nghiên cứu nâng ca o độ chính xác gia công chi tiết hình dáng hình học phức tạp trên trung tâm gia công 3 trục cnc bằng phương pháp bù sai số

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CƠNG CHI TIẾT
HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM GIA
CƠNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ

TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG
THÁI NGUYÊN 2008

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

THÁI NGUYÊN 2008


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CƠNG CHI TIẾT
HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM GIA
CƠNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ

Học viên: Trƣơng Thị Thu Hƣơng
Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS Nguyễ n Đăng Hoè

THÁI NGUYÊN 2008


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

***

о0о

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CƠNG CHI TIẾT
HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM GIA
CÔNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ

Học viên: Trƣơng Thị Thu Hƣơng
Lớp: CHK8
Chuyên ngành: Chế tạo máy
Người HD Khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè
Ngày giao đề tài: 01/11/2007
Ngày hoàn thành: 30/4/2008

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

NGƢỜI HƢ ỚNG DẪN

HỌC VIÊN


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

1

Chuy ên ngành Công nghệ chế tạo máy

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU
TỔNG QUAN VỀ BÙ SAI SỐ CHO MÁY CÔNG

Chương I

11
14

CỤ CNC

1.1

Các phương pháp bù sai số cho c ác máy CNC

14

1.1.1

Mơ hì nh bù

14

1.1.1.1

Thêm mo dul phần mềm

15

1.1.1.2

Biến đổi các thô ng số điều khiển

16

1.1.1.3

Biến đổi Post Processor (PP)

16

1.1.1.4

Biến đổi chương trình NC

17

1.1.2

Bù sai số với các bộ điều khiển

17

1.1.2.1

Thêm modul phần mềm mới

18

1.1.2.2

Cài đ ặt bộ điều khiển phần cứng độc lập

18

Giới thiệu một vài nghiên cứu bù sai số ở trong nước và trên

19

1.2

thế giới

1.2.1

Các cơng trình ở trong nước

19

1.2.2

Cơng trình của c ác tác gi ả nước ngồi

20

1.2.2.1

Bù sai số hình học do lực c ắt cho máy phay 3 trục CNC

20

1.2.2.2

Bù sai số hình học cho trung tâm gia cơng đứng

23

1.2.2.3

Bù sai số cho tr ung t âm gi a công nhiề u trục

23

1.3

Kết luận chương I

25

Chương II

PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PH ẦN SAI SỐ VÀ CÁC

26

NGUYÊN NHÂN G ÂY SAI SỐ

2.1

Độ chính xác gi a cơng

26

2.2

Các nguồ n sai số của máy cơng cụ

28

2.2.1

Sai số hình học

29

2.2.2

Sai số do vít me

32

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên

-tnu.e du.v n


2.2.3

Sai số do sống trượt

32

2.2.4

Sai số do ổ đỡ

33

2.2.5

Sai số do nhiệt

33

2.2.6

Sai số do rung động tự do

35

2.2.7

Sai số do tải tĩnh và động

35

2.2.8

Sai số do hệ thống điều khiển truyề n động ser vo

36

2.3

Kết luận chương II

37

Chương III

HỆ THỐNG BÙ SAI SỐ G IA CÔNG

39

3.1

Hệ thống t hiết bị t hí nghiệm

39

3.1.1

Tr ung tâm gia cơng VMC - 85S

40

3.1.2.

Máy đo toạ độ 3 chiề u CMM - C544

40

3.1.2.1

Cấu hình cơ bản của máy

40

3.1.2.2

Tí nh năng kỹ thuật cơ bản

43

3.1.3

Phần mềm t hiết kế CAD/ CAM

44

3.1.3.1

Thiết kế với sự trợ giúp c ủa máy tính CAD

45

3.1.3.2

Sản xuất với trợ gi úp của máy tí nh CAM

47

3.2.

