Luận văn ThS: Sai số điều khiển hình động học trung tâm phay CNC 5 trục PSK

Luận văn thạc sĩ phân tích chuyên sâu về tính toán sai số điều khiển hình động học của trung tâm phay CNC 5 trục kiểu PSK, ngành Cơ điện tử Bách Khoa.

• Tác giả: Vũ Văn Cường
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Thái
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Tính Toán Sai Số Điều Khiển Hình Động Học Của Trung Tâm Phay CNC Năm Trục Kiểu PSK
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về Sai số Điều khiển Máy phay CNC 5 trục PSK

Sai số điều khiển là một yếu tố quan trọng trong gia công CNC 5 trục PSK, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của sản phẩm. Máy phay CNC 5 trục kiểu PSK (Parallel Serial Kinematic) sử dụng cơ cấu động học song song kết hợp với động học nối tiếp, cho phép gia công các bề mặt phức tạp với độ chính xác cao. Tính toán sai số từ các khớp điều khiển là bước quan trọng để đảm bảo chất lượng gia công. Sai số có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm sai số của các khớp quay, khớp tịnh tiến, độ cứng vững của các modul, và các yếu tố môi trường. Việc hiểu rõ về các loại sai số hình động học giúp kỹ sư cơ khí tối ưu hóa quá trình gia công.

1.1. Định nghĩa Sai số Hình động học

Sai số hình động học là độ lệch giữa vị trí thực tế và vị trí lý thuyết của dụng cụ cắt trên máy phay CNC 5 trục PSK. Sai số này xuất phát từ các khớp điều khiển không hoàn hảo, bao gồm khớp quay quanh các trục Y, Z và các khớp tịnh tiến. Việc tính toán chính xác sai số giúp bù trừ sai số, nâng cao độ chính xác gia công.

1.2. Vai trò của Tính toán Sai số trong Gia công

Tính toán sai số điều khiển là nền tảng để điều chỉnh quỹ đạo dụng cụ trên máy phay CNC 5 trục PSK. Thông qua phân tích sai số hình động học, các kỹ sư có thể dự đoán độ lệch của sản phẩm gia công và áp dụng các biện pháp bù trừ. Điều này đặc biệt quan trọng khi gia công các bề mặt phức tạp như bề mặt xoắn ốc hoặc bề mặt yên ngựa.

II. Các Thành phần Sai số trong Máy phay CNC 5 trục PSK

Máy phay CNC 5 trục kiểu PSK có các thành phần sai số khác nhau cần được xác định và tính toán một cách chi tiết. Sai số của khớp quay (quanh trục Y và Z) và sai số của khớp tịnh tiến là hai loại sai số chính. Ngoài ra, sai số do độ cứng vững của các modul RBSS (Robot song song) cũng ảnh hưởng đáng kể đến chính xác gia công. Hệ thống hệ quy chiếu được thiết lập tại các điểm định vị nhất định trên máy, từ đó tính toán các sai số định vị và sai số định hướng của dụng cụ cắt. Việc phân loại và định lượng từng loại sai số cho phép kỹ sư xây dựng mô hình toán học chính xác.

2.1. Sai số Khớp quay quanh các Trục Y và Z

Sai số khớp quay (ΔB và ΔC) phát sinh từ các khớp quay điều khiển không hoàn hảo. Khi trục Y hoặc trục Z quay, độ lệch góc này sẽ làm thay đổi hướng của dụng cụ cắt. Tính toán sai số này liên quan đến độ cứng vững và khoảng chết của các khớp. Việc xác định chính xác sai số này rất quan trọng để hiệu chỉnh quỹ đạo gia công trên máy phay CNC 5 trục PSK.

2.2. Sai số Khớp tịnh tiến và Độ cứng vững

Sai số khớp tịnh tiến (Ad₁, Ad₂, Ad₃) liên quan đến vị trí của dụng cụ cắt trên các trục tuyến tính. Độ cứng vững của modul ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của hệ thống, dẫn đến biến dạng và sai số định vị. Tính toán sai số này yêu cầu phải xác định thông số kích thước động học của máy, bao gồm chiều dài các cánh tay cơ và các khoảng cách khác.

