Tài liệu Luận văn Nghiên cứu nâng cao độ chính xác gia công chi tiết hình dáng hình học phức tạp trên trung tâm gia công ba trục CNC bằng phương pháp bù sai số: THÁI NGUYÊN 2008
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG CHI TIẾT
HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM GIA
CÔNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ
TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG
THÁI NGUYÊN 2008
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG CHI TIẾT
HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM GIA
CÔNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ
Học viên: Trƣơng Thị Thu Hƣơng
Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè
THÁI NGUYÊN 2008
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
*** о0о
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU NÂNG C...
94 trang |
Chia sẻ: hunglv | Lượt xem: 1092 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang mẫu tài liệu Luận văn Nghiên cứu nâng cao độ chính xác gia công chi tiết hình dáng hình học phức tạp trên trung tâm gia công ba trục CNC bằng phương pháp bù sai số, để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
THÁI NGUYÊN 2008
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG CHI TIẾT
HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM GIA
CÔNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ
TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG
THÁI NGUYÊN 2008
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG CHI TIẾT
HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM GIA
CÔNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ
Học viên: Trƣơng Thị Thu Hƣơng
Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè
THÁI NGUYÊN 2008
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
*** о0о
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG CHI TIẾT
HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM GIA
CÔNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ
Học viên: Trƣơng Thị Thu Hƣơng
Lớp: CHK8
Chuyên ngành: Chế tạo máy
Người HD Khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè
Ngày giao đề tài: 01/11/2007
Ngày hoàn thành: 30/4/2008
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 11
Chương I
TỔNG QUAN VỀ BÙ SAI SỐ CHO MÁY CÔNG
CỤ CNC
14
1.1 Các phương pháp bù sai số cho các máy CNC 14
1.1.1 Mô hình bù 14
1.1.1.1 Thêm modul phần mềm 15
1.1.1.2 Biến đổi các thông số điều khiển 16
1.1.1.3 Biến đổi Post Processor (PP) 16
1.1.1.4 Biến đổi chương trình NC 17
1.1.2 Bù sai số với các bộ điều khiển 17
1.1.2.1 Thêm modul phần mềm mới 18
1.1.2.2 Cài đặt bộ điều khiển phần cứng độc lập 18
1.2
Giới thiệu một vài nghiên cứu bù sai số ở trong nước và trên
thế giới
19
1.2.1
1.2.2
Các công trình ở trong nước
Công trình của các tác giả nước ngoài
19
20
1.2.2.1 Bù sai số hình học do lực cắt cho máy phay 3 trục CNC 20
1.2.2.2 Bù sai số hình học cho trung tâm gia công đứng 23
1.2.2.3 Bù sai số cho trung tâm gia công nhiều trục 23
1.3 Kết luận chương I 25
Chương II
PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SAI SỐ VÀ CÁC
NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ
26
2.1 Độ chính xác gia công 26
2.2 Các nguồn sai số của máy công cụ 28
2.2.1 Sai số hình học 29
2.2.2 Sai số do vít me 32
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
2.2.3 Sai số do sống trượt 32
2.2.4 Sai số do ổ đỡ 33
2.2.5 Sai số do nhiệt 33
2.2.6 Sai số do rung động tự do 35
2.2.7 Sai số do tải tĩnh và động 35
2.2.8 Sai số do hệ thống điều khiển truyền động servo 36
2.3 Kết luận chương II 37
Chương III
HỆ THỐNG BÙ SAI SỐ GIA CÔNG
39
3.1 Hệ thống thiết bị thí nghiệm 39
3.1.1 Trung tâm gia công VMC - 85S 40
3.1.2. Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 40
3.1.2.1 Cấu hình cơ bản của máy 40
3.1.2.2 Tính năng kỹ thuật cơ bản 43
3.1.3 Phần mềm thiết kế CAD/CAM 44
3.1.3.1 Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD 45
3.1.3.2 Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM 47
3.2. Thực nghiệm gia công trên máy VMC-85S 50
3.2.1 Thiết kế CAD/CAM 50
3.2.1.1 Biên dạng và kích thước gia công 50
3.2.1.2 Lập trình nguyên công 51
3.2.2 Truyền chương trình sang máy CNC 55
3.2.3 Điều chỉnh máy 57
3.2.3.1 Thiết lập gốc toạ độ phôi 57
3.2.3.2 Thiết lập các tham số bù dao 57
3.2.3.3 Gia công cắt gọt 58
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
3.3 Đo sai số gia công trên máy CMM - C544 59
3.3.1 Gá đặt chi tiết 59
3.3.2 Khởi động và kiểm tra hệ thống 59
3.3.3 Hiệu chuẩn đầu đo 60
3.3.4 Lập hệ toạ độ của chương trình đo 61
3.3.5 Scan biên dạng thực 62
3.4 Cơ sở dữ liệu scan bề mặt 63
3.4.1 Mô hình mặt lưới quét hình 63
3.4.2 Mô hình mặt lưới đa thức tham số 66
3.4.2.1 Mô hình mặt lưới đa thức chuẩn tắc 66
3.4.2.2 Mô hình mặt lưới Ferguson 67
3.4.2.3 Mô hình mặt lưới Bezier 69
3.4.2.4 Mô hình mặt lưới B-spline đều 70
3.5 Xử lý dữ liệu đo 70
3.5.1 Xây dựng lưới tam giác Gergory từ các đám mây điểm 71
3.5.2 Xây dựng lưới điểm theo mặt B-spline 73
3.5.3 Đơn giản hoá lưới tam giác 75
3.6 Xây dựng đường tròn theo biên dạng đo 75
3.6.1 Toạ độ tâm và bán kính đường tròn qua ba điểm đo 75
3.4.5 Toạ độ tâm và bán kính đường tròn qua toạ độ của n điểm đo 77
3.7 Bù sai số gia công 79
3.7.1 Phân tích sai số gia công 79
3.7.2 Bù sai số gia công 82
3.7.3 Bù chương trình NC bằng phần mềm CAD/CAM 82
3.8 Sản phẩm ứng dụng 85
Chương 4 KẾT LUẬN 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
CÁC TỪ VIẾT TẮT
CMM Coordinate Measuring Machine Máy đo toạ độ 3 chiều
Co-or. Sys Coordinate System Hệ toạ độ
VMC Vertical Machining Center Trung tâm gia công đứng
CAD Computer Aided Design
Thiết kế với trợ giúp của máy
tính
CAM Computer Aided Manufacturing
Sản xuất có trợ giúp của máy
tính
CNC Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính
3D 3 Dimension 3 chiều
PP Post Processor Hậu xử lý
CL Cutting Location Đường dụng cụ
SW Software Phần mềm
I/O Input/Output Vào/ Ra
PC Personal Computer Máy tính cá nhân
PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển PLC
FEM Finite Element Methods
Phương pháp phần tử hữu
hạn
CAP Computer Aided Planning
CAPP
Computer Aided Process
Planning
công nghệ
CAQ Computers Aided Quality Control
DNC Direct Numerical Control Điều khiển số trực tiếp
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hệ thống bù sai số của máy công cụ 15
Hình 1.2 Các thành phần của Post Processor 16
Hình 1.3 Các thành phần của bộ biến đổi mã NC 17
Hình 1.4 Cấu trúc 3-80-30 của mô hình sai số 20
Hình 1.5 Cấu trúc 4-20-3 của mô hình sai số do lực cắt 21
Hình 1.6 Cấu trúc 7-110-3 của mô hình sai số tổng hợp 21
Hình 1.7 Hệ thống bù sai số cho trung tâm gia công đứng 22
Hình 1.8 Bù sai số bằng phần mềm cho máy công cụ nhiều trục CNC 24
Hình 1.9 Bù sai số bằng chương trình NC 24
Hình 2.1 Độ chính xác gia công 27
Hình 2.2 Sai số tổng hợp của máy công cụ 29
Hình 2.3 Các thành phần sai số tổng hợp 30
Hình 2.4 Khoảng cách trục vítme - bàn máy 31
Hình 2.5 Hệ thống phản hồi của máy công cụ 36
Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ thực nghiệm 39
Hình 3.2 Cấu tạo máy CMM 41
Hình 3.3 Các loại đầu đo cho máy CMM 42
Hình 3.4 Biên dạng gia công thực 50
Hình 3.5 Khai báo phôi, vật liệu, hệ điều khiển 51
Hình 3.6 Thiết lập các thông số công nghệ 52
Hình 3.7 Mô phỏng chương trình gia công 53
Hình 3.8 Giao diện DNC 56
Hình 3.9 Các tham số DNC 56
Hình 3.10 Truyền và nhận chương trình 57
Hình 3.11 Phần mềm Geopak 59
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
Hình 3.12 Hiệu chuẩn đầu đo 60
Hình 3.13 Đo sai số thực nghiệm 61
Hình 3.14 Thiết lập các thông số đo 62
Hình 3.15 Dữ liệu đám mây điểm 63
Hình 3.16 Mặt quét hình song song 64
Hình 3.17 Mặt quét hình tròn xoay 65
Hình 3.18 Mặt cong quét hình phi tham số 65
Hình 3.19 Mặt lưới đa thức chuẩn bậc ba 67
Hình 3.20 Mặt lưới Ferguson 68
Hình 3.21 Mặt lưới Berier bậc 3 kép 69
Hình 3.22 Mặt lưới B-Spline đều bậc 3 kép 70
Hình 3.23 Dữ liệu biên của mặt cong tam giác 71
Hình 3.24 Mặt cong Gregory 72
Hình 3.25 Đường cong B-spline đều bậc 3 73
Hình 3.26 Ảnh hưởng của bước cắt ap 79
Hình 3.27 Ảnh hưởng của vận tốc cắt 80
Hình 3.28 Chiến lược bù sai số 82
Hình 3.29 Biên dạng gia công kiểm nghiệm 84
Hình 3.30 Sản phẩm gia công 85
Hình 3.31 Thiết lập các tham số bù 86
Hình 3.32 Mô phỏng quá trình gia công 86
Hình 3.33 Gia công sản phẩm trên máy VMC 85S 87
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Chế độ gia công 58
Bảng 3.2. Kết quả gia công 77
Bảng 3.3. Tính toán bù sai số 80
Bảng 3.4. Sai số sau bù 85
Bảng 3.5. Kết quả đo sai số gia công 87
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong Luận
văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo
PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè. Ngoài phần tài liệu tham khảo đã
được liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và
chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008
Người thực hiện
Trương Thị Thu Hương
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cả
các lĩnh vực thì các sgản phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất lượng
sản phẩm, mức độ tự động hoá quy trình sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng
hình học của sản phẩm.
Để nâng cao được độ chính xác của các máy CNC nói chung, máy phay CNC
nói riêng, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè, tác giả đã thực hiện đề
tài:“Nghiên cứu nâng cao độ chính xác gia công chi tiết hình dáng hình học phức tạp trên
trung tâm gia công 3 trục CNC bằng phương pháp bù sai số”.
Trong thời gian thực hiện được đề tài, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn
của nhà trường, các Khoa, các Phòng, Ban chức năng, các thầy cô giáo và các đồng
nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, khoa Sau đại học, các giáo viên
giảng dạy đã tạo điều kiện cho người viết hoàn thành luận văn này;
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè,
Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện
Luận văn này;
Tác giả chân thành cảm ơn Trung tâm thí nghiệm và các giáo viên thuộc Trung
tâm đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sử dụng thiết bị để thực hiện
Luận văn;
Tác giả cũng rất lấy làm cảm kích trước những ý kiến đóng góp của các thầy cô
giáo thuộc khoa Cơ khí và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác
giả tháo gỡ những vướng mắc trong thời gian thực hiện Luận văn.
Mặc dù đã cố gắng, song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc
chắn Luận văn này không tránh khỏi thiếu sót. Tác giả rất mong sẽ nhận được những ý
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện
hơn và có ý nghĩa trong thực tiễn.
Xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008
Người thực hiện
Trương Thị Thu Hương
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cả
các lĩnh vực thì các sản phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất lượng
sản phẩm, mức độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng hình học
của sản phẩm. Vì vậy, các công nghệ gia công truyền thống trên các máy vạn năng khó
đáp ứng tốt được nhu cầu ngày càng cao này và do đó sự cạnh tranh của sản phẩm trên
thị trường bị hạn chế. Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển và nghiên cứu các công nghệ
mới nhằm nâng cao độ chính xác hình dáng hình học nói riêng, nâng cao chất lượng
sản phẩm chế tạo nói chung.
Xuất phát từ thực tế trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã đầu tư trung tâm
gia công VMC- 85S, máy đo toạ độ 3 chiều CMM. Để nâng cao hơn nữa hiệu quả sử
dụng của các hệ thống thiết bị kỹ thuật này vào chương trình đào tạo đại học, sau đại
học, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ và khai thác ứng dụng vào quá trình
sản xuất, gia công các sản phẩm có độ phức tạp và độ chính xác gia công cao thì việc
thực hiện đề tài: “Nghiên cứu nâng cao độ chính xác gia công chi tiết hình dáng
hình học phức tạp trên trung tâm gia công 3 trục CNC bằng phương pháp bù sai số”
là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc gia công các chi tiết hình dáng hình học phức tạp với độ chính xác cao
thường được áp dụng nhiều trên các trung tâm gia công. Tuy nhiên quá trình gia công
luôn luôn không hoàn hảo và gây sai số gia công. Do đó, nâng cao độ chính xác gia
công trên các trung tâm gia công là một trong những nhiệm vụ quan trọng của ngành
chế tạo máy. Mặt khác, trong thực tế sản xuất hiện nay thì vấn đề bù sai số gia công
trên các các trung tâm gia công bằng phương pháp tác động vào quá trình điều khiển
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
vẫn là vấn đề mới và phức tạp. Do đó, hướng nghiên cứu xây dựng chương trình bù sai
số gia công trên trung tâm gia công nhằm nâng cao độ chính xác gia công các chi tiết
hình dáng hình học phức tạp là một công việc cần thiết và có ý nghĩa khoa học cao.
Ngoài ý nghĩa khoa học trên, đề tài còn mang tính ứng dụng, phục vụ trực tiếp
cho đào tạo, chuyển giao công nghệ của nhà trường và đặc biệt là ứng dụng vào thực tế
sản xuất gia công các chi tiết hình dáng hình học phức tạp với độ chính xác gia công
cao hơn.
3. Mục đích nghiên cứu
- Khai thác tính năng công nghệ của máy CMM – C544 và trung tâm gia công
VMC – 85S;
- Ứng dụng công nghệ Scanning để tạo mô hình CAD của sản phẩm và kiểm tra
độ chính xác gia công;
- Nâng cao độ chính xác hình học của sản phẩm;
- Phục vụ cho đào tạo, nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ trong nhà
trường;
- Ứng dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp hiện nay.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhưng chủ yếu là thực nghiệm.
