Tài liệu Nghiên cứu xây dựng phương pháp phản chuyển từ các hình chiếu cơ bản thành mô hình 3d ứng dụng cho các hệ cadcam cơ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG LONG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP PHẢN CHUYỂN TỪ CÁC HÌNH CHIẾU CƠ BẢN THÀNH MÔ HÌNH 3D ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ CAD/CAM CƠ KHÍ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 62520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TSKH. Bành Tiến Long Hà Nội - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh GS. TSKH. Bành Tiến Long Hoàng Long ii LỜI CẢM ƠN Luận án đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của GS. TSKH. Bành Tiến Long, NCS xin chuyển tới Thầy sự kính trọng và lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới sự định hƣớng, chỉ bảo, động viên, chia xẻ quý giá nhƣ một nguồn năng lƣợng dồi dào mỗi khi NCS gặp phải khó khăn trên chặng đƣờng nghiên cứu. NCS xin bày tỏ sự biết ơn to lớn đến tập thể giảng viên bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp, nơi mà PGS. Trịnh Minh Tứ, PGS. Trần Thế Lục - những ngƣời Thầy đã bạc tóc vì sự nghiệp đào tạo bao thế hệ NCS nhƣ chúng tôi và luôn dành cho tôi sự chỉ giáo, quan tâm và tin tƣởng, nơi mà PGS. Bùi Ngọc Tuyên, PGS. Nguyễn Đức Toàn luôn bên cạnh và cho tôi những ý kiến đánh giá khách quan và sáng suốt, giúp cho NCS vững vàng trong trình diễn các sản phẩm nghiên cứu của bản thân. Tôi xin biểu lộ sự biết ơn đến Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí, bộ môn Hình hoạ Vẽ kỹ thuật - ĐHBK Hà nội luôn tạo mọi điều kiện để tôi thực hiện tốt đề tài nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, mẹ, vợ, anh chị em và các con tôi luôn bên cạnh tôi những giây phút khó khăn nhất! Tôi cũng muốn chuyển lời cảm ơn đến Viện Ngoại Ngữ kỹ thuật, cô Thái Hà và anh chị em NCS lớp B2 đã cùng tôi trong những ngày hè nóng bỏng để có đƣợc những kỹ năng tiếng Anh hết sức cần thiết cho nghiên cứu và đặc biệt là bạn Hoàng Tiến Dũng đã hỗ trợ tôi thực nghiệm gia công cơ khí trên CNC. Tôi muốn cảm ơn tất cả! iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.......................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................... viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHẢN CHUYỂN .............. 4 1.1 Biểu diễn (representation) trên máy tính của vật thể........................................................4 1.1.1 Biểu diễn biên ..............................................................................................................4 1.1.2 Biểu diễn CSG (Constructive solid Geometry) .........................................................5 1.2 Các phƣơng pháp phản chuyển 3D từ bản vẽ kỹ thuật ....................................................6 1.2.1 Phƣơng pháp phản chuyển từ một hình chiếu [39] ....................................................6 1.2.2 Phƣơng pháp phản chuyển từ nhiều hình chiếu ..........................................................8 1.2.3 Tóm tắt đánh giá các công trình nghiên cứu về phản chuyển .................................19 Kết luận chƣơng 1 ......................................................................................................................21 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP PHẢN CHUYỂN ................ 22 2.1. Các định nghĩa cơ bản .......................................................................................................22 2.2 Phƣơng pháp phản chuyển dựa trên mô hình B-Rep điển hình .....................................23 2.2.1 Kiểm tra dữ liệu đầu vào ..............................................................................................24 2.2.2 Tạo đỉnh giả định ..........................................................................................................25 2.2.3 Tạo cạnh giả định ..........................................................................................................27 2.2.4 Tạo mặt giả định ...........................................................................................................32 2.2.5 Xây dựng các khối giả định .........................................................................................37 2.2.6 Ra quyết định.................................................................................................................40 Kết luận chƣơng 2 ......................................................................................................................41 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP PHẢN CHUYỂN ................ 42 3.1 Định nghĩa một số đối tƣợng ..............................................................................................42 3.1.1 Định nghĩa trong 3D ....................................................................................................43 3.1.2 Định nghĩa trong 2D ....................................................................................................43 3.2 Mô hình hoá vấn đề phản chuyển dựa trên B-Rep. .........................................................44 3.3 Tổ chức cơ sở dữ liệu 2D ....................................................................................................46 3.3.1 Dữ liệu Node .................................................................................................................46 iv 3.3.2 Dữ liệu phân đoạn và đƣờng ......................................................................................46 3.3.3 Dữ liệu vùng .................................................................................................................47 3.4 Tạo mô hình khung dây giả định .......................................................................................47 3.4.1 Xác định đỉnh giả định .................................................................................................47 3.4.2 Xác định cạnh giả định.................................................................................................48 3.5 Xác định mặt giả định..........................................................................................................50 3.5.1 Xác định mặt chiếu giả định ......................................................................................50 3.5.2. Xác định mặt trụ giả định ...........................................................................................55 3.5.3 Xác định mặt nón (tròn xoay) giả định ......................................................................55 3.6. Loại bỏ các đối tƣợng sai ...................................................................................................56 3.7 Tạo Solid ...............................................................................................................................62 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................................................64 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ......................................... 65 4.1 Mẫu 1- đa diện ......................................................................................................................67 4.1.1 Bản vẽ 2D đầu vào ........................................................................................................67 4.1.2 Kết quả tạo cơ sở dữ liệu 2D .......................................................................................68 4.1.3 Kết quả tạo cạnh và đỉnh giả định- phân tích yếu tố “ma” ......................................69 4.1.4 Kết quả tạo mặt giả định ..............................................................................................72 4.1.5 Quá trình hình thành Solid kết quả .............................................................................73 4.2 Mẫu 2- Vật thể có chứa mặt trụ..........................................................................................75 4.2.1 Bản vẽ 2D đầu vào ........................................................................................................75 4.2.2 Các bƣớc trong quá trình tạo Solid kết quả ...............................................................76 4.3 Mẫu 3- Đa diện phức tạp....................................................................................................78 4.3.1 Bản vẽ 2D đầu vào ........................................................................................................78 4.3.2 Quá trình tạo Solid kết quả .........................................................................................79 4.4 Mẫu 4- Đề thi vẽ kỹ thuật ..................................................................................................81 4.4.1 Bản vẽ 2D đầu vào ........................................................................................................81 4.4.2. Quá trình tạo Solid Kết quả. .......................................................................................82 4.5. Mẫu 5- Đề thi Vẽ kỹ thuật .................................................................................................84 4.5.1. Bản vẽ 2D đầu vào.......................................................................................................84 4.5.2 Quá trình tạo Solid kết quả ..........................................................................................85 4.6 Mẫu 6 Đề thi Vẽ kỹ thuật ....................................................................................................87 4.6.1 Bản vẽ 2D đầu vào ........................................................................................................87 4.6.2. Quá trình tạo Solid kết quả .........................................................................................88 4.7 Mẫu 7- Bài tập vẽ kỹ thuật..................................................................................................90 4.7.1 Bản vẽ 2D đầu vào ........................................................................................................90 v 4.7.2 Solid kết quả ..................................................................................................................91 4.8 Mẫu 8- Vật thể chứa nón và trụ (mở rộng cho mặt tròn xoay) ......................................93 4.8.1 Bản vẽ 2D đầu vào ........................................................................................................93 4.8.2 Solid kết quả ..................................................................................................................93 4.9. Mẫu 9- Chi tiết kỹ thuật thực tế ........................................................................................95 4.9.1 Bản vẽ 2D đầu vào ........................................................................................................95 4.9.2 Solid kết quả ..................................................................................................................96 4.10 Thực nghiệm ứng dụng dữ liệu phản chuyển 3D trong cơ khí ...................................97 4.10.1 Kết xuất dữ liệu phản chuyển cho các hệ CAD/CAM Cơ khí ..............................97 4.10.2 Sử dụng mô hình phản chuyển trong công tác thiết kế .........................................98 4.10.3 Tạo dữ liệu cho hệ thống điều khiển in 3D từ mô hình phản chuyển 3D .........100 4.10.4 Thực nghiệm gia công cơ khí và đo lƣờng với công nghệ CAD/CAM/CNC .100 Thảo luận tổng hợp ...................................................................................................................115 Kết luận chƣơng 4 ....................................................................................................................118 KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 119 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................. 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 126 PHỤ LỤC 1. Chƣơng trình con tạo Solid ........................................................................ 127 PHỤ LỤC 2. Gia công chi tiết mẫu 08c ............................................................................ 135 PHỤ LỤC 3. Kết quả đo sai lệch biên dạng chi tiết 08b ................................................... 141 PHỤ LỤC 4. Kết quả đo sai lệch biên dạng chi tiết 08c ................................................... 144 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích ý nghĩa 3D Three-dimensional – Ba chiều 2D Two-dimensional – Hai chiều ADSRX AutoCAD Develoment System Runtime eXtension – Thƣ viện kết nối với ngôn ngữ Visual C để khai thác các lệnh và cơ sở dữ liệu của Auto_CAD R14 B-Rep Boundary Representation – Biểu diễn biên C Candidate - ứng viên (dùng trong mô hình 3D giả định) CA Computer Aided – Có sự trợ giúp của máy tính CAD Computer Aided Design – Thiết kế với sự hỗ trợ của máy tính CAE Computer Aided Engineering – Phân tích tính toán kỹ thuật với sự hỗ trợ của máy tính CAM Computer Aided Manufacturing – Gia công với sự hỗ trợ của máy tính CAQ Computer Aided Qualify – Kiểm tra sai lệch với sự hỗ trợ của máy tính CNC Computer Numerical Control - Điều khiển số bởi máy tính CSG Constructive Solid Geometry – Hình học vật rắn có cấu trúc DXF Drawing Exchange Format – Dạng dữ liệu trao đổi bản vẽ giữa các hệ CAD IGES Initial Graphics Exchange Specification – Một dạng chuẩn dữ liệu CAD 3D SAT Standard ACIS Text – Một dạng chuẩn dữ liệu dạng văn bản CAD 3D Ký hiệu Giải thích ý nghĩa O(n) Hàm đánh giá độ phức tạp thuật toán theo số lƣợng dữ liệu n ∂f Biên của một mặt f ∂O Biên của một vật thể O/P Phép chiếu đối tƣợng O lên mặt phẳng P V(O) Tập các đỉnh của đối tƣợng O E(O) Tập các cạnh của đối tƣợng O vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tóm tắt đánh giá các phƣơng pháp phản chuyển tiêu biểu trên thế giới ............ 20 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật cánh tay Rô-bốt .................................................................. 102 Bảng 4.2 Phân bố sai lệch biên dạng 3D của chi tiết 08b ............................................... 111 Bảng 4.3 Phân bố sai lệch biên dạng 3D của chi tiết mẫu 08c ........................................ 113 Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả thực nghiệm phản chuyển và ứng dụng .............................. 115 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 a) Mô hình khung dây; b) Mô hình mặt; c) Mô hình B-Rep có cấu trúc [9] .......... 5 Hình 1.2 Biểu diễn CSG: a) Các khối cơ bản, b) Mô hình kết quả [9] .............................. 6 Hình 1.3 Biểu diễn khuôn: a) khuôn và quỹ đạo; b) Mô hình kết quả [9]............................ 6 Hình 1.4 a) Ba hình chiếu; b) Mô hình giả định; c) Mô hình kết quả [18]........................... 9 Hình 1.5 a) Mô hình khung dây; b) Các mặt giả định; c) Các khối giả định [38] .............. 10 Hinh 1.6 Tạo hình chiếu thứ ba để phát hiện thêm những cạnh cong [8] ........................... 11 Hinh 1.7 Kết quả phản chuyển trong công trình [42] .......................................................... 12 Hình 1.8 Bản vẽ không chính xác và kết quả phản chuyển trong công trình[37] ............... 13 Hình 1.9 Kết quả phản chuyển trong công trình [22] ......................................................... 13 Hình 1.10 Kết quả phản chuyển trong công trình [12] ........................................................ 14 Hình 1.11 Kết quả phản chuyển trong công trình [15] ....................................................... 15 Hình 1.12 Kết quả phản chuyển trong công trình [4]: ........................................................ 15 Hình 1.13 Kết quả phản chuyển trong công trình [21] ....................................................... 16 Hình 1.14 Phƣơng pháp phản chuyển CSG trong công trình [23] ...................................... 16 Hình 1-15 Quá trình phản chuyển trong công trình [3] ....................................................... 17 Hình 1-16 Kết quả phản chuyển trong công trình [36]........................................................ 17 Hình 2.1 Các bƣớc trong phƣơng pháp phản chuyển mô hình 3D dựa trên Brep .............. 24 Hình 2.2 Các kiểu đỉnh 2D [34] .......................................................................................... 25 Hình 2.3 Một đỉnh loại I và một đỉnh loại II [30] ................................................................ 26 Hình 2.4 Xây dựng một đỉnh ứng viên từ các đỉnh 2D ...................................................... 26 Hình 2.5 Một thí dụ về sự chiếu lại của một cạnh tiêu chuẩn [30]...................................... 27 Hình 2.6 Một cấu trúc dữ liệu trừu tƣợng để tăng tốc độ tạo cạnh giả định [30] ............... 28 Hình 2.7 Hình chiếu của một cạnh bóng [30]...................................................................... 29 Hình 2.8 Các cạnh tiếp xúc [30] .......................................................................................... 30 viii Hình 2.9 Cạnh giao nhau [30] ............................................................................................. 30 Hình 2.10 Việc tạo ra một đỉnh loại II [30] ......................................................................... 31 Hình 2.11 Một cấu trúc dữ liệu trừu tƣợng để giảm bớt số lần kiểm tra giao các cạnh ...... 31 Hình 2.12 Xây dựng mặt trụ và mặt fillet [30] ................................................................... 32 Hình 2.13 Điều kiện để một mặt là xuyến [30] .................................................................. 32 Hình 2.14 Sự miêu tả bên trong và bên ngoài của các mặt cong........................................ 33 Hình 2.15 Lựa chọn một cạnh nằm trong vòng cạnh hiện hành [30] .................................. 34 Hình 2.16 Quá trình tăng tốc cho việc xây dựng chuỗi cạnh. ........................................... 35 Hình 2.17 Quá trình xây dựng L1 trong hình 2.16. ............................................................ 36 Hình 2.18 Chèn một cạnh cắt và các mặt phẳng sau khi đƣợc phân chia [30] .................... 37 Hình 2.19 Một ví dụ về các khối giả định của một đối tƣợng [30] ..................................... 37 Hình 2.20 Một ví dụ của sự lựa chọn một mặt liền kề ....................................................... 38 Hình 2.21 Ba kiểu mặt đƣợc dùng trong việc xây dựng khối c [30] ................................... 39 Hình 3.1 Minh hoạ định nghĩa ............................................................................................ 42 Hình 3.2 Các công đoạn trong vấn đề phản chuyển ........................................................... 45 Hình 3.3 Sơ đồ khối thuật toán xác định các đỉnh giả định ................................................ 48 Hình 3.4 Sơ đồ khối thuật toán xác định cạnh giả định ...................................................... 49 Hình 3.5 Sơ đồ khối thuật toán tìm mặt chiếu đứng ........................................................... 51 Hình 3.6 Thuật toán chiếu bằng các cạnh nằm trên một mặt chiếu đứng. .......................... 52 Hình 3.7 Thuật toán xác định các vùng trên hình chiếu bằng của một mặt chiếu đứng ...... 53 Hình 3.8 Thuật toán tìm các cạnh thuộc mặt giả định ......................................................... 54 Hình 3.9 Sơ đồ khối thuật toán loại bỏ các đối tƣợng sai................................................... 56 Hình 3.10 Thuật toán kiểm tra hình chiếu ........................................................................... 60 Hình 3.11 Thuật toán tạo Solid............................................................................................ 63 Hình 4.1 Mô tả cách tạo file ARX hỗ trợ phản chuyển cho AutoCAD ............................... 66 Hình 4.2 Mô tả cách tải chƣơng trình hỗ trợ phản chuyển tự động vào AutoCAD ............ 66 Hình 4.3 Bản vẽ 2 hình chiếu trong công trình [14] ............................................................ 67 Hình 4.4 Mô hình khung dây giả định ................................................................................. 72 Hình 4.5 Quá trình tạo Solid kết quả ................................................................................... 73 Hình 4.6 Solid kết quả ......................................................................................................... 74 Hình 4.7 Bản vẽ 2D đầu vào [4] .......................................................................................... 75 Hình 4.8 Quá trình tạo Solid kết quả ................................................................................... 76 Hình 4.9 Solid kết quả ......................................................................................................... 77 Hình 4.10 Bản vẽ 2D đầu vào.............................................................................................. 78 ix Hình 4.11 Quá trình tạo Solid kết quả ................................................................................. 79 Hình 4.12 Solid kết quả ....................................................................................................... 80 Hình 4.13 Bản vẽ 2D đầu vào.............................................................................................. 81 Hình 4.14 Quá trình tạo Solid kết quả ................................................................................. 82 Hình 4.15 Solid kết quả ....................................................................................................... 83 Hình 4.16 Bản vẽ 2D đầu vào.............................................................................................. 84 Hình 4.17 Quá trình tạo Solid kết quả ................................................................................. 85 Hình 4.18 Solid kết quả ....................................................................................................... 86 Hình 4.19 Bản vẽ 2D đầu vào.............................................................................................. 87 Hình 4.20 Quá trình tạo Solid kết quả ................................................................................. 88 Hình 4.21 Solid kết quả ....................................................................................................... 89 Hình 4.22 Bản vẽ 2D đầu vào.............................................................................................. 90 Hình 4.23 Solid kết quả ....................................................................................................... 91 Hình 4.24 Solid kết quả phản chuyển nửa hình chiếu ......................................................... 92 Hình 4.25 Bản vẽ 2D đầu vào.............................................................................................. 93 Hình 4.26 Quá trình tạo Solid.............................................................................................. 93 Hình 4.27 Solid kết quả ....................................................................................................... 94 Hình 4.28 Solid kết quả mở rộng với đƣờng sinh cong...................................................... 94 Hình 4.29 Bản vẽ 2D đầu vào.............................................................................................. 95 Hình 4.30 Quá trình tạo Solid.............................................................................................. 96 Hình 4.31 Solid kết quả ....................................................................................................... 96 Hình 4.32 Kết xuất dữ liệu phản chuyển cho các hệ CAD/CAM cơ khí ............................ 97 Hình 4.33 Mở File phản chuyển trong Inventor .................................................................. 98 Hình 4.34 Hiệu chỉnh, bổ sung thiết kế trong Inventor ....................................................... 98 Hình 4.35 Kiểm định độ chính xác của mô hình phản chuyển 3D - mẫu 4........................ 99 Hình 4.36 Kiểm định độ chính xác của mô hình phản chuyển 3D - mẫu 5........................ 99 Hình 4.37 Điều khiển chế tạo trên máy in 3D trong Inventor ........................................... 100 Hình 4.38 Sơ đồ ứng dụng dữ liệu phản chuyển 3D trong gia công và đo lƣờng ............. 100 Hình 4.39 Bản vẽ 2D của chi tiết (mẫu 8b ) sẽ đƣợc gia công ......................................... 101 Hình 4.40 Các thao tác tạo môi trƣờng gia công trên Creo Parametric............................. 102 Hình 4.41 Thao tác đƣa mô hình phản chuyển 3D vào môi trƣờng gia công ................... 102 Hình 4.42 Quá trình tạo phôi tự động ............................................................................... 103 Hình 4.43 Chọn nhóm máy gia công ................................................................................. 104 Hình 4.44 Nguyên công và các bƣớc công nghệ ............................................................... 105 x Hình 4.45 Thông số công nghệ bƣớc phay mặt đáy .......................................................... 105 Hình 4.46 Thông số công nghệ bƣớc phay mặt xung quanh khối đáy .............................. 106 Hình 4.47 Thông số công nghệ bƣớc khoan 4 lỗ 10 ...................................................... 106 Hình 4.48 Thông số công nghệ bƣớc khoan lỗ 18 ......................................................... 106 Hình 4.49 Thông số công nghệ bƣớc phay mặt phẳng nắp chi tiết ................................... 107 Hình 4.50 Thông số công nghệ bƣớc phay thô khối tròn xoay ......................................... 107 Hình 4.51 Thông số công nghệ bƣớc phay tinh khối tròn xoay ........................................ 107 Hình 4.52 Mô tả đƣờng chạy dao của các bƣớc công nghệ trong hai nguyên công .......... 108 Hình 4.53 Máy phay cao tốc CNC HS Super MC500 ....................................................... 108 Hình 4.54 Ảnh chụp ba chi tiết sau khi gia công ............................................................... 109 Hình 4.55 Thiết bị quét 3D của hãng NIKON ................................................................... 110 Hình 4.56 Hình ảnh của chi tiết mẫu 08b sau khi quét 3D ................................................ 110 Hình 4.57 Sai lệch biên dạng thể hiện qua màu sắc của chi tiết 08b ................................. 111 Hình 4.58 Biểu đồ phân bố sai lệch biên dạng của chi tiết 08b......................................... 112 Hình 4.59 Sai lệch biên dạng thể hiện qua màu sắc của chi tiết mẫu 08c ......................... 113 xi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Bản vẽ kỹ thuật cơ khí đã đƣợc sử dụng nhƣ một ngôn ngữ chuẩn để mô tả máy móc, thiết bị và chi tiết máy trong quá trình thiết kế và chế tạo cơ khí kể từ thế kỷ 19 và vẫn đang đóng một vai trò thiết yếu trong thực tiễn kỹ thuật ngày nay. Hầu hết các sản phẩm hiện tại đang đƣợc biểu diễn và lƣu trữ bằng bản vẽ kỹ thuật. Nhƣng ngày nay, mô hình hoá 3D (Dimension - chiều) đƣợc tạo ra bởi các hệ CAD/CAM (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing – thiết kế và gia công với sự trợ giúp của máy tính) hiện đại đang hết sức phổ biến trong cơ khí, và các mô hình 3D này là cần thiết đối với hàng loạt kỹ thuật phát triển với sự hỗ trợ máy tính, chẳng hạn nhƣ phân tích phần tử hữu hạn, mô phỏng lắp ráp, động học, động lực học, gia công điều khiển số, quan sát trực quan v.v. Đáng tiếc là các thông tin có được trong các bản vẽ 2D không thể sử dụng trực tiếp trong các hệ thống CAD 3D. Ngoài ra, việc thiết kế mới mô hình 3D một cách trực tiếp trên các hệ thống CAD 3D cũng gặp phải những bất lợi đáng kể và là không dễ cho mọi đối tƣợng đặc biệt là những kỹ sƣ lâu năm. Do đó, việc chuyển đổi tự động bản vẽ kỹ thuật thành mô hình CAD 3D là rất cần thiết. Vì vậy, nhiều công ty nƣớc ngoài chẳng hạn Nipon của Nhật đang tuyển dụng và sử dụng các kỹ sƣ của chúng ta chỉ để vẽ lại mô hình 3D từ bản vẽ 2D, đấy cũng là tình hình chung trên thế giới khi mà nền cơ khí hiện đại gắn liền với các hệ CA (Computer Aided – trợ giúp máy tính) luôn đòi hỏi mô hình thiết kế 3D trong khi vẫn còn và sẽ còn tồn tại nhiều bản thiết kế 2D. Tóm lại sự tồn tại mang tính tự nhiên và lịch sử của cả hai dạng thiết kế 2D và 3D đòi hỏi có một cầu nối giữa chúng. Nếu nhƣ chiều nối từ 3D sang 2D là tƣơng đối dễ dàng mà mọi phần mềm CAD/CAM đều đạt đƣợc (AutoCAD 12- 1990 đã thực hiện tốt) thì chiều ngƣợc lại, 2D sang 3D, là hết sức khó khăn. Nhu cầu có đƣợc một “chiếc cầu” hai chiều nối liền hai mô hình thiết kế đƣợc đặt ra hết sức tự nhiên và cấp thiết trong khoa học kỹ thuật và đƣợc minh chứng bằng hàng loạt công trình khoa học quốc tế suốt hơn nửa thế kỷ vừa qua nhƣng cho đến nay, những kết quả đạt đƣợc còn khá nhiều vấn đề tồn tại (nhƣ miền đối tượng cho phép phản chuyển còn khá hẹp, cần nhiều hình chiếu trên bản vẽ 2D …) nên chưa có một phần mềm nào trên thực tế thực hiện tốt chiều ngƣợc lại và đó chính là lý do NCS, sau khi đƣợc sự đồng ý của GS hƣớng dẫn, đã lựa chọn đề tài của luận án là: “ Nghiên cứu xây dựng phương pháp phản chuyển từ các hình chiếu cơ bản thành mô hình 3D ứng dụng cho các hệ CAD/CAM Cơ Khí ” 1 Mục đích của đề tài Mục đích cuối cùng của đề tài là để có đƣợc công cụ hỗ trợ cho công tác thiết kế 3D dựa trên các bản thiết kế 2D có sẵn hoặc thiết kế mới 3D theo phƣơng pháp thuận tiện và mềm dẻo hơn, từ đó làm chủ cơ sở dữ liệu hình học 3D của đối tƣợng thiết kế để cung cấp cho quá trình chế tạo, đo lường và những ứng dụng phong phú khác trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí với công nghệ CA. Nội dung của luận án - Xây dựng phương pháp phản chuyển dựa trên mô hình B-Rep (Boundary Representation) từ hai hình chiếu cơ bản của những chi tiết kỹ thuật phổ biến. - Xây dựng công cụ thực nghiệm và thực nghiệm phản chuyển trên nhiều mẫu để kiểm định độ tin cậy, cũng nhƣ hiệu chỉnh hoàn thiện phƣơng pháp phản chuyển đề xuất. - Thực nghiệm ứng dụng mô hình phản chuyển 3D trong gia công cơ khí và đo lƣờng với công nghệ CAD/CAM/CNC/CAQ (CNC - Computer Numerical Control – điều khiển số bởi máy tính; CAQ - Computer Aided Qualify – đo sai lệch với sự hỗ trợ máy tính). Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống phản chuyển tự động từ các hình chiếu cơ bản thành mô hình 3D. - Phạm vi nghiên cứu của luận án: Bản vẽ 2D trên thực tế bao gồm nhiều thành phần: Hình chiếu cơ bản, hình cắt, mặt cắt, hình chiếu phụ, hình trích, kích thƣớc... Trong luận án, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu chi tiết về quá trình phản chuyển từ bản vẽ chi tiết máy đƣợc biểu diễn chính xác bởi hai hình chiếu đứng và bằng (có đủ nét khuất) của các chi tiết kỹ thuật phổ biến đƣợc bao bọc bởi các mặt phẳng, mặt trụ vuông góc với mặt phẳng hình chiếu, mặt nón tròn xoay, mặt xuyến có trục vuông góc với mặt phẳng hình chiếu và mặt cầu. Các bản vẽ này đƣợc tạo ra trên các hệ CAD theo chuẩn DXF (Drawing Exchange Format) bao gồm các phân đoạn thẳng và tròn, loại nét thấy đƣợc đƣa vào Layer (lớp) “0” và loại nét đứt đƣợc đƣa vào Layer “1”, những nét khác đƣợc đƣa vào các Layer tƣơng ứng. Phạm vi nghiên cứu trên không làm mất tính tổng quát và độ mở của hệ thống để có thể tiếp tục phát triển về sau. - Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết (là phƣơng pháp phản chuyển dựa trên mô hình biểu diễn biên) với thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh phƣơng pháp. 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - những đóng góp mới của luận án Ý nghĩa khoa học: Phương pháp phản chuyển được tìm ra và đề xuất là một trong số rất ít phƣơng pháp phản chuyển trên thế giới dựa trên biểu diễn B-Rep chỉ từ hai hình chiếu mà phản chuyển thành công cho hàng loạt mẫu đối tƣợng khá phức tạp về loại mặt (bao gồm cả mặt tròn xoay nhƣ nón, cầu , xuyến), về giao tuyến và cấu trúc hình học của vật thể (các khối xuyên nhau tạo nên những cấu trúc tô-pô đặc biệt), trong đó chứa đựng những giải pháp mới nhƣ loại bỏ các đối tƣợng sai có sử dụng thông tin thấy khuất trên hình chiếu, kiểm tra điều kiện tô-pô theo vùng, dùng mặt phẳng cạnh để chia cắt hình chiếu nhằm tăng tốc độ phản chuyển... Phƣơng pháp phản chuyển đề xuất đã đƣợc kiểm chứng qua 9 mẫu thử nghiệm và đều đạt độ chính xác của mô hình 3D so với bản vẽ 2D là 100%. Ý nghĩa thực tiễn: Xây dựng thành công công cụ thực nghiệm phản chuyển là một phần mềm viết bằng ngôn ngữ Visual C hơn 4500 dòng lệnh, hỗ trợ cho AutoCAD phản chuyển tự động các bản vẽ hai hình chiếu thành mô hình Solid 3D cung cấp cho những ứng dụng trong lĩnh vực Kỹ thuật Cơ khí trên những hệ thống CAD/CAM tiên tiến. Thực nghiệm phản chuyển trên 9 mẫu, thực nghiệm gia công cơ khí và đo lường 3 chi tiết từ mô hình phản chuyển 3D đã cho ra những số liệu thực tế phản ánh độ chính xác mô hình phản chuyển 3D là tuyệt đối, độ chính xác của biên dạng chi tiết sau gia công khá cao (0,018 và 0,056 mm). Kết quả thực nghiệm đó đã khẳng định độ tin cậy, tính khả thi của phƣơng pháp phản chuyển đề xuất cũng nhƣ mở ra khả năng ứng dụng của nó trong Kỹ thuật Cơ khí với công nghệ CA. Luận án đƣợc trình bày trong 126 trang chia thành bốn chƣơng có nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu phản chuyển, chỉ ra những ƣu điểm và tồn tại nhằm định hƣớng nghiên cứu cho đề tài. Chƣơng 2: Trình bày cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp phản chuyển từ nhiều hình chiếu dựa trên biểu diễn B-Rep để làm cơ sở lý luận cho phƣơng pháp NCS đề xuất. Chƣơng 3: Nghiên cứu đề xuất phƣơng pháp phản chuyển, là một phƣơng pháp dựa trên biểu diễn B-Rep từ hai hình chiếu cơ bản. Phƣơng pháp đƣợc trình bày hướng thực tiễn và đủ chi tiết cho việc áp dụng để tạo ra công cụ phản chuyển trên AutoCAD. Chƣơng 4: Trình bày kết quả thực nghiệm phản chuyển trên chín mẫu. Phân tích, thảo luận làm sáng tỏ và hoàn thiện phƣơng pháp phản chuyển đề xuất. Ngoài ra, còn trình bày thực nghiệm ứng dụng kết quả phản chuyển trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí. Phần cuối cùng là những kết luận và đề xuất hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHẢN CHUYỂN Chƣơng này khảo sát các công trình khoa học trên thế giới liên quan đến vấn đề phản chuyển tự động trên máy tính từ file bản vẽ kỹ thuật 2D thành mô hình 3D (trong nước, trước đây, chưa có công trình khoa học nào về lĩnh vực này). Công việc khảo sát tìm hiểu đặc trƣng về phƣơng pháp, kết quả đạt đƣợc và những tồn tại của các công trình nghiên cứu, từ đó đặt ra những định hƣớng cho luận án. Những khái niệm đƣợc đƣa ra trong phần 1.1 có liên quan đến việc khảo sát đánh giá các công trình nghiên cứu về phản chuyển đƣợc trình bày trong phần 1.2. 1.1 Biểu diễn (representation) trên máy tính của vật thể Mô hình hình học của một đối tƣợng thực là tập hợp các thông tin về một đối tƣợng mà có thể xác định đầy đủ các tính chất hình học nhƣ hình dạng, kích thƣớc, hƣớng và vị trí của các thành phần tạo nên đối tƣợng. Một phƣơng pháp thống nhất để mô tả vật thể là không thể có đƣợc. Các mô hình phải đáp ứng các yêu cầu rất khác nhau và đôi khi thậm chí đối kháng. Mô hình cần đơn giản, dễ xây dựng và sửa đổi. Tuy nhiên, các chƣơng trình trên máy tính đòi hỏi rất nhiều thông tin trung gian dành cho việc tính toán các thuộc tính tĩnh và động, thí dụ thông tin hình học dùng trong thuật toán chiếu. Mặt khác, cấu trúc dữ liệu nên tổ chức khoa học để có thể xử lý trong thời gian hợp lý. Nhiều tác giả giải quyết các vấn đề về cấu trúc dữ liệu cho biểu diễn [17], [28], [31]. 1.1.1 Biểu diễn biên Bằng cách này, các vật thể đƣợc biểu diễn dựa trên sự mô tả của các đối tƣợng biên do đó đƣợc viết tắt bằng chữ B-Rep (Boundary Representation). Các cấp độ của biểu diễn biên nhƣ sau: - Biểu diễn cạnh, đỉnh Đây là cách biểu diễn ít thông tin nhất và đơn giản nhất của vật thể dựa trên sự mô tả các cạnh và các đỉnh của một đối tƣợng thực sự. Nó tạo nên một mô hình khung dây (wireframe), là mô hình biểu diễn thiếu tƣờng minh (xem hình 1.1 a). - Biểu diễn bề mặt đơn giản 4 Mô hình bề mặt sao chép vỏ của đối tƣợng. Mỗi bề mặt đƣợc xây dựng chỉ bởi danh sách các đỉnh, cạnh. Các đối tƣợng đƣợc vẽ ra rõ ràng và có thể mô tả, nhƣng nó có rất ít thông tin tô-pô để xử lý tiếp (xem hình 1.1 b). Hình 1.1 a)Mô hình khung dây; b) Mô hình mặt; c) Mô hình B-Rep có cấu trúc [9] - Biểu diễn B-Rep có cấu trúc Cấu trúc dữ liệu hoàn chỉnh mô tả mô hình B-Rep (xem hình 1.1 c) có đủ thông tin mô tả và thao tác. Nó đƣợc xây dựng từ ba danh sách: ● Danh sách các đỉnh và tọa độ của chúng, ● Danh sách các cạnh với các đỉnh của nó, ● Danh sách các bề mặt với các cạnh của nó. B-Rep đƣợc thiết kế bởi Baumgart (đƣợc gọi là cấu trúc widged-edge) là cấu trúc dữ liệu đƣợc sử dụng nhiều nhất. Vật thể đƣợc mô tả bởi ba danh sách của bề mặt, cạnh và đỉnh. Mỗi cạnh có thông tin tô-pô quan trọng nhất, tức là nó liền kề với bề mặt gì và bốn cạnh nào đƣợc kết nối với các đỉnh của nó. Sự hoàn thiện của dữ liệu trong B-Rep là có thể xác minh bằng quan hệ Euler hoặc Euler-Poincaré [9]. Về cấu trúc widged-edge, có thể nhận thấy những tính năng đặc trƣng của cấu trúc dữ liệu đƣợc sử dụng trong đồ họa 3D. Thông tin hình học đƣợc xây dựng chiếm khoảng 25%, 75% còn lại cung cấp sự mô tả cấu trúc liên kết và có thể xử lý nhanh nhất các thông tin hình học [9]. 1.1.2 Biểu diễn CSG (Constructive Solid Geometry) Trong phƣơng pháp này, mô tả vật thể phức tạp thông qua sự kết hợp của các khối đơn giản bằng các toán tử quan hệ. Nó đƣợc gọi là biểu diễn CSG (Constructive Solid Geometry) và cấu trúc dữ liệu của nó đƣợc xây dựng bằng một cây nhị phân. Các nút diễn 5 tả cho các phép biến đổi 3D (quay, tịnh tiến) hoặc các toán tử Boolean (cộng , trừ và giao). Các khối cơ bản hoặc thông số chuyển vị là các lá của cây. Các khối cơ bản là: lăng trụ, trụ, nón, cầu, xuyến, 2.5D, v.v. Mô tả CSG là rất hiệu quả, nhƣng hầu nhƣ không có thông tin về các bề mặt. Vì vậy nó thƣờng đƣợc kết hợp với cấu trúc dữ liệu B-Rep. Hình 1.2 Biểu diễn CSG: a) Các khối cơ bản, b) Mô hình kết quả [9] 1.1.3 Biểu diễn khuôn (Patterns,xem hình 1.3) Trong việc sử dụng mô hình, vật thể đƣợc mô tả bởi các biên dạng và quỹ đạo chuyển động của biên dạng. Một vật thể nhƣ vậy đƣợc gọi là 2,5D. Theo quỹ đạo, có thể chia thành các dạng sau: ● Khuôn dịch chuyển tịnh tiến (đùn) - quỹ đạo là đoạn thẳng. ● Khuôn quay - quỹ đạo là vòng tròn hoặc một cung tròn. ● Khuôn di chuyển tổng quát - quỹ đạo là đƣờng cong ngẫu nhiên. Đối tƣợng đƣợc xây dựng bởi khuôn đƣợc sử dụng chủ yếu nhƣ là các khối cơ bản trong mô hình CSG hoặc đƣợc chuyển sang dạng mô hình B-Rep. Hình 1.3 Biểu diễn khuôn: a) khuôn và quỹ đạo; b) Mô hình kết quả [9] 6 1.2 Các phƣơng pháp phản chuyển mô hình 3D từ bản vẽ kỹ thuật 1.2.1 Phƣơng pháp phản chuyển từ một hình chiếu [39] Các phƣơng pháp phản chuyển từ một hình chiếu kiểm tra điều kiện đủ và cần thiết trong phản chuyển của một vật rắn 3D từ một hình chiếu duy nhất trong bản vẽ (Cooper, 2005; Martin et al, 2005. Feng et al., 2006; Kyratzi & Sapidus, 2009). Cách tiếp cận này và phần mở rộng của nó không phải là vấn đề phản chuyển theo đúng nghĩa vì thực tế nó không thực hiện bất kỳ quá trình phản chuyển nào cả. Thay vào đó, nó chỉ cung cấp phƣơng án gán nhãn để kiểm tra tính đúng đắn của một bản vẽ hoặc cảm nhận một vật rắn 3D từ bản vẽ 2D. Những cách tiếp cận này không đáp ứng các yêu cầu của các ngành công nghiệp kỹ thuật do độ chính xác kém của chúng. Tuy nhiên, chúng là hữu ích trong việc tạo hình ảnh 3D của bản phác bằng tay. Những phƣơng pháp khác nhau có thể đƣợc chia thành các loại sau (Wang và Grinstein, 1993): i) Phƣơng pháp ghi nhãn mác, ii) Phƣơng pháp không gian Gradient, iii) Phƣơng pháp lập trình tuyến tính, iv) Phƣơng pháp cảm nhận, v) Phƣơng pháp xác định khối cấu thành. Phƣơng pháp ghi nhãn đánh dấu mỗi đƣờng trong một bản vẽ với một trong ba nhãn: lồi, lõm hoặc đóng (Huffman, 1971; Clowes, 1971). Những phƣơng pháp loại này cung cấp điều kiện cần thiết cho một bản vẽ để có thể phản chuyển một vật thể 3D và không thực hiện việc tái tạo 3D. Phƣơng pháp không gian Gradient phát triển một mối quan hệ giữa Gradient của một mặt và độ dốc của một đƣờng trong một bản vẽ (Mackworth, 1973). Cách tiếp cận này đánh dấu các đƣờng có nhãn lồi hoặc lõm tùy thuộc vào độ dốc của nó đối với gradient. Cách tiếp cận này, giống nhƣ phƣơng pháp ghi nhãn, chỉ cung cấp điều kiện cần thiết cho một bản vẽ để có thể phản chuyển một đối tƣợng 3D. Phƣơng pháp lập trình tuyến tính cung cấp các điều kiện cần cũng nhƣ đủ cho phản chuyển của một vật thể 3D từ bản vẽ của nó và cung cấp một hệ thống phƣơng trình tuyến tính để thực hiện đƣợc phản chuyển (Sugihara, 1986). 7 Phƣơng pháp cảm nhận sử dụng đồ thị liền kề cùng với các chƣơng trình ghi nhãn để nhận biết một vật thể 3D từ các đƣờng trong một bản vẽ (Lamb & Bandopadhay, 1990). Cách tiếp cận này có khả năng sửa chữa độ nhấp nhô nhẹ trong bản vẽ đƣờng (line Drawing). Phƣơng pháp xác định khối cấu thành xác định điều kiện phản chuyển một vật thể 3D dựa trên một số khối cấu thành cơ bản (lăng trụ, trụ, cầu) đƣợc xác định trong một bản vẽ đƣờng (Wang & Grinstein, 1989). Do tính kém ứng dụng và kém chính xác của phƣơng pháp phản chuyển dựa trên một hình chiếu, NCS không đi sâu vào phân tích cụ thể các công trình nghiên cứu thuộc nhóm này mà sẽ tập trung vào các hƣớng nghiên cứu sau đây: 1.2.2 Phƣơng pháp phản chuyển từ nhiều hình chiếu Các phƣơng pháp phản chuyển nhiều hình chiếu đã đƣợc phát triển bởi nhiều nhà nghiên cứu và có thể đƣợc phân loại vào hai nhánh chính (dựa trên phƣơng pháp biểu diễn mô hình trung gian trong quá trình phản chuyển): ● Biểu diễn biên (B-Rep), ● Biểu diễn hình học có cấu trúc (CSG). Phƣơng pháp truyền thống và chặt chẽ dựa trên biểu diễn biên B-Rep. Điểm và đƣờng 2D trên các hình chiếu cơ bản đƣợc chuyển thành các đỉnh và cạnh 3D. Các đỉnh, cạnh phải đƣợc kiểm tra và phân loại theo các tiêu chí khác nhau để loại bỏ các đối tƣợng sai. Một mô hình khung dây đƣợc xây dựng và sau đó đƣợc xử lý. Các bề mặt đƣợc tạo ra từ các phân cạnh và sau đó mô hình B-Rep đƣợc tạo ra. Một số khác tiếp cận theo hƣớng CSG. Để xây dựng một mô hình khối 3D, phƣơng pháp phản chuyển sử dụng biểu diễn CSG. Một số phƣơng pháp bắt đầu với một lăng trụ biên và dần dần trừ bớt các khối thừa. Phƣơng pháp hoàn hảo hơn tìm kiếm hình chiếu riêng phần của các khối cơ bản và vật thể đƣợc xây dựng bằng cách “cộng” hoặc “trừ” các khối cơ bản này. Hầu hết các phương pháp dựa trên ba hình chiếu vuông góc. Họ xử lý chỉ thông tin hình học và tô-pô liên quan chặt chẽ với các hình chiếu cơ bản và các dữ liệu khác của bản vẽ là bỏ qua. - Các phương pháp phản chuyển dựa trên B-Rep Idesawa với bài báo của của mình [18] từ năm 1973 đƣợc coi là một ngƣời tiên phong trong vấn đề phản chuyển tự động các đối tƣợng 3D từ các hình chiếu vuông góc 2D. 8