Tối ưu hóa giải thuật nội suy, ứng dụng xây dựng phần mềm cho bộ điều khiển máy CNC

- KHỔNG ĐỨC KIÊN KHỔNG ĐỨC KIÊN TỐI ƯU HÓA GIẢI THUẬT NỘI SUY.
- ỨNG DỤNG XÂY DỰNG PHẦN MỀM CHO BỘ ĐIỀU KIỂN MÁY CNC CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ KHÓA Hà Nội – Năm 2011 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- KHỔNG ĐỨC KIÊN TỐI ƯU HÓA GIẢI THUẬT NỘI SUY.
- ỨNG DỤNG XÂY DỰNG PHẦN MỀM CHO BỘ ĐIỀU KIỂN MÁY CNC Chuyên ngành : Cơ điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PSG.TS TRẦN ĐỨC TRUNG Hà Nội – Năm 2011 HVTH: Khổng Đức Kiên GVHD: PGS.TS.
- 6GIẢI THUẬT NỘI SUY VÀ MÁY CNC.
- 61.2. Tổng quan về máy CNC.
- 81.2.1. Lịch sử hình thành và phát triển của máy CNC.
- 81.2.2. Phân loại máy CNC.
- 111.2.3. Kết cấu của máy CNC.
- 19QUY TẮC CHUNG CỦA NỘI SUY.
- 192.1. Giải thuật nội suy.
- 192.1.1. Giải thuật nội suy Nearest-neighbor.
- 202.1.2. Giải thuật nội suy tuyến tính.
- 222.1.3. Giải thuật nội suy đa thức.
- 232.1.4. Giải thuật nội suy Spline.
- 242.2. Nội suy trong máy CNC.
- 292.2.3. Các dạng chuyển động của máy CNC.
- 32CHƯƠNG III ỨNG DỤNG CỦA NỘI SUY TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 3 TRỤC.
- 343.1. Giải thuật nội suy cung tròn chưa tối ưu.
- 423.2. Giải thuật nội suy cung tròn đã được tối ưu.
- 67CODE LẬP TRÌNH GIẢI THUẬT NỘI SUY CHƯA TỐI ƯU.
- 67CODE LẬP TRÌNH GIẢI THUẬT NỘI SUY TỐI ƯU.
- 75 HVTH: Khổng Đức Kiên GVHD: PGS.TS.
- Trần Đức Trung 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn đề tài: “Tối ưu hóa giải thuật nội suy.
- Ứng dụng xây dựng phần mềm cho bộ điều khiển máy CNC” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS.
- Trần Đức Trung.
- Trần Đức Trung 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1:Máy phay 3 trục rất phổ biến do đơn giản và giá thành thấp 12 Hình 1.2:Máy tiện CNC 12 Hình 1.3: Mô hình máy khoan CNC loại 2 và 3 trục 14 Hình 1.4: Hai dạng máy khoan đứng với khả năng tự động thay mũi khoan 14 Hình 1.5: Máy phay 5 trục có trục chính nằm ngang 15 Hình 1.6: Máy phay 5 trục có trục chính thẳng đứng 15 Hình 1.7: Máy phay 5 trục loại thay dao thủ công 16 Hình 1.8: Trung tâm gia công 4 trục cho phép tiếp cận cắt gọt phôi từ 5 phía 16 Hình 2.1: Biểu diễn các điểm rời rạc của hàm số f(x) 19 Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn giải thuật nội suy Nearest-neighbor của hàm số f(x) 19 Hình 2.3: Ứng dụng giải thuật nội suy Nearest-neighbor trong việc gán màu.
- 19 Hình 2.4: Đồ thị biểu diễn giải thuật nội suy tuyến tính của hàm số f(x) 20 Hình 2.5: Ứng dụng giải thuật nội suy tuyến tính trong việc gán màu.
- 20 Hình 2.6: Đồ thị biểu diễn giải thuật nội suy đa thức của hàm số f(x) 20 Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn giải thuật nội suy Spline của hàm số f(x) 21 Hình 2.8: Chuyển động thực sinh ra trong nội suy tuyến tính.
- 22 Hinh 2.9: Ví dụ nội suy cung tròn.
- 23 Hình 3.1: Đồ thị mô tả các bước của giải thuật nội suy chưa tối ưu 31 Hình 3.2: Sơ đồ giải thuật nội suy chưa tối ưu (thuận chiều kim đồng hồ) 32 Hình 3.3: Sơ đồ giải thuật nội suy chưa tối ưu (ngược chiều kim đồng hồ) 39 Hình 3.4: Sơ đồ giải thuật nội suy tối ưu (cùng chiều kim đồng hồ) 46 Hình 3.5: Đồ thị mô tả các bước của giải thuật nội suy tối ưu 47 Hình 3.6: Sơ đồ giải thuật nội suy tối ưu ngược chiều kim đồng hồ 53 HVTH: Khổng Đức Kiên GVHD: PGS.TS.
- Trần Đức Trung 5 MỞ ĐẦU Ngày nay, các loại máy CNC cũng như công nghệ CNC đã trở nên rất phổ biến trên thế giới, sự ra đời của máy CNC và các trung tâm gia công CNC hiện đại đã tạo nên cuộc cách mạng trong công nghiệp chế tạo máy và trong tương lai không xa sẽ thay thế toàn bộ những máy công cụ thế hệ trước.
- Ở Việt Nam ta hiện nay máy CNC cũng không còn quá mới mẻ nhưng việc tiếp cận công nghệ này và từng bước tiến tới làm chủ nó vẫn còn là vấn đề thời sự của nền khoa học công nghệ nước nhà.
- Trong thời gian gần đây, đã có rất nhiều nhóm học viên nghiên cứu về đề tài chế tạo mô hình máy CNC phục vụ giảng dạy, học tập, tuy nhiên phần lớn trong số đó đều chưa thiết kế được bộ điều khiển hoàn chỉnh, mà đa phần sử dụng các bộ điều khiển bán sẵn trên thị trường.
- Sản phẩm thu được đã phần nào đáp ứng được nhu cầu sử dụng, tuy nhiên điều này rất dễ dẫn đến việc chúng ta phụ thuộc vào các hãng cung cấp bộ điều khiển của nước ngoài, đồng thời gặp khó khăn trong việc phát triển và hoàn thiện máy CNC của người Việt.
- Khó khăn lớn nhất của người kỹ sư khi thiết kế bộ điều khiển đó là làm sao để sai số nhỏ nhất, điều đó đòi hỏi phải có một thuật toán nội suy tốt.
- Chính vì lý do đó em đã được giao đề tài “Tối ưu hóa giải thuật nội suy.
- Ứng dụng xây dựng phần mềm cho bộ điều khiển máy CNC”.
- Trần Đức Trung 6 CHƯƠNG I GIẢI THUẬT NỘI SUY VÀ MÁY CNC 1.1.
- Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo nói riêng, sự ra đời của máy công cụ điều khiển bằng chương trình số với sự trợ giúp của máy tính, gọi tắt là máy CNC (Computer Numerical Control), đã đưa ngành cơ khí chế tạo sang một thời kỳ mới, thời kỳ tự động hóa sản xuất hiện đại.
- Trong dây chuyền sản xuất linh hoạt thì máy điều khiển số CNC đóng vai trò trung tâm.
- Ngoài ra, việc sử dụng máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và tăng hiệu quả kinh tế, đồng thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất.
- Chính vì những ưu điểm vượt trội này, nhiều nước trên thế giới đã, đang và sẽ ứng dụng rộng rãi các máy điều khiển số vào lĩnh vực chế tạo cơ khí.
- Hiện nay máy CNC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các xí nghiệp công nghiệp ở nước ta, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí chính xác cao và tự động hoá.
- Phát huy hiệu quả sử dụng, bảo dưỡng và vận hành máy CNC là vấn đề được quan tâm đặc biệt.
- Muốn phát huy được hiệu quả tối đa khả năng thiết bị cũng như cải tiến nó cho phù hợp với con người Việt Nam đòi hỏi phải có sự hiểu biết sâu sắc về máy CNC.
