Ứng dụng NUBRS nội suy tốc độ chạy dao phay tốc độ cao

Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH BÙI CHẤN THẠNH ỨNG DỤNG NURBS NỘI SUY TỐC ĐỘ CHẠY DAO PHAY TỐC ĐỘ CAO Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số ngành : 60 52 04 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2007 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐOÀN THỊ MINH TRINH Cán chấm nhận xét 1:…………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2:…………………………………………………………… Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày 15 tháng 09 năm 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 10 tháng 07 năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Bùi Chấn Thạnh Nam / Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 08 / 09 / 1980 Nơi sinh : Bến Tre Chuyên ngành : Công Nghệ Chế T ạo Máy Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao phay tốc độ cao 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Nghiên cứu ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao - Xây dựng qui trình tính tốn nội suy tốc độ chạy dao - phay biên dạng theo mơ hình NURBS - Áp dụng thực tế qui trình tính tốn nội suy tốc độ chạy dao 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 11 / 07 / 2007 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): PGS TS Đoàn Thị Minh Trinh Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS TS Đồn Thị Minh Trinh CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QUẢN LÝ CHUN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI NÓI ĐẦU Trong môi trường cạnh tranh toàn cầu, kỹ thuật sản xuất nói chung, kỹ thuật chế tạo nói riêng cần đáp ứng đồng thời tiêu chất lượng, thời gian, giá thành Sự phát triển hệ máy gia công tốc độ cao (TĐC)- tốc độ trục lớn 7.000 vòng/phút, tốc độ chạy dao (feed rate) lớn 100 mét/phút [5] không nâng cao đáng kể suất gia công mà cho phép cải thiện qui trình xử lý bề mặt sau gia công tinh tăng khả gia công vật liệu cứng hay vật liệu sau xử lý cứng bề mặt Do làm việc với chế độ “tốc độ cao”, máy gia công TĐC cần giải tốt tốc độ truyền liệu khả xủ lý hệ điều khiển để đáp ứng yêu cầu gia công TĐC đặc biệt đảm bảo tính ổn định động lực học hệ thống - khía cạnh điều khiển tốc độ chạy dao đảm bảo thay đổi liên tục, ổn định tốc độ chạy dao Phương pháp mô hình hóa hình học B-Spline không hữu tỷ (NURBS) với khả mô hình hóa xác khả hiệu chỉnh linh hoạt ứng dụng phổ biến lónh vực thiết kế CAD Trong lónh vực lập trình gia công (CAM) điều khiển số (CNC), NURBS nghiên cứu ứng dụng để nội suy đường chạy dao, nội suy tốc độ chạy dao nhằm đáp ứng yêu cầu ngày cao tốc độ truyền, tốc độ xử lý liệu, độ xác gia công gia công TĐC Theo hướng nghiên cứu này, luận văn xác định mục tiêu nghiên cứu ứng dụng NURBS xây dựng giải thuật tính toán nội suy tốc độ chạy dao phay TĐC, cụ thể áp dụng cho trường hợp phay biên dạng góc xác định nội dung cần thực phạm vi luận văn bao gồm: - Nghiên cứu ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao - Xây dựng quy trình tính toán nội suy tốc độ chạy dao phay biên dạng theo mô hình NURBS - Áp dụng quy