Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w

w. l rc

-tnu. e d

u. v

n
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
THÁI NGUYÊN
2008
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w

w. l rc

-tnu. e d

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
***
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
o0o
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI:
NGHI
ÊN CỨU KHẢO
SÁT
VÀ NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG
HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY
CNC
Học viên: Tạ Minh Tiến
Lớp: CHK8
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người HD khoa học: PGS. TS. Võ Quang Lạp
Ngày giao đề tài: 01/11/2007
Ngày hoàn thành: 30/4/2008
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN
TS. Nguyễn Văn Hùng PGS.TS. Võ Quang Lạp Tạ Minh Tiến
DANH MUC CAC HINH VE VA ĐÔ THI
Hình vẽ Tên hinh
ve
Trang
Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC
1

là
một hàm lượng giác của vị trí trục roto θ. Hai cuộn roto
đặt
cách nhau 90
0
, hai cuộn Stator cũng đặt cách nhau
90
0
24
Hình 2.5 Bộ đo góc sử dụng như cảm biến, có môt cuộn dây roto
ngắn
mạch
24
Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ mã hóa số trực tiếp 25
Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian 26
Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số 26
Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital 26
Hình 2.10 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi
thấu
(Heidenhain)
27
Hình 2.11 Phương pháp nội suy dùng bộ tính toán arctang 28
Hình 2.12 Phương pháp nội suy dùng bảng nội suy và khối tính toán 29
Hình 2.13 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC 29
Hình 2.14 Thành phần cơ bản của MCU 31
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 36
Hình 3.2 Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định
trên
stator
(α,β)

kín.
53
Hình 3.12 Đường đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai
mạch
vòng
kín.
54
Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc
độ
shai mạch vòng
kín.
55
Hình 3.14 Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động
hệ
thống điều chỉnh tốc
độ
a) Quá trình khởi động tăng tốc lý
tưởng.
b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng
kín
56
Hình 3.15 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 60
Hình 3.16 Ảnh hưởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với
quá
trình khởi
động.
1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông
dụng
2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi
phân

gọn:
a. Theo tốc độ, b. Theo dòng
điện
73
Hình 4.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ
chỉnh
lưu
74
Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn
thyristor
a. khi chuẩn xác, b. khi gần
đúng.
75
Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 76
Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 77
Hình 4.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 78
Hình 4.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 80
Hình 4.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 82
Hình 4.15
Quan hê giưa ∆ϕ và
ω
83
Hình 4.16 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 87
Hình 4.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác
nhau
của vị trí đặt đầu vào ϕ
đặt
= 10(V), I =
0(A)
88

đặt
= 10V, I = 8,7A
110
MƠ
ĐÂU
Ngày
nay
, cuôc cach mang khoa hoc ky thuât trên thê giơi đang phat triên
vơi tôc đô vu bao , không ngưng vươn tới những đỉnh cao mơi, trong đo co nhưng
thành tựu về kỹ thuật tự động hóa sản xuất . Đa sô cac may côn g cu hiên đai đươc
điêu khiên theo chương trinh sô . Đây la nhưng điêu kiên ky thuât cơ ban để thực
hiên nhưng điêu kiên tư đông hoa linh hoat trên tưng may công cụ điều khiển số
riêng
le
, hay cac trung tâm điêu khiên sô cũng như việc g hép nối chúng thành
môt hê thông linh
hoat
, điêu khiên liên thông băng may tinh ghep nôi mạng. Vơi
tiên bô mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý đã tạo điều kiện nâng cao vượt bậc

công
năng cua hê điêu khiên
sô
, đông thơi vơi viêc ngay cang giam vê gia thanh của bộ
điều khiển này. Cụm vi xử lý với tư cách là bộ phận chính yếu của thiết bị và
các bo mạch ghép nối ngoại vi là những phần cứng không thể thiếu được trong cac
máy công cụ
CNC.
Trong cac nha may xi nghiêp
côn

tât ca các Thầy các cô Khoa sau đai
hoc
, Khoa điện và các bạn đồng nghiệp
Trương ĐHKT Công nghiêp Thai Nguyên.
Thái nguyên Ngày 30 tháng 04 năm
2008
Tác giả luận
văn
Tạ Minh
Tiến
1
CHƢƠNG
I
TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ
CNC
1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC.
1.1.1 Cơ sở của máy CNC.
Các trục của máy được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác toạ độ của bàn máy
và của dao cụ (ví dụ Encoder vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch
chuyển của bàn máy theo trục X trên hình 1.1). Khi trục máy di chuyển thì các dụng
cụ đo lường phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác
định được toạ độ chính xác của các trục máy.
Z
Y X
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

Các máy CNC có thể cấp phôi bằng tay hoặc tự động. Những máy được
trang bị bộ phận cấp phôi tự động có thể làm các chi tiết mà không cần có sự phục
vụ của người vận hành. Kiểu máy này gọi là modul gia công linh hoạt (Flexibe
Manufacturing Module).
Các thông số kỹ thuật của máy CNC là:
1. Đường kính lớn nhất của phôi tiện trên máy tiện.
2. Đường kính khoan lớn nhất của máy khoan.
3. Đường kính trục doa lớn nhát của máy doa.
4. Chiều rộng lớn nhất của bàn máy phay.
5. Kích thước khuôn và trọng lượng máy.
6. Số trục phối hợp có thể điều khiển và số trục có thể điều khiển đồng
thời.
7. Ngăn chứa dụng cụ (dao).
8. Thiết bị cấp (tháo) phội tự động của máy.
9. Băng tải phôi của máy.
10. Hệ thống điều khiển của máy.
11.
Hệ thống truyền động của máy.
12.
Hệ thống đo lường.
1.2 Nguyên lí vận hành của một máy công cụ điều khiển
số.
1.2.1
Chƣơng
trình gia công chi tiết.
Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển và dữ
liệu.
Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ
trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ
điều khiển số qua cửa nạp tương thích.

trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua BUS trong của CPU.
Các cơ cấu chấp hành là van thuỷ lực, van khí nén, công tắc tơ, rơle Các
sensor thường là các sensor trạng thái (Proxymity sensor), sensor áp suất, sensor
nhiệt độ Hệ thống đo lường là các cảm biến vị trí, cảm biến tốc độ để đưa các tín
hiệu phản hồi về các bộ điều khiển (Controller). Trục chính dùng để quay dao, còn
các trục toạ độ khác phục vụ cho việc di chuyển dao đến các vị trí được lập trình để
tạo nên biên dạng mong muốn.
KWH
1
4
3
2
HTĐK
CPU
Cnet Flash+Sram
BUS
I/O
BĐK
Sensor
HT đolường
Cơ
cấu
Chấp
hành
Trục chính
và
các trục TĐ
khác
Hình1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC
1 Màn hình 2 Bảng điều khiển

quay hiệu
chỉnh dòng
Rơle vòng
quay hiệu
chỉnh dòng
Tổng thể máy
công cụ
Lớp 6
Truyền động
trục chính
Truyền động
chạy dao
Hình 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số
Lớp 1: Dữ liệu được nạp vào từ các nguồn.
- Bảng điều khiển
- Các cơ cấu tay quay điện tử. Cơ cấu này giới hạn cho việc gia công chi tiết
lẻ, kết cấu đơn giản hoặc quá trình hiệu chỉnh máy.
- Đầu đọc vật mang tin (băng từ, đĩa từ, đĩa compact).
- Từ một máy tính của hệ.
Lớp 2: Lưu dữ.
Thông tin đầu vào được lưu dữ trong các bộ nhớ. Chương trình gia công chi
tiết, các dữ liệu về dao cụ và giá trị hiệu chỉnh được lưu dữ trong bộ nhớ RAM. Các
dữ liệu hiệu chỉnh máy cũng được lưu dữ trong bộ nhớ RAM hoặc EPROM.
Lớp 3: Lưu chuyển.
Trong lớp này các dữ liệu chương trình bắt đầu được xử lý. Đường dịch
chuyển cần được thực hiện trong câu lệnh kế tiếp được tính toán, quỹ đạo tương
quan với biên dạng lập trình được tìm ra có tính đến khoảng cáchbằng bán kính dao.
Các phương pháp kiểm tra, nghiệm lại các thông số chương trình quan trọng như
trọng điểm kết một đường cong phi tuyến .v.v
Lớp 4: Lưu xử lí.

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).
Chuẩn bị số liệu
cho lập trình
Chuẩn bị số liệu
cho lập trình
Chương trình
điều khiển
Thiết bị tính
toán và điều
khiển
Hệ truyền
động điện
tự động
Hình 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC
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
3 1 2
4
5
6
8
Hệ T. Động

Kế hoạch
dụng cụ cắt
Bảng các
toạ độ
Kế hoạch
đồ gá
Biểu đồ
Công nghệ
Chương trình
dạng Text
Mã hó
a
Ghi băng
Hình 1.9 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay
+ 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
nay người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính. Đặc trưng của
lập trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng.
Bản vẽ chi tiết thô
& bản vẽ sản phẩm
Kế hoạch đầu ra
Khai báo chương

liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán.
Nếu tất cả các giai đoạn chuẩn bị chương trình đều thực hiện nhờ máy tính
gọi là tự động tự động hoá toàn bộ khâu chuẩn bị chương trình. Tuy nhiên trong
trường
hơ
p chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác cần phải thực hiện bằng
chương trình công nghệ theo mô hình toán học mô tả đối tượng. Hiện nay tồn tại
nhiều ngôn ngữ lập trình cho việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều
khiển.
Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính
sẽ đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các toạ độ
điểm tựa, tiệm cận hoá các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị.
Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các bước sau:
1. Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải có đủ khả
năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời
diễn tả đơn giản dễ sử dụng.
2. Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối
hợp với ngôn ngữ của máy gia công.
3. Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra.
4. Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể.
1.5.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC.
Hình 1.11 Cấu trúc đầy đủ của một hệ CNC
Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình. Ngoài ra nhờ có khối ghép
nối (Interface Bus) để hệ có thể nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích
để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN. Bảng điều khiển và tay
quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập
trình gia công
Máy tính lập trình,
quản lý, theo dõ
i,

phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình.
Các bộ phận của cấu trúc này như truyền động điện, đo lường, hệ điều khiển
sẽ được nghiên cứu chi tiết ở các chương sau.
1.6 Hệ DNC.
Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình số viết bằng các mã ký
tự số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác. Trong đó hệ thống điều khiển
có cài đặt các bộ vi xử lí đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình số như:
tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái
thực của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong điều
khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị
mong muốn và giá trị thực.
Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều
khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển
theo chương trình số. Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tuyến
(online) nhiều máy CNC với một máy tính.
Máy tính chủ
Bộ phận ghép nối
Dữ liệu từ vật
mang
ti
n
Máy
C
NC
Máy
CNC
Hình 1.12 Hệ DNC
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