* Đối tượng nghiên cứu:
Sản phẩm có hình dáng hình học phức tạp.
* Thiết bị thực nghiệm:
+ Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 - Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp;
+ Trung tâm gia công VMC - 85S - Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp;
+ Các phần mềm đo, xử lý dữ liệu, thiết kế CAD/CAM và truyền tải dữ liệu
DNC.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
* Sơ đồ nghiên cứu
Hình 1 Phương pháp bù sai số
5. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu về các phương pháp bù sai số trong gia công phay CNC;
- Nghiên cứu tính năng công nghệ của máy đo 3D CMM - C544, Trung tâm gia
công VMC - 85S;
- Nghiên cứu xử lý dữ liệu đo Scanning trên máy CMM để thiết kế lại mô hình
CAD của sản phẩm - ứng dụng CAD/CAM để gia công trên trung tâm gia công VMC -
85S; nghiên cứu tính năng truyền dữ liệu DNC;
- Thực nghiệm chế tạo bề mặt phức tạp, Scanning chi tiết trên máy CMM để
đánh giá độ chính xác hình dáng hình học;
- Đưa ra mô hình tổng quát thiết kế chương trình bù sai số gia công.
Biên dạng thực
Tool path
Tính toán sai số biên
dạng chi tiết
CMM
Quy trình công nghệ
và bù sai số
Biên dạng thiết kế
Máy công cụ
CNC
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
Chương I: TỔNG QUAN VỀ BÙ SAI SỐ CHO MÁY CÔNG CỤ CNC
1.1 Các phương pháp bù sai số cho các máy CNC
1.1.1 Mô hình bù
Ngày nay, phần mềm bù sai số đã được sử dụng cho các máy CMM (Barakat
2000, Kruth 1994, Busch 1985 và Zhang 1985). Ngoài việc bù sai số cho máy CMM
bù sai số cho các máy công cụ cũng đang được nghiên cứu. Bù sai số cho các máy
công cụ đã được trình bày bởi Chen 1993, Rahman 1997, 2000 và Suh 1999. Những
nghiên cứu này dựa trên mô hình ma trận để nâng cao độ chính xác chi tiết gia công và
được thực hiện bằng Post Processor hoặc bằng cách điều khiển thủ công. Nhiều máy
công cụ có cơ cấu hỗ trợ bù sai số, nghĩa là bảng sai số được cập nhật từ cơ cấu điều
khiển và bộ điều khiển này có thể bù các sai số kể trên. Nhiều cơ cấu điều khiển hiện
đại đã được xây dựng với đặc trưng đó, như TNC 530 (Heidenhain 2002). TNC đã lợi
dụng gia tốc rung giới hạn để tối ưu sự điều khiển tool-path nhằm ngăn chặn sự dao
động cơ tại các góc và các vị trí tiệm cận. Siemens 840D có thể thực hiện được bù sai
số nhiều hơn tại bộ điều khiển mức với một bộ điều khiển tốc độ ăn tới. Độ chính xác
cao hơn có thể đạt được với các tốc độ gia công cao cùng với sự bù nhiệt cho các trục
riêng lẻ.
Những nghiên cứu này mới chỉ chú trọng đến các sai số hình học ít biến đổi.
Tuy nhiên, do mài mòn, sai số hình học sẽ thay đổi nhanh theo thời gian. Sự hiệu chỉnh
các máy công cụ với một chu kì dài cho thấy rằng chu kì hiệu chỉnh một năm là thích
hợp (Jun 1997). Từ đó về sau máy nên được điều chỉnh để thực hiện tính toán đến các
dữ liệu sai số mới.
Do sai số trong các máy công cụ khác loại rất khác nhau, vấn đề là làm thế nào
để bù các sai số một cách linh hoạt bằng các thuật toán hoặc kỹ thuật lập trình. Các sai
số này có thể được bù bằng bốn cách khác nhau: Thay đổi tham số điều khiển, nhúng
chương trình bù sai, sử dụng Post processor và điều chỉnh chương trình NC (Hình vẽ
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
1.1). Sự hiệu chỉnh các sai số sẽ được thực hiện dựa trên sự thiết lập mối quan hệ toán
học với các nguồn sai số và các phương pháp đo khác nhau.
Hình 1.1. Hệ thống bù sai số của máy công cụ
1.1.1.1 Thêm modul phần mềm
Trong phương pháp này, chúng ta có thể thêm vào phần mềm có sẵn một modul
khác để xử lý thông tin sai số hiện tại của các máy công cụ. Modul này có thể giữ các
kết quả đo của máy công cụ và có thể cập nhật các tín hiêu vị trí dựa trên sự mã hoá
liên hệ ngược và gửi thông tin tới hệ điều khiển (Jun 1997). Thuật toán trong hình 1.2
có thể được sử dụng để triển khai một modul SW riêng để xét kết quả đo, tối ưu hoá và
bù sai số chuyển động trong thời gian thực.
Begin
Đo
Bù sai số
Bù sai số bằng lập trình
trong bộ điều khiển
Bù sai số bằng chương
trình NC
Nhúng chương
trình bù sai số
Sử dụng Post
Processor
Thay đổi tham
số điều khiển
Điều chỉnh
chương trình
NC
Cắt thử
Kiểm tra
End
1 2 3 4
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
1.1.1.2 Biến đổi các thông số điều khiển
Nhiều bộ điều khiển cho phép cập nhật các thông số điều khiển và máy CNC có
thể đọc thông tin trước khi thực hiện các chương trình NC. Có nhiều phần mềm hữu
ích có thể thực hiện việc cập nhật tới các bộ điều khiển CNC. Ví dụ như một bảng bù
sai số có thể được cập nhật vào bộ điều khiển CNC dựa trên sự đo bằng giao thoa kế
laser sau đó tính toán một bảng bù sai số mới, xuất ra chương trình NC và gửi data bởi
modul SW tới bộ điều khiển.
Một vài bộ điều khiển như Siemens 840D cho phép bù nhiệt. Sai số độ lõm cũng
có thể được bù bởi các bộ điều khiển khác của Siemens. Một bảng sai số có thể được
cập nhật vào bộ điều khiển và sai số có thể được bù trực tiếp (Sinumerik 2002).
1.1.1.3 Biến đổi Post processor (PP)
Việc chuẩn bị dữ liệu tới cơ cấu dẫn động máy CNC từ dữ liệu CL data là chức
năng của bộ Post processor. Trong giai đoạn hình thành chương trình NC chúng ta có
thể gắn thông tin về sai số hình học, chúng có thể được cấy các thông tin sai số trong
khi thiết lập chương trình NC (Takeuchi 1992).
Hình 1.2: Các thành phần của Post Processor
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
1.1.1.4 Biến đổi chương trình NC
Khi chúng ta không có bất kỳ quá trình post processor nào để tạo mã NC, chúng
ta có thể sử dụng cách biến đổi chương trình NC. Chúng có thể biến đổi chương trình
NC gốc để tạo nên một chương trình NC mới. Nó sẽ cho hiệu quả cao hơn trong một số
trường hợp. Sự biến đổi bằng post procesor và sự biến đổi mã NC có nguyên lý như
nhau nhưng các bước thực hiện khác nhau.
Hình 1.3: Các thành phần của bộ biến đổi chương trình NC
1.1.2 Bù sai số với các bộ điều khiển
Các máy công cụ NC đã được trang bị một bộ điều khiển để điều khiển chuyển
động của tất cả các trục dựa trên chương trình NC. Một trong các chức năng của bộ
điều khiển là truyền lệnh điều khiển tới nguồn dẫn động dưới dạng xung vị trí và tốc độ
(Weck 1984). Đối với mỗi trục, có một hệ thống dẫn động. Đối với máy nhiều trục, các
trục chuyển động trong mỗi toạ độ được điều khiển bằng một bộ điều khiển riêng. Bộ
điều khiển nhận giá trị đo lường từ hệ thống đo và tín hiệu sai số được tạo ra dựa trên
giá trị thiết kế của bộ điều chỉnh. Thuật toán điều khiển được thực hiện trong phần
mềm gắn trong bộ điều khiển. Hầu hết các bộ điều khiển cho phép một số thông số
biến đổi được bởi người sử dụng và một số thông số không biến đổi được bởi người sử
dụng (Hệ thống đóng). Hiện nay, công nghệ này đang phát triển theo hướng kỹ thuật
điều khiển hệ thống mở (Reuven 20000). Máy CNC cấu trúc mở (hệ thống mở) cho
phép cập nhật phần mềm điều khiển của máy.
Chương trình NC
Xử lý chương trình
NC (NCPP) (Phân
tích/hiệu chỉnh
chương trình NC)
Chương trình NC mới
Thông tin
máy
Thông tin
sai số
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
1.1.2.1 Thêm modul phần mềm mới
Trong phần này chúng ta mô tả khả năng của phần mềm được gắn vào hoặc sự
thêm thành phần SW vào bộ điều khiển (Nhánh 1 hình 1.1). Đầu tiên, bộ đọc chương
trình NC và bộ xử lý hình học xác định khoảng cách dịch chuyển và vận tốc, gia tốc
cho phép.
Hầu hết phần cứng các máy công cụ được mua từ các nhà cung cấp khác nhau.
Trong khi các chương trình điều khiển được viết bởi người sử dụng. Các máy công cụ
ngày nay phát triển theo hướng cấu trúc mở, nó sẽ có thể cài đặt phần mềm thêm vào
trong bộ điều khiển.
Hầu hết các máy công cụ sử dụng phần mềm điều khiển như nhau tại mọi thời
điểm. Theo thời gian, hệ thống dẫn động máy sẽ bị mòn (thay đổi sai số tổng hợp) phần
mềm điều khiển không nhận biết được sự mòn. Do đó, yêu cầu cập nhật modul mới
hoặc cập nhật các thông số mới là cần thiết.
1.1.2.2 Cài đặt bộ điều khiển phần cứng độc lập
Hệ thống điều khiển các máy công cụ gồm bộ chuyển đổi tín hiệu, bộ xử lý hình
học, PLC, đo lường, hệ thống dẫn động servo.v.v.. Tất cả các thành phần này cùng
nhau điều khiển máy theo tool-path đã biết. Khi một chương trình NC được thực hiện,
nó gửi lệnh điều khiển vị trí tới hệ thống dẫn động servo. Một bộ điều khiển bù sai số
có thể khắc phục hạn chế của sự biến đổi các tham số như được mô tả trong bộ xử lý
chương trình NC. Bảng I/O độc lập có thể được cài đặt trong PC để chuyển tín hiệu
liên hệ ngược từ máy khi chương trình NC đang được thực hiện. Dựa trên vị trí hiện
tại, chương trình con có thể biến đổi giá trị toạ độ máy trước khi đưa tới các hệ thống
dẫn động servo. Tín hiệu liên hệ ngược có thể được thừa nhận như miêu tả của Ibaraki
(Ibaraki 2001). Một ưu điểm của hệ thống này là chúng ta có thể điều khiển vị trí tới độ
phân giải bé nhất của hệ thống servo. Với sự biến đổi mã NC, rất khó để nội suy đường
tròn để xác định lại đường tròn mới với sai số nhỏ hơn. Hạn chế chính của phương
pháp này là chúng ta phải cài đặt chương trình con I/O vào bộ điều khiển.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
1.2 Giới thiệu một vài nghiên cứu bù sai số ở trong nước và trên thế giới
1.2.1 Các công trình ở trong nước
Vấn đề bù sai số trên các máy CNC đã được đề cập đến trong tài liệu [3], trong
đề tài này các tác giả đã đưa ra một giải pháp để nâng cao độ chính xác của máy phay
CNC bằng bộ điều khiển. Theo tác giả, tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá chất lượng
máy là sai số vị trí. Khi gia công, bộ điều khiển sẽ điều khiển các trục x, y, z sao cho
dụng cụ đạt được toạ độ theo yêu cầu - toạ độ này được xác định thông qua encorder
gắn ngay sau động cơ. Có nhiều nguyên nhân gây sai số vị trí như khe hở của vitme bi,
độ không song song của sống dẫn hướng, sự dãn nở nhiệt, sự lệch của trục gá động cơ
so với mặt phẳng dẫn hướng và nhiều yếu tố khác.
Việc khử nguyên nhân gây sai số là một biện pháp hoàn chỉnh nhưng tốn kém,
mặt khác trong một vài trường hợp không thể thực hiện được do các thiết bị gia công
có độ chính xác chế tạo không cao và nhiều nguyên nhân khác ảnh hưởng đến độ chính
xác gia công. Chính vì vậy, một giải pháp tổng hợp đã được đưa ra là nghiên cứu sai số
tổng hợp và bù sai số thành phần bằng phần mềm của bộ điều khiển iTNC530 kết hợp
với việc sử dụng thước laser HP5519A kèm hệ thống gương phản xạ để xác định vị trí
chính xác của trục bàn máy khi di chuyển. Sai số chính là giá trị đo được từ đầu thu
laser và giá trị trên bộ điều khiển. Sau khi thu được các giá trị đi và về trên 3 trục x, y,
z, căn cứ vào kết quả đó phần mềm tính giá trị bù cho các trục x, y, z tại các điểm nội
suy. Sau khi bù, sai số đều đạt yêu cầu và cao hơn khả năng thông thường.
Để đánh giá kết quả sau khi bù sai số bằng phần mềm, đề tài đã tiến hành gia
công thử nghiệm và đo kiểm tra 02 thông số: sai số vị trí của các lỗ tâm, sai số nội suy
khi gia công vòng tròn với vật liệu là thép 40X, dụng cụ là dao phay ngón, tốc độ trục
chính 3500v/ph, không dùng dung dịch trơn nguội và đã kiểm nghiệm được kết quả.
Phương pháp này có ưu điểm là không quan tâm đến nguyên nhân gây sai số,
việc bù được dựa trên sai số tổng hợp trên từng đoạn nhỏ của toàn bộ chiều dài chuyển
động của bàn máy. Nó có khả năng khử được một phần các ảnh hưởng do sai số chế
tạo và lắp ráp. Do vậy, nó cho phép giảm giá thành gia công chi tiết do không đòi hỏi
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20
máy có độ chính xác cao. Tuy nhiên, trong miền gia công có vài điểm có độ chính xác
còn thấp (sai số còn >0.01mm). Mặt khác, tác giả cũng chưa đưa ra được bản đồ sai số
trên toàn miền làm việc 3D của từng máy CNC để đánh giá được chất lượng và giải
pháp khắc phục sai số nhằm nâng cao được độ chính xác khi gia công trên máy CNC.