trình tính toán nội suy tốc độ chạy dao Nội dung nghiên cứu tóm tắt sau: Tổng quan phay tốc độ cao nội suy tốc độ chạy dao Tổng quan máy TĐC: Phân tích hệ điều khiển máy CNC truyền thống máy TĐC, sở xác định yêu cầu tốc độ truyền liệu xử lý liệu phải đáp ứng máy TĐC Tổng quan nội suy tốc độ chạy dao: nghiên cứu tổng quan phương pháp nội suy tốc độ chạy dao, đánh giá sai số kích thước thời gian gia công qua phương pháp nội suy tốc độ chạy dao Trên sở xác định phương pháp nội suy dựa mô hình NURBS thích hợp Xác định toán nội suy tốc độ chạy dao phay TĐC Trong trình ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao có toán cần giải quyết: - Nội suy quỹ đạo chạy dao theo đường cong NURBS - Nội suy tốc độ chạy dao theo phương trình quỹ đạo chạy dao Nghiên cứu lý thuyết nội suy cục đường cong NURBS bậc Để tìm phương trình đường cong NURBS, phần trình bày lý thuyết đường cong NURBS cách tính thông số nội suy cục đường cong NURBS bậc Xây dựng giải thuật ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao phay TĐC Ứng dụng lý thuyết trình bày chương vào xây dựng giải thuật ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao phay TĐC đảm bảo sai số nằm giới hạn cho phép Áp dụng quy trình tính toán nội suy tốc độ chạy dao phay biên dạng góc Áp dụng cụ thể giải thuật ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao phay TĐC nhằm đánh giá kết tính toán TÓM TẮT Luận văn ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao phay tốc độ cao, nhằm nâng cao độ xác, chất lượng bề mặt gia công, đảm bảo ổn định động lực học tăng suất gia công Nội dung đề tài gồm có chương phân tích đường chạy dao, từ đề nghị ứng dụng nội suy cục (local) NURBS bậc để nội suy tốc độ chạy dao phay biên dạng góc gia công tốc độ cao Phạm vi nội suy tốc độ chạy dao đề tài phay biên dạng góc với sai số cho trước Trong trình tính toán nội suy tốc độ chạy dao với điểm liệu (là quỹ đạo chạy dao) cho trước ứng dụng phần mềm Matlab 7.1 mô kết nội suy tốc độ chạy dao Một số thuật ngữ viết tắt TĐC: Tốc độ cao CAD: Thiết kế với trợ giúp máy tính CAM: Chế tạo với trợ giúp máy tính CNC: Thiết bị điều khiển số CAE: Phân tích kỹ thuật NURBS: Đường B-Spline không hữu tỉ Quy ước: Phay truyền thống hệ điều khiển máy xử lý lệnh nội suy đường thẳng (G01) đường tròn G02(G03) Phay TĐC máy hệ điều khiển máy xử lý lệnh nội suy NURBS - ii - Mục lục MỤC LỤC Lời nói đầu i Tóm tắt ii Muïc luïc iii Chương 1: Tổng quan gia công tốc độ cao nội suy tốc độ chạy dao 1.1 Giới thiệu gia công tốc độ cao 1.2 Toång quan nội suy tốc độ chạy dao 1.3 Mục tiêu đối tượng nghiên cứu .12 Chương 2: Xác định toán nội suy tốc độ chạy dao phay TĐC 2.1 Xác định toán nội suy tốc độ chạy dao 15 2.2 Phương pháp nội suy tốc độ chạy dao 16 2.2.1 Xác định Tốc độ chạy dao phay biên dạng 16 2.2.2 Tốc độ chạy dao thay đổi phụ thuộc vào quỹ đạo chạy dao 17 2.2.3 Tính sai số đường chạy dao 18 2.2.4 Thuật toán nội suy tốc độ chạy dao 21 Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao phay TĐC 3.1 Cơ sở lý thuyết đường cong NURBS 23 3.2 Phương pháp nội suy đường cong NURBS 24 3.2.1 