Luận văn 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 Toạ độ tâm và bán kính đường tròn qua ba điểm đo 75 3.4.5 Toạ 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 ap 79 Hình 3.27 Ảnh hưởng của vận tốc cắt 80 Hình 3.28 Chiến lược bù sai số 82 Hình 3.29 Biên dạng gia công kiểm nghiệm 84 Hình 3.30 Sản phẩm gia công 85 Hình 3.31 Thiết lập các tham số bù 86 Hình 3.32 Mô phỏng quá trình gia công 86 Hình 3.33 Gia công sản phẩm trên máy VMC 85S 87 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 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 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 Kiểm 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 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 Mô hình động học được biến đổi để cho phép áp dụng đối với các ảnh hưởng của hệ thống không cứng vững và đưa ra một lý thuyết mới để giảm các sai số gia công gây ra bởi biến dạng nhiệt cho các máy CNC. Phương pháp này được thực hiện nhằm giảm sai số nhiệt dựa trên kỹ thuật đo gián tiếp. Trong đó, sự liên hệ giữa nhiệt độ và biến dạng được chia thành hai phần: Mô hình nhiệt và mô hình biến dạng. Sử dụng mô hình nhiệt và biến dạng độc lập cho các kỹ thuật phân tích, sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn để kiểm nghiệm chất lượng. Hệ thống bù sai số đựơc xây dựng có mô hình như hình 1.7. 1.3.2.3. Bù sai số cho trung tâm gia công nhiều trục Đề tài đã xây dựng hệ thống bù sai số tĩnh từ thuật toán nội suy element –free dựa trên phương pháp Garlerkin để dự báo sai số và phương pháp bù phần mềm hồi quy và phần mềm biến đổi mã NC. Với phương pháp này có thể hiệu chỉnh trực tiếp quỹ đạo cắt gọt của máy dựa trên các sai số đã được dự báo. Khi đường cắt gọt được quy định vào một dạng mã NC, hệ thống sẽ tự động xác định toạ độ của quỹ đạo cắt và sử dụng chúng như các đầu vào để dự đoán sai số. Sau khi bù các sai số quỹ đạo cắt, một mã NC mới sẽ được hình thành cho hệ điều khiển CNC để thực hiện việc gia công chính xác. Hệ thống gồm bốn khối phần mềm. Mô hình động học, sự biến đổi sai số hình học, phân tích và hiển thị sai số và phần mềm chứa trong các máy tính cá nhân (PC) hoặc cơ cấu điều khiển cấu trúc mở. Các modul phần cứng chứa trong PC là các modul mã hoá, modul giải mã và các modul đầu ra. Modul mã hoá và modul giải mã cung cấp giao diện giữa hệ thống bù sai số và các trục máy. Các tín hiệu từ bộ mã hoá, hai tín hiệu pha vuông góc và mốc các tín hiệu được đưa đến modul trục qua dải cách ly quang. Dải cách ly quang cung cấp sự cách ly điện giữa bộ mã hoá và hệ thống bù sai số. Các tín hiệu pha vuông góc được xử lý bằng modul và đưa ra sự đếm có nghĩa, có thể được sử dụng bởi PC. PC tính toán giá trị bù cơ bản vị trí các trục hiện thời bằng modul giải mã và lưu trữ giá trị các sai số hình học. Giá trị bù được đưa tới để điều khiển sự dịch chuyển các trục qua modul đầu ra. Modul này sẽ cung cấp đầu dẫn nhập Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 khác tới bộ tiền khuếch đại của bảng dẫn động các trục (điều khiển tương tự) hoặc để biến đổi vị trí của bộ chuyển đổi đếm (điều khiển số). Hình 1.8: Bù sai số bằng phần mềm cho máy công cụ nhiều trục CNC Pd + Σδ(I) Dự báo sai số Pc + e(Pc) δ(I)≤10 -4 Pc Đầu ra Pc(I ) Có Không Pd δ(I) Bù sai số phần mềm hồi quy Begin Các mã NC Xác định vị trí dao thiết kế Phần mềm bù Vị trí dao cắt End Hệ thống servo Động học nghịch cơ cấu điều khiển CNC Viết lạ i các mã NC Pc Mã NC đầu vào Xác định các toạ độ trục của điểm thiết kế Các toạ độ trục sau khi bù Viết lại mã NC được bù Mã NC mới Dự báo và bù sai số Đọc các dải của mã NC Hình 1.9: Bù sai số bằng chương trình NC Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 1.3 Kết luận chương I Chúng ta có thể bù sai số của máy công cụ bằng nhiều cách khác nhau. Ví dụ, biến đổi các thông số điều khiển dựa vào các kết quả đo được sử dụng khá phổ biến trong kỹ thuật. Bảng sai số có thể được cập nhật dựa vào thiết bị đo laser hoặc máy đo toạ độ CMM. Các cơ cấu điều khiển máy tìm bảng sai số và bù sai số theo bảng. Sai số khe hở dọc trục có thể được biến đổi bởi người sử dụng là một thông số của hệ thống điều khiển. Tuy nhiên, độ lệch trục phụ thuộc vào vị trí dịch chuyển của trục và lực cắt. Những điều này thì không được chú ý trong hầu hết các cơ cấu điều khiển cũ. Dựa vào sự đảo vị trí các trục, cơ cấu điều khiển có thể bù các giá trị khe hở. Các sai số khác như độ vuông góc không thể bù được bằng bất kì sự điều chỉnh các thông số nào bởi các hệ điều khiển cũ. Ngoài ra, có thể bù sai số cho máy công cụ bằng cách thực hiện thuật toán hiệu chỉnh trong post processor hoặc xử lý chương trình NC khác. Tuy nhiên, giải pháp này có hạn chế cơ bản là phải thực hiện một chương trình NC lớn. Nó cũng cần mô hình toán học tốt và chính xác của sai số profile của máy công cụ. Điều này dẫn tới giải pháp gắn thêm modul phần mềm. Hệ thống bù thời gian thực được nối liền với bộ điều khiển các tín hiệu bù sai số được đưa vào vòng servo điều khiển vị trí qua cổng I/O và được điều khiển bằng phần mềm 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 26 Chương II PHÂN TÍCH CÁC THÀNH PHẦN SAI SỐ VÀ CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA SAI SỐ 2.1 Độ chính xác gia công Kỹ thuật ngày nay đòi hỏi máy móc, thiết bị phải gọn, đẹp, làm việc chính xác, độ tin cậy cao. Muốn vậy từng chi tiết máy phải có kết cấu hợp lý, độ chính xác và độ 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. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 Hình 2.1: 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 sát trong một miền xác định. Sai số kích thước Sai số vị trí tương quan Độ chính xác gia công Độ chính xác của chi tiết Độ chính xác của cụm chi tiết Sai lệch kích thước Sai lệch vị trí tương quan Sai số hình dạng hình học Độ sóng Độ nhám bề mặt Tính chất cơ lý lớp bề mặt Sai số tổng Sai số hệ thống Sai số ngẫu nhiên Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 - 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. 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. 2.2. Các nguồn sai số của máy công cụ 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 biến dạng nhiệt; - Ma sát trong hệ thống dẫn động; - Sai số do lực cắt; Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 - Hệ thống điều khiển servo; - Dao động ngẫu nhiên. Hình 2.2 biểu diễn các nguồn sai số của một máy công cụ nhiều trục và các quan hệ của chúng. Nói rộng hơn, sai số máy công cụ có thể được chia thành hai nhóm: Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Các sai số hệ thống có thể được mô tả và có thể được dự báo dựa trên các mô hình toán học. Các sai số ngẫu nhiên khó lập mô hình và khó bù. Hình 2.2: Sai số tổng hợp của máy công cụ Một thí dụ về chuyển động theo đường biên ở đó lưỡi cắt di chuyển dọc theo một đường biên cụ thể tại bước tiến nhất định bằng cách chuyển động đồng thời hai trục nên được tiến hành để xác định các vấn đề trong các hệ điều khiển số và cơ cấu servo ở tốc độ di chuyển cao. Các nguồn sai số liên quan tới dính (stick), trượt, bù sai số rất khó thực hiện. 2.2.1 Sai số hình học Sai số hình học được coi là sai số của máy tồn tại trong điều kiện nguội và sai số này không thay đổi theo thời gian (chúng có tính lặp lại ổn định). 