Tính toán thông số điều khiển động họ và mô phỏng quá trình gia ông trên máy phay cnc 5 trụ psk kiểu trự giao tíh hợp modul quay bc

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- HỒNG THỊ LOANTÍNH TỐN THƠNG SỐ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC VÀ MƠ PHỎNG Q TRÌNH GIA CƠNG TRÊN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC PSK KIỂU TRỰC GI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HOÀNG THỊ LOAN

TÍNH TOÁN THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC VÀ

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC PSK KIỂU TRỰC GIAO TÍCH HỢP MO DUL QUAY BC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

HOÀNG THỊ LOAN

TÍNH TOÁN THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC VÀ

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CNC 5

TRỤC PSK KIỂU TRỰC GIAO TÍCH HỢP MO DUL QUAY BC

Luận văn Thạc sỹ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và những kết quả thực nghiệm được nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn thực tế khách quan Những kết quả tương tự chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tác giả luận văn

Hoàng Thị Loan

Luận văn Thạc sỹ

Tôi xin trân trọng cảm ơn thày TS Nguyễn Hồng Thái – Trung tâm đào tạo và nghiên cứu phát triển công nghệ CNC (BK-CNC), Viện Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà nội đã tạo điều kiện, hướng dẫn và giúp đỡ rất tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận văn cũng như hoàn tất các thủ tục bảo vệ luận văn của mình.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thày cô trong Viện Cơ Khí Trường Đại học Bách Khoa ,

Hà nội cung cấp cho tôi những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian tôi được học và quá trình thực hiện luận văn.

Tôi xin cảm ơn các thày cô trường Cao đẳng Công ghiệp Nam Đị n nh và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ, đóng góp ý kiến để hoàn thành luận văn.

Tác giả luận văn

Hoàng Thị Loan

Luận văn Thạc sỹ

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

L I CỜ M ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC B NG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC KIỂU PSK 3

VÀ GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP 3

1.1 Tổng quan về máy phay CNC nhiều trục kiểu PSK 3

1.1.1 Lịch sử phát triển máy CNC nhiều trục có cấu trúc ĐHSS kết hợp với CĐH

3

1.1.2 Rô bốt song song có cấu trúc trực giao 6

1.2 Tổng quan về gia công bề mặt phức tạp 7

1.2.1 Các chi tiết có bề mặt phức tạp 8

1.2.2 Đường dụng cụ trong gia công các bề mặt phức tạp 10

1.2.3 Hình dáng đường dụng cụ và phương tiến cắt 13

1.2.4 Hiện tượng va chạm trong quá trình gia công 15

1.2.5 Các loại dao trong gia công các bề mặt phức tạp trong không gian 17

1.2.6 Kiểu đường dụng cụ phủ lên bề mặt gia công 18

1.3 Thuật toán sinh quỹ đạo điểm tạo hình CCi 18

1.3.1 Quy luật xoáy ốc 19

1.3.2 Quy luật song song cách đều 21

1.3.3 Quy luật Ziczac 23

1.4 Tính đường dụng cụ và định hướng dụng cụ 25

1.5 Lập trình trên Matlab 2009 tính đường dụng cụ 28

1.6 Kết luận 32

Luận văn Thạc sỹ

Chương 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU

KHIỂN ĐỘNG HỌC MÁY PHAY CNC 5 TRỤC KIỂU PSK 33

2.1 Mô tả cấu trúc máy 33

2.2 Đặt hệ trục tọa độ 34

2.3 Các kí hiệu 34

2.4 Nguyên tắc điều khiển 35

2.5 Phương trình động học 35

Chương 3 THIẾT KẾ KẾT CẤU MÁY 51

3.1 Cơ sở thiết kế 51

3.2 Thiết kế modul RBSS 51

3.3 Thiết kế modul modul quay BC 56

3.4 Tổng thể máy 57

Chương 4 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT PHỨC TẠP 58

TRÊN MÁY CNC 5 TRỤC 58

4.1 Giao diện của phần mềm mô phỏng 58

4.2 Mô phỏng gia công trên một số bề mặt 59

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KH O 65

PHỤC LỤC 68

Luận văn Thạc sỹ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

CA

M

: Computer Aided Manufacturing

RB

Luận văn Thạc sỹ

DANH MỤC CÁC B NG

Bảng 4.1: Trích ngang cơ sở dữ liệu đường dụng cụ kiểu hình tia với dao phay ngón đầu cầu với gia công mặt cầu cho dưới dạng tham số APT 60Bảng 4.2: Trích ngang cơ sở dữ liệu đường dụng cụ kiểu đường xoắn ốc với dao phay ngón đầu cầu gia công mặt yên ngựa cho dưới dạng tham số APT 61Bảng 4 Trích ngang cơ sở dữ liệu đường dụng cụ kiểu xoắn ốc song song với dao 3: phay ngón đầu cầu gia công mặt xoắn vít cho dưới dạng tham số APT 62Bảng 4.4: Trích ngang cơ sở dữ liệu đường dụng cụ kiểu hình tia với dao phay ngón đầu cầu gia công mặt xoắn vít cho dưới dạng tham số APT 63

