Nghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trục

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hữu Quang NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY THEO THỜI GIAN THỰC CÁC BIÊN DẠNG TỰ DO TRONG TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG TRÊN MÁY CÔNG CỤ CNC 3 TRỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 62520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2018 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.
- Lý do chọn đề tài Sự ra đời của công nghệ điều khiển số các máy công cụ (CNC) là một bước tiến quan trọng của công nghệ sản xuất, mang lại năng suất và chất lượng cho sản phẩm.
- Với việc các hệ thống máy tính và vi xử lý ngày càng có năng lực tính toán mạnh, các hệ thống điều khiển số ngày nay có nhiều tính năng tiên tiến và ngày càng trở nên “thông minh hơn”.
- Xu hướng hiện nay trong các hệ thống điều khiển số là tăng tỉ lệ phần mềm và giảm tỉ lệ phần cứng.
- Đồng thời các hệ thống điều khiển số đang được phát triển theo hướng “mở” hơn, linh hoạt hơn, có khả năng đáp ứng những yêu cầu chuyên biệt hơn.
- Chức năng nội suy là một trong những chức năng thuộc phần lõi điều khiển số (numerical control kernel), có ý nghĩa rất quan trọng đối với việc tạo nên sự chính xác và linh hoạt của các máy CNC.
- Trong hệ thống điều khiển số, chức năng nội suy được định nghĩa là quá trình tổng hợp chuyển động của dụng cụ theo một quỹ đạo xác định từ các chuyển động theo bước cơ sở (Basic Length Unit - BLU) của các trục thành phần.
- Các hệ thống điều khiển CNC thông thường hỗ trợ hai thuật toán nội suy cơ bản là nội suy tuyến tính và nội suy cung tròn.
- Trong những trường hợp đường dụng cụ là những đường cong phức tạp thì phương pháp phổ biến hiện nay là xấp xỉ đường dụng cụ bằng chuỗi các đoạn thẳng để đưa về việc sử dụng thuật toán nội suy tuyến tính.
- Vấn đề mâu thuẫn nói trên càng trở nên quan trọng khi xuất hiện ngày càng nhiều nhu cầu gia công các chi tiết phức tạp với các biên dạng và bề mặt tự do (free-form curve, free-form surface).
- Điều này đặt ra yêu cầu cần phải nghiên cứu và đề xuất các thuật toán nội suy mới nhằm loại bỏ việc xấp xỉ các đường dụng cụ phức tạp bằng chuỗi đoạn thẳng.
- Hiện nay nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã tập trung phát triển các thuật toán nhằm tổng hợp chuyển động của dụng cụ theo các biên dạng tự do.
- Các thuật toán này tổng quát và phức tạp hơn nhiều so với các thuật toán nội suy tuyến tính và nội suy cung tròn.
- Các biên dạng tự do thường được mô tả bởi các phương trình tham số, như Bezier, B-spline, NURBS.
- Các thuật toán nội suy biên dạng tự do cần phải xử lý trực tiếp các thông số hình học của phương trình tham số để tính toán theo thời gian thực các giá trị đặt cho các vòng điều khiển vị trí của các trục máy.
- Đây là các thuật toán nội suy tiên tiến, có thể mang tới những khả năng mới cho hệ điều khiển số, giúp nâng cao hơn nữa năng suất và chất lượng bề mặt chi tiết.
- Tuy nhiên, các nghiên cứu trong nước thuộc lĩnh vực này còn tương đối ít.
- Đặc biệt, các nghiên cứu về bản chất và các thuật toán bên trong hệ thống điều khiển số thì hầu như không có công bố.
- Chính vì thế, NCS thấy rằng việc nghiên cứu phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trên hệ thống CNC vừa có tính khoa học vừa có tính thực tiễn cao, làm phong phú thêm các nghiên cứu trong nước, cũng như cập nhật theo xu hướng nghiên 3 cứu của thế giới trong lĩnh vực công nghệ điều khiển số.
- Được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn, NCS đã lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trục”.
- Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do nhằm đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao về năng suất và chất lượng khi gia công tạo hình bề mặt các chi tiết phức tạp trên máy công cụ CNC.
- Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Luận án nghiên cứu phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC.
- Trong luận án, phương trình tham số NURBS được lựa chọn làm công cụ biểu diễn các biên dạng tự do.
- Như vậy, đối tượng nghiên cứu của luận án được xác định là phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do NURBS, hay phương pháp nội suy NURBS trong hệ thống điều khiển số.
- Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở các hệ thống CNC 3 trục, với dụng cụ cắt không thay đổi hướng khi di chuyển trên quỹ đạo.
- Do đó, thuật toán nội suy theo thời gian thực chỉ có nhiệm vụ tính toán vị trí của dụng cụ trong không gian tọa độ Đề-các, và vị trí này có thể chuyển đổi một cách tự nhiên thành vị trí các trục thành phần X, Y, Z của máy công cụ trong không gian khớp mà không cần giải bài toán động học ngược.
- 4 Phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm Matlab/Simulink và nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống thiết bị và phần mềm cụ thể.
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học - Đã phát triển được một phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do được biểu diễn bằng phương trình tham số NURBS (gọi ngắn gọn là biên dạng tự do NURBS, hoặc biên dạng NURBS.
- Đã đặt ra và giải quyết được các vấn đề quan trọng khi thực hiện chuyển động tạo hình theo các biên dạng tự do NURBS, đó là: vấn đề giới hạn sai số nội suy và vấn đề điều khiển tốc độ tiến dao nhằm đảm bảo các điều kiện giới hạn của máy công cụ về gia tốc tiếp tuyến và gia tốc hướng tâm.
- Các nội dung nghiên cứu của luận án góp phần làm phong phú và sâu sắc thêm các kiến thức chuyên ngành trong lĩnh vực điều khiển số các máy công cụ.
- Ý nghĩa thực tiễn - Phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do NURBS có ý nghĩa quan trọng đối với việc nâng cao năng suất và chất lượng khi gia công tạo hình bề mặt các chi tiết phức tạp trên máy công cụ CNC.
- Do đó các kết quả nghiên cứu của luận án mang ý nghĩa thực tiễn, có nhiều tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp và nền sản xuất tự động hóa.
- Ngoài ra, luận án cũng đã nghiên cứu hệ điều khiển số có kiến trúc mở (OAC - Open Architecture Controller) và dựa trên nền tảng mở để cài đặt và thử nghiệm các thuật toán nội suy mới.
- Kết quả là đã phát triển được một phần mềm điều khiển số kiểu PC-based với khả năng nội suy các biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực.
- Phần mềm hoạt động trên nền tảng máy tính PC và có thể tích hợp với các hệ truyền 5 động servo thông dụng để tạo thành một hệ thống điều khiển CNC hoàn chỉnh.
- Đã nghiên cứu những nguyên lý cơ bản của phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do NURBS và nêu lên những ưu điểm nổi trội của phương pháp trong việc nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết và năng suất gia công, đặc biệt là khi gia công với tốc độ tiến dao lớn.
- Đã đề xuất được một phương pháp điều khiển tốc độ tiến dao khi thực hiện chuyển động nội suy theo biên dạng tự do NURBS.
- Phương pháp đề xuất bao gồm hai bước: bước tiền xử lý đường NURBS (offline) và bước tính tốc độ tiến dao theo thời gian thực (online).
- Với phương pháp đề xuất, sai số nội suy được đảm bảo nằm trong giới hạn cho phép, đồng thời tốc độ tiến dao trong chuyển động nội suy được tự động điều chỉnh, phù hợp với các giới hạn động học của máy công cụ (về gia tốc tiếp tuyến và gia tốc hướng tâm.
- Đã phát triển được một phần mềm nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực dựa trên hệ điều khiển số có kiến trúc mở.
- Phần mềm hoạt động trên nền tảng máy tính PC (PC-based controller) và có thể tích hợp với các hệ truyền động servo thông dụng để tạo thành một hệ thống điều khiển CNC hoàn chỉnh.
- Đã xây dựng được một hệ thống thiết bị để phục vụ cho các thử nghiệm trong thực tế của phương pháp nội suy NURBS.
- Đã gia công thử nghiệm được một số biên dạng phức tạp theo phương pháp nội suy NURBS, dựa trên hệ thống thiết bị 6 được xây dựng trong luận án.
- Các kết quả ghi nhận được trong quá trình gia công thực tế đã làm sáng rõ thêm các ưu điểm của phương pháp nội suy NURBS.
- Bố cục của luận án Sau phần Mở đầu với các mục theo quy định, các nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp biểu diễn đường và mặt trong các hệ CAD/CAM sử dụng phương trình tham số NURBS.
- Chương 3: Xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do NURBS.
- Chương 4: Nghiên cứu phát triển phần mềm nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực dựa trên hệ điều khiển có kiến trúc mở.
- Phần cuối cùng là Kết luận và Kiến nghị sẽ tổng kết các kết quả nghiên cứu của đề tài và đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo.
- Khái quát về hệ thống điều khiển số CNC và phương pháp nội suy NURBS 1.2.
- Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp nội suy đường NURBS theo thời gian thực trên các hệ thống điều khiển số CNC Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước Nhìn chung, có thể đánh giá rằng các nghiên cứu trong nước đã đề cập tới nhiều khía cạnh khác nhau của việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC, hoặc ứng dụng chức năng nội suy NURBS.
- Nhưng vẫn chưa có nhiều kết quả nghiên cứu được công bố liên quan tới các thuật toán để thực hiện chức năng nội suy NURBS, cũng như các thuật toán tiên tiến khác bên trong hệ thống điều khiển số CNC.
- 7 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới Các nghiên cứu về phương pháp nội suy đường NURBS theo thời gian thực đã tập trung giải quyết các vấn đề khó khăn nằm trong hai khía cạnh chính, đó là tính tham số u và điều khiển tốc độ tiến dao.
- Vấn đề tính tọa độ điểm nội suy từ giá trị tham số u thì hầu hết các nghiên cứu đều dựa trên thuật toán DeBoor, do ưu điểm về tính ổn định và hiệu năng tốt của thuật toán.
- Để dễ đưa ra định hướng nghiên cứu cho luận án, NCS đề xuất chia các phương pháp đã được công bố thành hai nhóm: nhóm phương pháp cơ bản và nhóm phương pháp tiên tiến.
- Trong đó, tiêu chí để xem một phương pháp thuộc nhóm tiên tiến là phải xét tới các yêu cầu điều khiển tốc độ tiến dao, giới hạn sai số nội suy và đảm bảo các điều kiện động học của máy (chẳng hạn, gia tốc tiếp tuyến và gia tốc hướng tâm bị hạn chế).
- Nhóm các phương pháp tiên tiến có mức độ phức tạp cao hơn so với nhóm các phương pháp cơ bản, tuy nhiên các vấn đề được đặt ra và giải quyết toàn diện hơn, do đó đã gần với thực tiễn hơn.
- Hai xu hướng chính của việc điều khiển tốc độ tiến dao ở nhóm các phương pháp tiên tiến là sử dụng một bước tiền xử lý để phân tích trước biên dạng tự do NURBS và sử dụng kỹ thuật look-ahead.
- Các xu hướng này cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn.
- Phương pháp nội suy NURBS có nhiều ưu điểm hơn so với phương pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ.
- Đồng thời, phương pháp nội suy NURBS là một phương pháp tiên tiến, thu hút sự quan tâm của giới nghiên cứu học thuật cũng như các hãng công nghệ.
- Nhìn chung có thể đánh giá rằng các phương pháp nội suy NURBS đã được công bố, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm, nhưng vẫn còn những nhược điểm cần phải được cải tiến.
- Hơn nữa, các công bố đều rất cô đọng và không đề 8 cập nhiều đến các chi tiết của việc thực hiện các thuật toán nội suy NURBS trên một hệ thống cụ thể.
- Các hệ thống thử nghiệm thuật toán nội suy NURBS trong các công bố thường là các hệ DSP được thiết kế chuyên biệt cho mục đích thử nghiệm thuật toán, mà chưa xem xét tới vấn đề tích hợp thuật toán trong một hệ điều khiển số với đầy đủ tính năng.
- Điều này khiến cho các kết quả nghiên cứu này vẫn còn có khó khăn khi đưa vào ứng dụng.
- Các vấn đề còn tồn tại chủ yếu thuộc nhóm các phương pháp tiên tiến, trong đó đòi hỏi việc thực hiện thuật toán nội suy phải được đặt song song với một giải pháp điều khiển tốc độ tiến dao thích hợp.
- Nghiên cứu đề xuất phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do NURBS với các yêu cầu.
- Giới hạn được sai số nội suy.
- Có giải pháp để tự động điều chỉnh tốc độ tiến dao theo thời gian thực trên toàn bộ chiều dài đường NURBS, từ điểm đầu tới điểm cuối.
- Phát triển và cài đặt thuật toán nội suy các biên dạng tự do NURBS trên một hệ thống thiết bị và phần mềm cụ thể.
- Hướng tiếp cận đối với vấn đề này là nghiên cứu và tìm giải pháp tích hợp thuật toán dựa trên các hệ thống điều khiển số có kiến trúc mở.
- Làm sáng tỏ các vấn đề liên quan tới phương pháp nội suy NURBS thông qua các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm trên hệ thống thiết bị và phần mềm cụ thể.
- PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TRONG CÁC HỆ CAD/CAM SỬ DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THAM SỐ NURBS 2.1.
- Phương pháp tham số biểu diễn bề mặt trong hệ CAD/CAM Kết luận chương 2 Nội dung chương 2 đã trình bày định nghĩa và một số tính chất cũng như thuật toán quan trọng nhất của đường NURBS.
- Phương pháp tính toán cơ bản đối với đường NURBS là kết hợp tọa độ và trọng số của điểm điều khiển trong không gian 3D thành tọa độ thuần nhất của điểm trong không gian 4D.
- Để phục vụ cho việc thực hiện thuật toán nội suy NURBS theo thời gian thực trên các hệ thống điều khiển số ta cũng chỉ cần phải tính tới đạo hàm cấp một và cấp hai của đường NURBS.
- XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY THEO THỜI GIAN THỰC CÁC BIÊN DẠNG TỰ DO NURBS 3.1.
- Giới thiệu Nội dung của chương này trình bày phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do NURBS.
- Trong phương pháp đề xuất, tốc độ tiến dao được điều chỉnh tùy theo biên dạng đường NURBS nhằm giải quyết đồng thời các vấn đề: giới hạn sai số nội suy và giới hạn gia tốc tiếp tuyến, gia tốc hướng tâm.
- Nguyên lý cơ bản của phương pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực Ký hiệu ()Vu là hàm tốc độ tiến dao.
- CCCCC (3.4) Nếu bỏ qua các thành phần bậc cao từ bậc 2 trở lên, ta có công thức xấp xỉ Taylor bậc nhất đơn giản hơn như sau: 1()kkkkVTuuuC (3.5) Hình 3.1: Nguyên lý cơ bản nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực.
- Các công thức (3.4) và (3.5) có dạng truy hồi và có thể sử dụng để cập nhật giá trị của tham số u sau mỗi chu kỳ nội suy.
- Từ giá trị 1ku ta tính được tọa độ điểm nội suy mới, 1()kuC.
- Nguyên lý cơ bản để nội suy các biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực được minh họa trên Hình 3.1.
- Đánh giá sai số nội suy Dựa trên phép xấp xỉ cung tròn ta có công thức ước lượng sai số nội suy như sau.
- Yêu cầu điều khiển tốc độ tiến dao khi nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực Vấn đề điều khiển tốc độ tiến dao có ý nghĩa quan trọng đối với chất lượng của thuật toán nội suy biên dạng tự do NURBS.
- Do đó, cấu trúc thuật toán nội suy cần được bổ sung thêm khâu tính tốc độ (feedrate scheduling) như minh họa trên Hình 3.5.
- Hình 3.5: Cấu trúc thuật toán nội suy biên dạng tự do NURBS với khả năng điều khiển tốc độ tiến dao theo thời gian thực.
- Các điều kiện giới hạn tốc độ tiến dao trong chuyển động nội suy Tốc độ tiến dao kV bị giới hạn như sau.
- Ngoài ra, sự thay đổi của tốc độ tiến dao qua các chu kỳ nội suy phải thỏa mãn điều kiện giới hạn gia tốc tiếp tuyến.
- Phương pháp điều khiển tốc độ tiến dao Phương pháp điều khiển tốc độ tiến dao dựa trên việc sử dụng một bước tiền xử lý để xác định các điểm “quan trọng” trên đường NURBS.
- Các dữ liệu này có thể được sử dụng bởi khâu tính tốc độ của thuật toán nội suy để điều chỉnh tốc độ tiến dao theo thời gian thực, sao cho đảm bảo đồng thời các điều kiện ràng buộc.
- Phương pháp đề xuất nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực Phương pháp đề xuất trong luận án bao gồm hai bước chính: bước tiền xử lý và bước nội suy theo thời gian thực.
- Thông tin có được từ bước tiền xử lý được sử dụng để tính tốc độ tiến dao và gia tốc tiếp tuyến trong mỗi chu kỳ nội suy.
- Nhờ đó, bước nội suy theo thời gian thực có thể thực hiện theo cấu trúc mô tả trên Hình 3.5.
- Kết quả mô phỏng Thuật toán nội suy theo thời gian thực biên dạng tự do NURBS được mô phỏng với 3 biên dạng khác nhau: (1) biên dạng chữ alpha.
- (2) biên dạng phức tạp hình cánh bướm và (3) biên dạng đường tròn bán kính 25 mm.
- Các kết quả mô phỏng đều cho thấy phương pháp đề xuất đảm bảo được các điều kiện giới hạn sai số nội suy, gia tốc tiếp tuyến và gia tốc hướng tâm.
- (a) (b) (c) (d) Hình 3.19: Kết quả mô phỏng nội suy NURBS với biên dạng hình cánh bướm.
- (b) Tốc độ tiến dao.
- (d) Sai số nội suy.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt