Nghiên cứu bù off-line sai số tổng hợp trên trung tâm gia công 3 trục vmc-85s

Header Page 1 of 126.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

NGHIÊN CỨU BÙ OFF-LINE SAI SỐ TỔNG HỢP
TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG 3 TRỤC VMC-85S

Học viên:
Lê Thị Thu Thủy
Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe

Thái Nguyên 2009
Footer Page 1 of 126.


Header Page 2 of 126.
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

∗∗∗

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
oOo

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU BÙ OFF-LINE SAI SỐ TỔNG HỢP
TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG 3 TRỤC VMC-85S

Học viên: Lê Thị Thu Thủy
Lớp: CH-K9
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC

Footer Page 2 of 126.

NGƯỜI HƯỚNG DẪN


Header Page
3 ofvăn
126.thạc sĩ kỹ thuật
Luận

1

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

MỤC LỤC
Trang
Chương I

PHẦN MỞ ĐẦU

10

SAI SỐ GIA CÔNG VÀ CÁC NGUYÊN LÝ BÙ SAI SỐ

12

GIA CÔNG TRÊN CÁC MÁY CNC
1.1

Độ chính xác gia công

12

1.2

Các nguồn gây sai số

14

1.2.1

Sai số hình học

15

1.2.2

Sai số do vít me

17

1.2.3

Sai số do sống trượt

17

1.2.4

Sai số do ổ đỡ

18

1.2.5

Sai số do nhiệt

18

1.2.6

Sai số do rung động tự do

20

1.2.7

Sai số do tải tĩnh và động

20

1.2.8

Sai số do hệ thống điều khiển truyền động servo

20

1.2.9

Sai số do sự hình thành đường chạy dao trong CAM và máy

22

CNC
1.3

Nguyên lý bù sai số trên các máy CNC

23

1.3.1

Mô hình bù

23

1.3.1.1

Thêm modul phần mềm

24

1.3.1.2

Biến đổi các thông số điều khiển

24

1.3.1.3

Biến đổi Post processor (PP)

25

1.3.1.4

Biến đổi chương trình NC

25

1.3.2

Bù sai số với các bộ điều khiển

26

1.3.2.1

Thêm modul phần mềm mới

26

1.3.2.2

Cài đặt bộ điều khiển phần cứng độc lập

27

1.4

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

27

thế giới
1.4.1

Các công trình ở trong nước

27

1.4.2

Các công trình bù sai số tổng hợp của các tác giả nước ngoài

28

1.5

Kết luận chương I

29

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

Footer Page 3 of 126.




Header Page
4 ofvăn
126.thạc sĩ kỹ thuật
Luận

Chương II

2

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

QUY TRÌNH BÙ SAI SỐ CHO MÁY VMC - 85S

30

2.1

Hệ thống thiết bị thí nghiệm

30

2.1.1

Trung tâm gia công VMC-85S

30

2.1.2

Máy đo tọa độ 3 chiều CMM – C544

32

2.1.2.1

Cấu hình cơ bản của máy

32

2.1.2.2

Tính năng kỹ thuật cơ bản

33

2.1.3

Phần mềm thiết kế CAD/CAM

46

2.1.3.1

Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD

46

2.1.3.2

Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính CAM

46

2.2

Phần mềm Mastercam

47

2.2.1

Giao diện

48

2.2.2

Các dạng gia công cơ bản trên module phay

49

2.2.3

Quá trình phay

49

2.3

Kết luận chương II

51

Chương III

XÁC ĐỊNH SAI SỐ VÀ BÙ SAI SỐ TỔNG HỢP

53

3.1

Xác định sai số tổng hợp

53

3.1.1

Thực nghiệm gia công trên máy VMC-85S

53

3.1.1.1

Biên dạng và kích thước gia công

53

3.1.1.2

Lập trình nguyên công

54

3.1.1.3

Chuyển chương trình sang máy CNC

60

3.1.1.4

Điều chỉnh máy

60

3.1.1.5

Gia công cắt gọt

60

3.1.2

Đo sai số gia công trên máy CMM C544

61

3.1.2.1

Gá đặt chi tiết

61

3.1.2.2

Khởi động và kiểm tra hệ thống

62

3.1.2.3

Chọn đầu đo

62

3.1.2.4

Hiệu chuẩn đầu đo

62

3.1.2.5

Xác lập hệ toạ độ của chương trình đo

63

3.1.2.6

Tiến hành đo và kết quả

63

3.1.2.7

Xác định kích thước thực của chi tiết và sai số tổng hợp

64

3.2

Bù sai số tổng hợp trên phần mềm CAD/CAM

69

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

Footer Page 4 of 126.

