Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cadcam trong thiết kế, chế tạo và kiểm tra các bề mặt tự do (nurbs surfaces)

VIỆN SĐH-ĐHBKHN NURBS Surfaces BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CAD/CAM TRONG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KIỂM TRA CÁC BỀ MẶT TỰ DO (NURBS Surfaces) NGÀNH: CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ MÃ SƠ: HOÀNG VĂN QUÝ Người hướng dẫn khoa học: TS BÙI NGỌC TUYÊN Hà nội 10 – 2010 VIỆN SĐH-ĐHBKHN NURBS Surfaces LỜI CAM ĐOAN Tơi tên là: Hồng Văn Quý Học viên lớp: Cao học CNCK 2008-2010 Dưới hướng dẫn TS Bùi Ngọc Tuyên nhận nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAM thiết kế, chế tạo kiểm tra bề mặt tự do” Tôi xin cam đoan, luận văn trình nghiên cứu thân Nếu có sai sót tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Hải phòng, ngày 19 tháng 10 năm 2010 Người cam đoan Hoàng Văn Quý VIỆN SĐH-ĐHBKHN NURBS Surfaces MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 13 Lý chọn đề tài 13 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 13 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 14 3.1 Ý nghĩa khoa học đề tài .14 3.2 Ý Nghĩa thực tiễn đề tài .15 TỔNG QUAN 17 Phương pháp nghiên cứu .17 Nội dung cần giải đề tài .17 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ BIỂU DIỄN TOÁN CỦA CÁC BỀ MẶT TỰ DO 19 1.1 Các dạng mảnh bề mặt đa thức 19 1.1.1 Mảnh bề mặt đa thức chuẩn .19 1.1.2 Mảnh mặt Ferguson 21 VIỆN SĐH-ĐHBKHN NURBS Surfaces 1.2 Mảnh mặt Bezier 23 1.2.1 Xây dựng mảnh mặt Bezier 23 1.2.2 Xây dựng mảnh mặt Bezier tam giác .27 1.2.3 Đạo hàm theo phương mảnh Bezier tam giác 28 1.2.4 Tăng bậc phương trình mảnh mặt tam giác Bezier 29 1.2.5 Mảnh mặt B-Spline đồng 31 1.2.6 Mảnh mặt B-Spline không đồng 33 1.3 Xây dựng bề mặt cách nội suy đường cong biên 35 1.3.1 Mặt kẻ .35 1.3.2 Mảnh mặt Loft 36 1.3.3 Mảnh mặt Coon chữ nhật 37 1.3.4 Mảnh mặt Gregory không chữ nhật 44 1.3.5 Mảnh mặt trượt 48 1.3.6 Mảnh mặt tịnh tiến 48 1.3.7 Mảnh mặt quay 49 1.3.8 Mặt trượt không tham số 50 1.4 Xây dựng mặt từ mảng liệu 3D 52 1.4.1 Khái niệm mảng mặt 52 1.4.2 Vẽ mặt theo phương pháp FMILL 54 VIỆN SĐH-ĐHBKHN NURBS Surfaces 1.4.3 Vẽ mảng mặt Ferguson theo phương pháp Faux Prantt 56 1.4.4 Vẽ mảng mặt B-Spline đồng sở điểm liệu 61 CHƯƠNG TÌM HIỂU CHỨC NĂNG XÂY DỰNG BỀ MẶT TỰ DO CỦA MỘT SỐ PHẦN MỀM CAD/CAM VÀ ỨNG DỤNG CAD/CAM TRONG GIA CƠNG CƠ KHÍ .66 2.1 Chức xây dựng bề mặt tự (NURBS) phần mềm MechanicalDestop 66 2.1.1 Giới thiệu Mechanical 2006 66 2.1.2 Chức xây dựng bề mặt tự AutoCAD 66 2.1.3 Xây dựng mặt MechanicalDesktop 68 2.2 Chức xây dựng bề mặt tự (NURBS) phần mềm CATIA 69 2.2.1 Giới thiệu phần mềm CATIA 69 2.2.2 Chức xây dựng bề mặt tự CATIA .70 2.3 Giới thiệu việc ứng dụng phần mềm CAD/CAM 74 2.3.1 CAD/CAM công nghiệp 74 2.3.2 Chu trình sản phẩm vai trò hệ thống CAD/CAM 75 2.4 Phân tích ứng dụng phần mềm CAD/CAM gia cơng khí 75 Ứng dụng cơng nghệ CAD/CAM/CNC thiết kế, chế tạo khn đúc có độ xác cao .76 VIỆN SĐH-ĐHBKHN NURBS Surfaces CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CAD/CAM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHI TIẾT CÓ MẶT CONG TỰ DO 79 3.1 Giới thiệu module thiết kế bề mặt tự CATIA 79 3.2 Thực nghiệm thiết kế gia công chi tiết cánh quạt CATIA 83 3.2.1 Thiết kế mơ hình thực nghiệm 83 3.2.2 Thực nghiệm ứng dụng CAD/CAM gia công chế tạo mẫu thí nghiệm .85 3.2.3 Nhận xét đánh giá kết thực nghiệm 90 CHƯƠNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT NGƯỢC TRONG KIỂM TRA BỀ MẶT TỰ DO 94 4.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp 94 Kỹ thuật ngược 94 4.1.1 Quy trình kỹ thuật ngược 95 4.1.2 Ứng dụng kỹ thuật ngược chế tạo Error! Bookmark not defined 4.1.3 Thuật toán kiểm tra bề mặt tự 100 4.1.4 Tổng quan phương pháp đăng nhập liệu điểm 100 4.1.5 Thuật toán ICP (Iterative Closest Point Algorithm) 101 4.1.6 Phương pháp Quaternion 103 4.2 Thực nghiệm ứng dụng phương pháp kiểm tra mẫu chế tạo .112 4.2.1 Giới thiệu phần mềm tác giả xây dựng 112 VIỆN SĐH-ĐHBKHN NURBS Surfaces 4.2.2 Điều kiện thực nghiệm kiểm tra bề mặt tự 113 4.2.3 Nội dung tiến hành thực nghiệm kiểm tra bề mặt tự .114 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 117 Kết luận 117 Kiến nghị hướng nghiên cứu 117 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .118 PHỤ LỤC 120 VIỆN SĐH-ĐHBKHN NURBS Surfaces DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt NURBS Non-Uniform Rational B-Spline Bề mặt tự RE Reverse Engineering Kỹ thuật tái tạo ngược CMM Coordinate Measuring Machine Máy đo tọa độ CAD Computer Aided Design Thiết kế sp trợ giúp máy tính CAM Chế tạo sp trợ giúp máy Computer Aided Manufacturing tính CAMM Computer Aided Mơ hình hóa trợ giúp MT ModelingMachining CNC Máy điều khiển số Computer Numerical Control VIỆN SĐH-ĐHBKHN NURBS Surfaces DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Mảnh mặt đa thức bậc ba chuẩn 20 Hình 1-2 Mảnh mặt Ferguson 21 Hình 1-3 Mảnh mặt Bezier 24 Hình 1-4 Vector tiếp tuyến biên chéo u = .26 Hình 1-5 Mảnh mặt Bezier tam giác 28 Hình 1-6 Đạo hàm theo phương mảnh tam giác .29 Hình 1-7 Nâng bậc mảnh mặt Bezier .30 Hình 1-8 Mảnh mặt B-spline đồng bậc ba 33 Hình 1-9 Bề mặt kẻ (a) nội suy Taylor (b) 35 Hình 1-10 Cấu trúc liên kết Coon .37 Hình 1-11 Mảnh Coon Hermite kẻ 41 Hình 1-12 Số liệu biên liên kết tam giác 44 Hình 1-13 Khoảng cách V tới cạnh 46 Hình 1-14 Xây dựng cấu trúc mảnh Gregory 46 Hình 1-15 Mảnh bề mặt trượt 49 Hình 1-16 Bề mặt quay 50 Hình 1-17 a/ Biên dạng đường cong sinh g(x) 51 VIỆN SĐH-ĐHBKHN NURBS Surfaces Hình 1-18 Bề mặt trượt khơng tham số hình thành từ đường sinh g(x) đường hướng d(y) 52 Hình 1-19 Điểm liệu vào để nội suy 52 Hình 1-20 Mảnh mặt hình thành bốn điểm góc .53 Hình 1-21 Mảnh tứ giác lưới điểm liệu .56 Hình 1-22 Liên kết Ferguson có tính đến điều kiện liên tục bậc hai 57 Hình 1-23 Mảng B-Spline hình thành từ liên kết đường cong B-Spline 63 Hình 2-1 Chức xây dựng mặt AutoCAD 67 Hình 2-2 Bề mặt tạo thành thơng qua lệnh Revolved Surfaces .67 Hình 2-3 Vẽ mặt lưới lệnh Tabulated Surfaces .68 Hình 2-4 Mặt kẻ tạo đường cong 68 Hình 2-5 Mặt cong tạo thành lệnh Egde Surfaces 69 Hình 2-6 Chức xây dựng mặt tự CATIA 70 Hình 2-7 Module phụ trợ cho trình thiết kế mặt cong tự .71 Hình 2-8 Quá trình hình thành mặt dùng lệnh Blend 71 Hình 2-9 Bề mặt tạo thành từ lệnh Blend 71 Hình 2-10 Sử dụng lệnh làm trơn bề mặt 72 Hình 2-11 .72 Hình 2-12 Đường cong để tạo mặt 73 10 ... dẫn TS Bùi Ngọc Tuyên nhận nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAM thiết kế, chế tạo kiểm tra bề mặt tự do? ?? Tôi xin cam đoan, luận văn trình nghiên cứu thân Nếu có sai sót tơi... MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài ? ?Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAM thiết kế, chế tạo kiểm tra bề mặt tự (NURBS surface)” Hệ thống CAD/CAM/CNC ngày sử dụng rộng rãi sản xuất công nghiệp nước ta Nắm... nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học: - Định nghĩa biểu diễn bề mặt tự - Nghiên cứu ứng dụng chức xây dựng bề mặt tự phần mềm CAD/CAM - Nghiên cứu kết hợp công nghệ CAD/CAM/CNC công nghệ tái tạo ngược