tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật 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

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 tínhCAM Computer Aided Manufacturing Sản xu

1.1.2.1 Thêm modul phần mềm mới 18

1.1.2.2 Cài đặt bộ điều khiển phần cứng độc lập 181.2 Giới thiệu một vài nghiên cứu bù sai số ở trong nước và trên

Chương II PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SAI SỐ VÀ CÁC

NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ

3.1 Hệ thống thiết bị thí nghiệm 39

3.1.2 Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 40

3.1.3.1 Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD 453.1.3.2 Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM 473.2 Thực nghiệm gia công trên máy VMC-85S 50

3.3 Đo sai số gia công trên máy CMM - C544 59

3.3.4 Lập hệ toạ độ của chương trình đo 61

3.4.2.1 Mô hình mặt lưới đa thức chuẩn tắc 66

3.5.1 Xây dựng lưới tam giác Gergory từ các đám mây điểm 713.5.2 Xây dựng lưới điểm theo mặt B-spline 73

3.6 Xây dựng đường tròn theo biên dạng đo 753.6.1 Toạ độ tâm và bán kính đường tròn qua ba điểm đo 753.4.5 Toạ độ tâm và bán kính đường tròn qua toạ độ của n điểm đo 77

3.7.3 Bù chương trình NC bằng phần mềm CAD/CAM 82

3.8 Sản phẩm ứng dụng 85

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

tínhCAM Computer Aided Manufacturing Sản xuất có trợ giúp của máy

tínhCNC Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính

PC Personal Computer Máy tính cá nhân

PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển PLC

FEM Finite Element Methods Phương pháp phần tử hữu

hạnCAP Computer Aided Planning Lập kế hoạch có trợ giúp của

máy tínhCAPP 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 phẩmDNC 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

Hình 1.2 Các thành phần của Post Processor 16Hình 1.3 Các thành phần của bộ biến đổi mã NC 17Hình 1.4 Cấu trúc 3-80-30 của mô hình sai số 20Hình 1.5 Cấu trúc 4-20-3 của mô hình sai số do lực cắt 21Hình 1.6 Cấu trúc 7-110-3 của mô hình sai số tổng hợp 21Hình 1.7 Hệ thống bù sai số cho trung tâm gia công đứng 22Hình 1.8 Bù sai số bằng phần mềm cho máy công cụ nhiều trục CNC 24Hình 1.9 Bù sai số bằng chương trình NC 24

Hình 2.2 Sai số tổng hợp của máy công cụ 29Hình 2.3 Các thành phần sai số tổng hợp 30Hình 2.4 Khoảng cách trục vítme - bàn máy 31Hình 2.5 Hệ thống phản hồi của máy công cụ 36

Hình 3.5 Khai báo phôi, vật liệu, hệ điều khiển 51Hình 3.6 Thiết lập các thông số công nghệ 52Hình 3.7 Mô phỏng chương trình gia công 53

Hình 3.25 Đường cong B-spline đều bậc 3 73

Hình 3.29 Biên dạng gia công kiểm nghiệm 84

Hình 3.33 Gia công sản phẩm trên máy VMC 85S 87

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong Luậnvăn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáoPGS.TS Nguyễn Đăng Hoè Ngoài phần tài liệu tham khảo đãđược liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực vàchưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008

Người thực hiện

Trương Thị Thu Hương

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cảcác lĩnh vực thì các sgản phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất lượngsản phẩm, mức độ tự động hoá quy trình sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dánghình học của sản phẩm

Để nâng cao được độ chính xác của các máy CNC nói chung, máy phay CNCnói 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 lớncủa nhà trường, các Khoa, các Phòng, Ban chức năng, các thầy cô giáo và các đồngnghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, khoa Sau đại học, các giáo viêngiảng 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 hiệnLuận văn này;

Tác giả chân thành cảm ơn Trung tâm thí nghiệm và các giáo viên thuộc Trungtâm đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sử dụng thiết bị để thực hiệnLuận văn;

Tác giả cũng rất lấy làm cảm kích trước những ý kiến đóng góp của các thầy côgiáo thuộc khoa Cơ khí và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tácgiả 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 chắcchắn Luận văn này không tránh khỏi thiếu sót Tác giả rất mong sẽ nhận được những ýkiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiệnhơn 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

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 cảcác lĩnh vực thì các sản phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất lượngsản phẩm, mức độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng hình họccủa sản phẩm Vì vậy, các công nghệ gia công truyền thống trên các máy vạn năng khóđáp ứng tốt được nhu cầu ngày càng cao này và do đó sự cạnh tranh của sản phẩm trênthị trường bị hạn chế Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển và nghiên cứu các công nghệmới nhằm nâng cao độ chính xác hình dáng hình học nói riêng, nâng cao chất lượngsản phẩm chế tạo nói chung

Xuất phát từ thực tế trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã đầu tư trung tâmgia công VMC- 85S, máy đo toạ độ 3 chiều CMM Để nâng cao hơn nữa hiệu quả sửdụng của các hệ thống thiết bị kỹ thuật này vào chương trình đào tạo đại học, sau đạihọc, nghiên cứu khoa học, chuyển giao công nghệ và khai thác ứng dụng vào quá trìnhsản 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 caothường được áp dụng nhiều trên các trung tâm gia công Tuy nhiên quá trình gia côngluôn luôn không hoàn hảo và gây sai số gia công Do đó, nâng cao độ chính xác giacông trên các trung tâm gia công là một trong những nhiệm vụ quan trọng của ngànhchế tạo máy Mặt khác, trong thực tế sản xuất hiện nay thì vấn đề bù sai số gia côngtrên các các trung tâm gia công bằng phương pháp tác động vào quá trình điều khiểnvẫn 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 tiếthình 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 tiếpcho đào tạo, chuyển giao công nghệ của nhà trường và đặc biệt là ứng dụng vào thực tếsản xuất gia công các chi tiết hình dáng hình học phức tạp với độ chính xác gia côngcao hơn

- 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 nhàtrường;

- 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:

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 giacông VMC - 85S;

- Nghiên cứu xử lý dữ liệu đo Scanning trên máy CMM để thiết kế lại mô hìnhCAD 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;

Máy công cụ CNC

- Thực nghiệm chế tạo bề mặt phức tạp, Scanning chi tiết trên máy CMM đểđánh 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

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 máycông cụ đã được trình bày bởi Chen 1993, Rahman 1997, 2000 và Suh 1999 Nhữngnghiên cứu này dựa trên mô hình ma trận để nâng cao độ chính xác chi tiết gia công vàđược thực hiện bằng Post Processor hoặc bằng cách điều khiển thủ công Nhiều máycông cụ có cơ cấu hỗ trợ bù sai số, nghĩa là bảng sai số được cập nhật từ cơ cấu điềukhiển và bộ điều khiển này có thể bù các sai số kể trên Nhiều cơ cấu điều khiển hiệnđại đã được xây dựng với đặc trưng đó, như TNC 530 (Heidenhain 2002) TNC đã lợidụng gia tốc rung giới hạn để tối ưu sự điều khiển tool-path nhằm ngăn chặn sự daođộng 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 xáccao hơn có thể đạt được với các tốc độ gia công cao cùng với sự bù nhiệt cho các trụcriêng 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 chỉnhcác 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, nhúngchương trình bù sai, sử dụng Post processor và điều chỉnh chương trình NC (Hình vẽ1.1) Sự hiệu chỉnh các sai số sẽ được thực hiện dựa trên sự thiết lập mối quan hệ toánhọc 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

Begin Đo

Cắt thử Kiểm tra

End

Trong phương pháp này, chúng ta có thể thêm vào phần mềm có sẵn một modulkhác để xử lý thông tin sai số hiện tại của các máy công cụ Modul này có thể giữ cáckết quả đo của máy công cụ và có thể cập nhật các tín hiêu vị trí dựa trên sự mã hoáliên 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 cóthể đọc thông tin trước khi thực hiện các chương trình NC Có nhiều phần mềm hữuích có thể thực hiện việc cập nhật tới các bộ điều khiển CNC Ví dụ như một bảng bùsai số có thể được cập nhật vào bộ điều khiển CNC dựa trên sự đo bằng giao thoa kếlaser sau đó tính toán một bảng bù sai số mới, xuất ra chương trình NC và gửi data bởimodul 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 đượccập 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 chứcnăng của bộ Post processor Trong giai đoạn hình thành chương trình NC chúng ta cóthể gắn thông tin về sai số hình học, chúng có thể được cấy các thông tin sai số trongkhi thiết lập chương trình NC (Takeuchi 1992)

Hình 1.2: Các thành phần của Post Processor

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 sốtrường hợp Sự biến đổi bằng post procesor và sự biến đổi mã NC có nguyên lý nhưnhau 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

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

Các máy công cụ NC đã được trang bị một bộ điều khiển để điều khiển chuyểnđộng của tất cả các trục dựa trên chương trình NC Một trong các chức năng của bộđiều 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, cáctrục chuyển động trong mỗi toạ độ được điều khiển bằng một bộ điều khiển riêng Bộđiều khiển nhận giá trị đo lường từ hệ thống đo và tín hiệu sai số được tạo ra dựa trêngiá trị thiết kế của bộ điều chỉnh Thuật toán điều khiển được thực hiện trong phầnmềm gắn trong bộ điều khiển Hầu hết các bộ điều khiển cho phép một số thông sốbiến đổi được bởi người sử dụng và một số thông số không biến đổi được bởi người sửdụng (Hệ thống đóng) Hiện nay, công nghệ này đang phát triển theo hướng kỹ thuậtđiều khiển hệ thống mở (Reuven 20000) Máy CNC cấu trúc mở (hệ thống mở) chophép 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 sựthêm thành phần SW vào bộ điều khiển (Nhánh 1 hình 1.1) Đầu tiên, bộ đọc chươngtrình NC và bộ xử lý hình học xác định khoảng cách dịch chuyển và vận tốc, gia tốccho 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 cụngày nay phát triển theo hướng cấu trúc mở, nó sẽ có thể cài đặt phần mềm thêm vàotrong bộ điều khiển

Hầu hết các máy công cụ sử dụng phần mềm điều khiển như nhau tại mọi thờiđiểm Theo thời gian, hệ thống dẫn động máy sẽ bị mòn (thay đổi sai số tổng hợp) phầnmềm điều khiển không nhận biết được sự mòn Do đó, yêu cầu cập nhật modul mớihoặc 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 hìnhhọc, 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 lýchương trình NC Bảng I/O độc lập có thể được cài đặt trong PC để chuyển tín hiệuliên hệ ngược từ máy khi chương trình NC đang được thực hiện Dựa trên vị trí hiệntại, chương trình con có thể biến đổi giá trị toạ độ máy trước khi đưa tới các hệ thốngdẫn 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 độphân giải bé nhất của hệ thống servo Với sự biến đổi mã NC, rất khó để nội suy đườngtròn để xác định lại đường tròn mới với sai số nhỏ hơn Hạn chế chính của phươngpháp này là chúng ta phải cài đặt chương trình con I/O vào bộ điều khiển

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 phayCNC bằng bộ điều khiển Theo tác giả, tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá chất lượngmáy là sai số vị trí Khi gia công, bộ điều khiển sẽ điều khiển các trục x, y, z sao chodụng cụ đạt được toạ độ theo yêu cầu - toạ độ này được xác định thông qua encordergắn 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 chínhxác gia công Chính vì vậy, một giải pháp tổng hợp đã được đưa ra là nghiên cứu sai sốtổng hợp và bù sai số thành phần bằng phần mềm của bộ điều khiển iTNC530 kết hợpvới 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 thulaser 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 nộisuy 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 giacông thử nghiệm và đo kiểm tra 02 thông số: sai số vị trí của các lỗ tâm, sai số nội suykhi gia công vòng tròn với vật liệu là thép 40X, dụng cụ là dao phay ngón, tốc độ trụcchính 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 chuyểnđộng của bàn máy Nó có khả năng khử được một phần các ảnh hưởng do sai số chếtạo và lắp ráp Do vậy, nó cho phép giảm giá thành gia công chi tiết do không đòi hỏimáy có độ chính xác cao Tuy nhiên, trong miền gia công có vài điểm có độ chính xáccòn thấp (sai số còn >0.01mm) Mặt khác, tác giả cũng chưa đưa ra được bản đồ sai sốtrên toàn miền làm việc 3D của từng máy CNC để đánh giá được chất lượng và giảipháp 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 trìnhgia công vì nhu cầu về độ chính xác ngày càng tăng Ảnh hưởng quan trọng nhất tới độchính xác gia công là độ chính xác của máy công cụ Các sai số vị trí xuất hiện do hìnhhọc, lực cắt, tải trọng động.v.v Chana Raksiri và Manukid Parnichkun [6] đã đề xuấtmột mô hình bù sai số độc lập bằng cách tính toán các sai số hình học do lực cắt trêncác 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

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 trênviệc quan sát sự làm việc của dao phay mặt đầu Một cảm biến lực cắt đã được thiết kế

và áp dụng để đo lực cắt Kết quả của sai số gia công do lực cắt gây ra được đo bằngcamera 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 mạngnơron Sau đó, xây dựng hệ thống bù đồng thời cả sai số gây ra bởi hình học và lực cắtbằng một mô hình duy nhất

Lớp ẩn

ra

Sai số do lực cắt trên trục xSai số do lực cắt trên trục y

Sai số do lực cắt trên trục z

Đầu raLớp ra

Sai số hình học trên trụcy

Sai số hình học trên trụcz

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, SRPostlethwaite, 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 phầnsai số trên từng trục Mức độ ghép trục phụ thuộc vào hệ thống máy công cụ và mức độcứng vững của cấu trúc máy Các ảnh hưởng nhiệt có thể ảnh hưởng đến các thànhphần sai số của máy công cụ

Lớp ẩnLớp

Đầu ra

Sai số tổng hợp trên trục x

Sai số tổng hợp trên trục y

Sai số tổng hợp trên trục z

Hình 1.7: Hệ thống bù sai số cho trung tâm gia công đứng

Mô hình động học được biến đổi để cho phép áp dụng đối với các ảnh hưởngcủa hệ thống không cứng vững và đưa ra một lý thuyết mới để giảm các sai số gia cônggây ra bởi biến dạng nhiệt cho các máy CNC Phương pháp này được thực hiện nhằmgiảm sai số nhiệt dựa trên kỹ thuật đo gián tiếp Trong đó, sự liên hệ giữa nhiệt độ vàbiến dạng được chia thành hai phần: Mô hình nhiệt và mô hình biến dạng Sử dụng môhình nhiệt và biến dạng độc lập cho các kỹ thuật phân tích, sử dụng phương pháp phântích 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 –freedựa trên phương pháp Garlerkin để dự báo sai số và phương pháp bù phần mềm hồiquy và phần mềm biến đổi mã NC Với phương pháp này có thể hiệu chỉnh trực tiếpquỹ đạo cắt gọt của máy dựa trên các sai số đã được dự báo Khi đường cắt gọt đượcquy 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 côngchính xác

Hệ thống gồm bốn khối phần mềm Mô hình động học, sự biến đổi sai số hìnhhọc, 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 cấpgiao diện giữa hệ thống bù sai số và các trục máy Các tín hiệu từ bộ mã hoá, hai tínhiệu pha vuông góc và mốc các tín hiệu được đưa đến modul trục qua dải cách lyquang 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, cóthể được sử dụng bởi PC PC tính toán giá trị bù cơ bản vị trí các trục hiện thời bằngmodul giải mã và lưu trữ giá trị các sai số hình học Giá trị bù được đưa tới để điềukhiển sự dịch chuyển các trục qua modul đầu ra Modul này sẽ cung cấp đầu dẫn nhậpkhác tới bộ tiền khuếch đại của bảng dẫn động các trục (điều khiển tương tự) hoặc đểbiến đổi vị trí của bộ chuyển đổi đếm (điều khiển số)