Luận văn Thạc sỹ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các mẫu máy CNC 5 trục có cấu trúc ĐHSS 3

Hình 1.2 Các mẫu máy CNC 5 trục có cấu trúc kiểu PSK 4

Hình 1.3 RBSS kiểu trực giao Isoglide 7

Hình 1.4 RBSS kiểu trực giao Orthoglide 7

Hình 1.5 Đường dụng cụ 5 trục gia công cánh tua bin 8

Hình 1.6 Các chi tiết có bề mặt phức tạp 8

Hình 1.7 Đường dụng cụ trong gia công các chi tiết phức tạp 9

Hình 1.8 Gia công mặt phẳng bằng dao phay nghón đầu bằng trên máy 5 trục 10

Hình 1.9 Các bề mặt cong trơn 11

Hình 1.10 Gia công bề mặt trên máy phay nhiều trục 11

Hình 1.11 So sánh gia công mặt trụ bằng dao phay ngón đầu bằng trên máy 3 trục 5 trục 12

Hình 1.12 Gia công bề mặt cong có véc tơ pháp tuyến xoắn theo quỹ đạo tạo hình 12

Hình 1.13 Gia công mặt xoắn bằng dao phay ngón đầu bằng và dao đầu cầu 13

Hình 1.14 Ba dạng đường phổ biến của đường dụng cụ 13

Hình 1.15 Đường dụng cụ song song 14

Hình 1.16 Đường dụng cụ theo kiểu zigzag 14

Hình 1.17 Đường dụng cụ tại các mặt vá 15

Hình 1.18 Hướng tiến dao trong gia công nhiều trục 15

Hình 1.19 Va chạm giữa dụng cụ và phần chi tiết còn lại 16

Hình 1.20 Va chạm giữa dao và các bộ phận máy 16

Hình 1.21 Tránh va chạm giữa dao và phần khác của chi tiết gia công 17

Hình 1.22 Các loại dao phay ngón trong gia công các bề mặt phức tạp 17

Hình 1.23 Kiểu dáng đường dụng cụ 18

Hình 1.24 Quy luật xoắn ốc song song 20

Hình 1.25 Quy luật xoắn ốc song song cách đều 22

Hình 1.26 Quy luật zigzag 24

Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.27 Sơ đồ tính đường dụng cụ gia công bề mặt không gian bằng dao đầu cầu 26 Hình 1.28 Biểu đồ phụ thuộc vận tốc cắt, góc nghiêng, vận tốc trục chính của dao đầu