Header Page
5 ofvăn
126.thạc sĩ kỹ thuật
Luận

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

3

3.2.1

Cơ sở lý thuyết

69

3.2.2

Bù sai số

69

3.3

Kết luận chương III

74

Chương IV

BÙ SAI SỐ KHI PHAY BIÊN DẠNG

75

4.1

Chi tiết gia công

75

4.2

Tạo mô hình CAD và thiết lập các thông số công nghệ trên

75

Mastercam
4.3

Bù sai số

78

4.4

Gia công chi tiết theo biên dạng đã được bù

79

4.5

Kiểm tra sai số

80

4.6

Kết luận chương IV

81

Chương V

KẾT LUẬN

82

TÀI LIỆU THAM KHẢO

84

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

Footer Page 5 of 126.




Header Page

6 ofvăn
126.thạc sĩ kỹ thuật
Luận

4

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

CÁC TỪ VIẾT TẮT
CMM

Coordinate Measuring Machine

Máy đo toạ độ 3 chiều

Co-or. Sys Coordinate System

Hệ toạ độ

CAD

Computer Aided Design

Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính

CAM

Computer Aided Manufacturing

Sản xuất có sự trợ giúp của máy tính

CNC

Computer Numerical Control

Điều khiển số bằng máy tính

2D

2 Dimension

Không gian 2 chiều

3D

3 Dimension

Không gian 3 chiều

CL

Cutter Location

Điểm chuẩn dụng cụ cắt

CC

Cutter Contact

Điểm tiếp xúc

PP

Post Processor

Hậu xử lý

SW

Software

Phần mềm

I/O

Input/Output

Vào/ Ra

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

NC

Numerical Control

Điều khiển số

DNC

Direct Numerical Control

Điều khiển số trực tiếp

MB

Master Ball

Quả cầu chuẩn

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

Footer Page 6 of 126.

Header Page
7 ofvăn
126.thạc sĩ kỹ thuật
Luận

5

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1

Phân loại độ chính xác gia công

12

Hình 1.2

Các sai số thành phần trên máy công cụ

15

Hình 1.3

Sai số độ không vuông góc giữa từng đôi trục

16

Hình 1.4

Hệ thống phản hồi của máy công cụ

21

Hình 1.5

Phần lồi/lõm – Các điểm CC và CL

22

Hình 1.6

Hệ thống bù sai số của máy công cụ

24

Hình 1.7

Các thành phần của Post Processor

25

Hình 1.8

Các thành phần của bộ biến đổi chương trình NC

26

Hình 2.1

Sơ đồ quá trình bù sai số

30

Hình 2.2

Trung tâm gia công 3 trục VMC-85S

32

Hình 2.3

Máy CMM C544

33

Hình 3.1

Đường chạy dao gia công rãnh

53

Hình 3.2

Biên dạng gia công rãnh

54

Hình 3.3

Thiết kế biên dạng rãnh trên MasterCam

54

Hình 3.4

Khai báo phôi, vật liệu phôi, hệ điều khiển

55

Hình 3.5

Khai báo dao và chế độ cắt.

56

Hình 3.6

Các thông số về biên dạng

57

Hình 3.7

Cửa sổ hiển thị quá trình công nghệ

57

Hình 3.8

Mô phỏng đường chạy dao.

58

Hình 3.9

Mô phỏng quá trình gia công

58

Hình 3.10

Post processing.

59

Hình 3.11

Chương trình NC.

