Thiết kế mô hình máy tiện điều khiển bằng máy tính

Đề tài: Thiết kế mô hình máy tiện điều khiển bằng máy tính. Nhiệm vụ: Thiết kế và chế tạo phần cơ khí Hệ thống dẫn hướng (dùng cho dao tiện) sử dụng trục vít me bi. Có khả năng dẫn hướng dao theo 2 trục X và Z Cụm bàn dao, bàn máy Động cơ dẫn động trục chính: Động cơ một chiều lắp qua bộ truyền đai. Động cơ dẫn động hai trục vít me bi: 2 động cơ bước. Thiết kế tủ điện điều khiển và phần mềm điều khiển máy Tủ điện điều khiển Bộ nguồn: Mạch xử lý trung tâm có khả năng giao tiếp với máy tính điều khiển chạy dao và điều khiển trục quay. Mạch công suất điều khiển 2 động cơ bước Mạch công suất điều khiển động cơ một chiều trục chính Phần mềm điều khiển máy Đọc và xử lý file GCode và truyền xuống bộ điều khiển để gia công chi tiết. Mô phỏng quá trình gia công chi tiết. Lời nói đầu Ngày nay cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật trên thế giới đang phát triển với tốc độ như vũ bão, không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới, trong đó có những thành tựu về tự động hóa sản xuất. Khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ tự động trong chiến lược công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh tế nước ta là một việc hết sức có ý nghĩa, tạo ra khả năng phát triển nền kinh tế với tốc độ cao, vững chắc và lâu dài. Ở các nước có nền công nghiệp tiên tiến việc tự động hóa các nghành kinh tế, kỹ thuật trong đó có cơ khí chế tạo đã thực hiện từ nhiều thập kỉ. Một trong những vấn đề quyết định của tự động hóa nghành cơ khí chế tạo là kỹ thuật điều khiển số và công nghệ trên các máy điều khiển số. Các máy công cụ điều khiển số NC và CNC được dùng phổ biến ở các nước phát triển. Trong những năm gần đây NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam và hiện nay đang hoạt động trong hầu hết các nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty liên doanh. Việc đào tạo các cán bộ kỹ thuật là một yêu cầu cấp bách hiện nay. Tuy nhiên, trong việc dạy ở các trường đại học các sinh viên chỉ được học lý thuyết mà không được thực hành, điều này làm giảm khả năng tiếp cận với kiến thức mới. Với nhu cầu cấp bách trên nhóm chúng tôi đã chế tạo thành công máy tiện điều khiển bằng máy tính để phục vụ cho việc dạy và học trong nhà trường. Chúng tôi xin chân thành cám ơn TS. Phạm Văn Hùng đã giúp đỡ và chỉ bảo tận tình để chúng tôi có thể hoàn thành được nhiệm vụ. Chúng tôi cũng xin cám ơn bộ môn Máy và Ma sát học đã tạo mọi điều kiện làm việc cũng như các trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian qua. Nhóm sinh viên Nguyễn Thanh Tùng - CTM5 - K46 Nguyễn Lê Vinh - CTM7 - K46 PHẦN 1 GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ CNC. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ. I. Các khái niệm cơ bản và định nghĩa 1. Các khái niệm cơ bản Điều khiển Là quá trình xảy ra trong một hệ thống giới hạn, trong đó một hay nhiều đại lượng là đại lượng đầu vào , các đại lượng khác là đại lượng đầu ra, chúng tác động và ảnh hưởng đến hệ thống theo những quy luật riêng, nhất định. Điều khiển số (NC) Là hệ thống điều khiển đặc trưng bởi các đại lượng đầu vào là những tín hiệu số nhị phân, chúng được đưa vào hệ điều khiển dưới dạng một chương trình điều khiển có cấu trúc. Trong hệ điều khiển số ứng dụng cho điều khiển máy công cụ, các đại lượng đầu vào là những thông tin (thông tin hình học, thông tin công nghệ, dữ liệu máy) dưới dạng tín hiệu số. Thông tin hình học Là hệ thống thông tin điều khiển các chuyển động tương đối giữa dao cụ và chi tiết, liên quan trực tiếp đến quá trình tạo hình bề mặt, còn gọi là thông tin về đường dịch chuyển (hình thành đường sinh và đường chuẩn của bề mặt hình học muốn tạo ra ) Thông tin công nghệ Là hệ thống thông tin cho phép máy thực hiện gia công với những giá trị công nghệ yêu cầu: chuẩn hoá các gốc toạ độ, xác định chiều sâu cắt, tốc độ chạy dao, số vòng quay trục chính, chiều quay trục chính, vị trí xuất phát của dao, đóng hay ngắt mạch dung dịch trơn nguội. Máy công cụ điều khiển theo chương trình số Là thế hệ máy công cụ có hệ thống điều khiển được điều khiển theo chương trình số và chương trình này được viết bằng mã kí tự, chữ cái, con số và các ký tự chuyên dụng khác, trong đó hệ thống hệ máy công cụ có hệ thống điều khiển được điều khiển theo chương trình số và chương trình này được viết bằng mã kí tự, chữ cái, con số và các ký tự chuyên dụng khác, trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt các bộ vi xử lý MP (Microprocessor) làm việc với các chu kỳ thời gian từ 1 đến 20 MS và có bộ nhớ tối thiểu 4Kbyte, để đảm nhiệm chức năng cơ bản của chương trình điều khiển số như : tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cụ, tính toán nội suy trong điều khiển quỹ đạo biên dạng, thực hiện so sánh các cặp giá trị cần- thực ... 2. So sánh về cấu trúc giữa máy công cụ vạn năng và máy công cụ điều khiển số (MCC ĐKS) Về cơ bản cả máy công cụ vạn năng và máy công cụ điều khiển số đều có các modul về kết cấu khung giống nhau , đó là : + Đế máy + Thân máy + Bàn trượt + Đầu trục chính Máy Nội dung so sánh Máy công cụ vạn năng Máy công cụ điều khiển số Nguồn động lực Động cơ 3 pha thông thường - Động cơ 1 chiều điều khiển vô cấp - Động cơ AC – xoay chiều biến tốc vô cấp - Động cơ bước (step – motor) - Động cơ bước + động cơ thuỷ lực Tốc độ truyền dẫn Phân cấp Vô cấp Truyền động Liên hệ nối tiếp (thông qua hộp số) Độc lập Biến đổi truyền dẫn - Thanh răng/ bánh răng thường - Vitme/ đai ốc thường - Thanh răng/ bánh răng yêu cầu có cơ cấu kẹp khử khe hở - Vitme/ đai ốc Điều khiển Các công tắc và tay gạt cơ khí (điều khiển tay) Điều khiển số, bảng điều khiển + màn hình hiển thị Tính điển hình của xích động - Dài, thông qua nhiều cơ cấu - Cứng, khó thay đổi - Ngắn nhất như có thể Mềm dẻo (mang tính linh hoạt trong quá trình thay đổi tốc độ ) Nhưng về chi tiết hay cụ thể hơn thì máy công cu điều khiển số và máy công cụ vạn năng có nhiều điểm khác nhau : Ưu điểm cơ bản của máy công cụ điều khiển số So với MCC điều khiển tay, kết quả của MCC ĐKS không phụ thuộc vào tay nghề thuần thục của người điều khiển. Người điều khiển máy chủ yếu đóng vai trò theo dõi kiểm tra chức năng hoạt động của máy. So với máy điều khiển tự động theo chương trình cứng (dùng cam, cữ chặn, công tắc hành trình...). Máy công cụ điều khiển theo chương trình số có tính limh hoạt cao trong công việc lập trình, đặc biệt khi có sự trợ giúp của máy vi tính, tiết kiệm được thời gian chỉnh máy, đạt đựơc tính kinh tế cao ngay cả với loạt sản phẩm nhỏ. Ưu điểm chỉ có trong máy công cụ điều khiển số đó là phương thức làm việc với hệ thống xử lý thông tin “điện tử- số hoá”, cho phép nối ghép với hệ thống xử lý số trong phạm vi quản lý toàn xí nghiệp, tạo điều kiện mở rộng tự động hoá toàn bộ quá trình sản xuất , ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại thông qua mạng liên thông cục bộ LAN hay mạng liên thông toàn cầu WAN. II. Quá trình phát triển, trình độ hiện tại máy công cụ và công nghệ gia công điều khiển theo chương trình số. 1. Qúa trình phát triển Cuối những năm 40, dự án nghiên cứu kỹ thuật điều khiển số được triển khai tại Học viện công nghệ MIT (Massachusetts) trong sự phối hợp với ngành công nghiệp hàng không Hoa Kỳ. Năm 1953 công bố sáng chế máy phay điều khiển theo chương trình số NC. Năm 1959 Những máy NC đầu tiên của Châu Âu được trưng bày tại triển lãm máy công cụ tại Paris. Năm 1960, máy NC ở thời kỳ này được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp hàng không. Bởi kích thước còn lớn, nhạy cảm với môi trường và đắt do trình độ kỹ thuật đương thời của bóng đèn điện tử và rơ le (cơ/ điện/ thuỷ) Sau năm 1960, là máy NC của nền công nghiệp điện tử điôt và tranzito, nhưng đa số các linh kiện vẫn đòi hỏi có thể tích chiếm chỗ đủ lớn, còn rất nhiều mối hàn và giao diện ghép nối, vừa tốn kém chi phí chế tạo vừa hạn chế độ tin cậy trong vận hành điều khiển. Thông tin điều khiển ghi trên băng đục lỗ, dung lượng thấp, phải đọc thông tin theo từng bước, khi gia công nhiều chi tiết giống nhau vẫn phải đọc băng đục lỗ cho từng lần gia công. Khi thay đổi chương trình đều khiển chẳng hạn muốn thay đổi chế độ cắt cho phù hợp hơn , đòi hỏi phải cải biến hay làm lại băng đục lỗ. Trong những năm 70, là thời kỳ của máy điều khiển số ứng dụng kỹ thuật vi điện tử và vi mạch tích hợp. Những hệ NC sử dụng các bản mạch logic nối cứng được thay thế bởi các hệ điều khiển có bộ nhớ với dung lượng lớn. Do nối ghép các cụm vi tính vào hệ điều khiển số mà những phần cứng có nhiệm vụ chuyên dụng trước đây được thay thế bởi các phần mềm linh hoạt hơn. Dung lượng nhớ ngày càng được mở rộng, tạo điều kiện lưu trữ trong hệ điều khiển số trước hết là từng chương trình đơn lẻ, sau đó là cả một thư viện chương trình, lại có thể sửa đổi chương trình đã lập một cách dễ dàng thông qua cấp lệnh bằng tay, thao tác trực tiếp trên máy. 2. Trình độ hiện tại Chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ vi xử lý MP. Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý đa chức năng, dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau. Vật mang tin từ từ băng đục lỗ, băng từ , đĩa từ tiến tới đĩa compact (CD) có dung lượng nhớ ngày càng mở rộng , độ tin cậy và tuổi thọ cao. Việc cài đặt các computer trực tiếp vào hệ NC để trở thành hệ CNC đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí nghiệp nhỏ, không có phòng lập trình riêng. Nghĩa là người điều khiển máy có thể lập trình được trực tiếp trên máy. Dữ liệu nạp vào, nội dung lưu trữ, thông báo về tình trạng hoạt động của máy cùng các dữ liệu chỉ dẫn khác cho người điều khiển đều được hiển thị trên màn hình. Màn hình ban đầu chỉ là đen trắng với giao diện text, nay đã dùng màn hình màu giao diện đồ hoạ, có độ phân giải cao (có thêm toán đồ và hình vẽ mô phỏng tĩnh hoặc động). Biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao cụ đều được hiển thị. Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý điều hành một cách tổng thể hệ thống sản xuất của một xí nghiệp hay của một tập toàn công nghiệp. III. Chức năng và cấu tạo điều khiển số 1. Chương trình gia công chi tiết và phương thức nạp dữ liệu Những thông tin cần thiết để gia công một chi tiết nào đó, được tập hợp một cách hệ thống (gọi là chương trình gia công chi tiết). Chương trình này có thể : - Được soạn thảo và lưu trữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ, CD ROM...) và được đưa vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích. - Được đưa vào hệ điều khiển số thông qua bàn phím trên bảng điều khiển. Nhờ bảng điều khiển cũng có thể đưa vào hệ điều khiển số các thông tin đặc biệt (số liệu về dao cụ, các giá trị hiệu chỉnh biên dạng và dữ liệu điều chỉnh máy ) - Được chuyển trực tiếp từ bộ nhớ của máy tính điều hành (máy chủ )sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công – nguyên tắc vận hành DNC. 2. Bộ logic điều khiển Bộ logic điều khiển xử lý các dữ liệu chương trình nhờ các phần mềm hệ thống, nhằm: - Cung cấp các giá trị CẦN về vị trí cho từng trục riêng lẻ của máy công cụ theo một tần số phụ thuộc vào tốc độ xử lý dữ liệu chương trình. - So sánh các giá trị cần (GTc) và giá trị THỰC (GTt) về vị trí, xác định giá trị chênh lệch : và cấp lệnh điều khiển tương ứng cho rơ le tốc độ của từng trục chạy dao riêng lẻ. Nhờ vậy từng trục máy chuyển động độc lập nhưng vẫn phối hợp được với nhau sao cho biên dạng gia công được sinh ra với tốc độ gia công đã được lập trình. 