cầu vớiR = 10 mm 27

Hình 1.29 Sơ đồ khối tính đường dụng cụ và định hướng dụng cụ 28

Hình 1.30 Giao diện modul phần mềm tính đường dụng cụ 29

Hình 1.31 Bề mặt cánh mỏng trong không gian 30

Hình 1.32 Đường dụng cụ đẳng tham số theo quy luật Ziczac với gia số 30

u = 0.02, v = 0.02, có góc nghiêng dụng cụ  =  và góc lật dụng cụ  =  30

Hình 1.33 Trường véc tơ định hướng trục dụng cụ 31

Hình 1.34 Bề mặt tham số bậc 3 31

Hình 1.35 Trường véc tơ định hướng trục dụng cụ khi gia công bề mặt bậc 3 32

Hình 2.1 Kiểu máy nghiên cứu 33

Hình 2.2 Các loại dao phay ngón 34

Hình 2.3 Các phép quay định hướng 37

Hình 2.4 Modul RBSS 39

Hình 2.5 Xét trên mặt phẳng XoOZo 40

Hình 2.6 Xét trên mặt phẳng Y0OZ0 41

Hình 2.7 Xét trên mặt phẳng YoOZo 42

Hình 2.8 Nhánh tạo chuyển động tính tiến theo trục x 44

Hình 2.9 Nhánh tạo chuyển động tịnh tiến theo trục y 45

Hình 2.10 Nhánh tạo chuyển động tịnh tiến theo trục z 46

Hình 2.11 Giải thuật xác định thông số điều khiển 49

Hình 3.1 Đế máy 51

Hình 3.2 Bàn máy 52

Hình 3.3 Khung máy 53

Hình 3.4 Cụm dẫn động 54

Luận văn Thạc sỹ

Hình 3.8 Cụm giá di động 56

Hình 3.9 Modul quay BC 57

Hình 3.10 Tổng thể máy 57

Hình 4.1 Giao diện phần mềm mô phỏng 58

Hình 4.2 Đường dụng cụ hình tia gia công mặt cầu 60

Hình 4.3 Gia công bề mặt yên ngựa với kiểu đường dụng cụ xoắn ốc 61

Hình 4.4 Đường dụng cụ gia công mặt yên ngựa kiểu song song cách đều 62

II Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

3 Thuật toán điều khiển các thông số động học của máy có thể mở rộng ứng dụng bằng cách thêm các điều kiện ràng buộc để điều khiển tác hợp 2 robot

Luận văn Thạc sỹ

1 Với modul phần mềm mô phỏng quá trình gia công các bề mặt phức tạp trên máy phay CNC 5 trục kiểu PSK có thể được ứng dụng trong giảng dạy môn học robot công nghiệp và gia công bề mặt trên máy CNC nhiều trục

2 Cập nhật thế hệ máy mới trong sản xuất cũng như gia công cơ khí chính xác III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Dựa trên cơ sở lý thuyết tạo hình (chuyển động cắt gọt tương đối giữa phôi và dụng cụ) tiến hành thiết lập cơ sở dữ liệu gia công và chọn kết cấu máy phù hợp Trong đó đầu trục chính định vị dụng cụ bởi modul robot song song còn bàn quay BC định hướng dụng cụ Từ đó thiết lập thuật toán tính toán mô phỏng và lập trình để kiểm tra cũng như hiệu chỉnh thuật toán

IV CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày trong 67 trang và chia thành 4 chương cụ thể như sau:Chương 1 Trình bày các vấn đề về:

+ Tổng quan về máy CNC nhiều trục kiểu lai giữa động học hở truyền thống kết hợp với song song

+ Tổng quan về gia công bề mặt phức tạp trên máy CNC nhiều trục + Tính toán đường dụng cụ làm cơ sở cho dữ liệu cho bài toán mô phỏng ở chương 4

Chương 2 Thiết lập phương trình động học điều khiển quá trình gia công tác hợp

2 modul robot song song và modul bàn quay BC Chương 3 Thiết kế sơ bộ về kết cấu máy làm cơ sở dữ liệu về kết cấu cho bài

toán mô phỏng file*.stl Chương 4 Trình bày modul phần mềm mô phỏng quá trình gia công các bề mặt

phức tạp trên máy phay CNC nhiều trục của PSK

V PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu về tính toán, lập trình mô phỏng động học quá trình tạo hình trên máy CNC nhiều trục kiểu PSK chưa đề cập đến động lực học và các yếu tố công nghệ khác

Luận văn Thạc sỹ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC KIỂU PSK

VÀ GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP

ơ

1.1 Tổng quan về máy phay CNC nhiều trục kiểu PSK

1.1.1 Lịch sử phát triển máy CNC nhiều trục có cấu trúc ĐHSS kết hợp với CĐH

Theo tài liệu [ ] trước năm 1990 đã có nhiều công trình nghiên cứu về máy công 1

cụ điều khiển số cấu trúc động học song song (PKMT - Parallel Kinematic Machine Tool) nhưng hầu hết đều không thành công, do chi phí cho điều khiển quá cao Sau năm 1990 máy tính trở nên phổ biến và giá thành cũng giảm đi, thế hệ máy này tiếp tục được nghiên cứu phát triển và máy PKMT đầu tiên trên thế giới có tên gọi Octahedral Hexapod được sản xuất bởi hãng Ingersoll vào năm 1990 [2, 3]

Hình 1.1 Các mẫu máy CNC 5 trục có cấu trúc ĐHSS

Luận văn Thạc sỹ

(Parallel Serial Kinematic) từ lý thuyết đến thực nghiệm Ngoài ra, các hãng chế tạo máy công cụ cũng nghiên cứu và đã cho ra đời một số mẫu máy CNC kiểu PSK.Dưới đây là một số các mẫu máy PSK đã được chế tạo thử nghiệm và thương mại:

Hình 1.2 Các mẫu máy CNC 5 trục có cấu trúc kiểu PSK

Như vậy, có thể nói máy CNC kiểu PSK là thế hệ máy mới nhất hiện nay và đây

là hướng nghiên cứu mang tính thời sự ở trong nước và trên thế giới

Luận văn Thạc sỹ

Trong những năm đầu của thế kỷ XXI trở lại đây nghiên cứu về thế hệ máy PSK được các nhà nghiên cứu quan tâm và tập trung vào các vấn đề phân tích động học, miền làm việc, động lực học, thiết kế kết cấu, điều khiển v.v Với những kết quả nghiên cứu đạt được cho thấy rằng PSK là một thế hệ máy mới đầy tiềm năng phát triển và ứng dụng trong gia công cơ khí Dưới đây là một số nghiên cứu đã được công

bố về lĩnh vực này:

