Kỹ thuật cơ khí Nghiên cứu xây dựng phương pháp phản chuyển từ các hình chiếu cơ bản thành mô hình 3D ứng dụng cho các hệ CAD CAM cơ khí

Header Page of 89 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG LONG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP PHẢN CHUYỂN TỪ CÁC HÌNH CHIẾU CƠ BẢN THÀNH MÔ HÌNH 3D ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ CAD/CAM CƠ KHÍ Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Bành Tiến Long Hà Nội - 2016 i Footer Page of 89 Header Page of 89 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu Tất số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực, chƣa đƣợc công bố công trình nghiên cứu khác Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh GS TSKH Bành Tiến Long Hoàng Long ii Footer Page of 89 Header Page of 89 LỜI CẢM ƠN Luận án đƣợc hoàn thành dƣới hƣớng dẫn GS TSKH Bành Tiến Long, NCS xin chuyển tới Thầy kính trọng lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới định hƣớng, bảo, động viên, chia xẻ quý giá nhƣ nguồn lƣợng dồi NCS gặp phải khó khăn chặng đƣờng nghiên cứu NCS xin bày tỏ biết ơn to lớn đến tập thể giảng viên môn Gia công vật liệu Dụng cụ công nghiệp, nơi mà PGS Trịnh Minh Tứ, PGS Trần Thế Lục - ngƣời Thầy bạc tóc nghiệp đào tạo bao hệ NCS nhƣ dành cho giáo, quan tâm tin tƣởng, nơi mà PGS Bùi Ngọc Tuyên, PGS Nguyễn Đức Toàn bên cạnh cho ý kiến đánh giá khách quan sáng suốt, giúp cho NCS vững vàng trình diễn sản phẩm nghiên cứu thân Tôi xin biểu lộ biết ơn đến Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí, môn Hình hoạ Vẽ kỹ thuật - ĐHBK Hà nội tạo điều kiện để thực tốt đề tài nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, mẹ, vợ, anh chị em bên cạnh giây phút khó khăn nhất! Tôi muốn chuyển lời cảm ơn đến Viện Ngoại Ngữ kỹ thuật, cô Thái Hà anh chị em NCS lớp B2 ngày hè nóng bỏng để có đƣợc kỹ tiếng Anh cần thiết cho nghiên cứu đặc biệt bạn Hoàng Tiến Dũng hỗ trợ thực nghiệm gia công khí CNC Tôi muốn cảm ơn tất cả! iii Footer Page of 89 Header Page of 89 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHẢN CHUYỂN 1.1 Biểu diễn (representation) máy tính vật thể 1.1.1 Biểu diễn biên 1.1.2 Biểu diễn CSG (Constructive solid Geometry) 1.2 Các phƣơng pháp phản chuyển 3D từ vẽ kỹ thuật 1.2.1 Phƣơng pháp phản chuyển từ hình chiếu [39] 1.2.2 Phƣơng pháp phản chuyển từ nhiều hình chiếu 1.2.3 Tóm tắt đánh giá công trình nghiên cứu phản chuyển 19 Kết luận chƣơng 21 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP PHẢN CHUYỂN 22 2.1 Các định nghĩa .22 2.2 Phƣơng pháp phản chuyển dựa mô hình B-Rep điển hình .23 2.2.1 Kiểm tra liệu đầu vào 24 2.2.2 Tạo đỉnh giả định 25 2.2.3 Tạo cạnh giả định 27 2.2.4 Tạo mặt giả định 32 2.2.5 Xây dựng khối giả định 37 2.2.6 Ra định .40 Kết luận chƣơng 41 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP PHẢN CHUYỂN 42 3.1 Định nghĩa số đối tƣợng 42 3.1.1 Định nghĩa 3D 43 3.1.2 Định nghĩa 2D 43 3.2 Mô hình hoá vấn đề phản chuyển dựa B-Rep .44 3.3 Tổ chức sở liệu 2D 46 3.3.1 Dữ liệu Node 46 iv Footer Page of 89 Header Page of 89 