Mục tiêu cuối cùng của đề tài là xây dựng một hệ thống trợ giúp thiết lập quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC bằng máy tính, cho phép hình thành các phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công trực tiếp từ mô hình vật thể rắn 3D thiết kế trong phần mềm CAD thương mại.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Phùng Xuân Lan
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRỢ GIÚP THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG
CHI TIẾT TRÊN MÁY PHAY CNC
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 62520103
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Hà Nội - 2017
Trang 2Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học: GS TS Trần Văn Địch
PGS TS Hoàng Vĩnh Sinh
Phản biện 1: GS TSKH Phạm Văn Lang
Phản biện 2: GS TS Đào Văn Hiệp
Phản biện 3: PGS TS Hà Minh Hùng
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2 Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 4MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Lập quy trình công nghệ (QTCN) là một khâu kết nối quan trọng giữa hai nhiệm vụ then chốt của quá trình sản xuất là thiết kế và gia công Lập QTCN giải quyết vấn đề lựa chọn các quá trình sản xuất cần thiết, lựa chọn thiết bị gia công và dụng cụ cắt hợp lý, thiết lập thứ tự gia công để biến ý tưởng của nhà thiết kế thành những sản phẩm hiện hữu một cách kinh tế và có hiệu quả Trong các nhà máy gia công cơ khí ở Việt Nam hiện nay, đa phần các công việc này đều được tiến hành thủ công Khi lập QTCN thủ công, người kỹ sư phải mất nhiều thời gian để tra cứu sổ tay, tính toán, lựa chọn và ra quyết định cũng như chuẩn bị các tài liệu thiết kế Công việc này
càng khó khăn, tốn nhiều thời gian và công sức khi mà số lượng
và chủng loại của các trang thiết bị đặc biệt là dụng cụ cắt ngày càng lớn và thường xuyên có sự biến động về số lượng Hơn nữa, trong lập QTCN thủ công thì chất lượng thiết kế phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế Chính sự khác nhau giữa các thế hệ kỹ sư với các kinh nghiệm không đồng đều cũng làm cho
chất lượng của QTCN không ổn định Mặt khác, trong thiết kế
QTCN bên cạnh những công việc đòi hỏi tư duy và tri thức của con
người còn có những công việc nhàm chán mất nhiều thời gian
Chính vì vậy, nhu cầu có một hệ thống hỗ trợ thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP) là hết sức cần thiết để có thể tận dụng khả năng tính toán, xử lý và truy xuất nhanh của máy tính với tư duy và tri thức của con người cho phép rút ngắn thời gian thiết lập QTCN
Trong nền sản xuất hiện đại, mặc dù được coi là cầu nối giữa CAD
và CAM nhưng CAPP phức tạp và khó khăn hơn nhiều và chưa bắt kịp được sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ CAD/CAM
Thực tế cho thấy rằng, hiện nay các phần mềm thương mại CAD/CAM được phát triển rất mạnh bởi nhiều hãng như Autodesk, Dassault System, Siemens v.v nhưng chưa phát triển được một mô-đun phần mềm CAPP thương mại thực sự do tính chất đa dạng
và phức tạp của CAPP Trong bối cảnh như vậy, nghiên cứu phát triển hệ thống hỗ trợ thiết kế QTCN bằng máy tính có một ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn Đó cũng chính là lý do cơ bản mà
nghiên cứu sinh (NCS) cùng tập thể hướng dẫn đã lựa chọn đề tài
Trang 5của luận án là: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC’’
2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu cuối cùng của đề tài là xây dựng một hệ thống trợ giúp thiết lập quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC bằng máy tính, cho phép hình thành các phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công trực tiếp từ mô hình vật thể rắn 3D thiết kế trong phần mềm CAD thương mại
3 Nội dung của luận án
(1) Xây dựng phương pháp nhận dạng các đối tượng gia công trên cơ sở các đối tượng tạo hình trực tiếp trong phần mềm CAD thương mại
(2) Xây dựng phương pháp lựa chọn trang bị công nghệ bao gồm máy, dụng cụ cắt và phương pháp thiết lập thứ tự gia công trên cơ
sở dữ liệu (CSDL) thay đổi linh hoạt
(3) Xây dựng giao diện tích hợp CAD-CAPP thử nghiệm với nhiều chi tiết và cho phép ứng dụng trong thực tế sản xuất
Đối tượng nghiên cứu: Các chi tiết gia công trên máy
phay/khoan CNC
Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn ở các chi tiết gia công trên máy
phay/khoan CNC 3D Chi tiết gia công được thiết kế trong phần mềm SolidWorks với đầy đủ yêu cầu kỹ thuật Trợ giúp thiết kế QTCN trong một số khâu cơ bản để hình thành phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công chỉ rõ các lựa chọn máy, dụng cụ cắt, hướng tiếp
cận dụng cụ, chế độ cắt và trình tự gia công
Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết chủ yếu được sử dụng để xây dựng phương pháp trợ giúp thiết lập QTCN gia công các chi tiết bằng máy tính Giao diện tích hợp CAD-CAPP được xây dựng để kiểm nghiệm phương pháp và thuật toán Một số thử nghiệm thực
tế được tiến hành để thu thập CSDL, kiểm chứng và hiệu chỉnh phương pháp
Trang 65 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
Xây dựng được phương pháp nhận dạng đối tượng gia công mới, cho phép mở rộng ra nhiều loại khác nhau, trực tiếp trong phần mềm CAD thương mại
Xây dựng được phương pháp lựa chọn trang bị công nghệ theo thứ tự ưu tiên trên cơ sở đánh giá đa tiêu chí, gắn kết với những thay đổi linh hoạt của CSDL và phương pháp hình thành thứ tự gia công cho phép rút ngắn thời gian xử lý
Xây dựng được bộ luật nhận dạng đối tượng gia công, phương pháp gia công và lựa chọn dụng cụ cắt làm cơ sở cho việc thiết kế QTCN
Thiết kế được một hệ CSDL cho phép mở rộng và quản lý hiệu quả dữ liệu của quá trình thiết kế QTCN
Ý nghĩa thực tiễn
Giao diện CAD-CAPP (BKCAPP) được viết trên cơ sở kết quả nghiên cứu của luận án có khả năng ứng dụng trong đào tạo, nghiên cứu và thực tế sản xuất
Kết quả nghiên cứu của đề tài đã được kiểm nghiệm trong thực
tế để gia công chi tiết tại Công ty MEKAMIC cho phép giảm thời gian chuẩn bị sản xuất và thời gian gia công, nâng cao khả năng tự động hoá trong nhà máy
6 Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 5 chương cơ bản sau: Chương 1 - Tổng quan về thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP); Chương 2 - Phương pháp nhận diện đối tượng gia công; Chương 3 - Phương pháp lựa chọn trang bị công nghệ và thứ tự nguyên công; Chương
4 - Xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ thiết kế QTCN; Chương 5 -
Xây dựng phần mềm BKCAPP để thiết kế QTCN gia công các chi tiết trên máy phay CNC; Phần cuối cùng là kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài; Tài liệu tham khảo và danh mục các công trình đã công bố
Trang 7CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ QTCN CÓ SỰ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH
1.1 Thiết kế quy trình công nghệ có sự trợ giúp của máy tính (CAPP)
Các phương pháp nhận dạng đối tượng chỉ chủ yếu giới hạn ở các đối tượng dạng cắt 2.5D với khả năng mở rộng sang các dạng đối tượng khác bị hạn chế
Các phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt chưa được đánh giá toàn diện nhiều tiêu chí và không phù hợp với một hệ CSDL lớn bao gồm nhiều chủng loại và kích thước dụng cụ cắt
Các phương pháp thiết lập thứ tự nguyên công còn hạn chế về tính phức tạp của phương pháp và thời gian xử lý
Phương pháp khả sinh kết hợp với khả năng tương tác của con người là xu hướng phát triển của CAPP hiện nay
Những kết luận trên đây là cơ sở khoa học cho việc xác định mục đích, nội dung, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của luận
án “Nghiên cứu xây dựng hệ thống trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC”
Trang 82 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐỐI
TƯỢNG GIA CÔNG
Xuất phát từ dữ liệu đầu vào gồm bốn yếu tố: (1) mô hình vật thể rắn 3D cùng các yêu cầu kỹ thuật cơ bản; (2) thông tin về vật liệu gia công; (3) dạng sản xuất; (4) phương pháp chế tạo phôi và
xử lý nhiệt, thông qua hệ thống thiết lập QTCN sẽ hình thành nên kết quả đầu ra gồm hai phiếu cơ bản là phiếu dụng cụ cắt và phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công Trong sơ đồ tổng thể của hệ thống (Hình 2.1), quá trình trích xuất và nhận dạng gồm ba bước cơ bản: tách biệt, trích xuất và nhận dạng
Bước 3 Nhận dạng các đối tượng gia công bằng các luật nhận dạng
Bước 5 Lựa chọn máy/dao cho từng đối tượng gia công
Bước 5 Lựa chọn máy/dao cho từng đối tượng gia công
Bước 2b Trích xuất các thông tin thiết kế cho mỗi đối tượng tạo hình
Bước 2a Trích xuất các yêu cầu kỹ thuật
Bước 1 Tách biệt thành các đối tượng đơn lẻ
Độ nhám bề mặt
Độ chính xác gia công
Các mặt chuẩn
Máy (Tương ứng với
thư viện máy)
Dụng cụ cắt (Tương
ứng với thư viện dao)
Chế độ cắt
Bước 6 Nhận dạng chính xác phương pháp gia công
Bước 6 Nhận dạng chính xác phương pháp gia công
Kích thước cơ bản Mức độ thô/tinh Phương thức gia công
Bước 7 Thiết lập thứ tự nguyên công
Bước 7 Thiết lập thứ tự nguyên công
Bước 4 Nhận dạng sơ bộ phương pháp gia công
Bước 4 Nhận dạng sơ bộ phương pháp gia công
Bước 2d Trích xuất các đặc tính giao nhau của đối tượng
ĐẦU VÀO
Bước 2c Trích xuất các kích thước cơ bản của đối tượng
Mô hình CAD 3D trong SolidWorks với đầy đủ yêu cầu kỹ thuật
Vật liệu gia công Dạng sản xuất Phương pháp chế tạo phôi và xử lý nhiệt
ĐẦU RA
Phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công Phiếu dụng cụ cắt ĐẦU VÀO
Hình 2.1 Sơ đồ các bước thiết lập quy trình gia công
Trang 92.2 Phân loại các đối tượng gia công
Trong các nghiên cứu trước đây, nhiều dạng đối tượng tạo hình dạng cắt 2.5D [49] đã được xây dựng nhưng chưa nhiều nghiên cứu nào tập trung phân loại các đối tượng tạo hình dạng khối NCS đã phát triển thêm một số dạng đối tượng gia công dạng khối và dạng đảo
2.3 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tượng tạo hình dạng vẽ phác
2.3.1 Quá trình trích xuất dữ liệu với trường hợp đối
2 QUÁ TRÌNH NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG GIA CÔNG
TRÊN CƠ SỞ CÁC LUẬT
3 LƯU DỮ LIỆU VÀO SQL SERVER CHO BƯỚC XỬ LÝ TRONG BKCAPP
Dạng điều kiện bao (CT)
Dạng vát (DT) Dạng đảo (IT) Hướng mở của đối tượng (DM)
+ Phương thức gia
công 2.5D, 3D hay
4D/5D
+ Hốc + Bậc + Rãnh + Khối + Đảo + Khối cơ sở + Lỗ + Đối tượng chuyển tiếp
Đóng/Mở Thông/Kín Hình chữ nhật/Hình tròn/Biên dạng tự do
Vê tròn/Vát mép Ren/Không ren
Hình 2.2 Lược đồ mô tả quá trình nhận dạng đối tượng tạo hình dạng
Dạng điều kiện bao (CT): Trên cơ sở những đối tượng gia công
dạng cắt (nét nghiêng - Hình 2.7) đã được đề cập đến trong các
nghiên cứu trước đây [49], NCS xây dựng thêm một số đối tượng thuộc dạng khối và dạng đảo hay dạng khối và đảo kết hợp như mô
Trang 10tả ở Hình 2.7 Vấn đề mấu chốt trong việc xác định điều kiện bao
là việc xác định đặc tính đóng hay mở của các phần tiếp giáp giữa đối tượng đang xét và đối tượng giao với nó Đặc tính mở của đối tượng là thông tin quan trọng để xác định các hướng tiếp cận dụng
cụ (pTAD)
Kín không thông
Kín thông
Không thông
- hở nhiều hướng
Thông hở
1 hướng
Thông hở 2 hướng
Tự do theo 4 hướng
Tiếp giáp 1 hướng Tiếp giáp 2 hướng
Không thông - hở 1 hướng
Không thông - hở
2 hướng
Cao hơn tự
do theo 4 hướng
Thấp hơn
tự do theo 4 hướng
Cao hơn tiếp giáp 1 hướng
Bằng tiếp giáp 1 hướng
Thấp hơn tiếp giáp 1 hướng
Khối cơ sở
Bằng tự
do theo 4 hướng
Cao hơn tiếp giáp 2 hướng
Thấp hơn tiếp giáp 2 hướng
Hình 2.7 Phân loại các dạng điều kiện bao
Dạng vát (DT): Một đối tượng có thể không bị vát, vát âm, vát
dương hay vát đa cạnh
Dạng đảo (IT): Một đối tượng có thể có hoặc không có đảo Sự
xuất hiện của các đảo sẽ làm thay đổi đặc tính gia công của đối tượng đó
Hướng mở của đối tượng (DM): Hướng mở của đối tượng có
hai dạng là cùng hướng và khác hướng
2.3.2 Quá trình nhận dạng đối tượng gia công từ các đối
tượng tạo hình dạng vẽ phác
Các luật nhận dạng được xây dựng trong Microsoft SQL server dựa trên bảy dữ liệu đã được trích xuất từ các thông tin hình học của đối tượng gia công Hình 2.13 là ví dụ luật nhận dạng đối tượng gia công dạng bậc kín 2.5D từ bảy dữ liệu trích xuất
Trang 112 Loại vẽ phác (hình chữ nhật)
7 Hướng mở đối tượng (cùng hướng)
1 ExtrudeCut (dạng cắt kéo)
Hình 2.13 Nhận dạng đối tượng gia công là bậc kín 2.5D chữ nhật
2.4 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tượng tạo hình dạng thiết lập đặc tính và vị trí
2.4.1 Quá trình trích xuất đối tượng tạo hình dạng lỗ
Mỗi lỗ (HoleWzd) có một đặc trưng cho kiểu lỗ khác nhau và
25 kích thước khác nhau liên quan đến thông số hình học của lỗ
Số lượng và đặc điểm của các kích thước khác 0 sẽ là cơ sở để nhận dạng các đối tượng gia công
2.4.2 Quá trình nhận dạng đối tượng tạo hình HoleWzd 2.4.3 Quá trình nhận dạng đối tượng tạo hình dạng
chuyển tiếp
2.5 Quá trình trích xuất và nhận dạng yêu cầu kỹ thuật 2.6 Quá trình nhận dạng các mối quan hệ giữa các đối tượng tạo hình
Kết luận chương 2
Không chỉ trích xuất được các thông tin hình học mà còn cho phép trích xuất các yêu cầu kỹ thuật và các đặc điểm giao nhau giữa các đối tượng
Đã mở rộng việc nhận dạng từ các đối tượng gia công dạng cắt sang dạng khối, dạng đảo và dạng khối đảo kết hợp
Bộ luật nhận dạng được thiết lập và quản lý trong CSDL nên tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng, hiệu chỉnh do đó tăng khả năng tương tác và mở rộng với người sử dụng
Phương pháp nhận dạng theo đối tượng này được tiến hành hoàn toàn tự động tích hợp trong môi trường thiết kế 3D của SolidWorks nên giải quyết được nút thắt cơ bản trong CAPP là dòng tích hợp CAD/CAPP
Trang 123 CHƯƠNG 3 - PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN TRANG BỊ
CÔNG NGHỆ VÀ THỨ TỰ NGUYÊN CÔNG
3.1.1 Phương pháp phân tích thứ bậc (AHP) để lựa chọn
loại dụng cụ cắt
loại dụng cụ cắt
Phương pháp AHP đã được phát triển ở mức cao hơn bằng cách thêm hai tiêu chí lựa chọn đầu tiên cho phép lựa chọn được các phương án loại dụng cụ cắt tương ứng với các dữ liệu đầu vào khác nhau chứ không cố định với chỉ một dữ liệu đầu vào
Lựa chọn dụng cụ cắt tối ưu (Gia công mặt bậc)
Đặc tính hình học
(SC)
Khả năng bóc tách phoi (MRC)
Công suất máy yêu cầu (PR)
Giá thành dụng cụ cắt (TC)
Dao phay ngón
liền khối (SEM)
Dao phay ngón răng chắp cạnh dài 90 (LEM)
Dao phay ngón răng chắp thường 90 (IEM90)
Chất lượng (Qa)
Các chi phí khác (CR)
Dao phay đĩa (SFM)
Độ cứng
vững (SD) Bình thường (No)
Yếu (Li) Nặng (He)
Thô (Ro)
Bán tinh (SF)
Tinh (Fi)
KẾT QUẢ Loại dụng cụ cắt có mức ưu tiên cao nhất
và thứ tự ưu tiên của các loại
Hình 3.2 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt bậc thẳng)
Hình 3.2 là mô hình AHP với trường hợp bậc thẳng Trên cơ sở đánh giá rời rạc các tiêu chí ví dụ như Hình 3.8, phương pháp AHP
sẽ tổng hợp các tiêu chí để có một đánh giá mức độ ưu tiên tổng hợp cho phép lựa chọn một loại dụng cụ cắt tốt hơn như Hình 3.9
Trang 13Phương pháp AHP cũng là cơ sở để thiết lập bộ luật lựa chọn loại dụng cụ cắt theo thứ tự ưu tiên
Hình 3.8 Mức độ ảnh hưởng của các tiêu chí chính
Hình 3.9 Mức độ ưu tiên của các phương án lựa chọn
3.1.2 Lựa chọn các kích thước dụng cụ cắt
Cơ sở để lựa chọn đường kính dụng cụ cắt trong trường hợp này
là khống chế số lượng đường chạy dao tuy nhiên cần hạn chế trường hợp góc ôm toàn bộ dụng cụ cắt Với trường hợp tổng quát
để gia công hốc, các thông số cần xem xét tới được thể hiện trong Bảng 3.6 Toàn bộ các kích thước nêu trong bảng đã được trích
Dao phay ngón răng chắp cạnh ngắn
Dao phay đĩa
0.2809
0.2527
0.2961
0.1784
Trang 14xuất trong quá trình nhận dạng đối tượng gia công dạng hốc 2.5D
Số lượng trong bộ dụng cụ cắt gia công hốc tùy thuộc vào sự tương quan và sai khác giữa các kích thước tạo hình của hốc
Xác định DF: Đường kính của dụng cụ cắt lần cuối
(nếu cần)
𝐷𝑆𝐹 = 𝑘𝑆𝐹×𝑅𝑅𝑚𝑖𝑛
Bảng 3.6 Các loại kích thước cơ bản của hốc
STT Kí hiệu Loại kích thước
1 Rs Bán kính góc lượn nhỏ nhất theo mặt cạnh
2 Rb Bán kính góc lượn nhỏ nhất theo mặt đáy
3 Ds Khoảng vát nhỏ nhất theo mặt cạnh
4 Db Khoảng vát nhỏ nhất theo mặt đáy
5 Dos Khoảng cách nhỏ nhất giữa các mặt hở
6 Dsi Khoảng cách nhỏ nhất giữa mặt cạnh hốc và mặt
cạnh đảo
7 Dii Khoảng cách nhỏ nhất giữa hai đảo
8 Dss Bề rộng nhỏ nhất của hốc
9 Msi Khoảng cách lớn nhất giữa mặt hốc và mặt cạnh đảo
10 Aos Khoảng cách trung bình giữa các mặt hở
11 Am Góc nhỏ nhất hợp giữa các mặt cạnh