ứng dụng mô hình hóa bề mặt offset khi gia công bề mặt trên máy công cụ cnc bằng dao phay đầu cầu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ========== NGUYỄN THỊ QUỲNH NGA ỨNG DỤNG TOÁN HỌC MÔ HÌNH HÓA BỀ MẶT OFFSET KHI GIA CÔNG BỀ MẶT TRÊN MÁY CÔNG CỤ CNC BẰNG DAO PHAY ĐẦU CẦU Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: 60.52.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Thái Nguyên - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- Lời cảm ơn Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Khoa đào tạo sau đại học và các thầy giáo đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này. Với sự kính trọng sâu sắc, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Hoàng Vị- người Thầy đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Sau hết Tôi xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và người thân đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của TS. Hoàng Vị. Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định. Ngƣời thực hiện Nguyễn Thị Quỳnh Nga Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3- MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cảm ơn 1 Lời cam đoan 2 Mục lục 3 Danh mục kí hiệu và chữ viết tắt 5 Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ảnh chụp 5 Phần mở đầu 9 1. Tính cấp thiết của đề tài 9 2. Mục đích nghiên cứu 10 3. Phƣơng pháp nghiên cứu 10 4. Nội dung nghiên cứu 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ GIA CÔNG PHAY BẰNG DAO PHAY ĐẦU CẦU 1.1. Giới thiệu 11 1.1.1. Các thông số kỹ thuật cần thiết 11 1.1.1.1. Các thông số hình học của bề mặt chi tiết gia công 13 1.1.1.2. Các thông số hình học của dao phay đầu cầu 22 1.2. Mô hình lực cắt 26 1.2.1. Xác định tƣơng tác của dụng cụ cắt 26 1.2.2. Hiện tƣợng đảo dao 29 1.3. Một số đặc điểm bề mặt chi tiết sau khi gia công 32 1.4. Kết luận 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- CHƢƠNG 2: TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG 38 2.1. Mô hình hình học bề mặt chi tiết gia công 38 2.2. Quan hệ hình học giữa profin của dao và phôi 39 2.3. Mô hình lực cắt khi phay 46 2.4. Kết luận 53 CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA CÁC BỀ MẶT OFFSET 3.1. Giới thiệu 55 3.2. Thực thể của các bề mặt 55 3.3. Biểu diễn các bề mặt 60 3.4. Phân tích bề mặt 64 3.4.1. Vecto tiếp xúc ( tiếp tuyến ) 64 3.4.2. Vecto xoắn (Twist vector) 65 3.4.3. Các véc tơ thông thƣờng 66 3.4.4. Phép tính khoảng cách 67 3.4.5. Các đƣờng cong 69 3.4.6. Các mặt phẳng tiếp xúc 70 3.5. Phân tích các bề mặt 72 3.6. Mặt phẳng 72 3.7. Mặt phẳng xiên 76 3.8. Mặt trụ kẻ 78 3.9 Tổng hợp các bề mặt 78 3.10. Bề mặt song lập phƣơng Hermite 79 3.11. Bề mặt Bezier 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -5- 3.12. Bề mặt B- spline 85 3.13. Bề mặt Coon 88 3.14. Bề mặt đa hợp 94 3.15. Các phần tử tam giác 95 3.16. Các thao tác với bề mặt 96 3.16.1. Biểu diễn bề mặt 96 3.16.2. Đánh giá các điểm và các đƣờng cong trên bề mặt 98 3.16.3. Sự phân mảnh 98 3.16.4. Cắt 99 3.16.5. Giao tuyến 100 3.16.6. Phép chiếu 101 3.17. Bề mặt offset 103 3.18. Kết luận 104 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN CHUNG 105 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CNC Computer Numerical Control Điều khiển số máy tính CAD Computer Aided Design Thiết kế bằng máy tính CAM Computer Aided Manufacturing Sản xuất bằng máy tính NURBS Non-uniform rational B-splines Bề mặt NURBS MCS Machine Coordinate system Hệ toạ độ máy WCS Workpiece Coordinate system Hệ toạ độ phôi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -6- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ - ẢNH CHỤP TT Hình Nội dung Trang 1. Hình 1.1 Hệ tọa độ của máy phay CNC 12 2. Hình 1.2 Phay mặt cong bằng dao phay cầu 13 3. Hình 1.3 Tọa độ cong trên mặt cong 14 4. Hình 1.4 Góc giữa hai mặt cong 17 5. Hình 1.5 Độ cong của mặt cong 17 6. Hình 1.6 18 7. Hình 1.7 Độ cong trung bình của mặt cong 20 8. Hình 1.8 Các điểm đặc biệt 21 9. Hình 1.9 Hình học của dao phay đầu cầu 23 10. Hình 1.10 Thông số hình học của lƣỡi cắt 26 11. Hình 1.11 Vị trí tƣơng đối của điểm P với vị trí trƣớc đó của dụng cụ cắt trong mặt phẳng thẳng đứng, với Z=Z P 27 12. Hình 1.12 Các thông số tại điểm P trong mặt phẳng (x, z), trƣờng hợp cắt lên dốc 29 13. Hình 1.13 các thông số đảo hƣớng tâm: (a) mô tả hiện tƣởng đảo hƣớng tâm; (b) bán kính tƣơng đƣơng R e (zp) của dao phay tại điểm P 30 14. Hình 1.14 Khi bán kính dao lớn hơn bán kính cong chi tiết 32 15. Hình 1.15 Tiếp xúc ngoài 33 16. Hình 1.16 Tiếp xúc trong 33 17. Hình 1.17 Điểm lùi của đƣờng cong lồi 33 18. Hình 1.18 Điểm lùi của đƣờng cong lõm 33 19. Hình 1.19 Thay đổi kích thƣớc và thông số kết cấu của dụng cụ 34 20. Hình 1.20 Độ nhấp nhô bề mặt chi tiết 34 21. Hình 1.21 Sự hình thành bề mặt khi gia công bằng dao phay cầu 35 22. Hình 2.1 Các thông số hình học của quá trình phay 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -7- 23. Hình 2.2 Mô hình hình học phần cầu của dao 41 24. Hình 2.3 Mối quan hệ giữa các thông số hình học của dao 43 25. Hình 2.4 Đồ thị của hàm F 1 44 26. Hình 2.5 Mô hình bề mặt chi tiết gia công tại một vị trí cắt 45 27. Hình 2.6 Các thành phần của vận tốc cắt tại một điểm cắt 46 28. Hình 2.7 Kiểu chạy dao theo biên dạng chi tiết 47 29. Hình 2.8 Kiểu chạy dao theo phƣơng ngang 47 30. Hình 2.9 3 thành phần của vecto tốc độ chạy dao răng và các góc tƣơng ứng 48 31. Hình 2.10 Quá trình tạo phoi 49 32. Hình 3.1 Các bề mặt trụ tròn 56 33. Hình 3.2 Các mặt phẳng 57 34. Hình 3.3 Mặt cơ sở 57 35. Hình 3.4 Mặt cong 58 36. Hình 3.5 Mặt trụ kẻ 58 37. Hình 3.6 Mặt phẳng Bezier 59 38. Hình 3.7 Mặt phẳng B – spline. 59 39. Hình 3.8 Bề mặt coons 59 40. Hình 3.9. Bề mặt fillet 60 41. Hình 3.10. Bề mặt offset 60 42. Hình 3.11. Vị trí của điểm P 61 43. Hình 3.12. Biểu diễn tham số của mặt phẳng 62 44. Hình 3.13. Hai mảnh (2 patch) của bề mặt 62 45. Hình 3.14. Những mặt nối các mảnh hình tam giác và chữ nhật 63 46. Hình 3.15. Điều kiện biên của bề mặt 63 47. Hình 3.16. Hình học của vec tơ xoắn 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -8- 48. Hình 3.17. Khoảng cách giữa 2 điểm 68 49. Hình 3.18. Góc của mặt phẳng tiếp xúc 71 50. Hình 3.19. Xác định bề mặt mặt phẳng đi qua 3 điểm 73 51. Hình 3.20. Xác định bề mặt mặt phẳng qua một điểm tới hai hƣớng 74 52. Hình 3.21. Một điểm và vectơ pháp tuyến của mặt phẳng 74 53. Hình 3.22. Khoảng cách nhỏ nhất giữa một điểm và một mặt phẳng 75 54. Hình 3.23. Mặt phẳng xiên 77 55. Hình 3.24. Mặt trụ kẻ 78 56. Hình 3.25. 4 × 5 bề mặt bezier 83 57. Hình 3.26. 84 58. Hình 3.27. 