Luận án tiến sĩ nghiên cứu xây dựng hệ thống trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC (tt)

Xây dựng được bộ luật nhận dạng đối tượng gia công, phương pháp gia công và lựa chọn dụng cụ cắt làm cơ sở cho việc thiết Kết quả nghiên cứu của đề tài đã được kiểm nghiệm trong thực tế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Phùng Xuân Lan

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRỢ GIÚP THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG

CHI TIẾT TRÊN MÁY PHAY CNC

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 62520103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2017

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: GS TS Trần Văn Địch

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Lập quy trình công nghệ (QTCN) là một khâu kết nối quan trọng giữa hai nhiệm vụ then chốt của quá trình sản xuất là thiết

kế và gia công Lập QTCN giải quyết vấn đề lựa chọn các quá trình sản xuất cần thiết, lựa chọn thiết bị gia công và dụng cụ cắt hợp lý, thiết lập thứ tự gia công để biến ý tưởng của nhà thiết kế thành những sản phẩm hiện hữu một cách kinh tế và có hiệu quả Trong các nhà máy gia công cơ khí ở Việt Nam hiện nay, đa phần các công việc này đều được tiến hành thủ công Khi lập QTCN thủ công, người kỹ sư phải mất nhiều thời gian để tra cứu

sổ tay, tính toán, lựa chọn và ra quyết định cũng như chuẩn bị

các tài liệu thiết kế Công việc này càng khó khăn, tốn nhiều thời gian và công sức khi mà số lượng và chủng loại của các

trang thiết bị đặc biệt là dụng cụ cắt ngày càng lớn và thường xuyên có sự biến động về số lượng Hơn nữa, trong lập QTCN thủ công thì chất lượng thiết kế phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế Chính sự khác nhau giữa các thế hệ

kỹ sư với các kinh nghiệm không đồng đều cũng làm cho chất lượng của QTCN không ổn định Mặt khác, trong thiết kế

QTCN bên cạnh những công việc đòi hỏi tư duy và tri thức của

con người còn có những công việc nhàm chán mất nhiều thời gian Chính vì vậy, nhu cầu có một hệ thống hỗ trợ thiết kế

QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP) là hết sức cần thiết

để có thể tận dụng khả năng tính toán, xử lý và truy xuất nhanh của máy tính với tư duy và tri thức của con người cho phép rút ngắn thời gian thiết lập QTCN

Trong nền sản xuất hiện đại, mặc dù được coi là cầu nối giữa CAD và CAM nhưng CAPP phức tạp và khó khăn hơn nhiều và

chưa bắt kịp được sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ CAD/CAM Thực tế cho thấy rằng, hiện nay các phần mềm

thương mại CAD/CAM được phát triển rất mạnh bởi nhiều hãng như Autodesk, Dassault System, Siemens v.v nhưng chưa phát triển được một mô-đun phần mềm CAPP thương mại thực sự do tính chất đa dạng và phức tạp của CAPP Trong bối cảnh như

vậy, nghiên cứu phát triển hệ thống hỗ trợ thiết kế QTCN bằng

máy tính có một ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn Đó cũng

chính là lý do cơ bản mà nghiên cứu sinh (NCS) cùng tập thể

hướng dẫn đã lựa chọn đề tài của luận án là: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC’’

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu cuối cùng của đề tài là xây dựng một hệ thống trợ giúp thiết lập quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC bằng máy tính, cho phép hình thành các phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công trực tiếp từ mô hình vật thể rắn 3D thiết kế trong phần mềm CAD thương mại

3 Nội dung của luận án

(1) Xây dựng phương pháp nhận dạng các đối tượng gia công trên cơ sở các đối tượng tạo hình trực tiếp trong phần mềm CAD thương mại

(2) Xây dựng phương pháp lựa chọn trang bị công nghệ bao gồm máy, dụng cụ cắt và phương pháp thiết lập thứ tự gia công trên cơ sở dữ liệu (CSDL) thay đổi linh hoạt

