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 d ưới s ự hướng dẫn giáo viên hướng dẫn nhà khoa học Tài li ệu tham kh ảo 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 hồn thành hướng dẫn tận tình PGS TS Bùi Ngọc Tuyên Tôi 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 cơng vật liệu Dụng cụ cơng nghiệp có chia sẻ quý báu v ề ki ến thức, phương pháp nghiên cứu lời động viên tới NCS suốt tiến trình nghiên cứu đề tài Trong suốt q trình học tập, nghiên cứu tơi ln ln nhận s ự giúp đỡ tận tình thầy Viện Cơ khí Phòng Đào t ạo Tôi xin đ ược gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô Viện C 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 th ực hi ện 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 Danh mục ký hiệu Danh mục chữ viết tắt DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MẶT TỰ DO 1.1 Mặt tự ứng dụng 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Lịch sử phát triển 1.1.3 Ứng dụng đường, mặt tự d 1.1.3.1 Ứng dụng đường, mặt tự thiết kế 1.1.3.2 Ứng dụng đường, mặt tự gia công 1.2 Quá trình gia cơng tạo hình 1.3 Dụng cụ đường dụng cụ 1.3.1 Kiểu dụng cụ sử dụng tron 1.3.1.1 Dao phay ngón đầu phẳng 1.3.1.2 Dao phay ngón đầu cầu 1.3.1.3 Dao phay ngón đầu phẳng 1.3.1.4 Dao phay ngón thân 1.3.2 Đường dụng cụ gia 1.3.2.1 Khái niệm 1.3.2.2 Các kiểu đường dụng cụ c 1.3.2.3 Các thông số đ 1.4 Phương pháp tính tốn sin 1.4.1 Phương pháp sinh đường Based) [29] 1.4.2 Phương pháp sinh đường (CL-Based) [29] 1.5 Tổng quan tình hình nghiê CNC 27 1.5.1 Tổng quan tình hình nghiê 1.5.2 Tổng quan tình hình nghiê 1.6 Đánh giá tình hình nghiên xuất hướng nghiên cứu luận án 1.7 Kết luận CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TỰ DO TRONG CÁC HỆ THỐNG CAD/CAM 2.1 Biểu diễn đường tự hệ thống CAD/CAM iv 2.1.1 Các phương pháp biểu diễn toán đường tổng quát 2.1.2 Biểu diễn đường cong Bezier 2.1.3 Biểu diễn đường cong B-spline 2.2 Biểu diễn mặt tự hệ thống CAD/CAM 2.2.1 Phương pháp biểu diễn mặt dạng mơ hình đa thức dạng tham số 2.2.1.1 Mơ hình tốn biểu diễn mảnh mặt Ferguson 2.2.1.2 Mơ hình mảnh mặt Bezier 2.2.2 Phương pháp biểu diễn mặt dạng mơ hình nội suy ranh giới mảnh mặt 2.2.2.1 Biểu diễn mặt tự mơ hình mặt kẻ 2.2.2.2 Biểu diễn mặt tự mơ hình mặt Coon 2.2.3 Phương pháp biểu diễn mặt dạng mơ hình mảnh qt 2.2.3.1 Mảnh mặt trượt tịnh tiến 2.2.3.2 Mảnh mặt quay 2.2.4 Phương pháp biểu diễn mặt dạng tứ giác 2.2.5 Mảnh mặt B - spline 2.2.6 Mặt NURBS 2.2.6.1 Biểu diễn toán học bề mặt NURBS 2.3.6.2 Đạo hàm mặt NURBS 2.2.7 Công cụ mô số mặt sang dạng mặt tự 2.3.8 Cấu trúc tệp (file) biểu diễn mặt theo định dạng IGES CAD/CAM 2.2.8.1 Cấu trúc file IGES 2.2.8.2 Biểu diễn số đối tượng theo định dạng file IGES 2.3 Kết luận CHƯƠNG XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN DỤNG CỤ TRONG GIA CƠNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC TRỤC 3.1 Giới thiệu 3.2 Ảnh hưởng dụng cụ tạo hình bề mặt máy pha 62 3.3 Xây dựng phương án lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý để gia c mặt tự 3.3.1 Phân vùng mặt tự 3.3.2 Lựa chọn dụng cụ hợp lý tương ứng với phân vùng 3.3.3 Xác định ranh giới tương ứng với phân vùng cục 3.3.4 Thí nghiệm đánh giá kết 3.4 Đề xuất phương án gia công với bề mặt phân vùng: 3.4 Kết luận CHƯƠNG XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CƠNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC TRỤC 4.1 Xây dựng thực nghiệm Taguchi đánh giá ảnh hưởng đường dụng cụ tới chất lượng tạo hình bề mặt tự 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 h C( Bi, Ri, 10 P 11 12 13 14 W i 15 S 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 u v 26 27 28 m 29 30 µ S(u vii 31 32 T 33 34 T S 35 T 36 37 38 39 T Danh mục chữ viết tắt STT Viết tắt CAD CAM CAGD CIM % Truc cua duong cong AMB_Data.axis(1)=subplot('position',[.05,.07,.9,.77]); axis([-.01,1.01,-.01,1.01]); axis manual; axis on hold on; % Khung gioi han cua chuong trinh fill([-.1,1.1,1.1,-.1],[-.1,-.1,1.1,1.1],[1,1,1],'edgecolor','none'); plot([0,1,1,0,0],[0,0,1,1,0],'-k'); %%% Hàm Callback %%% function restart(varargin) global AMB_Data; AMB_Data.c=zeros(0,2); AMB_Data.movetype=0; AMB_Data.moveind=0; for k=AMB_Data.handles if k,delete(k);end end AMB_Data.handles=[0,0]; set(AMB_Data.uicontrols(1),'String','Bac: -1'); % Chèn, xóa, chỉnh sửa điểm điều khiển function myDownfct(varargin) global AMB_Data; if strcmp(get(gcf,'SelectionType'),'normal') % Chèn thêm điểm điều khiển, nâng bậc đường cong p=get(AMB_Data.axis(1),'CurrentPoint'); p=p(1,1:2); if min(p) >= & max(p) = & max(p) = & max(p) = & max(p) 0 % Ve cap nhat them da giac dieu khien if AMB_Data.handles(1)==0 AMB_Data.handles(1)=plot(AMB_Data.c(:,1),AMB_Data.c(:,2),'-ok'); 129 else set(AMB_Data.handles(1),'Xdata',AMB_Data.c(:,1)); set(AMB_Data.handles(1),'Ydata',AMB_Data.c(:,2)); end end if n>1 % ve cap nhat them duong t=linspace(0,1,panz); s=casteljau(AMB_Data.c,t'); if AMB_Data.handles(2)==0 AMB _Data.handles(2)=plot(s(:,1),s(:,2),'b','Linewidth',2); else set(AMB_Data.handles(2),'Xdata',s(:,1)); set(AMB_Data.handles(2),'Ydata',s(:,2)); end end %%% Ham cua chuong trinh AMB_program %%% function p = casteljau(c,t) % sư dụng thuật toán Pierre De Casteljau % p = casteljau(c,t) % points p(j,:) Duong cong Bezier voi tap diem dieu khien c(k,:) % Cho thong so t(j) % Chuyen doi sang dang vecto cot (Khi can thiet) t = t(:); [np1,dim] = size(c); % Tinh de quy cua De casteljau if np1 == p = (1+0*t)*c; else p0 = casteljau(c(1:end-1,:),t); p1 = casteljau(c(2:end,:),t); t = repmat(t,1,dim); p = (1-t).*p0 + t.*p1; end Phụ lục 2.2 Biểu diễn mặt phẳng CATIA V5R20 theo định dạng IGES START RECORD GO HERE 1H,,1H;,5HPart1,15HPlanarCATIA.igs,44HDASSAULT SYSTEMES CATIA V5 R20 - wG ww.3ds.com,27HCATIA Version Release 20 ,32,75,6,75,15,5HPart1,1.0,2,2HG MM,1000,1.0,15H20171104.110143,0.001,10000.0,5HHVQuy,8HHVQuy-PC,11,0,15HG 20171104.110143,; 406 406 128 128 126 126 126 126 126 126 126 126 102 102 110 110 110 130 110 110 110 110 110 102 102 142 142 144 144 406,1,9HSurface.1,0,0; 128,3,3,3,3,0,0,1,0,0,0.0,0.0,0.0,0.0,197.8293762,197.8293762, 197.8293762,197.8293762,0.0,0.0,0.0,0.0,131.7123485,131.7123485, 131.7123485,131.7123485,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0, 1.0,1.0,1.0,1.0,1.0,1.0,-7.645088975,5.987486329,0.0, -73.58821438,5.987486329,0.0,-139.5313398,5.987486329,0.0, -205.4744652,5.987486329,0.0,-7.645088975,49.89160251,0.0, -73.58821438,49.89160251,0.0,-139.5313398,49.89160251,0.0, -205.4744652,49.89160251,0.0,-7.645088975,93.79571869,0.0, -73.58821438,93.79571869,0.0,-139.5313398,93.79571869,0.0, -205.4744652,93.79571869,0.0,-7.645088975,137.6998349,0.0, -73.58821438,137.6998349,0.0,-139.5313398,137.6998349,0.0, -205.4744652,137.6998349,0.0,0.0,197.8293762,0.0,131.7123485,0, 0; 126,3,3,0,0,1,0,0.0,0.0,0.0,0.0,197.8293762,197.8293762, 197.8293762,197.8293762,1.0,1.0,1.0,1.0,-7.645088975, 5.987486329,0.0,-73.58821438,5.987486329,0.0,-139.5313398, 5.987486329,0.0,-205.4744652,5.987486329,0.0,0.0,197.8293762, 0.0,0.0,0.0,0,0; 126,3,3,0,0,1,0,0.0,0.0,0.0,0.0,131.7123485,131.7123485, 131.7123485,131.7123485,1.0,1.0,1.0,1.0,-205.4744652, 5.987486329,0.0,-205.4744652,49.89160251,0.0,-205.4744652, 93.79571869,0.0,-205.4744652,137.6998349,0.0,0.0,131.7123485, 0.0,0.0,0.0,0,0; 126,3,3,0,0,1,0,0.0,0.0,0.0,0.0,197.8293762,197.8293762, 197.8293762,197.8293762,1.0,1.0,1.0,1.0,-205.4744652, 137.6998349,0.0,-139.5313398,137.6998349,0.0,-73.58821438, 137.6998349,0.0,-7.645088975,137.6998349,0.0,0.0,197.8293762, 0.0,0.0,0.0,0,0; 126,3,3,0,0,1,0,0.0,0.0,0.0,0.0,131.7123485,131.7123485, 131.7123485,131.7123485,1.0,1.0,1.0,1.0,-7.645088975, 137.6998349,0.0,-7.645088975,93.79571869,0.0,-7.645088975, 49.89160251,0.0,-7.645088975,5.987486329,0.0,0.0,131.7123485, 0.0,0.0,0.0,0,0; 102,4,5,7,9,11,0,0; 110,0.0,0.0,0.0,197.8293762,0.0,0.0,0,0; 110,197.8293762,0.0,0.0,197.8293762,131.7123485,0.0,0,0; 110,197.8293762,131.7123485,0.0,0.0,131.7123485,0.0,0,0; 110,0.0,131.7123485,0.0,0.0,0.0,0.0,0,0; 102,4,15,17,19,21,0,0; 142,0,3,23,13,1,0,0; 144,3,1,0,25,0,1,1; S 1G Phụ lục 2.3 Cấu trúc mặt trụ tâm O(0, 0), bán kính R=30, chiều cao h = 20 theo định dạng IGES CATIA V5R20 START RECORD GO HERE 1H,,1H;,,16HCATIA MatTru.igs,44HDASSAULT SYSTEMES CATIA V5 R20 - www.3dsG