Luận văn Nghiên cứu, ứng dụng PLC FX3U-40MT điều khiển động cơ servo máy CNC trong công nghiệp
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ
VŨ HOÀNG TRUNG
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PLC FX3U-40MT ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ SERVO MÁY CNC TRONG CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN TRỌNG CÁC
HẢI DƯƠNG – NĂM 2018
Học viên: Vũ Hoàng Trung
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong đꢀ án tꢁt nghiꢂp này là các
kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi vꢃi sꢄ hưꢃng dꢅn của
Ts.Nguyễn Trọng Các, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả
khác.
Nội dung nghiên cứu có tham khảo và sử dụng một sꢁ thông tin, tài liꢂu từ các
nguꢀn tài liꢂu đꢆ được liꢂt kê trong danh mục các tài liꢂu tham khảo.
Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.
HỌC VIÊN THꢀC HIỆN
Vũ Hoàng Trung
Học viên: Vũ Hoàng Trung
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
1.1. Lịch sử phát triển......................................................................................................3
1.2. Phân loại và công dụng.............................................................................................4
1.2.1. Máy khoan thẳng đơn trục:.............................................................................5
1.2.3. Máy phay: (H1.3) ............................................................................................6
1.2.4.Trung tâm gia công tiện:..................................................................................6
1.2.5. Trung tâm cơ khí đa năng:..............................................................................6
1.3. Những khái niꢂm cơ bản và phân loại hꢂ điều khiển ...............................................7
1.3.1. Khái niệm CNC ...............................................................................................7
1.3.2. Trục máy CNC.................................................................................................7
1.4. Hꢂ điều khiển của máy CNC....................................................................................8
1.4.1. Phần cứng hệ điều khiển máy CNC ................................................................8
1.4.1.1. Bộ xử lý trung tâm (CPU) ............................................................................8
1.4.1.2. Phần mềm...................................................................................................11
1.5.Cơ sở hình học cho gia công CNC ..........................................................................11
1.5.2. Các điểm chuẩn.............................................................................................12
1.6. Các dạng điều khiển CNC ......................................................................................16
1.6.1. Điều khiển điểm - điểm..................................................................................16
1.6.2. Điều khiển đường thẳng................................................................................17
1.6.3. Điều khiển theo biên dạng (contour) ............................................................18
2.1. Đặt vấn đề...............................................................................................................20
2.2.2.2. Đặc tính ngõ vào, ngõ ra............................................................................27
Học viên: Vũ Hoàng Trung
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
2.2.3. Bộ đếm tốc độ cao (HSC)..............................................................................28
2.4. Phần mềm lập trình GX-DEVELOPER .................................................................32
2.6. Bộ FX2N-16EX......................................................................................................34
2.7. Bộ FX2N-1PG........................................................................................................35
3.1.1. Kết nối HMI với PC.......................................................................................39
3.1.3 Chương trình điều khiển.................................................................................44
3.2 Vận hành chạy thử, hiꢂu chỉnh thông sꢁ:..........................................................58
3.2.2. Cài đặt phần mềm Lazycam ..........................................................................59
3.3. Vận hành chạy thử..................................................................................................62
3.3.1. Yêu cầu ..........................................................................................................62
3.3.2. Nội dung ........................................................................................................62
3.3.2.1. Thiết kế trên phần mềm autocad 2007 .......................................................62
3.4. Mô hình sản phẩm ..................................................................................................75
3.4.1. Mô hình máy CNC công nghiệp....................................................................75
3.4.2. Bộ điều khiển máy CNC công nghiệp ...........................................................75
3.5. Kết luận chương 3 ..................................................................................................75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................77
Học viên: Vũ Hoàng Trung
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 – Máy chơi piano dùng bìa đục lỗ....................................................................3
Hình 1.2 – Máy tiꢂn.........................................................................................................5
Hình 1.3 – Máy phay đứng..............................................................................................6
Hình 1.4 - Truyền dữ liꢂu trong vòng kín. ......................................................................8
Hình 1.4 : Sơ đꢀ khꢁi của CPU .......................................................................................9
Hình 1.5: Hꢂ thꢁng liên lạc BUS...................................................................................10
Hình 1.6 : Điều khiển Servo..........................................................................................10
Hình 1.7 – Quy tắc bàn tay phải....................................................................................12
Hình 1.8 – Ba trục quay A,B,C. ....................................................................................12
Hình 1.10 : Ví dụ về điểm W và điểm P trên máy tiꢂn .................................................13
Hình1.13 : Các điểm gꢁc của dụng cụ...........................................................................15
Hình 1.16 :Điều khiển theo đường thẳng ......................................................................17
Hình 1.18 : Điều khiển contour 3D ...............................................................................18
Hình 2.1: Đấu dây sink (-, NPN)..................................................................................22
Hình 2.2: Đấu dây soure (+, PNP)................................................................................22
Hình 2.3: không có chân SS (đấu dây sink (-)) .............................................................22
Hình 2.5 b): Ngõ ra là transior (MT).............................................................................23
Hình 2.6: Bộ đếm 1 pha do khởi tạo..............................................................................30
Hình 2.7: Bộ đếm 1 pha được gán trưꢃc .......................................................................31
Hình 2.8: Bộ đếm 2 pha.................................................................................................31
Hình 2.9: Mở phần mềm lập trình .................................................................................32
Hình 2.10: Giao diꢂn lập trình.......................................................................................32
Hình 2.11: Đặt tên cho thiết bị ......................................................................................33
Học viên: Vũ Hoàng Trung
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Hình 2.12: Nạp chương trình.........................................................................................33
Hình 2.13: Đọc chương trình.........................................................................................33
Hình 2.14: Set đꢀng hꢀ thời gian thꢄc...........................................................................34
Hình 2.15: Bộ FX2N-16EX...........................................................................................34
Hình 2.16: Bộ FX2N-1PG.............................................................................................35
Hình 3.1: HMI kết nꢁi vꢃi PC .......................................................................................39
Hình 3.3: Mở phần mềm NB-designer ..........................................................................40
Hình 3.4: PLC kết nꢁi vꢃi HMI.....................................................................................40
Hình 3.6: Trở về giao diꢂn HMI và bắt đầu Viết giao diꢂn...........................................41
Hình 3.7: Giao diꢂn HMI điều khiển máy CNC............................................................41
Hình 3.8: Sơ đꢀ đấu dây PLC vꢃi servo........................................................................42
Hình 3.9: Sơ đꢀ đấu dây điều khiển vị trí:.....................................................................43
Học viên: Vũ Hoàng Trung
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
1. Lý do chọn đề tài
Luận văn Thạc sĩ
MỞ ĐẦU
Ngày nay vꢃi sꢄ phát triển của cuộc cách mạng công nghiꢂp lần thứ 4 đꢆ giúp sꢄ
sáng tạo của con người trở thành hiꢂn thꢄc. Các lĩnh vꢄc của cuộc sꢁng đều áp dụng
những thiết bị tꢄ động hóa và dường như nhìn đâu trong gia đình chúng ta cũng có các
thiết bị điꢂn, điꢂn tử. Ngành công nghꢂ kỹ thuật điꢂn, điꢂn tử đꢆ tạo chỗ đứng và
khẳng định được tầm quan trọng của mình đꢁi vꢃi nhu cầu của con người và xã hội.
Vꢃi những ứng dụng cho các hꢂ thꢁng nhúng ngày càng trở nên phổ biến: Từ
những ứng dụng đơn giản như điều khiển đèn giao thông, đếm sản phẩm trong một
dây chuyền sản xuất, điều khiển tꢁc độ động cơ, thiết kế một biển quảng cáo dùng Led
ma trận, một đꢀng hꢀ thời gian thꢄc... Đến các ứng dụng phức tạp như hꢂ thꢁng điều
khiển robot, vũ trụ, máy bay không người lái, năng lượng nguyên tử... Các hꢂ thꢁng tꢄ
động trưꢃc đây sử dụng nhiều công nghꢂ khác nhau như các hꢂ thꢁng tꢄ động hoạt
động bằng nguyên lý khí nén, thủy lꢄc, rơle cơ điꢂn, mạch điꢂn tử sꢁ, các thiết bị máy
móc tꢄ động bằng các cam chꢁt cơ khí. Các thiết bị, hꢂ thꢁng này có chức năng xử lý
và mức độ tꢄ động thấp so vꢃi các hꢂ thꢁng tꢄ động hiꢂn đại được xây dꢄng trên nền
tảng của các hꢂ thꢁng nhúng.
Trong đề tài, mục tiêu trưꢃc tiên mà em hưꢃng tꢃi là chế tạo được mô hình máy
CNC hoạt động ổn định vꢃi sai sꢁ nhỏ, sau đó em hưꢃng tꢃi khắc phục dao động, sai
sꢁ và nâng cao tính tꢄ động của máy...
Qua đây, vꢃi nhiều ưu điểm của máy CNC và xu thế lꢄa chọn dòng vi điều khiển
phù hợp vꢃi nhiều ứng dụng khác nhau nên trong đề tài này, dưꢃi sꢄ hưꢃng dꢅn của
Thầy Nguyễn Trọng Các, em đề xuất hưꢃng nghiên cứu: Nghiên cứu, ứng dụng PLC
FX3U-40MT điều khiển động cơ servo máy CNC trong công nghiệp.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ điều khiển máy CNC công nghiꢂp nhằm thay thế
sức lao động của con người, tiết kiꢂm được chi phí và đạt năng suất cao.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về máy CNC.
- Giꢃi thiꢂu chung và lꢄa chọn các loại linh kiꢂn điꢂn tử trong mạch.
- Nghiên cứu phần mềm Mach3 CNC, Wizad, LazyCam.
- Lắp đặt, vận hành chạy thử, hiꢂu chỉnh các thông sꢁ.
4. Đối tượng nghiên cứu
Ứng dụng PLC FX3U-40MT điều khiển động cơ servo máy CNC.
Học viên: Vũ Hoàng Trung
1
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
5. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích các tài liꢂu ở trong và
ngoài nưꢃc, đề xuất hưꢃng nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển máy CNC công nghiꢂp
sử dụng vi điều khiển PLC.
Nghiên cứu thꢄc nghiꢂm: Thử nghiꢂm bộ điều khiển máy CNC công nghiꢂp sử
dụng vi điều khiển PLC FX3U-40MT.
6. Cấu trúc luận văn
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về máy CNC.
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển máy CNC trong công nghiꢂp.
Chương 3: Lập trình điều khiển, thꢄc nghiꢂm mô hình CNC.
Kết luận và kiến nghị.
Tài liꢂu tham khảo.
Học viên: Vũ Hoàng Trung
2
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC
1.1. Lịch sử phát triển
CNC (Computer Numerical Control ) có tiền thân là máy NC (Numerical
Control) là các máy công cụ tꢄ động dꢄa trên tập lꢂnh được mꢆ hoá bởi các con sꢁ, các
chữ cái, các ký tꢄ mà bộ xử lý trung tâm có thể hiểu được. Những lꢂnh này được điều
chế thành các xung áp hay dòng, theo đó điều khiển các motor hoặc các cơ cấu chấp
hành, tạo thành các thao tác của máy. Những con sꢁ, chữ cái, ký tꢄ trong tập lꢂnh dùng
để biểu thị khoảng cách, vị trí, chức năng hay trạng thái để máy có thể hiểu và thao tác
trên phôi.
Hình 1.1 – Máy chơi piano dùng bìa đục lỗ.
NC được sꢃm sử dụng trong cách mạng công nghiꢂp, vào năm 1725, khi các
máy dꢂt ở Anh sử dụng các tấm bìa đục lỗ để tạo các hoa văn trên quần áo. Thậm chí
sꢃm hơn nữa, những chiếc máy đánh chuông tꢄ động được sử dụng ở nhà thờ lꢃn châu
Âu và một sꢁ nhà thờ ở Hoa Kỳ. Năm 1863, máy chơi piano đầu tiên ra đời (H1.1). Nó
dùng các cuộn giấy đục lỗ sẵn, dꢄa vào các lỗ thủng đó để tꢄ động điều khiển các
phím ấn.
Nguyên lý của sản xuất hàng loạt, được phát triển bởi Eli Whitney, đꢆ chuyển
đổi nhiều công đoạn và chức năng thông thường phải dꢄa trên kĩ năng của thợ thủ
công nay được làm trên máy. Khi nhiều máy chính xác hơn ra đời, hꢂ thꢁng sản xuất
hàng loạt nhanh chóng được nền công nghiꢂp chấp nhận và đưa vào để sản xuất một sꢁ
lượng lꢃn các chi tiết giꢁng hꢂt nhau. Ở nửa sau của thế kỉ 19, một lượng lꢃn các máy
công cụ ra đời dùng trong hoạt động gia công kim loại như máy cắt, máy khoan, máy
cán, máy mài. Cùng vꢃi nó, các công nghꢂ điều khiển bằng thuỷ lꢄc, khí nén, bằng
điꢂn cũng được phát triển, điều khiển chuyển động đòi hỏi sꢄ chính xác trở nên dễ
dàng hơn.
Học viên: Vũ Hoàng Trung
3
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Năm 1947, không lꢄc Hoa Kỳ thấy rằng sꢄ phức tạp trong thiết kế và hình dạng
của các chi tiết máy bay, như cánh quạt của trꢄc thăng hay các chi tiết của đầu phóng tên
lửa chính là nguyên nhân khiến cho các nhà sản xuất không giao hàng đúng hẹn. Khi đó,
John Parsons, Parsons Corporation, thành phꢁ Traverse, bang Michigan đꢆ bắt đầu
nghiên cứu vꢃi ý tưởng về một chiếc máy công cụ có thể thao tác ở mọi góc độ, sử dụng
dữ liꢂu sꢁ để điều khiển chuyển động của máy. Năm 1949, USAMC giao cho Parsons
một hợp đꢀng phát triển NC và phương pháp tăng tꢁc trong sản xuất. Parsons sau đó đꢆ
chuyển thầu lại cho phòng thí nghiꢂm Servomechanism – đại học Massachusetts
Institute of Technology (MIT). Năm 1952 họ đꢆ thành công vꢃi chiếc máy có đầu cắt
chuyển động 3 chiều. Rất nhanh sau đó, hầu hết các nhà sản xuất máy công cụ đều cho
ra các máy NC. Năm 1960, tại triển lꢆm máy công cụ ở Chicago, hơn 100 máy NC đꢆ
được trưng bày. Hầu hết các máy này đều giꢁng nhau ở nguyên tắc điều khiển vị trí
điểm - điểm. Nguyên lý của máy NC được thiết lập một cách vững chꢆi.Từ đây, NC
được cải tiến nhanh chóng trong công nghiꢂp điꢂn tử để phát triển các sản phẩm mꢃi.
Các bộ điều khiển trở nên nhỏ hơn, đáng tin cậy hơn và rẻ hơn. Sꢄ phát triển của các
máy công cụ, các bộ điều khiển khiến cho chúng được sử dụng nhiều hơn.
Cho tꢃi năm 1976, những máy NC điều khiển hoàn toàn tꢄ động theo chương
trình mà các thông tin viết dưꢃi dạng sꢁ đꢆ được sử dụng rộng rꢆi. Cũng vào năm đó,
người ta đꢆ đưa một máy tính nhỏ vào hꢂ thꢁng điều khiển máy NC nhằm mở rộng đặc
tính điều khiển và mở rộng bộ nhꢃ của máy, các máy này được gọi là các máy CNC
(Computer Numerical Control). Và sau đó, các chức năng trợ giúp cho quá trình gia
công ngày càng phát triển. Vào năm 1965, hꢂ thꢁng thay dao tꢄ động được đưa vào sử
dụng, năm 1975 thì hꢂ thꢁng CAD – CAM – CNC ra đời. Năm 1984 thì đꢀ họa máy
tính phát triển, được ứng dụng để mô phỏng quá trình gia công trên máy công cụ điều
khiển sꢁ.
Năm 1994, Hꢂ NURBS (Not uniforme rational B-Spline) giao diꢂn phần mề
CAD cho phép mô phỏng được xác bề mặt nội suy phức tạp trên màn hình, đꢀng thời
nó cho phép tính toán và đưa ra các phương trình toán học mô phỏng các bề mặt phức
tạp, từ đó tính toán chính xác đường nội suy vꢃi độ mịn, độ sắc nét cao.
Cho đến ngày nay, người ta còn ứng dụng công nghꢂ nano vào hꢂ thꢁng điều
khiển máy CNC. Năm 2001 hꢆng FANUC đꢆ chế tạo hꢂ điều khiển nano cho máy
CNC, mở ra một trang mꢃi về công nghꢂ chế tạo máy công cụ.
1.2. Phân loại và công dụng
Vꢃi những chiếc máy công cụ trưꢃc đây, luôn phải có người đứng bên máy để
điều khiển các hoạt động của máy. Những loại này đꢆ mất dần ưu thế khi máy NC ra
Học viên: Vũ Hoàng Trung
4
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
đời, người điều khiển không còn phải điều khiển các chuyển động của máy nữa. Ở các
máy công cụ truyền thꢁng, chỉ có 20% thời gian hoạt động là để gia công vật liꢂu. Khi
thêm phần điều khiển điꢂn tử thì thời gian gia công đꢆ tăng lên 80%, thậm chí cao hơn.
Đꢀng thời cũng giảm bꢃt thời gian để dịch chuyển đầu cắt đến vị trí yêu cầu.
Trưꢃc đây, các máy công cụ được sản xuất sao cho càng đơn giản càng tꢁt để
giảm giá thành. Cũng bởi giá nhân công tăng lên, những chiếc máy tꢁt hơn vꢃi bꢁ điều
khiển điꢂn tử ra đời, khiến cho nên công nghiꢂp có thể cho ra những sản phẩm tꢁt hơn
vꢃi giá cả phải chăng hơn nhằm cạnh tranh vꢃi những nền công nghiꢂp nưꢃc ngoài.
NC được sử dụng trên tất cả các máy công cụ, từ đơn giản nhất đến phức tạp
nhất. Những chiếc máy thông dụng nhất là máy khoan thẳng đơn trục, máy tiꢂn, máy
phay, trung tâm tiꢂn, trung tâm cơ khí đa năng.
1.2.1. Máy khoan thẳng đơn trục:
Một trong những máy NC đơn giản nhất là máy khoan đơn trục. Hầu hết các
máy khoan đều được lập trình trên 3 trục:
a) Trục X điều khiển bàn máy di chuyển sang trái hoặc sang phải.
b) Trục Y điều khiển bàn máy tiến hoặc lùi.
c) Trục Z điều khiển chuyển động lên xuꢁng của mũi khoan.
1.2.2 Máy tiện:
Là một trong những chiếc máy có hiꢂu quả nhất, đặc biꢂt có ý nghĩa trong viꢂc gia
công các khꢁi tròn. Máy tiꢂn được lập trình trên 2 trục:
a) Trục X điều khiển chuyển động dọc của đầu dao, vào hay ra.
b) Trục Z điều khiển chuyển động của mꢅu vật tiến vào hay rời khỏi bꢂ đỡ.
Hình 1.2 – Máy tiện
Học viên: Vũ Hoàng Trung
5
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
1.2.3. Máy phay: (H1.3)
Luận văn Thạc sĩ
Máy phay luôn là loại máy đa năng nhất được dùng trong công nghiꢂp. Các
công năng như phay, vát, cắt góc, khoan, doa chỉ là một vài chức năng mà máy phay
có thể đảm nhiꢂm.
Máy phay thường được lập trình trên 3 trục:
a) Trục X điều khiển bàn máy chuyển động sang trái, phải.
b) Trục Y điêu khiển bàn máy tiến hay lùi.
c) Trục Z chuyển động thẳng đứng của đầu dao.
Hình 1.3 – Máy phay đứng.
1.2.4.Trung tâm gia công tiện:
Trung tâm gia công tiꢂn (Turning Center) ra đời vào giữa thập niên 60 sau khi
nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng 40% các loại gia công kim loại là được làm bằng phương
pháp tiꢂn. Chiếc máy NC này có khả năng làm viꢂc vꢃi độ chính xác cao hơn, hiꢂu
suất cao hơn so vꢃi chiếc máy tiꢂn thông thường. Trung tâm gia công tiꢂn cơ bản chỉ
thao tác trên 2 trục:
a) Trục X điều khiển chuyển động ngang của mâm cặp.
b) Trục Z điều khiển chuyển động dọc của mâm cặp.
1.2.5. Trung tâm cơ khí đa năng:
Cỗ máy này cũng ra đời cũng vào thập niên 60. Được tích hợp nhiều tính năng tại cùng
một địa điểm. Nhiều thao tác gia công khác nhau trên mꢅu vật có thể thꢄc hiꢂn chỉ vꢃi
Học viên: Vũ Hoàng Trung
6
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
một lần cài đặt duy nhất. Nhờ vậy mà tꢁc độ, năng suất máy tăng lên đáng kể so vꢃi
những máy điều khiển sꢁ thông thường.
1.3. Những khái niệm cơ bản và phân loại hệ điều khiển
1.3.1. Khái niệm CNC
CNC (Computer Numerical Control) là một dạng máy NC điều khiển tꢄ động có sꢄ trợ
giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tꢄ động được lập trình để hoạt động theo
các sꢄ kiꢂn nꢁi tiếp nhau vꢃi một tꢁc độ được xác định trưꢃc để có thể tạo ra được
mꢅu vật vꢃi hình dạng và kích thưꢃc yêu cầu.
1.3.2. Trục máy CNC
Để có thể điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đường hình học trên bề mặt
chi tiết cần có một mꢁi quan hꢂ giữa dụng cụ và chi tiết gia công. Mꢁi quan hꢂ này có
thẻ được thiết lập thông qua viꢂc đặt dụng cụ và chi tiết gia công trong một hꢂ tọa độ.
Hꢂ tọa độ Đề Các được sử dụng làm hꢂ tọa độ trong máy CNC.
Khi đó không gian được giꢃi hạn bởi ba kích thưꢃc của hꢂ tọa độ Đề Các gắn vꢃi máy
mà hꢂ điều khiển máy có thể nhận biết được gọi là vùng gia công.
Từ đây, người ta định nghĩa :
* Chuyển động thẳng của dụng cụ song song vꢃi trục hꢂ tọa độ gắn vꢃi máy được gọi
là trục thẳng của máy.
* Chuyển động của dụng cụ quay xung quanh trục hꢂ tọa độ gắn vꢃi máy được gọi là
trục quay của máy.
Qua những nghiên cứu cho thấy, chỉ cần tꢁi đa 14 trục (trục chuyển động) để mô tả bất
kỳ một máy CNC phức tạp nào. 14 trục chuyển động này được chia thành: 5 trục quay
và 9 trục thẳng
- 9 trục thẳng bao gꢀm :
+ Ba trục thẳng thứ nhất : X,Y, Z
+ Ba trục thẳng thứ hai : U //X, V//Y, W//Z
+ Ba trục thẳng thứ ba : P//X, Q//Y, R//Z
- 5 trục quay bao gꢀm :
+ Ba trục quay thứ nhất A,B,C. Đây là 3 trục quay xung quanh các
trục thẳng X,Y,Z.
+ Hai trục quay thứ hai D và E. Đặc trưng của hai trục quay này là
quay song song vꢃi trục quay thứ nhất A hoặc B hoặc C hoặc một trục đặc biꢂt nào đó.
Học viên: Vũ Hoàng Trung
7
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
1.4. Hệ điều khiển của máy CNC
Về mặt tổng quát, các máy CNC trong công nghiꢂp đều được điều khiển theo
một nguyên tắc nhất định. Dữ liꢂu điều khiển được đọc vào từ các vật mang tin (băng
từ, đĩa từ, băng đục lỗ…) hoặc từ chương trình có sẵn trên máy hoặc do chính người
sử dụng nhập vào từ giao tiếp bàn phím. Các dữ liꢂu này được giải mꢆ và hꢂ thꢁng
điều khiển xuất ra các tập lꢂnh để điều khiển các cơ cấu chấp hành thꢄc hiꢂn các lꢂnh
theo yêu cầu của người sử dụng. Trong khi các cơ cấu chấp hành thꢄc hiꢂn các lꢂnh
đó, kết quả về viꢂc tꢄc hiꢂn được mꢆ hóa ngược lại và phản hꢀi về hꢂ điều khiển máy,
các kết quả này được so sánh vꢃi các tập lꢂnh được gửi đi. Sau đó hꢂ thꢁng điều khiển
có nhiꢂm vụ bù lại các sai lꢂch và tiếp tục gửi đến các cơ cấu chấp hành cho đến khi
thông tin về kết quả thꢄc hiꢂn phản hꢀi trở lại “khꢃp” vꢃi thông tin được gửi đi.