4 × 5 mảnh của bề mặt B- spline 87 59. Hình 3.28. Đƣờng biên của bề mặt coon 89 60. Hình 3.29. Các dạng diểu diễn hình học của P(u,v) 90 61. Hình 3.30 Chuyển tiếp qua đƣờng biên 90 62. Hình 3.31. Mặt coon phức hợp 91 63. Hình 3.32. 93 64. Hình 3.33 Bề mặt đa hợp 94 65. Hình 3.34. Biểu diễn mảnh hình tam giác. 95 66. Hình 3.35. Những mặt Bezier hình tam giác. 97 67. Hình 3.36. Các phần tử bề mặt phân mảnh 99 68. Hình 3.37. Cắt bề mặt 100 69. Hình 3.38. Giao tuyến giữa bề mặt với bề mặt 101 70. Hình 3.39 Phép chiếu một điểm trên một mặt phẳng 102 71. Hình 3.40 Phép chiếu một đƣờng cong trên một mặt phẳng 103 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -9- PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài a. Cơ sở khoa học Tạo hình bề mặt bằng dao phay đầu cầu trên máy công cụ CNC có thể chế tạo đƣợc các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp, khó mài (chi tiết khuôn, mẫu …), đƣợc làm bằng các vật liệu khó gia công nhƣ thép hợp kim có độ bền cao, thép chịu nhiệt, thép không gỉ… đòi hỏi ngày càng cao về nâng cao chất lƣợng bề mặt. Công việc nghiên cứu sâu, rộng đã thu hút đƣợc sự chú ý của các nhà nghiên cứu khác nhau. Các nhà nghiên cứu [1] [6] đã phát triển các mô hình cho các dự đoán của tạo hình bề mặt nhằm nâng cao chất lƣợng bề mặt của chi tiết gia công. Tuy nhiên việc nghiên cứu bù bán kính dụng cụ cắt trong không gian theo mặt offset cho đến nay là chƣa thấy đƣợc công bố. Mặt offset của bề mặt chi tiết gia công đƣợc hiểu nhƣ là quĩ tích của gốc hệ tọa độ tƣơng đối (Incremental Coordinate system). Vì vậy nghiên cứu mô hình hoá bề mặt offset khi gia công bề mặt trên máy công cụ CNC bằng dao phay đầu cầu nhằm đƣa ra thuật toán bù bán kính tránh hiện tƣợng cắt lẹm biên dạng của bề mặt, nâng cao chất lƣợng chi tiết gia công, tăng hiệu quả kinh tế của quá trình máy. b. Cơ sở thực tiễn của đề tài Ở Việt Nam hiện nay, các trung tâm phay CNC đƣợc sử dụng phổ biến trong sản xuất chế tạo máy, việc lập trình điều khiển chúng thƣờng đƣợc thực hiện [...]... là khả năng gia công với độ chính xác yêu cầu, năng suất cao và giá thành hạ, cụ thể gia công các chi tiết đó trên máy phay CNC khi mô phỏng bề mặt offset khi gia công bề mặt trên máy công cụ CNC bằng dao phay đầu cầu nhằm đƣa ra thuật toán bù bán kính trong -11Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn không gian, tránh hiện tƣợng cắt lẹm biên dạng bề mặt, nâng cao... đầu bằng chọn toolpath, bù bán kính theo biên dạng và postprocessor để xuất chƣơng trình điều khi n Các ảnh hƣởng gây sai số gia công do phƣơng pháp gây ra chƣa đƣợc nghiên cứu và phân tích một cách đầy đủ Vì vậy đề tài nghiên cứu: "Ứng dụng toán học mô hình hóa bề mặt offset khi gia công bề mặt trên máy công cụ CNC bằng dao phay đầu cầu" , làm cơ sở cho việc đƣa ra thuật toán bù bán kính khi phay bề. .. mặt bằng dao phay đầu cầu là cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2 Mục đích của đề tài * Nghiên cứu lý thuyết tạo hình bề mặt bằng dao phay đầu cầu trên máy * Nghiên cứu mô hình hóa bề mặt offset * Đánh giá kết quả 3 Phƣơng pháp nghiên cứu * Nghiên cứu phát triển lý thuyết kết hợp với kiểm nghiệm 4 Nội dung nghiên cứu * Chƣơng 1: Tổng quan các nghiên cứu về gia công phay bằng dao phay đầu cầu. .. kết hợp với công nghệ hiện đại nhƣ công nghệ CAD/CAM Việc gia công những