1.1.2.1. Ứng dung đường, mặt tự do trong thiết kế:
Trong thiết kế các đường hoặc mặt trong chi tiết máy, việc phải hiệu chỉnh trong quá trình thiết kế là công việc thường xuyên. Tuy nhiên, nếu như sử dụng các đường hoặc mặt cơ bản (đường thẳng, đường tròn, hypecbol…hay mặt trụ, mặt cầu, mặt nón…) thì việc hiệu chỉnh thường là thay đổi kích thước trên toàn bộ đường (Hình 1.4), mặt (Hình 1.6a). Trong trường hợp này việc hiệu chỉnh thường là phải xén tỉa dần bằng các lệnh cắt (trim trong AutoCad, moduleSketcher của Catia, hay Split trongmodule Part, Shape… của Catia).
Quá trình thiết kế như vậy sẽ tương đối tốn thời gian và bề mặt chi tiết tạo ra không phải là một bề mặt trơn hoàn hảo mà chỉ là bề mặt được chắp vá bởi các mảnh mặt nhỏ hơn.
Hình 1.4 Hiệu chỉnh đường tròn
Hình 1.5 Thiết kế có sử dụng đường tự do NURBS
Điều này, khiến cho bề mặt thiết kế không được trơn tự nhiên, kết quả của thiết kế không chỉ gây ảnh hưởng tới thẩm mĩ của chi tiết mà còn không đạt được các yêu cầu kỹ thuật khắt khe đối với một số dạng bề mặt hoạt động
Hiệu chỉnh trên toàn bộ đường cong
Vùng giữ nguyên
Vùng hiệu chỉnh
13
trong môi trường khí động học hoặc môi trường khắc nghiệt. Khi sử dụng đường tự do việc hiệu chỉnh này trở lên linh hoạt hơn rất nhiều. Trên Hình 1. 5a là một đường cong dạng tự do được tạo bởi 10 điểm điều khiển, khi cần hiệu chỉnh một phần mà không ảnh hưởng đến những phần trước đó thì người thiết kế chỉ cần hiệu chỉnh một phần để thu được các thiết kế mong muốn (Hình 1.5b). Cũng tương tự như vậy, đối với các mặt cong được biểu diễn dưới dạng mặt tự do cũng hoàn toàn có thể lựa chọn hiệu chỉnh từng vùng cục bộ một cách rất linh hoạt mà không ảnh hưởng đến những vùng khác (xem Hình 1. 6b). Điều này làm giảm thời gian cũng như rất linh hoạt trong thiết kế. Đây là một ưu điểm lớn của việc sử dụng các đường cong tự do trong thiết kế. Ngày nay hầu hết các hệ thống CAD của các hãng khác nhau đã tích hợp module này để tăng sức mạnh cho phần mềm của mình, qua đó không bị hụt hơi trong các cuộc đua dành thị phần đối với các doanh nghiệp sử dụng phần mềm.
Hình 1.6 Hiệu chỉnh mặt trụ thường và mặt trụ biểu diễn dạng tự do
a) Mặt trụ cơ bản; b) Mặt trụ dạng tự do
Do những ưu điểm của đường và mặt NURBS nên chúng đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: ngành công nghiệp từ công nghiệp đồ họa, games, làm phim hoạt hình (thiết kế các nhân vật với bề mặt trơn láng), thiết kế ô tô, tàu thủy, máy bay, tàu vũ trụ, kiến trúc…
14
Hình 1.7 Ứng dụng NURBS trong thiết kế
a) Ứng dụng NURBS trong tạo hình nhân vật hoạt hình; b) Ứng dụng NURBS trong thiết kế vỏ ô tô; c) Ứng dụng NURBS trong kiến trúc, d) Ứng dụng NURBS
thiết kế cánh máy bơm
1.1.2.2. Ứng dung đường, mặt tự do trong trong gia công:
Trong gia công trên máy phay CNC việc gia công các đường biên dạng hoặc mặt cong xảy ra thường xuyên. Khi gia công những đường hoặc mặt này thường dụng cụ sẽ được dẫn theo đường dẫn (gọi là đường dụng cụ hay toolpath). Các đường dụng cụ này trên hệ điều khiển NC thường được nội suy tuyến tính (G01) hoặc nội suy theo cung (G02 hoặc G03) [10] (Hình 1.9).
Trên các hệ máy phay CNC thường các trục chuyển động mang dụng cụ (hoặc phôi) đến các vị trí gia công để tạo ra các đường hoặc mặt mong muốn. Các chuyển động trên máy phay CNC thường chia thành hai dạng gồm dạng điểm đến điểm (point to point) và chuyển động nội suy theo quỹ đạo. Trên Hình 1.8a để di chuyển theo đường chéo từ điểm A đến điểm B thì hệ điều hành của máy phay CNC sẽ thực hiện phối hợp tốc độ của trục chính theo hai hướng X và Y hoặc có thể ngắt nhỏ chuyển động này ra thành các chuyển động theo đoạn thẳng ngắn. Điều này vừa có lợi vừa có những bất lợi nhất định. Điểm lợi dễ nhận thấy nhất đó là các hệ thống tích hợp bộ nội suy chỉ cần tính toán đơn giản, còn điểm bất lợi đó là nếu những đường hoặc bề mặt phức tạp sẽ dẫn đến phép tính toán có số lượng lớn. Do vậy bộ nhớ
c) d)
15
của các hệ thống CAM phải lớn, các chương trình NC code được xuất ra với lượng câu lệnh lớn. Đôi khi kích thước các chương trình NC lớn vượt quá khả năng lưu trữ của bộ nhớ trên hệ điều hành máy phay CNC do đó phải tách thành một số chương trình nhỏ hơn hoặc lưu chương trình ra bộ nhớ ngoài sử dụng giao tiếp trực tiếp với máy tính để truyền trực tiếp vào máy phay CNC. Điều này có thể giải quyết được hạn chế về bộ nhớ, tuy nhiên có một phần nhỏ trường hợp cũng xảy ra lỗi truyền dữ liệu hoặc không khớp thời điểm truyền tải dữ liệu gây ảnh hưởng lên bề mặt chi tiết khi gia công. Điểm lợi thứ hai là nội suy NURBS cho biên dạng chính xác hơn so với nội suy tuyến tính. Trên Hình 1. 9 biểu diễn sai lệch khi nội suy tuyến tính so với nội suy NURBS.
Hình 1.8 Mô tả nội suy tuyến tính và cung trên hệ máy CNC a) Nội suy tuyến tính; b) Nội suy cung
Nếu như gia công 2D việc khối lượng tính toán khi nội suy tuyến tính đã có khối lượng lớn thì trong gia công 3D việc này được nhân lên gấp nhiều lần, bởi các thông số tính toán của bề mặt là lớn. Hơn nữa, độ chính xác khi gia công bề mặt có sử dụng nội suy NURBS cũng cao hơn khá nhiều so với nội suy tuyến tính.
16
Do vậy có một số nghiên cứu nhằm cải thiện vấn đề này bằng cách ứng dụng NURBS trong nội suy nhằm thay thế nội suy đường hoặc cung so với các phương pháp truyền thống [11] - [14] có tính khoa học cũng như ứng dụng rất cao. Việc ứng dụng NURBS trong nội suy biên dạng trên các hệ điều khiển CNC sẽ có một số ưu điểm như:
- Một đoạn đường cong tự do có thể thay thế cho nhiều đoạn thẳng trong nội suy tuyến tính. Do vậy, kích thước chương trình NC sẽ giảm đi nhiều. Điều này khá tốt cho những hệ điều khiển có bộ nhớ nhỏ.
- Khi dẫn dụng cụ nội suy theo đường NURBS thì dụng cụ cắt sẽ di chuyển trơn do đó ít có hiện tượng suy giảm tốc độ hơn tại các điểm đầu và cuối của mỗi bước nội suy. Điều này sẽ rất phù hợp nếu như áp dụng cho gia công phay tốc độ cao (High Speed Milling - HSM) đang là một lĩnh vực có tính ứng dụng rất cao hiện nay.
- Đối với chương trình NC sử dụng nội suy NURBS người vận hành
có thể nhận biết được chuyển động của dụng cụ ở vị trí thực tương ứng với đoạn nào trên đường nội suy, nên thuận lợi cho việc giám sát (thực tế thì điều này nội suy tuyến tính cũng có thể thực hiện được, nhưng do số lượng điểm dẫn dao quá nhiều khiến cho việc kiểm soát khó hơn).
Thời gian gia công được rút ngắn do không bị mất tốc độ dẫn dụng cụ tại các điểm đầu và cuối với từng đoạn nội suy như đối với nội suy tuyến tính.
Hình 1.10 Nội suy tuyến tính và nội suy NURBS khi gia công bề mặt tự do a) Nội suy tuyến tính; b) Nội suy NURBS