HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC 1. Kiến trúc của máy công cụ CNC và lưu đồ vận hành gia công: Hình 1. Kiến trúc của máy công cụ CNC và lưu đồ vận hành gia công 2. Các thành phần trong hệ thống truyền động máy CNC Các hệ thống biến đổi các lệnh từ NC thành các chuyển động máy được chỉ ra trong hình 2. Hình 2.a mô tả cơ cấu điều khiển động cơ servo và bộ truyền động. Động cơ servo, bắt nguồn từ “servue” của tiếng Latin, là thiết bị thực hiện chính xác yêu cầu đã cho. Các lệnh từ NC làm quay động cơ servo, động cơ servo quay được truyền đến vít me bi thông qua khớp nối, vít me bi quay tạo thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc, và cuối cùng bàn máy và phôi cùng chuyển động tịnh tiến. Nói tóm lại, cơ cấu điều khiển động cơ servo điều khiển vận tốc và moment xoắn của bàn máy thông qua thiết bị điều khiển động cơ servo của mỗi trục dựa trên các lệnh điều khiển từ NC. Hình 2. Cơ cấu điều khiển của máy công cụ Hình 2.b miêu tả đơn vị trục chính bao gồm trục động cơ và bộ phần truyền động. Động cơ quay truyền qua trục chính đến trục chính thông qua dây đai và tỉ số vận tốc phụ thuộc vào tỉ lệ kích cở của 2 puly. Gần đây, các động cơ cảm ứng được sử dụng như động cơ trục chính của các máy công cụ bởi vì động cơ cảm ứng tốt hơn động cơ DC về mặt kích cở, khối lượng, quán tính, hiệu suất, tốc độ, và việc bảo trì. 3. Các vòng điều khiển CNC Vị trí và vận tốc được dò từ 1 cảm biến được phản hồi về 1 mạch điện điều khiển, động cơ servo sử dụng trong máy CNC điều khiển liên tục để cực tiểu hóa sai số vận tốc và sai số vị trí (hình 3). Hệ thống điều khiển phản hồi bao gồm 3 vòng điều khiển độc lập cho mỗi trục của máy công cụ, vòng điều khiển phía ngoài cùng là vòng điều khiển vị trí, vòng điều khiển ở giữa là điều khiển tốc độ, vòng điều khiển trong cùng là vòng điều khiển hiện hành. Nói chung, vòng điều khiển vị trí được đặt trong NC và các vòng điều khiển khác thì đặc trong thiết bị điều khiển động cơ servo. Tuy nhiên, không có tiêu chuẩn tuyệt đối về vị trí các vòng điều khiển và các vị trí có thể khác nhau dựa trên ý định của người thiết kế. Hình 3. 3 loại vòng điều khiển trong máy CNC Trong hệ thống trục quay của máy công cụ, điều khiển phản hồi của tốc độ được áp dụng để duy trì tốc độ quay ổn định. Bộ dò được gắn trên trục của động cơ servo hoặc phần chuyển động và hệ thống điều khiển được phân thành 4 loại theo vị trí mà bộ dò được gắn. 3.1. Vòng điều khiển nửa kín Vòng điều khiển nửa kín là cơ cấu điều khiển phổ biến và có cấu trúc như trong hình 4.a. Trong loại này, vị trí bộ dò được gắn trên trục của động cơ servo và dò theo góc quay. Độ chính xác vị trí của trục bị ảnh hưởng lớn đến sự chính xác của trục ví me bi. Vì lý do này, các vít me bi với độ chính xác cao được phát triển và được sử dụng rộng rãi. Dựa vào độ chính xác của vít me bi, vấn đề với độ chính xác được khắc phục thông qua thực tiển sản xuất. Nếu cần thiết, bù về sai số ăn khớp và bù về sai số khe hở có thể được sử dụng trong NC để mà tăng độ chính xác vị trí. Phương pháp bù sai số ăn khớp hiệu chỉnh hệ thống điều