(3) Xây dựng giao diện tích hợp CAD-CAPP thử nghiệm với nhiều chi tiết và cho phép ứng dụng trong thực tế sản xuất

4 Đối tượng và phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Các chi tiết gia công trên máy

phay/khoan CNC

Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn ở các chi tiết gia công trên máy

phay/khoan CNC 3D Chi tiết gia công được thiết kế trong phần mềm SolidWorks với đầy đủ yêu cầu kỹ thuật Trợ giúp thiết kế QTCN trong một số khâu cơ bản để hình thành phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công chỉ rõ các lựa chọn máy, dụng cụ cắt, hướng

tiếp cận dụng cụ, chế độ cắt và trình tự gia công

Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết chủ yếu được sử dụng để xây dựng phương pháp trợ giúp thiết lập QTCN gia công các chi tiết bằng máy tính Giao diện tích hợp CAD-CAPP được xây dựng để kiểm nghiệm phương pháp và thuật toán Một số thử

nghiệm thực tế được tiến hành để thu thập CSDL, kiểm chứng

Xây dựng được phương pháp lựa chọn trang bị công nghệ theo thứ tự ưu tiên trên cơ sở đánh giá đa tiêu chí, gắn kết với những thay đổi linh hoạt của CSDL và phương pháp hình thành thứ tự gia công cho phép rút ngắn thời gian xử lý

Xây dựng được bộ luật nhận dạng đối tượng gia công, phương pháp gia công và lựa chọn dụng cụ cắt làm cơ sở cho việc thiết

Kết quả nghiên cứu của đề tài đã được kiểm nghiệm trong thực tế để gia công chi tiết tại Công ty MEKAMIC cho phép giảm thời gian chuẩn bị sản xuất và thời gian gia công, nâng cao khả năng tự động hoá trong nhà máy

6 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 5 chương cơ bản sau: Chương 1 - Tổng quan về thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP); Chương 2 – Phương pháp nhận diện đối tượng gia công; Chương 3 –

Phương pháp lựa chọn trang bị công nghệ và thứ tự nguyên công;

Chương 4 – Xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ thiết kế QTCN; Chương 5 – Xây dựng phần mềm BKCAPP để thiết kế QTCN

gia công các chi tiết trên máy phay CNC; Phần cuối cùng là kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài; Tài liệu tham khảo và danh mục các công trình đã công bố

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ QTCN CÓ SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH

1.1 Thiết kế quy trình công nghệ có sự trợ giúp của máy tính (CAPP)

Các phương pháp nhận dạng đối tượng chỉ chủ yếu giới hạn

ở các đối tượng dạng cắt 2.5D với khả năng mở rộng sang các dạng đối tượng khác bị hạn chế

Các phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt chưa được đánh giá toàn diện nhiều tiêu chí và không phù hợp với một hệ CSDL lớn bao gồm nhiều chủng loại và kích thước dụng cụ cắt

Các phương pháp thiết lập thứ tự nguyên công còn hạn chế

về tính phức tạp của phương pháp và thời gian xử lý

Phương pháp khả sinh kết hợp với khả năng tương tác của con người là xu hướng phát triển của CAPP hiện nay

Những kết luận trên đây là cơ sở khoa học cho việc xác định mục đích, nội dung, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của

luận án “Nghiên cứu xây dựng hệ thống trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC”

2 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐỐI

TƯỢNG GIA CÔNG 2.1 Sơ đồ thực hiện

Xuất phát từ dữ liệu đầu vào gồm bốn yếu tố: mô hình vật thể rắn 3D cùng các yêu cầu kỹ thuật cơ bản, thông tin về vật liệu gia công, dạng sản xuất, phương pháp chế tạo phôi và xử lý nhiệt, thông qua hệ thống thiết lập QTCN sẽ hình thành nên kết quả đầu ra gồm hai phiếu cơ bản là phiếu dụng cụ cắt và phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công Trong sơ đồ tổng thể của hệ thống (Hình 2.1), quá trình trích xuất và nhận dạng gồm ba bước cơ bản