Tháng 5/2003, Dan Zhang (Canada)và các đồng nghiệp đã đưa ra một phương pháp mới để phân tích động học các máy có cấu trúc động học song song [4] Phương

máy thử nghiệm được nhóm tác giả nghiên cứu tại Viện công nghệ sản xuất tích hợp thuộc Hội đồng nghiên cứu Quốc gia Canada Kết quả cho thấy phương pháp hữu ích trong việc đánh giá các ứng xử động học của các máy có cấu trúc ĐHSS Đến tháng 8/2003 thừa kế kết quả nghiên cứu trên, nhóm tác giả đã công bố nghiên cứu về “Tối

ưu hóa quỹ đạo dụng cụ bằng thuật toán phát sinh” [5] Trong đó sử dụng mẫu thí nghiệm có đầu trục chính được điều khiển bởi modul RBSS Tripod

Nhóm tác giả Jeng – Shyong Chen (Trung Quốc) năm 2003 đã công bố nghiên cứu về một cơ cấu máy mới với 3 mẫu là Cartesian-Guided Tripod, Cartesian-Guided Pentapod Cartesian-Guided Hexapod , [6] Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tính chính xác khi gia công tỉ lệ với vết tiếp xúc, độ cứng vững, cao hơn so với các máy CNC thông thường

Tại hội nghị quốc tế về kỹ thuật lần thứ 3 được tổ chức tại Đan Mạch tháng 10/2008 D.Milutinovic M.Glavonjic [7và ] và các đồng nghiệp đã trình bày nghiên cứu về “Máy phay mini 3 trục có cấu trúc động học song song phục vụ trong giảng dạy” Máy này được phát triển dựa trên cơ sở cơ cấu máy CNC 3 bậc tự do, các tác giả đã đưa ra cấu trúc, kiểu dáng cũng như là chương trình điều khiển máy Tiếp theo

đó, vào tháng 12/2008, nhóm nghiên cứu tiếp tục công bố thêm các kết quả nghiên

Luận văn Thạc sỹ

mẫu máy này sử dụng hệ điều hành Linux không phổ biến với đại đa số các nước đang sử dụng hệ điều hành Window

Năm 2009, Daniel Kanaan [10] (Pháp) cùng các cộng sự đã công bố nghiên cứu

modul đó là modul robot song song 3 bậc tự do và modul bàn quay BC 2 bậc tự do Nghiên cứu đã tập trung vào giải bài toán động học thuận và nghịch của máy VERNE

Một số các nghiên cứu khác đã công bố như [6, 11 15- ] cũng đề cập tới thế hệ máy SPK này Có thể thấy các tác giả của các nghiên cứu trên đã ít nhiều đề cập tới một

xu hướng phát triển thế hệ PSK mới Tuy nhiên, các nghiên cứu đó chỉ đưa ra một số vấn đề cụ thể mà vẫn chưa giải quyết triệt để các vấn đề đặt ra cho thế hệ máy mới này, như miền không gian hoạt động, đường dụng cụ, tốc độ gia công cũng như là khả năng gia công v.v …

1.1.2 Rô bốt song song có cấu trúc trực giao

Cơ cấu song song nói chung rất đa dạng và phong phú về mặt cấu trúc, kết cấu, kích thước và không gian hoạt động So với các cấu trúc động học khác, cấu trúc động học song song có nhiều đặc điểm nổi trội hơn [1, 4, 6] như:

+ Độ cững vững cao, dẫn đến tốc độ gia công cao và độ chính xác cao hơn, do đó cấu trúc này thường được dùng làm máy phay CNC cao tốc

+ Sự linh hoạt trong thiết kế của cấu trúc động học song song giúp đưa ra nhiều kiểu máy phù hợp với từng ứng dụng cụ thể

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, xin trình bày một số nghiên cứu về nhóm cấu trúc cơ cấu song song có giá di động mang đầu trục chính di chuyển tịnh tiến theo ba trục tọa độ của hệ quy chiếu gốc được gọi RBSS có cấu trúc trực giao Orthoglide Ngoài những ưu điểm chung của cấu trúc động học song song, cấu trúc RBSS Orthoglide còn có thiết kế đẳng hướng giúp cung cấp một miền không gian làm việc liên tục, phân bố vận tốc đồng đều trong miền làm việc và ổn định

Dưới đây là một số kết cấu robot song song trực giao đã được nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm

Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.3 RBSS kiểu trực giao Isoglide

Hình 1.4 RBSS kiểu trực giao Orthoglide

1.2 Tổng quan về gia công bề mặt phức tạp

Theo tác giả Mahadevan [1 ] hầu hết các phần mềm CAM thương mại, gói 5 trục 6đều có cơ sở là công nghệ phay hốc ba bậc tự do Bởi vì, rất nhiều hệ thống CAM

-mềm 5 trục thường bị giới hạn bởi 3 bậc tự do, hai trục còn lại được xác định bởi người dùng Khi sử dụng các gói phần mềm này, người sử dụng kiêm luôn việc vạch

kế hoạch điều khiển lựa chọn chế độ cắt, phân tích, lựa chọn dụng cụ Do đó đến nay các phần mềm CAM thương mại vẫn hạn chế trong việc can thiệp tổng thể đòi hỏi người dùng phải có nhiều kỹ năng, kinh nghiệm và mất nhiều công sức Khi gia công chi tiết có bề mặt phức tạp ví dụ như cánh tua bin (hình 1 ) [17.5 ], người dùng phải hiệu chỉnh liên tục đường dụng cụ bằng cách sửa lại mã G code hoặc sửa lại đường -

Luận văn Thạc sỹ

nghiên cứu quan tâm Trong tài liệu này tác giả đưa ra một thuật toán tính đường dụng

cụ cho máy 5 trục dựa vào điểm tiếp xúc đối với dao phay ngón đầu cầu

Hình 1.5 Đường dụng cụ 5 trục gia công cánh tua bin

1.2.1 Các chi tiết có bề mặt phức tạp

Các chi tiết máy có những bề mặt từ đơn giản cho đến phức tạp ở hình 1 dưới 6 đây khi các bề mặt kiến tạo lên những bề mặt chi tiết phức tạp cánh tua bin hình 1.6b, hay trục đùn của vít tải dầu hình 1.6c hay hình 1.6d với những công dụng khác nhau

mà dạng bề mặt chi tiết có dạng phức tạp khác nhau Qua đó cho thấy đối với máy 3 trục không thể gia công các bề mặt phức tạp do không đủ bậc tự do khi gia công các chi tiết này

Hình 1.6 Các chi tiết có bề mặt phức tạp

Luận văn Thạc sỹ

Trước khi có máy CNC 5 trục thì các bề mặt phức tạp được gia công bằng phương pháp chép hình Ngày nay với sự phát triển của công nghệ CNC 5 trục và 6 trục cho phép không những chỉ dẫn dụng cụ theo đường dụng cụ mà còn điều khiển hướng của dụng cụ để tạo vận tốc cắt trong quá trình gia công các bề mặt phức tạp hình 1.7 dưới đây là ví dụ điển hình

Luận văn Thạc sỹ

1.2.2 Đường dụng cụ trong gia công các bề mặt phức tạp

trục (5 hoặc 6 trục) thì đường dụng cụ có những điểm khác với 3 trục, ngoài việc định vị dụng cụ nó còn định hướng dụng cụ tùy theo độ phức tạp của bề mặt gia công

và hình dạng hình học của dao Dưới đây tà lần lượt xét các ví dụ:

Ví dụ 1:

Trên hình 1.8 xét chi tiết gia công có bề mặt là các mặt phẳng khác nhau được gia công bằng giao phay ngón đầu bằng, ta thấy chi tiết được gia công có mặt phẳng gia công là các mặt phẳng đơn giản nhưng nếu gia công trên máy 3 trục thì việc thiết kế

đồ gá rất phức tạp mới có thể gia công được Tuy nhiên đối với máy 5 trục thì việc thay đổi hướng của trục dao là hoàn toàn gia công được

Hình 1.8 Gia công mặt phẳng bằng dao phay nghón đầu bằng trên máy 5 trục

Ví dụ 2:

Hãy xét bề mặt cong trơn trên hình 1.9a các véc tơ pháp tuyến biến đổi theo bề mặt cong Giả sử cắt trích 1 đường cong trên bề mặt hình 1.9a ta có đường cong với các pháp tuyến ở hình 1.9b Như đã phân tích ở trên ta thấy để gia công các bề mặt này thì dao phải nghiêng 1 góc tối thiểu nào đó để đạt vận tốc cắt