59

Hình 3.12

Giao diện DNC

60

Hình 3.13

Sản phẩm gia công trước khi bù sai số

61

Hình 3.14

Đo mẫu gia công.

61

Hình 3.15

Phần mềm GEOPAK

62

Hình 3.16

Đo điểm

63

Hình 3.17

Kết quả đo

64

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

Footer Page 7 of 126.




Header Page
8 ofvăn
126.thạc sĩ kỹ thuật
Luận

6

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Hình 3.18, 3.19

Mẫu sản phẩm gia công sau khi bù sai số

70

Hình 3.20

Đồ thị so sánh kết quả thí nghiệm trước và sau khi

73

được bù sai số

Hình 4.1

Bản vẽ chi tiết

75

Hình 4.2

Tạo mô hình CAD của sản phẩm trên Mastercam

75

Hình 4.3

Khai báo các thông số công nghệ

76

Hình 4.4

Khai báo kiểu đường chạy dao

76

Hình 4.5

Mô phỏng đường chạy dao khi phay hốc lõm

77

Hình 4.6

Mô phỏng quá trình phay hốc lõm

77

Hình 4.7

Mô phỏng chi tiết sau quá trình phay

78

Hình 4.8

Sản phẩm ứng dụng phương pháp bù

80

Hình 4.9

Kích thước thực tế của sản phẩm

80

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

Footer Page 8 of 126.

Header Page
9 ofvăn
126.thạc sĩ kỹ thuật
Luận

7

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1

Kết quả đo trước khi bù sai số theo phương X

66

Bảng 3.2

Kết quả đo trước khi bù sai số theo phương Y

68

Bảng 3.3

Kết quả đo sau khi bù sai số theo phương X

71

Bảng 3.4

Kết quả đo sau khi bù sai số theo phương Y

72

Bảng 4.1

Kết quả đo sai số gia công chi tiết ứng dụng

80

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

Footer Page 9 of 126.




Header Page
10 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

8

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. Ngoài phần
tài liệu tham khảo đã được liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và
chưa được công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày 2 tháng 5 năm 2009
Người thực hiện

Lê Thị Thu Thủy

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

Footer Page 10 of 126.




Header Page
11 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

9

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 sản 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 kích
thước, 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 c ứu bù off-line sai s ố tổng hợp trên trung tâm gia công 3 trục VMC– 85S” .
Trong thời gian thực hiện 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 cảm ơn Ban Giám hiệu, khoa Sau đại học, các giảng
viên 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 người
viết thực hiện Luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Trung tâm thực nghiệm và các đồng
nghiệp thuộc Trung tâm đã giúp đỡ và tạo điều kiện về máy móc, thiết bị để tác giả có
thể hoàn thành các thí nghiệm thực nghiệm trong điều kiện tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ, kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc
chắn Luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong sẽ nhận được
những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để Luận văn được
hoàn thiện hơn và có ý nghĩa trong thực tiễn.
Xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 2 tháng 5 năm 2009.
Người thực hiện

Lê Thị Thu Thủy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Footer Page 11 of 126.

Header Page
12 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

10

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

Footer Page 12 of 126.

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy




Header Page
13 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

11

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất 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 gia công về hình
dáng hình học. Vì vậ y, công nghệ gia công trên các máy vạn năng khó đáp ứng được
nhu cầu ngày càng cao này và do đó sự cạnh tranh các sản phẩm của chúng trên thị
trường bị hạn chế. Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển và nghiên cứu đưa công nghệ mới
vào sản xuất nhằm nâng cao độ chính xác hình dáng hình học, nâng cao chất lượng sản
phẩm.
Xuất phát từ thực tế trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã có 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, tác giả
đề xuất hướng nghiên cứu sau đây: “Nghiên cứu bù off-line sai s ố tổng hợp trên trung
tâm gia công 3 tr ục VMC– 85S” .
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
2.1. Ý nghĩa khoa học
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 tồn tại sai số chế tạo. 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 cơ khí, nó luôn được
quan tâm, lưu ý ở mọi lúc, mọi nơi. Mặt khác , trong thực tế sản xuất hiện nay thì vấn
đề bù sai số trên các các trung tâm gia công vẫn là nội dung mới và khó khăn. Do đó,
hướng nghiên cứu xây dựng chương trình bù sai số trên trung tâm gia công nhằm nâng
cao độ chính xác gia công là một công việc cần thiết và mang ý nghĩa khoa học.