III. Phương pháp Tính toán Sai số Định vị và Định hướng

Tính toán sai số điều khiển máy phay CNC 5 trục PSK bao gồm việc xác định sai số định vị và sai số định hướng của dụng cụ cắt. Hệ quy chiếu được thiết lập tại tâm Oₐs của máy, từ đó tính toán vị trí thực tế của dụng cụ dựa trên các thông số điều khiển. Sai số định vị là độ lệch của vị trí dụng cụ so với vị trí lệnh, trong khi sai số định hướng là độ lệch góc. Quy trình tính toán sai số thường bao gồm: xác định các thông số kích thước động học, xác định sai số của các khớp điều khiển, và cuối cùng là tính toán sai số tổng hợp tại dụng cụ cắt. Việc áp dụng các phương pháp ma trận biến đổi giúp tính toán chính xác sai số.

3.1. Xác định Hệ quy chiếu và Thông số Điều khiển

Hệ quy chiếu được đặt tại các vị trí cố định trên máy phay CNC 5 trục PSK, bao gồm hệ tọa độ gốc máy (vB) và hệ tọa độ gốc phôi (tp). Thông số điều khiển bao gồm các khớp quay (B, C) và các khớp tịnh tiến (d₁, d₂, d₃) được xác định thông qua lệnh điều khiển CNC. Vectơ đơn vị chỉ hướng trục dụng cụ được tính toán dựa trên các biến đổi động học từ hệ quy chiếu này.

3.2. Tính toán Sai số Tổng hợp tại Dụng cụ cắt

Sai số tổng hợp được tính bằng cách kết hợp tất cả các sai số thành phần từ các khớp điều khiển. Công thức tính toán sai số sử dụng phương pháp vi phân và ma trận Jacobian để xác định mối quan hệ giữa sai số khớp và sai số định vị-định hướng tại dụng cụ. Kết quả tính toán sai số cung cấp đôi mô hình bù trừ sai số cho hệ thống điều khiển CNC.

IV. Ứng dụng Tính toán Sai số trong Gia công Các Bề mặt Phức tạp

Máy phay CNC 5 trục PSK có khả năng gia công các bề mặt phức tạp như bề mặt xoắn ốc, bề mặt yên ngựa, bề mặt Elipxôit, và các bề mặt có quy luật hình học đặc biệt. Việc tính toán sai số điều khiển là điều kiện tiên quyết để đạt được độ chính xác cao khi gia công các bề mặt này. Bằng cách xác định quy luật sai số tại các điểm khác nhau trên bề mặt, kỹ sư có thể hiệu chỉnh quỹ đạo gia công để bù trừ sai số. Ứng dụng tính toán sai số trong thực tiễn đã cho thấy hiệu quả cao trong việc nâng cao độ chính xác sản phẩm và giảm chi phí sản xuất. Các bề mặt phức tạp được gia công với sai số kiểm soát được, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khắt khe của ngành công nghiệp.

4.1. Gia công Bề mặt với Quy luật Đồng tâm và Acsimet

Bề mặt đồng tâm và bề mặt Acsimet yêu cầu tính toán sai số tại các điểm trên quỹ đạo dụng cụ cắt với độ chính xác cao. Máy phay CNC 5 trục PSK xác định đường dụng cụ gia công dựa trên quy luật hình học của bề mặt cần gia công. Tính toán sai số giúp hiệu chỉnh quỹ đạo để đảm bảo bề mặt cuối cùng tuân theo quy luật đồng tâm hoặc Acsimet như thiết kế.

4.2. Gia công Bề mặt Xoắn ốc Yên ngựa và Elipxôit

Bề mặt xoắn ốc, bề mặt yên ngựa, và bề mặt Elipxôit là các bề mặt phức tạp yêu cầu gia công 5 trục liên tục. Tính toán sai số điều khiển cho các bề mặt có phương trình tham số này giúp xác định quy luật sai số tại mỗi vị trí gia công. Việc áp dụng kết quả tính toán sai số vào quá trình gia công đã nâng cao chính xác gia công đối với các sản phẩm có hình dạng hình học phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. ÿoiftslottysteotiotituetrtosedgx Yu8igtesgatejl 1. Tỉnh cấp thiết của đề tài. Mục đích đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận văn.1 Mục địch nghiên cửu.2 Phạm vi nghiên cửu của luận văn.

Ý nghĩa khoa học vả thực tiên của luận văn. Nội dung của luận văn. Phương pháp nghiên cứu l on CHUONG1 TONG QUAN VE CAC MAY CNC NHIEU TRUC THE HE MOI PSK.1 Tổng quan về sai số trong cac may CNC.2 Tổng quan từ lịch sử đến tương lai của máy công cụ động học song song [9].1 Tổng quan về máy có câu trúc động học song song 6 1.22 Lịch sử phát triển 9 1.3 Phân loại máy đông học song song.4 Ưu vả nhược điểm máy động học song song, .5 Đặc điểm của máy có câu trúc động học song song.6 Máy phay động học song song 3 trục. iN Ree HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS.

Nguyễn Hồng Thái iv Luận Văn Thạc Sỹ 1.7 Máy phay động học song song 5 trục 24 1.8 May động học song song trong thực tiễn.3 Sai số trong các máy có câu trúc động học song song.4 Kiểu máy nghiên cứu 3308516071500A : n n 32.5 Mét so nghién ctmu tude day ve sai s6 trong may CNC, PKM, PSK aad CHUONG 2 SAI SỐ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA CÁC KHỚP ĐIÊU KHIỂN .1 Dat hé qui chiéu va nguyén tac dieu khién.1 Đật hệ quy chiếu.ce Nồi ft3td01ãu6108a08nua.2 Nguyên tắc điều khiển.2 Xác định các thông só điều khiẻn.3 Xác định sai số điểm định vị.4 Xác định sai số định hướng, 2.5 Xác định quy luật sai số .6 Xác định sai số do độ cứng vững của modul RBSS CHƯƠNG 3 KET QUA TINH TOAN VOI MOT SO BE MAT PHUC TẠP TRONG KHÔNG (GIN cesses essence eh os ASCE EOSURSGCE gassnsnaz.1 Thông số kích thước động học của mảy.2 Sai số của các thông só điều khiên.4 Kết quả tính toán cho các bê mặt khác nhau.1 Tính đường dụng cu gia công bể mặt với quy luật đồng tâm và Acsimet 66 3.2 Tinh đường dụng cụ gia công mảnh bể mặt có phương trình tham sỏ.3 Tỉnh đường dụng cụ gia công mặt xoắn vit : T5 3.4 Tỉnh toán đường dụng cụ gia công bẻ mặt yên ngựa.5 Tính đường dụng cụ gia công mặt Elipxôit.6 Tính đường dụng cụ gia công mặt Parabol enlipie.84 HVTH: Vũ Văn Cường GVHG:. Nguyễn Hồng Thái v Luận Văn Thạc Sỹ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa (£) Quỹ tích các điểm CL¡ (đường dụng cụ) Ch; : Diem định vị đụng cụ trên đường dung cu (¢) trong hệ tọa độ up. ToL Diem dinh vi trên đường dụng cụ vo Hệ tọa độ gốc máy có định. vB Hệ tọa độ đặt tai tam ban may.

tp Hệ tọa độ gốc phôi. Ure : Hệ tọa độ cỗ định tại tâm Oạs, a : Véc tơ đơn vị chỉ hướng trục dung cu tao diém CL; trén (& ) xét trong hé tọa độ up. Te 'Véc tơ đơn vị chỉ hướng trục dụng cụ trên đầu trục chính. Khớp quay quanh trục y.

6 : Khớp quay quanh trục Z AB Sai số của khớp quay quanh trục y. AC : Sai số của khớp quay quanh trục Z ‘Ad, : Các sai số của các khớp tịnh tiên (¡ = 1+3) HVTH: Vũ Văn Cường GVHG:. Nguyễn Hồng Thái vii Luận Văn Thạc Sỹ 3.7 Khả năng ửng dụng.8 Một số vân đề và hướng phát triển. ABB HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS.

Nguyễn Hồng Thái vi Luận Văn Thạc Sỹ 3.7 Khả năng ửng dụng.8 Một số vân đề và hướng phát triển. ABB HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái vi Luận Văn Thạc Sỹ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phát minh sáng ché vé may CNC § trục ão.cccc sec Hình 1.2 Ảnh chụp của máy CNC phay nhôm cao tốc cỏ động học song song.3 a) Loại cơ cầu song song “Hexapod”; b) Thử nghiệm lốp xe của Gough.4 Bản đăng ký phát minh sảng chế của robot Delta. so dO Hình 1.5 Bản đăng ký phát minh sáng chế của Robot déng hoc song song Tricept 3 bac tu do.6 Phương pháp thiết kế hệ thông của PKM.7 Trung tâm gia công động học song song SKM 400 (Nguồn Starragheckert) _— "¬".8 Trung tâm gia công động học song song GENTIUS 500.9 May céng cu cau tric song song COSMO CENTER PM- 600.10 Trung tam gia công câu trúc song song.11 ECOSPEED F HT trung tam gia céng 5 trục với đầu gia công động học song song Sprint Z3 .12 Sprint Z3 đầu công cụ động học song song.13 Máy phay CNC 5 trục VERNE của hãng Fatronik.

