Bài viết Chiến lược chạy dao cho gia công tinh mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục bằng phương pháp tam giác hóa bề mặt trình bày một phương pháp để tạo đường dẫn dụng cụ gia công mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục sử dụng phương pháp phân hóa bề mặt thành lưới tam giác. Vùng bề mặt gia công sẽ được xấp xỉ hóa bởi các mảnh tam giác.
CHI N L C CHẠY DAO CHO GIA CÔNG TINH M T T DO TRÊN MÁY PHAY CNC TR C B NG PH NG PHÁP TAM GIÁC HÓA B M T Nguyễn Tiến Tiệp Khoa Điện - Cơ Email: tiepnt@dhhp.edu.vn Ngày nhận bài: 06/6/2022 Ngày PB đánh giá: 23/6/2022 Ngày duyệt đăng: 02/7/2022 TĨM TẮT: Hiện nay, gia cơng chi tiết máy máy CNC phổ biến thay phần lớn phương pháp gia cơng truyền thống Bài báo trình bày phương pháp để tạo đường dẫn dụng cụ gia công mặt tự máy phay CNC trục sử dụng phương pháp phân hóa bề mặt thành lưới tam giác Vùng bề mặt gia cơng xấp xỉ hóa mảnh tam giác Tại vùng biên bề mặt xấp xỉ tinh chỉnh bù sai số để tạo vùng biên xấp xỉ Q trình thử nghiệm mơ phần mềm CAM cho thấy hiệu phương pháp đề xuất có cải thiện so với phương pháp giới thiệu Từ khóa: Mặt tự do, đường dẫn dụng cụ, tối ưu hóa đường dẫn dụng cụ, máy phay CNC trục, tam giác hóa bề mặt TOOLPATH GENERATION STRATEGY FOR FREEFORM SURFACE MACHINING ON CNC AXES USING TRIANGULAR SURFACES METHOD ABSTRACT: Nowadays, machining parts or surfaces on CNC machines have been widely and have replaced most of the traditional machining methods In this paper, we introduced a method to toolpath generations for the freeform surface on axes CNC milling The surfaces were divided into triangular patches Scripts created on Matlab 2010 to generate toolpath and export G-code for freeform surfaces Simulating on CAM software also shows that the effectivesness of the proposed method has improved compared to the traditional methods Keywords: Freeform surafaces, toolpath, optimization toolpath, axes CNC, triangular TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 31 ĐẶT VẤN ĐỀ Gia công máy CNC sử dụng rộng rãi công nghiệp từ đơn giản tới phức tạp, ví dụ cơng nghiệp sản xuất ô tô, hàng không vũ trụ, khuôn mẫu… Trong đó, máy CNC trục có mức độ phổ biến lớn tính đơn giản kết cấu, điều khiển đặc biệt gia cơng hầu hết chi tiết từ đơn giản đến phức tạp, chiếm tỉ lệ lớn loại chi tiết cơng nghiệp Trong máy phay trục có tính linh hoạt gia công lớn, giá thành đắt tỉ lệ chi tiết cần gia công loại máy thấp Do việc tối ưu hóa gia cơng máy phay CNC trục cần thiết nhiều nhà nghiên cứu tập trung nghiên cứu nhằm tối ưu đường dẫn dụng cụ nhóm máy Việc tạo đường dẫn dụng cụ bề mặt tự vấn đề q trình gia cơng tinh bề mặt, mục tiêu nghiên cứu Thơng thường có kỹ thuật phổ biến nhà nghiên cứu sử dụng để tạo đường dẫn dụng cụ kỹ thuật iso-parametric [1], kỹ thuật iso-planar [2] kỹ thuật iso-scallop height [3]-[7] Kỹ thuật iso-parametric sử dụng đường cong với tham số không đổi làm đường dẫn dụng cụ Dụng cụ cắt di chuyển theo đường cong đẳng tham số bề mặt theo chiều, thường cố định tham số di chuyển theo tham số lại theo đường zigzag Trong phương pháp iso-planar sử dụng đường giao tuyến mặt phẳng song song cách với mặt tự để làm đường dẫn dụng cụ Phương pháp đặc trưng khoảng cách cố định mặt phẳng song song 32 TR NG ẠI H C HẢI PH NG với không gian