Luận án tiến sĩ nghiên cứu tối ưu hóa sơ đồ cắt vật liệu trong một số ngành công nghiệp

I HCQUC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



TRN NG BNG



NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA
SƠ ĐỒ CẮT VẬT LIỆU
TRONG MỘT SỐ NGÀNH CÔNG NGHIỆP









LUN ÁN TIN S K THUT






TP. H CHÍ MINH NM 2012

I HC QUC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



TRN NG BNG



NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA
SƠ ĐỒ CẮT VẬT LIỆU
TRONG MỘT SỐ NGÀNH CÔNG NGHIỆP


Chuyên ngành: CÔNG NGH CH TO MÁY
Mã s chuyên ngành: 62.52.04.01
Phn bin c lp 1: PGS.TS. Trn Th Thanh
Phn bin c lp 2: PGS.TS. Nguyn Vit Hùng
Phn bin 1: PGS.TS. H Thanh Phong
Phn bin 2: PGS.TS. Nguyn Ngc Phng
Phn bin 3: PGS.TS. Nguyn ình Huy




NGI HNG DN KHOA HC
1. PGS.TS. Phm Ngc Tu n
2. PGS.TS. Nguyn Thanh Nam

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác gi xin cam oan ây là công trình nghiên c!u c"a bn thân tác gi.
Các k#t qu nghiên c!u và các k#t lun trong lun án này là trung th$c, và
không sao chép t% b t k& mt ngun nào và d'i b t k& hình th!c nào. Vic
tham kho các ngun tài liu (n#u có) ã (c th$c hin trích d)n và ghi ngun
tài liu tham kho úng theo yêu cu.

Tác gi lun án



__________________________________
Trn *ng B+ng

ii

LỜI CẢM ƠN

Xin trân trng cm n B môn Ch# to máy, Khoa C khí, Tr,ng i
hc Bách khoa TP. H Chí Minh ã to mi i-u kin cho tôi trong sut quá
trình hc tp và nghiên c!u.
Xin bày t. lòng bi#t n sâu s/c #n gia ình, hai thy h'ng d)n, các thy
cô giáo, các bn ng nghip ã giúp 0 tn tình và óng góp nhi-u ý ki#n quý
báu 1 lun án (c hoàn thành.

iii

M
M
Ụ
Ụ
C
C


L
L
Ụ
Ụ
C
C


trang

L,i cam oan i

L,i cm n ii

M2c l2c iii

Bng ký hiu vi

Bng các ch3 vi#t t/t vii

Danh m2c các hình v4 viii

Danh m2c các bng x

M5 U xi

Chương 1:
TNG QUAN V6 CÁC NGHIÊN C7U VÀ 7NG D8NG
S9  C:T VT LIU T;M
1

1.1 V n - s/p x#p s  c/t vt liu t m trong mt s ngành công
nghip
1

1.1.1 Vt liu t m 1

1.1.2 Chi ti#t 2

1.1.3 S  c/t 3

1.1.4 C/t chi ti#t trong ngành c khí ch# to 4

1.1.5 C/t chi ti#t trong ngành giày dép 5

1.1.6 C/t chi ti#t trong ngành ch# bi#n g< 7

1.2 Gi'i thiu mt s công trình nghiên c!u và !ng d2ng s  c/t 7

1.2.1 Mt s công trình nghiên c!u trên th# gi'i 7

1.2.2 Mt s phn m-m s/p x#p s  c/t trên th# gi'i 14

1.2.3 Tình hình nghiên c!u và !ng d2ng trong n'c 16

1.2.4 Mt s nhn xét v- các công trình nghiên c!u v- s  c/t 17

1.3 Mt s v n - cn nghiên c!u gii quy#t 18

K#t lun chng 1 18

Chương 2
: CÁC C9 S5 TOÁN HC = XÂY D>NG S9  C:T 19

2.1 S/p x#p ti u hóa s  c/t 19

2.2 Các thông s hình hc c"a s  c/t 19

2.2.1 Các thông s hình hc c"a t m vt liu 20

2.2.2 Các thông s hình hc c"a chi ti#t 20

2.2.3 Các thông s hình hc c"a s  c/t 22

2.2.4 H s s? d2ng vt liu 23

2.2.5 Các dng s/p x#p mt loi chi ti#t trên s  c/t 24

2.2.5.1 S  c/t chi ti#t s/p x#p cùng chi-u 24

2.2.5.2 S  c/t chi ti#t s/p x#p ng(c chi-u 26

2.3 Quy trình giác s  c/t c"a ng,i k@ thut 27

2.4 Các phép bi#n +i hình hc hai chi-u 30

2.4.1 Phép tnh ti#n 30

2.4.2 Phép bi#n +i tA l 30

2.4.3 Phép quay quanh gc ta  31

2.5 ,ng t$a và hàm t$a 31

2.5.1 Khái nim v- ,ng t$a và hàm t$a 31


iv

2.5.2 Vùng ta  c$c c"a chi ti#t trên s  c/t 32

2.5.3 Gii thut xác nh các khong cách t$a 33

2.6 ,ng mút và hàm ,ng mút 35

2.6.1 Khái nim ,ng mút và hàm ,ng mút 35

2.6.2 D$ng i-u kin không giao nhau c"a hai chi ti#t 36

2.6.3 D$ng ,ng mút cùng chi-u và ng(c chi-u c"a hai

chi ti#t
38

2.6.4 Giao i1m c"a hai ,ng mút 41

2.7 #m s l(ng chi ti#t 44

2.8 Xây d$ng mô hình toán hc ti u cho s  c/t mt loi chi ti#t 46

2.8.1 S  c/t theo h tnh ti#n song song 46

2.8.2 Xây d$ng mô hình toán hc ti u cho s  c/t mt
loi chi ti#t
47

K#t lun chng 2 49

Chương 3:
S HÓA NG BIÊN CHI TIT 50

3.1 Yêu cu v- s hóa ,ng biên chi ti#t 50

3.2 Các phng pháp s hóa ,ng biên chi ti#t ã bi#t 51

3.3 Phng pháp s hóa - ngh 52

3.3.1 u i1m c"a phng pháp s hóa bBng máy quét 53

3.3.2 Quy trình s hóa bBng máy quét 53

3.3.3 Quét và lu nh chi ti#t 54

3.3.4 Chuy1n nh chi ti#t v- n s/c 55

3.3.5 Quét dòng trích ta  i1m trên ,ng biên chi ti#t 56

3.3.6 S/p x#p trt t$ các i1m trên ,ng biên 58

3.3.6.1 Yêu cu v- s/p x#p trt t$ các i1m biên

59

3.3.6.2 Xây d$ng ma trn véc t M
v
59

3.3.6.3 Gii thut s/p x#p trt t$ các i1m trên ,ng biên

61

K#t lun chng 3 64

Chương 4:
XÂY D>NG MCT S MÔ HÌNH TOÁN CHO TI U
HÓA S9  C:T
65

4.1 Mô hình ti u hóa s  c/t mt loi chi ti#t s/p x#p trên di 65

4.1.1 Dt v n - 65

4.1.2 Xây d$ng mô hình 66

4.1.3 Xây d$ng gii thut 68

4.2 Mô hình ti u hóa s  c/t chi ti#t s/p x#p trên t m vt liu 70

4.2.1 Dt v n - 70

4.2.2 Mô hình s/p x#p cùng chi-u 71

4.2.2.1 Mô t bài toán 71

4.2.2.2 Xây d$ng mô hình 71

4.2.2.3 Xây d$ng gii thut 74

4.2.3 Mô hình s/p x#p chi ti#t ng(c chi-u 77

4.2.3.1 Mô t bài toán 77

4.2.3.2 Xây d$ng mô hình 77

4.2.3.3 Xây d$ng gii thut 79


v

4.3 Mô hình s/p x#p s  c/t có nh h'ng chi ti#t trên t m vt liu

81

4.4 Mô hình ti u hóa s  c/t t m vt liu dng cun 84

K#t lun chng 4 84

Chương 5
: 7NG D8NG KT QUE NGHIÊN C7U 85

5.1 Thi#t k# và lp trình phn m-m 85

5.2 Gi'i thiu phn m-m BK-Nesting 86

5.2.1 Các yêu cu v- c u hình c"a phn m-m 86

5.2.2 Các yêu cu v- ch!c n*ng c"a phn m-m 86

5.23 Giao din c"a phn m-m 87

5.3 7ng d2ng phn m-m 88

5.3.1 Ki1m th? phn m-m 88

5.3.2 7ng d2ng phn m-m 89

5.3.2.1 7ng d2ng phn m-m ti Công ty CP u t và Sn
xu t giày Thái Bình
89

5.3.2.2 7ng d2ng ti Công ty CP Sn xu t và l/p ráp Ô tô

Chu Lai Tr,ng Hi
92

5.3.2.3 K#t qu so sánh v'i mt s công trình nghiên c!u 94

K#t lun chng 5 95

KT LUN VÀ KIN NGHF 96

DANH M8C CÔNG TRÌNH KHOA HC GC CÔNG B 99

TÀI LIU THAM KHEO 100

PH8 L8C 1 GII THIU PHN M6M BK-Nesting

PH8 L8C 2 KT QUE KI=M THH PHN M6M BK-Nesting

PH8 L8C 3 MCT S KT QUE 7NG D8NG PHN M6M BKNesting

PH8 L8C 4 KT QUE 7NG D8NG PHN M6M TI DOANH
NGHIP

vi

BẢNG KÝ HIỆU
L Kích th'c chi-u dài c"a t m vt liu, mm.

W Kích th'c chi-u rng t m vt liu, mm
I Vùng s/p x#p chi ti#t trên t m vt liu
I’ Vùng xác nh ta  c$c chi ti#t trên s  c/t
F Din tích c"a t m vt liu, mm
2

S Chi ti#t s/p x#p
Q
S
Din tích c"a chi ti#t, mm
2

z Khong cách ch%a gi3a hai chi ti#t li-n k- trên s  c/t, mm

z
d

Khong cách ch%a gi3a ,ng biên chi ti#t và ,ng biên dc, mm
z
n

Khong cách ch%a gi3a ,ng biên chi ti#t và ,ng biên ngang, mm
 B'c c/t, mm.
D Khong cách bên ngoài gi3a hai ,ng biên c"a hai chi ti#t theo Ox.
d Khong cách bên trong gi3a hai ,ng biên c"a hai chi ti#t theo Ox.
D
max
Khong cách bên ngoài l'n nh t gi3a hai ,ng biên c"a hai chi ti#t
theo tr2c Ox, mm
d
min
Khong cách bên trong nh. nh t gi3a hai ,ng biên c"a hai chi ti#t
theo tr2c Ox, mm
l
c

Kích th'c chi-u dài c"a chi ti#t theo tr2c Ox, mm
w
c
Kích th'c chi-u rng c"a chi ti#t theo tr2c Oy, mm
J Sai s tính toán, mm
ç H s s? d2ng vt liu trong s  s/p x#p, %
ì H s i-n y, %
ƫ
B'c dch c"a chi ti#t
n
S l(ng chi ti#t trong s  s/p x#p


Góc to bKi ,ng ni hai c$c O
1
O
2
c"a hai chi ti#t S
1
, S
2
và tr2c OX c"a h
tr2c ta  c nh XOY , 
(
0
)


Góc nghiêng c"a chi ti#t so v'i h tr2c ta
 c nh xOy,  (
0
)


B'c góc xoay c"a chi ti#t quanh ta  c$c c"a chi ti#t,
 (
0
)

Khong cách dòng quét, mm
G
,ng mút c"a hai chi ti#t

f()
Hàm ,ng mút
H
,ng t$a c"a chi ti#t
h()
Hàm t$a
M
v

Ma trn véc t quay

vii

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HSSDVL H s s? d2ng vt liu
HBHCS Hình bình hành c sK
RGB Red – Green – Blue (mô hình màu: . – Xanh lá cây – Xanh da
tr,i)
CAD/CAM

Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing(Thi#t
k# nh, máy tính/ Gia công nh, máy tính)
CNC Computer Numerical Control (i-u khi1n s bBng máy tính)
NFP Non - Fit - Polygon
GA Genetic algorithm (gii thut di truy-n)
GT Gii thut
CDIO C: Conceive: Hình thành ý tKng; D: Design: Thi#t k#; I:
Implement: Th$c hin; O: Operate: Vn hành.
CNA Compact Neighborhood Algorithm: Gii thut s/p x#p sít chDt

viii

D
D
A
A
N
N
H
H


M
M
Ụ
Ụ
C
C


C
C
Á
Á
C
C

H
H
Ì
Ì
N
N
H
H


V
V
Ẽ
Ẽ


trang
Hình 1 C u trúc c"a lun án xiv

Hình 1.1 Mt s s  c/t trong sn xu t công nghip 1

Hình 1.2

Các loi vt liu t m dùng ph+ bi#n trong công nghip 2

Hình 1.3

Mt s chi ti#t (c gia công c/t t% vt liu t m 2

Hình 1.4 S











c
c
/
/
t
t


c
c
h
h
i
i


t
t
i
i

#
#
t
t 3

Hình 1.5 Máy c/t dp chi ti#t kim loi 4

Hình 1.6

C/t chi ti#t trong ngành c khí 5

Hình 1.7

C/t chi ti#t trong ngành giày dép 5

Hình 1.8 Máy c/t CNC 6

Hình 1.9

C/t chi ti#t trong ngành ch# bi#n g< 7

Hình 1.10 X p xL chi ti#t # giày bBng các hình tròn 9

Hình 1.11 K#t qu s/p x#p c"a mt s s  c/t 11

Hình 1.12 Hai dng s/p x#p chi ti#t hình tròn 14

Hình 2.1

Các thông s hình hc c"a t m vt liu hình ch3 nht 20

Hình 2.2 Các thông hình hc c"a chi ti#t 21

Hình 2.3 S  c/t và các thông s hình hc c"a s  c/t 23

Hình 2.4 S/p x#p s  c/t chi ti#t cùng chi-u 24

Hình 2.5 Bn c$c c"a bn chi ti#t li-n k- trong s  s/p x#p cùng chi-u 25

Hình 2.6 S/p x#p s  c/t chi ti#t ng(c chi-u 26

Hình 2.7 Sáu chi ti#t li-n k- trong s  s/p x#p ng(c chi-u

27

Hình 2.8 Quy trình giác s  c/t c"a ng,i k@ thut 28

Hình 2.9 Các ,ng thMng t$a c"a chi ti#t 32

Hình 2.10 Vùng s/p x#p c"a c$c các chi ti#t trong s  c/t 33

Hình 2.11 Gii thut xác nh các khong cách t$a 34

Hình 2.12 ,ng mút c"a hai chi ti#t

35

Hình 2.13 D$ng ,ng mút cùng chi-u c"a chi ti#t 37

Hình 2.14 Gii thut d$ng i-u kin không giao nhau c"a hai chi ti#t 38

Hình 2.15 D$ng ,ng mút cùng chi-u c"a chi ti#t 39

Hình 2.16

Gii thut d$ng ,ng mút cùng chi-u và ng(c chi-u 40

Hình 2.17
,ng mút c"a các chi ti#t trên s  c/t 41

Hình 2.18 Gii thut tìm giao i1m c"a hai ,ng mút 43

Hình 2.19  quy ta  c$c c"a ba chi ti#t 1 #m s l(ng chi ti#t 44

Hình 2.20 Gii thut  quy #m s l(ng chi ti#t 45

Hình 2.21 S  s/p x#p theo h tnh ti#n song song 46

Hình 2.22 Bn chi ti#t li-n k- trên s  c/t mt loi chi ti#t 47

Hình 3.1 S hóa ,ng biên chi ti#t 50

Hình 3.2 Các chi ti#t c/t trong sn xu t công nghip có hình dng b t k& 50

Hình 3.3 S hóa ,ng biên chi ti#t bBng b s hóa 51

Hình 3.4 H thng máy quét, máy tính và máy in 52

Hình 3.5 Lu  quy trình s hóa ,ng biên chi ti#t t+ng quát 54

Hình 3.6 Quy trình quét hình chi ti#t 55

Hình 3.7 Gii thut trích ta  i1m biên bBng phng pháp nhum màu 58


ix

Hình 3.8 Giao i1m c"a dòng quét v'i ,ng biên chi ti#t 59

Hình 3.9 Xác nh ta  hai i1m u tiên c"a ,ng biên 60

Hình 3.10
Ma trn vector M
v
61

Hình 3.11 Gii thut s/p x#p th! t$ chu<i i1m trên ,ng biên

63

Hình 4.1 Các dng mô hình s/p x#p s  c/t trong ngành c khí 65

Hình 4.2 Các thông s hình hc trên s  c/t cùng chi-u trên di 66

Hình 4.3 S/p x#p hai chi ti#t ng(c chi-u u tiên trên di 67

Hình 4.4 Gii thut ti u hóa s  c/t trên di 69

Hình 4.5 Các dng s  c/t chi ti#t trong ngành giày dép 71

Hình 4.6 Các thông s hình hc trên s  c/t chi ti#t cùng chi-u 72

Hình 4.7 V trí tng i gi3a chi ti#t S
2
và S
3
trong s  c/t cùng chi-u 73

Hình 4.8 C$c các chi ti#t cùng chi-u nBm trên các ,ng mút 74

Hình 4.9 Gii thut ti u hóa s  c/t cùng chi-u trong ngành giày dép 76

Hình 4.10 Hai hình bình hành c"a sáu chi ti#t li-n k- 77

Hình 4.11 Xác nh v trí c$c O
3
và O
5
trong s  s/p x#p ng(c chi-u 78

Hình 4.12 Gii thut ti u hóa s  s/p x#p chi ti#t ng(c chi-u 83

Hình 5.1

Lu  thi#t k# phn m-m 85

Hình 5.2 Giao din t+ng th1 c"a phn m-m BK-Nesting 87

Hình 5.3 Ch!c n*ng chn mô hình s  c/t và nhp các thông s 88

Hình 5.4 Các m!c  ki1m th? phn m-m 89


























x

D

D
A
A
N
N
H
H


M
M
Ụ
Ụ
C
C


C
C
Á
Á
C
C


B
B
Ả
Ả
N

N
G
G




Bng 1.1 Bng lit kê mt s gii thut và phm vi !ng d2ng v- ti u hóa
s  c/t

Bng 1.2 Mt s phn m-m !ng d2ng s  c/t

Bng 2.1 Quy trình giác s  c/t c"a ng,i k@ thut

Bng 3.1 Thng kê d3 liu chi ti#t (c cung c p trong sn xu t công
nghip

Bng 3.2 Các dng chi-u quay c"a véc t M
v
ti các v trí Dt i1m P
c
trong
ma trn M
v


Bng 5.1 Các chi ti#t (c !ng d2ng ti Công ty CP u t và Sn xu t
Giày Thái Bình

Bng 5.2 K#t qu !ng d2ng phn m-m BK-Nesting và phn m-m Crispin

Dynamics ti Công ty CP u t và Sn xu t Giày Thái Bình

Bng 5.3 Các chi ti#t (c !ng d2ng ti Công ty CP Sn xu t và L/p ráp Ô
tô Chu Lai Tr,ng Hi.

Bng 5.4 K#t qu !ng d2ng phn m-m BK-Nesting ti Công ty CP Sn xu t
và L/p ráp Ô tô Chu Lai Tr,ng Hi.

Bng 5.5 So sánh k#t qu s/p x#p bBng phn m-m BK-Nesting v'i mt s
công trình nghiên c!u ã công b

xi

MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Ti#t kim ngun nguyên vt liu trong gia công chi ti#t là y#u t quan
trng 1 gim chi phí sn xu t. Trong mt s ngành sn xu t công nghip, s
l(ng chi ti#t (c gia công c/t t% vt liu t m chi#m tA trng r t l'n. Theo
thng kê cho th y khong 60 #n 75% s l(ng chi ti#t trong ngành ch# to ô
tô, 90% trong ngành sn xu t hàng tiêu dùng, 70 #n 75% trong ngành ch# to
d2ng c2, 20 #n 30% trong ngành công nghip n*ng l(ng và giao thông vn
ti, … (c gia công c/t t% vt liu dng t m. Chính vì vy v n - gim vt
liu th%a khi gia công luôn (c các nhà sn xu t quan tâm.
Tr'c khi c/t chi ti#t, ng,i th( phi ti#n hành s/p x#p s  c/t. Tr'c
ây, công on này (c th$c hin bBng th" công, hoDc bán th" công ch" y#u
d$a vào kinh nghim, tay ngh- c"a ng,i th(. Do vy, cn nhi-u th,i gian cho
công on s/p x#p, hiu qu s? d2ng vt liu còn khác nhau, phn vt liu th%a
b. i còn nhi-u, chi phí cho sn xu t còn cao.
T% nh3ng n*m u c"a thp niên 1960, cùng v'i s$ ra ,i và phát tri1n
c"a công ngh máy tính, nhi-u nhà khoa hc ã có nh3ng nghiên c!u v- vic

gii các bài toán ti u s  c/t bBng máy tính. Mt s phng pháp, gii
thut 1 gii quy#t v n - ti u hóa s  c/t trong mt s ngành công nghip
ã (c - xu t nhBm gim chi phí vt liu và chi phí sn xu t.
Cho #n nay cha có công trình nghiên c!u nào hoDc phn m-m !ng
d2ng nào ch!ng minh gii thut hay sn phNm c"a mình là tt nh t và có th1
gii quy#t (c cho mi bài toán s/p x#p s  c/t. M<i công trình nghiên c!u,
m<i phn m-m !ng d2ng chL gii quy#t (c mt bài toán c2 th1 c"a th$c tin
sn xu t Dt ra. Do vy, v n - ti u hóa s  c/t v)n là - tài nghiên c!u và
cn (c phát tri1n.
Tính cấp thiết của đề tài
Ti u hóa c/t vt liu có ý nghOa kinh t#, k@ thut trong các ngành c
khí, c/t may, da giày và ch# bi#n g<, Trên th# gi'i v n - ti u hóa quá

xii

trình c/t vt liu trong các ngành này ã (c nghiên c!u t% lâu. ây là mt
phn trong vic - xu t và gii quy#t các bài toán ti u hóa !ng d2ng trong
sn xu t và ,i sng. Chính vì vy, cùng v'i s$ phát tri1n c"a công ngh ch#
to máy, công ngh thông tin, thi#t b sn xu t t$ ng ã cho ra ,i r t nhi-u
thi#t b gia công c/t phôi t$ ng. Các thi#t b này (c lp trình i-u khi1n
bBng máy in toán, trong ó có i-u khi1n quá trình c/t vt liu theo s  c/t
ti u bBng các phn m-m. Cho #n nay các phn m-m dùng cho c/t vt liu
dng t m hay thanh trong các ngành c khí ch# to, c/t may, da giày và ch#
bi#n g< ã trK thành sn phNm thng mi có th1 tìm mua trên th tr,ng.
Nhng qua !ng d2ng cho th y “chL tiêu” ti u hóa khi s/p x#p bBng phn
m-m r t khác nhau. i-u này cho th y các phn m-m c/t vt liu cha th$c s$
ti u do cha hoàn thin v- gii thut. Vì vy, vic nghiên c!u xác nh h
thng các gii thut cho các bài toán s/p x#p s  c/t chi ti#t t% phôi t m
trong sn xu t công nghip v)n có tính c p thi#t và mang tính th,i s$.
Mục tiêu của đề tài

M2c tiêu c"a lun án là xây d$ng các gii thut ti u hóa s  c/t mt
loi chi ti#t có hình dng ph!c tp b t k&, t% ó thi#t k# và lp trình phn m-m
1 !ng d2ng cho các ngành c khí ch# to, giày dép và ch# bi#n g< nhBm t
hiu qu s? d2ng vt liu cao hn so v'i s  c/t (c s/p x#p th" công.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
i t(ng nghiên c!u c"a lun án là s  c/t các chi ti#t cùng mt loi
(c c/t hàng lot bBng các thi#t b truy-n thng là các máy dp c/t, máy ca,
(c áp d2ng ph+ bi#n trong ngành c khí ch# to, giày dép và ch# bi#n g<.
Chi ti#t (c s/p x#p trên s  c/t là chi ti#t phMng có hình dng b t k&
(c s/p x#p trên vt liu phôi dng t m phMng có kích th'c gi'i hn là các
dng hình ch3 nht hoDc dng cun. Các loi t m vt liu (c dùng ph+ bi#n
nh t m thép, cun thép trong ngành c khí; cun da nhân to, t m cao su, t m
simili, t m EVA,… trong ngành giày dép; t m MDF, t m g< t$ nhiên trong
ngành ch# bi#n g<, v.v…

xiii

Phm vi nghiên c!u c"a lun án là s  c/t mt loi chi ti#t có hình dng
ph!c tp b t k& s/p x#p theo h tnh ti#n song song 1 gia công c/t hàng lot
bBng các loi máy dp c/t, máy ca áp d2ng ph+ bi#n trong mt s ngành công
nghip hin nay.
Nội dung nghiên cứu và kết cấu của luận án
Lun án ã th$c hin các ni dung (c trình bày trong 5 chng và có
c u trúc (c th1 hin trên hình 1, c2 th1 nh sau:
Chương 1: T+ng quan v- các nghiên c!u và !ng d2ng s  c/t vt liu t m
Chng này trình bày t+ng quan v- s/p x#p s  c/t vt liu t m trong
mt s ngành nh ngành c khí ch# to, ngành giày dép, ngành ch# bi#n g< và
trình bày t+ng quát v- mt s công trình nghiên c!u, phn m-m !ng d2ng
tr'c ây trong và ngoài n'c, các v n - tn ti c"a các nghiên c!u cPng nh
!ng d2ng v- s  c/t cn phi gii quy#t 1 t% ó a ra m2c tiêu và h'ng

nghiên c!u c"a - tài.
Chương 2: Các c sK toán hc 1 xây d$ng s  c/t.
Chng này trình bày vic xây d$ng các c sK toán hc, các khái nim và
các thut toán 1 gii quy#t các bài toán ti u hóa s  c/t. Ni dung c"a
chng này là chuyên - nghiên c!u th! nh t c"a lun án có tên “Nghiên c!u
các c sK toán hc cho ti u hóa s  c/t”.
Chương 3: S hóa ,ng biên chi ti#t.
Chng này trình bày các c sK toán hc, tin hc, các khái nim, các gii
thut 1 s hóa ,ng biên chi ti#t. Ni dung c"a chng này là chuyên -
nghiên c!u th! hai “Nghiên c!u s hóa ,ng biên chi ti#t”.
Chương 4: Xây d$ng mt s mô hình ti u hóa s  c/t trong mt s
ngành công nghip.
Chng này trình bày mt s mô hình vt lý, mô hình toán hc và các
gii thut gii bài toán ti u hóa s  c/t chi ti#t t% vt liu t m trong mt s
ngành công nghip. Ni dung c"a chng này là chuyên - nghiên c!u th! ba
“Nghiên c!u xây d$ng các mô hình ti u hóa s  c/t trong mt s ngành
công nghip”.

xiv


Hình 1. C u trúc c"a lun án

Chương 5: Thi#t k#, lp trình và ki1m th? phn m-m.
Chng này trình bày vic thi#t k# và lp trình phn m-m BK-Nesting t%
các k#t qu nghiên c!u c"a lun án bBng ngôn ng3 lp trình Delphi phiên bn

xv

7.0. Phn m-m ã (c ki1m th? và !ng d2ng ti mt s doanh nghip thuc

các ngành c khí, giày dép và ch# bi#n g<.
Phn k#t lun chung c"a lun án trình bày vic ánh giá k#t qu nghiên
c!u c"a lun án và - xu t ni dung nghiên c!u mK rng và áp d2ng - tài vào
trong th$c t# sn xu t trong th,i gian t'i.
Phn ph2 l2c là các k#t qu s/p x#p và chng trình phn m-m !ng d2ng.
Phương pháp nghiên cứu
D$a trên t duy s/p x#p s  c/t c"a ng,i k@ thut viên có nhi-u kinh
nghim trong th$c t# sn xu t, t% ó hình thành các nh nghOa, các khái nim
1 mô t bài toán s/p x#p s  c/t.
Cách ti#p cn c"a lun án là s? d2ng các công c2 toán hc là hình hc
gii tích trên mDt phMng, i s véc t, k#t h(p v'i công ngh thông tin 1 th$c
hin ni dung nghiên c!u cn gii quy#t.
Phng pháp nghiên c!u c"a lun án:
- Mô ph.ng phôi chi ti#t trên máy tính nh, s$ h< tr( c"a máy quét
(scanner) 1 s hóa ta  các i1m ,ng biên c"a phôi chi ti#t hay
bi1u din mô hình toán hc (hình hc) phôi chi ti#t c/t.
- S? d2ng các phép bi#n hình s c p trên mDt phMng nh tnh ti#n, quay
k#t h(p v'i phng pháp hình hc gii tích trên mDt phMng , i s véc
t 1 tìm chi#n l(c s/p x#p ti u bi1u din hình hc trên máy tính.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
+ Ý nghOa khoa hc: Lun án ã xây d$ng (c các gii thut c/t phôi
chi ti#t phMng ti u t% vt liu dng t m phMng có kích th'c h3u hn cho mt
loi chi ti#t có hình dng b t k& ph2c v2 các ngành sn xu t nh c khí, giày
dép và ch# bi#n g<.
+ Ý nghOa th$c tin: Ni dung c"a - tài ã (c tri1n khai tr$c ti#p vào
sn xu t 1 ki1m tra và !ng d2ng. K#t qu nghiên c!u mang li hiu qu kinh
t# cho nhi-u ngành sn xu t công nghip có tA trng kinh t# l'n trong n'c
nh ô tô, giày dép và ch# bi#n g<.

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG
SƠ ĐỒ CẮT VẬT LIỆU TẤM
Chng này kho sát t+ng quan v- v n - s/p x#p s  c/t chi ti#t t% vt liu
t m trong mt s ngành công nghip nh ngành c khí ch# to, ngành giày dép,
ngành ch# bi#n g<, … trên th# gi'i và ti Vit nam 1 - xu t ni dung nghiên c!u.
1.1 Vấn đề sắp xếp sơ đồ cắt vật liệu tấm trong một số ngành công nghiệp
S  c/t chi ti#t t% vt liu t m trong sn xu t công nghip r t a dng và
phong phú. Hình 1.1 gi'i thiu mt s mô hình s  c/t: S  c/t chi ti#t trong
ngành may mDc (hình 1.1-a); s  c/t chi ti#t t% t m da bò trong ngành giày da
(hình 1.1-b); s  c/t c/t dp mt loi chi ti#t trong ngành c khí (hình 1.1-c).






Hin nay, các loi máy dp c/t (c dùng rng rãi trong sn xu t công nghip
1 c/t hàng lot chi ti#t t% vt liu t m vì mang li n*ng su t c/t cao.
1.1.1 Vật liệu tấm
Vt liu t m (hình 1.2) (c s? d2ng trong công nghip ph+ bi#n là các dng
t m hình ch3 nht hoDc dng cun nh: t m thép, cun thép, … trong ngành c khí;
t m cao su, t m EVA, vi cun, simili, … trong ngành giày dép; t m ván ép, ván
MDF, t m ván ghép thanh, t m g< t$ nhiên, … trong ngành ch# bi#n g<.
M<i loi vt liu t m có th1 có Dc tính k@ thut khác nhau. Khi c/t chi ti#t t%
mt s loi vt liu có tính hoa v*n, th' s(i,  b-n c hc khác nhau nh t m vi
hoa, t m có vân g< t$ nhiên, … chi ti#t (c s/p x#p trên s  c/t phi theo mt
h'ng c nh, nghOa là, có th1 Dt chi ti#t K v trí góc nghiêng c nh nào ó trên
t m vt liu.

a) b) c)
Hình 1.1 Mt s s  c/t trong sn xu t công nghip


2

Chi ti#t (c c/t t% các loi vt liu t m không có tính hoa v*n th' s(i nh các
loi t m EVA, t m simili, t m cao su, t m thép, … có th1 s/p x#p theo mt h'ng
b t k&, nghOa là, có th1 Dt chi ti#t K v trí góc nghiêng b t k& trên t m vt liu.


1.1.2 Chi tiết
Chi ti#t c/t t% vt liu t m trong các ngành công nghip th,ng là mt chi ti#t
phMng có hình dng b t k&. Có nhi-u loi chi ti#t có hình dng n gin nh hình
tròn, hình tam giác, hình ch3 nht, hình a giác và cPng có nhi-u chi ti#t có hình
dng ph!c tp, ,ng biên c"a nó là mt ,ng cong kín b t k& nh th1 hin trên
hình 1.3.

(a) Chi ti#t bn l- bên
trong ngành c khí

(b) Chi ti#t # giày
trong ngành giày dép

(c) Chi ti#t lá hoa trong
ngành ch# bi#n g<
Hình1.3 Mt s chi ti#t (c gia công c/t t% vt liu t m

(
a) T m vt liu hình ch3 nht (b) T m vt liu dng cun

Hình 1.2 Các dng vt liu t m dùng ph+ bi#n trong công nghip

3

1 th$c hin bài toán s/p x#p s  c/t bBng phn m-m máy tính, vic u
tiên là phi mô t chi ti#t và mô t t m vt liu vào trong máy tính.
Chi ti#t th,ng (c thi#t k# là các chi ti#t m)u hay còn gi là rp, các bn v4
trên gi y hoDc trên các phn m-m  ha. Trong th$c t# sn xu t, chi ti#t (c cung
c p là mt m)u có sQn. Ví du, trong ngành giày dép, khách hàng cung c p mt chi#c
giày. T% m)u này, công nhân v4 tách thành các chi ti#t, gi là rp. i v'i các chi
ti#t có hình dng n gin thì vic mô t nó vào trong máy tính là d dàng. Tuy
nhiên, khi gDp các chi ti#t rp có hình dng ph!c tp, vic mô t gDp r t nhi-u khó
kh*n và tn r t nhi-u th,i gian.
1.1.3 Sơ đồ cắt
Tr'c khi c/t chi ti#t t% vt liu t m ng,i th( phi th$c hin công vic s/p
x#p s  c/t. Hình 1.4 là mt hình mô ph.ng có tính quy 'c v trí các chi ti#t trên
s  c/t và (c th1 hin bBng bn v4 trên t, gi y hoDc trên màn hình máy tính.
Trên c sK bn v4 s  c/t này ng,i th( xây d$ng quy trình gia công c/t.

S  c/t trong sn xu t công nghip r t a dng, ph2 thuc vào các y#u t:
- Ngành và công ngh sn xu t nh c khí, giày dép, ch# bi#n g<, may,
trang trí ni th t, …
- Công ngh c/t: c/t bBng máy dp c/t, máy phay, máy ca; c/t bBng khí,
bBng tia laser, bBng tia n'c, …
- S/p x#p m<i ln mt chi ti#t hay nhi-u chi ti#t trong mt b sn phNm.

Hình 1.4 S  c/t chi ti#t

4

- Loi vt liu: tính ch t c lý, hình dng và kích th'c; s/p x#p có nh
h'ng hoDc không nh h'ng chi ti#t,
Trong sn xu t công nghip hin nay, phn l'n các chi ti#t (c gia công bBng
các máy dp c/t. Khi c/t bBng các loi máy này, chi ti#t (c s/p x#p theo h tnh
ti#n song song vì lý do d gia công và cho n*ng su t cao.
1 có mt phng án s/p x#p h(p lý, s  c/t phi t (c các yêu cu: H
s s? d2ng vt liu là cao nh t (s l(ng chi ti#t (c nhi-u nh t); m bo ch t
l(ng chi ti#t sau khi c/t (th' s(i, hoa v*n,  b-n c hc…); phù h(p v'i công
ngh, thi#t b c/t, c lý tính c"a loi t m vt liu; thun l(i cho thao tác c/t và ti#t
kim th,i gian,
1.1.4 Cắt chi tiết trong ngành cơ khí chế tạo
Vt liu t m thép trong ngành c khí ch# to th,ng có  dày,  c!ng cao
hn so v'i các loi vt liu trong các ngành khác. Chi ti#t có th1 c/t t% t m vt liu
bBng nhi-u công ngh khác nhau nh c/t bBng máy dp c/t, bBng máy phay, bBng
khí axêtylen, bBng tia laser, tia n'c, … Trong sn xu t công nghip hin nay, máy
dp c/t (hình 1.5) v)n (c áp d2ng ph+ bi#n.

u dp

Di c/t

Hình 1.5 Máy dp c/t chi ti#t kim loi

5

Máy c/t dp truy-n thng trong ngành c khí (c truy-n ng bBng in
hoDc bBng th"y l$c, … u dp có th1 di chuy1n theo phng thMng !ng còn vt
liu (c di chuy1n theo phng ngang. u dp (c thi#t k# có th1 c nh ti

mt góc xoay b t k& quanh tr2c c"a nó và có kh n*ng to ra l$c dp theo phng
thMng !ng khi c/t chi ti#t.

Do kích th'c  gá c"a máy dp c/t th,ng nh. hn so v'i t m vt liu nên
tr'c khi c/t chi ti#t, t m thép phi (c c/t thành các di dc theo chi-u dài hoDc
chi-u rng c"a t m (hình 1.6-a).
Khi c/t t m vt liu thành các di (hình 1.6-b), ng,i th( phi tính toán và
chn phng án có chi-u rng c"a nó sao cho ti u, phù h(p v'i kích th'c c"a
bàn máy. Trong sn xu t hàng lot chi ti#t bBng các máy dp c/t trong ngành c khí,
chi ti#t th,ng (c s/p x#p song song theo hàng trên di c/t (hình 1.6-c).
1.1.5 Cắt chi tiết trong ngành giày dép

Hình 1.7 C/t chi ti#t trong giày dép
(a) Máy dp c/t
(b) S  c/t

Hình 1.6 C/t chi ti#t trong ngành c khí
(b) Di c/t
(a) T m thép
(c) S đ c/t chi ti#t s/p x#p trên di

6

Trong ngành giày dép, phn l'n chi ti#t (c c/t bBng máy dp c/t. Do các
loi vt liu trong ngành này là các loi vt liu nhR, m-m nên các bàn máy c/t dp
th,ng có kích th'c l'n hn so v'i máy c/t dp trong ngành c khí. Khi dp c/t,
ng,i th( có th1 tri c t m vt liu lên bàn máy (hình 1.7-a).
Các máy dp c/t (c s? d2ng ti các doanh nghip sn xu t giày dép hin
nay ph+ bi#n (c truy-n ng bBng th"y l$c hoDc bBng khí nén. u dp (c
thi#t k# là mt thanh ngang có th1 to ra l$c dp cùng lúc lên mt hoDc mt s dao

c/t theo phng thMng !ng. Dao c/t (c ch# to r,i có hình dng ging v'i hình
dng c"a chi ti#t. Khi c/t, ng,i th( Dt t m vt liu lên bàn máy, sau ó x#p mt
hoDc mt s dao c/t lên t m vt liu theo s  c/t ã in ra gi y. Vic c/t chi ti#t
(c th$c hin bBng thao tác nh n nút máy 1 cho u dp to l$c dp ng th,i lên
các dao c/t.
Máy dp c/t CNC (hình 1.8) (c !ng d2ng trong ngành c khí cPng nh giày
dép (c i-u khi1n t$ ng bBng chng trình. Các loi máy này có th1 dp c/t t$
ng vt liu dng t m hay cun. u dp (c di chuy1n theo phng ngang còn
vt liu (c di chuy1n theo phng dc. u dp (c thi#t k# v%a có kh n*ng
to ra l$c dp theo phng thMng !ng v%a có th1 chuy1n ng xoay quanh tr2c.
Mt chng trình (c a vào t% máy tính có th1 i-u khi1n (c hot ng c"a
máy. Máy (c dùng 1 c/t các loi vt liu nh: t m thép, vi, cao su, nh$a,
simili…




Hình 1.8 Máy c/t CNC

7

1.1.6 Cắt chi tiết trong ngành chế biến gỗ
Trong ngành ch# bi#n g<, vt liu t m là các t m g< t$ nhiên. Chi ti#t c/t cn
phi m bo tính c lý cPng nh tính hoa v*n, th' s(i c"a t m vt liu. Do vy,
toàn b chi ti#t trên s  c/t th,ng là (c s/p x#p theo mt h'ng c nh.

Chi ti#t g< th,ng (c gia công ph+ bi#n bBng máy ca lng (hình 1.9-b)
hoDc bBng máy phay, tia laser, … Khi c/t chi ti#t bBng máy ca lng, chi ti#t (c
x#p theo hàng song song (hình 1.9-a). Máy ca th,ng (c d)n ng bBng ng
c in. L0i ca chuy1n ng tnh ti#n lên xung theo tr2c !ng. Bàn máy có kích

th'c " l'n 1 có th1 Dt c t m vt liu lên bàn máy. Vic c/t chi ti#t (c th$c
hin bBng cách di chuy1n bàn máy cùng t m vt liu sao cho l0i ca c/t chi ti#t
theo ,ng biên c"a nó theo s  c/t mà ng,i th( ã v4 tr'c lên t m vt liu.
1.2 Giới thiệu một số công trình nghiên cứu và ứng dụng sơ đồ cắt
1.2.1 Một số công trình nghiên cứu trên thế giới
Mt s công trình nghiên c!u tiêu bi1u v- ti u hóa s  c/t trên th# gi'i t%
s [1] #n s [40] trong phn tài liu tham kho (c lit kê trong bng 1.1. M<i
công trình nghiên c!u -u a ra gii thut gii bài toán ti u hóa s  c/t c"a

(a) S  c/t chi ti#t g< (b) Máy ca lng

Hình 1.9 C/t chi ti#t trong ngành ch# bi#n g<


L0i ca
T m g<

8

riêng h và cPng chL !ng d2ng 1 gii quy#t bài toán s/p x#p s  c/t c2 th1 c"a
mt ngành công nghip c2 th1. Các gii thut ch" y#u c"a các công trình nghiên c!u
(c lit kê trong bng 1.1 có phân thành 5 loi gii thut chính:
- Gii thut quy hoch ng (dynamic programming) [1], [2] và gii thut quy
hoch toán hc (mathematic programming) [3], [4], [5], [6], dùng 1 gii bài toán
s/p x#p s  c/t mt loi chi ti#t dng thanh và cho mt loi chi ti#t phMng;
- Gii thut heuristic (suy nghim) [7], [8], …, [12] dùng 1 gii quy#t bài
toán s/p x#p s  c/t cho mt loi hoDc nhi-u loi chi ti#t;
- Gii thut di truy-n (genetic algorithm) [13], …, [15] dùng 1 gii quy#t bài
toán s/p x#p s  c/t cho nhi-u loi chi ti#t;
- Gii thut (NFP- Non Fit Polygon) dùng t+ng Minkowski [16], …, [17] dùng

1 gii quy#t bài toán s/p x#p s  c/t có hai loi chi ti#t khác nhau.
Bng 1.1 Lit kê mt s gii thut và phm vi !ng d2ng ti u hóa s  c/t

S
T
T

HÌNH DNG CHI TIT


GIEI THUT
S CHI TIT
KHÁC NHAU
SP XP GC
7NG D8NG TRONG
NGÀNH
Ch3
nht
a giác
B t
k&
Mt Hai
Hn
hai
C
khí
Giày
dép

Ch#

bi#n
g<
May
mDc
Li
B t
k&
[1] X Quy hoch ng X X
[2] X Quy hoch ng X X
[3] X Quy hoch toán hc X X
[4] Quy hoch toán hc X X
[5] X Quy hoch toán hc X X
[6] Quy hoch toán hc X X
[7] X Heuristic X X
[8] X Heuristic X X
[9] X Heuristic X X
[10] X Heuristic X X
[11] X Heuristic X X
[12] X Heuristic X X
[13] X Di truy-n X X
[14] X Di truy-n X X X
[15] X Di truy-n X X
[16] X T+ng Minkowski X X
[17] X T+ng Minkowski X X
Giải thuật quy hoạch toán và quy hoạch động
Gii thut quy hoch ng (c trình bày trong các nghiên c!u c"a Herrmann
J. and Delalio D. [1], Jeffrey W. Herrmann và David R. Delalio [2]. Chi#n l(c s/p