Thực nghiệm gia cơng trên máy VMC-85S

50

3.2.1

Thiết kế CAD/ CAM

50

3.2.1.1

Biên dạng và kích t hước gia cơng

50

3.2.1.2

Lập trình ngun cơng

51

3.2.2

Tr uyền c hương trình s ang máy CNC

55

3.2.3

Điều chỉ nh máy

57

3.2.3.1

Thiết lập gốc toạ độ phôi

57

3.2.3.2

Thiết lập c ác tham số bù dao

57

3.2.3.3

Gia công c ắt gọt

58


3.3

Đo sai số gia công trên máy CMM - C544

59

3.3.1

Gá đặt chi tiết

59

3.3.2

Khởi động và kiểm tr a hệ thống

59

3.3.3

Hiệu chuẩn đầu đo

60

3.3.4

Lập hệ toạ độ của chương trình đo

61

3.3.5

Scan biên dạng t hực

62

3.4

Cơ sở dữ liệu scan bề mặt

63

3.4.1

Mô hì nh mặt lưới qt hì nh

63

3.4.2

Mơ hì nh mặt lưới đ a t hức t ham số

66

3.4.2.1

Mơ hì nh mặt lưới đ a t hức chuẩn tắc

66

3.4.2.2

Mơ hì nh mặt lưới Ferguson

67

3.4.2.3

Mơ hì nh mặt lưới Bezier

69

3.4.2.4

Mơ hì nh mặt lưới B-spli ne đều

70

3.5

Xử l ý dữ liệu đo

70

3.5.1

Xây dựng lưới tam giác Gergory từ các đ ám mây điểm

71

3.5.2

Xây dựng lưới điểm theo mặt B-spline

73

3.5.3

Đơn gi ản hoá lưới tam giác

75

3.6

Xây dựng đường tròn t heo biên dạng đo

75

3.6.1

To ạ độ tâm và bán kí nh đường trịn qua ba điểm đo

75

3.4.5

To ạ độ tâm và bán kí nh đường tròn qua toạ độ của n điểm đo 77

3.7

Bù sai số gia cơng

79

3.7.1

Phân tích s ai số gi a cơng

79

3.7.2

Bù sai số gia cơng

82

3.7.3

Bù chương trình NC bằng phần mềm CAD/ CAM

82

3.8

Sản phẩm ứng dụng

85

Chương 4

KẾT LUẬN

89

TÀI LIỆU THAM KHẢO

91


CÁC TỪ VIẾT TẮT

CMM

Coordinate Meas uring Machi ne

Máy đo toạ độ 3 chiề u

Co-or. Sys

Coordinate System

Hệ toạ độ

VMC

Vertical Mac hini ng Ce nter

CAD

Computer Ai ded Design

Tr ung tâm gia công
đứng
Thiết kế với trợ gi úp của

CAM
uring

Computer Ai ded Manufact

CNC

Computer Numerical Control

Điều khiể n số bằng máy tính

3D

3 Dimension

3 chiều

PP

Post Processor

Hậu xử lý

CL

Cutting Location

Đường dụng cụ

SW

Software

Phần mềm

I/O

Input/Output

Vào/ Ra

PC

Personal Computer

Máy tính c á nhân

PLC

Programmable Logic Controller

Bộ điều khiển PLC

FEM

Finite Eleme nt Met hods

CAP
anning

Computer Ai ded Pl

CAPP

Computer Ai ded
Process

máy tính
Sản xuất có trợ gi úp của máy
tính

Phương pháp phần tử hữu
hạn

cơng nghệ

Planning
CAQ

Computers Aide d Quality Control

DNC

Direct Numerical Control

Điều khiể n số trực tiếp


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1

Hệ thống bù s ai số của máy cơng cụ

15

Hình 1.2

Các t hành phần c ủa Post Processor

16

Hình 1.3

Các t hành phần c ủa bộ biến đổi mã NC

17

Hình 1.4

Cấu tr úc 3-80-30 của mơ hì nh sai số

20

Hình 1.5