3.3.2 Dữ liệu phân đoạn đƣờng 46 3.3.3 Dữ liệu vùng 47 3.4 Tạo mô hình khung dây giả định .47 3.4.1 Xác định đỉnh giả định 47 3.4.2 Xác định cạnh giả định .48 3.5 Xác định mặt giả định 50 3.5.1 Xác định mặt chiếu giả định 50 3.5.2 Xác định mặt trụ giả định 55 3.5.3 Xác định mặt nón (tròn xoay) giả định 55 3.6 Loại bỏ đối tƣợng sai 56 3.7 Tạo Solid .62 Kết luận chƣơng 64 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 65 4.1 Mẫu 1- đa diện 67 4.1.1 Bản vẽ 2D đầu vào 67 4.1.2 Kết tạo sở liệu 2D .68 4.1.3 Kết tạo cạnh đỉnh giả định- phân tích yếu tố “ma” 69 4.1.4 Kết tạo mặt giả định 72 4.1.5 Quá trình hình thành Solid kết .73 4.2 Mẫu 2- Vật thể có chứa mặt trụ 75 4.2.1 Bản vẽ 2D đầu vào 75 4.2.2 Các bƣớc trình tạo Solid kết .76 4.3 Mẫu 3- Đa diện phức tạp 78 4.3.1 Bản vẽ 2D đầu vào 78 4.3.2 Quá trình tạo Solid kết 79 4.4 Mẫu 4- Đề thi vẽ kỹ thuật 81 4.4.1 Bản vẽ 2D đầu vào 81 4.4.2 Quá trình tạo Solid Kết 82 4.5 Mẫu 5- Đề thi Vẽ kỹ thuật 84 4.5.1 Bản vẽ 2D đầu vào .84 4.5.2 Quá trình tạo Solid kết 85 4.6 Mẫu Đề thi Vẽ kỹ thuật 87 4.6.1 Bản vẽ 2D đầu vào 87 4.6.2 Quá trình tạo Solid kết 88 4.7 Mẫu 7- Bài tập vẽ kỹ thuật 90 4.7.1 Bản vẽ 2D đầu vào 90 v Footer Page of 89 Header Page of 89 4.7.2 Solid kết 91 4.8 Mẫu 8- Vật thể chứa nón trụ (mở rộng cho mặt tròn xoay) 93 4.8.1 Bản vẽ 2D đầu vào 93 4.8.2 Solid kết 93 4.9 Mẫu 9- Chi tiết kỹ thuật thực tế 95 4.9.1 Bản vẽ 2D đầu vào 95 4.9.2 Solid kết 96 4.10 Thực nghiệm ứng dụng liệu phản chuyển 3D khí 97 4.10.1 Kết xuất liệu phản chuyển cho hệ CAD/CAM Cơ khí 97 4.10.2 Sử dụng mô hình phản chuyển công tác thiết kế 98 4.10.3 Tạo liệu cho hệ thống điều khiển in 3D từ mô hình phản chuyển 3D 100 4.10.4 Thực nghiệm gia công khí đo lƣờng với công nghệ CAD/CAM/CNC 100 Thảo luận tổng hợp 115 Kết luận chƣơng 118 KẾT LUẬN 119 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 126 PHỤ LỤC Chƣơng trình tạo Solid 127 PHỤ LỤC Gia công chi tiết mẫu 08c 135 PHỤ LỤC Kết đo sai lệch biên dạng chi tiết 08b 141 PHỤ LỤC Kết đo sai lệch biên dạng chi tiết 08c 144 vi Footer Page of 89 Header Page of 89 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa 3D Three-dimensional – Ba chiều 2D Two-dimensional – Hai chiều ADSRX AutoCAD Develoment System Runtime eXtension – Thƣ viện kết nối với ngôn ngữ Visual C để khai thác lệnh sở liệu Auto_CAD R14 B-Rep Boundary Representation – Biểu diễn biên C Candidate - ứng viên (dùng mô hình 3D giả định) CA Computer Aided – Có trợ giúp máy tính CAD Computer Aided Design – Thiết kế với hỗ trợ máy tính CAE Computer Aided Engineering – Phân tích tính toán kỹ thuật với hỗ trợ máy tính CAM Computer Aided Manufacturing – Gia công với hỗ trợ máy tính CAQ Computer Aided Qualify – Kiểm tra sai lệch với hỗ trợ máy tính CNC Computer Numerical Control - Điều khiển số máy tính CSG Constructive Solid Geometry – Hình học vật rắn có cấu trúc DXF Drawing Exchange Format – Dạng liệu trao đổi vẽ hệ CAD IGES Initial Graphics Exchange Specification – Một dạng chuẩn liệu CAD 3D SAT Standard ACIS Text – Một dạng chuẩn liệu dạng văn CAD 3D Ký