khiển động cơ servo để mà loại bỏ sự tích lũy về sai số vị trí. Phương pháp bù khe hở, bất cứ khi nào hướng di chuyển bị thay đổi, các xung thêm vào tương ứng lượng khe hở được gởi tới hệ thống điều khiển động cơ servo. Hình 4. Phân loại cơ cấu điều khiển theo phương pháp dò dữ liệu vị trí 3.2. Vòng điều khiển kín Việc thực thi vòng nửa kín phụ thuộc vào độ chính xác của vít me bi và có thể tăng độ chính xác vị trí thông qua bù ăn khớp và bù khe hở. Tuy nhiên, nói chung, lượng khe hở có thể bị thay đổi theo khối lượng của phôi và vị trí và sai số ăn khớp tích lũy của vít me bi thay đổi theo nhiệt độ. Ngoài ra, bởi vì chiều dài của vít me bị giới hạn cho nhiều lý do thực tế, 1 cái giá và 1 hệ thống điều khiển bánh răng được sử dụng máy công cụ dạng lớn. Tuy nhiên, độ chính xác của giá thì bị giới hạn. Trong trường hợp này, vòng điều khiển kín được chỉ ra trong hình 4.b thì được áp dụng. Trong vòng điều khiển kín, vị trí máy dò được gắn trên bàn máy và sai số vị trí thật sự được phản hồi về hệ thống điều khiển. Vòng điều khiển kín và nửa kín thì giống nhau ngoại trừ vị trí của đầu dò, và độ chính xác vị trí của vòng kín thì rất cao. Tuy nhiên, tần số cộng hưởng của thân máy, sự tiến gián đoạn, sự mất chuyển động có ảnh hưởng đến đặc tính động cơ servo bởi vì thân máy bao gồm vòng điều khiển vị trí. Sự khác biệt giữa vị trí điều khiển và vị trí dò tìm xuất hiện và động cơ servo quay với vận tốc tương ứng để giảm sai số xuống. Việc giảm tốc độ liên quan đến độ lợi của vòng điều khiển vị trí. Độ lợi là yếu tố quan trọng để xác định đặc tính của hệ thống động cơ servo. Nói chung, khi độ lợi tăng, tốc độ đáp ứng và độ chính xác động tăng. Tuy nhiên, độ lợi cao làm cho hệ thống servo mất ổn định. Trong vòng điều khiển kín, nếu tần số cộng hưởng của hệ thống điều khiển máy không đủ lớn hơn độ lợi, hệ thống vòng điều khiển trở nên mất ổn định. Vì vậy, cần thiết để tăng tần số cộng hưởng của hệ thống điều khiển máy, và vì điều này, cần thiết để tăng độ cứng vững của máy, giảm hệ số ma sát bề mặt, và loại bỏ nguyên nhân làm mất chuyển động. 3.3. Vòng điều khiển hổn hợp Trong vòng điều khiển kín, cần thiết để giảm độ lợi xuống thấp khi gặp khó khăn để tăng độ cứng vững cân xứng đến trọng lượng của đối tượng chuyển động hoặc giảm sự mất chuyển động trong trường hợp máy nặng. Nếu độ lợi quá thấp, mặc dù sự thực thi trở nên kém đi đặc biệt đối với thời gian đạt vị trí và độ chính xác. Trong trường hợp này, vòng điều khiển hổn hợp được chỉ ra trong hình 4.c được sử dụng. Trong điều khiển hổn hợp, có hai loại vòng điều khiển: vòng điều khiển nửa kín và vòng điều khiển kín. Điều khiển nửa kín khi vị trí được dò từ trục của động cơ, và điều khiển vòng kín, dựa trên tỉ lệ tuyến tính. Trong vòng điều khiển nửa kín, có thể điều khiển độ lợi cao bởi vì máy không bao gồm trong hệ thống điều khiển. Vòng điều khiển kín tăng độ chính xác bởi sự bù sai số mà vòng điều khiển nửa kín không điều khiển. Bởi vì vòng điều khiển kín được sử dụng cho bù sai số vị trí, nó thích ứng tốt trong trường hợp độ lợi thấp. Bởi sự kết hợp vòng điều khiển kín và