Phần mềm bù

End

Hệ thống servo

Động học nghịch cơ cấu điều khiển CNC

Viết lại các mã NC

Pc

Hình 1.8: Bù sai số bằng phần mềm cho máy công cụ nhiều trục CNC

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 biếntrong kỹ thuật Bảng sai số có thể được cập nhật dựa vào thiết bị đo laser hoặc máy đotoạ độ CMM Các cơ cấu điều khiển máy tìm bảng sai số và bù sai số theo bảng Sai sốkhe hở dọc trục có thể được biến đổi bởi người sử dụng là một thông số của hệ thốngđiều 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

Vị trí

dao

Mã NC đầu vào

Xác định các toạ độ trục của điểm thiết kế

Các toạ độ trục sau khi

Đọc các dải của

mã NC

Hình 1.9: Bù sai số bằng chương trình NC

như độ vuông góc không thể bù được bằng bất kì sự điều chỉnh các thông số nào bởicác hệ điều khiển cũ Ngoài ra, có thể bù sai số cho máy công cụ bằng cách thực hiệnthuật toán hiệu chỉnh trong post processor hoặc xử lý chương trình NC khác Tuynhiên, giải pháp này có hạn chế cơ bản là phải thực hiện một chương trình NC lớn Nócũng cần mô hình toán học tốt và chính xác của sai số profile của máy công cụ Điềunày dẫn tới giải pháp gắn thêm modul phần mềm Hệ thống bù thời gian thực được nốiliền với bộ điều khiển các tín hiệu bù sai số được đưa vào vòng servo điều khiển vị tríqua 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 độbóng 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 quyđịnh 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 làmviệc.v.v Tuy nhiên, người trực tiếp chế tạo sẽ là người quyết định cuối cùng độ chínhxác 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 kémnhất 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 hoàntoàn 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 thướcgóc Độ chính xác kích thước được đánh giá bằng sai số kích thước thật so vớikích thước lý tưởng cần có và được thể hiện bằng dung sai của kích thước đó

Độ sóng

Độ nhá

m bề mặt

Tính chất

cơ lý lớp bề mặt

Sai số tổng

Sai

số

hệ thống

Sai

số ngẫu nhiên

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 mộtgóc nào đó của bề mặt này so với bề mặt kia Vì chi tiết là một vật rắn nên độ chínhxác xoay của bề mặt này so với bề mặt kia được quan sát theo hai mặt phẳng toạ độvuông góc nhau Như vậy, độ chính xác vị trí tương quan được đánh giá theo sai số vềgóc yêu cầu giữa vị trí bề mặt này với bề mặt kia trong hai mặt phẳng toạ độ vuông gócvới nhau Độ chính xác vị trí tương quan thường được ghi thành một điều kiện kỹ thuậtriêng trên bản vẽ thiết kế

- Độ chính xác hình dạng hình học của chi tiết máy là mức độ phù hợp củachúng với hình dáng hình học lý tưởng Ví dụ như chi tiết hình trụ thì độ chính xáchình 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 bằngmột trong hai chỉ tiêu Ra và Rz Đây là sai số của bề mặt thực quan sát trong một miềnxác định

- Tính chất lớp cơ lý lớp bề mặt của chi tiết gia công: Là một trong những chỉtiêu quan trọng của độ chính xác gia công, nó ảnh hưởng lớn đến điều kiện làm việccủa chi tiết máy nhất là các chi tiết chính xác và các chi tiết làm việc trong những điềukiện đặc biệt

Khi xem xét độ chính xác gia công của một cụm chi tiết, ngoài những yếu tố cầnxem xét cho một chi tiết cần phải kể đền những yếu tố khác nhằm đảm bảo sai số tổnghợp xuất hiện trên một chi tiết bất kì trong nhóm đều nhỏ hơn sai số cho phép Khi giacông một loạt chi tiết trong cùng một điều kiện xác định mặc dù những nguyên nhânsinh 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 khácnhau 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 cácnhân 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 dẫnđộng, lực quán tính khi hãm, khi tăng tốc, ma sát, hệ thống điều khiển servo, lực cắt vàrung động Với máy nhiều trục, kết quả nhận được là tồn tại cả các sai số dọc trục vàsai số độ nghiêng, độ lắc, sai số hướng tâm và sai số vị trí trong không gian làm việccủa máy Tải trọng làm việc tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công sẽ gây biến dạngchi 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;