hiệu Giải thích ý nghĩa O(n) Hàm đánh giá độ phức tạp thuật toán theo số lƣợng liệu n ∂f Biên mặt f ∂O Biên vật thể O/P Phép chiếu đối tƣợng O lên mặt phẳng P V(O) Tập đỉnh đối tƣợng O E(O) Tập cạnh đối tƣợng O vii Footer Page of 89 Header Page of 89 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tóm tắt đánh giá phƣơng pháp phản chuyển tiêu biểu giới 20 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cánh tay Rô-bốt 102 Bảng 4.2 Phân bố sai lệch biên dạng 3D chi tiết 08b 111 Bảng 4.3 Phân bố sai lệch biên dạng 3D chi tiết mẫu 08c 113 Bảng 4.4 Tổng hợp kết thực nghiệm phản chuyển ứng dụng 115 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 a) Mô hình khung dây; b) Mô hình mặt; c) Mô hình B-Rep có cấu trúc [9] Hình 1.2 Biểu diễn CSG: a) Các khối bản, b) Mô hình kết [9] Hình 1.3 Biểu diễn khuôn: a) khuôn quỹ đạo; b) Mô hình kết [9] Hình 1.4 a) Ba hình chiếu; b) Mô hình giả định; c) Mô hình kết [18] Hình 1.5 a) Mô hình khung dây; b) Các mặt giả định; c) Các khối giả định [38] 10 Hinh 1.6 Tạo hình chiếu thứ ba để phát thêm cạnh cong [8] 11 Hinh 1.7 Kết phản chuyển công trình [42] 12 Hình 1.8 Bản vẽ không xác kết phản chuyển công trình[37] 13 Hình 1.9 Kết phản chuyển công trình [22] 13 Hình 1.10 Kết phản chuyển công trình [12] 14 Hình 1.11 Kết phản chuyển công trình [15] 15 Hình 1.12 Kết phản chuyển công trình [4]: 15 Hình 1.13 Kết phản chuyển công trình [21] 16 Hình 1.14 Phƣơng pháp phản chuyển CSG công trình [23] 16 Hình 1-15 Quá trình phản chuyển công trình [3] 17 Hình 1-16 Kết phản chuyển công trình [36] 17 Hình 2.1 Các bƣớc phƣơng pháp phản chuyển mô hình 3D dựa Brep 24 Hình 2.2 Các kiểu đỉnh 2D [34] 25 Hình 2.3 Một đỉnh loại I đỉnh loại II [30] 26 Hình 2.4 Xây dựng đỉnh ứng viên từ đỉnh 2D 26 Hình 2.5 Một thí dụ chiếu lại cạnh tiêu chuẩn [30] 27 Hình 2.6 Một cấu trúc liệu trừu tƣợng để tăng tốc độ tạo cạnh giả định [30] 28 Hình 2.7 Hình chiếu cạnh bóng [30] 29 Hình 2.8 Các cạnh tiếp xúc [30] 30 viii Footer Page of 89 Header Page of 89 Hình 2.9 Cạnh giao [30] 30 Hình 2.10 Việc tạo đỉnh loại II [30] 31 Hình 2.11 Một cấu trúc liệu trừu tƣợng để giảm bớt số lần kiểm tra giao cạnh 31 Hình 2.12 Xây dựng mặt trụ mặt fillet [30] 32 Hình 2.13 Điều kiện để mặt xuyến [30] 32 Hình 2.14 Sự miêu tả bên bên mặt cong 33 Hình 2.15 Lựa chọn cạnh nằm vòng cạnh hành [30] 34 Hình 2.16 Quá trình tăng tốc cho việc xây dựng chuỗi cạnh 35 Hình 2.17 Quá trình xây dựng L1 hình 2.16 36 Hình 2.18 Chèn cạnh cắt mặt phẳng sau đƣợc phân chia [30] 37 Hình 2.19 Một ví dụ khối giả định đối tƣợng [30] 37 Hình 2.20 Một ví dụ lựa chọn mặt liền kề 38 Hình 2.21 Ba kiểu mặt đƣợc dùng việc xây dựng khối c [30] 39 Hình 3.1 Minh hoạ định nghĩa 42 Hình 3.2 Các công đoạn vấn đề phản chuyển 45 Hình 3.3 Sơ đồ khối thuật toán xác định đỉnh giả định 48 Hình 3.4 Sơ đồ khối thuật toán xác định cạnh giả định 49 Hình 3.5 Sơ đồ khối thuật toán tìm mặt chiếu đứng 51 Hình 3.6 Thuật toán chiếu cạnh nằm mặt chiếu đứng 52 Hình 3.7 Thuật toán xác định vùng hình chiếu mặt chiếu đứng 53 Hình 3.8 Thuật toán tìm cạnh thuộc mặt