MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................4
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT..........................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................8
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................12
1. Lý do chọn đề tài. ..........................................................................................12
2. Lịch sử nghiên cứu. .......................................................................................13
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu. ......14
4. Nội dung chính. .............................................................................................14
5. Phương pháp nghiên cứu. ............................................................................15
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT TỰ DO ............................................16
1.1.
HÌNH HỌC BỀ MẶT. ..................................................................................16
1.1.1.
Hình học vi phân của bề mặt. ...................................................................16
1.1.2.
Hình học kỹ thuật. ....................................................................................22
1.2.
MỘT SỐ DẠNG BỀ MẶT TỰ DO THƯỜNG GẶP. ................................28
1.2.1.
Phương pháp thực hiện nguyên công phay trên máy phay CNC. ............38
2.2.
DỤNG CỤ CẮT. ............................................................................................42
2.2.1.
Các loại dao phay thường dùng trong gia công bề mặt tự do. .................42
2.2.2.
Ảnh hưởng của hình học dụng cụ đến chất lượng tạo hình trong gia công
bề mặt tự do. ..........................................................................................................43
2.3.
ĐƯỜNG DỤNG CỤ. .....................................................................................48
2.3.1.
Các thông số của đường dụng cụ. ............................................................49
2.3.2.
Ảnh hưởng của hình học đường chạy dao đến chất lượng tạo hình trong
gia công bề mặt tự do. ............................................................................................51
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................................54
3.3.2.
Các bước lập trình gia công trong Creo 3.0. ............................................59
3.3.3.
Các lựa chọn phương pháp gia công và thông số công nghệ. ..................60
3.4.
THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẪU THỰC NGHIỆM BỀ MẶT TỰ DO DẠNG
LÕM YÊN NGỰA. ..................................................................................................67
3.5.
THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU. ............................................................70
3.5.1.
Điều kiện thực nghiệm. ............................................................................70
3.5.2.
Thực nghiệm gia công mẫu. .....................................................................71
2
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................85
CHƯƠNG 4 - KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TẠO HÌNH ..............86
4.2.3.
Kiểm tra đánh giá độ nhám mẫu thực nghiệm. ......................................109
4.3.
ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN. .....................................................................112
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ......................................................................................114
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................117
3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết quả
nghiên cứu trong luận văn này đảm bảo tính chính xác, trung thực và chưa có tác
giả nào công bố. Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều đã được
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn
Lê Thái Sơn
4
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn Thạc sĩ tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp
đỡ của nhiều tập thể và cá nhân. Nhân dịp hoàn thành luận văn, tôi xin bày tỏ lòng
10
11
12
Ký
hiệu
Ý nghĩa
Dịch nghĩa
Thiết kế với sự trợ giúp của
máy tính
CAE
Computer Aided Engineering
Máy tính hỗ trợ kỹ thuật
Gia công với sự trợ giúp của
CAM Computer Aided Manufacturing
máy tính
CFD
Computational Fluid Dynamics Tính toán khí động lực học
CMM Coordinate Measuring Machine Máy đo tọa độ
Máy điều khiển theo chương
CNC Computer Numerical Control
trình số
Module hỗ trợ thiết kế khuôn
EMX Expert Moldbase Extension
nhựa
FEA
Finite Element Analysis
Bảng 4. 3: Kết quả đo sai lệch hình dáng hình học mẫu số 1. ...............................100
Bảng 4. 4: Kết quả đo sai lệch hình dáng hình học mẫu số 2. ...............................101
Bảng 4. 5: Kết quả đo sai lệch hình dáng hình học mẫu số 3. ...............................102
Bảng 4. 6: Kết quả đo sai lệch hình dáng hình học mẫu số 4. ...............................103
Bảng 4. 7: Kết quả đo sai lệch hình dánh hình học mẫu số 5. ...............................104
Bảng 4. 8: Tổng hợp kết quả đánh giá về độ chính xác hình dáng hình học..........105
Bảng 4. 9: Kết quả đo độ nhám mẫu thực nghiệm. .................................................112
Bảng 4. 10: Tổng hợp kết quả kiểm tra đánh giá chất lượng tạo hình mẫu thực
nghiệm. ....................................................................................................................112
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Điểm P trên mảnh bề mặt. ........................................................................16
Hình 1. 2 Một mảnh bề mặt tham số với các điều kiện biên. ....................................18
Hình 1. 3 Mặt phẳng tiếp tuyến với bề mặt ...............................................................20
Hình 1. 4 Geodesic của bề mặt .................................................................................20
Hình 1. 5 Ví dụ các bề mặt hình học kỹ thuật ...........................................................22
Hình 1. 6 Phía hở và phía kín bề mặt hình học kỹ thuật. ..........................................23
Hình 1. 7 Ví dụ về bề mặt thực của chi tiết. ..............................................................23
Hình 1. 8 Ví dụ một sơ đồ vòng tròn xây dựng cho một vùng bề mặt lồi dạng e lip 25
Hình 1. 9 Các sơ đồ vòng tròn các vùng bề mặt trơn, liên tục của bề mặt tự do. ....26
Hình 1. 10 Mười dạng vùng bề mặt cục bộ của bề mặt tự do trơn, liên tục. ............27
Hình 1. 11 Mảnh bề mặt Bezier bậc 3.......................................................................28
Hình 1. 12 Mảnh bề mặt Ferguson ...........................................................................30
Hình 1. 13 Mảnh bề mặt B-Spline bậc 3 ...................................................................31
Hình 2. 1 Điều khiển điểm - điểm .............................................................................34
Hình 2. 2 Điều khiển đường thẳng ............................................................................35
Hình 3. 4 Thanh công cụ lập trình gia công chính trong Creo. ...............................60
Hình 3. 5 Thanh công cụ lập trình gia công phay. ...................................................60
Hình 3. 6 Màn hình sau khi khởi động của Creo Parametric 3.0 .............................67
Hình 3. 7 Thiết lập định dạng bản vẽ. .......................................................................67
Hình 3. 8 Thiết lập đơn vị cho bản vẽ. ......................................................................68
Hình 3. 9 Sketch 1 – Đường dẫn cho bề mặt cần dựng. ...........................................68
Hình 3. 10 Sketch 2 và 3 – Đường bao cho bề mặt cần dựng. ..................................69
Hình 3. 11 Sử dụng lệnh Swept Blend để dựng hình.................................................69
Hình 3. 12 Bề mặt tự do dạng lõm yên ngựa. ...........................................................70
Hình 3. 13 Chế độ gia công thô. ...............................................................................72
Hình 3. 14 Nhập chi tiết vào máy. .............................................................................72
Hình 3. 15 Thiết lập máy và phôi. .............................................................................73
Hình 3. 16 Thiết lập các thông số công nghệ gia công thô chi tiết. .........................73
Hình 3. 17 Mô phỏng đường chạy dao gia công thô. ...............................................74
Hình 3. 18 Kiểm tra vết đường dụng cụ gia công thô chi tiết. ..................................74
Hình 3. 19 Chế độ gia công tinh chi tiết. ..................................................................75
Hình 3. 20 Định nghĩa đường chạy dao mẫu số 1. ...................................................76
Hình 3. 21 Mô phỏng đường chạy dao gia công tinh mẫu số 1. ...............................76
Hình 3. 22 Kiểm tra vết đường chạy dao mẫu số 1...................................................77
Hình 3. 23 Định nghĩa đường chạy dao mẫu số 2. ...................................................77
9
Hình 3. 24 Mô phỏng đường chạy dao gia công tinh mẫu số 2. ...............................78
Hình 3. 25 Kiểm tra vết đường chạy dao mẫu số 2...................................................78
Hình 3. 26 Định nghĩa đường chạy dao mẫu số 3. ...................................................79
Hình 3. 27 Mô phỏng đường chạy dao gia công tinh mẫu số 3. ...............................79
Hình 3. 28 Kiểm tra vết đường chạy dao mẫu số 3...................................................80
Hình 3. 29 Chọn bề mặt cần gia công cho mẫu số 4. ...............................................80
Hình 3. 30 Mô phỏng đường chạy dao gia công tinh mẫu số 4. ...............................81
Hình 4. 20 Đường trung bình. .................................................................................106
Hình 4. 21 Các đại lượng liên quan tới độ nhám. ..................................................107
Hình 4. 22 Các vị trí được đo độ nhám. ..................................................................109
Hình 4. 23 Các mẫu được đo độ nhám. ..................................................................109
Hình 4. 24 Máy đo độ nhám. ...................................................................................110
Hình 4. 25 Đầu đo theo máy. ..................................................................................110
Hình 4. 26 Quá trình đo độ nhám cho mẫu thực nghiệm........................................111
11
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Ngày nay, nhờ có các thành tựu Khoa học – Công nghệ hiện đại, đặc biệt trong
lĩnh vực điều khiển số và tin học ứng dụng, đã cho phép các kỹ sư chế tạo máy có
khả năng sử dụng các loại máy cắt gọt có hệ thống điều khiển ngày càng tin cậy hơn
với tốc độ xử lý nhanh hơn và giá thành thấp hơn. Hiện nay máy điều khiển số CNC
đang đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình tự động hóa quá trình sản xuất cơ
khí, sử dụng máy điều khiển số CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết,
nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế đồng thời cũng rút ngắn được
chu kỳ sản xuất.
Chính vì vậy, ngành cơ khí chế tạo ở đa số các nước phát triển trên thế giới cũng
như trong nước ta hiện nay đã đầu tư dây chuyền máy điều khiển số CNC ứng dụng
vào sản xuất và đã đạt được những hiệu quả kinh tế khả quan. Cùng với sự phát
triển của Khoa học – Công nghệ giá thành các máy điều khiển số CNC ngày càng
giảm, điều này tạo điều kiện cho các doanh nghiệp, xưởng sản xuất cơ khí có cơ hội
đầu tư các máy công cụ điều khiển theo chương trình số, ngay cả các doanh nghiệp
loại vừa và nhỏ cũng đều có thể tự trang bị được.
Bề mặt tự do với các thuộc tính hình học cơ bản (tiếp tuyến, độ cong…) thay đổi
tại các điểm khác nhau trên bề mặt và thường được biểu diễn bởi tập các điểm điều
Sau đây là một số công trình nghiên cứu đã được công bố trong những năm gần
đây của thế giới về vấn đề đường dụng cụ và tạo hình bề mặt tự do:
- Li, F. Wang, X.C, Ghosh, S. K., và Kong, D.Z (1995), “ Tool path generation
for machining scultured surface” được đăng trên tạp chí Materials Processing
Technology, vol. 48, p. 811-816, Elsevier. Trình bày cách tính đường dụng cụ
gia cụng các bề mặt không gian.
- Trần Xuân Thái, Bành Tiến Long, Hoàng Vĩnh Sinh (2005), “Tính đường
dụng cụ tạo hình bề mặt free – form trên máy phay CNC. Giải bài toán trên
mạng máy tính song song nâng cao hiệu quả” Tạp chí Khoa học & công nghệ
số 53.
- W.K. Chiu, Y.C. Yeung và K.M. Yu (2006) “Toolpath generation for layer
manufacturing of fractal objects”. Tạp chí Emeraldinsight p. 214-221. Bài báo
trình bày về đường dụng cụ cho các lớp gia công với những đối tượng bề mặt
cong.
13
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu.
- Phân tích, tổng hợp lý thuyết hình thành bề mặt tự do.
- Nghiên cứu khả năng ứng dụng của phần mềm Creo Parametric 3.0 trong việc
mô hình hóa và gia công tạo hình bề mặt tự do với cấu trúc cục bộ dạng lõm
yên ngựa.
- Đánh giá ảnh hưởng của các kiểu đường dụng cụ đến chất lượng tạo hình (độ
chính xác hình dáng hình học, độ nhám bề mặt) khi gia công tạo hình bề mặt
tự do với cấu trúc cục bộ dạng lõm yên ngựa trên máy phay CNC 3 trục bằng
dao phay ngón đầu cầu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu là bề mặt tự do với cấu trúc cục bộ dạng lõm yên ngựa
- Thực nghiệm: Sau quá trình thực hiện trên mô hình số, tác giả áp dụng quy
trình gia công tạo hình mẫu thực nghiệm trên máy phay CNC 3 trục.
- Kỹ thuật ngược: Sử dụng phần mềm Geomagic vào việc đánh giá độ chính xác
hình dáng hình học dựa trên cơ sở dữ liệu đám mây điểm của các mẫu thực
nghiệm và dữ liệu mô hình thiết kế.
15
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ BỀ MẶT TỰ DO
Nội dung của Chương 1 được tác giả tổng hợp, tham khảo từ các tài liệu [1], [2]
nhằm trình bày một cách khái quát nhất về khái niệm “bề mặt tự do”.
1.1.
HÌNH HỌC BỀ MẶT.
1.1.1. Hình học vi phân của bề mặt.
Biểu diễn hình học bề mặt.
Các bề mặt có thể mô tả toán học trong không gian 3D bằng phương trình không
tham số hoặc các phương trình tham số.
Biểu diễn không tham số (non-parametric). Có hai dạng chính:
- Với một tập điểm dữ liệu đã cho, phương trình của bề mặt phải thỏa mãn yêu
cầu bề mặt đi qua mọi điểm dữ liệu này.
- Tập điểm dữ liệu này được dùng để xây dựng một chuỗi các mảnh bề mặt
(patches) được kết nối với nhau có tính liên tục, ít nhất là liên tục vị trí (C0) và
đạo hàm bậc nhất (C’).
Trong cả hai dạng trên, phương trình của bề mặt hay mảnh bề mặt đều cho dưới
dạng:
P = [x y z]T = [x y f(x, y)]T
nhau. Topology của một mảnh có thể là chữ nhật, hay tam giác.
Mỗi mảnh bề mặt dạng chữ nhật được xác định bởi một tập hợp các điều kiện
biên gồm: 16 véctơ và 4 đường cong biên. 16 véctơ là: 4 véctơ ở vị trí 4 góc P(0, 0);
P(1, 0); P(1, 1) và P(0, 1); 8 véctơ tiếp tuyến ở 4 góc (mỗi góc có 2 véctơ tiếp tuyến
ứng với 2 đường cong biên u, v qua điểm góc), 4 véctơ xoắn tại 4 điểm góc 4 đường
cong biên là u = 0, u = 1, v = 0, v = 1 (hình 1.2).
Các đặc trưng hình học cơ bản của bề mặt
Bề mặt hình học được mô tả bởi các đặc trưng hình học của nó. Phân tích hình
học bề mặt là tìm hiểu những đặc trưng này. Đây là một nhiệm vụ quan trọng nhằm
sử dụng bề mặt cho các mục đích, các ứng dụng cụ thể khác nhau. Chẳng hạn như
xác định véctơ tiếp tuyến bề mặt dùng để dẫn dụng cụ cắt dọc theo bề mặt gia công.
Biết véctơ pháp tuyến của bề mặt sẽ cho ta hướng thích hợp của dụng cụ cắt tiếp
cận và lui ra khỏi bề mặt gia công,…
Sau đây là một số đặc trưng hình học cơ bản của bề mặt.
17
Hình 1. 2 Một mảnh bề mặt tham số với các điều kiện biên.
Véctơ tiếp tuyến tại 1 điểm P(u, v) trên bề mặt nhận được bằng cách giữ một
tham số không đổi và lấy đạo hàm theo tham số kia.
𝜕𝑥
𝑃
[ 𝑢 ] = [𝜕𝑢
𝑃𝑣
𝜕𝑥
𝜕𝑣
𝜕𝑦
𝜕𝑢
18
(1.5)
Véctơ xoắn tại một điểm trên bề mặt dùng để đo độ xoắn của bề mặt tại điểm
đó. Đó là tốc độ thay đôi của véctơ tiếp tuyến Pu đối với u hay của véctơ tiếp tuyến
Pv đối với v hay chính là véctơ đạo hàm hỗn hợp.
∆𝑃𝑣 𝜕𝑃𝑢
𝜕2𝑃
𝑃𝑢𝑣 = lim
=
=
∆𝑣→0 ∆𝑣
𝜕𝑣
𝜕𝑢𝜕𝑣
∆𝑃𝑣 𝜕𝑃𝑣
𝜕2𝑃
=
=
∆𝑢→0 ∆𝑢
𝜕𝑢
𝜕𝑢𝜕𝑣
= lim
=[
𝜕2𝑥
𝜕𝑢𝜕𝑣
𝑛=
𝑁
𝑃𝑢 𝑃𝑣
=
|𝑁| |𝑃𝑢 𝑃𝑣 |
(1.8)
Hướng của N hay n được chọn sao cho phù hợp với ứng dụng. Trong gia công,
hướng của n được chọn sao cho n hướng ra phía ngoài bề mặt đang gia công. Trong
xác định thể tích, n được chọn là dương khi hướng vào vùng vật liệu và âm khi
hướng ra phía rỗng.
Khoảng cách giữa 2 điểm trên bề mặt cong (geodesic).
Đường dẫn trên bề mặt nối giữa 2 điểm có chiều dài nhỏ nhất được gọi là
geodesic. Geodesic của bề mặt cung cấp khả năng lập chương trình chuyển động tối
ưu cho gia công NC bề mặt cong, lập trình robot, quấn dây quanh rotor… Khoảng
19
cách rất nhỏ giữa 2 điểm (u, v) và (u + du, v + dv) trên bề mặt được xác định theo
phương trình sau:
𝑑𝑠 2 = 𝑃𝑢 𝑃𝑢 𝑑𝑢2 + 2𝑃𝑢 𝑃𝑣 𝑑𝑢𝑑𝑣 + 𝑃𝑣 𝑃𝑣 𝑑𝑣 2
(1.9)
= 𝐸𝑑𝑢 2 + 2𝐹𝑑𝑢𝑑𝑣 + 𝐺𝑑𝑣 2
Với
𝐸 (𝑢, 𝑣 ) = 𝑃𝑢𝑃𝑢;
20
Lu '2 2Mu ' v ' Nv '2
2
2
k = Eu ' 2 Fu ' v ' Gv '
(1.12)
Với L, M, N là các hệ số cơ sở thứ 2 của bề mặt được xác định như sau:
L(u,v) =n.Pu ; M(u,v)=n.Puv ; N(u,v)=n.Pv
(1.13)
Độ cong chính thứ nhất k1, P và độ cong chính thứ hai k2, P có thể xác định được từ
công thức (1.12). Đây là các độ cong lớn nhất và nhỏ nhất tại một điểm trên bề mặt
P. Tại một điểm trên bề mặt luôn có hai hướng chính vuông góc với nhau là hướng
của hai đường cong tiết diện pháp tuyến chính C1.P và C2.P có các độ cong lớn nhất
và nhỏ nhất đi qua điểm này.
Ngoài ra còn có hai thông số quan trọng đặc trưng cho topo cục bộ của bề mặt là:
LN - M 2
K=
EG - F2
+ Độ cong Gaussian:
k1, P. k2,P
+ Độ cong trung bình:
đơn vị theo hướng chính t1.P ).
Bán kính cong của bề mặt trong tiết diện pháp tuyến bằng nghịch đảo độ cong
của đường cong tiết diện pháp tuyến: r =1/ k.
Độ xoắn tại một điểm trên bề mặt theo hướng của của đường cong tiết diện pháp
tuyến Cθ. có thể xác định theo phương trình Germain
τ θ .P = (k1.P – k2.P ) sinθ cosθ
(1.18)
21
1.1.2. Hình học kỹ thuật.
Hình 1. 5 Ví dụ các bề mặt hình học kỹ thuật
Hình học vi phân được xây dựng cho các mục tiêu nghiên cứu các bề mặt cong
trơn và liên tục. Hình học kỹ thuật cũng giải quyết các vấn đề với các bề mặt này.
Tuy nhiên có sự khác biệt giữa hình học vi phân và hình học kỹ thuật chủ yếu về
biên dịch hai dạng hình học này. Hình học vi phân nghiên cứu các mặt hình học ảo.
Các mặt hình học này không tồn tại trong thực tế. Có thể tưởng tượng chúng như là
một màng rất mỏng chiều dày bằng không và có hình dạng hợp lý. Những mặt hình
học này có thể truy nhập vào từ hai phía và có thể gây ra sự không rõ ràng. Ví dụ
như một mặt hình học có độ cong Gaussian tại một điểm nào đó là dương K>0. Tuy
nhiên hình học vi phân không thể trả lời câu hỏi tại điểm này mặt hình học này là
lồi (K>0) hay lõm (K
dung sai này bằng không. Thông thường các giá trị dung sai này là không đổi trên
một mảnh bề mặt.
Khi gia công các bề mặt tự do trên các máy điều khiển số nhiều trục, các giá trị
thực của các dung sai này cũng là những hàm của hai tham số u, v : δ+ = δ+ (u, v); δ= δ- (u, v)
Bề mặt giới hạn trên P+ được biểu diễn bằng tập các điểm M+ (các điểm ngọn
của vec tơ δ .np ) có phương trình ở dạng phân tích như sau:
+
rp u, v rp .n p
Tương tự, bề mặt giới hạn dưới P- được biểu diễn bằng tập các điểm M- (các
điểm ngọn của vec tơ δ-.np) có phương trình ở dạng phân tích như sau:
rp u, v rp .n p
Thông thường bề mặt giới hạn trên P+ nằm trên bề mặt danh định P, còn bề mặt
giới hạn dưới P- nằm dưới bề mặt danh định P.
Bề mặt thực Pt không thể biểu diễn bằng phương trình dạng phân tích cũng như
các tham số u, v của bề mặt danh định P cũng không thể dùng để tính toán cho bề
mặt thực Pt. Tuy nhiên do các giá trị dung sai δ+, δ- khá nhỏ so với các bán kính
cong chính của bề mặt P, nên có thể coi bề mặt thực Pt cũng có các thuộc tính của
bề mặt P.
Các bề mặt hình học kỹ thuật có thể phân ra thành hai nhóm chính như sau: Các
bề mặt cho phép chuyển động “tự trượt” và các bề mặt không gian hay còn gọi là
các bề mặt tự do.
Các bề mặt tự do. (Sculptured Surfaces)
Các bề mặt tự do hay còn gọi là các bề mặt không gian với các thuật ngữ thường
được sử dụng như Sculptured Surfaces hay freeform surfaces hay NURBS surfaces
là các bề mặt cong trơn, liên tục với các tham số đặc trưng cho cấu trúc hình học
cục bộ (độ cong, tiếp tuyến, pháp tuyến,..) tại hai điểm lân cận của vùng bề mặt là
lõm (H<0, K>0).
25
Copyright: Tài liệu đại học ©