3. Chương trình tương thích chuyên dụng và những dữ liệu điều chỉnh máy Nhờ chương trình này, hệ điều khiển số đảm bảo được sự tương thích các thông số kỹ thuật chuyên môn của máy công cụ mà nó điều khiển. Trong chương trình gia công chi tiết có bao hàm các thông tin công nghệ. Những thông tin công nghệ này được bộ logic điều khiển chuyển tiếp qua một cụm điều khiển tương thích cài đặt trong hệ ĐKS đến các khâu điều khiển máy (van, rơle .....). Ngược lại, cụm điều khiển tương thích cũng tiếp nhận các thông tin phản hồi từ các công tắc ngắt cuối (cữ chặn), các bộ cảnh báo áp suất và những bộ phận khác lắp đặt trên máy (có kèm theo dụng cụ phát tín hiệu) để chuyển thành các thông báo về tình trạng sẵn sàng hoạt động hoặc trạng thái dừng ...cho hệ điều khiển số. 4. Nguyên lý vận hành và xử lý thông tín hiệu trong hệ điều khiển số 4.1 Nguyên lý vận hành : Xem sơ đồ nguyên lý vận hành của một máy phay đứng điều khiển số Hình 1.1 Nguyên lý vận hành của một máy điều khiển số 4.2 Xử lý thông tin trong hệ điều khiển số Hình 1.2 Dòng lưu thông tin tín hiệu trong hệ điều khiển số Điều khiển đọc Điều khiển đọc bao quát cả quá trình đọc tin . Nó kiểm tra các thông tin đã được đọc về tính đúng đắn của hình thức cấu trúc tin (tính chẵn của số bit trong mã ISO hay DIN 66024) và ngừng ngay quá trình đọc khi phát hiện các cấu trúc tin mắc lỗi. Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ chương trình đảm bảo chuẩn bị và thực hiện các bước xử lý song song (xử lý đồng thời ) các thông tin của một công đoạn gia công vốn đã được đọc vào theo thứ tự từng bước (dạng chuyển động, tọa độ của điểm kết thúc chuyển động, tốc độ trên đường biên dạng, số vòng quay và chiều quay của trục chính. Dung lượng bộ nhớ của các hệ CNC hiện đại cho phép nội dung thông tin của nhiều chương trình con được lưu trữ cùng lúc trong bộ nhớ. Cụm tính toán hiệu chỉnh Có nhiệm vụ đảm bảo các dữ liệu chương trình đọc vào phù hợp với không gian làm việc của máy. Các tính toán hiệu chỉnh còn được đòi hỏi : - Đảm bảo xác định đúng vị trí của hệ toạ độ chi tiết gia công trong hệ toạ độ máy. Nhờ vậy trong chương trình, tất cả các toạ độ điểm trên biên dạng đều được tính dựa trên cơ sở hệ toạ độ chi tiết gia công. - Đảm bảo tính toán biên dạng tương đương so với biên dạng chi tiết trong khoảng cách bằng bán kính dao khi lập trình với các toạ độ của biên dạng chi tiết. - Đảm bảo có tính đến sai lệch giữa kích thước chiều dài thực của dao so với kích thước danh nghĩa (ZPA). 5. Phân biệt hệ điều khiển NC và CNC Điều khiển NC Đặc tính của hệ điều khiển này là “chương trình hoá các mối liên hệ” trong đó mỗi mảng linh kiện điện tử riêng lẻ được xác định một nhiệm vụ nhất định , liên hệ giữa chúng phải thông qua những dây và mối hàn cứng trên các mạch logic điều khiển. Chức năng điều khiển được xác định chủ yếu bởi phần cứng. Điều khiển CNC Điều khiển CNC là một hệ điều khiển có thể lập trình và ghi nhớ. Nó bao hàm một máy tính cấu thành từ các bộ vi xử lý MP (Micro processor) kèm theo các bộ nhớ ngoại vi Đa số chức năng điều khiển đều được giải quyết thông qua phần mềm , nghĩa là các chương trình làm việc có thể thiết lập trước. Nhờ các chương trình hệ thống của hệ điều khiển CNC, các máy tính có thể được sử dụng để thực hiện những chức năng điều khiển yêu cầu. Ngày nay, các hệ điều khiển số hiện đại đều có nguyên lý cấu trúc và xử lý dữ liệu theo dạng điều khiển CNC, do đó các phần thảo luận tiếp theo chỉ bàn tới hệ điều khiển này. CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ Trong máy công cụ CNC có 3 nhóm thành phần chính: Mạch điện tử điều khiển Mạch công suất Các thành phần cơ khí (bàn máy, đường trượt,..) Máy tính điều khiển số và mạch điện tử Mạch công suất Thành phần cơ khí: bàn máy, đường trượt, trục quay,.. Động cơ dùng trong các máy công cụ: Động cơ trục quay Động cơ dẫn hướng Động cơ một chiều kích từ độc lập Động cơ Servo một chiều Động cơ cảm ứng xoay chiều 3 pha Động cơ Servo xoay chiều Động cơ bước I. Truyền động trục quay 1. Giới thiệu về truyền động trục quay Yêu cầu khi điều khiển trục quay: Chính xác quay Dải điện áp ổn định rộng Phẳng khi đang chạy Kết cấu vững chắc Phản hồi động nhanh Đảm bảo vận tốc dài trong quá trình cắt không đổi Các phương pháp điều khiển trục quay Loại điều khiển trục quay Điều khiển trục quay DC Điều khiển trục quay AC Động cơ shunt DC kích từ độc lập Điều khiển: - Dùng Thyristor - Tự điều hướng khuếch đại Thyristor dựa trên vi xử lý Điều khiển tốc độ: Điều khiển phần ứng và từ trường Động cơ cảm ứng lồng sóc Điều khiển: Phương pháp điều chế độ rộng xung dựa trên vi điều khiển Điều khiển tốc độ: Điều khiển vecto, tần số 2. Động cơ một chiều và phương pháp điều khiển PWM Sơ đồ điều khiển đông cơ một chiều có đảo chiều: Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H Động cơ có hai trạng thái quay theo sơ đồ Hình 2.2. Động cơ quay theo chiều thuận Hình 2.3. Động cơ quay theo chiều ngược Để điều khiển động cơ một chiều có hai phương pháp thường được sử dụng là: Thay đổi tần số điều khiển Thay đổi khoảng Duty Giả sử trong khoảng thời gian 0÷T (T chu kỳ của xung điều khiển) thời gian có xung là t. Do đó giá trị trung bình của tín hiệu điều khiển (hay là giá trị trung bình trên tải) là (2-1) E UR t T Trong đó: t: Thời gian có tín hiệu T: chu kỳ của tín hiệu : hệ số điều chỉnh Hình 2.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung II. Truyền động chạy dao 1. Giới thiệu về truyền động chạy dao 1.1. Các dạng truyền động chạy dao Truyền động chạy dao chuyển đổi các lệnh về đường dịch chuyển cùng thông số tốc độ trên đường dịch chuyển đã xác định trước trong chương trình gia công thành chuyển động phù hợp của bàn máy. Chạy dao trên các máy công cụ CNC có thể làm việc theo 2 nguyên tắc như điều khiển vị trí ( mạch hở- dùng động cơ bước không có phản hồi) hoặc như điều khiển và điều chỉnh vị trí ( mạch kín có vòng phản hồi của hai hay nhiều đại lượng). Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch hở và mạch kín: Điều khiển động cơ bước Động cơ bước u(t) φ(t) Hình 2.5 Điều khiển vị trí Hệ thống đo vị trí Khuếch đại điều chỉnh Khuếch đại điều chỉnh Động cơ Máy đo tốc độ φ(t) u(t) Hình 2.6 Điều chỉnh vị trí 1.2. Điều chỉnh vị trí mạch kín Từ bộ nội suy mỗi giá trị cần là đại lượng dẫn được cấp vào mạch điều chỉnh vị trí. Trong bộ điều chỉnh vị trí, giá trị vị trí thực được nhận biết bởi một hệ thống đo vị trí. Kết quả so sánh giá trị cần và giá trị thực là sai lệch điều chỉnh. Sai lệch này đồng thởi cũng là lượng điều chỉnh cho động cơ dẫn động hệ thống chạy dao. Giá trị tốc độ chạy dao được nhận biết từ số vòng quay động cơ- tỷ lệ với tốc độ chạy dao, nhờ một máy phát tốc (tachogenertor) lắp trên trục động cơ. Mạch điều chỉnh vị trí phải dẫn bàn máy đến các vị trí thật có sai lệch so với vị trí cần nhỏ nhất có thể và khử được ảnh hưởng của các đại lượng nhiễu, mạch điều chỉnh cần thỏa mãn những điều kiện sau: Có tốc độ cao để giữ cho khoảng cách theo sau (sai lệch điều chỉnh) là thấp nhất Có độ giảm chấn cao để loại bỏ sự mất ổn định cũng như hiện tượng dao động tại các vị trí đích. Bộ truyền động có hằng số thời gian nhỏ Mômen quán tính khối lượng của các bộ phận chuyển động phải có giá trị nhỏ. Tần số riêng về dao động cơ học cao Các chi tiết cơ khí nằm trên dòng truyền lực có độ bền cao Các yếu tố truyền động khe hở cơ khí có khe hở nhỏ. 1.3. Nhiệm vụ của truyền động chạy dao Các hệ truyền động chạy dao chuyển đổi các lệnh điều chỉnh trong bộ điều khiển thành các chuyển động tịnh tiến hay chuyển động quay tròn của những bàn máy mang dao hoặc mang chi tiết trên máy công cụ. Hệ truyền động chạy dao phải thể hiện được những tính chất sau: - Đòi hỏi mô men ổn định, thắng được lực ma sát và lực làm việc - Lượng gia tăng dịch chuyển nhỏ nhất 1-2 μm - Phạm vi điều chỉnh số vòng quay cao nhất có thể từ 1:10000 đến 1: 30000 - Tốc độ tối đa lên tới 3000 vòng/phút - Có độ vững chắc số vòng quay cao: Khi các lực cản chạy dao biến đổi cần hạn chế tới mức thấp nhất ảnh hưởng của nó đến tốc độ chạy dao. Ngay cả khi chạy dao với tốc độ nhỏ nhất cũng đòi hỏi một quá trình tốc độ ổn định. Các loại động cơ truyền động chạy dao Điện Thủy lực Động cơ dòng một chiều Động cơ thủy tĩnh Động cơ bước Động cơ bước-điện-thủy lực Động cơ dòng xoay chiều 1.4. Cơ sở tính toán cho truyền động chạy dao Mômen quay Mômen quay được tính theo công thức: (2-2) Trong đó: M : Mômen quay đòi hỏi trên trục vitme-bi Fu: Lực vòng trên bánh bị dẫn lắp trên vitme-bi r: Bán kính bánh bị dẫn. Fv: Lực cản bàn chạy dao (lực để thắng lực ma sát của bàn máy và lực chạy dao khi cắt. h: Bước vitme : Hiệu suất tác dụng vitme-bi thường lấy bằng 0,8-0,85. Trong phạm vi của đồ án sử dụng động cơ truyền động chạy dao là loại động cơ bước nên đồ án tập trung chủ yếu vào động cơ này. 2. Động cơ bước và phương pháp điều khiển 2.1. Giới thiệu động cơ bước Động cơ bước có thể mô tả là loại động cơ điện không dùng bộ chuyển mạch. Các mấu của động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong động cơ biến từ trở nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ. Trong một vài ứng dụng, cần lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước. Cả hai loại động cơ này đều như nhau vì có thể xác định được vị trí chính xác, nhưng chúng cũng khác nhau ở một số điểm. Servo motor đòi hỏi tín hiệu hồi tiếp analog. Đặc biệt, điều này đòi hỏi một bộ tắc cô để cung cấp tín hiệu hồi tiếp về vị trí của rotor, và một số mạch phức tạp để điều khiển sự sai lệch giữa vị trí mong muốn và vì trí tức thời vì lúc đó dòng qua động cơ sẽ dao động tắt dần. Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản, những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bước. Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại. 2.2. Phân loại động cơ bước Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng có loại động cơ hỗn hợp, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Bạn cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế. Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm được dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực. Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước. a. Động cơ biến từ trở Hình 2.7 Động cơ biến từ trở Thông thường khi sử dụng động cơ loại này thường nối đầu chung C lên nguồn (+). Động cơ như hình vẽ quay 30 độ mỗi bước dùng số răng rotor tối thiểu và số cực stator tối thiểu. Để quay động cơ này một cách liên tục, chúng ta chỉ cần cấp điện liên tục luân phiên cho 3 cuộn. Theo logic đặt ra, trong bảng dưới đây 1 có nghĩa là có dòng điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim đồng hồ 24 bước hoặc 2 vòng: Cuộn 1 1001001001001001001001001 Cuộn 2 0100100100100100100100100 Cuộn 3 0010010010010010010010010 thời gian à b. Động cơ đơn cực Hình 2.8 Động cơ đơn cực Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 2.2.2, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó. Như trong hình, dòng điện đi qua từ đầu trung tâm của mấu 1 đến đầu a tạo ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 30 độ, hay 1 bước. Để quay động cơ một cách liên tục, chúng ta chỉ cần áp điện vào hai mấu của đông cơ theo dãy. Mấu 1a 1000100010001000100010001 Mấu 1b 0010001000100010001000100 Mấu 2a 0100010001000100010001000 Mấu 2b 0001000100010001000100010 thời gian à Mấu 1a 1100110011001100110011001 Mấu 1b 0011001100110011001100110 Mấu 2a 0110011001100110011001100 Mấu 2b 1001100110011001100110011 thời gian à Chú ý hai nửa của một mấu không bao giờ được kích cùng một lúc. Cả hai dãy nêu trên sẽ quay một động cơ nam châm vĩnh cửu một bước ở mỗi thời điểm. Dãy bên trên chỉ cấp điện cho một mấu tại một thời điểm, như mô tả trong hình trên; vì vậy, nó dùng ít năng lượng hơn. Dãy bên dưới đòi hỏi cấp điện cho cả hai mấu một lúc và nói chung sẽ tạo ra một mômen xoắn lớn hơn dãy bên trên 1.4 lần trong khi phải cấp điện gấp 2 lần. Đây chính là phương pháp để tăng mômen xoắn khi dùng với tải lớn để khắc phục hạn chế của động cơ bước. Kết hợp hai phương pháp cấp xung trên ta có chế độ điều khiển nửa bước. Mấu 1a 11000001110000011100000111 Mấu 1b 00011100000111000001110000 Mấu 2a 01110000011100000111000001 Mấu 2b 00000111000001110000011100 Thời gian à c. Động cơ hai cực Hình 2.9 Động cơ hai cực Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu, một cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại động cơ này được nêu bên dưới, dùng + và - để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào mỗi đầu của động cơ. d. Động cơ nhiều pha Hình 2.10 Động cơ 5 pha Một bộ phận các động không được phổ biến như những loại trên đó là động cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn được quấn nối tiếp thành một vòng kín. Thiết kế phổ biến nhất đối với loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha. Bộ điều khiển cần ½ cầu H cho mỗi một đầu ra của động cơ, nhưng những động cơ này có thể cung cấp mômen xoắn lớn hơn so với các loại động cơ bước khác cùng kích thước. Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý cấp cao để có được bước 0.72 độ (500 bước mỗi vòng). 2.3. Vật lý động học động cơ bước a. Tĩnh học Cho một động cơ quay S radian mỗi bước, biểu đồ mômen xoắn theo vị trí góc của rotor so với vị trí cân bằng ban đầu sẽ có dạng gần đúng hình sin. Hình dạng thực tế của biểu đồ phụ thuộc vào hình dạng các cực của rotor và stator. Đối với động cơ 3 mấu biến từ trở hoặc nam châm vĩnh cửu có góc bước S, chu kỳ của mômen so với vị trí sẽ là 3S; hay một động cơ 5 pha, chu kỳ sẽ là 5S. Đối với động cơ 2 mấu nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp, loại phổ biến nhất, chu kỳ sẽ là 4S. Hình 2.11. Chu kỳ mômen động cơ hai mấu nam châm vĩnh cửu Đường cong này có thể mô tả bằng công thức toán học như sau: T = -h sin( ((P /2) / S) q ) trong đó T: mômen xoắn (torque) h: mômen xoắn giữ (holding torque) S:góc bước, tính bằng radian (step angle) q= góc trục (shaft angle) Mômen xoắn giữ (holding torque) trên một mấu (winding) của động cơ bước là giá trị đỉnh của mômen xoắn trên biểu đồ khi dòng qua một mấu đạt giá trị lớn nhất. Nếu cố tăng giá trị mômen xoắn lên cao hơn giá trị đỉnh trong khi vẫn giữ nguyên điện áp kích ở một mấu, rotor sẽ quay tự do. Nếu không có nguồn cấp vào các mấu động cơ, mômen xoắn sẽ không bao giờ giảm xuống 0. Trong các động cơ bước biến từ trở, từ trường dư trong mạch từ của động cơ có thể tạo ra một mômen xoắn dư nhỏ, và trong các động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp, lực hút giữa các cực và từ trường vĩnh cửu của rotor có thể tạo ra một mômen xoắn đáng kể mà không cần nguồn áp. Điều khiển nửa bước và vi bước Khi cấp điện đồng thời cho hai mấu động cơ sẽ sinh ra một mômen xoắn theo vị trí là tổng của các mômen xoắn đối với hai mấu động cơ riêng lẻ. Đối với động cơ hai mấu nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp, hai đường cong này sẽ là S radians khác pha, và nếu dòng qua hai mấu bằng nhau, đỉnh của tổng sẽ nằm ở vị trí S/2 radians kể tử đỉnh của đường cong gốc. Ma sát và vùng chết Các lực ma sát có thể được chia thành hai loại lớn, lực ma sát nghỉ là lực ma sát trượt, cần phải có một mômen xoắn đủ lớn để thắng lại nó, không kể đến vận tốc và ma sát động học hay lực nhớt, hoặc các cản trở khác không phụ thuộc vận tốc. Ở đây, chúng ta quan tâm đến lực ma sát nghỉ. Cho rằng mômen xoắn cần thiết để thắng lực ma sát nghỉ trong hệ là ½ giá trị đỉnh mômen xoắn của motor mô tả như hình vẽ: Hình 2.12 Mômen xoắn cần thiết thắng lực ma sát Hình 2.13 Mômen xoắn hiệu quả khi có lực ma sát Tác dụng của lực ma sát gồm hai phần. Đầu tiên, tổng mômen xoắn hiệu quả để quay tải bị giảm, thứ hai, có một vùng chết nằm ở mỗi vị trí cân bằng của động cơ lý tưởng. Nếu rotor động cơ được đặt tại bất cứ đâu trong vùng chết đối với vị trí cân bằng tức thời, mômen xoắn ma sát sẽ vượt quá mômen xoắn tác dụng bởi các mấu động cơ, rotor sẽ không di chuyển. Cho rằng một đường cong hình sin lý tưởng giữa moment xoắn và vị trí khi không có ma sát, độ rộng góc của những vùng chết sẽ là: d = 2 ( S / (П /2) ) arcsin( f / h ) = ( S / (П /4) ) arcsin( f / h ) trong đó: d: độ rộng vùng chết tính bằng radians S: góc bước tính bằng radians f: moment xoắn cần thiết để thắng lực ma sát h: moment xoắn giữ Vùng chết là nó giới hạn độ chính xác vị trí sau cùng. Một ví dụ, khi lực ma sát nghỉ là 1/2 giá trị đỉnh moment xoắn, một động cơ bước mỗi bước 90° sẽ có vùng chết là 60°. Điều đó có nghĩa là các bước hiệu quả sẽ dao động trong khoảng 30° đến 150°, tuỳ thuộc vào rotor dừng ở đâu trong vùng chết sau mỗi bước. Sự xuất hiện của vùng chết có một ảnh hưởng rất lớn đến việc điều khiển vi bước thực tế. Nếu vùng chết rộng x°, thì việc điều khiển vi bước với độ rộng một bước nhỏ hơn x° có thể sẽ không làm cho rotor quay được một chút nào. Vì vậy, đối với các hệ thống định dùng điều khiển vi bước có độ phân giải cao, việc giảm thiểu ma sát nghỉ là rất quan trọng. b. Động học Khi động cơ quay được một bước thì rotor đã di chuyển khỏi vị trí cân bằng S rad. Đường cong mômen cũng dịch chuyển một khoảng S. Hình 2.14 Mômen trong khi hoạt động Giá trị ngẫu lực hiệu dụng lớn nhất đạt tại giá trị nhỏ nhất khi roto đang quay nửa đường từ bước này sang bước kế tiếp. Giá trị nhỏ nhất này xác định moment xoắn động (running torque), giá trị moment xoắn lớn nhất của động cơ có thể đạt được khi nó bước tới trước rất chậm. Đối với động cơ._. nam châm vĩnh cửu hai mấu thông thường với những đường cong hình sin lý tưởng của moment xoắn so với vị trí và moment xoắn giữ h, giá trị moment xoắn động sẽ là h/(20.5). Nếu động cơ được quay bằng cách cấp điện cho hai mấu cùng lúc, moment xoắn động của một động cơ nam châm vĩnh cửu hai mấu lý tưởng sẽ bằng moment xoắn giữ loại một mấu. Trong thực tế, luôn có lực ma sát, vì thế, sau khi vị trí cân bằng quay một bước, rotor giống như dao động nhỏ xung quanh vị trí cân bằng mới. Quỹ đạo kết qủa có thể tương tự như trong hình 2.2.9 Hình 2.15 Quĩ đạo dao động góc trục Ở đây, quỹ đạo của vị trí cân bằng được biểu diễn bằng đường gạch đứt, trong khi đó, đường cong trên hình là quỹ đạo của rotor động cơ. c. Cộng hưởng Tần số cộng hưởng của rotor động cơ phụ thuộc vào biên độ của dao động; nhưng khi biên độ giảm, tần số dao động sẽ tăng đến một tần số mà biên độ nhỏ còn xác định được. Tần số này phụ thuộc vào góc bước và tỉ số giữa moment xoắn giữ và moment quán tính của rotor. Ngay cả khi moment xoắn lớn hơn hoặc nhỏ hơn cũng sẽ làm tăng tần số này. Phương pháp tính tần số cộng hưởng: Phương trình gia tốc góc theo định luật Newton: T = μ A trong đó: T – moment xoắn áp trên rotor μ: moment quán tính của rotor và tải A: gia tốc góc tính theo radians/giây bình phương Chúng ta cho rằng, với một biên độ nhỏ, moment xoắn trên rotor có thể được gần đúng bằng một hàm tuyến tính của độ dịch chuyển so với vị trí cân bằng. Vì vậy, áp dụng định luật Hooke: T = -k*Ө trong đó: k: hằng số dao động riêng của hệ, tính bằng đơn vị moment trên radian Ө: vị trí góc của rotor, tính bằng radians Chúng ta có thể cân bằng hai công thức moment xoắn để có: μ A = -k* Ө Mặt khác gia tốc là đạo hàm bậc hai của vị trí theo thời gian: A = d2 Ө /dt2 Nên ta có thể viết lại phương trình trên thành dạng phương trình vi phân: d2 Ө /dt2 = -(k/μ) Ө Giả sử rằng f( t ) = a sin bt Các dạo hàm của nó là: df( t )/dt = ab cos bt d2f( t )/dt2 = -ab2 sin bt = -b2 f(t) . Vì vậy, nó có phương trình chuyển động có dạng: Ө = a sin (2 f t) a = biên độ góc cộng hưởng f = tần số cộng hưởng Đây là một cách giải có thể chấp nhận được đối với phương trình vi phân ở trên nếu ta lấy: b = 2 f b2 = k/μ Giải ra tần số cộng hưởng f là một hàm của k and μ, ta có: f = ( k/μ )0.5 / 2 Trong thực nghiệm, sự dao động này có thể là nguyên nhân của những bài toán quan trọng khi tỉ lệ bước ở bất kỳ đâu cũng gần với tần số cộng hưởng của hệ; kết quả thường xuất hiện những chuyển động ngẫu nhiên không điều khiển được. Bộ nội suy Trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình số, những đường tác dụngcủa dao cụ và chi tiết được hình thành nhờ các dịch chuyển tọa độ trên nhiều trục. Sự phối hợp chuyển động trên nhiều trục do bộ nội suy đảm nhiêm. Bộ nội suy có các chức năng : Tìm ra vị trí các điểm trung gian cho phép hình thành một biên dạng cho trước trong một dung sai xác định trước. Các biên dạng cơ bản trong kỹ thuật là những đoạn thẳng và những đoạn cong. Tương ứng với thực tế, các bộ nội suy của điều khiển số thường chỉ giới hạn trong nội suy tuyến tính và nội suy vòng. Tốc độ đưa ra tọa độ vị trí chung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao cho trước. Đi tới một cách chính xác các điểm kết thúc chương trình đã đưa ra trước trong chương trình. Các hệ thống CNC hiện đại thực hiện nội suy ở hai mức: Một phần mềm nội suy xác định tọa độ của các điểm chung gian giữa điểm đầu và điểm cuối của một đoạn biên dạng đã được đưa ra trước trong chương trình (nội suy thô). Một mức nội suy chính xác, thực hiện tiếp theo nội suy tuyến tính giữa các điểm chung gian này. Với hai dạng nội suy thẳng và nội suy vòng, có thể thực hiện được những khả năng như sau: - Nội suy thẳng theo 2 trong n trục - Nội suy thẳng theo n trong n trục - Nội suy vòng theo 2 trong n trục - Nội suy vòng theo 2 trong n trục đồng thời và nội suy thẳng theo một trục vuông góc với mặt phẳng của đường tròn nội suy. Phương pháp nội suy Phương pháp phân tích vi phân số DDA (Digital Differential Analyse) nội suy tuyến tính: Sơ đồ khối của phương pháp: Một con dao cần chuyển động giữa hai điểm A(Xa,Ya) và B(Xb,Yb) theo một đường thẳng với một tốc độ chạy dao u xác định. Trong thời gian T=L/u (L chiều dài dịch chuyển), các đoạn đường thành phần (Xb-Xa), (Yb-Ya) được thực hiện. Các giá trị cần về vị trí hay tọa độ vị trí của các điểm trung gian cần được tính như một hàm số