CHƯƠNG 3

CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
3.1. Khái niệm về các hệ thống điều khiển tự động
- Các hệ thống điều khiển tự động có khả năng đảm bảo cho máy
làm việc theo một chương trình định trước.
- Máy tự động có khả năng thực hiện một chu kỳ làm việc lặp đi
lặp lại một cách chính xác.
* Khái niệm: Hệ thống điều khiển là toàn bộ những thiết bị đảm
bảo cho một nhóm đối tượng thực hiện nhiệm vụ để đạt mục đích. Hệ
thống điều khiển tự động là hệ thống mà tất cả các chức năng điều khiển
của nó được thực hiện khơng có sự tham gia trực tiếp của người.


* Phân biệt: hệ thống điều khiển các cơ cấu riêng biệt và hệ thống điều
khiển toàn bộ chu kỳ làm việc của máy; hệ thống điều khiển theo dấu hiệu
thông tin (nguồn thông tin và phần tử mang thông tin, số lượng và cấu
trúc của dịng thơng tin, loại và phương pháp xử lý thông tin).
- Nguồn thông tin/ thông tin đầu vào/ thông tin cho trước: là chương trình
cho biết cơng việc của hệ thống điều khiển một cách rõ nét nhất. Nguồn
thông tin chủ yếu là chương trình điều khiển.
- Phần tử để thực hiện chương trình gọi là phần tử mang chương trình.


* Phân loại: Dựa vào dạng thông tin người ta phân biệt hệ thống
điều khiển theo ba loại sau đây :
Hệ thống điều khiển liên tục.
Hệ thống điều khiển xung.
Hệ thống điều khiển tổ hợp.
Trong hệ thống điều khiển liên tục, thông tin được thể hiện dưới
dạng các giá trị liên tục.

Trong hệ thống điều khiển xung, thông tin được biểu thị bằng các
xung nối tiếp nhau.Có ba dạng thơng tin xung: thông tin xung theo biên
độ, thông tin xung theo bề rộng và thông tin xung theo tần xuất.
Hệ thống điều khiển tổ hợp là sự phối hợp của hai hệ thống điều
khiển trên. ở đây quá trình điều khiển các chu kỳ đơn giản được thực hiện
trong hệ thống phân tán, cịn q trình điều khiển các chu kỳ khác được
thực hiện từ hệ thống điều khiển tập trung.


* Chức năng của các hệ thống điều khiển tự động:
1. Thực hiện các chuyển dộng hành trình và các chuyển động chạy không
của các cơ cấu chấp hành theo một tuần tự đã định trước với tốc độ trong
phạm vi cho phép
2. Đảm bảo hoạt động của các máy theo nhịp và tuần tự xác định
3. Đảm bảo dừng máy khi có sự cố xảy ra
4. Điều chỉnh quá trình cơng nghệ để đảm bảo chất lượng gia cơng.
5. Kiểm tra sai số kích thước và sai số hình dáng của chi tiết.
6. Điều khiển dây chuyền tự động khi cần điều chỉnh để chuyển đối tượng
gia cơng
7. Tính số lượng sản phẩm được sản xuất ra.
8. Báo tín hiệu về quy trình cơng nghệ, tình trạng máy để cán bộ, cơng
nhân có biện pháp xử lý.


3.2 Phân loại các hệ thống điều khiển tự động
Các hệ thống điều khiển tự động được chia ra hai nhóm sau đây:
- Hệ thống điều khiển chương trình khơng theo số.
- Hệ thống điều khiển chương trình theo số.



3.2.1 Hệ thống điều khiển chương trình khơng theo số.
Các hệ thống điều khiển chương trình khơng theo số bao gồm: hệ
thống điều khiển hành trình hệ thống điều khiển bằng cam và hệ thống điều
khiển bằng dưỡng chép hình.
3.2.1.1 Hệ thống điều khiển hành trình
* Khái niệm:
Hệ thống điều khiển hành trình được dùng để tự động hố chuỷển
động thẳng của dụng cụ cắt hoặc của cơ cấu khác của máy với tốc độ cố
định. Chiều dài quãng đường được xác định bằng cách gá cữ chặn trên các tang
trống, trên các thước hoặc trực tiếp trên máy. Các cữ chặn có thể thực hiện
chức năng của cơ cấu giới hạn chuyển động được gọi là cữ chặn cứng.
* Ví dụ:


