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

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 tốc cắt Điều này có thể lý giải, khi cắt ở vận tốc thấp với bước cắt lớn thì lực cắt và nhiệt cắt sinh ra lớn vì vậy làm cho vật liệu phôi gia công bị biến dạng nhiệt và biến dạng đàn hồi, khi đó sẽ gây sai số gia công lớn. Còn khi cắt ở vận tốc cắt cao nhưng bước ăn dao rất mỏng nhiệt cắt và lực cắt sẽ tác động chủ yếu vào phoi và thoát ra ngoài. Với vận tốc cắt và bước cắt hợp lý như khi cắt ở chế độ cắt với: S = 470 mm/phút, V= 87.92m/phút, t = 2 mm, ap = 0.24 mm thì sai số gia công là nhỏ nhất. Dựa vào kết quả này để làm thực nghiệm với 04 mẫu khác có cùng chế độ cắt như trên ta được kết quả sau Bảng 3.3. Tính toán bù sai số Stt Kích 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) V (m/phút) t (mm) 1 18 470 87.92 -2 03 (0.24) 17.9749 -0.0251 2 18 470 87.92 -2 03 (0.24) 17.9703 -0.0297 V (mm/ph) 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 81 3 20 470 87.92 -2 03 (0.24) 19.979 -0.021 4 22.5 470 87.92 -2 03 (0.24) 22.461 -0.039 5 22.5 470 87.92 -2 03 (0.24) 22.482 -0.018 6 Sai số tổng hợp -0.0265 3.7.2. Bù sai số gia công Như đã phân tích trong phần tổng quan về những công trình đã được công bố về lĩnh vực bù sai số gia công trên các máy CNC, mỗi đề tài đều có những ưu điểm và phạm vi ứng dụng trong từng điều kiện cụ thể. Ví dụ bù sai số gia công bằng phần mềm điều khiển Heidenhain iTNC530, tác giả lấy chỉ tiêu đánh giá và bù là sai số do độ chính xác chế tạo máy: Sai số vị trí như khe hở dọc trục của vitme bi, độ không song song của các sống dẫn hướng, sự dãn nở nhiệt, sự lệch của trục gá động cơ so với mặt phẳng dẫn hướng... Phương pháp này có phạm vi ứng dụng thấp vì còn có rất nhiều nguyên nhân khác gây ra sai số gia công và không thể ứng dụng được cho các hệ điều khiển khác. Một số đề tài khác đã nghiên cứu bù sai số gia công khi xét ảnh hưởng của lực cắt, nhiệt cắt, rung động, hay ảnh hưởng của chế độ cắt... tuy nhiên các phương pháp bù sai số này có phạm vi ứng dụng không lớn, tốn kém và khó ứng dụng trong những điều kiện gia công bất kỳ. Trong giới hạn nghiên cứu của đề tài tác giả sử dụng phương pháp bù trực tiếp trên phần mềm CAD/CAM, phương pháp này có ưu điểm là không xét đến nguyên nhân gây ra sai số cũng như độ phức tạp của biên dạng gia công. Các phần mềm CAD/CAM hiện nay như: Unigraphic, Topsolid, Hypercam, Mastercam có thể bù được sai số gia công với giá trị bất kỳ mà giá trị bù này có thể thay đổi theo sự thay đổi của chế độ cắt khi gia công các bề mặt phức tạp. Để có thể tạo ra chương trình bù và viết lại chương trình NC mà biên dạng và bề mặt thiết kế không thay đổi, thì trong cơ sở dữ liệu của đồ hoạ phần mềm phải tính toán và giải rất nhiều bài toán về biến đổi tham số hình học. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 82 3.7.3. Bù chương trình NC bằng phần mềm CAD/CAM Chiến lược bù được mô tả như sau: Biểu diễn contour bằng một chuỗi các điểm. Giữa contour thực (P) và contour thiết kế (P0) lệch nhau một khoảng ε gọi là sai số contour. Khi đó, chiến lược bù là: P*=P0 + ε. Hình 3.28: Chiến lược bù sai số Theo kết quả phân tích và tính toán sai số như trên ta có giá trị bù sai số tổng là - 0.0265 mm. Giá trị bù có thể âm hoặc dương tuỳ theo sai số gia công và có khả năng bù theo 3 trục đồng thời khi gia công bề mặt 3D phức tạp. Thiết lập chương trình NC đã bù sai số và so sánh với chương trình ban đầu như bảng sau: Chương trình NC Gốc Chương trình NC đã bù sai số % 00013 (PROGRAM - GIA CONG MAU) N100G21 N102G0G17G40G49G80G90 N104T1M6 % 00013 (PROGRAM NAME - BU SAI SO) N100G21 N102G0G17G40G49G80G90 N104T1M6 Vị trí được đo Vị trí được bù sai số Biên dạng gia công Biên dạng thiết kế Biên dạng bù lý thuyết Sai số P0 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 83 N106G0G90G54X.03Y0.S3500M3 N108G43H1Z30. N110Z5. N112G1Z-5.F150. N114G3X-.15R.09F470. N116X.27R.21 N118X-.39R.33 N120X.51R.45 N122X-.63R.57 N124X.75R.69 N126X-.87R.81 N128X.99R.93 N130X-1.11R1.05 N132X1.23R1.17 N134X-1.35R1.29 N136X1.47R1.41 N138X-1.59R1.53 N140X1.71R1.65 N142X-1.83R1.77 N144X1.95R1.89 N146X-2.07R2.01 N148X2.19R2.13 N150X-2.31R2.25 N152X2.43R2.37 N154X-2.55R2.49 N156X2.67R2.61 N158X-2.79R2.73 N160X2.91R2.85 N162X-3.03R2.97 N164X3.15R3.09 N166X-3.27R3.21 N168X3.39R3.33 N170X-3.51R3.45 N172X3.63R3.57 N174X-3.75R3.69 N176X3.87R3.81 N178X-3.99R3.93 N180X4.11R4.05 N182X-4.23R4.17 N184X4.35R4.29 N186X-4.47R4.41 N106G0G90G54X.03Y0.A0.S3500M3 N108G43H1Z30. N110Z5. N112G1Z-5.F150. N114G3X-.15R.09F470. N116X.27R.21 N118X-.39R.33 N120X.51R.45 N122X-.63R.57 N124X.75R.69 N126X-.87R.81 N128X.99R.93 N130X-1.11R1.05 N132X1.23R1.17 N134X-1.35R1.29 N136X1.47R1.41 N138X-1.59R1.53 N140X1.71R1.65 N142X-1.83R1.77 N144X1.95R1.89 N146X-2.07R2.01 N148X2.19R2.13 N150X-2.31R2.25 N152X2.43R2.37 N154X-2.55R2.49 N156X2.67R2.61 N158X-2.79R2.73 N160X2.91R2.85 N162X-3.03R2.97 N164X3.15R3.09 N166X-3.27R3.21 N168X3.39R3.33 N170X-3.51R3.45 N172X3.63R3.57 N174X-3.75R3.69 N176X3.87R3.81 N178X-3.99R3.93 N180X4.11R4.05 N182X-4.23R4.17 N184X4.35R4.29 N186X-4.47R4.41 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 84 N188X4.59R4.53 N190X-4.71R4.65 N192X4.83R4.77 N194X3.217Y3.63R4.89 N196X-3.217Y-3.63R4.85 N198X4.85Y0.R4.85 N200X3.217Y3.63R4.85 N202G0Z30. N204X5.Y0. N206Z5. N208G1Z-5.F150. N210G3X-5.R5.F470. N212X5.R5. N214G0Z30. N216M5 N218G91G28Z0. N220G28X0.Y0. N222M30 % N188X4.59R4.53 N190X-4.71R4.65 N192X4.83R4.77 N194X1.069Y4.758R4.89 N196X-1.069Y-4.758R4.877 N198X4.877Y0.R4.877 N200X1.069Y4.758R4.877 N202G0Z30. N204X5.027Y0. N206Z5. N208G1Z-5.F150. N210G3X-5.027R5.027F470. N212X5.027R5.027 N214G0Z30. N216M5 N218G91G28Z0. N220G28X0.Y0. N222M30 % Chương trình NC đã bù sai số được gia công kiểm nghiệm và đo sai số cho kết quả như bảng 3.4. * Gia công hốc 2D: Hình 3.29. Biên dạng gia công kiểm nghiệm Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 85 Bảng 3.4. Sai số sau bù Stt Kích 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) V (m/phút) t (mm) 1 20 470 87.92 -2 03 (0.24) 19.997 -0.003 2 20 470 87.92 -2 03 (0.24) 19.989 +0.011 3 20 470 87.92 -2 03 (0.24) 19.992 -0.008 4 Sai số tổng hợp -0.0073 Như vậy, bằng cách bù sai số như trên ta thấy rằng sai số tổng hợp đã giảm từ - 0.0265 đến -0.0073 hay nói cách khác độ chính xác của chi tiết gia công đã được cải thiện. 3.8. Sản phẩm ứng dụng Để kiểm chứng phương pháp bù sai số đã đề xuất và để kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩ thực tiễn, tác giả ứng dụng kết quả nghiên cứu để gia công chi tiết hình dáng hình học phức tạp sau: Hình 3.30. Sản phẩm 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 86 Khởi động chương trình CAM, lập trình gia công sản phẩm trong đó thiết lập tham số bù sai số như hình 3.21. Hình 3.31. Thiết lập các tham số bù Hình 3.32. Mô phỏng quá trình 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 87 Hình 3.33. Gia công sản phẩm trên máy VMC-85S Sau khi gia công xong ta tiến hành đo để kiểm tra độ chính xác của chi tiết gia công trên máy đo CMM. Kết quả đo được thể hiện như bảng 3.5. Bảng 3.5. Kết quả đo sai số gia công Stt Kích 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) V (m/phút) t (mm) L1 160 470 87.92 -2 03 (0.24) 159.992 -0.008 L2 80 470 87.92 -2 03 (0.24) 79.986 -0.014 L3 24 470 87.92 -2 03 (0.24) 23.987 -0.013 L4 25 470 87.92 -2 03 (0.24) 25.0015 +0.015 L5 30.57 470 87.92 -2 03 (0.24) 30.588 +0.018 L6 20.03 470 87.92 -2 03 (0.24) 20.004 -0.026 L7 200 470 87.92 -2 03 (0.24) 199.984 -0.016 L8 100 470 87.92 -2 03 (0.24) 100.025 +0.025 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 88 Như vậy, bằng cách xác định sai số tổng hợp mà không quan tâm đến nguyên nhân gây sai số cũng như sự phức tạp của biên dạng gia công, sau đó sử dụng kết quả đã tính toán để thiết lập giá trị bù trên phần mềm CAD/CAM và phần mềm sẽ tự động đưa ra một chương trình NC mới và thông qua các vị trí được bù sai số để gia công đã cho phép nâng cao được độ chính xác gia công chi tiết. Cách làm này đơn giản, ít tốn kém và đã đem lại hiệu quả nhất định trong việc nâng cao độ chính xác của các máy CNC trong nền công nghiệp hiện đại. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 Chương 4. KẾT LUẬN Trên cơ sở hệ thống thiết bị gồm: Máy đo 3 chiều CMM-C544, trung tâm gia công VMC-85S, phần mềm tích hợp CAD/CAM tại trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp và các tài liệu liên quan, được sự hướng dẫn tận tình 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 . Sau 6 tháng thực hiện đến nay đề tài đã hoàn thành và đã giải quyết được các về các vấn đề sau: - Nghiên cứu và khai thác tính năng công nghệ của máy CMM – C544 và trung tâm gia công VMC – 85S; - Ứng dụng công nghệ đo – Scanning để tạo mô hình CAD của sản phẩm và kiểm tra độ chính xác gia công; - Khai thác và ứng dụng được hệ thống thiết bị công nghệ cao tại nhà trường trong kỹ thuật đo và xác định sai số gia công trên các máy CNC; - Xây dựng thuật toán bù sai số bằng chương trình NC trên máy VMC-85S; - Phục vụ cho chương trình đào tạo, nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ trong nhà trường; - Ứng dụng vào thực tế sản xuất chế tạo và gia công khuôn mẫu có biên dạng và bề mặt phức tạp đạt độ chính xác cao; - Ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC trong gia công cơ khí chính xác. Với những kết quả có được như trên, đề tài đã hoàn thành và đạt mục tiêu đề ra. Tuy nhiên, bù sai số trên các trung tâm gia công CNC vẫn còn là vấn đề khá mới mẻ ở Việt Nam do đó các đề tài đã nghiên cứu và tài liệu tham khảo bằng tiếng Việt là rất ít ỏi. Mặt khác, do trình độ của tác giả còn hạn chế và thời gian thực hiện luận văn có hạn nên luận văn sẽ không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót. Cụ thể là nội dung nghiên cứu của đề tài mới chỉ tập trung nhiều vào thực nghiệm và ứng dụng mà chưa đưa ra được mô hình và thuật toán bù tổng quát. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 Trong tương lai, tác giả dự định sẽ tiếp tục phát triển luận văn này để Nghiên cứu nâng cao độ chính xác chế tạo khuôn mẫu trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật tái tạo ngược và bù sai số gia công. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp, để đề tài này được hoàn thiện hơn và có triển vọng phát triển trong tương lai. Xin trân trọng cảm ơn! Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Địch, Công nghệ gia công trên máy CNC, NXB KH và KT, 2000; [2] Tạ Duy Liêm, Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ, NXB KH và KT; [3] Bành Tiến Long, Nghiên cứu bù sai số vị trí bằng phần mềm điều khiển khi gia công phay CNC, Tạp chí Cơ khí Việt nam, 2007; [4] Chế độ cắt gia công cơ khí (NXB Đà Nẵng); [5] Dung sai lắp ghép (NXB Đà Nẵng); [6] Chana Raksiri, Geometric and Force errors compensation in a 3-axis CNC milling machine, International Journal of Machine tools & Manufacturing, 2004; [7] Handbook of Dimentional Measurement (Industrial press inc - 200 Madison Avenue, New york, N.Y. 10157) [8] Mahbubur Rahman, Modeling and Measurement of multi-axis machine tools to improve positioning accuracy in a software way , OULU 2004; [9] Mechanical Design Solutions 1,2,3. Catia V5R16 [10] Advanced Modelling for CAD/CAM System. (Heidelberg 1991) [11] Software Mastercam Version 9.0 [12] Shih-Ming Wang, A new efficient error compensation system for CNC multi-axis machines, International Journal of Machine tools & Manufacturing, 2002;