75% sai số số ban Độ chính xác của máy Sai số ngẫu nhiên Sai số hệ thống Nguồn trong Nguồn ngoài Các tác động của nhiệt Thông số hình học Độ cứng vững Tải trọng Rung động Vị trí Khe hở Độ phân tán Độ chính xác vị trí Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 đầu của một máy công cụ mới xuất hiện do quá trình sản xuất và lắp ráp (Cecil và CS 1998). Sai số hình học là sai số trục và sai số độ nghiêng, độ lắc và sai số hướng tâm. Tất cả các trục này dễ bị các sai số trên, gây ra 21 loại sai số hình học (K.G Ahn, Cho). Trong đó: + x, y, z là các vị trí danh nghĩa; + δxx, δyy, δzz là các sai số tương ứng dọc theo phương x, y, z; Hình 2.3: Các thành phần sai số tổng hợp Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 + δyx, δzx, δxy, δzy, δxz, δyz là các sai số độ thẳng, trong đó chỉ số thứ nhất chỉ phương sai số, chỉ số thứ hai chỉ phương dịch chuyển; + εxx, εyx, εzx, εxy, εyy, εzy, εxz, εyz, εzz là các sai số góc, trong đó chỉ số thứ nhất chỉ trục có sai số, chỉ số thứ hai chỉ phương dịch chuyển; + Sxx, Sxz, Syz là các sai số độ vuông góc giữa từng đôi trục. Các loại sai số này xuất phát từ sai số chế tạo và lắp ráp các chi tiết của máy. Các sai số này bao gồm sai số chiều dài, sai số góc, sai số độ thẳng, sai số vuông góc, song song và sai số vị trí điểm không. Thỉnh thoảng sự va chạm cũng làm hỏng phôi và thay đổi các thành phần hình học và chi tiết dẫn động của máy. Hình 2.4. Khoảng cách trục vítme - bàn máy Các loại sai số này thay đổi chậm theo thời gian, tức là máy lặp lại sai số trong 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. Chuyển động quay quanh trục Z Bàn trượt theo trục X Ecu Giá Pw X Y Z d Ổ đỡ Chuyển động quay quanh trục Y Chuyển động quay quanh trục X Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 Chúng ta không thể đo sai số này một cách trực tiếp nhưng bằng tín hiệu liên hệ ngược chúng ta có thể tính được sai số này (Ibaraki - 2001). Sự cố định các sai số này rất khó. Nhưng với phép tính toán học và sự đo lường của máy, chùng ta có thể điều khiển máy để hiệu chỉnh định vị đầu dụng cụ. 2.2.2 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 như trong Hình 2.3 và 2.4. 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 truyền 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(Weck 1984c). Sai số động học trong đo vị trí bằng đầu mã hóa quay và vít me bi 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. 2.2.3 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 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 không, tác động của nhiệt là đáng kể. Các nguồn sai số chính gây ra bởi sống dẫn hướng là: - Chế tạo không chính xác; - Mòn sống dẫn hướng; - Biến dạng tĩnh do khối lượng và lực cắt; - Biến dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ. 2.2.4 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 loại ổ đỡ khác nhau để đỡ trục vít me. Có các ổ cố định tại một đầu và vít me giãn ra dễ dạng 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 ổ đỡ khác là 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. 2.2.5 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; Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 - 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. 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 (Braasch 2002): Làm mát vít me bi và bù bằng 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 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 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) (Takuchi 1982). Bằng sự tính toán nhiệt phân bố trong vít me, chúng ta có thể bù được sai số bằng phần mềm. 2.2.6 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 (Weck 1984). Đặc tính động không đồng đều sẽ dẫn đến hình thành các rung động, có thể dẫn đến làm xấu chất lượng bề mặt gia công tinh; tăng độ mòn máy, gãy dụng cụ và phá huỷ cả chi tiết gia công và máy. Dưới điều kiện gia công kéo dài, có hai loại rung động xảy ra: - 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 tần số kích thích ở cùng tần số tự rung sẽ tạo ra hiện tượng cộng hưởng. 2.2.7 Sai số do tải tĩnh và động 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 (Weck 1984). 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. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 2.2.8 Sai số do hệ thống điều khiển truyền động servo Dữ liệu đầu vào được chuyển đổi bởi hệ thống điều khiển thành mã đầu ra ở 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. Hình 2.5. Hệ thống phản hồi của máy công cụ Trong hình 13, 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. 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. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 Trong sự chuyển đổi dữ liệu gia công đầu vào, sai số phụ thưộc loại nội suy được sử dụng. Theo Weck (1984), các nguồn sai số là: - 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 bởi các sai số trên và các cấp chính xác cao có thể đạt được thậm chí với tốc độ gia công cao. 2.3 Kết luận chương II Các máy công cụ CNC có cấu trúc và cơ cấu điều khiển rất phức tạp và rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ. Các nguồn sai số của máy công cụ có thể được chia ra làm hai loại, các sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Các sai số hệ thống có thể được mô tả và dự báo giá trị trong vùng làm việc của máy công cụ. Các sai số ngẫu nhiên rất khó xác định và rất phức tạp để có thể mô tả. Các sai số hình học là sai số quan trọng nhất trong các sai số hệ thống và các nguồn sai số chính là cơ cấu vít me bi, trục dẫn hướng, ổ trục. Sai số bước vít me, sản phẩm không chính xác, mòn trong các trục dẫn hướng .v.v là các nhân tố ảnh hưởng tới sai số hình học. Sai số hình học có khả năng lặp lại và tăng dần theo thời gian. Một máy công cụ cũng làm việc trong trạng thái mất ổn định do sự biến dạng nhiệt. Các thành phần khác của máy công cụ bị biến dạng do dòng nhiệt. Máy công cụ có hai nguồn nhiệt chính là nguồn nhiệt bên ngoài (nhiệt độ phòng, các tia mặt trời.v.v..) và nguồn nhiệt bên trong được hình thành bởi ma sát bên trong của các thành phần khác nhau của máy. Các đặc tính động học không đều sẽ dẫn đến sự hình thành rung động. Có hai loại rung động: rung động tự rung và Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 rung động cưỡng bức. Hệ thống điều khiển và hệ thống đo của máy tự tác động đến sự hiệu chỉnh sai số. Loại vòng nửa kín thì không có hệ thống đo lường trực tiếp. Đối với vòng kín có hệ thống đo lường trực tiếp. Đối với vòng nửa kín, bước của vít me được sử dụng để tính toán vị trí của bàn máy, trong khi đó hệ thống đo lường vòng kín đo được tham biến trực tiếp bằng thang đo. Do đó, vòng kín có thể thực hiện tốt hơn trong việc bù sai số vị trí. Như đã phân tích ở trên, có rất nhiều nguyên nhân gây sai số gia công. Việc khử từng nguyên nhân gây sai số là một biện pháp hoàn chỉnh nhưng rất tốn kém và đôi khi không thực hiện được do các thiết bị gia công các bộ phận chính của máy CNC có độ chính xác không cao và nhiều nguyên nhân khác ảnh hưởng đến độ chính xác hiện vẫn không xác định được rõ ràng. Vì vậy, để nâng cao độ chính xác gia công tác giả chọn giải pháp nghiên cứu sai số tổng hợp, không quan tâm đến nguyên nhân gây sai số và tiến hành bù sai số bằng phương pháp phần mềm. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Chương III HỆ THỐNG BÙ SAI SỐ GIA CÔNG 3.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm Như đã phân tích về các phương pháp bù sai số gia công trên máy CNC, trong giới hạn của đề tài, tác giả sử dụng phương pháp bù sai số bằng phần mềm trên cơ sở giải quyết bài toán sai lệch hình dáng hình học và vị trí tương quan theo sơ đồ như dưới đây: Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ thực nghiệm Vì vậy hệ thống công nghệ sử dụng trong để tài gồm: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 3.1.1. Trung tâm gia công VMC - 85S Trung tâm gia công VMC - 85S do hãng Maximart của Đài Loan sản xuất năm 2003 với hệ điều khiển Fanuc OMD, máy có khả năng tích hợp CAD/CAM với bộ mã ISO code hặc Fanuc code qua cổng RS 232. Thông số kỹ thuật cơ bản của máy Thông số Đơn vị Kích thước Kích thước bàn làm việc mm 515 x 1050 Hành trình theo trục X mm 850 Hành trình theo trục Y mm 560 Hành trình theo trục Z mm 520 Đường kính trục chính mm Φ65 Tốc độ cắt (chạy dao) mm/phút 1÷5000 Tốc độ dịch chuyển nhanh theo X, Y mm/phút 12000 Tốc độ dịch chuyển nhanh theo Z mm/phút 10000 Công suất động cơ chính kw 3.7÷5.5 Động cơ servo X, Y, Z kw 0.5÷3.5 Trọng lượng kg 4200 Tốc độ quay trục chính vòng/phút 60÷8000 Ổ dao loại 16 dao BT 40 Kích thước tổng thể mm 3500 x 3020 x 2520 3.1.2. Máy đo toạ độ 3 chiều CMM - C544 3.1.2.1. Cấu hình cơ bản của máy Máy đo toạ độ CMM là tên gọi chung của các thiết bị vạn năng có thể thực hiện việc đo các thông số hình học theo phương pháp toạ độ. Thông số cần đo được tính từ Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 các toạ độ điểm đo so với gốc toạ độ của máy. Các loại máy này còn được gọi là máy quét hình vì chúng còn được dùng để quét hình dáng của vật thể. Có hai loại máy đo toạ độ thông dụng là máy đo bằng tay (đầu đo được dẫn động bằng tay) và máy đo CNC (đầu đo được điều khiển tự động bằng chương trình số). Các máy đo toạ độ CMM hoạt động theo nguyên lý dịch chuyển một đầu dò để xác định tọa độ các điểm trên bề mặt của vật thể. Máy đo toạ độ thường là các máy đo các toạ độ theo cả 3 phương chuyển vị X, Y, Z. Bàn đo được làm bằng đá granít, đầu đo được gắn trên giá lắp trên thân trượt theo phương Z, khi đầu đo được điều chỉnh đến một điểm đo nào đó thì đầu đọc sẽ cho ta biết 3 toạ độ X,Y,Z tương ứng với độ chính xác cao, có thể lên đến 0,1 m Máy CMM thường thiết kế với 4 phần chính: - Thân máy - Đầu dò - Hệ thống điều khiển hoặc máy tính. - Phần mềm đo. Hình 3.2. Cấu tạo máy CMM Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Khi quét bằng phương pháp này thì đầu dò của máy tiếp xúc với bề mặt cần đo, mỗi vị trí đo có toạ độ (x,y,z) và tập hợp các điểm đo sẽ cho một đám mây điểm hoặc dữ liệu biên dạng đường, mặt hay của cả chi tiết Với hệ thống đầu đo cho máy CMM, người ta có thể sử dụng loại đầu dò tiếp xúc hay đo điểm rời rạc, hệ thống đầu đo laser, hoặc camera. Máy đo CMM đa cảm biến có thể được trang bị một lúc nhiều hơn một cảm biến, camera hoặc đầu dò. Hình 3.3. Các loại đầu đo cho máy CMM Đối với loại máy đo CNC có chuyển vị rất êm, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt trên đệm khí nén. Để kết quả đo tin cậy, áp suất khi nén cần phải được bảo đảm như điều kiện kỹ thuật của máy đã ghi nhằm đảm bảo đệm khí đủ áp suất và làm việc ổn định. Các máy của hãng Mitutoyo thường có yêu cầu áp suất khi nén là 0,4 MPa với lưu lượng 40 lít/phút ở trạng thái bình thường. Máy phải được vận hành ở nhiệt độ thấp từ 16 - 26 0 C. Loại máy được dẫn động bằng tay vận hành đơn giản, nhẹ nhàng nhờ dùng dẫn trượt bi, tuy nhiên loại này có độ chính xác thấp hơn. Máy đo 3 toạ độ có phạm vi sử dụng lớn. Nó có thể đo kích thước chi tiết, đo profile, đo góc, đo độ sâu... Nó cũng có khả năng đo các thông số phối hợp trên một chi tiết như độ song song, độ vuông góc, độ phẳng... Đặc biệt máy có thể cho phép đo các chi tiết có biên dạng phức tạp, các bề mặt không gian, ví dụ như bề mặt khuôn mẫu, cánh turbin, mui xe ô tô... Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Để dễ dàng cho việc tính toán kết quả đo, kèm theo máy là phần mềm thiết kế cho từng loại thông số cần đo. Mỗi hãng chế tạo máy CMM đều có viết riêng cho các máy của mình những phần mềm khác nhau. Mỗi phần mềm có thể có nhiều môđun riêng biệt ứng dụng cho từng loại thông số cần đo.Ví dụ máy CMM của hãng Mitutoyo có các phần mềm (môdun) như sau: - Geopak: có nhiều cấp độ khác nhau, dùng cho đo lường vật thể 3D, có thể xuất sang file dạng .gws để chuyển đổi dữ liệu đo thành dữ liệu chuỗi điểm cho thiết kế chi tiết bằng phần mềm Pro/Engineer hoặc các phần mềm khác; - Scanpak: Dùng để số hoá biên dạng 3D của vật thể, chuyên dùng để quét biên dạng và bề mặt 3D dùng cho tái tạo ngược; - Statpak: Chuyên dùng để sử lý số liệu đo; - Gearpak: Chuyên dùng cho đo bánh răng chuyển dữ liệu từ máy CMM sang máy kiểm tra bánh răng; - Tracepak: Chương trình quét vật thể 3D cho máy CMM vận hành bằng tay. Máy CMM có nhiều chủng loại khác khác nhau về kích cỡ, thiết kế và công nghệ dò. Máy có thể chỉ có hệ điều khiển thủ công (Manual), hoặc có hệ điều khiển CNC/PC. Các máy CMM thường được sử dụng để đo kích thước, đo kiểm mẫu, lược đồ góc, hướng hoặc chiều sâu, số hóa hoặc tạo hình.Các tính năng chung của máy CMM là có hệ thống bảo vệ chống va đập, khả năng lập trình offline, thiết kế ngược, phần mềm SPC và bù nhiệt độ. Các thông số cơ bản được quan tâm của máy là các hành trình đo theo trục X,Y,Z; độ phân giải và trọng lượng vật đo. 3.1.2.2. Tính năng kỹ thuật cơ bản Kiểu máy Beyond Crystal C544 Khoảng đo Trục X 505mm Trục Y 405mm Trục Z 405mm Độ chính xác ở nhiệt độ 200C±10C theo tiêu chuẩn ISO 10360-2 MPEE= (1.7+4L/100)μm Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Chuẩn chiều dài Thước kính mã hoá Độ phân giải 0.0001 mm (0.1μm) Phương pháp dẫn hướng Sử dụng đệm khí trên các trục trục dẫn Tốc độ điều khiển cực đại khi chạy tự động 520 mm/s Tốc độ điều khiển cực đại khi chạy Joystick 80 mm/s Tốc độ đo cực đại 8 mm/s Gia tốc đo lớn nhất 2.3 m/s2 Các yêu cầu liên quan đến vật đo Chiều cao lớn nhất 545 mm Khối lượng lớn nhất Kích thước bàn đặt phôi Kích thước 638x 860mm Vật liệu Đá Granite có độ phẳng nhỏ hơn 0.0009 mm Kích thước máy Chiều dài 1160 mm Chiều rộng 1122 mm Chiều cao 1185 mm Khối lượng máy 515 Kg Năng lượng cung cấp Khí nén 0.4 Mpa; Lưu lượng trung bình: 50 lít/ phút Điện áp Một pha 220V/50Hz - Đầu quét tín hiệu tương tự SP600M (Analogue Scanning Probe), hãng Renishaw - Anh sản xuất; - Phần mềm Geopak - Win (do hãng phần mềm Cosmos viết sử dụng cho máy đo toạ độ không gian 3D) tích hợp trên máy tính cài WinXP. 