1.2.2. Công trình của các tác giả nước ngoài
1.2.2.1. Bù sai số hình học và do lực cắt cho máy phay ba trục CNC
Các máy phay CNC với độ chính xác cao được sử dụng trong nhiều quá trình
gia công vì nhu cầu về độ chính xác ngày càng tăng. Ảnh hưởng quan trọng nhất tới độ
chính xác gia công là độ chính xác của máy công cụ. Các sai số vị trí xuất hiện do hình
học, lực cắt, tải trọng động.v.v.. Chana Raksiri và Manukid Parnichkun [6] đã đề xuất
một mô hình bù sai số độc lập bằng cách tính toán các sai số hình học do lực cắt trên
các máy phay CNC.
Đầu tiên tác giả đo 21 thành phần sai số hình học bằng dụng cụ đo laser. Sau đó,
đánh giá sai số hình học bằng mạng nơron và sử dụng mô hình bù sai số hình học
riêng.
Hình 1.4: Cấu trúc 3-80-30 của mô hình sai số
Tiếp theo, đánh giá sai số do lực cắt bằng mạng nơron được xác định dựa trên
việc quan sát sự làm việc của dao phay mặt đầu. Một cảm biến lực cắt đã được thiết kế
Lớp ẩn
Lớp vào
Vị trí x
Vị trí y
Vị trí z
Sai số hình học trên trục x
Đầu ra
Lớp ra
Sai số hình học trên trục y
Sai số hình học trên trục z
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
và áp dụng để đo lực cắt. Kết quả của sai số gia công do lực cắt gây ra được đo bằng
camera và sau đó sử dụng riêng một mô hình bù sai số.
Hình 1.5: Cấu trúc 4-20-3 của mô hình sai số do lực cắt
Cuối cùng, kết hợp các sai số hình học do lực cắt được mô hình hoá bằng mạng
nơron. Sau đó, xây dựng hệ thống bù đồng thời cả sai số gây ra bởi hình học và lực cắt
bằng một mô hình duy nhất.
Hình 1.6: Cấu trúc 7-110-3 của mô hình sai số tổng hợp
Lớp ẩn
Lớp vào
Đầu ra
Lớp ra
Sai số do lực
cắt trên trục x
Sai số do lực
cắt trên trục y
Sai số do lực
cắt trên trục z
Chiều sâu cắt
Lớp ẩn
Lớp vào Lớp ra Đầu ra
Sai số tổng hợp trên trục x
Sai số tổng hợp trên trục y
Sai số tổng hợp trên trục z
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
1.2.2.2. Bù sai số hình học cho trung tâm gia công đứng
Để nâng cao độ chính xác gia công cho các máy công cụ, DG Ford, SR
Postlethwaite, JP Allen và MD Blake đã xây dựng một hệ thống bù các thành phần sai
số hình học cho các máy công cụ thông thường.
Sự dịch chuyển vị trí hệ trục máy công cụ có thể ảnh hưởng đến các thành phần
sai số trên từng trục. Mức độ ghép trục phụ thuộc vào hệ thống máy công cụ và mức độ
cứng vững của cấu trúc máy. Các ảnh hưởng nhiệt có thể ảnh hưởng đến các thành
phần sai số của máy công cụ.
Hình 1.7: Hệ thống bù sai số cho trung tâm gia công đứng
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
Mô hình động học được biến đổi để cho phép áp dụng đối với các ảnh hưởng
của hệ thống không cứng vững và đưa ra một lý thuyết mới để giảm các sai số gia công
gây ra bởi biến dạng nhiệt cho các máy CNC. Phương pháp này được thực hiện nhằm
giảm sai số nhiệt dựa trên kỹ thuật đo gián tiếp. Trong đó, sự liên hệ giữa nhiệt độ và
biến dạng được chia thành hai phần: Mô hình nhiệt và mô hình biến dạng. Sử dụng mô
hình nhiệt và biến dạng độc lập cho các kỹ thuật phân tích, sử dụng phương pháp phân
tích phần tử hữu hạn để kiểm nghiệm chất lượng. Hệ thống bù sai số đựơc xây dựng có
mô hình như hình 1.7.
1.3.2.3. Bù sai số cho trung tâm gia công nhiều trục
Đề tài đã xây dựng hệ thống bù sai số tĩnh từ thuật toán nội suy element –free
dựa trên phương pháp Garlerkin để dự báo sai số và phương pháp bù phần mềm hồi
quy và phần mềm biến đổi mã NC. Với phương pháp này có thể hiệu chỉnh trực tiếp
quỹ đạo cắt gọt của máy dựa trên các sai số đã được dự báo. Khi đường cắt gọt được
quy định vào một dạng mã NC, hệ thống sẽ tự động xác định toạ độ của quỹ đạo cắt và
sử dụng chúng như các đầu vào để dự đoán sai số. Sau khi bù các sai số quỹ đạo cắt,
một mã NC mới sẽ được hình thành cho hệ điều khiển CNC để thực hiện việc gia công
chính xác.
Hệ thống gồm bốn khối phần mềm. Mô hình động học, sự biến đổi sai số hình
học, phân tích và hiển thị sai số và phần mềm chứa trong các máy tính cá nhân (PC)
hoặc cơ cấu điều khiển cấu trúc mở. Các modul phần cứng chứa trong PC là các modul
mã hoá, modul giải mã và các modul đầu ra. Modul mã hoá và modul giải mã cung cấp
giao diện giữa hệ thống bù sai số và các trục máy. Các tín hiệu từ bộ mã hoá, hai tín
hiệu pha vuông góc và mốc các tín hiệu được đưa đến modul trục qua dải cách ly
quang. Dải cách ly quang cung cấp sự cách ly điện giữa bộ mã hoá và hệ thống bù sai
số. Các tín hiệu pha vuông góc được xử lý bằng modul và đưa ra sự đếm có nghĩa, có
thể được sử dụng bởi PC. PC tính toán giá trị bù cơ bản vị trí các trục hiện thời bằng
modul giải mã và lưu trữ giá trị các sai số hình học. Giá trị bù được đưa tới để điều
khiển sự dịch chuyển các trục qua modul đầu ra. Modul này sẽ cung cấp đầu dẫn nhập
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
24
khác tới bộ tiền khuếch đại của bảng dẫn động các trục (điều khiển tương tự) hoặc để
biến đổi vị trí của bộ chuyển đổi đếm (điều khiển số).
Hình 1.8: Bù sai số bằng phần mềm cho máy công cụ nhiều trục CNC
Pd + Σδ(I)
Dự báo
sai số
Pc + e(Pc) δ(I)≤10
-4
Pc Đầu ra
Pc(I
) Có
Không
Pd δ(I)
Bù sai số phần mềm hồi quy
Begin
Các mã
NC
Xác định vị trí
dao thiết kế
Phần mềm bù
Vị trí
dao cắt
End
Hệ
thống
servo
Động học
nghịch cơ cấu
điều khiển CNC
Viết lạ i các mã NC
Pc
Mã NC đầu vào
Xác định các toạ độ trục
của điểm thiết kế
Các toạ độ trục sau khi bù
Viết lại mã NC được bù
Mã NC mới
Dự báo và
bù sai số
Đọc các dải của mã
NC
Hình 1.9: Bù sai số bằng chương trình NC
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
25
1.3 Kết luận chương I
Chúng ta có thể bù sai số của máy công cụ bằng nhiều cách khác nhau. Ví dụ,
biến đổi các thông số điều khiển dựa vào các kết quả đo được sử dụng khá phổ biến
trong kỹ thuật. Bảng sai số có thể được cập nhật dựa vào thiết bị đo laser hoặc máy đo
toạ độ CMM. Các cơ cấu điều khiển máy tìm bảng sai số và bù sai số theo bảng. Sai số
khe hở dọc trục có thể được biến đổi bởi người sử dụng là một thông số của hệ thống
điều khiển. Tuy nhiên, độ lệch trục phụ thuộc vào vị trí dịch chuyển của trục và lực cắt.
Những điều này thì không được chú ý trong hầu hết các cơ cấu điều khiển cũ. Dựa vào
sự đảo vị trí các trục, cơ cấu điều khiển có thể bù các giá trị khe hở. Các sai số khác
như độ vuông góc không thể bù được bằng bất kì sự điều chỉnh các thông số nào bởi
các hệ điều khiển cũ. Ngoài ra, có thể bù sai số cho máy công cụ bằng cách thực hiện
thuật toán hiệu chỉnh trong post processor hoặc xử lý chương trình NC khác. Tuy
nhiên, giải pháp này có hạn chế cơ bản là phải thực hiện một chương trình NC lớn. Nó
cũng cần mô hình toán học tốt và chính xác của sai số profile của máy công cụ. Điều
này dẫn tới giải pháp gắn thêm modul phần mềm. Hệ thống bù thời gian thực được nối
liền với bộ điều khiển các tín hiệu bù sai số được đưa vào vòng servo điều khiển vị trí
qua cổng I/O và được điều khiển bằng phần mềm điều khiển.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
26
Chương II
PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SAI SỐ VÀ CÁC NGUYÊN
NHÂN GÂY RA SAI SỐ
2.1 Độ chính xác gia công
Kỹ thuật ngày nay đòi hỏi máy móc, thiết bị phải gọn, đẹp, làm việc chính xác,
độ tin cậy cao. Muốn vậy từng chi tiết máy phải có kết cấu hợp lý, độ chính xác và độ
bóng bề mặt phù hợp với yêu cầu làm việc, tính chất cơ lý của bề mặt.
Độ chính xác của một chi tiết máy hay một cơ cấu máy là do người thiết kế quy
định trên cơ sở yêu cầu làm việc của máy như độ chính xác, độ ổn định, độ bền lâu,
năng suất làm việc, mức độ điều khiển, độ phức tạp, an toàn tuyệt đối khi làm
việc.v.v..Tuy nhiên, người trực tiếp chế tạo sẽ là người quyết định cuối cùng độ chính
xác đạt được của chi tiết.
Độ chính xác gia công của một chi tiết máy là mức độ giống nhau về hình học,
tính chất cơ lý bề mặt của chi tiết gia công so với chi tiết lý tưởng trên bản vẽ thiết kế.
Nói chung, độ chính xác của chi tiết gia công là chỉ tiêu khó đạt nhất và tốn kém
nhất trong quá trình thiết kế cũng như trong quá trình chế tạo.
Trong thực tế không thể chế tạo được chi tiết tuyệt đối chính xác, nghĩa là hoàn
toàn phù hợp về hình học, kích thước cũng như tính chất cơ lý với các giá trị lý tưởng.
Vì vậy dùng giá trị sai lệch của nó để đánh giá độ chính xác gia công của chi tiết máy,
giá trị sai lệch đó càng lớn thì độ chính xác gia công càng thấp.
Độ chính xác gia công bao gồm các khái niệm sau:
+ Độ chính xác của một chi tiết;
+ Độ chính xác của cụm chi tiết.
+ Độ chính xác kích thước là độ chính xác về kích thước thẳng hoặc kích thước
góc. Độ chính xác kích thước được đánh giá bằng sai số kích thước thật so với
kích thước lý tưởng cần có và được thể hiện bằng dung sai của kích thước đó.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
27
Hình 2.1: Độ chính xác gia công
- Độ chính xác về vị trí tương quan giữa hai bề mặt thực chất là sự xoay đi một
góc nào đó của bề mặt này so với bề mặt kia. Vì chi tiết là một vật rắn nên độ chính
xác xoay của bề mặt này so với bề mặt kia được quan sát theo hai mặt phẳng toạ độ
vuông góc nhau. Như vậy, độ chính xác vị trí tương quan được đánh giá theo sai số về
góc yêu cầu giữa vị trí bề mặt này với bề mặt kia trong hai mặt phẳng toạ độ vuông góc
với nhau. Độ chính xác vị trí tương quan thường được ghi thành một điều kiện kỹ thuật
riêng trên bản vẽ thiết kế.
- Độ chính xác hình dạng hình học của chi tiết máy là mức độ phù hợp của
chúng với hình dáng hình học lý tưởng. Ví dụ như chi tiết hình trụ thì độ chính xác
hình dạng hình học là độ côn, độ ôvan, độ đa cạnh .v.v..
- Độ sóng: Là chu kỳ không phẳng của bề mặt chi tiết được quan sát trong phạm
vi nhất định (1 đến 100mm).
- Sai lệch hình học tế vi: Còn được gọi là độ nhám bề mặt được biểu thị bằng
một trong hai chỉ tiêu Ra và Rz. Đây là sai số của bề mặt thực quan sát trong một miền
xác định.
Sai số
kích
thước
Sai số
vị trí
tương
quan
Độ chính xác gia công
Độ chính xác của chi
tiết
Độ chính xác của cụm chi
tiết
Sai lệch kích
thước
Sai lệch vị trí
tương quan
Sai số hình
dạng hình
học
Độ
sóng
Độ
nhám
bề
mặt
Tính
chất cơ
lý lớp
bề mặt
Sai số tổng
Sai số
hệ
thống
Sai số
ngẫu
nhiên
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
28
- Tính chất lớp cơ lý lớp bề mặt của chi tiết gia công: Là một trong những chỉ
tiêu quan trọng của độ chính xác gia công, nó ảnh hưởng lớn đến điều kiện làm việc
của chi tiết máy nhất là các chi tiết chính xác và các chi tiết làm việc trong những điều
kiện đặc biệt.
Khi xem xét độ chính xác gia công của một cụm chi tiết, ngoài những yếu tố cần
xem xét cho một chi tiết cần phải kể đền những yếu tố khác nhằm đảm bảo sai số tổng
hợp xuất hiện trên một chi tiết bất kì trong nhóm đều nhỏ hơn sai số cho phép. Khi gia
công một loạt chi tiết trong cùng một điều kiện xác định mặc dù những nguyên nhân
sinh ra từng sai số nói trên của mỗi chi tiết là giống nhau nhưng xuất hiện giá trị sai số
tổng ở từng chi tiết lại khác nhau. Sở dĩ có hiện tượng như vậy là do tính chất khác
nhau của các sai số thành phần.
2.2. Các nguồn sai số của máy công cụ
Có rất nhiều nguồn sai số tác động đến vị trí thực của dụng cụ cắt. Trong các
nhân tố chính tác động đến độ chính xác vị trí là các sai số hình học của máy công cụ
và nhiệt tác động lên các trục máy công cụ. Các nguồn sai số khác là độ phân giải và
độ chính xác của hệ thống đường dịch chuyển, biến dạng đàn hồi của các chi tiết dẫn
động, lực quán tính khi hãm, khi tăng tốc, ma sát, hệ thống điều khiển servo, lực cắt và
rung động. Với máy nhiều trục, kết quả nhận được là tồn tại cả các sai số dọc trục và
sai số độ nghiêng, độ lắc, sai số hướng tâm và sai số vị trí trong không gian làm việc
của máy. Tải trọng làm việc tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công sẽ gây biến dạng
chi tiết gia công, kết quả là cũng tạo ra sai số vị trí trên máy công cụ.
Nói chung, máy CNC có các nguồn gây ra sai số sau đây:
- Sai số hình học của các chi tiết và kết cấu máy;
- Sai số do biến dạng nhiệt;
- Ma sát trong hệ thống dẫn động;
- Sai số do lực cắt;
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
29
- Hệ thống điều khiển servo;
- Dao động ngẫu nhiên.
Hình 2.2 biểu diễn các nguồn sai số của một máy công cụ nhiều trục và các quan hệ
của chúng. Nói rộng hơn, sai số máy công cụ có thể được chia thành hai nhóm: Sai số hệ
thống và sai số ngẫu nhiên. Các sai số hệ thống có thể được mô tả và có thể được dự báo
dựa trên các mô hình toán học. Các sai số ngẫu nhiên khó lập mô hình và khó bù.
Hình 2.2: Sai số tổng hợp của máy công cụ
Một thí dụ về chuyển động theo đường biên ở đó lưỡi cắt di chuyển dọc theo
một đường biên cụ thể tại bước tiến nhất định bằng cách chuyển động đồng thời hai
trục nên được tiến hành để xác định các vấn đề trong các hệ điều khiển số và cơ cấu
servo ở tốc độ di chuyển cao. Các nguồn sai số liên quan tới dính (stick), trượt, bù sai
số rất khó thực hiện.
2.2.1 Sai số hình học
Sai số hình học được coi là sai số của máy tồn tại trong điều kiện nguội và sai số
này không thay đổi theo thời gian (chúng có tính lặp lại ổn định). 75% sai số số ban
Độ chính xác
của máy
Sai số ngẫu nhiên Sai số hệ thống
Nguồn trong Nguồn ngoài
Các tác động của nhiệt
Thông
số hình
học
Độ cứng
vững
Tải
trọng
Rung
động
Vị trí Khe hở Độ phân tán
Độ chính xác vị trí
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
30
đầu của một máy công cụ mới xuất hiện do quá trình sản xuất và lắp ráp (Cecil và CS
1998). Sai số hình học là sai số trục và sai số độ nghiêng, độ lắc và sai số hướng tâm.
Tất cả các trục này dễ bị các sai số trên, gây ra 21 loại sai số hình học (K.G Ahn, Cho).
Trong đó:
+ x, y, z là các vị trí danh nghĩa;
+ δxx, δyy, δzz là các sai số tương ứng dọc theo phương x, y, z;
Hình 2.3: Các thành phần sai số tổng hợp
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
31
+ δyx, δzx, δxy, δzy, δxz, δyz là các sai số độ thẳng, trong đó chỉ số thứ nhất chỉ
phương sai số, chỉ số thứ hai chỉ phương dịch chuyển;
+ εxx, εyx, εzx, εxy, εyy, εzy, εxz, εyz, εzz là các sai số góc, trong đó chỉ số thứ nhất
chỉ trục có sai số, chỉ số thứ hai chỉ phương dịch chuyển;
+ Sxx, Sxz, Syz là các sai số độ vuông góc giữa từng đôi trục.
Các loại sai số này xuất phát từ sai số chế tạo và lắp ráp các chi tiết của máy.
Các sai số này bao gồm sai số chiều dài, sai số góc, sai số độ thẳng, sai số vuông góc,
song song và sai số vị trí điểm không. Thỉnh thoảng sự va chạm cũng làm hỏng phôi và
thay đổi các thành phần hình học và chi tiết dẫn động của máy.
Hình 2.4. Khoảng cách trục vítme - bàn máy
Các loại sai số này thay đổi chậm theo thời gian, tức là máy lặp lại sai số trong
một khoảng thời gian nào đó. Trong đó sai số do lắp ráp tác động nhiều đến độ chính
xác của máy. Tất cả các bộ phận trượt của máy có liên quan đến sai số quay quanh trục
x, y và z. Mặc dù các sai số góc rất nhỏ, sự khuyếch đại sai số này tại đầu dụng cụ là
đáng kể.
Chuyển động
quay quanh
trục Z
Bàn trượt theo trục X
Ecu
Giá
Pw
X
Y
Z d
Ổ
đỡ
Chuyển động
quay quanh
trục Y
Chuyển động
quay quanh
trục X
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
32
Chúng ta không thể đo sai số này một cách trực tiếp nhưng bằng tín hiệu liên hệ
ngược chúng ta có thể tính được sai số này (Ibaraki - 2001). Sự cố định các sai số này
rất khó. Nhưng với phép tính toán học và sự đo lường của máy, chùng ta có thể điều
khiển máy để hiệu chỉnh định vị đầu dụng cụ.
2.2.2 Sai số do vít me
Cơ cấu chuyển động quay của động cơ servo được chuyển thành chuyển động
tịnh tiến bằng vít me bi như trong Hình 2.3 và 2.4. Vít me đai ốc có ma sát lớn hơn so
với vít me bi. Vít me bi có đường xoắn vít, đai ốc và một số viên bi lăn giữa vít và đai
ốc. Khi vít me quay, các viên bi truyền chuyển động dọc trục tới gối đỡ. Nếu cần hệ
thống độ cứng vững cao hay không có độ rơ, cần phải đặt lực trước vào hệ thống vít
me theo phương pháp dự ứng lực(Weck 1984c).
Sai số động học trong đo vị trí bằng đầu mã hóa quay và vít me bi xuất phát chủ
yếu từ sai số bước vít me. Sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo vì bước của
vít me bi liên quan trực tiếp tới chuyển động tuyến tính.
Ngoài ra, sai số vị trí còn bị tác động bởi góc nghiêng của nắp ổ, sự lệch tâm
của trục động cơ servo với các phần ghép nối.
2.2.3 Sai số do sống trượt
Trong máy CNC, có hai loại sống dẫn hướng được sử dụng, sống dẫn hướng lăn
và sống dẫn hướng trượt. Với sống dẫn hướng trượt, lực chuyển động ban đầu cao hơn
để làm bàn máy chuyển động. Nếu sống dẫn hướng và các chi tiết dẫn động vít me bi
không được đặt đối xứng. Với sống dẫn hướng trượt, ma sát trượt lớn và luôn luôn xuất
hiện sai số do dính trượt. Sai số còn xuất hiện trong quá trình chế tạo sống dẫn hướng
và sai số trong quá trình lắp ráp.
Sống dẫn hướng lăn có ma sát nhỏ hơn loại trượt. Tuy nhiên sống dẫn hướng lăn
có khả năng dập rung động kém hơn loại sống trượt. Sống dẫn hướng thủy tĩnh có khả
năng giảm áp lực. Việc điều khiển nhiệt độ của chất lỏng có tính quan trọng; nếu
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
33
không, tác động của nhiệt là đáng kể. Các nguồn sai số chính gây ra bởi sống dẫn
hướng là:
- Chế tạo không chính xác;
- Mòn sống dẫn hướng;
- Biến dạng tĩnh do khối lượng và lực cắt;
- Biến dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ.
2.2.4 Sai số do ổ đỡ
Các loại phản ứng khác nhau có thể dự đoán được phụ thuộc vào việc vít me bi
có thể giãn ra dễ dàng hay không. Phần lớn máy CNC sử dụng 3 loại ổ đỡ khác nhau để
đỡ trục vít me. Có các ổ cố định tại một đầu và vít me giãn ra dễ dạng theo sự thay đổi
của nhiệt độ. Ổ cố định hai đầu trục vít me làm cho trục vít me bị uốn khi nhiệt độ
tăng. Loại ổ đỡ khác là một đầu cố định và đầu kia được đặt tải từ trước. Loại ổ đỡ này
làm việc giống như loại ổ đỡ cố định hai đầu ở phạm vi lực nhất định và ngoài khoảng
này nó làm việc như loại một đầu cố định và một đầu trượt. Các nguồn sai số liên quan
đến ổ đỡ do góc nghiêng của ở vành ổ, sự đồng tâm của trục động cơ servo với các
phần lắp ghép.
2.2.5 Sai số do nhiệt
Một máy công cụ thường hoạt động ở trạng thái không ổn định về nhiệt do nhiệt
xuất hiện từ nhiều nguồn. Mọi thay đổi về sự phân bố nhiệt độ của máy công cụ gây ra
biến dạng do nhiệt và tác động đến độ chính xác gia công. Các nguồn nhiệt do ma sát
như ma sát trong thiết bị truyền động và hộp tốc độ, ma sát ở ổ đỡ và sống dẫn hướng,
nhiệt xuất hiện do quá trình gia công như quá trình cắt. Các nguồn nhiệt bên ngoài bao
gồm bức xạ nhiệt, ánh nắng mặt trời hay nhiệt độ môi trường. Các nguồn nhiệt chính
trong máy công cụ xuất phát từ:
- Ổ lăn;
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
34
- Bánh răng và dầu thủy lực;
- Thiết bị dẫn động và li hợp;
- Bơm và động cơ;
- Sống dẫn hướng và vít me bi;
- Quá trình cắt và tạo phoi;
- Nguồn nhiệt từ bên ngoài.
Các tác động của các nguồn nhiệt này ảnh hưởng đến sai lệch vị trí, độ thẳng và
sai lệch góc.
* Giảm sai số do nhiệt trong quá trình thiết kế
Việc thiết kế cấu trúc để cải tiến chế độ nhiệt của máy công cụ thực hiện theo
các hướng sau:
- Giảm các nguồn sinh nhiệt và tác động của nhiệt đến máy: Gắn động cơ và
hộp tốc độ bên ngoài máy;
- Phân tán nhiệt do mát sát tại ổ đỡ và thiết bị dẫn động;
- Xem xét khả năng biến dạng nhiệt giữa dụng cụ và phôi để giảm thiểu sai số
này khi thiết kế máy.
* Giảm sai số nhiệt trong quá trình sử dụng
Sai số vị trí do sự giãn nở nhiệt của vít me bi là yếu tố đầu tiên cần phải làm
giảm đi. Phần lớn lực ma sát trong hệ dẫn động được tạo thành bởi vít me bi. Kết quả
này là do động học phức tạp của cơ cấu vít me bi..
Các loại khác trong chế độ nhiệt phụ thuộc khớp cầu có giãn nở tự do hay
không. Để giảm sự ảnh hưởng của nhiệt độ có hai phương pháp bù đã được đề xuất
(Braasch 2002): Làm mát vít me bi và bù bằng phần mềm. Việc làm mát vít me bi có
sự bất lợi liên quan tới vấn đề kín khít. Sự nghiên cứu đang được thực hiện để bù sự
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
35
biến dạng nhiệt với sự hỗ trợ của các mô hình phân tích, các mạng nơron và các
phương pháp thực nghiệm. Để bù sự giãn nở của khớp nối cầu, sự phân bố nhiệt của nó
phải được biết và phụ thuộc vào sơ đồ cắt. Trực tiếp đo nhiệt của vít me quay rất khó.
Tuy nhiên, sự giãn nở nhiệt của dụng cụ có thể được tính toán bằng phương pháp phần
tử hữu hạn (FEM) (Takuchi 1982). Bằng sự tính toán nhiệt phân bố trong vít me, chúng
ta có thể bù được sai số bằng phần mềm.
2.2.6 Sai số do rung động tự do
Tải tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công gây nên biến dạng tạo ra sai số hình
học của chi tiết trong quá trình gia công. Độ cứng vững của máy cắt kim loại không
hợp lý sẽ gây ra sai số về hình dạng của chi tiết gia công (Weck 1984). Đặc tính động
không đồng đều sẽ dẫn đến hình thành các rung động, có thể dẫn đến làm xấu chất
lượng bề mặt gia công tinh; tăng độ mòn máy, gãy dụng cụ và phá huỷ cả chi tiết gia
công và máy. Dưới điều kiện gia công kéo dài, có hai loại rung động xảy ra:
- Rung động cưỡng bức: Rung động cưỡng bức do sự mất cân bằng khi vật thể
quay.
- Tự rung: Hệ thống rung động tại một hoặc nhiều tần số khi không có các lực
bên ngoài. Khi tần số kích thích ở cùng tần số tự rung sẽ tạo ra hiện tượng cộng hưởng.
2.2.7 Sai số do tải tĩnh và động
Các tải tĩnh của máy công cụ là kết quả của lực gia công và khối lượng của chi
tiết gia công, khối lượng của bàn dao, các thiết bị và các thành phần máy. Tải trọng
tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công tạo ra sự biến dạng, gây ra các sai số hình học.
Các lực dẫn đến sự biến dạng của bộ phận dẫn động gây ra sự dịch chuyển vị trí
bàn dao. Chúng gồm các lực quán tính gây ra bởi gia tốc của cơ cấu trượt, lực gia công
và ma sát trong trục chính (Weck 1984). Các nhân tố động khác như mômen xoắn của
động cơ, bộ khuếch đại của cơ cấu dẫn động.v.v.. cũng ảnh hưởng tới hệ thống điều
khiển vị trí.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
36
2.2.8 Sai số do hệ thống điều khiển truyền động servo
Dữ liệu đầu vào được chuyển đổi bởi hệ thống điều khiển thành mã đầu ra ở
dạng điện áp xung (PPS). Dữ liệu này dùng để dẫn động bàn quay hoặc cơ cấu chấp
hành khác tới vị trí đã được lập trình.
Hệ thống dẫn động servo đóng vai trò quan trọng tới độ chính xác gia công.
Động cơ servo và cơ cấu dẫn động trục vít me thường được ghép trực tiếp với nhau.
Các cơ cấu dẫn động bằng đai răng cũng được sử dụng rộng rãi.
Vị trí thực được đo bằng cơ cấu đo đường dịch chuyển và được truyền đi dưới
dạng tín hiệu số.
Hình 2.5. Hệ thống phản hồi của máy công cụ
Trong hình 13, đường chấm cách chỉ rằng một bộ mã hoá quay đã được sử
dụng. Một hạn chế chính với cả hai hệ thống đo là sự định vị điểm đo và đầu dụng cụ
có sự sai lệch về khoảng cách. Vì sai lệch về khoảng cách này, các sai số bước nhỏ đã
được khuếch đại dựa trên độ lệch (ảnh hưởng Abbe). Sự khuếch đại sai số phụ thuộc
vào vị trí kẹp chi tiết gia công. Cả bộ mã hoá quay và tuyến tính đều không thể dò
được các ảnh hưởng của sai số Abbe.
Có hai loại nội suy cơ bản là nội suy tuyến tính và nội suy liên tục. Các phép nội
suy khác dựa trên hai loại nội suy này.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
37
Trong sự chuyển đổi dữ liệu gia công đầu vào, sai số phụ thưộc loại nội suy
được sử dụng. Theo Weck (1984), các nguồn sai số là:
- Các hằng số thời gian cao;
- Sự biến thiên trong các bộ khuếch đại vận tốc của các vòng điều khiển vị trí
riêng lẻ;
- Sự biến thiên động lực của các cơ cấu dẫn động;
- Tín hiệu phi tuyến;
Với nhiều cơ cấu điều khiển hiện đại, như Sinumerik 840D và Heidenhain TNC
426/TNC 430 có điều khiển ăn tới có thể thực hiện khử sự không chính xác gây nên
bởi các sai số trên và các cấp chính xác cao có thể đạt được thậm chí với tốc độ gia
công cao.
2.3 Kết luận chương II
Các máy công cụ CNC có cấu trúc và cơ cấu điều khiển rất phức tạp và rất nhạy
cảm với sự thay đổi của nhiệt độ. Các nguồn sai số của máy công cụ có thể được chia
ra làm hai loại, các sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Các sai số hệ thống có thể
được mô tả và dự báo giá trị trong vùng làm việc của máy công cụ. Các sai số ngẫu
nhiên rất khó xác định và rất phức tạp để có thể mô tả. Các sai số hình học là sai số
quan trọng nhất trong các sai số hệ thống và các nguồn sai số chính là cơ cấu vít me bi,
trục dẫn hướng, ổ trục. Sai số bước vít me, sản phẩm không chính xác, mòn trong các
trục dẫn hướng .v.v là các nhân tố ảnh hưởng tới sai số hình học. Sai số hình học có
khả năng lặp lại và tăng dần theo thời gian. Một máy công cụ cũng làm việc trong trạng
thái mất ổn định do sự biến dạng nhiệt. Các thành phần khác của máy công cụ bị biến
dạng do dòng nhiệt. Máy công cụ có hai nguồn nhiệt chính là nguồn nhiệt bên ngoài
(nhiệt độ phòng, các tia mặt trời.v.v..) và nguồn nhiệt bên trong được hình thành bởi
ma sát bên trong của các thành phần khác nhau của máy. Các đặc tính động học không
đều sẽ dẫn đến sự hình thành rung động. Có hai loại rung động: rung động tự rung và
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
38
rung động cưỡng bức. Hệ thống điều khiển và hệ thống đo của máy tự tác động đến sự
hiệu chỉnh sai số. Loại vòng nửa kín thì không có hệ thống đo lường trực tiếp. Đối với
vòng kín có hệ thống đo lường trực tiếp. Đối với vòng nửa kín, bước của vít me được
sử dụng để tính toán vị trí của bàn máy, trong khi đó hệ thống đo lường vòng kín đo
được tham biến trực tiếp bằng thang đo. Do đó, vòng kín có thể thực hiện tốt hơn trong
việc bù sai số vị trí.
Như đã phân tích ở trên, có rất nhiều nguyên nhân gây sai số gia công. Việc khử
từng nguyên nhân gây sai số là một biện pháp hoàn chỉnh nhưng rất tốn kém và đôi khi
không thực hiện được do các thiết bị gia công các bộ phận chính của máy CNC có độ
chính xác không cao và nhiều nguyên nhân khác ảnh hưởng đến độ chính xác hiện vẫn
không xác định được rõ ràng. Vì vậy, để nâng cao độ chính xác gia công tác giả chọn
giải pháp nghiên cứu sai số tổng hợp, không quan tâm đến nguyên nhân gây sai số và
tiến hành bù sai số bằng phương pháp phần mềm.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
39
Chương III
HỆ THỐNG BÙ SAI SỐ GIA CÔNG
3.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm
Như đã phân tích về các phương pháp bù sai số gia công trên máy CNC, trong
giới hạn của đề tài, tác giả sử dụng phương pháp bù sai số bằng phần mềm trên cơ sở
giải quyết bài toán sai lệch hình dáng hình học và vị trí tương quan theo sơ đồ như dưới
đây:
Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ thực nghiệm
Vì vậy hệ thống công nghệ sử dụng trong để tài gồm:
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
40
3.1.1. Trung tâm gia công VMC - 85S
Trung tâm gia công VMC - 85S do hãng Maximart của Đài Loan sản xuất năm
2003 với hệ điều khiển Fanuc OMD, máy có khả năng tích hợp CAD/CAM với bộ mã
ISO code hặc Fanuc code qua cổng RS 232.
Thông số kỹ thuật cơ bản của máy
Thông số Đơn vị Kích thước
Kích thước bàn làm việc mm 515 x 1050
Hành trình theo trục X mm 850
Hành trình theo trục Y mm 560
Hành trình theo trục Z mm 520
Đường kính trục chính mm Φ65
Tốc độ cắt (chạy dao) mm/phút 1÷5000
Tốc độ dịch chuyển nhanh
theo X, Y
mm/phút 12000
Tốc độ dịch chuyển nhanh
theo Z
mm/phút 10000
Công suất động cơ chính kw 3.7÷5.5
Động cơ servo X, Y, Z kw 0.5÷3.5
Trọng lượng kg 4200
Tốc độ quay trục chính vòng/phút 60÷8000
Ổ dao loại 16 dao BT 40
Kích thước tổng thể mm 3500 x 3020 x 2520
3.1.2. Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544
3.1.2.1. Cấu hình cơ bản của máy
Máy đo toạ độ CMM là tên gọi chung của các thiết bị vạn năng có thể thực hiện
việc đo các thông số hình học theo phương pháp toạ độ. Thông số cần đo được tính từ
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
41
các toạ độ điểm đo so với gốc toạ độ của máy. Các loại máy này còn được gọi là máy
quét hình vì chúng còn được dùng để quét hình dáng của vật thể. Có hai loại máy đo
toạ độ thông dụng là máy đo bằng tay (đầu đo được dẫn động bằng tay) và máy đo
CNC (đầu đo được điều khiển tự động bằng chương trình số).
Các máy đo toạ độ CMM hoạt động theo nguyên lý dịch chuyển một đầu dò để
xác định tọa độ các điểm trên bề mặt của vật thể. Máy đo toạ độ thường là các máy đo
các toạ độ theo cả 3 phương chuyển vị X, Y, Z. Bàn đo được làm bằng đá granít, đầu
đo được gắn trên giá lắp trên thân trượt theo phương Z, khi đầu đo được điều chỉnh đến
một điểm đo nào đó thì đầu đọc sẽ cho ta biết 3 toạ độ X,Y,Z tương ứng với độ chính
xác cao, có thể lên đến 0,1 m
Máy CMM thường thiết kế với 4 phần chính:
- Thân máy
- Đầu dò
- Hệ thống điều khiển hoặc máy tính.
- Phần mềm đo.
Hình 3.2. Cấu tạo máy CMM
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
42
Khi quét bằng phương pháp này thì đầu dò của máy tiếp xúc với bề mặt cần đo,
mỗi vị trí đo có toạ độ (x,y,z) và tập hợp các điểm đo sẽ cho một đám mây điểm hoặc
dữ liệu biên dạng đường, mặt hay của cả chi tiết
Với hệ thống đầu đo cho máy CMM, người ta có thể sử dụng loại đầu dò tiếp xúc
hay đo điểm rời rạc, hệ thống đầu đo laser, hoặc camera. Máy đo CMM đa cảm biến có
thể được trang bị một lúc nhiều hơn một cảm biến, camera hoặc đầu dò.
Hình 3.3. Các loại đầu đo cho máy CMM
Đối với loại máy đo CNC có chuyển vị rất êm, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt
trên đệm khí nén. Để kết quả đo tin cậy, áp suất khi nén cần phải được bảo đảm như
điều kiện kỹ thuật của máy đã ghi nhằm đảm bảo đệm khí đủ áp suất và làm việc ổn
định. Các máy của hãng Mitutoyo thường có yêu cầu áp suất khi nén là 0,4 MPa với
lưu lượng 40 lít/phút ở trạng thái bình thường. Máy phải được vận hành ở nhiệt độ thấp
từ 16 - 26
0
C.
Loại máy được dẫn động bằng tay vận hành đơn giản, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn
trượt bi, tuy nhiên loại này có độ chính xác thấp hơn.
Máy đo 3 toạ độ có phạm vi sử dụng lớn. Nó có thể đo kích thước chi tiết, đo
profile, đo góc, đo độ sâu... Nó cũng có khả năng đo các thông số phối hợp trên một chi
tiết như độ song song, độ vuông góc, độ phẳng... Đặc biệt máy có thể cho phép đo các
chi tiết có biên dạng phức tạp, các bề mặt không gian, ví dụ như bề mặt khuôn mẫu,
cánh turbin, mui xe ô tô...
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
43
Để dễ dàng cho việc tính toán kết quả đo, kèm theo máy là phần mềm thiết kế
cho từng loại thông số cần đo. Mỗi hãng chế tạo máy CMM đều có viết riêng cho các
máy của mình những phần mềm khác nhau. Mỗi phần mềm có thể có nhiều môđun
riêng biệt ứng dụng cho từng loại thông số cần đo.Ví dụ máy CMM của hãng Mitutoyo
có các phần mềm (môdun) như sau:
- Geopak: có nhiều cấp độ khác nhau, dùng cho đo lường vật thể 3D, có thể xuất
sang file dạng .gws để chuyển đổi dữ liệu đo thành dữ liệu chuỗi điểm cho thiết kế chi
tiết bằng phần mềm Pro/Engineer hoặc các phần mềm khác;
- Scanpak: Dùng để số hoá biên dạng 3D của vật thể, chuyên dùng để quét biên
dạng và bề mặt 3D dùng cho tái tạo ngược;
- Statpak: Chuyên dùng để sử lý số liệu đo;
- Gearpak: Chuyên dùng cho đo bánh răng chuyển dữ liệu từ máy CMM sang
máy kiểm tra bánh răng;
- Tracepak: Chương trình quét vật thể 3D cho máy CMM vận hành bằng tay.
Máy CMM có nhiều chủng loại khác khác nhau về kích cỡ, thiết kế và công
nghệ dò. Máy có thể chỉ có hệ điều khiển thủ công (Manual), hoặc có hệ điều khiển
CNC/PC. Các máy CMM thường được sử dụng để đo kích thước, đo kiểm mẫu, lược
đồ góc, hướng hoặc chiều sâu, số hóa hoặc tạo hình.Các tính năng chung của máy
CMM là có hệ thống bảo vệ chống va đập, khả năng lập trình offline, thiết kế ngược,
phần mềm SPC và bù nhiệt độ. Các thông số cơ bản được quan tâm của máy là các
hành trình đo theo trục X,Y,Z; độ phân giải và trọng lượng vật đo.
3.1.2.2. Tính năng kỹ thuật cơ bản
Kiểu máy Beyond Crystal C544
Khoảng đo
Trục X 505mm
Trục Y 405mm
Trục Z 405mm
Độ chính xác ở nhiệt độ 200C±10C theo tiêu chuẩn
ISO 10360-2
MPEE= (1.7+4L/100)μm
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
44
Chuẩn chiều dài Thước kính mã hoá
Độ phân giải 0.0001 mm (0.1μm)
Phương pháp dẫn hướng Sử dụng đệm khí trên
các trục trục dẫn
Tốc độ điều khiển cực đại khi chạy tự động 520 mm/s
Tốc độ điều khiển cực đại khi chạy Joystick 80 mm/s
Tốc độ đo cực đại 8 mm/s
Gia tốc đo lớn nhất 2.3 m/s2
Các yêu cầu liên quan đến
vật đo
Chiều cao lớn nhất 545 mm
Khối lượng lớn nhất
Kích thước bàn đặt phôi Kích thước 638x 860mm
Vật liệu Đá Granite có độ phẳng nhỏ
hơn 0.0009 mm
Kích thước máy Chiều dài 1160 mm
Chiều rộng 1122 mm
Chiều cao 1185 mm
Khối lượng máy 515 Kg
Năng lượng cung cấp
Khí nén 0.4 Mpa; Lưu lượng
trung bình: 50 lít/ phút
Điện áp Một pha 220V/50Hz
- Đầu quét tín hiệu tương tự SP600M (Analogue Scanning Probe), hãng
Renishaw - Anh sản xuất;
- Phần mềm Geopak - Win (do hãng phần mềm Cosmos viết sử dụng cho máy
đo toạ độ không gian 3D) tích hợp trên máy tính cài WinXP.
3.1.3. Phần mềm thiết kế CAD/CAM
CAD/CAM là hệ thống thiết kế và gia công với sự trợ giúp của máy tính. Cùng
với sự phát triển của công nghệ thông tin, CAD/CAM đã được ứng dụng nhanh chóng
trong công nghiệp vì nó là công cụ giúp các nhà thiết kế và chế tạo sản phẩm có thể
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
45
thay đổi mẫu mã hoặc lựa chọn phương án gia công tối ưu một cách nhanh chóng,
chính xác và linh hoạt. Đặc biệt trong kỹ thuật tái tạo ngược từ sản phẩm đã có thì việc
xử lý các dữ liệu từ máy đo và xây dựng lại bản vẽ 3D thì không thể không dùng các
phần mềm CAD/CAM.
3.1.3.1. Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD
CAD được định nghĩa là một hoạt động thiết kế liên quan đến việc sử dụng máy
tính để tạo lập, sửa chữa hoặc trình bày một thiết kế kỹ thuật. CAD có liên hệ chặt chẽ
với hệ thống đồ họa máy tính. Các lý do quan trọng có thể kể đến khi sử dụng hệ thống
CAD là tăng hiệu quả làm việc cho người thiết kế, tăng chất lượng thiết kế, nâng cao
chất lượng trình bày thiết kế và tạo lập cơ sở dữ liệu cho sản xuất. Các bước tiến hành
thiết kế với CAD: Tổng hợp (xây dựng mô hình động học); phân tích tối ưu hóa (phân
tích kỹ thuật); trình bày thiết kế (tự động ra bản vẽ).
Mô hình hình học
Mô hình hình học là dùng CAD để xây dựng biểu diễn toán học dạng hình học của
đối tượng. Mô hình này cho phép người dùng CAD biểu diễn hình ảnh đối tượng lên
màn hình và thực hiện một số thao tác lên mô hình như làm biến dạng hình ảnh, phóng
to thu nhỏ, lập một mô hình mới trên cơ sở mô hình cũ.
Từ đó, người thiết có thể xây dựng một chi tiết mới hoặc thay đổi một chi tiết cũ.
Có nhiều dạng mô hình hình học trên CAD. Ngoài mô hình 2D phổ biến, các mô hình
3D có thể được xây dựng cho phép người sử dụng quan sát vật thể từ các hướng khác
nhau, phóng to thu nhỏ, thực hiện các phân tích kỹ thuật như sức căng, tính chất vật
liệu và nhiệt độ.
Mô hình lưới
Sử dụng các đường để minh hoạ vật thể. Mô hình này có những hạn chế lớn như
không có khả năng phân biệt các đường nét thấy và nét khuất trong vật thể, không nhận
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
46
biết được các dạng đường cong, không có khả năng kiểm tra va chạm giữa các chi tiết
thành phần và khó khăn trong việc tính toán các đặc tính vật lý.
Mô hình bề mặt
Được định nghĩa theo các điểm, các đường thẳng và các bề mặt. Mô hình này có
khả năng nhận biết và hiển thị các dạng đường cong phức tạp, có khả năng nhận biết bề
mặt và cung cấp mô hình 3D của chi tiết có khả năng mô phỏng quỹ đạo chuyển động
như của dao cắt trong máy công cụ hoặc chuyển động của các cánh tay robot.
Mô hình khối đặc
Mô tả hình dạng toàn khối của vật thể một cách rõ ràng và chính xác. Nó có thể
mô tả các đường thấy và đường khuất của vật thể. Mô hình này trợ giúp đắc lực trong
quá trình lắp ráp các phần tử phức tạp. Ngoài ra, mô hình còn có khả năng tạo mảng
màu và độ bóng bề mặt. Hơn nữa, người sử dụng có thể kết hợp với các chương trình
phần mềm chuyên dụng khác để biểu diễn mô hình và tạo hình ảnh sống động cho vật
thể.
Phân tích kỹ thuật mô hình
Sau khi có được phương án thiết kế thể hiện dưới dạng mô hình CAD sẽ trợ giúp
mô hình. Hai ví dụ về việc phân tích mô hình là tính toán các đặc tính vật lý và phân
tích phần tử hữu hạn. Tính toán các đặc tính vật lý bao gồm việc xác định khối lượng,
diện tích bề mặt, thể tích và xác định trọng tâm. Phân tích các phần tử hữu hạn nhằm
tính toán sức căng, độ truyền nhiệt…
Đánh giá thiết kế
Đánh giá thiết kế có thể bao gồm: tự động xác định chính xác các kích thước, xác
định khả năng tương tác giữa các bộ phận. Điều này đặc biệt quan trọng trong các thiết
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
47
kế lắp ráp nhằm tránh hai chi tiết cùng chiếm một khoảng không gian, kiểm tra động
học. Điều này cần đến khả năng mô phỏng các chuyển động của CAD.
Tự động phác thảo bản vẽ
Lĩnh vực trợ giúp đắc lực thứ tư của CAD là khả năng tự động cho ra các bản vẽ
với độ chính xác cao một cách nhanh chóng. Điều này rất quan trọng trong quá trình
trình bày một thiết kế và tạo lập hồ sơ thiết kế...
3.1.3.2. Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM
CAM được định nghĩa là việc sử dụng máy tính trong lập kế hoạch, quản lý và
điều khiển quá trình sản xuất. Các ứng dụng của CAM được chia làm 2 loại chính: Lập
kế hoạch sản xuất và điều khiển sản xuất.
Lập kế hoạch sản xuất
+ Ước lượng giá thành sản phẩm: Ước lượng giá của một loại sản phẩm mới là
khá đơn giản trong nhiều ngành công nghiệp và được hoàn thành bởi chương trình máy
tính. Chi phí của từng chi tiết bộ phận được cộng lại và giá của sản phẩm sẽ được xác
định.
+ Lập kế hoạch quá trình với sự trợ giúp của máy tính: Các trình tự thực hiện và
các trung tâm gia công cần thiết cho sản xuất một sản phẩm được chuẩn bị bởi máy
tính. Các hệ thống này cần cung cấp các bản lộ trình, tìm ra lộ trình tối ưu và tiến hành
mô phỏng kiểm nghiệm kế hoạch đưa ra.
+ Các hệ thống dữ liệu gia công máy tính hóa: Các chương trình máy tính c ần
được soạn thảo để đưa ra các điều kiện cắt tối ưu cho các loại nguyên vật liệu khác
nhau. Các tính toán dựa trên các dữ liệu nhận được từ thực nghiệm hoặc tính toán lý
thuyết về tuổi thọ của dao cắt theo điều kiện cắt.
+ Lập trình với sự trợ giúp của máy tính: Lập trình cho máy công cụ hoặc lập trình
CNC là công việc khó khăn cho người vận hành và gây ra nhiều lỗi khi các chi tiết trở
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
48
nên phức tạp. Các bộ hậu xử lý máy tính được sử dụng để thay thế việc lập trình bằng
tay. Đối với các chi tiết có hình dạng hình học phức tạp, hệ thống CAM có thể đưa ra
chương trình gia công chi tiết nhờ phương pháp tạo ra tập lệnh điều khiển cho máy
công cụ hiệu quả hơn hẳn lập trình bằng tay.
+ Lắp ráp với sự trợ giúp bằng máy tính: Việc định vị các phần tử trong các trạm
lên dây chuyền lắp ráp là vấn đề lớn và khó khăn. Các chương trình máy tính như
COMSOAL và CALB được phát triển để trợ giúp cân bằng tối ưu cho các dây chuyền
lắp ráp.
+ Xây dựng các định mức lao động: Một bộ phận chuyên trách sẽ có trách nhiệm
xác lập chuẩn thời gian cho các công việc lao động trực tiếp tại nhà máy. Việc tính
toán này khá công phu và phức tạp. Hiện đã có một số chương trình phần mềm được
phát triển cho công việc này. Các chương trình máy tính sử dụng dữ liệu về thời gian
chuẩn cho các phần tử cơ bản, sau đó cộng tổng thời gian thực hiện của các phần tử
đơn đó và chương trình sẽ đưa ra thời gian chuẩn cho công việc hoàn chỉnh.
+ Lập kế hoạch sản xuất và quản lý tồn kho: Máy tính được sử dụng trong hai
chức năng lập kế hoạch sản xuất và lưu trữ. Hai chức năng này bao gồm ghi nhớ các
bản ghi tồn kho, đặt hàng tự động các mặt hàng khi kho rỗng, điều độ sản xuất chủ,
duy trì các đặc tính hiện tại cho các đơn đặt hàng sản xuất khác nhau, lập kế hoạch nhu
cầu nguyên vật liệu và lập kế hoạch năng lực.
Điều khiển sản xuất
Điều khiển sản xuất liên quan tới việc quản lý và điều khiển các hoạt động sản
xuất trong nhà máy. Điều khiển quá trình, điều khiển chất lượng, điều khiển sản xuất
phân xưởng và giám sát quá trình đều nằm trong vùng chức năng của điều khiển sản
xuất. Ở đây máy tính tham gia trực tiếp (on-line) vào các hoạt động sản xuất trong
nhà máy. Các ứng dụng của điều khiển quá trình sử dụng máy tính là khá phổ biến
trong các hệ thống sản xuất tự động hiện nay. Chúng bao gồm các dây chuyền vận
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
49
chuyển, các hệ thống lắp ráp, điều khiển số, kỹ thuật rôbốt, vận chuyển nguyên vật
liệu và hệ thống sản xuất linh hoạt.
Điều khiển hoạt động sản xuất phân xưởng liên quan tới việc thu nhập dữ liệu đó
để trợ giúp điều khiển sản xuất và lưu trữ trong nhà máy. Các công nghệ thu nhập dữ
liệu máy tính hóa và giám sát quá trình bằng máy tính đang là phương tiện được đánh
giá cao trong hoạt động sản xuất phân xưởng hiện nay.
Mục đích của tích hợp CAD/CAM là hệ thống hóa dòng thông tin từ khi bắt đầu
thiết kế sản phẩm tới khi hoàn thành quá trình sản xuất. Chuỗi các bước được tiến hành
với việc tạo dữ liệu hình học, tiếp tục với việc lưu trữ và xử lý bổ sung, và kết thúc với
việc chuyển các dữ liệu này thành thông tin điều khiển cho quá trình gia công, di chuyển
nguyên vật liệu và kiểm tra tự động được gọi là kỹ thuật trợ giúp bởi máy tính CAE
(Computer Aided Engineering) và được coi như kết quả của việc kết nối CAD và CAM.
Hiện nay có rất nhiều phần mềm về thiết kế công nghệ CAD/CAM như
Mastercam, Catia, Topsolid, Solicam, Delcam, Surfcam, Pro/Engineer…Mỗi phần
mềm đều có những ưu điểm riêng, tuỳ theo mức độ và mục đích ứng dụng, điều kiện
máy gia công thực tế tại nhà máy sản xuất mà ta ứng dụng phần mềm nào sao cho có
hiệu quả cao nhất. Trong giới hạn của đề tài tác giả sử dụng phần mềm Mastercam để
nghiên cứu và tính toán bù sai số gia công.
Mastercam là một phần mềm chuyên dùng để thiết kế và lập quy trình công nghệ
(Lập trình tự động) gia công trên các trung tâm gia công Phay, Tiện và Cắt dây. Cơ sở
dữ liệu về CAM trong lập trình được viết dưới dạng tham số và được tích hợp nhiều
dạng đường toolpath cho gia công nhiều biên dạng phức tạp đặc biệt là có thể hiệu
chỉnh và bù sai số gia công
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
50
3.2. Thực nghiệm gia công trên máy VMC 85S
3.2.1. Thiết kế CAD/CAM
3.2.1.1. Biên dạng và kích thước gia công
Để xác định được sai số gia công phân bố theo quy luật chuẩn phải tiến hành
làm nhiều thí nghiệm với các chế độ cắt khác nhau và xác định sai số tổng hợp từ đó
đưa ra được chương trình bù sai số phù hợp.
Để thuận lợi cho việc xác định sai số gia công khi đo trên máy đo toạ độ CMM
tác giả chọn biên dạng gia công thực nghiệm là các hốc tròn có biên dạng và kích
thước cơ bản như sau:
Hình 3.4. Biên dạng gia công thực
Quá trình thực nghiệm gia công 22 mẫu với các chế độ cắt khác nhau, mỗi chế
độ gia công 03 mẫu nhằm xác định các sai số tổng hợp và nhỏ nhất.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
51
3.2.1.2. Lập trình nguyên công
Khai báo phôi gia công
- Vào Jop setup để khai báo phôi;
- Click Post processor để chọn hệ điều hành phù hợp với hệ điều hành của máy
gia công là Fanuc hoặc chọn theo mã chuẩn ISO;
- Nhập kích thước để tạo phôi gia công hoặc click Bounding box để khai báo
phôi;
- Expand: Nhập các khoảng cách thừa của phôi so với chi tiết.
Hình 3.5. Khai báo phôi, vật liệu, hệ điều khiển
Thiết lập các tham số công nghệ
Sau khi tính toán chế độ cắt ta nhập số vòng quay trục:
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
52
Hình 3.6. Thiết lập các thông số công nghệ
Tốc độ vòng quay trục chính
Tốc độ ăn dao theo phương X, Y mm/phút
Tốc độ ăn dao theo phương Z mm/phút
Tốc độ rút dao lên theo phương Z mm/phút
Chiều sâu cắt tổng cộng
Thiết lập chiều sâu cắt theo mỗi lần ăn dao
Bước ăn dao (Tính theo % đường kính dao)
Thiết lập đường chạy dao Toolpath
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
53
Chọn đường Toolpath là đường xoắn ốc như hình vẽ với
bước ăn dao ap được chọn thay đổi theo bảng 3.1
Đường chạy dao ăn từ trong ra ngoài
Mô phỏng, kiểm tra và xuất chương trình NC
Sau khi đã thiết lập các thông số công nghệ ta tiến hành mô phỏng quá trình
phay trên máy tính nhằm phát hiện và sửa chữa các sai sót về công nghệ, sau khi đã
kiểm tra và hiệu chỉnh đạt yêu cầu ta thực hiện xuất chương trình NC
Hình 3.7. Mô phỏng chương trình gia công
Lựa chọn tất cả các file
Xác nhận lại các thuộc tính sửa chữa
Mô phỏng dạng 2D
Mô phỏng dạng 3D
Xuất dữ liệu file NC code
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
54
Chương trình NC nguyên thuỷ
%
O0001
(PROGRAM NAME - Gia cong 2D)
(DATE=DD-MM-YY - 02-05-08 TIME=HH:MM - 16:09)
N100G21
N102G0G17G40G49G80G90
(TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - 8.)
N104T1M6
N106G0G90G54X.5Y0.A0.S2500M3
N108G43H1Z50.
N110Z10.
N112G1Z-1.667F150.
N114G3X-2.5R1.5F200.
N116X4.5R3.5
N118X-1.906Y5.425R5.5
N120X1.906Y-5.425R5.75
N122X5.75Y0.R5.75
N124X-1.906Y5.425R5.75
N126G1X.5Y0.
N128Z-3.333F150.
N130G3X-2.5R1.5F200.
N132X4.5R3.5
N134X-1.906Y5.425R5.5
N136X1.906Y-5.425R5.75
N138X5.75Y0.R5.75
N140X-1.906Y5.425R5.75
N142G1X.5Y0.
N144Z-5.F150.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
55
N146G3X-2.5R1.5F200.
N148X4.5R3.5
N150X-1.906Y5.425R5.5
N152X1.906Y-5.425R5.75
N154X5.75Y0.R5.75
N156X-1.906Y5.425R5.75
N158G0Z50.
N160X6.Y0.
N162Z10.
N164G1Z-1.667F150.
N166G3X-6.R6.F200.
N168X6.R6.
N170G1Z-3.333F150.
N172G3X-6.R6.F200.
N174X6.R6.
N176G1Z-5.F150.
N178G3X-6.R6.F200.
N180X6.R6.
N182G0Z50.
N184M5
N186G91G28Z0.
N188G28X0.Y0.A0.
N190M30
%
3.2.2. Truyền chương trình sang máy CNC
Với máy VMC-85S có hệ điều khiển là Fanuc OMD chương trình được truyền
qua cổng RS232 và có thể dùng phần mềm DNC Server để truyền và nhận chương
trình, phần mềm có giao diện như hình vẽ
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
56
Hình 3.8. Giao diện DNC
Thiết lập tham số truyền
Để máy có thể nhận được tín hiệu truyền DNC cần phải thiết lập các tham số của
máy và phần mềm tương thích nhau và nối cáp truyền đúng theo sơ đồ các tham số đó.
Hình 3.9. Các tham số DNC
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
57
Hình 3.10. Truyền và nhận chương trình
- Settings → Machine : Cài đặt máy;
- Settings → Communication: để thiết lập các tham số;
3.2.3. Điều chỉnh máy
Khi đã truyền và nhận chương trình từ máy tính, để có thể gia công được cần
hiệu chỉnh và thiết lập các tham số của máy gia công CNC.
3.2.3.1. Thiết lập gốc toạ độ phôi
Gốc toạ độ của chương trình thiết kế trên máy tính và gốc của phôi khi khai báo
phải thống nhất, để khai báo chính xác cần lập trình cho dao chạy không và điều khiển
bằng tay để di chuyển dao chạm phôi, sử dụng hàm G54 trong chức năng này.