Bước 3

Nhận dạng các đối tượng gia công bằng các luật nhận dạng

Bước 5 Lựa chọn máy/dao cho từng đối tượng gia công

Bước 2a

Trích xuất các yêu cầu kỹ thuật

Máy (Tương ứng với

thư viện máy)

Dụng cụ cắt (Tương

ứng với thư viện dao)

Chế độ cắt

Bước 6 Nhận dạng chính xác phương pháp gia công

Bước 6

Nhận dạng chính xác phương pháp gia công

Kích thước cơ bản Mức độ thô/tinh Phương thức gia công

Bước 7 Thiết lập thứ tự nguyên công

Bước 7

Thiết lập thứ tự nguyên công

Bước 4 Nhận dạng sơ bộ phương pháp gia công

Bước 4

Nhận dạng sơ bộ phương pháp gia công

Bước 2d

Trích xuất các đặc tính giao tượng

ĐẦU VÀO

Bước 2c

Trích xuất các kích thước cơ bản của đối tượng

Mô hình CAD 3D trong SolidWorks với đầy đủ yêu cầu kỹ thuật

Vật liệu gia công Dạng sản xuất Phương pháp chế tạo phôi và xử lý nhiệt

ĐẦU RA

Phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công Phiếu dụng cụ cắt

ĐẦU VÀO

Hình 2.1 Sơ đồ các bước thiết lập quy trình gia công

2.2 Phân loại các đối tượng gia công

Trong các nghiên cứu trước đây, nhiều dạng đối tượng tạo hình dạng cắt 2.5D [49] đã được xây dựng nhưng chưa nhiều nghiên cứu nào tập trung phân loại các đối tượng tạo hình dạng khối NCS đã phát triển thêm một số dạng đối tượng gia công dạng khối và dạng đảo

2.3 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tượng tạo hình dạng vẽ phác

2.3.1 Quá trình trích xuất dữ liệu với trường hợp đối

2 QUÁ TRÌNH NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG GIA CÔNG

TRÊN CƠ SỞ CÁC LUẬT

3 LƯU DỮ LIỆU VÀO SQL SERVER CHO BƯỚC XỬ LÝ TRONG BKCAPP

Loại đối

tượng (FT) Dạng vẽ phác(ST)

Hướng vẽ phác (SM)

Dạng điều kiện bao (CT)

Dạng vát (DT) Dạng đảo (IT) Hướng mở của đối tượng (DM)

+ Phương thức gia

công 2.5D, 3D hay

4D/5D

+ Hốc + Bậc + Rãnh + Khối + Đảo + Khối cơ sở + Lỗ + Đối tượng chuyển tiếp

Đóng/Mở Thông/Kín Hình chữ nhật/Hình tròn/Biên dạng tự do

Vê tròn/Vát mép Ren/Không ren

Hình 2.2 Lược đồ mô tả quá trình nhận dạng đối tượng tạo hình

Dạng điều kiện bao (CT): Trên cơ sở những đối tượng gia

công dạng cắt đã được đề cập đến trong các nghiên cứu trước

đây [49], NCS xây dựng thêm một số đối tượng thuộc dạng khối

và dạng đảo hay dạng khối và đảo kết hợp như mô tả ở Hình 2.7 Vấn đề mấu chốt trong việc xác định điều kiện bao là việc xác định đặc tính đóng hay mở của các phần tiếp giáp giữa đối tượng đang xét và đối tượng giao với nó Đặc tính mở của đối tượng là thông tin quan trọng để xác định các hướng tiếp cận dụng cụ (pTAD)

Kín không thông

Kín thông

Không thông

- hở nhiều hướng

Thông hở

1 hướng

Thông hở 2 hướng

Tự do theo 4 hướng

Tiếp giáp 1 hướng

Tiếp giáp 2 hướng

Không thông - hở

1 hướng

Không thông - hở

2 hướng

Cao hơn tự

do theo 4 hướng

Cao hơn tiếp giáp 1 hướng

Thấp hơn tiếp giáp 1 hướng

Bằng tự

do theo 4 hướng

Thấp hơn tiếp giáp 2 hướng

Bằng tiếp giáp

2 hướng

Hình 2.7 Phân loại các dạng điều kiện bao

Dạng vát (DT): Một đối tượng có thể không bị vát, vát âm,

vát dương hay vát đa cạnh

Dạng đảo (IT): Một đối tượng có thể có hoặc không có đảo

Sự xuất hiện của các đảo sẽ làm thay đổi đặc tính gia công của đối tượng đó

Hướng mở của đối tượng (DM): Hướng mở của đối tượng

có hai dạng là cùng hướng và khác hướng

2.3.2 Quá trình nhận dạng đối tượng gia công từ các

đối tượng tạo hình dạng vẽ phác

Các luật nhận dạng được xây dựng trong Microsoft SQL server dựa trên bảy dữ liệu đã được trích xuất từ các thông tin hình học của đối tượng gia công

Cấu trúc luật nhận dạng

Nếu

Dạng đối tượng là Cắt kéo hoặc Cắt quét và

Loại vẽ pháclà Hình chữ nhật và

Hướng vẽ phác là Đường thẳng vuông góc và

Điều kiện bao là Mở hai mặt không thông và

Dạng vát là Không vát và

Dạng đảo là Không đảo và

Hướng mở của đối tượng là Cùng hướng

Thì Đối tượng gia công là Bậc kín 2.5D hình chữ nhật

2.4 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tượng tạo hình dạng thiết lập đặc tính và vị trí

2.4.1 Quá trình trích xuất đối tượng tạo hình dạng lỗ

Mỗi lỗ (HoleWzd) có một đặc trưng cho kiểu lỗ khác nhau

và 25 kích thước khác nhau liên quan đến thông số hình học của

lỗ Số lượng và đặc điểm của các kích thước khác 0 sẽ là cơ sở

để nhận dạng các đối tượng gia công

2.4.2 Quá trình nhận dạng đối tượng tạo hình HoleWzd Cấu trúc luật nhận dạng

Nếu

Kích thước Đường kính (Diameter) khác 0 và

Kích thước Chiều sâu (Depth) khác 0 và

Kích thước Góc khoan (DrillAngle) khác 0

Thì Đối tượng gia công là Lỗ khoan

2.4.3 Quá trình nhận dạng đối tượng tạo hình dạng

chuyển tiếp

2.5 Quá trình trích xuất và nhận dạng yêu cầu kỹ thuật

2.6 Quá trình nhận dạng các mối quan hệ giữa các đối tượng tạo hình

Kết luận chương 2

Không chỉ trích xuất được các thông tin hình học mà còn cho phép trích xuất các yêu cầu kỹ thuật và các đặc điểm giao nhau giữa các đối tượng

Đã mở rộng việc nhận dạng từ các đối tượng gia công dạng cắt sang dạng khối, dạng đảo và dạng khối đảo kết hợp

Việc trích xuất các đối tượng tạo hình theo bảy yếu tố hình học cho phép nhận dạng được cụ thể nhiều loại đối tượng từ phương thức gia công 2.5D, 3D sang nhiều trục

Bộ luật nhận dạng được thiết lập và quản lý trong CSDL nên tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng, hiệu chỉnh do đó tăng khả năng tương tác và mở rộng với người sử dụng

Phương pháp nhận dạng theo đối tượng này được tiến hành hoàn toàn tự động tích hợp trong môi trường thiết kế 3D của SolidWorks nên giải quyết được nút thắt cơ bản trong CAPP là dòng tích hợp CAD/CAPP

3 CHƯƠNG 3 - PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN TRANG

BỊ CÔNG NGHỆ VÀ THỨ TỰ NGUYÊN CÔNG 3.1 Phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt

chọn loại dụng cụ cắt

3.1.1.1 Phương pháp phân tích thứ bậc AHP

3.1.1.2 Phương pháp AHP với những cải tiến trong lựa

chọn loại dụng cụ cắt

Phương pháp AHP đã được phát triển ở mức cao hơn bằng cách thêm hai tiêu chí lựa chọn đầu tiên cho phép lựa chọn được các phương án loại dụng cụ cắt tương ứng với các dữ liệu đầu vào khác nhau chứ không cố định với chỉ một dữ liệu đầu vào Hình 3.2 là mô hình AHP với trường hợp bậc thẳng Trên cơ sở đánh giá rời rạc các tiêu chí ví dụ như Hình 3.8, phương pháp AHP sẽ tổng hợp các tiêu chí để có một đánh giá mức độ ưu tiên tổng hợp cho phép lựa chọn một loại dụng cụ cắt tốt hơn như Hình 3.9

Lựa chọn dụng cụ cắt tối ưu (Gia công mặt bậc)

Đặc tính hình học

(SC)

Khả năng bóc tách phoi (MRC)

Công suất máy yêu cầu (PR)

Giá thành dụng cụ cắt (TC)

Dao phay ngón răng chắp thường 90 (IEM90)

Chất lượng (Qa)

Các chi phí khác (CR)

Dao phay đĩa (SFM)

Tinh (Fi)

và thứ tự ưu tiên của các loại

Hình 3.2 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt bậc thẳng)

Phương pháp AHP cũng là cơ sở để thiết lập bộ luật lựa chọn loại dụng cụ cắt theo thứ tự ưu tiên

Hình 3.8 Mức độ ảnh hưởng của các tiêu chí chính

Hình 3.9 Mức độ ưu tiên của các phương án lựa chọn

3.1.2 Lựa chọn các kích thước dụng cụ cắt

Cơ sở để lựa chọn đường kính dụng cụ cắt trong trường hợp này là khống chế số lượng đường chạy dao tuy nhiên cần hạn chế trường hợp góc ôm toàn bộ dụng cụ cắt Với trường hợp tổng quát để gia công hốc, các thông số cần xem xét tới được thể hiện trong Bảng 3.6 Toàn bộ các kích thước nêu trong bảng cần được trích xuất trong quá trình nhận dạng đối tượng gia công dạng hốc 2.5D Số lượng trong bộ dụng cụ cắt gia công hốc tùy thuộc vào

sự tương quan và sai khác giữa các kích thước tạo hình của hốc Xác định DF: Đường kính của dụng cụ cắt lần cuối

Dao phay ngón răng chắp cạnh ngắn

Dao phay đĩa

0.2809

0.2527

0.2961

0.1784

𝑎2{= 1 𝑛ế𝑢 𝑅 𝐹𝑚𝑖𝑛 <𝑅𝑅𝑚𝑖𝑛

8

= 0 𝑘ℎá𝑐

(3.7) Xác định DSF: Bán kính của dụng cụ cắt trung gian

(nếu cần)

𝐷𝑆𝐹 = 𝑘𝑆𝐹×𝑅𝑅𝑚𝑖𝑛

Bảng 3.6 Các loại kích thước cơ bản của hốc

1 Rs Bán kính góc lượn nhỏ nhất theo mặt cạnh

2 Rb Bán kính góc lượn nhỏ nhất theo mặt đáy

3 Ds Khoảng vát nhỏ nhất theo mặt cạnh

4 Db Khoảng vát nhỏ nhất theo mặt đáy

5 Dos Khoảng cách nhỏ nhất giữa các mặt hở

6 Dsi Khoảng cách nhỏ nhất giữa mặt cạnh hốc và

3.1.3 Thuật toán lựa chọn dụng cụ cắt

Sơ đồ khối mô tả các bước lựa chọn dụng cụ cắt mô tả như Hình 3.11 Toàn bộ quá trình lựa chọn này đều được tiến hành trên CSDL hệ thống Khi kết thúc vòng lặp mà không dụng cụ cắt nào được xác định thì hệ thống sẽ đưa ra yêu cầu mua dụng

cụ cắt ngoài thị trường theo những kích thước và chủng loại được

ưu tiên nhất

3.2 Lựa chọn máy công cụ