3.1.3. Phần mềm thiết kế CAD/CAM CAD/CAM là hệ thống thiết kế và gia công với sự trợ giúp của máy tính. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, CAD/CAM đã được ứng dụng nhanh chóng trong công nghiệp vì nó là công cụ giúp các nhà thiết kế và chế tạo sản phẩm có thể Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 thay đổi mẫu mã hoặc lựa chọn phương án gia công tối ưu một cách nhanh chóng, chính xác và linh hoạt. Đặc biệt trong kỹ thuật tái tạo ngược từ sản phẩm đã có thì việc xử lý các dữ liệu từ máy đo và xây dựng lại bản vẽ 3D thì không thể không dùng các phần mềm CAD/CAM. 3.1.3.1. Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD CAD được định nghĩa là một hoạt động thiết kế liên quan đến việc sử dụng máy tính để tạo lập, sửa chữa hoặc trình bày một thiết kế kỹ thuật. CAD có liên hệ chặt chẽ với hệ thống đồ họa máy tính. Các lý do quan trọng có thể kể đến khi sử dụng hệ thống CAD là tăng hiệu quả làm việc cho người thiết kế, tăng chất lượng thiết kế, nâng cao chất lượng trình bày thiết kế và tạo lập cơ sở dữ liệu cho sản xuất. Các bước tiến hành thiết kế với CAD: Tổng hợp (xây dựng mô hình động học); phân tích tối ưu hóa (phân tích kỹ thuật); trình bày thiết kế (tự động ra bản vẽ). Mô hình hình học Mô hình hình học là dùng CAD để xây dựng biểu diễn toán học dạng hình học của đối tượng. Mô hình này cho phép người dùng CAD biểu diễn hình ảnh đối tượng lên màn hình và thực hiện một số thao tác lên mô hình như làm biến dạng hình ảnh, phóng to thu nhỏ, lập một mô hình mới trên cơ sở mô hình cũ. Từ đó, người thiết có thể xây dựng một chi tiết mới hoặc thay đổi một chi tiết cũ. Có nhiều dạng mô hình hình học trên CAD. Ngoài mô hình 2D phổ biến, các mô hình 3D có thể được xây dựng cho phép người sử dụng quan sát vật thể từ các hướng khác nhau, phóng to thu nhỏ, thực hiện các phân tích kỹ thuật như sức căng, tính chất vật liệu và nhiệt độ. Mô hình lưới Sử dụng các đường để minh hoạ vật thể. Mô hình này có những hạn chế lớn như không có khả năng phân biệt các đường nét thấy và nét khuất trong vật thể, không nhận Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 biết được các dạng đường cong, không có khả năng kiểm tra va chạm giữa các chi tiết thành phần và khó khăn trong việc tính toán các đặc tính vật lý. Mô hình bề mặt Được định nghĩa theo các điểm, các đường thẳng và các bề mặt. Mô hình này có khả năng nhận biết và hiển thị các dạng đường cong phức tạp, có khả năng nhận biết bề mặt và cung cấp mô hình 3D của chi tiết có khả năng mô phỏng quỹ đạo chuyển động như của dao cắt trong máy công cụ hoặc chuyển động của các cánh tay robot. Mô hình khối đặc Mô tả hình dạng toàn khối của vật thể một cách rõ ràng và chính xác. Nó có thể mô tả các đường thấy và đường khuất của vật thể. Mô hình này trợ giúp đắc lực trong quá trình lắp ráp các phần tử phức tạp. Ngoài ra, mô hình còn có khả năng tạo mảng màu và độ bóng bề mặt. Hơn nữa, người sử dụng có thể kết hợp với các chương trình phần mềm chuyên dụng khác để biểu diễn mô hình và tạo hình ảnh sống động cho vật thể. Phân tích kỹ thuật mô hình Sau khi có được phương án thiết kế thể hiện dưới dạng mô hình CAD sẽ trợ giúp mô hình. Hai ví dụ về việc phân tích mô hình là tính toán các đặc tính vật lý và phân tích phần tử hữu hạn. Tính toán các đặc tính vật lý bao gồm việc xác định khối lượng, diện tích bề mặt, thể tích và xác định trọng tâm. Phân tích các phần tử hữu hạn nhằm tính toán sức căng, độ truyền nhiệt… Đánh giá thiết kế Đánh giá thiết kế có thể bao gồm: tự động xác định chính xác các kích thước, xác định khả năng tương tác giữa các bộ phận. Điều này đặc biệt quan trọng trong các thiết Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 kế lắp ráp nhằm tránh hai chi tiết cùng chiếm một khoảng không gian, kiểm tra động học. Điều này cần đến khả năng mô phỏng các chuyển động của CAD. Tự động phác thảo bản vẽ Lĩnh vực trợ giúp đắc lực thứ tư của CAD là khả năng tự động cho ra các bản vẽ với độ chính xác cao một cách nhanh chóng. Điều này rất quan trọng trong quá trình trình bày một thiết kế và tạo lập hồ sơ thiết kế... 3.1.3.2. Sản xuất với trợ giúp của máy tính CAM CAM được định nghĩa là việc sử dụng máy tính trong lập kế hoạch, quản lý và điều khiển quá trình sản xuất. Các ứng dụng của CAM được chia làm 2 loại chính: Lập kế hoạch sản xuất và điều khiển sản xuất. Lập kế hoạch sản xuất + Ước lượng giá thành sản phẩm: Ước lượng giá của một loại sản phẩm mới là khá đơn giản trong nhiều ngành công nghiệp và được hoàn thành bởi chương trình máy tính. Chi phí của từng chi tiết bộ phận được cộng lại và giá của sản phẩm sẽ được xác định. + Lập kế hoạch quá trình với sự trợ giúp của máy tính: Các trình tự thực hiện và các trung tâm gia công cần thiết cho sản xuất một sản phẩm được chuẩn bị bởi máy tính. Các hệ thống này cần cung cấp các bản lộ trình, tìm ra lộ trình tối ưu và tiến hành mô phỏng kiểm nghiệm kế hoạch đưa ra. + Các hệ thống dữ liệu gia công máy tính hóa: Các chương trình máy tính c ần được soạn thảo để đưa ra các điều kiện cắt tối ưu cho các loại nguyên vật liệu khác nhau. Các tính toán dựa trên các dữ liệu nhận được từ thực nghiệm hoặc tính toán lý thuyết về tuổi thọ của dao cắt theo điều kiện cắt. + Lập trình với sự trợ giúp của máy tính: Lập trình cho máy công cụ hoặc lập trình CNC là công việc khó khăn cho người vận hành và gây ra nhiều lỗi khi các chi tiết trở Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 nên phức tạp. Các bộ hậu xử lý máy tính được sử dụng để thay thế việc lập trình bằng tay. Đối với các chi tiết có hình dạng hình học phức tạp, hệ thống CAM có thể đưa ra chương trình gia công chi tiết nhờ phương pháp tạo ra tập lệnh điều khiển cho máy công cụ hiệu quả hơn hẳn lập trình bằng tay. + Lắp ráp với sự trợ giúp bằng máy tính: Việc định vị các phần tử trong các trạm lên dây chuyền lắp ráp là vấn đề lớn và khó khăn. Các chương trình máy tính như COMSOAL và CALB được phát triển để trợ giúp cân bằng tối ưu cho các dây chuyền lắp ráp. + Xây dựng các định mức lao động: Một bộ phận chuyên trách sẽ có trách nhiệm xác lập chuẩn thời gian cho các công việc lao động trực tiếp tại nhà máy. Việc tính toán này khá công phu và phức tạp. Hiện đã có một số chương trình phần mềm được phát triển cho công việc này. Các chương trình máy tính sử dụng dữ liệu về thời gian chuẩn cho các phần tử cơ bản, sau đó cộng tổng thời gian thực hiện của các phần tử đơn đó và chương trình sẽ đưa ra thời gian chuẩn cho công việc hoàn chỉnh. + Lập kế hoạch sản xuất và quản lý tồn kho: Máy tính được sử dụng trong hai chức năng lập kế hoạch sản xuất và lưu trữ. Hai chức năng này bao gồm ghi nhớ các bản ghi tồn kho, đặt hàng tự động các mặt hàng khi kho rỗng, điều độ sản xuất chủ, duy trì các đặc tính hiện tại cho các đơn đặt hàng sản xuất khác nhau, lập kế hoạch nhu cầu nguyên vật