Xem mẫu
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các số liệu và kết quả
nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình
nghiên cứu nào khác.
Người hướng dẫn khoa học
Nghiên cứu sinh
GS. TSKH. Bành Tiến Long
Nguyễn Hữu Quang
i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS. TSKH. NGND. Bành Tiến Long,
người Thầy đã hết lòng hướng dẫn và động viên tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp, Viện Cơ khí,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành
luận án này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người đã luôn luôn giúp đỡ
và ủng hộ tôi.
Hà nội, ngày …. tháng … năm 2017
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Hữu Quang
ii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................ x
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 5
1.1. Khái quát về hệ thống điều khiển số CNC và phương pháp nội suy NURBS ............... 5
Cấu trúc bộ điều khiển số CNC .............................................................................. 5
Chức năng nội suy trên máy công cụ điều khiển số CNC ...................................... 7
Gia công CNC các chi tiết với biên dạng và bề mặt tự do.................................... 10
Phương pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực (nội suy
NURBS) .............................................................................................................. 14
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo
thời gian thực trên các hệ thống điều khiển số CNC ................................................... 16
Kết luận chương 1 ............................................................................................................... 23
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TRONG
CÁC HỆ CAD/CAM SỬ DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THAM SỐ NURBS ........ 24
2.1. Đường NURBS ............................................................................................................. 24
Hàm cơ sở B-spline............................................................................................... 24
Định nghĩa đường NURBS ................................................................................... 26
Một số trường hợp đặc biệt của đường NURBS ................................................... 28
Đường NURBS và phép chiếu xuyên tâm ............................................................ 30
2.2. Thuật toán chèn nút và thuật toán DeBoor ................................................................... 31
2.3. Đạo hàm cấp một và cấp hai của đường NURBS ........................................................ 35
2.4. Một số tính chất hình học vi phân của đường NURBS ................................................ 37
2.5. Phương pháp tham số biểu diễn bề mặt trong hệ CAD/CAM ...................................... 39
Kết luận chương 2 ............................................................................................................... 41
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY THEO THỜI GIAN
THỰC CÁC BIÊN DẠNG TỰ DO NURBS......................................................... 43
3.1. Giới thiệu ...................................................................................................................... 43
iii
3.2. Nguyên lý cơ bản nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực...................... 43
3.3. Đánh giá sai số nội suy ................................................................................................. 46
3.4. Yêu cầu điều khiển tốc độ tiến dao khi nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời
gian thực ....................................................................................................................... 48
3.5. Các điều kiện giới hạn tốc độ tiến dao trong chuyển động nội suy .............................. 49
Điều kiện giới hạn sai số nội suy .......................................................................... 49
Điều kiện đảm bảo giới hạn gia tốc hướng tâm .................................................... 50
Điều kiện đảm bảo giới hạn gia tốc tiếp tuyến ..................................................... 50
Điều kiện tổng hợp giới hạn tốc độ tiến dao ......................................................... 51
Khó khăn khi điều khiển tốc độ tiến dao qua vùng giới hạn ................................ 53
3.6. Phương pháp điều khiển tốc độ tiến dao ...................................................................... 53
Những vị trí “quan trọng” trên biên dạng tự do NURBS ..................................... 54
So sánh miền ảnh hưởng của hai điểm “quan trọng” ............................................ 56
Tiền xử lý biên dạng tự do NURBS...................................................................... 57
Thuật toán tính tốc độ tiến dao theo thời gian thực .............................................. 59
3.7. Đề xuất phương pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực ............... 61
3.8. Tính chiều dài đường NURBS ..................................................................................... 62
3.9. Kết quả mô phỏng ........................................................................................................ 63
Mô phỏng nội suy biên dạng chữ alpha ................................................................ 63
Mô phỏng nội suy biên dạng NURBS phức tạp - biên dạng hình cánh bướm ..... 69
Mô phỏng nội suy biên dạng đường tròn theo phương pháp nội suy NURBS ..... 71
Kết luận chương 3 ............................................................................................................... 74
CHƯƠNG 4. 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 .............................................................................. 75
4.1. Giới thiệu về hệ điều khiển có kiến trúc mở (OAC - Open Architecture Controller)
...................................................................................................................................... 75
4.2. Hệ điều khiển số có kiến trúc mở - LinuxCNC ............................................................ 77
4.3. Phát triển phần mềm nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực ................. 80
Xây dựng các cấu trúc dữ liệu .............................................................................. 81
Xây dựng các hàm xử lý mức thấp ....................................................................... 82
Xây dựng các hàm xử lý mức cao......................................................................... 86
Mã lệnh nội suy NURBS: G6.2 ............................................................................ 87
iv
Kết quả phát triển phần mềm nội suy NURBS ..................................................... 88
4.4. Giao diện CAD/CAM cho phần mềm nội suy NURBS ............................................... 88
4.5. Kết quả thử nghiệm phần mềm nội suy NURBS.......................................................... 91
Thử nghiệm 1: Gia công biên dạng phức tạp biểu diễn bằng một đường
NURBS ................................................................................................................ 93
Thử nghiệm 2: Gia công biên dạng phức tạp biểu diễn bằng nhiều đường
NURBS ................................................................................................................ 97
Thử nghiệm 3: Gia công biên dạng đường thân khai ........................................... 99
Kết luận chương 4 ............................................................................................................. 103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............ 111
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 112
Phụ lục 1: Thông số NURBS của biên dạng hình cánh bướm. ......................................... 112
Phụ lục 2: Chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab .............................................. 113
Phụ lục 3: Chương trình xuất file NC sử dụng định dạng G6.2 để mô tả biên dạng
NURBS, được phát triển trong môi trường RhinoScript của phần mềm Rhinoceros
.................................................................................................................................... 116
Phụ lục 4: Một số cấu trúc dữ liệu và chương trình con được phát triển cho phần mềm
nội suy NURBS.......................................................................................................... 118
v
nguon tai.lieu . vn
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các số liệu và kết quả
nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình
nghiên cứu nào khác.
Người hướng dẫn khoa học
Nghiên cứu sinh
GS. TSKH. Bành Tiến Long
Nguyễn Hữu Quang
i
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS. TSKH. NGND. Bành Tiến Long,
người Thầy đã hết lòng hướng dẫn và động viên tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp, Viện Cơ khí,
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành
luận án này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người đã luôn luôn giúp đỡ
và ủng hộ tôi.
Hà nội, ngày …. tháng … năm 2017
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Hữu Quang
ii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................ x
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 5
1.1. Khái quát về hệ thống điều khiển số CNC và phương pháp nội suy NURBS ............... 5
Cấu trúc bộ điều khiển số CNC .............................................................................. 5
Chức năng nội suy trên máy công cụ điều khiển số CNC ...................................... 7
Gia công CNC các chi tiết với biên dạng và bề mặt tự do.................................... 10
Phương pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực (nội suy
NURBS) .............................................................................................................. 14
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu phương pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo
thời gian thực trên các hệ thống điều khiển số CNC ................................................... 16
Kết luận chương 1 ............................................................................................................... 23
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN ĐƯỜNG VÀ MẶT TRONG
CÁC HỆ CAD/CAM SỬ DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THAM SỐ NURBS ........ 24
2.1. Đường NURBS ............................................................................................................. 24
Hàm cơ sở B-spline............................................................................................... 24
Định nghĩa đường NURBS ................................................................................... 26
Một số trường hợp đặc biệt của đường NURBS ................................................... 28
Đường NURBS và phép chiếu xuyên tâm ............................................................ 30
2.2. Thuật toán chèn nút và thuật toán DeBoor ................................................................... 31
2.3. Đạo hàm cấp một và cấp hai của đường NURBS ........................................................ 35
2.4. Một số tính chất hình học vi phân của đường NURBS ................................................ 37
2.5. Phương pháp tham số biểu diễn bề mặt trong hệ CAD/CAM ...................................... 39
Kết luận chương 2 ............................................................................................................... 41
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP NỘI SUY THEO THỜI GIAN
THỰC CÁC BIÊN DẠNG TỰ DO NURBS......................................................... 43
3.1. Giới thiệu ...................................................................................................................... 43
iii
3.2. Nguyên lý cơ bản nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực...................... 43
3.3. Đánh giá sai số nội suy ................................................................................................. 46
3.4. Yêu cầu điều khiển tốc độ tiến dao khi nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời
gian thực ....................................................................................................................... 48
3.5. Các điều kiện giới hạn tốc độ tiến dao trong chuyển động nội suy .............................. 49
Điều kiện giới hạn sai số nội suy .......................................................................... 49
Điều kiện đảm bảo giới hạn gia tốc hướng tâm .................................................... 50
Điều kiện đảm bảo giới hạn gia tốc tiếp tuyến ..................................................... 50
Điều kiện tổng hợp giới hạn tốc độ tiến dao ......................................................... 51
Khó khăn khi điều khiển tốc độ tiến dao qua vùng giới hạn ................................ 53
3.6. Phương pháp điều khiển tốc độ tiến dao ...................................................................... 53
Những vị trí “quan trọng” trên biên dạng tự do NURBS ..................................... 54
So sánh miền ảnh hưởng của hai điểm “quan trọng” ............................................ 56
Tiền xử lý biên dạng tự do NURBS...................................................................... 57
Thuật toán tính tốc độ tiến dao theo thời gian thực .............................................. 59
3.7. Đề xuất phương pháp nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực ............... 61
3.8. Tính chiều dài đường NURBS ..................................................................................... 62
3.9. Kết quả mô phỏng ........................................................................................................ 63
Mô phỏng nội suy biên dạng chữ alpha ................................................................ 63
Mô phỏng nội suy biên dạng NURBS phức tạp - biên dạng hình cánh bướm ..... 69
Mô phỏng nội suy biên dạng đường tròn theo phương pháp nội suy NURBS ..... 71
Kết luận chương 3 ............................................................................................................... 74
CHƯƠNG 4. 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 .............................................................................. 75
4.1. Giới thiệu về hệ điều khiển có kiến trúc mở (OAC - Open Architecture Controller)
...................................................................................................................................... 75
4.2. Hệ điều khiển số có kiến trúc mở - LinuxCNC ............................................................ 77
4.3. Phát triển phần mềm nội suy biên dạng tự do NURBS theo thời gian thực ................. 80
Xây dựng các cấu trúc dữ liệu .............................................................................. 81
Xây dựng các hàm xử lý mức thấp ....................................................................... 82
Xây dựng các hàm xử lý mức cao......................................................................... 86
Mã lệnh nội suy NURBS: G6.2 ............................................................................ 87
iv
Kết quả phát triển phần mềm nội suy NURBS ..................................................... 88
4.4. Giao diện CAD/CAM cho phần mềm nội suy NURBS ............................................... 88
4.5. Kết quả thử nghiệm phần mềm nội suy NURBS.......................................................... 91
Thử nghiệm 1: Gia công biên dạng phức tạp biểu diễn bằng một đường
NURBS ................................................................................................................ 93
Thử nghiệm 2: Gia công biên dạng phức tạp biểu diễn bằng nhiều đường
NURBS ................................................................................................................ 97
Thử nghiệm 3: Gia công biên dạng đường thân khai ........................................... 99
Kết luận chương 4 ............................................................................................................. 103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............ 111
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 112
Phụ lục 1: Thông số NURBS của biên dạng hình cánh bướm. ......................................... 112
Phụ lục 2: Chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab .............................................. 113
Phụ lục 3: Chương trình xuất file NC sử dụng định dạng G6.2 để mô tả biên dạng
NURBS, được phát triển trong môi trường RhinoScript của phần mềm Rhinoceros
.................................................................................................................................... 116
Phụ lục 4: Một số cấu trúc dữ liệu và chương trình con được phát triển cho phần mềm
nội suy NURBS.......................................................................................................... 118
v