Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ trong tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:158

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt tự do trên máy CNC 3 trục nhằm đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác tạo hình bề mặt và giảm thời gian gia công so với phương pháp gia công mặt tự do truyền thống. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ trong tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Văn Quý NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN DỤNG CỤ VÀ ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. TS. Bùi Ngọc Tuyên Hoàng Văn Quý ii
LỜI CẢM ƠN Luận án đã được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS. TS. Bùi Ngọc Tuyên. Tôi xin được chuyển tới thầy sự kính trọng, lòng biết ơn sâu sắc bởi sự định hướng, chỉ bảo, động viên, và những kiến thức quý báu của thầy trong lĩnh vực mà tôi đã nghiên cứu. Tôi xin được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới tập thể giảng viên bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp đã có những chia sẻ quý báu về kiến thức, về phương pháp nghiên cứu và những lời động viên tới NCS trong suốt tiến trình nghiên cứu đề tài. Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu tôi luôn luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong Viện Cơ khí và Phòng Đào tạo. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy các cô trong Viện Cơ khí đã tận tình giúp đỡ để tôi hoàn thành quá trình học tập nghiên cứu của mình. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại học Hải Phòng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin được gửi lời biết ơn tới gia đình, người thân đã luôn bên cạnh trong suốt toàn bộ thời gian thực hiện nghiên cứu. Hài nội, ngày 22 tháng 07 năm 2019 Nghiên cứu sinh Hoàng Văn Quý iii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... vii Danh mục các ký hiệu ................................................................................................................... vii Danh mục các chữ viết tắt ........................................................................................................ viii DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................................................x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................................................... xii MỞ ĐẦU ................................................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MẶT TỰ DO ....................................................... 6 1.1. Mặt tự do và ứng dụng của mặt tự do ................................................................. 6 1.1.1. Giới thiệu .......................................................................................................................... 6 1.1.2. Lịch sử phát triển.......................................................................................................... 6 1.1.3. Ứng dụng đường, mặt tự do .................................................................................... 7 1.1.3.1. Ứng dụng đường, mặt tự do trong thiết kế........................................................... 7 1.1.3.2. Ứng dụng đường, mặt tự do trong gia công ......................................................... 9 1.2. Quá trình gia công tạo hình bề mặt tự do ........................................................11 1.3. Dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt tự do .....................................13 1.3.1. Kiểu dụng cụ sử dụng trong gia công mặt tự do ...........................................13 1.3.1.1. Dao phay ngón đầu phẳng ......................................................................................14 1.3.1.2. Dao phay ngón đầu cầu ............................................................................................15 1.3.1.3. Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn .............................................................15 1.3.1.4. Dao phay ngón thân côn ..........................................................................................15 1.3.2. Đường dụng cụ khi gia công mặt tự do .............................................................18 1.3.2.1. Khái niệm .......................................................................................................................18 1.3.2.2. Các kiểu đường dụng cụ cơ bản ...........................................................................18 1.3.2.3. Các thông số cơ bản của đường dụng cụ ..........................................................24 1.4. Phương pháp tính toán sinh đường dụng cụ .................................................25 1.4.1. Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm tiếp xúc (CC- Based) [29] ........................................................................................................................................26 1.4.2. Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm định vị dụng cụ (CL-Based) [29] ...............................................................................................................................27 1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu gia công mặt tự do trên máy phay CNC 27 1.5.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước .................................................27 1.5.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới ..............................................29 1.6. Đánh giá tình hình nghiên cứu phương pháp gia công mặt tự do và đề xuất hướng nghiên cứu của luận án.......................................................................................31 1.7. Kết luận ...........................................................................................................................33 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TỰ DO TRONG CÁC HỆ THỐNG CAD/CAM ...................................................................................................................34 2.1. Biểu diễn đường tự do trong hệ thống CAD/CAM ..................................................35 iv
2.1.1. Các phương pháp biểu diễn toán cơ bản của đường tổng quát ....................35 2.1.2. Biểu diễn đường cong Bezier........................................................................................36 2.1.3. Biểu diễn đường cong B-spline ....................................................................................40 2.2. Biểu diễn mặt tự do trong hệ thống CAD/CAM ........................................................43 2.2.1. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình đa thức dạng tham số...44 2.2.1.1. Mô hình toán biểu diễn mảnh mặt Ferguson .....................................................44 2.2.1.2. Mô hình mảnh mặt Bezier ..........................................................................................45 2.2.2. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình nội suy ranh giới mảnh mặt ........................................................................................................................................................46 2.2.2.1. Biểu diễn mặt tự do bằng mô hình mặt kẻ ..........................................................46 2.2.2.2. Biểu diễn mặt tự do bằng mô hình mặt Coon ....................................................46 2.2.3. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mô hình mảnh quét .........................47 2.2.3.1. Mảnh mặt trượt tịnh tiến ............................................................................................47 2.2.3.2. Mảnh mặt quay ................................................................................................................47 2.2.4. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng tứ giác ....................................................48 2.2.5. Mảnh mặt B - spline ..........................................................................................................48 2.2.6. Mặt NURBS ............................................................................................................................49 2.2.6.1. Biểu diễn toán học bề mặt NURBS ..........................................................................49 2.3.6.2. Đạo hàm của mặt NURBS ............................................................................................51 2.2.7. Công cụ mô phỏng một số mặt cơ bản sang dạng mặt tự do ..........................52 2.3.8. Cấu trúc tệp (file) biểu diễn mặt theo định dạng IGES trong CAD/CAM ...53 2.2.8.1. Cấu trúc của file IGES ....................................................................................................54 2.2.8.2. Biểu diễn một số đối tượng theo định dạng file IGES ...................................58 2.3. Kết luận ......................................................................................................................................61 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC ...........................62 3.1. Giới thiệu ........................................................................................................................62 3.2. Ảnh hưởng của dụng cụ khi tạo hình bề mặt trên máy phay CNC ............. 62 3.3. Xây dựng phương án lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý để gia công tạo hình mặt tự do ............................................................................................................................................66 3.3.1. Phân vùng mặt tự do .................................................................................................67 3.3.2. Lựa chọn dụng cụ hợp lý tương ứng với từng phân vùng ........................71 3.3.3. Xác định ranh giới tương ứng với mỗi phân vùng cục bộ ........................72 3.3.4. Thí nghiệm đánh giá kết quả.........................................................................................80 3.4. Đề xuất phương án gia công với bề mặt đã phân vùng: ............................90 3.4. Kết luận ......................................................................................................................................92 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC...................94 4.1. Xây dựng thực nghiệm Taguchi đánh giá ảnh hưởng của đường dụng cụ tới chất lượng tạo hình bề mặt tự do............................................................................................95 v
4.1. 1. Phương pháp Taguchi .....................................................................................................96 4.1.2. Xây dựng thực nghiệm .....................................................................................................97 4.1.2.1. Điều kiện thực nghiệm .................................................................................................97 4.1.2.2. Lựa chọn thông số đầu vào và xây dựng mảng trực giao Taguchi ...........99 4.2. Đề xuất phương án xác định đường dụng cụ ......................................................... 103 4.2.1. Điều kiện biên ................................................................................................................... 104 4.2.2. Tính toán thông số đường dụng cụ ......................................................................... 104 4.2.2.1. Tính toán bước tiến ngang (St).(Bổ đề 1)......................................................... 105 4.2.2.2. Xác định đường dẫn hợp lý đảm bảo Sc ≤ [Sc] (Bổ đề 2)........................... 108 4.2.3. Tính toán sai số xấp xỉ .................................................................................................. 112 4.3. Mô phỏng và thực nghiệm đánh giá kết quả ........................................................... 114 4.4. Kết luận ................................................................................................................................... 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................................ 118 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 120 PHỤ LỤC .......................................................................................................................................... 127 vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu STT Ký hiệu Giải nghĩa 1 C(u) Phương trình biểu diễn đường cong tự do với biến u 2 u Tham số của đường cong tự do theo phương u (0 ≤ u ≤ 1) 3 v Tham số của đường cong tự do theo phương v (0 ≤ v ≤ 1) 4 Bi, n(u) Đa thức Bernstein với biến u 5 Ri, n(u) Hàm vô hướng cơ sở cho đường cong tự do Điểm điều khiển thứ i của đường cong hoặc mặt cong tự 6 Pi do Biến số của hàm số theo phương Ox trong hệ tọa độ 7 x Descartes Biến số của hàm số theo phương Oy trong hệ tọa độ 8 y Descartes Biến số của hàm số theo phương Oz trong hệ tọa độ 9 z Descartes Điểm điều khiển tại nút (i, j) của lưới điểm điều khiển của 10 Pi, j mặt tự do 11 U Véc tơ nút 12 Wi, j Trọng số tương ứng điểm điều khiển Pi, j của mặt tự do 13 i, j Chỉ số 14  Bán kính cong Scallop height (chiều cao lượng kim loại để lại sau mỗi 15 Sc bước dịch dao ngang) 16 K Độ cong chính 17 H Độ cong Gauss 18 u(t) Đường cong tham số t theo phương u 19 v(t) Đường cong tham số t theo phương v 20 t Tham số t của đường cong 21 D Ma trận cơ bản thứ hai của đường cong 22 M Ma trận chuyển thuần nhất 23  Toán tử sai phân 24 Q Ma trận hệ số góc 25 C Ma trận hệ số Ferguson d 26 Phép tính đạo hàm với biến u du 27 m Đơn vị đo độ dài: mét 28 mm Đơn vị đo độ dài: mi li mét (10-3m) 29 µm Đơn vị đo độ dài: micro mét (10-6m) 30 S(u,v) Mặt tự do biểu diễn trong không gian tham số vii
31 T Vector hướng dụng cụ 32 n Vector pháp tuyến của mặt S(u,v) 33 TT Mặt phẳng tiếp tuyến của mặt cong S(u,v) 34 St Khoảng dịch dao ngang (Step over size) Mặt phẳng tạo bởi vector hướng dao và vector pháp 35 Tn tuyến 36 G Giao tuyến mặt phẳng Tn và TT 37 Si Điểm bất kỳ i của mặt S(u,v) 38 Sc Đường cong giao giữa mặt Tn và S(u,v) 39 Tpi Đường dụng cụ thứ i Danh mục các chữ viết tắt STT Viết tắt Viết đầy đủ Giải nghĩa Thiết kế có sự hỗ trợ của 1 CAD Computer Aided Design máy tính Computer Aided Sản xuất có sự hỗ trợ của 2 CAM Manufacturing máy tính Computer Aided Geometry Thiết kế hình học có sự hỗ 3 CAGD Design trợ của máy tính Computer Intergrated Sản xuất có sự tích hợp 4 CIM Manufacturing của máy tính viii
Computer Aided Ứng dụng máy tính trong 6 CAE Engineering phân tích Lập kế hoạch chế tạo sản Computer Aided Production 7 CAPP phẩm có sự trợ giúp của Planning máy tính 8 NC Numerical Control Điều khiển số Điều khiển số bằng máy Computer Numerical 9 CNC tính (chỉ những hệ thống Control cơ khí gia công tự động Non-uniform rational B- Mặt hoặc đường B-spline 10 NURBS spline hữu tỉ không đồng nhất Đường cong tự do B- 11 B-spline B-spline spline Không gian phẳng (dùng 12 2D Two Dimension trên máy 2 trục) Không gian ba chiều 13 3D Three Dimension (dùng trên máy 3 trục) Không gian năm chiều 14 5D Five Dimension (dùng trên máy 5 trục) 15 CC point Cutting Contact point Điểm cắt (điểm tạo hình) 16 CL point Cutting Location point Điểm định vị dụng cụ Đường tập hợp (quỹ đạo) 17 CC path Cutting contact path các điểm tạo hình Đường tập hợp (quỹ đạo) 18 CL path Cutting Location path các điểm định vị dụng cụ 19 DP Data Points Tập điểm dữ liệu DPi, 8 tập dữ liệu điểm thành 20 8 set of data points i=1,..8 phần ix
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. 1. Các đường dụng cụ cơ bản ..................................................................................18 Bảng 1. 2. Thuật ngữ cơ bản của đường dụng cụ trong gia công CNC...................19 Bảng 1. 3. Mười dạng vùng bề mặt cục bộ của bề mặt tự do trơn liên tục ..........29 Bảng 2. 1. Bảng cấu trúc dữ liệu file IGES ..........................................................................55 Bảng 2. 2. Bảng thống kê nhãn biểu diễn dữ liệu trong IGES ....................................57 Bảng 3. 1. Bảng điểm điều khiển và trọng số mặt tự do mẫu thí nghiệm ............80 Bảng 3. 2. Bảng tính chất vật lý của nhựa PA ...................................................................81 Bảng 3. 3. Bảng thông số dụng cụ ..........................................................................................82 Bảng 3. 4. Bảng thông số máy đo 3 tọa độ SVANEX 9106 ...........................................82 Bảng 3. 5. Bảng thông số cao độ z các điểm trên bề mặt mẫu thiết kế ..................84 Bảng 3. 6. Bảng thông số đo cao độ z các điểm trên bề mặt Mẫu 1.........................84 Bảng 3. 7. Bảng thông số đo cao độ z các điểm trên bề mặt Mẫu 2 .......................84 Bảng 3. 8. Chương trình gia công ...........................................................................................88 Bảng 3. 9. Bảng tổng hợp thời gian gia công và chiều dài đường dụng cụ ..........89 x
Bảng 3. 10. Bảng tông hợp kết quả đánh giá ....................................................................90 Bảng 3. 11. Bảng so sánh phương pháp gia công với bề mặt được phân vùng .91 Bảng 3. 12. Bảng thống kê gia công mẫu theo ba phương án ...................................91 Bảng 4. 1. Bảng thông số dụng cụ ..........................................................................................98 Bảng 4. 2. Bảng thông số máy đo 3 tọa độ SVA NEX9016 ...........................................98 Bảng 4. 3. Bảng tọa độ điểm thiết kế mặt phôi ................................................................99 Bảng 4. 4. Bảng thông số F, S, T ............................................................................................ 101 Bảng 4. 5. Mảng trực giao Taguchi L9 (3^3) .................................................................. 101 Bảng 4. 6. Kết quả đo tại các vị trí xác định trên bề mặt mẫu ................................ 102 Bảng 4 . 7. Phân tích ANOVA các thông số ảnh hưởng tới tạo hình bề mặt ..... 103 Bảng 4. 8. Điểm điều khiển mảnh mặt lõm ..................................................................... 112 xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. 1. Hiệu chỉnh đường tròn ............................................................................................ 7 Hình 1. 2. Thiết kế có sử dụng đường tự do NURBS ....................................................... 7 Hình 1. 3. Hiệu chỉnh mặt trụ thường và mặt trụ biểu diễn dạng tự do ................. 8 Hình 1. 4. Ứng dụng NURBS trong thiết kế.......................................................................... 9 Hình 1. 5. Mô tả nội suy tuyến tính và cung trên hệ máy CNC .................................... 9 Hình 1. 6. Nội suy NURBS trên các hệ CNC ........................................................................10 Hình 1. 7. Nội suy tuyến tính và nội suy NURBS khi gia công mặt tự do..............11 Hình 1. 8. Một ứng dụng mặt tự do trong khuôn ............................................................12 Hình 1. 9. Khảo sát thời gian gia công thô, tinh, đánh bóng khi gia công khuôn ................................................................................................................................................................12 Hình 1. 10. Mô hình hình học dao phay ngón tổng quát..............................................14 Hình 1. 11. Các dạng dao phay ngón cơ bản .....................................................................14 Hình 1. 12. Dụng cụ cắt khi gia công mặt tự do ...............................................................15 Hình 1. 13. Sự khác biệt giữa vùng lồi, vùng lõm và vùng phẳng khi gia công ..16 Hình 1. 14. Đường cắt và cắt lẹm ...........................................................................................17 Hình 1. 15. Gia công mặt tự do trên máy 5 trục ..............................................................17 Hình 1. 16. Đường dụng cụ .......................................................................................................18 Hình 1. 17. Một số thuật ngữ về đường dụng cụ khi gia công trên máy phay CNC .......................................................................................................................................................20 Hình 1. 18. Một số kiểu đường dụng cụ cơ bản trong Catia V5R20 .......................23 Hình 1. 19. Các thông số quan trọng khi gia công mặt tự do .....................................25 xii
Hình 1. 20. Chiều cao nhấp nhô để lại sau khi gia công tinh bằng dao phay đầu cầu .........................................................................................................................................................25 Hình 1. 21. Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm tiếp xúc (CC- point) ...................................................................................................................................................26 Hình 1. 22. Sai số hình học khi gia công mặt ....................................................................30 Hình 1. 23. Phân cụm với 2 đường dẫn xoắn ốc [51] ...................................................31 Hình 1. 24. Sơ đồ khối tiến trình nghiên cứu ...................................................................33 Hình 2. 1. Sơ đồ khối nội dung chương 2 ...........................................................................35 Hình 2. 2. Mô hình toán đường cong Bezier......................................................................36 Hình 2. 3. Sơ đồ tính toán điểm của đường cong Bezier bậc 3 .................................36 Hình 2. 4. Sơ đồ tính điểm điều khiển của đường Bezier tổng quát.......................37 Hình 2. 5. Thuật toán xây dựng công cụ thiết kế, hiệu chỉnh đường Bezier bậc n ................................................................................................................................................................37 Hình 2. 6. Công cụ xây dựng đường cong Bezier ............................................................38 Hình 2. 7. Biểu diễn đường đường cong Bezier ..............................................................39 Hình 2. 8. Kết quả thiết kế đường Bezier bậc 3 trên AutoCAD, Catia và Công cụ xây dựng đường Bezier bậc n ...................................................................................................40 Hình 2. 9. Các mặt cơ bản ..........................................................................................................43 Hình 2. 10. Sự linh hoạt trong hiệu chỉnh của mặt tự do so với các mặt cơ bản ................................................................................................................................................................44 Hình 2. 11. Mô hình mặt mặt Ferguson...............................................................................45 Hình 2. 12 Mảnh mặt Bezier bậc 4 ........................................................................................45 Hình 2. 13 a) Mô hình mặt kẻ b) Nội suy Taylor tuyến tính ......................................46 Hình 2. 14. Cấu trúc mảnh mặt Coons .................................................................................47 Hình 2. 15. Mặt mặt trượt .........................................................................................................47 Hình 2. 16. Mảnh mặt quay.......................................................................................................48 Hình 2. 17. Mảnh mặt tứ giác ...................................................................................................48 Hình 2. 18. Mảnh mặt B-spline ...............................................................................................49 Hình 2. 19. Sơ đồ thuật toán xây dựng công cụ thiết kế và hiệu chỉnh mặt tự do ................................................................................................................................................................52 Hình 2. 20. Menu tùy chọn mặt...............................................................................................53 xiii
Hình 2. 21. Biểu diễn mặt tự do..............................................................................................53 Hình 2. 22. Sơ đồ thuật toán công cụ mô hình hóa file định dạng IGES ...............59 Hình 2. 23. Giao diện công cụ mô hình hóa file định dạng IGES ..............................60 Hình 2. 24. Hiển thị mặt tự do từ file cấu trúc IGES ......................................................60 Hình 3. 1. Các kiểu máy phay CNC thông dụng ................................................................63 Hình 3. 2. Hướng dụng cụ khi gia công trên máy CNC 3 và 5 trục ..........................63 Hình 3. 3. Dụng cụ cắt có thể nghiêng để tránh cắt lẹm...............................................64 Hình 3. 4. Bán kính hiệu dụng của dụng cụ cắt ................................................................64 Hình 3. 5. Quan hệ giữa góc nghiêng với bán kính hiệu dụng ...................................64 Hình 3. 6. Dụng cụ cắt có bán kính nhỏ không gây cắt lẹm ........................................65 Hình 3. 7. Lựa chọn dụng cụ tương ứng với độ cong bề mặt .....................................65 Hình 3. 8. Sơ đồ lựa chọn dụng cụ cắt khi gia công mặt tự do ..................................66 Hình 3. 9. Sơ đồ khối lựa chọn dụng cụ phù hợp bề mặt .............................................67 Hình 3. 10. Biểu diễn bề mặt tự do .......................................................................................67 Hình 3. 11. Phương và chiều véc tơ pháp tuyến của mặt ............................................67 Hình 3. 12. Độ cong Gauss và độ cong trung bình ..........................................................69 Hình 3. 13. Mặt tự do được phân vùng ...............................................................................69 Hình 3. 14. Thuật toán phân vùng bề mặt tự do .............................................................70 Hình 3. 15. Sơ đồ phân vùng bề mặt thành mảnh mặt dựa theo H và K...............71 Hình 3. 16. Thuật toán lựa chọn dụng cụ hợp lý .............................................................72 Hình 3. 17. Mặt tự do có phân chia thành các mảnh cục bộ.......................................73 Hình 3. 18. Chuyển điểm 3D (x,y,z) sang không gian tham số 2D (u,v)................74 Hình 3. 19. Ánh xạ điểm 3D sang 2D để xác định đường ranh giới ........................74 Hình 3. 20. Ví dụ về cấu trúc tập dữ liệu điểm DP, DP1, DP2, DP3 ............................75 Hình 3. 21. Cấu trúc của các tập dữ liệu điểm ..................................................................75 Hình 3. 22. Quy tắc 4 và 8 điểm lân cận ..............................................................................76 Hình 3. 23. Đường ranh giới của mảng ...............................................................................76 Hình 3. 24. Ranh giới tập điểm xác định bằng phương pháp 4 điểm ....................77 Hình 3. 25. Ranh giới tập điểm xác định bằng phương pháp 8 điểm ....................77 xiv
Hình 3. 26. Thuật toán tạo đường ranh giới mảnh mặt ...............................................78 Hình 3. 27. Các hàm sử dụng xác định kích thước dụng cụ hợp lý .........................79 Hình 3. 28. Macro trên Excel kết nối với Catia V5R20 để xây dựng đường ranh giới từ tập điểm biên trích xuất từ IGES ..............................................................................80 Hình 3. 29. Đường ranh giới của vùng bề mặt tự do cục bộ ......................................80 Hình 3. 30. Bản vẽ thiết kế phôi .............................................................................................81 Hình 3. 31. Máy phay CNC Hamai 3VA ................................................................................81 Hình 3. 32. Dụng cụ cắt ...............................................................................................................82 Hình 3. 33. Mô phỏng quá trình gia công ...........................................................................83 Hình 3. 34. Gia công mẫu trên máy phay CNC Hamai 3VA .........................................83 Hình 3. 35. Thực hiện đo trên máy đo 3 tọa độ SVANEX ............................................83 Hình 3. 36.Điểm đo.......................................................................................................................84 Hình 3. 37. Biểu đồ dữ liệu đo mặt tự do được gia công .............................................85 Hình 3. 38. Biểu đồ so sánh bề mặt theo 2 phương......................................................87 Hình 3. 39. Đường ranh giới xuất hiện trên bề mặt sau gia công ............................90 Hình 3. 40. Gia công bề mặt theo cách 3 .............................................................................92 Hình 4. 1. Sơ đồ khối các nội dung nghiên cứu trong chương 4 ..............................95 Hình 4. 2. Sơ đồ khối xây dựng phương án đánh giá mức độ ảnh hưởng của đường dụng cụ tới độ chính xác tạo hình mặt tự do ......................................................96 Hình 4. 3. Máy phay CNC 3 trục ..............................................................................................97 Hình 4. 4. Dụng cụ cắt .................................................................................................................98 Hình 4. 5. Máy đo 3 tọa độ SVA NEX9016 ..........................................................................98 Hình 4. 6. Thiết kế mẫu thực nghiệm ...................................................................................99 Hình 4. 7. Kiểu đường dụng cụ thông dụng khi gia công mặt tự do ......................99 Hình 4. 8. Sản phẩm gia công theo thí nghiệm trong mảng L9 ............................. 101 Hình 4. 9.Tỉ số S/N ..................................................................................................................... 102 Hình 4. 10. Sơ đồ xây dựng phương án xác định dường dụng cụ hơp lý cho bề mặt tự do cấu trúc lõm .............................................................................................................. 103 Hình 4. 11. Hướng dụng cụ trong tọa độ Descartes ................................................... 104 Hình 4. 12. Gia công mặt cong lõm ..................................................................................... 105 xv
Hình 4. 13. Sơ đồ xác định bước tiến hợp lý St............................................................. 106 Hình 4. 14. Sơ đồ tính toán St ............................................................................................... 107 Hình 4. 15. Sơ đồ tính toán khoảng offset đường dụng cụ hợp lý........................ 108 Hình 4. 16. Sơ đồ offset đường dẫn được chiếu lên mặt cong S(u,v) ................. 109 Hình 4. 17. Sơ đồ thuật toán sinh đường dụng cụ ....................................................... 111 Hình 4. 18. Mô phỏng sinh đường dụng cụ cho vùng cục bộ lõm ......................... 112 Hình 4. 19. Sơ đồ tính toán sai số xấp xỉ .......................................................................... 112 xvi
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Công nghệ điều khiển số trên máy công cụ (Computer Numerical Control – viết tắt là CNC) được ra đời từ khoảng những năm 1940 [1] đã đánh dấu một bước nhảy vọt trong công nghiệp sản xuất. Việc ứng dụng máy CNC không những mang lại năng suất cao, chất lượng sản phẩm ổn định mà còn giải phóng được sức lao động của con người. Với việc các ngành khoa học điều khiển, công nghệ thông tin phát triển… các máy CNC càng trở lên mạnh mẽ hơn, điều đó cũng đồng nghĩa với việc các sản phẩm được chế tạo ra ngày càng phức tạp và tinh xảo. Do những ưu điểm của các máy CNC khiến cho càng ngày càng có nhiều nghiên cứu nhằm nâng cấp máy CNC trở lên ngày càng hoàn thiện. Có hai hướng nghiên cứu chính để cải thiện các máy CNC là hướng nghiên cứu cải thiện phần cứng và hướng nghiên cứu cải thiện phần mềm. Hướng nghiên cứu cải thiện phần cứng để nâng cao năng suất khi gia công trên máy phay CNC như: Nghiên cứu về kết cấu máy [2], [3]… Nghiên cứu ảnh hưởng của rung động [4]–[6]… Nghiên cứu về dụng cụ cắt khi gia công [7], [8]… Nghiên cứu cải thiện các vi mạch điều khiển để cải thiện khả năng điều khiển của máy CNC… Kết quả của các công trình khoa học cũng như thực nghiệm theo hướng này đã đạt được nhiều thành công. Các máy CNC càng ngày càng có kết cấu hoàn thiện, khả năng công nghệ được nâng cao. Qua đó năng suất cũng như chất lượng sản phẩm khi gia công trên các máy CNC có những cải thiện đáng kể góp phần không nhỏ vào sự phát triển của ngành công nghiệp gia công nói chung và gia công trên máy tự động nói riêng. Hướng nghiên cứu cải thiện phần mềm thường là cải tiến về hệ điều hành (chứa các bộ nội suy sử dụng cho tính toán các đường dụng cụ và các thông số trong quá trình gia công cũng như cải thiện khả năng giao tiếp giữa các phần cứng trên máy CNC thông qua các trình điều khiển driver). Các phương pháp nội suy mà các máy CNC thường sử dụng là nội suy tuyến tính hoặc nội suy theo cung tròn [9]. Ngày nay xu hướng nghiên cứu tập trung nhiều vào việc phát triển phần mềm để máy trở lên “thông minh” và “mạnh mẽ” hơn, Do đó các máy CNC ngày càng có tính linh hoạt, đáp ứng được nhiều yêu cầu gia công phức tạp hơn, đặc biệt là những chi tiết máy được thiết kế có chứa các bề mặt tự do. Sự phát triển của máy CNC và những ưu điểm của nó kéo theo các lĩnh vực phục vụ cho hệ máy này cũng phát triển không ngừng đó là CAD (Computer Aided Design – Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) và CAM (Computer Aided Manufacturing – Gia công có sự hỗ trợ của máy tính). CAD hỗ trợ khâu thiết kế trở lên nhanh, dễ dàng và chính xác hơn, CAM hỗ trợ khâu gia công, giải phóng con người khỏi các tính toán với khối lượng phép tính lớn và phức tạp hơn bởi các công thức nội suy tích hợp. Do vậy, lúc này năng suất cũng như độ chính xác khi chế tạo các sản phẩm có ứng dụng CAD/CAM/CNC không còn phụ thuộc hoàn toàn vào máy CNC nữa mà còn phụ thuộc cả vào các yếu tố khác nằm trong khâu thiết kế (có sử dụng CAD) và nằm trong khâu gia công (có sử dụng 1
CAM). Hiện nay việc khai thác sử dụng các máy CNC cũng như các phần mềm CAD/CAM còn chưa hiệu quả, đặc biệt tại Việt Nam chủ yếu dựa trên các kinh nghiệm và các hướng dẫn sử dụng máy, dụng cụ của các hãng sản xuất. Ví dụ việc lựa chọn dụng cụ cắt thế nào là hợp lý, chiến lược dẫn dụng cụ phù hợp nhất đối với bề mặt, các thông số chế độ cắt lựa chọn thế nào cho hợp lý… cũng sẽ ảnh hưởng lớn tới năng suất, chất lượng tạo hình các chi tiết có chứa bề mặt phức tạp. Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC trong sản xuất rất phổ biến không chỉ trên thế giới mà cả ở Việt Nam. Do những ưu điểm mà công nghệ này mang lại nên các nghiên cứu về CAD/CAM/CNC luôn luôn được nhiều nhà khoa học quan tâm. Hiện nay các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực CAD/CAM/CNC ở Việt Nam còn khá hạn chế. Trên thế giới cũng có nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện năng suất, chất lượng sản phẩm khi gia công trên máy CNC. Tuy nhiên những vấn đề liên quan đến bề mặt cũng ít khi được đề cập trong các nghiên cứu này mà chủ yếu là các nghiên cứu về tính toán đường dụng cụ hoặc các chế độ cắt. Trong quá trình nghiên cứu, NCS nhận thấy rằng vấn đề lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý khi gia công các chi tiết có chứa mặt tự do vừa có tính khoa học và cũng có tính thực tiễn rất cao, có tiềm năng lớn để áp dụng vào thực tiễn sản xuất. Được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn và hội đồng đánh giá đề cương đã được trình bày, NCS đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý trong tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục” 2. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục đích của đề tài Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt tự do trên máy CNC 3 trục nhằm đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác tạo hình bề mặt và giảm thời gian gia công so với phương pháp gia công mặt tự do truyền thống. 2.2. Đối tượng nghiên cứu Luận án nghiên cứu phương pháp lựa chọn kích thước dụng cụ cắt và đường dụng cụ phù hợp khi gia công bề mặt tự do trơn trên máy CNC 3 trục. Để thực hiện nghiên cứu đối tượng đã đề ra, luận án đã được phân chia thành các nội dung sau: - Nghiên cứu về phương pháp biểu diễn toán học đường và mặt tự do. - Nghiên cứu phương pháp tách một mặt tự do trơn thành các mảnh mặt tự do cục bộ dựa trên độ cong Gaussian (K) và độ cong trung bình (H), Thông qua bước tách mặt tự do trơn thành các mảnh mặt tự do cục bộ để xây dựng thuật toán và chương trình tính toán kích thước dụng cụ phù hợp nhất đối với từng phân vùng cục bộ sao cho đảm bảo độ chính xác tạo hình đối với từng mảnh mặt cục bộ đó và rút ngắn thời gian gia 2
công. Qua đó sẽ lựa chọn các dụng cụ phù hợp để gia công một mặt tự do trơn (là mặt đơn hoặc mặt tự do trơn tập hợp từ một số mảnh mặt). - Nghiên cứu xây dựng đường ranh giới của từng mảnh mặt cục bộ nếu một mặt cong trơn được cấu thành từ nhiều hơn một mảnh mặt cục bộ (Mục đích của việc xác định đường ranh giới của mảnh mặt cục bộ để giới hạn vùng dụng cụ thực hiện chiến lược chạy dao). - Nghiên cứu ảnh hưởng của đường dụng cụ đến độ chính xác tạo hình bề mặt tự do. - Đề ra giải pháp sinh đường dụng cụ hợp lý khi gia công vùng bề mặt tự do cấu trúc lõm. 2.3. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau: - Quá trình gia công mặt tự do được thực hiện trên máy phay CNC 3 trục với dụng cụ cắt không thay đổi hướng trên toàn bộ quỹ đạo di chuyển trên bề mặt. - Dụng cụ cắt sử dụng trong gia công là dụng cụ tiêu chuẩn. - Vật liệu mẫu có độ cứng thấp để việc nghiên cứu tạo hình ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố về lực cắt và nhiệt qua đó có thể làm kết quả nghiên cứu bị sai lệch. 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng, đánh giá kết quả. Cụ thể như sau: - Nghiên cứu các mô hình biểu diễn toán học đường, mặt tự do, các phép tính và thuật toán liên quan đến mặt tự do phục vụ cho đối tượng nghiên cứu trong luận án. - Xây dựng các chương trình trên Matlab2014b để mô phỏng, tính toán các nội dung liên quan trong luận án. Thiết kế các mẫu thực nghiệm trên CATIA V5R20, mô phỏng quá trình gia công để kiểm chứng phần tính toán lý thuyết. - Xây dựng các mô hình thực nghiệm gia công trên máy phay CNC 3 trục và đo đạc các thông số trên máy đo 3 tọa độ. Xử lý số liệu và đánh giá kết quả lý thuyết và mô phỏng đã thực hiện trong luận án. 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học - Phân tích được cấu trúc đường tự do, mặt tự do, cấu trúc file IGES trong biểu diễn đường tự do trong hệ thống CAD/CAM nhằm đưa ra giải pháp phân chia đường bao giới hạn các vùng bề mặt cục bộ theo các tiêu chí chọn trước. - Xây dựng các chương trình máy tính biểu diễn đường tự do, mặt tự do - Phân tích được ảnh hưởng của việc lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ trong gia công các vùng bề mặt tự do. 3
- Nghiên cứu ảnh hưởng của việc lựa chọn dụng cụ thông qua độ cong Gauss và độ cong chính để đề xuất một phương án lựa chọn dụng cụ căn cứ vào việc tính toán bán kính cong nhỏ nhất theo hai phương chính và xác định đường dụng cụ hợp lý. - Đề xuất được một phương pháp xác định đường dụng cụ mới cho bề mặt cong tự do cấu trúc lõm dựa trên độ cong cục bộ của vùng bề mặt và chiều cao lượng dư để lại giới hạn. Ý nghĩa thực tiễn - Đã áp dụng vào gia công mẫu thử để thấy rõ hiệu quả trong việc giảm thời gian gia công và đảm bảo được độ chính xác tạo hình bề mặt tự do. - Kết quả nghiên cứu là cơ sở để phân tích lựa chọn dụng cụ có kích thước phù hợp theo từng vùng bề mặt cục bộ. - Phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý khi gia công các mặt tự do thông qua việc phân vùng bề mặt trơn thành các vùng bề mặt cục bộ có ý nghĩa quan trọng đối với việc nâng cao năng suất và chất lượng tạo hình sản phẩm có chứa bề mặt tự do khi gia công trên máy CNC 3 trục. Các thuật toán và chương trình máy tính đã được xây dựng để thực hiện phương pháp lựa chọn dụng cụ hợp lý khi gia công tạo hình các bề mặt tự do. Kết quả nghiên cứu của luận án có ý nghĩa thực tiễn, đặc biệt trong công nghiệp chế tạo khuôn mẫu. - Giải pháp sinh đường dụng cụ để gia công bề mặt tự do cấu trúc lõm đảm bảo được độ chính xác tạo hình bề mặt theo yêu cầu và nâng cao năng suất gia công. 5. Những kết quả đạt được và đóng góp mới của luận án - Đã hệ thống hóa được các mô hình toán của đường và mặt tự do, xây dựng các công cụ biểu diễn đường cong, mặt cong, định dạng file IGES để hiểu phương pháp xây dựng đường, mặt tự do trên các hệ thống CAD/CAM thương mại. - Đã phân tích, đánh giá được các phương pháp gia công mặt tự do, chỉ ra được những ưu điểm, nhược điểm của từng phương pháp trong việc đảm bảo chất lượng bề mặt cũng như năng suất gia công các chi tiết có chứa mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục. - Đề xuất phương pháp lựa chọn kích thước dụng cụ hợp lý khi gia công tạo hình mặt tự do dựa trên giải pháp phân vùng bề mặt, xác định được ranh giới vùng cục bộ để thực hiện đường dụng cụ hợp lý. Thực nghiệm gia công kiểm chứng giải pháp đề xuất so với phương pháp gia công truyền thống. - Đã xây dựng mô hình thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của dụng cụ và đường dụng cụ tới chất lượng tạo hình mặt tự do, từ đó có phương án lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý trong gia công các chi tiết máy có chứa bề mặt tự do. - Đề xuất được một phương pháp mới sinh đường dụng cụ khi gia công mặt tự do cấu trúc lõm trên máy phay CNC 3 trục. 4