bề mặt chi tiết phức tạp này có một số phƣơng pháp nhƣ: Gia công bằng điện hoá, gia công bằng siêu âm, gia công bằng tia lửa điện Những phƣơng pháp gia công này cần nguồn đầu tƣ lớn, năng suất gia công thấp dẫn đến giá thành của chi tiết gia công cao Bên cạnh đó, sự xuất hiện và khả năng ứng dụng của các máy công cụ CNC ngày càng... hình học của lƣỡi cắt và bề mặt chi tiết Điều này quyết định lớn đến chất lƣợng bề mặt chi tiết gia công Hệ trục tọa độ và vị trí của dao, chi tiết gia công khi cắt gọt trên các máy phay CNC nhƣ hình vẽ: Hình1 .1: Hệ toạ độ của máy phay CNC Ngày nay, các dạng bề mặt tự do đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhƣ giao thông, hàng không vũ trụ, y sinh, khuôn mẫu và các sản xuất đồ gia dụng. .. trục và đảo dao hƣớng tâm Trƣờng hợp đảo hƣớng trục do trục dao nghiêng thƣờng đƣợc xét đến khi phay các mặt phẳng – khi mà độ nhám bề mặt chịu ảnh hƣởng rất quan trọng bởi vị trí của các lƣỡi cắt, đồng thời đƣờng kính của dao cũng ảnh hƣởng tới độ nhám bề mặt gia công Trong trƣờng hợp phay bằng dao phay cầu, do đƣờng kính của dao đã đƣợc giới hạn và dạng đầu dao là mặt cầu nên hiện -31Số hóa bởi Trung... do khi gia công có thể xảy ra các hiện tƣợng sau: - Cắt lẹm prôfin: trong quá trình gia công, một phần của chi tiết bị dao thâm nhập vào là do khi profin của dao và chi tiết tiếp xúc thì mặt khởi thuỷ của dụng cụ có phần thâm nhập vào bề mặt chi tiết Khi phay mặt cong có bán kính r bằng dao phay đầu cầu với bán kính r1, có vị trí bán kính dao r1>r bán kính của rãnh thì xảy ra hiện tƣợng cắt lẹm (hình. .. bằng dao phay đầu cầu * Chƣơng 2: Tạo hình bề mặt chi tiết gia công * Chƣơng 3: Mô hình toán học của các bề mặt offset * KẾT LUẬN -10Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ GIA CÔNG PHAY BẰNG DAO PHAY ĐẦU CẦU 1.1 Giới thiệu Trong ngành chế tạo máy, việc chế tạo các chi tiết có hình dáng hình học phức tạp (chi tiết khuôn, mẫu,... không, giao thông vận tải ), đƣợc làm bằng vật liệu khó gia công nhƣ thép hợp kim có độ bền cao, thép chịu nhiệt, thép không gỉ, thép đã tôi đã và đang phát triển mạnh mẽ Để gia công các chi tiết đó đạt độ chính xác về hình dáng hình học, cơ lý tính bề mặt và độ bóng bề mặt có nhiều phƣơng pháp gia công để lựa chọn vì hiện nay ngành cơ khí chế tạo máy có rất nhiều loại máy công cụ, nhiều kiểu dụng cụ. .. dao -13Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.2 Phay mặt cong bằng dao phay đầu cầu 1.1.1.1 Các thông số hình học của bề mặt chi tiết gia công Bề mặt hình học phức tạp của chi tiết gia công trong thực tế đƣợc mô tả bằng toán học với các dạng chủ yếu sau [4]: Phương trình mặt cong có thể cho bởi một trong các dạng sau: -Dạng ẩn: F(x,y,z) = 0 (1.1) - Dạng . năng gia công với độ chính xác yêu cầu, năng suất cao và giá thành hạ, cụ thể gia công các chi tiết đó trên máy phay CNC khi mô phỏng bề mặt offset khi gia công bề mặt trên máy công cụ CNC bằng. hóa bề mặt offset khi gia công bề mặt trên máy công cụ CNC bằng dao phay đầu cầu& quot;, làm cơ sở cho việc đƣa ra thuật toán bù bán kính khi phay bề mặt bằng dao phay đầu cầu là cấp thiết,. HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ========== NGUYỄN THỊ QUỲNH NGA ỨNG DỤNG TOÁN HỌC MÔ HÌNH HÓA BỀ MẶT OFFSET KHI GIA CÔNG BỀ MẶT TRÊN MÁY CÔNG CỤ CNC BẰNG DAO PHAY ĐẦU CẦU