ được ghi ở bảng dữ liệu vào (bảng 5.1) Ta có thể tổ hợp đầy đủ quan hệ giữa x1 , x2 để tạo thành 35 luật và điền kín bảng, tuy vậy thực tế không cần sử dụng hết cả 35 luật nói trên. Khi biểu diễn thành bảng dữ liệu vào, ta dễ ràng quan sát và hiệu chỉnh để được kết quả ra mong muốn. Khi gặp các luật xung đột, nghĩa là có phần “Nếu” như nhau nhưng phần “Thì” lại khác nhau (thực tế có thể xảy ra như vậy) thì ta tính trọng số để chọn luật có trọng số lớn nhất. Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành ( MAX –MIN hay SUM – MIN...); Ta có thể chọn thiết bị hợp thành theo các nguyên tắc : Sử dụng công thức : AB (x) = MAX A (x), B (x) Để có luật MAX – MIN; MAX – PROD; Sử dụng công thức: Lukasiewicscos luật SUM – MIN; SUM – PROD; Sử dụng tổng Einstein. Sử dụng tổng trực tiếp... Bước 5: Chọn nguyên lý giải mờ: Từ hàm liên thuộc hợp thành để xác định của tập mờ đầu ra, ta có thể chọn phương pháp giải mờ thích hợp để xác định giá trị rõ đầu ra của bộ giải mờ. Thường thì chọn phương pháp giải mờ trọng tâm hay bình tâm, vì lúc đó kết quả đầu ra có sự tham gia đầy đủ của tất cả các luật từ R1 đến R11. Bước 6: Tối ưu hoá: 99 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Sau khi bộ điều khiển mờ đã được tổng hợp ta ghép nó với đối tượng mô phỏng để thử nghiệm. Quá trình thử nghiệm trên mô hình sẽ cho ta trước tiên kiểm tra các “lỗ hổng”, nếu có “lô hổng” xuất hiện thì có thể phải điều chỉnh lại độ phủ nên nhau của các giá trị ngôn ngữ, điều chỉnh lại luật điều khiển. Ngoài ra nếu bộ điều khiển làm việc không ổn định thì phải kỉêm tra lại luật “ Nếu – thì ” cơ sở. Sau khi biết chắc bộ điều khiển đã làm việc ổn định và không có “lỗ hổng”, ta có thể tối ưu hoá các trạng thái làm việc của nó theo các chỉ tiêu khác nhau. Chỉnh định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này thường là phải hiệu chỉnh hàm liên thuộc, thiết kế các nguyên tắc điều khiển phụ hoặc thay đổi một số nguyên tắc điều khiển. 5.2 Các bộ điều khiển mờ. 5.2.1 Phƣơng pháp tổng hợp kinh điển. Trước khi đi vào việc phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển mờ, cũng cần lược qua một cách nhắn ngọn các phương pháp tổng hợp kinh điển, vì đứng trên một phương diện nào đó điều này cũng thật là thú vị. Phương pháp kinh điển bao gồm các bước : 1) Xây dựng mô hình đối tượng đủ chính xác. 2) Đơn giản hoá mô hình. 3) Tuyến tính hoá mô hình tại điểm làm việc. 4) Chọn bộ điều khiển thích hợp và xác định các tính chất mà bộ điều khiển phải có . 5) Tính toán các thông số của bộ điều khiển . 6) Kểm tra bộ điều khiển vừa thiết kế bằng cách ghép mô hình đối tượng điều khiển , nếu kết quả không được như mong muốn quay lại bước 2 cho đến khi đạt được kết quả mong muốn. 7) Đưa bộ điều khiển vừa thiết kế vào điều khiển đối tượng thực vàkiểm tra quá trình làm việc của hệ thống. Nếu chưa đạt yêu cầu thiết kế lại bộ điều khiển theo các bước từ 1 đến 7 cho đến khi đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn. 100 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nhìn chung phương pháp tổng hợp kinh điển thường gặp những khó khăn do việc phải xây dựng được mô hình đối tượng trước khi thiết kế các bộ điều khiển. Mặt khác các bộ điều khiển phải đựoc thiết kế dựa trên cơ sở kỹ thuật và đảm bảo tính chất phù hợp đối tượng của các bộ điều khiển này. Song trong thực tế khi thiết kế hệ điều khiển mờ không nhất thiết phải biết trước mô hình mà chỉ cần thể hiện những hiểu biết về đối tượng qua các biến ngôn ngữ về động học của đối tượng, những biến này lại được phản chiếu qua các biến ngôn ngữ và các nguyên tắc điều khiển cơ sở của bộ điều khiển mờ. Trong nhiều trường hợp khả năng nhận dạng đối tượng qua mô hình cực kỳ khó khăn và nhiều trường hợp không thể thực hiện được, nên việc tổng hợp hệ thống điều khiển bằng thiết kế bộ điều khiển mờ cho phép tiết kiệm rất nhiều công sức giá thành lại rẻ. Đó là điểm mạnh của điều khiển mờ trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển các đối tượng phức tạp, các đối tượng mà trong việc xây dựng mô hình cực kỳ khó khăn. Ngay cả đối với các đối tượng điều khiển đơn giản quy trình thiết kế hệ thống mờ cũng ngắn hơn so với quy trình thiết kế hệ thống điều khiển kinh điển. 5.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh. Bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x) liên hệ nhau theo một phương trình đại số (tuyến tính hoặc phi tuyến). Các bộ điều khiển tĩnh điển hình là bộ khuyếch đại P, bộ điều khiển relay hai vị trí, ba vị trí v.v…Một trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều khiển mờ tuyến tính từng đoạn, nó cho phép ta thay đổi mức độ điều khiển trong các phạm vi khác nhau của quá trình, do đó nâng cao được chất lượng điều khiển. Bộ điều khiển mờ tĩnh có ưu điểm là đơn giản, dễ thiết kế, song nó có nhược điểm là chất lượng điều khiển không cao vì chưa đề cập đến các trạng thái động (vận tốc, gia tốc…) của quá trình, do đó nó chỉ được sử dụng trong các trường hợp đơn giản. 101 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5.2.3 Bộ điều khiển mờ động. Một trong các dạng hay dùng của bộ điều khiển mờ mà đầu vào có xét tới các trạng thái động của đối tượng. Ví dụ đối với hệ điều khiển theo sai lệch thì đầu vào của bộ điều khiển mờ ngoài tín hiệu sai lệch e theo thời gian còn có các đạo hàm của sai lệch giúp cho bộ điều khiển phản ứng kịp thời các biến động đột xuất của đối tượng. Các bộ điều khiển mờ động hay được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ vi phân và tỉ lệ vi tích phân (I, PI, PD và PID). a. Bộ điều khiển theo luật I. Một bộ điều khiển mờ theo luật I có thể thiết kế từ một bộ điều khiển mờ theo luật P (bộ điều khiển mờ tuyến tính) bằng cách mắc nối tiếp một khâu tích phân kinh điển vào trước hoặc sau khối mờ đó. Do tính phi tuyến của hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hoàn toàn khác nhau. Cụ thể ở đây ta lấy ví dụ khâu tích phân được mắc ở đầu ra hệ mờ. Hình 5.4. Hình 5.4 Hệ điều khiển mờ theo luật I. b. Bộ điều khiển theo luật PD Khi mắc nối tiếp ở đầu vào một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ một khâu vi phân sẽ có được một bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ vi phân PD Hình 5.5. Hình 5.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PD Bộ điều khiển mờ Đối tượng d dt E ‟ E Thiết bị hợp giải mờ Luật hợp thành Fuzzy hóa I Đối tượng ET Nhiễu P 102 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Thành phần của bộ điều khiển này cũng giống như bộ điều khiển theo luật PD thông thường bao gồm sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống e và đạo hàm của sai lệch e‟. Thành phần vi phân giúp cho hệ thống phản ứng chính xác hơn với những biến đổi lớn của sai lệch theo thời gian. Phát triển tiếp từ ví dụ về bộ điều khiển mờ theo luật P thành bộ điều khiển mờ theo luật PD hoàn toàn đơn giản. c. Bộ điều khiển theo luật PI. Hình 5.6 (a,b): Hệ điều khiển mờ theo luật PI Bộ điều khiển mờ theo luật PI thông thường được sử dụng để triệt tiêu sai lệch tĩnh của hệ thống. Bộ điêug khiển mờ PI được thiết kế trên cơ sở của bộ điều khiển mờ PD, bằng cách mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khâu tích phân như hình Hình 5.6 (a,b). d. Bộ điều khiển theo luật PID Trong kỹ thuật điều khiển kinh điển, bộ điều khiển PID được biết đến như là một giải pháp đa năng và có miền ứng dụng rộng lớn. Định nghĩa về bộ điều khiển theo luật PID kinh điển trước đây vẫn có thể sử dụng cho một bộ điều khiển mờ theo luật PID. Bộ điều khiển mờ theo luật PID được thiết kế theo hai thuật toán: - Thuật toán chỉnh định PID mờ hoặc. - Thuật toán PID tốc độ. Bộ điều khiển mờ được thiết kế theo thuật toán chỉnh định PID có 3 đầu vào gồm sai lệch e giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra, đạo hàm và tích phân của sai lệch. Đầu ra của bộ điều khiển mờ chính là tín hiệu điều khiển u(t). Bộ điều khiển mờ Đối tượng E  b Bộ điều khiển mờ Đối tượng E  a 103 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên           e dt d Te.dt T 1 eKtu t 0 D I (5.1) Với thuật toán PID tốc độ, bộ điều khiển PID có 3 đầu vào: sai lệch e giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu chủ đạo, đạo hàm bậc nhất e‟ và đạo hàm bậc hai e‟‟ của sai lệch. Đầu ra của hệ mờ là đạo hàm dt du của tín hiệu điều khiển u(t).          e dt d e T 1 e dt d K dt du 2 2 I (5.2) Do trong thực tế thường có một hoặc hai thành phần trong (5.1), (5.2) được bỏ qua nên thay vì thiết kế một bộ điều khiển PID hoàn chỉnh người ta lại thường tổng hợp các bộ điều khiển PI hoặc PD. Bộ điều khiển PID mờ được thiết kế trên cơ sở của bộ điều khiển PD mờ bằng cách mắc nối tiếp ở đầu ra của bộ điều khiển PD mờ một khâu tích phân Hình 5.7. Hình 5.7 Hệ điều khiển mờ PID. Cho đến nay, nhiều dạng cấu trúc của PID mờ hay còn được gọi là bộ điều khiển mờ ba thành phần đã được nghiên cứu. Các dạng cấu trúc này thường được thiết lập trên cơ sở tách bộ điều chỉnh PID thành hai bộ điều chỉnh PD và PI (hoặc I). Việc phân chia này chỉ nhằm mục đích thiết lập các hệ luật cho PD và PI (hoặc I) gồm hai (hoặc 1) biến vào, một biến ra, thay vì phải thiết lập ba biến vào. Hệ luật cho bộ điều chỉnh PID mờ kiểu này thường dựa trên ma trận do MacVicar-whelan đề xuất. Cấu trúc này không làm giảm số luật mà chỉ đơn giản cho việc tính toán. Với các nghiên cứu trên có thể rút ra các nhận xét sau: Bộ điều khiển PI mờ cho đặc tính động học lý tưởng. Ở chế độ tĩnh, bộ điều khiển PI mờ có khẳ năng triệt tiêu sai lệch tĩnh. Bộ điều khiển mờ d dt E ‟ E Đối tượng I 104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bộ điều khiển P mờ cho đặc tính động học tương đối tốt, nhưng ở chế độ xác lập hệ thống lại tồn tại sai lệch tĩnh, hay nói một cách khác là độ chính xác của hệ thống kém hơn so với việc sử dụng bộ điều khiển PI mờ. Sự ghép nối giữa các khâu tuyến tính với hệ mờ (khâu phi tuyến) đã cho ra đời các bộ điều khiển với những tính chất rất hoàn hảo và đã tạo ra một khả năng mới trong kỹ thuật điều khiển tự động, đó là điều khiển các đối tượng phức tạp, các đối tượng mà cho đến nay việc khống chế nó hoàn toàn khó khăn và hầu như không điều khiển được theo phương pháp kinh điển. Ở đây cũng khẳng định được một bộ điều khiển mờ đơn giản cũng có thể điều khiển tốt một đối tượng phi tuyến phức tạp. Một điều lý thú là các bộ điều khiển mờ cho phép lập lại các tính chất của các bộ điều khiển kinh điển. Việc lặp lại các tính chất của bộ điều khiển kinh điển trong kỹ thuật mờ do nhiều yếu tố cũng rất được quan tâm. Các bộ điều khiển P, PI hoặc PID đã điều khiển được các đối tượng kỹ thuật rất hoàn thiện và cho đặc tính động học của toàn bộ hệ thống rất tốt. Nhưng để xử lý thêm các tín hiệu đo và tăng thêm khả năng chuẩn đoán cho hệ thống, cần thay thế ở bước đầu tiên bộ điều khiển kinh điển bằng bộ điều khiển mờ và phát triển thêm hệ điều khiển dựa trên cơ sở của bộ điều khiển mờ này để có được các tính chất điều khiển mong muốn. Cùng với kỹ thuật mờ, các bộ điều khiển chung cho phép tạo ra một khả năng điều khiển đối tượng phong phú và đa dạng. Các bộ điều khiển mờ cho phép thiết kế rất đa dạng, vì qua việc tổ chức các nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép thiết kế các bộ điều khiển mờ khác nhau. Một điểm quan trọng nữa là khối lượng công việc cần thực hiện khi thiết kế cần một bộ điều khiển mờ hoàn toàn không phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng có tuyến tính hay không tuyến tính. Điều đó có nghĩa là quá trình xử lý của một bộ điều khiển mờ với những nguyên tắc điều khiển cho các đối tượng có đặc tính động học khác nhau hoàn toàn như nhau. 105 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5.3 Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ. Do quan hệ  = f(  ) là phi tuyến và để thực hiện bộ điều khiển phi tuyến, trong bản luận văn này tôi đề xuất phương pháp dùng bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ. Hình 5.8 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí Do quan hệ xác lập của )(   f là phi tuyến. Để đạt được quan hệ phi tuyến này ta tách bộ điều khiển R thành hai khâu điều khiển làm việc song song. Một khâu PD với hệ số khuyếch đại là hằng số và một khâu là phi tuyến như Hình 5.8. Việc tổng hợp khâu PD được tiế n hành theo phương pháp truyền thống như Chương IV, ở đây ta xét phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ. Để thấy rõ hơn tác dụng của bộ điều khiển mờ trong mạch vòng điều khiển vị trí ta trở lại xét mộ hệ T-Đ có tham số như trên (Hệ đã mô phỏng ở chương IV). 5.3.1 Mờ hóa. Bộ điều khiển mờ ta sẽ thiết kế bao gồm một biến trạng thái mờ đầu vào và một biến mờ đầu ra. Mỗi biến này lại được chia thành nhiều giá trị tập mờ (Tập mờ con). Số giá trị mờ trên mỗi biến được chọn để phủ hết các khả năng cần thiết sao cho khả năng điều khiển là lớn nhất trong khi chỉ cần một số tối thiểu các luật điều khiển mờ. Ta chọn 3 tập giá trị ngôn ngữ cho biến đầu vào: góc zêzô (mf1), góc dương (mf2), góc dương lớn(mf3). Sự phân bố của các hàm liên thuộc đưa ra trên Hình 5.9. 0,3S+1 PID Vị trí đặt + - SS1 SS2 Vị trí Fuzzy Logic Controller Phản hồi vị trí + + w 0,032 jđ 106 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 5.9 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào: vị trí đặt Bộ điều khiển mờ đầu ra là tín hiệu mờ „Hệ số khuếch đại‟. Ta chọn 3 giá trị mờ cho biến đầu ra: Zezo(mf1), dương (mf2), dương lớn (mf3). Sự phân bố của các giá trị mờ được chọn như trên Hình 5.10. Hình 5.10 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra: Hệ số khuếch đại Hình 5.11 Các luật điều khiển mờ 107 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên STT Vị trí đặt Hệ số khuếch đại 1 mf1 mf1 2 mf2 mf2 3 mf3 mf3 Bảng 5.2 Các luật điều khiển mờ 5.3.2 Luật điều khiển và hợp thành. Mỗi luật điều khiển là một hàm của các giá trị ngôn ngữ, được miêu tả thông qua một biến trạng thái đầu vào “Vị trí đặt” và một biến điều khiển mờ đầu ra “hệ số khuếch đại ”. Luật điều khiển thứ i là Ri được viết như sau: Ri: Nếu vị trí đặt Ai thì hệ số khuếch đại là Bi. Trong đó Ai và Bi là các giá trị mờ của các biến mờ “Vị trí đặt” và “Hệ số khuếch đại”. Các luật điều khiển thiết kế như trên bảng 5.2. Luật hợp thành được xây dựng trên cơ sở nguyên lý hợp thành MAX – MIN. Hình 5.12 Sơ đồ khối của khối luật bù mờ. 5.3.3 Giải mờ. Giải mờ có thể được thực hiện theo các phương pháp điểm trọng tâm, phương pháp trung bình hay phương pháp cực đại. Do miền xác định của các giá trị mờ đầu ra là miền liên thông nên ta sẽ giải mờ theo phương pháp trọng tâm. Giá trị rõ x được xác định theo phương pháp điểm trọng tâm như ở công thức: dx(x)μ dx(x)x.μ x S B S B 0    (5.3) Trong đó: S là miền xác định của tập mờ B. 5.4 Mô phỏng hệ điều khiển vị trí của bàn máy khi có bộ điều khiển mờ lai. Bổ xung thêm bộ điều khiển mờ đã thiết kế trên vào sơ đồ hình 4.22 ta được hệ điều chỉnh vị trí có đặc tính điều chỉnh phi tuyến nhờ có bộ điều khiển mờ như hình 5.13. 108 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 5.13 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ. Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hệ điều khiển mờ, ở đây ta tiến hành theo hai bước: Mô phỏng bộ điều khiển mờ: Việc xây dựng bộ điều khiển mờ dựa trên công cụ Fuzzy của phần mềm Matlab. Các hàm liên thuộc của các giá trị mờ trong các biến vào và ra được chọn như trên hình 5.9 và 5.10. Các luật điều khiển như bảng 5.2. Hình 5.14 là quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ. Hình 5.14 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ. Mô phỏng toàn hệ: Trên hình 5.13 là sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có sử dụng bộ điều khiển mờ. Tiến hành chạy chương trình mô phỏng với giá trị vị trí đặt, hệ thống khảo sát với dòng điện tải I = 8,7A (tải định mức). Cho chạy chương trình mô phỏng với giá trị của vị trí đặt ta có kết quả trên các hình 5.15 và 5.16 109 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID kết hợp BĐK mờ Vị trí Tốc độ Dòng điện Hình 5.15 Kết quả mô phỏng với đặt = 10 V, I = 0 A. 110 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID kết hợp BĐK mờ Vị trí Tốc độ Dòng điện Hình 5.16 Kết quả mô phỏng với đặt = 10V, I = 8,7A 111 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nhận xét Sau khi đưa bộ điều khiển mờ lai vào thay thế bộ điều khiển PID để nâng cao chất lượng cho hệ truyền động bàn máy phay CNC, từ kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab ta thấy hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ lai cho kết quả tốt hơn so với bộ điều khiển PID: - Vị trí cần điều khiển đạt độ chính xác nhanh hơn - Thời gian quá độ trong quá trình khởi động và quá trình hãm nhỏ hơn - Tốc độ nhanh chóng đạt trạng thái ổn định và ít dao động - Gia tốc của hệ thống ít biến thiên và giữ ổn định Như vậy hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ lai đảm bảo chất lượng tĩnh và chất lượng động tốt hơn khi dùng bộ điều khiển PID. 112 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau 6 tháng nghiên cứ u tài liệu cũ ng như tìm hiểu trong thực tế tác giả đã hoàn thành những nội dung công việc cụ thể của luận văn như sau: Nắm được cấu trúc của hệ CNC, công nghệ của các máy công cụ CNC Quá trình xử lý thông tin dữ liệu trong hệ CNC . Hệ thống đo lường và điều khiển. Hoàn thành việc tổng hợp hệ thống truyền động của bàn máy phay CNC sử dụng hệ thống truyền động Thyristor - động cơ một chiều với bộ điều khiển PID. Kết quả mô phỏng ta nhận thấy chất lượng của hệ thống đã thỏa mãn yêu cầu của truyền động bàn máy phay CNC. Từ kết quả đó tôi tiến hành tìm biện pháp nâng cao chất lượng của hệ thống. Do tính phi tuyến của mạch vòng vị trí, để nâng cao chất lượng hệ thống bằng bộ điều khiển mờ lai với hệ truyền động đ iện dùng Thyristor - động cơ một chiều. Từ kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab , rút ra kết luận : “Hệ điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ lai cho kết quả tốt hơn so với bộ điều khiển PID” . Kiến nghị Việc nâng cao chất lượng hệ thống truyền động bàn máy phay CNC có thể sử dụng nhiều bộ điều khiển khác, như ở luận văn này tôi dùng chỉ sử dụng bộ điều khiển mờ lai để nâng cao chất lượng hệ thống. Nếu có điều kiện tôi có thể tiến hành nghiên cứu thiết kế và ứng dụng thay thế bằng những bộ điều khiển thông minh khác như: - Bộ điều khiển mờ - Bộ điều khiển mờ noron - Bộ điều khiển mờ trượt ._.