Nghiên cứu bù sai số máy CNC bằng phương pháp xử lý post processor của phần mềm CADCAM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

.......................................
Nguyễn Trung Thiên

Nghiên cứu bù sai số trong máy CNC bằng xử lý
post-processor của phần mềm CAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh

HÀ NỘI – 2010


LỜI CAM ĐOAN
Nội dung luận văn được nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết về các sai số ảnh hưởng
đến độ chính xác khi gia công trên máy CNC và các phương pháp bù sai số, trong
đề tài này dưới sự hướng dẫn của T.S Hoàng Vĩnh Sinh tôi đã thực hiện một
phương pháp mới để bù sai số bằng phần mền tự viết khi ứng dụng CAD/CAM
CNC để gia công ( cụ thể hơn tức là bù sai số của máy trực tiếp trong file NC khi đã
xuất từ chương trình CAM). Với chức danh là một giảng viên của một trường Đại
Học tôi xin cam đoan rằng những nội dung trong đề tài luận văn này là công trình
nghiên cứu của tôi. Nội dung luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kì một công trình nào khác.
Tác giả

Nguyễn Trung Thiên

1

MỤC LỤC
Mục lục........................................................................................................................2
Danh mục các hình vẽ .................................................................................................5
Danh mục các bảng tra................................................................................................7
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .........................................................................8
PHẦN MỞ ĐẦU.........................................................................................................9
2. Lịch sử nghiên cứu............................................................................................10
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu............11
4.Tóm tắt những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả.........................12
5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................12
Chương 1...................................................................................................................13
TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC .................................................................................13
1.1 Giới thiệu chung. ............................................................................................13
1.2 Máy công cụ điều khiển số .............................................................................15
1.2.1 Các hệ thống dữ liệu cần nạp cho máy công cụ điều khiển số...............15
1.2.2 Chuyển động của các trục và khái niệm về hệ tọa độ .............................15
1.2.2.1 Chuyển động các trục.......................................................................15
1.2.2.2 Hệ toạ độ .........................................................................................16
Chương 2...................................................................................................................20
SAI SỐ TRONG MÁY CNC....................................................................................20
2.1 Giảm sai số gia công.......................................................................................20
2.1.1 Nguyên nhân sai số..................................................................................20
2.1.2 Các phương pháp giảm sai số..................................................................20
2.2 Bù sai số hình học. ..........................................................................................21
2.2.1. Phương pháp tổng hợp sai số động học..................................................22
2.2.2. Sự kiểm tra sai số hình học.....................................................................22
2.2.3 Thuật toán bù sai số (algorithm)..............................................................25
2.3 Bù sai số nhiệt................................................................................................26

2.3.1 Nhận dạng sai số nhiệt.............................................................................27

2


2.3.2 Mô hình sai số nhiệt. ...............................................................................28
2.3.3 Vị trí Sensor nhiệt....................................................................................30
2.4 Phương pháp tạo mô hình sai số nhiệt bền vững thông qua phân tích phương
thức nhiệt. .............................................................................................................31
2.4.1 Giới thiệu.................................................................................................31
2.4.2 Phân tích phương thức nhiệt....................................................................34
2.4.2.1. Các mô hình nhiệt. ..........................................................................34
2.4.2.2 Cắt giảm mô hình. ............................................................................36
2.4.3 Tạo mô hình sai số nhiệt bền vững..........................................................36
2.4.3.1 Vị trí cảm biến nhiệt.........................................................................36
2.4.3.2 Tạo mô hình sai số nhiệt. .................................................................37
2.4.4 Mô phỏng số cho hình dáng biến dạng của của sai số nhiệt đơn giản. ..38
2.4.4.1 Xác định vị trí cảm biến nhiệt dựa vào sự phân tích mô hình nhiệt.40
2.4.4.2 Sự so sánh của kế hoạch xác định vị trí cảm biến nhiệt...................42
2.4.4.3 Mô hình sai số nhiệt và thẩm định sự bền vững. .............................45
2.4.5 Xác nhận thí nghiệm................................................................................49
2.4.6. Tóm tắt....................................................................................................53
2.5 Kế hoạch bù sai số nhiệt dựa trên sự phân tích chu trình nhiệt. .....................54
2.5.1 Giới thiệu................................................................................................54
2.5.2 Phân tích vòng lặp nhiệt. .........................................................................55
2.5.2.1 Sơ đồ của sự phân tích chu trình nhiệt. ............................................57
2.5.2.2 Chu trình cấu trúc và chu trình nhiệt................................................58
2.5.2.3 Phân tích chu trình nhiệt và tạo mô hình. ........................................59
2.5.3 Chứng minh số học.................................................................................61
Chương 3:..................................................................................................................67

BÙ SAI SỐ TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN FANUC....................................................67
3.1 Giới thiệu. .......................................................................................................67
3.2 Các quy ước và mã lệnh G/M-code trong hệ điều khiển Fanuc. ....................71
3.2.1 Các quy ước.............................................................................................71

3


3.2.2 Mã lệnh G-code trong hệ điều khiển fanuc: ............................................74
3.2.3 Ví dụ ........................................................................................................76
3.3. Bù sai số trong hệ điều khiển Fanuc. .............................................................78
3.3.1 Giới thiệu.................................................................................................78
3.3.2 Bù sai số trong hệ Fanuc. ........................................................................79
3.3.3 Thông số bù sai số bước vít me...............................................................82
Chương 4...................................................................................................................86
BÙ SAI SỐ TRONG POST-PROCESSOR..............................................................86
4.1 Giới thiệu ........................................................................................................86
4.2 Viết phần mềm điều khiển bằng ngôn ngữ C#. ..............................................86
4.2.1 Chương trình NC xuất từ phần mềm CAM.............................................87
4.2.2 Chương trình khối cho viết phần mềm....................................................89
4.2.3 Kết quả thí nghiệm…………………………………………………… 91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................96
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................989
PHỤ LỤC......................................................................................................................
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ...............................................................................

