NGHIÊN cứu, ỨNG DỤNG PHẦN mềm CATIA TRONG THIẾT kế và lập TRÌNH GIA CÔNG KHUÔN hút CHÂN KHÔNG TRÊN máy PHAY CNC

Trong triển khai chế tạo ra sản phẩm từ bản vẽ thiết kế, ngày nay có các phần mềm ứng dụng đó là các phần mềm chế tạo có sự tham gia của máy tính điện tử Fabrication Assistée par Ordina

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

THÂN HOÀNG BẢO LÂM

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT

KẾ VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG KHUÔN HÚT CHÂN KHÔNG

TRÊN MÁY PHAY CNC

CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS NGUYỄN VIẾT TIẾP

Hà Nội – 2010

học "Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm Catia trong thiết kế và gia công khuôn hút

chân không trên máy phay CNC " là hoàn toàn đúng Tất cả kết quả thu được đều là

từ quá trình nghiên cứu và gia công thực tế Mọi tài liệu và sự hỗ trợ giúp thực hiện luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa từng được bảo vệ tại bất kì hội đồng nào cũng như chưa từng được công bố trên bất kì phương tiện thông tin nào

Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010

Tác giả

Thân Hoàng Bảo Lâm

CAM Computer Aided Manufacturing

CIM Computer Intergrated Manufacturing

PDES Product Data Exchange Specification

1 Hình 1.1 Sơ đồ chu kỳ sản xuất 4

2 Hình 1.2 Sơ đồ chu kỳ sản xuất khi dùng CAD/CAM 5

3 Hình 1.3 Tạo lập mô hình hình học chi tiết thông qua chức năng CAD 13

4 Hình 1.4 Tạo đường sinh dụng cụ gia công chi tiết thông qua

11 Hình 1.11 Hệ tọa độ trên các máy CNC và chuyển động các trục 25

12 Hình 1.12 Các điểm gốc và điểm chuẩn trên máy thẳng đứng 27

27 Hình 3.12 Thiết kế khay nhựa 56

53 Hình 3.38 Thiết kế khay nhựa 65

79 Hình 4.10 Xác nhận gốc 104

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC 1

1.1 Tổng quan về công nghệ CAD/CAM 1

1.1.1 Giới thiệu về CAD/CAM 1

1.1.2 Đối tượng phục vụ của CAD/CAM 3

1.1.3 Vai trò của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất 4

1.1.4 Chức năng của CAD 6

1.2 Tổng quan về điều khiển số và công nghệ CNC 7

1.2.1 Giới thiệu điều khiển số truyền thống 7

1.2.1.1 Khái niệm điều khiển số 7

1.2.1.2 Lịch sử phát triển điều khiển số 7

1.2.1.3 Các thành phần cơ bản của một hệ NC 8

1.2.1.4 Trình tự NC 9

1.2.1.5 Các phương pháp lập trình gia công chi tiết 9

1.2.1.6 Điều khiển số hiện đại bằng máy tính 10

1.2.1.7 Đồ họa tương tác với việc lập trình trên hệ CAD/CAM 12

1.2.1.8 Ưu điểm của CAD/CAM trong lập trình NC gia công chi tiết 16

1.2.2 Giới thiệu về công nghệ CNC 17

1.2.2.1 Các chức năng của CNC 17

1.2.2.2 Các ưu điểm của CNC 20

1.2.2.3 Phân loại các hệ thống điều khiển 20

1.2.2.4 Hệ thống tọa độ, các điểm gốc và điểm chuẩn 25

2.1.1 Các chức năng cơ bản của một hệ CAD hiện đại 34

2.1.1.1 Chức năng mô hình hóa 34

2.1.1.2 Chức năng vẽ 35

2.1.1.3 Chức năng phân tích 35

2.1.1.4 Chức năng CAM 36

2.1.2 Những công nghệ mới trong CAD 36

2.1.2.1 Thiết kế theo tham số (Parametric Design) 36

2.1.2.2 Thiết kế hướng đối tượng (Feature Based Design) 37

2.1.3 Phương thức chuyển đổi dữ liệu giữa các hệ phần mềm 37

2.1.3.1.Truyền thông trực tiếp 38

2.1.3.2 Truyền thông tiêu chuẩn – dịch gián tiếp 39