theo thời gian: (2-3) Chia thời gian T thành các khoảng đủ nhỏ, phép tích phân có thể thay thế bằng phép cộng số: n=1,2,3,...,N (2-4) Với mỗi bước cộng giá trị lại tăng thêm một bước bằng hằng số. Để đảm bảo chính xác biên dạng nội suy các bước cộng phải nhỏ hơn suất đơn vị f của truyền động chạy dao. f >= max(,) (2-5) Hình 2.16 Nội suy tuyến tính theo phương pháp DDA A (Xa,Ya) : Điểm khởi đầu. B (Xb,Yb): Điểm kết thúc u: Tốc độ chuyển động hình thành Vx,Vy: Tốc độ chuyển động trên các trục X và Y (Xb-Xa), (Yb-Ya) (Xb-Xa)<(Yb-Ya) Đúngg Sai m>lgN' m=1,2,3,4,... N=10m & (Xb-Xa)2 (Yb-Ya)2 Kết thúc Đúngn Sai Bước cộng tiếp theo Dữ liệu đầu vào Xa, Ya, Xb, Yb, u, Phương pháp nội suy vòng: Giả sử cần chạy cắt theo một đường cong, thì những điểm chung gian trên biên dạng phải được xác định từ bộ nội trong mối quan phụ thuộc vào thời gian chạy. Phương trình đường tròn có thể biểu diễn dưới dạng tham số: : 0÷ (2-6) Ta có thể biểu diễn dưới dạng: trong đó T là thời gian chạy hết toàn vòng. Khi đó: (2-7) Lấy tích phân theo hàm thời gian ta có tốc độ thành phần trên từng trục riêng lẻ là: (2-8) Xét bài toán cần thực hiện chuyển động từ PA đến điểm PE như hình vẽ: Trong đó: PA : điểm khởi xuất PE : điểm đích P : điểm thuộc đường cong T': thời gian chuyển động từ PA đến PE t': thời gian chuyển động từ PA đến P Với độ chính xác tương đối ( đủ nhỏ) tọa độ các điểm chung gian được tính theo công thức: (2-9) III. Các phương pháp đo vị trí trên máy điều khiển số 1. Khái niệm Các đại lượng đo: Là những đại lượng vật lý mà các giá trị của nó cần được đo lường (ở đây là các đoạn đường thẳng và góc) Giá trị đo: Là các giá trị cần tìm ra của đại lượng đo (tích của số đo và đơn vị đo) Dụng cụ đo: Là dụng cụ đưa ra các đại lượng đo và chuyển đổi thành các tín hiệu đo thích hợp Vị trí đo: Là nơi dụng cụ đo thực hiện phép đo 2. Các phương pháp đo Phương pháp đo vị trí bằng đại lượng tương tự: Đoạn đường hay góc cần đo được chuyển đổi liên tục thành một đại lượng vật lý tương thích (đại lượng tương tự hay analog), ví dụ chuyển đổi thành điện áp hoặc cường độ dòng Phương pháp đo vị trí bằng đại lượng số Đoạn đường hay góc cần đo được chia thành các yếu tố đơn vị có độ lớn như nhau. Quá trình đo chính là việc đếm hay cộng lại các yếu tố đơn vị đã đi qua hoặc nhờ ở sự nhận biết riêng của yếu tố đơn vị tại vị trí thật. Đo trực tiếp đường dịch chuyển Đo gián tiếp đường dịch chuyển Đo tương tự đường dịch chuyển Tuyệt đối Tuyệt đối chu kỳ Tuyệt đối Gia số (tương đối) Đo số đường dịch chuyển Hình 2.17 Các phương pháp đo vị trí Phương pháp đo vị trí trực tiếp Là phương pháp đo bám sát các vị trí cần đo hay các biến đổi vị trí, không cần đến các dẫn động cơ khí trung gian. Hệ thống đo được phép trực tiếp chuyển động trực tiếp với chuyển động cần đo. Phương pháp đo vị trí trực tiếp có độ chính xác cao vì giữa các đại lượng cần đo và dụng cụ đo không có các lỗi cơ khí (khe hở, các biến dạng dẻo). a) b) c) Hình 2.18 Đo vị trí trực tiếp và gián tiếp a. Đo vị trí trực tiếp; b. Đo vị trí gián tiếp thông qua trục vitme chạy dao; c. Đo vị trí gián tiếp thông qua bộ bánh răng / thanh răng. 1. Thước đo; 2. Hệ thống đo vị trí; 3. Cảm biến góc quay 4. Vitme-đai ốc; 5. Cảm biến góc quay; 6. Thanh răng đo Phương pháp đo vị trí trực tiếp Trong phương pháp này thay cho các biến đổi vị trí tịnh tiến cần đo, một chuyển động quay tương ứng sẽ được đo. Chuyển động quay gắn liền với chuyển động tịnh tiến ở đây là chuyển động quay của vitme chạy dao. Một khả năng khác là chuyển động chạy dao thẳng thành một chuyển động quay nhờ bộ truyền thanh răng/bánh răng. Các lỗi mắc phải do sai lệch bước vitme, độ ăn khớp khi đảo chiều hay khe hở ăn khớp giữa hai má răng trong bộ truyền thanh răng/ bánh răng bị đưa trực tiếp vào lỗi của phép đo. Lỗi này phải nằm trong giới hạn cho phép, thông qua việc chế tạo các bộ truyền với độ chính xác đủ lớn, hoặc được bù lại thông qua các yếu tố hiệu chỉnh đã được ghi nhớ trong chương trình điều khiển. Phương pháp do vị trí tuyệt đối Trong phương pháp này, mỗi một giá trị đo đều được so với điểm 0 của thước đo và có dấu hiệu riêng. Trong phương pháp đo vị trí tương tự / tuyệt đối, ứng với mỗi vị trí trong phạm vi đường dịch chuyển là một thang điện áp đặc biệt. Trong phương pháp đo vị trí / tuyệt đối, mỗi một gia số vị trí được đánh dấu riêng bằng mã nhị phân. Ưu điểm của phương pháp này là tại mỗi thời điểm đo hoặc sau mỗi lần mất điện áp, vị trí tuyệt đối so với điểm 0 được nhận biết ngay. Phương pháp đo vị trí tuyệt đối theo chu kỳ Hình 2.19 Đo vị trí chu kỳ- tuyệt đối Tín hiệu đo chu kỳ; 2. Tín hiệu đo tuyệt đối Khi đo vị trí bằng đại lượng tương tự trong những phạm vi dịch chuyển lớn hơn, độ chính xác của các vạch chia trên thang đo (thay đổi vị trí nhỏ nhất có thể nhận biết) thường không đáp ứng được trên toàn bộ đường dịch chuyển. Trong trường hợp này người ta chia toàn bộ phạm vi dịch chuyển thành những khoảng tăng có độ lớn bằng nhau. Trong phạm vi một khoảng tăng, phép đo được thực hiện theo phương pháp tuyệt đối. Giá trị đo tại vị trí đang đo được tính bởi: x= n.i+xabs (n=1,2,3…) Phương pháp đo vị trí kiểu gia số: Toàn bộ phạm vi dịch chuyển được chia thành các bước tăng (gia sô) không có dấu hiệu riêng, có độ lớn như nhau. Vị trí thật được đưa ra bởi tổng các bước tăng đã đi qua. Ở đây, các gia số vượt qua phải được cộng với nhau hoặc trừ đi cho nhau tuỳ theo chiều chuyển động. Nhược điểm của phương pháp đo này là: khi đóng mạch hệ điều khiển, ví trí thật lúc đó không được nhận biết. Trước khi đo, vị trí phải đưa về một điểm gốc 0 cố định (referenpoint).Sau khi đưa về gốc 0, hệ thống đo vị trí kiểu gia số làm việc theo nguyên tắc đo tuyệt đối. 3. Dụng cụ đo vị trí 3.1 Dụng cụ đo tương tự Potentiometer Potentiometer sử dụng quan hệ tuyến tính giữa chiều dài của một thước đo dẫn điện với điện trở của nó. Trên các máy công cụ CNC cần có độ chia đơn vị đo nhỏ hơn hoặc bằng 0.001mm. Độ chia này không thể đưa vào potentiometer, do vậy chúng không được máy công cụ dùng để đo vị trí. Hệ thống đo vị trí cảm ứng Quanh một thước đo có dòng xoay chiều chạy qua, hình thành một trường điện từ biến thiên. Từ trường biến thiên này làm xuất hiện trên một thước đo dẫn điện khác (đặt trong phạm vi của nó) một điện áp. Điện áp cảm ứng phụ thuộc vào cường độ từ trường và do đó phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai vật dẫn . Resolve (hay còn gọi là thước đo cảm ứng quay) ứng dụng nguyên tắc cảm ứng này để đo vị trí theo kiểu tuyệt đối chu kỳ, không trực tiếp. Hình dưới mô tả mạch resolve không có vành quét. Một stato hai pha có hai cuộn dây quấn, các cuộn dây của nó đặt thẳng đứng trên nhau. Hai cuộn dây cuốn của stato được cấp các điện áp xoay chiều lệch pha về điện 900: U1sinα hoặc U1cosα Tần số phổ biến ở đây là 2.5kHz Từ trường biến thiên hình thành, gây cảm ứng trong cuộn dây rôto một điện áp U2. Độ lớn của nó phụ thuộc vào góc quay của cuộn dây roto đối với vectơ từ trường. Điện áp cảm ứng trong cuộn dây rotor được chuyển qua một biến thế quay không có vành quét. Tín hiệu điện áp tỷ lệ với góc quay của rotor do resolve cấp ra chỉ cho được một tệp thứ tự các giá trị đo tuyệt đối trong phạm vi của một độ chia trên rotor. Resolve là những hệ thống đo làm việc theo kiểu tuyệt đối chu kỳ. Hình 2.20 Cảm biến góc quay a. Sơ đồ bộ cảm ứng quay không đồng bộ có vành quét b. Cấu trúc bộ cảm biến Industosyn Để đo vị trí theo kiểu tương tự / tuyệt đối / chu kỳ và trực tiếp, người ta thường dùng Industosyn. Nguyên tắc tác dụng của nó gần giống như resolve quấn dây thẳng. Industosyn tuyến tính bao gồm một thước đo với một cuộn dây phẳng quấn theo dạng gấp khúc chữ nhật (meande). Với mục đích đo lường, khoảng cách dây quấn là 2mm. Bên trên thước đo có một đoạn thước dẫn, trên nó có hai cuộn dây phẳng đặt lêch nhau một phần tư độ chia. Thước đo chính được cố định trên thân máy, đoạn thước dẫn được lắp trên bàn máy di động mà ta cần đo các biến thiên vị trí của nó. Khoảng cách giữa hai thước đo chính và thước dẫn vào khoảng 0.25mm. Trong cuộn dây của thước đo chính có một điện áp tần số cao UE. Qua lớp cách, trong cuộn dây của thước dẫn cảm ứng một điện áp phụ thuộc vào vị trí của cuộn dây trên thước dẫn so với cuộn dây trên thước đo chính. Điện áp này được đánh giá trong hệ điều khiển và đưa ra giá trị đo vị trí của bàn máy. 3.2 Dụng cụ đo vị trí kiểu số Hệ thống đo vị trí kiểu số/ gia số Hình 2.21 Thước đo theo nguyên tắc quang - điện - soi thấu 1. Nguồn sáng. 2. Thấu kính hội tụ; 3. Thước đo; 4. Lưới kích 5. Tế bào quang điện; 6. Mã chuẩn Hệ thống đo vị trí kiểu số đa số làm việc theo theo nguyên tắc quang-điện. Theo phương pháp dọi phản quang, một tia sáng dọi qua một thước đo, trên đó có những vạch chi phản quang và không có phản quang thay đổi kế tiếp nhau. Tia sáng gặp phải vạch phản quang sẽ bị phản hồi lại và được tế bào quang điện tiếp thụ. Trong phương pháp soi thấu, trên thước đo có những vạch soi thấu và không thấu đặt kế tiếp nhau. Hình 2.21 Nêu lên cấu trúc của một hệ thống đo vị trí kiểu số dùng nguyên tắc quang-điện và soi thấu. Đầu kích quang gồm một thiết bị chiếu sáng, một thấu kính hội tụ, một 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 lệch nhau 900, qua đó ta nhận biết được chiều chuyển độngTrong các hệ thống thống đo vị trí kiểu gia số, khi mất điện áp nguồn , các giá trị đo cua bàn máy cũng mất theo. Để tái hiện được số đo này, thước đo có thể được trang bị thêm một hay nhiều mốc đo chuẩn. Các tín hiệu đầu ra của hệ thống đo chiều dài theo phương pháp quang điện được khuếch đại trong một bộ tạo xung điện tử và tạo thành dạng xung chữ nhật. Tuỳ theo chu kỳ chia và độ chia đòi hòi, các tín hiệu và được nội suy tương tự và chia nhỏ thêm đến 5 lần hoặc 25 lần. Đầu kích quang điện động Trong phương pháp này, nhịp đo chuẩn không phải là từ một tia chớp mà là từ 220 dãy tế bào quang điện sắp xếp bên nhau. Qua thấu kính, độ phân giải vạch chia của thang đo được hình thành trên các tế bào quang điện. Mỗi loạt 10 tế bào quang điện được kích thích cùng một lúc ở đầu ra. Điện áp đầu ra của chúng tỷ lệ với dòng ánh sáng dọi vào vùng tế bào quang điện này. Mặt phân chia các tế bào quang điện (trên phương điện tử) được nhận biết bởi các chuỗi tế bào quang điện xếp lệch nhau, mô phỏng về điện tử như một máy quét quang động (optoscaner). Dòng tổng cộng của các tế bào quang điện hình thành tín hiệu đo, vị trí về pha của nó tương quan với tần số quét. Ưu điểm hệ thống này là với một khoảng cách chia vạch đo 635μm có thể đạt tới độ phân giải vạch chia là 0.5μm CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG DỮ LIỆU VÀ CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC TRÊN MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ I. Hệ thống dữ liệu Soạn thảo chương trình cho một hệ điều khiển số có nghĩa là đưa toàn bộ các thông tin cần thiết để chế tạo một chi tiết xác địng trên máy công cụ trở thành dạng thức có thể “hiểu được” cho hệ điều khiển số theo một hình thức thích hợp. Thực chất của công việc lập trình là thu thập, xử lý và soạn thảo những dữ liệu, những