Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ trong tạo hình bề mặt tự do trên máy phay CNC 3 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Văn Quý NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN DỤNG CỤ VÀ ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC TRỤC Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Bùi Ngọc Tuyên Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn giáo viên hướng dẫn nhà khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS TS Bùi Ngọc Tuyên Hoàng Văn Quý ii LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành hướng dẫn tận tình PGS TS Bùi Ngọc Tuyên Tơi xin chuyển tới thầy kính trọng, lòng biết ơn sâu sắc định hướng, bảo, động viên, kiến thức quý báu thầy lĩnh vực mà nghiên cứu Tôi xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới tập thể giảng viên môn Gia công vật liệu Dụng cụ cơng nghiệp có chia sẻ q báu kiến thức, phương pháp nghiên cứu lời động viên tới NCS suốt tiến trình nghiên cứu đề tài Trong suốt trình học tập, nghiên cứu luôn nhận giúp đỡ tận tình thầy Viện Cơ khí Phòng Đào tạo Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô Viện Cơ khí tận tình giúp đỡ để tơi hồn thành q trình học tập nghiên cứu Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại học Hải Phòng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình thực đề tài nghiên cứu Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn tới gia đình, người thân ln bên cạnh suốt tồn thời gian thực nghiên cứu Hài nội, ngày 22 tháng 07 năm 2019 Nghiên cứu sinh Hoàng Văn Quý iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii Danh mục ký hiệu vii Danh mục chữ viết tắt viii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MẶT TỰ DO 1.1 Mặt tự ứng dụng mặt tự 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Lịch sử phát triển 1.1.3 Ứng dụng đường, mặt tự 1.1.3.1 Ứng dụng đường, mặt tự thiết kế 1.1.3.2 Ứng dụng đường, mặt tự gia công 1.2 Q trình gia cơng tạo hình bề mặt tự 11 1.3 Dụng cụ đường dụng cụ gia công mặt tự .13 1.3.1 Kiểu dụng cụ sử dụng gia công mặt tự 13 1.3.1.1 Dao phay ngón đầu phẳng 14 1.3.1.2 Dao phay ngón đầu cầu 15 1.3.1.3 Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn .15 1.3.1.4 Dao phay ngón thân 15 1.3.2 Đường dụng cụ gia công mặt tự .18 1.3.2.1 Khái niệm .18 1.3.2.2 Các kiểu đường dụng cụ 18 1.3.2.3 Các thông số đường dụng cụ 24 1.4 Phương pháp tính tốn sinh đường dụng cụ 25 1.4.1 Phương pháp sinh đường dụng cụ sở điểm tiếp xúc (CCBased) [29] 26 1.4.2 Phương pháp sinh đường dụng cụ sở điểm định vị dụng cụ (CL-Based) [29] .27 1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu gia cơng mặt tự máy phay CNC 27 1.5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 27 1.5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu giới 29 1.6 Đánh giá tình hình nghiên cứu phương pháp gia công mặt tự đề xuất hướng nghiên cứu luận án .31 1.7 Kết luận 33 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TỰ DO TRONG CÁC HỆ THỐNG CAD/CAM 34 2.1 Biểu diễn đường tự hệ thống CAD/CAM 35 iv 2.1.1 Các phương pháp biểu diễn toán đường tổng quát 35 2.1.2 Biểu diễn đường cong Bezier 36 2.1.3 Biểu diễn đường cong B-spline 40 2.2 Biểu diễn mặt