2.2 Giới thiệu phần mềm tích hợp Cad/Cam/Cae Catia 41

2.2.1 Lịch sử ra đời và phát triển phần mềm CATIA 41

2.2.2 Tình hình sử dụng CATIA trên thế giới 43

2.2.3 Tình hình sử dụng CATIA tại Việt Nam 44

CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ SẢN PHẨM 47

3.1 Tổng quan về công nghệ hút chân không 47

3.1.1 Thực chất 47

3.1.3 Công dụng 47

3.2 Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế sản phẩm khuôn hút chân không 48

CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG LẬP TRÌNH GIA CÔNG KHUÔN HÚT CHÂN KHÔNG 72

4.1 Các công cụ lập trình gia công bề mặt chi tiết với Workbench Surface Machine 72

4.1.2 Chu trình gia công tinh Sweeping 85

4.1.3 Chu trình gia công theo Contour 92

4.2 Ứng dụng CATIA lập trình gia công khuôn hút chân không 98

4.2.1 Nhập chi tiết, xác định các thông số máy, đồ gá và phôi gia công 99

4.2.2 Thiết lập hoạt động gia công thô (Create Roughing Operation) 105

4.2.3 Thiết lập hoạt động gia công tinh 109

4.2.4 Xuất chương trình gia công NC 115

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

TÓM TẮT

nhằm mục đích nâng cao năng xuất lao động, giảm giá thành và tạo ra các sản phẩm đạt chất lượng cao Với những ưu điểm đó, công nghệ CAD/CAM ngày càng được ứng dụng rộng rãi và chuyên sâu trong các ngành công nghiệp trọng điểm của một quốc gia như: chế tạo ô tô, máy bay, công nghiệp đóng tầu, chế tạo khuôn mẫu, thiết

kế các sản phẩm dân dụng v v

Trong một hệ CAD/CAM, các phần mềm CAD/CAM/CAE là một yếu tố cấu thành hết sức quan trọng giữ vai trò quyết định tới chất lượng cũng như thành công khi ứng dụng hệ CAD/CAM trong quá trình sản xuất Cùng với tiến trình phát triển mạnh mẽ của công nghệ CAD/CAM, các phần mềm CAD/CAM cũng ngày càng được cập nhật, bổ xung và hoàn thiện nhằm đáp ứng thực tiễn sản xuất Có thể kể đến một loạt các hệ phần mềm nổi tiếng, mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trên thị trường hiện nay như: CATIA, UNI GRAPHIC, PRO ENGINEER, CAD IDES, CIMATRON…v.v

Được xây dựng và phát triển bởi một công ty của Pháp tên là Dassault

Systems và được độc quyền phân phối, khai thác thị truờng bởi tập đoàn máy tính

lớn nhất thê giới IBM, CATIA là phần mềm thương mại đa ứng dụng rất nổi tiếng tích hợp CAD/CAM/CAE Trải qua gần 30 năm xây dựng, nâng cấp và phát triển, nhờ sự tiện dụng và những ưu thế vượt trội, CATIA dần dần trở thành phần mềm CAD/CAM được ưa chuộng nhất trên toàn thế giới và được sử dụng trong rất nhiều các tập đoàn hàng đầu trên thế giới như: các hãng máy bay Boeing, Airbus…; các hãng sản xuất ô tô Toyota, Honda, Ford…;

Tại Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC cùng các phần mềm CAD/CAM trong sản xuất cũng như đào tạo nguồn nhân lực ứng dụng công nghệ CAD/CAM ngày càng phát triển rộng rãi và được coi như chìa khoá để nền sản xuất cơ khí nói chung cũng như công nghệ chế tạo máy nói riêng đón đầu và tiếp cận với trình độ sản xuất tiên tiến trên thế giới

công nghệ CAD/CAM trong gia công chế tạo các chi tiết khuôn mẫu thông qua phần mềm CATIA Từ đây cung cấp một nhìn khái quát nhưng cũng chi tiết và cụ thể về công nghệ CAD/CAM Luận văn được chia thành 4 chương, với nội dung các chương được thể hiện như sau:

- CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC

- CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CATIA

- CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ

nhiệt tình từ PGS.TS Nguyễn Viết Tiếp cũng như đội ngũ cán bộ Trung tâm Thực

hành Công nghệ Cơ khí - Trường ĐHBK Hà Nội đã hết sức tạo điều kiện để học

viên có thể thực tập, thiết lập chương trình cũng như thực hiện chạy thử chương trình

Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn luận văn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Do vậy học viên mong nhận được sự đóng góp chân thành và quý báu từ quý thầy cô, các nhà chuyên môn cùng quý đồng nghiệp đang công tác và hoạt động trong lĩnh vực CAD/CAM

Xin chân thành cảm ơn!

Thân Hoàng Bảo Lâm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC 1.1 Tổng quan về công nghệ CAD/CAM

1.1.1 Giới thiệu về CAD/CAM

Thiết kế và chế tạo có sự tham gia của máy vi tính (CAD/CAM hay CAO/FAO) thường được trình bày gắn liền với nhau Thật vậy, hai lĩnh vực ứng dụng tin học trong ngành cơ khí chế tạo này có nhiều điểm giống nhau bởi chúng đều dựa trên cùng các chi tiết cơ khí và sử dụng dữ liệu tin học chung: đó là các nguồn đồ thị hiển thị và dữ liệu quản lý

Thực tế, CAD và CAM tương ứng với các hoạt động của hai quá trình hỗ trợ cho phép biến một ý tưởng trừu tượng thành một vật thể thật Hai quá trình này thể hiện rõ trong công việc nghiên cứu và triển khai chế tạo

Xuất phát từ nhu cầu cho trước, việc nghiên cứu đảm nhận thiết kế một mô hình mẫu cho đến khi thể hiện trên bản vẽ biễu diễn chi tiết Từ bản vẽ chi tiết, việc triển khai chế tạo đảm nhận lập ra quá trình chế tạo các chi tiết cùng các vấn đề liên quan đến dụng cụ và phương pháp thực hiện

Hai lĩnh vực hoạt động lớn này trong ngành chế tạo máy được thực hiện liên tiếp nhau và được phân biệt bởi kết quả của nó

- Kết quả của CAD là một bản vẽ xác định, một sự biểu diễn nhiều hình chiếu khác nhau của một chi tiết cơ khí với các đặc trưng hình học và chức năng Các phần mềm CAD là các dụng cụ tin học đặc thù cho việc 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

Nhằm khai thác các công cụ hữu ích, những ứng dụng tin học trong chế tạo không chỉ hạn chế trong các phần mềm đồ hoạ hiển thị và quản lý mà còn sử dụng

việc lập trình và điều khiển các máy công cụ điều khiển số, do vậy đòi hỏi khi thực hiện phải nắm vững các kiến thức về kỹ thuật gia công

Trong chế tạo, việc sử dụng các dữ liệu tin học phải lưu ý đến nhiều mối quan

hệ ràng buộc Các ràng buộc này nhiều hơn trong thiết kế Việc cắt gọt vật liệu trên một máy công cụ điều khiển số hay một máy công cụ vạn năng thông thường là như nhau, trong hai trường hợp vật liệu không thay đổi về tính chất

Trong khi đó các dữ liệu tin học có trong môi trường công nghiệp cũng có trong các xưởng gia công Các nguồn dữ liệu này cải thiện kỹ thuật chế tạo, chuyển đổi phương pháp và dẫn đến thay đổi quan trọng trong các công việc hoàn thành khi lập qui trình công nghệ cũng như trên vị trí làm việc Ngoài công việc cho phép điều khiển số các nguyên công gia công, việc thiết lập các dữ liệutin học mang lại nhiều sự cải thiện về kết cấu liên quan đến cấu trúc máy và đồ

gá, các phương pháp chế tạo và kiểm tra sản phẩm, thiết kế dụng cụ cắt và các cơ cấu tự động khác Mặt khác, các ứng dụng tin học này cũng cho phép khai thác tốt hơn các khả năng mới của máy và dụng cụ

Ta phân biệt hai loại dụng cụ tin học trong nghiên cứu thiết kế:

- Các phần mềm vẽ có sự tham gia của máy tính điện tử (Dessin Assisté par Ordinateur-DAO hay Computer Aided Drawing - CAD)

- Các phần mềm thiết kế có sự tham gia của máy tính điện tử (Conception Assistée par Ordinateur-CAO hay Computer Aided Design-CAD)

Trong tiếng Anh ta sử dụng từ CAD chung cho cả hai phần mềm này

Trong triển khai chế tạo ra sản phẩm từ bản vẽ thiết kế, ngày nay có các phần mềm ứng dụng đó là các phần mềm chế tạo có sự tham gia của máy tính điện tử ( Fabrication Assistée par Ordinateur – FAO hay Computer Aided Manufacturing - CAM)

Khi sự tích hợp trên máy tính điện tử cho các hoạt động thiết kế và chế tạo được thực hiện, tức là khi việc thực hiện có thể trực tiếp dựa vào các dữ liệu số được tạo ra bởi việc thiết kế, tập hợp các hoạt động đặc trưng của CAD/CAM được

mô tả dưới khái niệm chế tạo được tích hợp bởi máy tính điện tử ( Fabrication Integrée par Ordinateur – FIO hay Computer integrated Manufacturing - CIM)

Do vậy CIM biểu diễn các hoạt động tương ứng với thiết kế, vẽ, chế tạo và kiểm tra chất lượng của một sản phẩm cơ khí

1.1.2 Đối tượng phục vụ của CAD/CAM

Xu thế phát triển chung của các ngành công nghiệp chế tạo theo công nghệ tiên tiến là liên kết các thành phần của qui trình sản xuất trong một

hệ thống tích hợp điều khiển bởi máy tính điện tử (Computer Integrated Manufacturing - CIM)

Cơ sở dữ liệu của CIM phải toàn diện và đồng bộ, nghĩa là phải có toàn bộ dữ liệu liên quan đến quá trình sản xuất, từ khi chuẩn bị, bắt đầu, đến khi kết thúc sản xuất

Các thành phần của hệ thống CIM được quản lý và điều hành dựa trên cơ sở

dữ liệu trung tâm với thành phần quan trọng là các dữ liệu từ quá trình CAD Kết quả của quá trình CAD không chỉ là cơ sở dữ liệu để thực hiện phân tích kỹ thuật, lập qui trình chế tạo, gia công điều khiển số mà chính là dữ liệu điều khiển thiết bị sản xuất điều khiển số như các loại máy công cụ, người máy, tay máy công nghiệp

và các thiết bị phụ trợ khác

Công việc chuẩn bị sản xuất có vai trò quan trọng trong việc hình thành bất kỳ một sản phẩm cơ khí nào

Công việc này bao gồm:

- Chuẩn bị thiết kế ( thiết kế kết cấu sản phẩm, các bản vẽ lắp chung của sản phẩm, các cụm máy.v.v )

- Chuẩn bị công nghệ (đảm bảo tính năng công nghệ của kết cấu, thiết lập qui trình công nghệ)

- Thiết kế và chế tạo các trang bị công nghệ và dụng cụ phụ v.v

- Kế hoạch hoá quá trình sản xuất và chế tạo sản phẩm trong thời gian yêu cầu

Hiện nay, qua phân tích tình hình thiết kế ta thấy rằng 90% thời lượng thiết kế là để tra cứu số liệu cần thiết mà chỉ có 10% thời gian dành cho lao động sáng tạo và quyết định phương án, do vậy các công việc trên có thể thực hiện bằng máy tính điện tử để vừa tiết kiệm thời gian vừa đảm bảo độ chính xác và chất lượng

CAD/CAM là lĩnh vực nghiên cứu nhằm tạo ra các hệ thống tự động thiết kế

và chế tạo trong đó máy tính điện tử được sử dụng để thực hiện một số chức năng nhất định

CAD/CAM tạo ra mối quan hệ mật thiết giữa hai dạng hoạt động: Thiết kế và Chế tạo

Tự động hoá thiết kế là dùng các hệ thống và phương tiện tính toán giúp người

kỹ sư thiết kế, mô phỏng, phân tích và tối ưu hoá các giải pháp thiết kế

Tự động hoá chế tạo là dùng máy tính điện tử để kế hoạch hoá, điều khiển và kiểm tra các nguyên công gia công