giả định 54 Hình 3.9 Sơ đồ khối thuật toán loại bỏ đối tƣợng sai 56 Hình 3.10 Thuật toán kiểm tra hình chiếu 60 Hình 3.11 Thuật toán tạo Solid 63 Hình 4.1 Mô tả cách tạo file ARX hỗ trợ phản chuyển cho AutoCAD 66 Hình 4.2 Mô tả cách tải chƣơng trình hỗ trợ phản chuyển tự động vào AutoCAD 66 Hình 4.3 Bản vẽ hình chiếu công trình [14] 67 Hình 4.4 Mô hình khung dây giả định 72 Hình 4.5 Quá trình tạo Solid kết 73 Hình 4.6 Solid kết 74 Hình 4.7 Bản vẽ 2D đầu vào [4] 75 Hình 4.8 Quá trình tạo Solid kết 76 Hình 4.9 Solid kết 77 Hình 4.10 Bản vẽ 2D đầu vào 78 ix Footer Page of 89 Header Page 10 of 89 Hình 4.11 Quá trình tạo Solid kết 79 Hình 4.12 Solid kết 80 Hình 4.13 Bản vẽ 2D đầu vào 81 Hình 4.14 Quá trình tạo Solid kết 82 Hình 4.15 Solid kết 83 Hình 4.16 Bản vẽ 2D đầu vào 84 Hình 4.17 Quá trình tạo Solid kết 85 Hình 4.18 Solid kết 86 Hình 4.19 Bản vẽ 2D đầu vào 87 Hình 4.20 Quá trình tạo Solid kết 88 Hình 4.21 Solid kết 89 Hình 4.22 Bản vẽ 2D đầu vào 90 Hình 4.23 Solid kết 91 Hình 4.24 Solid kết phản chuyển nửa hình chiếu 92 Hình 4.25 Bản vẽ 2D đầu vào 93 Hình 4.26 Quá trình tạo Solid 93 Hình 4.27 Solid kết 94 Hình 4.28 Solid kết mở rộng với đƣờng sinh cong 94 Hình 4.29 Bản vẽ 2D đầu vào 95 Hình 4.30 Quá trình tạo Solid 96 Hình 4.31 Solid kết 96 Hình 4.32 Kết xuất liệu phản chuyển cho hệ CAD/CAM khí 97 Hình 4.33 Mở File phản chuyển Inventor 98 Hình 4.34 Hiệu chỉnh, bổ sung thiết kế Inventor 98 Hình 4.35 Kiểm định độ xác mô hình phản chuyển 3D - mẫu 99 Hình 4.36 Kiểm định độ xác mô hình phản chuyển 3D - mẫu 99 Hình 4.37 Điều khiển chế tạo máy in 3D Inventor 100 Hình 4.38 Sơ đồ ứng dụng liệu phản chuyển 3D gia công đo lƣờng 100 Hình 4.39 Bản vẽ 2D chi tiết (mẫu 8b ) đƣợc gia công 101 Hình 4.40 Các thao tác tạo môi trƣờng gia công Creo Parametric 102 Hình 4.41 Thao tác đƣa mô hình phản chuyển 3D vào môi trƣờng gia công 102 Hình 4.42 Quá trình tạo phôi tự động 103 Hình 4.43 Chọn nhóm máy gia công 104 Hình 4.44 Nguyên công bƣớc công nghệ 105 x Footer Page 10 of 89 Header Page 144 of 89 if (linie1[j][15] == 3) ads_command(RTSTR,"_ARC",RTSTR , "C" , RTPOINT,cen1[j],RTPOINT,node1[begin], RTPOINT, node1[end], RTNONE); ads_entlast(entla); ads_ssadd(entla, poly[k], poly[k]); } } nod1 = linie1t[linietno1][1]; sonod = linie1t[linietno1][0]; nod2 = linie1t[linietno1][sonod]; ads_point_set(node1[nod1],pt1); ads_point_set(node1[nod2],pt2);// doan sau ve them duong thang loe ngoai pt3[X] = pt1[X]-3; pt3[Y] = pt1[Y] - 200; pt4[X] = pt2[X]+3; pt4[Y] = pt2[Y] - 200; ads_command(RTSTR,"_.LINE",RTPOINT,pt1,RTPOINT,pt3, RTSTR , "" ,RTNONE); ads_entlast(canhtrai); ads_command(RTSTR,"_.LINE",RTPOINT,pt2,RTPOINT,pt4, RTSTR , "" ,RTNONE); ads_entlast(canhphai); ads_command(RTSTR,"_.LINE",RTPOINT,pt3,RTPOINT,pt4, RTSTR , "" ,RTNONE); ads_entlast(canhcopy); ads_command(RTSTR,"_.region",RTPICKS,poly[k],RTENAME, canhtrai,RTENAME,canhphai,RTENAME,canhcopy, RTSTR,"",RTNONE); ads_entlast(mien1); ads_command(RTSTR,"_.extrude",RTENAME, mien1,RTSTR,"",RTREAL,200.0,RTSTR,"",RTNONE); ads_entlast(khoitru1); } if (linietno2