Chương 1: Tổng quan 3 Chương 2: Phương pháp biểu diễn đường và mặt trong các hệ CAD/CAM sử dụng phương trình tham số NURBS. Chương 3: Xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do NURBS. Chương 4: Nghiên cứu phát triển phần mềm nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực dựa trên hệ điều khiển có kiến trúc mở. Phần cuối cùng là Kết luận và Kiến nghị sẽ tổng kết các kết quả nghiên cứu của đề tài và đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo.
Khái quát về hệ thống điều khiển số CNC và phương pháp nội suy NURBS Cấu trúc bộ điều khiển số CNC Các máy CNC là những sản phẩm cơ điện tử điển hình, có cấu tạo cơ bản gồm có máy công cụ với các thành phần cơ khí và hệ thống điều khiển số. Mục đích khi phát triển các máy CNC là để gia công chính xác các chi tiết phức tạp. Ban đầu hệ thống điều khiển số chủ yếu được áp dụng cho các máy phay (milling machines) và máy doa (boring machines). Sau đó, việc ứng dụng công nghệ điều khiển số được mở rộng cho các loại máy công cụ khác, như máy tiện, máy tạo ren, trung tâm gia công,.
Hiện nay, công nghệ điều khiển số còn được ứng dụng cho cả các máy gia công phi truyền thống, như máy gia công tia lửa điện, máy cắt dây, máy cắt laser, máy cắt tia nước, máy cắt plasma, …, bên cạnh các máy gia công truyền thống [7, 11, 42].1: Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển số [42]. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển số bao gồm ba thành phần chính, đó là: - Thành phần giao diện người-máy, MMI (Man Machine Interface). Thành phần này thực hiện chức năng giao diện giữa người và máy, tiếp nhận các thao tác điều khiển máy từ người vận hành, hiển thị thông tin trạng thái của máy, cũng như cung cấp các chức năng cho phép người vận hành nhập và chỉnh sửa các chương trình gia công NC. - Thành phần lõi điều khiển số, NCK (Numerical Control Kernel).
Đây là thành phần quan trọng nhất, quyết định chất lượng của một hệ điều khiển số. Thành phần này thực hiện các chức năng cơ bản, như dịch các mã lệnh trong chương trình gia công (NC code interpreter), thực hiện các thuật toán nội suy (interpolator), điều khiển vị trí các trục máy (position control) và bù sai số (error compensation), … Tín hiệu từ 5 NCK được đưa tới hệ thống điều khiển truyền động để thực hiện các chuyển động chính xác của máy CNC. - Thành phần điều khiển logic, PLC (Programmable Logic Controller). Thành phần này thực hiện các chức năng điều khiển logic trên máy, như điều khiển tuần tự quá trình thay dao tự động, thay phôi tự động, điều khiển tốc độ trục chính, điều khiển hệ thống bôi trơn, làm mát, hệ thống đèn tín hiệu cảnh báo, chức năng dừng khẩn cấp E-STOP, … Các thành phần của hệ thống điều khiển số được minh họa trên Hình 1.2 minh họa luồng thông tin trong hệ thống điều khiển số CNC.
Chương trình gia công NC khi truyền tới bộ điều khiển CNC được xử lý qua bộ dịch mã (interpreter). Với các lệnh chuyển động nội suy (G01/G02/G03), bộ dịch mã sẽ trích xuất dữ liệu đường dụng cụ và tốc độ tiến dao để gửi tới bộ nội suy. Tại đây, bộ nội suy tính giá trị đặt cho các vòng điều khiển vị trí của các trục máy. Các chức năng dịch mã, nội suy và điều khiển vị trí thường được tích hợp trong phần lõi điều khiển số của bộ điều khiển CNC.2: Luồng thông tin trong hệ thống điều khiển số CNC.
Tín hiệu ra từ module điều khiển vị trí thường là giá trị đặt tốc độ cho từng trục, và được đưa tới hệ thống truyền động servo để thực hiện chuyển động của máy công cụ. Ban đầu, tín hiệu giá trị đặt tốc độ thường được truyền từ bộ điều khiển CNC tới hệ thống điều khiển truyền động dưới dạng điện áp tương tự (analog velocity command). Tuy nhiên, giải pháp này có nhược điểm là dễ bị nhiễu, dẫn tới yêu cầu phát triển các giao diện truyền thông số. SERCOS là chuẩn truyền thông số phổ biến nhất được sử dụng cho mục đích giao tiếp giữa hệ thống điều khiển số và hệ thống truyền động servo.
Các giao diện số có ưu điểm là có khả năng chống nhiễu tốt hơn, đồng thời có khả năng mang nhiều thông tin hơn, nên cho phép thực hiện các chức năng tiên tiến, như cài đặt tham số của hệ truyền động từ trên hệ thống điều khiển số, giám sát trạng thái hệ truyền động, … 6 Chức năng nội suy trên máy công cụ điều khiển số CNC Các máy CNC thường có một số trục chuyển động thẳng hoặc tròn, được điều khiển vị trí và tốc độ chính xác nhờ ứng dụng các loại động cơ servo và công nghệ điều khiển truyền động. Các chuyển động trên máy CNC có thể chia thành hai dạng cơ bản: chuyển động điểm- điểm (point-to-point) và chuyển động nội suy (còn gọi là chuyển động theo quỹ đạo, contour motion). Chuyển động điểm-điểm có chức năng đưa dụng cụ (hoặc phôi) tới vị trí công tác. Trong chuyển động điểm-điểm, chỉ có vị trí cuối là quan trọng, các vị trí trung gian có thể thay đổi tùy theo thuật toán khác nhau.3 minh họa hai phương án thực hiện chuyển động điểm-điểm từ vị trí A tới vị trí B được hỗ trợ trên các bộ điều khiển số của hãng Fanuc.
