BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGÔ VĂN ĐIỆU

Nghiên cứu ứng dụng trung tâm gia công 5 trục UCP 600 để
gia công khuôn cho sản phẩm có bề mặt phức tạp

Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC :
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
GS.TS NGUYỄN HUY NINH
Hà Nội, 2010


MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài.
Gia công cắt gọt là hình thức phổ biến trong gia công cơ khí, nó chiếm tỷ lệ cao
nhất trong các phương pháp gia công kim loại. Hầu hết các sản phẩm cơ khí đòi hỏi
độ chính xác cao, kết cấu phức tạp hầu hết được chế tạo bằng phương pháp gia công
cắt gọt kim loại.
Cùng với xu thế phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật đặc biệt là khoa học
máy tính, ngành cơ khi nói chung và ngành gia công cắt gọt nói riêng có bước phát
triển nhảy vọt.
Hiện nay Viện cơ khí Trường ĐHBK Hà Nội đã được trang bị một hệ thống
máy móc thiết bị hiện đại bao gồm: Các máy Tiện – Phay CNC, các trung tâm gia
công CNC 4-5 trục, các hệ thống đo lường và kiểm tra chất lượng sản phẩm…
Tuy nhiên, do mới được đầu tư trang thiết bị cho nên việc ứng dụng vào thực tế
sản xuất để gia công những sản phẩm có biên dạng phức tạp còn hạn chế và gặp rất

Ý nghĩa khoa học:
Tính cấp thiết: Ngày nay các sản phẩm dùng trong thực tế đời sống hàng ngày
rất càng phong phú và đa dạng, đặc biệt là những sản phẩm dùng trong ô tô, tàu
thủy, máy bay… những sản phẩm này thường có biên dạng phức tạp và đòi hỏi phải
gia công đạt độ chính xác cao. Để đáp ứng được những yêu cầu nêu trên người ta đã
sử dụng các trung tâm gia công 5 trục tọa độ để gia công những sản phẩm này, việc
sử dụng những trung tâm gia công sẽ giúp nâng cao năng suất và đảm bảo được chất
lượng sản phẩm.
Từ những vấn đề nếu trên cho ta thấy việc nghiên cứu ứng dụng trung tâm UCP
600 là rất cần thiết.

2


Hiệu quả trong nghiên cứu: Kết quả của việc nghiên cứu sẽ giúp ta hiểu hơn về
lý thuyết lập trình gia công cho trung tâm gia công 5 trục, kết quả đó cũng giúp ta
giải quyết được những vẫn đề mà thực tế đang đòi hỏi, đó là gia công những sản
phẩm có biên dạng phức tạp với độ chính xác cao.
Những vấn đề phát triển mới: Phương pháp và kết quả nghiên cứu là cơ sở cho
những nghiên cứu tiếp theo.
Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả của việc nghiên cứu cho phép ta có thể gia công những sản phẩm phức
tạp với đọ chính xác cao, kết quả của nghiên cứu cũng cho phép ta giải các bài toàn
về tối ưu hóa quá trình gia công trên máy CNC hay những nghiên cứu về gia công
cao tốc trên máy CNC.
Nội dung luận văn:
Toàn bộ nội dung chính của luận văn được chia làm 4 chương:
Chương 1: Đặc điểm của nền công nghiệp chế tạo khuôn mẫu.
Chương 2: Cơ sở xây dựng những mặt cong phức tạp trong kỹ thuật.
Chương 3: Cơ sở thiết kế khuôn.

vấn đề này hiện nay có rất nhiều: SolidWorks, Inventor,Catia, pro/E, CADmold…
Một phần mềm CAE sẽ là công cụ hỗ trợ rất mạnh trong việc tính toán phân
tích các yếu tố cần phân tích cho việc tách khuôn như: Độ co ngót, khả năng điền
đầy của vật liệu, nhiệt độ khuôn, độ bền của sản phẩm, phân tích hệ thống làm mát

4


trong khuôn…có rất nhiều phần mềm CAE trợ giúp kỹ thuật cho việc phân tích này
như: Moldflow, Moldex3D, Ansys, Adam…
Các dữ liệu CAD này sẽ được sử dụng để tạo các đạo đường cắt trên máy
tính trong các phần mềm CAM như: MasterCAM, EdgCAM, SolidCAM, Pro/E…
với các phần mềm CAM này, các quỹ đạo dụng cụ sẽ được tính toán và tạo lập một
cách tự động, quá trình gia công cũng sẽ được mô phỏng trên máy, kỹ thuật viên có
thể kiểm tra các va chạm giữa dao và chi tiết trong quá trình gia công cũng như việc
lựa chọn chế độ cắt tối ưu để tạo ra sản phẩm có độ chính xác và độ bóng cần thiết.
Sử dụng các phần mềm tích hợp CAD/CAM/CAE sẽ rất tiện lợi trong việc
quản lý dự liệu, giảm thời gian thiết kế, thời gian chỉnh sửa cũng như giảm được chi
phí đầu tư cho các phần mềm trợ giúp.
Quá trình gia công thực tế trên các máy CNC sẽ được thực hiện khi có lệnh
điều khiển trực tiếp từ phần mềm CAM hoặc từ dữ liệu của phần mềm CAM thông
qua công cụ Post-Processor để đưa ra câu lệnh điều khiển máy CNC từ dữ liệu đồ
họa.
Các máy CNC có trang bị PC sẽ mở rộng khả năng quản lý quá trình gia
công và khả năng lưu trữ chương trình gia công cũng như các dữ liệu về dao, máy,
các thư viện…
1.3. Đặc điểm của công nghệ sản xuất khuôn mẫu ở Việt Nam.
Có thể thấy các thiết bị, đồ dùng cũng như các công cụ sản xuất làm từ nhựa
có mặt ở hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội.
Với như cầu ngày càng tăng các sản phẩm nhựa về kiểu dáng và hình thức


6


Chương 2.
CƠ SỞ XÂY DỰNG NHỮNG BỀ MẶT CONG PHỨC TẠP.
Hiện nay việc gia công cơ các bề mặt sản phẩm trong công nghiệp rất đa
dạng và phức tạp, vì vậy để thiết kế và mô tả nó thuận lợi người ta sử dụng các phần
mềm máy tính trợ giúp. Trong đó các phần mềm CAD/CAM đóng vai trò quan
trọng trong việc trợ giúp xây dựng các bề mặt bằng máy tính.
Trong phần 2 của luận văn, chúng ta sẽ nghiên cứu một số phương pháp xây
dựng bề mặt thường gặp trong sản xuất công nghiệp, trên cơ sở đó giúp cho chúng
ta có được cái nhìn tổng quát về quá trình xây dựng các đường cong và các mặt
cong phức tạp trong ngành công nghệ khuôn mẫu nói riêng và trong ngành công
nghệ cơ khí nói chung.
2.1. Cơ sở lý thuyết về các phương pháp xây dựng bề mặt.
Để tạo thành các khối vật thể trong không gian 3D, trong kĩ thuật người ta sử
dụng các đường cong phẳng. Trong toán học, các đoạn cong được biểu diễn bằng
một hàm ẩn, hàm tường minh hoặc một hàm tham số. Hàm để mô tả đường cong
được gọi là mô hình toán học của đường cong. Có nhiều hàm để mô tả các đường
cong nhưng người ta sử dụng rộng rãi hàm đa thức vì hàm này dễ làm việc và linh
hoạt trong việc mô tả nhiều loại đường cong kỹ thuật.
Để xây dựng đoạn cong trên cơ sở điểm đã biết, người ta phải dựa vào một
hàm nào đó và gọi nó là hàm cơ sở. Sử dụng hàm đa thức chuẩn làm hàm cơ sở có
ưu việt là dễ dàng định nghĩa và đánh giá. Khảo sát hàm bậc ba:
r(u) = (x(u), y(u), z(u))
= a + bu + cu2 + du3
Thể hiện dưới dạng ma trận:

[

V0 = P0; V1 = V0 + t0/3; V2 = V3 - t1/3; V3 = P1

t0

t1

V1

V1

V2

V1
V2

V3

r(u)

V0= P0

V3 = P1

V0

V3

V0
V2


⎣ t1 ⎦ ⎣ 0

0⎤ ⎡V0 ⎤
1⎥⎥ ⎢⎢V1 ⎥⎥
=L R
3 0 0⎥ ⎢V2 ⎥
⎥⎢ ⎥
0 − 3 3⎦ ⎣V3 ⎦
0
0

0
0

Thay (4) vào (2) ta nhận được đường cong Bezier bậc ba.
r(u)

=UCS
=UCLR

(5)

9

(4)


Với 0≤u≤1
Đặt M = C L
0

0⎤
0⎥⎥
0⎥
⎥
1⎦

⎡V0 ⎤
⎢V ⎥
Và R = ⎢ 1 ⎥
⎢V2 ⎥
⎢ ⎥
⎣V3 ⎦

Phương trình (5) được gọi là phương trình đường cong Bezier.
Phương trình trên cũng có thể biểu diễn dưới dạng hàm đa thức:
r(u) = (U M) R
= B0,3(u)V0 + B1,3(u)V1 + B2,3(u)V2 + B3,3(u)V3
=

3

∑B
i −0

1, 3

(u )Vi

Trong đó:
B0,3(u) = (1-u)3

150 100;
300 250;
450 20];
%P = [p1x p1y;
%p2x p2y;
%p3x p3y;
%p4x p4y]
X = [0 0 0 0 1 1 1 1+eps];
tmin=0;
tmax=1;
n = 3;
Bs = zeros(51,2);
for i = 1:51
t = tmin + (tmax-tmin)*(i-1)/50;
for j = 1:(n+1)
Bs(i,:) = Bs(i,:) + P(j,:)*bsplinebasis(j,4,t,X);
end
end
plot(Bs(:,1),Bs(:,2),P(:,1),P(:,2),'-*r','LineWidth',2);
title ( 'Duong cong Berier bac ba')
grid on

11


Ta sẽ có được biên dạng đường cong Berier bậc ba như sau:

2.2.2. Phương pháp xây dựng đường cong B-spline đồng nhất.
2.2.2.1. Mô hình toán học đường cong B-spline đồng nhất.
Để hiểu được đặc trưng hình học của một đường cong B-spline bậc 3 cần

Ta xây dựng đoạn cong r(u) thoả mãn điều kiện sau:

12


Đoạn cong bắt đầu từ điểm P0 và điểm cuối là P1
- Vectơ tiếp tuyến t0 ở điểm P0 là bằng ( M0-V0)
- Vectơ tiếp tuyến t1 ở điểm P1 là bằng ( M1-V1)
Điểm mút P0 và P1 của đoạn cong biểu diễn theo các đỉnh điều khiển như
sau:
- Điểm đầu P0 của đoạn cong B-spline r(u) được dánh giá như sau
2V + M 0
P0 = 1
=
3

o

Hay

2V1 +

P0 = r (0) =

V0 + v1
4V + V0 + V 2
2
= 1
3
6

6

P1 = r (1) =

4V2 + (V1 + V3 )
6

(1-b)

do đó ta xác định tiếp tuyến t0:

V0 + V 2
V − V0
− V0 = 2
2
2
.

t 0 ≡ r ( 0) =

V2 − V0
2

(2-a)

Tương tự ta có:
P1 = M 1 − V1 =

Hay


6

t0 =

1
(−3V0 + 0 + 3V 2 + 0)
6

t1 =

1
(0 − 3V1 + 0 + 3V3 )
6

Chuyển sang dạng ma trận ta được:
4
⎡P0 ⎤
⎡1
⎢P ⎥
⎢0
1
1
S =⎢ 1⎥= ⎢
⎢t 0 ⎥ 6 ⎢− 3 0
⎢ ⎥
⎢
⎣ 0 −3
⎣t1 ⎦

1 0⎤ ⎡V0 ⎤


0⎤
0⎥⎥
0⎥
⎥
1⎦

R = [V0 V1 V2 V3 ]T
Trong đó N- hệ số đường cong B-spline bậc ba
Đường cong B-spline đồng nhất bậc ba viết dưới dạng biểu thức đại số như
sau:

14


r( u ) =

Đặt:

1 − 3u − 3u 2 − u 3
4 − 6u 2 − 3u 3
1 + 3u + 3u 2 − 3u 3
u3
V0 +
V1 +
V 2 + V3
6
6
6
6

%function bspline(P,n)
hold off;
% Vi tri vecto
P = [0 20 0;
10 40 150 ;
30 -70 20];
%P = [p1x p1y p1z;
%p2x p2y p2z;
%p3x p3y p3z];
X = [0 0 0 1 1 1+eps];
tmin=0;
tmax=1;
n = 2;
Bs = zeros(51,3);
for i = 1:51
t = tmin + (tmax-tmin)*(i-1)/50;

15


for j = 1:(n+1)
Bs(i,:) = Bs(i,:) + P(j,:)*bsplinebasis(j,n+1,t,X);
end
end
plot3(Bs(:,1),Bs(:,2),Bs(:,3),P(:,1),P(:,2),P(:,3),'-*r','LineWidth',2);
%axis([500 0 0 500]);
title('B-Spline bac ba');
grid on
Ta sẽ có một đường B-spline bậc ba như sau:


V33

V32
V31

V10

V20

u =0

V30

Hình 4. Mảnh mặt Bezier bậc 3
Các đỉnh điều khiển liên kết với nhau bằng đa thức Bernstein, mảnh mặt
Bezier bậc 3 được xác định như sau:
3

3

r(u, v) = ∑∑ B3i (u ) B 3j (v)Vij
i =0 j =0
3

3

3!
3!
u i (1 − u )3−i
v j (1 − v)3− j

0
⎡1
⎢− 3 3
0
⎢
⎢ 3 −6 3
⎢
⎣−1 3 − 3

⎡V00
⎢V
B = ⎢ 10
⎢V20
⎢
⎣V30

V01
V11
V21
V31

V02
V12
V22
V32

0⎤
0⎥⎥
0⎥
⎥

m!
u i (1 − u ) m−i
(m − i )!i!

B nj (v) =

n!
v j (1 − v) n− j
(n − j )! j!

Trong CAD/CAM người ta thường sử dụng mảnh mặt Bezier bậc m=n=5
hoặc m=n=7. Khi bậc m=n=5 số đỉnh điều khiển cần thiết là 36.
Chúng ta có thể tiến hành tăng hoặc giảm bậc của phương trình mảnh mặt
tam giác Bezier.
Ví dụ bề mặt Berierbậc 2
pr = 20;
P = zeros(3,3,3);
P(1,1,:) = [0 3 -1];
P(1,2,:) = [0 7 5];
P(1,3,:) = [0 6 1];
P(2,1,:) = [2 3 1];
P(2,2,:) = [3 10 -2];
P(2,3,:) = [1 7 0];
P(3,1,:) = [2 3 1];
P(3,2,:) = [4 5 0];
P(3,3,:) = [5 7 3];
n = 2;
m = 2;
% Knot vectors
X = [0 0 0.5 1+eps 1+eps];


19


3

3

Với 0 ≤ u ≤ 1

r (u , v) = ∑ ∑ N i3 (u ) N 3j (u )Vij
i =0 j =0

= U N B NT VT
Trong đó:

U = [ 1 u u2 u3 ]
V = [ 1 v v2 v3 ]
⎡V00
⎢V
B = ⎢ 10
⎢V20
⎢
⎣V30

V01
V11
V21
V31


6

N 1,3 (u ) =

4 − 6u 2 − 3u 3
6

N 2,3 (u ) =

1 + 3u + 3u 2 − 3u 3
6

N 3,3 (u ) =

u3
6

Mặt B-spline đồng nhất được thể hiện dưới hình sau:

V03
V02
V

01

V

00

V13

Trong đó:
U = [ 1 u u2 u3 ]
V = [ 1 v v2 v3 ]
⎡V00 V01
⎢V
V11
B = ⎢ 10
⎢V20 V21
⎢
⎣V30 V31

⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦

V02
V12
V22
V32

4
1
⎡1
⎢− 3 0
3
1
N= ⎢


P(3,2,:) = [3 2 0];
P(3,3,:) = [5 9 2];
P(3,4,:) = [2 3 -1];
P(4,1,:) = [1 2 1];
P(4,2,:) = [4 3 2];
P(4,3,:) = [3 5 5];
P(4,4,:) = [4 6 8];
n = 3;
m = 3;
% Knot vectors
X = [0 0 0 0.5 1+eps 1+eps 1+eps];
Y = [0 0 0 0.5 1+eps 1+eps 1+eps];
Q = zeros(pr+1,pr+1);
R = zeros(pr+1,pr+1);
S = zeros(pr+1,pr+1);
for g = 1:(pr+1)u
u = (g-1)/pr;
for h = 1:(pr+1)
v = (h-1)/pr;
for i = 1:(n+1)
for j = 1:(m + 1)
Q(g,h)=Q(g,h)+ P(i,j,1)*bsplinebasis(i,n-1,u,X)*bsplinebasis(j,m-1,v,Y);
R(g,h)=R(g,h)+ P(i,j,2)*bsplinebasis(i,n-1,u,X)*bsplinebasis(j,m-1,v,Y);
S(g,h)=S(g,h)+ P(i,j,3)*bsplinebasis(i,n-1,u,X)*bsplinebasis(j,m-1,v,Y);
end
end
end
end
hold off;


-

Xác định tính năng kỹ thuật, tuổi thọ, hình thức sử dụng khuôn

-

Lựa chọn vật liệu và phương pháp sử lý bề mặt tạo hình của khuôn.

-

Lựa chọn phương pháp chế tạo khuôn, trang thiết bị máy móc.

-

Các tính chất của nhựa làm sản phẩm.

-

Độ co rút của nhựa

-

Góc thoát khuôn bằng bao nhiêu thì hợp lý.

-

Dung sai lắp ghép của các sản phẩm nếu có.

-