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

- B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hu Quang NGHIÊN CỨU XÂY DNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY THEO THỜI GIAN THƯCỤ CÁC BIÊN DẠNG T DO TRONG TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG TRÊN MÁY CÔNG CỤ CNC 3 TRỤC Ngành: K thut Cơ khí Mã số: 62520103 LUN ÁN TIẾN SĨ K THUT HÓA HỌC NGƯỜI HƯNG DẪN KHOA HỌC: GS.
- Khái quát về hệ thống điều khiển số CNC và phương pháp nội suy NURBS.
- 5 Chức năng nội suy trên máy công cụ điều khiển số CNC.
- 7 Gia công CNC các chi tiết với biên dạng và bề mặt tự do.
- 10 Phương pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực (nội suy NURBS.
- Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực trên các hệ thống điều khiển số CNC.
- Nguyên lý cơ bản nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực.
- Đánh giá sai số nội suy.
- Yêu cầu điều khiển tốc độ tiến dao khi nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực.
- Các điều kiện giới hạn tốc độ tiến dao trong chuyển động nội suy.
- 50 Điều kiện giới hạn sai số nội suy.
- 54 Những vị trí “quan trọng” trên biên dạng tự do NURBS.
- 57 Tiền xử lý biên dạng tự do NURBS.
- Đề xuất phương pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực.
- 64 Mô phỏng nội suy biên dạng chữ alpha.
- 64 Mô phỏng nội suy biên dạng NURBS phức tạp - biên dạng hình cánh bướm.
- 70 Mô phỏng nội suy biên dạng đường tròn theo phương pháp nội suy NURBS.
- Phát triển phần mềm nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực.
- 87 Mã lệnh nội suy NURBS: G6.2.
- 88 v Kết quả phát triển phần mềm nội suy NURBS.
- Giao diện CAD/CAM cho phần mềm nội suy NURBS.
- Kết quả thử nghiệm phần mềm nội suy NURBS.
- 92 Thử nghiệm 1: Gia công biên dạng phức tạp biểu diễn bằng một đường NURBS.
- 94 Thử nghiệm 2: Gia công biên dạng phức tạp biểu diễn bằng nhiều đường NURBS.
- 98 Thử nghiệm 3: Gia công biên dạng đường thân khai.
- 117 Phụ lục 4: Một số cấu trúc dữ liệu và chương trình con được phát triển cho phần mềm nội suy NURBS.
- 119 vi DANH MC CÁC CH VIT TT Ch vit tt Gii thích Ủ nghĩa 2D, 3D, 2.5D Các chữ viết tắt chỉ số chiều trong công nghệ gia công CNC CAD/CAM Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing Thiết kế / Sản xuất với sự hỗ trợ của máy tính NC Numerical Control Điều khiển số CNC Computerized Numerical Control Điều khiển số trên nền tảng máy tính DNC Direct Numerical Control NCK Numerical Control Kernel Lõi điều khiển số MMI Man Machine Interface Giao diện người máy PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic khả trình BLU Basic Length Unit Độ phân giải vị trí của hệ thống điều khiển số DDA Digital Differential Analyzer Mạch tích phân cứng, được sử dụng trong thời kỳ đầu của bộ nội suy OAC Open Architecture Controller Hệ điều khiển số có kiến trúc m̉ STEP STandard for the Exchange of Product model data Tiêu chuẩn về định dạng dữ liệu mô hình sản phẩm STEP-NC Mô hình trao đổi dữ liệu giữa hệ CAD/CAM và CNC tương thích với chuẩn STEP SERCOS SErial Realtime COmmunication System Hệ thống truyền thông số phục vụ trao đổi dữ liệu giữa bộ điều khiển CNC và thiết bị điều khiển truyền động NURBS Non-Uniform Rational B-Spline Một mô hình tham số biểu diễn đường và mặt trong các hệ CAD/CAM ADCBI Accelleration/Deccelleration Control Before Interpolation Điều khiển tăng tốc, giảm tốc trước nội suy ADCAI Accelleration/Deccelleration Control After Interpolation Điều khiển tăng tốc, giảm tốc sau nội suy CC Cutter Contact Vị trí tiếp xúc của dụng cụ và phôi CL Cutter Location Vị trí tâm dụng cụ APT Automatically Programmed Tool Ngôn ngữ định nghĩa đường dụng cụ trên các máy CNC vii DANH MC CÁC KÝ HIU Các đại lượng vector được ký hiệu bằng các chữ cái in đậm (ví dụ, P, C.
- m Đơn vị đo chiều dài: mét mm Đơn vị đo chiều dài: mili-mét (10-3 m) µm Đơn vị đo chiều dài: micro-mét (10-6 m) s Đơn vị đo thời gian: giây ms Đon vị đo thời gian: mili-giây mm/min Đơn vị đo tốc độ: mili-mét/phút mm/s Đơn vị đo tốc độ: mili-mét/giây mm/s2 Đơn vị đo gia tốc: mili-mét/giây bình phương 1/mm Đơn vị đo độ cong ()Vu Giá trị tốc tốc độ tiến dao tại vị trí ()uC kV Giá trị ()kVu với ku là giá trị của tham số u trong chu kỳ thứ k maxV Tốc độ tiến dao được lập trình trong chương trình NC (đã nhân với hệ số điều chỉnh của người vận hành máy) ()chordVu Giá trị giới hạn tốc độ tiến dao tại vị trí ()uC nhằm đảm bảo điều kiện sai số nội suy chordkV Giá trị ()chordkVu ()accVu Giá trị giới hạn tốc độ tiến dao tại vị trí ()uC nhằm đảm bảo điều kiện gia tốc hướng tâm viii acckV Giá trị ()acckVu ()rVu Giá trị nhỏ nhất trong các giá trị ()chordVu, ()accVu, maxV ,rkV Giá trị ()rkVu ()tAu Gia tốc tiếp tuyến tại vị trí ()uC ,tkA Giá trị ()tkAu ()nAu Gia tốc hướng tâm tại vị trí ()uC ,nkA Giá trị ()nkAu ,t maxA Giá trị giới hạn của gia tốc tiếp tuyến ,n maxA Giá trị giới hạn của gia tốc hướng tâm maxe Giá trị giới hạn của sai số nội suy ()Lu Chiều dài đường NURBS từ vị trí bắt đầu tới vị trí ()uC T Chu kỳ nội suy (ms) 1Z Phép biến đổi Z ngược ix DANH MC CÁC BNG Bảng 1.1: Chc năng nội suy đờng NURBS trên các bộ điều khiển CNC thơng mại.
- 23 Bảng 3.1: Các thông số NURBS ca biên dạng chữ alpha.
- 64 Bảng 3.2: Các tham số ca chơng trình mô phỏng nội suy biên dạng chữ alpha.
- 65 Bảng 3.4: Các tham số sử dụng trong chơng trình mô phỏng nội suy NURBS với biên dạng hình cánh bớm.
- 71 Bảng 3.5: Các thông số NURBS ca biên dạng đờng tròn.
- 72 Bảng 3.6: Các tham số sử dụng trong chơng trình mô phỏng nội suy NURBS.
- 84 Bảng 4.2: Thời gian gia công biên dạng cánh bớm theo phơng pháp nội suy NURBS (mã G6.2) và phơng pháp nội suy tuyến tính (mã G01.
- 98 Bảng 4.3: Thời gian gia công biên dạng thân khai theo phơng pháp nội suy NURBS (mã G6.2) và phơng pháp nội suy tuyến tính (mã G01.
- 5 Hình 1.2: Luồng thông tin trong hệ thống điều khiển số CNC.
- 7 Hình 1.4: Phối hợp tốc độ ca các trục thành phần trong chuyển động nội suy.
- 8 Hình 1.5: Minh họa chuyển động nội suy tuyến tính và nội suy cung tròn.
- 8 Hình 1.6: Xấp xỉ biên dạng phc tạp bằng chuỗi đoạn thẳng.
- 13 Hình 1.11: So sánh phơng pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ và phơng pháp nội suy NURBS.
- 16 Hình 1.13: Cấu trúc bộ nội suy NURBS trong [15.
- 21 Hình 1.15: Tổng hợp các kết quả nghiên cu về phơng pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực.
- 41 xi Hình 3.1: Nguyên lý cơ bản nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực.
- 46 Hình 3.2: Chuyển động ca dụng cụ trong một chu kỳ nội suy biên dạng tự do NURBS.
- 46 Hình 3.3: ớc lợng sai số dây cung trong phơng pháp nội suy NURBS.