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kí hiệu các trục toạ độ trên máy CNC .......................................................17
Hình 1.2 Các trục toạ độ trên máy CNC ...................................................................19
Hình 2.1 Hình dáng biến dạng nhiệt cơ bản..........................................................3939
Hình 2.2 Bốn kiểu nhiệt đầu tiên cùng với phạm vi nhiệt và hằng số thời gian cho
biến dạng dài của nhiệt............................................................................................400
Hình 2.3 Bốn kiểu nhiệt cùng với phạm vi nhiệt độ và hằng số thời gian cho biến
dạng cong. .................................................................................................................41
Hình 2.4 Hằng số thời gian và sự phân bố tải trọng biến dạng dài nhiệt.................41
Hình 2.5 Hằng số thời gian và phân bố tải trọng cho biến dạng cong nhiệt.............42
Hình 2.6 Vị trí cảm biến nhiệt...................................................................................42
Hình 2.7 So sánh vị trí cảm biến nhiệt......................................................................44
Hình 2.8 Luồng nhiệt nhập vào cho sự mô phỏng số ..............................................45
Hình 2.9 Kết quả mô hình sai số nhiệt cho sự tản nhiệt ..........................................46
Hình 2.10 Kết quả tạo mô hình sai số nhiệt cho độ uốn nhiệt ..................................46
Hình 2.11 Khảo sát phép ngoại suy của mô hình sai số nhiệt cho sự giãn dài nhiệt 47
Hình 2.12 Khảo sát phép ngoại suy của mô hình sai số nhiệt cho độ giãn của giãn
nở nhiệt......................................................................................................................47
Hình 2.13 Khảo sát phép ngoại suy của mô hình sai số nhiệt ..................................48
Hình 2.14 Nguồn nóng vào cho sự khảo sát tần số nhạy ..........................................48
Hình 2.15 Khảo sát tần số nhạy cho sự dãn nhiệt .....................................................49
Hình 2.16 Khảo sát độ nhạy cho sự uốn nhiệt ..........................................................49
Hình 2.17 Thiết lập thí nghiệm cho mẫu thử giãn nhiệt ...........................................50
Hình 2.18 Kết quả thí nghiệm của mẫu 1 ................................................................50
Hình 2.19 Kết quả đo được và tạo mô hình của thí nghiệm trục chính. ..................51
Hình 2.20 Tốc độ trục chính, sai số nhiệt đo được và dự đoán cho..........................51
Hình 2.21 Sự biến đổi nhiệt độ sau mỗi mẫu thử......................................................53
Hình 2.22 Phân bố tải trọng của ba dạng nhiệt độ đầu tiên ......................................53

5

Hình 2.23 Sơ đồ của sự phân tích mô hình nhiệt. ....................................................58
Hình 2.24 Miêu tả vòng lặp cấu trúc.........................................................................59
Hình 2.25 Miêu tả mắt xích nhiệt cùng với biến dạng nhiệt và HTM .....................60
Hình 2.26 Biểu đồ bố trí 2D của máy ......................................................................62
Hình 2.27 Phân tích chu trình nhiệt cho máy công cụ trong sự minh hoạ số ..........63
Hình 2.28 Biến dạng nhiệt của các vị trí mắt xích..................................................64
Hình 2.29 Sai số nhiệt của sự di chuyển trục ……………………………………..65
Hình 2.30 Sai số thể tích trong vùng làm việc của hình dạng danh nghĩa................66
Hình 2.31 Sai số thể tích trong vùng làm việc cho sự thiết lập lại hình dáng .........66
Hình 3.1 Bảng điều khiển của hệ điều khiển Fanuc.................................................67
Hình 3.2 Mô phỏng quá trình gia công trong hệ Fanuc ...........................................68
Hình 3.3 Kết nối với máy tính trong hệ Fanuc ........................................................69
Hình 3.4 Các menu soạn thảo ..................................................................................70
Hình 3.5 Các chương trình gia công tích hợp trên phần mềm điều khiển ...............70
Hình 3.6 Khả năng gia công, mô phỏng phức tạp.....................................................71
Hình 3.7 Hệ toạ độ trong hệ điều khiển Fanuc ........................................................71
Hình 3.8 Màn hình và bảng điều khiển của máy CNC Funuc OC...........................80
Hình 3.9 Thông số input để bù sai số.......................................................................81
Hình 3.10 Vị trí nhập dữ liệu bù sai số ....................................................................81
Hình 4.1 Gia công bằng phần mềm Mastercam.......................................................87
Hình 4.2a. Chọn đối tượng để xuất ra G1code trong Mastercam ............................88
Hình 4.2b File NC xuất dưới mã code G01 ..............................................................88
Hình 4.3 Không gian hình học của máy....................................................................89

6


DANH MỤC CÁC BẢNG TRA
Bảng 2.1 Thông số và thuộc tính vật liệu của các yếu tố được đơn giản hoá...........39

Bảng 2.2 HTM cho sự minh hoạ số của phân tích chu trình nhiệt...........................63
Bảng 2.3 Thông số biến dạng nhiệt cho mỗi mắt xích nhiệt....................................65
Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm…………………………………………………… 95

7


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AC (Adaptive Control) - Điều khiển thích nghi
CAD (Computer Aided Design) - Thiết kế có trợ giúp của máy tính.
CAM (Computer Aided Manufacturing) - Sản xuất có trợ giúp của máy tính.
CNC (Computer Numerical Design) - Điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính.
CMMs (Coordinate Measuring Machines): Hệ thống tọa độ kiểm tra
CĐ – Cao đẳng
ĐH - Đại học
EDM (Electrical Discharge Machine)- Máy phóng điện
FDM (Finite Difference Method) – Phương pháp giới hạn
FEA (Finite Element Analysis)- Phân tích thành phần giới hạn
FEM (Finite Element Method )
HTM (Homogeneous Transformation Matrix)- Ma trận dịch chuyển
NC (Numerical Control) - Điều khiển số
DMAP (Direct Matrix Abstraction Program)- Ma trận điều khiển
MDFM (Multi-Degree-of-Freedom Measuring) – Đo nhiều bậc tự do
LAN (Local Area Netword) - Mạng cục bộ
WAN (Wide Area Netword) - Mạng diện rộng
PITE (Position Independent Thermal Errors)- Sai số nhiệt độc lập
PDTE (Position Dependent Thermal Errors)- Sai số nhiệt phụ thuộc
TCCN – Trung cấp chuyên nghiệp
1D, 2D, 3D - Điều khiển 1, 2, 3 chiều