Cấu tr úc 4-20-3 của mơ hình s ai số do lực c ắt

21

Hình 1.6

Cấu tr úc 7-110-3 của mơ hì nh sai số tổng hợp

21

Hình 1.7

Hệ thống bù s ai số cho trung tâm gia cơng đứng

22

Hình 1.8

Bù sai số bằng phần mềm cho máy cơng cụ nhiều trục CNC

24

Hình 1.9

Bù sai số bằng chương trình NC

24

Hình 2.1

Độ chính xác gi a cơng

27

Hình 2.2

Sai số tổng hợp c ủa máy cơng cụ

29

Hình 2.3

Các t hành phần s ai số tổng hợp

30

Hình 2.4

Kho ảng c ách tr ục vítme - bàn máy

31

Hình 2.5

Hệ thống phản hồi của máy cơng cụ

36

Hình 3.1

Sơ đồ cơng nghệ thực nghiệm

39

Hình 3.2

Cấu t ạo máy CMM

41

Hình 3.3

Các loại đầu đo cho máy CMM

42

Hình 3.4

Biên dạng gia cơng thực

50

Hình 3.5

Khai báo phơi, vật liệu, hệ điều khiể n

51

Hình 3.6

Thiết lập c ác thơ ng số cơng nghệ

52

Hình 3.7

Mơ phỏng chươ ng trình gi a cơng

53

Hình 3.8

Giao diện DNC

56

Hình 3.9

Các t ham số DNC

56

Hình 3.10

Tr uyền và nhận c hương trình

57

Hình 3.11

Phần mềm Geopak

59


Hình 3.12

Hiệu chuẩn đầu đo

60

Hình 3.13

Đo sai số thực nghiệm

61

Hình 3.14

Thiết lập c ác thơ ng số đo

62

Hình 3.15

Dữ liệu đám mây điểm

63

Hình 3.16

Mặt quét hì nh song song

64

Hình 3.17

Mặt qt hì nh trịn xoay

65

Hình 3.18

Mặt cong qt hì nh phi t ham số

65

Hình 3.19

Mặt lưới đa thức c huẩn bậc ba

67

Hình 3.20

Mặt lưới Fer guson

68

Hình 3.21

Mặt lưới Berier bậc 3 kép

69

Hình 3.22

Mặt lưới B- Spli ne đều bậc 3 kép

70

Hình 3.23

Dữ liệu biên của mặt cong tam giác

71

Hình 3.24

Mặt cong Gregory

72

Hình 3.25

Đường cong B-s pline đều bậc 3

73

Hình 3.26

Ảnh hưởng của bước cắt ap

79

Hình 3.27

Ảnh hưởng của vận tốc cắt

80

Hình 3.28

Chiến lược bù sai số

82

Hình 3.29

Biên dạng gia cơng kiểm nghiệm

84

Hình 3.30

Sản phẩm gia cơng

85

Hình 3.31

Thiết lập c ác tham số bù

86

Hình 3.32

Mơ phỏng q trì nh gi a cơng

86

Hình 3.33

Gia cơng s ản phẩm trên máy VMC 85S

87

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1.

Chế độ gia cô ng

58

Bảng 3.2.

Kết quả gi a cơng

77

Bảng 3.3.

Tí nh tốn bù sai số

80

Bảng 3.4.

Sai số s au bù

85

Bảng 3.5.

Kết quả đo sai số gi a công

87


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xi n cam đoan những kết quả có được trong
Luận văn l à do bản t hân tôi thực hiệ n dưới sự hướ ng dẫn của t
hầy gi áo PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè. Ngo ài phần t ài liệu
tham khảo đã được liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm
là trung thực và chưa được ai cơng bố trong bất cứ cơng trình nào
khác.
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008
Người thực hiện

