Như chúng ta đã biết để mô hình bề mặt các chi tiết trên máy tính phục vụ cho gia công CNC hiện nay người ta dùng 3 loại mô hình là:
- Mô hình bề mặt (surface): Loại mô hình này cho phép mô hình được hầu hết các loại bề mặt chi tiết nhờ biểu diễn toán học bằng các phương trình tham số. Đây là loại mô hình không thể thiếu được trong các hệ CAD/CAM.
- Mô hình số hoá: Đây là loại mô hình biểu diễn bề mặt bằng một lưới điểm 3 chiều (x,y,z) rời rạc. Lưới điểm này được lấy từ các thiết bị dò hình như máy đo 3D, đầu dò nối với máy phay CNC…mật độ lưới càng lớn thì việc mô tả bề mặt
càng chính xác nhưng khối lượng tính toán càng lớn. Nhược điểm của phương pháp mô hình này là sao chép đúng mẫu nên các sai số do độ cong vênh, độ không đối xứng không được khắc phục, ưu điểm nổi bật là sử dụng đơn giản, không mất thời gian dựng hình.
- Mô hình khối rắn: Là mô hình hình học hoàn chỉnh nhất để biểu diễn các chi tiết cơ khí. Nó chứa đựng các thông tin cả bên trong cũng như bên ngoài của đối tượng biểu diễn. Các thông tin bên trong nói đến các thuộc tính như: thể tích, khối lượng, trọng tâm, các mômen quán tính…, các thông tin này là các dữ liệu quan trọng cho các bài toán có ứng dụng lý thuyết phần tử hữu hạn (FEM) như: tính sức bền, độ võng, biến dạng, truyền nhiệt…Các thông tin bề ngoài nói đến bề mặt làm việc của chi tiết máy hay bề mặt tạo hình của khuôn mẫu. Liên quan đến vấn đề nghiên cứu là tính đường dụng cụ cho gia công bề mặt không gian ta chỉ sử dụng đến các thông tin bề mặt của mô hình khối rắn.
Cho đến nay các mô hình khối rắn được sử dụng trong các phần mềm CAD/CAM mới chỉ dừng ở các khối có bề mặt cơ bản như: khối hộp, khối cầu, khối xuyến, khối trụ, khối nêm, khối nón, khối đẩy (extrude), khối tròn xoay (revolve). Các mô hình khối rắn có bề mặt phức tạp như các bề mặt free - form, Bezie…đang được nghiên cứu.
2.8.6.1. Các phép toán với mô hình khối rắn
Tuy các mô hình khối rắn mới chỉ được hạn chế ở các khối có bề mặt cơ bản nhưng trên chúng có các phép toán vô cùng giá trị giúp cho người dùng có thể mô hình được các chi tiết tương đối phức tạp qua các thao tác đơn giản.
Các phép toán (hàm) áp dụng cho mô hình khối rắn, các lệnh và hàm làm ví dụ minh hoạ được lấy ra ở các phần mềm như AutoCAD, CIMATRON, UNIGRAPHICS, CATIA, PRO ENGINEER…
- Cộng các khối rắn: UNION - Trừ các khối rắn: SUBTRACT. - Giao các khối rắn: INTERSECTION
- Cắt các khối rắn: SLICE
- Tạo mặt cắt với khối rắn: SECTION - Hiệu chỉnh khối rắn: CHAMFER, FILLET
- Kiểm tra va chạm giữa các khối rắn: INTEFRENCE
Phân tích các phép toán trên mô hình khối rắn, có thể ứng dụng chúng trong bài toán tính đường chạy dao sẽ được trình bày tiếp sau đây.
2.8.6.2. Ứng dụng mô hình khối rắn trong bài toán tính đường dụng cụ 2.8.6.2.1. Mô hình phôi và dụng cụ
- Chi tiết có thể được mô hình bằng các hàm tạo khối rắn và các hàm hiệu chỉnh khối rắn.
