bài giảng Công nghệ CAD- CAM trong đóng tàu Bùi Văn Nghiệp, Hoàng Văn Thọ

Việc chế tạo bao gồm các vấn đề liên quan đến vật thể, cắt gọt vật liệu, công suất của trang thiết bị, các điều kiện sản xuất khác nhau có giá thành nhỏ nhất, với việc tối ưu hoá đồ gá

Bài giảng: CÔNG NGHỆ CAD/CAM TRONG ĐÓNG TÀU

(CAD/CAM technical in Ship building)

Tín chỉ (credits): 2

NỘI DUNG MÔN HỌC

 Chuyên đề 1: Tổng quan về công nghệ CAD/CAM

 Chuyên đề 2: Nesting trong ngành đóng tàu thuỷ

 Chuyên đề 3: Chế tạo kết cấu tàu thuỷ trên máy CNC

CHUYÊN ĐỀ 1: TỔNG QUAN

1, Các thuật ngữ:

CAD : C omputer A ided D raft ( D esign) hoặc CAO :

C onception A ssistée par O rdinateur: nghĩa là thiết kế (vẽ)

có sự hỗ trợ của máy tính

CAM : C omputer A ided M anufacturing hoặc FAO :

F abrication A ssistée par O rdinateur: nghĩa là chế tạo có sự

hỗ trợ của máy tính

CIM : C omputer I ntergrated M anufacturing hoặc FIO :

F abrication I ntégrée par O rdinateur: Là hệ thống tích hợp

cả thiết kế, chế tạo và kiểm tra chất lượng sản phẩm với sự

hỗ trợ của máy tính

Kết quả của CAD là một bản vẽ xác định , một sự biểu diễn nhiều hình

khí với các đặc trưng hình học và chức năng Các phần mềm CAD là

nghiên cứu và được chia thành hai loại: Các phần mềm thiết kế và các phần mềm vẽ

Kết quả của CAM là cụ thể, đó là chi tiết

cơ khí Trong CAM không truyền đạt một

sự biểu diễn của thực thể mà thực hiện một cách cụ thể công việc Việc chế tạo bao gồm các vấn đề liên quan đến vật thể, cắt gọt vật liệu, công suất của trang thiết bị, các điều kiện sản xuất khác nhau có giá thành nhỏ nhất, với việc tối ưu hoá đồ gá

và dụng cụ cắt nhằm đảm bảo các yêu cầu

kỹ thuật của chi tiết cơ khí

2, Khái niệm về CAD/CAM

CAD/CAM nghĩa là thiết kế và chế tạo nhờ máy tính Cấu trúc của nó thể hiện như sau:

3 Vai trò của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất

Sơ đồ chu kỳ sản xuất truyền thống

Sơ đồ chu kỳ sản xuất khi dùng CAD/CAM

Việc làm này được thực hiện nhanh chóng, tự động và điều chỉnh khá dễ dàng khi gặp những sai sót trong quá trình thiết kế Giảm đáng kể chi phí sản xuất

Ứng dụng của CAM

- Điều khiển và theo dõi sản xuất

- Các ứng dụng hỗ trợ sản xuất:

1 Lập trình gia công NC nhờ máy tính: Chương trình điều khiển được chuẩn bị cho máy công cụ tự động

2 Lập quy trình công nghệ tự động nhờ máy tính: Máy tính chuẩn bị cho danh sách trình tự các nguyên công cần thiết để sản xuất một sản phẩm cụ thể

3 Định mức thời gian nhờ máy tính: Máy tính sẽ xác định định mức

thời gian cho từng nguyên công sản xuất cụ thể

4 Lập kế hoạch sản xuất: Máy tính xác định biểu đồ (lịch trình) thích hợp cho sản xuất sắp tới

5 Lập kế hoạch yêu cầu vật liệu: Máy tính xác định bao giờ thì đặt mua vật liệu thô và các linh kiện và mua bao nhiêu để đảm bảo lịch trình sản xuất

6 Nắm tình hình sản xuất: Trong ứng dụng CAM này dữ liệu được tập hợp từ nhà máy để xác định việc thực hiệc đơn đặt hàng tiến triển ra

sao

4 Thiết kế và gia công tạo hình

Theo lịch sử hình thành và phát triển ta có thể phân biệt công nghệ thiết kế và gia công tạo hình như sau:

- Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống

- Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM

- Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ tích hợp CIM

4.1 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống

Trong công nghệ truyền thống, các mặt cong 3D phức tạp được gia công trên máy vạn năng theo phương pháp chép hình sử dụng mẫu hoặc dưỡng

Do vậy qui trình thiết kế và gia công bao gồm có

4 giai đoan phân biệt:

1 Tạo mẫu sản phẩm,

2 Lập bản vẽ kỹ thuật,

3 Tạo mẫu chép hình,

4 Gia công chép hình

Qui trình này có những hạn chế:

- Khó đạt được độ chính xác gia công, chủ yếu do quá trình chép hình,

- Dễ dàng làm sai do nhầm lẫn hay hiểu sai vì phải xử lý một số lớn dữ liệu,

- Năng suất thấp do mẫu được thiết kế theo phương pháp thủ công và qui trình được thực hiện tuần tự: tạo mẫu sản phẩm – lập bản vẽ chi tiết – tạo mẫu chép hình – gia công chép hình

Phương pháp truyền thống

4.2 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM

MẪU

Phương pháp sử dụng CAD/CAM

Sự phát triển của phương pháp mô hình hoá hình học cùng với thanh tựu của công nghệ thông tin, công nghệ điện tử, kỹ thuật điều khiển số đã có những ảnh hưởng trực tiếp đến công nghệ thiết kế và gia công tạo hình:

- Bản vẽ kỹ thuật được tạo từ hệ thống vẽ và tạo bản vẽ với sự trợ giúp của máy vi tính

- Tạo mẫu thủ công được thay thế bằng mô hình hoá hình học trực tiếp từ giá trị lấy mẫu 3D

- Mẫu chép hình được thay thế bằng mô hình toán học -

mô hình hình học lưu trữ trong bộ nhớ máy vi tính và ánh xạ trên màn hình dưới dạng mô hình khung lưới

- Gia công chép hình được thay thế bằng gia công điều khiển số (CAM)

Về công nghệ, khác biệt cơ bản giữa gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống và công nghệ CAD/CAM là thay thế tạo hình theo mẫu bằng mô hình hoá hình học

Kết quả là mẫu chép hình và công nghệ gia công chép hình được thay thế bằng mô hình hình học số và gia công điều khiển số Mặt khác khả năng kiểm tra kích thước trực tiếp và khả năng lựa chọn chế độ gia công thích hợp (gia công thô, bán tinh và tinh) Theo công nghệ CAD/CAM phần lớn các khó khăn của quá trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống được khắc phục vì rằng:

• Bề mặt gia công đạt được chính xác và tinh xảo hơn

• Khả năng nhầm lẫn do chủ quan bị hạn chế đáng kể

• Giảm được nhiều tổng thời gian thực hiện qui trình thiết

kế và gia công tạo hình

4.3 Thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ tích hợp (CIM)

Phương pháp công nghệ tích hợp CIM

Từ công nghệ CAD/CAM ta dễ dàng thực hiện ý tưởng liên kết mọi thành phần trong một hệ thống tích hợp Theo công nghệ tích hợp, công việc mô hình hoá hình học - vẽ - tạo bản

vẽ được tích hợp trong CAD; kết quả mọi thông tin về hình dáng được lưu lại dưới dạng CGM, lưu trữ trong cơ sở dữ liệu trung tâm Công nghệ tiên tiến nhất có khả năng hỗ trợ thực hiện toàn bộ qui trình thiết kế và chế tạo theo công nghệ tích hợp:

• Cho phép thiết lập mô hình hình học số CGM trực tiếp từ ý tưởng về hình dáng

• Được trợ giúp bởi thiết bị đồ hoạ mạnh và công nghệ tô màu, tạo bóng hiện đại

• Có khả năng thực hiện các chức năng phân tích kỹ thuật; liên kết với các thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể; lập trình chế tạo; điều khiển quá trình gia công điều khiển số; lập qui trình lắp ráp; tạo phôi,

5 Một số phần mềm CAD/CAM thông dụng

Ngày nay, mỗi lĩnh vực đều có những phần mềm chuyên biệt Đối với ngành Đóng tàu, người ta sử dụng các phần mềm chuyên cho thiết kế đó là:

ShipConstructor, Nupas - CADmatic, Tribon, Unigraphics (NX) Các phần mềm mô phỏng (simulation): Ansys, Abaqus…

Bộ phần mềm tích hợp tạm coi là CIM mà chúng

ta được sử dụng tại khoa KTGT là TorchCAD và Torchmate kết nối với máy cắt CNC

6 Giới thiệu các máy cắt CNC thông dụng

trong công nghiệp đóng tàu thủy

Máy cắt CNC – Oxy -gas

Máy cắt CNC – Plasma

Máy cắt Laser

Nói chung, 3 dạng máy cắt có cùng chung đặc điểm là cắt các chi tiết kết cấu, chỉ khác nhau ở chỗ nguyên lý cắt khác nhau Tìm hiểu thêm về nguyên lý cắt!

5 Sơ lược về điều khiển số (NC)

5.1 Khái niệm : Điều khiển số là một dạng tự động có thể lập trình được, trong đó qúa trình được điều khiển bằng số, chữ và các ký hiệu Trong NC, các số tạo nên chương trình lệnh được thiết kế cho một việc gia công cụ thể Khi sản phẩm thay đổi, chương trình cũng thay đổi Khả năng dễ dàng thay đổi chương trình đối với mỗi sản phẩm làm cho NC có tính mềm dẻo Viết một chương trình mới dễ hơn nhiều

so với thay đổi căn bản về thiết bị

Công nghệ NC được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực, kể cả vẽ, lắp ráp, kiểm tra, dập kim loại tấm và hàn điểm

5.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống NC :

1 Chương trình điều khiển

2 Hệ thống điều khiển Machine control Units (MCU)

3 Máy công cụ hoặc quá trình được điều khiển khác

5.2.1 Chương trình điều khiển :

Chương trình được chuẩn bị bởi lập trình viên, trong đó người lập trình chỉ ra từng bước theo trình tự công nghệ Đối với máy cắt nhiệt, Plasma các bước công nghệ là các chuyển động tương đối giữa mỏ cắt và phôi (tôn tấm)

5.2.2 Bộ điều khiển

Nó bao gồm các bo mạch điện tử và phần cứng có thể đọc và biên dịch chương trình điều khiển và truyền đến máy công cụ Các phần tử cơ bản của bộ phận điều khiển là:

- Bộ lưu dữ liệu

- Bộ phân phối dữ liệu

- Bộ liên hệ ngược

- Bộ điều khiển tuần tự để phối hợp hoạt động của các phần tử trên

Cần phải lưu ý là gần như tất cả các máy NC hiện đại được bán là có trang bị bộ điều khiển gọi là Microcomputer Vì vậy mà chúng được gọi là máy CNC

5.2.3 Máy công cụ hoặc chương trình được điều khiển khác

Đây là thành phần của hệ thống thực hiện công có ích Phần lớn các mẫu máy NC được thiết kế là để thực hiện việc gia công Máy công cụ bao gồm bàn máy và trục chính cũng như các mô tơ và các bộ điều khiển cần thiết để máy hoạt động Nó cũng bao gồm những dụng cụ cắt, đồ gá và các thiết bị phụ khác cần cho việc gia công

5.3 Các ứng dụng của điều khiển số

Được ứng dụng rộng rãi hiện nay đặc biệt là trong gia công kim loại: Phay, khoan, tiện, mài, tia lửa điện,…

Ngoài gia công kim loại hệ thống điều khiển NC cũng được dùng trong các lĩnh vực sau: Máy dập, máy hàn, in bản vẽ tự động, máy lắp ráp, máy uốn ống, máy đan tự động (thêu), máy cắt quần áo,…

5.3 Các ứng dụng của điều khiển số

5/ Thiết kế kỹ thuật giống nhau

6/ Chi tiết phải có yêu cầu chính xác cao

7/ Là loại sản phẩm đắt tiền nên một sai lầm nhỏ có thể trả giá lớn

8/ Các sản phẩm yêu cầu phải kiểm tra 100%

5.4 Tính kinh tế của điều khiển số

Ưu điểm

- Giảm thời gian chạy không, giảm thời gian gia công

- Giảm thời gian gá đặt

- Sản xuất mềm dẻo hơn

- Nâng cao chất lượng sản phẩm

- Giảm tồn kho

- Giảm diện tích mặt bằng

Nhược điểm

- Giá thành đầu tư cao

- Giá thành bảo trì cao

- Phải chọn và huấn luyện đội ngũ NC

5.5 Sơ lược về lập trình NC

5.5.1 Khái niệm

Lập trình NC là thủ tục trong đó các bước công nghệ thực hiện trên máy NC được thiết kế và được viết thành văn (dưới dạng mã G, M, T, S, F, X, Y, Z,…) để đưa chương trình vào máy NC để thực hiện việc gia công

5.5.2 Phương thức lập trình NC

Theo sự trợ giúp của máy tính đối với việc lập trình, có thể phân biệt hai phương thức lập trình NC:

- Lập trình trực tiếp: không có sự trợ giúp của máy tính

- Lập trình tự động: có sự trợ giúp của máy tính

5.5.2.1 Lập trình trực tiếp

Phương thức lập trình trực tiếp thường được sử dụng cho các trường hợp gia công đơn giản - đường chạy dao bao gồm các đoạn thẳng, cung tròn và người lập trình có thể tự biên soạn chương trình NC trên cơ sở nhận dạng hoàn toàn chính xác toạ độ chạy dao Khả năng lập trình trực tiếp được coi là yêu cầu cơ bản đối với người lập trình NC, bởi vì có kỹ năng lập trình trực tiếp, người lập trình mới có khả năng hiểu, đọc và sửa đổi chương trình khi trực tiếp vận hành máy

5.5.2.2 Lập trình tự động

Phương thức lập trình tự động sử dụng ngôn ngữ lập trình hoặc phần mềm CAD/CAM như công cụ trợ giúp để chuyển đổi tự động dữ liệu hình học và dữ liệu công nghệ thành chương trình NC Theo phương thức này có ba phương pháp:

a Lập trình bằng phần mềm NC

b Lập trình bằng ngôn ngữ xử lý hình học

c Lập trình bằng phần mềm CAD/CAM

a/ Lập trình bằng phần mềm NC

Đ ược thực hiện trực tiếp trên hệ điều khiển Phần lớn các phần mềm lập trình NC là sản phẩm của chính nhà sản xuất hệ điều khiển, thường được cung cấp kèm theo máy Khả năng lập trình của những phần mềm này nói chung rất hạn chế Phần lớn chỉ có khả năng lập trình cho những đường chạy dao 2D đơn giản và những chu trình gia công cơ bản

b/ Lập trình bằng ngôn ngữ xử lý hình học

Được sử dụng phổ biến nhất là APT (Automatically Programmed Tools) APT là ngôn ngữ lập trình cao cấp, được phát triển bởi Viện Kỹ thuật Massachussets Mỹ để tự động lập trình cho máy công cụ NC Nội dung cốt lõi của APT là trình xử lý mô tả hình học thành dữ liệu đường chạy dao và các thông tin cần thiết khác để điều khiển máy NC Các dữ liệu này thông qua quá trình hậu xử lý được chuyển thành định dạng mã điều khiển phù hợp với máy NC cụ thể

Ngày nay, các ngôn ngữ xử lý hình học dần dần dược thay thế bởi các phần mềm CAD/CAM và việc sử dụng phần mềm này để lập trình NC đã trở thành phương pháp phổ biến nhất, hiệu quả nhất, đặc biệt cho các trường hợp gia công mặt cong phức tạp

c/ Lập trình theo công nghệ CAD/CAM

Nguyên lý của công nghệ CAD/CAM là sử dụng cơ sở dữ liệu chung cho các chức năng thiết kế và lập kế hoạch sản xuất Như vậy, theo công nghệ CAD/CAM, ta có thể truy xuất dữ liệu hình học và công nghệ về sản phẩm, lưu trữ trong cơ sở dữ liệu cho các chức năng quản lý và điều hành sản xuất, bao gồm chức năng lập trình NC

Trong các ứng dụng điều khiển số, các chức năng CAD cho phép xác lập hình học chi tiết gia công và các chức năng CAM cho phép sử dụng dữ liệu hình học sản phẩm để tạo đường chạy dao (quĩ đạo tâm dao) và thực hiện các chức năng quản lý, điều khiển sản xuất như lập qui trình chế tạo, lập kế hoạch sản xuất, quản lý chất lượng và hoạch định nguồn lực sản xuất

CHUYÊN ĐỀ 2: NESTING TRONG NGÀNH ĐÓNG TÀU THUỶ

1, Khái niệm:

Bản vẽ Nesting (hay còn gọi là bản vẽ thảo đồ cắt thép) là bản vẽ các chi tiết có cùng chiều dày trên khổ tôn tiêu chuẩn

Dựng thảo đồ cắt thép là đi sắp xếp các chi tiết kết cấu tàu có biên dạng khác nhau nhưng cùng chiều dày đã tách trên cùng một khổ tôn

2, Một số yêu cầu của bản vẽ Nesting:

 Các chi tiết có cùng chiều dầy được xếp

trên cùng một khổ tole

 Việc sắp xếp các chi tiết trong các khổ tole

theo thứ tự chi tiết lớn xếp trước, chi tiết nhỏ xếp sau Đảm bảo tiết kiệm tối đa diện tích các tấm tole, lượng dư phế liệu là ít nhất (< 10%) là tốt nhất)

3, Sử dụng autoCAD tạo bản vẽ Nesting:

 Bước 1: Đọc và hiểu các bản vẽ chi tiết kế

cấu liên quan

 Bước 2: Tách các chi tiết kết cấu, đặt tên

 Bước 3: Sắp xếp các chi tiết kết cấu cùng

chiều dày lên cùng 1 khổ tôn tiêu chuẩn

Ví dụ: Thực hiện bản vẽ Nesting cho phân

đoạn đáy đôi tàu hàng rời 20.000 DWT

4, Sử dụng ShipConstructor tạo bản vẽ Nesting:

 Bước 1: Đọc và hiểu các bản vẽ chi tiết kế cấu liên

 Bước 4: Tự động thiết lập bản vẽ Nesting

Ví dụ: Thực hiện bản vẽ Nesting cho một số sườn phần

thân ống tàu hàng rời 20.000 DWT

4.1 Giới thiệu về ShipConstructor

Bộ phần mềm ShipConstructor (dưới đây viết tắt là SC) là bộ phần

mềm cỡ nhỏ chuyên dụng cho thiết kế thi công tàu thuỷ và các

công trình nổi SC gồm một số phần mềm sau:

ShipCAM- dùng để phóng dạng vỏ

Structure – dùng để vẽ kết cấu tàu trong không gian 3 chiều

(3D), tạo các bản vẽ lắp ráp, bản vẽ thi công các chi tiết kết cấu v.v

Nest – dùng hạ liệu bằng tay và hạ liệu tự động

Pipe – dùng vẽ các bản vẽ đi ống trong không gian 3 chiều, tạo

các bản vẽ đi ống và các bản vẽ thi công ống

Outfit – dùng vẽ các bản vẽ sơ đồ bố trí thiết bị trong không gian

3 chiều

Manager – quản lý toàn bộ quá trình thiết kế thi công

NC-Pyros – dùng chuyển mã các bản hạ liệu sang mã máy cắt

điều khiển bằng chương trình số