8


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Thực hiện đường lối của Đảng về đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá,
ngành công nghiệp nói chung và ngành cơ khí chế tạo nói riêng của nước ta hiện
nay đã và đang phát triển rất mạnh với đa dạng quy mô không chỉ ở trong các công
ty mà ngay cả các viện, trường, trung tâm… cũng đã đẩy mạnh, đầu tư những trang
thiết bị, công nghệ mới nhằm nâng cao năng xuất, chất lượng sản phẩm và đào tạo
bồi dưỡng nguồn nhân lực để theo kịp sự phát triển của thế giới.
Ngày nay máy công cụ CNC đã trở nên rất phổ biến trong ngành chế tạo
máy, thậm chí nó cũng đã phát triển rộng ra rất nhiều các ngành khác ( như ngành
gỗ, may mặc, …) vì những tính năng ưu việt sau:
- Gia công được các chi tiết phức tạp hơn
- Qui hoạch thời gian sản xuất tốt hơn do có thể tính toán được chính xác thời
gian máy.
- Thời gian lưu thông ngắn hơn do tập trung nguyên công cao và giảm thời gian
phụ. Trên máy CNC, có khả năng gia công bằng nhiều dao nên có thể gia công
nhiều bề mặt trong cùng một thời gian, thay đổi dụng cụ cũng được thực hiện tự
động.
- Tính linh hoạt cao hơn do việc thay đổi chương trình gia công nhanh chóng và
đơn giản.
- Độ lớn loạt tối ưu nhỏ hơn.
- Độ chính xác gia công ổn định đều.
- Chi phí kiểm tra giảm.
- Chi phí do phế phẩm giảm.
- Hoạt động liên tục nhiều ca sản xuất.
- Một công nhân có thể vận hành nhiều máy đồng thời.
- Hiệu suất cao hơn.

- Tăng năng lực sản xuất.

9


Những nét ưu việt trên cho thấy rằng độ chính xác trong máy CNC là rất quan
trọng và nó hoàn toàn quyết định tới chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên không phải
máy CNC nào cũng đạt được độ chính xác tối ưu như mong muốn (1/1000) mà do
nhiều nguyên nhân gây ra sai số sau một thời gian sử dụng nhất định. Vì thế việc
xác định phương pháp để bù lại những sai số cho máy CNC là hết sức cần thiết. Nó
đánh giá đựơc thực trạng của máy đang sử dụng, bằng việc bù này thì lượng sai số
của máy giảm đáng kể để đảm bảo được độ chính xác của sản phẩm mà chi phí
cũng như thời gian được tiết kiệm. Các nhà thiết kế cũng đã dự đoán được các khả
năng gây sai số trong máy sau một thời gian làm việc, tuy nhiên nó được bù trực
tiếp trong hệ điều khiển bằng số lượng hạn chế ( chẳng hạn như sai số bước vít me,
sai số động cơ…) những thông số mà không bù được sai sô tổng hợp của máy.
Chính vì thế đề tài này đưa ra một phương pháp bù tổng quát và hoàn toàn hợp lí
bằng dữ liệu được xuất trực tiếp từ chương trình CAM. Nó khẳng định rằng chúng
ta có thể hoàn toàn chủ động để có thể bù lượng sai số trong máy sau khi kiểm tra
bằng một phương pháp mới. Bên cạnh đó chi phí cho phương pháp bù này là không
đáng kể. Tuy nhiên chúng ta vẫn phải khảo sát tỉ mỉ để tìm ra sai số của máy, nó đòi
hỏi về thời gian và trang thiết bị để cung cấp những số liệu chính xác.
Trên đây là những thông tin quan trọng để chỉ ra rằng việc bù sai số trong
máy CNC bằng một phương pháp mới là rất cần thiết và cần được tiến hành ngay
càng sớm càng tốt.
2. Lịch sử nghiên cứu.
Nghiên cứu sai số và bù sai số trong máy CNC là một lĩnh vực rộng, đã và
đang được các nhà khoa học trên toàn thế giới nghiên cứu trên nhiều phương diện
khác nhau chẳng hạn như phương pháp tích phân toán học, phương pháp tạo mô
hình sử dụng cảm biến để đo biến dạng sai số nhiệt, phương pháp trực tiếp và

phương pháp gián tiếp…Tất nhiên mỗi phương pháp sẽ mang lại những kết quả
nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn nhất định. Các đề tài mà các nhà khoa học đã
công bố chủ yếu tập trung vào khảo sát sai số và bù sai số trong phần điều khiển của
máy chẳng hạn như:

10


Abbaszadeh-Mir, Y., Mayer, J., Cloutier, G. and Fortin, C., 2002 đã nghiên
cứu lý thuyết và sự mô phỏng cho các vị trí sai số hình học cho máy CNC 5 trục.
Attia, M. and Fraser, S., 1999a nghiên cứu phương pháp luận tạo mô hình bù
sai số cho biến dạng nhiệt cho máy công cụ điều khiển số.
Chen, G., Yuan, J. and Ni, J., 2001 nghiên cứu đánh giá sai số hình học và
xác định vị trí kiểm tra.
Chen, J., Yuan, J. and Ni, J., 1996 nghiên cứu tạo mô hình sai số nhiệt cho sự
bù sai số.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
+) Mục đích.
Để có được cơ sở lý thuyết về các dạng sai số ảnh hưởng đến độ chính xác CNC
và phát triển phương pháp bù sai số, mục đích nghiên cứu của đề tài tập trung vào:
Các loại sai số phổ biến trên máy CNC, nguyên nhân, phương pháp đánh giá và
kiểm tra.
- Tổng quan về một hệ điều khiển phổ biến cho máy CNC ở nước ta ( hệ điều
khiển Fanuc) và phương pháp bù sai số trực tiếp trong hệ điều khiển Fanuc. (
phương pháp bù sai số bước)
- Tìm hiểu posprocessor trong phần mềm CAM.
Sau khi đã tổng hợp được kiến thức cơ bản, đề tài sẽ phát triển một phương pháp
mới để bù sai số cho máy bằng cách viết phần mềm để xử lý số liệu trong
postprocessor khi đã xuất ra dưới dạng câu lệnh NC để bù lại sai số theo kết quả đã
khảo sát sai số của máy( kết quả trong phần phụ lục). Cuối cùng kiểm chứng sự hiệu

quả khi bù sai số bằng phần mềm.
+) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu là tìm hiểu về các số của máy CNC xảy ra trong quá
trình gia công. Việc nghiên cứu thí nghiệm được tiến hành với các điều kiện sau:
-

Máy thực nghiệm: Máy phay CNC SH50M

-

Máy đo laser

-

Vật liệu gia công là thép C45

11


-

Gia công hốc tròn bằng dao phay trụ hợp kim.

4.Tóm tắt những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
+) Luận điểm cơ bản.
Bằng việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các sai số và phương pháp bù sai số
trong máy CNC kết hợp với thực nghiệm, luận văn cần đưa ra được một phương
pháp mới để bù sai số trong máy CNC khi ứng dụng phần mềm CAD/CAM bất kì.
Xây dựng một phần mềm để bù lại sai số của máy theo kết quả sai số đã đo được
bằng thực nghiệm và ứng dụng cho tất cả các máy CNC.

+) Đóng góp mới của tác giả.
-

Ứng dụng cho tất các các máy CNC trên thị trường hiện nay, không cần can
thiệp vào bộ điều khiển của máy.

-

Làm cơ sở để phát triển cho các phương pháp bù sai số khác.

-

Góp phần nâng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm. Tạo cơ sở nghiên cứu

tại đơn vị và là phương pháp mới nhất được ứng dụng bù sai số trong máy CNC.
5. Phương pháp nghiên cứu
Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
-

Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu các ảnh hưởng của sai số và phương pháp
bù sai số trong máy CNC.

-

Thực nghiệm để tìm ra các vị trí sai số trong máy CNC cụ thể, lấy cơ sở dữ
liệu để viết phần mềm bù lại sai số đó.

-

Kiểm chứng gia công bằng sử dụng phần mềm bù sai số.

12


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC
1.1 Giới thiệu chung.
Vào cuối những năm 40 học viện công nghệ MIT Hoa Kỳ bắt đầu thực hiện
đề án nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển số. Năm 1953 công bố sáng chế máy phay
điều chỉnh theo chương trình số NC. Vào năm 1959 triển lãm máy công cụ tại Paris
trưng bày những chiếc máy phay NCs đầu tiên của châu Âu.
Năm 1960 các hệ điều khiển số được chế tạo tương ứng với trình độ kỹ thuật
của các công nghệ bóng đèn điện tử và rơle (cơ/điện/thuỷ lực), máy kích thước lớn,
rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường khác nhau và giá cả thì rất đắt đỏ. Vì vậy
máy không được sử dụng rộng rãi.
Từ sau những năm 1960, bóng đèn điện tử được thay dần bằng các phần tử
bán dẫn rời rạc, đi ốt, và tranzito ( đèn 3 cực), thế nhưng những linh kiện đơn lẻ vẫn
đòi hỏi có thể tích chiếm chỗ đủ lớn, còn rất nhiều mối hàn và các ổ cắm, các ghép
nối vừa tốn kém khi chế tạo vừa hạn chế độ tin cậy khi vận hành điều khiển. Những
thông tin điều khiển được ghi trên băng đục lỗ nên dung lượng thấp và phải đọc
từng bước trong quá trình gia công, khi gia công nhiều chi tiết giống nhau vẫn phải
đọc băng đục lỗ cho từng lần gia công. Khi thay đổi chương trình điều khiển chẳng
hạn như muốn thay đổi chế độ cắt cho phù hợp đòi hỏi phải làm lại băng đục lỗ.
Vào những năm 70, kỹ thuật điều khiển số nhanh chóng ứng dụng các tiến bộ
của kỹ thuật vi điện tử, vi mạch tích hợp: những hệ NC sử dụng những bản mạch
lôgíc được thay thế bởi các bộ nhớ có dung lượng đủ lớn; do nối ghép các cụm vi
tính vào hệ điều khiển số mà những phần cứng trước đây được thay thế bằng những
phần mềm linh hoạt hơn. Dung lượng bộ nhớ ngày càng được mở rộng tạo điều kiện
lưu giữ trong hệ điều khiển số trước hết là từng chương trình đơn lẻ, sau đó là cả
một thư viện chương trình lại có thể sửa đổi chương trình đã lập một cách dễ dàng

thông qua việc cấp lệnh bằng tay, thao tác trực tiếp trên máy.
Cho đến ngày nay các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng
được hoàn thiện và đã đạt được tốc độ sử lý rất cao do tiếp tục ứng dụng những
thành tựu khoa học kỹ thuật phát triển của các bộ vi xử lý µP. Các hệ thống CNC

13


được chế tạo hàng loạt theo các công thức xử lý đa chức năng dùng cho nhiều mục
đích điều khiển khác nhau.
Từ chỗ những vật mang tin là những băng đục lỗ, băng từ, đĩa từ tiến tới đĩa
compact (đĩa CD) có dung lượng nhớ ngày càng mở rộng độ tin cậy và tuổi thọ
ngày càng cao.
Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC để trở thành CNC (Computer
Numerical Control) đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng, cho chúng ta có
thể ứng dụng được máy công cụ điều khiển số CNC ngay cả trong các xí nghiệp vừa
và nhỏ không có phòng lập trình riêng, điều đó có nghĩa là người điều khiển máy có
thể lập trình trực tiếp trên máy. Những dữ liệu được nhập vào, nội dung lưu trữ trên
máy, thông báo về tình trạng hoạt động của máy cùng các chỉ dẫn cần thiết khác cho
người điều khiển máy đều được hiển thị trên màn hình.
Lúc đầu màn hình của các hệ điều khiển số chỉ là màn hình đen trắng với các
ký tự chữ cái và con số nay đã sử dụng các màn hình mầu đồ hoạ với độ phân giải
cao, biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao cụ đều được hiển thị, có
thể mô phỏng chi tiết gia công theo 3 chiều kích thước (3D).
Trong những năm gần đây sự bùng nổ của ngành công nghệ thông tin, sự phát
triển của công nghệ Hig-Tech ngày càng tạo ra được những thế hệ máy công cụ
điều khiển số ngày càng ưu việt hơn, đáp ứng được những yêu cầu cao của thị
trường.
Ngoài những ưu điểm cơ bản của máy và công nghệ CNC như độ chính xác
cao của sản phẩm, đáp ứng nhanh về số lượng và thích ứng nhanh với thị trường về

mẫu mã sản phẩm thì những ưu điểm nổi bật chỉ có ở máy CNC nữa là phương thức
làm việc với hệ thống xử lý thông tin “điện tử-số hoá”, cho phép nối ghép với hệ
thống xử lý trong phạm vi toàn xí nghiệp tạo điều kiện mở rộng việc tự động hoá
toàn bộ quá trình sản xuất, ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại thông qua mạng
liên thông cục bộ (LAN) hay mạng liên thông toàn cầu (WAN).
Xét về bản chất của các máy điều khiển theo chương trình số, từ các máy NC
đầu tiên với bộ xử lý là được áp dụng công nghệ đèn điện tử, rơle đến các phần tử

14


bán dẫn rời rạc, điốt, và tranzito ( đèn 3 cực ) và sau đó là đã áp dụng các tiến bộ
của kỹ thuật vi điện tử, vi mạch tích hợp và siêu vi mạch cũng chỉ là để sử lý các hệ
thống dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển số.
1.2 Máy công cụ điều khiển số
1.2.1 Các hệ thống dữ liệu cần nạp cho máy công cụ điều khiển số.
Một máy công cụ điều khiển số muốn hoạt động được thì nó yêu cầu phải
được cung cấp các hệ thống dữ liệu, nó được coi như một thứ ngôn ngữ chung để
giao tiếp giữa người với máy.
Khi ta soạn thảo chương trình cho một hệ thống điều khiển số thì có nghĩa là
ta đưa toàn bộ các thông tin cần thiết để chế tạo một chi tiết xác định trên máy công
cụ trở thành dạng có thể hiểu được cho hệ điều khiển của máy và thông báo cho nó
theo một hình thức thích hợp.
Thực chất của việc lập trình là thu thập, xử lý và soạn thảo những dữ liệu
thông tin yêu cầu. Các dữ liệu đó bao gồm:
a- Các thông tin hình học ( đó là các dữ liệu tạo hình hay các số liệu về đường dịch
chuyển của dụng cụ cắt trong quá trình gia công ).
b- Các thông tin công nghệ ( như số vòng quay trục chính, chiều quay, lượng chạy
dao, chiều sâu cắt, gọi dao, hiệu chỉnh máy và dao và bơm dung dịch tưới nguội…).
1.2.2 Chuyển động của các trục và khái niệm về hệ tọa độ

1.2.2.1 Chuyển động các trục
Trên thực tế bạn không cần xác định xem phải quay mô tơ bao nhiêu vòng.
Chuyển động của các trục được điều khiển đơn giản hơn và logic hơn qua các tọa
độ. Có hai hệ trục tọa độ hay được dùng nhất là hệ tọa độ vuông góc (hệ tọa độ Đề
các) và hệ tọa độ cực (polar). Trong các máy gia công hệ tọa độ Đề các phổ biến
hơn. Chúng ta đã được học về hệ tọa độ trong trường phổ thông và những kiến thức
đó đủ cho chúng ta tiếp tục hành trình tìm hiểu công nghệ CNC. Điểm khác so với
đồ thị của điểm và đường trong tọa độ toán học là với máy CNC, các giá trị tọa độ
thực tế không liên tục mà thay đổi theo bước (increment), hay còn gọi là độ phân
giải. Ví dụ với hệ đo mét, bước dịch chuyển tối thiểu thường là 1/1000mm, tức

15


0.001mm, còn trong hệ đo inch, bước dịch chuyển tối thiểu là 0.0001inch. Với
chuyển động quay, bước dịch chuyển của góc quay cho cả hai hệ đo thường được
lấy là 0.001°.
Giống như hệ tọa độ toán học, mỗi trục trong hệ tọa độ của máy CNC đều có
điểm gốc. Ứng với các bài toán kỹ thuật, chúng được gọi là điểm gốc (hay chuẩn,
hay điểm 0) của chương trình, của phôi hay của chi tiết. Thuật ngữ tiếng Anh tương
ứng là program zero (hay program origin), work zero, part zero.
1.2.2.2 Hệ toạ độ
Để xác định các tương quan hình học trong vùng làm việc của máy, trong
phạm vi chi tiết gia công một cách rõ ràng ta đưa vào các hệ toạ độ và các điểm gốc
chuẩn.
Để thống nhất hoá mối tương quan cho các máy công cụ điều khiển số khác
nhau, người ta tiêu chuẩn hoá các trục của hệ toạ độ và chiều chuyển động của
chúng.
Ví dụ theo tiêu chuẩn ISO 841 hay tiêu chuẩn DIN 66127 thì hệ thống trục toạ
độ cho các máy điều khiển số được xác định như sau:

Các chiều chuyển động của máy công cụ điều khiển số được xác định bởi hệ
toạ độ vuông góc của bàn tay phải (hình 1.1). Hệ toạ độ này luôn luôn được gán lên
chi tiết gia công.

