Cách điều khiển quỹ đạo và biên dạng gia công

Tất cả các loại máy điều khiển kỹ thuật số có điểm chung là cùng dựa vào một hệ tọa độ để định nghĩa những điểm và cũng có thể cả phương hướng trong không gian. Việc định nghĩa này được thực hiện hoặc qua cách thông báo trực tiếp tọa độ chính xác (thí dụ trong tiện hay phay) hoặc qua cách dạy làm mẫu (thuật ngữ tiếng Anh gọi là tech = dạy), có nghĩa là thu thập tọa độ bằng cách dẫn robot thực hiện chuyển động khi gia công. Qua việc nhập dữ liệu vào, chính ngay trong chương trình những lệnh tương ứng được xác định, thí dụ như sẽ đi bằng đường nào (chẳng hạn như đường thẳng, vòng tròn) giữa các điểm.
Khả năng thứ ba là xác định dạng quỹ đạo và vận tốc của nó qua một phương pháp gọi là Play-Back hay lập trình nhại lại (lập trình qua cách lặp lại quá trình gia công đã được thực hiện bằng tay trước đó). Phương pháp này được sử dụng rất nhiều trong robot phun sơn. Người thao tác (người vận hành máy) dẫn robot chạy bằng tay và hệ điều khiển lưu trữ tất cả dữ liệu, thí dụ như tọa độ các vị trí và vận tốc di chuyển.
1.Điều khiển điểm
ở tính năng điều khiển điểm (Hình 1), chuyển động – phần lớn là chuyển động nhanh – được thực hiện từ điểm bắt đầu đến điểm đích. Quãng đường giữa điểm đầu và điểm cuối không thể thấy trước một cách chính xác.
Người ta phân biệt hai loại tính năng điều khiển điểm. Trong tính năng điều khiển điểm không đồng bộ, các trục cần di chuyển được chuyển động đồng thời với vận tốc tối đa. Nếu quãng đường di chuyển của từng cốt trục riêng lẻ không dài bằng nhau, thời gian di chuyển của từng cốt trục cũng khác nhau (ở cùng vận tốc tối đa cho tất cả các cốt trục) và như thế phần lớn các trục không đạt điểm đích cùng một lúc.

ở tính năng điều khiển điểm đồng bộ, các trục đạt đến điểm cuối đồng thời dù các đoạn đường di chuyển dài ngắn khác nhau. Điều này được thực hiện qua việc thích ứng (làm cho phù hợp) các vận tốc chuyển động riêng của từng trục. Trục có thời gian di chuyển dài nhất sẽ được xem là trục làm chuẩn. Các trục khác sẽ giảm vận tốc sao cho tất cả các trục cùng chuyển động với thời gian như nhau. Các loại robot đơn giản, máy khoan NC, máy đột dập hay hàn điểm được trang bị với hệ điều khiển điểm thuần túy.
2 Điều khiển theo quỹ đạo (điều khiển biên dạng, điều khiển theo contua)
ở điều khiển theo quỹ đạo, các chuyển động phối hợp được thực hiện trong cùng một thời gian ở hai hay nhiều trục.
Nếu các quỹ đạo cần điều khiển chỉ nằm trong một mặt phẳng, người ta nói về hệ điều khiển 2D (2 chiều), ở đây hai trục có thể chuyển động đồng thời phối hợp với nhau. Có loại điều khiển tuy chỉ có thể tính nội suy trong một mặt phẳng nhưng lại có thể thực hiện nội suy trong nhiều tầng (mặt phẳng) khác nhau. Loại điều khiển này được gọi là điều khiển 21/2D. ở đây chỉ có hai trong ba mặt phẳng được điều khiển phối hợp đồng thời. Việc lựa chọn mặt phẳng để gia công (Hình 2 và 3) do người vận hành máy quyết định.
Với một hệ điều khiển 3D (3 chiều) người ta có thể thực hiện chuyển động trong không gian, ờ đây ba trục có thể chuyển động phối hợp với nhau đồng thời (Hình 2).

Nếu phải điều chỉnh bổ sung các trục quay vào ba trục chuyển động thẳng để định hướng dụng cụ, người ta sẽ nói về điều khiển 4D cũng như 5D tùy theo số trục điều khiển (Hình 1). Qua đây việc gia công các kích thước hình học phức tạp của chi tiết thí dụ như các khuôn đúc áp lực (khuôn đúc phun, xịt, tiêm), khuôn rèn và cánh tua bin cong có thể thực hiện được.


Tất cả máỵ điều khiển kỹ thuật số với hệ điều khiển theo quỹ đạo (theo biên dạng) có điểm chung là cần một bộ nội suy để tính toán quỹ đạo đã định trước này cho chuyển động giữa hai điểm trong không gian. Bộ nội suy này tìm ra tất cả những điểm trung gian nằm trên quãng đường đi đã được định nghĩa bằng toán học và dẫn hướng các trục riêng rẽ cần di chuyển tương ứng với đường cong của quỹ đạo trong không gian.
ở phương pháp nội suy tuyến tính (nội suy đường thẳng), quỹ đạo là một đường thẳng giữa điểm khởi đầu và điểm cuối. Bộ nội suy không cần các thông tin khác để tính các điểm trung gian; thí dụ như trong công đoạn tiện hoặc phay: G01, ở robot: LINEAR.

Trong phép nội suy đường tròn, chuyển động nằm trên một vòng tròn hay một phần vòng tròn. Bên cạnh điểm đầu và điểm cuối còn cần thiết phải thêm vào chiều quay (theo chiều kim đồng hồ hay ngược lại) và một điểm phụ trên vòng tròn hay tâm điểm mà chuyển động sẽ chạy quanh, thí dụ như trong tiện/phay: G02/ G03; trong robot: CIRCULAR. Sự tính toán trở nên phức tạp nếu trong việc tính quỹ đạo phải bao gồm phần định hướng của dụng cụ phay (trong điều khiển 4D và 5D). Hình 2 mô tả các loại điều khiển khác nhau với những thí dụ trên mặt phẳng.

 


Đường biểu diễn 1: Điều khiển biên dạng, nội suy tuyến tính:
Chuyển động trên một đường thẳng;
Vì sx > Sy và cả hai trục cần phải đến điểm đích cùng một lúc, nên vx và Vy không bằng nhau (vx > Vy). Nếu bỏ qua không xét đến giai đoạn tăng tốc, ta có vx = không đổi và Vy = không đổi.
Đường biểu diễn 2: Điều khiển biên dạng, nội suy đường tròn:
Chuyển động trên một cung tròn chung quanh tâm điểm M2;
Vì hai trục cần đến điểm cuối cùng một lúc nên ở đây vx và Vy cũng không bằng nhau, thêm vào đó vx và Vy thay đoi (không cố định). Như ta thấy ở Vy, thậm chí vectơ vận tốc còn đổi chiều.
Đường biểu diễn 3: Điều khiển điểm (đồng bộ):
Chuyển động 2 trục quay;
Hai trục quay phải đi qua những đoạn đường khác biệt. Chúng chạy với vận tốc khác nhau nhưng không đồi (không kể đến giai đoạn tăng tốc cũng như hãm lại) và đến đích đồng thời.
Đường biểu diễn 4: Điều khiển điểm (không đồng bộ): Chuyển động hai trục di chuyển theo đường thẳng (tuyến tính);
Lúc đầu cà hai trục dịch chuyển đồng thời với cùng vận tốc (Độ dốc của đường thẳng là 45°), rồi chì còn một chuyển động của trục X đến khi đạt điểm đích; như thế hai trục đến điểm cuối không cùng một thời điểm.