Nghiên cứu nâng cao độ chính xác gia công chi tiết, hình dáng hình học phức tạp trên trung tâm gia công ba trục cnc bằng phương pháp bù sai số

THÁI NGUYÊN 2008
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP







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


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


TRƯƠNG THỊ THU HƯƠNG

THÁI NGUYÊN 2008

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

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



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











THÁI NGUYÊN 2008

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
*** о0о






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

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


KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN








Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU 11
Chương I
TỔNG QUAN VỀ BÙ SAI SỐ CHO MÁY CÔNG
CỤ CNC
14
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
1.1.1.3 Biến đổi Post Processor (PP) 16
1.1.1.4 Biến đổi chương trình NC 17
1.1.2 Bù sai số với các bộ điều khiển 17
1.1.2.1 Thêm modul phần mềm mới 18
1.1.2.2 Cài đặt bộ điều khiển phần cứng độc lập 18
1.2
Giới thiệu một vài nghiên cứu bù sai số ở trong nước và trên
thế giới
19
1.2.1
1.2.2
Các công trình ở trong nước
Công trình của các tác giả nước ngoài
19
20
1.2.2.1 Bù sai số hình học do lực cắt cho máy phay 3 trục CNC 20
1.2.2.2 Bù sai số hình học cho trung tâm gia công đứng 23
1.2.2.3 Bù sai số cho trung tâm gia công nhiều trục 23
1.3 Kết luận chương I 25
Chương II
PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SAI SỐ VÀ CÁC
NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ
26
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
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
2.2.3 Sai số do sống trượt 32
2.2.4 Sai số do ổ đỡ 33
2.2.5 Sai số do nhiệt 33
2.2.6 Sai số do rung động tự do 35
2.2.7 Sai số do tải tĩnh và động 35
2.2.8 Sai số do hệ thống điều khiển truyền động servo 36
2.3 Kết luận chương II 37

Chương III

HỆ THỐNG BÙ SAI SỐ GIA CÔNG

39
3.1 Hệ thống thiết bị thí nghiệm 39
3.1.1 Trung tâm gia công VMC - 85S 40
3.1.2. Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 40
3.1.2.1 Cấu hình cơ bản của máy 40
3.1.2.2 Tính năng kỹ thuật cơ bản 43
3.1.3 Phần mềm thiết kế CAD/CAM 44
3.1.3.1 Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD 45
3.1.3.2 Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM 47
3.2. Thực nghiệm gia công trên máy VMC-85S 50
3.2.1 Thiết kế CAD/CAM 50
3.2.1.1 Biên dạng và kích thước gia công 50
3.2.1.2 Lập trình nguyên công 51
3.2.2 Truyền chương trình sang máy CNC 55
3.2.3 Điều chỉnh máy 57
3.2.3.1 Thiết lập gốc toạ độ phôi 57
3.2.3.2 Thiết lập các tham số bù dao 57

3.2.3.3 Gia công cắt gọt 58
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
3.3 Đo sai số gia công trên máy CMM - C544 59
3.3.1 Gá đặt chi tiết 59
3.3.2 Khởi động và kiểm tra hệ thống 59
3.3.3 Hiệu chuẩn đầu đo 60
3.3.4 Lập hệ toạ độ của chương trình đo 61
3.3.5 Scan biên dạng thực 62
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
3.4.2.2 Mô hình mặt lưới Ferguson 67
3.4.2.3 Mô hình mặt lưới Bezier 69
3.4.2.4 Mô hình mặt lưới B-spline đều 70
3.5 Xử lý dữ liệu đo 70
3.5.1 Xây dựng lưới tam giác Gergory từ các đám mây điểm 71
3.5.2 Xây dựng lưới điểm theo mặt B-spline 73
3.5.3 Đơn giản hoá lưới tam giác 75
3.6 Xây dựng đường tròn theo biên dạng đo 75
3.6.1 To ạ độ tâm và bán kính đường tròn qua ba điểm đo 75
3.4.5 To ạ độ tâm và bán kính đường tròn qua toạ độ của n điểm đo 77
3.7 Bù sai số gia công 79
3.7.1 Phân tích sai số gia công 79
3.7.2 Bù sai số gia công 82
3.7.3 Bù chương trình NC bằng phần mềm CAD/CAM 82
3.8 Sản phẩm ứng dụng 85
Chương 4 KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
CÁC TỪ VIẾT TẮT

CMM Coordinate Measuring Machine Máy đo toạ độ 3 chiều
Co-or. Sys Coordinate System Hệ toạ độ
VMC Vertical Machining Center Trung tâm gia công đứng
CAD Computer Aided Design
Thiết kế với trợ giúp của máy
tính
CAM Computer Aided Manufacturing
Sản xuất có trợ giúp của máy
tính
CNC Computer Numerical Control Điều khiển số bằng máy tính
3D 3 Dimension 3 chiều
PP Post Processor Hậu xử lý
CL Cutting Location Đường dụng cụ
SW Software Phần mềm
I/O Input/Output Vào/ Ra
PC Personal Computer Máy tính cá nhân
PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển PLC
FEM Finite Element Methods
Phương pháp phần tử hữu
hạn
CAP Computer Aided Planning

CAPP

Computer Aided Process
Planning
công nghệ

CAQ Computers Aided Quality Control
DNC Direct Numerical Control Điều khiển số trực tiếp


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ thống bù sai số của máy công cụ 15
Hình 1.2 Các thành phần của Post Processor 16
Hình 1.3 Các thành phần của bộ biến đổi mã NC 17
Hình 1.4 Cấu trúc 3-80-30 của mô hình sai số 20
Hình 1.5 Cấu trúc 4-20-3 của mô hình sai số do lực cắt 21
Hình 1.6 Cấu trúc 7-110-3 của mô hình sai số tổng hợp 21
Hình 1.7 Hệ thống bù sai số cho trung tâm gia công đứng 22
Hình 1.8 Bù sai số bằng phần mềm cho máy công cụ nhiều trục CNC 24
Hình 1.9 Bù sai số bằng chương trình NC 24
Hình 2.1 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
Hình 2.4 Khoảng cách trục vítme - bàn máy 31
Hình 2.5 Hệ thống phản hồi của máy công cụ 36
Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ thực nghiệm 39
Hình 3.2 Cấu tạo máy CMM 41
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
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
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
Hình 3.15 Dữ liệu đám mây điểm 63
Hình 3.16 Mặt quét hình song song 64
Hình 3.17 Mặt quét hình tròn xoay 65
Hình 3.18 Mặt cong quét hình phi tham số 65
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 a
p
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






Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1. Chế độ gia công 58
Bảng 3.2. Kết quả gia công 77
Bảng 3.3. Tính toán bù sai số 80
Bảng 3.4. Sai số sau bù 85
Bảng 3.5. Kết quả đo sai số gia công 87

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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 ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008
Người thực hiện


Tr ương Thị Thu Hương

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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 sgản phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất lượng
sản phẩm, mức độ tự động hoá quy trình sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng
hình học của sản phẩm.
Để nâng cao được độ chính xác của các máy CNC nói chung, máy phay CNC
nói riêng, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè, tác giả đã thực hiện đề
tài:“Nghiên cứu nâng cao độ chính xác gia công chi tiết hình dáng hình học phức tạp trên
trung tâm gia công 3 trục CNC bằng phương pháp bù sai số”.
Trong thời gian thực hiện được đề tài, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn
của nhà trường, các Khoa, các Phòng, Ban chức năng, các thầy cô giáo và các đồng
nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, khoa Sau đại 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
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
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!
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2008
Người thực hiện


Trương Thị Thu Hương

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
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 hình dáng hình học
của sản phẩm. Vì vậy, các công nghệ gia công truyền thống trên các máy vạn năng khó
đáp ứng tốt được nhu cầu ngày càng cao này và do đó sự cạnh tranh của sản phẩm trên
thị trường bị hạn chế. Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển và nghiên cứu các công nghệ
mới nhằm nâng cao độ chính xác hình dáng hình học nói riêng, nâng cao chất lượng
sản phẩm chế tạo nói chung.
Xuất phát từ thực tế trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã đầu tư trung tâm
gia công VMC- 85S, máy đo toạ độ 3 chiều CMM. Để nâng cao hơn nữa hiệu quả sử
dụng 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
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
vẫn là vấn đề mới và phức tạp. Do đó, hướng nghiên cứu xây dựng chương trình bù sai
số gia công trên trung tâm gia công nhằm nâng cao độ chính xác gia công các chi tiết
hình dáng hình học phức tạp là một công việc cần thiết và có ý nghĩa khoa học cao.
Ngoài ý nghĩa khoa học trên, đề tài còn mang tính ứng dụng, phục vụ trực tiếp
cho đào tạo, chuyển giao công nghệ của nhà trường và đặc biệt là ứng dụng vào thực tế
sản xuất gia công các chi tiết hình dáng hình học phức tạp với độ chính xác gia công
cao hơn.

3. Mục đích nghiên cứu
- Khai thác tính năng công nghệ của máy CMM – C544 và trung tâm gia công
VMC – 85S;
- Ứng dụng công nghệ Scanning để tạo mô hình CAD của sản phẩm và kiểm tra
độ chính xác gia công;
- Nâng cao độ chính xác hình học của sản phẩm;

- Phục vụ cho đào tạo, nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ trong nhà
trường;
- Ứng dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp hiện nay.

4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nhưng chủ yếu là thực nghiệm.
* Đối tượng nghiên cứu:
Sản phẩm có hình dáng hình học phức tạp.
* 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.

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13

* Sơ đồ nghiên cứu









Hình 1 Phương pháp bù sai số

5. Nội dung nghiên cứu
- 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
công VMC - 85S;
- Nghiên cứu xử lý dữ liệu đo Scanning trên máy CMM để thiết kế lại mô hình
CAD của sản phẩm - ứng dụng CAD/CAM để gia công trên trung tâm gia công VMC -
85S; nghiên cứu tính năng truyền dữ liệu DNC;
- Thực nghiệm chế tạo bề mặt phức tạp, Scanning chi tiết trên máy CMM để
đánh giá độ chính xác hình dáng hình học;
- Đưa ra mô hình tổng quát thiết kế chương trình bù sai số gia công.





Biên dạng thực
Tool path
Tính toán sai số biên
dạng chi tiết
CMM
Quy trình công nghệ
và bù sai số
Biên dạng thiết kế
Máy công cụ
CNC
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
14
Chương I: TỔNG QUAN VỀ BÙ SAI SỐ CHO MÁY CÔNG CỤ CNC
1.1 Các phương pháp bù sai số cho các máy CNC

1.1.1 Mô hình bù
Ngày nay, phần mềm bù sai số đã được sử dụng cho các máy CMM (Barakat
2000, Kruth 1994, Busch 1985 và Zhang 1985). Ngoài việc bù sai số cho máy CMM
bù sai số cho các máy công cụ cũng đang được nghiên cứu. Bù sai số cho các máy
công cụ đã được trình bày bởi Chen 1993, Rahman 1997, 2000 và Suh 1999. Những
nghiên cứu này dựa trên mô hình ma trận để nâng cao độ chính xác chi tiết gia công và
được thực hiện bằng Post Processor hoặc bằng cách điều khiển thủ công. Nhiều máy
công 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
dụng gia tốc rung giới hạn để tối ưu sự điều khiển tool-path nhằm ngăn chặn sự dao
động cơ tại các góc và các vị trí tiệm cận. Siemens 840D có thể thực hiện được bù sai
số nhiều hơn tại bộ điều khiển mức với một bộ điều khiển tốc độ ăn tới. Độ chính xác
cao hơn có thể đạt được với các tốc độ gia công cao cùng với sự bù nhiệt cho các trục
riêng lẻ.
Những nghiên cứu này mới chỉ chú trọng đến các sai số hình học ít biến đổi.
Tuy nhiên, do mài mòn, sai số hình học sẽ thay đổi nhanh theo thời gian. Sự hiệu chỉnh
các máy công 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
dữ liệu sai số mới.
Do sai số trong các máy công cụ khác loại rất khác nhau, vấn đề là làm thế nào
để bù các sai số một cách linh hoạt bằng các thuật toán hoặc kỹ thuật lập trình. Các sai
số này có thể được bù bằng bốn cách khác nhau: Thay đổi tham số điều khiển, nhúng
chương trình bù sai, sử dụng Post processor và điều chỉnh chương trình NC (Hình vẽ
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
1.1). Sự hiệu chỉnh các sai số sẽ được thực hiện dựa trên sự thiết lập mối quan hệ toán
học với các nguồn sai số và các phương pháp đo khác nhau.

Hình 1.1. Hệ thống bù sai số của máy công cụ
1.1.1.1 Thêm modul phần mềm
Trong phương pháp này, chúng ta có thể thêm vào phần mềm có sẵn một modul
khác để xử lý thông tin sai số hiện tại của các máy công cụ. Modul này có thể giữ các
kết quả đo của máy công cụ và có thể cập nhật các tín hiêu vị trí dựa trên sự mã hoá
liên hệ ngược và gửi thông tin tới hệ điều khiển (Jun 1997). Thuật toán trong hình 1.2
có thể được sử dụng để triển khai một modul SW riêng để xét kết quả đo, tối ưu hoá và
bù sai số chuyển động trong thời gian thực.
Begin
Đo
Bù sai số
Bù sai số bằng lập trình
trong bộ điều khiển

Bù sai số bằng chương
trình NC
Nhúng chương
trình bù sai số
Sử dụng Post
Processor
Thay đổi tham
số điều khiển
Điều chỉnh
chương trình
NC
Cắt thử
Ki ểm tra
End
1 2 3
4
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
1.1.1.2 Biến đổi các thông số điều khiển
Nhiều bộ điều khiển cho phép cập nhật các thông số điều khiển và máy CNC có
thể đọc thông tin trước khi thực hiện các chương trình NC. Có nhiều phần mềm hữu
ích có thể thực hiện việc cập nhật tới các bộ điều khiển CNC. Ví dụ như một bảng bù
sai số có thể được cập nhật vào bộ điều khiển CNC dựa trên sự đo bằng giao thoa kế
laser sau đó tính toán một bảng bù sai số mới, xuất ra chương trình NC và gửi data bởi
modul SW tới bộ điều khiển.
Một vài bộ điều khiển như Siemens 840D cho phép bù nhiệt. Sai số độ lõm cũng
có thể được bù bởi các bộ điều khiển khác của Siemens. Một bảng sai số có thể được
cập nhật vào bộ điều khiển và sai số có thể được bù trực tiếp (Sinumerik 2002).
1.1.1.3 Biến đổi Post processor (PP)

Việc chuẩn bị dữ liệu tới cơ cấu dẫn động máy CNC từ dữ liệu CL data là chức
năng của bộ Post processor. Trong giai đoạn hình thành chương trình NC chúng ta có
thể gắn thông tin về sai số hình học, chúng có thể được cấy các thông tin sai số trong
khi thiết lập chương trình NC (Takeuchi 1992).



Hình 1.2: Các thành phần của Post Processor
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
17
1.1.1.4 Biến đổi chương trình NC
Khi chúng ta không có bất kỳ quá trình post processor nào để tạo mã NC, chúng
ta có thể sử dụng cách biến đổi chương trình NC. Chúng có thể biến đổi chương trình
NC gốc để tạo nên một chương trình NC mới. Nó sẽ cho hiệu quả cao hơn trong một số
trường hợp. Sự biến đổi bằng post procesor và sự biến đổi mã NC có nguyên lý như
nhau nhưng các bước thực hiện khác nhau.

Hình 1.3: Các thành phần của bộ biến đổi chương trình NC
1.1.2 Bù sai số với các bộ điều khiển
Các máy công cụ NC đã được trang bị một bộ điều khiển để điều khiển chuyển
động của tất cả các trục dựa trên chương trình NC. Một trong các chức năng của bộ
điều khiển là truyền lệnh điều khiển tới nguồn dẫn động dưới dạng xung vị trí và tốc độ
(Weck 1984). Đối với mỗi trục, có một hệ thống dẫn động. Đối với máy nhiều trục, các
trục chuyển động trong mỗi toạ độ được điều khiển bằng một bộ điều khiển riêng. Bộ
điều khiển nhận giá trị đo lường từ hệ thống đo và tín hiệu sai số được tạo ra dựa trên
giá trị thiết kế của bộ điều chỉnh. Thuật toán điều khiển được thực hiện trong phần
mềm gắn trong bộ điều khiển. Hầu hết các bộ điều khiển cho phép một số thông số
biến đổi được bởi người sử dụng và một số thông số không biến đổi được bởi người sử
dụng (Hệ thống đóng). Hiện nay, công nghệ này đang phát triển theo hướng kỹ thuật

điều khiển hệ thống mở (Reuven 20000). Máy CNC cấu trúc mở (hệ thống mở) cho
phép cập nhật phần mềm điều khiển của máy.
Chương trình NC
Xử lý chương trình
NC (NCPP) (Phân
tích/hiệu chỉnh
chương trình NC)
Chương trình NC mới
Thông tin
máy
Thông tin
sai số
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
18
1.1.2.1 Thêm modul phần mềm mới
Trong phần này chúng ta mô tả khả năng của phần mềm được gắn vào hoặc sự
thêm thành phần SW vào bộ điều khiển (Nhánh 1 hình 1.1). Đầu tiên, bộ đọc chương
trình NC và bộ xử lý hình học xác định khoảng cách dịch chuyển và vận tốc, gia tốc
cho phép.
Hầu hết phần cứng các máy công cụ được mua từ các nhà cung cấp khác nhau.
Trong khi các chương trình điều khiển được viết bởi người sử dụng. Các máy công cụ
ngày nay phát triển theo hướng cấu trúc mở, nó sẽ có thể cài đặt phần mềm thêm vào
trong bộ điều khiển.
Hầu hết các máy công cụ sử dụng phần mềm điều khiển như nhau tại mọi thời
điểm. Theo thời gian, hệ thống dẫn động máy sẽ bị mòn (thay đổi sai số tổng hợp) phần
mềm điều khiển không nhận biết được sự mòn. Do đó, yêu cầu cập nhật modul mới
hoặc cập nhật các thông số mới là cần thiết.
1.1.2.2 Cài đặt bộ điều khiển phần cứng độc lập
Hệ thống điều khiển các máy công cụ gồm bộ chuyển đổi tín hiệu, bộ xử lý hình

học, PLC, đo lường, hệ thống dẫn động servo.v.v.. Tất cả các thành phần này cùng
nhau điều khiển máy theo tool-path đã biết. Khi một chương trình NC được thực hiện,
nó gửi lệnh điều khiển vị trí tới hệ thống dẫn động servo. Một bộ điều khiển bù sai số
có thể khắc phục hạn chế của sự biến đổi các tham số như được mô tả trong bộ xử lý
chương trình NC. Bảng I/O độc lập có thể được cài đặt trong PC để chuyển tín hiệu
liên hệ ngược từ máy khi chương trình NC đang được thực hiện. Dựa trên vị trí hiện
tại, chương trình con có thể biến đổi giá trị toạ độ máy trước khi đưa tới các hệ thống
dẫn động servo. Tín hiệu liên hệ ngược có thể được thừa nhận như miêu tả của Ibaraki
(Ibaraki 2001). Một ưu điểm của hệ thống này là chúng ta có thể điều khiển vị trí tới độ
phân giải bé nhất của hệ thống servo. Với sự biến đổi mã NC, rất khó để nội suy đường
tròn để xác định lại đường tròn mới với sai số nhỏ hơn. Hạn chế chính của phương
pháp này là chúng ta phải cài đặt chương trình con I/O vào bộ điều khiển.

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
19
1.2 Giới thiệu một vài nghiên cứu bù sai số ở trong nước và trên thế giới
1.2.1 Các công trình ở trong nước
Vấn đề bù sai số trên các máy CNC đã được đề cập đến trong tài liệu [3], trong
đề tài này các tác giả đã đưa ra một giải pháp để nâng cao độ chính xác của máy phay
CNC bằng bộ điều khiển. Theo tác giả, tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá chất lượng
máy là sai số vị trí. Khi gia công, bộ điều khiển sẽ điều khiển các trục x, y, z sao cho
dụng cụ đạt được toạ độ theo yêu cầu - toạ độ này được xác định thông qua encorder
gắn ngay sau động cơ. Có nhiều nguyên nhân gây sai số vị trí như khe hở của vitme bi,
độ không song song của sống dẫn hướng, sự dãn nở nhiệt, sự lệch của trục gá động cơ
so với mặt phẳng dẫn hướng và nhiều yếu tố khác.
Việc khử nguyên nhân gây sai số là một biện pháp hoàn chỉnh nhưng tốn kém,
mặt khác trong một vài trường hợp không thể thực hiện được do các thiết bị gia công
có độ chính xác chế tạo không cao và nhiều nguyên nhân khác ảnh hưởng đến độ chính
xác gia công. Chính vì vậy, một giải pháp tổng hợp đã được đưa ra là nghiên cứu sai số

tổng hợp và bù sai số thành phần bằng phần mềm của bộ điều khiển iTNC530 kết hợp
với việc sử dụng thước laser HP5519A kèm hệ thống gương phản xạ để xác định vị trí
chính xác của trục bàn máy khi di chuyển. Sai số chính là giá trị đo được từ đầu thu
laser và giá trị trên bộ điều khiển. Sau khi thu được các giá trị đi và về trên 3 trục x, y,
z, căn cứ vào kết quả đó phần mềm tính giá trị bù cho các trục x, y, z tại các điểm nội
suy. Sau khi bù, sai số đều đạt yêu cầu và cao hơn khả năng thông thường.
Để đánh giá kết quả sau khi bù sai số bằng phần mềm, đề tài đã tiến hành gia
công thử nghiệm và đo kiểm tra 02 thông số: sai số vị trí của các lỗ tâm, sai số nội suy
khi gia công vòng tròn với vật liệu là thép 40X, dụng cụ là dao phay ngón, tốc độ trục
chính 3500v/ph, không dùng dung dịch trơn nguội và đã kiểm nghiệm được kết quả.
Phương pháp này có ưu điểm là không quan tâm đến nguyên nhân gây sai số,
việc bù được dựa trên sai số tổng hợp trên từng đoạn nhỏ của toàn bộ chiều dài chuyển
động của bàn máy. Nó có khả năng khử được một phần các ảnh hưởng do sai số chế
tạo và lắp ráp. Do vậy, nó cho phép giảm giá thành gia công chi tiết do không đòi hỏi
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
20
máy có độ chính xác cao. Tuy nhiên, trong miền gia công có vài điểm có độ chính xác
còn thấp (sai số còn >0.01mm). Mặt khác, tác giả cũng chưa đưa ra được bản đồ sai số
trên toàn miền làm việc 3D của từng máy CNC để đánh giá được chất lượng và giải
pháp khắc phục sai số nhằm nâng cao được độ chính xác khi gia công trên máy CNC.
1.2.2. Công trình của các tác giả nước ngoài
1.2.2.1. Bù sai số hình học và do lực cắt cho máy phay ba trục CNC
Các máy phay CNC với độ chính xác cao được sử dụng trong nhiều quá trình
gia công vì nhu cầu về độ chính xác ngày càng tăng. Ảnh hưởng quan trọng nhất tới độ
chính xác gia công là độ chính xác của máy công cụ. Các sai số vị trí xuất hiện do hình
học, lực cắt, tải trọng động.v.v.. Chana Raksiri và Manukid Parnichkun [6] đã đề xuất
một mô hình bù sai số độc lập bằng cách tính toán các sai số hình học do lực cắt trên
các máy phay CNC.
Đầu tiên tác giả đo 21 thành phần sai số hình học bằng dụng cụ đo laser. Sau đó,

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

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

Tiếp theo, đánh giá sai số do lực cắt bằng mạng nơron được xác định dựa trên
việc quan sát sự làm việc của dao phay mặt đầu. Một cảm biến lực cắt đã được thiết kế
Lớp ẩn
Lớp vào
Vị trí x
Vị trí y
Vị trí z
Sai số hình học trên trục x
Đầu ra
Lớp ra
Sai số hình học trên trục y
Sai số hình học trên trục z
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
21
và áp dụng để đo lực cắt. Kết quả của sai số gia công do lực cắt gây ra được đo bằng
camera và sau đó sử dụng riêng một mô hình bù sai số.


Hình 1.5: Cấu trúc 4-20-3 của mô hình sai số do lực cắt
Cuối cùng, kết hợp các sai số hình học do lực cắt được mô hình hoá bằng mạng
nơron. Sau đó, xây dựng hệ thống bù đồng thời cả sai số gây ra bởi hình học và lực cắt
bằng một mô hình duy nhất.

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

Lớp ẩn
Lớp vào
Đầu ra
Lớp ra
Sai số do lực
cắt trên trục x
Sai số do lực
cắt trên trục y
Sai số do lực
cắt trên trục z
Chiều sâu cắt
Lớp ẩn
Lớp vào Lớp ra
Đầu ra
Sai số tổng hợp trên trục x
Sai số tổng hợp trên trục y
Sai số tổng hợp trên trục z
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
1.2.2.2. Bù sai số hình học cho trung tâm gia công đứng
Để nâng cao độ chính xác gia công cho các máy công cụ, DG Ford, SR
Postlethwaite, JP Allen và MD Blake đã xây dựng một hệ thống bù các thành phần sai
số hình học cho các máy công cụ thông thường.
Sự dịch chuyển vị trí hệ trục máy công cụ có thể ảnh hưởng đến các thành phần
sai số trên từng trục. Mức độ ghép trục phụ thuộc vào hệ thống máy công cụ và mức độ
cứng vững của cấu trúc máy. Các ảnh hưởng nhiệt có thể ảnh hưởng đến các thành

phần sai số của máy công cụ.


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