Hình 1.10 Gia công bề mặt trên máy phay nhiều trục

Để nhận thấy sự khác nhau trong quá trình gia công trên máy nhiều trục ta hãy xét thêm ví dụ 4 sau đây là sự so sánh gia công mặt trụ giữa gia công 3 trục hình 1.11a và máy 5 trục hình 1.11b ta thấy gia công được mặt trụ bằng dao đầu bằng thì đối với máy CNC 3 trục vết dao nhiều hơn so với máy 5 trục rất nhiều điều đó cho thấy ảnh hưởng đến năng suất gia công

bị lắc xoắn theo phương hợp với phương trục dao xoắn 1 góc nào đó Để thấy rõ hơn

về vấn đề này ta xét thêm ví dụ 6 dưới đây

Hình 1.12 Gia công bề mặt cong có véc tơ pháp tuyến xoắn theo quỹ đạo tạo hình

Luận văn Thạc sỹ

Ví dụ 6:

Để rõ hơn sự khác nhau giữa gia công 3 trục và nhiều trục ta hãy xét ví dụ ở hình 1.13 khi gia công mặt xoắn bằng dao phay ngón đầu cầu và đầu bằng côn bằng phương pháp bao hình

Hình 1.13 Gia công mặt xoắn bằng dao phay ngón đầu bằng và dao đầu cầu

1.2.3 Hình dáng đường dụng cụ và phương tiến cắt

a) Đường dụng cụ

Cũng tương tự như đối với gia công các bề mặt trên máy 3 trục đường dụng cụ trên máy nhiều trục cũng có kiểu dáng (song song, hình tia, zigzag hay xoáy ốc) Tuy nhiên có do đặc trưng của bề mặt trong không gian như đã phân tích ở trên mà đường dụng cụ là các đường 3D phức tạp dưới đây là một số kiểu đường dụng cụ phổ biến

Hình 1.14 Ba dạng đường phổ biến của đường dụng cụ

Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.15 Đường dụng cụ song song

Trong đó:

a,b - đường dụng cụ kiểu song song

c - biểu diễn từng lớp cắt theo từng lớp

Hình 1.16 Đường dụng cụ theo kiểu zigzag

- Đối với chỗ chuyển giao (mặt vá) giữa các bề mặt thường rất phức tạp đường dụng cụ thường có dạng song song như hình 1.17 dưới đây

Hình 1.18 Hướng tiến dao trong gia công nhiều trục

1.2.4 Hiện tượng va chạm trong quá trình gia công

Trong quá trình gia công các bề mặt không gian ngoài hiện tượng va chạm như trong gia công các bề mặt trên máy 3 trục còn có các hiện tượng va chạm sau:

+ Va chạm giữa dao với các phần bề mặt trên chi tiết gia công hình 1.19

+ Va chạm giữa dao với các bộ phận máy

+ Va chạm giữa các bộ phận của máy với nhau hình 1.20

Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.19 Va chạm giữa dụng cụ và phần chi tiết còn lại

Hình 1.20 Va chạm giữa dao và các bộ phận máy

Như vậy cần phải có những thuật toán để gải quyết vấn đề này, hiện nay các phần mềm của nước ngoài mới chỉ giải quyết được các vấn đề cơ bản trong những trường hợp này đòi hỏi người sử dụng phải tránh một cách thủ công bằng cách chia vùng và cài đặt chương trình theo từng vùng, ví dụ như DelCam, SolidCAM, Cimatron v.v Chính vì vậy mà vấn đề này cũng đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đặc biệt

Luận văn Thạc sỹ

là trong những năm gần đây Hình 1.21 dưới đây là kết quả nghiên cứu của một công trình công bố năm 2007

Hình 1.21 Tránh va chạm giữa dao và phần khác của chi tiết gia công

1.2.5 Các loại dao trong gia công các bề mặt phức tạp trong không gian

Dao dùng gia công các bề mặt phức tạp trong không gian thường dùng là các dao phay ngón Dưới đây là các loại dao phay ngón thường dùng trong thực tế

Luận văn Thạc sỹ

vào những phần đã gia công người ta dùng các loại dao đầu côn biến đổi từ ba loại dao trên

1.2.6 Kiểu đường dụng cụ phủ lên bề mặt gia công

Trong phần mềm CAD/CAM bốn kiểu đường phổ biến thường được sử dụng (song song, xoáy ốc, hình tia, ziczac) Việc chọn kiểu đường dụng cụ phụ thuộc vào

độ phức tạp của bề mặt gia công hay các yêu cầu công nghệ hình 1.23 dưới đây là các kiểu đường dụng cụ Kiểu dáng đường dụng cụ quyết định đến quy luật phủ đường dụng cụ trên bề mặt gia công Trong khuôn khổ tài liệu này tác giả không trình bày việc tính cũng như trọn hình dáng kiểu đường dụng cụ, mà chỉ nêu ra các phương án các kết quả tính chọn sẽ được trình bày trong một dịp khác

Hình 1.23 Kiểu dáng đường dụng cụ

Trước đây đã có một số nghiên cứu đưa ra phương pháp tính quỹ đạo điểm cắt

CCi [18], trong đó phải kể đến phương pháp chiếu quy luật quét từ mặt phẳng tham

số lên mặt thiết kế (sarma, Dutta 1997), phương pháp này có nhược điểm quỹ đạo điểm cắt không đều, không kiểm soát được bước tiến cắt và bước tiến ngang, dẫn đến ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt gia công sau này Phương pháp mặt phẳng dẫn của

Luận văn Thạc sỹ

Choi và Jerrard 1998 chỉ áp dụng được đối với một số quy luật như (ziczac, song song một chiều, hình tia ) các quy luật khác không thực hiện được Phương pháp mặt phẳng định hướng của Kim và Choi 2000, ánh xạ quy luật từ một mặt bất kỳ lên bề mặt gia công, phương pháp này tổng quát hơn cả nhưng gặp phải vấn đề chọn nghiệm đối với các mặt bậc cao Trên cơ sở phân tích trên nhóm tác giả đưa ra phương pháp tổng quát xác định quy luật quét dụng cụ trên mặt phẳng xoy của hệ tọa độ gốc phôi

từ đó ánh xạ lên bề mặt gia công cho dưới dạng tham số Dưới đây là các thuật toán xác định quy luật sinh quỹ đạo điểm cắt

1.3.1 Quy luật xoáy ốc

a) Quy luật song song cách đều

Đối với quy luật xoáy ốc song song cách ta có sơ đồ thuật toán hình 1.24

Trong đó:

+ x, y: Lần lượt là gia số theo trục x,y

+ n, m : Là số điểm nút lưới theo trục x,y tương ứng

+ (−1)p nhằm mục đích đổi chiều theo từng cạnh p tăng sẽ làm đổi dấu của biểu thức tọa độ trong thuật toán ở hình 1.24 từ đó đổi chiều tăng hay giảm của đường dụng cụ theo hai trục x,y

+ Dấu " " ứng với chiều đi của quỹ đạo điểm cắt theo chiều dương (ngược

-chiều kim đồng hồ), dấu "+" ứng với -chiều ngược lại (thuận -chiều kim đồng hồ)

+ Khi :m=n và x= y ta có đường xoáy ốc vuông cách đều

+ Khi mKn và x =  y ta có đường xoáy ốc chữ nhật cách đều

Tuỳ thuộc vào sai số yêu cầu mà gia số  x, y theo các trục x,y được chọn hợp lý

do đó thuật toán trên hoàn toàn áp dụng trong trường hợp tổng quát

Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.24 Quy luật xoắn ốc song song

End

p=p+1, n=n-1 m=m-1, d=0

i<=n(m+1)

i=i+1, d=d+1

(Đúng) (Sai)

d<=n

d<=m

(Đúng) (Sai)

Luận văn Thạc sỹ

1.3.2 Quy luật song song cách đều

Đối với quy luật song song cách đều ta có sơ đồ thuật toán hình 1.25

Trong đó:

+ x, y : Lần lượt là gia theo trục x và y

+ n : Số vòng quét lên bề mặt gia công

+ Dấu “+”: Khi chiều cắt (ngược chiều kim đồng hồ), dấu “ ” chiều cắt (thuận chiều kim đồng hồ)

-+ p: Chỉ số đổi dấu

+ Nếu Δx = Δy: ta có song song vuông cách đều

+ Nếu Δx K Δy : ta có song song cách đều chữ nhật

(Đúng) (Sai)

Luận văn Thạc sỹ

1.3.3 Quy luật Ziczac

Đối với quy luật ziczac hình 1c, ta có sơ đồ thuật toán hình 6

Trong đó:

+ Δx, yΔ : Lần lượt là gia số theo trục x, y

+ k: Bước tiến ngang của đường zigzag

+ Dấu : dấu “ “ ứng với chiều tiến dao ngược chiều kim đồng hồ, dấu “+”ứng với chiều tiến dao thuận chiều kim đồng hồ

i<=(n+1).(m+1)+(k-End

d=1,i=i

i=i+1, x i =x i-1

y j =y j-1Δy t=t+1

(Đúng)

(Sai)

(Sai)

(Sai)