16


Hình 1.1 Kí hiệu các trục toạ độ trên máy CNC
Khi lập trình, chi tiết luôn được coi là đứng yên. Các chuyển động luôn thuộc
về dao cụ. Trong thực tế trên từng loại máy cụ thể thì việc qui định này không hoàn
toàn đúng bởi vì có những chiếc máy trong quá trình gia công thì chi tiết có thể
tham gia thực hiện một vài chuyển động, điều này dễ làm cho người vận hành nhìn
nhận không chính xác về hướng chuyển động của các trục.
Các trục quay tương ứng với trục X,Y, Z được kí hiệu là A, B, C. Chiều quay
dương (positiv) tương ứng với chiều quay thuận chiều kim đồng hồ (CW=Counter
clockwise) khi ta nhìn theo chiều dương của trục tịnh tiến.
Để bố trí thứ tự của các trục toạ độ phù hợp với các chiều chuyển động của
máy, tiêu chuẩn ISO 841 hay DIN 66127 qui định:
Trục toạ độ Z
Nếu các máy có trục chính không xoay nghiêng được thì trục Z nằm song
song với trục chính công tác hoặc chính là đường tâm trục đó.
Nếu trục chính của máy xoay nghiêng được và chỉ có một vị trí xoay nghiêng
song song với một trục toạ độ nào đó thì chính trục toạ độ là trục Z.
Nếu trục chính xoay nghiêng được song song với nhiều trục toạ độ khác nhau
thì trục Z chính là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết chính của máy.
Nếu trục chính xoay nghiêng được theo một hướng nghiêng với chính nó thì
trục này ký hiệu là W.

17

Nếu máy có nhiều trục chính công tác thì ta sẽ chọn một trong số trục đó làm
trục chính theo cách ưu tiên trục nào có đường tâm vuông góc với bàn kẹp chi tiết.
Còn nếu máy không có trục chính công tác thì trục Z cũng là trục vuông góc
với bàn kẹp chi tiết.
Trục toạ độ X
Trục X là trục toạ độ nằm trên mặt định vị hay song song với bề mặt kẹp chi
tiết, thường được ưu tiên theo phương nằm ngang. Chiều của trục X được xác định
như sau:
Thứ nhất: Trên các máy có dao quay tròn
+ Nếu trục Z đã nằm ngang thì chiều dương của trục X hướng về bên phải
khi ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết.
+ Nếu trục Z thẳng đứng và máy có một thân máy thì chiều dương của trục
X hướng về bên phải khi ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết.
Nếu máy có hai thân máy thì chiều dương của trục X hướng về bên phải nếu
ta nhìn từ trục chính hướng vào thân máy bên phải.
Thứ hai: Trên các máy có chi tiết quay tròn
+ Trên các máy có chi tiết gia công quay tròn thì trục X nằm theo phương
hướng kính của chi tiết và chiều dương của trục đi từ trục tâm chi tiết đến bàn kẹp
dao chính.
Thứ ba: Trên các máy không có trục chính công tác thì trục X được qui định
là trục song song theo hướng gia công chính.
Trục toạ độ Y
Vị trí của trục toạ độ Y sẽ được xác định sau khi đã xác định được hai trục toạ
độ Z và X.
Các trục phụ.
Nếu ngoài các trục X,Y,Z mà máy còn có các trục điều khiển độc lập khác thì
ta cũng ký hiệu các trục như sau: Trục U(là trục // với trục X), V(là trục // với trục
Y) và trục W(là trục // với trục Z).

18


Các trục song song khác so với trục toạ độ chính sẽ nhận các ký hiệu tiếp theo
là P, Q, R.
Hình 1.2 mô tả các trục chính, các trục phụ và các trục quay trên máy phay CNC

Hình 1.2 Các trục toạ độ trên máy CNC

19


CHƯƠNG 2
SAI SỐ TRONG MÁY CNC
2.1 Giảm sai số gia công.
2.1.1 Nguyên nhân sai số.
Sự chính xác chi tiết được gia công là rất cần thiết được xác định bởi phương
pháp gia công trên máy theo dung sai cho phép, sự định nghĩa bề mặt .v.v. Sự chính
xác là một trong những sự thực hiện quan trọng nhất, khả năng để điều khiển sai số
để đánh giá khách quan hiệu suất trong khi ổn định giá là cốt yếu trong ngành chế
tạo công nghiệp .
Nhìn chung, có hai dạng sai số cơ bản là tĩnh học và động học. Sai số tĩnh là
sai số trong máy, đồ gá, dao và phôi mà xuất hiện khá ít. Những dạng sai số này bao
gồm sai số hình học, động học, nhiệt, lực cắt…Sai số hình học được định nghĩa như
là sai số từng bộ phận cấu thành trong máy. Sai số động học là nguyên nhân bởi sai
số vị trí của các thành phần trong quỹ đạo. Sai số nhiệt được bao gồm sự biến dạng
nhiệt là vì nguồn nóng bên trong và bên ngoài của một phương pháp gia công. Khi
sự phát sinh nhiệt tại vị trí tiếp xúc là không tránh được, sai số nhiệt là một trong
những nguyên nhân sai số khó loại bỏ nhất.
Sai số động học mà trước tiên nguyên nhân gây ra bởi sự rung động