- 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 hệcủa chúng Nói rộng hơn, sai số máy công cụ có thể được chia thành hai nhóm: Sai số hệthống và sai số ngẫu nhiên Các sai số hệ thống có thể được mô tả và có thể được dự báodựa trên các mô hình toán học Các sai số ngẫu nhiên khó lập mô hình và khó bù

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

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 theomột đường biên cụ thể tại bước tiến nhất định bằng cách chuyển động đồng thời haitrục nên được tiến hành để xác định các vấn đề trong các hệ điều khiển số và cơ cấuservo 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 sốnày không thay đổi theo thời gian (chúng có tính lặp lại ổn định) 75% sai số số banđầu của một máy công cụ mới xuất hiện do quá trình sản xuất và lắp ráp (Cecil và CS1998) 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;

+ δyx, δzx, δxy, δzy, δxz, δyz là các sai số độ thẳng, trong đó chỉ số thứ nhất chỉphương sai số, chỉ số thứ hai chỉ phương dịch chuyển;

Hình 2.3: Các thành phần sai số tổng hợp

+ εxx, εyx, εzx, εxy, εyy, εzy, εxz, εyz, εzz là các sai số góc, trong đó chỉ số thứ nhất chỉtrục 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 vàthay 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 trongmột khoảng thời gian nào đó Trong đó sai số do lắp ráp tác động nhiều đến độ chínhxác 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 làđáng kể

Chúng ta không thể đo sai số này một cách trực tiếp nhưng bằng tín hiệu liên hệngược chúng ta có thể tính được sai số này (Ibaraki - 2001) Sự cố định các sai số này

Chuyển

động quay quanh

trục X Ecu Giá

P w

X Y

Ổ đỡ

Chuyển động quay quanh trục Y

Chuyển động quay quanh trục X

rất khó Nhưng với phép tính toán học và sự đo lường của máy, chùng ta có thể điềukhiển 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 độngtịnh tiến bằng vít me bi như trong Hình 2.3 và 2.4 Vít me đai ốc có ma sát lớn hơn sovới 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 hệthống 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 chủyếu từ sai số bước vít me Sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo vì bước củavít 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 củatrục 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 bikhông được đặt đối xứng Với sống dẫn hướng trượt, ma sát trượt lớn và luôn luôn xuấthiện 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 khảnăng giảm áp lực Việc điều khiển nhiệt độ của chất lỏng có tính quan trọng; nếukhông, tác động của nhiệt là đáng kể Các nguồn sai số chính gây ra bởi sống dẫnhướng 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 đổicủa nhiệt độ Ổ cố định hai đầu trục vít me làm cho trục vít me bị uốn khi nhiệt độtăng Loại ổ đỡ khác là một đầu cố định và đầu kia được đặt tải từ trước Loại ổ đỡ nàylàm việc giống như loại ổ đỡ cố định hai đầu ở phạm vi lực nhất định và ngoài khoảngnày nó làm việc như loại một đầu cố định và một đầu trượt Các nguồn sai số liên quanđến ổ đỡ do góc nghiêng của ở vành ổ, sự đồng tâm của trục động cơ servo với cácphần 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 nhiệtxuất hiện từ nhiều nguồn Mọi thay đổi về sự phân bố nhiệt độ của máy công cụ gây rabiến dạng do nhiệt và tác động đến độ chính xác gia công Các nguồn nhiệt do ma sátnhư 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 baogồm bức xạ nhiệt, ánh nắng mặt trời hay nhiệt độ môi trường Các nguồn nhiệt chínhtrong máy công cụ xuất phát từ:

- Ổ lăn;

- 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 vàsai 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 theocác hướng sau:

- Giảm các nguồn sinh nhiệt và tác động của nhiệt đến máy: Gắn động cơ vàhộp 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 sốnày 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 làmgiảm đi Phần lớn lực ma sát trong hệ dẫn động được tạo thành bởi vít me bi Kết quảnày 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 haykhông 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 sựbiến dạng nhiệt với sự hỗ trợ của các mô hình phân tích, các mạng nơron và cácphương 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 hìnhhọc của chi tiết trong quá trình gia công Độ cứng vững của máy cắt kim loại khônghợp lý sẽ gây ra sai số về hình dạng của chi tiết gia công (Weck 1984) Đặc tính độngkhông đồng đều sẽ dẫn đến hình thành các rung động, có thể dẫn đến làm xấu chấtlượng bề mặt gia công tinh; tăng độ mòn máy, gãy dụng cụ và phá huỷ cả chi tiết giacông 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 thểquay

