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 phương pháp bù sai số

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 phương pháp bù sai số

THÁI NGUYÊN 2008

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

TRƯỜNG 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 CÔNG CHI TIẾT HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM GIA

CÔNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ

TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG

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 PHƯƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ

Học viên: Trương Thị Thu Hương

Người HD Khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè

CÔNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ

Học viên: Trương Thị Thu Hương

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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN

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

NGUYÊN NHÂN G ÂY SAI SỐ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.1.2 Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 40

3.1.3.1 Thiết kế với sự trợ giúp c ủa máy tính CAD 45 3.1.3.2 Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM 47 3.2 Thực nghiệm gia công trên máy VMC-85S 50

3.2.3.2 Thiết lập các tham số bù dao 57

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 Mô hình mặt lưới đa thức tham số 66 3.4.2.1 Mô hình mặt lưới đa thức chuẩn tắc 66

3.4.2.4 Mô hình mặt lưới B-spline đều 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

3.6 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CL Cutting Location Đường dụng cụ

PC Personal Computer Máy tính cá nhân PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển PLC

FEM Finite Element Methods Phương pháp phần tử hữu hạn

CAP Computer Aided Planning

CAPP Computer Aided Process Planning

công nghệ

CAQ Computers Aided Quality Control

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 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 2.2 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 3.3 Các loại đầu đo cho máy CMM 42

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

Hình 3.10 Truyền và nhận chương trình 57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.29 Biên dạng gia công kiểm nghiệm 84

Hình 3.32 Mô phỏng quá trình gia công 86 Hình 3.33 Gia công sản phẩm trên máy VMC 85S 87

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 Ngo ài 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

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 c ảm ơn Ban Giám hiệu, khoa Sau đ ại học, các giáo viên giảng dạy đã tạo điều kiện cho người viết hoàn thành luận văn này;

Tác giả xin bày tỏ lời c ảm 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 hiện Luận văn này;

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

Tác giả cũng rất lấy làm c ảm kích trước những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo thuộc khoa Cơ khí và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả 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 chắc chắn Luận văn này không tránh khỏi thiếu sót Tác giả rất mong sẽ nhận được những ý

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong thực tiễn

Xin chân thành c ảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008

Người thực hiện

Trương Thị Thu Hương

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp 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 c ủa các hệ thống thiết bị kỹ thuật này vào chương trình đào tạo đ ại học, sau đ ại 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

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 trên các các trung tâm gia công bằng phương pháp tác động vào quá trình điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vẫn 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 tiết hình 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 tiếp cho đào tạo, chuyển giao công nghệ của nhà trường và đặc biệt là ứng dụng vào thực tế sản xuất gia công các chi tiết hình dáng hình học phức tạp với độ chính xác gia công cao 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 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:

* Sơ đồ nghiên cứu

Hình 1 Phương pháp bù sai số

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên c ứu 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;

- 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 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 c ụ CNC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 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 c ụ 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 c ụ 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 c ụ 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

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

Hình 1.1 Hệ thống bù sai số của máy công cụ

1.1.1.1 Thêm modul phần mềm

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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)

Việc chuẩn bị dữ liệu tới cơ cấu dẫn động máy CNC từ dữ liệu CL data là chức năng của bộ Post processor Trong giai đoạn hình thành chương trình NC chúng ta có thể gắn thông tin về sai số hình học, chúng có thể được cấy các thông tin sai số trong khi 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 số trường hợp Sự biến đổi bằng post procesor và sự biến đổi mã NC có nguyên lý như nhau 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

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 c ụ 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 học, 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 thố ng 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 lý chương trình NC Bảng I/O độc lập có thể được cài đặt trong PC để chuyển tín hiệu liên hệ ngược từ máy khi chương trình NC đang được thực hiện Dựa trên vị trí hiện tại, chương trình con có thể biến đổi giá trị toạ độ máy trước khi đưa tới các hệ thống dẫn 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 độ phân giải bé nhất của hệ thống servo Với sự biến đổi mã NC, rất khó để nội suy đường tròn để xác định lại đường tròn mới với sai số nhỏ hơn Hạn chế chính của phương pháp 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 phay CNC bằng bộ điều khiển Theo tác giả, tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá chất lượng máy là sai số vị trí Khi gia công, bộ điều khiển sẽ điều khiển các trục x, y, z sao cho dụng cụ đạt được toạ độ theo yêu cầu - toạ độ này được xác định thông qua encorder gắn 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 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 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 đ ạt yêu c ầu 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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, đánh giá sai số hình học bằng mạng nơron và sử dụng mô hình bù sai số hình học riêng

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

Lớp ẩn 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

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

Hình 1.6: Cấu trúc 7-110-3 của mô hình sai số tổng hợp

Lớp ẩn

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 c ụ 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 c ụ 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

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 hưởng của hệ thống không cứng vững và đưa ra một lý thuyết mới để giảm các sai số gia công gây ra bởi biến dạng nhiệt cho các máy CNC Phương pháp này được thực hiện nhằm giảm sai số nhiệt dựa trên kỹ thuật đo gián tiếp Trong đó, sự liên hệ giữa nhiệt độ và biến dạng được chia thành hai phần: Mô hình nhiệt và mô hình biến dạng Sử dụng mô hình nhiệt và biến dạng độc lập cho các kỹ thuật phân tích, sử dụng phương pháp phân tích 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 –free dựa trên phương pháp Garlerkin để dự báo sai số và phương pháp bù phần mềm hồi quy và phần mềm biến đổi mã NC Với phương pháp này có thể hiệu chỉnh trực tiếp quỹ đạo cắt gọt của máy dựa trên các sai số đã được dự báo Khi đường cắt gọt được quy 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 đ ầu 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 công chính xác

Hệ thống gồm bốn khối phần mềm Mô hình động học, sự biến đổi sai số hình học, 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 cấp giao diện giữa hệ thống bù sai số và các trục máy Các tín hiệu từ bộ mã hoá, hai tín hiệu pha vuông góc và mốc các tín hiệu được đưa đến modul trục qua dải cách ly quang 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, có 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

khác tới bộ tiền khuếch đại của bảng dẫn động các tr ục (điều khiển tương tự) hoặc để biến đổi vị trí của bộ chuyển đổi đếm (điều khiển số)

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

Pd + Σδ(I) Dự báo

Pc(I) Có Không

Hệ thống servo

Động học nghịch cơ cấu điều khiển CNC

Viết lại các mã NC

Pc

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Độ chính xác của một chi tiết máy hay một cơ cấu máy là do người thiết kế quy định 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 làm việc.v.v Tuy nhiên, người trực tiếp chế tạo sẽ là người quyết định cuối cùng độ chính xác 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 kém nhất 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 hoàn toàn 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 c ủa 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 thước góc Độ chính xác kích thước được đánh giá bằng sai số kích thước thật so với kích thước lý tưởng cần có và được thể hiện bằng dung sai của kích thước đó

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

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

Sai số kích thước

Sai số vị trí tương quan

Độ chính xác gia công

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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

Khi xem xét độ chính xác gia công của một cụm chi tiết, ngoài những yếu tố cần xem xét cho một chi tiết cần phải kể đền những yếu tố khác nhằm đảm bảo sai số tổng hợp xuất hiện trên một chi tiết bất kì trong nhóm đều nhỏ hơn sai số cho phép Khi gia công một loạt chi tiết trong cùng một điều kiện xác định mặc dù những nguyên nhân sinh 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 khác

nhau 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 các nhân 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 dẫn động, lực quán tính khi hãm, khi tăng tốc, ma sát, hệ thống điều khiển servo, lực cắt và rung động Với máy nhiều trục, kết quả nhận được là tồn tại cả các sai số dọc trục và sai số độ nghiêng, độ lắc, sai số hướng tâm và sai số vị trí trong không gian làm việc của máy Tải trọng làm việc tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công sẽ gây biến dạng chi tiết gia công, kết quả là cũng tạo ra sai số vị trí trên máy công c ụ

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

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 theo một đường biên cụ thể tại bước tiến nhất định bằng cách chuyển động đồng thời hai trục nên được tiến hành để xác định các vấn đề trong các hệ điều khiển số và cơ cấu servo 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 số này không thay đổi theo thời gian (chúng có tính lặp lại ổn định) 75% sai số số ban

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

đầu của một máy công cụ mới xuất hiện do quá trình sản xuất và lắp ráp (Cecil và CS 1998) 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;

Hình 2.3: Các thành phần sai số tổng hợp

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

+ εxx, εyx, εzx, εxy, εyy, εzy, εxz, εyz, εzz là các sai số góc, trong đó chỉ số thứ nhất chỉ trục 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 tho ảng sự va chạm cũng làm hỏ ng phôi và thay 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 trong một khoảng thời gian nào đó Trong đó sai số do lắp ráp tác động nhiều đến độ chính xác 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 là đáng kể

Chuyển động quay quanh

trục Z

Bàn trượt theo trục X Ecu

Giá Pw

X Y

Ổ đỡ

Chuyển động quay quanh

trục Y

Chuyển động quay quanh

trục X

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chúng ta không thể đo sai số này một cách trực tiếp nhưng bằng tín hiệu liên hệ ngược chúng ta có thể tính được sai số này (Ibaraki - 2001) Sự cố định các sai số này rất khó Nhưng với phép tính toán học và sự đo lường của máy, chùng ta có thể điều khiển 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 động tịnh tiến bằng vít me bi như trong Hình 2.3 và 2.4 Vít me đai ốc có ma sát lớn hơn so với vít me bi Vít me bi có đường xo ắn 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 hệ thống 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 chủ yếu từ sai số bước vít me Sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo vì bước của vít 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 của trục 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 đ ầu cao hơn để làm bàn máy chuyển động Nếu sống dẫn hướng và các chi tiết dẫn động vít me bi không được đặt đối xứng Với sống dẫn hướng trượt, ma sát trượt lớn và luôn luôn xuất hiện 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 lo ại sống trượt Sống dẫn hướng thủy tĩnh có khả năng giảm áp lực Việc điều khiển nhiệt độ của chất lỏng có tính quan trọng; nếu

không, tác động của nhiệt là đáng kể Các nguồn sai số chính gây ra bởi sống dẫn hướng 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 đổi của nhiệt độ Ổ cố định hai đầu trục vít me làm cho trục vít me bị uốn khi nhiệt độ tăng Loại ổ đỡ khác là một đầu cố định và đầu kia được đặt tải từ trước Loại ổ đỡ này làm việc giống như loại ổ đỡ cố định hai đầu ở phạm vi lực nhất định và ngoài khoảng này nó làm việc như loại một đầu cố định và một đầu trượt Các nguồn sai số liên quan đến ổ đỡ do góc nghiêng của ở vành ổ, sự đồng tâm của trục động cơ servo với các phần lắp ghép

2.2.5 Sai số do nhiệt

Một máy công cụ thường ho ạt động ở trạng thái không ổn định về nhiệt do nhiệt xuất hiện từ nhiều nguồn Mọi thay đổi về sự phân bố nhiệt độ của máy công cụ gây ra biến dạng do nhiệt và tác động đến độ chính xác gia công Các nguồn nhiệt do ma sát như 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 bao gồm bức xạ nhiệt, ánh nắng mặt trời hay nhiệt độ môi trường Các nguồn nhiệt chính trong máy công c ụ xuất phát từ:

- Ổ lăn;

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- 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 c ắt 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 và sai 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 theo các hướng sau:

- Giảm các nguồn sinh nhiệt và tác động của nhiệt đến máy: Gắn động cơ và hộp 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 số này 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 làm giảm đi Phần lớn lực ma sát trong hệ dẫn động được tạo thành bởi vít me bi Kết quả này 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 hay không 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 sự

biến dạng nhiệt với sự hỗ trợ của các mô hình phân tích, các mạng nơron và các phương 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 hình học của chi tiết trong quá trình gia công Độ cứng vững của máy cắt kim loại không hợp lý sẽ gây ra sai số về hình dạng của chi tiết gia công (Weck 1984) Đặc tính động không đồng đều sẽ dẫn đến hình thành các rung động, có thể dẫn đến làm xấu chất lượng bề mặt gia công tinh; tăng độ mòn máy, gãy dụng cụ và phá huỷ cả chi tiết gia công 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 thể quay

- Tự rung: Hệ thống rung động tại một hoặc nhiều tần số khi không có các l ực bên 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 chi tiết gia công, khối lượng của bàn dao, các thiết bị và các thành phần máy Tải trọng tĩnh 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 trí bàn 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 xo ắn của động cơ, bộ khuếch đại của cơ cấu dẫn động.v.v cũng ảnh hưởng tới hệ thống điều khiển vị trí

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.2.8 Sai số do hệ thống điều khiển truyền độ ng servo

Dữ liệu đầu vào được chuyển đổi bởi hệ thố ng điều khiển thành mã đầu ra ở dạng điện áp xung (PPS) Dữ liệu này dùng để dẫn động bàn quay hoặc cơ cấu chấp hành khác tới vị trí đã được lập trình

Hệ thố ng 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 c ấu đo đường dịch chuyển và được truyền đi dưới dạng 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 sử dụng 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 kho ảng cách này, các sai số bước nhỏ đã được khuếch đại dựa trên độ lệch (ảnh hưởng Abbe) Sự khuếch đại sai số phụ thuộc vào vị trí kẹp chi tiết gia công Cả bộ mã hoá quay và tuyến tính đều không thể dò được 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 nội suy khác dựa trên hai lo ại nội suy này

Trong sự chuyển đổi dữ liệu gia công đầu vào, sai số phụ thưộc loại nội suy được 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 trí riêng 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 TNC 426/TNC 430 có điều khiển ăn tới có thể thực hiện khử sự không chính xác gây nên bởi các sai số trên và các cấp chính xác cao có thể đạt được thậm chí với tốc độ gia công cao

2.3 Kết luận chương II

Các máy công cụ CNC có cấu trúc và cơ cấu điều khiển rất phức tạp và rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ Các nguồn sai số của máy công cụ có thể được chia ra làm hai loại, các sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Các sai số hệ thống có thể được mô tả và dự báo giá trị trong vùng làm việc của máy công cụ Các sai số ngẫu nhiên rất khó xác định và rất phức tạp để có thể mô tả Các sai số hình học là sai số quan trọng nhất trong các sai số hệ thống và các nguồn sai số chính là cơ cấu vít me bi, trục dẫn hướng, ổ trục Sai số bước vít me, s ản phẩm không chính xác, mòn trong các trục dẫn hướng v.v là các nhân tố ảnh hưởng tới sai số hình học Sai số hình học có khả năng lặp lại và tăng dần theo thời gian Một máy công c ụ cũng làm việc trong trạng thái mất ổn định do sự biến dạng nhiệt Các thành phần khác c ủa máy công c ụ bị biến dạng do dòng nhiệt Máy công c ụ có hai nguồn nhiệt chính là nguồ n nhiệt bên ngoài (nhiệt độ phòng, các tia mặt trời.v.v ) và nguồn nhiệt bên trong được hình thành bởi ma sát bên trong c ủa các thành phần khác nhau của máy Các đặc tính động học không đều sẽ dẫn đến sự hình thành rung động Có hai loại rung động: rung động tự rung và