3.2.3.2. Thiết lập các tham số bù dao
- Bù đường kính dao: Khi thiết kế công nghệ CAD/CAM có thể tuỳ chọn chức
năng bù tự động hoặc bù theo giá trị trực tiếp trên hệ điều khiển và nhập giá trị vào
tham số bù;
- Bù chiều dài dao: Trong quá trình gia công phải dùng nhiều dao có chiều dài
khác nhau trong một chương trình, Với hệ điều khiển Fanuc OMD của Trung tâm gia
công VMC - 85S thì luôn chọn dao thứ nhất làm chuẩn và mặc định có chiều dài = 0,
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
58
các dao sử dụng nguyên công sau được so sánh với dao thứ nhất và cũng được nhập giá
trị l vào bảng tham số của máy.
3.2.3.3. Gia công cắt gọt
Sau khi đã gá đặt, thiết lập gốc toạ độ, thiết lập các chức năng bù dao ta tiến
hành gia công sản phẩm với các mẫu và chế độ cắt như bảng 3.1:
Stt
Kích
thước gia
công
(mm)
Chế độ cắt dao thép gió 8
Bước ăn
dao ap
(% Dao)
F
(mm/phút)
n
(vg/phút)
t
(mm)
1 20 200 2500 -2 50
2 20 220 2500 -2 50
3 20 220 2800 -2 50
4 15 220 2800 -2 50
5 15 250 2800 -2 50
6 15 300 3000 -2 50
7 22 340 3000 -2 50
8 22 360 3000 -2 50
9 22 400 3000 -2 30
10 22 450 3000 -2 15
11 18 450 3200 -2 15
12 18 470 3500 -2 10
13 18 470 3500 -2 03
14 18 520 3500 -2 03
15 18 600 3500 -2 1.5
16 18 650 3500 -2 1.5
17 18 700 3500 -2 1.5
18 18 750 3500 -2 1.5
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
59
19 18 850 4000 -2 1.5
20 18 850 4500 -2 01
21 18 850 5000 -2 01
22 18 850 5000 -2 0.75
Bảng 3.1. Chế độ gia công
3.3. Đo sai số gia công trên máy CMM-C544
3.3.1. Gá đặt chi tiết:
Chi tiết cần quét được cố định trên bản máy. Đặt bàn máp và vật đo lên bàn đo
của máy CMM C544 sao cho các cạnh của bàn máp song song với các trục x, y của máy.
3.3.2.Khởi động và kiểm tra hệ thống
Lắp đầu đo 1.5mm và nối cán đầu đo sao cho có đủ chiều sâu đo hết được biên
dạng và bề mặt sản phẩm.
- Bật máy nén khí, máy sấy khí;
- Bật van khí nén, kiểm tra mức khí ở mức 0,4 MPa;
- Khởi động máy tính, Khởi động chương trình MCOSMOS24 ;
- Nhấn phím START trên joystick.
Hình 3.11. Phần mềm GEOPAK
- Đặt tên cho chương trình đo trong phần chương trình part manager;
- Nhấn vào nút CMM learn mode;
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
60
3.3.3.Hiệu chuẩn đầu đo
Độ chính xác khi đo phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ phòng và độ chính xác
của đầu đo, do vậy trước khi đo ta phải hiệu chuẩn lại đầu đo. Sử dụng quả cầu hiệu
chuẩn MasterBall được lắp trên bàn máy để hiệu chuẩn, ta phải đo quả cầu MB này
trên 6 điểm bất kì. Sau khi đo quả cầu có đường kính 19.9956mm
Khi khởi động CT GEOPAK, sẽ xuất hiện hộp thoại Start up Wizard
Click vào nút exit and Calibrate
Hình 3.12. Hiệu chuẩn đầu đo
Ta có thể hiệu chuẩn lại một đầu cũ, hoặc hiệu chuẩn một đầu mới. Click vào
nút Calibrate.
Tiến hành dịch chuyển đầu đo bằng joystick (Một thiết bị để dịch chuyển máy
bằng tay). Khi tiến hành đo MB ta nhấn vào nút MEAS trên joystick và chạm 6 điểm
bất kỳ trên MB.
Sau khi đo 6 điểm trên MB máy sẽ báo kết quả được hiệu chuẩn của đầu đo.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
61
Hình 3.13. Đo sai số thực nghiệm
3.3.4. Lập hệ toạ độ của chương trình đo
Tiến hành đo một điểm để chọn làm gốc toạ độ,
ta click nút Element Point sau đó tiến hành đo 1 điểm.
Tiến hành đo một mặt phẳng để chọn mặt phẳng
đó làm mặt phẳng chuẩn Oxy.
Sau khi đã có một điểm và một mặt phảng, ta
tiến hành lập hệ toạ độ bằng chọn menu Co-or sys.
Click Align plane… để chọn mặt phẳng đã đo làm mặt
phẳng chuẩn Oxy
Create origin… để chọn 1 điểm làm gốc toạ độ Lúc
này ta đã có một hệ toạ độ cho chi tiết cần đo vẫn giữ
nguyên trục x, y, z theo toạ độ máy.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
62
3.3.5. Scan biên dạng thực
Với biên dạng thí nghiệm là hốc trụ tròn, để đơn
giản trong xử lý dữ liệu đo và bù sai số gia công, đề tài
giới hạn trong việc scan biên dạng hốc trên một mặt
phẳng.
Hình 3.14. Thiết lập các thông số đo
Nhấn vào Menu CMM/ Patch Scanning Generator, chọn nút contour , chọn
biên dạng bao ngoài đã được quét. Chọn hướng quét là hướng nằm trên mặt phảng XZ,
với chiều sâu trục Z là -5mm. Các thông số về khoảng cách bước là 0,2mm. Sau đó
thoát khỏi chương trình.
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
63
Hình 3.15. Dữ liệu đám mây điểm
Chạy lại phần CMM Learn Mode, chọn relearn, nhấn OK. Ta nhấn nút chạy
chương trình con .
Khi đó máy đo sẽ tự động quét hết biên dạng và cho dữ liệu đám mây điểm như
hình 3.15.
Sau khi quét xong, toàn bộ phần bề mặt được quét được hiển thị ở dạng đám
mây điểm. Ta tiến hành xuất dữ liệu thành File dwg, gws, iges, dxf, stl... Để được các
định dạng khác nhau.
3.4. Cơ sở dữ liệu scan bề mặt
3.4.1. Mô hình mặt lưới quét hình
Mặt quét hình được định nghĩa bởi quỹ đạo quét hình đường mặt cắt (đường
tạo hình) dọc theo đường định hình (đường dẫn hướng), tác giả sử dụng các loại mặt
lưới quét hình sau:
Mặt lưới quét hình song song.
Xét đường cong tham số g(u) và d(v) (Hình 3.16). Nếu coi 2 đường cong 3D này là sợi
dây cứng ta có thể tưởng tượng mặt cong quét hình song song như mặt cong xác định
bởi quĩ đạo quét hình đường mặt cắt g(u) dọc đường dẫn d(v):
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
64
r(u,v) = g(u) + d(v) - d(0) : 0 ≤ u,v ≤ 1 (3.1)
trong đó: d(0) là điểm đầu của đường cong dẫn hướng.
Có thể mở rộng ý tưởng quét hình cho
trường hợp đường cong tham số định nghĩa bởi
đỉnh điều khiển Bezier và B-spline. Đối với
trường hợp Bezier bậc 3 có thể di chuyển các
đỉnh điều khiển V0, V1, V2 , V3 dọc theo 4
đường dẫn hướng d0(v), d1(v), d2(v), d3(v). Như
vậy mặt cong kết quả được biểu diễn như sau
Hình 3.16. Mặt quét hình song song
(3.2)
Khi đường mặt cắt là đường cong cônic và đường dẫn hướng là đường bậc 3
thì mặt cong quét hình được gọi là mặt cong đa cônic, được sử dụng để thiết lập mặt
cong kết nối biên.
Mặt lưới quét hình tròn xoay.
Đây là dạng mặt cong được sử dụng tương đối phổ biến. Xét đường mặt cắt
s(u) trên mặt phẳng x-z (Hình 3.17a):
s(u) = d(u)i - z(u)k = (d(u), 0, z(u)) (3.3)
trong đó: i = (1, 0, 0) và k = (0, 0, 1).
Phương trình tham số mặt cong quét hình được định nghĩa bởi phép xoay tròn
đường mặt cắt (3.3) quanh trục z (Hình 3.17b) có dạng như sau:
r(u,θ) = (d(u)cosθ, d(u)sinθ, z(u)) = d(u)cosθ.i + d(u)sinθ.j + z(u).k (3.4)
trong đó: d(u), z(u) là đường mặt cắt (3.3).
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
65
Hình 3.17. Mặt quét hình tròn xoay
Mặt quét hình phi tham số.
Ta đã biết rằng mặt cong tham số r(u,v) suy biến thành mặt cong phi tham số
khi x(u,v) ≡ u và y(u,v) ≡ v:
r(u,v) = {x(u,v), y(u,v), z(u,v)} ≡ {u,v,z(u,v)} ≡ (x,y,z(x,y)) (3.5)
Thực tế phương trình này tương đương với z = z(x,y). Xét trường hợp mặt cong
quét hình song song z = z(x,y) (Hình 3.5c) được tạo bởi đường mặt cắt z = g(x) và
đường dẫn hướng z = d(y) (Hình 3.18a,b):
z = g(x), x [x0, x1]
z = d(y), y [y0, y1]
Hình 3.18. Mặt cong quét hình phi tham số
Theo định nghĩa mặt cong quét hình song song (3.1) mặt cong quét hình tham
số được xác định như sau:
z(x,y) = g(x) + d(y) - d(0) với x0 ≤ x ≤ x1 ; y0 ≤ y ≤ y1 (3.6)
Có thể trình bày lại phương trình (3.6) dưới dạng chuẩn:
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
66
f(x,y,z) ≡ -g(x) - d(y) + z +d(0) = 0
Từ đó có thể xác định vectơ pháp tuyến N của mặt cong quét hình (3.6) như sau:
(3.7)
3.4.2. Mô hình mặt lưới đa thức tham số
Mô hình này được sử dụng chủ yếu trong mô hình hoá mặt cong phức hợp từ
ma trận điểm, trong đó mô hình Ferguson, Bezier và B-spline được sử dụng phổ biến
nhất. Một cách tổng quát có 5 dạng mô hình mặt lưới đa thức tham số bậc 3 sử dụng
phổ biến trong mô hình hoá mặt cong từ dữ liệu điểm 3D tương ứng với các mô hình
đường cong đã khảo sát:
a. Đường đa thức chuẩn tắc : r(u) = U A
b. Đường Ferguson : r(u) = U C S
c. Đường Bezier : r(u) = U M R
d. Đường B-spline : r(u) = U N R
e. Đường cong B-spline không đều : r(u) = U Nc R
3.4.2.1. Mô hình mặt lưới đa thức chuẩn tắc
Mặt lưới đa thức chuẩn tắc bậc 3 kép được định nghĩa như sau
(3.10 a)
hay dưới dạng ma trận: r(u,v) = U D VT (3.10b)
trong đó: r(u,v) là đa thức vectơ bậc 3 trên miền tham số (u,v).
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
67
Khi đơn giản hoá lưới có thể sử dụng mô hình này để thiết lập mặt cong trơn
láng nội suy qua (4x4) dãy điểm 3D {Pij ; i =0,...,3; j = 0,...,3} (Hình 3.8):
Đặt giá trị tham số tại các điểm góc lưới:
P00 : u = v = 0, P03 : u = 0 , v = 1, P30 : u = 1 , v = 0, P33 : u = 1 , v = 1
Giá trị tham số tại các điểm khác lấy theo chiều dài cát tuyến:
Hình 3.19. Mặt lưới đa thức chuẩn bậc 3
Ví dụ tại điểm P11:
Ta có thể tăng bậc của mặt lưới đến giá trị (mxn) sao cho mặt lưới nội suy qua
(m+1) x (n+1) điểm. Mô hình này nói chung khó duy trì tính liên tục trên các đường
biên khi mặt lưới có dạng phức tạp và mặt lưới có xu hướng dao động khi bậc của đa
thức tăng.
3.4.2.2. Mô hình mặt lưới Ferguson.
Ta có thể sử dụng mặt lưới trên một cách tiện dụng hơn bằng cách thiết lập
mặt lưới nội suy qua 4 điểm góc {Pij : i, j = 0,1} (Hình 3.9). Trong biểu thức (3.10) có
16 hệ số chưa biết nên cần xác định 16 hệ thức ràng buộc. Điều kiện ràng buộc liên
quan đến các điểm góc bao gồm:
r(i,j) = Pij : i,j = 0,1 (3.11)
Điều kiện biên tại 4 điểm góc lưới Pij :
-Vectơ tiếp tuyến theo phương u:
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
68
-Vectơ tiếp tuyến theo phương v:
- Vectơ xoắn tại Pij:
(3.12)
Hình 3.20. Mặt lưới Ferguson
Bằng cách giải 16 phương trình (3.11) và (3.12) ta xác định được các hệ số dij.
Có thể biến đổi phương trình (3.10) thành phương trình Ferguson:
r(u,v) = U D V
T
= U C Q C
T
V
T
, 0 ≤ u,v ≤ 1 (3.13)
Trong đó:
C: Ma trận hệ số Ferguson
Ta cũng thấy rằng phương trình đường cong Ferguson thực ra là hàm kết nối
điều kiện biên bởi hàm Hermite bậc 3 và do vậy ta có thể thiết lập mặt cong r(u,v) như
là hàm kết nối đường biên và tiếp tuyến biên ngang bởi hàm Hermite bậc 3 như sau:
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
69
Kết quả nhận được là phương trình mặt cong Ferguson (3.13) và cũng đạt
được kết quả tương tự nếu bắt đầu với các đường biên v = 0,1.
Mặt khác nếu mặt cong được xác định hoàn toán bởi điều kiện góc (P, s, t, x) thì
được gọi là mặt cong tích tenxơ. Mặt cong tích Tenxơ có cấu hình chữ nhật đối xứng
(theo u và v) và có tính chất quan trong nêu trên.
3.4.2.3. Mô hình mặt lưới Bezier.
Hãy xét dãy (4x4) đỉnh điều khiển {Vij} (Hình 3.21). Bằng cách kết nối các
đỉnh điều khiển bởi đa thức Bernstein mặt lưới Bezier bậc 3 kép được định nghĩa như
sau:
(3.14)
Hình 3.21 - Mặt lưới Bezier bậc 3 kép
Có thể phát triển mô hình mặt lưới Bezier bậc 3 kép tới bậc (m x n):
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
70
(3.15)
Một số phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp sử dụng giá trị: m = n = 5 hoặc
m = n = 7. Khi m = n = 5 ta cần 36 đỉnh điều khiển để thiết lập mô hình mặt lưới
Bezier bậc 5 kép.