* Các cữ chặn tác động đến các bộ chuyển đổi hành trình. Các bộ chuyển đổi
hành trình truyền các lệnh tới cơ cấu chấp hành của máy bằng các tín hiệu
điện tín hiệu thuỷ lực hoặc tín hiệu hơi ép.
* Đặc điểm của cữ chặn:
- Nhược điểm: bị mòn nhanh và bị phá huỷ, độ chính xác điều khiển
khơng đảm bảo do khi làm việc chịu tác dụng của lực va đập với quán tính của
cơ cấu chấp hành.
- Ưu điểm: kết cấu đơn giản và giá thành không cao.
* ứng dụng:
- Trên các dây chuyền tự động hệ thống điều khiển hành trình được
dùng để điều khiển hành trình của các máy tổ hợp đứng cạnh nhau, để truyền
từ máy này sang máy khác. để điều khiển các chu kỳ làm việc của các đầu dao
của các bàn máy. ngoài chức năng giới hạn dịch chuyển (dùng cữ chặn cứng)
các cữ chặn cong có chức năng điều khiển các dịch chuyển (dùng bộ chuyển
đổi hành trình).
- Hệ thống điều khiển hành trình bằng cữ chặn được sử dụng để tự

động hoá các máy tiện, máy phay, máy rơvonve và các máy khác trong sản xuất
hàng loạt lớn.


3.2.1.2 Hệ thống điều khiển bằng cam.
* Hệ thống điều khiển bằng cam cung cấp thông tin trên Prophin của
cam. Cơ sở của hệ thống này là các cơ cấu cam kết hợp với các cơ cấu tay
đòn


* Đặc điểm:
- Điều khiển chuyển động của cơ cấu chấp hành được thực hiện bằng
thanh đẩy theo quy luật trên Prophin của cam.
- Trong hệ thống điểu khiển bằng cam, hệ số có ích của cơ cấu cam
giảm và độ mòn tăng.
* Chức năng hệ thống điều khiển cam: thực hiện đồng thời sau:
- Cơ cấu sinh lực
- Cơ cấu điều khiển.
* Phân loại:
Hệ thống cam được chia ra các loại: cam hình trụ, cam phẳng chuyển động tịnh
tiến, cam đĩa hình, cam mặt đầu, cam có thể là cam hở
* Thiết kế cơ cấu cam
* ứng dụng:
Trong các máy cơng cụ người ta có thể dùng nhiều cam khác nhau lắp trên cùng
một trục để điều khiển các cơ cấu khác nhau của máy, trục đó gọi là trục phân
phối.


* Ví dụ: hình 3.6


- Ưu điểm: Hệ thống điều khiẻn bằng trục phân phối có kết cấu đơn giản, độ
cứng vững cao và đảm bảo được độ chính xác gia công.
- Nhược điểm của các hệ thộng điều khiển này là quá trình thay thế các cam
rất phức tạp tính vạn năng của chúng thấp, bởi vì ngồi các cam cịn cần phải
có thêm các cơ cấu tay địn (làm cho kết cáu thêm phức tạp).
Các hệ thống điều khiển bằng trục phân phối được sử dụng rộng rãi
trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khói. Tuy nhiên chúng cũng được sử dụng
trong sản xuất hàng loạt khi ứng dụng phương pháp gia cơng nhóm.


3.2.1.3 Hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình.
* Hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình được dùng để tự động điều
khiển tốc độ và dịch chuyển của cơ cấu chấp hành của máy.
Thông tin cho trước nhờ dưỡng chép hình cung cấp.
Các hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình được sử dụng rộng rãi trong
các máy cơng cụ để gia công các trục bậc và các bề mặt định hình trong sản
xuất hàng loạt vừa.
* Nhược điểm của hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình:
- Phải chế tạo chính xác dưỡng chép hình.
- Rất khó thực hiện tự động hố q trình gá đặt dương chép hình.
- Quy luật chuyển động theo prophin của dưỡng chép hình có độ
chính xác khơng cao.


* Phân loại: hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình được chia ra làm hai
loại: hệ thống tác động trực tiếp và hệ thống tác động gián tiếp.
j. Hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình tác động trực tiếp.
* Ví dụ: hình 3.8

* Trong hệ thống điều khiên này dưỡng chép hình tác động trực tiếp tới đầu

dị, đầu dò được gắn cứng với cơ cấu chấp hành của máy, không qua các cơ
cấu trung gian.
* ưu điểm: kết cấu đơn giản.
* Nhược điểm:
- Dưỡng chép hình bị mịn nhanh, độ chính xác chép hình giảm.
- Khơng có khả năng điều khiển từ xa.


