Thông qua nhiềucon đường như: các doanh nghiệp nước ngoài sang đầu tư tại Việt Nam và hò đã mang theo công nghệ máy móc sang, các trường, viện nghiên cứu mua về để ứng dụng vào học tập n
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ OFF-LINE
Học Viên: Nguyễn Đắc Tuấn
Lớp: CHK11 CTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe
THÁI NGUYÊN - 2010
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ OFF-LINE
Học Viên: Nguyễn Đắc Tuấn
Lớp: CHK11 CTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
HDKH: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN
PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe Nguyễn Đắc Tuấn
THÁI NGUYÊN - 2010
Trang 3PHẦN MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại ngày nay, với sự sự phát triển vượt bậc của khoa học, côngnghệ trên tất cả các lĩnh vực Đặc biệt trong lĩnh vực Cơ khí trong thời gianqua đã cho ra đời rất nhiều máy công cụ điều khiển theo chương trình số(CNC) dần dần thay thế tất cả các trang thiết bị máy móc gia công truyềnthống Nhờ đó mà các sản phẩm cơ khí ngày được nâng cao về mọi mặt như:chất lượng sản phẩm cao, độ chính xác cao, mức độ tự động hóa và linh hoạtcao Vì vậy công nghệ gia công trên các máy vạn năng không còn phù hợpnữa và các sản phẩm của nó trên thị trường không có sức cạnh tranh cao.Xuất phát từ thực tế đó, cho nên ưu tiên nghiên cứu phát triển ngành Cơ khíchính xác là cực kì quan trọng, ngành công nghiệp đầu tàu trong tất cả cácngành Thể hiện rõ nhất là trong giai đoạn vừa qua đất nước ta đã nhập khẩurất nhiều máy công cụ CNC với giá trị lên tới hàng tỉ USD Thông qua nhiềucon đường như: các doanh nghiệp nước ngoài sang đầu tư tại Việt Nam và hò
đã mang theo công nghệ máy móc sang, các trường, viện nghiên cứu mua về
để ứng dụng vào học tập nghiên cứu, các công ty mua bán máy công cụ…
Từ những lợi thế đã có sẵn trang thiết bị máy móc hiện đại như ở TrườngTrung Cấp Nghề TT-Huế đã có trung tâm gia công VMC-650E và TrườngĐại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên đã có máy đo tọa độ 3 chiềuCMM-C544 Nhằm mục đích nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng trang thiết
bị máy móc đã có vào chương trình đào tạo, nghiên cứu khoa học, ứng dụngsản xuất, gia công các sản phẩm có độ phức tạp và độ chính xác cao, tác giả
đề xuất hướng nghiên cứu sau đây: “Nghiên cứu nâng cao độ chính xác gia công khi phay nắp động cơ trên trung tâm gia công VMC-650E bằng phương pháp bù sai số offline.”
2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.1 Ý nghĩa khoa học
Trang 4Để gia công được những chi tiết có hình dạng phức tạp và đòi hỏi đạt độchính xác cao, tính tự động hóa cao, thì thông thường người ta sẽ chọn giacông trên các trung tâm gia công CNC Tuy nhiên trong quá trình gia côngluôn tồn tại sai số chế tạo Do đó nâng cao độ chính xác gia công trên cáctrung tâm gia công là việc làm cần thiết mặt khác trong thực tế sản xuất hiệnnay thì vấn đề bù sai số gia công trên các trung tâm gia công vẫn còn là lĩnhvực khá mới mẻ và khó khăn Do đó hướng nghiên cứu xây dựng chươngtrình bù sai số gia công trên các trung tâm gia công là việc làm quan trọng vàmang ý nghĩa khoa học cao.