Luận văn Thạc sỹ

1.4 Tính đường dụng cụ và định hướng dụng cụ

Trước đây đã có nhiều nghiên cứu đưa ra các giải thuật tính đường dụng cụ gia công tinh các bề mặt bằng dao phay ngón đầu cầu Tuy nhiên, hầu hết các tác giả chỉ tập trung vào tính toán cho máy 3 trục, như thuật toán tính toán điểm định vị cho dao phay ngón đầu cầu gia công tinh bề mặt khuôn mẫu bằng phương pháp tiếp xúc và phương pháp trực tiếp [ ] Prasenjit đưa ra thuật to18 án tính bù sai số đường dụng cụ [19] Peng Wu và các đồng nghiệp đưa ra thuật toán xác định lưới bao phủ lên bề mặt gia công với sai số nhỏ nhất [20] còn Gyula Herman đưa ra thuật giải tính đường dụng cụ điều khiển máy C C 3 trục theo thời gian thực [21 Trong khi đó N ]Debananda và các đồng nghiệp và các đồng nghiệp đưa ra thuật toán biến đổi ngược

để tính đường dụng cụ trong máy 3 trục CNC [22] v.v Đối với đường dụng cụ 5 trục khi sử dụng dao đầu cầu thường thì các tác giả, giả định biết trước hướng trục dao và đi sâ vào phân tích tránh va chạm [23] hoặc tối ưu đường dụng cụ [24] hoặc u

đi vào xét hướng nhưng sử dụng điểm định vị trực tiếp Trong bài báo này tác giả tính đường dụng cụ và định hướng dụng cụ dựa vào điểm tiếp xúc

ru

rn

r

* i

* i r u

* i r

* i n

CC CC

CC CC

Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.27 Sơ đồ tính đường dụng cụ gia công bề mặt không gian bằng dao đầu cầu

Vậy, Với giả thiết (1) là quỹ đạo điểm tạo hình Khi đó ta có trường véc tơ pháp tuyến nitrên hình 1.27 Như vậy, để dao cắt với vận tốc cắt hợp lý thì trục của dao tx

luôn phải tạo với véc tơ pháp tuyến tại các điểm CLi* (điểm định vị của dao ở tâm

dao đầu cầu) trên quỹ đạo ( 1) một góc mà tâm quay tại CL   i* trên véc tơ pháp tuyến có khoảng cách CCiCLi= R và được cho bởi phương trình :

n R r

Như vậy, quỹ đạo các điểm CLi được gọi là đường dụng cụ (Tool path), dẫn dụng

cụ quét bao hình trên bề mặt gia công tinh

b) Tính định hướng dụng cụ

Vận tốc cắt của dao đầu cầu biến đổi từ 0  Vcắt

1000

.nD

đồ phụ thuộc vận tốc cắt của loại dao này Do đó, để có vận tốc cắt hợp lý trục dao tx

Luận văn Thạc sỹ

phải hợp với n một góc bằng cách quay quanh trục d một góc Từ (hình  1.27)

ta thấy, tại mỗi điểm cắt CCi thuộc bề mặt ( s) và một góc   sẽ có vô số vị trí của dao

mà quỹ tích của trục dao tạo với phương pháp tuyến tại CCi là một mặt nón đỉnh CLi

Hình 1.28 Biểu đồ phụ thuộc vận tốc cắt, góc nghiêng, vận tốc trục chính của dao đầu cầu với

y vy uy

x vx ux

nn

nA

0

0)

Sin Cos

n R

0 0

0 0

1 ) , (  *

f

ddt

fd

)(

Trong đó:

+ f : là phương trình quỹ đạo điểm tạo hình

+ n: véc tơ pháp tuyến tại điểm CCi của (s)

1.5 Lập trình trên Matlab 2009 tính đường dụng cụ

Với các biểu thức xác định điểm định vị dụng cụ và véc tơ định hướng dụng cụ tính ở mục 1.4 ta có sơ hình 1.29

Hình 1.29 Sơ đồ khối tính đường dụng cụ và định hướng dụng cụ

Như vậy, có thể tiến hành lập trình trên Matlab Modul phần mềm (hình 1.30) tính toán đường dụng cụ và định hướng dụng cụ với các mảnh mặt: cầu, yên ngựa, xoắn vít Quỹ đạo phủ đường dụng cụ là các kiểu đường thông dụng xoáy ốc, ziczac, song

Luận văn Thạc sỹ

song và hình tia Kết quả của Modul này cho ra đường dụng cụ ( quỹ đạo điểm định

vị dụng cụ) và trường véc tơ định hướng của dụng cụ dưới dạng file cơ sở dữ liệu

phục vụ cho việc xuất dữ liệu điều khiển máy phay CNC 5 trục cũng như mô phỏng quá trình gia công

Hình 1.30 Giao diện modul phần mềm tính đường dụng cụ

Trên cơ sở Modul này các kết quả được xuất ra dưới dạng file.txt dưới dạng sau:

−

−+

+

−+

+

−

++

−

=

1,12258,503,277

,6

2,769

.3)(

9.5

1,283,131

6,59,884,94

2 2 2

2 2

vuuv

v

uu

vv

uv

vv

v

u