com,27HCATIA Version Release 20 ,32,75,6,75,15,,1.0,2,2HMM,1000,1.0, G 15H20171104.142321,0.001,10000.0,5HHVQuy,8HHVQuy-PC,11,0,15H20171104.142G 321,; 124 124 100 100 131 124 124 100 100 102 102 406 406 110 110 110 110 120 120 110 110 124 124 100 100 110 110 124 124 100 100 102 102 142 142 144 144 110 110 110 110 120 120 110 110 124 124 100 100 110 110 124 124 100 100 102 102 142 142 144 144 124,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0,0,0; 100,0.0,0.0,0.0,30.0,0.0,-30.0,0.0,0,0; 124,-1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,-1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0,0,0; 100,0.0,0.0,0.0,30.0,0.0,-30.0,0.0,0,0; 102,2,3,7,0,0; 406,1,9HExtrude.1,0,0; 110,0.0,0.0,10.0,0.0,0.0,11.0,0,0; 110,30.0,0.0,0.0,30.0,0.0,20.0,0,0; 120,13,15,0.0,6.283185307,0,0; 110,30.0,0.0,20.0,30.0,0.0,0.0,0,0; 124,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0,0,0; 100,0.0,0.0,0.0,30.0,0.0,-30.0,0.0,0,0; 132 110,-30.0,0.0,0.0,-30.0,0.0,20.0,0,0; 124,-1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,-1.0,20.0,0,0; 100,0.0,0.0,0.0,30.0,0.0,-30.0,0.0,0,0; 102,4,19,23,25,29,0,0; 142,0,17,0,31,2,0,0; 144,17,1,0,33,0,1,11; 110,0.0,0.0,10.0,0.0,0.0,11.0,0,0; 110,-30.0,0.0,0.0,-30.0,0.0,20.0,0,0; 120,37,39,0.0,6.283185307,0,0; 110,-30.0,0.0,20.0,-30.0,0.0,0.0,0,0; 124,-1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,-1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0,0,0; 100,0.0,0.0,0.0,30.0,0.0,-30.0,0.0,0,0; 110,30.0,0.0,0.0,30.0,0.0,20.0,0,0; 124,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,-1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,-1.0,20.0,0,0; 100,0.0,0.0,0.0,30.0,0.0,-30.0,0.0,0,0; 102,4,43,47,49,53,0,0; 142,0,41,0,55,2,0,0; 144,41,1,0,57,0,1,11; S 1G Phụ lục 3.1 Hàm vector nut % Ham tinh toan vecto nut function xi=KnotVector(k,N) xi(1:k)=0; for i=k+1:N xi(i)=(i-k)/ (N-k+1); end xi(N+1:N+k)=1; Phụ lục 3.2 Hàm Ma trận sở % ham tao ma tran co so function MN = MatrixBasisFunction(N,knot,t,xknot) for i=1:length(t) for j=1:N MN(i,j)=BasisFunction(j,knot,t(i),xknot); end end Phụ lục 3.3 Hàm độ cong lớn, nhỏ vùng cục %Do cong lon nhat, nho nhat vung cuc bo function[lcPmax,lcPmin]=MaxMinCurvatureLocalSurface(M,gPmax,gPmin) Vmax=[]; Vmin=[]; for i=1:size(M,1) for j=1:size(M,2) if(M(i,j)~=0) Vmax=[Vmax,gPmax(i,j)]; Vmin=[Vmin,gPmin(i,j)]; end end end lcPmax=max(Vmax); lcPmin=min(Vmin); Phụ lục 3.4 Tính tốn điểm bề mặt % Tinh toan diem be mat bang cach su dung mang diem dieu khien P so w SurfacePoint (n, p, U, m, q, V,w, u, v, S) {/* Tinh toan diem tren mat */ /* Input: n,p,U,m,q,V,w,u,v */ /* Output: S */} uspan = FindSpan(n,p,u,U); 133 BasicFuns (uspan,u,p,U,Nu); vspan = FindSpan(m,q,v,V); BasicFuns (vspan,v,q,V,Nv); for (l=0, l