Tr ươ ng Thị Thu Hươ
ng


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất
cả các lĩnh vực t hì các s gản phẩm cơ khí ngày c àng phải có yêu cầu c ao hơn về c hất
lượng sản phẩm, mức độ tự động ho á quy trình sản xuất và đặc biệt là độ chí nh xác
hình dáng hình học của sản phẩm.
Để nâng cao được độ chính xác của c ác máy CNC nói chung, máy phay
CNC nói riêng, dưới sự hướng dẫn của P GS.TS Nguyễn Đăng Hoè, t ác giả đã thực
hiệ n đề tài:“Nghiên cứu nâng cao độ chính xác gia cơng chi tiết hình dáng hình học
phức tạp trên trung tâm gia công 3 trục CNC bằng phương pháp bù sai số”.
Tro ng t hời gi an thực hiện được đề tài, tác gi ả đã nhận được sự quan tâm rất
lớn của nhà trường, c ác Khoa, các Phò ng, Ban ch ức năng, các t hầy cô gi áo và c
ác đồng nghiệp.
Tác giả xin c hân thành c ảm ơn Ban Gi ám hiệu, khoa Sau đ ại học, các gi áo

viên giảng dạy đ ã tạo điều kiệ n cho người viết ho àn thành luận văn này;
Tác giả xi n bày tỏ lời c ảm ơn c hân t hành nhất đến PGS.TS Nguyễn Đăng
Hoè, Tr ường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đ ã tận tình hướng dẫn trong quá trình
thực hiện Luận văn này;
Tác giả c hân t hành cảm ơn Tr ung t âm t hí nghiệm và c ác gi áo viên t huộc Tr
ung
tâm đã tạo điều kiện về thiết bị và giúp đỡ trong quá trình sử dụng thiết bị để thực
hiện
Luận văn;
Tác gi ả cũng r ất lấy làm c ảm kích trước những ý kiến đóng gó p của các thầy
cơ 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 t hời gian t hực hiện Luận văn.
Mặc dù đã cố gắng, song do kiến t hức và ki nh nghiệm cịn hạn chế nên
chắc chắn Luận văn này khơng tránh khỏi thiếu sót. Tác gi ả rất mong sẽ nhận được
những ý


kiến đóng gó p từ các t hầy cơ gi áo và các đồng nghiệp để Luận văn được hoàn thiện
hơn và có ý nghĩ a trong t hực tiễn.
Xin c hân t hành c ảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008
Người thực hiện

Tr ương Thị Thu Hương


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tí nh c ấp thi ết 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 thố ng 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 c hế. Thực tế đó địi hỏi phải phát triển và nghiên cứu c
ác cơng nghệ mới nhằm nâng cao độ chính xác hình dáng hì nh học nói riêng, nâng
cao chất lượng sản phẩm c hế tạo nói chung.
Xuất phát từ t hực tế trường Đại học Kỹ t huật công nghiệ p đ ã đầu tư tr ung t
âm gia công VMC- 85S, máy đo toạ độ 3 chiều CMM. Để nâng cao hơn nữa hiệu
quả sử dụng c ủa các hệ t hống 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 q trình sản xuất , gi a cơng c ác sản phẩm có độ phức tạp và độ chính xác gia
cơng cao thì việc thực hiện đề t ài: “Nghiê n cứu nâng ca o độ chí nh xác gia cơng
chi tiết hì nh dáng hình học phức tạp trên trung tâm gia công 3 tr ục CNC bằng p
hương pháp bù sai số” là cần t hiết và có ý nghĩa thực tiễn cao.

2. Ý nghĩ a kho a học và thực ti ễn của đề t ài
Việc gia cơng các chi tiết hình dáng hì nh học phức t ạp với độ chí nh xác c
ao thường được áp dụng nhiều trên c ác trung t âm gi a cơng. Tuy nhiên q trình gia
cơng ln l n khơng hồn hảo và gây sai số gi a cơng. Do đó, nâng c ao độ chính
xác gia cơng trên các trung tâm gi a công là một trong những nhiệm vụ quan trọng
của ngành chế tạo máy. M ặt khác, trong thực tế sản xuất hiện nay thì vấn đề bù sai
số gia công trên các các trung tâm gia công b ằng phương pháp t ác động vào quá
trình điều khiển


vẫn là vấn đề mới và phức tạp. Do đó, hướng nghiên cứu xây dựng chương trình bù s
ai số gia công trên trung tâm gia công nhằm nâng c ao độ chính xác gi a cơng c ác chi
tiết hình dáng hình học phức tạp l à một cơng việc cần thiết và có ý nghĩ a khoa học
cao.
Ngo ài ý nghĩa khoa học trên, đề tài còn mang tính ứng dụng, phục vụ trực

tiếp cho đào tạo, chuyển gi ao 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 cơng cao hơn.