- HVTH: Khổng Đức Kiên GVHD: PGS.TS.
- Trần Đức Trung 7 Ở Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo máy CNC đã được một số tổ chức và cá nhân thực hiện từ lâu, tuy nhiên chỉ dừng lại ở mức độ chế tạo ra phần cứng rồi nhập bộ điều khiển để hoàn thiện máy CNC của mình.
- Và như vậy những nhóm chế tạo này sẽ phải mua bộ điều khiển mới của nước ngoài, giá trị kinh tế của sản phẩm sẽ giảm đi rất nhiều.
- Chính vì những tồn tại như vậy của công việc chế tạo máy CNC nên em đã tiến hành nghiên cứu giải pháp nhằm chế tạo toàn bộ bộ điều khiển cho máy CNC, mà cụ thể trong luận văn này là trong máy CNC 3 trục.
- Để nghiên cứu, chế tạo bộ điều khiển máy CNC trước tiên chúng ta phải có những cái nhìn toàn diện về máy CNC, cỗ máy được mệnh danh là: Nhân tố chính của nền công nghiệp.
- Trong máy công cụ điều khiển số các chuyển động tạo hình được bố trí cho các cơ cấu chấp hành.
- Trong máy CNC, bộ nội suy đóng vai trò thực hiện việc phối hợp cùng lúc nhiều chuyển động trên các trục để đưa dụng cụ di chuyển giữa các điểm đã cho theo quỹ đạo xác định.
- Bộ nội suy có các đặc điểm chính sau.
- Tương ứng với thực tế, các bộ nội suy của điều khiển số thường chỉ giới hạn trong nội suy tuyến tính và nội suy vòng HVTH: Khổng Đức Kiên GVHD: PGS.TS.
- Đi tới một cách chính xác các điểm kết thúc chương trình đã đưa ra từ trước Như vậy, bộ nội suy là không thể thiếu được trong các máy công cụ điều khiển số và cũng có thể nói bộ nội suy là thiết bị đặc trưng của máy công cụ CNC.
- Do đó, việc nghiên cứu thành công bộ nội suy sẽ mang lại hiệu quả kinh tế to lớn trong việc chế tạo và sản xuất máy CNC tại Việt Nam.
- Với việc nghiên cứu đề tài “Tối ưu hóa giải thuật nội suy.
- Ứng dụng xây dựng phần mềm cho bộ điều khiển máy CNC.
- Tổng quan về máy CNC 1.2.1.
- Lịch sử hình thành và phát triển của máy CNC Thuật ngữ CNC là một thuật ngữ mà hầu như bất kì ai học tập, đào tạo, nghiên cứu trên lĩnh vực Tự động hóa đều biết: Đó là loại thiết bị điều khiển sử dụng trong các máy gia công, chế biến, cho phép thực hiện các quy trình gia công, chế biến trên cơ sở các thông số về kích thước, hình dáng của sản phẩm, chuyển sang thành quỹ đạo chuyển động trên không gian 3 chiều.
- Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại.
- Trần Đức Trung 9 dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công kim loại.
- Ba lợi ích của máy CNC.
- Tự động hóa sản xuất: Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử v.v.
- Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chí không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy.
- Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác.
- Thứ nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống.
- Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm: Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được.
- Một khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất.
- Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn - Linh hoạt: Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trình gia công mới.
- Lịch sử ra đời của máy CNC: Mặc dù máy tiện chế biến gỗ đã được sử dụng từ thời Kinh Thánh, nhưng chiếc máy tiện gia công kim loại thực tế đầu tiên mới được Henry Maudslay phát minh vào năm 1800.
- Độ chính xác về HVTH: Khổng Đức Kiên GVHD: PGS.TS.
- Trần Đức Trung 10 kích cỡ được nhân viên vận hành điều khiển bằng cách quan sát đĩa chia độ trên vô lăng và di chuyển công cụ cắt theo số lượng hợp lý.
- Những chuyển động được sử dụng trong các công cụ máy được gọi là trục và đề cập đến 3 trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y” (trước ra sau) và “Z” (trên và dưới).
- Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T.
- Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM, nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ.
- Nhanh chóng, Parsons cũng ký được hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đường mức giống như những hình trong cánh quạt và cánh máy bay.
- Trần Đức Trung 11 nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển và cơ cấu phản hồi.
- Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách với mục tiêu đáp ứng nhu cầu của các nhà bảo trợ quân đội.
- Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác, trong thực tế nó điều khiển máy giống như nhân viên vận hành.
- Chúng thường được gọi là NC hay máy điều khiển số.
- Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình.
- Phân loại máy CNC Ngày nay có rất nhiều nhà sản xuất máy CNC trên thế giới, riêng Đài Loan đã có hơn 200 nhà sản xuất với rất nhiều chủng loại máy: Tiện CNC, Phay CNC, Trung tâm gia công tiện, Trung tâm gia công phay trục đứng, trục ngang, tổ hợp nhiều trục, HVTH: Khổng Đức Kiên GVHD: PGS.TS.
- Như vậy có thể nói rằng ngành cơ khí có các loại máy vạn năng nào thì sẽ có máy CNC tương ứng.
- Nếu phân theo ý nghĩa mã lệnh G code, Mcode thì máy CNC phân ra làm hai hệ chính là: Hệ FANUC và hệ FAGOR.
- Còn nhà cung cấp máy CNC thì nhiều vô kể nhưng có thể kể đến một số hang nổi tiếng như FANUC, MITSHUBISHI, SIEMENS… Trong các máy CNC hiện nay thì phổ biến nhất là các máy phay, tiện CNC, các máy có thể là ba trục, bốn trục, năm trục, hoặc nhiều hơn nữa là 6 trục, 7 trục… Hình 1.1:Máy phay 3 trục rất phổ biến do đơn giản và giá thành thấp HVTH: Khổng Đức Kiên GVHD: PGS.TS.
- Trần Đức Trung 13 Hình 1.2:Máy tiện CNC 1.2.3.
- Kết cấu của máy CNC Về cấu trúc động học thì máy CNC cũng giống như robot là hệ gồm nhiều khâu ghép với nhau bằng các khớp.
- Khâu là những bộ phận có chuyển động tương đối với nhau.
- Khớp phổ biến nhất hay gặp trong các máy CNC là khớp tịnh tiến và khớp quay.
- Trần Đức Trung 14 Khớp tịnh tiến cho phép hai thành phần của khớp chuyển động thẳng tương đối với nhau theo một trục được định trước.
- Khớp tịnh tiến hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần của khớp.
- Khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần của khớp.
- Chúng ta đã rất quen thuộc với các loại máy phay, máy tiện hay máy khoan điều khiển CNC.
- Hãy bắt đầu từ máy khoan: Loại máy này đều mang 2 đặc điểm kết cấu chung (hình 1.3), chúng có.
- Trần Đức Trung 15 Hình 1.3: Mô hình máy khoan CNC loại 2 và 3 trục Kết cấu đó có lợi thế là lực đẩy mũi khoan luôn hướng xuống vuông góc với bàn máy, ép phôi xuống mặt bàn và do đó không gây nên các lực bất lợi có thể đẩy phôi, đồ gá và hệ truyền động trục XY trượt trên mặt bàn.
- Việc điều khiển NC các mũi khoan theo hệ tọa độ mặt bàn máy có thể được thực hiện rất đơn giản.
- Để có thể tự động hóa hoàn toàn quá trình khoan, kết cấu máy ở hình 1.4 sẽ được mở rộng thêm (hình 1.4) một cơ chế tự động thay mũi khoan nhờ một kho dụng cụ dạng mâm tròn (hình trái) hoặc chuỗi dây xích (hình phải), thậm chí có thể có khả năng thay đổi bàn máy, tức là khả năng thay phôi gia công (hình phải).
- Hình 1.4: Hai dạng máy khoan đứng với khả năng tự động thay mũi khoan Dạng thiết bị gia công có kết cấu phức tạp hơn là máy phay, được phân thành 2 nhóm chính là loại có trục chính theo phương nằm ngang (hình 1.5) hay phương thẳng

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt