Luận án Tiến sĩ: Tối ưu hóa sơ đồ cắt vật liệu trong một số ngành công nghiệp

ĐẠI HỌCQUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN ĐĂNG BỔNG NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA SƠ ĐỒ CẮT VẬT LIỆU TRONG MỘT SỐ NGÀNH CÔNG NGHIỆP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN ĐĂNG BỔNG NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HÓA SƠ ĐỒ CẮT VẬT LIỆU TRONG MỘT SỐ NGÀNH CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số chuyên ngành: 62.01 Phản biện độc lập 1: PGS.

Trần Thị Thanh Phản biện độc lập 2: PGS. Nguyễn Việt Hùng Phản biện 1: PGS. Hồ Thanh Phong Phản biện 2: PGS. Nguyễn Ngọc Phương Phản biện 3: PGS.

Nguyễn Đình Huy NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Phạm Ngọc Tuấn 2. Nguyễn Thanh Nam LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu. Tác giả luận án __________________________________ Trần Đăng Bổng i LỜI CẢM ƠN Xin trân trọng cảm ơn Bộ môn Chế tạo máy, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, hai thầy hướng dẫn, các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tận tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để luận án được hoàn thành.

ii M ỤC L ỤC trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Bảng ký hiệu vi Bảng các chữ viết tắt vii Danh mục các hình vẽ viii Danh mục các bảng x MỞ ĐẦU xi Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 1 SƠ ĐỒ CẮT VẬT LIỆU TẤM 1.1 Vấn đề sắp xếp sơ đồ cắt vật liệu tấm trong một số ngành công 1 nghiệp 1.1 Vật liệu tấm 1 1.4 Cắt chi tiết trong ngành cơ khí chế tạo 4 1.5 Cắt chi tiết trong ngành giày dép 5 1.6 Cắt chi tiết trong ngành chế biến gỗ 7 1.2 Giới thiệu một số công trình nghiên cứu và ứng dụng sơ đồ cắt 7 1.1 Một số công trình nghiên cứu trên thế giới 7 1.2 Một số phần mềm sắp xếp sơ đồ cắt trên thế giới 14 1.3 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong nước 16 1.4 Một số nhận xét về các công trình nghiên cứu về sơ đồ cắt 17 1.3 Một số vấn đề cần nghiên cứu giải quyết 18 Kết luận chương 1 18 Chương 2: CÁC CƠ SỞ TOÁN HỌC ĐỂ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẮT 19 2.1 Sắp xếp tối ưu hóa sơ đồ cắt 19 2.2 Các thông số hình học của sơ đồ cắt 19 2.1 Các thông số hình học của tấm vật liệu 20 2.2 Các thông số hình học của chi tiết 20 2.3 Các thông số hình học của sơ đồ cắt 22 2.4 Hệ số sử dụng vật liệu 23 2.5 Các dạng sắp xếp một loại chi tiết trên sơ đồ cắt 24 2.1 Sơ đồ cắt chi tiết sắp xếp cùng chiều 24 2.2 Sơ đồ cắt chi tiết sắp xếp ngược chiều 26 2.3 Quy trình giác sơ đồ cắt của người kỹ thuật 27 2.4 Các phép biến đổi hình học hai chiều 30 2.1 Phép tịnh tiến 30 2.2 Phép biến đổi tỷ lệ 30 2.3 Phép quay quanh gốc tọa độ 31 2.5 Đường tựa và hàm tựa 31 2.1 Khái niệm về đường tựa và hàm tựa 31 iii 2.2 Vùng tọa độ cực của chi tiết trên sơ đồ cắt 32 2.3 Giải thuật xác định các khoảng cách tựa 33 2.6 Đường mút và hàm đường mút 35 2.1 Khái niệm đường mút và hàm đường mút 35 2.2 Dựng điều kiện không giao nhau của hai chi tiết 36 2.3 Dựng đường mút cùng chiều và ngược chiều của hai 38 chi tiết 2.4 Giao điểm của hai đường mút 41 2.7 Đếm số lượng chi tiết 44 2.8 Xây dựng mô hình toán học tối ưu cho sơ đồ cắt một loại chi tiết 46 2.1 Sơ đồ cắt theo hệ tịnh tiến song song 46 2.2 Xây dựng mô hình toán học tối ưu cho sơ đồ cắt một 47 loại chi tiết Kết luận chương 2 49 Chương 3: SỐ HÓA ĐƯỜNG BIÊN CHI TIẾT 50 3.1 Yêu cầu về số hóa đường biên chi tiết 50 3.2 Các phương pháp số hóa đường biên chi tiết đã biết 51 3.3 Phương pháp số hóa đề nghị 52 3.1 Ưu điểm của phương pháp số hóa bằng máy quét 53 3.2 Quy trình số hóa bằng máy quét 53 3.3 Quét và lưu ảnh chi tiết 54 3.4 Chuyển ảnh chi tiết về đơn sắc 55 3.5 Quét dòng trích tọa độ điểm trên đường biên chi tiết 56 3.6 Sắp xếp trật tự các điểm trên đường biên 58 3.1 Yêu cầu về sắp xếp trật tự các điểm biên 59 3.2 Xây dựng ma trận véc tơ Mv 59 3.3 Giải thuật sắp xếp trật tự các điểm trên đường biên 61 Kết luận chương 3 64 Chương 4: XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH TOÁN CHO TỐI ƯU 65 HÓA SƠ ĐỒ CẮT 4.1 Mô hình tối ưu hóa sơ đồ cắt một loại chi tiết sắp xếp trên dải 65 4.2 Xây dựng mô hình 66 4.3 Xây dựng giải thuật 68 4.2 Mô hình tối ưu hóa sơ đồ cắt chi tiết sắp xếp trên tấm vật liệu 70 4.2 Mô hình sắp xếp cùng chiều 71 4.1 Mô tả bài toán 71 4.2 Xây dựng mô hình 71 4.3 Xây dựng giải thuật 74 4.3 Mô hình sắp xếp chi tiết ngược chiều 77 4.1 Mô tả bài toán 77 4.2 Xây dựng mô hình 77 4.3 Xây dựng giải thuật 79 iv 4.3 Mô hình sắp xếp sơ đồ cắt có định hướng chi tiết trên tấm vật liệu 81 4.4 Mô hình tối ưu hóa sơ đồ cắt tấm vật liệu dạng cuộn 84 Kết luận chương 4 84 Chương 5: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 85 5.1 Thiết kế và lập trình phần mềm 85 5.2 Giới thiệu phần mềm BK-Nesting 86 5.1 Các yêu cầu về cấu hình của phần mềm 86 5.2 Các yêu cầu về chức năng của phần mềm 86 5.23 Giao diện của phần mềm 87 5.3 Ứng dụng phần mềm 88 5.1 Kiểm thử phần mềm 88 5.2 Ứng dụng phần mềm 89 5.1 Ứng dụng phần mềm tại Công ty CP Đầu tư và Sản 89 xuất giày Thái Bình 5.2 Ứng dụng tại Công ty CP Sản xuất và lắp ráp Ô tô 92 Chu Lai Trường Hải 5.3 Kết quả so sánh với một số công trình nghiên cứu 94 Kết luận chương 5 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐƯỢC CÔNG BỐ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤ LỤC 1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM BK-Nesting PHỤ LỤC 2 KẾT QUẢ KIỂM THỬ PHẦN MỀM BK-Nesting PHỤ LỤC 3 MỘT SỐ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM BKNesting PHỤ LỤC 4 KẾT QUẢ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TẠI DOANH NGHIỆP v BẢNG KÝ HIỆU L Kích thước chiều dài của tấm vật liệu, mm. W Kích thước chiều rộng tấm vật liệu, mm Ω Vùng sắp xếp chi tiết trên tấm vật liệu Ω’ Vùng xác định tọa độ cực chi tiết trên sơ đồ cắt F Diện tích của tấm vật liệu, mm2 S Chi tiết sắp xếp QS Diện tích của chi tiết, mm2 z Khoảng cách chừa giữa hai chi tiết liền kề trên sơ đồ cắt, mm zd Khoảng cách chừa giữa đường biên chi tiết và đường biên dọc, mm zn Khoảng cách chừa giữa đường biên chi tiết và đường biên ngang, mm đ Bước cắt, mm. D Khoảng cách bên ngoài giữa hai đường biên của hai chi tiết theo Ox. d Khoảng cách bên trong giữa hai đường biên của hai chi tiết theo Ox.

Dmax Khoảng cách bên ngoài lớn nhất giữa hai đường biên của hai chi tiết theo trục Ox, mm dmin Khoảng cách bên trong nhỏ nhất giữa hai đường biên của hai chi tiết theo trục Ox, mm lc Kích thước chiều dài của chi tiết theo trục Ox, mm wc Kích thước chiều rộng của chi tiết theo trục Oy, mm ỵ Sai số tính toán, mm ç Hệ số sử dụng vật liệu trong sơ đồ sắp xếp, % ì Hệ số điền đầy, % ƫ Bước dịch của chi tiết n Số lượng chi tiết trong sơ đồ sắp xếp ư Góc tạo bởi đường nối hai cực O1O2 của hai chi tiết S1, S2 và trục OX của hệ trục tọa độ cố định XOY , độ (0) Góc nghiêng của chi tiết so với hệ trục tọa độ cố định xOy, độ (0) Bước góc xoay của chi tiết quanh tọa độ cực của chi tiết, độ (0) Khoảng cách dòng quét, mm G Đường mút của hai chi tiết f() Hàm đường mút H Đường tựa của chi tiết h() Hàm tựa Mv Ma trận véc tơ quay vi BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT HSSDVL Hệ số sử dụng vật liệu HBHCS Hình bình hành cơ sở RGB Red – Green – Blue (mô hình màu: Đỏ – Xanh lá cây – Xanh da trời) CAD/CAM Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing(Thiết kế nhờ máy tính/ Gia công nhờ máy tính) CNC Computer Numerical Control (Điều khiển số bằng máy tính) NFP Non - Fit - Polygon GA Genetic algorithm (giải thuật di truyền) GT Giải thuật CDIO C: Conceive: Hình thành ý tưởng; D: Design: Thiết kế; I: Implement: Thực hiện; O: Operate: Vận hành. CNA Compact Neighborhood Algorithm: Giải thuật sắp xếp sít chặt vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ trang Hình 1 Cấu trúc của luận án xiv Hình 1.1 Một số sơ đồ cắt trong sản xuất công nghiệp 1 Hình 1.2 Các loại vật liệu tấm dùng phổ biến trong công nghiệp 2 Hình 1.3 Một số chi tiết được gia công cắt từ vật liệu tấm 2 Hình 1.4 Sơ đồ cắt chi tiết 3 Hình 1.5 Máy cắt dập chi tiết kim loại 4 Hình 1.6 Cắt chi tiết trong ngành cơ khí 5 Hình 1.7 Cắt chi tiết trong ngành giày dép 5 Hình 1.8 Máy cắt CNC 6 Hình 1.9 Cắt chi tiết trong ngành chế biến gỗ 7 Hình 1.10 Xấp xỉ chi tiết đế giày bằng các hình tròn 9 Hình 1.11 Kết quả sắp xếp của một số sơ đồ cắt 11 Hình 1.12 Hai dạng sắp xếp chi tiết hình tròn 14 Hình 2.1 Các thông số hình học của tấm vật liệu hình chữ nhật 20 Hình 2.2 Các thông hình học của chi tiết 21 Hình 2.3 Sơ đồ cắt và các thông số hình học của sơ đồ cắt 23 Hình 2.4 Sắp xếp sơ đồ cắt chi tiết cùng chiều 24 Hình 2.5 Bốn cực của bốn chi tiết liền kề trong sơ đồ sắp xếp cùng chiều 25 Hình 2.6 Sắp xếp sơ đồ cắt chi tiết ngược chiều 26 Hình 2.7 Sáu chi tiết liền kề trong sơ đồ sắp xếp ngược chiều 27 Hình 2.