thông tin yêu cầu. Các dữ liệu bao gồm: - Các thông tin hình học (dữ liệu tạo hình hay các số liệu về đường dịch chuyển) - Các thông tin công nghệ (số vòng quay trục chính, chiều quay, lượng chạy dao chiều sâu cắt, hiệu chỉnh máy, thay dao, bơm tưới dung dịch trơn nguội…) 1. Hệ tọa độ Để xác định các tương quan hình học trong vùng làm việc của máy người ta đưa vào các hệ tọa độ và các điểm gốc chuẩn. Hệ thống trục tọa độ và chiều chuyển động của chúng trên các máy công cụ điều khiển số được tiêu chuẩn hóa. Hệ thống tọa độ vuông góc trên máy công cụ điều khiển số được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Các chuyển động chính của máy điều khiển số được thiết lập theo các trục tọa độ X,Y và Z. Theo quy tắc bàn tay phải ngón tay cái là trục X, ngón trỏ là trục Y, ngón giữa là trục Z. Hệ thống tọa độ này có liên quan mật thiết đối với chi tiết gia công trên máy điều khiển số. Khi lập trình, người ta quy ước rằng dụng cụ chuyển động tương đối so với hệ thống tọa độ, còn chi tiết đứng yên. Do vậy có một nguyên tắc đơn giản mà người lập trình cần phải nắm vững là chi tiết đứng yên và chỉ có dụng cụ chuyển động. Các trục quay tương ứng với các trục X, Y, Z được ký hiệu là A, B, C. Chiều quay quy định như sau: Nếu nhìn theo hướng dương của một trục thì chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ là chiều quay dương. Theo tiêu chuẩn DIN 66217, thứ tự của các trục tọa độ và các chiều chuyển động được bố trí như sau: Trục Z - Nếu máy có trục chính cố định, không xoay nghiêng được thì trục Z nằm song song với trục chính hoặc trùng với tâm đường trục đó. - Nếu trục chính xoay nghiêng được và chỉ có một vị trí xoay nghiêng song song với một trục tọa độ nào đó, thì chính trục tọa độ đó là trục Z. - Nếu trục chính xoay nghiêng được song song với nhiều trục tọa độ khác nhau, thì trục Z là trục là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết chính của máy.( Khi trục chính xoay nghiêng được theo một hướng nghiêng với chính nó thì trục này kí hiệu là W). - Nếu máy có nhiều trục chính công tác, ta sẽ chọn một trong số , trục Z là trục chính theo cách ưu tiên trục nào có đường tâm vuông góc với bàn kẹp chi tiết. - Nếu máy không có trục chính công tác ( máy bào, máy gia công điện hóa …) thì trục Z cũng là rục vuông góc với bàn kẹp chi tiết. Hình 3.1 Ký hiệu các trục trên máy điều khiển số Trục X - Trục X là trục tọa độ nằm trên mặt định vị hay song song với bề mặt kẹp chi tiết, thường ưu tiên theo phương nằm ngang. Chiều của trục X được xác định như sau: - Trên các máy có dao quay tròn. * Nếu trục Z đã nằm ngang thì chiều dương của trục X hướng về bên phải nếu ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết. * Nếu trục Z hướng thẳng đứng và máy có một thân máy thì chiều dương của trục X hướng về bên phải khi ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết. Còn máy có hai thân máy thì chiều dương của trục X hướng về bên phải nếu ta nhìn từ trục chính hướng về thân máy bên trái. - Trên máy có chi tiết quay tròn. * Trục X nằm theo phương hướng kính của chi tiết và đi từ trục chi tiết đến bàn kẹp dao chính. - Trên các máy không có trục chính công tác. * Trục X chạy song song theo hướng gia công chính. Trục Y - Trục Y được xác định theo quy tắc bàn tay phải sau khi đã biết trục X và trục Z. Các trục phụ Nếu ngoài các trục X, Y, Z còn có các trục điều khiển độc lập khác ta dùng ký hiệu U(//X), V(//Y), W(//Z). Các trục song song khác( so với trục tọa độ chính) nhận tiếp các ký hiệu P, Q, R. Hình 3.2 Các trục phụ trên máy CNC a) b) Hình 3.3 Trục tọa độ trên một số máy cơ khí a. Trục toạ độ trên máy tiện nghiêng b. Trục toạ độ trên trung tâm gia công 2 .Các điểm chuẩn Trong vùng làm việc của các máy công cụ điều khiển số, cần xác định các điểm chuẩn sau đây a) Điểm 0 của máy – M Điểm 0 của máylà điểm gốc của hệ tọa độ máy, được nhà chế tạo quy định theo một quan điểm có mục đích ( theo kết cấu động học của máy … ) VD ở máy tiện CNC, M là giao điểm của trục quay Z với mặt tỳ của của mâm cặp trên mặt bích trục chính). b) Điểm 0 của chi tiết W. Điểm 0 của chi tiết là điểm gốc của hệ tọa độ chi tiết. Vị trí của điểm W do người lập trình lựa chọn trên chi tiết. Đôi khi việc xác định trên chi tiết nhiều hệ tọa độ khác nhau có các điểm gốc 0 tương ứng là , , , … lại thuận tiện và có ưu điểm làm đơn giản hóa công việc lập trình. c) Điểm chuẩn của máy R. Điểm chuẩn là điểm xác định trong vùng làm việc của máy công cụ. Điểm này có một khoảng cách xác định so với điểm 0 của máy và được đặt mốc trên mỗi trục nhờ cữ chặn cố định hoặc cữ chặn có thể điều chỉnh được theo từng bước không đổi. Điểm chuẩn là cần thiết trong trường hợp hệ điều khiển dùng phép đo vị trí kiểu gia số. Ở đây, cứ mỗi lần đóng mạch hệ điều khiển thì các trục phải chạy về điểm chuẩn của nó, có như vậy hệ điều khiển mới có một điểm khởi xuất từ đó bắt đầu đến các khoảng gia số. Dịch chuyển trở về điểm chuẩn được thực hiện hoặc là nhờ một lệnh chương trình chuyên dụng hoặc là nhờ một công tắc chuyên dụng trên bảng điều khiển. d) Điểm chuẩn của dao - Điểm cắt của dụng cụ. Để có thể xác định vị trí của dao trong vùng làm việc của máy, ta xác định điểm chuẩn P của dao. Trên hình vẽ trình bày các vị trí điểm chuẩn P của dao cho các dao khác nhau quay hoặc không quay. e). Điểm thay dao. Để tránh va đập vào chi tiết gia công khi thay dao tự động phải chạy đến điểm thay dao. Hình 3.4 Các điểm chuẩn M, W, R trên máy phay f) Các điểm chuẩn khác. Tuỳ theo dạng máy công cụ mà ta còn có các dạng điểm chuẩn khác nhau, xác định có mục đích. Điểm tỳ A Điểm tỳ A là giao điểm của các đường trục và mặt phẳng tỳ. Trên các máy tiện, mặt phẳng tỳ nằm ngay tại mâm cặp hoặc chấu cặp. Điểm điều chỉnh dao E Khi sử dụng nhiều dao, các kích thước của dao phải được xác định trước trên thiết bị điều chỉnh dao để có thông tin đưa vào trong hệ thống điều khiển nhằm hiệu chỉnh tự động kích thước dao. Các kích thước hiệu chỉnh này gắn với điểm điều chỉnh nằm trên chuôi dao. Hình 3.5 Điểm điều chỉnh dao E Điểm gá dao N Khi dụng cụ được lắp vào giá dao điểm gá dao N và điểm điều chỉnh dao E sẽ trùng nhau. Trên các máy phay điểm gá dao N nằm trên vành trục chính. Trên các máy tiện, điểm gá dao N nằm tại các mặt phẳng của đầu Rơvonve. Điểm cắt của dao Điểm này là điểm đỉnh dao thực hoặc lý thuyết. Điểm chuẩn của bàn trượt F Tất cả các điểm ở trên bàn trượt đều liên quan đến điểm chuẩn này. Điểm chuẩn của giá dao T Vị trí của giá dao được xác định nhờ điểm này. Nó được dùng như là một điểm xuất phát của tất cả các kích thước trên đầu Rơvonve. II. Cấu trúc của một chương trình Một chương trình gia công điều khiển số CNC chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết để thực hiện một hay nhiều công đoạn gia công xác định trên một máy công cụ CNC. Chương trình gồm từ dấu hiệu “ bắt đầu chương trình % ”, sau đó là một trình tự các câu lệnh. Kết thúc quá trình được đánh dấu bởi một chức năng phụ. 1. Câu lệnh Câu lệnh là một tập hợp các thông tin cần cho hệ điều khiển để thực hiện một bước gia công. Trước dấu hiệu “ bắt đầu chương trình %” có thể có một đoạn text bất kỳ. Đoạn text này không được phép chứa ký tự %. Hệ hiểu được tất cả những thông tin đứng trước dấu hiệu “bắt đầu chương trình - %”. Cũng như vậy, hệ điều khiển bỏ qua không đọc mọi chú thích trong chương trình nằm giữa dấu hiệu (…). Cấu trúc của một chương trình gia công điều khiển CNC cũng được tiêu chuẩn hóa ( VD DIN 66025). Mỗi câu lệnh chương trình bao hàm những thông tin riêng lẻ mà ta gọi là “ từ lệnh”. 2. Từ lệnh Mỗi từ lệnh hàm chứa một thông số kỹ thuật lập trình, về thông tin hình học hoặc về thông tin công nghệ. Trong phương thức viết liên tục kiểu thông dụng, mỗi từ lệnh bao gồm một chữ cái và một con số. Hệ điều khiển nhận biết được dạng của từ lệnh nhờ chữ cái. Về con số, hệ điều khiển đọc là số dương, và đọc là số âm khi có dấu “-“ đứng trước con số. Giữa các từ lệnh có một khoảng cách bằng một dấu cách. Trong phương thức viết địa chỉ kiểu “Tab”, khoảng cách giữa các từ lệnh bằng 1 Tab. Cách viết này có ưu điểm khi phân tách chương trình thành danh mục chương trình, qua đó sẽ đưa ra một được một diễn đạt tổng quan. Bởi vì tất cả mọi từ lệnh có cùng địa chỉ đều đứng dưới nhau theo một cột. Nhược điểm là chương trình sẽ chiếm dụng nhiều chỗ trong vật mang tin. Các từ lệnh được xếp vào câu lệnh theo một trình tự chặt chẽ, theo tiêu chuẩn (DIN 66025). 1. Từ cho số thứ tự câu lệnh. 2. Từ cho điều kiện đường dịch chuyển hoặc điều kiện chuẩn bị. 3. Từ biểu thị cho trục tọa độ: X,Y,Z,U,V,W,P,Q,R,A,B,C,D,E. 4. Các từ cho những thông số nội suy I, J, K. 5. Từ lệnh cho lượng chạy dao. 6. Từ lệnh cho số vòng quay trục chính hoặc cho tốc độ cắt. 7. Từ lệnh chọn dao và giá trị hiệu chỉnh. 8. Từ lệnh cho chức năng phụ. Trong một câu lệnh, có thể bỏ qua các từ lệnh mà khi viết nó trong câu không cần dùng dùng đến các thông tin dạng số. 3. Ký tự địa chỉ và những dấu hiệu đặc biệt (DIN 66025) Bảng 3.1 Ký tự địa chỉ và các ký hiệu (DIN 66025) Ký tự Ý nghĩa A Chuyển động chạy dao quanh trục X B Chuyển động chạy dao quanh trục Y C Chuyển động chạy dao quanh trục Z D Chuyển động chạy dao quanh trục khác hoặc gọi bộ nhớ hiệu chỉnh dao E Chuyển động chạy dao quanh trục khác hoặc gọi lượng chạy dao thứ 2 F Lượng chạy dao G Điều kiện đường dịch chuyển H Địa chỉ chưa dùng, còn tự do. I Thông số nội suy theo trục X hoặc bước ren song song với trục X J Thông số nội suy theo trục X hoặc bước ren song song với trục Y K Thông số nội suy theo trục X hoặc bước ren song song với trục Z L Địa chỉ chưa dùng, còn tự do M Chức năng phụ N Số thứ tự câu lệnh O Không sử dụng để tránh nhầm lẫn với số 0 P Chuyển động thứ 3 song song với trục X hoặc thông số hiệu chỉnh dao Q Chuyển động thứ 3 song song với trục Y hoặc thông số hiệu chỉnh dao R Chuyển động thứ 3 song song với trục Z hoặc thông số hiệu chỉnh dao S Số vòng quay trục chính hoặc tốc độ cắt T Gọi dao – Dụng cụ cắt U Chuyển động thứ 2 song song trục X V Chuyển động thứ 2 song song trục Y W Chuyển động thứ 2 song song trục Z X Chuyển động theo hướng của trục X Y Chuyển động theo hướng của trục Y Z Chuyển động theo hướng của trục Z % Bắt đầu chương trình : Câu lệnh chính / Nén câu lệnh ( kìm lại) ( Bắt đầu một chú thích ) Kết thúc một chú thích 4. Mô tả lệnh trong câu lệnh Thứ tự, địa chỉ và cấu trúc của từng từ lệnh riêng lẻ trong một chương trình gia công điều khiển CNC được xác định theo tiêu chuẩn (DIN 66025). Tiêu chuẩn này cũng thống nhất với các tiêu chuẩn quốc tế tương ứng (ISO). Tuy nhiên, giữa các nhà chế tạo hệ điều khiển khác nhau, có những chức năng mới khác biệt nhau, mà tiêu chuẩn chưa bao quát và cập nhật hết, do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật CNC. Từ lệnh N : Số thứ tự của câu lệnh. - Từ đầu tiên của một câu lệnh là số câu lệnh N. Nó đánh số cho câu lệnh. Mỗi câu lệnh có số riêng, nhờ đó có thể tìm ra và truy cập trong chương trình. - Trong chương trình CNC, tiến trình xử lý theo mức ưu tiên, và trình tự từ trên xuống dưới. Do đó số hiệu đánh dấu cho câu lệnh đã định chỉ cho phép dùng