liệu và lập kế hoạch năng lực. Điều khiển sản xuất Điều khiển sản xuất liên quan tới việc quản lý và điều khiển các hoạt động sản xuất trong nhà máy. Điều khiển quá trình, điều khiển chất lượng, điều khiển sản xuất phân xưởng và giám sát quá trình đều nằm trong vùng chức năng của điều khiển sản xuất. Ở đây máy tính tham gia trực tiếp (on-line) vào các hoạt động sản xuất trong nhà máy. Các ứng dụng của điều khiển quá trình sử dụng máy tính là khá phổ biến trong các hệ thống sản xuất tự động hiện nay. Chúng bao gồm các dây chuyền vận Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 chuyển, các hệ thống lắp ráp, điều khiển số, kỹ thuật rôbốt, vận chuyển nguyên vật liệu và hệ thống sản xuất linh hoạt. Điều khiển hoạt động sản xuất phân xưởng liên quan tới việc thu nhập dữ liệu đó để trợ giúp điều khiển sản xuất và lưu trữ trong nhà máy. Các công nghệ thu nhập dữ liệu máy tính hóa và giám sát quá trình bằng máy tính đang là phương tiện được đánh giá cao trong hoạt động sản xuất phân xưởng hiện nay. Mục đích của tích hợp CAD/CAM là hệ thống hóa dòng thông tin từ khi bắt đầu thiết kế sản phẩm tới khi hoàn thành quá trình sản xuất. Chuỗi các bước được tiến hành với việc tạo dữ liệu hình học, tiếp tục với việc lưu trữ và xử lý bổ sung, và kết thúc với việc chuyển các dữ liệu này thành thông tin điều khiển cho quá trình gia công, di chuyển nguyên vật liệu và kiểm tra tự động được gọi là kỹ thuật trợ giúp bởi máy tính CAE (Computer Aided Engineering) và được coi như kết quả của việc kết nối CAD và CAM. Hiện nay có rất nhiều phần mềm về thiết kế công nghệ CAD/CAM như Mastercam, Catia, Topsolid, Solicam, Delcam, Surfcam, Pro/Engineer…Mỗi phần mềm đều có những ưu điểm riêng, tuỳ theo mức độ và mục đích ứng dụng, điều kiện máy gia công thực tế tại nhà máy sản xuất mà ta ứng dụng phần mềm nào sao cho có hiệu quả cao nhất. Trong giới hạn của đề tài tác giả sử dụng phần mềm Mastercam để nghiên cứu và tính toán bù sai số gia công. Mastercam là một phần mềm chuyên dùng để thiết kế và lập quy trình công nghệ (Lập trình tự động) gia công trên các trung tâm gia công Phay, Tiện và Cắt dây. Cơ sở dữ liệu về CAM trong lập trình được viết dưới dạng tham số và được tích hợp nhiều dạng đường toolpath cho gia công nhiều biên dạng phức tạp đặc biệt là có thể hiệu chỉnh và bù sai số gia công Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 3.2. Thực nghiệm gia công trên máy VMC 85S 3.2.1. Thiết kế CAD/CAM 3.2.1.1. Biên dạng và kích thước gia công Để xác định được sai số gia công phân bố theo quy luật chuẩn phải tiến hành làm nhiều thí nghiệm với các chế độ cắt khác nhau và xác định sai số tổng hợp từ đó đưa ra được chương trình bù sai số phù hợp. Để thuận lợi cho việc xác định sai số gia công khi đo trên máy đo toạ độ CMM tác giả chọn biên dạng gia công thực nghiệm là các hốc tròn có biên dạng và kích thước cơ bản như sau: Hình 3.4. Biên dạng gia công thực Quá trình thực nghiệm gia công 22 mẫu với các chế độ cắt khác nhau, mỗi chế độ gia công 03 mẫu nhằm xác định các sai số tổng hợp và nhỏ nhất. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 3.2.1.2. Lập trình nguyên công Khai báo phôi gia công - Vào Jop setup để khai báo phôi; - Click Post processor để chọn hệ điều hành phù hợp với hệ điều hành của máy gia công là Fanuc hoặc chọn theo mã chuẩn ISO; - Nhập kích thước để tạo phôi gia công hoặc click Bounding box để khai báo phôi; - Expand: Nhập các khoảng cách thừa của phôi so với chi tiết. Hình 3.5. Khai báo phôi, vật liệu, hệ điều khiển Thiết lập các tham số công nghệ Sau khi tính toán chế độ cắt ta nhập số vòng quay trục: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 Hình 3.6. Thiết lập các thông số công nghệ Tốc độ vòng quay trục chính Tốc độ ăn dao theo phương X, Y mm/phút Tốc độ ăn dao theo phương Z mm/phút Tốc độ rút dao lên theo phương Z mm/phút Chiều sâu cắt tổng cộng Thiết lập chiều sâu cắt theo mỗi lần ăn dao Bước ăn dao (Tính theo % đường kính dao) Thiết lập đường chạy dao Toolpath Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 Chọn đường Toolpath là đường xoắn ốc như hình vẽ với bước ăn dao ap được chọn thay đổi theo bảng 3.1 Đường chạy dao ăn từ trong ra ngoài Mô phỏng, kiểm tra và xuất chương trình NC Sau khi đã thiết lập các thông số công nghệ ta tiến hành mô phỏng quá trình phay trên máy tính nhằm phát hiện và sửa chữa các sai sót về công nghệ, sau khi đã kiểm tra và hiệu chỉnh đạt yêu cầu ta thực hiện xuất chương trình NC Hình 3.7. Mô phỏng chương trình gia công Lựa chọn tất cả các file Xác nhận lại các thuộc tính sửa chữa Mô phỏng dạng 2D Mô phỏng dạng 3D Xuất dữ liệu file NC code Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 Chương trình NC nguyên thuỷ % O0001 (PROGRAM NAME - Gia cong 2D) (DATE=DD-MM-YY - 02-05-08 TIME=HH:MM - 16:09) N100G21 N102G0G17G40G49G80G90 (TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - 8.) N104T1M6 N106G0G90G54X.5Y0.A0.S2500M3 N108G43H1Z50. N110Z10. N112G1Z-1.667F150. N114G3X-2.5R1.5F200. N116X4.5R3.5 N118X-1.906Y5.425R5.5 N120X1.906Y-5.425R5.75 N122X5.75Y0.R5.75 N124X-1.906Y5.425R5.75 N126G1X.5Y0. N128Z-3.333F150. N130G3X-2.5R1.5F200. N132X4.5R3.5 N134X-1.906Y5.425R5.5 N136X1.906Y-5.425R5.75 N138X5.75Y0.R5.75 N140X-1.906Y5.425R5.75 N142G1X.5Y0. N144Z-5.F150. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 N146G3X-2.5R1.5F200. N148X4.5R3.5 N150X-1.906Y5.425R5.5 N152X1.906Y-5.425R5.75 N154X5.75Y0.R5.75 N156X-1.906Y5.425R5.75 N158G0Z50. N160X6.Y0. N162Z10. N164G1Z-1.667F150. N166G3X-6.R6.F200. N168X6.R6. N170G1Z-3.333F150. N172G3X-6.R6.F200. N174X6.R6. N176G1Z-5.F150. N178G3X-6.R6.F200. N180X6.R6. N182G0Z50. N184M5 N186G91G28Z0. N188G28X0.Y0.A0. N190M30 % 3.2.2. Truyền chương trình sang máy CNC Với máy VMC-85S có hệ điều khiển là Fanuc OMD chương trình được truyền qua cổng RS232 và có thể dùng phần mềm DNC Server để truyền và nhận chương trình, phần mềm có giao diện như 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 56 Hình 3.8. Giao diện DNC Thiết lập tham số truyền Để máy có thể nhận được tín hiệu truyền DNC cần phải thiết lập các tham số của máy và phần mềm tương thích nhau và nối cáp truyền đúng theo sơ đồ các tham số đó. Hình 3.9. Các tham số 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 57 Hình 3.10. Truyền và nhận chương trình - Settings → Machine : Cài đặt máy; - Settings → Communication: để thiết lập các tham số; 3.2.3. Điều chỉnh máy Khi đã truyền và nhận chương trình từ máy tính, để có thể gia công được cần hiệu chỉnh và thiết lập các tham số của máy gia công CNC. 3.2.3.1. Thiết lập gốc toạ độ phôi Gốc toạ độ của chương trình thiết kế trên máy tính và gốc của phôi khi khai báo phải thống nhất, để khai báo chính xác cần lập trình cho dao chạy không và điều khiển bằng tay để di chuyển dao chạm phôi, sử dụng hàm G54 trong chức năng này. 3.2.3.2. Thiết lập các tham số bù dao - Bù đường kính dao: Khi thiết kế công nghệ CAD/CAM có thể tuỳ chọn chức năng bù tự động hoặc bù theo giá trị trực tiếp trên hệ điều khiển và nhập giá trị