Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN
MÁY PHAY CNC

TẠ MINH TIẾN


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:


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
DANH MỤ C CÁ C HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hnh v
Tên hì nh vẽ
Trang
Hnh 1.1
Cơ sở của các máy CNC
1
Hnh 1.2
Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề
các
2
Hnh 1.3
Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC
5
Hnh 1.4
Sơ đồ nguyên lý của 1 my phay đứng 3 trục (X,Y,Z)
6
Hnh 1.5
Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số
7
Hnh 1.6
Lưu đồ điều khiển hệ CNC
9
Hnh 1.7
Cấu trúc hệ điêu khiển NC
9
Hnh 1.8

cách nhau 90
0
, hai cuộn Stator cũng đặt cách nhau 90
0

24
Hnh 2.5
Bộ đo góc sử dụng như cảm biến, có môt cuộn dây roto ngắn
mạch
24
Hnh 2.6
Sơ đồ khối bộ mã hóa số trực tiếp
25
Hnh 2.7
Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian
26
Hnh 2.8
Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số
26
Hnh 2.9
Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital
26
Hnh 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
Hnh 2.11
Phương php nội suy dùng bộ tính toán arctang
28

47
Hnh 3.7
Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ
48
Hnh 3.8
Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor
(d,q)
48
Hnh 3.9
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết
bị biến tần
51
Hnh 3.10
Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ.
52
Hnh 3.11
Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ
hai mạch vòng kín.
53
Hnh 3.12
Đường đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch
vòng kín.
54
Hnh 3.13
Sơ đồ cấu trúc trạng thi động của hệ thống điều chỉnh tốc độ
shai mạch vòng kín.
55
Hnh 3.14
Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ
thống điều chỉnh tốc độ

dòng điện
66
Hnh 4.1
Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ
68
Hnh 4.2
Mạch điện thay thế của động cơ một chiều.
69
Hnh 4.3
Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều
70
Hnh 4.4
Tuyến tính ho đoạn đặc tính từ ho và đặc tính tải
71
Hnh 4.5
Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá
72
Hnh 4.6
Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi.
72
Hnh 4.7
Sơ đồ cấu trúc thu gọn:
a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện
73
Hnh 4.8
Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh
lưu
74
Hnh 4.9
Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bn dẫn thyristor

của vị trí đặt đầu vào
đặt
= 10(V), I = 0(A)
88
Hnh 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
Hnh 5.1
Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
91
Hnh 5.2
Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ
94
Hnh 5.3
Ví dụ chọn tập dữ liệu vào/ra
96
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Hnh 5.4
Hệ điều khiển mờ theo luật I
101
Hnh 5.5
Hệ điều khiển mờ theo luật PD
101
Hnh 5.6
Hệ điều khiển mờ theo luật PI
102
Hnh 5.7

đặt
= 10V, I = 8,7A
110

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MỞ ĐẦ U
Ngy nay, cuộ c cá ch mạ ng khoa họ c kỹ thuậ t trên thế giớ i đang phá t triể n
vớ i tố c độ vũ bã o , không ngừ ng vươn tới những đỉnh cao mớ i, trong đó có nhữ ng
thnh tu v k thut t đng ha sn xut . Đa số cá c má y côn g cụ hiệ n đạ i đượ c
điề u khiể n theo chương trì nh số . Đây là nhữ ng điề u kiệ n kỹ thuậ t cơ bả n đ thc
hiệ n nhữ ng điề u kiệ n tự độ ng hó a linh hoạ t trên từ ng má y công c điu khin s
riêng lẻ , hay cá c trung tâm điề u khiể n số cng như vic g hp ni chng thnh mộ t
hệ thố ng linh hoạ t, điề u khiể n liên thông bằ ng má y tính ghé p nố i mng. Vớ i tiế n bộ
mnh m ca công ngh vi x l đ to điu kin nâng cao vưt bc công năng củ a
hệ điề u khiể n số , đồ ng thờ i vớ i việ c ngà y cà ng giả m về giá thà nh ca b điu khin
ny. Cm vi x l với tư cch l b phn chnh yu ca thit b v cc bo mch
ghp ni ngoi vi l những phn cng không th thiu đưc trong cá c my công c
CNC.
Trong cá c nhà má y xí nghiệ p công nghiệ p ở nướ c ta hiệ n nay my phay CNC
ni riêng v má y công c điu khin s CNC ni ch ung ngy cng đưc s dng
rộ ng rã i. Việ c phá t huy hiệ u quả sử dụ ng , bo dưng vậ n hnh my l vn đ đặ c
biệ t quan tâm củ a chú ng ta . Muố n phá t huy đượ c hiệ u quả tố i đa kh năng thit b
cng như vic ci tin n cho ph hp vớ i điề u kiệ n môi trườ ng và con ngườ i Việ t
Nam đò i hỏ i phả i c s hiu biế t sâu sắ c về má y công cụ CNC.
Việ c “Nghiên cứ u khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động
cho bn my phay CNC ” c mt  ngha rấ t lớ n trong ng nh t đng ha . Đó
chnh l ni dung đ ti lun văn tt nghip cao hc ca tôi.
Lun văn ny đưc chia thnh 5 chương sau:
Chương I - Tổng quan về máy công cụ CNC.
Chương II - Hệ thống đo lường và điều khiển trong máy CNC.

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
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.

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
Hình 1.4 sơ đồ nguyên lý củ a 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.

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

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


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. + 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

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


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

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

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.