(vibration), sai số chuyển động trục chính, sai số điều khiển…Chúng phụ thuộc
nhiều hơn vào điều kiện hoạt động của máy. Nhìn chung sai số biến dạng (static
error) chiếm khoảng 70% của tổng các sai số của máy.
2.1.2 Các phương pháp giảm sai số.
Tránh sai số và bù sai số là hai phương pháp cơ bản để cải thiện độ chính xác
gia công. Phương pháp chung để áp dụng tránh sai số là xây dựng một máy chính
xác trong quá trình thiết kế và các giai đoạn chế tạo cốt để nguồn gốc sai số được
giữ trong phạm vi nhỏ nhất. Những nguyên tắc tốt chẳng hạn như độ cứng, điều
kiện tốt cho sự chống rung, lựa chọn vật liệu, thiết kế cấu trúc cân xứng và như vậy
đã được công nhận rộng rãi. Tránh sai số bằng việc cải tiến máy từ kết cấu cơ bản
và điều khiển môi trường làm việc, nhìn chung được chấp nhận khi những phương
pháp mong muốn đặt ra để loại bỏ sai số. Phương pháp này, tuy nhiên, có hai sự cản

20


trở chắc chắn xảy ra. Mặt khác, nó có thể loại bỏ tất cả các sai số duy nhất bằng kĩ
thuật thiết kế và chế tạo, mặt khác chi phí gia công tăng lên cùng với mức độ yêu
cầu độ chính xác.
Không như sự tránh sai số, không có sự cố gắng nào được tạo ra để tránh các
sai số cho sự bù sai số. Dĩ nhiên, sai số là được phép để biểu lộ và sau đó được đo
và chỉnh lại cho đúng. Khi sự chính xác của phương pháp gia công bị ảnh hưởng
bởi các nguồn gốc sai số khác nhau, sự bù sai số đánh giá có tầm quan trọng hơn
trong sự ảnh hưởng lẫn nhau hơn là những sai số riêng lẻ. Quan điểm cơ bản của sự
bù sai số không nhắm vào sự giảm giá trị tuyệt đối của sai số, nhưng ảnh hưởng của
những sai số này tới sự chính xác gia công và kích thước cuối cùng của chi tiết
được chế tạo. Bù sai số đạt được tầm quan trọng bởi vì thiết kế và kỹ thuật điều
khiển là khó để thực hiện hoặc mâu thuẫn với nhau. Ngoài ra, bù sai số được xem
xét như là một phương pháp hiệu quả cho sự tăng độ chính xác theo chu kì gia công
trong thời gian sử dụng máy.

Bởi vậy, ở đó cũng tồn tại sự hạn chế trong kĩ thuật bù sai số. Mức độ mà sự
chính xác gia công có thể đạt được bằng sự bù sai số là phụ thuộc lớn vào sự lặp lại
của bản thân máy và phương pháp được lựa chọn để chứng minh mối quan hệ gắn
liền giữa các sai số khác nhau.Vấn đề thứ nhất liên quan gần với thiết kế và chế tạo
máy, bên cạnh đó, phương pháp để hiệu chỉnh lại có thể đạt được thông qua sự bù
sai số. Vấn đề thứ hai phụ thuộc phần lớn vào yếu tố bên trong trong trong sự ảnh
hưởng của sai số tới sự chính xác gia công mà có thể dễ dàng nắm bắt được bằng
phương pháp toán học.
2.2 Bù sai số hình học.
Sai số hình học là vẫn tồn tại trong máy trong tính toán thiết kế, sự thiếu
chính xác liên quan với quá trình lắp ráp và là nguyên nhân của các bộ phận được
sử dụng trong máy. Những nhân tố ảnh hưởng đến sai số hình học này bao gồm độ
phẳng của bề mặt, độ tròn, tải trọng sinh ra .vv. Sai số hình học có những thành
phần khác nhau như sai số vị trí tuyến tính, độ thẳng, độ phẳng của sự chuyển động
của trục, sai số khe hở…vv. Sai số hình học đặc biệt đáng kể cùng với kích cỡ trung

21


bình và kích thước lớn trong gia công mà những cấu trúc máy không linh hoạt là
khó đạt được. Sai số động học liên quan chủ yếu cùng với sai số chuyển động tương
xứng của một số thành phần mà cần để di chuyển phù hợp với nhu cầu thiết thực.
Những sai số này là đặc biệt đáng kể trong quá trình chuyển động của các trục kết
hợp. Sai số động học bao gồm sự vuông góc và song song của các trục cùng với
những chi tiết với những vị trí của chúng. Thật vậy, sai số động học trong máy được
thiết kế và chế tạo hoàn hảo nên được tái tạo.
Bù sai số hình học và động học đã được thực hiện trong gia công và phương
pháp đo để cải thiện hiệu quả của sự chính xác gia công. Mặc dù có lượng lớn tài
liệu được báo cáo về kĩ thuật bù sai số, những phương pháp bên dưới là cơ bản
giống nhau. Mô hình sai số động học, đo và kiểm tra sai số và phương pháp bù sai

số là ba sự trở ngại cơ bản.
2.2.1. Phương pháp tổng hợp sai số động học.
Sự phát triển của phương pháp động học dựa vào cấu trúc máy là một trong
những bước then chốt cho chiến lược bù sai số hiệu quả. Các nhà nghiên cứu đã chỉ
ra những vấn đề sai số từ những khía cạnh khác nhau. Ban đầu nhà nghiên cứu đã
sử dụng mối quan hệ lượng giác và phương pháp véctơ để tạo sai số động học. Hiện
nay, phép biến đổi đồng nhất được dựa trên phương pháp tổng hợp sai số đã được
công nhận rộng khắp và được thực hiện xây dựng phương pháp sai số động học từ
khi nó dễ dàng cung cấp các thành phần sai số khác nhau. Khung động học cứng và
những góc nhỏ là hai giả định cơ bản. Hội nghị Denavit, đầu tiên giới thiệu để miêu
tả hình dáng như người máy, là một phương pháp khác tìm ra phương pháp động
học thông thường. Sự bắt nguồn của phương pháp sai số động học cho máy 5 trục
cũng đã được kết luận và báo cáo. Kết luận của hai trục quay đem lại sai số định
hướng thêm vào sai sai số vị trí của ba trục chuyển động thẳng và làm thúc đẩy
phương pháp kiểm tra mới cho sự đo sai số trục quay.
2.2.2. Sự kiểm tra sai số hình học.
Sự kiểm tra là quá trình thiết lập mối quan hệ giữa một một phương pháp đo
và đơn vị đo. Tiêu chuẩn quốc gia ASME B5.54-1992, cung cấp các bước cho quá

22


trình đánh giá hiệu suất của máy CNC bằng việc sử dụng các dụng cụ khác nhau,
chẳng hạn như tia laser, điện tử…Ngoài ra, nó làm cho dễ dàng thực hiện sự so
sánh hiệu suất giữa những máy dưới điều kiện môi trường khác nhau.
Phương pháp kiểm tra sai số có thể được thực hiện phân loại thành phương
pháp trực tiếp và gián tiếp. Phương pháp đo trực tiếp được thực hiện bằng đo và tạo
mẫu mỗi thành phần sai số độc lập. Sự đánh giá sai số gián tiếp được thực hiện bằng
đo sai số thể tích hoặc tạo ra kích thước bộ phận cùng với một vài loại dụng cụ nhân
tạo hoặc tiêu chuẩn khác nhau và đánh giá thành phần sai số dựa vào quan hệ động

học. Phương pháp trực tiếp đòi hỏi sự hiểu cùng với trang thiết bị và người có
chuyên môn cao. Trong khi phương pháp gián tiếp cần nguồn gốc toán học nhưng
đơn giản hơn nhiều để đạt được dữ liệu.
+ Phương pháp kiểm tra trực tiếp.
Sự thuận lợi của sử dụng phương pháp trực tiếp là vì nó đưa ra bằng chứng
trực tiếp của độ chính xác của máy hoặc trục của nó. Mỗi thành phần sai số được đo
bằng dụng cụ qui ước chẳng hạn như giao thoa laser, điện tử số..
Weck and Bibring(1984) miêu tả tương đối (comparatively) dụng cụ kiểm tra
và thuật toán được sử dụng để đo những thành phần sai số hình học cho máy 3 trục
tại thời điểm đó. Sartori và Zhang(1995) cũng tổng hợp dụng cụ có hiệu lực và
phương pháp sẵn có như là một điểm chuẩn. Hầu hết các phương pháp trong đó
được dự định để đo các thành phần sai số đơn của trục chuyển động tại một thời
gian. Bởi vì điều này, nó rất phức tạp và khó thực hiện để kiểm tra.
Để làm đơn giảm thủ tục kiểm tra, Zhang(1988) phát triển một phương pháp
để đo toàn bộ 21 thành phần sai số của một máy 3 trục bằng việc đo các sai số tại
những vị trí khác nhau dọc theo 22 đường trong cùng không gian làm việc. Chen
(2001) cải tiến phương pháp này bằng giảm số lượng đường cần đo xuống 15. Đo
bằng laser vecto là một kĩ thuật kiểm tra tra hiệu quả khác. Wang(2000) and
Janeczko đề xuất phương pháp này cho sự đo sai số vị trí thể tích của máy. Phương
pháp này có khả năng để đo các sai số vị trí và độ thẳng xảy ra cùng lúc hơn là
thành phần sai số một lần bằng sử dụng laser. Tuy nhiên, sự giới hạn và khống chế

23


của phương pháp vectơ theo đường chéo được để ý bởi Chapman(2003). Để chứng
minh cho kỹ thuật đo vecto laser, Svoboda(2006) chỉ đạo một loạt thí nghiệm và kết
luận rằng phương pháp này không làm việc đúng nếu lượng sai số thay đổi trong
phạm vi rộng.
Kiểm tra sai số hình học trực tuyến cũng được đề xuất và bổ sung do nhiều

nhà nghiên cứu. Ni(1991) phát triển hệ thống đo nhiều bậc tự do (MDFM) cho sai
số hình học CMM. Dựa vào hệ thống MDFM, Ni và Wu(1993) trình bày xen kẽ kĩ
thuật đo trực tuyến và không trực tuyến cho sự bù sai số thể tích. Khi được bổ sung
trên một máy 3 trục, đến 15 thành phần sai số được đo trực tuyến ngay lập tức và
duy trì 6 thành phần cần để kiểm tra không trực tuyến. Huang and Ni(1995) sử dụng
3 hệ thống MDFM, một là cho mỗi một trục di chuyển của một CMM, để phát triển
một thuận toán sai số trực tuyến. Mico(2005) đề xuất một hệ thống đo trực tuyến
trong qui trình thiết kế cơ khí cho máy chạy tốc độ cao( high-speed). Hệ thống đo
được dựa trên sự hợp nhất và sự đánh giá khách quan của cấu hình dụng cụ đo giao
thoa. Máy dò trục chính được sử dụng rộng rãi để tăng cường độ chính xác chi tiết
máy. Quá trình gia công là quá trình ngăn cản lặp lại cho sự đo trên máy và kết quả
đo, vì vậy được lơi dụng để dự đoán sai số hình học. Lim(2007) phát triển phương
pháp đo thị giác trên máy dựa vào phương pháp thị giác không tiếp xúc.
Một số dụng cụ khác cũng được đề xuất cho kiểm tra sai số. Umet(2005) sử
dụng hệ thống dò laser để kiểm tra kích thước một CMM. Chen(1999) trình bày hệ
thống laser giao thoa tự động cho sự kiểm tra sai số hình học.
+ Phương pháp kiểm tra gián tiếp.
Phương pháp kiểm tra gián tiếp sử dụng dụng cụ nhân tạo để đánh giá sai số
hình học của phương pháp gia công và CMMs. Nói chung, các thành phần sai số là
không được đo trực tiếp, nhưng được tính toán thông qua tỷ số phân tích động học
nghịch đảo hoặc mối quan hệ toán học giữa số đo được và thành phần sai số.
Phương pháp kiểm tra gián tiếp luôn luôn đòi hỏi nhiều sự tính toán và phân tích, và
độ chính xác trong kiểm tra là không cao bằng phương pháp trực tiếp.

24