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 26 tháng 09 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 ix DANH MỤC CÁC BẢNG .xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xiii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MẶT TỰ DO 1.1 Mặt tự ứng dụng mặt tự 1.1.1 Giới thiệu .7 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 .8 1.1.3.2 Ứng dụng đường, mặt tự gia cơng 10 1.2 Q trình gia cơng tạo hình bề mặt tự 13 1.3 Dụng cụ đường dụng cụ gia công mặt tự 15 1.3.1 Kiểu dụng cụ sử dụng gia công mặt tự 15 1.3.1.1 Dao phay ngón đầu phẳng 17 1.3.1.2 Dao phay ngón đầu cầu .17 1.3.1.3 Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn .17 1.3.1.4 Dao phay ngón thân côn 18 1.3.2 Đường dụng cụ gia công mặt tự .21 1.3.2.1 Khái niệm 21 1.3.2.2 Các kiểu đường dụng cụ 21 1.3.2.3 Các thông số đường dụng cụ 27 1.4 Phương pháp tính tốn sinh đường dụng cụ 29 1.4.1 Phương pháp sinh đường dụng cụ sở điểm tiếp xúc (CC-Based) [29] 29 1.4.2 Phương pháp sinh đường dụng cụ sở điểm định vị dụng cụ (CL-Based) [29] 30 1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu gia cơng mặt tự máy phay CNC 31 1.5.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 31 1.5.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu giới .33 iv 1.6 Đánh giá tình hình nghiên cứu phương pháp gia công mặt tự đề xuất hướng nghiên cứu luận án 35 1.7 Kết luận .37 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TỰ DO TRONG CÁC HỆ THỐNG CAD/CAM .39 2.1 Biểu diễn đường tự hệ thống CAD/CAM .39 2.1.1 Các phương pháp biểu diễn toán đường tổng quát 39 2.1.2 Biểu diễn đường cong Bezier 40 2.1.3 Biểu diễn đường cong B-spline .45 2.2 Biểu diễn mặt tự hệ thống CAD/CAM 47 2.2.1 Phương pháp biểu diễn mặt dạng mơ hình đa thức dạng tham số 49 2.2.1.1 Mơ hình toán biểu diễn mảnh mặt Ferguson 49 2.2.1.2 Mơ hình mảnh mặt Bezier 50 2.2.2 Phương pháp biểu diễn mặt dạng mơ hình nội suy ranh giới mảnh mặt 51 2.2.2.1 Biểu diễn mặt tự mơ hình mặt kẻ 51 2.2.2.2 Biểu diễn mặt tự mơ hình mặt Coon 52 2.2.3 Phương pháp biểu diễn mặt dạng mơ hình mảnh qt 52 2.2.3.1 Mảnh mặt trượt tịnh tiến .52 2.2.3.2 Mảnh mặt quay .53 2.2.4 Phương pháp biểu diễn mặt dạng tứ giác 53 2.2.5 Mảnh mặt B - spline 54 2.2.6 Mặt NURBS .55 2.2.6.1 Biểu diễn toán học bề mặt NURBS 55 2.3.6.2 Đạo hàm mặt NURBS 56 2.2.7 Công cụ mô số mặt sang dạng mặt tự 57 2.3.8 Cấu trúc tệp (file) biểu diễn mặt theo định dạng IGES CAD/CAM 59 2.2.8.1 Cấu trúc file IGES 59 2.2.8.2 Biểu diễn số đối tượng theo định dạng file IGES 65 2.3 Kết luận 67 CHƯƠNG XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN DỤNG CỤ TRONG GIA CƠNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC TRỤC 69 3.1 Giới thiệu .69 v 3.2 Ảnh hưởng dụng cụ tạo hình bề mặt máy phay CNC 70 3.3 Xây dựng phương án lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý để gia cơng tạo hình mặt tự .74 3.3.1 Phân vùng mặt tự 75 3.3.2 Lựa chọn dụng cụ hợp lý tương ứng với phân vùng 79 3.3.3 Xác định ranh giới tương ứng với phân vùng cục 81 3.3.4 Thí nghiệm đánh giá kết 88 3.4 Đề xuất phương án gia công với bề mặt phân vùng: .99 3.4 Kết luận 101 CHƯƠNG XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CƠNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC TRỤC 104 4.1 Xây dựng thực nghiệm Taguchi đánh giá ảnh hưởng đường dụng cụ tới chất lượng tạo hình bề mặt tự 106 4.1 Phương pháp Taguchi 106 4.1.2 Xây dựng thực nghiệm 108 4.1.2.1 Điều kiện thực nghiệm .108 4.1.2.2 Lựa chọn thông số đầu vào xây dựng mảng trực giao Taguchi 110 4.2 Đề xuất phương án xác định đường dụng cụ 115 4.2.1 Điều kiện biên 115 4.2.2 Tính tốn thơng số đường dụng cụ .116 4.2.2.1 Tính tốn bước tiến ngang (St).(Bổ đề 1) 117 4.2.2.2 Xác định đường dẫn hợp lý đảm bảo Sc ≤ [Sc] (Bổ đề 2) 119 4.2.3 Tính tốn sai số xấp xỉ 124 4.3 Mô thực nghiệm đánh giá kết 127 4.4 Kết luận 130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .133 PHỤ LỤC .1 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 vii 24 25 Q C Ma trận hệ số góc Ma trận hệ số Ferguson 26 d du Phép tính đạo hàm với tham u 27 28 29 30 31 32 33 34 m mm µm S(u,v) 35 Tn 36 37 38 39 G Si T n TT St Sc Tpi 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 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 viii Danh mục chữ viết tắt STT Viết tắt CAD CAM CAGD CIM CAE CAPP NC CNC 10 NURBS 11 B-spline 12 2D 13 3D 14 5D 15 16 CC point CL point 'Style','text'); % 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'); 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,; 406 406 128 128 126 126 126 126 126 126 126 126 102 102 110 110 110 110 110 110 110 110 102 102 142 142 144 144 406,1,9HSurface.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,; 124 124 100 100 124 124 100 100 102 102 406 406 110 110 110 110 120 120 110 110 124 124 100 100 110 110 124 124 100 100 102 102 142 142 144 144 110 110 110 110 120 120 110 110 124 124 100 100 110 110 124 124 100 100 102 102 142 142 144 144 124,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0,0,0; 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; 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 toán 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); BasicFuns (uspan,u,p,U,Nu); vspan = FindSpan(m,q,v,V); BasicFuns (vspan,v,q,V,Nv); for (l=0, l