nghiên cứu nâng ca o 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

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 CƠNG 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 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 CƠNG 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 Nguyễ n Đăng Hoè THÁI NGUYÊN 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc *** о0о THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CƠNG 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 HƢ ỚNG DẪN HỌC VIÊN Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuy ên ngành Công nghệ chế tạo máy MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ BÙ SAI SỐ CHO MÁY CÔNG Chương I 11 14 CỤ CNC 1.1 Các phương pháp bù sai số cho c ác máy CNC 14 1.1.1 Mơ hì nh bù 14 1.1.1.1 Thêm mo dul phần mềm 15 1.1.1.2 Biến đổi thô ng 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 điều khiển 17 1.1.2.1 Thêm modul phần mềm 18 1.1.2.2 Cài đ ặt điều khiển phần cứng độc lập 18 Giới thiệu vài nghiên cứu bù sai số nước 19 1.2 giới 1.2.1 Các cơng trình nước 19 1.2.2 Cơng trình c ác tác gi ả nước 20 1.2.2.1 Bù sai số hình học lực c cho máy phay trục CNC 20 1.2.2.2 Bù sai số hình học cho trung tâm gia cơng đứng 23 1.2.2.3 Bù sai số cho tr ung t âm gi a công nhiề u trục 23 1.3 Kết luận chương I 25 Chương II PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PH ẦN SAI SỐ VÀ CÁC 26 NGUYÊN NHÂN G ÂY SAI SỐ 2.1 Độ xác gi a cơng 26 2.2 Các nguồ n sai số máy công cụ 28 2.2.1 Sai số hình học 29 2.2.2 Sai số vít me 32 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.e du.v n 2.2.3 Sai số sống trượt 32 2.2.4 Sai số ổ đỡ 33 2.2.5 Sai số nhiệt 33 2.2.6 Sai số rung động tự 35 2.2.7 Sai số tải tĩnh động 35 2.2.8 Sai số hệ thống điều khiển truyề n động ser vo 36 2.3 Kết luận chương II 37 Chương III HỆ THỐNG BÙ SAI SỐ G IA CÔNG 39 3.1 Hệ thống t hiết bị t hí nghiệm 39 3.1.1 Tr ung tâm gia công VMC - 85S 40 3.1.2 Máy đo toạ độ chiề u CMM - C544 40 3.1.2.1 Cấu hình máy 40 3.1.2.2 Tí nh kỹ thuật 43 3.1.3 Phần mềm t hiết kế CAD/ CAM 44 3.1.3.1 Thiết kế với trợ giúp c máy tính CAD 45 3.1.3.2 Sản xuất với trợ gi úp máy tí nh CAM 47 3.2 Thực nghiệm gia công máy VMC-85S 50 3.2.1 Thiết kế CAD/ CAM 50 3.2.1.1 Biên dạng kích t hước gia cơng 50 3.2.1.2 Lập trình ngun cơng 51 3.2.2 Tr uyền c hương trình s ang máy CNC 55 3.2.3 Điều nh máy 57 3.2.3.1 Thiết lập gốc toạ độ phôi 57 3.2.3.2 Thiết lập c ác tham số bù dao 57 3.2.3.3 Gia công c gọt 58 3.3 Đo sai số gia công máy CMM - C544 59 3.3.1 Gá đặt chi tiết 59 3.3.2 Khởi động kiểm tr a hệ thống 59 3.3.3 Hiệu chuẩn đầu đo 60 3.3.4 Lập hệ toạ độ chương trình đo 61 3.3.5 Scan biên dạng t hực 62 3.4 Cơ sở liệu scan bề mặt 63 3.4.1 Mơ hì nh mặt lưới qt hì nh 63 3.4.2 Mơ hì nh mặt lưới đ a t hức t ham số 66 3.4.2.1 Mô hì nh mặt lưới đ a t hức chuẩn tắc 66 3.4.2.2 Mơ hì nh mặt lưới Ferguson 67 3.4.2.3 Mơ hì nh mặt lưới Bezier 69 3.4.2.4 Mơ hì nh mặt lưới B-spli ne 70 3.5 Xử l ý liệu đo 70 3.5.1 Xây dựng lưới tam giác Gergory từ đ ám mây điểm 71 3.5.2 Xây dựng lưới điểm theo mặt B-spline 73 3.5.3 Đơn gi ản