một lần nếu như trong chương trình không có yêu cầu truy cập lại. - Với đa số các hệ CNC, trong khi xử lý một chương trình, số các câu lệnh đang xử lý đều được hiển thị, do đó quá trình vận hành máy thông báo được ở mọi lúc về mức độ xử lý chương trình. Từ lệnh G : Điều kiện đường dịch chuyển. - Chữ cái địa chỉ G thông báo cho hệ điều khiển lệnh chuẩn bị. Một lệnh chuẩn bị có tác dụng đổi mạch cho hệ điều khiển sang một tiến trình tự động xác định. - Lệnh chuẩn bị bao gồm chữ cái địa chỉ G và một mã số hai vị trí từ . Tập hợp các điều kiện đường dịch chuyển từ được phân thành 3 dạng như sau ( theo ý nghĩa). a. Những điều kiện đường dịch chuyển được nhớ trong hệ điều khiển, có tác dụng đối với mọi câu lệnh tiếp theo cho đến khi bị một điều kiện đường dịch chuyển khác cùng dạng viết đè hoặc bị xoá bởi lệnh xoá. b. Những điều kiện đường dịch chuyển chỉ có tác dụng trong câu lệnh nào mà nó được đưa vào khi lập trình. c. Những điều kiện đường dịch chuyển mà tiêu chuẩn không đặt cho nó một ý nghĩa chắc chắn Mỗi một ý nghĩa của mã số trong nhóm G này được xác định bởi nhà chế tạo hệ điều khiển. Khi đóng mạch cho một hệ điều khiển CNC, một số điều kiện đường dịch chuyển được đặt vào một cách tự động. Những điều kiện đường dịch chuyển này một phần do các nhà chế tạo hệ điều khiển cài đặt, không thay đổi được, một phần chúng có thể được người sử dụng máy cài đặt thông qua dữ liệu điều chỉnh máy ( MED, MSD = Machine Setup Data). Tiêu chuẩn DIN 66025 có các lệnh chuẩn bị sau: Nhóm Lệnh chuẩn bị a Dạng nội suy b Chọn mặt tọa độ c Chỉnh lý dao d Dịch điểm chuẩn e Đặc tính chuyển động vào cắt f Chu kỳ làm việc h Số liệu kích thước j Quy định chạy dao k Quy định số vòng quay trục chính Bảng 3.2 Lệnh chuẩn bị theo tiêu chuẩn DIN 66025 . Mô tả các điều kiện đường dịch chuyển G00 : Chạy dao nhanh - Đặc tính điều khiển điểm: Dịch chuyển nhanh của dụng cụ cắt từ điểm hiện tại của nó đến điểm tiếp theo đã được lập trình với một tốc độ chạy tối đa ( do không gia công) Nhờ dữ liệu điều chỉnh, máy có thể xác định được trước xem liệu có cần chạy với tốc độ tối đa trên trục tọa độ có đoạn dịch chuyển dài hơn; hoặc liệu có cần thích ứng tốc độ dịch chuyển tính ra với tốcꋊđộ chạy dao nhanh cho phép tối đa. Độ lớn của tốc độ chạy dao nhanh thường không cần phải lập trình. Nó được cài đặt trước trong hệ điều khiển như một hằng số.Có một vài hệ điều khiển xử lý lệnh G00 theo kiểu đồng thời có dịch chuyển với tốc độ chạy dao nhanh với tốc độ tối đa trên tất cả các trục ( hình vẽ). Lúc đầu tất cả các trục vitme của các bàn trượt chạy đồng thời với tốc độ , sau đó tuỳ theo vị trí của điểm đích phải chạy đến, các chuyển động này sẽ kết thúc ở các điểm khác nhau. G01: Mã lệnh nội suy đường thẳng. Dụng cụ cắt dịch chuyển từ điểm hiệntại của nó đến một điểm tiếp theo đã được lập trình trên một đường thẳng với lượng chạy dao gia công đã được lập trình thông qua địa chỉ F ( có gia công). G02 , G03 : Mã lệnh nội suy vòng – nội suy đường tròn. Mã lệnh G02 thực hiện dịch chuyển trên một cung tròn theo chiều kim đồng hồ. Mã lệnh G03 thực hiện dịch chuyển trên một cung tròn theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Để xác định chiều thuận G02 hay chiều nghịch G03 ( theo chiều kim đồng hồ) là dựa vào hướng quan sát, nếu các trục tọa độ theo chiều._.-7 7-6 12-11 12-11 11 9-8 9-8 7-6 6 13-12 11-10 9-7 6 12 11 8-7 80 40-20 - - 40-20 40 20 - - - - 80-40 40-20 - - 40 20 - 80 40-20 - - 40-20 40 20 - - - - 80-40 40-20 - - 40 20 - Độ chính xác về vị trí tương quan như độ đồng tâm giữa các bậc trục, độ đồng tâm giữa mặt trong và mặt ngoài phụ thuộc vào phương pháp gá đặt phôi, độ chính xác của máy và có thể đạt được 0,01 mm. Khi tiện ren độ chính xác có thể đạt cấp 7, Ra= 2,5 ÷ 1,25 mm. 3. Năng suất và chi phí gia công khi tiện Năng suất và chi phí khi tiện phụ thuộc vào điều kiện gia công cụ thể như độ cứng vững của hệ thống công nghệ, vật liệu phôi, hình dạng kích thước phôi, vật liệu dao, kết cấu của bộ phận cắt của dao, chế độ cắt, công nghệ trơn nguội (thành phần, phương pháp, chế độ bôi trơn và làm nguội), trình độ tay nghề của công nhân, yêu cầu kỹ thuật của nguyên công … Lựa chọn chế độ cắt kinh tế khi tiện : Nếu gọi Q là thể tích phoi được cắt đi trong một đơn vị thời gian ta có : Q = A.v = t.s.v (mm3/giây hoặc mm3/phút) Trong đó : A = s.t là tiết diện ngang của phoi (mm2) V là vận tốc trung bình (mm/phút hoặc mm/giây). Khi thay đổi chế độ cắt thì lực cắt Fc, lực cắt đơn vị Kc và công suất cắt Pc cũng thay đổi (bảng). Kết quả bảng trên cho thấy : - Tăng chiều sâu cắt dẫn tới lực cắt và công suất cắt tăng mạnh trong khi đó nhiệt độ ở lưỡi cắt, lực cắt đơn vị Kc và lượng mòn đơn vị của dụng cụ cắt (ví dụ lượng mài mòn trên một dơn vị chiều dài của lưỡi cắt) không tăng. - Tăng bước tiến dao dẫn tới lực cắt, công suất cắt, nhiệt độ ở lưỡi cắt tăng do đó lượng mòn đơn vị của dụng cụ cắt và lực đơn vị giảm nhẹ. - Tăng tốc độ cắt dẫn đến tăng công suất cắt và nhiệt độ ở lưỡi cắt, do đó tăng lượng mòn đơn vị của dụng cụ cắt mặc dù lực cắt và lực cắt đơn vị giảm nhẹ. Như vậy muốn chọn chế độ cắt kinh tế phải giải bài toán tối ưu khi tiện trong điều kiện gia công cụ thể. Trong trường hợp chưa có điều kiện giải bài toán xác định chế độ cắt tối ưu có thể sử dụng các thông tin kinh nghiệm dưới đây : - Khi tiện thô nên chọn t,s lớn để giảm số lần cắt và thời gian cơ bản t0 và nâng cao năng suất cắt. - Khi tiện tinh nên chọn t sao cho nhiệt cắt không quá lớn ảnh hưởng tới chất lượng và độ chính xác gia công, chọn s theo quan điểm đảm bảo độ nhám bề mặt nhưng không quá nhỏ gây ra hiện tượng trượt và rung động ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất. - Khi tiện tinh mỏng nên dùng dao kim cương và dao hợp kim cứnghoawcj dao chế tạo từ vật liệu CBN (cacbit bo nitrit có cấu trúc mạng tinh thể lập phương thẻ tâm) được mài đúng tiêu chuẩn, chọn bước tiến s và chiều sâu t nhỏ, tốc độ cắt v lớn. Ví dụ khi tiện tinh các kim loại đen chọn s = 0,01 ÷ 0,02 mm/ vg ; t = 0,05 ÷ 0,3 mm ; v = 120 ÷ 130 m/phút, với kim loại màu v = 1000 m/phút. Khi tiện mỏng có thể đạt độ chính xác cấp 5, Rz = 1,6 mm. Muốn đạt độ chính xác cao có thể cắt bằng hai lần chuyển dao trên cùng một lần gá đặt với 1 dao hoặc cắt bằng một lần chuyển dao nếu dùng 2 dao gá so le sẽ nâng cao năng suất mà vẫn đảm bảo chất lượng với lượng dư : Zb1 =2/3 Zb0 Zb2 = Zb0 Trong đó Zb0 = 0,3 ÷ 0,4 mm. Khi tiện tinh mỏng cũng như khi gia công thô cần dùng dung dịch trơn nguội để giảm nhiệt độ vùng cắt, giảm ma sát, giảm mài mòn của dụng cụ, do đó nâng cao năng suất và độ chính xác gia công. Thành phần của dung dịch trơn nguội, chế độ công nghệ và phương pháp tưới dung dịch trơn nguội phụ thuộc vào thành phần vật liệu gia công và vật liệu làm dao. 4. Các biện pháp công nghệ khi tiện. 4.1. Các phương pháp gá đặt khi tiện Chọn chuẩn và phương pháp gá hợp lý chẵng những ghóp phần đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của chi tiết gia công mà còn giúp cho việc thiết kế đồ gá đơn giản, dễ thao tác, có thể gia công nhiều bề mặt cùng một lúc làm giảm thời gian gia công cơ bản T0, giảm thời gian phụ Tph và thời gian chuẩn bị kết thúc Tcbkt ghóp phần nâng cao năng suất và hạ giá thành. Việc chọn chuẩn công nghệ khi tiện phụ thuộc vào vị trí cần gia công (mặt trong, mặt ngoài hay mặt đầu), hình dạng kích thước chi tiết và độ chính xác yêu cầu. Khi gia công mặt ngoài thì chuẩn có thể là mặt ngoài, mặt ngoài kết hợp với mặt đầu, 2 lỗ tâm, mặt đầu kết hợp kết hợp với lỗ tâm, mặt lỗ (nếu chi tiết có lỗ đã gia công qua) hoặc mặt lỗ kết hợp với mặt đầu. Khi gia công mặt trong thì chuẩn là mặt ngoài hoặc mặt ngoài kết hợp với mặt đầu. Khi gia công chi tiết dạng hộp hoặc dạng càng người ta thường chọn chuẩn là mặt phẳng đáy kết hợp với hai lỗ vuông góc với đáy. Tùy theo cách chọn chuẩn có thể có các cách gá đặt sau đây khi gia công trên máy tiện (hình 9.1) Mối tương quan giữa đường kính và chiều dài phôi ảnh hưởng rất lớn tới sự ổn định của chi tiết khi gá đặt (bảng 9.1) Kiểu gá đặt Ổn định Kém ổn định Không ổn định Gá trên 2 mũi tâm L≤ 6.d Với d > 60mm L = (6…12)d Với d< 60mm L≥12.d Gá trên mâm cặp L≤d L = (1…2).d L> 2.d Hình 9.1a. Các phương pháp gá đặt khi tiện 4.2. Gá đặt dao khi tiện Thông thường phải gá dao sao cho lưỡi cắt nằm trong mặt phẳng nằm ngang đi qua tâm của chi tiết, đặc biệt đối với tiện cắt đứt và tiện ren. Nếu mũi dao cao hơn tâm khi tiện cắt đứt sẽ để lại 1 lõi nhỏ, càng vào gần tâm càng khó cắt và dao dễ bị gãy. Hình 9.1b Sơ đồ gá dao khi tiện Để đảm bảo profin ren chính xác khi tiện ren phải gá dao sao cho trục đối xứng của dao vuông góc với đường tâm chi tiết, đồng thời mựt trước của dao phải trùng với mặt phẳng nằm ngang đi qua tâm chi tiết. Nếu trục dao không vuông góc với tâm chi tiết profin ren sẽ không đối xứng, người ta gọi hiện tượng đó là ren bị đổ. Nếu mặt trước của dao cao hoặc thấp hơn tâm, hoặc mũi dao nằm trong mặt phẳng ngang tâm nhưng mặt trước của dao quay quanh trục õ hoặc oy một goc nhỏ sẽ dẫn tới lưỡi dao cao hoặc thấp hơn tâm làm cho profin ren bi sai lệch. Các phương pháp cắt khi tiện Hình 9.2. Sơ đồ cắt khi tiện thô mặt ngoài a – Căt tằng lớp ; b – Cắt từng đoạn ; c – Cắt phối hợp Phương pháp cắt có ảnh hưởng quyết định tới năng suất và chất lượng nguyên công. Khi tiện thô mặt ngoài có thể cát theo từng lớp (hình 9.2a ), cắt từng đoạn (hình 9.2b ) hoặc cắt phối hợp (hình 9.2c). Cắt từng lớp theo thứ tự 1, 2, 3, (hình 9.2a) lực cắt nhỏ, biến dạng hệ thống nhỏ nên độ cứng vững cao, có thể đạt đọ chính xác cao nhưng năng suất thấp vì tổng đoạn đường di chuyển dao lớn. Khi cắt theo từng đoạn (hình 9.2b), trên mỗi đoạn không thể cắt một lần mà phải phân chia làm nhiều mặt lần cắt, lượng dư lớn và không đều, lực cắt lớn, biến dạng hệ thống lớn nên độ cứng vững thấp, tuy nhiên phương pháp này cho năng suất cao. Phương pháp cắt phối hợp (hình 9.2c) khắc phục được nhược điểm của hai phương pháp trên. 5. Dụng cụ cắt trên mô hình máy tiện điều khiển bằng máy tính Trong công nghệ gia công cơ khí, chúng ta có thể sử dụng nhiều dụng cụ cắt khác nhau về hình dạng, về kết cấu. Có loại rất đơn giản (như dao đơn), có loại rất phức tạp (như dao chuốt, dao lăn răng). Cho dù có nhiều chủng loại khác nhau nhưng chúng vẫn có một nét chung là: Dao đơn thì đứng một mình, dao phức tạp là do nhiều loại dao đơn ghép lại trong một không gian nhất định. Do vậy về mặt hình học, chỉ cần khảo sát tỉ mỉ về dao đơn, còn dao nhiều răng sẽ được suy diễn từ những khái niệm và định nghĩa tổng quát cho dao đơn. 5.1. Thành phần kết cấu và thông số hình học của dao tiện 5.1.1. Phân loại dao tiện Trong thực tế có rất nhiều kiểu dao tiện khác nhau, ở đây chỉ giới thiệu vài kiểu dao hay gặp nhất (hình 9.3). Hình 9.3. Sơ đồ các kiểu dao tiện thông dụng - Hình 9.3a : dao tiện đơn đầu thẳng hay còn gọi là dao chữ nhân, dùng tiện phá mặt ngoài. - Hình 9.3b : Dao tiện đầu cong, dùng tiện phá tiện mặt đầu. - Hình 9.3c : Dao tiện cắt rãnh hoặc cắt đứt. - Hình 9.3d : Dao tiện lỗ thông. - Hình 9.3e : Dao tiện để móc lỗ tịt. - Hình 9.3g : Dao tiện ren. - Hình 9.3h : Dao tiện định hình lăng trụ và hình đĩa dùng gia công những chi tiết định hình, dùng trong sản xuất hàng loạt hoặc hàng khối. 5.1.2. Thông số hình học của dao tiện (dao đơn) Trên chi tiết đang gia công có các bề mặt quy ước như sau : Hình 9.4. Các bề mặt quy ước trên chi tiết đang gia công Bề mặt đã gia công ký hiệu cữ E ; Bề mặt đang gia công ký hiệu chữ C ; Bề mặt chưa gia công ký hiệu chữ F ; Những bộ phận chính của dao Hình 9.5. Các yếu tố kết cấu của dao tiện Dao tiện, còn gọi là dao đơn, có hình rất đơn giản. Bề mặt của nó giống như một thanh kim loại được tạo thành các lưỡi cắt. Tuy nhiên, nó cũng được chia làm hai phần chính : phần thân dao và phần làm việc. Phần thân : Thường có tiết diện hình chữ nhật hoặc hình tròn dùng kẹp trên đài gá dao. Phần làm việc : Còn gọi là phần cắt. Về mặt hình học, nó là một khối tam diện gồm 3 bề mặt sau đây tạo thành : - Mặt trước 1 : Khi cắt kim loại phoi trượt thoát ra theo mặt này. - Mặt sau chính 2 : Đối diện với bề mặt cắt trên phôi tức là mặt đang được gia công - Mặt sau phụ 3 : Đối diện với bề mặt đã gia công. Ba bề mặt trên (thường là mặt phẳng) giao nhau tạo thành lưỡi cắt số 4 và 5. - Lưỡi cắt chính 4 : là dao tuyến của mặt trước 1 và mặt sau chính 2. Nó có nhiệm vụ cắt lượng dư kim loại của phôi. Lưỡi cắt chính có thể là thẳng cũng có thể là cong khi mặt trước 1 hoặc mặt sau là cong. - Lưỡi cắt phụ 3 : là dao tuyến của mặt 1 và 3. - Mũi dao 6 là giao điểm của 2 lưỡi cắt thẳng 4 và 5. 