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:

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 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC 10
Hnh 1.9 Cc bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 11
Hnh 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy 12
Hnh 1.11 Cấu trúc của hệ CNC 14
Hnh 1.12 Hệ DNC 15
Hnh 1.13 Ghép nối các máy CNC với máy tính trung tâm 17
Hnh 2.1 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC 21
Hnh 2.2 Cc điểm Reference Marks trên Encoder 22
Hnh 2.3 Sai số tải được tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải được nối
giữa công tc trượt và một đầu của dây điện trở.
23
Hnh 2.4 Bộ đo góc, mộ t loại cảm biến mà tín hiệu đầu ra của nó là
một hàm lượng giác của vị trí trục roto . Hai cuộn roto đặt
cách nhau 90
0
, hai cuộn Stator cũng đặt cách nhau 90
0


Hnh 3.6 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 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
a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tưởng.
b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín
56
Hnh 3.15 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 60
Hnh 3.16 nh hưởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với quá
trình khởi động.
1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng
2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân
61
Hnh 3.17 Sơ đồ cấu trúc trạng thi động của mạch vòng tốc độ quay có

Hnh 4.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 77
Hnh 4.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 78
Hnh 4.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 80
Hnh 4.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 82
Hnh 4.15
Quan hệ giữ a


và


83
Hnh 4.16 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 87
Hnh 4.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vào
đặt
= 10(V), I = 0(A)
88
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

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.
Chương III - Phân tích và chọn phương án truyền động cho bàn máy phay CNC
Chương IV - Tổng hợp hệ thống truyền động bàn máy phay CNC.
Chương V - Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC bằng bộ
điều khiển mờ lai.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Tôi xin bà y tỏ lò ng biế t ơn chân thà nh tớ i PGS .TS Võ Quang Lạ p đ  hướng
dẫ n tậ n tình, chỉ bo cn k đ tôi hon thnh luậ n văn nà y . Xin gử i lờ i cả m ơn tớ i
tấ t cả cc Thy cc cô Khoa sau đạ i họ c, Khoa đin v cc bn đng nghip Trườ ng
ĐHKT Công nghiệ p Thá i Nguyên.
Thái nguyên Ngày 30 tháng 04 năm 2008
Tác giả luận văn


chín trục, đó là các trục (U,V,W) là các trục chuyển động thứ hai song song với các
trục (X,Y,Z) còn các trục (A,B,C) là các trục quay quanh các trục (X,Y,Z).
Ngoài ra, trong lập trình gia công còn xử dụng hệ toạ độ cực. Một điểm trong
mặt phẳng được biểu diễn thông qua hai giá trị là bán kính và góc trong hệ toạ độ
cực.
Y
Z
X
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.1.2 Đặc điểm và phân loại.
Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo đặc
điểm sau:
- Truyền động: Thuỷ lực, khí và điện ...
- Phương pháp điều khiển máy: Toạ độ hay quỹ đạo ...
- Hệ thống định vị: Định vị kích thước nối tiếp và định vị tuyệt đối.
- Các vòng lặp điều khiển .
- Số trục tọ a độ.
Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn
năng, có thể được chia thành các nhóm sau:
- Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi
đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài ...

12. Hệ thống đo lường.
1.2 Nguyên lí vận hành của một máy công cụ điều khiển số.
1.2.1 Chƣơng trình gia công chi tiết.
Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển và dữ
liệu.
Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ
trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ
điều khiển số qua cửa nạp tương thích.
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu chỉnh máy, các số liệu
về dao cụ ... được nạp vào từ bảng điều khiển.
Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang
hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ CNC).
1.2.2 Khối điều khiển.
Thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu
từ bên ngoài.
Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí (encoder), và tốc độ của
các trục.
Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục
chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dạng và
tốc độ gia công đã xác định.
1.2.3 Điều khiển logic.
Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau:
Tốc độ chạy nhanh (Không cắt) tối đa, bố trí xếp đặt các trục máy, các trạng
thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống
công nghệ (bàn máy, gá lắp, dao cụ), lệnh đóng/ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi
trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh đổi dao cụ.
Đầu ra khối điều khiển logic đi điều khiển các cơ cấu chấp hành như: Van
thuỷ lực, van khí nén, các rơle ...

1 Màn hình 2 Bảng điều khiển
3 Mạch ghép nối 4 Tay quay điện tử
Hình1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC
KWH
1

3
2
HTĐK

CPU
Cnet Flash+Sram
BUS
I/O
BĐK
4
Sensor
HT đolường
Trục chính và
các trục TĐ khác
Cơ cấu
Chấp hành
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1.4 Hệ thống truyền thông tin.


chạy dao
Truyền động
trục chính
Lớp 2
Lớp 1
Lớp 5
Lớp 4
Lớp 3
Lớp 6
Quản lý
Điều khiển