hoá lưới tam giác 75 3.6 Xây dựng đường tròn t heo biên dạng đo 75 3.6.1 To độ tâm bán kí nh đường trịn qua ba điểm đo 75 3.4.5 To độ tâm bán kí nh đường trịn qua toạ độ n điểm đo 77 3.7 Bù sai số gia công 79 3.7.1 Phân tích s số gi a cơng 79 3.7.2 Bù sai số gia công 82 3.7.3 Bù chương trình NC phần mềm CAD/ CAM 82 3.8 Sản phẩm ứng dụng 85 Chương KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 CÁC TỪ VIẾT TẮT CMM Coordinate Meas uring Machi ne Máy đo toạ độ chiề u Co-or Sys Coordinate System Hệ toạ độ VMC Vertical Mac hini ng Ce nter CAD Computer Ai ded Design Tr ung tâm gia công đứng Thiết kế với trợ gi úp CAM uring Computer Ai ded Manufact CNC Computer Numerical Control Điều khiể n số máy tính 3D Dimension 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 c nhân PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển PLC FEM Finite Eleme nt Met hods CAP anning Computer Ai ded Pl CAPP Computer Ai ded Process máy tính Sản xuất có trợ gi úp máy tính Phương pháp phần tử hữu hạn công nghệ Planning CAQ Computers Aide d Quality Control DNC Direct Numerical Control Điều khiể n số trực tiếp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ thống bù s số máy cơng cụ 15 Hình 1.2 Các t hành phần c Post Processor 16 Hình 1.3 Các t hành phần c biến đổi mã NC 17 Hình 1.4 Cấu tr úc 3-80-30 mơ hì nh sai số 20 Hình 1.5 Cấu tr úc 4-20-3 mơ hình s số lực c 21 Hình 1.6 Cấu tr úc 7-110-3 mơ hì nh sai số tổng hợp 21 Hình 1.7 Hệ thống bù s số cho trung tâm gia cơng đứng 22 Hình 1.8 Bù sai số phần mềm cho máy công cụ nhiều trục CNC 24 Hình 1.9 Bù sai số chương trình NC 24 Hình 2.1 Độ xác gi a cơng 27 Hình 2.2 Sai số tổng hợp c máy cơng cụ 29 Hình 2.3 Các t hành phần s số tổng hợp 30 Hình 2.4 Kho ảng c ách tr ục vítme - bàn máy 31 Hình 2.5 Hệ thống phản hồi máy cơng cụ 36 Hình 3.1 Sơ đồ cơng nghệ thực nghiệm 39 Hình 3.2 Cấu t ạo máy CMM 41 Hình 3.3 Các loại đầu đo cho máy CMM 42 Hình 3.4 Biên dạng gia cơng thực 50 Hình 3.5 Khai báo phơi, vật liệu, hệ điều khiể n 51 Hình 3.6 Thiết lập c ác thô ng số công nghệ 52 Hình 3.7 Mơ chươ ng trình gi a cơng 53 Hình 3.8 Giao diện DNC 56 Hình 3.9 Các t ham số DNC 56 Hình 3.10 Tr uyền nhận c hương trình 57 Hình 3.11 Phần mềm Geopak 59 Hình 3.12 Hiệu chuẩn đầu đo 60 Hình 3.13 Đo sai số thực nghiệm 61 Hình 3.14 Thiết lập c ác thơ ng số đo 62 Hình 3.15 Dữ liệu đám mây điểm 63 Hình 3.16 Mặt quét hì nh song song 64 Hình 3.17 Mặt quét hì nh trịn xoay 65 Hình 3.18 Mặt cong qt hì nh phi t ham số 65 Hình 3.19 Mặt lưới đa thức c huẩn bậc ba 67 Hình 3.20 Mặt lưới Fer guson 68 Hình 3.21 Mặt lưới Berier bậc kép 69 Hình 3.22 Mặt lưới B- Spli ne bậc kép 70 Hình 3.23 Dữ liệu biên mặt cong tam giác 71 Hình 3.24 Mặt cong Gregory 72 Hình 3.25 Đường cong B-s pline bậc 73 Hình 3.26 Ảnh hưởng bước cắt ap 79 Hình 3.27 Ảnh hưởng vận tốc cắt 80 Hình 3.28 Chiến lược bù sai số 82 Hình 3.29 Biên dạng gia cơng kiểm nghiệm 84 Hình 3.30 Sản phẩm gia cơng 85 Hình 3.31 Thiết lập c ác tham số bù 86 Hình 3.32 Mơ q trì nh gi a cơng 86 Hình 3.33 Gia cơng s ản phẩm máy VMC 85S 87 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Chế độ gia cô ng 58 Bảng 3.2 Kết gi a cơng 77 Bảng 3.3 Tí nh toán bù sai số 80 Bảng 3.4 Sai số s au bù 85 Bảng 3.5 Kết đo sai số gi a công 87 N188X4.59R4.53 N190X-4.71R4.65 N192X4.83R4.77 N188X4.59R4.53 N190X-4.71R4.65 N192X4.83R4.77 N194 X3.217 Y3 63R4 89 N196 X-3.21 7Y -3 63R4 85 N198X4 85Y 0.R4.85 N200 X3.217 Y3 63R4 85 N194 X1.069Y4 758 R4.8 N196 X-1.06 9Y -4 758 R4.87 N198X4 877 Y0.R4.877 N200 X1.069Y4 758 R4.8 77 N202G0Z30 N202G0Z30 N204 X5.Y N20 Z5 N208G1 Z-5 F150 N210G3 X-5 R5 F470 N212X5 R5 N204 X5 027 Y0 N206 Z5 N208 G1Z-5.F150 N210 G3X-5.027R5 027 F470 N212 X5.027R5 027 N214G0Z30 N216M5 N218G91G28Z0 N220G28X0.Y0 N222M30 % N214G0Z30 N216M5 N218G91G28Z0 N220G28X0.Y0 N222M30 % Chương trình NC đ ã bù sai số gi a công kiểm nghiệm đo sai số cho kết bảng * Gia cơng hốc 2D: Hình 3.29 Biên dạng gia công kiểm nghiệm Bảng 3.4 Sai số sau bù Kí ch thước gi a Chế độ cắt F V t (mm/phút) (m/phút) (mm) 20 470 87.92 -2 03 (0.24) 19.997 -0.003 20 470 87.92 -2 03 (0.24) 19.989 +0.011 20 470 87.92 -2 03 (0.24) 19.992 -0.008 Sai số tổng hợp -0.0073 Như vậy, cách bù sai số ta thấy sai số tổng hợp giảm từ 0.0265 đến -0.0073 hay nói cách khác độ xác chi tiết gia công cải thiện 3.8 Sả n phẩm ứng dụng Để kiểm chứng phươ ng pháp bù s số đề xuất để kết nghiê n cứu c đề tài có ý nghĩ thực tiễn, tác giả ứng dụng kết nghiê n cứu để gia cơng chi tiết hình dáng hình học phức t ạp sau: Hình 3.30 Sản phẩm gia cơng Khởi động chương trình CAM, l ập trì nh gia cơng s ản phẩm thiết lập tham số bù s số hình 3.21 Hình 3.31 Thiết lập tham số bù Hình 3.32 Mơ q trình gia cơng Hình 3.33 Gia cơng sản phẩm máy VMC-85S Sau gi a công xong t a tiến hành đo để kiểm tra độ chí nh xác c hi tiết gia công máy đo CMM Kết đo thể bảng 3.5 Bảng 3.5 Kết đo sai số gia công Chế độ cắt Kí ch thước gi a F V (mm/phút) (m/phút) t (mm) L1 160 470 87.92 -2 03 (0.24) 159.992 -0.008 L2 80 470 87.92 -2 03 (0.24) 79.986 -0.014 L3 24 470 87.92 -2 03 (0.24) 23.987 -0.013 L4 25 470 87.92 -2 03 (0.24) 25.0015 +0.015 L5 30.57 470 87.92 -2 03 (0.24) 30.588 +0.018 L6 20.03 470 87.92 -2 03 (0.24) 20.004 -0.026 L7 200 470 87.92 -2 03 (0.24) 199.984 -0.016 L8 100 470 87.92 -2 03 (0.24) 100.025 +0.025 Như vậy, c ách xác định sai số tổng hợp mà không quan tâm đến nguyên nhân gây s số phức tạp c biên dạng gi a công, sau sử dụng kết tính tốn để thiết lập giá trị bù phần mềm CAD/ CAM phần mềm tự động đưa chươ ng trình NC t hơng qua vị trí bù sai số để gia công cho phép nâng c ao độ xác gi a cơng c hi tiết Cách l àm đơn gi ản, tốn đem lại hiệu định việc nâng cao độ xác máy CNC công nghiệp đ ại Chương KẾT LUẬN Trê n sở hệ thố ng t hiết bị gồm: Máy đo chiều CMM-C544, trung t âm gia cơng VMC-85S, phần mềm tích hợp CAD/CAM t ại trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp t ài liệu liên quan, hướng dẫn t ận tình PGS.TS Nguyễ n Đăng Hoè tác giả thực hiệ n đề tài “Nghiên cứu nâng cao độ c hính xác gia cơng chi tiết hình dáng hình học phức tạp trung tâm gia cơng tr ục CNC phương pháp bù sai số Sau tháng thực đến đề tài hoàn thành giải c ác vấn đề sau: - Nghiên cứu khai thác tính cơng