điều khiển nửa kín, có thể đạt được độ chính xác cao với độ lợi cao trong trường hợp điều kiện máy kém. 3.4. Vòng điều hở Không giống như các vòng điều khiển đã đề cặp bên trên, vòng điều khiển hở không có phản hồi (hình 5). Vòng điều khiển hở được áp dụng trong trường hợp độ chính xác của điều khiển không cao và sử dụng động cơ bước. Bởi vì điều khiển hở không cần một máy dò và mạch điện phản hồi, nên cấu trúc rất đơn giản. Vì vậy, độ chính xác của hệ thống thì ảnh hưởng trực tiếp bởi độ chính xác của động cơ bước, vít me bi, và bộ phận truyền động. Hình 5. Vòng điều khiển hở 4. Các thành phần của hệ thống điều khiển số CNC Hình 6. Cấu trúc của CNC Hình 7. Hoạt động bên trong của hệ thống CNC Theo quan điểm về chức năng, hệ thống CNC bao gồm đơn vị MMI, đơn vị NCK, đơn vị PLC, được trình bày trong hình 6. MMI (đơn giao tiếp người – máy), cung cấp giao diện giữa NC và người sử dụng, thực hiện điều khiển hoạt động của máy, hiển thị tình trạng máy, cung cấp các chức năng cho hiệu chỉnh chương trình và truyền thông. NCK (đơn vị điều khiển trung tâm), được xem như là cái lõi của hệ thống CNC, biên dịch phần chương trình và thực thi việc nội suy, điều khiển vị trí, và bù sai số dựa trên phần chương trình được biên dịch. Cuối cùng, NCK điều khiển hệ thống servo và gia công phôi. PLC (bộ điều khiển logic lập trình được) điều khiển sự thay đổi dao cụ, tốc độ trục chính, thay đổi phôi, tín hiệu xử lý vào/ra và đóng vai trò điều khiển hành vi của máy ngoài trừ điều khiển động cơ servo. Thứ tự hoạt động bên trong của hệ thống CNC được thể hiện trên hình 7. Hình 8 chỉ ra khái niệm cấu trúc của máy CNC theo quan điểm phần cứng và phần mềm. Hình 8. Các thành phần của hệ thống CNC Theo quan điểm phần cứng, máy công cụ CNC bao gồm hệ thống điều khiển số, hệ thống điều khiển động cơ và máy công cụ. Tín hiệu ra của vị trí điều khiển được gởi đến hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống điều khiển động cơ vận hành động cơ servo bởi điều khiển vận tốc và điều khiển moment, và cuối cùng, động cơ servo làm di chuyển phần chuyển động thông qua bộ phận truyền động. Trong hệ thống CNC, các modun xử lý các chức năng của đơn vị MMI, đơn vị NCK, đơn vị PLC bao gồm bộ xử lý chính, hệ thống ROM và hệ thống RAM, lưu trữ tương ứng các trình ứng dụng, phần chương trình gia công và chương trình PLC. Modun xử lý thì được kết nối với một giao diện được gắn các phím tín hiệu vào, hiển thị điều khiển, tín hiệu đầu vào bên ngoài và hệ thống bus truyền dữ liệu. Vì vậy, kiến trúc của hệ thống CNC thì tương tự máy tính đa xử lý. Hệ thống CNC có một thiết bị tương tự/số tín hiệu vào/tín hiệu ra cho việc truyền thông trực tiếp với các máy bên ngoài và giao diện truyền thông được kết nối thiết bị điều khiển động cơ. . khiển số, hệ thống điều khiển động cơ và máy công cụ. Tín hiệu ra của vị trí điều khiển được gởi đến hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống điều khiển động. cho hệ thống servo mất ổn định. Trong vòng điều khiển kín, nếu tần số cộng hưởng của hệ thống điều khiển máy không đủ lớn hơn độ lợi, hệ thống vòng điều khiển