Nghiên cứu nâng cao độ chính xác gia công khi phay nắp động cơ trên trung tâm gia công VMC-650E bằng phương pháp bù sai số offline

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG KHI PHAY NẮP

ĐỘNG CƠ TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG PHAY VMC-650E BẰNG

PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ OFF-LINE

NGUYỄN ĐẮC TUẤN

THÁI NGUYÊN - 2010

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG KHI PHAY NẮP

ĐỘNG CƠ TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG PHAY VMC-650E BẰNG

PHƢƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ OFF-LINE

Học viên: Nguyễn Đắc Tuấn

Lớp: CHK11

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HD KHOA HỌC HỌC VIÊN

PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe Nguyễn Đắc Tuấn

THÁI NGUYÊN - 2010

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

CHƢƠNG 1: SAI SỐ GIA CÔNG VÀ CÁC NGUYÊN LÝ BÙ SAI SỐ GIA CÔNG

TRÊN MÁY CNC

Trang

1.1. Các thành phần sai số trên máy công cụ CNC 13

1.2. Độ chính xác gia công trên máy CNC 14

1.2.1. Độ chính xác của máy 14

1.2.2. Độ chính xác của hệ thống điều khiển 16

1.2.2.1. Sai số của bộ nội suy và chế độ nội suy 16

1.2.2.2. Sai số của phương pháp xấp xỉ 18

1.3. Các nguồn gây sai số 19

1.3.1. Sai số do gá đặt phôi 19

1.3.2. Sai số điều chỉnh dao 20

1.3.3. Sai số điều chỉnh máy 21

1.3.4. Sai số chế tạo dao 21

1.3.5. Sai số do dao mòn 22

1.3.6. Sai số hình học của các chi tiết máy 23

1.3.7. Sai số do sống trượt 25

1.3.8. Sai số do nhiệt 26

1.3.9. Sai số do vít me bi 26

1.3.10. Sai số do tải tĩnh và động 26

1.3.11. Sai số do hệ thống điều khiển servo 27

1.3.12. Sai số do rung động 27

1.3.13. Sai số do ổ đỡ 27

1.4. Nguyên lý bù sai số off-line 28

1.4.1. Mô hình bù 28

1.4.2. Thêm modunl phần mềm 30

1.4.3 Biến đổi các thông số điều khiển 30

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.4.4. Biến đổi Post processor(PP) 30

1.4.5. Biến đổi chương trình NC 30

1.4.6. Bù sai số với các bộ điều khiển 31

1.4.6.1. Thêm modunl phần mềm mới 32

1.4.6.2. Cài đặt bộ điều khiển phần cứng độc lập 32

1.5. Giới thiệu các công trình nghiên cứu bù sai số ở trong nước và trên thế giới:33

1.5.1. Các công trình bù sai số tổng hợp của các tác giả nước ngoài 33

1.5.2. Các công trình nghiên cứu bù sai số ở trong nước 34

CHƢƠNG 2: QUY TRÌNH BÙ SAI SỐ CHO MÁY PHAY VMC-650E 36

2.1. Quy trình bù 36

2.2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm 36

2.2.1. Phần mềm Mastercam X 36

2.2.1.1. Giao diện của phần mềm Mastercam X 36

2.2.1.2. Các dạng gia công cơ bản trên môdun phay 38

2.2.1.3. Các bước cần thực hiện để lập trình phay một chi tiết 38

2.2.2. Máy phay VMC-650E 41

2.2.3. Máy đo tọa độ 3 chiều CMM-C544 42

2.2.3.1. Cấu hình của máy 42

2.2.3.2. Tính năng kỹ thuật của máy 43

CHƢƠNG 3: GIA CÔNG THỰC NGHIỆM TRÊN MÁY PHAY VMC-650E VÀ ĐO

TẠO BỘ SỐ LIỆU TRÊN MÁY ĐO CMM-C544 45

3.1. Thực nghiệm trên trung tâm gia công VMC-650E 45

3.1.1. Bản vẽ chi tiết nắp động cơ 45

3.1.2. Lập trình nguyên công 46

3.1.3. Chuyển chương trình sang máy CNC 52

3.1.4. Điều chỉnh máy tiến hành gia công 54

3.2. Đo biên dạng và tạo bộ số liệu trên máy CMM-C544 55

3.2.1. Gá đặt chi tiết 55

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.2.2. Khởi động và kiểm tra hệ thống 55

3.2.3. Chọn đầu đo 56

3.2.4. Hiệu chuẩn đầu đo 56

3.2.5. Thiết lập hệ tọa độ của chương trình đo 56

3.2.6. Tiến hành đo và xây dựng bộ số liệu 56

3.3. Kết luận chương 3

CHƢƠNG 4: THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH TÂM VÀ BÁN KÍNH ĐƢỜNG TRÕN

4.1. Thuật toán xác định khoảng cách đường thẳng qua tọa độ 2 điểm đo 57

4.2. Thuật toán xác định đường tròn qua tọa độ 3 điểm đo 58

4.3. Thuật toán xác định đường tròn qua tọa độ nhiều điểm đo 59

CHƢƠNG 5: PHẦN MỀM TÍNH SAI SỐ ĐƢỜNG TRÒN BẰNG NGÔN NGỮ

LẬP TRÌNH C#

5.1. Xử lí số liệu đo trên máy đo CMM-C544 61

5.2. Viết chương trình thuật toán tính sai số đường tròn bằng ngôn ngữ lập trình C#

5.3. Hướng dẫn sử dụng phần mềm tính sai số đường tròn 68

5.4. Lưu đồ thuật toán và các đoạn mã chương trình bằng ngôn ngữ C# 69

CHƢƠNG 6: BÙ SAI SỐ KHI PHAY NẮP ĐỘNG CƠ 74

6.1. Cơ sở lý thuyết 74

6.2. Bảng số liệu 76

6.3. Bù sai số 83

6.4. Gia công chi tiết theo chương trình đã được bù 86

6.5. Kiểm tra sai số 87

KẾT LUẬN CHUNG 88

PHẦN PHỤ LỤC 89

- Phụ lục 1 89

- Phụ lục 2 96

- Tài liệu tham khảo 133

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ/ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Các thành phần sai số trên trung tâm gia công phay CNC 3 trục 13

Hình 1.2 Phân loại độ chính xác gia công 15

Hình 1.3 Sai số của bộ nội suy 17

Hình 1.4 Sai số của phương pháp xấp xỉ 18

Hình 1.5 Sự phân bố điểm cắt trên lưỡi dao 22

Hình 1.6 Sai số góc 23

Hình 1.7 Các thành phần sai số 24

Hình 1.8 Sai số độ không vuông góc giữa từng đôi trục 24

Hình 1.9 Hệ thống phản hồi của máy công cụ CNC 27

Hình 1.10 Bốn cách bù sai số cho máy công cụ CNC 29

Hình 1.11 Các thành phần của Post processcer 31

Hình 1.12 Các thành phần của bộ biến đổi chương trình NC 32

Hình 2.1 Quy trình bù sai số 36

Hình 2.2 Giao diện của phần mềm Mastercam X 37

Hình 2.3 Trung tâm gia công 3 trục VMC-650E 41

Hình 2.4 Máy đo tọa độ CMM-C544 43

Hình 3.1 Bản vẽ chi tiết nắp động cơ 45

Hình 3.2 Thiết kế biên dạng chi tiết trên phần mềm AutoCad 2004 46

Hình 3.3 Biên dạng nắp động cơ 47

Hình 3.4 Xác lập kích thước phôi 48

Hình 3.5 Chọn biên dạng gia công 49

Hình 3.6 Khai báo các thông số chế độ cắt 50

Hình 3.7 Chọn định dạng file để xuất chương trình 51

Hình 3.8 Lưu chương trình 51

Hình 3.9 Các thông số của bộ truyền dữ liệu 53

Hình 3.10 Giao diện của phần mềm truyền dữ liệu CNC Simulation 53

Hình 3.11 Gá đặt chi tiết gia công trên máy CMM để đo biên dạng 55

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 4.1 Tọa độ đường thẳng M1M2 57

Hình 5.1 Mô hình xây dựng một đường tròn qua 3 điểm đo 67

Hình 5.2 Giao diện của chương trình phần mềm 69

Hình 5.3 Lưu đồ thuật toán 1 70

Hình 5.4 Lưu đồ thuật toán 2 71

Hình 5.5 Lưu đồ thuật toán 3 72

Hình 5.6 Lưu đồ thuật toán 4 73

Hình 6.1 Phỏng đoán độ méo của biên dạng đường tròn 75

Hình 6.2 Mô hình sai số đường tròn 75

Hình 6.3 Vị trí sai số của các ΔR 76

Hình 6.4 Chi tiết gia công thực nghiệm trước khi bù sai số 86

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 http://www.lrc-tnu.edu.vn

CÁC TỪ VIẾT TẮT

CAD Computer Aided Design Thiết kế với sự trợ giúp máy tính

CAM Computer Aided Manfacturing Sản xuất với sự trợ giúp máy tính

CNC Computer Numerical Control Điều khiển theo chương trình số

CMM Coordinate Measuring Machine Máy đo tọa độ 3 chiều

2D 2 Dimension Không gian 2 chiều

3D 3 Dimension Không gian 3 chiều

PP Post processor Hậu xử lý

SW Software Phần mềm

I/O Input/Output Ngõ vào/ra

PC Personal Computer Máy tính cá nhân

PLC Programmable Logic Control Bộ điều khiển PLC

FEM Finite Element Methods Phương pháp phần tử hữu hạn

NC Numerical Control Điều khiển số

DNC Direct Numerical Control Điều khiển số trực tiếp

MB Master Ball Quả cầu chuẩn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1 Bảng xử lí số liệu đo cho kích thước Φ32 trong mặt phẳng 1 77

Bảng 2 Bảng xử lí số liệu đo cho kích thước Φ32 trong mặt phẳng 2 78

Bảng 3 Bảng xử lí số liệu đo cho kích thước Φ32 trong mặt phẳng 3 79

Bảng 4 Bảng xử lí số liệu đo cho kích thước Φ16 80

Bảng 5 Bảng xử lí số liệu đo cho kích thước Φ90 81

Bảng 6 Kết quả gia công thực nghiệm chi tiết trước khi bù 85

Bảng 7 Kết quả gia công thực nghiệm chi tiết sau khi bù 87

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả có được trên đây là do tôi tự thực hiện lấy dưới

sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe. Ngoài những tài liệu tham khảo

đã được liệt kê dưới đây thì những kết quả còn lại là do thực nghiệm mà có được và chưa

có công trình nghiên cứu khác công bố.

Thái Nguyên, ngày tháng 09 năm 2010

Học viên thực hiện

NGUYỄN ĐẮC TUẤN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, dưới sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ thì các sản phẩm cơ

khí ngày càng có yêu cầu cao hơn về chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hóa của quy

trình sản xuất, đặc biệt là độ chính xác về kích thước, hình dáng hình học của sản phẩm.

Đứng trước yêu cầu và nhiệm vụ đó tác giả đã tiến hành:“ Nghiên cứu nâng cao độ

chính xác gia công khi phay nắp động cơ trên trung tâm gia công VMC-650E bằng

phương pháp bù sai số off-line” dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đăng

Hòe.

Trong thời gian qua, để thực hiện đề tài thành công, tác giả đã nhận được sự quan tâm

rất lớn từ phía nhà trường, các Khoa, Phòng, Ban chức năng, các thầy cô giáo và các bạn

đồng nghiệp.

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Khoa Sau Đại Học, các giảng viên đã

tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe đã

tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình tácgiả thực hiện luận văn này.

Tác giả xin chân thành cảm ơn Trung tâm thực nghiệm và các đồng nghiệp thuộc

Trung tâm thực nghiệm đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện, hướng dẫn vận hành thao tác

máy móc, thiết bị thí nghiệm để tác giả hoàn thành các thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất.

Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do trình độ, kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn rằng

luận văn này không thể tránh khỏi thiếu sót. Tác giả rất mong sẽ nhận được những ý kiến

đóng góp của hội đồng chuyên môn, các bạn đồng nghiệp, các thầy cô giáo để luận văn này

được hoàn chỉnh hơn trong những nghiên cứu tiếp theo và có ý nghĩa cao trong thực tiễn.

Xin chân thành cảm ơn.

Thái Nguyên, ngày thán g09 năm 2010

Học viên thực hiện

NGUYỄN ĐẮC TUẤN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 http://www.lrc-tnu.edu.vn

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời đại ngày nay, với sự sự phát triển vượt bậc của khoa học, công nghệ trên tất

cả các lĩnh vực. Đặc biệt trong lĩnh vực Cơ khí trong thời gian qua đã cho ra đời rất nhiều

máy công cụ điều khiển theo chương trình số (CNC) dần dần thay thế tất cả các trang thiết

bị máy móc gia công truyền thống. Nhờ đó mà các sản phẩm cơ khí ngày được nâng cao về

mọi mặt như: chất lượng sản phẩm cao, độ chính xác cao, mức độ tự động hóa và linh hoạt

cao. Vì vậy công nghệ gia công trên các máy vạn năng không còn phù hợp nữa và các sản

phẩm của nó trên thị trường không có sức cạnh tranh cao. Xuất phát từ thực tế đó, cho nên

ưu tiên nghiên cứu phát triển ngành Cơ khí chính xác là cực kì quan trọng, ngành công

nghiệp đầu tàu trong tất cả các ngành. Thể hiện rõ nhất là trong giai đoạn vừa qua đất nước

ta đã nhập khẩu rất nhiều máy công cụ CNC với giá trị lên tới hàng tỉ USD. Thông qua

nhiều con đường như: các doanh nghiệp nước ngoài sang đầu tư tại Việt Nam và hò đã

mang theo công nghệ máy móc sang, các trường, viện nghiên cứu mua về để ứng dụng vào

học tập nghiên cứu, các công ty mua bán máy công cụ…

Từ những lợi thế đã có sẵn trang thiết bị máy móc hiện đại như ở Trường Trung Cấp

Nghề TT-Huế đã có trung tâm gia công VMC-650E và Trường Đại Học Kỹ Thuật Công

Nghiệp Thái Nguyên đã có máy đo tọa độ 3 chiều CMM-C544. Nhằm mục đích nâng cao

hơn nữa hiệu quả sử dụng trang thiết bị máy móc đã có vào chương trình đào tạo, nghiên

cứu khoa học, ứng dụng sản xuất, gia công các sản phẩm có độ phức tạp và độ chính xác

cao, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu sau đây: “Nghiên cứu nâng cao độ chính xác gia

công khi phay nắp động cơ trên trung tâm gia công VMC-650E bằng phương pháp bù

sai số offline.”

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

2.1. Ý nghĩa khoa học

Để gia công được những chi tiết có hình dạng phức tạp và đòi hỏi đạt độ chính xác cao,

tính tự động hóa cao, thì thông thường người ta sẽ chọn gia công trên các trung tâm gia

công CNC. Tuy nhiên trong quá trình gia công luôn tồn tại sai số chế tạo. Do đó nâng cao

độ chính xác gia công trên các trung tâm gia công là việc làm cần thiết. mặt khác trong

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 http://www.lrc-tnu.edu.vn

thực tế sản xuất hiện nay thì vấn đề bù sai số gia công trên các trung tâm gia công vẫn còn

là lĩnh vực khá mới mẻ và khó khăn. Do đó hướng nghiên cứu xây dựng chương trình bù

sai số gia công trên các trung tâm gia công là việc làm quan trọng và mang ý nghĩa khoa

học cao.

2.2. Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài này mang tính ứng dụng thực tiễn cao, ứng dụng phương pháp bù offline để bù

sai số gia công cho một chi tiết cụ thể. Mặc khác nó phục vụ trực tiếp cho chương trình đào

tạo, nghiên cứu khoa học của sinh viên. Là vấn đề mới để bắt nguồn và phát triển những

hướng nghiên cứu về sau. Đặc biệt là ứng dụng vào sản xuất để gia công những sản phẩm

đòi hỏi độ chính xác gia công cao.

3. Mục đích nghiên cứu

- Nâng cao độ chính xác kích thước của chi tiết gia công.

- Sử dụng và khai thác tất cả tính năng công nghệ của trung tâm gia công VMC-650E

và nâng cao kỹ năng vận hành máy.

- Sử dụng máy đo tọa độ 3 chiều CMM-C544 một cách thành thạo để kiểm tra đánh

mức độ chính xác của chi tiết gia công.

- Phục vụ cho công tác nghiên cứu học tập, nâng cao chất lượng chương trình đào tạo

và tiếp cận với công nghệ tiên tiến trên thế giới.

- Tạo cở sở và tiền đề thuận lợi cho những nghiên cứu tiếp theo.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các thành phần sai số gia công trên máy công cụ và kết hợp đánh giá

bằng thực nghiệm. Các số liệu trong đề tài được thống kê chủ yếu là dựa vào thực nghiệm

mà có.

4.1. Đối tƣợng nghiên cứu

- Chọn chi tiết gia công là nắp động cơ để tiến hành gia công thí nghiệm trên trung tâm

gia công VMC-650E.

- Sử dụng máy đo tọa độ 3 chiều CMM-C544 để kiểm tra độ chính xác kích thước gia

công và từ đó tiến hành bù sai số bằng phương pháp bù offline.

4.2. Hệ thống trang thiết bị thực nghiệm