nghệ máy CMM – C544 trung tâm gi a công VMC – 85S; - Ứng dụng công nghệ đo – Scanning để tạo mô hình CAD c sản phẩm kiểm tra độ xác gi a cơng; - Khai thác ứng dụng hệ thố ng t hiết bị công nghệ cao t ại nhà trường kỹ thuật đo xác đị nh sai số gia công máy CNC ; - Xây dựng t huật toán bù sai số c hương trình NC máy VMC-85S; - Phục vụ cho c hương trình đào t ạo, nghiên cứu kho a học chuyển gi ao công nghệ nhà trư ờng; - Ứng dụng vào thực tế sản xuất chế tạo gia công khuôn m ẫu có biên dạng bề mặt phức tạp đ ạt độ xác cao ; - Ứng dụng cơng nghệ CAD/CAM/ CNC gia cơng khí c hính xác Với kết có trên, đề tài đ ã hoàn thành đạt mục tiêu đề Tuy nhiê n, bù sai số trung t âm gia cơng CNC cịn vấn đề mẻ Việt Nam đề tài nghiên cứu t ài liệu tham khảo tiếng Việt ỏi Mặt khác, trình độ tác giả cịn hạn chế thời gi an thực luận văn có hạn nên luận văn không tr ánh khỏi hạn chế t hiếu sót Cụ t hể nội dung nghiê n cứu đề t ài t ập trung nhiều vào thực nghiệm ứng dụng mà chưa đưa r a mơ hình thuật tốn bù tổng quát Tro ng tương lai, t ác giả dự định tiếp tục phát triển luận văn để Nghiên cứu nâ ng cao độ xác chế tạo khuôn mẫ u sở ứng dụng kỹ thuật tái tạo ngược bù sai số gia công Vì vậy, tác gi ả mong nhận bảo, đóng gó p ý kiến thầy cô c ác bạn đồng nghiệp, để đề tài ho àn thiện có triển vọ ng phát triển tương l Xi n trân trọng c ảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tr ần Văn Địc h, Công nghệ gia công máy CNC, NXB KH KT, 2000; [2] Tạ Duy Liêm, Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ, NXB KH KT; [3] Bành Tiến Lo ng, Nghiên cứu bù sai số vị trí phần mềm điều khiển gia cơng phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt nam, 2007; [4] Chế độ cắt gia cơng khí (NXB Đà Nẵng) ; [5] Dung sai lắp ghép (NXB Đà Nẵng) ; [6] Chana Raksiri, Geometric and Force errors compensation in a 3-axis CNC milling machine, International Jour nal of Machine tools & Manufact uring, 2004; [7] Handbook of Dimentional Measurement (Industrial press inc - 200 Madison Ave nue, Ne w york, N.Y 10157) [8] Mahbubur Rahman, Modeling and Measurement of multi-axis machine tools to improve positioning accuracy in a software way , OULU 2004; [9] Mechanical Design Solutions 1,2,3 Catia V5R16 [10] Advanced Modelling for CAD/CAM System (Heidelber g 1991) [11] Software Mastercam Version 9.0 [12] Shih-Mi ng Wang, A new efficient error compensation system for CNC multi -axis machines, International Jour nal of Mac hine tools & Manufacturi ng , 2002; ... tham số bù dao 57 3. 2 .3. 3 Gia công c gọt 58 3. 3 ? ?o sai số gia công máy CMM - C544 59 3. 3.1 Gá đặt chi tiết 59 3. 3.2 Khởi động kiểm tr a hệ thống 59 3. 3 .3 Hiệu chuẩn đầu ? ?o 60 3. 3.4 Lập hệ toạ độ. .. GS.TS Nguyễn Đăng Hoè, t ác giả thực hiệ n đề tài:? ?Nghiên cứu nâng cao độ xác gia cơng chi tiết hình dáng hình học phức tạp trung tâm gia công trục CNC phương pháp bù sai số? ?? Tro ng t hời gi an... 20 1.2.2.1 Bù sai số hình học lực c cho máy phay trục CNC 20 1.2.2.2 Bù sai số hình học cho trung tâm gia cơng đứng 23 1.2.2 .3 Bù sai số cho tr ung t âm gi a công nhiề u trục 23 1 .3 Kết luận