3. Mục đí ch nghi ên
cứu
- Khai t hác tính năng cơng nghệ của máy CMM – C544 và tr ung tâm gia công
VMC – 85S;
- Ứng dụng cơng nghệ Scanni ng để tạo mơ hình CAD của sản phẩm và kiểm tra
độ chính xác gia cơ
ng;
- Nâng cao độ chí nh xác hì nh học của s ản phẩm;
- Phục vụ cho đ ào tạo, nghiên cứu khoa học và chuyể n giao công nghệ trong nhà
trường;
- Ứng dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp hiện nay.

4. Phương pháp nghi ên
cứu
Nghiên cứu l ý t huyết kết hợp với t hực nghiệm nhưng chủ yếu là thực nghiệm.
* Đối tượng ng hi ên cứu:
Sản phẩm có hình dáng hì nh học phức tạp.
* Thi ết bị thực nghi ệm:
+ Máy đo toạ độ 3 chiề u CMM - C544 - Tr ường ĐH Kỹ t huật Công nghiệ p;
+ Trung tâm gia công VMC - 85S - Tr ường ĐH Kỹ thuật Cô ng nghiệp;
+ Các phần mề m đo, xử lý dữ liệu, thiết kế CAD/CAM và tr uyề n t ải dữ
liệu


DNC.

* Sơ đồ ng hi ên cứu
Biên dạng t hiết kế
Quy trình cơng nghệ
và bù s ai số

Tí nh tốn s ai số
biên dạng chi
tiết

Tool pat h
Máy công c ụ
CNC

CMM

Biên dạng t hực
Hình 1 Phương pháp bù sai số
5. Nội dung ng hi ên cứu
- Nghiên c ứu về c ác phương pháp bù sai số trong gi a công phay CNC;
- Nghiê n cứu tính năng cơng nghệ của máy đo 3D CMM - C544, Trung t âm
gia công VMC - 85S;
- Nghiên cứu xử l ý dữ liệu đo Sc anning trên máy CMM để thiết kế lại mơ hì
nh
CAD của sản phẩm - ứng dụng CAD/CAM để gia công trên trung tâm gi a công VMC
85S; nghiên cứu tính năng truyền dữ liệu DNC;
- Thực nghiệm c hế tạo bề mặt phức tạp, Sc anni ng chi tiết trên máy CMM
để đánh giá độ chính xác hì nh dáng hì nh học;
- Đưa r a mơ hì nh tổng quát thiết kế chương trình bù s ai số gi a 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 Mơ hì nh bù
Ngày nay, phần mềm bù sai số đã được sử dụng c ho các máy CMM (Barakat
2000, Kruth 1994, Busch 1985 và Zhang 1985). Ngoài vi ệc bù sai số cho máy
CMM bù sai số c ho 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, 2 000 và Suh
1999. Những nghiên cứu này dựa trên mơ hình ma trận để nâng cao độ chính xác chi
tiết gia công và được thực hiện bằng Post Processor hoặc bằng c ách điều khiển t hủ
công. Nhiề u máy công c ụ có cơ cấu hỗ trợ bù s ai số, nghĩ a l à bảng s ai số được c
ập nhật từ cơ cấu điều khiể n và bộ điều khiển này có t hể bù c ác sai số kể trên. Nhiề
u cơ c ấu điều khiển hiện đại đã được xây dựng với đặc trưng đó, như TNC 530
(Heidenhain 2002). TNC đã l ợi dụng gi a tốc rung giới hạn để tối ưu sự điều khiển
tool-pat h nhằm ngăn chặn sự dao động cơ tại c ác góc và các vị trí tiệm cận. Sieme
ns 840D có thể thực hiệ n được bù s ai số nhiều hơn tại bộ điều khiển mức với một bộ
điều khiển tốc độ ăn tới. Độ chí nh xác cao hơn có thể đạt được với c ác tốc độ gia
công c ao cùng với sự bù nhiệt cho các trục riêng lẻ.
Những nghiên cứu này mới c hỉ chú trọng đến c ác sai số hì nh học ít biế n
đổi. Tuy nhiên, do mài mịn, sai số hì nh học sẽ t hay đổi nhanh theo t hời gian. Sự
hiệu chỉ nh các máy công c ụ với một chu kì dài c ho thấy rằng chu kì hiệ u chỉ nh
một năm là thích hợ p (Jun 1997). Từ đó về sau máy nên được điều chỉ nh để thực
hiện tí nh to án đến c ác dữ liệu sai số mới.
Do sai số trong các máy công c ụ khác loại rất khác nhau, vấn đề là l àm t hế
nào
để bù các sai số một cách linh hoạt bằng các thuật toán ho ặc kỹ t huật lập trình. Các
sai số này có thể được bù bằng bố n các h khác nhau: Thay đổi tham số điều khiển,
nhúng chương trình bù sai, sử dụng Post processor và điều chỉnh chương trình NC
(Hì nh vẽ

