Báo cáo: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tính toán song song hiệu nâng cao để lập trình gia công các bề mặt khuôn mẫu trên máy công cụ CNC potx

Bộ khoa học và công nghệ Trường đại học bách khoa hà nội Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tính toán song song hiệu năng cao để lập trình gia c

Bộ khoa học và công nghệ

Trường đại học bách khoa hà nội

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài:

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

Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gửi đến Hiệu trưởng

TĐHBKHN, trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu

Trường đại học bách khoa hà nội

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài:

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

Mã số KC.05.11

GS TSKH Bành Tiến Long

Hà Nội, 11/2003

2 Danh sách những người thực hiện đề tài

B Các cán bộ tham gia nghiên cứu

1 TS Trần Việt Hùng Phó Chủ nhiệm uỷ ban KH và

CN Quốc hội

4.2.1 4.2.2

2 GS.TSKH Nguyễn Anh Tuấn Trường ĐHBK Hà Nội Chương 1

3 TS Hoàng Vĩnh Sinh Trường ĐHBK Hà Nội Chương 3

4 NCS ThS Trần Xuân Thái Trường ĐHBK Hà Nội Chương 5

5 NCS ThS Nguyễn Chí Quang Trường ĐHBK Hà Nội Chương 1

7 NCS ThS Nguyễn Hồng Minh Trường ĐHBK Hà Nội Chương 3

8 KS Nguyễn Hữu Vạn Công ty Nhựa Hà Nội Chương 1

9 Nguyễn Trung Hiếu Công ty Cơ khí Hà Nội Chương 5

10 KS Nguyễn Trọng Hải Trường ĐHBK Hà Nội Chương 2

11 Prof PhD B Lauwers Trường Đại học Katholieke

Leuven, Vương Quốc Bỉ Chương 4

3 phần đầu báo cáo

3.1 Bài tóm tắt

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội xin trân trọng cám ơn Bộ Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện để Trường chúng tôi được thực hiện Đề tài này

Bản báo cáo này trình bày một cách hệ thống quá trình nghiên cứu và ứng dụng

hệ thống máy tính song song hiệu năng cao để lập trình gia công các bề mặt khuôn mẫu phức tạp trên máy phay CNC 5 trục

Nhiệm vụ đặt ra là khi gia công khuôn trên máy phay CNC 3 trục hay 5 trục là cần phải tính được đường dụng cụ hay đường chạy dao trên cơ sở bản vẽ thiết kế CAD Khối lượng công việc tính toán này là rất lớn đặc biệt trong trường hợp cần gia công các bộ khuôn mẫu có bề mặt phức tạp cao Nếu chỉ sử dụng một máy tính PC thông thường thì thời gian tính toán sẽ bị kéo dài Một giải pháp để khắc phục vấn đề này là

sử dụng siêu máy tính Siờu mỏy tớnh là loại mỏy tớnh cú tốc độ xử lý và tớnh toỏn rất cao nhờ sử dụng cựng một lỳc nhiều bộ vi xử lý Cỏc siờu mỏy tớnh thụng thường cú khoảng từ 4 đến 10 bộ vi xử lý Cỏc siờu mỏy tớnh đặc biệt cú tới trờn 100 bộ vi xử lý Một vấn đề đặt ra khi sử dụng cỏc siờu mỏy tớnh là giỏ thành, một siờu mỏy tớnh đặc biệt cú thể lờn tới hàng trục triệu USD

Để giải quyết bài toán kinh tế, giải pháp sử dụng mạng máy tính song song được

đưa ra Hệ thống song song hiệu năng cao là một hệ thống cỏc mỏy tớnh PC thụng thường cài đặt hệ điều hành Linux được kết nối thụng qua mạng LAN

Một số ưu điểm chớnh của hệ thống mỏy tớnh song song hiệu năng cao so với hệ thống siờu mỏy tớnh nhiều vi xử lý là: Rẻ tiền nhờ chỉ sử dụng những mỏy tớnh thụng thường; Cú tốc độ tớnh toỏn đủ nhanh để giải cỏc bài toỏn lớn, phức tạp; Khả năng lập trỡnh dễ dàng, linh hoạt; Cung cấp đầy đủ cỏc cụng cụ lập trỡnh để cho phộp người sử dụng cú thể lập trỡnh tớnh toỏn từ xa qua Internet

Cỏc kết quả kiểm chứng của đề tài trong thực tế đó chứng tỏ rằng, khi sử dụng

hệ thống song song hiệu năng cao gồm 4 mỏy tớnh (nỳt) để tớnh toỏn đường dụng cụ

Các kết quả nghiên cứu chính của đề tài gồm có các phần sau đây:

Chương1: trình bày việc xây dựng các bộ hồ sơ công nghệ: hồ sơ công nghệ

thiết kế bề mặt trên hệ thống song song hiệu năng cao; hồ sơ công nghệ thiết kế theo mô hình 3 chiều (bề mặt Surface và khối rắn Solid) trên hệ thống song song hiệu năng cao; hồ sơ công nghệ ứng dụng hệ thống song song hiệu năng cao trong tính toán

đường dụng cụ và điều khiển máy công cụ CNC; hồ sơ công nghệ tạo đường dụng cụ

để gia công khuôn mẫu có bề mặt phức tạp trên hệ thống song song hiệu năng cao

Chương 2: trình bày việc xây dựng thư viện tính toán đường dụng cụ trên hệ

thống song song hiệu năng cao

Chương 3: trình bày việc xây dựng các phần mềm: phần mềm thực hiện các

nhiệm vụ tính toán, phân chia và truyền/nhận dữ liệu cho hệ thống máy tính song song hiệu năng cao; phần mềm tính đường dụng cụ chạy trên hệ thống song song hiệu năng cao để sinh ra đường chạy dao điều khiển máy phay CNC 3 trục và 5 trục; phần mềm điều khiển mỏy phay CNC 5 trục theo phương phỏp DNC (Direct Numerical Control) trờn cơ sở đo rung động phản hồi của mỏy

Chương 4: trình bày việc xây dựng hệ thống tính toán song song hiệu năng cao

có kết nối với máy phay CNC 5 trục

Chương 5: trình bày việc thiết kế và chế tạo một số bộ khuôn mẫu có bề mặt

phức tạp trên máy phay CNC 5 trục với sự trợ giúp của hệ thống tính toán song song hiệu năng cao để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết

Sau 24 thỏng triển khai nghiờn cứu và tổ chức thực hiện, trờn cơ sở những kết quả đó đạt được, đề tài KC.05.11 xin được tự nhận xột như sau:

Hướng nghiên cứu mà đề tài đã chọn là đúng đắn

Đề tài đã được triển khai thực hiện theo đúng tiến độ đã đề ra

Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu đã đề ra theo đúng như bản Thuyết minh đề tài và hợp đồng đã ký với Bộ Khoa học và Công nghệ

Các kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa khoa học và giá trị kinh tế đối với

Đất nước

Các kết quả nghiên cứu của đề tài có khả năng ứng dụng rất cao trong thực tiễn

3.2 mục lục

1 Trang nhan đề i

2 Danh sách những người thực hiện đề tài 1

3 Phần đầu báo cáo 2

3.1 Bài tóm tắt 2

3.2 Mục lục 4

4 Phần chính báo cáo 5

4.1 Lời mở đầu 5

4.2 Nội dung chính báo cáo 7

4.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước 7

1 Ngoài nước 7

2 Trong nước 10

4.2.2 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu 13

4.2.3 Những nội dung đã thực hiện 17

Chương 1 Xây dựng các bộ hồ sơ công nghệ 17

Chương 2 Xây dựng thư viện tính toán đường dụng cụ trên 106

hệ thống song song hiệu năng cao Chương 3 Xây dựng các phần mềm 107

Chương 4 Xây dựng hệ thống tính toán song song hiệu năng 125

cao có kết nối với máy phay CNC 5 trục Chương 5 Thiết kế và chế tạo các bộ khuôn mẫu trên máy phay 127

CNC 5 trục với sự trợ giúp của hệ thống tính toán song song hiệu năng cao để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết 4.2.4 Tổng quát hoá và đánh giá kết quả thu được 136

4.3 Kết luận và kiến nghị 138

4.4 Lời cám ơn 139

4.5 Tài liệu tham khảo 140

5 Phần phụ lục báo cáo 142

5.1 Phụ lục 1: Thư viện tính đường dụng cụ chạy trên hệ thống

song song hiệu năng cao 5.2 Phụ lục 2: Mã nguồn chương trình phần mềm tính toán phân chia

và truyền/nhận dữ liệu cho hệ thống máy tính song song hiệu năng cao và máy phay CNC 5 trục 5.3 Phụ lục 3: Bản vẽ thiết kế các bộ khuôn

4 Phần chính báo cáo

4.1 lời mở đầu

ứng dụng hệ thống tính toán song song hiệu năng cao trong việc lập trình gia công các bề mặt khuôn mẫu trên máy công cụ điều khiển số (CNC) hiện đang là hướng nghiên cứu được coi là mũi nhọn nhờ những ưu điểm mà hệ thống tính toán song song hiệu năng cao mang lại cho quá trình gia công chế tạo các chi tiết cơ khí Những chi tiết trước đây phải gia công trên các hệ thống máy chuyên dụng thì nay đã có thể gia công trên hệ thống CNC thông thường nhờ ứng dụng hệ thống tính toán song song hiệu năng cao

Vì vậy Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao cho Trường Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện Đề tài: “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”, mã số

KC.05.11 với những mục tiêu cơ bản sau:

- Làm chủ các máy công cụ điều khiển CNC, đặc biệt là các máy công cụ được

thiết kế và chế tạo tại Việt Nam Các kết quả của đề tài cũng là những số liệu rất tốt không những nhằm giúp ích cho các nhà sản xuất máy công cụ có thể cải tiến hệ thống điều khiển ngày càng tối ưu trong điều kiện hiện có tại Việt Nam mà còn là tài liệu dùng cho giảng dạy tại các trường thuộc khối kỹ thuật

- Thiết lập được những bộ hồ sơ về công nghệ gia công các bề mặt phức tạp trên

máy CNC Mục tiêu này nhằm giảm thời gian thiết kế, tăng tính cạnh tranh sản phẩm cho các doanh nghiệp có sử dụng máy công cụ CNC

- Thiết lập được các thư viện tính toán đường dụng cụ, thư viện dữ liệu của hệ

chuyên gia chạy trên mạng máy tính hiệu năng cao Thiết lập trạm dịch vụ tính toán

và tư vấn trên mạng song song, từ đó có thể giúp các doanh nghiệp có thể sử dụng máy công cụ CNC một cách hiệu quả nhất: năng suất, chất lượng nâng cao và chi phí thiết kế, lập quy trình công nghệ trung gian giảm, tối ưu hoá các bước quy trình công nghệ gia công và đặc biệt là có những lời khuyên của hệ chuyên gia nhằm giảm các sai sót trong khi thiết kế và gia công

- Hồ sơ điều khiển thích nghi máy công cụ CNC bằng hệ thống máy tính song

song, giải quyết các bài toán tối ưu đa mục tiêu trong quá trình gia công các bề mặt

có hình dạng phức tạp (đặc biệt là độ chính xác quá trình tạo hình khi gia công khuôn mẫu)

Xuất phát từ các mục tiêu đã đề ra, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu vào các nội dung có tính thực tiễn cao sau đây:

1 Xây dựng các bộ hồ sơ công nghệ về thiết kế bề mặt trên hệ thống song song hiệu năng cao; thiết kế theo mô hình 3 chiều (bề mặt Surface và khối rắn Solid) trên hệ thống song song hiệu năng cao; ứng dụng hệ thống song song hiệu năng cao trong tính toán đường dụng cụ và điều khiển máy công cụ CNC; tạo đường dụng cụ để gia công khuôn mẫu có bề mặt phức tạp trên hệ thống song song hiệu năng cao

2 Xây dựng thư viện tính toán đường dụng cụ trên hệ thống song song hiệu năng cao

3 Xây dựng các phần mềm thực hiện các nhiệm vụ tính toán, phân chia và truyền/nhận dữ liệu cho hệ thống máy tính song song hiệu năng cao; tính đường dụng cụ chạy trên hệ thống song song hiệu năng cao để sinh ra đường chạy dao

điều khiển máy phay CNC 3 trục và 5 trục; điều khiển mỏy phay CNC 5 trục theo phương phỏp DNC (Direct Numerical Control) trờn cơ sở đo rung động phản hồi của mỏy

4 Xây dựng hệ thống tính toán song song hiệu năng cao có kết nối với máy phay CNC 5 trục

5 Thiết kế và chế tạo một số bộ khuôn mẫu trên máy phay CNC 5 trục với sự trợ giúp của hệ thống tính toán song song hiệu năng cao để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết

6 Đào tạo, chuyển giao công nghệ và triển khai ứng dụng các kết quả của đề tài trong công nghiệp

4.2 nội dung chính báo cáo

4.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước

• Nghiên cứu hoàn chỉnh máy công cụ điều khiển số Từ việc sử dụng hệ thống

CNC, PLC đến việc sử dụng PC-Base, từ 2 trục đến 5 trục cùng gia công Các nghiên cứu chủ yếu ở hướng này là tập trung nâng cao độ chính xác, độ cứng vững

và độ tin cậy của hệ thống Những thiết bị tiêu biểu có thể kể đến như MAHO, BridePort, Mishubishi,

• Nghiên cứu và hoàn chỉnh ngôn ngữ điều khiển Thực chất là tạo cho máy công

cụ một giao diện thân thiện, linh hoạt và đặc biệt là có khả năng mở rộng phù hợp với mọi nhu cầu Hiện tại có rất nhiều hãng đã đưa ra nhiều ngôn ngữ điều khiển rất hiện đại, dễ học và hoàn toàn là hệ mở (cho phép người sử dụng có thể xâm nhập sâu vào hệ thống) Có thể kể đến hệ điều khiển nổi tiếng như Fanuc, Heidenhein

• Nghiên cứu về mặt công nghệ gia công trên hệ thống điều khiển số Hướng

nghiên cứu này hiện tại đang được nghiên cứu và được coi là mũi nhọn bởi vì hướng này chính là việc áp dụng các nghiên cứu vào thực tiễn, đem lại lợi nhuận cho các nhà nghiên cứu Những chi tiết trước đây phải gia công trên các hệ thống máy chuyên dụng, cực kỳ đắt tiền thì nay đã có thể gia công trên hệ thống CNC thông thường, ví dụ như bánh răng côn xoắn, các dạng cam đặc biệt hay các chi tiết định hình lớn Một trong những mục tiêu quan trọng nữa của hướng nghiên cứu công nghệ chính là nghiên cứu các phương pháp gia công cao tốc, tốc độ cắt có thể từ vài trăm đến ngàn mét/giây Những trung tâm nghiên cứu nổi tiếng về lĩnh vực công nghệ là viện KIST (Hàn quốc), trường Leuven (Bỉ), viện MIT (Mỹ),

• Nghiên cứu phần mềm tích hợp CAD/CAM Có thể kế đến những sản phẩm nổi

tiếng như Cimatron, UniGraphics, ProEngineer, Những sản phẩm của hướng này

là những công cụ không thể thiếu được do chúng có tính linh hoạt, mềm dẻo và đặc biệt là có thể sinh ra mã điều khiển một cách nhanh chóng

Hiện nay, công nghệ thông tin đã có những phát triển nhảy vọt, các hệ thống tính toán và điều khiển có dạng đa xử lý (Multi Proccessing) được đưa vào áp dụng cho máy công cụ CNC Các ứng dụng của mạng máy tính hiệu năng cao đã và đang bắt đầu

được nghiên cứu và đưa vào khai thác nhờ những ưu điểm vượt trội: chi phí thiết bị không cao, có thể tiến hành tính toán và điều khiển trên mạng và đặc biệt là khả năng

xử lý dữ liệu rất lớn trong thời gian ngắn rất thích hợp cho việc điều khiển thích nghi

Hiện tại, trong dự án hợp tác với VLIR (Vương quốc Bỉ) của trường ĐHBK Hà nội, nhóm phát triển phần mềm cho Unigraphics (thuộc hệ tích hợp KATIA) của trường ĐH Katholieke Leuven sẽ hợp tác với ĐHBK Hà nội xây dựng một hệ thống bao gồm phát triển phần mềm và phòng thí nghiệm tích hợp CAD/CAM Đây là một thuận lợi lớn cho ĐHBK Hà nội trong khi thực hiện đề tài này

Một số công trình có liên quan đến đề tài:

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

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 nhiên, hầu hết các nghiên cứu trên mới chỉ dừng ở một kết quả cụ thể nào

đó mà chưa có một nghiên cứu nhằm tổng hợp các kết quả trên Có thể nêu ra một số ví dụ:

• Về mặt công nghệ: với các công nghệ phổ biến đều chưa có những hệ chuyên gia

nhằm tập hợp những kinh nghiệm cũng như các kết quả đã đạt được Thông thường, với các hãng rất lớn như BMW hay Airbus, Boeing, họ có những bộ hồ sơ công nghệ rất tối ưu cho các sản phẩm của họ Song chúng là những bí mật công nghệ (know-how) không phổ biến

• Về các phần mềm tích hợp: hiện tại chúng chỉ dừng lại ở mức độ cung cấp công

cụ để người dùng có thể thiết kế (CAD) và tính toán đường dụng cụ (CAM) mà chưa có bất kỳ một lời khuyên hay hướng dẫn việc chọn dụng cụ, chế độ cắt hay nêu lên sự bất hợp lý trong kết cấu chi tiết Với các chi tiết phức tạp, đặc biệt là với các chi tiết được tạo bởi thiết bị dò toạ độ 3 chiều, thì việc tính toán rất lâu và đôi khi không ra được kết quả Ngoài ra, các phần mềm tích hợp kiểu như ProEngineer, KATIA (Unigraphics) hay CIMATRON đều có giá rất cao (cỡ từ 20000 đến

100000 USD cho một bản cài đặt trên một máy tính)

• Hầu hết các máy công cụ điều khiển số hiện nay đều mới chỉ dừng ở mức độ điều khiển quỹ đạo dụng cụ cắt mà chưa có hệ thống phản hồi để điều khiển thích nghi với quá trình gia công

2 Trong nước

Hướng nghiên cứu về chế tạo và lắp đặt máy công cụ điều khiển số được triển khai tại Viện Máy và Dụng cụ (IMI) trước đây và tại Công ty Cơ khí Hà Nội (HAMECO) hiện nay với quy mô khá lớn và đã đem lại một hiệu quả kinh tế rõ rệt: hàng loạt các thiết bị cũ kỹ đã có thể điều khiển bằng máy tính (CNC), đem lại cho các doanh nghiệp sản xuất trong nước nhiều khả năng trong việc mua sắm thiết bị và nâng cao chất lượng sản phẩm của mình

Một số các doanh nghiệp ở Thành phố Hồ Chí Minh (Tp HCM) đã có khá nhiều nghiên cứu sâu về các hệ thống CNC, đặc biệt là chế tạo máy và sửa chữa các hệ thống CNC cũ Có thể kể đến các hướng nghiên cứu có bài bản và hiệu quả của ĐHBK Thành phố Hồ Chí Minh, công ty SINCO, Ngoài hướng nghiên cứu về thiết bị máy móc trên, các hướng nghiên cứu còn lại đều chưa được thực sự bắt đầu Có chăng mới chỉ dừng lại ở một vài chi tiết cơ khí nào đó mà chưa có bất kỳ một nghiên cứu toàn diện nào về cả công nghệ và phần mềm tích hợp CAD/CAM

Theo những khảo sát thông qua Sở KHCN & MT Hà Nội, hiện nay hầu hết các doanh nghiệp sản xuất đều có các trang thiết bị CNC Tuy nhiên, có thể nhận thấy các

hệ thống trên được sử dụng chưa hết công suất là do các nguyên nhân sau:

• Chế độ gia công chưa hợp lý dẫn đến tình trạng lãng phí vật liệu, dụng cụ cắt

Điển hình là trình trạng gãy dao thường xuyên, cắt lẹm hay va đập dao vào phôi,

• Chương trình gia công chưa tối ưu, đặc biệt là gia công các bề mặt phức tạp đòi

hỏi nhiều bước công nghệ Điều này thường là do các thông số công nghệ (gồm độ chính xác gia công, hình dạng, đặc biệt là kích thước dụng cụ, ) còn phải cho trước nên phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người kỹ sư thiết kế và lập trình Sau khi gia công xong, không thể đo được sai số, không khẳng định được độ chính xác của quá trình cắt gọt (quá trình tạo hình) Ngoài ra, các phần mềm tích hợp của nước ngoài chưa thực sự dành cho người Việt Nam, cho thực tế sản xuất tại Việt Nam

• Phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người công nhân vận hành Một thực tế chỉ

ra là hầu hết các chương trình CAM do phần mềm CAD/CAM sinh ra đều chỉ là

đứng và điều chỉnh (cụ thể là điều chỉnh tốc độ quay trục chính, điều chỉnh bước dịch dao) cho phù hợp với điều kiện gia công thực tế

• Ngay chính bản thân người kỹ sư thiết kế và lập trình cũng vẫn sử dụng phương pháp tính toán theo kiểu cũ: tra chế độ cắt từ trong các cuốn về chế độ gia công

kim loại, chọn dụng cụ theo cảm tính và theo kinh nghiệm chứ chưa có tài liệu nào làm căn cứ, để đưa vào phần mềm CAM Điều này hạn chế năng suất làm việc của người kỹ sư, giảm khả năng sáng tạo của họ bởi vì họ phải mất thời gian trong việc tra cứu tài liệu, so sánh và tính toán - một công việc thực sự nhàm chán

Từ đó, việc nghiên cứu toàn diện cho vấn đề gia công trên máy công cụ CNC là một đòi hỏi bức xúc hiện nay nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng các hệ thống CNC

Hệ thống tính toán hiệu năng cao (hay còn gọi là tính toán song song) là một trong những thành tựu và ứng dụng đang được Nhà Nước và Bộ KH&CN đánh giá cao Việc ra đời hệ thống hiệu năng cao này tạo tiền đề thuận lợi cho một nghiên cứu tổng quát không những trong công nghệ gia công trên máy công cụ điều khiển số (hệ chuyên gia) mà còn trong việc điều khiển thích nghi Có thể kể đến một số các ưu điểm vượt trội của hệ thống tính toán hiệu năng cao khi ứng dụng nó trong lĩnh vực gia công cơ khí như sau:

• Chi phí thấp: Thông thường để có những hệ thống điều khiển CNC, người ta

thường dùng các hệ máy tính có nhiều vi xử lý (thường là từ 2 đến 4 vi xử lý) Các

hệ thống này bên cạnh việc chi phí khá đắt tiền còn không tận dụng được các máy tính sẵn có Hệ thống mạng song song kiểu này cho phép tận dụng các máy tính có cấu hình không cao đã có để tính toán và xử lý số liệu có độ phức tạp và kích thước lớn

• Có khả năng tạo ra được các dịch vụ tính toán và điều khiển thông qua mạng

LAN hay WAN Việc tạo ra các trung tâm dịch vụ theo kiểu này chính là xu thế hiện nay của các nước có ngành công nghiệp phát triển: không xây dựng nhiều trung tâm công nghệ mà chỉ tập trung xây dựng 1 trung tâm dịch vụ cung cấp cho khách hàng các dịch vụ tính toán và điều khiển có sẵn ngay trên mạng thông qua cáp LAN, WAN hay cáp điện thoại Ví dụ cụ thể là các nghiên cứu sinh làm ở các thành phố nhỏ của Pháp đều có thể gửi bài toán của mình lên Paris để chạy trên

những hệ thống máy tính song song (rất nhanh) của chính phủ Pháp và kết quả sẽ

được gửi trở lại thông qua mạng WAN

• Có khả năng nâng cấp dễ dàng và các thông tin sẽ được tự động cập nhật ngay đến

người sản xuất thông qua mạng

• Có khả năng xử lý đồng thời các thông tin bao gồm: tra cứu công nghệ, tính toán

tối ưu, thay đổi các tham số của máy khi gia công,

Một số công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài:

1 Tạo hình bề mặt và những ứng dụng trong kỹ thuật, GS.TSKH Bành Tiến Long, Tạp chí KH&CN, 1998

2 Công nghệ CAD/CAM CIMATRON; GS.TSKH Bành Tiến Long, TS Trần Văn Nghĩa, ThS Nguyễn Chí Quang, TS Hoàng Vĩnh Sinh, Nhà xuất bản KHKT, 1998

3 Tính toán đường dụng cụ khi gia công các bề mặt phức tạp; GS.TSKH Bành Tiến Long, TS Hoàng Vĩnh Sinh, Tạp chí KH&CN, 2001

4 Các báo cáo của đề tài nhánh “ứng dụng mạng máy tính hiệu năng cao trong lĩnh vực cơ khí”, thuộc chương trình cấp Nhà nước “Xây dựng trung tâm tính toán hiệu năng cao”

5 Máy công cụ điều khiển theo chương trình số và Robot công nghiệp Tạ Duy Liêm, Nhà xuất bản KHKT 1998

6 Một số các kết quả nghiên cứu của Luận văn Thạc sỹ và Tiến sĩ về “Công nghệ gia công trên máy CNC” tại trường ĐHBK HN từ năm 1998 đến 2001

7 PVM và ứng dụng trong tính toán song song Trung tâm tính toán hiệu năng cao ĐHBK Hà Nội, 2000

8 Hệ điều hành LINUX Trung tâm tính toán hiệu năng cao ĐHBK Hà Nội,

2000

Hiện tại, Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp đang có các Nghiên cứu sinh làm luận án Tiến sỹ tại một số trường ĐH ở Châu Âu (Vương quốc Bỉ, CHLB

4.2.2 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu

Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật đ∙ sử dụng trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài

Sơ đồ khối quá trình gia công các bề mặt khuôn mẫu có ứng dụng mạng máy tính hiệu năng cao được mô tả tổng quan trong hình 1 Vai trò của mạng máy tính song

song ở đây chính là làm 2 nhiệm vụ: đưa ra các lời chỉ dẫn có căn cứ trong việc chọn các tham số công nghệ gia công (chọn dụng cụ, chọn chế độ cắt, ) và giám sát quá

trình gia công Một kết quả gia công không tốt sẽ được hệ thống song song giám sát và

tự tính toán tối ưu hoặc tra trong các hồ sơ công nghệ đã có sẵn và từ đó đưa ra các quyết định cho câu lệnh tiếp theo của máy CNC sẽ được thực hiện như thế nào Trong sơ đồ tổng quan, giao tiếp giữa hệ thống tính toán song song và máy gia công CNC có thể qua cổng RS232 (phương pháp DNC - Direct numerical control), mạng LAN, mạng WAN hay mạng Internet Đây chính là điểm quan trọng trong đề tài này: tạo dịch vụ

kỹ thuật trên mạng ứng dụng trong gia công trên máy CNC

• Đề tài được xây dựng trên cơ sở bài toán công nghệ (bao gồm nghiên cứu khoa học

và triển khai áp dụng) khi gia công các bề mặt có hình dạng phức tạp (ứng dụng trong chế tạo khuôn mẫu) và hiệu quả trong tính toán, điều khiển của hệ thống tính

toán hiệu năng cao (high performation parallel computation - HPPC)

• Các công cụ chính: Toán học hiện đại (đại số, giải tích số, hình học vi phân, phương pháp phần tử hữu hạn), Tin học (lập trình trên hệ thống song song hiệu năng cao hệ điều hành LINUX, CSDL của hệ chuyên gia, CSDL điều khiển thích nghi, mô hình cảm nhận và tự học, lý thuyết đồ hoạ, xử lý ảnh và hiện thực ảo, lý thuyết mô phỏng và mô hình hoá),

• Phương pháp nghiên cứu: tổ hợp liên ngành Cơ khí - Điện tử - Tin học và Tự động hoá Lý thuyết thực nghiệm và các phương pháp tối ưu hoá sẽ được sử dụng trong quá trình thu thập và xủ lý số liệu Các tiêu chí đặt ra cho quá trình tối ưu gồm: độ chính xác hình học của sản phẩm, thời gian gia công, và một số các tiêu chí khác thích hợp cho từng loại sản phẩm cụ thể

• Các bước tiến hành theo quy trình: Nghiên cứu khảo sát, phân tích, thiết kế giải pháp, cài đặt thuật toán và tiến hành thử nghiệm, hiệu chỉnh tham số công nghệ,

viết phầm mềm, chế tạo các sản phẩm prototype, thiết lập thư viện các quy trình công nghệ gia công trên máy công cụ CNC và tiến hành chế tạo các sản phẩm thử nghiệm cho các nhà máy So sánh các kết quả đạt được (chất lượng, thời gian) với các sản phẩm tương tự gia công không có HPPC

• Đề tài sẽ coi trọng việc tập hợp các cá nhân, tập thể nghiên cứu trong và ngoài nước, đặc biệt tận dụng tối đa chất xám và kết quả của công nghệ mới nhằm nâng cao chất lượng, hiệu quả và hoàn thành đúng kế hoạch của đề tài

Đối tượng nghiên cứu của đề tài gồm có các phần sau đây:

1 Xây dựng các bộ hồ sơ công nghệ

Hồ sơ công nghệ ứng dụng hệ thống song song hiệu năng cao trong tính toán

đường dụng cụ và điều khiển máy công cụ CNC

Hồ sơ công nghệ thiết kế bề mặt trên hệ thống song song hiệu năng cao

Hồ sơ công nghệ thiết kế theo mô hình 3 chiều (bề mặt Surface và khối rắn Solid) trên hệ thống song song hiệu năng cao

Hồ sơ công nghệ tạo đường dụng cụ để gia công khuôn mẫu có bề mặt phức tạp trên hệ thống song song hiệu năng cao

Hồ sơ công nghệ tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) cho một số các sản phẩm tiêu biểu dùng trong ô-tô, xe máy, máy bay, và một số lĩnh vực khác nhờ hệ thống song song hiệu năng cao

2 Xây dựng thư viện tính toán đường dụng cụ trên hệ thống song song hiệu năng cao

5 Thiết kế và chế tạo các bộ khuôn mẫu trên máy phay CNC 5 trục với sự trợ giúp của

hệ thống tính toán song song hiệu năng cao để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết

Khuôn vỏ điện thoại tổ hợp dùng trong quân sự

Khuôn vỏ hộp công tơ đo đếm điện

Khuôn cánh quạt thông gió

Khuôn cốp xe ô tô Ford

Khuôn hộp mỹ phẩm Debon (loại nhỏ)

Khuôn hộp mỹ phẩm Clear (loại nhỏ)

Khuôn hộp mỹ phẩm Dove (loại to)

Khuôn vỏ chai nước Lavie

Khuôn vòi hoa sen

4.2.3 Những nội dung đã thực hiện

Chương 1 - Xây dựng các bộ hồ sơ công nghệ

1.1 Công nghệ ứng dụng hệ thống song song hiệu năng cao trong tính toán

đường dụng cụ và điều khiển máy công cụ 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 cỏc mỏy tớnh PC thụng thường cài đặt hệ điều hành LINUX được kết nối thụng qua mạng LAN với tốc độ 100Mbps

Siờu mỏy tớnh là loại mỏy tớnh cú tốc độ xử lý và tớnh toỏn rất cao nhờ sử dụng cựng một lỳc nhiều bộ vi xử lý Cỏc siờu mỏy tớnh thụng thường cú khoảng từ 4 đến 10

bộ vi xử lý Cỏc siờu mỏy tớnh đặc biệt cú tới trờn 100 bộ vi xử lý Một vấn đề đặt ra khi sử dụng cỏc siờu mỏy tớnh là giỏ thành, một siờu mỏy tớnh đặc biệt cú thể lờn tới hàng trục triệu USD

Một số ưu điểm chớnh của hệ thống mỏy tớnh song song hiệu năng cao so với hệ thống siờu mỏy tớnh nhiều vi xử lý:

- Rẻ tiền nhờ chỉ sử dụng những mỏy tớnh thụng thường

- Cú tốc độ tớnh toỏn đủ nhanh để giải cỏc bài toỏn lớn, phức tạp

- Khả năng lập trỡnh dễ dàng, linh hoạt

- Cung cấp đầy đủ cỏc cụng cụ lập trỡnh để cho phộp người sử dụng cú thể lập trỡnh tớnh toỏn từ xa qua Internet Đõy chớnh là khả năng mở rộng khụng giới hạn của hệ thống mạng mỏy tớnh song song hiệu năng cao

Hệ thống song song hiệu năng cao được đưa vào nghiờn cứu ở Việt Nam chỉ mới một vài năm gần đõy nhưng cũng đó cú một số những ứng dụng trong thực tế Việc ứng dụng hệ thống mỏy tớnh song song hiệu năng cao trong tớnh toỏn đường dụng

cụ cho mỏy phay CNC 5 trục là một trong những ứng dụng mới và quan trọng của hệ thống này trong lĩnh vực cơ khớ

Sơ đồ tổng quan của hệ thống song song hiệu năng cao trong việc ứng dụng gia cụng cỏc bề mặt khuụn mẫu cú bề mặt phức tạp cao được thể hiện trong hỡnh 2

Thiết kế

CAD

Tính toán

đường dụng cụ CAM

Lưu trữ dữ liệu DataStore

Máy tính điều khiển trung tâm Server

Máy phay CNC

Hệ thống đo lường phản hồi (rung động) FeedBack

Mạng máy tính song song hiệu năng cao HPCS

Sản phẩm

Đường truyền số liệu phản hồi

Đường truyền dữ liệu chính

Máy tính từ xa Remote computer

INTERNET, Mạng

diện rộng WAN

Mạng cục bộ LAN

Hỡnh 2: Sơ đồ tổng quan ứng dụng hệ thống song song hiệu năng cao để tớnh toỏn

đường dụng cụ gia cụng cỏc bề mặt khuụn mẫu cú bề mặt phức tạp

1.1.2 Cỏc thành phần chớnh và chức năng của hệ thống song song hiệu năng cao

trong tớnh toỏn đường dụng cụ để gia cụng khuụn mẫu trờn mỏy phay CNC 5 trục

1 Thiết kế (CAD): mụ hỡnh bề mặt của khuụn mẫu được thiết kế trờn cỏc phần mềm CAD khỏc nhau Kết quả thu được là mụ hỡnh khuụn mẫu cú độ phức tạp rất cao

2 Tớnh đường dụng cụ (CAM): Hai mụdun phần mềm tớnh đường dụng cụ (CAM.KC.05.11 và OnWinPC) là sản phẩm của đề tài sẽ đảm nhiệm việc tớnh toỏn đường dụng cụ gia cụng trờn mỏy phay CNC 3 trục và 5 trục bao gồm cả gia cụng thụ và tinh Cỏc bước tớnh toỏn đường dụng cụ được thực hiện trờn

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

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

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

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)

1.2 Công nghệ thiết kế bề mặt trên hệ thống song song hiệu năng cao

1.2.1 Giới thiệu chung

Bề mặt đóng vai trò quyết định trong thiết kế kỹ thuật và gia công Theo truyền thống các bề mặt được biểu diễn bằng nhiều mảnh ghép Cùng với sự góp mặt của đồ hoạ máy vi tính và sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính, mô hình

bề mặt đã mang đến một hướng mới Mô hình toán học bây giờ có thể được tạo lập và phân tích trên cơ sở mối quan hệ giữa các đặc trưng quan trọng của bề mặt như là: vùng trung tâm, vùng bề mặt, Từ các mô hình bề mặt này, những thông tin cần thiết cho quá trình gia công được đưa ra Với sự trợ giúp của các công cụ đồ hoạ máy tính, quá trình thiết kế, xử lý và kiểm tra đã được đơn giản hoá rất nhiều

Biểu diễn tham số đã được sử dụng cho thiết kế đường cong và nó cũng là công

cụ cho việc thiết kế bề mặt Dạng tham số của đường cong đã được cho bởi phương trình véc tơ dạng:

P(t) = [ x(t) , y(t) , z(t) ] Biểu diễn bề mặt đòi hỏi phải có hai tham số và dạng của nó vẫn là phương trình véc tơ

P(s,t) = [ x(s,t) , y(s,t) , z(s,t) ]

Đường cong cũng có thể được tìm ra từ bề mặt bằng cách giữ cho một tham số

là hằng và thay đổi tham số kia Một chuỗi các đường cong được tạo ra dọc theo các hướng tham số t và s bằng cách thay liên tục giá trị các tham số t và s trong khoảng [0,1] Các tham số về các đường cong dọc theo hướng s có thể là P(0,t), P(0,1;t), , P(0,9;t), P(1,t) Các tham số khác về các đường cong dọc theo hướng t có thể là P(s;0), P(s;0,1), , P(s;0,9), P(s;1) Để tạo ra một bề mặt đòi hỏi phải có rất nhiều đường cong,

đó chính là sự cấu thành bề mặt Điều này có thể áp dụng cho các bề mặt có phương trình hoặc các bề mặt tự do, và sẽ được xem xét tiếp theo đây

1.2.2 Các bề mặt tròn xoay

Họ đơn giản nhất của các bề mặt đạt được bằng cách quay đường cong phẳng xung quanh một trục Hình 4 thể hiện một hình trụ tròn xoay được tạo bởi việc quay một đoạn thẳng song song với trục z quanh trục z một góc 3600 (2π) Các dạng khác nhau của bề mặt đạt được là do nhiều điều kiện xác định

Bất kỳ điểm nào trên bề mặt tròn xoay cũng là hàm của hai tham số t và θ Tham số t mô tả thưc thể được xoay và tham số θ thể hiện góc của quá trình quay Ví

dụ các điểm t theo hướng của đoạn thẳng và θ là góc của quá trình quay quanh trục z

Điểm nằm trên đoạn thẳng được biểu diễn bởi [x(t), 0 ,z(t)] và khi bị quay đi θ radian

0100

0000

00sincosθ θ

Hình 4: Biểu diễn trụ tròn xoay

1.2.3 Mặt quét

Quét là phương pháp tạo bề mặt thông qua sự di chuyển của đường thẳng, đoạn cong, đa giác, dọc theo hoặc xung quanh một đường đã xác định Các dạng bề mặt quét được sử dụng rất nhiều trong mô hình hình học và có rất nhiều trong các ứng dụng

kỹ thuật Tương tự như các dạng bề mặt khác, các bề mặt quét cũng được biểu diễn dưới dạng phương trình tham số:

P(s,t) = Q(t).[T(s)]

Trong đó: Q(t): là phương trình tham số của đường thẳng hoặc đường cong

[T(s)]: là ma trận chuyển đổi quét dựa trên hình thể của đường di chuyển

Ma trận chuyển đổi quét chứa đựng: sự di chuyển, tỷ lệ hoặc sự quay Nó cũng

có thể chứa đựng sự tổ hợp của các ma trận chuyển đổi này

Hình 5: Biểu diễn một số dạng của mặt quét Nếu đường đi là thẳng, bắt đầu tại gốc toạ độ thì nó có thể được biểu diễn dưới dạng tham số:

x(s) = as

y(s) = bs

z(s) = cs

Đây là kết quả của sự chuyển đổi ba chiều như đã đề cập ở phần trước Nếu

đường đi bao hàm cả sự quay các trục toạ độ thì các góc quay dành riêng nên có trong

ma trận chuyển đổi quét Khi các đa giác khép kín được quay hoặc tịnh tiến để tạo nên

bề mặt quét, một trong các cách để xác định rõ ràng hình thể cuối cùng của bề mặt là

điều khiển theo hướng của pháp tuyến với đa giác Thông thường sự tiến lại gần là vị trí pháp tuyến theo hướng của tiếp tuyến tức thời với đường đi Ví dụ sau sẽ thể hiện điều này

Ví dụ:

Tạo ra bề mặt quét đạt được bằng cách di chuyển hình tam giác nằm trong mặt phẳng xy dọc theo đường đi (z = 8s, y = (sin(πs)-1) Các đỉnh của tam giác là: P1 = (-5,0,0), P2 = (0,5,0), P3 = (5,0,0) Giữ cho pháp tuyến của tam giác theo hướng với tiếp tuyến tức thời của đường đi

Giải:

Trong vấn đề này, đường đi được chứa đựng trong mặt phẳng yz và pháp tuyến của bề mặt được quay về phía trục x và giữ cho nó luôn liên kết với tiếp tuyến tức thời của đường đi

Trước hết giá trị tính toán là tiếp tuyển tức thời của đường đi Được cho bởi phương trình:

Ma trận chuyển đổi tổng bao gồm sự dịch chuyển dọc theo đường đi (z = 8s, y = (sin(πs)-1) và sự quay xung quanh trục x bởi góc θ là:

ư

ΦΦ

18)sin(

0

0cossin

0

0sincos

0

000

1

s s

πTại vị trí dọc theo đường đi mà s = 0,25, thì góc quay là:

Φ = tan-1

= 0,2708 rad

Φ = 15,520

Thay giá trị này ( s = 0,25 và Φ = 15,520 ) vào ma trận chuyển đổi quét:

1050

1005

0964,0268,00

0268,0964,00

000

1338,3525,40

10,2293,00,5

Quét đường cong tự do được làm giống như trên phương trình bề mặt sẽ được

Các bề mặt tham số bậc ba là sự mở rộng của đường cong Hermite Bề mặt này

được định dạng bởi các tham số bậc ba hoặc đường cong biên dạng Hermite và phần bên trong được định nghĩa bởi hàm trộn Mỗi đường cong biên dạng được biểu diễn bằng các điểm mút của nó và véc tơ tiếp tuyến tại các điểm mút được cho bởi phương trình như sau:

0100

1233

1122

)0('

)1(

)0(

P P P P

Sự xác định các đường cong biên dạng một mình là không nhận dạng được hoàn toàn bề mặt Cho cùng các đường cong biên dạng, thì có rất nhiều bề mặt có thể được tìm thấy bằng sự thay đổi hình thể bên trong Do đó, sự nhận dạng toàn bộ bề mặt, hình thể bên trong ở vùng lân cận mỗi góc được điều khiển bởi đạo hàm bậc hai tại góc đó

và được hiểu như là " Véc tơ xoáy"

Từ những hàm cơ bản của hai biến số s, t là cần cho sự biểu diễn bề mặt tham số bậc ba Đây là quan hệ logic đó là bề mặt cơ bản được định nghĩa bởi kết quả của các biến cơ bản đơn, điều này được gọi là bề mặt hoặc kết quả tenxơ Do đó, bề mặt tham

số bậc ba cũng được hiểu như là mặt coons bậc ba Sau khi người ta phát minh ra nó, và

được biểu diễn bởi phương trình:

)1,0()0,0()1,0()0,0(

)1,1()0,1()1,1()0,1(

)1,0()0,0()1,0()0,0(

st st

s s

st st

s s

t t

t t

P P

P P

P P

P P

P P

P P

P P

P P

Nó có thể được phân tách như sau:

Vị trí của các đạo hàm theo t

điểm góc tại các điểm góc

Đạo hàm theo s Đạo hàm bậc hai tại các điểm góc theo t và s tại các

[G]H =

Sự thay đổi trên bề mặt nhận được bằng sự thay đổi các véc tơ tiếp tuyến và véc tơ xoáy tại các điểm góc thể hiện các ví dụ về sự thay đổi của các véc tơ tiếp tuyến cho cùng một việc cài đặt các điểm góc

giản cho công thức bề mặt, song mảnh F-Patchs là không thông dụng trong thực hành, bởi vì chúng tác động mạnh vào bề mặt tới việc làm dẹt tại các góc Đa số các ứng dụng kĩ thuật được sử dụng là véc tơ xoáy khác 0

Bề mặt tham số bậc ba và mảnh mặt Ferguson có thể được chắp lại với nhau, và các cạnh sẽ có mức độ liên tục C1

Pháp tuyến với bề mặt cũng quan trọng trong các ứng dụng mô hình hình học như là tính toán điều khiển số hay lá tín hiệu phát ra của robot Pháp tuyến của đường cong bậc ba tham số tại bất kỳ các điểm xác định nào đều được tìm ra bằng tính kết quả của các đạo hàm theo tham số tại điểm yêu cầu

n = P's x P't 1.2.4.2 Bề mặt BEZIER

Bề mặt tham số bậc ba mặc dù có hiệu quả trong thiết kế dụng cụ, song nó có mặt không thuận lợi đó là không cảm nhận được bằng giác quan về các giá trị của véctơ tiếp tuyến và các véc tơ xoáy đó là cái không có sẵn cho người sử dụng

Bề mặt Bezier, về phương diện khác nó được tạo lập và sửa chữa dễ dàng hơn và

dễ cảm nhận bằng trực giác hơn

Bề mặt Bezier được xác định bằng việc kiến tạo đơn giản các công thức đường cong Kết quả Tenxơ được sử dụng trong việc xác định bề mặt tham số bậc ba lại được

áp dụng ở đây Với hai hướng giống nhau của các tham số s và t Bất kỳ điểm nào trên

bề mặt có thể được xác định đúng vị trí và cho bởi các giá trị của cặp tham số:

Q(s,t) = ∑∑

n

i m

j

jm in

ij B s B t V

) ( ) (

Như trong trường hợp các đường cong Bezier

Vij : được định nghĩa là các điểm điều khiển

Ví dụ:

+ Bề mặt mang đến hình thể chung của các điểm điều khiển

+ Bề mặt được bao hàm cùng với vỏ lồi của các điểm điều khiển

+ các góc của bề mặt và góc của đỉnh điều khiển là trùng hợp ngãu nhiên

Các điểm điều khiển của bề mặt Bezier có cùng một hàm như là các tham số

được sử dụng trong mảnh mặt tham số bậc ba Bốn điểm góc trên bề mặt tự bản thân nó như được diễn đạt bên trên Véc tơ tiếp tuyến Hermite tại các góc được xác định rõ ràng bằng vị trí của các điểm điều khiển Bezier kề sát trên các đường cong biên Ví dụ, các véc tơ tiếp tuyến của đường cong biên tại s = 0 được cho bởi V11, V12 và V14, V13

Sự giống nhau là đúng cho tất cả các véc tơ tiếp tuyến khác Các điểm điều khiển bên trong V22, V23 và V32, V33 được xác định bởi hình thể bên trong của các bề mặt như là các véc tơ xoáy trong bề mặt tham số bậc ba Người sử dụng di chuyển đơn giản các

điểm này để sửa chữa hình thể bên trong của bề mặt Sự điều khiển này cho ta cảm nhận trực giác hơn là sử dụng bề mặt tham số bậc ba, đó là sự khó khăn trong việc xác

định chính xác các giá trị của véc tơ tiếp tuyến và véc tơ xoáy thể hiện kết quả của sự

di chuyển các điểm điều khiển tại các đường cong biên hoặc tại phần bên trong của bề mặt Bề mặt Bezier có thể được biểu diễn dưới dạng ma trận:

0033

0363

1331

23 22 21 20

13 12 11 10

03 02 01 00

V V V V

V V V V

V V V V

V V V V

0033

0363

1331

Thể hiện bề mặt Bezier bậc ba Do đó, 16 điểm điều khiển phải được xác định Như với đường cong Bezier sự tăng số lượng các điểm điều khiển sẽ dẫn đến việc tự

động tăng mức độ của đường cong Một vài mảnh Bezier thường là cần thiết để tạo ra các bề mặt xác định với mức độ thấp Trong trường hợp này, các bề mặt bậc ba, trước hết mức độ liên tục tham số bị ép buộc dọc theo các cạnh chung giữa hai mảnh mặt

l k

đường cong B-Spline Bề mặt tồn tại cùng với sự xác định dạng đa diện bởi các điểm

điều khiển Sự thể hiện của chúng giống như kiểu thể hiện các đường cong được điều khiển cục bộ bởi các đường cong B-Spline Khi thay đổi một điểm điều khiển thì chỉ có một vùng nhỏ lân cận điểm đó trên bề mặt B-Spline bị ảnh hưởng Các bề mặt B-Spline

có chu kì/cố định được tạo bởi việc sử dụng các véc rơ nút cố định và mảng của các

điểm điều khiển Bề mặt bậc ba sẽ được biểu diễn bởi mảng 4x4 của các điểm điều khiển

Hình 6: xấp xỉ của hình trụ bằng việc sử

dụng nhiều điểm điều khiển

Hình 7: Graph điều khiển của mặt trụ

Về các bề mặt B-Spline bậc ba có chu kì với độ liên tục C2 thì cần có 16 điểm

điều khiển cho mỗi đoạn và 12 điểm với đoạn tiếp theo trong sự phát triển của bề mặt Các mảng V của các điểm điều khiển là:

45 44 43 42 41

35 34 33 32 31

25 24 23 22 21

15 14 13 12 11

V V V V V

V V V V V

V V V V V

V V V V V

V V V V V

Các bề mặt B-Spline có chu kì khép kín có thể đạt được với cùng một cách như các đường cong B-Spline có chu kì khép kín Các cạnh đối diện của bề mặt được nối lại bằng việc lắp các đỉnh Graph điều khiển tại các cạnh Ví dụ: Sự xấp xỉ của hình trụ có thể đạt được bằng việc sử dụng nhiều điểm điều khiển như hình 6 Trước hết vòng tròn

được làm gần đúng bởi bốn đoạn đường cong B-Spline bậc ba:

V0 V1 V2 V3 Đoạn 1

V1 V2 V3 V4 Đoạn 2

V2 V3 V4 V5 Đoạn 3

V3 V4 V5 V6 Đoạn 4

Bằng việc di chuyển các điểm điều khiển theo hướng vuông góc với mặt phẳng chứa

nó, thì Graph điều khiển của mặt trụ sẽ nhận được như hình 7 Mặt xuyến gần đúng cũng có thể được tạo bởi sự quay các điểm điều khiển dạng vòng tròn xung quanh một trục cố định với cùng một khoảng cách tính từ tâm của chúng

Giống như các đường cong B-Spline có chu kì, các bề mặt B-Spline có thể được thể hiện dưới dạng ma trận Với trường hợp là các mặt bậc ba, công thức ma trận là: P(s,t) = [s].[M]BS[V]BS[M]T

BS[t]TTrong đó:

[M]BS : là ma trận tương tự như ma trận đã sử dụng trong đường cong B-Spline bậc ba có chu kì

0303

0363

1331

1.2.4.4 Các bề mặt hữu tỷ

Việc xử lý các bề mặt hữu tỷ nói chung là sự mở rộng của việc sử dụng các

đường cong hữu tỷ Việc sử dung hệ toạ độ đồng nhất một lần nữa lại được áp dụng Bảng 1 thể hiện sự diễn đạt gần đúng của các bề mặt Bezier và B-Spline

Ni,k(s) và Nj,l(t): là các hàm cơ sở

Vij : Là đa diện điều khiển

ωij : là trọng số tại mỗi điểm điều khiển

Véc tơ nút được sử dụng có thể là có chu kỳ/cố định hoặc không có chu kỳ hoặc không cố định và có thể thay đổi theo hai hướng tham số s và t Như với các đường cong hữu tỷ, các trọng số cung cấp thêm các mức độ tự do cho hình thể của bề mặt

Đa số các đặc trưng của bề mặt vô tỷ được mở rộng nhờ vào các phần tính toán hữu tỷ của chúng Ví dụ, sự quay và sự chuyển dời được áp dụng cho các điểm điều khiển; Các bề mặt được bao hàm cùng với các đỉnh của các đa diện khép kín Nếu được phân vùng tam giác, thì dạng lưới điều khiển là mặt phẳng xấp xỉ của bề mặt Trong nhiều trường hợp, nhiều đỉnh có cùng kết quả trên các bề mặt hữu tỷ cũng như các bề mặt vô tỷ Thêm vào đó sự di chuyển của một đỉnh điều khiển chỉ ảnh hưởng cục bộ

j

ij jm

in s B t V B

) ( )

n

i m

j

l k

j

m j n i ij

n

i m

j

ij m j n i ị

t B s B

V t B s B

, ,

, ,

)()(

)()(ϖ

j

l k i ij

n

i m

j

ij l k i ị

t N s N

V t N s N

, ,

, ,

) ( ) (

) ( ) (

ϖϖ

1.2.4.5 Bề mặt NURBS (Các bề mặt B-Spline hữu tỷ không cố định)

NURBS là các bề mặt B-Spline hữu tỷ nhận được bởi các véc tơ nút không cố

định Chúng là một trong nhiều biểu diễn bề mặt được sử dụng trong thiết kế kỹ thuật Chúng còn được áp dụng rộng rãi hơn bởi vì chúng chứa đựng tất cả các kiểu biểu diễn

Sự biểu hiện chung của NURBS được cho trong bảng 1 giống như bề mặt B-Spline hữu

tỷ, nó chỉ khác là véc tơ nút sử dụng là không cố định

Ngoài ra chúng còn dễ dàng chuyển sang các kiểu biểu diễn khác và như sau:

Bề mặt B-Spline vô tỷ Khi tất cả ωij = 0

Bề mặt Bezier hữu tỷ

Khi số lượng của sự định nghĩa các điểm điều khiển ngang bằng với xắp xếp trong mỗi hướng tham số và không giống hệt giá trị các nút bên trong đã thể hiện

Bề mặt Bezier vô tỷ Giống bề mặt Bezier hữu tỷ song tất cả các trọng số ωij = 0

Thêm vào đó NURBS còn có khả năng biểu diễn các bề mặt bậc bốn

1.3 Công nghệ thiết kế theo mô hình 3 chiều (bề mặt Surface và khối rắn Solid)

trên hệ thống song song hiệu năng cao

1.3.1 Giới thiệu chung

Bất kỳ mô hình nào của đối tượng trên máy tính đều phải bao gồm ba dạng thực thể khác nhau là: dữ liệu, thuật toán và cấu trúc Dữ liệu là phần cơ bản nhất trong việc mô tả đối tượng và nó có thể bao gồm các giá trị số, ký tự, sơ đồ cấu trúc hoặc bất kỳ một biểu diễn nào khác của các đặc trưng được định nghĩa trong ngôn ngữ hình thức Các thuật toán đòi hỏi dữ liệu được truyền như thế nào và cấu trúc đòi hỏi dữ liệu được thiết lập như thế nào Nếu dữ liệu được cấu trúc tốt thì chỉ cần thuật toán có cấu trúc

đơn giản

Cấu trúc của dữ liệu là rất quan trọng về mặt cơ sở dữ liệu, nó là "ngân hàng" của các thông tin được xử lý và là các kết quả của nó, nó được lưu trữ cho việc sử dụng sau này Điều này đặc biệt đúng trong đồ hoạ và trong các hệ thống thiết kế, nơi mà có

số lượng lớn dữ liệu phải xử lý với tốc độ rất cao Phần lớn cơ sở dữ liệu trong các ứng dụng CAD có chứa đựng thông tin hình học Do đó, để biểu diễn chính xác dữ liệu hình học cần phân tích và thiết lập tốt cơ sở dữ liệu CAD

Phần này thể hiện việc mô tả các cấu trúc dữ liệu, đó là các ứng dụng xác đáng trong đồ hoạ máy tính đồng thời mô tả tóm tắt về các cấu trúc dữ liệu thành phần được

sử dụng để phục vụ cho việc thiết kế đối tượng theo mô hình 3 chiều

1.3.2 Cơ sở dữ liệu CAD

1.3.2.1 Cơ sở dữ liệu quan hệ

Chứa đựng dữ liệu biểu diễn mối quan hệ được lưu trữ trong các Files và luôn luôn được chỉ đế dưới dạng chuỗi kế tiếp Đối tượng ở hình 8 sẽ được mô tả bằng ba mối quan hệ:

* Các điểm: đòi hỏi các toạ độ Đề các của các đỉnh

* Các đường: là thể hiện các đỉnh tại các điểm cuối của các cạnh

* Các mặt: là thể hiện các cạnh biên của bề mặt

Hình 8: Đối tượng được mô tả sử dụng nhiều dạng cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu quan hệ cho đối tượng ở hình 8 được thể hiện ở bảng 2 Dạng này của cơ sở dữ liệu có mặt thuận lợi của nó là luôn luôn chứa đựng ở bên trong và rất linh hoạt về khía cạnh người sử dụng truyền dữ liệu và các mối quan hệ Tuy vậy, nó đòi hỏi số lượng thực về xắp xếp trong việc thực hiện nó

Là cây cấu trúc được cấu thành cho cấp bậc của các phần tử được gọi là các nút

Đỉnh của cây là nút gốc và cấp bậc là thể hiện các mức độ khác nhau của cây với một

rằng, mỗi một phần tử ở một mức độ chỉ liên kết với một phần tử ở mức độ trên Các mô hình cấp bậc luôn đơn giản và nhanh chóng, song nó có sự bất thuận lợi đó là một vài quan hệ trong thế giới thực không hoàn toàn là cấp bậc, thêm vào đó, thực hiện cấp bậc luôn luôn tạo ra sự rườm rà và nguy hiểm cho sự không đồng nhất

Đối tượng gốc

Cấp đườngCấp bề mặt

y8

E1

Cấp điểmCấp toạ độHình 9: Cơ sở dữ liệu cấp bậc

1.3.2.3 Cơ sở dữ liệu mạng

Có nhiều mối quan hệ trong các phần tử của chúng, mặt khác, các phần tử tại các mức độ có thể được kết nối tới nhiều phần tử ở mức trên Hình 10 thể hiện mô hình mạng cho đối tượng ở hình 8 Dạng này của cơ sở dữ liệu thường trở nên sự liên hợp quá mức trong cả cấu trúc và số lượng của chương trình cần thiết để thực hiện nó

54

1.3.3 M« t¶ ®−êng vµ bÒ mÆt trong m« h×nh h×nh häc

Hai phương thức chung nhất của mô tả đ−êng và bề mặt trong mô hình hình học

là phư¬ng trình ẩn và hàm tham số

Phương trình ẩn của đường thuộc mặt phẳng xy có dạng f(x,y) =0

Ví dụ: phương trình đường tròn f(x,y) = x2+y2-1 = 0 (hình 11)

Trong dạng phương trình tham số, mỗi toạ độ của một điểm được tách ra thành những hàm riêng biệt với tham số độc lập

C(u) = (x(u),y(u)) a≤u≤b

Theo cách đó C(u) là hàm giá trị vect¬ của tham số u Mặc dù khoảng [a,b] là tuỳ ý nhưng nó vẫn thường được chọn [0,1]

Ví dụ: góc phần tư thứ nhất của đường tròn trong hình 11 được biểu diễn dưới dạng x(u) = cos(u)

y(u) = sin (u) với 0≤ u≤π2

(

t

t t

(

t

t t

y

+

= với 0≤ u≤ 1

H×nh 11: M« t¶ ®−êng trßn

Theo cách đó, tham số mô tả đường cong không duy nhất

Dễ nhận thấy phương trình C(u) = (x(u),y(u)) mô tả một đường được định ra bởi hàm thời gian u và khoảng thời gian [a,b]

Một bề mặt được định nghĩa bởi một phương trình có dạng f(x,y,z) = 0

Ví dụ: Một mặt cầu

x2+y2+z2 -1 = 0