2.2 Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài này mang tính ứng dụng thực tiễn cao, ứng dụng phương pháp bùoffline để bù sai số gia công cho một chi tiết cụ thể Mặc khác nó phục vụtrực tiếp cho chương trình đào tạo, nghiên cứu khoa học của sinh viên Làvấn đề mới để bắt nguồn và phát triển những hướng nghiên cứu về sau Đặcbiệt là ứng dụng vào sản xuất để gia công những sản phẩm đòi hỏi độ chínhxác gia công cao
3 Mục đích nghiên cứu
- Nâng cao độ chính xác kích thước của chi tiết gia công
- Sử dụng và khai thác tất cả tính năng công nghệ của trung tâm gia côngVMC-650E và nâng cao kỹ năng vận hành máy
- Sử dụng máy đo tọa độ 3 chiều CMM-C544 một cách thành thạo để
kiểm tra đánh mức độ chính xác của chi tiết gia công
- Phục vụ cho công tác nghiên cứu học tập, nâng cao chất lượng chươngtrình đào tạo và tiếp cận với công nghệ tiên tiến trên thế giới
- Tạo cở sở và tiền đề thuận lợi cho những nghiên cứu tiếp theo
4 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các thành phần sai số gia công trên máy công cụ và kết hợpđánh giá bằng thực nghiệm Các số liệu trong đề tài được thống kê chủ yếu làdựa vào thực nghiệm mà có
Trang 54.1 Đối tượng nghiên cứu
- Chọn chi tiết gia công là nắp động cơ để tiến hành gia công thí nghiệm
trên trung tâm gia công VMC-650E
- Sử dụng máy đo tọa độ 3 chiều CMM-C544 để kiểm tra độ chính xáckích thước gia công, sau đó xây dựng thuật toán xác định sai số biên dạng và
từ đó tiến hành bù sai số bằng phương pháp bù offline
4.2 Hệ thống trang thiết bị thực nghiệm
- Trung tâm gia công VMC-650E tại trường Trung Cấp Nghề TTHuế
- Máy đo tọa độ 3 chiều CMM-C544 tại trường Đại Học Kỹ thuật CôngNghiệp Thái Nguyên
- Phần mềm đồ họa CAD và lập trình gia công bằng Mastercam X.10
- Hệ thống dụng cụ cắt: dao phay thép gió HSS-Co Φ6,Φ8
- Vật liệu chi tiết gia công: Thép CT3
5 Nội dung nghiên cứu
- Chương 1: Sai số gia công và các nguyên lý bù sai số gia công trên máycông cụ CNC
- Chương 2: Quy trình bù sai số gia công cho trung tâm gia công 650E
VMC Chương 3: Gia công thực nghiệm trên máy phay VMCVMC 650E và đo tạo
bộ số liệu trên máy đo tọa độ CMM-C544
- Chương 4: Thuật toán xác định tâm và bán kính đường tròn
- Chương 5: Phần mềm tính sai số đường tròn bằng ngôn ngữ lập trình C#
- Chương 6: Bù sai số khi phay nắp động cơ
Kết luận và hướng đề xuất nghiên cứu tiếp theo
Trang 6CHƯƠNG 1: SAI SỐ GIA CÔNG VÀ CÁC NGUYÊN LÝ BÙ SAI SỐ GIA
CÔNG TRÊN MÁY CÔNG CỤ CNC 1.1 Các thành phần sai số trên máy công cụ CNC
Tổng sai số thành phần = 6 *(số trục) + 4*(số trục quay) + 2*(số trục tịnhtiến) + Số trục của máy công cụ - 6(bậc liên kết làm việc)
Theo như cách tính toán ở trên thì ta có:
1.2.2 Độ chính xác của hệ thống điều khiển
1.2.2.1 Sai số của bộ nội suy và chế độ nội suy
Sai số của bộ nội suy có ảnh hưởng đáng kể đến sai số gia công Đối với
bộ nội suy thì sai số hình học δ (sai số của quỹ đạo thực hiện so với quỹ đạo
Trang 7đã định) phụ thuộc vào góc nghiêng của quỹ đạo so với các trục tọa độ vàkhông vượt quá giá trị xung Δ trên mỗi đoạn chi tiết Các máy CNC thế hệ cũ
có giá trị xung Δ = 0.1mm, cho nên nó ảnh hướng rất lớn đến sai số gia công.Đối với các máy CNC thế hệ mới thì gia trị Δ trong khoảng 0.001 đến0.002mm, do đó nó không ảnh hưởng nhiều đến sai số gia công, tuy nhiên nóảnh hưởng đến độ nhám bề mặt
1.2.2.2 Sai số của phương pháp xấp xỉ
Khi ứng dụng nội suy đường thẳng để gia công chi tiết theo coutour thìphải dung phương pháp xấp xỉ để xác định tọa độ các điểm, như vậy sẽ gây
ra sai số gia công Để giảm sai số gia công thì phải giảm bước xấp xỉ, nghĩa
là giảm Δφ
1.3 Các nguồn gây sai số
- Sai số do gá đặt phôi
- Sai số điều chỉnh dao
- Sai số điều chỉnh máy
- Sai số chế tạo dao
Trang 8Do sai số trong các máy công cụ khác loại là khác nhau, vấn đề là làm thếnào để bù sai số một cách linh hoạt bằng các thuật toán hoặc kí thuật lậptrình 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 processcer và điềuchỉnh chương trình NC (Hình 1.10) Sự hiệu chỉnh các sai số sẽ được thựchiện dựa trên sự thiết lập mối quan hệ toán học với các nguồn sai số và cácphương pháp đo khác nhau
Hình 1.10: Bốn cách bù sai số cho máy công cụ CNC
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH BÙ SAI SỐ CHO MÁY PHAY VMC-650E
Điều chỉnh chương trình
Cắt thử phôi
Kiểm tra
Kết thúc
Trang 92.1 Quy trình bù sai số
Trong nội dung thực hiện của đề tài là làm sao giải quyết bài toán bù sai
số kích thước cho chi tiết là nắp của động cơ, tác giả tiến hành bù sai sốoffline cho trung tâm gia công phay VMC-650E theo sơ đồ thuật toán sauđây:
Hình 2.1: Quy trình bù sai số
2.2 Hệ thống thiết bị làm thực nghiệm cho đề tài luận văn
2.2.1 Phần mềm Mastercam X
2.2.2 Trung tâm gia công 3 trục VMC-650E
2.2.3 Máy đo tọa độ 3 chiều CMM-C544
Thiết kế trên Mastercam X
Xuất dữ liệu
Gia công trên máy VMC-650E
Quét biên dạng và tạo bộ số liệu trên máy CMM-C544
Bù sai số offline
Xây dựng chương trình thuật toán
Phần mềm xác định
sai số
Kích thước thực của nắp động cơ
Trang 10CHƯƠNG 3: GIA CÔNG THỰC NGHIỆM TRÊN MÁY PHAY 650E VÀ ĐO TẠO BỘ SỐ LIỆU TRÊN MÁY ĐO CMM-C544 3.1 Thực nghiệm trên trung tâm gia công VMC-650E
VMC-3.1.1 Bản vẽ chi tiết nắp động cơ
Nhìn vào bản vẽ của chi tiết như trên, có nhiều kích thước khác nhau.Nhưng ở đây chúng ta quan tâm đến 3 kích thước mà chúng ta cần nâng cao
độ chính xác cho nó như:
D1 = Φ16±0.01, D2 = Φ32±0.01, D3 = Φ90±0.01
Trong đó: kích thước D1 = Φ16+0.01 là kích thước đảm bảo tính lắp lẫn vớitrục của động cơ Kích thước D2 = Φ32±0.01 là kích thước đảm bảo tính lắpghép với ổ bi đỡ trục Kích thước D3 = Φ90±0.01 là kích thước đảm bảo độchính xác dùng để định vị vị trí lắp ghép của nắp động cơ
Trang 113.1.2 Lập trình nguyên công
Thiết kế biên dạng gia công trên phần mềm AutoCad 2004, sau đó xuấtbản vẽ sang MastercamX để tiến hành lập trình gia công
3.1.3 Truyền chương trình sang máy CNC
Với thế hệ máy VMC-650E có hệ điều khiển SINUMERIK 802D, ở đâychương trình được truyền qua cổng RS232C bằng phần mềm truyền dữ liệuCNC Simulation
3.1.4 Điều chỉnh máy và tiến hành gia công
3.2 Đo biên dạng và tạo bộ số liệu trên máy CMM-C544
3.2.1 Gá đặt chi tiết
Hình 3.11: Gá đặt chi tiết gia công và đo biên dạng
3.2.2 Khởi động máy đo tọa độ CMM-C544
3.2.3 Chọn đầu đo
3.2.4 Hiệu chuẩn đầu đo
Trang 12CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH TÂM VÀ BÁN KÍNH
ĐƯỜNG TRÒN 4.1 Thuật toán xác định khoảng cách đường thẳng qua tọa độ 2 điểm đo 4.2 Thuật toán xác định đường tròn qua tọa độ 3 điểm đo
4.3 Thuật toán xác định đường tròn qua tọa độ của nhiều điểm đo
CHƯƠNG 5: PHẦN MỀM TÍNH SAI SỐ ĐƯỜNG TRÒN BẰNG
NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH C#
Xử lí số liệu đo trên máy đo CMM-C544
Sau khi tiến hành đo trên máy CMM-C544, với mẫu đo là nắp động cơ.Nhiệm vụ của việc đo này là quét biên dạng của vật đo Kết quả là cho ta mộttập hợp nhiều điểm trên biên dạng của vật đo Nhiệm vụ của chúng ta là kiểmtra độ tròn của chi tiết, từ đó biết được sai số gia công và tiến hành bù vàochương trình NC
Mỗi điểm trên biên dạng của chi tiết đều có tọa độ X, Y, Z Như vậy sauquá trình quét biên dạng chi tiết ta có n điểm đo tương ứng ta có n tọa độ X,
Y, Z tương ứng Để thuận tiện cho việc tính toán trong chương trình thuậttoán thì ta nên sắp xếp lại bộ số liệu đo này và đánh số thứ tự tọa độ điểm đo
từ 1 đến n
5.2.Viết chương trình thuật toán tính sai số đường tròn bằng ngôn ngữ lập trình C#
Giả sử ta có một đường tròn có tâm I(X0, Y0) và bán kính R:
Hình 5.1: Mô hình xây dựng một đường tròn qua 3 điểm đo
I(X0, Y0) R
Trang 13Để tính bán kính của đường tròn tới một điểm nào đó thuộc đường tròn, ví dụtính bán kính đường tròn từ tâm I(X0, Y0) đến điểm 9(X9, Y9) ta được công
0 9 2 0
Cứ 3 điểm không thẳng hàng như trên hình vẽ ta có thể vẽ được tam giác,
từ tam giác 3 điểm đó ta có thể xây dựng được một đường tròn tuyệt đối Mặtkhác một đường tròn có vô số điểm (Xi, Yi), vậy ta có thể vẽ được vô sốđường tròn đi qua 3 điểm bất kì
Về mặt lí thuyết thì các đường tròn đó có bán kính bằng nhau Nhưngtrong thực tế thì các đường tròn đó có bán kính khác nhau và các tọa độ tâmcủa các đường tròn đó cũng khác nhau Vì vậy, sai số của đường tròn chính làgiá trị trung bình của các đường tròn đó Từ đây ta có thể chuyển sang bàitoán tìm khoảng cách trung bình của các đường tròn, chính là bán kính trungbình của đường tròn Giá trị sai lệch của đường tròn chính là hiệu số giữa bánkính danh nghĩa của đường tròn trừ đi bán kính trung bình của nó, nghĩa là:
Δ = R – RTBTrong đó: Δ : là sai số biên dạng đường tròn
R là bán kính danh nghĩa đường tròn
RTB là bán kính trung bình của đường trònMặt khác, mỗi đường tròn đều có một tâm (Xi, Yi) Như vậy chúng ta sẽ có
vô số tâm đường tròn Vậy ta sẽ có tâm trung bình là:
Hướng dẫn sử dụng phần mềm tính sai số đường tròn
Trang 14Khởi động chương trình bằng cách nhấn vào biểu tượng trên desktop
“Chương trình thuật toán” Giao diện chương trình như hình 1 Đầu tiên
nhập giá trị tọa độ X vào ô giá trị X, nhập giá trị tọa độ Y vào ô giá trị Y,nhấn OK Nhập các giá trị X, Y tiếp theo bất kì vào ô giá trị tương ứng của
nó Mỗi lần nhập xong một điểm ta nhấn OK
Hình 5.2: Giao diện của chương trình phần mềm
Lưu ý nhập ít nhất là 3 điểm Nếu nhập sai nhấn nút Delete Chú ý tọa độ X
và Y là tọa độ bất kì được lấy từ bộ số liệu, nên chọn tọa độ điểm của tamgiác điểm liền kề nhau thì độ chính xác của sai số sẽ cao hơn Sau khi nhậpcác tọa độ X, Y xong thì nhập giá trị R danh nghĩa để so sánh Khi đã nhập
xong nhấn Run chương trình sẽ cho ra kết quả bán kính trung bình của
đường tròn, tọa độ tâm trung bình đường tròn và sai số trung bình của đường
tròn Nhấn Refresh khi muốn tính toán cho một lần mới
5.4 Lưu đồ thuật toán và các đoạn mã chương trình được viết bằng ngôn ngữ C#
Trang 15CHƯƠNG 6: BÙ SAI SỐ KHI PHAY NẮP ĐỘNG CƠ 6.1 Cơ sở lý thuyết
Hình 6.1: Phỏng đoán độ méo của biên dạng đường tròn
Hình 6.2: Mô hình sai số đường tròn
Nguyên lý bù sai số như sau: Về lý thuyết thì ta tưởng tượng một đường
tròn là tròn tuyệt đối, nhưng thực tế thì không phải như thế Cụ thể là biêndạng đường tròn bị méo theo hình êlip Lý do là biên dạng đường tròn đượctập hợp bởi vô số điểm tạo thành, mà vị trí toạ độ các điểm đó sẽ có phần sailệch với nhau Do đó đường tròn mà chúng ta tạo thành sẽ có phần méo đi
Trang 16cho trong mặt phẳng OXY như trên, theo quan sát ta thấy đường tròn này bịméo theo nhiều phương khác nhau.Về lý thuyết ta chia đường tròn này thành
4 cung ab, bc, cd và da
Như vậy để bù sai số cho đường tròn này thì đồng nghĩa với việc ta sẽ tiếnhành bù sai số cho 4 cung tròn nói trên với giá trị bù của mỗi cung tròn đượcxác định trong chương trình thuật toán Chúng ta sẽ tiến hành hiệu chỉnhchương trình NC tại các dòng lệnh nội suy đường tròn Cụ thể chúng ta sẽhiệu chỉnh giá trị toạ độ của các cung tròn thông qua 2 biến I và J
Ví dụ để bù sai số cho cung tròn nói trên, ta tiến hành hiệu chỉnh 2 biến I và
J với giá trị bù Δ = ΔI = ΔJ = 0.022:
N211 G02 X-150.000 Y-150.000 I-149.978 J-0.022 (arc ab)
N212 G02 X-150.000 Y150.000 I0.022 J150.022 (arc bc)
N213 G02 X150.000 Y150.000 I149.978 J0.022 (arc cd)
N214 G02 X150.000 Y-150.000 I-0.022 J-150.022 (arc da)
Trang 17X-49.324 Y42.757 S700 M3 N130 Z5.5
N140 G1 Z-.481 F0.01 N150 X-44.448 Y39.261 F.1 N160 G2 X-41.945 Y34.385 I-3.497 J-4.876 N170 X-43.069 Y30.888 I-6 J0
N180 G3 X-53 Y0 I43.069 J-30.888
N190 X-52.506 Y-7.22 I53 J0 N200 G1 X-56.062 Y-9.274 N210 G3 X-59.062 Y-14.47 I3 J-5.196
N220 X-58.851 Y-16.048 I6 J0 N230 X-50.469 Y-34.261 I58.851 J16.048
N340 T8M6 N350 G1 Z-2 N360 G2 X0 Y-49 I-48.9122 J-0.0878 N370 X-49 Y0 I0.0878 J49.0878 N380 X0 Y49 I48.9122 J0.0878 N390 X49 Y0 I-0.0878 J-49.0878
Giá trị hiệu chỉnh
Δ1 = 0.0878 Δ2 = -0.0878 Δ3 = 0.0878 Δ4 = -0.0878
Trang 18N2650 G3 X4.0461 Y0 I1.7886 J-1.96
N2660 G3 X0 Y4 I-4.0461 J-0.0461 F.1 N2670 X-4 Y0 I-0.0461 J-3.9539 N2680 X0 Y-4 I4.0461 J0.0461 N2690 X4 Y0 I0.0461 J3.9539 N2700 G1 Z-14.5 F0.01
N2710 G0 Z10.5 N2720 M5 N2730 M30
Δ1 = -0.0155 Δ2 = 0.0155 Δ3 = -0.0155 Δ4 = 0.0155
Δ1 = -0.0461 Δ2 = 0.0461 Δ3 = -0.0461 Δ4 = 0.0461
Thay đổi đường chạy dao trong CAM
Sau qua trình gia công xong, tác giả nhận nhận thấy Với kiểu đường chạy dao trong CAM ăn dao xuống theo kiểu dọc trục sẽ để lại vết ăn dao xuống do lực cắt dọc trục lớn Cho nên, để khắc phục được khuyết tật trên, tác giả cho thay đổi kiểu ăn dao theo tiếp tuyến chung của hai đường tròn bằng cách hiệu chỉnh dòng lệnh G code trong chương trình NC Thay vì phải ăn dao xuống tại vị trí biên của biên dạng, ta cho ăn dao ngang theo kiểu tiếp tuyến của hai đường tròn và cứ như vậy cho tới khi đạt được chiều sâu gia công như mong muốn.