Như vậy, ta có thể nói hꢂ điều khiển máy CNC trong công nghiꢂp là một hꢂ
điều khiển kín (dữ liꢂu lưu thông theo một vòng kín).
Để tiꢂn cho viꢂc trình bày, hꢂ thꢁng điều khiển máy CNC có thể được chia ra là hai
phần: phần cứng và phần mềm.
Hình 1.4 - Truyền dữ liệu trong vòng kín.
1.4.1. Phần cứng hệ điều khiển máy CNC
1.4.1.1. Bộ xử lý trung tâm (CPU)
Bộ xử lý trung tâm (CPU) là một máy tính nhỏ hoặc là thành phần chính của
máy tính nào đó (16 bit hoặc 32 bit) và mạch điꢂn tích hợp. Cấu trúc của CPU bao
gꢀm các phần tử cơ bản sau: Phần tử điều khiển, phần tử logic sꢁ học, bộ nhꢃ truy cập
nhanh.
Học viên: Vũ Hoàng Trung
8
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Hình 1.4 : Sơ đồ khối của CPU
* Phần tử điều khiển làm nhiꢂm vụ điều khiển tất cả các phần tử của nó và
các phần tử khác của CPU. Xung nhịp từ đꢀng hꢀ đưa vào điều khiển thꢄc hiꢂn đꢀng
bộ hoạt động của các phần tử.
* Phần tử sꢁ học làm nhiꢂm vụ hình thành các thuật toán mong muꢁn trên cơ
sở sꢁ liꢂu đưa vào. Kiểu thuật toán sꢁ học là công trừ nhân chia, công logic và các
chức năng khác theo yêu cầu của chương trình. Khꢁi logic sꢁ thꢄc hiꢂn các phép so
sánh, phân nhánh, lập, lꢄa chọn và phân vùng bộ nhꢃ.
* Bộ nhꢃ truy nhập nhanh là bộ nhꢃ trong CPU dùng để lưu trữ tạm thời các
thông tin đang được phẩn tử sꢁ học xử lý hoặc các chương trình điều khiển từ ROM và
RAM gửi tꢃi.
* Bộ nhớ
Một sꢁ bộ nhꢃ mở rộng từng được sử dụng:
- ROM và EPROM dùng để lưu trữ những dữ liꢂu ko thay đổi của hꢂ thꢁng
CNC, như những chu trình cứng và những vòng bất biến.
- EEPROM lưu trữ những dữ liꢂu phát sinh trong quá trình cài đặt hꢂ thꢁng.
Như những tham sꢁ máy, những chu trình đặc biꢂt, những chương trình con. Mặc dù
nội dung của EEPROM được bảo vꢂ, nhưng vꢅn có thể thay đổi khi cần.
- RAM mở rộng được sử dụng trong tất cả các bộ CNC để lưu giữ chương
trình, dữ liꢂu. Chúng có dung lượng có thể mở rộng từ 16 đến 500 Kbytes.
Nếu cần những chức năng chuyên dụng thì thường có những card riêng được
cắm vào các khe mở rộng của bộ điều khiển và được liên kết bằng bus.
* Hệ thống truyền dẫn( BUS)
Hꢂ thꢁng CNC đòi hỏi sꢄ liên hꢂ giữa CPU và các bộ phận khác trong hꢂ thꢁng.
Thiết bị truyền dꢅn của CNC chính là BUS. Có thể hiểu BUS là hꢂ thꢁng các đường
giao thông làm nhiꢂm vụ truyền dꢅn thông tin từ CPU đến các bộ phận khác và ngược
lại.
Học viên: Vũ Hoàng Trung
9
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Dưꢃi đây là sơ đꢀ khꢁi thể hiꢂn vị trí vai trò của BUS trong hꢂ thꢁng điều khiển
CNC (hình 1.8)
Hình 1.5: Hệ thống liên lạc BUS
* Truyền dẫn Servo
Hình 1.6 : Điều khiển Servo
Hꢂ điều khiển máy công cụ, cần thiết biến đổi xung điều khiển được tạo ra từ
cụm điều khiển thành các tính hiꢂu cho động cơ các trục. Nhiꢂm vụ này được thꢄc
hiꢂn nhờ hai mạch: Mạch điều khiển servo và mạch phản hꢀi (hình 1.6).
Trên đây là các phần cứng chủ yếu của máy CNC, ngoài ra còn có các phần cứng cơ
bản của một máy điều khiển sꢁ thông thường như: điều khiển tꢁc độ trục chính, điều
khiển trình tꢄ và các mạch biến vào – ra (input – output).
Học viên: Vũ Hoàng Trung
10
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
1.4.1.2. Phần mềm
Luận văn Thạc sĩ
Những bộ điều khiển CNC hiꢂn đại giꢁng như những chiếc máy tính chuyên
dụng dùng để điều khiển máy công cụ. Cũng như những chiếc máy tính khác, NC cần
một hꢂ điều hành, đôi khi được coi như là một phần mềm hꢂ thꢁng. Chúng được thiết
kế riêng cho một loại máy, và mục đích cuꢁi cùng là để điều khiển, bởi vì đặc tính
động học và điều khiển của mỗi loại mày là khác nhau. Phần mềm này điều khiển mọi
chức năng hꢂ thꢁng, những chương trình con, đꢀ hoạ giả lập hay quá trình gia công
nếu có.
Thông thường, phần mềm máy CNC được chia ra làm các phần cơ bản sau:
* Phần mềm điều khiển
Đây là chương trình chính để thꢄc hiꢂn các chức năng NC. Chương trình điều
khiển được lưu trữ trong ROM. Chức năng chính của phần mềm điều khiển là chấp
nhận chương trình ứng dụng như là sꢁ liꢂu vào và sinh ra tín hiꢂu điều khiển, điều
khiển dꢅn động động cơ các trục.
*
Phần mềm ghép nối
Phần mềm ghép nꢁi giữa hꢂ điều khiển CNC vꢃi máy công cụ cũng được xem
như một chương trình điều khiển máy. Chương trình này cho phép CPU liên hꢂ vꢃi
máy công cụ, bàn điều khiển thông qua chương trình logic được cài đặt sẵn trong hꢂ
điều khiển trình tꢄ.
* Postprocessor
Postprocessor là chương trình có nhiꢂm vụ chuyển đổi thông tin trong chương
trình NC thành cấu trúc điều khiển dụng cụ. Đó là thông tin về đường di chuyển của
dụng cụ, điều kiꢂn gia công, tꢁc độ trục chính, thời điểm bắt đầu và kết thúc chương
trình…
* Phần mềm ứng dụng
Đây có thể coi là phần mềm để ta có thể giao tiếp được vꢃi máy CNC.
Nó bao gꢀm chương trình mꢆ G (G code) và chương trình tham sꢁ.
1.5.Cơ sở hình học cho gia công CNC
Cơ sở hình học cho gia công CNC bao gꢀm các hꢂ toạ độ đêcac, hꢂ toạ độ cꢄc
,các điểm chuẩn :0 của máy ,0 của phôi ,các dạng điều khiển CNC: điều khiển điểm,
điều khiển đoạn thẳng, điều khiển Công tua, đặc điểm của vận hành DNC (Direct
Numerical Control),Sꢄ hiꢂu chỉnh (bù) chiều dài và bù bán kính dụng cụ cắt khi tiꢂn,
khi phay, Hꢂ thꢁng đo hành trình và phương pháp đo hành trình cắt khi gia công: đo
hành trình trꢄc tiêp / gián tiếp, đo hành trình tuyꢂt đꢁi/gia sꢁ.
Học viên: Vũ Hoàng Trung
11
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
1.5.1. Nguyên tắc xác định hệ trục toạ độ của máy CNC
Để xác định các trục toạ độ ta dꢄa trên quy tắc bàn tay phải, bao gꢀm ngón
giữa, ngón trỏ và ngón cái của bàn tay phải (H1.4). Ngón cái xác định hưꢃng của trục
X, ngón trỏ chỉ trục Y, và ngón giữa chỉ trục Z.
Hình 1.7 – Quy tắc bàn tay phải.
Trục quay được xác định theo các trục thẳng mà dao cắt quay trên đó. A là trục
quay trên trục X, B là trục quay trên trục Y, C là trục quay trên trục Z (H1.5). Khi nhìn
theo chiều (+) của các trục chính thì chiều kim đꢀng hꢀ là chiều (+) của các trục quay.
Hình 1.8 – Ba trục quay A,B,C.
Xác định các trục toạ độ của máy NC thông qua nguyên tắc này, đầu tiên ta
tưởng tượng ngón giữa nằm trong trục quay chính của máy, đó là trục Z của máy và
chiều (+) của trục theo hưꢃng từ trong ra ngoài. Theo đó, ngón cái và ngón trỏ sẽ chỉ
phương và chiều của trục X, trục Y.