vào tham số bù; - Bù chiều dài dao: Trong quá trình gia công phải dùng nhiều dao có chiều dài khác nhau trong một chương trình, Với hệ điều khiển Fanuc OMD của Trung tâm gia công VMC - 85S thì luôn chọn dao thứ nhất làm chuẩn và mặc định có chiều dài = 0, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 các dao sử dụng nguyên công sau được so sánh với dao thứ nhất và cũng được nhập giá trị l vào bảng tham số của máy. 3.2.3.3. Gia công cắt gọt Sau khi đã gá đặt, thiết lập gốc toạ độ, thiết lập các chức năng bù dao ta tiến hành gia công sản phẩm với các mẫu và chế độ cắt như bảng 3.1: Stt Kích thước gia công (mm) Chế độ cắt dao thép gió 8 Bước ăn dao ap (% Dao) F (mm/phút) n (vg/phút) t (mm) 1 20 200 2500 -2 50 2 20 220 2500 -2 50 3 20 220 2800 -2 50 4 15 220 2800 -2 50 5 15 250 2800 -2 50 6 15 300 3000 -2 50 7 22 340 3000 -2 50 8 22 360 3000 -2 50 9 22 400 3000 -2 30 10 22 450 3000 -2 15 11 18 450 3200 -2 15 12 18 470 3500 -2 10 13 18 470 3500 -2 03 14 18 520 3500 -2 03 15 18 600 3500 -2 1.5 16 18 650 3500 -2 1.5 17 18 700 3500 -2 1.5 18 18 750 3500 -2 1.5 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 19 18 850 4000 -2 1.5 20 18 850 4500 -2 01 21 18 850 5000 -2 01 22 18 850 5000 -2 0.75 Bảng 3.1. Chế độ gia công 3.3. Đo sai số gia công trên máy CMM-C544 3.3.1. Gá đặt chi tiết: Chi tiết cần quét được cố định trên bản máy. Đặt bàn máp và vật đo lên bàn đo của máy CMM C544 sao cho các cạnh của bàn máp song song với các trục x, y của máy. 3.3.2.Khởi động và kiểm tra hệ thống Lắp đầu đo 1.5mm và nối cán đầu đo sao cho có đủ chiều sâu đo hết được biên dạng và bề mặt sản phẩm. - Bật máy nén khí, máy sấy khí; - Bật van khí nén, kiểm tra mức khí ở mức 0,4 MPa; - Khởi động máy tính, Khởi động chương trình MCOSMOS24 ; - Nhấn phím START trên joystick. Hình 3.11. Phần mềm GEOPAK - Đặt tên cho chương trình đo trong phần chương trình part manager; - Nhấn vào nút CMM learn mode; Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 3.3.3.Hiệu chuẩn đầu đo Độ chính xác khi đo phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ phòng và độ chính xác của đầu đo, do vậy trước khi đo ta phải hiệu chuẩn lại đầu đo. Sử dụng quả cầu hiệu chuẩn MasterBall được lắp trên bàn máy để hiệu chuẩn, ta phải đo quả cầu MB này trên 6 điểm bất kì. Sau khi đo quả cầu có đường kính 19.9956mm Khi khởi động CT GEOPAK, sẽ xuất hiện hộp thoại Start up Wizard Click vào nút exit and Calibrate Hình 3.12. Hiệu chuẩn đầu đo Ta có thể hiệu chuẩn lại một đầu cũ, hoặc hiệu chuẩn một đầu mới. Click vào nút Calibrate. Tiến hành dịch chuyển đầu đo bằng joystick (Một thiết bị để dịch chuyển máy bằng tay). Khi tiến hành đo MB ta nhấn vào nút MEAS trên joystick và chạm 6 điểm bất kỳ trên MB. Sau khi đo 6 điểm trên MB máy sẽ báo kết quả được hiệu chuẩn của đầu đo. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 Hình 3.13. Đo sai số thực nghiệm 3.3.4. Lập hệ toạ độ của chương trình đo Tiến hành đo một điểm để chọn làm gốc toạ độ, ta click nút Element Point sau đó tiến hành đo 1 điểm. Tiến hành đo một mặt phẳng để chọn mặt phẳng đó làm mặt phẳng chuẩn Oxy. Sau khi đã có một điểm và một mặt phảng, ta tiến hành lập hệ toạ độ bằng chọn menu Co-or sys. Click Align plane… để chọn mặt phẳng đã đo làm mặt phẳng chuẩn Oxy Create origin… để chọn 1 điểm làm gốc toạ độ Lúc này ta đã có một hệ toạ độ cho chi tiết cần đo vẫn giữ nguyên trục x, y, z theo toạ độ máy. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 3.3.5. Scan biên dạng thực Với biên dạng thí nghiệm là hốc trụ tròn, để đơn giản trong xử lý dữ liệu đo và bù sai số gia công, đề tài giới hạn trong việc scan biên dạng hốc trên một mặt phẳng. Hình 3.14. Thiết lập các thông số đo Nhấn vào Menu CMM/ Patch Scanning Generator, chọn nút contour , chọn biên dạng bao ngoài đã được quét. Chọn hướng quét là hướng nằm trên mặt phảng XZ, với chiều sâu trục Z là -5mm. Các thông số về khoảng cách bước là 0,2mm. Sau đó thoát khỏi chương trình. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 Hình 3.15. Dữ liệu đám mây điểm Chạy lại phần CMM Learn Mode, chọn relearn, nhấn OK. Ta nhấn nút chạy chương trình con . Khi đó máy đo sẽ tự động quét hết biên dạng và cho dữ liệu đám mây điểm như hình 3.15. Sau khi quét xong, toàn bộ phần bề mặt được quét được hiển thị ở dạng đám mây điểm. Ta tiến hành xuất dữ liệu thành File dwg, gws, iges, dxf, stl... Để được các định dạng khác nhau. 3.4. Cơ sở dữ liệu scan bề mặt 3.4.1. Mô hình mặt lưới quét hình Mặt quét hình được định nghĩa bởi quỹ đạo quét hình đường mặt cắt (đường tạo hình) dọc theo đường định hình (đường dẫn hướng), tác giả sử dụng các loại mặt lưới quét hình sau: Mặt lưới quét hình song song. Xét đường cong tham số g(u) và d(v) (Hình 3.16). Nếu coi 2 đường cong 3D này là sợi dây cứng ta có thể tưởng tượng mặt cong quét hình song song như mặt cong xác định bởi quĩ đạo quét hình đường mặt cắt g(u) dọc đường dẫn d(v): Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 r(u,v) = g(u) + d(v) - d(0) : 0 ≤ u,v ≤ 1 (3.1) trong đó: d(0) là điểm đầu của đường cong dẫn hướng. Có thể mở rộng ý tưởng quét hình cho trường hợp đường cong tham số định nghĩa bởi đỉnh điều khiển Bezier và B-spline. Đối với trường hợp Bezier bậc 3 có thể di chuyển các đỉnh điều khiển V0, V1, V2 , V3 dọc theo 4 đường dẫn hướng d0(v), d1(v), d2(v), d3(v). Như vậy mặt cong kết quả được biểu diễn như sau Hình 3.16. Mặt quét hình song song (3.2) Khi đường mặt cắt là đường cong cônic và đường dẫn hướng là đường bậc 3 thì mặt cong quét hình được gọi là mặt cong đa cônic, được sử dụng để thiết lập mặt cong kết nối biên. Mặt lưới quét hình tròn xoay. Đây là dạng mặt cong được sử dụng tương đối phổ biến. Xét đường mặt cắt s(u) trên mặt phẳng x-z (Hình 3.17a): s(u) = d(u)i - z(u)k = (d(u), 0, z(u)) (3.3) trong đó: i = (1, 0, 0) và k = (0, 0, 1). Phương trình tham số mặt cong quét hình được định nghĩa bởi phép xoay tròn đường mặt cắt (3.3) quanh trục z (Hình 3.17b) có dạng như sau: r(u,θ) = (d(u)cosθ, d(u)sinθ, z(u)) = d(u)cosθ.i + d(u)sinθ.j + z(u).k (3.4) trong đó: d(u), z(u) là đường mặt cắt (3.3). Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 Hình 3.17. Mặt quét hình tròn xoay Mặt quét hình phi tham số. Ta đã biết rằng mặt cong tham số r(u,v) suy biến thành mặt cong phi tham số khi x(u,v) ≡ u và y(u,v) ≡ v: r(u,v) = {x(u,v), y(u,v), z(u,v)} ≡ {u,v,z(u,v)} ≡ (x,y,z(x,y)) (3.5) Thực tế phương trình này tương đương với z = z(x,y). Xét trường hợp mặt cong quét hình song song z = z(x,y) (Hình 3.5c) được tạo bởi đường mặt cắt z = g(x) và đường dẫn hướng z = d(y) (Hình 3.18a,b): z = g(x), x [x0, x1] z = d(y), y [y0, y1] Hình 3.18. Mặt cong quét hình phi tham số Theo định nghĩa mặt cong quét hình song song (3.1) mặt cong quét hình tham số được xác định như sau: z(x,y) = g(x) + d(y) - d(0) với x0 ≤ x ≤ x1 ; y0 ≤ y ≤ y1 (3.6) Có thể trình bày lại phương trình (3.6) dưới dạng chuẩn: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 f(x,y,z) ≡ -g(x) - d(y) + z +d(0) = 0 Từ đó có thể xác định vectơ pháp tuyến N của mặt cong quét hình (3.6) như sau: (3.7) 3.4.2. Mô hình mặt lưới đa thức tham số Mô hình này được sử dụng chủ yếu trong mô hình hoá mặt cong phức hợp từ ma trận điểm, trong đó mô hình Ferguson, Bezier và B-spline được sử dụng phổ biến nhất. Một cách tổng quát có 5 dạng mô hình mặt lưới đa thức tham số bậc 3 sử dụng phổ biến trong mô hình hoá mặt cong từ dữ liệu điểm 3D tương ứng với các mô hình đường cong đã khảo sát: a. Đường đa thức chuẩn tắc : r(u) = U A b. Đường Ferguson : r(u) = U C S c. Đường Bezier : r(u) = U M R d. Đường B-spline : r(u) = U N R e. Đường cong B-spline không đều : r(u) = U Nc R 3.4.2.1. Mô hình mặt lưới đa thức chuẩn tắc Mặt lưới đa thức chuẩn tắc bậc 3 kép được định nghĩa như sau (3.10 a) hay dưới dạng ma trận: r(u,v) = U D VT (3.10b) trong đó: r(u,v) là đa thức vectơ bậc 3 trên miền tham số (u,v). Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 Khi đơn giản hoá lưới có thể sử dụng mô hình này để thiết lập mặt cong trơn láng nội suy qua (4x4) dãy điểm 3D {Pij ; i =0,...,3; j = 0,...,3} (Hình 3.8): Đặt giá trị tham số tại các điểm góc lưới: P00 : u = v = 0, P03 : u = 0 , v = 1, P30 : u = 1 , v = 0, P33 : u = 1 , v = 1 Giá trị tham số tại các điểm khác lấy theo chiều dài cát tuyến: Hình 3.19. Mặt lưới đa thức chuẩn bậc 3 Ví dụ tại điểm P11: Ta có thể tăng bậc của mặt lưới đến giá trị (mxn) sao cho mặt lưới nội suy qua (m+1) x (n+1) điểm. Mô hình này nói chung khó duy trì tính liên tục trên các đường biên khi mặt lưới có dạng phức tạp và mặt lưới có xu hướng dao động khi bậc của đa thức tăng. 3.4.2.2. Mô hình mặt lưới Ferguson. Ta có thể sử dụng mặt lưới trên một cách tiện dụng hơn bằng cách thiết lập mặt lưới nội suy qua 4 điểm góc {Pij : i, j = 0,1} (Hình 3.9). Trong biểu thức (3.10) có 16 hệ số chưa biết nên cần xác định 16 hệ thức ràng buộc. Điều kiện ràng buộc liên quan đến các điểm góc bao gồm: r(i,j) = Pij : i,j = 0,1 (3.11) Điều kiện biên tại 4 điểm góc lưới Pij : -Vectơ tiếp tuyến theo phương u: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 -Vectơ tiếp tuyến theo phương v: - Vectơ xoắn tại Pij: (3.12) Hình 3.20. Mặt lưới Ferguson Bằng cách giải 16 phương trình (3.11) và (3.12) ta xác định được các hệ số dij. Có thể biến đổi phương trình (3.10) thành phương trình Ferguson: r(u,v) = U D V T = U C Q C T V T , 0 ≤ u,v ≤ 1 (3.13) Trong đó: C: Ma trận hệ số Ferguson Ta cũng thấy rằng phương trình đường cong Ferguson thực ra là hàm kết nối điều kiện biên bởi hàm Hermite bậc 3 và do vậy ta có thể thiết lập mặt cong r(u,v) như là hàm kết nối đường biên và tiếp tuyến biên ngang bởi hàm Hermite bậc 3 như sau: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 Kết quả nhận được là phương trình mặt cong Ferguson (3.13) và cũng đạt được kết quả tương tự nếu bắt đầu với các đường biên v = 0,1. Mặt khác nếu mặt cong được xác định hoàn toán bởi điều kiện góc (P, s, t, x) thì được gọi là mặt cong tích tenxơ. Mặt cong tích Tenxơ có cấu hình chữ nhật đối xứng (theo u và v) và có tính chất quan trong nêu trên. 3.4.2.3. Mô hình mặt lưới Bezier. Hãy xét dãy (4x4) đỉnh điều khiển {Vij} (Hình 3.21). Bằng cách kết nối các đỉnh điều khiển bởi đa thức Bernstein mặt lưới Bezier bậc 3 kép được định nghĩa như sau: (3.14) Hình 3.21 - Mặt lưới Bezier bậc 3 kép Có thể phát triển mô hình mặt lưới Bezier bậc 3 kép tới bậc (m x n): Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 (3.15) Một số phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp sử dụng giá trị: m = n = 5 hoặc m = n = 7. Khi m = n = 5 ta cần 36 đỉnh điều khiển để thiết lập mô hình mặt lưới Bezier bậc 5 kép. 3.4.2.4. Mô hình mặt lưới B-spline đều. Tương tự như mặt lưới Bezier bậc 3 kép, mặt lưới B-spline đều bậc 3 kép được định nghĩa là mặt cong tích Tenxơ các đường cong B-spline đều: Ta cũng có thể lập mặt lưới B-spline đều với thứ bậc khác nhau theo phương u và v riêng biệt. Hình 3.22 - Mặt lưới B-spline đều bậc 3 kép 3.5. Xử lý dữ liệu đo Đây là giai đoạn quan trọng trong qui trình công nghệ vì nó quyết định đến độ chính xác của biên dạng và bề mặt cần đo. Xây dựng bề mặt là tạo ra các bề mặt, biên dạng trơn từ các đám mây điểm, xây dựng bề mặt từ đám mây điểm gồm các bước sau: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 3.5.1. Xây dựng lưới tam giác Gregory từ các đám mây điểm Ta khảo sát vấn đề thiết lập mặt lưới tam giác từ 3 đường biên ei(si) và tiếp tuyến biên ngang ti(si) (Hình 3.23) bằng cách áp dụng phép nội suy cho từng đường biên. Khi xác định phương trình tham số đường biên và tiếp tuyến biên ngang của mặt cong cho trước là 1/8 mặt cầu đơn vị (Hình 3.23) Có thể tham số hoá cung tròn trên mặt phẳng x-y như sau: x = cosθ ; y = sinθ Từ đó phương trình các đường biên có dạng: e1(s1)=(0,cos(s1π/2),sin(s1π/2)): 0≤s1≤1 e2(s2)=( sin(s2π/2),0,cos(s2π/2)): 0≤s2≤1 e3(s3)=( cos(s1π/2),sin(s1π/2),0): 0≤s3≤1 Hình 3.23. Dữ liệu biên của mặt cong tam giác Vì tiếp tuyến biên ngang song song với trục toạ độ nên ta có thể biểu diễn chúng như sau: t1 = (π/2, 0, 0); t2 = (0, π/2, 0); t3 = (0, 0, π/2) Để thiết lập mặt cong trơn láng từ dữ liệu biên (Hình 3.23) cần xác định giới hạn tham số cho miền tam giác. Xét tam giác đều V1 , V2 , V3 đặt λi là khoảng cách vuông góc từ điểm V trong tam giác đến cạnh đối diện đỉnh Vi (Hình 3.24a): V = (λ1, λ2, λ3) Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 72 Hình 3.24 - Mặt cong Gregory tam giác Như vậy λi tạo nên toạ độ trọng tâm của miền tam giác. Ta có thể xác định tham số si của đường biên theo λi s1=λ3(λ2+λ3) s2=λ1(λ3+λ1) s3=λ2(λ1+λ2) Từ đó có thể xác định hàm nội suy tuyến tính Taylor ri(si, λi) theo đường biên ei(si) và tiếp tuyến biên ngang ti(si): ri(si, λi) = ei(si) + λiti(si) i = 1, 2, 3 (3.8) Cuối cùng mặt lưới Gregory tam giác giới hạn bởi 3 đường biên (Hình 3.24b) được thiết lập như phép kết nối lồi 3 mặt cong nội suy tuyến tính Taylor: (3.9) trong đó : V(λ1, λ2, λ3) : Toạ độ trọng tâm, si : tham số đường cong Giải thuật thiết lập mặt cong theo (3.9) được gọi là phép kết nối lồi vì mặt cong kết quả nội suy từ miền lồi giới hạn bởi 3 đường biên. Ta có thể mở rộng phương pháp này để thiết lập mặt cong giới hạn mởi n đường biên; ngoài ra cũng có thể thiết lập mặt cong n cạnh theo giải thuật mặt Coons. Giải thuật Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73 này còn được gọi là phép cong Lôgic. Theo đó mặt lưới kết quả được biểu diễn như tổng Lôgic của các mặt cong thành phần: r(u,v) = r1(u,v) + r2(u,v) = r1(u,v) + r2(u,v) - r3(u,v) trong đó r3(u,v) là phần giao của r1(u,v) và r2(u,v). 