1.1). Sự hiệ u chỉnh các sai số sẽ được thực hiện dựa trên sự thiết lập mối quan hệ toán
học với c ác nguồn s ai số và các phương pháp đo khác nhau.
Begi n
Đo
Bù sai số
Bù sai số bằng l ập trì
nh trong bộ đi ều khi
ển
1

Nhúng c hương
trì nh bù sai số

Bù sai số bằng chương
trì nh NC

2

4

3

Sử dụng Post
Processor

Thay đổi tham
số đi ều khi ển

Đi ều chỉ nh

chương trì nh

Cắt t hử
Ki ểm tra

End
Hình 1.1. Hệ thống bù sai số của máy công cụ
1.1.1.1 Thêm modul phần mềm
Tro ng phương pháp này, chúng ta có thể thêm vào phần mềm có sẵn một
modul khác để xử l ý t hông tin sai số hiện tại c ủa c ác máy cơng c ụ. Modul này có
thể giữ c ác 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 t hơng tin tới hệ điều khiển (J un 1997). Thuật
tốn trong hì nh 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 t hời gian t hực.


1.1.1.2 Bi ến đổi các thông số đi ều khi ển
Nhiều bộ điều khiển cho phép cập nhật các thông số điều khiển và máy CNC có
thể đọc thơng tin trước khi thực hiện các chương trình NC. Có nhiề u 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 tốn một bảng bù s ai số mới, xuất ra chương trình NC
và gửi dat a bởi modul SW tới bộ điều khiể n.
Một vài bộ điều khiển như Sieme ns 840D cho phé p bù nhiệt. Sai số độ lõm
cũng có thể được bù bởi các bộ điều khiể n khác c ủa Sieme ns. Một bảng sai số có
thể được cập nhật vào bộ điều khiển và s ai số có thể được bù trực tiếp ( Sinumerik
2002).
1.1.1.3 Bi ến đổi Post processor (PP)
Việc chuẩn bị dữ liệu tới cơ cấu dẫn động máy CNC từ dữ liệu CL dat a là chức
năng của bộ Post processor. Trong gi ai đo ạn hình t hành chương trình NC c húng t a

có thể gắn thơ ng tin về s ai số hì nh học, chúng có t hể được cấy c ác thơ ng tin s ai số
trong khi t hiết lập c hương trình NC ( Takeuc hi 1992).

Hình 1.2: Các thành phần của Post Processor


1.1.1.4 Bi ến đổi chương trì nh NC
Khi chúng ta khơng có bất kỳ q trình post processor nào để tạo mã NC, chúng
ta có thể sử dụng c ách biến đổi chương trình NC. Chúng có t hể biến đổi chương
trình NC gốc để tạo nên một chương trình NC mới. Nó sẽ cho hiệu quả c ao hơn trong
một số trường hợp. Sự biến đổi bằng post procesor và sự biến đổi mã NC có nguyên
l ý như nhau nhưng c ác bước t hực hiện khác nhau.
Chương trì nh NC
Xử l ý chương trì
nh NC ( NCPP)
(Phân tích/hi ệu chỉ
nh

Thơ ng ti
n máy
Thơ ng ti
n sai số

Chương trì nh NC mới
Hình 1.3: Các thành phần của bộ biến đổi chương trình NC
1.1.2 Bù sai số với các bộ đi ều khi ển
Các máy công cụ NC đ ã được trang bị một bộ điều khiển để điều khiển c
huyển động của tất c ả các trục dựa trên chương trình NC. Một trong c ác chức năng
của bộ điều khiển l à truyền lệnh điều khiển tới nguồ n dẫn động dưới dạng xung vị trí
và tốc độ (Weck 1984). Đối với mỗi trục, có một hệ thố ng dẫn động. Đối với máy

nhiều trục, c ác trục chuyển động trong mỗi toạ độ được điều khiển bằng một bộ điều
khiể n riêng. Bộ điều khiể n nhận gi á 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 khiể n được
thực hiện trong phần mềm gắn trong bộ điều khiể n. Hầu hết các bộ điều khiể n cho
phé p 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). Hiệ n nay, công nghệ này đ ang phát
triển theo hướng kỹ thuật điều khiể n hệ t hống mở (Re uve n 20000). Máy CNC c ấu
trúc mở (hệ thố ng mở) c ho phép cập nhật phần mềm điều khiển của máy.


1.1.2.1 Thêm modul phần mềm mới
Tro ng phần này chúng ta mô tả khả năng của phần mềm được gắn vào hoặc
sự thêm t hành phần SW vào bộ điều khiển ( Nhánh 1 hình 1.1). Đầu tiên, bộ đọc
chương trình NC và bộ xử lý hì nh học xác định khoảng c ách dịc h chuyển và vận
tốc, gia tốc cho phép.
Hầu hết phần c ứng các máy công c ụ được mua từ các nhà c ung cấp khác
nhau. Tro ng khi các chương trình điều khiển đ ược viết bởi người sử dụng. Các máy
công cụ ngày nay phát triển theo hướng cấu tr úc mở, nó sẽ có thể cài đặt phần mềm
t hêm 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 t hống dẫn động máy sẽ bị mò n (thay đổi sai số tổng hợp)
phần mềm điều khiển khơng nhận biết được sự mịn. Do đó, u cầu c ập nhật
modul mới hoặc cập nhật các t hông số mới l à c ần thiết.
1.1.2.2 Cài đặt bộ đi ều khi ển phần cứng độc l
ập
Hệ thống điều khiể n các máy công cụ gồm bộ chuyển đổi tín hiệu, bộ xử lý hì
nh học, PLC, đo lường, hệ thống dẫn động ser vo.v.v.. Tất cả các thành phần này
cùng nhau điều khiển máy t heo 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 ser vo. Một bộ điều
khiển bù sai số có thể khắc phục hạn chế c ủa 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 P C
để chuyển tín hiệu liên hệ ngược từ máy khi chương trình NC đang được thực hiện.
Dựa trên vị trí hiện tại, chương trì nh con có thể biế n đổi giá trị toạ độ máy trước khi
đưa tới các hệ thố ng dẫn động servo. Tín hiệu liên hệ ngược có thể được thừa nhận
như miêu tả c ủa Ibar aki (Ibaraki 2001). Một ưu điểm c ủa hệ thống này là chúng ta có
thể điều khiển vị trí tới độ phân giải bé nhất của hệ t hống ser vo. Với s ự biến đổi mã
NC, rất khó để nội s uy đường tròn để xác định lại đường tròn mới với sai số nhỏ
hơn. Hạn c hế chí nh của phương pháp này l à c húng t a phải cài đặt chương trình con
I/O vào bộ điều khiển.


1.2 Gi ới thi ệu một vài nghi ên cứu bù sai số ở trong nước và trên t hế gi ới
1.2.1 Các cơng trì nh 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 t ác gi ả đã đưa ra một gi ải pháp để nâng c ao 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 l à s ai số vị trí. Khi gi a cơng, bộ điều khiển sẽ điều khiển c ác trục x, y,
z sao c ho 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 nguyê n nhân gây sai số vị trí như khe
hở của vitme bi, độ không song song của sống dẫn hướ ng, sự dãn nở nhiệt, sự lệch
của trục gá động cơ so với mặt phẳng dẫn hướng và nhiều yế u tố khác.
Việc khử nguyên nhân gây s ai số là một biện pháp hoàn c hỉnh nhưng tốn
kém, mặt khác trong một vài trường hợp không t hể thực hiện được do c ác thiết bị
gia cơng có độ chính xác c hế tạo không c ao và nhiều nguyên nhân khác ảnh hưởng
đến độ chí nh xác gi a cơng. Chính vì vậy, một giải pháp tổng hợp đã được đưa r a l à
nghiên cứu s ai số tổng hợp và bù s ai số thành phần bằng phần mềm c ủa bộ điều
khiển i TNC530 kết hợp với việc sử dụng t hước laser HP5519A kè m hệ thố ng 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 gi á trị trên bộ điều khiển. Sau khi t hu được các gi
á trị đi và về trên 3 trục x, y, z, căn cứ vào kết quả đó phần mề m tính gi á trị bù cho

các trục x, y, z tại c ác điểm nội suy. Sau khi bù, sai số đều đ ạt yêu c ầu và c ao hơn
khả năng t hông thường.
Để đánh gi á 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, s ai số nội
suy khi gia cơng vị ng trịn với vật liệu là t hép 40X, dụng cụ l à dao phay ngón, tốc
độ trục chính 3500v/ ph, khơ ng dùng dung dịc h trơn nguội và đ ã kiểm nghiệm được
kết quả.
Phương pháp này có ưu điểm là khơ ng quan tâm đến nguyên nhân gây s ai
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 r áp. Do vậy, nó cho phép gi ảm gi á thành gi a công chi tiết do


khơng địi hỏi


máy có độ chính xác cao. Tuy nhiên, trong miền gi a cơng có vài điểm có độ chính
xác cịn thấp (sai số còn >0.01mm). Mặt khác, tác gi ả cũng c hưa đưa ra đư ợc bản đồ
sai số trên toàn miền l àm việc 3D của t ừng máy CNC để đánh gi á được chất lượng
và gi ải pháp khắc phục s ai số nhằm nâng c ao được độ chí nh xác khi gi a cơng trên
máy CNC.
1.2.2. Cơng trì nh của c ác tác gi ả nước
ngồi
1.2.2.1. Bù sai số hì nh học và do l ực cắt cho máy phay ba trục
CNC
Các máy phay CNC với độ chính xác cao được sử dụng trong nhiều q trình
gia cơng vì nhu cầu về độ chính xác ngày càng tăng. Ảnh hưởng quan trọng nhất tới
độ chính xác gi a cơng là độ chính xác của máy cơng cụ. Các sai số vị trí xuất hiện do
hì nh học, lực cắt, tải trọng động.v.v.. Chana Raksiri và Manukid P arnichkun [6 ] đ ã
đề xuất một mơ hình bù sai số độc lập bằng c ách tính tốn c ác sai số hình học do l

ực cắt trên các máy phay CNC.
Đầu tiên tác gi ả đo 21 thành phần sai số hình học bằng dụng c ụ đo laser. Sau
đó,
đánh gi á sai số hình học bằng mạng nơron và sử dụng mơ hình bù sai số hình
học
riêng.

Lớp ẩn
Lớp vào

Lớp ra

Đầu ra

Vị trí x
Sai số hình học trên trục x
Vị trí y
Vị trí z

Sai số hình học trên trục y
Sai số hình học trên trục z

Hình 1.4: Cấu trúc 3-80-30 của mơ hình sai số

Tiế p theo, đánh gi á sai số do lực cắt bằng mạng nơron được xác định dựa