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

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 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 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

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 3.29 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
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


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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

- 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
13

* Sơ đồ nghiên cứu
Hình 1 Phương pháp bù sai số


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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
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.


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
Ki ểm 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
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)

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
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

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
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,


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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
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