Tìm điểm điều khiển 25 3.2.3 Tính véctơ nút 32 3.2.4 Tính hàm B-Spline 32 GVHD: PGS TS Đoàn Thị Minh Trinh - iii - Mục lục Xây dựng quy trình tính toán nội suy tốc độ chạy dao phay biên dạng theo mô hình NURBS Chương 4: 4.1 Phát biểu toán nội suy .33 4.3 Quy trình nội suy tốc độ chạy dao theo mô hình NURBS 33 Chương : Áp dụng quy trình tính toán nội suy tốc độ chạy dao phay biên dạng góc 5.1 Áp dụng NURBS nội suy quỹ đạo chạy dao 38 5.1.1 Tìm điểm điều khieån 38 5.1.2 Nội suy NURBS qua điểm điều khiển 42 5.2 Nội suy tốc độ chạy dao 65 5.2.1 Tính tốc độ chaïy dao 65 5.2.2 Tính độ cong, bán kính cong, sai số tốc độ chạy dao 65 5.3 Đánh giá kết 68 Kết luận 72 Tài liệu tham khảo 74 Phuï luïc 76 Tóm Tắt Lý Lịch 83 GVHD: PGS TS Đồn Thị Minh Trinh - iii - Chương 1: Tổng quan gia công tốc độ cao nội suy tốc độ chạy dao Chương Tổng quan phay tốc độ cao nội suy tốc độ chạy dao 1.1 Giới thiệu phay TĐC 1.2 Tổng quan phương pháp nội suy tốc độ chạy dao 1.3 Mục tiêu đối tượng nghiên cứu Nội dung chương giới thiệu tổng quát công nghệ phay truyền thống, phay tốc độ cao, nghiên cứu tổng quan phương pháp nội suy tốc độ chạy dao 1.1 Giới thiệu phay TĐC Định nghóa phay TĐC Phay TĐC dạng gia công điều khiển số, có tốc độ trục lớn 7.000 vòng/phút tốc độ chạy dao (feed rate) lớn 100 mét/phút [5] Phát triển máy phay TĐC xuất phát từ yêu cầu thời gian gia công, chất lượng gia công sản phẩm, khả công nghệ Cho nên máy TĐC cần thiết để phát triển công nghệ CAM – CNC Đối với máy TĐC vấn đề cần giải không đơn giản điều khiển máy, tốc độ chuyển động trục, tốc độ quay trục nhanh mà phải cải thiện tốc độ xử lý, tốc độ truyền liệu gia công hệ thống, đảm bảo ổn định động lực học hệ thống Về mặt nội suy tốc độ chạy dao máy phay CNC truyền thống, hệ điều khiển xử lý lệnh nội suy G01, G02 (G03) (hình 1.1) Hình 1.1: Mô hình CAD GVHD: PGS.TS Đồn Thị Minh Trinh -1- Chương 1: Tổng quan gia công tốc độ cao nội suy tốc độ chạy dao Với khối lệnh NC, tốc độ chạy dao số (hình 1.2), tốc độ chạy dao thay đổi theo dạng bậc thang (hình 1.3) Cho nên phương pháp không phù hợp với gia công TĐC đòi hỏi tốc độ chạy dao thay đổi liên tục để đảm bảo ổn định động lực học hệ thống b) tốc độ chạy dao thay đổi a) Tốc độ chạy dao không đổi Hình 1.2 Hình 1.3: Tốc độ chạy dao không liên tục Về mặt mô tả đường chạy dao, phương pháp truyền thống (hình 1.4) liệu thiết kế môi trường CAD (đường thẳng hay đường cong), sau tính chọn dụng cụ cắt – chế độ cắt để hoạch định đường chạy dao thành lệnh nội suy G01, G02 (G03) lệnh chức M môi trường CAM Chương trình gia công truyền vào phận điều khiển máy phay CNC, liệu xử lý nội suy G01, G02 (G03) Cho nên đường chạy dao phước tạp khối lượng chương trình lớn, không đáp ứng tốc độ truyền liệu GVHD: PGS.TS Đồn Thị Minh Trinh -2- Chương 5: Ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao phay biên dạng góc Trường hợp: Giả sử máy gia công với tốc độ chạy dao thay đổi liên tục tùy theo sai số vị trí xét Fc = 0,29 m/s (hình 5.8) thời gian gia công 3,9622s Hình 5.8: Tốc độ chạy dao thay đổi liên tục Vậy trường hợp trên, thời gian gia công trường hợp lớn gây sai số nhỏ 0,5µm Trong trường hợp gia công với Fc số có giá trị 0,29m/s, ta tính lại sai số gia công 0,78µm (hình 5.9), vượt sai số cho phép ban đầu 0,5µm Vậy trường hợp này, xét mặt thời gian ngắn 0,5706s độ xác 0,78µm > 0,5µm GVHD: PGS TS Đồn Thị Minh Trinh - 70 - Chương 5: Ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao phay biên dạng góc Hình 5.9: Tính sai số tốc độ chạy dao số F=Fc GVHD: PGS TS Đồn Thị Minh Trinh - 71 - Kết Luận KẾT LUẬN Trong phay TĐC yêu cầu tốc độ truyền xử lý liệu đáp ứng tốc độ cao không áp dụng phương pháp gia công truyền thống Nếu áp dụng phương pháp gia công truyền thống khối lượng chương trình gia công lớn làm tốc độ xử lý chậm, tốc độ chạy dao thay đổi có dạng bậc thang không đảm bảo ổn định động lực học máy Thông qua phân tích nội suy đường chạy dao tốc độ chạy dao phương pháp gia công truyền thống phương pháp gia công TĐC Luận văn đề xuất ứng dụng NURBS mô tả đường chạy dao, sở nội suy tốc độ chạy dao đảm bảo sai số nội suy đường chạy dao thực tế đường chạy dao lý thuyết Các nội dung Luận văn hoàn thành như: o Nghiên cứu phương pháp nội suy tốc độ chạy dao, nội suy tốc độ chạy dao, từ đề xuất ứng dụng phương pháp nội suy NURBS cục để nội suy tốc độ chạy dao phay TĐC o Nghiên cứu sở lý thuyết đường cong NURBS, phương pháp nội suy NURBS, xây dựng quy trình tính toán, nội suy tốc độ chạy dao dựa mô hình NURBS bậc Giải thuật nội suy tốc độ chạy dao bao gồm: - Nội suy đường chạy dao (điểm điều khiển, véctơ nút hàm B-Spline) - Nội suy tốc độ chạy dao (giới hạn tốc độ chạy dao, sai số cho phép tính sai số nội suy) sau nội suy tốc độ chạy dao cách so sánh sai số nội suy với sai số cho phép o Áp dụng mô hình NURBS nội suy tốc độ chạy dao phay TĐC làm giảm sai số 0.28µm (so với phương pháp gia công không nội suy tốc độ chạy dao) gia công biên dạng góc tăng chất lượng bề mặt gia công Tốc độ chạy dao thay đổi linh hoạt dựa hình học chi tiết gia công đảm bảo ổn định động lực học máy tăng tuổi thọ dụng cụ cắt Tuy nhiên thời gian gia công GVHD: PGS TS Đồn Thị Minh Trinh - 72 - Kết Luận phương pháp ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao tăng 0.5706giây so với phương pháp gia công không nội suy tốc độ chạy dao Đề xuất hướng phát triển cho luận văn Phay TĐC ứng dụng chủ yếu gia công bán tinh gia công tinh Do phay biên dạng góc trường hợp tổng quát, ứng dụng vào trường hợp gia công tinh với chi tiết có dạng hình học phức tạp Ứng dụng NURBS nội suy tốc độ chạy dao nhằm đảm bảo đồng thời sai số không vượt giới hạn cho phép thể tích cắt vật liệu không đổi [12] Phương pháp mô hình hóa hình học NURBS ứng dụng xử lý bề mặt chức có yêu cầu tính liên tục vận tốc, gia tốc GVHD: PGS TS Đồn Thị Minh Trinh - 73 - Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO ––––Ë—––– [1] Rida T Faroukit, Jairam Manjunathaiaht, David Nicholast, Guo-Feng Yuant, Sungchul Jee “Variable-feedrate CNC interpolators for constant material removal rates along Pythagorean-hodograph curves” ComputerAided Desrgn Vol 30, No 8, pp 631-640, 1998 [2] Farouki, Jairam Manjunathaiah, Guo-Feng Yuan.” G codes for the specification of Pythagorean-hodograph tool paths and associated feedrate functions on open-architecture CNC machines” International Journal of Machine Tools & Manufacture 39 (1999) 123–142 [3] Bahnam Bahr, Xiaomao Xiao, Krishnan Krishnan “A Real-Time Scheme Of Cubic Parametric Curve Interpolations For Cnc Systems” Computer in Industry 45 (2001) 309-317 [4] Syh-Shiuh Yeh, Pau-Lo Hsu “Adaptive feedrate interpolation for paramatic curves with a confined chord error” Computer-Aided Design 34 (2002) 229237 [5] Coâng ty SANDVIK, sách hướng dẫn “ Die & Mould Making” [6] Đoàn Thị Minh Trinh, Công Nghệ CAD/CAM, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1998 [7] Elkeran, Đại học Mansoura El-Baz, Đại học Zagazig “NURBS Feedrate Adaptation For 3-Axis CNC Machining”, 2004 [8] Les Piegl, Wayne Tiller The NURBS Book New York: Springer, 1997 [9] Unigraphics SolutionsTM “High Speed Machining (HSM) Using NURBS Technology” [10] Kunwoo Lee, Principles of CAD/CAM/CAE Systems, Addison-Wesley, 1999 [11] www.millstar.com [12] Marchenko Tikhon, Tae Jo Ko, Seung Hyun Lee, Hee Sool Kim “ NURBS interpolator for constant material removal rate in open NC machine tools” International Journal of Machine Tool & Manufacture 44 (2004) 237-245 GVHD: PGS TS Đoàn Thị Minh Trinh - 74 - Tài liệu tham khảo [13] Hong-Tzong Yau, Jun-Bin Wang, Chien-Yu Hsu3 and Chih-Hua Yeh “PCbased Controller with Real-time Look-ahead NURBS Interpolator” Computer-Aided Design & Applications, Vol 4, Nos 1-4, 2007, pp 331-340 GVHD: PGS TS Đoàn Thị Minh Trinh - 75 - Phụ lục PHỤ LỤC Bảng tra tốc độ chạy dao Kết tính độ cong Kết tính bán cong Kết tính sai số Kết nội suy tốc độ chạy dao Kết F = 0,39 m/s (không đổi) tính sai số GVHD: PGS, TS Đồn Thị Minh Trinh - 76 - Phụ lục Bảng tra tốc độ chạy dao Bảng [11] Work material Carbon, Alloy and Tool& Die Steels: 4130, P20, H13, D2, A2, A5, D-M-E No,1,2,3,5 Hardness Feedrate(inch per tool) HB Brinell HRc Rockwel l Conventio nal High Speed Mode 1/4÷3/8’’ 6÷10mm 1/2÷3/4’’ 12÷22mm 1÷1 1/4’’ 25÷32mm 50-200 275-320 28-34 400-840 360-700 to 1400 to 1200 ,001-,003 ,001-,003 ,002-,006 ,002-,006 ,003-,008 ,003-,008 32 440-650 380-430 400-640 360-410 to 1200 to 1100 to 1200 to 1100 ,001-,004 ,001-,003 ,001-,004 ,001-,003 ,002-,008 ,002-,006 ,002-,008 ,002-,006 ,004-,012 ,004-,010 ,004-,012 ,004-,009 22 32 430-720 400-700 250-500 to 1400 to 1300 to 1100 ,001-,0025 ,001-,003 ,001-,0025 ,002-,0035 ,002-,004 ,002-,0035 ,003-,005 ,003-,008 ,003-,006 32 38 300-620 300-520 300-440 300-410 to 1200 to 1100 to 1250 to 1000 ,0015-,004 ,0015-,003 ,0015-,003 ,0015-,003 ,002-,007 ,002-,006 ,002-,006 ,002-,005 ,003-,010 ,003-,008 ,003-,006 ,003-,006 ,001-,003 ,003-,007 ,006-,010 200 300 200 300 Cast Irons: Grey Nodular/Ductile 200 250 300 Cast Steel, low to medium carbon Stainless Steels: Austenitic (300 Series) Martenitic (400 Series) D-M-E No, 6, Precipitation Hardening(PH) 220 300 350 32 650+ Brass, Copper, Bronze, etc, Beryllium Copper Titanium (Alpha+Beta) Annealed Sol, Treated/aged Cutting speed (SFM)