- Tự rung: Hệ thống rung động tại một hoặc nhiều tần số khi không có các lựcbên 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 chitiết gia công, khối lượng của bàn dao, các thiết bị và các thành phần máy Tải trọngtĩnh 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 tríbàn 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 củađộng cơ, bộ khuếch đại của cơ cấu dẫn động.v.v cũng ảnh hưởng tới hệ thống điềukhiển vị trí

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 ởdạng điện áp xung (PPS) Dữ liệu này dùng để dẫn động bàn quay hoặc cơ cấu chấphành 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 dướidạng 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 sửdụng 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 đãđược khuếch đại dựa trên độ lệch (ảnh hưởng Abbe) Sự khuếch đại sai số phụ thuộcvào vị trí kẹp chi tiết gia công Cả bộ mã hoá quay và tuyến tính đều không thể dòđược 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 nộisuy khác dựa trên hai loại nội suy này

Trong sự chuyển đổi dữ liệu gia công đầu vào, sai số phụ thưộc loại nội suyđược 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 tríriêng 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 TNC426/TNC 430 có điều khiển ăn tới có thể thực hiện khử sự không chính xác gây nênbởi các sai số trên và các cấp chính xác cao có thể đạt được thậm chí với tốc độ giacông cao

ma sát bên trong của các thành phần khác nhau của máy Các đặc tính động học khôngđều sẽ dẫn đến sự hình thành rung động Có hai loại rung động: rung động tự rung và

rung động cưỡng bức Hệ thống điều khiển và hệ thống đo của máy tự tác động đến sựhiệu chỉnh sai số Loại vòng nửa kín thì không có hệ thống đo lường trực tiếp Đối vớivòng 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 đođược tham biến trực tiếp bằng thang đo Do đó, vòng kín có thể thực hiện tốt hơn trongviệc bù sai số vị trí

Như đã phân tích ở trên, có rất nhiều nguyên nhân gây sai số gia công Việc khửtừng nguyên nhân gây sai số là một biện pháp hoàn chỉnh nhưng rất tốn kém và đôi khikhông thực hiện được do các thiết bị gia công các bộ phận chính của máy CNC có độchính xác không cao và nhiều nguyên nhân khác ảnh hưởng đến độ chính xác hiện vẫnkhông xác định được rõ ràng Vì vậy, để nâng cao độ chính xác gia công tác giả chọngiải pháp nghiên cứu sai số tổng hợp, không quan tâm đến nguyên nhân gây sai số vàtiến hành bù sai số bằng phương pháp phần mềm

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ thực nghiệm

Vì vậy hệ thống công nghệ sử dụng trong để tài gồm:

3.1.1 Trung tâm gia công VMC - 85S

Trung tâm gia công VMC - 85S do hãng Maximart của Đài Loansản xuất năm 2003 với hệ điều khiển Fanuc OMD, máy có khả năngtích hợp CAD/CAM với bộ mã ISO code hặc Fanuc code qua cổng RS232

Thông số kỹ thuật cơ bản của máy

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 các toạ độ điểm đo so với gốc toạ

độ của máy Các loại máy này còn được gọi là máy quét hình vìchúng 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 độngbằng tay) và máy đo CNC (đầu đo được điều khiển tự động bằngchương trình số)

Các máy đo toạ độ CMM hoạt động theo nguyên lý dịchchuyển một đầu dò để xác định tọa độ các điểm trên bề mặt của vậtthể Máy đo toạ độ thường là các máy đo các toạ độ theo cả 3phương chuyển vị X, Y, Z Bàn đo được làm bằng đá granít, đầu đođược gắn trên giá lắp trên thân trượt theo phương Z, khi đầu đo đượcđiều 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: