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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

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

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG CHI TIẾT

CÔNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ

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
TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG

Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS Nguyễ n Đăng Hoè

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

THÁI NGUYÊN 2008


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

1

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

о0о

***

MỤC LỤC

Chương I

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI

PHẦN MỞ ĐẦU

11

TỔNG QUAN VỀ BÙ SAI SỐ CHO MÁY CÔNG

14

CỤ CNC

1.1

Các phương pháp bù sai số cho các máy CNC

14

1.1.1

Mô hình bù

14

1.1.1.1

Thêm modul phần mềm

15

1.1.1.2

Biến đổi các thông số điều khiển

16

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG CHI TIẾT

1.1.1.3

Biến đổi Post Processor (PP)

16

HÌNH DÁNG HÌNH HỌC PHỨC TẠP TRÊN TRUNG TÂM GIA

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

Học viên: Trƣơng Thị Thu Hƣơng

1.1.2.2

Cài đặt bộ điều khiển phần cứng độc lập

18

Lớp: CHK8

1.2

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

19

CÔNG BA TRỤC CNC BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ

Chuyên ngành: Chế tạo máy
Người HD Khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè

thế giới

1.2.1

Các công trình ở trong nước

19

1.2.2

Công trình của các tác giả nước ngoài

20

Ngày giao đề tài: 01/11/2007

1.2.2.1

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

20

Ngày hoàn thành: 30/4/2008

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

1.3

Kết luận chương I

25

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN

HỌC VIÊN

Chương II

PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SAI SỐ VÀ CÁC

26

NGUYÊN NHÂN G ÂY SAI SỐ

2.1

Độ chính xác gia công

26

2.2

Các nguồn sai số của máy công 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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

2

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

3

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

2.2.3

Sai số do sống trượt

32

3.3

Đo sai số gia công trên máy CMM - C544

59

2.2.4

Sai số do ổ đỡ

33

3.3.1

Gá đặt chi tiết

59

2.2.5

Sai số do nhiệt

33

3.3.2

Khởi động và kiểm tra hệ thống

59

2.2.6

Sai số do rung động tự do

35

3.3.3

Hiệu chuẩn đầu đo

60

2.2.7

Sai số do tải tĩnh và động

35

3.3.4

Lập hệ toạ độ của chương trình đo

61

2.2.8

Sai số do hệ thống điều khiển truyền động servo

36

3.3.5

Scan biên dạng thực

62

2.3

Kết luận chương II

37

3.4

Cơ sở dữ liệu scan bề mặt

63

3.4.1

Mô hình mặt lưới quét hình

63

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

Chương III

HỆ THỐNG BÙ SAI SỐ G IA CÔNG

39

3.1

Hệ thống thiết bị thí nghiệm

39

3.4.2.2

Mô hình mặt lưới Ferguson

67

3.1.1

Trung tâm gia công VMC - 85S

40

3.4.2.3

Mô hình mặt lưới Bezier

69

3.1.2.

Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544

40

3.4.2.4

Mô hình mặt lưới B-spline đều

70

3.1.2.1

Cấu hình cơ bản của máy

40

3.5

Xử lý dữ liệu đo

70

3.1.2.2

Tính năng kỹ thuật cơ bản

43

3.5.1

Xây dựng lưới tam giác Gergory từ các đám mây điểm

71

3.1.3

Phần mềm thiết kế CAD/CAM

44

3.5.2

Xây dựng lưới điểm theo mặt B-spline

73

3.1.3.1

Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD

45

3.5.3

Đơn giản hoá lưới tam giác

75

3.1.3.2

Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM

47

3.6

Xây dựng đường tròn theo biên dạng đo

75

3.2.

Thực nghiệm gia công trên máy VMC-85S

50

3.6.1

Toạ độ tâm và bán kính đường tròn qua ba điểm đo

75

3.2.1

Thiết kế CAD/CAM

50

3.4.5

Toạ độ tâm và bán kính đường tròn qua toạ độ của n điểm đo

77

3.2.1.1

Biên dạng và kích thước gia công

50

3.7

Bù sai số gia công

79

3.2.1.2

Lập trình nguyên công

51

3.7.1

Phân tích sai số gia công

79

3.2.2

Truyền chương trình sang máy CNC

55

3.7.2

Bù sai số gia công

82

3.2.3

Điều chỉnh máy

57

3.7.3

Bù chương trình NC bằng phần mềm CAD/CAM

82

3.2.3.1

Thiết lập gốc toạ độ phôi

57

3.8

Sản phẩm ứng dụng

85

3.2.3.2

Thiết lập các tham số bù dao

57

Chương 4

KẾT LUẬN

89

3.2.3.3

Gia công cắt gọt

58

TÀI LIỆU THAM KHẢO

91

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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

4

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

5

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

CÁC TỪ VIẾT TẮT

CMM

Coordinate Measuring Machine

Máy đo toạ độ 3 chiều

Hình 1.1

Hệ thống bù sai số của máy công cụ

15

Co-or. Sys

Coordinate System

Hệ toạ độ

Hình 1.2

Các thành phần của Post Processor

16

VMC

Vertical Machining Center

Trung tâm gia công đứng

Hình 1.3

Các thành phần của bộ biến đổi mã NC

17

CAD

Computer Aided Design

Thiết kế với trợ giúp của máy

Hình 1.4

Cấu trúc 3-80-30 của mô hình sai số

20

tính

Hình 1.5

Cấu trúc 4-20-3 của mô hình sai số do lực cắt

21

CAM

Computer Aided Manufacturing

Sản xuất có trợ giúp của máy

Hình 1.6

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

21

tính

Hình 1.7

Hệ thống bù sai số cho trung tâm gia công đứng

22

CNC

Computer Numerical Control

Điều khiển số bằng máy tính

Hình 1.8

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

24

3D

3 Dimension

3 chiều

Hình 1.9

Bù sai số bằng chương trình NC

24

PP

Post Processor

Hậu xử lý

Hình 2.1

Độ chính xác gia công

27

Hình 2.2

Sai số tổng hợp của máy công cụ

29

Hình 2.3

Các thành phần sai số tổng hợp

30

CL

Cutting Location

Đường dụng cụ

SW

Software

Phần mềm

I/O

Input/Output

Vào/ Ra

Hình 2.4

Khoảng cách trục vítme - bàn máy

31

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

Hình 2.5

Hệ thống phản hồi của máy công cụ

36

Bộ điều khiển PLC

Hình 3.1

Sơ đồ công nghệ thực nghiệm

39

Phương pháp phần tử hữu

Hình 3.2

Cấu tạo máy CMM

41

hạn

Hình 3.3

Các loại đầu đo cho máy CMM

42

Hình 3.4

Biên dạng gia công thực

50

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 3.8

Giao diện DNC

56

Hình 3.9

Các tham số DNC

56

Hình 3.10

Truyền và nhận chương trình

57

Hình 3.11

Phần mềm Geopak

59

PLC

Programmable Logic Controller

FEM

Finite Element Methods

CAP

CAPP

Computer Aided Planning
Computer Aided Process

công nghệ

Planning

CAQ

Computers Aided Quality Control

DNC

Direct Numerical Control

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

Điều khiển số trực tiếp

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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

6

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

7

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Hình 3.12

Hiệu chuẩn đầu đo

60

Hình 3.13

Đo sai số thực nghiệm

61

Hình 3.14

Thiết lập các thông số đo

62

Bảng 3.1.

Chế độ gia công

58

Hình 3.15

Dữ liệu đám mây điểm

63

Bảng 3.2.

Kết quả gia công

77

Hình 3.16

Mặt quét hình song song

64

Bảng 3.3.

Tính toán bù sai số

80

Hình 3.17

Mặt quét hình tròn xoay

65

Bảng 3.4.

Sai số sau bù

85

Hình 3.18

Mặt cong quét hình phi tham số

65

Bảng 3.5.

Kết quả đo sai số gia công

87

Hình 3.19

Mặt lưới đa thức chuẩn bậc ba

67

Hình 3.20

Mặt lưới Ferguson

68

Hình 3.21

Mặt lưới Berier bậc 3 kép

69

Hình 3.22

Mặt lưới B-Spline 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-spline 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 công kiểm nghiệm

84

Hình 3.30

Sản phẩm gia công

85

Hình 3.31

Thiết lập các tham số bù

86

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



DANH MỤC CÁC BẢNG

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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

8

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN

9

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

LỜI NÓI ĐẦU

Tôi xin cam đoan những kết quả có được trong Luận

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cả

văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo

các lĩnh vực thì các sgản phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất lượng

PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè. Ngoài phần tài liệu tham khảo đã

sản phẩm, mức độ tự động hoá quy trình sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng

được liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và

hình học của sản phẩm.

chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.

Để nâng cao được độ chính xác của các máy CNC nói chung, máy phay CNC

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008

nói riêng, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè, tác giả đã thực hiện đề

Người thực hiện

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

Trương Thị Thu Hương

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 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 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 cảm 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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

10

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

11

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

PHẦN MỞ ĐẦU

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 cảm ơn!

1. Tính cấp thiết của đề tài
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008
Người thực hiện

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

Trương Thị Thu Hương

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 của các hệ thống thiết bị kỹ thuật này vào chương trình đào tạo đại học, sau đại
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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

12

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

13

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

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.

* Sơ đồ nghiên cứu
Biên dạng thiết kế

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

Quy trình công nghệ
và bù sai số

Tính toán sai số biên
dạng chi tiết

Tool path

cao hơn.

CMM

Máy công cụ

CNC

3. Mục đích nghiên cứu
- Khai thác tính năng công nghệ của máy CMM – C544 và trung tâm gia công
VMC – 85S;

Biên dạng thực

- Ứng dụng công nghệ Scanning để tạo mô hình CAD của sản phẩm và kiểm tra

Hình 1 Phương pháp bù sai số

độ chính xác gia công;
- Nâng cao độ chính xác hình học của sản phẩm;

5. Nội dung nghiên cứu

- Phục vụ cho đào tạo, nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ trong nhà
trường;

- 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 gia

- Ứng dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp hiện nay.

công VMC - 85S;
- Nghiên cứu xử lý dữ liệu đo Scanning trên máy CMM để thiết kế lại mô hình

4. Phương pháp nghiên cứu

CAD của sản phẩm - ứng dụng CAD/CAM để gia công trên trung tâm gia công VMC -

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhưng chủ yếu là thực nghiệm.
* Đối tượng nghiên cứu:

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;

Sản phẩm có hình dáng hình học phức tạp.

- Đưa ra mô hình tổng quát thiết kế chương trình bù sai số gia công.

* Thiết bị thực nghiệm:
+ Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 - Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp;
+ Trung tâm gia công VMC - 85S - Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp;
+ Các phần mềm đo, xử lý dữ liệu, thiết kế CAD/CAM và truyền tải dữ liệu
DNC.

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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

14

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Chương I: TỔNG QUAN VỀ BÙ SAI SỐ CHO MÁY CÔNG CỤ CNC

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

15

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

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.

1.1 Các phương pháp bù sai số cho các máy CNC
1.1.1 Mô hình bù

Begin

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

Đo

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

Bù sai số

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 cụ 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

Bù sai số bằng lập trình
trong bộ điều khiển
1

Nhúng chương
trình bù sai số

Bù sai số bằng chương
trình NC

2

4

3

Thay đổi tham
số điều khiển

Sử dụng Post
Processor

dụng gia tốc rung giới hạn để tối ưu sự điều khiển tool-path nhằm ngăn chặn sự dao

Điều chỉnh
chương trình
NC

động cơ tại các góc và các vị trí tiệm cận. Siemens 840D có thể thực hiện được bù sai
Cắt thử

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

Kiểm tra

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

End

các 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

Hình 1.1. Hệ thống bù sai số của máy công cụ
1.1.1.1 Thêm modul phần mềm

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

Trong phương pháp này, chúng ta có thể thêm vào phần mềm có sẵn một modul

để bù các sai số một cách linh hoạt bằng các thuật toán hoặc kỹ thuật lập trình. Các sai

khác để xử lý thông tin sai số hiện tại của các máy công c ụ. Modul này có thể giữ các

số này có thể được bù bằng bốn cách khác nhau: Thay đổi tham số điều khiển, nhúng

kết quả đo của máy công cụ và có thể cập nhật các tín hiêu vị trí dựa trên sự mã hoá

chương trình bù sai, sử dụng Post processor và điều chỉnh chương trình NC (Hình vẽ

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.

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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

16

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

1.1.1.2 Biến đổi các thông số điều khiển

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

17

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

1.1.1.4 Biến đổi chương trình NC

Nhiều bộ điều khiển cho phép cập nhật các thông số điều khiển và máy CNC có

Khi chúng ta không có bất kỳ quá trình post processor nào để tạo mã NC, chúng

thể đọc thông tin trước khi thực hiện các chương trình NC. Có nhiều phần mềm hữu

ta có thể sử dụng cách biến đổi chương trình NC. Chúng có thể biến đổi chương trình

ích có thể thực hiện việc cập nhật tới các bộ điều khiển CNC. Ví dụ như một bảng bù

NC gốc để tạo nên một chương trình NC mới. Nó sẽ cho hiệu quả cao hơn trong một số

sai số có thể được cập nhật vào bộ điều khiển CNC dựa trên sự đo bằng giao thoa kế

trường hợp. Sự biến đổi bằng post procesor và sự biến đổi mã NC có nguyên lý như

laser sau đó tính toán một bảng bù sai số mới, xuất ra chương trình NC và gửi data bởi

nhau nhưng các bước thực hiện khác nhau.

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).

Chương trình NC
Xử lý chương trình
NC (NCPP) (Phân
tích/hiệu chỉnh
chương trình NC)

Thông tin
máy
Thông tin
sai số

Chương trình NC mới
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

Hình 1.2: Các thành phần của Post Processor

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



phép cập nhật phần mềm điều khiển của máy.

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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

18

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

19

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

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

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

1.2.1 Các công trình ở trong nước

thêm thành phần SW vào bộ điều khiển (Nhánh 1 hình 1.1). Đầu tiên, bộ đọc chương

Vấn đề bù sai số trên các máy CNC đã được đề cập đến trong tài liệu [3], trong

trình NC và bộ xử lý hình học xác định khoảng cách dịch chuyển và vận tốc, gia tốc

đề tài này các tác giả đã đưa ra một giải pháp để nâng cao độ chính xác của máy phay

cho phép.

CNC bằng bộ điều khiển. Theo tác giả, tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá chất lượng

Hầu hết phần cứng các máy công c ụ được mua từ các nhà cung cấp khác nhau.

máy là sai số vị trí. Khi gia công, bộ điều khiển sẽ điều khiển các trục x, y, z sao cho

Trong khi các chương trình điều khiển được viết bởi người sử dụng. Các máy công cụ

dụng cụ đạt được toạ độ theo yêu cầu - toạ độ này được xác định thông qua encorder

ngày nay phát triển theo hướng cấu trúc mở, nó sẽ có thể cài đặt phần mềm thêm vào

gắn ngay sau động cơ. Có nhiều nguyên nhân gây sai số vị trí như khe hở của vitme bi,

trong bộ điều khiển.

độ không song song của sống dẫn hướng, sự dãn nở nhiệt, sự lệch của trục gá động cơ

Hầu hết các máy công cụ sử dụng phần mềm điều khiển như nhau tại mọi thời

so với mặt phẳng dẫn hướng và nhiều yếu tố khác.

điểm. Theo thời gian, hệ thống dẫn động máy sẽ bị mòn (thay đổi sai số tổng hợp) phần

Việc khử nguyên nhân gây sai số là một biện pháp hoàn chỉnh nhưng tốn kém,

mềm điều khiển không nhận biết được sự mòn. Do đó, yêu cầu cập nhật modul mới

mặt khác trong một vài trường hợp không thể thực hiện được do các thiết bị gia công

hoặc cập nhật các thông số mới là cần thiết.

có độ chính xác chế tạo không cao và nhiều nguyên nhân khác ảnh hưởng đến độ chính

1.1.2.2 Cài đặt bộ điều khiển phần cứng độc lập

xác gia công. Chính vì vậy, một giải pháp tổng hợp đã được đưa ra là nghiên cứu sai số

Hệ thống điều khiển các máy công cụ gồm bộ chuyển đổi tín hiệu, bộ xử lý hình

tổng hợp và bù sai số thành phần bằng phần mềm của bộ điều khiển iTNC530 kết hợp

học, PLC, đo lường, hệ thống dẫn động servo.v.v.. Tất cả các thành phần này cùng

với việc sử dụng thước laser HP5519A kèm hệ thống gương phản xạ để xác định vị trí

nhau điều khiển máy theo tool-path đã biết. Khi một chương trình NC được thực hiện,

chính xác của trục bàn máy khi di chuyển. Sai số chính là giá trị đo được từ đầu thu

nó gửi lệnh điều khiển vị trí tới hệ thống dẫn động servo. Một bộ điều khiển bù sai số

laser và giá trị trên bộ điều khiển. Sau khi thu được các giá trị đi và về trên 3 trục x, y,

có thể khắc phục hạn chế của sự biến đổi các tham số như được mô tả trong bộ xử lý

z, căn cứ vào kết quả đó phần mềm tính giá trị bù cho các trục x, y, z tại các điểm nội

chương trình NC. Bảng I/O độc lập có thể được cài đặt trong PC để chuyển tín hiệu

suy. Sau khi bù, sai số đều đạt yêu cầu và cao hơn khả năng thông thường.

liên hệ ngược từ máy khi chương trình NC đang được thực hiện. Dựa trên vị trí hiện

Để đánh giá kết quả sau khi bù sai số bằng phần mềm, đề tài đã tiến hành gia

tại, chương trình con có thể biến đổi giá trị toạ độ máy trước khi đưa tới các hệ thống

công thử nghiệm và đo kiểm tra 02 thông số: sai số vị trí của các lỗ tâm, sai số nội suy

dẫn động servo. Tín hiệu liên hệ ngược có thể được thừa nhận như miêu tả của Ibaraki

khi gia công vòng tròn với vật liệu là thép 40X, dụng cụ là dao phay ngón, tốc độ trục

(Ibaraki 2001). Một ưu điểm của hệ thống này là chúng ta có thể điều khiển vị trí tới độ

chính 3500v/ph, không dùng dung dịch trơn nguội và đã kiểm nghiệm được kết quả.

phân giải bé nhất của hệ thống servo. Với sự biến đổi mã NC, rất khó để nội suy đường

Phương pháp này có ưu điểm là không quan tâm đến nguyên nhân gây sai số,

tròn để xác định lại đường tròn mới với sai số nhỏ hơn. Hạn chế chính của phương

việc bù được dựa trên sai số tổng hợp trên từng đoạn nhỏ của toàn bộ chiều dài chuyển

pháp này là chúng ta phải cài đặt chương trình con I/O vào bộ điều khiển.

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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

20

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

21

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

máy có độ chính xác cao. Tuy nhiên, trong miền gia công có vài điểm có độ chính xác

và áp dụng để đo lực cắt. Kết quả của sai số gia công do lực cắt gây ra được đo bằng

còn thấp (sai số còn >0.01mm). Mặt khác, tác giả cũng chưa đưa ra được bản đồ sai số

camera và sau đó sử dụng riêng một mô hình bù sai số.

trên toàn miền làm việc 3D của từng máy CNC để đánh giá được chất lượng và giải

Lớp ẩn

pháp khắc phục sai số nhằm nâng cao được độ chính xác khi gia công trên máy CNC.
Lớp vào

1.2.2. Công trình của các tác giả nước ngoài

Lớp ra

Đầu ra

1.2.2.1. Bù sai số hình học và do lực cắt cho máy phay ba trục CNC

Sai số do lực
cắt trên trục x

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

Sai số do lực
cắt trên trục y

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

Sai số do lực
cắt trên trục z

Chiều sâu cắt

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.

Hình 1.5: Cấu trúc 4-20-3 của mô hình sai số do lực cắt

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.

Lớp ẩn
Lớp vào

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.

Lớp ra

Đầu ra
Lớp ẩn

Vị trí x
Sai số hình học trên trục x

Lớp vào

Lớp ra

Đầu ra

Vị trí y
Sai số hình học trên trục y

Vị trí z

Sai số tổng hợp trên trục x
Sai số hình học trên trục z
Sai số tổng hợp trên trục y

Hình 1.4: Cấu trúc 3-80-30 của mô hình sai số
Sai số tổng hợp trên trục z

Tiếp theo, đánh giá sai số do lực cắt bằng mạng nơron được xác định dựa trên

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

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

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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

22

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

1.2.2.2. Bù sai số hình học cho trung tâm gia công đứng

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

23

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Mô hình động học được biến đổi để cho phép áp dụng đối với các ảnh hưởng

Để nâng cao độ chính xác gia công cho các máy công cụ, DG Ford, SR

của hệ thống không cứng vững và đưa ra một lý thuyết mới để giảm các sai số gia công

Postlethwaite, JP Allen và MD Blake đã xây dựng một hệ thống bù các thành phần sai

gây ra bởi biến dạng nhiệt cho các máy CNC. Phương pháp này được thực hiện nhằm

số hình học cho các máy công c ụ thông thường.

giảm sai số nhiệt dựa trên kỹ thuật đo gián tiếp. Trong đó, sự liên hệ giữa nhiệt độ và

Sự dịch chuyển vị trí hệ trục máy công cụ có thể ảnh hưởng đến các thành phần

biến dạng được chia thành hai phần: Mô hình nhiệt và mô hình biến dạng. Sử dụng mô

sai số trên từng trục. Mức độ ghép trục phụ thuộc vào hệ thống máy công cụ và mức độ

hình nhiệt và biến dạng độc lập cho các kỹ thuật phân tích, sử dụng phương pháp phân

cứng vững của cấu trúc máy. Các ảnh hưởng nhiệt có thể ảnh hưởng đến các thành

tích phần tử hữu hạn để kiểm nghiệm chất lượng. Hệ thống bù sai số đựơc xây dựng có

phần sai số của máy công cụ.

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

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

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



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

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

24

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

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

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

25

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

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

Pd

δ(I)

Pc

Dự báo
sai số

Pd + Σδ(I)

Pc + e(Pc)

Đầu ra
δ(I)≤10-4

P c(I
Có )

Không

Các mã
NC

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

Bù sai số phần mề m hồi quy
Begin

trong kỹ thuật. Bảng sai số có thể được cập nhật dựa vào thiết bị đo laser hoặc máy đo

Xác định vị trí
dao thiết kế

sự đảo vị trí các trục, cơ cấu điều khiển có thể bù các giá trị khe hở. Các sai số khác
Phần mềm bù

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

Vị trí
dao cắt
End

Pc
Hệ
thống
servo

Động học
nghịch cơ cấu
điều khiển CNC

Viết lại các mã NC

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

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

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

Mã NC đầu vào

qua cổng I/O và được điều khiển bằng phần mềm điều khiển.

Đọc các dải của mã
NC
Xác định các toạ độ trục
của điểm thiết kế
Dự báo và
bù sai số
Các toạ độ trục sau khi bù

Viết lại mã NC được bù

Mã NC mới

Hình 1.9: Bù sai số bằng chương trình NC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

26

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Chương II

27

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Độ chính xác gia công

PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SAI SỐ VÀ CÁC NGUYÊN
Độ chính xác của chi
tiết

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 độ

Sai lệch kích
thước

Độ chính xác của cụm chi
tiết
Sai số tổng

Sai lệch vị trí
tương quan

bóng 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 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

Sai số
kích
thước

Sai số
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
hệ

thống

Sai số
ngẫu
nhiên

việc.v.v..Tuy nhiên, người trực tiếp chế tạo sẽ là người quyết định cuối cùng độ chính
Hình 2.1: Độ chính xác gia công

xác đạt được của chi tiết.
Độ chính xác gia công c ủa 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

- 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

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

góc yêu cầu giữa vị trí bề mặt này với bề mặt kia trong hai mặt phẳng toạ độ vuông góc

toàn phù hợp về hình học, kích thước cũng như tính chất cơ lý với các giá trị lý tưởng.

với nhau. Độ chính xác vị trí tương quan thường được ghi thành một điều kiện kỹ thuật

Vì vậy dùng giá trị sai lệch của nó để đánh giá độ chính xác gia công c ủa chi tiết máy,

riêng trên bản vẽ thiết kế.

giá trị sai lệch đó càng lớn thì độ chính xác gia công càng thấp.

- Độ chính xác hình dạng hình học của chi tiết máy là mức độ phù hợp của

Độ chính xác gia công bao gồm các khái niệm sau:

chúng với hình dáng hình học lý tưởng. Ví dụ như chi tiết hình trụ thì độ chính xác

+ Độ chính xác của một chi tiết;

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

+ 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.

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.

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



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

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

28

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

29

- Tính chất lớp cơ lý lớp bề mặt của chi tiết gia công: Là một trong những chỉ

-

Hệ thống điều khiển servo;

tiêu quan trọng của độ chính xác gia công, nó ảnh hưởng lớn đến điều kiện làm việc

-

Dao động ngẫu nhiên.

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

của chi tiết máy nhất là các chi tiết chính xác và các chi tiết làm việc trong những điều
Hình 2.2 biểu diễn các nguồn sai số của một máy công cụ nhiều trục và các quan hệ

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

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.

công một loạt chi tiết trong cùng một điều kiện xác định mặc dù những nguyên nhân

Độ chính xác
của máy

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.

Sai số hệ thống

2.2. Các nguồn sai số của máy công cụ

Sai số ngẫu nhiên
Các tác động của nhiệt

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

Nguồn trong
Độ cứng
vững

Thông
số hình
học

Vị trí

Khe hở

Nguồn ngoài
Độ phân tán

Tải
trọng

Rung
động

Độ chính xác vị trí

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

Hình 2.2: Sai số tổng hợp của máy công cụ

của máy. Tải trọng làm việc tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công sẽ gây biến dạng

Một thí dụ về chuyển động theo đường biên ở đó lưỡi cắt di chuyển dọc theo

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:

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

-

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;

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

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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

30

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

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).

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

31

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

+ 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 thoảng sự va chạm cũng làm hỏng phôi và
thay đổi các thành phần hình học và chi tiết dẫn động của máy.
Chuyển động
quay quanh
trục Y

Chuyển động
quay quanh
trục X

Y

Chuyển động
quay quanh
trục Z

X
Pw
Z

Bàn trượt theo trục X

Ổ
đỡ

d

Ecu
Giá

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
Hình 2.3: Các thành phần sai số tổng hợp

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

Trong đó:

x, y và z. Mặc dù các sai số góc rất nhỏ, sự khuyếch đại sai số này tại đầu dụng cụ là

+ x, y, z là các vị trí danh nghĩa;

đáng kể.

+ δxx , δyy , δzz là các sai số tương ứng dọc theo phương x, y, z;

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



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

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

32

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

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.

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

33

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

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;

2.2.2 Sai số do vít me

- Biến dạng tĩnh do khối lượng và lực cắt;

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

- Biến dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ.

với vít me bi. Vít me bi có đường xoắn vít, đai ốc và một số viên bi lăn giữa vít và đai

2.2.4 Sai số do ổ đỡ

ốc. Khi vít me quay, các viên bi truyền chuyển động dọc trục tới gối đỡ. Nếu cần hệ

Các loại phản ứng khác nhau có thể dự đoán được phụ thuộc vào việc vít me bi

thống độ cứng vững cao hay không có độ rơ, cần phải đặt lực trước vào hệ thống vít

có thể giãn ra dễ dàng hay không. Phần lớn máy CNC sử dụng 3 loại ổ đỡ khác nhau để

me theo phương pháp dự ứng lực(Weck 1984c).

đỡ trục vít me. Có các ổ cố định tại một đầu và vít me giãn ra dễ dạng theo sự thay đổi

Sai số động học trong đo vị trí bằng đầu mã hóa quay và vít me bi xuất phát chủ

của nhiệt độ. Ổ cố định hai đầu trục vít me làm cho trục vít me bị uốn khi nhiệt độ

yếu từ sai số bước vít me. Sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo vì bước của

tăng. Loại ổ đỡ khác là một đầu cố định và đầu kia được đặt tải từ trước. Loại ổ đỡ này

vít me bi liên quan trực tiếp tới chuyển động tuyến tính.

làm việc giống như loại ổ đỡ cố định hai đầu ở phạm vi lực nhất định và ngoài khoảng

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.

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 c ủa ở vành ổ, sự đồng tâm của trục động cơ servo với các
phần lắp ghép.

2.2.3 Sai số do sống trượt
2.2.5 Sai số do nhiệt
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 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.

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

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 khả
năng giảm áp lực. Việc điều khiển nhiệt độ của chất lỏng có tính quan trọng; nếu

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

Một máy công cụ thường hoạt động ở trạng thái không ổn định về nhiệt do nhiệt

trong máy công cụ xuất phát từ:
- Ổ lăn;

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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

34

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

35

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

- Bánh răng và dầu thủy lực;

biến dạng nhiệt với sự hỗ trợ của các mô hình phân tích, các mạng nơron và các

- Thiết bị dẫn động và li hợp;

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.

- Bơm và động cơ;

Tuy nhiên, sự giãn nở nhiệt của dụng cụ có thể được tính toán bằng phương pháp phần

- Sống dẫn hướng và vít me bi;

tử hữu hạn (FEM) (Takuchi 1982). Bằng sự tính toán nhiệt phân bố trong vít me, chúng

- Quá trình cắt và tạo phoi;

ta có thể bù được sai số bằng phần mềm.

- Nguồn nhiệt từ bên ngoài.

2.2.6 Sai số do rung động tự do

Các tác động của các nguồn nhiệt này ảnh hưởng đến sai lệch vị trí, độ thẳng và

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

sai lệch góc.

hợp lý sẽ gây ra sai số về hình dạng của chi tiết gia công (Weck 1984). Đặc tính động

* 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:

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:

- Giảm các nguồn sinh nhiệt và tác động của nhiệt đến máy: Gắn động cơ và
hộp tốc độ bên ngoài máy;

- Rung động cưỡng bức: Rung động cưỡng bức do sự mất cân bằng khi vật thể
quay.

- 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.

- Tự rung: Hệ thống rung động tại một hoặc nhiều tần số khi không có các lực
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

* Giảm sai số nhiệt trong quá trình sử dụng

Các tải tĩnh của máy công cụ là kết quả của lực gia công và khối lượng của chi

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..

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

Các loại khác trong chế độ nhiệt phụ thuộc khớp cầu có giãn nở tự do hay

bàn dao. Chúng gồm các lực quán tính gây ra bởi gia tốc của cơ cấu trượt, lực gia công

không. Để giảm sự ảnh hưởng của nhiệt độ có hai phương pháp bù đã được đề xuất

và ma sát trong trục chính (Weck 1984). Các nhân tố động khác như mômen xo ắn của

(Braasch 2002): Làm mát vít me bi và bù bằng phần mềm. Việc làm mát vít me bi có

động cơ, bộ khuếch đại của cơ cấu dẫn động.v.v.. cũng ảnh hưởng tới hệ thống điều

sự bất lợi liên quan tới vấn đề kín khít. Sự nghiên cứu đang được thực hiện để bù sự

khiển vị trí.

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

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






Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

36

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

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 ở

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

37

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

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:

dạng điện áp xung (PPS). Dữ liệu này dùng để dẫn động bàn quay hoặc cơ cấu chấp

- Các hằng số thời gian cao;

hành khác tới vị trí đã được lập trình.

- Sự biến thiên trong các bộ khuếch đại vận tốc của các vòng điều khiển vị trí

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.

riêng lẻ;
- Sự biến thiên động lực của các cơ cấu dẫn động;

Các cơ cấu dẫn động bằng đai răng cũng được sử dụng rộng rãi.
- Tín hiệu phi tuyến;
Vị trí thực được đo bằng cơ cấu đo đường dịch chuyển và được truyền đi dưới
dạng tín hiệu số.

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

Hình 2.5. Hệ thống phản hồi của máy công cụ

quan trọng nhất trong các sai số hệ thống và các nguồn sai số chính là cơ cấu vít me bi,

Trong hình 13, đường chấm cách chỉ rằng một bộ mã hoá quay đã được sử

trục dẫn hướng, ổ trục. Sai số bước vít me, sản phẩm không chính xác, mòn trong các

dụng. Một hạn chế chính với cả hai hệ thống đo là sự định vị điểm đo và đầu dụng cụ

trục dẫn hướng .v.v là các nhân tố ảnh hưởng tới sai số hình học. Sai số hình học có

có sự sai lệch về khoảng cách. Vì sai lệch về khoảng cách này, các sai số bước nhỏ đã

khả năng lặp lại và tăng dần theo thời gian. Một máy công cụ cũng làm việc trong trạng

được khuếch đại dựa trên độ lệch (ảnh hưởng Abbe). Sự khuếch đại sai số phụ thuộc

thái mất ổn định do sự biến dạng nhiệt. Các thành phần khác của máy công cụ bị biến

vào vị trí kẹp chi tiết gia công. Cả bộ mã hoá quay và tuyến tính đều không thể dò

dạng do dòng nhiệt. Máy công cụ có hai nguồn nhiệt chính là nguồn nhiệt bên ngoài

được các ảnh hưởng của sai số Abbe.

(nhiệt độ phòng, các tia mặt trời.v.v..) và nguồn nhiệt bên trong được hình thành bởi

Có hai loại nội suy cơ bản là nội suy tuyến tính và nội suy liên tục. Các phép nội

đều sẽ dẫn đến sự hình thành rung động. Có hai loại rung động: rung động tự rung và

suy khác dựa trên hai loại nội suy này.

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

ma sát bên trong của các thành phần khác nhau của máy. Các đặc tính động học không



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

38

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

rung động cưỡng bức. Hệ thống điều khiển và hệ thống đo của máy tự tác động đến sự

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Chương III

hiệu chỉnh sai số. Loại vòng nửa kín thì không có hệ thống đo lường trực tiếp. Đối với
vòng kín có hệ thống đo lường trực tiếp. Đối với vòng nửa kín, bước của vít me được

39

HỆ THỐNG BÙ SAI SỐ G IA CÔNG
3.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm

sử dụng để tính toán vị trí của bàn máy, trong khi đó hệ thống đo lường vòng kín đo

Như đã phân tích về các phương pháp bù sai số gia công trên máy CNC, trong

được tham biến trực tiếp bằng thang đo. Do đó, vòng kín có thể thực hiện tốt hơn trong

giới hạn của đề tài, tác giả sử dụng phương pháp bù sai số bằng phần mềm trên cơ sở

việc bù sai số vị trí.

giải quyết bài toán sai lệch hình dáng hình học và vị trí tương quan theo sơ đồ như dưới

Như đã phân tích ở trên, có rất nhiều nguyên nhân gây sai số gia công. Việc khử

đây:

từng nguyên nhân gây sai số là một biện pháp hoàn chỉnh nhưng rất tốn kém và đôi khi
không thực hiện được do các thiết bị gia công các bộ phận chính của máy CNC có độ
chính xác không cao và nhiều nguyên nhân khác ảnh hưởng đến độ chính xác hiện vẫn
không xác định được rõ ràng. Vì vậy, để nâng cao độ chính xác gia công tác giả chọn
giải pháp nghiên cứu sai số tổng hợp, không quan tâm đến nguyên nhân gây sai số và
tiến 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:

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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

40

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

41

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

các toạ độ điểm đo so với gốc toạ độ của máy. Các loại máy này còn được gọi là máy

3.1.1. Trung tâm gia công VMC - 85S
Trung tâm gia công VMC - 85S do hãng Maximart của Đài Loan sản xuất năm

quét hình vì chúng còn được dùng để quét hình dáng của vật thể. Có hai loại máy đo

2003 với hệ điều khiển Fanuc OMD, máy có khả năng tích hợp CAD/CAM với bộ mã

toạ độ thông dụng là máy đo bằng tay (đầu đo được dẫn động bằng tay) và máy đo

ISO code hặc Fanuc code qua cổng RS 232.

CNC (đầu đo được điều khiển tự động bằng chương trình số).

Thông số kỹ thuật cơ bản của máy

Các máy đo toạ độ CMM hoạt động theo nguyên lý dịch chuyển một đầu dò để

Đơn vị

Kích thước

xác định tọa độ các điểm trên bề mặt của vật thể. Máy đo toạ độ thường là các máy đo

Kích thước bàn làm việc

mm

515 x 1050

các toạ độ theo cả 3 phương chuyển vị X, Y, Z. Bàn đo được làm bằng đá granít, đ ầu

Hành trình theo trục X

mm

850

đo được gắn trên giá lắp trên thân trượt theo phương Z, khi đ ầu đo được điều chỉnh đến

Hành trình theo trục Y

mm

560

một điểm đo nào đó thì đầu đọc sẽ cho ta biết 3 toạ độ X,Y,Z tương ứng với độ chính

Hành trình theo trục Z

mm

520

xác cao, có thể lên đến 0,1 m

Đường kính trục chính

mm

Φ65

Tốc độ cắt (chạy dao)

mm/phút

1÷5000

mm/phút

12000

mm/phút

10000

Công suất động cơ chính

kw

3.7÷5.5

Động cơ servo X, Y, Z

kw

0.5÷3.5

Thông số

Tốc độ dịch chuyển nhanh
theo X, Y
Tốc độ dịch chuyển nhanh
theo Z

Máy CMM thường thiết kế với 4 phần chính:
- Thân máy
- Đầu dò
- Hệ thống điều khiển hoặc máy tính.
- Phần mềm đo.

Trọng lượng

kg

4200

Tốc độ quay trục chính

vòng/phút

60÷8000

Ổ dao

loại 16 dao

BT 40

mm

3500 x 3020 x 2520

Kích thước tổng thể
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

Hình 3.2. Cấu tạo máy CMM

việc đo các thông số hình học theo phương pháp toạ độ. Thông số cần đo được tính từ

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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

42

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

43

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Khi quét bằng phương pháp này thì đầu dò của máy tiếp xúc với bề mặt cần đo,

Để dễ dàng cho việc tính toán kết quả đo, kèm theo máy là phần mềm thiết kế

mỗi vị trí đo có toạ độ (x,y,z) và tập hợp các điểm đo sẽ cho một đám mây điểm hoặc

cho từng loại thông số cần đo. Mỗi hãng chế tạo máy CMM đều có viết riêng cho các

dữ liệu biên dạng đường, mặt hay của cả chi tiết

máy của mình những phần mềm khác nhau. Mỗi phần mềm có thể có nhiều môđun

Với hệ thống đầu đo cho máy CMM, người ta có thể sử dụng loại đầu dò tiếp xúc
hay đo điểm rời rạc, hệ thống đầu đo laser, hoặc camera. Máy đo CMM đa c ảm biến có
thể được trang bị một lúc nhiều hơn một cảm biến, camera hoặc đầu dò.

riêng biệt ứng dụng cho từng loại thông số cần đo.Ví dụ máy CMM của hãng Mitutoyo
có các phần mềm (môdun) như sau:
- Geopak: có nhiều cấp độ khác nhau, dùng cho đo lường vật thể 3D, có thể xuất

sang file dạng .gws để chuyển đổi dữ liệu đo thành dữ liệu chuỗi điểm cho thiết kế chi
tiết bằng phần mềm Pro/Engineer hoặc các phần mềm khác;
- Scanpak: Dùng để số hoá biên dạng 3D của vật thể, chuyên dùng để quét biên
dạng và bề mặt 3D dùng cho tái tạo ngược;
- Statpak: Chuyên dùng để sử lý số liệu đo;
- Gearpak: Chuyên dùng cho đo bánh răng chuyển dữ liệu từ máy CMM sang
máy kiểm tra bánh răng;
- Tracepak: Chương trình quét vật thể 3D cho máy CMM vận hành bằng tay.

Hình 3.3. Các loại đầu đo cho máy CMM

Máy CMM có nhiều chủng loại khác khác nhau về kích cỡ, thiết kế và công

Đối với loại máy đo CNC có chuyển vị rất êm, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt

nghệ dò. Máy có thể chỉ có hệ điều khiển thủ công (Manual), hoặc có hệ điều khiển

trên đệm khí nén. Để kết quả đo tin cậy, áp suất khi nén cần phải được bảo đảm như

CNC/PC. Các máy CMM thường được sử dụng để đo kích thước, đo kiểm mẫu, lược

điều kiện kỹ thuật của máy đã ghi nhằm đảm bảo đệm khí đủ áp suất và làm việc ổn

đồ góc, hướng hoặc chiều sâu, số hóa hoặc tạo hình.Các tính năng chung c ủa máy

định. Các máy của hãng Mitutoyo thường có yêu cầu áp suất khi nén là 0,4 MPa với

CMM là có hệ thống bảo vệ chống va đập, khả năng lập trình offline, thiết kế ngược,

lưu lượng 40 lít/phút ở trạng thái bình thường. Máy phải được vận hành ở nhiệt độ thấp

phần mềm SPC và bù nhiệt độ. Các thông số cơ bản được quan tâm của máy là các

0

hành trình đo theo trục X,Y,Z; độ phân giải và trọng lượng vật đo.

từ 16 - 26 C.
Loại máy được dẫn động bằng tay vận hành đơn giản, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn

3.1.2.2. Tính năng k ỹ thuật cơ bản

trượt bi, tuy nhiên loại này có độ chính xác thấp hơn.
Máy đo 3 toạ độ có phạm vi sử dụng lớn. Nó có thể đo kích thước chi tiết, đo
profile, đo góc, đo độ sâu... Nó cũng có khả năng đo các thông số phối hợp trên một chi
tiết như độ song song, độ vuông góc, độ phẳng... Đặc biệt máy có thể cho phép đo các
chi tiết có biên dạng phức tạp, các bề mặt không gian, ví dụ như bề mặt khuôn mẫu,
cánh turbin, mui xe ô tô...

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

Kiểu máy
Trục X
Trục Y
Khoảng đo
Trục Z
Độ chính xác ở nhiệt độ 200C±1 0 C theo tiêu chuẩn

Beyond Crystal C544
505mm

405mm
405mm
MPEE= (1.7+4L/100)μm

ISO 10360-2



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

44

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Thước kính mã hoá
0.0001 mm (0.1μm)
Sử dụng đệm khí trên

Chuẩn chiều dài
Độ phân giải
Phương pháp dẫn hướng

các trục trục dẫn
Tốc độ điều khiển cực đại khi chạy tự động
Tốc độ điều khiển cực đại khi chạy Joystick

Tốc độ đo cực đại
Gia tốc đo lớn nhất
Các yêu cầu liên quan đến Chiều cao lớn nhất

520 mm/s
80 mm/s
8 mm/s
2.3 m/s 2
545 mm

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

45

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

thay đổi mẫu mã hoặc lựa chọn phương án gia công tối ưu một cách nhanh chóng,
chính xác và linh hoạt. Đặc biệt trong kỹ thuật tái tạo ngược từ sản phẩm đã có thì việc
xử lý các dữ liệu từ máy đo và xây dựng lại bản vẽ 3D thì không thể không dùng các
phần mềm CAD/CAM.
3.1.3.1. Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD
CAD được định nghĩa là một hoạt động thiết kế liên quan đến việc sử dụng máy
tính để tạo lập, sửa chữa hoặc trình bày một thiết kế kỹ thuật. CAD có liên hệ chặt chẽ
với hệ thống đồ họa máy tính. Các lý do quan trọng có thể kể đến khi sử dụng hệ thống

vật đo

Khối lượng lớn nhất

Kích thước bàn đặt phôi

Kích thước

638x 860mm

chất lượng trình bày thiết kế và tạo lập cơ sở dữ liệu cho sản xuất. Các bước tiến hành

Vật liệu

Đá Granite có độ phẳng nhỏ

thiết kế với CAD: Tổng hợp (xây dựng mô hình động học); phân tích tối ưu hóa (phân

hơn 0.0009 mm

tích kỹ thuật); trình bày thiết kế (tự động ra bản vẽ).

Kích thước máy

Chiều dài
Chiều rộng
Chiều cao

Khối lượng máy
Khí nén
Năng lượng cung cấp

CAD là tăng hiệu quả làm việc cho người thiết kế, tăng chất lượng thiết kế, nâng cao

1160 mm

1122 mm
1185 mm
515 Kg
0.4 Mpa; Lưu lượng
trung bình: 50 lít/ phút

Điện áp

Một pha 220V/50Hz

- Đầu quét tín hiệu tương tự SP600M (Analogue Scanning Probe), hãng
Renishaw - Anh sản xuất;
- Phần mềm Geopak - Win (do hãng phần mềm Cosmos viết sử dụng cho máy
đo toạ độ không gian 3D) tích hợp trên máy tính cài WinXP.

Mô hình hình học
Mô hình hình học là dùng CAD để xây dựng biểu diễn toán học dạng hình học của
đối tượng. Mô hình này cho phép người dùng CAD biểu diễn hình ảnh đối tượng lên
màn hình và thực hiện một số thao tác lên mô hình như làm biến dạng hình ảnh, phóng
to thu nhỏ, lập một mô hình mới trên cơ sở mô hình cũ.
Từ đó, người thiết có thể xây dựng một chi tiết mới hoặc thay đổi một chi tiết cũ.
Có nhiều dạng mô hình hình học trên CAD. Ngoài mô hình 2D phổ biến, các mô hình
3D có thể được xây dựng cho phép người sử dụng quan sát vật thể từ các hướng khác
nhau, phóng to thu nhỏ, thực hiện các phân tích kỹ thuật như sức căng, tính chất vật
liệu và nhiệt độ.
Mô hình lưới

3.1.3. Phần mềm thiết kế CAD/CAM
CAD/CAM là hệ thống thiết kế và gia công với sự trợ giúp của máy tính. Cùng

Sử dụng các đường để minh hoạ vật thể. Mô hình này có những hạn chế lớn như

với sự phát triển của công nghệ thông tin, CAD/CAM đã được ứng dụng nhanh chóng

không có khả năng phân biệt các đường nét thấy và nét khuất trong vật thể, không nhận

trong công nghiệp vì nó là công c ụ giúp các nhà thiết kế và chế tạo sản phẩm có thể

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



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




Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

46

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật

47

Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy

biết được các dạng đường cong, không có khả năng kiểm tra va chạm giữa các chi tiết

kế lắp ráp nhằm tránh hai chi tiết cùng chiếm một khoảng không gian, kiểm tra động

thành phần và khó khăn trong việc tính toán các đặc tính vật lý.

học. Điều này cần đến khả năng mô phỏng các chuyển động của CAD.
Tự động phác thảo bản vẽ
Lĩnh vực trợ giúp đắc lực thứ tư của CAD là khả năng tự động cho ra các bản vẽ

Mô hình bề mặt
Được định nghĩa theo các điểm, các đường thẳng và các bề mặt. Mô hình này có

với độ chính xác cao một cách nhanh chóng. Điều này rất quan trọng trong quá trình

khả năng nhận biết và hiển thị các dạng đường cong phức tạp, có khả năng nhận biết bề

trình bày một thiết kế và tạo lập hồ sơ thiết kế...

mặt và cung cấp mô hình 3D của chi tiết có khả năng mô phỏng quỹ đạo chuyển động

3.1.3.2. Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM

như của dao cắt trong máy công cụ hoặc chuyển động của các cánh tay robot.

CAM được định nghĩa là việc sử dụng máy tính trong lập kế hoạch, quản lý và

Mô hình khối đặc

điều khiển quá trình sản xuất. Các ứng dụng của CAM được chia làm 2 loại chính: Lập

Mô tả hình dạng toàn khối của vật thể một cách rõ ràng và chính xác. Nó có thể

kế hoạch sản xuất và điều khiển sản xuất.

mô tả các đường thấy và đường khuất của vật thể. Mô hình này trợ giúp đắc lực trong

Lập kế hoạch sản xuất

quá trình lắp ráp các phần tử phức tạp. Ngoài ra, mô hình còn có khả năng tạo mảng

+ Ước lượng giá thành sản phẩm: Ước lượng giá của một loại sản phẩm mới là

màu và độ bóng bề mặt. Hơn nữa, người sử dụng có thể kết hợp với các chương trình

khá đơn giản trong nhiều ngành công nghiệp và được hoàn thành bởi chương trình máy

phần mềm chuyên dụng khác để biểu diễn mô hình và tạo hình ảnh sống động cho vật

tính. Chi phí của từng chi tiết bộ phận được cộng lại và giá của sản phẩm sẽ được xác

thể.

định.
Phân tích kỹ thuật mô hình

+ Lập kế hoạch quá trình với sự trợ giúp của máy tính: Các trình t ự thực hiện và

Sau khi có được phương án thiết kế thể hiện dưới dạng mô hình CAD sẽ trợ giúp

các trung tâm gia công c ần thiết cho sản xuất một sản phẩm được chuẩn bị bởi máy

mô hình. Hai ví dụ về việc phân tích mô hình là tính toán các đặc tính vật lý và phân

tính. Các hệ thống này cần cung cấp các bản lộ trình, tìm ra lộ trình tối ưu và tiến hành

tích phần tử hữu hạn. Tính toán các đặc tính vật lý bao gồm việc xác định khối lượng,

mô phỏng kiểm nghiệm kế hoạch đưa ra.

diện tích bề mặt, thể tích và xác định trọng tâm. Phân tích các phần tử hữu hạn nhằm
tính toán sức căng, độ truyền nhiệt…

+ Các hệ thống dữ liệu gia công máy tính hóa: Các chương trình máy tính c ần
được soạn thảo để đưa ra các điều kiện cắt tối ưu cho các loại nguyên vật liệu khác

Đánh giá thiết kế

nhau. Các tính toán dựa trên các dữ liệu nhận được từ thực nghiệm hoặc tính toán lý

Đánh giá thiết kế có thể bao gồm: tự động xác định chính xác các kích thước, xác

thuyết về tuổi thọ của dao cắt theo điều kiện cắt.

định khả năng tương tác giữa các bộ phận. Điều này đặc biệt quan trọng trong các thiết

+ Lập trình với sự trợ giúp của máy tính: Lập trình cho máy công c ụ hoặc lập trình
CNC là công việc khó khăn cho người vận hành và gây ra nhiều lỗi khi các chi tiết trở

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

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