Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo
máy
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

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
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

CAPP
Computer Aided Process
Planning
Lập quy trình công nghệ có
trợ giúp của máy tính
CAQ Computers Aided Quality Control Kiểm tra chất lượng sản phẩm
DNC Direct Numerical Control Điều khiển số trực tiếp
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hệ thống bù sai số của máy công cụ 15
3
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo
máy
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 3.31 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
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
5
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo
máy
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
6
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo
máy
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

8
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo
máy
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.
9
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo
máy
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
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;
11
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
- 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.
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

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
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.
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

Chương trình NC mới
Thông tin
máy
Thông tin
sai số
15
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo
máy
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.
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

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
17
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo
máy
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
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

Chiều sâu cắt
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
Hình 1.6: Cấu trúc 7-110-3 của mô hình sai số tổng hợp
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.
20
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

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
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).
22
P
d
+ Σδ(I)
Dự báo
sai số
P
c
+ e(P
c
)
δ(I)≤10
-4
P
c
Đầu ra
P
c
(I)
Có
Không
P
d
δ(I)
Bù sai số phần mềm hồi quy

cắt
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
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.
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.
24

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

Trích đoạn Gá đặt chi tiết: Mô hình mặt lưới quét hình Xây dựng lưới tam giác Gregory từ các đám mây điểm Xây dựng lưới điểm theo mặt B-spline Phân tích sai số gia công

---