8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Lớp 1: Dữ liệu được nạp vào từ các nguồn.
- Bảng điều khiển
- Các cơ cấu tay quay điện tử. Cơ cấu này giới hạn cho việc gia công chi tiết
lẻ, kết cấu đơn giản hoặc quá trình hiệu chỉnh máy.
- Đầu đọc vật mang tin (băng từ, đĩa từ, đĩa compact).
- Từ một máy tính của hệ.
Lớp 2: Lưu dữ.
Thông tin đầu vào được lưu dữ trong các bộ nhớ. Chương trình gia công chi
tiết, các dữ liệu về dao cụ và giá trị hiệu chỉnh được lưu dữ trong bộ nhớ RAM. Các
dữ liệu hiệu chỉnh máy cũng được lưu dữ trong bộ nhớ RAM hoặc EPROM.
Lớp 3: Lưu chuyển.
Trong lớp này các dữ liệu chương trình bắt đầu được xử lý. Đường dịch
chuyển cần được thực hiện trong câu lệnh kế tiếp được tính toán, quỹ đạo tương
quan với biên dạng lập trình được tìm ra có tính đến khoảng cáchbằng bán kính dao.
Các phương pháp kiểm tra, nghiệm lại các thông số chương trình quan trọng như
trọng điểm kết một đường cong phi tuyến .v.v...

Trong hệ CNC (hình 1.7) chương trình điều khiển được đưa vào khối sao
chương trình sau đó qua đầu vào đưa dến khối giải mã nhằm tạo ra các mã tương
thích của máy. Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào bộ
nhớ đệm và cuối cùng đến khối nội suy (Interpolation) để tính toán phân ra các toạ
độ truyền động. Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều khiển công
nghệ như tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay dao.v.v... Hệ truyền
động điện
tự động
Thiết bị tính
toán và điều
khiển
Chuẩn bị số liệu
cho lập trình
Chương trình
điều khiển
Chuẩn bị số liệu
cho lập trình
Hình 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC

dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình. Hệ CNC bao gồm bộ vi điều khiển cấp
dưới và máy vi tính cấp trên. Nhờ vậy, có thể khếp nối với hệ điều khiển cấp trên để
thực hiện thiết kế tự động CAD và hệ điều hành sản xuất tự động CAM hợp thành
một hệ sản xuất linh hoạt FMS ...
1.5.2 Chuẩn bị chƣơng trình điều khiển cho hệ CNC.
a. Chuẩn bị chương trình bằng tay.
Những thông tin cần thiết để chuẩn bị chương trình là: Các bản vẽ chi tiết và
các điều kiện công nghệ. Người soạn thảo chương trình phải chuyển thông tin đó
thành chương trình điều khiển số cho máy gia công.

Nhớ cố
định
Nhớ
3 ALU
Lệnh công nghệ
Hình 1.8 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC
Hệ T. Động
Từ máy tính
2 1
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Kế hoạch
đồ gá
Kế hoạch
gia công
Bảng các
toạ độ
Mã hóa
Ghi băng
Biểu đồ
Công nghệ
Hình 1.9 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
nay người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính. Đặc trưng của
lập trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng.

Băng đục lỗ. vật
mang tin, đĩa CD
Bảng danh mục
Hình 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các
chu trình công tác cần thực hiện.
- Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ
liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán.
Nếu tất cả các giai đoạn chuẩn bị chương trình đều thực hiện nhờ máy tính
gọi là tự động tự động hoá toàn bộ khâu chuẩn bị chương trình. Tuy nhiên trong
trường hợ 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

Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo,
điều phối. Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ.Trong
một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC, và khối vi điều khiển) được chế tạo thành
một khối (hình 1.11), nó đảm bảo toàn bộ chức năng điều khiển của hệ.
Hình 1.11 Cấu trúc của hệ CNC
Máy tính lập trình,
quản lý, theo dõi,
DNC
Bảng điều khiển,
Tay quay điện tử
Máy tính quan sát
& vận hành
Interface Bus
Khối
NC
Khối
Vi ĐK
Biến
đổi 1
Biến
đổi 2
Biến
đổi n
Đo lường
M1 Mn M1
Khối
NC
…
…
15

Máy tính chủ
Máy
CNC
Máy
CNC
Dữ liệu từ vật
mang tin
Hình 1.12 Hệ DNC
Bộ phận ghép nối
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Cách 2: Vận hành trực tiếp. Máy tính trung tâm gộp luôn các bộ nhớ thông
tin và bộ nhớ nội suy cũng như các khả năng khác của CNC vào trong máy tính.
Các máy công tác chỉ còn có cụm điều khiển logic và các mạch vòng điều chỉnh,
ngoài ra giữa chúng còn có một mạch nối ghép thích hợp .
Cách 2 có ưu điểm là hệ điều khiển máy công tác rẻ hơn nhiều (do máy tính
chủ đã phụ trách một số công việc). Nhưng do lệ thuộc hoàn toàn vào máy tính chủ
nên ít dùng.
Trong hệ DCN, nhiệm vụ cơ bản của máy tính trung tâm và quản lý tập trung
các chương trình gia công CNC và phân phối đến các máy công tác.
Quá trình lưu trữ và cập nhật dữ liệu điều khiển số cho từng máy CNC trong
hệ thống có tính tiện lợi và kinh tế.
Chức năng của một hệ DNC
Chức năng cơ bản Quản lý chương trình NC
Phân phối dữ liệu NC
Sửa chữa dữ liệu NC
Chức năng mở rộng Điều chỉnh chương trình NC
Thu thập và xử lý các dữ liệu hoạt động
Chức năng điều khiển cho dòng vật chất
Các chức năng thành phần của quá trình gia công