14 Cơ cau robot song song ogthorlide. 1 Đặt hệ trục tọa độ. 2 Modul quay dink hướng BC.- 37 TH: 9AMGHIRĐSSLisoannuioniisgtiniedicHidhg0giu120100.HNga0H8ÐdAiangiaaaga soi 39 KhiW2. 4:Mặt phẳng MOL sosuadaáanu2BBni2nianaai xenaneeessiernszasaasza/lỘ Hình 2, 5 Mặt phẳng YOZ (a).

1ö88tllougghSpgoyiđMI 1öi2tdpuuiofiesaxeffT Hình 2. 6 Mặt phẳng YOZ (b). cesetsetanereseenancenssenensceeesere AD, HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái ®# Luận Văn Thạc Sỹ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phát minh sáng ché vé may CNC § trục ão.cccc sec Hình 1.2 Ảnh chụp của máy CNC phay nhôm cao tốc cỏ động học song song.3 a) Loại cơ cầu song song “Hexapod”; b) Thử nghiệm lốp xe của Gough.4 Bản đăng ký phát minh sảng chế của robot Delta.

so dO Hình 1.5 Bản đăng ký phát minh sáng chế của Robot déng hoc song song Tricept 3 bac tu do.6 Phương pháp thiết kế hệ thông của PKM.7 Trung tâm gia công động học song song SKM 400 (Nguồn Starragheckert) _— "¬".8 Trung tâm gia công động học song song GENTIUS 500.9 May céng cu cau tric song song COSMO CENTER PM- 600.10 Trung tam gia công câu trúc song song.11 ECOSPEED F HT trung tam gia céng 5 trục với đầu gia công động học song song Sprint Z3 .12 Sprint Z3 đầu công cụ động học song song.13 Máy phay CNC 5 trục VERNE của hãng Fatronik. 14 Cơ cau robot song song ogthorlide. 1 Đặt hệ trục tọa độ. 2 Modul quay dink hướng BC.- 37 TH: 9AMGHIRĐSSLisoannuioniisgtiniedicHidhg0giu120100.HNga0H8ÐdAiangiaaaga soi 39 KhiW2.

4:Mặt phẳng MOL sosuadaáanu2BBni2nianaai xenaneeessiernszasaasza/lỘ Hình 2, 5 Mặt phẳng YOZ (a). 1ö88tllougghSpgoyiđMI 1öi2tdpuuiofiesaxeffT Hình 2. 6 Mặt phẳng YOZ (b). cesetsetanereseenancenssenensceeesere AD, HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS.

