Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tính toán song song hiệu năng cao để lập trình gia công các bề mặt khuôn mẫu trên máy công cụ CNC
BKHVCN
T§HBKHN
Bé khoa häc vµ c«ng nghÖ
Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
B¸o c¸o tæng kÕt khoa häc vµ kü thuËt §Ò tµi:
Nghiªn cøu øng dông hÖ thèng tÝnh to¸n song song
hiÖu n¨ng cao ®Ó lËp tr×nh gia c«ng c¸c bÒ mÆt khu«n
mÉu trªn m¸y c«ng cô CNC
M· sè KC.05.11
GS. TSKH. Bµnh TiÕn Long
5700
21/03/2006
Hµ Néi, 11/2003
B¶n quyÒn 2003 thuéc T§HBKHN
§¬n xin sao chÐp toµn bé hoÆc tõng phÇn tµi liÖu nµy ph¶i göi ®Õn HiÖu tr−ëng
T§HBKHN, trõ tr−êng hîp sö dông víi môc ®Ých nghiªn cøu.
Bé khoa häc vµ c«ng nghÖ
Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
B¸o c¸o tæng kÕt khoa häc vµ kü thuËt §Ò tµi:
Nghiªn cøu øng dông hÖ thèng tÝnh to¸n song song
hiÖu n¨ng cao ®Ó lËp tr×nh gia c«ng c¸c bÒ mÆt khu«n
mÉu trªn m¸y c«ng cô CNC
M· sè KC.05.11
GS. TSKH. Bµnh TiÕn Long
Hµ Néi, 11/2003
B¶n th¶o viÕt xong th¸ng 10/2003
Tµi liÖu nµy ®−îc chuÈn bÞ trªn c¬ së kÕt qu¶ thùc hiÖn §Ò tµi cÊp Nhµ N−íc, m· sè
KC.05.11.
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
2. Danh s¸ch nh÷ng ng−êi thùc hiÖn ®Ò tµi
Tham gia
vµo môc
TT
Hä vµ tªn
Chñ nhiÖm ®Ò tµi
GS. TSKH. Bµnh TiÕn Long
B C¸c c¸n bé tham gia nghiªn cøu
C¬ quan c«ng t¸c
4.2.1
4.2.2
4.2.4
A
Tr−êng §HBK Hµ Néi
Phã Chñ nhiÖm uû ban KH vµ
4.2.1
4.2.2
1
TS. TrÇn ViÖt Hïng
CN Quèc héi
2
3
4
5
6
7
8
9
GS.TSKH. NguyÔn Anh TuÊn
TS. Hoµng VÜnh Sinh
Tr−êng §HBK Hµ Néi
Tr−êng §HBK Hµ Néi
Tr−êng §HBK Hµ Néi
Tr−êng §HBK Hµ Néi
Tr−êng §HBK Hµ Néi
Tr−êng §HBK Hµ Néi
C«ng ty Nhùa Hµ Néi
C«ng ty C¬ khÝ Hµ Néi
Tr−êng §HBK Hµ Néi
Ch−¬ng 1
Ch−¬ng 3
Ch−¬ng 5
Ch−¬ng 1
Ch−¬ng 4
Ch−¬ng 3
Ch−¬ng 1
Ch−¬ng 5
Ch−¬ng 2
NCS. ThS. TrÇn Xu©n Th¸i
NCS. ThS. NguyÔn ChÝ Quang
ThS. §µo B¸ Phong
NCS. ThS. NguyÔn Hång Minh
KS. NguyÔn H÷u V¹n
NguyÔn Trung HiÕu
10 KS. NguyÔn Träng H¶i
11 Prof. PhD. B. Lauwers
Tr−êng §¹i häc Katholieke
Leuven, V−¬ng Quèc BØ
Ch−¬ng 4
Trang 1
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
3. phÇn ®Çu b¸o c¸o
3.1. Bµi tãm t¾t
Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi xin tr©n träng c¸m ¬n Bé Khoa häc vµ
C«ng nghÖ ®· t¹o ®iÒu kiÖn ®Ó Tr−êng chóng t«i ®−îc thùc hiÖn §Ò tµi nµy.
B¶n b¸o c¸o nµy tr×nh bµy mét c¸ch hÖ thèng qu¸ tr×nh nghiªn cøu vµ øng dông
hÖ thèng m¸y tÝnh song song hiÖu n¨ng cao ®Ó lËp tr×nh gia c«ng c¸c bÒ mÆt khu«n
mÉu phøc t¹p trªn m¸y phay CNC 5 trôc.
NhiÖm vô ®Æt ra lµ khi gia c«ng khu«n trªn m¸y phay CNC 3 trôc hay 5 trôc lµ
cÇn ph¶i tÝnh ®−îc ®−êng dông cô hay ®−êng ch¹y dao trªn c¬ së b¶n vÏ thiÕt kÕ CAD.
Khèi l−îng c«ng viÖc tÝnh to¸n nµy lµ rÊt lín ®Æc biÖt trong tr−êng hîp cÇn gia c«ng
c¸c bé khu«n mÉu cã bÒ mÆt phøc t¹p cao. NÕu chØ sö dông mét m¸y tÝnh PC th«ng
th−êng th× thêi gian tÝnh to¸n sÏ bÞ kÐo dµi. Mét gi¶i ph¸p ®Ó kh¾c phôc vÊn ®Ò nµy lµ
sö dông siªu m¸y tÝnh. Siêu máy tính là loại máy tính có tốc độ xử lý và tính toán rất
cao nhờ sử dụng cùng một lúc nhiều bộ vi xử lý. Các siêu máy tính thông thường có
khoảng từ 4 đến 10 bộ vi xử lý. Các siêu máy tính đặc biệt có tới trên 100 bộ vi xử lý.
Một vấn đề đặt ra khi sử dụng các siêu máy tính là giá thành, một siêu máy tính đặc
biệt có thể lên tới hàng trục triệu USD.
§Ó gi¶i quyÕt bµi to¸n kinh tÕ, gi¶i ph¸p sö dông m¹ng m¸y tÝnh song song ®−îc
®−a ra. Hệ thống song song hiệu năng cao là một hệ thống các máy tính PC thông
thường cài đặt hệ điều hành Linux được kết nối thông qua mạng LAN.
Một số ưu điểm chính của hệ thống máy tính song song hiệu năng cao so với hệ
thống siêu máy tính nhiều vi xử lý là: Rẻ tiền nhờ chỉ sử dụng những máy tính thông
thường; Có tốc độ tính toán đủ nhanh để giải các bài toán lớn, phức tạp; Khả năng lập
trình dễ dàng, linh hoạt; Cung cấp đầy đủ các công cụ lập trình để cho phép người sử
dụng có thể lập trình tính toán từ xa qua Internet.
Các kết quả kiểm chứng của đề tài trong thực tế đã chứng tỏ rằng, khi sử dụng
hệ thống song song hiệu năng cao gồm 4 máy tính (nút) để tính toán đường dụng cụ
gia công các bộ khuôn, thời gian tính toán đã giảm từ 90 đến 100 lần so với khi chỉ sử
dụng một máy tính.
Trang 2
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu chÝnh cña ®Ò tµi gåm cã c¸c phÇn sau ®©y:
Ch−¬ng1: tr×nh bµy viÖc x©y dùng c¸c bé hå s¬ c«ng nghÖ: hå s¬ c«ng nghÖ
thiÕt kÕ bÒ mÆt trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao; hå s¬ c«ng nghÖ thiÕt kÕ theo
m« h×nh 3 chiÒu (bÒ mÆt Surface vµ khèi r¾n Solid) trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng
cao; hå s¬ c«ng nghÖ øng dông hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao trong tÝnh to¸n
®−êng dông cô vµ ®iÒu khiÓn m¸y c«ng cô CNC; hå s¬ c«ng nghÖ t¹o ®−êng dông cô
®Ó gia c«ng khu«n mÉu cã bÒ mÆt phøc t¹p trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao.
Ch−¬ng 2: tr×nh bµy viÖc x©y dùng th− viÖn tÝnh to¸n ®−êng dông cô trªn hÖ
thèng song song hiÖu n¨ng cao.
Ch−¬ng 3: tr×nh bµy viÖc x©y dùng c¸c phÇn mÒm: phÇn mÒm thùc hiÖn c¸c
nhiÖm vô tÝnh to¸n, ph©n chia vµ truyÒn/nhËn d÷ liÖu cho hÖ thèng m¸y tÝnh song song
hiÖu n¨ng cao; phÇn mÒm tÝnh ®−êng dông cô ch¹y trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng
cao ®Ó sinh ra ®−êng ch¹y dao ®iÒu khiÓn m¸y phay CNC 3 trôc vµ 5 trôc; phÇn mÒm
điều khiển máy phay CNC 5 trục theo phương pháp DNC (Direct Numerical Control)
trên cơ sở đo rung động phản hồi của máy.
Ch−¬ng 4: tr×nh bµy viÖc x©y dùng hÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu n¨ng cao
cã kÕt nèi víi m¸y phay CNC 5 trôc.
Ch−¬ng 5: tr×nh bµy viÖc thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o mét sè bé khu«n mÉu cã bÒ mÆt
phøc t¹p trªn m¸y phay CNC 5 trôc víi sù trî gióp cña hÖ thèng tÝnh to¸n song song
hiÖu n¨ng cao ®Ó kiÓm chøng kÕt qu¶ nghiªn cøu lý thuyÕt.
Sau 24 tháng triển khai nghiên cứu và tổ chức thực hiện, trên cơ sở những kết
quả đã đạt được, đề tài KC.05.11 xin được tự nhận xét như sau:
ꢀH−íng nghiªn cøu mµ ®Ò tµi ®· chän lµ ®óng ®¾n.
ꢀ§Ò tµi ®· ®−îc triÓn khai thùc hiÖn theo ®óng tiÕn ®é ®· ®Ò ra.
ꢀ§Ò tµi ®· hoµn thµnh c¸c môc tiªu ®· ®Ò ra theo ®óng nh− b¶n ThuyÕt minh ®Ò
tµi vµ hîp ®ång ®· ký víi Bé Khoa häc vµ C«ng nghÖ.
ꢀC¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cña ®Ò tµi cã ý nghÜa khoa häc vµ gi¸ trÞ kinh tÕ ®èi víi
§Êt n−íc.
ꢀC¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cña ®Ò tµi cã kh¶ n¨ng øng dông rÊt cao trong thùc tiÔn.
Trang 3
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
3.2. môc lôc
1. Trang nhan ®Ò........................................................................................................... i
2. Danh s¸ch nh÷ng ng−êi thùc hiÖn ®Ò tµi ................................................................1
3. PhÇn ®Çu b¸o c¸o......................................................................................................2
3.1. Bµi tãm t¾t................................................................................................................2
3.2. Môc lôc....................................................................................................................4
4. PhÇn chÝnh b¸o c¸o...................................................................................................5
4.1. Lêi më ®Çu..........................................................................................................5
4.2. Néi dung chÝnh b¸o c¸o.....................................................................................7
4.2.1. Tæng quan t×nh h×nh nghiªn cøu ngoµi n−íc vµ trong n−íc..............................7
1. Ngoµi n−íc.......................................................................................................7
2. Trong n−íc......................................................................................................10
4.2.2. Lùa chän ®èi t−îng nghiªn cøu........................................................................13
4.2.3. Nh÷ng néi dung ®· thùc hiÖn ...........................................................................17
Ch−¬ng 1. X©y dùng c¸c bé hå s¬ c«ng nghÖ ....................................................17
Ch−¬ng 2. X©y dùng th− viÖn tÝnh to¸n ®−êng dông cô trªn............................106
hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao
Ch−¬ng 3. X©y dùng c¸c phÇn mÒm.................................................................107
Ch−¬ng 4. X©y dùng hÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu n¨ng.........................125
cao cã kÕt nèi víi m¸y phay CNC 5 trôc
Ch−¬ng 5. ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o c¸c bé khu«n mÉu trªn m¸y phay....................127
CNC 5 trôc víi sù trî gióp cña hÖ thèng tÝnh to¸n song song
hiÖu n¨ng cao ®Ó kiÓm chøng kÕt qu¶ nghiªn cøu lý thuyÕt
4.2.4. Tæng qu¸t ho¸ vµ ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ thu ®−îc..................................................136
4.3. KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ .....................................................................................138
4.4. Lêi c¸m ¬n.......................................................................................................139
4.5. Tµi liÖu tham kh¶o..........................................................................................140
5. PhÇn phô lôc b¸o c¸o ............................................................................................142
5.1. Phô lôc 1: Th− viÖn tÝnh ®−êng dông cô ch¹y trªn hÖ thèng.................................
song song hiÖu n¨ng cao
5.2. Phô lôc 2: M· nguån ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm tÝnh to¸n ph©n chia.......................
vµ truyÒn/nhËn d÷ liÖu cho hÖ thèng m¸y tÝnh song song
hiÖu n¨ng cao vµ m¸y phay CNC 5 trôc
5.3. Phô lôc 3: B¶n vÏ thiÕt kÕ c¸c bé khu«n................................................................
5.4. Phô lôc 4: Hå s¬ ®o kiÓm th«ng sè h×nh häc c¸c bé khu«n ..................................
do ®Ò tµi chÕ t¹o
Trang 4
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
4. PhÇn chÝnh b¸o c¸o
4.1. lêi më ®Çu
øng dông hÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu n¨ng cao trong viÖc lËp tr×nh gia
c«ng c¸c bÒ mÆt khu«n mÉu trªn m¸y c«ng cô ®iÒu khiÓn sè (CNC) hiÖn ®ang lµ h−íng
nghiªn cøu ®−îc coi lµ mòi nhän nhê nh÷ng −u ®iÓm mµ hÖ thèng tÝnh to¸n song song
hiÖu n¨ng cao mang l¹i cho qu¸ tr×nh gia c«ng chÕ t¹o c¸c chi tiÕt c¬ khÝ. Nh÷ng chi
tiÕt tr−íc ®©y ph¶i gia c«ng trªn c¸c hÖ thèng m¸y chuyªn dông th× nay ®· cã thÓ gia
c«ng trªn hÖ thèng CNC th«ng th−êng nhê øng dông hÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu
n¨ng cao.
V× vËy Bé Khoa häc vµ C«ng nghÖ ®· giao cho Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ
Néi thùc hiÖn §Ò tµi: “Nghiªn cøu øng dông hÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu n¨ng
cao ®Ó lËp tr×nh gia c«ng c¸c bÒ mÆt khu«n mÉu trªn m¸y c«ng cô CNC”, m· sè
KC.05.11 víi nh÷ng môc tiªu c¬ b¶n sau:
- Lµm chñ c¸c m¸y c«ng cô ®iÒu khiÓn CNC, ®Æc biÖt lµ c¸c m¸y c«ng cô ®−îc
thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o t¹i ViÖt Nam. C¸c kÕt qu¶ cña ®Ò tµi còng lµ nh÷ng sè liÖu rÊt tèt
kh«ng nh÷ng nh»m gióp Ých cho c¸c nhµ s¶n xuÊt m¸y c«ng cô cã thÓ c¶i tiÕn hÖ
thèng ®iÒu khiÓn ngµy cµng tèi −u trong ®iÒu kiÖn hiÖn cã t¹i ViÖt Nam mµ cßn lµ
tµi liÖu dïng cho gi¶ng d¹y t¹i c¸c tr−êng thuéc khèi kü thuËt.
- ThiÕt lËp ®−îc nh÷ng bé hå s¬ vÒ c«ng nghÖ gia c«ng c¸c bÒ mÆt phøc t¹p trªn
m¸y CNC. Môc tiªu nµy nh»m gi¶m thêi gian thiÕt kÕ, t¨ng tÝnh c¹nh tranh s¶n
phÈm cho c¸c doanh nghiÖp cã sö dông m¸y c«ng cô CNC.
- ThiÕt lËp ®−îc c¸c th− viÖn tÝnh to¸n ®−êng dông cô, th− viÖn d÷ liÖu cña hÖ
chuyªn gia ch¹y trªn m¹ng m¸y tÝnh hiÖu n¨ng cao. ThiÕt lËp tr¹m dÞch vô tÝnh to¸n
vµ t− vÊn trªn m¹ng song song, tõ ®ã cã thÓ gióp c¸c doanh nghiÖp cã thÓ sö dông
m¸y c«ng cô CNC mét c¸ch hiÖu qu¶ nhÊt: n¨ng suÊt, chÊt l−îng n©ng cao vµ chi
phÝ thiÕt kÕ, lËp quy tr×nh c«ng nghÖ trung gian gi¶m, tèi −u ho¸ c¸c b−íc quy tr×nh
c«ng nghÖ gia c«ng vµ ®Æc biÖt lµ cã nh÷ng lêi khuyªn cña hÖ chuyªn gia nh»m
gi¶m c¸c sai sãt trong khi thiÕt kÕ vµ gia c«ng.
Trang 5
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
- Hå s¬ ®iÒu khiÓn thÝch nghi m¸y c«ng cô CNC b»ng hÖ thèng m¸y tÝnh song
song, gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n tèi −u ®a môc tiªu trong qu¸ tr×nh gia c«ng c¸c bÒ mÆt
cã h×nh d¹ng phøc t¹p (®Æc biÖt lµ ®é chÝnh x¸c qu¸ tr×nh t¹o h×nh khi gia c«ng
khu«n mÉu).
XuÊt ph¸t tõ c¸c môc tiªu ®· ®Ò ra, ®Ò tµi sÏ tËp trung nghiªn cøu vµo c¸c néi
dung cã tÝnh thùc tiÔn cao sau ®©y:
1. X©y dùng c¸c bé hå s¬ c«ng nghÖ vÒ thiÕt kÕ bÒ mÆt trªn hÖ thèng song song
hiÖu n¨ng cao; thiÕt kÕ theo m« h×nh 3 chiÒu (bÒ mÆt Surface vµ khèi r¾n Solid)
trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao; øng dông hÖ thèng song song hiÖu n¨ng
cao trong tÝnh to¸n ®−êng dông cô vµ ®iÒu khiÓn m¸y c«ng cô CNC; t¹o ®−êng
dông cô ®Ó gia c«ng khu«n mÉu cã bÒ mÆt phøc t¹p trªn hÖ thèng song song
hiÖu n¨ng cao.
2. X©y dùng th− viÖn tÝnh to¸n ®−êng dông cô trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng
cao.
3. X©y dùng c¸c phÇn mÒm thùc hiÖn c¸c nhiÖm vô tÝnh to¸n, ph©n chia vµ
truyÒn/nhËn d÷ liÖu cho hÖ thèng m¸y tÝnh song song hiÖu n¨ng cao; tÝnh ®−êng
dông cô ch¹y trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao ®Ó sinh ra ®−êng ch¹y dao
®iÒu khiÓn m¸y phay CNC 3 trôc vµ 5 trôc; điều khiển máy phay CNC 5 trục
theo phương pháp DNC (Direct Numerical Control) trên cơ sở đo rung động
phản hồi của máy.
4. X©y dùng hÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu n¨ng cao cã kÕt nèi víi m¸y phay
CNC 5 trôc.
5. ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o mét sè bé khu«n mÉu trªn m¸y phay CNC 5 trôc víi sù trî
gióp cña hÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu n¨ng cao ®Ó kiÓm chøng kÕt qu¶
nghiªn cøu lý thuyÕt.
6. §µo t¹o, chuyÓn giao c«ng nghÖ vµ triÓn khai øng dông c¸c kÕt qu¶ cña ®Ò tµi
trong c«ng nghiÖp.
Trang 6
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
4.2. néi dung chÝnh b¸o c¸o
4.2.1. Tæng quan t×nh h×nh nghiªn cøu ngoµi n−íc vµ trong n−íc
1.
Ngoµi n−íc
C¸c øng dông cña m¸y c«ng cô ®iÒu khiÓn sè ngµy cµng nhiÒu vµ nã thùc sù lµ
mét c«ng cô rÊt h÷u hiÖu ®Ó gia c«ng c¸c chi tiÕt phøc t¹p. HiÖn t¹i, c¸c ViÖn nghiªn
cøu, c¸c tr−êng §¹i häc vµ c¸c c«ng ty ë n−íc ngoµi ®ang tiÕn hµnh nghiªn cøu theo 4
h−íng sau:
• Nghiªn cøu hoµn chØnh m¸y c«ng cô ®iÒu khiÓn sè. Tõ viÖc sö dông hÖ thèng
CNC, PLC ®Õn viÖc sö dông PC-Base, tõ 2 trôc ®Õn 5 trôc cïng gia c«ng. C¸c
nghiªn cøu chñ yÕu ë h−íng nµy lµ tËp trung n©ng cao ®é chÝnh x¸c, ®é cøng v÷ng
vµ ®é tin cËy cña hÖ thèng. Nh÷ng thiÕt bÞ tiªu biÓu cã thÓ kÓ ®Õn nh− MAHO,
BridePort, Mishubishi,...
• Nghiªn cøu vµ hoµn chØnh ng«n ng÷ ®iÒu khiÓn. Thùc chÊt lµ t¹o cho m¸y c«ng
cô mét giao diÖn th©n thiÖn, linh ho¹t vµ ®Æc biÖt lµ cã kh¶ n¨ng më réng phï hîp
víi mäi nhu cÇu. HiÖn t¹i cã rÊt nhiÒu h·ng ®· ®−a ra nhiÒu ng«n ng÷ ®iÒu khiÓn rÊt
hiÖn ®¹i, dÔ häc vµ hoµn toµn lµ hÖ më (cho phÐp ng−êi sö dông cã thÓ x©m nhËp
s©u vµo hÖ thèng). Cã thÓ kÓ ®Õn hÖ ®iÒu khiÓn næi tiÕng nh− Fanuc, Heidenhein.
• Nghiªn cøu vÒ mÆt c«ng nghÖ gia c«ng trªn hÖ thèng ®iÒu khiÓn sè. H−íng
nghiªn cøu nµy hiÖn t¹i ®ang ®−îc nghiªn cøu vµ ®−îc coi lµ mòi nhän bëi v× h−íng
nµy chÝnh lµ viÖc ¸p dông c¸c nghiªn cøu vµo thùc tiÔn, ®em l¹i lîi nhuËn cho c¸c
nhµ nghiªn cøu. Nh÷ng chi tiÕt tr−íc ®©y ph¶i gia c«ng trªn c¸c hÖ thèng m¸y
chuyªn dông, cùc kú ®¾t tiÒn th× nay ®· cã thÓ gia c«ng trªn hÖ thèng CNC th«ng
th−êng, vÝ dô nh− b¸nh r¨ng c«n xo¾n, c¸c d¹ng cam ®Æc biÖt hay c¸c chi tiÕt ®Þnh
h×nh lín. Mét trong nh÷ng môc tiªu quan träng n÷a cña h−íng nghiªn cøu c«ng
nghÖ chÝnh lµ nghiªn cøu c¸c ph−¬ng ph¸p gia c«ng cao tèc, tèc ®é c¾t cã thÓ tõ vµi
tr¨m ®Õn ngµn mÐt/gi©y. Nh÷ng trung t©m nghiªn cøu næi tiÕng vÒ lÜnh vùc c«ng
nghÖ lµ viÖn KIST (Hµn quèc), tr−êng Leuven (BØ), viÖn MIT (Mü),...
• Nghiªn cøu phÇn mÒm tÝch hîp CAD/CAM. Cã thÓ kÕ ®Õn nh÷ng s¶n phÈm næi
tiÕng nh− Cimatron, UniGraphics, ProEngineer,... Nh÷ng s¶n phÈm cña h−íng nµy
Trang 7
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
lµ nh÷ng c«ng cô kh«ng thÓ thiÕu ®−îc do chóng cã tÝnh linh ho¹t, mÒm dÎo vµ ®Æc
biÖt lµ cã thÓ sinh ra m· ®iÒu khiÓn mét c¸ch nhanh chãng.
HiÖn nay, c«ng nghÖ th«ng tin ®· cã nh÷ng ph¸t triÓn nh¶y vät, c¸c hÖ thèng
tÝnh to¸n vµ ®iÒu khiÓn cã d¹ng ®a xö lý (Multi Proccessing) ®−îc ®−a vµo ¸p dông cho
m¸y c«ng cô CNC. C¸c øng dông cña m¹ng m¸y tÝnh hiÖu n¨ng cao ®· vµ ®ang b¾t ®Çu
®−îc nghiªn cøu vµ ®−a vµo khai th¸c nhê nh÷ng −u ®iÓm v−ît tréi: chi phÝ thiÕt bÞ
kh«ng cao, cã thÓ tiÕn hµnh tÝnh to¸n vµ ®iÒu khiÓn trªn m¹ng vµ ®Æc biÖt lµ kh¶ n¨ng
xö lý d÷ liÖu rÊt lín trong thêi gian ng¾n rÊt thÝch hîp cho viÖc ®iÒu khiÓn thÝch nghi.
HiÖn t¹i, trong dù ¸n hîp t¸c víi VLIR (V−¬ng quèc BØ) cña tr−êng §HBK Hµ
néi, nhãm ph¸t triÓn phÇn mÒm cho Unigraphics (thuéc hÖ tÝch hîp KATIA) cña
tr−êng §H Katholieke Leuven sÏ hîp t¸c víi §HBK Hµ néi x©y dùng mét hÖ thèng
bao gåm ph¸t triÓn phÇn mÒm vµ phßng thÝ nghiÖm tÝch hîp CAD/CAM. §©y lµ mét
thuËn lîi lín cho §HBK Hµ néi trong khi thùc hiÖn ®Ò tµi nµy.
Mét sè c«ng tr×nh cã liªn quan ®Õn ®Ò tµi:
1. SmartCAM Advanced 3D Machining V3.5, Point Control Co, USA 1993.
2. Cimatron manual & software V10, Cimatron Ltd 1999.
3. Iso-phote Based tool-path generation for machining Free-form surfaces,
CAD/CAM Labolatory, Department of Mechanical and Aerospace Engineering,
Univesity of California, Los Angeles.
4. C-Space approach to tool-path generation for die and mould machining, Byoung
K Choi, CAM Lab, IE Dept, Taejon Korea.
5. CAD/CAM theory and practice, Ibrahim Zeid, Department of Mechanical
engineering Northeatern University.
6. Computer Aided Manufactering, TIEN-CHIEN-CHANG Purdue University,
RICHARD A. WYSK Texas A & M University.
7. Computer Numerical Control, Hans B.Kief University of Mannheim .
8. Computer graphics principles and practice, James D. Foley Georgia Institute of
Technology.
Trang 8
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
9. Curves and Surfaces for Computer Aided Geometric Design, Gegald Farin,
London,USA 1990.
10.Computer Graphics and Geometric Modeling for Engineers, New York 1993.
11.Revue internationalle de CAO, Chantal Menasce, Hemes 1994.
12.Computer Numerical Control Operation and Programming, Jonh Stenerson,
New Jersey, Prentice Hall 1997.
13.Computer Integrated Manufacturing, James A.Rehg, London, Printice Hall
1994.
14.Automatic Generation of NC Cutter path from massive data point, Alan C. Lin
and Hai-Terng Liu, Computer Aided Design Vol 30, Elsevier Science 1998.
Tuy nhiªn, hÇu hÕt c¸c nghiªn cøu trªn míi chØ dõng ë mét kÕt qu¶ cô thÓ nµo
®ã mµ ch−a cã mét nghiªn cøu nh»m tæng hîp c¸c kÕt qu¶ trªn. Cã thÓ nªu ra mét sè vÝ
dô:
• VÒ mÆt c«ng nghÖ: víi c¸c c«ng nghÖ phæ biÕn ®Òu ch−a cã nh÷ng hÖ chuyªn gia
nh»m tËp hîp nh÷ng kinh nghiÖm còng nh− c¸c kÕt qu¶ ®· ®¹t ®−îc. Th«ng th−êng,
víi c¸c h·ng rÊt lín nh− BMW hay Airbus, Boeing,... hä cã nh÷ng bé hå s¬ c«ng
nghÖ rÊt tèi −u cho c¸c s¶n phÈm cña hä. Song chóng lµ nh÷ng bÝ mËt c«ng nghÖ
(know-how) kh«ng phæ biÕn.
• VÒ c¸c phÇn mÒm tÝch hîp: hiÖn t¹i chóng chØ dõng l¹i ë møc ®é cung cÊp c«ng
cô ®Ó ng−êi dïng cã thÓ thiÕt kÕ (CAD) vµ tÝnh to¸n ®−êng dông cô (CAM) mµ
ch−a cã bÊt kú mét lêi khuyªn hay h−íng dÉn viÖc chän dông cô, chÕ ®é c¾t hay
nªu lªn sù bÊt hîp lý trong kÕt cÊu chi tiÕt. Víi c¸c chi tiÕt phøc t¹p, ®Æc biÖt lµ víi
c¸c chi tiÕt ®−îc t¹o bëi thiÕt bÞ dß to¹ ®é 3 chiÒu, th× viÖc tÝnh to¸n rÊt l©u vµ ®«i
khi kh«ng ra ®−îc kÕt qu¶. Ngoµi ra, c¸c phÇn mÒm tÝch hîp kiÓu nh− ProEngineer,
KATIA (Unigraphics) hay CIMATRON ®Òu cã gi¸ rÊt cao (cì tõ 20000 ®Õn
100000 USD cho mét b¶n cµi ®Æt trªn mét m¸y tÝnh).
• HÇu hÕt c¸c m¸y c«ng cô ®iÒu khiÓn sè hiÖn nay ®Òu míi chØ dõng ë møc ®é ®iÒu
khiÓn quü ®¹o dông cô c¾t mµ ch−a cã hÖ thèng ph¶n håi ®Ó ®iÒu khiÓn thÝch nghi
víi qu¸ tr×nh gia c«ng.
Trang 9
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
2.
Trong n−íc
H−íng nghiªn cøu vÒ chÕ t¹o vµ l¾p ®Æt m¸y c«ng cô ®iÒu khiÓn sè ®−îc triÓn
khai t¹i ViÖn M¸y vµ Dông cô (IMI) tr−íc ®©y vµ t¹i C«ng ty C¬ khÝ Hµ Néi
(HAMECO) hiÖn nay víi quy m« kh¸ lín vµ ®· ®em l¹i mét hiÖu qu¶ kinh tÕ râ rÖt:
hµng lo¹t c¸c thiÕt bÞ cò kü ®· cã thÓ ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh (CNC), ®em l¹i cho c¸c
doanh nghiÖp s¶n xuÊt trong n−íc nhiÒu kh¶ n¨ng trong viÖc mua s¾m thiÕt bÞ vµ n©ng
cao chÊt l−îng s¶n phÈm cña m×nh.
Mét sè c¸c doanh nghiÖp ë Thµnh phè Hå ChÝ Minh (Tp HCM) ®· cã kh¸ nhiÒu
nghiªn cøu s©u vÒ c¸c hÖ thèng CNC, ®Æc biÖt lµ chÕ t¹o m¸y vµ söa ch÷a c¸c hÖ thèng
CNC cò. Cã thÓ kÓ ®Õn c¸c h−íng nghiªn cøu cã bµi b¶n vµ hiÖu qu¶ cña §HBK Thµnh
phè Hå ChÝ Minh, c«ng ty SINCO,... Ngoµi h−íng nghiªn cøu vÒ thiÕt bÞ m¸y mãc
trªn, c¸c h−íng nghiªn cøu cßn l¹i ®Òu ch−a ®−îc thùc sù b¾t ®Çu. Cã ch¨ng míi chØ
dõng l¹i ë mét vµi chi tiÕt c¬ khÝ nµo ®ã mµ ch−a cã bÊt kú mét nghiªn cøu toµn diÖn
nµo vÒ c¶ c«ng nghÖ vµ phÇn mÒm tÝch hîp CAD/CAM.
Theo nh÷ng kh¶o s¸t th«ng qua Së KHCN & MT Hµ Néi, hiÖn nay hÇu hÕt c¸c
doanh nghiÖp s¶n xuÊt ®Òu cã c¸c trang thiÕt bÞ CNC. Tuy nhiªn, cã thÓ nhËn thÊy c¸c
hÖ thèng trªn ®−îc sö dông ch−a hÕt c«ng suÊt lµ do c¸c nguyªn nh©n sau:
• ChÕ ®é gia c«ng ch−a hîp lý dÉn ®Õn t×nh tr¹ng l·ng phÝ vËt liÖu, dông cô c¾t.
§iÓn h×nh lµ tr×nh tr¹ng g·y dao th−êng xuyªn, c¾t lÑm hay va ®Ëp dao vµo ph«i, ...
• Ch−¬ng tr×nh gia c«ng ch−a tèi −u, ®Æc biÖt lµ gia c«ng c¸c bÒ mÆt phøc t¹p ®ßi
hái nhiÒu b−íc c«ng nghÖ. §iÒu nµy th−êng lµ do c¸c th«ng sè c«ng nghÖ (gåm ®é
chÝnh x¸c gia c«ng, h×nh d¹ng, ®Æc biÖt lµ kÝch th−íc dông cô,...) cßn ph¶i cho tr−íc
nªn phô thuéc rÊt nhiÒu vµo kinh nghiÖm cña ng−êi kü s− thiÕt kÕ vµ lËp tr×nh. Sau
khi gia c«ng xong, kh«ng thÓ ®o ®−îc sai sè, kh«ng kh¼ng ®Þnh ®−îc ®é chÝnh x¸c
cña qu¸ tr×nh c¾t gät (qu¸ tr×nh t¹o h×nh). Ngoµi ra, c¸c phÇn mÒm tÝch hîp cña
n−íc ngoµi ch−a thùc sù dµnh cho ng−êi ViÖt Nam, cho thùc tÕ s¶n xuÊt t¹i ViÖt
Nam.
• Phô thuéc nhiÒu vµo kinh nghiÖm cña ng−êi c«ng nh©n vËn hµnh. Mét thùc tÕ chØ
ra lµ hÇu hÕt c¸c ch−¬ng tr×nh CAM do phÇn mÒm CAD/CAM sinh ra ®Òu chØ lµ
t−¬ng ®èi vÒ mÆt chÕ ®é c¾t gät, cã nghÜa lµ ng−êi c«ng nh©n vËn hµnh m¸y ph¶i
Trang 10
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
®øng vµ ®iÒu chØnh (cô thÓ lµ ®iÒu chØnh tèc ®é quay trôc chÝnh, ®iÒu chØnh b−íc
dÞch dao) cho phï hîp víi ®iÒu kiÖn gia c«ng thùc tÕ.
• Ngay chÝnh b¶n th©n ng−êi kü s− thiÕt kÕ vµ lËp tr×nh còng vÉn sö dông ph−¬ng
ph¸p tÝnh to¸n theo kiÓu cò: tra chÕ ®é c¾t tõ trong c¸c cuèn vÒ chÕ ®é gia c«ng
kim lo¹i, chän dông cô theo c¶m tÝnh vµ theo kinh nghiÖm chø ch−a cã tµi liÖu nµo
lµm c¨n cø,... ®Ó ®−a vµo phÇn mÒm CAM. §iÒu nµy h¹n chÕ n¨ng suÊt lµm viÖc
cña ng−êi kü s−, gi¶m kh¶ n¨ng s¸ng t¹o cña hä bëi v× hä ph¶i mÊt thêi gian trong
viÖc tra cøu tµi liÖu, so s¸nh vµ tÝnh to¸n - mét c«ng viÖc thùc sù nhµm ch¸n.
Tõ ®ã, viÖc nghiªn cøu toµn diÖn cho vÊn ®Ò gia c«ng trªn m¸y c«ng cô CNC lµ
mét ®ßi hái bøc xóc hiÖn nay nh»m n©ng cao hiÖu qu¶ sö dông c¸c hÖ thèng CNC.
HÖ thèng tÝnh to¸n hiÖu n¨ng cao (hay cßn gäi lµ tÝnh to¸n song song) lµ mét
trong nh÷ng thµnh tùu vµ øng dông ®ang ®−îc Nhµ N−íc vµ Bé KH&CN ®¸nh gi¸ cao.
ViÖc ra ®êi hÖ thèng hiÖu n¨ng cao nµy t¹o tiÒn ®Ò thuËn lîi cho mét nghiªn cøu tæng
qu¸t kh«ng nh÷ng trong c«ng nghÖ gia c«ng trªn m¸y c«ng cô ®iÒu khiÓn sè (hÖ
chuyªn gia) mµ cßn trong viÖc ®iÒu khiÓn thÝch nghi. Cã thÓ kÓ ®Õn mét sè c¸c −u ®iÓm
v−ît tréi cña hÖ thèng tÝnh to¸n hiÖu n¨ng cao khi øng dông nã trong lÜnh vùc gia c«ng
c¬ khÝ nh− sau:
• Chi phÝ thÊp: Th«ng th−êng ®Ó cã nh÷ng hÖ thèng ®iÒu khiÓn CNC, ng−êi ta
th−êng dïng c¸c hÖ m¸y tÝnh cã nhiÒu vi xö lý (th−êng lµ tõ 2 ®Õn 4 vi xö lý). C¸c
hÖ thèng nµy bªn c¹nh viÖc chi phÝ kh¸ ®¾t tiÒn cßn kh«ng tËn dông ®−îc c¸c m¸y
tÝnh s½n cã. HÖ thèng m¹ng song song kiÓu nµy cho phÐp tËn dông c¸c m¸y tÝnh cã
cÊu h×nh kh«ng cao ®· cã ®Ó tÝnh to¸n vµ xö lý sè liÖu cã ®é phøc t¹p vµ kÝch th−íc
lín.
• Cã kh¶ n¨ng t¹o ra ®−îc c¸c dÞch vô tÝnh to¸n vµ ®iÒu khiÓn th«ng qua m¹ng
LAN hay WAN. ViÖc t¹o ra c¸c trung t©m dÞch vô theo kiÓu nµy chÝnh lµ xu thÕ
hiÖn nay cña c¸c n−íc cã ngµnh c«ng nghiÖp ph¸t triÓn: kh«ng x©y dùng nhiÒu
trung t©m c«ng nghÖ mµ chØ tËp trung x©y dùng 1 trung t©m dÞch vô cung cÊp cho
kh¸ch hµng c¸c dÞch vô tÝnh to¸n vµ ®iÒu khiÓn cã s½n ngay trªn m¹ng th«ng qua
c¸p LAN, WAN hay c¸p ®iÖn tho¹i. VÝ dô cô thÓ lµ c¸c nghiªn cøu sinh lµm ë c¸c
thµnh phè nhá cña Ph¸p ®Òu cã thÓ göi bµi to¸n cña m×nh lªn Paris ®Ó ch¹y trªn
Trang 11
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
nh÷ng hÖ thèng m¸y tÝnh song song (rÊt nhanh) cña chÝnh phñ Ph¸p vµ kÕt qu¶ sÏ
®−îc göi trë l¹i th«ng qua m¹ng WAN.
• Cã kh¶ n¨ng n©ng cÊp dÔ dµng vµ c¸c th«ng tin sÏ ®−îc tù ®éng cËp nhËt ngay ®Õn
ng−êi s¶n xuÊt th«ng qua m¹ng.
• Cã kh¶ n¨ng xö lý ®ång thêi c¸c th«ng tin bao gåm: tra cøu c«ng nghÖ, tÝnh to¸n
tèi −u, thay ®æi c¸c tham sè cña m¸y khi gia c«ng,...
Mét sè c«ng tr×nh nghiªn cøu cã liªn quan ®Õn ®Ò tµi:
1. T¹o h×nh bÒ mÆt vµ nh÷ng øng dông trong kü thuËt, GS.TSKH. Bµnh TiÕn
Long, T¹p chÝ KH&CN, 1998.
2. C«ng nghÖ CAD/CAM CIMATRON; GS.TSKH. Bµnh TiÕn Long, TS. TrÇn
V¨n NghÜa, ThS. NguyÔn ChÝ Quang, TS. Hoµng VÜnh Sinh, Nhµ xuÊt b¶n
KHKT, 1998.
3. TÝnh to¸n ®−êng dông cô khi gia c«ng c¸c bÒ mÆt phøc t¹p; GS.TSKH. Bµnh
TiÕn Long, TS. Hoµng VÜnh Sinh, T¹p chÝ KH&CN, 2001.
4. C¸c b¸o c¸o cña ®Ò tµi nh¸nh “øng dông m¹ng m¸y tÝnh hiÖu n¨ng cao trong
lÜnh vùc c¬ khÝ”, thuéc ch−¬ng tr×nh cÊp Nhµ n−íc “X©y dùng trung t©m tÝnh
to¸n hiÖu n¨ng cao”.
5. M¸y c«ng cô ®iÒu khiÓn theo ch−¬ng tr×nh sè vµ Robot c«ng nghiÖp. T¹ Duy
Liªm, Nhµ xuÊt b¶n KHKT 1998.
6. Mét sè c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cña LuËn v¨n Th¹c sü vµ TiÕn sÜ vÒ “C«ng
nghÖ gia c«ng trªn m¸y CNC” t¹i tr−êng §HBK HN tõ n¨m 1998 ®Õn 2001
7. PVM vµ øng dông trong tÝnh to¸n song song. Trung t©m tÝnh to¸n hiÖu n¨ng
cao §HBK Hµ Néi, 2000.
8. HÖ ®iÒu hµnh LINUX. Trung t©m tÝnh to¸n hiÖu n¨ng cao §HBK Hµ Néi,
2000.
HiÖn t¹i, Bé m«n Gia c«ng vËt liÖu vµ Dông cô c«ng nghiÖp ®ang cã c¸c Nghiªn
cøu sinh lµm luËn ¸n TiÕn sü t¹i mét sè tr−êng §H ë Ch©u ¢u (V−¬ng quèc BØ, CHLB
§øc) vÒ nh÷ng vÊn ®Ò cã liªn quan, bao gåm: tù ®éng ®iÒu khiÓn CNC, thiÕt kÕ ng−îc
(Reverse Engineering), Automatic select tooling, CAD/CAM/CNC.
Trang 12
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
4.2.2. Lùa chän ®èi t−îng nghiªn cøu
C¸ch tiÕp cËn, ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu vµ kü thuËt ®∙ sö dông trong qu¸ tr×nh
nghiªn cøu vµ thùc hiÖn ®Ò tµi
S¬ ®å khèi qu¸ tr×nh gia c«ng c¸c bÒ mÆt khu«n mÉu cã øng dông m¹ng m¸y
tÝnh hiÖu n¨ng cao ®−îc m« t¶ tæng quan trong h×nh 1. Vai trß cña m¹ng m¸y tÝnh song
song ë ®©y chÝnh lµ lµm 2 nhiÖm vô: ®−a ra c¸c lêi chØ dÉn cã c¨n cø trong viÖc chän
c¸c tham sè c«ng nghÖ gia c«ng (chän dông cô, chän chÕ ®é c¾t,...) vµ gi¸m s¸t qu¸
tr×nh gia c«ng. Mét kÕt qu¶ gia c«ng kh«ng tèt sÏ ®−îc hÖ thèng song song gi¸m s¸t vµ
tù tÝnh to¸n tèi −u hoÆc tra trong c¸c hå s¬ c«ng nghÖ ®· cã s½n vµ tõ ®ã ®−a ra c¸c
quyÕt ®Þnh cho c©u lÖnh tiÕp theo cña m¸y CNC sÏ ®−îc thùc hiÖn nh− thÕ nµo. Trong
s¬ ®å tæng quan, giao tiÕp gi÷a hÖ thèng tÝnh to¸n song song vµ m¸y gia c«ng CNC cã
thÓ qua cæng RS232 (ph−¬ng ph¸p DNC - Direct numerical control), m¹ng LAN, m¹ng
WAN hay m¹ng Internet. §©y chÝnh lµ ®iÓm quan träng trong ®Ò tµi nµy: t¹o dÞch vô
kü thuËt trªn m¹ng øng dông trong gia c«ng trªn m¸y CNC.
• §Ò tµi ®−îc x©y dùng trªn c¬ së bµi to¸n c«ng nghÖ (bao gåm nghiªn cøu khoa häc
vµ triÓn khai ¸p dông) khi gia c«ng c¸c bÒ mÆt cã h×nh d¹ng phøc t¹p (øng dông
trong chÕ t¹o khu«n mÉu) vµ hiÖu qu¶ trong tÝnh to¸n, ®iÒu khiÓn cña hÖ thèng tÝnh
to¸n hiÖu n¨ng cao (high performation parallel computation - HPPC).
• C¸c c«ng cô chÝnh: To¸n häc hiÖn ®¹i (®¹i sè, gi¶i tÝch sè, h×nh häc vi ph©n,
ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n), Tin häc (lËp tr×nh trªn hÖ thèng song song hiÖu
n¨ng cao hÖ ®iÒu hµnh LINUX, CSDL cña hÖ chuyªn gia, CSDL ®iÒu khiÓn thÝch
nghi, m« h×nh c¶m nhËn vµ tù häc, lý thuyÕt ®å ho¹, xö lý ¶nh vµ hiÖn thùc ¶o, lý
thuyÕt m« pháng vµ m« h×nh ho¸),...
• Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu: tæ hîp liªn ngµnh C¬ khÝ - §iÖn tö - Tin häc vµ Tù ®éng
ho¸. Lý thuyÕt thùc nghiÖm vµ c¸c ph−¬ng ph¸p tèi −u ho¸ sÏ ®−îc sö dông trong
qu¸ tr×nh thu thËp vµ xñ lý sè liÖu. C¸c tiªu chÝ ®Æt ra cho qu¸ tr×nh tèi −u gåm: ®é
chÝnh x¸c h×nh häc cña s¶n phÈm, thêi gian gia c«ng, vµ mét sè c¸c tiªu chÝ kh¸c
thÝch hîp cho tõng lo¹i s¶n phÈm cô thÓ.
• C¸c b−íc tiÕn hµnh theo quy tr×nh: Nghiªn cøu kh¶o s¸t, ph©n tÝch, thiÕt kÕ gi¶i
ph¸p, cµi ®Æt thuËt to¸n vµ tiÕn hµnh thö nghiÖm, hiÖu chØnh tham sè c«ng nghÖ,
Trang 13
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
viÕt phÇm mÒm, chÕ t¹o c¸c s¶n phÈm prototype, thiÕt lËp th− viÖn c¸c quy tr×nh
c«ng nghÖ gia c«ng trªn m¸y c«ng cô CNC vµ tiÕn hµnh chÕ t¹o c¸c s¶n phÈm thö
nghiÖm cho c¸c nhµ m¸y. So s¸nh c¸c kÕt qu¶ ®¹t ®−îc (chÊt l−îng, thêi gian) víi
c¸c s¶n phÈm t−¬ng tù gia c«ng kh«ng cã HPPC.
• §Ò tµi sÏ coi träng viÖc tËp hîp c¸c c¸ nh©n, tËp thÓ nghiªn cøu trong vµ ngoµi
n−íc, ®Æc biÖt tËn dông tèi ®a chÊt x¸m vµ kÕt qu¶ cña c«ng nghÖ míi nh»m n©ng
cao chÊt l−îng, hiÖu qu¶ vµ hoµn thµnh ®óng kÕ ho¹ch cña ®Ò tµi.
H×nh 1: S¬ ®å khèi qu¸ tr×nh gia c«ng c¸c bÒ mÆt khu«n mÉu cã øng dông m¹ng m¸y
tÝnh song song hiÖu n¨ng cao
Trang 14
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
§èi t−îng nghiªn cøu cña ®Ò tµi gåm cã c¸c phÇn sau ®©y:
1. X©y dùng c¸c bé hå s¬ c«ng nghÖ.
ꢁHå s¬ c«ng nghÖ øng dông hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao trong tÝnh to¸n
®−êng dông cô vµ ®iÒu khiÓn m¸y c«ng cô CNC.
ꢁHå s¬ c«ng nghÖ thiÕt kÕ bÒ mÆt trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao.
ꢁHå s¬ c«ng nghÖ thiÕt kÕ theo m« h×nh 3 chiÒu (bÒ mÆt Surface vµ khèi r¾n
Solid) trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao.
ꢁHå s¬ c«ng nghÖ t¹o ®−êng dông cô ®Ó gia c«ng khu«n mÉu cã bÒ mÆt phøc t¹p
trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao.
ꢁHå s¬ c«ng nghÖ t¹o mÉu nhanh (Rapid Prototyping) cho mét sè c¸c s¶n phÈm
tiªu biÓu dïng trong «-t«, xe m¸y, m¸y bay, vµ mét sè lÜnh vùc kh¸c nhê hÖ
thèng song song hiÖu n¨ng cao.
2. X©y dùng th− viÖn tÝnh to¸n ®−êng dông cô trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao.
3. X©y dùng c¸c phÇn mÒm.
ꢁPhÇn mÒm tÝnh to¸n, ph©n chia vµ truyÒn/nhËn d÷ liÖu cho hÖ thèng m¸y tÝnh
song song hiÖu n¨ng cao theo thuËt to¸n chän tr−íc.
ꢁPhÇn mÒm tÝnh ®−êng dông cô ch¹y trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao ®Ó
sinh ra ®−êng ch¹y dao ®iÒu khiÓn m¸y phay CNC 3 trôc vµ 5 trôc.
4. X©y dùng hÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu n¨ng cao cã kÕt nèi víi m¸y phay
CNC 5 trôc.
ꢁHÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu n¨ng cao gåm 1 m¸y chñ ch¹y trªn hÖ ®iÒu
hµnh WIN2000 SERVER vµ 4 m¸y kh¸ch ch¹y trªn hÖ ®iÒu hµnh LINUX.
ꢁM¸y phay CNC 5 trôc ®−îc kÕt nèi víi hÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu n¨ng
cao.
5. ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o c¸c bé khu«n mÉu trªn m¸y phay CNC 5 trôc víi sù trî gióp cña
hÖ thèng tÝnh to¸n song song hiÖu n¨ng cao ®Ó kiÓm chøng kÕt qu¶ nghiªn cøu lý
thuyÕt.
ꢁKhu«n vá ®iÖn tho¹i tæ hîp dïng trong qu©n sù.
Trang 15
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
ꢁKhu«n vá hép c«ng t¬ ®o ®Õm ®iÖn.
ꢁKhu«n c¸nh qu¹t th«ng giã.
ꢁKhu«n cèp xe « t« Ford.
ꢁKhu«n hép mü phÈm Debon (lo¹i nhá).
ꢁKhu«n hép mü phÈm Clear (lo¹i nhá).
ꢁKhu«n hép mü phÈm Dove (lo¹i to).
ꢁKhu«n vá chai n−íc Lavie.
ꢁKhu«n vßi hoa sen.
ꢁKhu«n n¾p ®Ëy xÝ bÖt.
ꢁKhu«n vá ®iÒu khiÓn Tivi Sony.
ꢁKhu«n b¸ng sóng AK-47.
6. §µo t¹o, chuyÓn giao c«ng nghÖ vµ triÓn khai øng dông c¸c kÕt qu¶ cña ®Ò tµi trong
c«ng nghiÖp.
Trang 16
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
4.2.3. Nh÷ng néi dung ®· thùc hiÖn
Ch−¬ng 1 - X©y dùng c¸c bé hå s¬ c«ng nghÖ
1.1. C«ng nghÖ øng dông hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao trong tÝnh to¸n
®−êng dông cô vµ ®iÒu khiÓn m¸y c«ng cô CNC
1.1.1. Giới thiệu tổng quan về hệ thống song song hiệu năng cao
Hệ thống song song hiệu năng cao là một hệ thống các máy tính PC thông
thường cài đặt hệ điều hành LINUX được kết nối thông qua mạng LAN với tốc độ
100Mbps.
Siêu máy tính là loại máy tính có tốc độ xử lý và tính toán rất cao nhờ sử dụng
cùng một lúc nhiều bộ vi xử lý. Các siêu máy tính thông thường có khoảng từ 4 đến 10
bộ vi xử lý. Các siêu máy tính đặc biệt có tới trên 100 bộ vi xử lý. Một vấn đề đặt ra
khi sử dụng các siêu máy tính là giá thành, một siêu máy tính đặc biệt có thể lên tới
hàng trục triệu USD.
Một số ưu điểm chính của hệ thống máy tính song song hiệu năng cao so với hệ
thống siêu máy tính nhiều vi xử lý:
- Rẻ tiền nhờ chỉ sử dụng những máy tính thông thường.
- Có tốc độ tính toán đủ nhanh để giải các bài toán lớn, phức tạp.
- Khả năng lập trình dễ dàng, linh hoạt.
- Cung cấp đầy đủ các công cụ lập trình để cho phép người sử dụng có thể lập
trình tính toán từ xa qua Internet. Đây chính là khả năng mở rộng không giới
hạn của hệ thống mạng máy tính song song hiệu năng cao.
Hệ thống song song hiệu năng cao được đưa vào nghiên cứu ở Việt Nam chỉ
mới một vài năm gần đây nhưng cũng đã có một số những ứng dụng trong thực tế.
Việc ứng dụng hệ thống máy tính song song hiệu năng cao trong tính toán đường dụng
cụ cho máy phay CNC 5 trục là một trong những ứng dụng mới và quan trọng của hệ
thống này trong lĩnh vực cơ khí.
Trang 17
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
Sơ đồ tổng quan của hệ thống song song hiệu năng cao trong việc ứng dụng gia
công các bề mặt khuôn mẫu có bề mặt phức tạp cao được thể hiện trong hình 2.
M¹ng m¸y tÝnh song
song hiÖu n¨ng cao
HPCS
S¶n phÈm
M¹ng côc bé LAN
TÝnh to¸n
®−êng dông
cô
M¸y tÝnh ®iÒu
khiÓn trung
t©m
ThiÕt kÕ
CAD
L−u tr÷ d÷ liÖu
DataStore
M¸y phay
CNC
CAM
Server
INTERNET, M¹ng
diÖn réng WAN
HÖ thèng ®o l−êng
ph¶n håi (rung ®éng)
FeedBack
M¸y tÝnh tõ xa
Remote computer
§−êng truyÒn sè liÖu ph¶n håi
§−êng truyÒn d÷ liÖu chÝnh
Hình 2: Sơ đồ tổng quan ứng dụng hệ thống song song hiệu năng cao để tính toán
đường dụng cụ gia công các bề mặt khuôn mẫu có bề mặt phức tạp
1.1.2. Các thành phần chính và chức năng của hệ thống song song hiệu năng cao
trong tính toán đường dụng cụ để gia công khuôn mẫu trên máy phay
CNC 5 trục
1. Thiết kế (CAD): mô hình bề mặt của khuôn mẫu được thiết kế trên các phần
mềm CAD khác nhau. Kết quả thu được là mô hình khuôn mẫu có độ phức tạp
rất cao.
2. Tính đường dụng cụ (CAM): Hai môdun phần mềm tính đường dụng cụ
(CAM.KC.05.11 và OnWinPC) là sản phẩm của đề tài sẽ đảm nhiệm việc tính
toán đường dụng cụ gia công trên máy phay CNC 3 trục và 5 trục bao gồm cả
gia công thô và tinh. Các bước tính toán đường dụng cụ được thực hiện trên
một máy tính đơn và trên mạng máy tính song song hiệu năng cao để so sánh
kết quả.
Trang 18
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
3. Lưu trữ dữ liệu (DataStore): toàn bộ kết quả tính toán của hai môdun phần mềm
tính đường dụng cụ (CAM.KC.05.11 và OnWinPC) được lưu trữ và quản lý
nhờ công cụ này. Kho dữ liệu này rất cần cho hệ thống mạng máy tính song
song hiệu năng cao nhằm đảm bảo việc tính toán và điều khiển máy công cụ
một cách có hiệu quả. Phần mềm tính toán, phân chia và truyền/nhận dữ liệu
cho hệ thống máy tính song song hiệu năng cao (môdun MasterDNC và môdun
SlaveDNC) cho phép tiếp nhận những dữ liệu từ các máy tính trên mạng song
song hiệu năng cao và để điều khiển các máy công cụ CNC (theo thiết kế có thể
cho phép tới 256 máy công cụ CNC khác nhau).
4. Máy tính điều khiển trung tâm (Server): máy tính này sẽ tiếp nhận và xử lý dữ
liệu truyền từ máy tính lưu trữ dữ liệu đến máy phay CNC. Ngoài ra, nó còn
được cài đặt phần mềm AX5621 để thu thập các dữ liệu phản hồi (rung động)
từ các máy phay CNC 5 trục trong quá trình gia công. Phần mềm AX5621 cũng
là kết quả nghiên cứu của đề tài KC.05.11.
5. Máy phay CNC 5 trục: hiện nay mạng máy tính song song hiệu năng cao đang
được kết nối với 01 máy phay CNC 5 trục. Trên máy CNC này được gắn một
đầu đo rung động 3 chiều của hãng Piezotronics (CHLB Đức).
1.1.3. Các bước thực hiện để tính toán đường dụng cụ và điều khiển máy phay
CNC 5 trục
1. Thiết lập mạng máy tính song song hiệu năng cao gồm một máy chủ (hay máy
tính trung tâm) chạy trên hệ điều hành Win2000 Server và 4 máy khách (nút
tính toán) chạy trên hệ điều hành LINUX.
2. Thiết lập cấu hình mạng và cấu hình các máy khách (nút tính toán) theo tiêu
chuẩn TCP/IP (giao thức truyền thông Internet).
3. Cài đặt phần mềm AutoCad 2002 cho máy chủ (máy tính trung tâm) chạy trên
hệ điều hành Win2000 Server.
4. Cài đặt phần mềm tính đường dụng cụ (môdun CAM.KC.05.11 và môdun
OnWinPC) và cài đặt phần mềm tính toán, phân chia và truyền/nhận dữ liệu cho
Trang 19
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
hệ thống máy tính song song hiệu năng cao (môdun MasterDNC và môdun
SlaveDNC) cho máy chủ (máy tính trung tâm) chạy trên hệ điều hành Win2000
Server.
5. Kết nối máy tính điều khiển với máy phay CNC 5 trục thông qua cổng truyền
thông nối tiếp RS-232 (COM1 hoặc COM2). Lắp đặt cảm biến đo rung động
của máy theo ba phương x,y,z và thực hiện kết nối cảm biến đo rung động với
máy tính điều khiển.
6. Cài đặt phần mềm AX5621 trên máy tính điều khiển để thực hiện nhiệm vụ
điều khiển máy phay CNC 5 trục theo phương pháp DNC (Direct Numerical
Control) trên cơ sở đo rung động phản hồi của máy.
7. Sử dụng môdun phần mềm CAM.KC.05.11 chạy trên máy chủ (máy tính trung
tâm) để đọc dữ liệu từ bản vẽ CAD; thực hiện tính toán đường chạy dao cơ sở
và ghi kết quả ra một File dữ liệu dạng *.dat.
8. Sử dụng môdun phần mềm OnWinPC chạy trên máy chủ (máy tính trung tâm)
để đọc File dữ liệu tính toán đường chạy dao cơ sở; tiến hành phân chia và
truyền dữ liệu này tới hệ thống tính toán song song hiệu năng cao chạy trên hệ
điều hành Linux để tiến hành tính toán đường chạy dao (thô hoặc tinh). Kết quả
tính toán được các máy tính song song gửi trả lại cho máy tính trung tâm và
được hiện thị dưới dạng các toạ độ điểm ở ngay trên bản vẽ CAD.
9. Sử dụng môdun phần mềm CAM.KC.05.11 chạy trên máy chủ (máy tính trung
tâm) để đọc dữ liệu (là toạ độ các điểm đã tính toán được từ bước 8); tiến hành
sinh mã (postprocesor) ra mã G-code cho máy phay CNC để gia công và ghi ra
thành File dưới dạng *.nc.
10.Sử dụng môdun phần mềm Slave DNC chạy trên máy chủ (máy tính trung tâm)
để gửi các File *.nc cho máy tính điều khiển.
11.Sử dụng môdun phần mềm Master DNC chạy trên máy tính điều khiển để
truyền các chương trình NC vào máy phay CNC 5 trục theo phương pháp DNC
để gia công các bộ khuôn mẫu.
Trang 20
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
Để có thể truy cập đến mạng máy tính song song hiệu năng cao của đề tài
KC.05.11, người sử dụng cần có tên, mật mã truy cập mạng và địa chỉ IP của máy chủ.
Khi đã kết nối được với mạng thì máy tính của người sử dụng sẽ trở thành một máy
tính của mạng song song hiệu năng cao và có thể tham gia vào quá trình tính toán song
song.
1.1.4. Giới thiệu phần mềm điều khiển máy phay CNC 5 trục trên cơ sở đo rung
động phản hồi của máy (AX5621)
Hình 3: Giao diện chính của phần mềm AX5621
Phương pháp đo: đặt bằng phần mềm: việc lấy mẫu được quyết định bởi phần mềm.
Tốc độ lấy mẫu theo quy định của phần mềm mặc định là 1ms cho 1 mẫu (tốc độ lấy
mẫu khoảng 1kHz).
Ưu điểm: theo dõi sát được quá trình rung động của máy (đo theo thời gian
thực) nên cho phép hệ thống giám sát và cảnh báo được các lỗi do va chạm dung cụ
với phôi.
Trang 21
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
Nhược điểm: không phân tích và theo dõi tối ưu hoá chế độ cắt vì thời gian lấy
mẫu phẩi bám sát theo quá trình gia công, CPU không đủ thời gian để xử lý với các số
liệu lớn.
Đặt ngắt sự kiện: phần mềm chỉ hoạt động khi có tín hiệu rung động vượt quá
ngưỡng cho phép. Ngưỡng này được đặt bằng phần cứng, không thay đổi được.
Ưu điểm: CPU được giải phóng để làm các việc tính toán khác
Nhược điểm: không thu thập và xử lý số liệu được
Lấy dữ liệu trực tiếp: phương pháp này được dùng để thu thập dữ liệu để phục vụ
cho việc xử lý về sau (Off Line).
Ưu điểm: tốc độ thu thập dữ liệu là lớn nhất (khoảng 130kHz) nên số liệu rung
động sẽ trung thực và không bị bỏ sót.
Nhược điểm: chỉ thích hợp với các bài toán tối ưu tĩnh.
Thang đo: thang đo là khoảng giá trị mà phần mềm có thể thu thập được. Phần mềm
này cho phép sử dụng 4 loại thang đo với các dải giá trị khác nhau -10÷10V, -5÷5V,
-2.5÷2.5V, -1.25÷1.25V. Việc chọn thang đo nào là do đầu sensor sẽ sử dụng quyết
định. Ngoài ra, việc chọn thang đo cần để ý đến nguyên tắc:
Nếu chọn thang đo lớn: khó phát hiện được các dao động nhỏ.
Nếu chọn thang đo nhỏ: các dao động lớn sẽ có trị số vượt khỏi thang đo làm
sai số liệu thu được.
Các kết quả đo: các rung động theo 3 phương x, y, z được thể hiện ở các ô “Rung
động”. Biểu đồ của các rung độ sẽ được hiện ở vùng đồ thị. Các kết quả sẽ được ghi lại
vào tệp (cứ 4096 mẫu đo sẽ được ghi vào tệp liên tục).
Trang 22
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
1.2. C«ng nghÖ thiÕt kÕ bÒ mÆt trªn hÖ thèng song song hiÖu n¨ng cao
1.2.1. Giíi thiÖu chung
BÒ mÆt ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh trong thiÕt kÕ kü thuËt vµ gia c«ng. Theo truyÒn
thèng c¸c bÒ mÆt ®−îc biÓu diÔn b»ng nhiÒu m¶nh ghÐp. Cïng víi sù gãp mÆt cña ®å
ho¹ m¸y vi tÝnh vµ sù ph¸t triÓn nhanh chãng trong lÜnh vùc ®å ho¹ m¸y tÝnh, m« h×nh
bÒ mÆt ®· mang ®Õn mét h−íng míi. M« h×nh to¸n häc b©y giê cã thÓ ®−îc t¹o lËp vµ
ph©n tÝch trªn c¬ së mèi quan hÖ gi÷a c¸c ®Æc tr−ng quan träng cña bÒ mÆt nh− lµ:
vïng trung t©m, vïng bÒ mÆt,... Tõ c¸c m« h×nh bÒ mÆt nµy, nh÷ng th«ng tin cÇn thiÕt
cho qu¸ tr×nh gia c«ng ®−îc ®−a ra. Víi sù trî gióp cña c¸c c«ng cô ®å ho¹ m¸y tÝnh,
qu¸ tr×nh thiÕt kÕ, xö lý vµ kiÓm tra ®· ®−îc ®¬n gi¶n ho¸ rÊt nhiÒu.
BiÓu diÔn tham sè ®· ®−îc sö dông cho thiÕt kÕ ®−êng cong vµ nã còng lµ c«ng
cô cho viÖc thiÕt kÕ bÒ mÆt. D¹ng tham sè cña ®−êng cong ®· ®−îc cho bëi ph−¬ng
tr×nh vÐc t¬ d¹ng:
P(t) = [ x(t) , y(t) , z(t) ]
BiÓu diÔn bÒ mÆt ®ßi hái ph¶i cã hai tham sè vµ d¹ng cña nã vÉn lµ ph−¬ng tr×nh
vÐc t¬.
P(s,t) = [ x(s,t) , y(s,t) , z(s,t) ]
§−êng cong còng cã thÓ ®−îc t×m ra tõ bÒ mÆt b»ng c¸ch gi÷ cho mét tham sè
lµ h»ng vµ thay ®æi tham sè kia. Mét chuçi c¸c ®−êng cong ®−îc t¹o ra däc theo c¸c
h−íng tham sè t vµ s b»ng c¸ch thay liªn tôc gi¸ trÞ c¸c tham sè t vµ s trong kho¶ng
[0,1]. C¸c tham sè vÒ c¸c ®−êng cong däc theo h−íng s cã thÓ lµ P(0,t), P(0,1;t),...,
P(0,9;t), P(1,t). C¸c tham sè kh¸c vÒ c¸c ®−êng cong däc theo h−íng t cã thÓ lµ P(s;0),
P(s;0,1),..., P(s;0,9), P(s;1). §Ó t¹o ra mét bÒ mÆt ®ßi hái ph¶i cã rÊt nhiÒu ®−êng cong,
®ã chÝnh lµ sù cÊu thµnh bÒ mÆt. §iÒu nµy cã thÓ ¸p dông cho c¸c bÒ mÆt cã ph−¬ng
tr×nh hoÆc c¸c bÒ mÆt tù do, vµ sÏ ®−îc xem xÐt tiÕp theo ®©y.
Trang 23
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
1.2.2. C¸c bÒ mÆt trßn xoay
Hä ®¬n gi¶n nhÊt cña c¸c bÒ mÆt ®¹t ®−îc b»ng c¸ch quay ®−êng cong ph¼ng
xung quanh mét trôc. H×nh 4 thÓ hiÖn mét h×nh trô trßn xoay ®−îc t¹o bëi viÖc quay
mét ®o¹n th¼ng song song víi trôc z quanh trôc z mét gãc 3600 (2π). C¸c d¹ng kh¸c
nhau cña bÒ mÆt ®¹t ®−îc lµ do nhiÒu ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh.
BÊt kú ®iÓm nµo trªn bÒ mÆt trßn xoay còng lµ hµm cña hai tham sè t vµ θ.
Tham sè t m« t¶ th−c thÓ ®−îc xoay vµ tham sè θ thÓ hiÖn gãc cña qu¸ tr×nh quay. VÝ
dô c¸c ®iÓm t theo h−íng cña ®o¹n th¼ng vµ θ lµ gãc cña qu¸ tr×nh quay quanh trôc z.
§iÓm n»m trªn ®o¹n th¼ng ®−îc biÓu diÔn bëi [x(t), 0 ,z(t)] vµ khi bÞ quay ®i θ radian
nã sÏ trë thµnh d¹ng sau:
P(t,θ) = [ x(t).cosθ, x(t).sinθ, z(t) ]
hoÆc ë d¹ng ma trËn:
cosθ sinθ 0 0
⎡
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
0
0
0
0
0
0
0 0
1 0
0 1
P(t,θ) = [ x(t),0 ,z(t) ].
H×nh 4: BiÓu diÔn trô trßn xoay
Trang 24
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
1.2.3. MÆt quÐt
QuÐt lµ ph−¬ng ph¸p t¹o bÒ mÆt th«ng qua sù di chuyÓn cña ®−êng th¼ng, ®o¹n
cong, ®a gi¸c,... däc theo hoÆc xung quanh mét ®−êng ®· x¸c ®Þnh. C¸c d¹ng bÒ mÆt
quÐt ®−îc sö dông rÊt nhiÒu trong m« h×nh h×nh häc vµ cã rÊt nhiÒu trong c¸c øng dông
kü thuËt. T−¬ng tù nh− c¸c d¹ng bÒ mÆt kh¸c, c¸c bÒ mÆt quÐt còng ®−îc biÓu diÔn
d−íi d¹ng ph−¬ng tr×nh tham sè:
P(s,t) = Q(t).[T(s)]
Trong ®ã:
Q(t): lµ ph−¬ng tr×nh tham sè cña ®−êng th¼ng hoÆc ®−êng cong
[T(s)]: lµ ma trËn chuyÓn ®æi quÐt dùa trªn h×nh thÓ cña ®−êng di chuyÓn
Ma trËn chuyÓn ®æi quÐt chøa ®ùng: sù di chuyÓn, tû lÖ hoÆc sù quay. Nã còng
cã thÓ chøa ®ùng sù tæ hîp cña c¸c ma trËn chuyÓn ®æi nµy.
H×nh 5: BiÓu diÔn mét sè d¹ng cña mÆt quÐt
NÕu ®−êng ®i lµ th¼ng, b¾t ®Çu t¹i gèc to¹ ®é th× nã cã thÓ ®−îc biÓu diÔn d−íi
d¹ng tham sè:
x(s) = as
y(s) = bs
z(s) = cs
§©y lµ kÕt qu¶ cña sù chuyÓn ®æi ba chiÒu nh− ®· ®Ò cËp ë phÇn tr−íc. NÕu
®−êng ®i bao hµm c¶ sù quay c¸c trôc to¹ ®é th× c¸c gãc quay dµnh riªng nªn cã trong
ma trËn chuyÓn ®æi quÐt. Khi c¸c ®a gi¸c khÐp kÝn ®−îc quay hoÆc tÞnh tiÕn ®Ó t¹o nªn
bÒ mÆt quÐt, mét trong c¸c c¸ch ®Ó x¸c ®Þnh râ rµng h×nh thÓ cuèi cïng cña bÒ mÆt lµ
Trang 25
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
®iÒu khiÓn theo h−íng cña ph¸p tuyÕn víi ®a gi¸c. Th«ng th−êng sù tiÕn l¹i gÇn lµ vÞ trÝ
ph¸p tuyÕn theo h−íng cña tiÕp tuyÕn tøc thêi víi ®−êng ®i. VÝ dô sau sÏ thÓ hiÖn ®iÒu
nµy.
VÝ dô:
T¹o ra bÒ mÆt quÐt ®¹t ®−îc b»ng c¸ch di chuyÓn h×nh tam gi¸c n»m trong mÆt
ph¼ng xy däc theo ®−êng ®i (z = 8s, y = (sin(πs)-1). C¸c ®Ønh cña tam gi¸c lµ: P1 = (-
5,0,0), P2 = (0,5,0), P3 = (5,0,0). Gi÷ cho ph¸p tuyÕn cña tam gi¸c theo h−íng víi tiÕp
tuyÕn tøc thêi cña ®−êng ®i.
Gi¶i:
Trong vÊn ®Ò nµy, ®−êng ®i ®−îc chøa ®ùng trong mÆt ph¼ng yz vµ ph¸p tuyÕn
cña bÒ mÆt ®−îc quay vÒ phÝa trôc x vµ gi÷ cho nã lu«n liªn kÕt víi tiÕp tuyÕn tøc thêi
cña ®−êng ®i.
Tr−íc hÕt gi¸ trÞ tÝnh to¸n lµ tiÕp tuyÓn tøc thêi cña ®−êng ®i. §−îc cho bëi
ph−¬ng tr×nh:
dx dy dz
ds ds ds
⎡
⎤
= [0 , π.cos(πs) , 8 ].
⎢
⎣
⎥
⎦
TiÕp theo, tÝnh gãc quay cña ph¸p tuyÕn víi trôc x ph¶i ®−îc t×m t¹i mçi chç tøc
thêi, cho nh− sau:
dy
dz
π cos(π / 4)
⎛
⎝
⎞
⎟
⎡
⎤
Φ = tan-1
= tan-1
⎜
⎢
⎣
⎥
⎦
8
⎠
Ma trËn chuyÓn ®æi tæng bao gåm sù dÞch chuyÓn däc theo ®−êng ®i (z = 8s, y =
(sin(πs)-1) vµ sù quay xung quanh trôc x bëi gãc θ lµ:
1
0
0
0
0
⎡
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
cosΦ sinΦ 0
[T(s)] =
0 −sin Φ cosΦ 0
0 sin(πs) 8s
1
T¹i vÞ trÝ däc theo ®−êng ®i mµ s = 0,25, th× gãc quay lµ:
Φ = tan-1 .y/z
Trang 26
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
π cos(π / 4)
⎡
⎤
Φ = tan-1
= 0,2708 rad
⎢
⎣
⎥
⎦
8
Φ = 15,520
Thay gi¸ trÞ nµy ( s = 0,25 vµ Φ = 15,520 ) vµo ma trËn chuyÓn ®æi quÐt:
− 5 0 0 1
1
0
0
0
0
− 5,0 − 0,293 2,0
1
⎡
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎤ ⎡
⎥ ⎢
⎥ ⎢
⎤ ⎡
⎥ ⎢
⎥ ⎢
⎥ ⎢
⎥ ⎢
⎦ ⎣
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
0
5
5 0 1
0,964 0,268 0
0
4,525 3,338 1
0
P (0,25;15,52 ) =
⎥ ⎢
0 0 1 0 − 0,268 0,964 0
5,0 − 0,293 2,0
1
⎥ ⎢
0 − 0,293 2,0
1
⎦ ⎣
QuÐt ®−êng cong tù do ®−îc lµm gièng nh− trªn. ph−¬ng tr×nh bÒ mÆt sÏ ®−îc
®Þnh nghÜa bëi:
P(s,t) =[t].[M].[V].[T(s)]
trong ®ã [T(s)] lµ biÓu diÔn sù quÐt.
1.2.4. C¸c d¹ng bÒ mÆt tù do
1.2.4.1. C¸c bÒ mÆt tham sè bËc 3
C¸c bÒ mÆt tham sè bËc ba lµ sù më réng cña ®−êng cong Hermite. BÒ mÆt nµy
®−îc ®Þnh d¹ng bëi c¸c tham sè bËc ba hoÆc ®−êng cong biªn d¹ng Hermite vµ phÇn
bªn trong ®−îc ®Þnh nghÜa bëi hµm trén. Mçi ®−êng cong biªn d¹ng ®−îc biÓu diÔn
b»ng c¸c ®iÓm mót cña nã vµ vÐc t¬ tiÕp tuyÕn t¹i c¸c ®iÓm mót ®−îc cho bëi ph−¬ng
tr×nh nh− sau:
2
−3
0
− 2
3
1
1
P(0)
⎡
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎤ ⎡
⎥ ⎢
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
− 2 −1 P(1)
P(t) = [t3 t2 t 1]
⎥ ⎢
⎥ ⎢
⎥ ⎢
⎦ ⎣
0
1
0
0
0
P'(0)
P'(1)
1
0
HoÆc: P(t) = [t].[M]H.[G]H
Ph−¬ng tr×nh gièng nhau ®−îc ph¸t sinh cho tham sè s, lµ sù x¸c ®Þnh chiÕm
h÷u c¸c ®−êng cong biªn d¹ng theo h−íng ®ã. Chó ý r»ng, cïng mét ma trËn [M] ®−îc
sö dông cho c¶ hai h−íng tham sè s vµ t vµ c¸c gi¸ trÞ cña P sÏ biÕn ®æi theo vÞ trÝ cña
®−êng cong.
Trang 27
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Báo cáo tổng kết Khoa học và Kỹ thuật Đề tài
Sù x¸c ®Þnh c¸c ®−êng cong biªn d¹ng mét m×nh lµ kh«ng nhËn d¹ng ®−îc hoµn
toµn bÒ mÆt. Cho cïng c¸c ®−êng cong biªn d¹ng, th× cã rÊt nhiÒu bÒ mÆt cã thÓ ®−îc
t×m thÊy b»ng sù thay ®æi h×nh thÓ bªn trong. Do ®ã, sù nhËn d¹ng toµn bé bÒ mÆt, h×nh
thÓ bªn trong ë vïng l©n cËn mçi gãc ®−îc ®iÒu khiÓn bëi ®¹o hµm bËc hai t¹i gãc ®ã
vµ ®−îc hiÓu nh− lµ " VÐc t¬ xo¸y".
Tõ nh÷ng hµm c¬ b¶n cña hai biÕn sè s, t lµ cÇn cho sù biÓu diÔn bÒ mÆt tham sè
bËc ba. §©y lµ quan hÖ logic ®ã lµ bÒ mÆt c¬ b¶n ®−îc ®Þnh nghÜa bëi kÕt qu¶ cña c¸c
biÕn c¬ b¶n ®¬n, ®iÒu nµy ®−îc gäi lµ bÒ mÆt hoÆc kÕt qu¶ tenx¬. Do ®ã, bÒ mÆt tham
sè bËc ba còng ®−îc hiÓu nh− lµ mÆt coons bËc ba. Sau khi ng−êi ta ph¸t minh ra nã, vµ
®−îc biÓu diÔn bëi ph−¬ng tr×nh:
T
P(s,t) = [s].[M]H.[G]H.[M]H .[t]T
ë ®©y ®−îc xem xÐt ®Õn c¶ hai h−íng tham sè. Ma trËn [M]H lµ gièng nh− ma
trËn ®· sö dông cho ®−êng cong vµ ma trËn [G]H thÓ hiÖn nh− sau:
P(0,0) P(0,1)
P(1,0) P(1,1)
P
t(0,0)
Pt(0,1)
⎡
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
P
t(1,0)
Pt(1,1)
[G]H =
Ps(0,0) Ps(0,1) Pst(0,0) Pst(0,1)
P
s(1,0) s)1,1) Pst(1,0) Pst(1,1)
P
Nã cã thÓ ®−îc ph©n t¸ch nh− sau:
VÞ trÝ cña c¸c ®¹o hµm theo t
®iÓm gãc
t¹i c¸c ®iÓm gãc
[G]H =
§¹o hµm theo s
t¹i c¸c ®iÓm gãc
§¹o hµm bËc hai
theo t vµ s t¹i c¸c
®iÓm gãc
Sù thay ®æi trªn bÒ mÆt nhËn ®−îc b»ng sù thay ®æi c¸c vÐc t¬ tiÕp tuyÕn vµ vÐc
t¬ xo¸y t¹i c¸c ®iÓm gãc thÓ hiÖn c¸c vÝ dô vÒ sù thay ®æi cña c¸c vÐc t¬ tiÕp tuyÕn cho
cïng mét viÖc cµi ®Æt c¸c ®iÓm gãc.
BÒ mÆt tham sè bËc ba cã thÓ ®−îc ®¬n gi¶n ho¸ b»ng viÖc ®Æt tÊt c¶ c¸c vÐc t¬
xo¸y b»ng 0. §iÒu nµy ®−îc gäi lµ m¶nh Ferguson hay lµ F- Patch. MÆc dï chóng ®¬n
Trang 28
Đề tài cấp Nhà nước KC.05.11
Tải về để xem bản đầy đủ
432 trang
10/05/2024
70
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tính toán song song hiệu năng cao để lập trình gia công các bề mặt khuôn mẫu trên máy công cụ CNC", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- bao_cao_nghien_cuu_ung_dung_he_thong_tinh_toan_song_song_hie.pdf
