Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trụcNghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trụcNghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trụcNghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trụcNghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trụcNghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trụcNghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trụcNghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trụcNghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực các biên dạng tự do trong tạo hình bề mặt chi tiết gia công trên máy công cụ CNC 3 trục
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Hữu Quang NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY THEO THỜI GIAN THỰC CÁC BIÊN DẠNG TỰ DO TRONG TẠO HÌNH BỀ MẶT CHI TIẾT GIA CÔNG TRÊN MÁY CÔNG CỤ CNC TRỤC Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 62520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH Bành Tiến Long Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Sự đời công nghệ điều khiển số máy công cụ (CNC) bước tiến quan trọng công nghệ sản xuất, mang lại suất chất lượng cho sản phẩm Với việc hệ thống máy tính vi xử lý ngày có lực tính tốn mạnh, hệ thống điều khiển số ngày có nhiều tính tiên tiến ngày trở nên “thông minh hơn” Xu hướng hệ thống điều khiển số tăng tỉ lệ phần mềm giảm tỉ lệ phần cứng Đồng thời hệ thống điều khiển số phát triển theo hướng “mở” hơn, linh hoạt hơn, có khả đáp ứng yêu cầu chuyên biệt Chức nội suy chức thuộc phần lõi điều khiển số (numerical control kernel), có ý nghĩa quan trọng việc tạo nên xác linh hoạt máy CNC Trong hệ thống điều khiển số, chức nội suy định nghĩa trình tổng hợp chuyển động dụng cụ theo quỹ đạo xác định từ chuyển động theo bước sở (Basic Length Unit - BLU) trục thành phần Mỗi bước sở có giá trị bé, thường 0.001 mm Các hệ thống điều khiển CNC thông thường hỗ trợ hai thuật toán nội suy nội suy tuyến tính nội suy cung trịn Các thuật toán đáp ứng tốt trường hợp mà đường dụng cụ đường thẳng cung tròn Trong trường hợp đường dụng cụ đường cong phức tạp phương pháp phổ biến xấp xỉ đường dụng cụ chuỗi đoạn thẳng để đưa việc sử dụng thuật toán nội suy tuyến tính Q trình xấp xỉ gặp phải vấn đề mâu thuẫn sau đây: Một mặt, số lượng đoạn thẳng cần phải đủ lớn để sai số xấp xỉ nằm giới hạn cho phép, làm giảm ảnh hưởng chuyển động không liên tục đoạn thẳng Mặt khác, số lượng đoạn thẳng lớn lại dẫn tới nhiều nhược điểm không mong muốn, kích thước lớn file G-code, khơng ổn định suy giảm tốc độ tiến dao dẫn tới giảm chất lượng bề mặt chi tiết tăng thời gian gia công, …[26] Vấn đề mâu thuẫn nói trở nên quan trọng xuất ngày nhiều nhu cầu gia công chi tiết phức tạp với biên dạng bề mặt tự (free-form curve, free-form surface) Điều đặt yêu cầu cần phải nghiên cứu đề xuất thuật toán nội suy nhằm loại bỏ việc xấp xỉ đường dụng cụ phức tạp chuỗi đoạn thẳng Hiện nhiều nhà nghiên cứu giới tập trung phát triển thuật toán nhằm tổng hợp chuyển động dụng cụ theo biên dạng tự Các thuật toán tổng quát phức tạp nhiều so với thuật toán nội suy tuyến tính nội suy cung trịn Các biên dạng tự thường mơ tả phương trình tham số, Bezier, B-spline, NURBS, Mỗi phương trình tham số biểu diễn hình dạng khác thơng qua tập hợp thơng số hình học, bậc, điểm điều khiển, trọng số, tham số nút, Các thuật toán nội suy biên dạng tự cần phải xử lý trực tiếp thơng số hình học phương trình tham số để tính tốn theo thời gian thực giá trị đặt cho vòng điều khiển vị trí trục máy Đây thuật tốn nội suy tiên tiến, mang tới khả cho hệ điều khiển số, giúp nâng cao suất chất lượng bề mặt chi tiết Hiện nay, công nghệ CAD/CAM/CNC ứng dụng rộng rãi sản xuất nước ta Do hiệu mà công nghệ mang lại nên vấn đề thuộc lĩnh vực CAD/CAM/CNC quan tâm theo dõi Tuy nhiên, nghiên cứu nước thuộc lĩnh vực tương đối Đặc biệt, nghiên cứu chất thuật toán bên hệ thống điều khiển số khơng có cơng bố Chính thế, NCS thấy việc nghiên cứu phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự hệ thống CNC vừa có tính khoa học vừa có tính thực tiễn cao, làm phong phú thêm nghiên cứu nước, cập nhật theo xu hướng nghiên cứu giới lĩnh vực công nghệ điều khiển số Được đồng ý giáo viên hướng dẫn, NCS lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự tạo hình bề mặt chi tiết gia cơng máy cơng cụ CNC trục” Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự nhằm đáp ứng yêu cầu ngày cao suất chất lượng gia cơng tạo hình bề mặt chi tiết phức tạp máy công cụ CNC Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu Luận án nghiên cứu phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự tạo hình bề mặt chi tiết gia công máy công cụ CNC Các biên dạng tự thường mơ tả phương trình tham số, Bezier, B-spline, NURBS, Trong đó, phương trình tham số NURBS tổng quát nhất, phương trình Bezier hay B-spline xem trường hợp đặc biệt NURBS Trong luận án, phương trình tham số NURBS lựa chọn làm công cụ biểu diễn biên dạng tự Như vậy, đối tượng nghiên cứu luận án xác định phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự NURBS, hay phương pháp nội suy NURBS hệ thống điều khiển số Phạm vi nghiên cứu giới hạn hệ thống CNC trục, với dụng cụ cắt không thay đổi hướng di chuyển quỹ đạo Do đó, thuật tốn nội suy theo thời gian thực có nhiệm vụ tính tốn vị trí dụng cụ khơng gian tọa độ Đề-các, vị trí chuyển đổi cách tự nhiên thành vị trí trục thành phần X, Y, Z máy công cụ không gian khớp mà khơng cần giải tốn động học ngược Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết với mô kiểm chứng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu thực nghiệm hệ thống thiết bị phần mềm cụ thể Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học - - - Đã phát triển phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự biểu diễn phương trình tham số NURBS (gọi ngắn gọn biên dạng tự NURBS, biên dạng NURBS) Đã đặt giải vấn đề quan trọng thực chuyển động tạo hình theo biên dạng tự NURBS, là: vấn đề giới hạn sai số nội suy vấn đề điều khiển tốc độ tiến dao giới hạn máy công cụ gia tốc tiếp tuyến gia tốc hướng tâm Các nội dung nghiên cứu luận án góp phần làm phong phú sâu sắc thêm kiến thức chuyên ngành lĩnh vực điều khiển số máy công cụ Ý nghĩa thực tiễn - - Phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự NURBS có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao suất chất lượng gia cơng tạo hình bề mặt chi tiết phức tạp máy công cụ CNC Do kết nghiên cứu luận án mang ý nghĩa thực tiễn, có nhiều tiềm ứng dụng công nghiệp sản xuất tự động hóa Ngồi ra, luận án nghiên cứu hệ điều khiển số có kiến trúc mở (OAC - Open Architecture Controller) dựa tảng mở để cài đặt thử nghiệm thuật toán nội suy Kết phát triển phần mềm điều khiển số kiểu PC-based với khả nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực Phần mềm hoạt động tảng máy tính PC tích hợp với hệ truyền động servo thông dụng để tạo thành hệ thống điều khiển CNC hoàn chỉnh Những kết đạt đóng góp luận án Những kết đóng góp luận án sau: - - - - - Đã nghiên cứu nguyên lý phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự NURBS nêu lên ưu điểm trội phương pháp việc nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết suất gia công, đặc biệt gia công với tốc độ tiến dao lớn Đã đề xuất phương pháp điều khiển tốc độ tiến dao thực chuyển động nội suy theo biên dạng tự NURBS Phương pháp đề xuất bao gồm hai bước: bước tiền xử lý đường NURBS (offline) bước tính tốc độ tiến dao theo thời gian thực (online) Với phương pháp đề xuất, sai số nội suy đảm bảo nằm giới hạn cho phép, đồng thời tốc độ tiến dao chuyển động nội suy tự động điều chỉnh, phù hợp với giới hạn động học máy công cụ (về gia tốc tiếp tuyến gia tốc hướng tâm) Đã phát triển phần mềm nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực dựa hệ điều khiển số có kiến trúc mở Phần mềm hoạt động tảng máy tính PC (PC-based controller) tích hợp với hệ truyền động servo thông dụng để tạo thành hệ thống điều khiển CNC hoàn chỉnh Đã xây dựng hệ thống thiết bị để phục vụ cho thử nghiệm thực tế phương pháp nội suy NURBS Hệ thống thiết bị gồm có máy phay CNC mini trục NOVAMILL với phần điện phần điều khiển số thiết kế lại hoàn toàn theo hướng sử dụng máy tính PC làm điều khiển trung tâm (PC-based) Đã gia công thử nghiệm số biên dạng phức tạp theo phương pháp nội suy NURBS, dựa hệ thống thiết bị xây dựng luận án Các kết ghi nhận trình gia công thực tế làm sáng rõ thêm ưu điểm phương pháp nội suy NURBS Bố cục luận án Sau phần Mở đầu với mục theo quy định, nội dung nghiên cứu luận án trình bày chương sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Phương pháp biểu diễn đường mặt hệ CAD/CAM sử dụng phương trình tham số NURBS Chương 3: Xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự NURBS Chương 4: Nghiên cứu phát triển phần mềm nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực dựa hệ điều khiển có kiến trúc mở Phần cuối Kết luận Kiến nghị tổng kết kết nghiên cứu đề tài đề xuất số hướng nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Khái quát hệ thống điều khiển số CNC phương pháp nội suy NURBS 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp nội suy đường NURBS theo thời gian thực hệ thống điều khiển số CNC Tổng quan tình hình nghiên cứu nước Nhìn chung, đánh giá nghiên cứu nước đề cập tới nhiều khía cạnh khác việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC, ứng dụng chức nội suy NURBS Nhưng chưa có nhiều kết nghiên cứu cơng bố liên quan tới thuật toán để thực chức nội suy NURBS, thuật toán tiên tiến khác bên hệ thống điều khiển số CNC Tổng quan tình hình nghiên cứu giới Các nghiên cứu phương pháp nội suy đường NURBS theo thời gian thực tập trung giải vấn đề khó khăn nằm hai khía cạnh chính, tính tham số u điều khiển tốc độ tiến dao Vấn đề tính tọa độ điểm nội suy từ giá trị tham số u hầu hết nghiên cứu dựa thuật toán DeBoor, ưu điểm tính ổn định hiệu tốt thuật toán Để dễ đưa định hướng nghiên cứu cho luận án, NCS đề xuất chia phương pháp cơng bố thành hai nhóm: nhóm phương pháp nhóm phương pháp tiên tiến Trong đó, tiêu chí để xem phương pháp thuộc nhóm tiên tiến phải xét tới yêu cầu điều khiển tốc độ tiến dao, giới hạn sai số nội suy đảm bảo điều kiện động học máy (chẳng hạn, gia tốc tiếp tuyến gia tốc hướng tâm bị giới hạn, …) Nhóm phương pháp tiên tiến có mức độ phức tạp cao so với nhóm phương pháp bản, nhiên vấn đề đặt giải toàn diện hơn, gần với thực tiễn Hai xu hướng việc điều khiển tốc độ tiến dao nhóm phương pháp tiên tiến sử dụng bước tiền xử lý để phân tích trước biên dạng tự NURBS sử dụng kỹ thuật lookahead Các xu hướng cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng Kết luận chương Từ kết phân tích đánh giá tổng quan trình bày chương này, NCS đến số kết luận sau: - - Phương pháp nội suy NURBS có nhiều ưu điểm so với phương pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ Đồng thời, phương pháp nội suy NURBS phương pháp tiên tiến, thu hút quan tâm giới nghiên cứu học thuật hãng cơng nghệ Nhìn chung đánh giá phương pháp nội suy NURBS cơng bố, phương pháp có ưu điểm, nhược điểm cần phải - cải tiến Hơn nữa, công bố cô đọng không đề cập nhiều đến chi tiết việc thực thuật toán nội suy NURBS hệ thống cụ thể Các hệ thống thử nghiệm thuật tốn nội suy NURBS cơng bố thường hệ DSP thiết kế chuyên biệt cho mục đích thử nghiệm thuật tốn, mà chưa xem xét tới vấn đề tích hợp thuật tốn hệ điều khiển số với đầy đủ tính Điều khiến cho kết nghiên cứu cịn có khó khăn đưa vào ứng dụng Các vấn đề cịn tồn chủ yếu thuộc nhóm phương pháp tiên tiến, địi hỏi việc thực thuật toán nội suy phải đặt song song với giải pháp điều khiển tốc độ tiến dao thích hợp Nội dung luận án nhằm giải vấn đề cụ thể sau đây: Nghiên cứu đề xuất phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự NURBS với yêu cầu: - - - Giới hạn sai số nội suy; Giới hạn gia tốc tiếp tuyến gia tốc hướng tâm, để phù hợp với khả hệ truyền động trục máy; Có giải pháp để tự động điều chỉnh tốc độ tiến dao theo thời gian thực toàn chiều dài đường NURBS, từ điểm đầu tới điểm cuối Có giải pháp thực biểu đồ tốc độ tiến dao “mềm”, tức có khoảng thời gian tăng tốc đầu đường NURBS, khoảng thời gian giảm tốc cuối đường NURBS Phát triển cài đặt thuật toán nội suy biên dạng tự NURBS hệ thống thiết bị phần mềm cụ thể Hướng tiếp cận vấn đề nghiên cứu tìm giải pháp tích hợp thuật tốn dựa hệ thống điều khiển số có kiến trúc mở uk 1 uk V 2T C(uk ), C(uk ) VkT AkT k C(uk ) C(uk ) C(uk ) (3.4) Nếu bỏ qua thành phần bậc cao từ bậc trở lên, ta có cơng thức xấp xỉ Taylor bậc đơn giản sau: Vk T uk 1 uk (3.5) C(uk ) Hình 3.1: Nguyên lý nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực Các cơng thức (3.4) (3.5) có dạng truy hồi sử dụng để cập nhật giá trị tham số u sau chu kỳ nội suy Từ giá trị uk 1 ta tính tọa độ điểm nội suy mới, C(uk 1 ) Nguyên lý để nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực minh họa Hình 3.1 3.3 Đánh giá sai số nội suy Dựa phép xấp xỉ cung trịn ta có cơng thức ước lượng sai số nội suy sau: VkT V T ek k k V T k k2 k 2 k 11 (3.8) Biểu thức xấp xỉ (3.8) cho thấy sai số dây cung tỉ lệ với bình phương tốc độ tiến dao, Vk Đồng thời sai số dây cung có giá trị lớn vị trí có bán kính cong nhỏ 3.4 u cầu điều khiển tốc độ tiến dao nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực Vấn đề điều khiển tốc độ tiến dao có ý nghĩa quan trọng chất lượng thuật toán nội suy biên dạng tự NURBS Do đó, cấu trúc thuật tốn nội suy cần bổ sung thêm khâu tính tốc độ (feedrate scheduling) minh họa Hình 3.5 Hình 3.5: Cấu trúc thuật tốn nội suy biên dạng tự NURBS với khả điều khiển tốc độ tiến dao theo thời gian thực 3.5 Các điều kiện giới hạn tốc độ tiến dao chuyển động nội suy Tốc độ tiến dao Vk bị giới hạn sau: Vk Vr ,k Vr (uk ) min(Vmax , Vkchord , Vkacc ) (3.17) Tốc độ tiến dao Vk phải khơng vượt q Vr ,k Ngồi ra, thay đổi tốc độ tiến dao qua chu kỳ nội suy phải thỏa mãn điều kiện giới hạn gia tốc tiếp tuyến 12 Các vùng có bán kính cong nhỏ cr gọi vùng giới hạn tốc độ tiến dao, với cr tính sau: 2 Vmax T 4e2max Vmax cr max ; 8emax An,max (3.20) 3.6 Phương pháp điều khiển tốc độ tiến dao Phương pháp điều khiển tốc độ tiến dao dựa việc sử dụng bước tiền xử lý để xác định điểm “quan trọng” đường NURBS Sau bước tiền xử lý, điểm “quan trọng” phân chia đường NURBS thành số đoạn với tốc độ tiến dao điểm bắt đầu kết thúc, chiều dài đoạn xác định Các liệu sử dụng khâu tính tốc độ thuật tốn nội suy để điều chỉnh tốc độ tiến dao theo thời gian thực, cho đảm bảo đồng thời điều kiện ràng buộc 3.7 Phương pháp đề xuất nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực Phương pháp đề xuất luận án bao gồm hai bước chính: bước tiền xử lý bước nội suy theo thời gian thực Thơng tin có từ bước tiền xử lý sử dụng để tính tốc độ tiến dao gia tốc tiếp tuyến chu kỳ nội suy Nhờ đó, bước nội suy theo thời gian thực thực theo cấu trúc mơ tả Hình 3.5 3.8 Tính chiều dài đường NURBS 3.9 Kết mơ Thuật tốn nội suy theo thời gian thực biên dạng tự NURBS mô với biên dạng khác nhau: (1) biên dạng chữ alpha; (2) biên dạng phức tạp hình cánh bướm (3) biên dạng đường trịn bán kính 25 mm Các kết mô cho thấy phương pháp đề xuất đảm bảo điều kiện giới hạn sai số nội suy, gia tốc tiếp tuyến gia tốc hướng tâm 13 14 Kết luận chương Chương trình bày có hệ thống phương pháp nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực Phương pháp đề xuất giải đồng thời vấn đề: giới hạn sai số nội suy, giới hạn gia tốc tiếp tuyến, gia tốc hướng tâm Để giải đồng thời vấn đề nêu trên, phương pháp đề xuất sử dụng bước tiền xử lý để phát vị trí “quan trọng” biên dạng NURBS tính trước tốc độ tiến dao giới hạn vị trí Các điểm “quan trọng” chia biên dạng NURBS thành số phân đoạn, với tốc độ tiến dao bắt đầu kết thúc đoạn xác định Sau bước tiền xử lý, bước nội suy thực theo thời gian thực với tính tốn chu kỳ gồm có: tính tốc độ gia tốc, tính tham số u tính tọa độ điểm nội suy Trong đó, khâu tính tốc độ gia tốc sử dụng thông tin từ bước tiền xử lý để kịp thời điều chỉnh tốc độ tiến dao phân đoạn Kết mô phần mềm Matlab với số biên dạng NURBS khác cho phép kết luận phương pháp đề xuất thành cơng việc tính tốn tọa độ điểm nội suy theo thời gian thực, đồng thời đảm bảo điều kiện ràng buộc đặt CHƯƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM NỘI SUY BIÊN DẠNG TỰ DO NURBS THEO THỜI GIAN THỰC DỰA TRÊN HỆ ĐIỀU KHIỂN CÓ KIẾN TRÚC MỞ 4.1 Giới thiệu hệ điều khiển có kiến trúc mở (OAC - Open Architecture Controller) 4.2 Hệ điều khiển số có kiến trúc mở - LinuxCNC 4.3 Phát triển phần mềm nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực Trong nghiên cứu mình, NCS lựa chọn phần mềm LinuxCNC làm tảng để từ phát triển thử nghiệm 15 thuật toán nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực NCS tiến hành chỉnh sửa mã nguồn để đưa tính nội suy NURBS vào phần mềm LinuxCNC Các phần chỉnh sửa mã nguồn tập trung hai module EMCTASK (sử dụng ngơn ngữ lập trình C++) EMCMOT (sử dụng ngơn ngữ lập trình C) Trong đó, việc chỉnh sửa mã nguồn module EMCTASK nhằm mục đích sau: - - Đưa vào chức dịch mã lệnh G6.2 theo cú pháp tương tự hệ điều khiển Fanuc cho dịch mã G-code; Tiền xử lý đường NURBS; Mã hóa liệu đường NURBS cấu trúc liệu thích hợp để gửi tới module EMCMOT thông qua nhớ đệm dùng chung Mở rộng khả xem trước đường dụng cụ (G-code preview) phần mềm LinuxCNC để xem trước biên dạng đường NURBS mô tả lệnh G6.2 Việc chỉnh sửa mã nguồn module EMCMOT nhằm mục đích sau đây: - Xây dựng cấu trúc liệu phục vụ việc biểu diễn liệu hình học đường NURBS; Xây dựng hàm thực thuật toán xử lý đường NURBS; Chỉnh sửa mã nguồn số hàm bên module EMCMOT để thực trình nội suy biên dạng đường NURBS theo thời gian thực Kết phát triển phần mềm điều khiển số kiểu PC-based với đầy đủ tính thơng dụng, đồng thời có thêm khả nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực 4.4 Giao diện CAD/CAM cho phần mềm nội suy NURBS 4.5 Kết thử nghiệm phần mềm nội suy NURBS 16 Hệ thống thiết bị sử dụng để thử nghiệm phần mềm nội suy NURBS Hình 4.9 Hình 4.9: Hệ thống thiết bị sử dụng để thử nghiệm thuật toán nội suy NURBS 4.5.1 Thử nghiệm 1: Gia công biên dạng phức tạp biểu diễn đường NURBS Một số kết so sánh đánh giá a) So sánh kích thước chương trình 17 Chương trình gia cơng biên dạng hình cánh bướm theo định dạng NURBS gồm có 64 dịng lệnh Để so sánh, NCS sử dụng phần mềm RhinoCAM để xuất file G-code theo phương pháp xấp xỉ Với sai số cho phép (tolerance) 0.01 (mm) chương trình NC tạo gồm có 414 dịng lệnh Nếu sai số cho phép giảm xuống thành 0.001 (mm) kích thước chương trình NC lớn nhiều, gồm có 1330 dịng lệnh Như vậy, ta thấy ưu điểm phương pháp nội suy NURBS việc giảm kích thước file G-code nhỏ nhiều so với file G-code phần mềm CAM tạo theo phương pháp xấp xỉ b) So sánh chuyển động tạo hình hai phương pháp: nội suy NURBS nội suy tuyến tính xấp xỉ Nhằm mục đích so sánh, chuyển động tạo hình theo biên dạng hình cánh bướm thực theo hai phương pháp: phương pháp nội suy NURBS phương pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ Tọa độ điểm nội suy phần mềm tính tốn lưu file text Nhờ đó, kết thúc chương trình gia cơng ta phân tích liệu file text để so sánh chuyển động tạo hình hai phương pháp Trên Hình 4.14 hình ảnh tái tạo lại chuyển động nội suy hai phương pháp, có cách nối liền tọa độ đọc từ file text Các điểm nội suy phương pháp nội suy NURBS nối đường màu xanh, điểm nội suy phương pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ nối đường màu đỏ Trên Hình 4.14(a) ta thấy đường màu xanh màu đỏ trùng lên nhau, khơng phân biệt Nhưng phóng to ta thu hình ảnh Hình 4.14(b) Quan sát hình ảnh phóng to Hình 4.14(b) ta có nhận xét chuyển động tạo hình phương pháp nội suy NURBS diễn trơn so với phương pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ Các đoạn thẳng màu đỏ Hình 4.14(b) đoạn thẳng tính offline phần mềm RhinoCAM 18 Trên Hình 4.15 biểu diễn tốc độ tiến dao trung bình chu kỳ tính dựa liệu tọa độ điểm nội suy Ta thấy rằng, tốc độ tiến dao phương pháp nội suy NURBS giữ tương đối ổn định tốc độ lập trình, tốc độ 19 tiến dao phương pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ thay đổi liên tục chế điều khiển tăng tốc, giảm tốc đoạn thẳng xấp xỉ Vì thế, tốc độ tiến dao trung bình phương pháp nội suy tuyến tính nhỏ tốc độ tiến dao trung bình phương pháp nội suy NURBS, dẫn tới thời gian gia công theo phương pháp nội suy tuyến tính dài 4.5.2 Thử nghiệm 2: Gia công biên dạng phức tạp biểu diễn nhiều đường NURBS 4.5.3 Thử nghiệm 3: Gia công biên dạng đường thân khai Kết luận chương Nội dung chương nghiên cứu hệ thống điều khiển số có kiến trúc mở nói chung, phần mềm điều khiển số LinuxCNC nói riêng Phần mềm LinuxCNC có đặc điểm quan trọng phần mềm nguồn mở, bên cạnh việc phần mềm 20 có kiến trúc mở Luận án sử dụng phần mềm LinuxCNC phát triển thêm chức nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực Kết tạo phần mềm điều khiển số với đầy đủ tính thơng dụng, đồng thời có thêm chức nội suy NURBS KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết nghiên cứu luận án cho phép tới kết luận sau đây: Phương pháp nội suy NURBS có ưu điểm tạo chuyển động trơn hơn, với tốc độ tiến dao ổn định gần với tốc độ yêu cầu chương trình NC so với phương pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ, nhờ cải thiện suất chất lượng bề mặt chi tiết Hơn nữa, tính chất tổng quát khả biểu diễn mạnh phương trình tham số NURBS, nên phương pháp nội suy NURBS có khả đáp ứng tốt đòi hỏi đường dụng cụ phức tạp gia cơng tạo hình bề mặt tự Luận án phân tích làm rõ yêu cầu phải điều khiển tốc độ tiến dao thực chuyển động nội suy theo biên dạng tự NURBS, điều kiện ràng buộc khó khăn điều khiển tốc độ tiến dao Từ đề xuất phương pháp nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực đảm bảo đồng thời điều kiện sai số nội suy gia tốc tiếp tuyến, gia tốc hướng tâm, giải yêu cầu điều khiển tăng tốc/giảm tốc đoạn đầu cuối đường NURBS (thực biểu đồ tốc độ tiến dao “mềm”) Phương pháp đề xuất luận án bao gồm hai bước: bước tiền xử lý đường NURBS (offline) bước nội suy theo thời gian thực (online) Trong bước tiền xử lý, đường NURBS phân tích từ điểm đầu tới điểm cuối để xác định điểm “quan trọng” Các điểm chia đường NURBS thành phân đoạn, với tốc độ tiến dao điểm đầu điểm cuối 21 phân đoạn xác định Nhờ biết trước thông tin điểm “quan trọng” nên thuật toán nội suy theo thời gian thực dẫn dắt tốc độ tiến dao cách thích hợp phân đoạn Các kết mơ phần mềm Matlab chứng minh phương pháp đề xuất đảm bảo điều kiện đặt sai số nội suy, gia tốc tiếp tuyến gia tốc hướng tâm, trường hợp biên dạng tự có biểu đồ độ cong phức tạp biên dạng hình cánh bướm (mục 3.9.2) Khái niệm điểm “quan trọng” đề xuất luận án Như làm rõ Chương 3, điểm “quan trọng” không trùng với điểm mà độ cong có giá trị lớn cục Dựa tảng hệ thống mở LinuxCNC, luận án phát triển phần mềm điều khiển số kiểu PC-based với đầy đủ tính thơng dụng, đồng thời có thêm khả nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực Các tính xử lý biên dạng tự NURBS phần mềm tóm tắt sau: - - - Dịch mã lệnh G6.2 theo cú pháp tương tự hệ điều khiển Fanuc để tập hợp đầy đủ thơng số hình học đường NURBS (bậc, điểm điều khiển, trọng số tham số nút) lưu cấu trúc liệu thích hợp; Cho phép hiển thị trước biên dạng đường NURBS giao diện AXIS phần mềm LinuxCNC (tính toolpath preview); Tiền xử lý nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực Việc lựa chọn tảng mở để nghiên cứu phát triển tính nội suy NURBS điểm luận án, nghiên cứu khác thường sử dụng hệ DSP thiết kế chuyên biệt cho mục đích thử nghiệm thuật toán nội suy NURBS, nên chưa xem xét tới vấn đề tích hợp thuật tốn hệ điều khiển số hoàn chỉnh Kết phát triển phần mềm luận án 22 chứng minh khả ứng dụng thực tế phương pháp nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực Luận án xây dựng hệ thống thiết bị để phục vụ cho thử nghiệm thực tế phương pháp nội suy NURBS Hệ thống thiết bị gồm có máy phay CNC mini trục NOVAMILL với phần điện phần thiết bị điều khiển số thiết kế lại hoàn toàn theo hướng sử dụng máy tính PC làm điều khiển trung tâm (PC-based) Đã gia công thử nghiệm số biên dạng phức tạp theo phương pháp nội suy NURBS, dựa hệ thống thiết bị luận án xây dựng Các kết ghi nhận trình gia công thực tế làm rõ thêm ưu điểm phương pháp nội suy NURBS Cụ thể, làm rõ ưu điểm sau phương pháp nội suy NURBS so với phương pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ: - - - Kích thước chương trình gia công NC áp dụng phương pháp nội suy NURBS nhỏ nhiều so với áp dụng phương pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ (sử dụng phần mềm CAM, cụ thể phần mềm RhinoCAM) Khi yêu cầu sai số cho phép khắt khe kích thước chương trình gia cơng NC phần mềm CAM tạo theo phương pháp xấp xỉ tăng lên nhanh chóng, kích thước chương trình gia công NC theo phương pháp nội suy NURBS không thay đổi Chuyển động tạo hình phương pháp nội suy NURBS diễn trơn so với phương pháp nội suy tuyến tính xấp xỉ Tốc độ tiến dao trung bình phương pháp nội suy tuyến tính nhỏ tốc độ tiến dao trung bình phương pháp nội suy NURBS, dẫn tới thời gian gia công theo phương pháp nội suy tuyến tính dài Cụ thể, trường hợp gia cơng thử nghiệm biên dạng hình cánh bướm (Thử nghiệm 1), tốc độ tiến dao trung bình phương pháp nội suy 23 tuyến tính nhỏ khoảng 32% so với phương pháp nội suy NURBS Kết thực Thử nghiệm cho thấy phương pháp nội suy NURBS giải pháp hiệu để gia công biên dạng phức tạp ngành Cơ khí, biên dạng đường thân khai, đường Acsimét, đường Cycloid, … biên dạng cam đa dạng, phục vụ cho nhiều mục đích khác KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Vấn đề nội suy biên dạng tự NURBS theo thời gian thực hệ thống điều khiển số vấn đề phức tạp, cần phải tiếp tục nghiên cứu nhằm hoàn thiện phương pháp thuật tốn cơng bố Từ nội dung nghiên cứu luận án, NCS xin đề xuất số hướng nghiên cứu sau: - - - Cần nghiên cứu kỹ lưỡng giới hạn động học máy công cụ giải pháp đảm bảo giới hạn thuật toán nội suy NURBS Chẳng hạn, cần nghiên cứu ảnh hưởng đạo hàm gia tốc (jerk) thực chuyển động nội suy theo biên dạng NURBS, … Cần có thêm thử nghiệm để làm bật ưu điểm phương pháp nội suy NURBS, đặc biệt gia cơng với tốc độ tiến dao lớn Cần có nghiên cứu nhằm đánh giá khả ổn định thuật tốn nội suy NURBS Ngồi ra, cần có thêm nghiên cứu thuật toán sinh đường dụng cụ theo định dạng NURBS, thuật toán để hậu xử lý (post-processing) chương trình gia cơng phần mềm CAM thông dụng để tạo chương trình gia cơng sử dụng định dạng NURBS 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Bành Tiến Long, Nguyễn Hữu Quang (2016) Phương pháp nội suy đường cong NURBS theo thời gian thực hệ thống điều khiển số CNC Tạp chí Khoa học cơng nghệ trường đại học kỹ thuật, số 114, trang 48-53 Nguyễn Hữu Quang, Bành Tiến Long (2016) Phương pháp nội suy NURBS kết hợp chức điều khiển tăng tốc, giảm tốc hệ thống CNC Kỷ yếu Hội nghị Khoa học cơng nghệ tồn quốc Cơ khí - Động lực 2016, tập 2, trang 108-113 Nguyễn Hữu Quang, Bành Tiến Long (2016) Một phương pháp giới hạn sai số biên dạng nội suy đường NURBS theo thời gian thực hệ thống điều khiển số CNC Hội thảo quốc gia Khoa học, Công nghệ & Vật liệu tiên tiến ứng dụng (STAM2016), tháng 12/2016 Nguyễn Hữu Quang, Bành Tiến Long, Phạm Văn Đông (2017) Phát triển chức nội suy đường NURBS theo thời gian thực dựa hệ điều khiển CNC kiểu PC-based Tạp chí Khoa học cơng nghệ trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, số 38, trang 239-243 Nguyễn Hữu Quang, Bành Tiến Long (2017) Nghiên cứu phát triển thuật toán nội suy đường NURBS theo thời gian thực hệ thống CNC trục Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 1-2 năm 2017, trang 13-16 Nguyen Huu Quang, Banh Tien Long (2017) A method of real-time NURBS interpolation with confined chord error for CNC systems Tạp chí Khoa học cơng nghệ - Viện Hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam, 55 (5), 650-657 Ghi : NCS xếp danh mục cơng trình cơng bố theo thứ tự năm xuất từ trước đến sau, sau tên tác giả năm cơng bố đến tên cơng trình (các cơng trình cơng nhận theo quy định, liên quan trực tiếp đến luận án, tính ... tạp máy công cụ CNC Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu Luận án nghiên cứu phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự tạo hình bề mặt chi tiết gia cơng máy công cụ CNC Các biên dạng. .. công máy công cụ CNC trục? ?? Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự nhằm đáp ứng yêu cầu ngày cao suất chất lượng gia công tạo hình bề mặt chi tiết. .. vực công nghệ điều khiển số Được đồng ý giáo viên hướng dẫn, NCS lựa chọn đề tài luận án: ? ?Nghiên cứu xây dựng phương pháp nội suy theo thời gian thực biên dạng tự tạo hình bề mặt chi tiết gia công