1.5.2. Các điểm chuẩn
a. Điểm gốc của máy M
Quá trình gia công trên máy điều khiển theo chương trình sꢁ được thiết lập bằng
một chương trình mô tả quỹ đạo chuyển động tương đꢁi giữa lưỡi cắt của dụng cụ và
phôi. Vì thế, để đảm bảo viꢂc gia công đạt được độ chính xác thì các dịch chuyển của
dụng cụ phải được so sánh vꢃi điểm 0 (zero) của hꢂ thꢁng đo lường và người ta gọi là
Học viên: Vũ Hoàng Trung
12
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
điểm gꢁc của hꢂ tọa độ của máy hay gꢁc đo lường M (Machine reference zero). Các
điểm M được các nhà chế tạo quy định trưꢃc.
b. Điểm chuẩn của máy R
Hình1.9: Các điểm gốc và điểm chuẩn trên máy phay đứng và máytiện
Để giám sát và điều chỉnh kịp thời quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, cần thiết
phải bꢁ trí một hꢂ thꢁng đo lường để xác định quꢆng đường thꢄc tế (tọa độ thꢄc) so
vꢃi tọa độ lập trình. Trên các máy CNC người ta đặt các mꢁc để theo dõi các tọa độ
thꢄc của dụng cụ trong quá trình dịch chuyển, vị trí của dụng cụ luôn luôn được so
sánh vꢃi gꢁc đo lường của máy M. Khi bắt đầu đóng mạch điều khiển của máy thì tất
cả các trục phải được chạy về một điểm chuẩn mà giá trị tọa độ của nó so vꢃi điểm gꢁc
M phải luôn luôn không đổi và do các nhà chế tạo máy quy định. Điểm đó gọi là điểm
chuẩn của máy R (Machine Reference point). Vị trí của điểm chuẩn này được tính toán
chính xác từ trưꢃc bởi một cữ chặn lắp trên bàn trượt và các công tắc giꢃi hạn hành
trình. Do độ chính xác vị trí của các máy CNC là rất cao (thường vꢃi hꢂ thꢁng đo là hꢂ
Met thì giá trị của nó là 0,001mm và hꢂ Inch là 0,0001 inch). Khi dịch chuyển về điểm
chuẩn của các trục, lúc đầu tꢁc độ chạy nhanh, sau khi đến gần vị trí chuẩn thì tꢁc độ
chậm lại để có thể định vị một cách chính xác.
c. Điểm gốc của phôi W, điểm gốc chương trình P và điểm gá đặt C
Khi bắt đầu gia công, cần phải tiến hành xác định tọa độ điểm gꢁc của chi tiết
hay gꢁc của chương trình so vꢃi điểm M để xác định và hiꢂu chỉnh hꢂ thꢁng đo lường
dịch chuyển.
Hình 1.10 : Ví dụ về điểm W và điểm P trên máy tiện
*Điểm gꢁc của phôi W:
Học viên: Vũ Hoàng Trung
13
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Trường Đại học Sao Đỏ
Luận văn Thạc sĩ
Còn gọi là điểm zero của phôi (Workpiecezero point), ký hiꢂu là W xác định hꢂ
tọa độ của phôi trong quan hꢂ vꢃi điểm zero của máy (M). Điểm W của phôi được
chọn bởi người lập trình và được đưa vào hꢂ điều khiển của CNC trong quá trình đặt
sꢁ liꢂu máy trưꢃc khi gia công.
Điểm W của phôi được chọn tùy ý bởi người lập trình trong phạm vi không
gian làm viꢂc của máy và của chi tiết. Tuy vậy, nên chọn W nên chọn là một điểm nằm
trên phôi để thuận tiꢂn khi xác định các thông sꢁ giữa W và M. Giả sử vꢃi chi tiết tiꢂn,
người ta chọn điểm W đặt dọc theo trục quay (tâm trục chính máy tiꢂn) và có thể chọn
đầu mút trái hay đầu mút phải của phôi. Đꢁi vꢃi chi tiết phay nên lấy một điểm nằm ở
góc làm điểm W của phôi, góc đó thường là ở bên trái, trên mặt phôi và ở phía ngoài.
*Điểm gꢁc chương trình P:
Tùy thuộc vào bản vẽ chi tiết gia công mà người ta sẽ có một hay một sꢁ điểm
chuẩn để xác định tọa độ của các bề mặt khác. Trong trường hợp đó, điểm này được
gọi là điểm gꢁc chương trình P (Programmed). Trong thꢄc tế nếu P trùng vꢃi W sẽ
thuận lợi hơn cho quá trình lập trình vì không phải thꢄc hiꢂn nhiều phép toán bổ xung.
* Điểm gá đặt C:
Là điểm tiếp xúc giữa phôi và đꢀ gá trên máy, nó có thể trùng vꢃi điểm gꢁc của
phôi W trên máy tiꢂn. Thông thường khi gia công người ta phải tính đến lượng dư gia
công và do vậy điểm C chính là bề mặt chuẩn để xác định kích thưꢃc của phôi.
Hình 1.11: Ví dụ chọn điểm P và W khi gia công các lỗ phân bố trên đường tròn
Học viên: Vũ Hoàng Trung
14
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Tải về để xem bản đầy đủ
83 trang
30/03/2022
5120
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu, ứng dụng PLC FX3U-40MT điều khiển động cơ servo máy CNC trong công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_nghien_cuu_ung_dung_plc_fx3u_40mt_dieu_khien_dong_c.pdf