- 48 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.
- 49 Hình 3.6: (a) Minh họa biên dạng tự do NURBS có các vùng giới hạn tốc độ tiến dao.
- 61 Hình 3.12: (a) Biên dạng chữ alpha (nét liền) và đa giác điều khiển (nỨt đt).
- 66 Hình 3.14: Kết quả mô phỏng tốc độ tiến dao khi nội suy biên dạng chữ alpha theo thời gian thực.
- 67 Hình 3.15: Kết quả mô phỏng gia tốc tiếp tuyến khi nội suy biên dạng chữ alpha theo thời gian thực.
- 68 Hình 3.16: Kết quả mô phỏng sai số dây cung khi nội suy biên dạng chữ alpha.
- 69 Hình 3.17: Biên dạng hình cánh bớm.
- 70 Hình 3.18: Biểu đồ độ cong ca biên dạng hình cánh bớm.
- 70 Hình 3.19: Kết quả mô phỏng nội suy NURBS với biên dạng hình cánh bớm.
- 71 Hình 3.20: Biên dạng đờng tròn (R = 25 mm.
- 73 Hình 3.21: Kết quả mô phỏng nội suy NURRBS với biên dạng đờng tròn.
- 79 Hình 4.4: Giao diện phần mềm Eclipse đợc sử dụng để phát triển chc năng nội suy NURBS.
- 91 Hình 4.8: Giao diện CAD/CAM cho phần mềm nội suy NURBS.
- 92 Hình 4.9: Hệ thống thiết bị đợc sử dụng để thử nghiệm thuật toán nội suy NURBS.
- 92 Hình 4.10: (a) Biên dạng cánh bớm đợc thiết kế trên phần mềm Rhinoceros.
- (b) Chơng trình gia công biên dạng cánh bớm sử dụng mã lệnh G6.2.
- 94 Hình 4.12: Kết quả gia công biên dạng hình cánh bớm theo phơng pháp nội suy NURBS.
- 95 Hình 4.14: Tọa độ các điểm nội suy trong phơng pháp nội suy NURBS và nội suy tuyến tính xấp xỉ (kết quả thực nghiệm.
- 97 Hình 4.15: So sánh tốc độ tiến dao khi nội suy NURBS và nội suy tuyến tính xấp xỉ (kết quả thực nghiệm.
- 97 Hình 4.16: Đồ thị so sánh thời gian gia công biên dạng cánh bớm.
- 98 Hình 4.17: Biên dạng gia công gồm nhiều đoạn đờng NURBS.
- 99 Hình 4.18: Gia công biên dạng phc tạp biểu diễn bằng nhiều đờng NURBS.
- 100 Hình 4.21: Thiết kế biên dạng thân khai bằng công cụ đờng NURBS trên phần mềm Rhinoceros.
- 101 Hình 4.22: Chơng trình gia công biên dạng thân khai sử dụng mã lệnh G6.2.
- 102 Hình 4.23: Giao diện AXIS ca phần mềm điều khiển số khi nạp chơng trình gia công 103 Hình 4.24: Kết quả gia công biên dạng thân khai theo phơng pháp nội suy NURBS.
- 103 Hình 4.25: Đồ thị so sánh thời gian gia công biên dạng thân khai theo phơng pháp nội suy NURBS và nội suy tuyến tính xấp xỉ.
- 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 bớc 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.
- 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.
- 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 b̉i các phơng 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.
- Chính vì thế, NCS thấy rằng việc nghiên cu phơng 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 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 cu xây dựng phơng 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”.
- Mc đích nghiên cu 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.
- Đi tng, phm vi vƠ phng pháp nghiên cu 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.
- Các biên dạng tự do thường được mô tả b̉i các phương trình tham số, như Bezier, B-spline, NURBS.
- 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 phơng pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do NURBS, hay phơng pháp nội suy NURBS trong hệ thống điều khiển số.
- 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.
- ụ nghĩa khoa học và thc tin ca đ 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 trong giới hạn của máy công cụ về gia tốc tiếp tuyến và gia tốc hướng tâm.
- 3 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.
- Ngoài ra, luận án cũng đã nghiên cứu hệ điều khiển số có kiến trúc m̉ (OAC - Open Architecture Controller) và dựa trên nền tảng m̉ 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.
- 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.
- 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 m̉.
- 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 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

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