jj. Hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình tác động khong trực tiếp.
* Trong hệ thống điều khiển này dưỡng chép hình khơng tác động trực tiếp đến
cơ cấu chấp hành mà nó tác động đến đattric cảm biến (thiết bị). tín hiệu từ
đattric cảm biến (tỷ lệ thuận với sự biến đổi prophin của dưỡng chép hình) là
đại lượng cần điểu khiển của cơ cấu chấp hành của máy.
* Dựa theo nguyên lý thực hiện chuyển động tương đối của dưỡng chép hình
so với bị chép hình, hệ thống điều khiển này được chia ra:
- Hệ thống điều khiển dịch chuyển bằng tay.
- Hệ thống điều khiển dịch chuyển tự động.
* Ví dụ: hình 3.9


* Hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình tác động gián tiếp được chia ra
hai loại.
a) Dưỡng chép hình và thiết bị chép hình tiếp xúc với nhau.
b) Dưỡng chép hình và thiêt bị chép hình khơng tiếp xúc với nhau (đầu dị dịch
chuển theo dưỡng chép hình nhưng có sự thay đổi khe hở để thay đỏi lượng
bơi ép. Thay đổi dòng điện hoặc thay đổi khe sáng).


3.2.2 Hệ thống điều khiển số.
* Điều khiển số là hệ thống điều khiển mà mỗi hành trình được điều khiển

theo số. Mỗi một thông tin đơn vị ứng với một dịch chuyển gián đoạn của
cơ cấu chấp hành. Đại lượng này có tên gọi là “khả năng giải quyết.. của
hệ thống hay còn gọi là giá trị xung.
* Cơ cấu chấp hành có thể dịch chuyển với một đại lượng bất kỳ nào ứng
với giá trị các xung. Như vậy khi biết giá trị xung q và đại lượng dịch
chuyển L của cơ cấu chấp hành có thể xác định được số lượng xung N cần
thiết tác động để có lượng dịch chuyển L:
L= q.N
Số lượng xung N được ghi trên kênh thơng tin được gọi là một
chương trình xác định đại lượng thơng tin kích thước. Các thơng tin cần
thiết được ghi trên cá băng đục lỗ, băng từ, đĩa mềm hoặc bộ nhớ của máy
vi tính. Số lượng thông tin được ghi trong một hệ thống mã hoá nhất định.


Sử dụng hệ thống điều khiển số đạt được các mục đích sau:
1. Tự động hố các thiết bị sản xuất với khả năg linh hoạt cao. Có nghĩa là
khả năng điều chỉnh nhanh các máy hoặc dây chuyền để thay đổi đối
tượng gia cơng.
2. Hiệu chỉnh chương trình gia cơng rất đơn giản và nhanh chóng khi đối
tượng gia cơng có thay đổi về kết cáu.
3. Tổ chức lập trình trung ( có thể lập trình ở ngồi nhà máy) và có thể
chuyển chương trình gia cơng từ trung tâm tới các nhà máy bằng điện
thoại. fax hoặc bằng thư tín qua bưu điện.
4. Các chương trình có thể được lưu trữ để sử dụng lại.
5. Có thể lập trình tự động (với sự giúp đỡ của máy tính) để nâng cao
năng xuất và độ chính xác gia cơng.
Hệ thống điều khiển số được chia ra các loại: Hệ thống điều khiển
NC, hệ thống điều khiển CNC, hệ thống điều khiên DNC và hệ thống
thích ghi.



3.2.2.1 Hệ thống điều khiển NC
* Đặc điểm:
- Hệ thống điều khiển NC vẫn cịn thơng dụng.
- Hệ điều khiển đơn giản với số lượng hạn chế các kênh thông tin.
- Các thơng số hình học của chi tiết gia công và các lệnh điều khiển được
chuyển dưới dạng dãy các con số.
* Nguyên tắc làm việc:
Các lệnh được đọc tuần tự, chờ trong bộ nhớ đến sau khi lệnh ngay trước
thực hiện xong thì mới bắt đầu.
 Nhược điểm:
- Khi gia công chi tiết tiếp theo trong loạt. hệ điều khiển là phải đọc lại tất cả
các lệnh từ đầu và như vậy sẽ không tránh khỏi những sai sót của bộ tính
tốn trong hệ điều khiển. Do đó chi tiết gia cơng có thể bị phế phẩm.
- Hệ điều khiển NC do cần rất nhiều lệnh chứa trong băng đục lỗ hoặc băng
từ nên khả năng mà chương trình bị dừng lại (khơng chạy) thường xun xảy
ra. Ngồi với chế độ làm việc như vậy băng đục lỗ hoặc bằng tư sẽ nhanh
chóng bị bẩn và mịn, gây lỗi chương trình.


3.2.2.2 Hệ thống điều khiển CNC
* Đặc điểm:
- Có sự tham gia của máy vi tính.
- Có chương trình điều khiển cho từng loại máy.
- Hệ thống điều khiển CNC cho phép thay đổi và hiệu chỉnh các chương trình
gia cơng chi tiết và cả chương trình hoạt động của bản thân nó.
- Chương trình có thể được nạp vào bộ nhớ một lúc hoặc từng lệnh bằng tay
từ bàn điều khiển.
- Các lệnh điều khiển khơng có thể được viết cho nhiều chuyển động cùng lúc
 giảm số câu lệnh của chương trình và có thể nâng cao độ tin cậy làm việc

của máy.
- Hệ thống điều khiển CNC có kích thước nhỏ hơn và giá thành thấp hơn so
với hệ thống điều khiển NC, Ví dụ: nhiều hệ thống điều khiển loại này có khả
năng hiệu chỉnh những sai số cố định của máy - những nguyên nhân gây ra sai
số gia công.
- Hệ thống điều khiển số (NC và CNC) được dùng để điều khiển dịch chuyển
liên tục để gia cơng các bề măt định hình hoặc theo toạ độ để gia công các lỗ
của cơ cấu chấp hành máy.
* Ví dụ, hình 3.10



3.2.2.3 Hệ thống điều khiển DNC (Direct Numerical Control)
* Vi du:


* Đặc điểm:
1. Nhiều máy công cụ CNC được kết nối với một máy tính trung tâm qua
đường dẫn dữ liệu mỗi một máy cơng cụ có hệ điều khiển CNC mà bộ máy
tính tốn của nó có nhiệm vụ chọn lọc và phân phối các thông tin (theo mũi
tên 1) hay nói cách khác thì bộ tính tốn là cầu nối giữa các máy cơng cụ và
máy tính trung tâm.
2. Máy tính trung tâm có thể nhận những thơng tin từ các bộ điều khiển CNC
theo mũi tên 2 để hiệu chỉnh chương trình hoặc để đọc những dữ liệu từ máy
công cụ.
3. Trong một số trường hợp máy tính đóng vai trị chỉ đạo trong việc lựa chọn
những chi tiết gia công theo thứ tự ưu tiên để phân chia đi các máy khác nhau.
4. Hệ thống DNC có ngân hàng dữ liệu trung tâm cho biết các thơng tin của
chương trình gia cơng chi tiết trên tất cả các máy cơng cụ.
5. Có khả năng truyền dữ liệu nhanh và có khả năng nối ghép vào hệ thống gia

công linh hoạt FMS


3.2.3 Hệ thống điều khiển thích nghi.
Các máy CNC thơng thường có chu kỳ gia cơng cố định (chu kỳ cứng)
đã được xác định ở phần tử mang chương trình và như vậy cứ mỗi lần gia
công chi tiết khác, chu kỳ lại được lặp lại như cũ, khơng có sự thay đổi nào.
Chương trình điều khiển như vậy khơng được hiệu chỉnh khi có các yếu tố
cơng nghệ thay đổi.
 Sử dụng hệ thống điều khiển thích nghi là một trong những
phương pháp hồn thiện máy cơng cụ.
* Hệ thống điều khiển thích ghi là hệ thống có tính đến những tác động bên
ngồi của hệ thống cơng nghệ để điều chỉnh chu kỳ gia cơng (điều chỉnh q
trình gia công). nhằm loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố đó tới độ chính xác gia
cơng.
* Vi du:


 Như vậy:
- Hệ thống điều khiển thích nghi có thể ổn định được công suất cắt,
mômen cắt hay nhiệt độ cắt.
- Tuy nhiên, hệ thống điều khiển thích ghi thường được dùng để ổn định
kích thước gia cơng.
- Cơ cấu kiểm tra chủ động luôn luôn xác định được kích thước gia
cơng và tác động đến cơ cấu điều khiển để ổn định kích thước của chi tiết.


3.2.1.3 Hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình.
* Hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình được dùng để tự động điều
khiển tốc độ và dịch chuyển của cơ cấu chấp hành của máy.

Thông tin cho trước nhờ dưỡng chép hình cung cấp.
Các hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình được sử dụng rộng rãi trong
các máy cơng cụ để gia công các trục bậc và các bề mặt định hình trong sản
xuất hàng loạt vừa.
* Nhược điểm của hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình:
- Phải chế tạo chính xác dưỡng chép hình.
- Rất khó thực hiện tự động hố q trình gá đặt dương chép hình.
- Quy luật chuyển động theo prophin của dưỡng chép hình có độ
chính xác khơng cao.