Luận án tiến sĩ kĩ thuật cơ khí nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ trong tạo hình bề mặt tự do trên máy phay cnc 3 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hoàng Văn Quý

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN DỤNG CỤ VÀ ĐƯỜNG DỤNG CỤ
TRONG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO
TRÊN MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên

Hà Nội – 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới
sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu
tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên
cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công
bố.
Người hướng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

PGS. TS. Bùi Ngọc Tuyên

Hoàng Văn Quý

ii


LỜI CẢM ƠN
Luận án đã được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.
TS. Bùi Ngọc Tun. Tơi xin được chuyển tới thầy sự kính trọng, lịng
biết ơn sâu sắc bởi sự định hướng, chỉ bảo, động viên, và những kiến
thức quý báu của thầy trong lĩnh vực mà tôi đã nghiên cứu.
Tôi xin được bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới tập thể giảng viên bộ môn
Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp đã có những chia sẻ quý báu
về kiến thức, về phương pháp nghiên cứu và những lời động viên tới
NCS trong suốt tiến trình nghiên cứu đề tài.
Trong suốt quá trình
sự giúp đỡ tận tình của
tạo. Tơi xin được gửi lời
Viện Cơ khí đã tận tình
nghiên cứu của mình.

học tập, nghiên cứu tôi luôn luôn nhận được
các thầy cô trong Viện Cơ khí và Phịng Đào
cảm ơn chân thành đến các thầy các cơ trong
giúp đỡ để tơi hồn thành q trình học tập

Tơi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại
học Hải Phòng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tơi trong q
trình thực hiện đề tài nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi xin được gửi lời biết ơn tới gia đình, người thân đã
ln bên cạnh trong suốt toàn bộ thời gian thực hiện nghiên cứu.

Hài nội, ngày 6 tháng 12 năm 2019
Nghiên cứu sinh

Hoàng Văn Quý

iii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................... vii
Danh mục các ký hiệu ....................................................................... vii
Danh mục các chữ viết tắt ................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................... xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................. xiii
MỞ ĐẦU .............................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG MẶT TỰ DO ........................ 7
1.1.
Mặt tự do và ứng dụng của mặt tự do ..................................... 7
1.1.1. Giới thiệu................................................................................ 7
1.1.2. Lịch sử phát triển ................................................................... 7
1.1.3. Ứng dụng đường, mặt tự do .................................................... 8
1.1.3.1. Ứng dụng đường, mặt tự do trong thiết kế .............................. 8
1.1.3.2. Ứng dụng đường, mặt tự do trong gia công ............................ 10
1.2.
Q trình gia cơng tạo hình bề mặt tự do .............................. 13
1.3.
Dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt tự do ................ 15
1.3.1. Kiểu dụng cụ sử dụng trong gia công mặt tự do .................... 15
1.3.1.1. Dao phay ngón đầu phẳng .................................................... 17
1.3.1.2. Dao phay ngón đầu cầu ........................................................ 17

1.3.1.3. Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn .................................. 17
1.3.1.4. Dao phay ngón thân cơn ....................................................... 18
1.3.2. Đường dụng cụ khi gia công mặt tự do.................................. 21
1.3.2.1. Khái niệm ............................................................................. 21
1.3.2.2. Các kiểu đường dụng cụ cơ bản ............................................ 21
1.3.2.3. Các thông số cơ bản của đường dụng cụ ............................... 27
1.4.
Phương pháp tính tốn sinh đường dụng cụ.......................... 29
1.4.1. Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm tiếp xúc
(CC-Based) [29] ................................................................................. 29
1.4.2. Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm định vị
dụng cụ (CL-Based) [29] .................................................................... 30
1.5.
Tổng quan tình hình nghiên cứu gia công mặt tự do trên máy
phay CNC........................................................................................... 31
1.5.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ......................... 31
1.5.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới ....................... 33

iv


1.6.
Đánh giá tình hình nghiên cứu phương pháp gia cơng mặt tự
do và đề xuất hướng nghiên cứu của luận án...................................... 35
1.7.
Kết luận ................................................................................ 37
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TỰ DO
TRONG CÁC HỆ THỐNG CAD/CAM .................................................. 39
2.1. Biểu diễn đường tự do trong hệ thống CAD/CAM......................... 39
2.1.1. Các phương pháp biểu diễn toán cơ bản của đường tổng quát.. 39

2.1.2. Biểu diễn đường cong Bezier .................................................... 40
2.1.3. Biểu diễn đường cong B-spline ................................................. 45
2.2. Biểu diễn mặt tự do trong hệ thống CAD/CAM ............................ 47
2.2.1. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mơ hình đa thức dạng
tham số ............................................................................................. 49
2.2.1.1. Mơ hình tốn biểu diễn mảnh mặt Ferguson......................... 49
2.2.1.2. Mơ hình mảnh mặt Bezier .................................................... 50
2.2.2. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mơ hình nội suy ranh giới
mảnh mặt .......................................................................................... 51
2.2.2.1. Biểu diễn mặt tự do bằng mơ hình mặt kẻ ............................ 51
2.2.2.2. Biểu diễn mặt tự do bằng mơ hình mặt Coon ........................ 52
2.2.3. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng mơ hình mảnh quét ..... 52
2.2.3.1. Mảnh mặt trượt tịnh tiến....................................................... 52
2.2.3.2. Mảnh mặt quay ..................................................................... 53
2.2.4. Phương pháp biểu diễn mặt dưới dạng tứ giác ......................... 53
2.2.5. Mảnh mặt B - spline ................................................................ 54
2.2.6. Mặt NURBS ............................................................................. 55
2.2.6.1. Biểu diễn toán học bề mặt NURBS ........................................ 55
2.3.6.2. Đạo hàm của mặt NURBS ..................................................... 56
2.2.7. Công cụ mô phỏng một số mặt cơ bản sang dạng mặt tự do .... 57
2.3.8. Cấu trúc tệp (file) biểu diễn mặt theo định dạng IGES trong
CAD/CAM ........................................................................................... 59
2.2.8.1. Cấu trúc của file IGES .......................................................... 59
2.2.8.2. Biểu diễn một số đối tượng theo định dạng file IGES ........... 65
2.3. Kết luận ...................................................................................... 67
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN DỤNG CỤ
TRONG GIA CƠNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY CNC
3 TRỤC .............................................................................................. 69
3.1.
Giới thiệu.............................................................................. 69

v


3.2.
Ảnh hưởng của dụng cụ khi tạo hình bề mặt trên máy phay
CNC
............................................................................................. 70
3.3.
Xây dựng phương án lựa chọn dụng cụ cắt hợp lý để gia cơng
tạo hình mặt tự do ............................................................................. 74
3.3.1. Phân vùng mặt tự do............................................................. 75
3.3.2. Lựa chọn dụng cụ hợp lý tương ứng với từng phân vùng ....... 79
3.3.3. Xác định ranh giới tương ứng với mỗi phân vùng cục bộ ....... 81
3.3.4. Thí nghiệm đánh giá kết quả ................................................... 88
3.4.
Đề xuất phương án gia công với bề mặt đã phân vùng: .......... 99
3.4. Kết luận .................................................................................... 101
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN ĐƯỜNG DỤNG
CỤ TRONG GIA CƠNG TẠO HÌNH BỀ MẶT TỰ DO TRÊN MÁY PHAY
CNC 3 TRỤC. ................................................................................... 103
4.1. Xây dựng thực nghiệm Taguchi đánh giá ảnh hưởng của đường
dụng cụ tới chất lượng tạo hình bề mặt tự do ................................... 105
4.1. 1. Phương pháp Taguchi ........................................................... 105
4.1.2. Xây dựng thực nghiệm ........................................................... 107
4.1.2.1. Điều kiện thực nghiệm ........................................................ 107
4.1.2.2. Lựa chọn thông số đầu vào và xây dựng mảng trực giao
Taguchi ............................................................................................ 109
4.2. Đề xuất phương án xác định đường dụng cụ ............................. 114
4.2.1. Điều kiện biên ....................................................................... 114
4.2.2. Tính tốn thơng số đường dụng cụ......................................... 115

4.2.2.1. Tính tốn bước tiến ngang (St).(Bổ đề 1) ............................. 116
4.2.2.2. Xác định đường dẫn hợp lý đảm bảo Sc ≤ [Sc] (Bổ đề 2) .... 118
4.2.3. Tính tốn sai số xấp xỉ ........................................................... 123
4.3. Mô phỏng và thực nghiệm đánh giá kết quả .............................. 126
4.4. Kết luận .................................................................................... 129
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 130
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................. 132
PHỤ LỤC ............................................................................................. 1

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
STT

Ký hiệu

1

C(u)

2

u

3

v

4
5

Bi, n(u)
Ri, n(u)

6

Pi

7

x

8

y

9

z

10

Pi, j

11

U

12

Wi, j

13
14

i, j


15

Sc

16
17
18
19
20
21
22
23

K
H
u(t)
v(t)
t
D
M



Giải nghĩa
Phương trình biểu diễn đường cong tự do với biến
u
Tham số của đường cong tự do theo phương u (0 ≤
u ≤ 1)
Tham số của đường cong tự do theo phương v (0 ≤
v ≤ 1)
Đa thức Bernstein với biến u
Hàm vô hướng cơ sở cho đường cong tự do
Điểm điều khiển thứ i của đường cong hoặc mặt
cong tự do
Biến số của hàm số theo phương Ox trong hệ tọa
độ Descartes
Biến số của hàm số theo phương Oy trong hệ tọa
độ Descartes
Biến số của hàm số theo phương Oz trong hệ tọa
độ Descartes
Điểm điều khiển tại nút (i, j) của lưới điểm điều
khiển của mặt tự do
Véc tơ nút
Trọng số tương ứng điểm điều khiển Pi, j của mặt tự
do
Chỉ số
Bán kính cong
scallop height (chiều cao lượng kim loại để lại sau
mỗi bước dịch dao ngang)
Độ cong chính
Độ cong Gauss

Đường cong tham số t theo phương u
Đường cong tham số t theo phương v
Tham số t của đường cong
Ma trận cơ bản thứ hai của đường cong
Ma trận chuyển thuần nhất
Toán tử sai phân
vii


24
25

Q
C

Ma trận hệ số góc
Ma trận hệ số Ferguson

26

d
du

Phép tính đạo hàm với biến u

27
28
29
30
31

32
33
34

m
mm
µm
S(u,v)

35

Tn

36
37
38
39

G
Si
Sc
Tpi

T

n

TT
St

Đơn vị đo độ dài: mét
Đơn vị đo độ dài: mi li mét (10-3m)
Đơn vị đo độ dài: micro mét (10-6m)
Mặt tự do biểu diễn trong không gian tham số
Vector hướng dụng cụ
Vector pháp tuyến của mặt S(u,v)
Mặt phẳng tiếp tuyến của mặt cong S(u,v)
Khoảng dịch dao ngang (Step over size)
Mặt phẳng tạo bởi vector hướng dao và vector pháp
tuyến
Giao tuyến mặt phẳng Tn và TT
Điểm bất kỳ i của mặt S(u,v)
Đường cong giao giữa mặt Tn và S(u,v)
Đường dụng cụ thứ i

viii


Danh mục các chữ viết tắt
STT

Viết tắt

Viết đầy đủ

1

CAD

2

CAM

3

CAGD

4

CIM

6

CAE

7

CAPP

Computer Aided
Production Planning

8

NC

Numerical Control

9

CNC

Computer Numerical
Control

10

NURBS

Non-uniform rational Bspline

11

B-spline B-spline

12

2D

Two Dimension

13

3D

Three Dimension

14

5D

Five Dimension

15
16
17

CC
point
CL
point

Computer Aided Design
Computer Aided
Manufacturing
Computer Aided
Geometry Design
Computer Intergrated
Manufacturing
Computer Aided
Engineering

Cutting Contact point
Cutting Location point

CC path Cutting contact path

ix

Giải nghĩa

Thiết kế có sự hỗ trợ
của máy tính
Sản xuất có sự hỗ trợ
của máy tính
Thiết kế hình học có sự
hỗ trợ của máy tính
Sản xuất có sự tích hợp
của máy tính
Ứng dụng máy tính
trong phân tích
Lập kế hoạch chế tạo
sản phẩm có sự trợ
giúp của máy tính
Điều khiển số
Điều khiển số bằng
máy tính (chỉ những hệ
thống cơ khí gia cơng
tự động
Mặt hoặc đường Bspline hữu tỉ không
đồng nhất
Đường cong tự do Bspline
Không
gian
phẳng
(dùng trên máy 2 trục)
Không gian ba chiều
(dùng trên máy 3 trục)
Không gian năm chiều
(dùng trên máy 5 trục)
Điểm cắt (điểm tạo

hình)
Điểm định vị dụng cụ
Đường tập hợp (quỹ
đạo) các điểm tạo hình


18

CL path

Cutting Location path

19

DP
DPi,
i=1,..8

Data Points

20

8 set of data points

x

Đường tập hợp (quỹ
đạo) các điểm định vị
dụng cụ
Tập điểm dữ liệu

8 tập dữ liệu điểm
thành phần


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. 1. Các đường dụng cụ cơ bản ................................................ 22
Bảng 1. 2. Thuật ngữ cơ bản của đường dụng cụ trong gia công CNC . 22
Bảng 1. 3. Mười dạng vùng bề mặt cục bộ của bề mặt tự do trơn liên
tục ..................................................................................................... 33
Bảng 2. 1. Bảng cấu trúc dữ liệu file IGES ......................................... 61
Bảng 2. 2. Bảng thống kê nhãn biểu diễn dữ liệu trong IGS ............... 63
Bảng 3. 1. Bảng điểm điều khiển và trọng số mặt tự do mẫu thí nghiệm
.......................................................................................................... 88
Bảng 3. 2. Bảng tính chất vật lý của nhựa PA ..................................... 89
Bảng 3. 3. Bảng thông số dụng cụ ...................................................... 90
Bảng 3. 4. Bảng thông số máy đo 3 tọa độ SVANEX 9106 ................. 91
Bảng 3. 5. Bảng thông số cao độ z các điểm trên bề mặt mẫu thiết kế93
Bảng 3. 6. Bảng thông số đo cao độ z các điểm trên bề mặt Mẫu 1 .... 93
Bảng 3. 7. Bảng thông số đo cao độ z các điểm trên bề mặt Mẫu 2 ... 93
Bảng 3. 8. Chương trình gia công ....................................................... 97
Bảng 3. 9. Bảng tổng hợp thời gian gia công và chiều dài đường dụng cụ
.......................................................................................................... 98
Bảng 3. 10. Bảng tông hợp kết quả đánh giá ...................................... 99
Bảng 3. 11. Bảng so sánh phương pháp gia công với bề mặt được phân
vùng ................................................................................................. 100
Bảng 3. 12. Bảng thống kê gia công mẫu theo ba phương án ............ 100
Bảng 4. 1. Bảng thông số dụng cụ .................................................... 108
Bảng 4. 2. Bảng thông số máy đo 3 tọa độ SVA NEX9016 ............... 108
Bảng 4. 3. Bảng tọa độ điểm thiết kế mặt phôi ................................ 109
Bảng 4. 4. Bảng thông số F, S, T ...................................................... 111

Bảng 4. 5. Mảng trực giao Taguchi L9 (3^3) ................................... 111

xi


Bảng 4. 6. Kết quả đo tại các vị trí xác định trên bề mặt mẫu .......... 112
Bảng 4 . 7. Phân tích ANOVA các thơng số ảnh hưởng tới tạo hình bề
mặt .................................................................................................. 113
Bảng 4. 8. Điểm điều khiển mảnh mặt lõm ...................................... 123

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. Hiệu chỉnh đường trịn ........................................................ 9
Hình 1. 2. Thiết kế có sử dụng đường tự do NURBS ............................ 9
Hình 1. 3. Hiệu chỉnh mặt trụ thường và mặt trụ biểu diễn dạng tự do
.......................................................................................................... 10
Hình 1. 4. Ứng dụng NURBS trong thiết kế ........................................ 10
Hình 1. 5. Mơ tả nội suy tuyến tính và cung trên hệ máy CNC............ 11
Hình 1. 6. Nội suy NURBS trên các hệ CNC ....................................... 12
Hình 1. 7. Nội suy tuyến tính và nội suy NURBS khi gia cơng mặt tự do
.......................................................................................................... 13
Hình 1. 8. Một ứng dụng mặt tự do trong khn ................................ 14
Hình 1. 9. Khảo sát thời gian gia công thô, tinh, đánh bóng khi gia cơng
khn ................................................................................................ 15
Hình 1. 10. Mơ hình hình học dao phay ngón tổng qt .................... 16
Hình 1. 11. Các dạng dao phay ngón cơ bản ...................................... 17
Hình 1. 12. Dụng cụ cắt khi gia công mặt tự do ................................. 18
Hình 1. 13. Sự khác biệt giữa vùng lồi, vùng lõm và vùng phẳng khi gia

cơng ................................................................................................... 19
Hình 1. 14. Đường cắt và cắt lẹm ....................................................... 20
Hình 1. 15. Gia công mặt tự do trên máy 5 trục................................. 21
Hình 1. 16. Đường dụng cụ ................................................................ 21
Hình 1. 17. Một số thuật ngữ về đường dụng cụ khi gia cơng trên máy
phay CNC........................................................................................... 23
Hình 1. 18. Một số kiểu đường dụng cụ cơ bản trong Catia V5R20 .... 26
Hình 1. 19. Các thông số quan trọng khi gia công mặt tự do.............. 28
Hình 1. 20. Chiều cao nhấp nhơ để lại sau khi gia công tinh bằng dao
phay đầu cầu ..................................................................................... 28

xiii


Hình 1. 21. Phương pháp sinh đường dụng cụ trên cơ sở điểm tiếp xúc
(CC-point) .......................................................................................... 29
Hình 1. 22. Sai số hình học khi gia cơng mặt ..................................... 34
Hình 1. 23. Phân cụm với 2 đường dẫn xoắn ốc [51] .......................... 35
Hình 1. 24. Sơ đồ khối tiến trình nghiên cứu ..................................... 37
Hình 2. 1. Sơ đồ khối nội dung chương 2........................................... 39
Hình 2. 2. Mơ hình tốn đường cong Bezier ....................................... 41
Hình 2. 3. Sơ đồ tính tốn điểm của đường cong Bezier bậc 3 ........... 41
Hình 2. 4. Sơ đồ tính điểm điều khiển của đường Bezier tổng qt.... 41
Hình 2. 5. Thuật tốn xây dựng cơng cụ thiết kế, hiệu chỉnh đường
Bezier bậc n ....................................................................................... 42
Hình 2. 6. Cơng cụ xây dựng đường cong Bezier ................................ 43
Hình 2. 7. Biểu diễn đường đường cong Bezier .................................. 44
Hình 2. 8. Kết quả thiết kế đường Bezier bậc 3 trên AutoCAD, Catia và
Công cụ xây dựng đường Bezier bậc n ................................................ 44
Hình 2. 9. Các mặt cơ bản ................................................................. 48

Hình 2. 10. Sự linh hoạt trong hiệu chỉnh của mặt tự do so với các mặt
cơ bản ................................................................................................ 49
Hình 2. 11. Mơ hình mặt mặt Ferguson ............................................. 50
Hình 2. 12 Mảnh mặt Bezier bậc 4 .................................................... 50
Hình 2. 13 a) Mơ hình mặt kẻ b) Nội suy Taylor tuyến tính ............... 51
Hình 2. 14. Cấu trúc mảnh mặt Coons .............................................. 52
Hình 2. 15. Mặt mặt trượt .................................................................. 52
Hình 2. 16. Mảnh mặt quay ............................................................... 53
Hình 2. 17. Mảnh mặt tứ giác ............................................................ 53
Hình 2. 18. Mảnh mặt B-spline .......................................................... 54
Hình 2. 19. Sơ đồ thuật tốn xây dựng cơng cụ thiết kế và hiệu chỉnh
mặt tự do ........................................................................................... 58
xiv


Hình 2. 20. Menu tùy chọn mặt ......................................................... 58
Hình 2. 21. Biểu diễn mặt tự do......................................................... 59
Hình 2. 22. Sơ đồ thuật tốn cơng cụ mơ hình hóa file định dạng IGES
.......................................................................................................... 66
Hình 2. 23. Giao diện cơng cụ mơ hình hóa file định dạng IGES ....... 67
Hình 2. 24. Hiển thị mặt tự do từ file cấu trúc IGES .......................... 67
Hình 3. 1. Các kiểu máy phay CNC thơng dụng ................................. 70
Hình 3. 2. Hướng dụng cụ khi gia cơng trên máy CNC 3 và 5 trục...... 71
Hình 3. 3. Dụng cụ cắt có thể nghiêng để tránh cắt lẹm ..................... 71
Hình 3. 4. Bán kính hiệu dụng của dụng cụ cắt ................................. 72
Hình 3. 5. Quan hệ giữa góc nghiêng với bán kính hiệu dụng ............. 72
Hình 3. 6. Dụng cụ cắt có bán kính nhỏ khơng gây cắt lẹm ................ 73
Hình 3. 7. Lựa chọn dụng cụ tương ứng với độ cong bề mặt ............... 73
Hình 3. 8. Sơ đồ lựa chọn dụng cụ cắt khi gia cơng mặt tự do ........... 74
Hình 3. 9. Sơ đồ khối lựa chọn dụng cụ phù hợp bề mặt ................... 75

Hình 3. 10. Biểu diễn bề mặt tự do .................................................... 75
Hình 3. 11. Phương và chiều véc tơ pháp tuyến của mặt .................... 75
Hình 3. 12. Độ cong Gauss và độ cong trung bình ............................. 77
Hình 3. 13. Mặt tự do được phân vùng ............................................... 78
Hình 3. 14. Thuật tốn phân vùng bề mặt tự do ................................ 78
Hình 3. 15. Sơ đồ phân vùng bề mặt thành mảnh mặt dựa theo H và K
.......................................................................................................... 79
Hình 3. 16. Thuật tốn lựa chọn dụng cụ hợp lý ................................ 80
Hình 3. 17. Mặt tự do có phân chia thành các mảnh cục bộ .............. 81
Hình 3. 18. Chuyển điểm 3D (x,y,z) sang khơng gian tham số 2D (u,v)
.......................................................................................................... 82
Hình 3. 19. Ánh xạ điểm 3D sang 2D để xác định đường ranh giới .... 82
xv


Hình 3. 20. Ví dụ về cấu trúc tập dữ liệu điểm DP, DP1, DP2, DP3...... 83
Hình 3. 21. Cấu trúc của các tập dữ liệu điểm ................................... 83
Hình 3. 22. Quy tắc 4 và 8 điểm lân cận ............................................ 84
Hình 3. 23. Đường ranh giới của mảng .............................................. 84
Hình 3. 24. Ranh giới tập điểm xác định bằng phương pháp 4 điểm .. 85
Hình 3. 25. Ranh giới tập điểm xác định bằng phương pháp 8 điểm .. 85
Hình 3. 26. Thuật toán tạo đường ranh giới mảnh mặt ...................... 86
Hình 3. 27. Các hàm sử dụng xác định kích thước dụng cụ hợp lý..... 87
Hình 3. 28. Macro trên Excel kết nối với Catia V5R20 để xây dựng
đường ranh giới từ tập điểm biên trích xuất từ IGES ......................... 88
Hình 3. 29. Đường ranh giới của vùng bề mặt tự do cục bộ ................ 89
Hình 3. 30. Bản vẽ thiết kế phơi ........................................................ 89
Hình 3. 31. Máy phay CNC Hamai 3VA .............................................. 90
Hình 3. 32. Dụng cụ cắt ..................................................................... 90
Hình 3. 33. Mơ phỏng q trình gia cơng ........................................... 91

Hình 3. 34. Gia cơng mẫu trên máy phay CNC Hamai 3VA ................ 92
Hình 3. 35. Thực hiện đo trên máy đo 3 tọa độ SVANEX ................... 92
Hình 3. 36.Điểm đo ........................................................................... 92
Hình 3. 37. Biểu đồ dữ liệu đo mặt tự do được gia cơng .................... 94
Hình 3. 38. Biểu đồ so sánh bề mặt theo 2 phương .......................... 95
Hình 3. 39. Đường ranh giới xuất hiện trên bề mặt sau gia cơng ........ 99
Hình 3. 40. Gia cơng bề mặt theo cách 3 ......................................... 101
Hình 4. 1. Sơ đồ khối các nội dung nghiên cứu trong chương 4 ....... 104
Hình 4. 2. Sơ đồ khối xây dựng phương án đánh giá mức độ ảnh hưởng
của đường dụng cụ tới độ chính xác tạo hình mặt tự do ................... 105
Hình 4. 3. Máy phay CNC 3 trục ...................................................... 107
Hình 4. 4. Dụng cụ cắt ..................................................................... 107
xvi


Hình 4. 5. Máy đo 3 tọa độ SVA NEX9016 ....................................... 108
Hình 4. 6. Thiết kế mẫu thực nghiệm .............................................. 108
Hình 4. 7. Kiểu đường dụng cụ thơng dụng khi gia cơng mặt tự do . 109
Hình 4. 8. Sản phẩm gia cơng theo thí nghiệm trong mảng L9 ........ 112
Hình 4. 9.Tỉ số S/N .......................................................................... 113
Hình 4. 10. Sơ đồ xây dựng phương án xác định dường dụng cụ hơp lý
cho bề mặt tự do cấu trúc lõm ......................................................... 114
Hình 4. 11. Hướng dụng cụ trong tọa độ Descartes .......................... 115
Hình 4. 12. Gia cơng mặt cong lõm .................................................. 116
Hình 4. 13. Sơ đồ xác định bước tiến hợp lý St ................................ 117
Hình 4. 14. Sơ đồ tính tốn St ......................................................... 117
Hình 4. 15. Sơ đồ tính tốn khoảng offset đường dụng cụ hợp lý ..... 119
Hình 4. 16. Sơ đồ offset đường dẫn được chiếu lên mặt cong S(u,v) . 120
Hình 4. 17. Sơ đồ thuật tốn sinh đường dụng cụ ............................ 122
Hình 4. 18. Mơ phỏng sinh đường dụng cụ cho vùng cục bộ lõm ..... 123

Hình 4. 19. Sơ đồ tính tốn sai số xấp xỉ ......................................... 124

xvii


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Công nghệ điều khiển số trên máy công cụ (Computer Numerical
Control – viết tắt là CNC) được ra đời từ khoảng những năm 1940 [1]
đã đánh dấu một bước nhảy vọt trong công nghiệp sản xuất. Việc ứng
dụng máy CNC không những mang lại năng suất cao, chất lượng sản
phẩm ổn định mà còn giải phóng được sức lao động của con người. Với
việc các ngành khoa học điều khiển, công nghệ thông tin phát triển…
các máy CNC càng trở nên mạnh mẽ hơn, điều đó cũng đồng nghĩa với
việc các sản phẩm được chế tạo ra ngày càng phức tạp và tinh xảo. Do
những ưu điểm của các máy CNC khiến cho càng ngày càng có nhiều
nghiên cứu nhằm nâng cấp máy CNC trở nên ngày càng hồn thiện. Có
hai hướng nghiên cứu chính để cải thiện các máy CNC là hướng nghiên
cứu cải thiện phần cứng và hướng nghiên cứu cải thiện phần mềm.

Hướng nghiên cứu cải thiện phần cứng để nâng cao năng suất khi

gia công trên máy phay CNC như: Nghiên cứu về kết cấu máy [2], [3]…
Nghiên cứu ảnh hưởng của rung động [4]–[6]… Nghiên cứu về dụng cụ
cắt khi gia công [7], [8]… Nghiên cứu cải thiện các vi mạch điều khiển
để cải thiện khả năng điều khiển của máy CNC… Kết quả của các cơng
trình khoa học cũng như thực nghiệm theo hướng này đã đạt được
nhiều thành cơng. Các máy CNC càng ngày càng có kết cấu hồn thiện,
khả năng cơng nghệ được nâng cao. Qua đó năng suất cũng như chất
lượng sản phẩm khi gia cơng trên các máy CNC có những cải thiện

đáng kể góp phần khơng nhỏ vào sự phát triển của ngành cơng nghiệp
gia cơng nói chung và gia cơng trên máy tự động nói riêng.

Hướng nghiên cứu cải thiện phần mềm thường là cải tiến về hệ điều

hành (chứa các bộ nội suy sử dụng cho tính tốn các đường dụng cụ và
các thơng số trong q trình gia cơng cũng như cải thiện khả năng giao
tiếp giữa các phần cứng trên máy CNC thơng qua các trình điều khiển
driver). Các phương pháp nội suy mà các máy CNC thường sử dụng là
nội suy tuyến tính hoặc nội suy theo cung tròn [9]. Ngày nay xu hướng
nghiên cứu tập trung nhiều vào việc phát triển phần mềm để máy trở
nên “thông minh” và “mạnh mẽ” hơn, Do đó các máy CNC ngày càng có
tính linh hoạt, đáp ứng được nhiều u cầu gia công phức tạp hơn, đặc
biệt là những chi tiết máy được thiết kế có chứa các bề mặt tự do.
Sự phát triển của máy CNC và những ưu điểm của nó kéo theo các
lĩnh vực phục vụ cho hệ máy này cũng phát triển khơng ngừng đó là
CAD (Computer Aided Design – Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) và
1


CAM (Computer Aided Manufacturing – Gia cơng có sự hỗ trợ của máy
tính). CAD hỗ trợ khâu thiết kế trở nên nhanh, dễ dàng và chính xác
hơn, CAM hỗ trợ khâu gia cơng, giải phóng con người khỏi các tính
tốn với khối lượng phép tính lớn và phức tạp hơn bởi các cơng thức
nội suy tích hợp. Do vậy, lúc này năng suất cũng như độ chính xác khi
chế tạo các sản phẩm có ứng dụng CAD/CAM/CNC khơng cịn phụ
thuộc hồn tồn vào máy CNC nữa mà cịn phụ thuộc cả vào các yếu tố
khác nằm trong khâu thiết kế (có sử dụng CAD) và nằm trong khâu gia
cơng (có sử dụng CAM). Hiện nay việc khai thác sử dụng các máy CNC
cũng như các phần mềm CAD/CAM còn chưa hiệu quả, đặc biệt tại Việt

Nam chủ yếu dựa trên các kinh nghiệm và các hướng dẫn sử dụng
máy, dụng cụ của các hãng sản xuất.
Ví dụ việc lựa chọn dụng cụ cắt thế nào là hợp lý, chiến lược dẫn
dụng cụ phù hợp nhất đối với bề mặt, các thông số chế độ cắt lựa chọn
thế nào cho hợp lý… cũng sẽ ảnh hưởng lớn tới năng suất, chất lượng
tạo hình các chi tiết có chứa bề mặt phức tạp.
Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC trong sản xuất
rất phổ biến không chỉ trên thế giới mà cả ở Việt Nam. Do những ưu
điểm mà công nghệ này mang lại nên các nghiên cứu về CAD/CAM/CNC
luôn luôn được nhiều nhà khoa học quan tâm. Hiện nay các nghiên
cứu liên quan đến lĩnh vực CAD/CAM/CNC ở Việt Nam còn khá hạn
chế. Trên thế giới cũng có nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện năng suất,
chất lượng sản phẩm khi gia công trên máy CNC. Tuy nhiên những vấn
đề liên quan đến bề mặt cũng ít khi được đề cập trong các nghiên cứu
này mà chủ yếu là các nghiên cứu về tính tốn đường dụng cụ hoặc các
chế độ cắt. Trong quá trình nghiên cứu, NCS nhận thấy rằng vấn đề
lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ hợp lý khi gia cơng các chi tiết có
chứa mặt tự do vừa có tính khoa học và cũng có tính thực tiễn rất cao,
có tiềm năng lớn để áp dụng vào thực tiễn sản xuất. Được sự đồng ý
của giáo viên hướng dẫn và hội đồng đánh giá đề cương đã được trình
bày, NCS đã lựa chọn đề tài luận án:

“Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ trong tạo hình bề mặt
tự do trên máy phay CNC 3 trục”

2. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu lựa chọn dụng cụ và đường dụng cụ khi gia công mặt
tự do trên máy CNC 3 trục nhằm đáp ứng được yêu cầu về độ chính
2

xác tạo hình bề mặt và giảm thời gian gia công so với phương pháp gia
công mặt tự do truyền thống.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Luận án nghiên cứu phương pháp lựa chọn kích thước dụng cụ cắt
và đường dụng cụ phù hợp khi gia công bề mặt tự do trơn trên máy
CNC 3 trục. Để thực hiện nghiên cứu đối tượng đã đề ra, luận án đã
được phân chia thành các nội dung sau:
-

-

-

Nghiên cứu về phương pháp biểu diễn toán học đường và mặt tự
do.
Nghiên cứu phương pháp tách một mặt tự do trơn thành các
mảnh mặt tự do cục bộ dựa trên độ cong Gaussian (K) và độ
cong trung bình (H), Thơng qua bước tách mặt tự do trơn thành
các mảnh mặt tự do cục bộ để xây dựng thuật tốn và chương
trình tính tốn kích thước dụng cụ phù hợp nhất đối với từng
phân vùng cục bộ sao cho đảm bảo độ chính xác tạo hình đối
với từng mảnh mặt cục bộ đó và rút ngắn thời gian gia cơng. Qua
đó sẽ lựa chọn các dụng cụ phù hợp để gia công một mặt tự do
trơn (là mặt đơn hoặc mặt tự do trơn tập hợp từ một số mảnh
mặt).
Nghiên cứu xây dựng đường ranh giới của từng mảnh mặt cục bộ
nếu một mặt cong trơn được cấu thành từ nhiều hơn một mảnh
mặt cục bộ (Mục đích của việc xác định đường ranh giới của

mảnh mặt cục bộ để giới hạn vùng dụng cụ thực hiện chiến lược
chạy dao).
Nghiên cứu ảnh hưởng của đường dụng cụ đến độ chính xác tạo
hình bề mặt tự do.
Đề ra giải pháp sinh đường dụng cụ hợp lý khi gia công vùng bề
mặt tự do cấu trúc lõm.

2.3. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau:
-

-

Q trình gia cơng mặt tự do được thực hiện trên máy phay CNC
3 trục với dụng cụ cắt khơng thay đổi hướng trên tồn bộ quỹ
đạo di chuyển trên bề mặt.
Dụng cụ cắt sử dụng trong gia cơng là dụng cụ tiêu chuẩn.
Vật liệu mẫu có độ cứng thấp để việc nghiên cứu tạo hình ít bị
ảnh hưởng bởi các yếu tố về lực cắt và nhiệt qua đó có thể làm
kết quả nghiên cứu bị sai lệch.

3