Nguyễn Hồng Thái ®# Luận Văn Thạc Sỹ 1.7 Máy phay động học song song 5 trục 24 1.8 May động học song song trong thực tiễn.3 Sai số trong các máy có câu trúc động học song song.4 Kiểu máy nghiên cứu 3308516071500A : n n 32.5 Mét so nghién ctmu tude day ve sai s6 trong may CNC, PKM, PSK aad CHUONG 2 SAI SỐ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA CÁC KHỚP ĐIÊU KHIỂN .1 Dat hé qui chiéu va nguyén tac dieu khién.1 Đật hệ quy chiếu.ce Nồi ft3td01ãu6108a08nua.2 Nguyên tắc điều khiển.2 Xác định các thông só điều khiẻn.3 Xác định sai số điểm định vị.4 Xác định sai số định hướng, 2.5 Xác định quy luật sai số .6 Xác định sai số do độ cứng vững của modul RBSS CHƯƠNG 3 KET QUA TINH TOAN VOI MOT SO BE MAT PHUC TẠP TRONG KHÔNG (GIN cesses essence eh os ASCE EOSURSGCE gassnsnaz.1 Thông số kích thước động học của mảy.2 Sai số của các thông só điều khiên.4 Kết quả tính toán cho các bê mặt khác nhau.1 Tính đường dụng cu gia công bể mặt với quy luật đồng tâm và Acsimet 66 3.2 Tinh đường dụng cụ gia công mảnh bể mặt có phương trình tham sỏ.3 Tỉnh đường dụng cụ gia công mặt xoắn vit : T5 3.4 Tỉnh toán đường dụng cụ gia công bẻ mặt yên ngựa.5 Tính đường dụng cụ gia công mặt Elipxôit.6 Tính đường dụng cụ gia công mặt Parabol enlipie.84 HVTH: Vũ Văn Cường GVHG:. Nguyễn Hồng Thái v Luận Văn Thạc Sỹ DANH MỤC CÁC BẢNG Bang 1.1 Ưu vả nhược điểm của máy động học song song.2 Các loại lỗi trong PKM.1 Thông số kích thước động học của máy.2 Các đường biểu diễn sai sỐ.3a Trích ngang cơ sở dữ liệu tính đường dụng cụ với quy luật Acsimet bẻ mặt đẳng tham số cho đưới dạng số hóa.3b Trích ngang cơ sở dữ liệu tỉnh đường dụng cụ với quy luật Acsimet bẻ mặt đẳng tham số cho dưới dạng số hóa.3c Trích ngang cơ sở dữ liệu tỉnh đường dụng cụ theo quy luật zicZac bề mặt đẳng tham số cho dưới dạng số hóa.4 Trích ngang cơ sở dữ liêu tỉnh đường dụng cụ theo quy luật xoáy óc bề mặt đẳng tham s6 cho dui dang 86 hóa.5a Trích ngang cơ sở dữ liệu gia công gia công mặt xoắn vít bề mat ding tham số cho dưới đạng số hỏa mi “ si 76 Bang 3.5b Trích ngang cơ sở dữ liệu gia công theo quy luật đồng tâm bề mặt đẳng, tham số cho dưới dạng số hỏa nên ° - tuệ 78 Bang 3.6 Trích ngang cơ sở dữ liệu gia công bề mặt yên ngựa bê mặt đẳng tham số cho dưới dạng số hóa 80 Bang 3.7 Trích ngang cơ sở dữ liệu gia công mặt Elipxôit bẻ mặt đẳng tham số cho. dưới dạng số hỏa.8 Trích ngang cơ sở dữ liệu gia công mặt Parabol enlipic bề mặt đẳng tham số cho dưới dạng số hóa. 85 HVTH: Vũ Văn Cường GVHG:.

Nguyễn Hồng Thái Luận Văn Thạc Sỹ DANH MUC CAC CHU VIET TAT NC : Numerical Control. cnc Computer Numerical Control PSK Parallel Serial Kinematic PKM Parallel Kinematic Machine RBSS Robot song song DHSS : Déng hoc song song. BMPT Bé mit phite tap. HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS.

Nguyễn Hồng Thái viii Luận Văn Thạc Sỹ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa (£) Quỹ tích các điểm CL¡ (đường dụng cụ) Ch; : Diem định vị đụng cụ trên đường dung cu (¢) trong hệ tọa độ up. ToL Diem dinh vi trên đường dụng cụ vo Hệ tọa độ gốc máy có định. vB Hệ tọa độ đặt tai tam ban may. tp Hệ tọa độ gốc phôi.

Ure : Hệ tọa độ cỗ định tại tâm Oạs, a : Véc tơ đơn vị chỉ hướng trục dung cu tao diém CL; trén (& ) xét trong hé tọa độ up. Te 'Véc tơ đơn vị chỉ hướng trục dụng cụ trên đầu trục chính. Khớp quay quanh trục y. 6 : Khớp quay quanh trục Z AB Sai số của khớp quay quanh trục y.

AC : Sai số của khớp quay quanh trục Z ‘Ad, : Các sai số của các khớp tịnh tiên (¡ = 1+3) HVTH: Vũ Văn Cường GVHG:. Nguyễn Hồng Thái vii Luận Văn Thạc Sỹ 3.7 Khả năng ửng dụng.8 Một số vân đề và hướng phát triển. ABB HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái vi Luận Văn Thạc Sỹ DANH MỤC CÁC BẢNG Bang 1.1 Ưu vả nhược điểm của máy động học song song.2 Các loại lỗi trong PKM.1 Thông số kích thước động học của máy.2 Các đường biểu diễn sai sỐ.3a Trích ngang cơ sở dữ liệu tính đường dụng cụ với quy luật Acsimet bẻ mặt đẳng tham số cho đưới dạng số hóa.3b Trích ngang cơ sở dữ liệu tỉnh đường dụng cụ với quy luật Acsimet bẻ mặt đẳng tham số cho dưới dạng số hóa.