3.4.2.4. Mô hình mặt lưới B-spline đều.
Tương tự như mặt lưới Bezier bậc 3 kép, mặt lưới B-spline đều bậc 3 kép được
định nghĩa là mặt cong tích Tenxơ các đường cong B-spline đều:
Ta cũng có thể lập mặt lưới B-spline đều với thứ bậc khác nhau theo phương u
và v riêng biệt.
Hình 3.22 - Mặt lưới B-spline đều bậc 3 kép
3.5. Xử lý dữ liệu đo
Đây là giai đoạn quan trọng trong qui trình công nghệ vì nó quyết định đến độ
chính xác của biên dạng và bề mặt cần đo. Xây dựng bề mặt là tạo ra các bề mặt, biên
dạng trơn từ các đám mây điểm, xây dựng bề mặt từ đám mây điểm gồm các bước sau:
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
71
3.5.1. Xây dựng lưới tam giác Gregory từ các đám mây điểm
Ta khảo sát vấn đề thiết lập mặt lưới tam giác từ 3 đường biên ei(si) và tiếp
tuyến biên ngang ti(si) (Hình 3.23) bằng cách áp dụng phép nội suy cho từng đường
biên. Khi xác định phương trình tham số đường biên và tiếp tuyến biên ngang của mặt
cong cho trước là 1/8 mặt cầu đơn vị (Hình 3.23)
Có thể tham số hoá cung tròn trên mặt phẳng x-y như sau:
x = cosθ ; y = sinθ
Từ đó phương trình các đường biên có dạng:
e1(s1)=(0,cos(s1π/2),sin(s1π/2)): 0≤s1≤1
e2(s2)=( sin(s2π/2),0,cos(s2π/2)): 0≤s2≤1
e3(s3)=( cos(s1π/2),sin(s1π/2),0): 0≤s3≤1
Hình 3.23. Dữ liệu biên của mặt cong tam giác
Vì tiếp tuyến biên ngang song song với trục toạ độ nên ta có thể biểu diễn
chúng như sau:
t1 = (π/2, 0, 0); t2 = (0, π/2, 0); t3 = (0, 0, π/2)
Để thiết lập mặt cong trơn láng từ dữ liệu biên (Hình 3.23) cần xác định giới
hạn tham số cho miền tam giác. Xét tam giác đều V1 , V2 , V3 đặt λi là khoảng cách
vuông góc từ điểm V trong tam giác đến cạnh đối diện đỉnh Vi (Hình 3.24a):
V = (λ1, λ2, λ3)
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
72
Hình 3.24 - Mặt cong Gregory tam giác
Như vậy λi tạo nên toạ độ trọng tâm của miền tam giác. Ta có thể xác định tham
số si của đường biên theo λi
s1=λ3(λ2+λ3)
s2=λ1(λ3+λ1)
s3=λ2(λ1+λ2)
Từ đó có thể xác định hàm nội suy tuyến tính Taylor ri(si, λi) theo đường biên
ei(si) và tiếp tuyến biên ngang ti(si): ri(si, λi) = ei(si) + λiti(si) i = 1, 2, 3 (3.8)
Cuối cùng mặt lưới Gregory tam giác giới hạn bởi 3 đường biên (Hình 3.24b)
được thiết lập như phép kết nối lồi 3 mặt cong nội suy tuyến tính Taylor:
(3.9)
trong đó : V(λ1, λ2, λ3) : Toạ độ trọng tâm, si : tham số đường cong
Giải thuật thiết lập mặt cong theo (3.9) được gọi là phép kết nối lồi vì mặt cong
kết quả nội suy từ miền lồi giới hạn bởi 3 đường biên.
Ta có thể mở rộng phương pháp này để thiết lập mặt cong giới hạn mởi n đường biên;
ngoài ra cũng có thể thiết lập mặt cong n cạnh theo giải thuật mặt Coons. Giải thuật
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
73
này còn được gọi là phép cong Lôgic. Theo đó mặt lưới kết quả được biểu diễn như
tổng Lôgic của các mặt cong thành phần:
r(u,v) = r1(u,v) + r2(u,v) = r1(u,v) + r2(u,v) - r3(u,v)
trong đó r3(u,v) là phần giao của r1(u,v) và r2(u,v).
3.5.2. Xây dựng lưới điểm theo mặt B-spline
Để xây dựng lưới tam giác từ các đám mây điểm theo mặt B-spline phải sử
dụng phần mềm chuyên dùng, với đề tài này tác giả sử dụng phần mềm Geomagic
Studio để thiết lập nối các điểm cạnh nhau để tạo thành các hình tam giác. Tùy vào
mức độ chính xác quét mà mật độ các đám mây điểm sẽ khác nhau. Những phần gấp
khúc, lồi lõm hay những phần giao nhau của các bề mặt phải chọn mật độ điểm dày
hơn, những mặt trơn thì có mật độ điểm thưa hơn. Với biên dạng thí nghiệm là hốc
tròn đều, tác giả chọn dải đo có giá trị là 0.5mm, các điểm đo được nối với nhau theo
đường B-Spline như hình 3.25. Mô hình toán học của đường cong B-spline là phương
trình đại số.
Xét 4 đỉnh điều khiển V0,...,V3 và các điểm M0, M1, P0, P1 với tính chất như Hình
3.25.
Hình 3.25 - Đường cong B-spline đều bậc 3
M0 là điểm giữa của đoạn thẳng V0V2 : M0= (V0+V2)/2
M1 là điểm giữa của đoạn thẳng V1V3 : M1= (V1+V3)/2
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
74
P0 là điểm 1/3 của đoạn thẳng V1M0 : P0= (2V1+M0)/3
P1 là điểm 1/3 của đoạn thẳng V2M1 : P1= (2V2+M1)/3
Cần thiết lập đường cong bậc 3 r(u) thoả điều kiện:
1. Đường cong bắt đầu từ điểm P0 và kết thúc tại điểm P1,
2. Vectơ tiếp tuyến tại điểm P0 có giá trị bằng (M0-V0),
3. Vectơ tiếp tuyến tại điểm P1 có giá trị bằng (M1-V1).
Như vậy ta có thể biểu diễn điểm biên P0, P1 và tiếp tuyến t0, t1 theo đỉnh điều
khiển như sau:
P0 ≡ r(0) = [4V1+(V0+V2) ]/6 (3.12a)
P1 ≡ r(1) = [4V2+(V1+V3) ]/6 (3.12b)
t0 ≡ r& (0) = (V2 - V0) /2 (3.12c)
t1 ≡ r& (0) = (V3 - V1) /2 (3.12d)
hay dưới dạng ma trận
Thay kết quả trên vào phương trình đường cong Ferguson (3.5) để đạt được
phương trình đường cong B-spline đều bậc 3 biểu diễn bởi ma trận hệ số B-Spline
đều N và vectơ đỉnh điều khiển R:
r(u) = U C S
= U C (K R)
= U (C K) R
= U N R với 0 ≤ u ≤1
trong đó: C là ma trận Ferguson
Tương tự như đường cong Bezier ta có thể biểu diễn đường cong B-spline đều
bậc 3 bởi hàm kết nối B-spline đều N3 (u) i :
(3.10)
Trong đó
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
75
3.5.3. Đơn giản hoá lưới tam giác.
Ở bước này thường áp dụng cho các bề mặt phức tạp có nhiều vùng đo và đải đo
khác nhau, ở khu vực bề mặt trơn nên giảm số lượng tam giác không cần thiết và tối ưu
hoá vị trí các đỉnh. Sau đó nối các cạnh của mỗi tam giác trong lưới sao cho các điểm
hình học không thay đổi. Sau khi đơn giản hoá bề mặt vật thể sẽ trơn hơn và có độ
phân giải thấp hơn nhưng không làm thay đổi vị trí và hình dáng của vật thể. Biên dạng
thí nghiệm do đã chọn dải đo lớn vì vậy khi xây dựng lưới tam giác các điểm đo đã
được tối ưu và không cần phải chia lưới tam giác.
3.6. Xây dựng đường tròn theo biên dạng đo
Từ kết quả sử lý dữ liệu mây điểm như trên đường cong thực nghiệm được xác
định theo toạ độ tâm và bán kính khi đi qua 3 điểm và n điểm
3.6.1. Toạ độ tâm và bán kính của đường tròn qua 3 điểm đo trong mặt phẳng
Giả sử xác định toạ độ của ba điểm trên đường tròn là A(x1,y1), B(x2,y2),
C(x3,y3) trong mặt phẳng Oxy. Ta biết rằng qua ba điểm luôn xác định được duy nhất
một đường tròn. Toạ độ tâm I(x0,y0) và bán kính R (đường kính: D = 2R) của đường
tròn đó được xác định như sau:
Giả sử toạ độ tâm I của đường tròn là (x0, y0), qua hai điểm O và A, bán kính R
của đường tròn được xác định bằng phương trình:
2
01
2
01 yyxxR (*)
Tương tự, qua hai điểm O và B, O và C ta cũng xác định được bán kính đường
tròn:
2
02
2
02 yyxxR
2
03
2
03 yyxxR
Ta có hệ ba phương trình sau:
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
76
2
03
2
03
2
02
2
02
2
01
2
01
yyxxR
yyxxR
yyxxR
Giải hệ phương trình trên ta được hai phương trình bậc nhất hai ẩn sau:
)
()()(2)(2
)()()(2)(2
2
3
2
3
2
1
2
1031031
2
2
2
2
2
1
2
1021021
yxyxyyyxxx
yxyxyyyxxx
Để cho gọn ta đặt:
)()(
)(2
)(2
)()(
)(2
)(2
2
31
2
3
2
1
2
12
312
312
2
21
2
2
2
1
2
11
211
211
yxyxc
yyb
xxa
yxyxc
yyb
xxa
Thì hệ phương trình trên có thể viết gọn lại như sau :
20202
10101
cybxa
cybxa
Nghiệm của hệ phương trình này chính là toạ độ tâm I của đường tròn cần tìm :
1221
1221
0
1221
2112
0
baba
caca
y
baba
cbcb
x
Hay :
21313121
2
2
2
2
2
1
2
131
2
3
2
3
2
1
2
131
0
21313121
2
3
2
3
2
1
2
121
2
2
2
2
2
1
2
131
0
2
2
yyxxyyxx
yxyxxxyxyxxx
y
yyxxyyxx
yxyxyyyxyxyy
x
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
77
3.6.21. Toạ độ tâm và bán kính của đường tròn qua n điểm đo trong mặt phẳng
Giả sử ta biết toạ độ các điểm đo Ai(xi,yi,zi) với
ni ,1
và toạ độ điểm tâm
I(x0,y0), ta luôn xác định được bán kính của đường tròn tại mỗi điểm đo như sau:
2
0
2
0 yyxxR iii
(*)
Nếu có toạ độ của n điểm, ta sẽ xác định được bán kính trung bình của
đường tròn đó:
n
i
iTB R
n
R
1
1
(**)
Như vậy, bán kính từng điểm trên đường tròn sẽ sai lệch so với bán kính trung
bình một giá trị:
n
i
iiTBii R
n
RRRR
1
1
(***)
Thay giá trị x0 , y0 vào (*) ta được bán kính R (đường kính D) của đường
tròn cần đo.
Dựa trên thuật toán vừa trình bày, máy CMM cho kế t quả đo mẫu thí
nghiệm như sau:
Bảng 3.2. Kết quả gia công
Stt
K.thước
gia công
(mm)
Chế độ cắt
Bước ăn
dao ap
(% Dao)
Kích
thước sau
gia công
(mm)
Sai số
gia
công
(mm)
F
(mm/phút)
n
(vg/phút)
t
(mm)
1 20 200 2500 -2 50 20.0655 0.0655
2 20 220 2500 -2 50 20.0846 0.0846
3 20 220 2800 -2 50 20.0663 0.0663
4 15 220 2800 -2 50 15.0713 0.0713
5 15 250 2800 -2 50 15.0591 0.0591
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
78
6 15 300 3000 -2 50 22.5566 0.5566
7 22 340 3000 -2 50 22.5577 0.5577
8 22 360 3000 -2 50 22.5554 0.5554
9 22 400 3000 -2 30 22.5524 0.5524
10 22 450 3000 -2 15 22.5409 0.5409
11 18 450 3200 -2 15 18.0275 0.0275
12 18 470 3500 -2 10 18.0226 1.0226
13 18 470 3500 -2 03 17.9749 -0.0251
14 18 520 3500 -2 03 17.9703 -0.0297
15 18 600 3500 -2 1.5 17.9613 -0.0387
16 18 650 3500 -2 1.5 17.9477 -0.0523
17 18 700 3500 -2 1.5 17.9266 -0.0734
18 18 750 3500 -2 1.5 17.8830 -0.117
19 18 850 4000 -2 1.5 17.9485 -0.0515
20 18 850 4500 -2 01 17.9245 -0.0755
21 18 850 5000 -2 01 17.9070 -0.093
22 18 850 5000 -2 0.75 17.8870 -0.113
Sau khi đã chuyển sang định dạng Iges, dùng phần mềm Mastercam để xử lý dữ
liệu và tạo thành bề mặt biên dạng đo. Trong đề tài tác giả đo và xây dựng biên dạng
trên mặt phẳng và xác định sai số gia công, kết quả đo biên dạng và xác định sai số so
với đường kính thí nghiệm được cho theo bảng 3.2
3.7. Bù sai số gia công
3.7.1. Phân tích sai số gia công
Từ kết quả đo và xác định sai số theo bảng 3.2, các sai số gia công trên máy
VMC-85S gồm sai số về kích thước, hình dạng hình học của biên dạng gia công cũng
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
79
có sai lệch so với biên dạng ban đầu. Nguyên nhân là do sai số tổng cộng của máy và
hệ thống công nghệ.
Các sai số hình dáng hình học:
- Độ không phẳng của mặt phẳng;
- Độ không trụ;
- Độ không tròn;
- Độ côn, độ lõm, độ trống.
Các sai số vị trí tương quan:
- Độ không vuông góc của bề mặt;
- Độ không đồng tâm giữa hai mặt trụ;
- Độ không đối xứng giữa hai bề mặt;
- Độ không giao nhau giữa hai đường thẳng;
- Độ đảo hướng kính của mặt trụ so với đường tâm;
- Độ đảo mặt đầu so với đường tâm.
Sai số về kích thước gia công
Theo bảng 3.2 ta thấy khi gia công ở chế độ có vận tốc cắt thấp, bước cắt ap lớn
thì sai số càng cao và có giá trị dương, còn khi gia công ở vận tốc cắt cao, bước cắt ap
nhỏ thì sai số có xu hướng giảm và có giá trị âm. Như đồ thị hình 3.26 và 3.27
Hình 3.26. Ảnh hưởng của bước cắt ap
ap (mm)
Sai s?(µm)
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
80
Hình 3.27. Ảnh hưởng của vận
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- doc19.pdf