tự hệ thống CAD/CAM 43 2.2.1 Phương pháp biểu diễn mặt dạng mơ hình đa thức dạng tham số 44 2.2.1.1 Mơ hình tốn biểu diễn mảnh mặt Ferguson .44 2.2.1.2 Mơ hình mảnh mặt Bezier 45 2.2.2 Phương pháp biểu diễn mặt dạng mơ hình nội suy ranh giới mảnh mặt 46 2.2.2.1 Biểu diễn mặt tự mơ hình mặt kẻ 46 2.2.2.2 Biểu diễn mặt tự mơ hình mặt Coon 46 2.2.3 Phương pháp biểu diễn mặt dạng mơ hình mảnh qt 47 2.2.3.1 Mảnh mặt trượt tịnh tiến 47 2.2.3.2 Mảnh mặt quay 47 2.2.4 Phương pháp biểu diễn mặt dạng tứ giác 48 2.2.5 Mảnh mặt B - spline 48 2.2.6 Mặt NURBS 49 2.2.6.1 Biểu diễn toán học bề mặt NURBS 49 2.3.6.2 Đạo hàm mặt NURBS 51 2.2.7 Công cụ mô số mặt sang dạng mặt tự 52 2.3.8 Cấu trúc tệp (file) biểu diễn mặt theo định dạng IGES CAD/CAM 53 2.2.8.1 Cấu trúc file IGES 54 2.2.8.2 Biểu diễn số đối tượng theo định dạng file IGES 58 2.3 Kết luận 61 CHƯƠNG XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN DỤNG CỤ TRONG GIA CƠNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC TRỤC 62 3.1 Giới thiệu 62 3.2 Ảnh hưởng dụng cụ tạo hình bề mặt máy phay CNC 62 3.3 Xây dựng phương án lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý để gia công tạo hình mặt tự 66 3.3.1 Phân vùng mặt tự 67 3.3.2 Lựa chọn dụng cụ hợp lý tương ứng với phân vùng 71 3.3.3 Xác định ranh giới tương ứng với phân vùng cục 72 3.3.4 Thí nghiệm đánh giá kết .80 3.4 Đề xuất phương án gia công với bề mặt phân vùng: 90 3.4 Kết luận 92 CHƯƠNG XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CƠNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC TRỤC 94 4.1 Xây dựng thực nghiệm Taguchi đánh giá ảnh hưởng đường dụng cụ tới chất lượng tạo hình bề mặt tự 95 v 4.1 Phương pháp Taguchi .96 4.1.2 Xây dựng thực nghiệm .97 4.1.2.1 Điều kiện thực nghiệm 97 4.1.2.2 Lựa chọn thông số đầu vào xây dựng mảng trực giao Taguchi 99 4.2 Đề xuất phương án xác định đường dụng cụ 103 4.2.1 Điều kiện biên 104 4.2.2 Tính tốn thơng số đường dụng cụ 104 4.2.2.1 Tính tốn bước tiến ngang (St).(Bổ đề 1) 105 4.2.2.2 Xác định đường dẫn hợp lý đảm bảo Sc ≤ [Sc] (Bổ đề 2) 108 4.2.3 Tính tốn sai số xấp xỉ 112 4.3 Mô thực nghiệm đánh giá kết 114 4.4 Kết luận 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 PHỤ LỤC 127 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu STT Ký hiệu Giải nghĩa C(u) u v Bi, n(u) Ri, n(u) Pi x y z 10 Pi, j 11 12 13 14 U Wi, j i, j  15 Sc 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 K H u(t) v(t) t D M  Q C Phương trình biểu diễn đường cong tự với biến u Tham số đường cong tự theo phương u (0 ≤ u ≤ 1) Tham số đường cong tự theo phương v (0 ≤ v ≤ 1) Đa thức Bernstein với biến u Hàm vô hướng sở cho đường cong tự Điểm điều khiển thứ i đường cong mặt cong tự Biến số hàm số theo phương Ox hệ tọa độ Descartes Biến số hàm số theo phương Oy hệ tọa độ Descartes Biến số hàm số theo phương Oz hệ tọa độ Descartes Điểm điều khiển nút (i, j) lưới điểm điều khiển mặt tự Véc tơ nút Trọng số tương ứng điểm điều khiển Pi, j mặt tự Chỉ số Bán kính cong Scallop height (chiều cao lượng kim loại để lại sau bước dịch dao ngang) Độ cong Độ cong Gauss Đường cong tham số t theo phương u Đường cong tham số t theo phương v Tham số t đường cong Ma trận thứ hai đường cong Ma trận chuyển Toán tử sai phân Ma trận hệ số góc Ma trận hệ số Ferguson 26 d du 27 28 29 30 m mm µm S(u,v) Phép tính đạo hàm với biến u Đơn vị đo độ dài: mét Đơn vị đo độ dài: mi li mét (10-3m) Đơn vị đo độ dài: micro mét (10-6m) Mặt tự biểu diễn không gian tham số vii 31 32 33 34 TT St 35 Tn 36 37 38 39 G Si Sc Tpi T n Vector hướng dụng cụ Vector pháp tuyến mặt S(u,v) Mặt phẳng tiếp tuyến mặt cong S(u,v) Khoảng dịch dao ngang (Step over size) Mặt phẳng tạo vector hướng dao vector pháp tuyến Giao tuyến mặt phẳng Tn TT Điểm i mặt S(u,v) Đường cong giao mặt Tn S(u,v) Đường dụng cụ thứ i Danh mục chữ viết tắt STT Viết tắt CAD CAM CAGD CIM Viết đầy đủ Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing Computer Aided Geometry Design Computer Intergrated Manufacturing viii Giải nghĩa Thiết kế có hỗ trợ máy tính Sản xuất có hỗ trợ máy tính Thiết kế hình học có hỗ trợ máy tính Sản xuất có tích hợp máy tính CAE Computer Aided Engineering CAPP Computer Aided Production Planning NC Numerical Control CNC Computer Numerical Control 10 NURBS Non-uniform rational Bspline 11 B-spline B-spline 12 2D Two Dimension 13 3D Three Dimension 14 5D Five Dimension 15 16 CC point CL point Cutting Contact point Cutting Location point 17 CC path Cutting contact path 18 CL path Cutting Location path 19 DP DPi, i=1, Data Points 20 set of data points ix Ứng dụng máy tính phân tích Lập kế hoạch chế tạo sản phẩm có trợ giúp máy tính Điều khiển số Điều khiển số máy tính (chỉ hệ thống khí gia công tự động Mặt đường B-spline hữu tỉ không đồng Đường cong tự Bspline Không gian phẳng (dùng máy trục) Không gian ba chiều (dùng máy trục) Không gian năm chiều (dùng máy trục) Điểm cắt (điểm tạo hình) Điểm định vị dụng cụ Đường tập hợp (quỹ đạo) điểm tạo hình Đường tập hợp (quỹ đạo) điểm định vị dụng cụ Tập điểm liệu tập liệu điểm thành phần DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Các đường dụng cụ 18 Bảng Thuật ngữ đường dụng cụ gia công CNC 19 Bảng Mười dạng vùng bề mặt cục bề mặt tự trơn liên tục 29 Bảng Bảng cấu trúc liệu file IGES 55 Bảng 2 Bảng thống kê nhãn biểu diễn liệu IGES 57 Bảng Bảng điểm điều khiển trọng số mặt tự mẫu thí nghiệm 80 Bảng Bảng tính chất vật lý nhựa PA 81 Bảng 3 Bảng thông số dụng cụ 82 Bảng Bảng thông số máy đo tọa độ SVANEX 9106 82 Bảng Bảng thông số cao độ z điểm bề mặt mẫu thiết kế 84 Bảng Bảng thông số đo cao độ z điểm bề mặt Mẫu .84 Bảng Bảng thông số đo cao độ z điểm bề mặt Mẫu .84 Bảng Chương trình gia cơng 88 Bảng Bảng tổng hợp thời gian gia công chiều dài đường dụng cụ 89 x ... đề lựa chọn dụng cụ đường dụng cụ hợp lý tạo hình mặt tự máy phay CNC trục nghiên cứu lựa chọn dụng cụ đường dụng cụ hợp lý gia công tinh bề mặt tự nhằm giảm thời gian gia công mà giữ sai số tạo. .. dụng cụ tạo hình bề mặt máy phay CNC 62 3. 3 Xây dựng phương án lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý để gia cơng tạo hình mặt tự 66 3. 3.1 Phân vùng mặt tự 67 3. 3.2 Lựa chọn dụng. .. NCS lựa chọn đề tài luận án: Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ đường dụng cụ hợp lý tạo hình bề mặt tự máy phay CNC trục Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích đề tài Nghiên cứu lựa chọn