5.2. Động học của quá trình cắt Phần này này tập trung vào nghiên cứu các chuyển động phối hợp khi cắt vật liệu để tạo phoi và tạo hình dáng bề mặt. Cụ thể là phân biệt được chuyển động cắt chính và chuyển động chạy dao, chuyển động bổ trợ của các phương pháp gia công khác nhau. Các chuyển động trong quá trình cắt vật liệu Mục đích của quá trình cắt vật liệu là : Cắt hết lượng dư vật liệu. Tạo hình bề mặt chi tiết theo yêu cầu. Để thực hiện mục đích trên quá trình cắt đều phải có những chuyển động sau : - Chuyển động cắt chính ; - Chuyển động chạy dao gồm chuyển động chạy dao dọc và chuyển động chạy dao ngang. - Chuyển động hỗ trợ : Chuyển động dao cắt lớp cắt khác. Quá trình tiện. Phôi nhận chuyển động quay n (vg/ph) từ động cơ công tác để thực hiện công cắt chính, còn dao tiện kẹp trên bàn dao thực hiện chuyển động chạy dao dọc để cắt hết bề mặt gia công : chuyển động chạy dao ngang sau mỗi hành trình chạy dao dọc với lượng tiến dao tmm vuông góc với bề mặt gia công nhằm cắt hết lượng dư gia công, được thực hiện bằng tay hoặc chương trình định sẵn. Hình 9.6. Mô tả quá trình tiện 5.3. Động lực học trong khi cắt Lực cắt và thành phần lực cắt khi tiện. Hình 9.7. Lực cắt khi tiện Khi tiện, lực cắt tổng P là tổng vectơ của lực pháp và lực ma sát trên mặt trước và mựt sau của dao. Trường hợp chung, P không nằm trong mặt phẳng tiết diện chính N – N mà lệch đi một góc nào đó. Khi thay đổi vật liệu gia công, hình học của dao, chế độ cắt thì P thay đổi về độ lớn và hướng. Do đó, để tính công suất máy, tính toán độ bền của hệ thống thì người ta chỉ quan tâm đến các thành phần lực cắt Pz, Py, Px trên các trục X, Y, Z. Pz – gọi là lực vòng hay lực cắt chính. Py – gọi là lực hướng kính. Px – gọi là lực chiều trục hay chạy dao. Trong quá trình cắt chỉ có Pz và Px sinh công vì điểm đặt của lực “ O ” dịch chuyển trong phương của lực. Công suất tiêu hao để giải quyết 2 lực này là : - Ncz : Công suất cắt chính : (kW) (9-1) - Ncx : Công suất chạy dao : (kW) (9-2) (Sph= S.n) Thực tế thường Ncx nhỏ hơn Ncz nhiều do đó công suất hiệu dụng của máy chỉ tính theo Pz : (9-3) Pz – lực vòng đơn vị (N) v - vg/ph – tốc độ cắt Nói chung các lực Pz, Py, Pz chịu ảnh hưởng của các yếu tố của chế độ cắt, thông số hình học dao không theo cùng quy luật. Với chế độ cắt thực tế và dao tiện có các góc j = 450, l = 0, g = 150 ; tỉ số t/s > 10 thì có quan hệ gần đúng sau : Pz : Py : Px = 1 : (0,4÷0,5) : (0,25÷0,3) Lúc đó : P = (9-4) Nghĩa là lực cắt thành phần Pz khác lực cắt tổng P không đáng kể. Cụm trục chính Cụm bàn dao trên PHẦN 4 THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÁY CHƯƠNG X THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN I. Tủ điện điều khiển 1. Thiết kế mạch 1.1 Bộ nguồn - Thông số và chức năng: Công suất 100W Cung cấp điện áp 12V (khối điều khiển), 8V (mạch điều khiển động cơ truyền động ăn dao), 18V (động cơ trục chính). - Sơ đồ nguyên lý: 1.2 Mạch xử lý trung tâm - Thông số và chức năng : 24 đường tín hiệu có khả năng lập trình Giao tiếp với máy tính qua cổng RS232 Tạo xung chùm với tần số 1÷50 kHz Điều khiển động cơ theo phương pháp băm xung giảm tổn hao, độ chính xác điều khiển cao Có khả năng thay đổi tốc độ động cơ trục chính đảm bảo vận tốc dài bằng hằng số trong quá trình gia công - Sơ đồ nguyên lý: Khối xử lý trung tâm: - Sử dụng họ vi điều khiển 8051 do hãng Philip chế tạo - Các đặc điểm chính + Điện áp nguồn nuôi và điều khiển: 0V (mức 0) và 5V( mức 1) + Bộ nhớ Flash 64K chứa chương trình làm việc + Tần số làm việc 0..24MHz + 1K RAM trong dùng lưuu trũ dữ liệu + 32 chân vào ra dữ liệu có thể lập trình được + Giao tiếp RS 232( UART) + Hỗ trợ Watchdog tự Reset khi bị treo Khối tạo xung chùm Khối phát xung IC555 Xung điều khiển NAND (IC 7408) Xung chùm - Tạo xung chùm dải tần số 1÷50kHz - Sử dụng IC 7408 và IC 555 Khối giao tiếp với máy tính - Sử dụng IC Max232 giao tiếp với máy tính - 4 đường tín hiệu: RxD, TxD: truyền nhận dữ liệu CTS, RTS: truyền bắt tay với phần mềm điều khiển 1.3 Mạch công suất điều khiển động cơ bước - Thông số và chức năng: + Điện áp định mức 30V, dòng điện định mức 30A + Điều khiển động cơ bước 4- 5 cuộn dây pha + Có cảm biến dòng và cảm biến áp. - Sơ đồ mạch nguyên lý mạch điều khiển một pha: Đầu tín hiệu Ghi chú DK_A Tín hiệu điều khiển pha A PHASE_A Tín hiệu ra cuộn dây pha A Hệ thống bảo vệ: Đầu ra Ghi chú PHA1 Tín hiệu báo có nguồn cung cấp cho động cơ PHA2 Tín hiệu báo có nguồn cung cấp cho mạch mở FET PHD Tín hiệu báo quá dòng 1.4 Mạch công suất điều khiển trục chính - Thông số và chức năng: + Điện áp định mức 30V, dòng điện định mức 10A + Điều khiển 2 chiều 1 động cơ một chiều + Băm xung theo cả hai chiều để điều khiển tốc độ - Sơ đồ nguyên lý: Đầu ra Ghi chú DC1 Đầu nối ra động cơ DC2 Đầu nối ra động cơ Đầu vào Ghi chú DK1 Tín hiệu điều khiển chiều quay DK2 Tín hiệu điều khiển băm xung Vpp Nguồn ( + ) cung cấp cho động cơ 12V Nguồn ( + ) cung cấp cho Rơ le GND Nguồn ( - ) cung cấp cho mạch 2. Phương pháp điều khiển Phương pháp điều khiển động cơ bước kiểu băm xung Sơ đồ thí nghiêm: Điện trở Rsun là điện trở công suất Rsun=1Ω - Mục đích tìm tần số tối ưu khi điều khiển động cơ bước. Động cơ đủ mômen và động cơ không nóng. - Tiến hành thí nghiệm: Lắp sơ đồ như hình vẽ Thay đổi tần số xung điều khiển 10KHz÷50KHz ( Xung điều khiển là xung vuông, duty 50%, được tạo nhờ máy phát xung). - Kết quả thí nghiệm: Điều kiện thí nghiệm : Vnguồn=12V, điện trở cuộn dây pha R=3.2 Ω, Vôn kế là đồng hồ điện tử f(KHz) Vôn kế(V) I(A) 10 0.7 0.7 15 0.65 0.65 20 0.649 0.649 25 0.63 0.63 30 0.6 0.6 35 0.72 0.72 40 0.73 0.73 45 0.73 0.73 50 0.75 0.75 - Phân tích số liệu: Cuộn dây pha ngoài điện trở còn có điện cảm. Ở tần số làm việc tăng ta có: f tăng->XL=2П*f*L tăng -> tổng trở mạch tăng. Tổng trở mạch tăng -> dòng điện trong mạch giảm-> điện áp trên 2 đầu điện trở Rsun giảm. Dựa vào kết quả thí nghiệm ta thấy giải làm việc của động cơ trong khoảng dưới 25KHz là thỏa mãn. Ngoài 25KHz động cơ bị bão hòa từ nên không đúng. Trong đồ án chọn tần số tối ưu 20KHZ. Tần số này do IC555 tạo ra. Thực tế khi cho động cơ chuyển động không tải dưới điện áp Vnguồn=12V động cơ rất nóng. Ở đây chọn Vnguồn=8V Ưu và nhược của phương pháp điều khiển kiểu băm xung - Ưu điểm: Linh kiện ở Việt Nam đáp ứng được thông số yêu cầu của mạch Không gây tổn hao do không dùng điện trở Có thể dùng cho nhiều loại động cơ, thay đổi bằng cách thay đổi tần số điều khiển-> thay đổi dòng điện. - Nhược điểm: Tại tần số hoạt động lớn động cơ vẫn nóng. Linh kiện sử dụng trong mạch IC74LS08 Đặc tính: - Điện áp 5V - Đầu ra có khả năng lái 10 tải TTL - Chứa bốn cổng AND bên trong Sơ đồ chân: Bảng sự thật: IC 555 Đặc tính: - Điện áp 5÷18V - Đầu ra cấp dòng 200mA điều khiển tải TTL - IC555 thường được sử dụng để tạo xung vuông Sơ đồ cấu trúc IC LM324 Đặc tính: - Điện áp 5V - Có 4 bộ khuếch đại thuật toán - Sử dụng làm bộ so sánh tạo tín hiệu điều khiển Sơ đồ chân Sơ đồ cấu trúc bộ khuếch đại thuật toán IC MAX232 Đặc tính: - Điện áp 5V - Sử dụng ghép nối với máy tính qua cổng nối tiếp (9 chân hoặc 25 chân) Sơ đồ chân  Sơ đồ cấu trúc bên trong Transistor trường IRFZ44N Đặc tính: - Mosfet kênh N - Điện áp VDS=55V, dòng điện ID=49A - Điện trở RDS(on)=17.5mΩ - Điện áp cực cửa và cực nguồn VGS(max) =±20V Sơ đồ chân Cấu trúc họ vi điều khiển 8051 Họ vi điều khiển 8051 do hãng Intel thiết kế, IC vi điều khiển ký hiệu P89CRD2 là một phiên bản cải tiến của 8051 do hãng Philips thiết kế. Dưới đây là các đặc điểm chính: - Điện áp nguồn nuôi và điều khiển: 0V (mức 0) và 5V( mức 1) - Bộ nhớ Flash 64K chứa chương trình làm việc - Tần số làm việc 0..24MHz - 1K RAM trong dùng lưu trũ dữ liệu - 32 chân vào ra dữ liệu có thể lập trình được - Giao tiếp RS 232( UART) - Hỗ trợ nạp chương trình trực tiếp không cần mạch nạp - Hỗ trợ Watchdog tự Reset khi bị treo Chức năng các chân của vi điều khiển: Port 0 từ chân 32 đến chân 39 (P0.0- P0.7). Port 0 có 2 chức năng: trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường I/O bình thường, đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng nó được kết hợp giữa đường bus địa chỉ và bus dữ liệu. Port 0 không có điện trở kéo lên bên trong, thường được sử dụng làm đầu vào các công tắc hành trình. Port1 từ chân 1 đến chân 8 (P1.0- P1.7). Port 1 là port IO dùng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. Port2 từ chân 21 đến chân 28 (P2.0- P2.7). Port 2 có tác dụng kép có thể dùnglà đường IO dùng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi hoặc byte của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng. Port 3 từ chân 10 đến chân 17 (P3.0-P3.7). Port 3 có tác dụng kép, các chân của port này có nhiều chức năng: Bít Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 RxD Ngõ vào dữ liệu nối tiếp P3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp P3.2 INT0\ Ngõ vào ngắt ngoài 0 P3.3 INT1\ Ngõ vào ngắt ngoài 1 P3.4 T0 Ngõ vào TIMER/ COUNTER 0 P3.5 T1 Ngõ vào TIMER/ COUNTER 1 P3.6 WR\ Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài P3.7 RD\ Tín hiệu đọc bộ nhớ ngoài Sơ đồ chân: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển P89cRD2 II. Phầm mềm mô phỏng và điều khiển máy 1 Mô phỏng tiện chi tiết - Chức năng: Đọc file DXF (định dạng file Cad) Vẽ mô phỏng chuyển động cắt chi tiết theo bản vẽ CAD - Sơ đồ xử lý thông tin: Bản vẽ CAD định dạng dưới dạng file DXF (dạng text). Xử lý file CAD lấy các thông số hình học. Lấy tọa độ các điểm biên cho vào danh sách liên kết. Sử dụng giải thuật Bresenham tìm ra các điểm trên đường biên-> cho vào danh sách liên kết. Mô phỏng quá trình cắt 2 Điều khiển máy 2.1 Chức năng: Đọc file GCode chuyển thành các lệnh điều khiển máy Lập trình để thay đổi chi tiết gia công 2.2 Thuật toán điều khiển máy a. Thuật toán xử lý file GCode Cấu trúc dòng lệnh: Số thứ tự câu Thông tin dịch chuyển Thông tin vận hành máy Mã dịch chuyển Các trục tọa độ Lượng chạy dao Số vòng quay Dụng cụ cắt Chức năng phụ N G X Z F S T M N1 G90 F100 S3000 T0102 N2 G00 Z-200 M03 N3 G00 X50 N4 G01 Z150 File GCode được định dạng file text nên có một vấn đề khó khăn khi xử lý file là làm cách nào lấy được các thông số cần thiết. Ví dụ: Làm cách nào lấy được thông số tọa độ của X***. Trong đó ***là tọa độ cần lấy. Khai báo :char data[256]; Khi cần lấy thông số về trục X: data chứa nội dung dòng lệnh Tìm vị trí chữ 'X' trong data Chuyển toàn bộ xâu số sau 'X' sang số Trong kỹ thuật lập trình có lệnh để thực hiện việc này: char *pdest;//Khai báo con trỏ pdest=strchr(data,'X');//pdest trỏ vào vị trí của chữ X trong data if (pdest!=NULL) toadoX=atoi(&(pdest[1])); atoi(*string): chuyển xâu sang số nguyên. atof(*string): chuyển xâu sang số thực. b. Thuật toán nội suy tuyến tính điều khiển 2 động cơ bước di chuyển từ điểm (Xa,Za) đến (Xb,Zb) Qui ước chương trình con: "Tăng X" điều khiển động cơ trục X quay một bước theo chiều mang dao chuyển động theo chiều (+). "Giảm X" điều khiển động cơ trục X quay một bước theo chiều mang dao chuyển động theo chiều (-). "Tăng Z" điều khiển động cơ trục Z quay một bước theo chiều mang dao chuyển động theo chiều (+). "Giảm Z" điều khiển trục động cơ Z quay một bước theo chiều mang dao chuyển động theo chiều (+). Qui tắc điều khiển động cơ bước: Nếu trị tuyệt đối của sai số dịch chuyển trên 2 trục lớn hơn suất đơn vị của động cơ thì động cơ sẽ dịch chuyển một bước và cập nhật vị trí mới của động cơ đồng thời sai số được gán bằng 0. Như ở trong bảng số liệu khi n=7: nên trục X di chuyển một bước (di chuyển giảm một bước do errorX<0) sau đó errorX=0, trong khi errorZ=-0.007. Khi n=13 thì nên trục Z di chuyển một bước (di chuyển giảm một bước do error<0) sau đó errorZ=0, trong khi errorX=0.012,...cứ như thế đến khi di chuyển hết chiều dài nội suy. Sơ đồ khối của thuật toán: Sai Đúng Đúng Sai Đúng Sai Sai Đúng Sai Đúng Bắt đầu errorX=0; errorZ=0; i=0; errorX=errorX+(Xb-Xa)/N errorZ=errorZ+(Zb- Za)/N errorX>0? tăng X; giảm X errorX=0; errorZ>0? tăng Z; giảm Z errorZ=0; i++; i<=N Kết thúc c. Thuật toán ổn định tốc độ trục chính Sử dụng Timer 2 của vi điều khiển để tạo ra xung PWM điều khiển tốc độ trục chính. Timer 2 dùng trong chế độ nạp lại 16 bit. Giá trị nạp lại lưu trong 2 thanh ghi RCAP2H (lưu byte cao) và RCAP2L (lưu byte thấp). Chế độ nạp lại 16 bit: Đó là bộ định thời 16 bit nên chỉ cho phép các giá trị từ 0000 đến FFFFH được nạp vào thanh ghi RCAP2H, RCAP2L của bộ định thời. Sau khi RCAP2H và RCAP2L được nạp giá trị 8 bit thì 8051 sao nội dung đó vào 2 thanh ghi TH2 và TL2 và bộ đinh thời được khởi động. Bộ định thời sau khi được khởi động thì bắt đầu đếm tăng bằng cách tăng thanh ghi TL2. Bộ định thời đếm cho đến khi đạt giá trị tới hạn của thanh ghi TL2 là FFH thì khi giá trị trong TL2 quay vòng từ FFH về 00 thì cờ bộ định thời tăng TH2 lên một giá trị quá trình lại bắt đầu. Khi bộ định thời đếm hêt FFFFH thì cờ TF2 được thiết lập báo có một ngắt xảy ra Cờ TF được tự xoá bằng phần mềm và bộ định thời lại bắt đầu một chu trình mới Hình 10.1 Chế độ nạp lại 16 bits Ta định nghĩa bít pwm chứa giá trị điều khiển. Khởi động timer 0, bít pwm=1. Khi xảy ra ngắt do timer2: Dừng Timer 2 Nạp lại giá trị cho 2 thanh ghi; Đảo pwm; Khởi động lại Timer; Hình dạng xung PWM: FFFFH giá tri nạp lại ban đầu Bằng việc thay đổi giá trị nạp lại ta sẽ thay đổi được tốc độ trục chính. Giá trị nạp lại của timer2 phụ thuộc vào đường kính của phôi. Mục đích việc tối ưu hóa vận tốc là: Khi đường kính của phôi tăng thì vận tốc trục chính giảm, và ngược lại khi đường kính phôi giảm thì vận tốc trục chính tăng. Khi giá trị nạp lại càng tăng thì khoảng xung có tín hiệu tăng nên vận tốc trục chính tăng. Thuật toán tối ưu vận tốc trục chính: Lấy tọa độ dao theo trục X Tính giá trị nạp lại cho bộ định thời Khởi động bộ định thời 3 Giao diện phần mềm Thông số hoạt động của máy: - Công suất động cơ trục chính 100W, dải điều chỉnh tốc độ: 100÷ 900 vòng.phút, có khả năng đảo chiều quay. - Tốc độ chạy dao: 0.05mm/s ÷ 1mm/s - Khả năng gia công: Đường kính phôi lớn nhất: 30mm, chiều dài phôi lớn nhất: 80mm Gia công tạo hình: tiện trụ hoặc côn. Lời kết Với sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của TS. Phạm Văn Hùng chúng tôi đã hoàn thành được nhiệm vụ thiết kế mô hình máy tiện điều khiển bằng máy tính. Trong quá trình thiết kế mô hình chúng tôi đã đạt được một số kết quả : Thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy tiện với các thông số hoạt động : - Công suất động cơ trục chính 100W, dải điều chỉnh tốc độ: 100÷ 900 vòng.phút, có khả năng đảo chiều quay. - Tốc độ chạy dao: 0.05mm/s ÷ 1mm/s - Khả năng gia công: Đường kính phôi lớn nhất: 30mm, chiều dài phôi lớn nhất: 80mm Gia công tạo hình: tiện trụ hoặc côn. Tuy nhiên trong quá trình thiết kế mô hình máy tiện của chúng tôi vẫn còn một số hạn chế kết cấu cơ khí chưa chính xác, độ chính xác gia công chưa cao, hệ thống điều khiển vẫn còn một số hạn chế. Hướng phát triển của đề tài là mong muốn hoàn thiện hơn về kết cấu cơ khí cũng như hệ thống điều khiển. Vì vậy chúng tôi rất mong được những ý kiến ghóp ý. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn bộ môn Máy và Ma sát học đặc biệt là TS. Phạm Văn Hùng đã hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cũng như tạo mọi điều kiện làm việc cũng như các trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian qua. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tính toán thiết kế máy cắt kim loại – Các tác giả Công nghệ chế tạo máy – Các tác giả GS.TS. Trần Văn Địch – PGS.TS. Nguyễn Thế Đạt - PGS.TS. Nguyễn Trọng Bình - PGS.TS. Nguyễn Viết Tiếp - PGS.TS. Trần Xuân Việt. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (tập I, II) – Tác giả - Trịnh Chất –Lê Văn Uyển. Sổ tay công nghệ - tác giả GS.TS. Trần Văn Địch Nguyên lý gia công vật liệu – Nguyễn Duy – Bành Tiến Long – Trần Thế Lục. Thiết kế cơ khí với Solidworks2004 – Ks. Phạm Quang Huy. Mechantronics and Machine Tools – McGraw-Hill. Kỹ thuật kiểm tra và đo lường trong chế tạo cơ khí – PGS.TS. Nguyễn Tiến Thọ và các tác giả. Điều khiển số - Tác giả - Bùi Quý Lực. 10. DatasheetArchive.com 11. Tự học Visual C++ trong 21 ngày- Nguyễn Văn Hoàng & ELICOM 12. Động cơ bước- Kỹ thuật điều khiển và ứng dụng - Nguyễn Quang Hùng 13. Motor Control Electronics Handbook- McGraw Hill Phụ lục Một số hình ảnh của mô hình máy tiện Điểm W của phôi Điều chỉnh điểm W của phôi bằng cách điều chỉnh 2 động cơ bước thông qua tủ điều khiển được kết nối với máy tính Lời nói đầu 2 PHẦN 1: GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ CNC 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ. 3 I. Các khái niệm cơ bản và định nghĩa 3 1. Các khái niệm cơ bản 3 2. So sánh về cấu trúc giữa máy công cụ vạn năng và máy công cụ điều khiển số (MCC ĐKS) 4 II. Quá trình phát triển, trình độ hiện tại máy công cụ và công nghệ gia công điều khiển theo chương trình số. 6 1. Qúa trình phát triển 6 2. Trình độ hiện tại 7 III. Chức năng và cấu tạo điều khiển số 8 1. Chương trình gia công chi tiết và phương thức nạp dữ liệu 8 2. Bộ logic điều khiển 9 3. Chương trình tương thích chuyên dụng và những dữ liệu điều chỉnh máy 9 4. Nguyên lý vận hành và xử lý thông tín hiệu trong hệ điều khiển số 9 5. Phân biệt hệ điều khiển NC và CNC 12 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ 14 I. Truyền động trục quay 15 1. Giới thiệu về truyền động trục quay 15 2. Động cơ một chiều và phương pháp điều khiển PWM 15 II. Truyền động chạy dao 18 1. Giới thiệu về truyền động chạy dao 18 2. Động cơ bước và phương pháp điều khiển 22 3. Bộ nội suy 34 III. Các phương pháp đo vị trí trên máy điều khiển số 39 1. Khái niệm 39 2. Các phương pháp đo 39 3. Dụng cụ đo vị trí 43 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG DỮ LIỆU VÀ CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC TRÊN MÁY ĐIỀU KHIỂN SỐ 48 I.Hệ thống dữ liệu 48 1.Hệ toạ độ 48 2. Các điểm chuẩn 52 II. Cấu trúc của một chương trình 55 1. Câu lệnh 55 2. Từ lệnh 55 3. Ký tự địa chỉ và những dấu hiệu đặc biệt (DIN 66025) 56 4. Mô tả lệnh trong câu lệnh 58 5. Kỹ thuật lập trình 64 PHẦN 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 66 CHƯƠNG 4: BỘ TRUYỀN BIẾN ĐỔI CHUYỂN ĐỘNG QUAY THÀNH CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN. 66 I. Truyền động vít – Đai ốc 66 1. Ứng dụng của bộ truyền vitme – đai ốc: 66 2. Ưu điểm 67 3. Nhược điểm 67 II. Bộ truyền Vitme – Lăn 67 1. Tính ưu việt của bộ truyền vitme lăn 67 2. Một số hình ảnh vít me-đai ốc 69 3. Động học và động lực học cơ cấu vit me – lăn 70 4. Kết cấu bộ truyền vitme – bi 72 5. Tính toán thiết kế bộ truyền vít me – bi. 78 CHƯƠNG 5 : ĐƯỜNG DẪN HƯỚNG TRONG MÁY CÔNG CỤ CNC 91 I. Một số khái niệm về đường dẫn hướng trong máy công cụ CNC 91 1.Đường dẫn hướng được sử dụng trong máy công cụ nhằm mục đích: 91 2. Ma sát trong dẫn hướng 92 3. Yêu cầu của dẫn hướng trong máy công cụ CNC 94 4. Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng của đường dẫn hướng ma sát lăn 94 II. Các dạng đường dẫn hướng trong máy công cụ CNC 94 1. Dẫn hướng dạng chữ V 94 2. Dẫn hướng phẳng và dạng đuôi én (dạng mang cá) . 95 3. Dẫn hướng dạng trụ . 96 4. Dẫn hướng chống ma sát chuyển động tịnh tiến. 96 5. Các dạng dẫn hướng khác 99 6. Cấu tạo của đường dẫn hướng 101 7. Một số kiểu sống lăn của hãng NSK 103 8. Tính toán sống trượt. 106 CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC CHÍNH . 109 1. Yêu cầu đối với trục chính : 109 2. Vật liệu và nhiệt luyện của trục chính . 110 3. Điều kiện kỹ thuật của trục chính. 112 4. Kết cấu của trục chính : 112 5. Tính thiết kế trục chính. 113 CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHỌN Ổ LĂN. 119 1. Chọn loại ổ lăn 120 2. Chọn cấp chính xác ổ lăn. 123 3. Chọn kích thước ổ lăn 124 4. Khả năng quay nhanh của ổ 126 5. Trình tự tính toán lựa chọn ổ 127 PHẦN 3: LẮP RÁP HỆ THỐNG CƠ KHÍ 130 CHƯƠNG 8: LẮP RÁP HÊ THỐNG CƠ KHÍ 130 1. Khái niệm về công nghệ lắp ráp 130 2. Kỹ thuật lắp ráp 132 3. Tháo dỡ 135 4. Sơ đồ lắp ráp hệ thống cơ khí. 137 5. Kiểm tra và bảo dưỡng máy 140 CHƯƠNG 9: HỆ THỐNG GIA CÔNG CƠ KHÍ TRÊN MÁY TIỆN CNC 142 1. Tiện 142 2. Khả năng công nghệ của tiện 142 3. Năng suất và chi phí gia công khi tiện 144 4. Các biện pháp công nghệ khi tiện. 145 5. Dụng cụ cắt trên mô hình máy tiện điều khiển bằng máy tính 149 PHẦN 4: THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÁY 156 CHƯƠNG 10: THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 156 I. Tủ điện điều khiển 156 1. Thiết kế mạch 156 2. Phương pháp điều khiển 161 II. Phầm mềm mô phỏng và điều khiển máy 169 1 Mô phỏng tiện chi tiết 169 2 Điều khiển máy 170 3 Giao diện phần mềm 175 Tài liệu tham khảo 177 Phụ lục Một số hình ảnh của máy tiện TX 01 178 ._.