3.5.2. Xây dựng lưới điểm theo mặt B-spline Để xây dựng lưới tam giác từ các đám mây điểm theo mặt B-spline phải sử dụng phần mềm chuyên dùng, với đề tài này tác giả sử dụng phần mềm Geomagic Studio để thiết lập nối các điểm cạnh nhau để tạo thành các hình tam giác. Tùy vào mức độ chính xác quét mà mật độ các đám mây điểm sẽ khác nhau. Những phần gấp khúc, lồi lõm hay những phần giao nhau của các bề mặt phải chọn mật độ điểm dày hơn, những mặt trơn thì có mật độ điểm thưa hơn. Với biên dạng thí nghiệm là hốc tròn đều, tác giả chọn dải đo có giá trị là 0.5mm, các điểm đo được nối với nhau theo đường B-Spline như hình 3.25. Mô hình toán học của đường cong B-spline là phương trình đại số. Xét 4 đỉnh điều khiển V0,...,V3 và các điểm M0, M1, P0, P1 với tính chất như Hình 3.25. Hình 3.25 - Đường cong B-spline đều bậc 3 M0 là điểm giữa của đoạn thẳng V0V2 : M0= (V0+V2)/2 M1 là điểm giữa của đoạn thẳng V1V3 : M1= (V1+V3)/2 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 P0 là điểm 1/3 của đoạn thẳng V1M0 : P0= (2V1+M0)/3 P1 là điểm 1/3 của đoạn thẳng V2M1 : P1= (2V2+M1)/3 Cần thiết lập đường cong bậc 3 r(u) thoả điều kiện: 1. Đường cong bắt đầu từ điểm P0 và kết thúc tại điểm P1, 2. Vectơ tiếp tuyến tại điểm P0 có giá trị bằng (M0-V0), 3. Vectơ tiếp tuyến tại điểm P1 có giá trị bằng (M1-V1). Như vậy ta có thể biểu diễn điểm biên P0, P1 và tiếp tuyến t0, t1 theo đỉnh điều khiển như sau: P0 ≡ r(0) = [4V1+(V0+V2) ]/6 (3.12a) P1 ≡ r(1) = [4V2+(V1+V3) ]/6 (3.12b) t0 ≡ r& (0) = (V2 - V0) /2 (3.12c) t1 ≡ r& (0) = (V3 - V1) /2 (3.12d) hay dưới dạng ma trận Thay kết quả trên vào phương trình đường cong Ferguson (3.5) để đạt được phương trình đường cong B-spline đều bậc 3 biểu diễn bởi ma trận hệ số B-Spline đều N và vectơ đỉnh điều khiển R: r(u) = U C S = U C (K R) = U (C K) R = U N R với 0 ≤ u ≤1 trong đó: C là ma trận Ferguson Tương tự như đường cong Bezier ta có thể biểu diễn đường cong B-spline đều bậc 3 bởi hàm kết nối B-spline đều N3 (u) i : (3.10) Trong đó Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 75 3.5.3. Đơn giản hoá lưới tam giác. Ở bước này thường áp dụng cho các bề mặt phức tạp có nhiều vùng đo và đải đo khác nhau, ở khu vực bề mặt trơn nên giảm số lượng tam giác không cần thiết và tối ưu hoá vị trí các đỉnh. Sau đó nối các cạnh của mỗi tam giác trong lưới sao cho các điểm hình học không thay đổi. Sau khi đơn giản hoá bề mặt vật thể sẽ trơn hơn và có độ phân giải thấp hơn nhưng không làm thay đổi vị trí và hình dáng của vật thể. Biên dạng thí nghiệm do đã chọn dải đo lớn vì vậy khi xây dựng lưới tam giác các điểm đo đã được tối ưu và không cần phải chia lưới tam giác. 3.6. Xây dựng đường tròn theo biên dạng đo Từ kết quả sử lý dữ liệu mây điểm như trên đường cong thực nghiệm được xác định theo toạ độ tâm và bán kính khi đi qua 3 điểm và n điểm 3.6.1. Toạ độ tâm và bán kính của đường tròn qua 3 điểm đo trong mặt phẳng Giả sử xác định toạ độ của ba điểm trên đường tròn là A(x1,y1), B(x2,y2), C(x3,y3) trong mặt phẳng Oxy. Ta biết rằng qua ba điểm luôn xác định được duy nhất một đường tròn. Toạ độ tâm I(x0,y0) và bán kính R (đường kính: D = 2R) của đường tròn đó được xác định như sau: Giả sử toạ độ tâm I của đường tròn là (x0, y0), qua hai điểm O và A, bán kính R của đường tròn được xác định bằng phương trình: 2 01 2 01 yyxxR (*) Tương tự, qua hai điểm O và B, O và C ta cũng xác định được bán kính đường tròn: 2 02 2 02 yyxxR 2 03 2 03 yyxxR Ta có hệ ba phương trình sau: Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 76 2 03 2 03 2 02 2 02 2 01 2 01 yyxxR yyxxR yyxxR Giải hệ phương trình trên ta được hai phương trình bậc nhất hai ẩn sau: ) ()()(2)(2 )()()(2)(2 2 3 2 3 2 1 2 1031031 2 2 2 2 2 1 2 1021021 yxyxyyyxxx yxyxyyyxxx Để cho gọn ta đặt: )()( )(2 )(2 )()( )(2 )(2 2 31 2 3 2 1 2 12 312 312 2 21 2 2 2 1 2 11 211 211 yxyxc yyb xxa yxyxc yyb xxa Thì hệ phương trình trên có thể viết gọn lại như sau : 20202 10101 cybxa cybxa Nghiệm của hệ phương trình này chính là toạ độ tâm I của đường tròn cần tìm : 1221 1221 0 1221 2112 0 baba caca y baba cbcb x Hay : 21313121 2 2 2 2 2 1 2 131 2 3 2 3 2 1 2 131 0 21313121 2 3 2 3 2 1 2 121 2 2 2 2 2 1 2 131 0 2 2 yyxxyyxx yxyxxxyxyxxx y yyxxyyxx yxyxyyyxyxyy x Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 77 3.6.21. Toạ độ tâm và bán kính của đường tròn qua n điểm đo trong mặt phẳng Giả sử ta biết toạ độ các điểm đo Ai(xi,yi,zi) với ni ,1 và toạ độ điểm tâm I(x0,y0), ta luôn xác định được bán kính của đường tròn tại mỗi điểm đo như sau: 2 0 2 0 yyxxR iii (*) Nếu có toạ độ của n điểm, ta sẽ xác định được bán kính trung bình của đường tròn đó: n i iTB R n R 1 1 (**) Như vậy, bán kính từng điểm trên đường tròn sẽ sai lệch so với bán kính trung bình một giá trị: n i iiTBii R n RRRR 1 1 (***) Thay giá trị x0 , y0 vào (*) ta được bán kính R (đường kính D) của đường tròn cần đo. Dựa trên thuật toán vừa trình bày, máy CMM cho kế t quả đo mẫu thí nghiệm như sau: Bảng 3.2. Kết quả gia công Stt K.thước gia công (mm) Chế độ cắt Bước ăn dao ap (% Dao) Kích thước sau gia công (mm) Sai số gia công (mm) F (mm/phút) n (vg/phút) t (mm) 1 20 200 2500 -2 50 20.0655 0.0655 2 20 220 2500 -2 50 20.0846 0.0846 3 20 220 2800 -2 50 20.0663 0.0663 4 15 220 2800 -2 50 15.0713 0.0713 5 15 250 2800 -2 50 15.0591 0.0591 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 78 6 15 300 3000 -2 50 22.5566 0.5566 7 22 340 3000 -2 50 22.5577 0.5577 8 22 360 3000 -2 50 22.5554 0.5554 9 22 400 3000 -2 30 22.5524 0.5524 10 22 450 3000 -2 15 22.5409 0.5409 11 18 450 3200 -2 15 18.0275 0.0275 12 18 470 3500 -2 10 18.0226 1.0226 13 18 470 3500 -2 03 17.9749 -0.0251 14 18 520 3500 -2 03 17.9703 -0.0297 15 18 600 3500 -2 1.5 17.9613 -0.0387 16 18 650 3500 -2 1.5 17.9477 -0.0523 17 18 700 3500 -2 1.5 17.9266 -0.0734 18 18 750 3500 -2 1.5 17.8830 -0.117 19 18 850 4000 -2 1.5 17.9485 -0.0515 20 18 850 4500 -2 01 17.9245 -0.0755 21 18 850 5000 -2 01 17.9070 -0.093 22 18 850 5000 -2 0.75 17.8870 -0.113 Sau khi đã chuyển sang định dạng Iges, dùng phần mềm Mastercam để xử lý dữ liệu và tạo thành bề mặt biên dạng đo. Trong đề tài tác giả đo và xây dựng biên dạng trên mặt phẳng và xác định sai số gia công, kết quả đo biên dạng và xác định sai số so với đường kính thí nghiệm được cho theo bảng 3.2 3.7. Bù sai số gia công 3.7.1. Phân tích sai số gia công Từ kết quả đo và xác định sai số theo bảng 3.2, các sai số gia công trên máy VMC-85S gồm sai số về kích thước, hình dạng hình học của biên dạng gia công cũng Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 79 có sai lệch so với biên dạng ban đầu. Nguyên nhân là do sai số tổng cộng của máy và hệ thống công nghệ. Các sai số hình dáng hình học: - Độ không phẳng của mặt phẳng; - Độ không trụ; - Độ không tròn; - Độ côn, độ lõm, độ trống. Các sai số vị trí tương quan: - Độ không vuông góc của bề mặt; - Độ không đồng tâm giữa hai mặt trụ; - Độ không đối xứng giữa hai bề mặt; - Độ không giao nhau giữa hai đường thẳng; - Độ đảo hướng kính của mặt trụ so với đường tâm; - Độ đảo mặt đầu so với đường tâm. Sai số về kích thước gia công Theo bảng 3.2 ta thấy khi gia công ở chế độ có vận tốc cắt thấp, bước cắt ap lớn thì sai số càng cao và có giá trị dương, còn khi gia công ở vận tốc cắt cao, bước cắt ap nhỏ thì sai số có xu hướng giảm và có giá trị âm. Như đồ thị hình 3.26 và 3.27 Hình 3.26. Ảnh hưởng của bước cắt ap ap (mm) Sai s?(µm) Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 80 Hình 3.27. Ảnh hưởng của vận