Phương pháp iso-scallop height phương pháp tạo đường dẫn tự do, có giàng buộc chiều cao phần kim loại để lại sau bước dịch dao ngang Sc (hình 3) khơng đổi Phương pháp sử dụng nhiều đường dẫn dụng cụ tạo phương pháp thường ngắn độ đồng chất lượng bề mặt tốt Tuy nhiên, hai phương pháp isoparametric iso-scallop height phù hợp với mặt biểu diễn đưới dạng tham số Điều không tốt cho việc tạo đường dẫn dụng cụ máy CNC khối lượng tính tốn lớn, đặc biệt điểm tiếp xúc dao - chi tiết gia công (Cutting Contact Points, CC-Points) Để đơn giản việc tìm điểm CCpoints phương pháp đa diện hóa bề mặt thường sử dụng Đầu tiên bề mặt tự tổng quát ánh xạ sang không gian tham số, từ không gian tham số bề mặt phân tách thành mảnh mặt tứ giác, từ mảnh mặt tứ giác bề mặt tiếp tục phân tách thành mảnh bề mặt tam giác Sau bề mặt tham số hóa phân chia thành mặt mặt tam giác ánh xạ ngược lại không gian Euclide Trên sở bề mặt tự không gian Euclide tam giác hóa, nghiên cứu xây dựng thuật tốn để tính tốn điểm CC-points tương ứng Từ điểm CC-points tính tốn để xác định điểm vị trí dụng cụ (cutting location points, CL-points) PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Tam giác hóa bề mặt Để tam giác hóa mảnh mặt bề mặt nghiên cứu thực theo bước sau: Bước 1: Chuyển bề mặt tự không gian tham số u, v Bước 5: Hiệu chỉnh bề mặt tự tam giác hóa Bước 2: Tứ giác hóa bề mặt khơng gian tham số u, v Phương trình bề mặt tự dạng tổng quát (1) Bước 3: Tam giác hóa bề mặt không gian tham số u, v (1) Bước 4: Ánh xạ bề mặt từ không gian tham số u, v sang khơng gian Euclide Trong Pi,j điểm điều khiển (0 ≤ i, j ≤ n); Bi,n(u), Bj,m(v) tham số mặt cong Bezier [8] Bước Bước Bước Bước Bướ c1 Hình Sơ đồ bước tam giác hóa bề mặt tự Khi bề mặt tam giác hóa vùng tam giác hóa có sai số dây cung, để hiệu chỉnh sai số cần phải xấp xỉ chúng Be mat Manh mat thuc Manh tam giac Hình Sơ đồ tính xấp xỉ dung sai bề mặt thực với mảnh tam giác Trên hình 2, gọi sai số xấp xỉ bề mặt thực với mảnh tam giác Sai số ảnh hưởng tới độ xác bề mặt gia cơng Do để làm xác hóa bề mặt cần phải xấp xỉ tham số cho mảnh mặt tam giác tiến dần tới bề mặt thực Gọi PE điểm nằm bề mặt thực không gian Euclide trung tâm dây cung P1P2 PP điểm nằm bề mặt tham số, tức nằm cạnh P1P2 TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 33 mảnh mặt tam giác Dễ dàng xác định giá trị khoảng cách hai điểm này, tức xác định giá trị Tùy thuộc vào độ xác gia cơng u cầu mà có giá trị sai số tới hạn [] Giá trị tính tốn không vượt giá trị [], trình chia lưới giá trị vượt giá trị tới hạn lưới tiếp tục chia đơi 2.2 Xác định đường tiếp xúc dụng cụ - chi tiết Mỗi vị trí gia cơng, dụng cụ tiếp xúc với chi tiết điểm CC-points Tập hợp tất điểm CC-points tạo thành đoạn (thẳng cong) tiếp xúc dụng cụ chi tiết Trong trình gia cơng, có vơ số đoạn thẳng tiếp xúc dụng cụ - chi tiết, tập hợp đoạn gọi đường tiếp xúc dụng cụ - chi tiết gọi CC-paths Xác định đường CC-paths có tính định tới độ xác bề mặt chi tiết gia cơng Độ xác gia cơng định hai thông số, thông số thứ độ lớn chiều cao scallop thông số thứ hai sai số bước tiến dọc, chiều cao scallop phụ thuộc vào bước tiến ngang Điều có nghĩa giá trị bước tiến ngang bước tiến dọc có ảnh hưởng trực tiếp đến khơng suất mà cịn độ xác chi tiết gia cơng máy CNC Để tính tốn đường dẫn dụng cụ cần phải tính tốn điểm CC-points Để tính tốn điểm CC-points theo giá trị độ xác yêu cầu, nghiên cứu sử dụng phép nội suy tuyến tính Các bước tính tốn điểm CC sau: Bước 1: Tìm tất tam giác mơ hình hóa lên bề mặt Bước 2: Cố định tham số, cho tham số lại chạy giả sử y=yi, i=1,n 34 TR NG ẠI H C HẢI PH NG Bước 3: Sắp xếp mảnh tam giác theo trình tự sở tọa độ x cố định trước đỉnh tam giác Các điểm giao nằm cạnh tam giác chọn làm điểm CC Bước 4: Kết nối điểm CC tạo đoạn CC tương ứng với lát cắt Bước 5: Kết nối đoạn CC thành đường CC hoàn chỉnh Để thực Bước với tất đoạn CC cần phải xác định bước tiến ngang Khoảng cách bước tiến ngang khoảng cách lát cắt liên tiếp mà dụng cụ cắt di chuyển bề mặt chi tiết Khoảng cách phụ thuộc vào độ cong cục điểm cắt Để xác định độ cong cục bề mặt điểm cắt phải xác định bán kính cong Pháp tuyến đơn vị: =| × × (3) | Trong Su Sv đạo hàm riêng phương trình bề mặt tự biểu diễn dạng tham số theo hướng u v Bán kính cong cục điểm xét xác định theo công thức sau [9]: (4) Trong giá trị E, F, G, L, M, N [8] xác định theo (5): E= S S , u u , 2 S S S L = n, M = n, N = n, (5) u u v v Trong đó: E, F, G: Hệ số sở thứ bề mặt tự S(u,v) L, M, N: Hệ số sở thứ hai bề mặt tự S(u,v) Trên hình biểu diễn sơ đồ tính tốn bước tiến ngang S n Khoảng dịch dao ngang bề mặt chi tiết từ điểm A đến điểm C, vị trí tâm dụng cụ vị trí A, B O1 O2 Do lượng dịch dao gia công tinh thường nhỏ tức khoảng AC nhỏ nên cung AC xấp xỉ thành đoạn thẳng AC, độ cong cục 1, 2 xấp xỉ nhau, đặt độ cong Xét tam giác đồng dạng O1XO ~ ADO ta có: (6) Hình Sơ đồ tính tốn bước tiến ngang Xét tam giác vng O1XB vuông X O1XB vuông x ta có: (7) Thay (6) vào (7) ta có: (8) TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 35 Từ phương trình (6) rút giá trị Sn, giá trị Sn bước dịch dao ngang để xác định vị trí đoạn kế tiếp, trình lặp lại xác định = + ∗ Mỗi CC-points xác định CL-points () tương ứng theo (7) Tập hợp CL-points thành đường dẫn dụng cụ Để xuất mã G-code chương trình xuất theo tọa độ điểm CL-points (8) 2.3 Hiệu chỉnh đường dẫn dụng cụ Sau đỉnh tam giác xác định thông qua trình phân chia trên, lưới tam giác hình thành Tại đỉnh tam giác xác định vị trí dụng cụ tiếp xúc chi tiết Đường dẫn dụng cụ thực theo hai hướng từ đỉnh tam giác tới đỉnh tam giác (hình 4) dụng cụ cắt Trên hình biểu diễn hai hướng để dẫn dao dọc hướng chéo Để đảm bảo độ xác cho trước, có tính tốn so sánh sai số theo hai phương pháp vị trí điểm cắt Từ đường dẫn dụng cụ hiệu chỉnh theo sai số KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Để kiểm tra tính xác thực thuật toán trên, nghiên cứu xây dựng bề mặt tự có 25 nút, kích thước 200x200mm (hình 4) Phơi x*y*z = 200*200*36, phần lượng dư bề mặt để lượng tối thiểu 1mm Hình Bề mặt chi tiết lồng phôi Tạo lưới tam giác bề mặt đường dẫn dụng cụ Hình CC-points, CL-points, CC-path CL-path Sau bề mặt đa giác hóa sinh nhiều hướng điều khiển 36 TR NG ẠI H C HẢI PH NG Kết cho thấy phương pháp phù hợp cần xây dựng đường dẫn dụng cụ bề mặt tự Mật độ lưới ảnh hưởng trực tiếp tới độ xác chi tiết yêu cầu Đường dẫn tạo phương pháp lưới hóa bề mặt có hiệu mặt thời gian tốt Tuy nhiên với yêu cầu khắt khe độ xác mật độ lưới trở lên dày đặc, trình tạo lưới tiêu tốn thời gian tài ngun máy tính tương đối lớn,do cần thực máy cấu hình cao Tuy nhiên phương pháp phù hợp với dạng bề mặt tự kể liệu dạng đám mây điểm Khi công nghệ quét 3D thiết bị quét ngày tiên tiến liệu đám mây điểm sử dụng nhiều, lợi để phương pháp đa giác hóa bề mặt có tính ứng dụng lớn Giải pháp mở rộng thêm giải pháp xây dựng đường dẫn dụng cụ cho gia công bề mặt phức tạp hệ thống CAD/CAM thương mại thể cải thiện tự động hóa q trình gia công bề mặt tự máy CNC trục hỗ trợ cho hệ thống CAD/CAM việc sinh đường dẫn dụng cụ Phương pháp phù hợp với dạng bề mặt phức tạp bề mặt tự Đặc biệt phù hợp với loại liệu bề mặt dần trở lên phổ biến đám mây điểm, loại liệu thu máy quét 3D Qua mở rộng tính ứng dụng phương pháp lên tương lai lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO Z Han and D C H Yang(1999), "Isophote based tool-path generation for machining free-form surfaces", J Manuf Sci Eng Trans ASME, vol 121, no 4, pp 656-664, M Pinto, H Rehman, R Siddiqui, M A Khan, and A Masood (2015), "Tool Path Generation, for Complex Surface Machining, Using Point Cloud Data", Procedia CIRP, vol 26, pp 397-402 Hình Lưới tam giác đường dẫn dụng cụ KẾT LUẬN Thuật toán đề xuất để sinh đường dẫn dụng cụ mặt tự theo giải pháp tam giác hóa bề mặt Các đường dẫn dụng cụ sinh đường cong phẳng, dễ dàng xác định tốc độ tiến dao dọc ngang nhằm tăng suất q trình gia cơng mà đảm bảo độ xác Kết mơ đường dẫn dụng cụ chứng minh thuật tốn hồn tồn khả thi có tính ứng dụng thực tế Phương pháp đề xuất có A Lasemi, D Xue, and P Gu (2010), "Recent development in CNC machining of freeform surfaces: A state-of-the-art review", CAD Comput Aided Des., vol 42, no 7, pp 641-654 X Liu, Y Li, S Ma, and C H Lee (2015), "A tool path generation method for freeform surface machining by introducing the tensor property of machining strip width", CAD Comput Aided Des., vol 66, pp 1-13 Y Sun, S Sun, J Xu, and D Guo (2017), "A unified method of generating tool path based on multiple vector fields for CNC machining of compound NURBS surfaces", TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 37 CAD Comput Aided Des., vol 91, pp 14-26 N Van Tuong and P Pokorný (2010), "A practical approach for partitioning freeform surfaces", Int J Comput Integr Manuf., vol 23, no 11, pp 992-1001 My Chu A; Bohez Erik L J; Makhanov Stanlislav S; Munlin M; Phien Huynh N; Tabucanon Mario T (2005), "On 5-Axis 38 TR NG ẠI H C HẢI PH NG Freeform Surface Machining Optimization: Vector Field Clustering Approach", Int J CAD/CAM, vol 5, no 1, pp 1-10 S P Radzevich (2008), “Geometry Kinematic Geometry Machining.” Taylor & Francis Groups, LLC V Communications (1997), “The NURBS book,” vol 35, no 02 ... CL-points) PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Tam giác hóa bề mặt Để tam giác hóa mảnh mặt bề mặt nghiên cứu thực theo bước sau: Bước 1: Chuyển bề mặt tự không gian tham số u, v Bước 5: Hiệu chỉnh bề mặt tự tam. .. tam giác hóa Bước 2: Tứ giác hóa bề mặt khơng gian tham số u, v Phương trình bề mặt tự dạng tổng quát (1) Bước 3: Tam giác hóa bề mặt khơng gian tham số u, v (1) Bước 4: Ánh xạ bề mặt từ không gian... xỉ bề mặt thực với mảnh tam giác Sai số ảnh hưởng tới độ xác bề mặt gia cơng Do để làm xác hóa bề mặt cần phải xấp xỉ tham số cho mảnh mặt tam giác tiến dần tới bề mặt thực Gọi PE điểm nằm bề mặt