THÁI NGUYÊN 2008
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
THÁI NGUYÊN 2008 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
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
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
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
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
To ạ độ tâm và bán kính đường tròn qua ba điểm đo
75
3.4.5
To ạ độ tâm và bán kính đường tròn qua toạ độ của n điểm đo
77
3.7
Bù sai số gia công
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
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
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
73
Hình 3.26
Ảnh hưởng của bước cắt a
p
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
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 Tr ương Thị Thu Hương
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
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
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
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
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
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.
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
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
Copyright: Tài liệu đại học ©