2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài mang tính ứng dụng cao, phục vụ trực tiếp cho chương trình 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 với độ chính xác gia công cao.
3. Mục đích nghiên cứu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Footer Page 13 of 126.




Header Page
14 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

12

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

- Nghiên cứu và khai thác tính năng công nghệ của trung tâm gia công VMC –
85S;
-Ứng dụng công nghệ đo CMM – Scanning để kiểm tra độ chính xác gia công;
- Nâng cao độ chính xác kích thước của sản phẩm gia công;
- Phục vụ cho chương trình đào tạo, nghiên cứu khoa học và chuyển giao công
nghệ của nhà trường;
- Ứng dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp.

4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm, nhưng chủ yếu là
thực nghiệm .
* Đối tượng nghiên cứu:
Chọn một số mẫu sản phẩm nhất định để tiến hành gia công và đề ra phương
pháp bù sai số.
* Thiết bị thực nghiệm:
+ Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 - Tại trường ĐHKTCN;
+ Trung tâm gia công VMC - 85S - Tại trường ĐHKTCN;
+ Các phần mềm đo, xử lý dữ liệu, thiết kế CAD /CAM.
5. Nội dung nghiên cứu
+ Chương 1: Sai số gia công và các nguyên lý bù sai số gia công trên các máy
CNC.
+ Chương 2: Quy trình bù sai số cho máy VMC-85S.
+ Chương 3: Xác định sai số và bù sai số tổng hợp.
+ Chương 4: Bù sai số khi phay biên dạng.
+ Chương 5: Kết luận.

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

Footer Page 14 of 126.




Header Page
15 of
126.
Luận
văn

thạc sĩ kỹ thuật

13

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Chương I:
SAI SỐ GIA CÔNG VÀ CÁC NGUYÊN LÝ BÙ SAI SỐ GIA CÔNG
TRÊN CÁC MÁY CNC
1.1.

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
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
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 của chi tiết máy,
giá trị sai lệch đó càng lớn thì độ chính xác gia công càng thấp.
Độ chính xác gia công bao gồm các khái niệm sau:

- Độ chính xác của một chi tiết;
- Độ chính xác của cụm chi tiết.
- Độ chính xác kích thước là độ chính xác về kích thước thẳng hoặc kích 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.

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

Footer Page 15 of 126.




Header Page
16 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

14

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Độ chính xác gia công
Độ chính xác của chi
tiết
Sai lệch kích
thước

Sai
số
kích
thước

Sai số
vị trí
tương
quan

Độ chính xác của cụm chi
tiết
Sai lệch vị trí
tương quan

Sai số hình
dạng hình
học

Độ
sóng

Sai số tổng

Độ
nhám
bề
mặt

Tính

chất cơ
lý lớp
bề mặt

Sai
số hệ
thống

Sai
số
ngẫu
nhiên

Hình 1.1: Phân loại 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 sá t trong một miền
xác định.
- 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.

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

Footer Page 16 of 126.




Header Page
17 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

15

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

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.
1.2.

Các nguồn gây sai số
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 cụ.
Nói chung, máy CNC có các nguồn gây ra sai số sau đây:
-

Sai số hình học của các chi tiết và kết cấu máy;

-

Sai số do giãn nở nhiệt;

-

Ma sát trong hệ thống dẫn động;

-

Sai số do lực cắt;

-

Hệ thống điều khiển servo;

-

Dao động ngẫu nhiên;

-

Sai số do sự hình thành đường chạy dao trong CAM và máy CNC;

Ngoài ra còn có các nguồn sai số như:
-

Sai số do biến dạng đàn hồi;

-

Sai số chạy không;

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

Footer Page 17 of 126.




Header Page
18 of
126.

Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

-

Sai số vị trí đồ gá;

-

Sai số do mòn dao…

16

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

1.2.1. 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 ban
đầu của một máy công cụ mới xuất hiện do quá trình sản xuất và lắp ráp . Sai số hình
học là sai số trục và sai số độ nghiêng, độ lắc và sai số hướng tâm.
Đối với máy phay 3 trục, có 21 thành phần sai số. Mô hình sai số hình học được
xác định bằng việc sử dụng mô hình vật cứng, lấy gần đúng góc nhỏ của sai số và phép
biến đổi thuần nhất. Mô hình sai số hình học của K.G Ahn, Cho [9] được ứng dụng
như sau:

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

Footer Page 18 of 126.

Header Page
19 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

17

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Hình 1.2: Các sai số thành phần trên máy công cụ.

Hình 1.3: Sai số độ không vuông góc giữa từng đôi trục.
Trong đó:
+ x, y, z là toạ độ của điểm khảo sát trong hệ Oxyz;
+ δxx, δyy, δzz là các sai số vị trí dọc trục theo phương chuyển động;
+ δyx, δzx, δxy, δzy, δxz, δyz là các sai ốs dọc trục theo phương vuông góc với
phương chuyển động X, Y và Z;
+ εxx, εyx, εzx, εxy, εyy, εzy, εxz, εyz, εzz là các sai số góc quay quanh các trục vuông
góc với phương chuyển động X, Y và Z;
+ Sxy, Sxz, Syz là các sai số độ không 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.
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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Footer Page 19 of 126.




Header Page
20 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

18

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Sai số này không thể được đo một cách trực tiếp nhưng bằng tín hiệu liên hệ
ngược chúng ta có thể tính được sai số này. Sự cố định các sai số này rất khó. Nhưng
với phép tính toán học và sự đo lường của máy, chúng ta có thể điều khiển máy để
hiệu chỉnh định vị đầu dụng cụ.
1.2.2. 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. Thông thường vít me đai ốc có ma sát lớn hơn so với vít me
bi. Vít me bi có đường xoắn vít, đai ốc và một số viên bi lăn giữa vít và đai ốc. Khi vít

me quay, các viên bi truy
ền 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.
Sai số động học trong cơ cấu đo đường dịch chuyển 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.
1.2.3. Sai số do sống trượt
Trong máy CNC, có hai loại sống dẫn hướng được sử dụng, sống dẫn hướng lăn
và sống dẫn hướng trượt. Với sống dẫn hướng trượt, lực chuyển động ban đầu cao hơn
để làm bàn máy chuyển động. Nếu sống dẫn hướng và các chi tiết dẫn động vít me 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 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
không, tác động củ a nhiệt là đáng kể. Các nguồn sai số chính gây ra bởi sống dẫn
hướng là:
- Chế tạo không chính xác;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Footer Page 20 of 126.




Header Page

21 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

19

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

- Mòn sống dẫn hướng;
- Biến dạng tĩnh do khối lượng và lực cắt;
- Biến dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ.
1.2.4. 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 sơ đồ bố trí ổ bi khác
nhau để đỡ trục vít me. Có các ổ cố định tại một đầu và vít me giãn ra dễ dàng 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 thứ ba có 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.
1.2.5. Sai số do nhiệt
Một máy công cụ thường hoạt 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 cụ xuất phát từ:
- Ổ lăn;
- Bánh răng và dầu thủy lực;
- Thiết bị dẫn động và li hợp;
- Bơm và động cơ;
- Sống dẫn hướng và vít me bi;
- Quá trình cắt và tạo phoi;
- Nguồn nhiệt từ bên ngoài.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Footer Page 21 of 126.




Header Page
22 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

20

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

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
[10]: Làm mát vít me bi và bù ằbng 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). Bằng sự tính toán nhiệt phân bố trong vít me, chúng ta có thể bù được sai số
bằng phần mềm.
1.2.6. 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. Đặc tính động không đồng
đều sẽ dẫn đến hình thành các rung động, có thể dẫn đến làm xấu chất lượng bề mặt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Footer Page 22 of 126.

Header Page
23 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

21

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

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 lực
bên ngoài. Khi ầt n số kích thích ở cùng tần số tự rung sẽ tạo ra hiện tượng cộng
hưởng.
1.2.7. 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 . Các nhân tố động khác như mômen xoắn của động cơ, bộ
khuếch đại của cơ cấu dẫn động.v.v.. cũng ảnh hưởng tới hệ thống điều khiển vị trí.
1.2.8. Sai số do hệ thống điều khiển truyền động servo
Dữ liệu đầu vào được chuyển đổi bởi hệ thống điều khiển thành tín hiệu 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 thống dẫn động servo đóng vai trò quan trọng tới độ chính xác gia công.
Động cơ servo và cơ cấu dẫn động trục vít me thường được ghép trực tiếp với nhau.
Các cơ cấu dẫn động bằng đai răng cũng được sử dụng rộng rãi.
Vị trí thực được đo bằng cơ cấu đo đường dịch chuyển và được truyền đi dưới
dạng tín hiệu số.

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

Footer Page 23 of 126.




Header Page
24 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

22

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

Hình 1.4: Hệ thống phản hồi của máy công cụ
Trong hình trên, 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 khoảng 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 (Sai số Abbe hay còn gọi là sai số sin mô tả mức độ phóng
đại của sai số góc trên toàn bộ chiều dài. Ví dụ, nếu ta cố gắng đo một điểm ở cách xa
1mét ở góc 45 0 thì sai số góc trên 1 0 tương ứng với sai số trên toàn vị trí là 1.745 cm,
tương đương với sai số phép đo độ dài là 1.745%).
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 loại nội suy này.
Trong sự chuyển đổi dữ liệu gia công đầu vào, sai số phụ thưộc loại nội suy
được sử dụng. Các nguồn sai số có thể 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Footer Page 24 of 126.




Header Page
25 of
126.
Luận
văn
thạc sĩ kỹ thuật

23

Chuyên ngành công nghệ chế tạo máy

bởi các sai số trên và các cấp chính xác cao có thể đạt được thậm chí với tốc độ gia
công cao.
1.2.9. Sai số do sự hình thành đường chạy dao trong CAM và máy CNC

Hình 1.5: Phần lồi/lõm – Các điểm CC và CL.

Hệ thống CAD/CAM tạo ra một đường chạy dao trong hệ tọa độ gắn với phôi.
Đường chạy dao được tạo ra với giả thiết rằng dụng cụ cắt thực hiện tất cả các dịch
chuyển. Thuật toán chạy dao tìm ra các vị trí liên tục thích hợp của dụng cụ cắt vì vậy
điểm chuẩn ( điểm CL- ISO 3592) (CL: Cutter Location point) trên dụng cụ cắt di
chuyển trong từng mảng liên tục (đường gạch gạch trong hình 1.5). Từng đoạn đường
chạy dao thẳng này được tính toán bởi module CAM giống như cách mà điểm chuẩn
CC (Cutter Contact point) theo sau cũng là một đường chạy dao thẳng, nó gần đúng
với bề mặt phôi trong một dung sai nào đó. Hình 1.5 chỉ ra 3 vị trí đường chạy dao kế
tiếp Vi , Vi + 1 và Vi + 2 . Chỉ một mặt phẳng 2D được vẽ ra mà không ảnh hưởng đến
tính tổng quát. Có thể thấy từ hình 1.5 rằng dụng cụ cắt sẽ cắt đi nhiều vật liệu hơn từ
phôi ttrong vùng lồi. Dụng cụ cắt sẽ không lấy đi tất cả vật liệu trong vùng lõm. Đầu ra
của module CAM là một lệnh được đặt bởi các vectơ: x1i , y1i , z1i , J1i , K1i . Những
vectơ này là các tọa độ theo phương x, y, z của điểm CL (điểm chuẩn dụng cụ cắt) trên
dụng cụ cắt các thành phần của vectơ dụng cụ cắt I, J, K. Tất cả các hệ thống CAM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Footer Page 25 of 126.