Trong phương án 1, cả hai trục X và Y đều chuyển động với tốc độ chạy nhanh (rapid rate). Do hành trình theo trục Y ngắn hơn hành trình theo trục X, nên chuyển động theo trục Y sẽ kết thúc trước tại vị trí trung gian C. Sau đó trên đoạn từ C tới B chỉ còn chuyển động theo trục X. Trong phương án 2, chuyển động được thực hiện theo đường thẳng từ A tới B.
Do hành trình theo trục Y ngắn hơn hành trình theo trục X nên chuyển động theo trục X được thực hiện với tốc độ chạy nhanh, còn chuyển động theo trục Y được thực hiện với tốc độ được điều chỉnh giảm đi theo tỉ lệ hành trình trên mỗi trục.3: Hai phương án thực hiện chuyển động điểm-điểm từ vị trí A tới vị trí B. Chuyển động nội suy là chuyển động phối hợp của một số trục máy, nhằm tạo ra chuyển động tổng hợp của dụng cụ (so với phôi) bám theo một quỹ đạo xác định. Khác với chuyển động điểm-điểm, tốc độ của các trục máy trong chuyển động nội suy được phối hợp sao cho từng trục di chuyển đến vị trí đích trong cùng một khoảng thời gian. Ngoài ra, sự phối hợp tốc độ của các trục máy còn phải tạo ra vector vận tốc tổng hợp của dụng cụ luôn có phương tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động, đồng thời có độ lớn được lập trình trong chương trình gia công NC.
Yêu cầu phải phối hợp tốc độ của các trục thành phần trong chuyển động nội suy được minh họa trên Hình 1. Để thực hiện chuyển động nội suy theo đường thẳng từ vị trí A tới vị trí B với tốc độ tiến dao yêu cầu là V thì tốc độ của trục X là Vx , còn tốc độ của trục Y là Vy. Hai trục X và Y đồng thời chuyển động trong cùng một khoảng thời gian. Trên các máy CNC 3 trục, chuyển động nội suy là chuyển động phối hợp của các trục vuông góc X, Y, Z.
Các máy CNC thông thường hỗ trợ hai dạng chuyển động nội suy cơ bản, đó là nội suy tuyến tính và nội suy cung tròn (Hình 1. Với dạng nội suy tuyến tính, 7 chuyển động của dụng cụ được thực hiện theo đường thẳng, với tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối và tốc độ tiến dao được xác định trong chương trình NC. Với dạng nội suy cung tròn, chuyển động của dụng cụ bám theo một cung tròn có tọa độ tâm hoặc bán kính, cùng với tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối và tốc độ tiến dao xác định. Ta có nhận xét rằng, mặc dù trên các hệ thống điều khiển số CNC tiên tiến, nhưng các dạng chuyển động nội suy được hỗ trợ vẫn là những chuyển động theo các biên dạng rất cơ bản (đường thẳng và cung tròn).4: Phối hợp tốc độ của các trục thành phần trong chuyển động nội suy.5: Minh họa chuyển động nội suy tuyến tính và nội suy cung tròn trên các hệ điều khiển số.
Trong khi đó, các chuyển động tạo hình cần được thực hiện trên các máy công cụ CNC không chỉ gồm có chuyển động thẳng và chuyển động tròn. Với các chuyển động tạo hình phức tạp hơn, thông thường đường dụng cụ được xấp xỉ thành chuỗi các đoạn thẳng hoặc cung tròn (như minh họa trên Hình 1.6), để phù hợp với khả năng thực hiện chuyển động nội suy của hệ thống điều khiển số.6: Xấp xỉ biên dạng phức tạp bằng chuỗi đoạn thẳng. Thành phần trên hệ thống điều khiển số thực hiện chức năng nội suy được gọi là bộ nội suy, và là thành phần rất quan trọng, quyết định tới độ chính xác và chất lượng của hệ thống. Các bộ nội suy có thể thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm.
Trong giai đoạn đầu của công nghệ điều khiển số, bộ nội suy được thực hiện bằng phần cứng, với việc sử dụng các mạch tích phân DDA (Digital Differential Analyzer) [42]. Hiện nay, các bộ nội suy thường được thực hiện bằng phần mềm, sử dụng các thuật toán khác nhau. Trong đó, phương pháp nội suy kiểu từ tham chiếu là phương pháp phổ biến hơn trong các hệ thống điều khiển số hiện đại [42]. Trong phương pháp nội suy kiểu từ tham chiếu, thuật toán nội suy được thực hiện theo chu kỳ, gọi là chu kỳ nội suy.7: Biểu đồ hình thang (a) Tốc độ tiến dao; (b) Gia tốc tiếp tuyến; (c) Biểu đồ hình thang suy biến thành biểu đồ tam giác.
9 Ngoài ra, cần lưu ý trong chuyển động nội suy không chỉ có vị trí của điểm công tác cần bám theo đường dụng cụ với độ chính xác nhất định, mà tốc độ và gia tốc của các trục máy cũng phải được xem xét sao cho không vượt quá các giới hạn động học (kinematics limits) của máy công cụ. Do đó, các hệ thống điều khiển số thường phối hợp bộ nội suy với chức năng điều khiển tăng tốc/giảm tốc (acceleration/decceleration control). Biểu đồ tốc độ hình thang (trapezoidal velocity profile) là dạng biểu đồ tốc độ thường được sử dụng trong các hệ điều khiển chuyển động.7 minh họa biểu đồ tốc độ dạng hình thang, gồm có một khoảng thời gian tăng tốc, khoảng thời gian tốc độ bằng hằng số và khoảng thời gian giảm tốc.