- Mô hình cho các loại dụng cụ như đã trình bày trên hoàn toàn có thể được biểu diễn bằng mô hình khối rắn tròn xoay. Trong phạm vi nghiên cứu là dao phay ngón đầu cầu và dao đầu phẳng, không mất tính tổng quát dao đầu cầu được mô hình bằng một khối cầu có đường kính bằng đường kính dao, dao đầu phẳng được mô hình bằng một khối trụ có đường kính bằng đường kính dao và chiều cao cũng bằng đường kính dao.
2.8.6.2.2. Nội dung của phương pháp
Bƣớc 1: Mô hình
Dựng mô hình chi tiết và dụng cụ. Gọi tập các mô hình chi tiết cần gia công là W, tập các mô hình dụng cụ là T. Tập W, T sẽ bao gồm các mô hình khối rắn.
Bƣớc 2: Sinh đường dụng cụ 2D
Kiểu đường dụng cụ được hoạch định trước trong một vùng không gian phẳng 2D song song với mặt phẳng gia công (xoy), đường bao của vùng này chính là đường bao của vùng cần gia công. Kết quả của bước này cho đường dụng cụ 2D nằm trong vùng cần gia công.
Bƣớc 3: Sinh dữ liệu định vị dụng cụ 3D (CL data)
Từ đường dụng cụ 2D đã có, tại các điểm cần thiết trên đường đi của dụng cụ tinh thêm toạ độ z theo phương pháp định vị trực tiếp (DP) trình bày ở chương II. Kết thúc bước này ta được dữ liệu định vị dụng cụ 3D
Bƣớc 4: Liên kết đường dụng cụ
Từ các dữ liệu định vị dụng cụ 3D tính được ở bước 3, ta dùng phương pháp nội suy đường thẳng và cung tròn liên kết chúng lại thành đường dụng cụ liên tục.
Bƣớc 5: Kiểm tra sự va chạm của đường dụng cụ với chi tiết.
Do đây là một phương pháp tính đường dụng cụ sử dụng các thông tin hình học toàn cục, mọi phần tử trong tập W và T đều tham gia tính toán nên sự va chạm của dụng cụ và chi tiết chỉ xảy ra trong khi liên kết đường dụng cụ, tức là ở các khoảng trung gian giữa các nút kế tiếp.
2.8.6.2.3. Một số thuật toán sử dụng trong phương pháp
* Thuật toán đường dụng cụ 2D
Cơ sở dữ liệu để sinh đường dụng cụ 2D bao gồm:
- Kiểu đường chạy dao. Tuỳ theo từng trường hợp cụ thể mà chọn một trong các kiểu song song, xoáy hay tia như được giới thiệu trong chương I
- Đường kính dụng cụ D
- Đường bao vùng cần gia công (boundary contour), đường bao này được chọn trên màn hình đồ hoạ nhờ thiết bị ngoại vi chủ yếu là chuột (mouse). Một đường bao có thể bao gồm các đoạn thẳng và cung tròn nối tiếp hay là một polyline kín.
- Thông số đường chạy dao 2D: bước tiến ngang, gia số góc tia, hướng phay (thuận, nghịch).
- Một số thông số khác như: điểm bắt đầu vào gia công (approach), điểm kết thúc gia công (retract), điểm tâm cho kiểu chạy dao tia…
Một số thuật toán như sau:
- Sinh đường chạy dao song song nhau:
+ Offset đường bao vào trong một lượng bằng bán kính dụng cụ R dao + Tìm một hình chữ nhật ngoại tiếp đường bao
+ Offset liên tiếp một cạnh thích hợp của hình chữ nhật một lượng bằng bước tiến ngang cho đến khi kín hết vùng cần gia công.
+ Cắt các đường offset để lại trong đường bao.
+ Nối các đường offset lại với nhau (có thể không cần) - Sinh đường chạy dao tia
+ Offset đường bao vào trong một lượng bằng bán kính dụng cụ R dao. + Tìm một hình chữ nhật ngoại tiếp đường bao
+ Từ điểm bắt đầu của dụng cụ trong vùng gia công vẽ các tia có điểm cuối nằm trên hình chữ nhật ngoại tiếp.
+ Cắt các tia để lại phần trong đường bao + Nối các tia lại với nhau (có thể không cần) - Sinh đường chạy dao song song với đường bao:
+ Trước hết toàn bộ vùng gia công được chia thành các vùng con bằng việc tính toán sơ đồ Voronoi. Trong mỗi vùng con cạnh bao được coi là cạnh chủ của vùng con đó.
+ Offset cạnh chủ của các vùng con để được đường dụng cụ
* Thuật toán chia đường dụng cụ 2D thành các đoạn thẳng đảm bảo sai số cho phép.
Đường dụng cụ 2D nói chung là các đa tuyến được cấu thành từ các đoạn thẳng và cung tròn nối tiếp nhau. Cơ sở dữ liệu của đa tuyến trong phần mềm CAD bao gồm toạ độ các đỉnh kèm theo số Bulge. Đi theo một chiều của đa tuyến gặp một đỉnh mà tiếp theo là:
- Cung tròn thì Bulge = 1/4 tang (góc ôm), dấu của số Bulge là âm nếu cung quay theo chiều kim đồng hồ, dương nếu cung quay ngược chiều kim đồng hồ. Dựa vào dữ liệu này có thể tính được toạ độ tâm của cung trong theo công thức:
F = -0.25 * (bulge - 1/bulge) xo = (x2 + x3)/2 + f*(y2-y3) yo = (y2 + y3)/2 + f*(x2-x3)
Hình 2.26- Cơ sở dữ liệu của đường dụng cụ 2D (polyline)
- Việc chia nhỏ được tiến hành như sau:
- Khi gặp đoạn thẳng phải chia thành các đoạn có chiều dài bằng 1 nhỏ hơn hoặc bằng chiều dài cho phép 1 [1], chiều dài [1] thường chọn bằng 0.4*Dtool + 0.5 - Khi gặp cung tròn phải chia thành các đoạn dây cung sao cho khoảng cách lớn nhất giữa dây cung và cung tròn nhỏ hơn dung sai cho phép: h [], đồng thời cũng phải thoả mãn điều kiện chiều dài dây cung 1 [1],
P1(X1,Y1,Z1)
Hình 2.27- Xấp xỉ cung tròn thành các đoạn thẳng
Sau đây là sơ đồ khối của thuật toán :
h
Thuật toán đƣờng dụng
Thuật toán chia nhỏ đoạn thẳng (1):
2.8.6.2.4. Thuật toán tìm điểm tiếp x c
Trong phương pháp này không cần quan tâm điểm tiếp xúc CC ở chỗ nào và có toạ độ tiếp xúc là bao nhiêu mà chỉ cần biết dụng cụ tiếp xúc với phôi tại cao độ z nào đó.
Tập mô hình dụng cụ T và phôi W sẽ có 4 vị trí tương quan với nhau trong không gian theo dung sai cho phép [] của bề mặt phôi cần gia công, đó là:
- Dụng cụ cao hơn bề mặt gia công phôi một đoạn h > [], do đó phải hạ thấp dụng cụ.
- Dụng cụ thấp hơn bề mặt gia công phôi một đoạn h > [], do đó phải nâng dụng cụ lên
- Dụng cụ cao hơn bề mặt phôi một đoạn h [] - Dụng cụ thấp hơn bề mặt phôi một đoạn h []
Tuỳ theo yêu cầu dung sai là dương hay âm mà dừng việc di chuyển dụng cụ khi thoả mãn c, d hay cả c và d.
2.8.6.2.5. Thuật toán kiểm tra va chạm (gause) và không cắt (uncut)
Hiện tượng va chạm (dụng cụ thấp hơn điểm tiếp xúc - CC) và không cắt (dụng cụ cao hơn điểm tiếp xúc) thường xảy ra ở giữa hai điểm liên tiếp trên hướng tiến của đường dụng cụ, vì các điểm trung gian này là các điểm nội suy tuyến tính chứ không phải là các điểm tính toán tiếp xúc nên phải tiến hành kiểm tra. Khắc phục hai hiện tượng này tức là đưa dụng cụ về vị trí mà nó tiếp xúc với chi tiết. Như vậy thông qua các bước kiểm tra này số điểm được tính toán trên đường dụng cụ sẽ tăng lên và độ chính xác cũng được nâng cao.
Thuật toán kiểm tra được thực hiện theo phương pháp chia đổi để tính lại điểm tiếp xúc và vòng lặp sẽ dừng khi sai số nhỏ hơn dung sai cho phép.
2.8.6.2.6. Thuật toán sinh tệp chương trình NC dạng G-code.
Trong một chương trình điều khiển số gồm hai họ lệnh chính đó là:
- Họ lệnh công nghệ: Bật tắt trục chính M03, M04; đặt số vòng quay trục chính S; đặt bước tiến F; bật, tắt bơm dung dịch trơn nguội M08; thay dụng cụ M06…
- Họ lệnh điều khiển theo tọa độ: Các hệ điều khiển số được trang bị hai loại nội suy đó là nội suy đường hẳng G01 và nội suy cung tròn G02, G03. Phần chương trình dành cho điều khiển toạ độ thường chiếm một tỷ trọng lớn hay hầu hết độ dài chương trình. Do đó việc kiết xuất (post-proccessor) ra chương trình NC phải sao cho chương trình càng ngắn càng tốt mà vẫn đảm bảo độ chính xác. Xét hai dạng nội suy:
i. Nội suy đường thẳng: Nếu chương trình NC chỉ gồm các dòng lệnh nội suy đường thẳng thì việc kết xuất ra chương trình rất đơn giản, chỉ việc đọc dữ liệu đường dụng cụ từ đồ hoạ (hay dữ liệu định vị dụng cụ CL-tata từ tệp dữ liệu) rồi viết thêm mã G00 hay G01 là xong.
Ví dụ: ta cần lập trình cho một đường chạy dao trong không gian, từ điểm P1 đến P2 là chạy dao nhanh, từ P2 đến P3, P4, P5 là chạy dao cắt với bước tiến 100mm/phút. Toạ độ các điểm Pi như sau:
P1 (0, 0, 20); P2 (3, 0, 0); P3 (5, 0, 0); P4 (5, -2, 0); P5 (3, -2, 0);
Khi đó đoạn chương trình sẽ được viết như sau: … G00 X3Y0Z0; G01 X5 P2 P3 P4 P5 P1
G01 Y-2 G01 X3 …
ii. Nội suy đường thẳng và cung tròn: Khi kết xuất chương trình NC theo dạng nội suy có cung tròn thì phải tiến hành nội suy một số điểm 3.
Kết luận chƣơng 2:
- Thông qua việc phân tích và đánh giá phương pháp hình thành đường dẫn dụng cụ trong CAD/CAM/CNC, ảnh hưởng của các kiểu đường đến chất lượng khi gia công trên máy CNC ta nhận thấy trong quá trình hình thành đường dẫn dụng cụ có ảnh hưởng của các thông số của đường dụng cụ đến chất lượng và năng suất gia công như : Kiểu đường, bước tiến dao, khoảng cách giữa 2 đường chạy dao liên tiếp, khoảng cách giữa các điểm liên tiếp....
- Trong quá trình phân tích và đánh giá phương pháp hình thành đường dẫn dụng cụ có nhiều phương pháp tính đường dụng cụ được sử dụng trong CAD/CAM/CNC khi đó để tính đường dụng cụ thì điều kiện tiên quyết là phải có mô hình toán của chi tiết và dụng cụ : Mô hình bề mặt – surface, mô hình khối rắn – Solid, mô hình lưới rời rạc
Qua phân tích và đánh giá các phương pháp hình thành đường dẫn dụng cụ ở
trên ta thấy để hình thành đường dẫn dụng cụ trong CAD/CAM ta phải nhập các thông số và tùy theo phương thức gia công mà ta có đường dụng cụ tương ứng.
Chƣơng 3
THÍ NGHIỆM PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC PHƢƠNG PHÁP HÌNH THÀNH ĐƢỜNG DẪN DỤNG CỤ TRONG CAD/CAM/CNC
3.1. Thiết kế mô hình thí nghiệm bằng phần mềm Delcam.