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

Sơ đồ chu kỳ sản xuất thông thường và chu kỳ sản xuất với công nghệ CAD/CAM được minh hoạ theo hình 1.1 và 1.2:

Hình 1.1 – Sơ đồ chu kỳ sản xuất

Hình 1.2 - Sơ đồ chu kỳ sản xuất khi dùng CAD/CAM

Rõ ràng rằng CAD/CAM chi phối hầu hết các dạng hoạt động và chức năng của chu kỳ sản xuất Ở các nhà máy hiện đại, trong công đoạn thiết kế và chế tạo, kỹ thuật tính toán ngày càng phát huy tác dụng và là nhu cầu không thể thiếu được

1.1.4 Chức năng của CAD

Khác biệt cơ bản với qui trình thiết kế theo công nghệ truyền thống, CAD cho phép quản lý đối tượng thiết kế dưới dạng mô hình hình học số trong cơ sở

dữ liệu trung tâm, do vậy CAD có khả năng hỗ trợ các chức năng kỹ thuật ngay

từ giai đoạn phát triển sản phẩm cho đến giai đoạn cuối của quá trình sản xuất, tức

là hỗ trợ điều khiển các thiết bị sản xuất bằng điều khiển số

Hệ thống CAD được đánh giá có đủ khả năng để thực hiện chức năng yêu cầu hay không, phụ thuộc chủ yếu vào chức năng xử lý của các phần mềm thiết kế

Ngày nay những bộ phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp phục vụ thiết kế và gia công khuôn mẫu có khả năng thực hiện được các chức năng cơ bản sau:

- Thiết kế mô phỏng hình học 3 chiều (3D) những hình dạng phức tạp

- Giao tiếp với các thiết bị đo, quét toạ độ 3D thực hiện nhanh chóng các chức năng mô phỏng hình học từ dữ liệu số

- Phân tích và liên kết dữ liệu: tạo mặt phân khuôn, tách khuôn, quản lý kết cấu lắp ghép

- Tạo bản vẽ và ghi kích thước tự động: có khả năng liên kết các bản vẽ 2D với mô hình 3D và ngược lại

- Liên kết với các chương trình tính toán thực hiện các chức năng phân tích kỹ thuật: tính biến dạng khuôn, mô phỏng dòng chảy vật liệu, trường áp suất, trường nhiệt độ, độ co rút vật liệu,

- Nội suy hình học, biên dịch các kiểu đường chạy dao chính xác cho công nghệ gia công điều khiển số

- Giao tiếp dữ liệu theo các định dạng đồ hoạ chuẩn

- Xuất dữ liệu đồ hoạ 3D dưới dạng tập tin STL để giao tiếp với các thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể

Những ứng dụng của CAD trong ngành chế tạo máy:

- Tạo mẫu nhanh thông qua giao tiếp dữ liệu với thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể (đo quét toạ độ)

- Giảm đáng kể thời gian mô phỏng hình học bằng cách tạo mô hình hình học theo cấu trúc mặt cong từ dữ liệu số

- Chức năng mô phỏng hình học mạnh, có khả năng mô tả những hình dáng phức tạp nhất

- Khả năng mô hình hoá cao cho các phương pháp phân tích, cho phép lựa chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu

1.2 Tổng quan về điều khiển số và công nghệ CNC

1.2.1 Giới thiệu điều khiển số truyền thống

1.2.1.1 Khái niệm điều khiển số

Nhiều thành tựu trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo có sự trợ giúp của máy tính đều có nguồn gốc chung từ kỹ thuật điều khiển số (Numerical Control, viết tắt là NC)

Có thể định nghĩa điều khiển số (NC) là một dạng tự động có thể lập trình được, trong đó quá trình được điều khiển bằng số, ký tự và ký hiệu Trong NC, các

số tạo thành một chương trình gồm các lệnh dùng cho một vật làm hay một công việc gia công vật làm Khi việc đó thay đổi thì chương trình gồm các lệnh cũng sẽ thay đổi theo Tính mềm dẻo của NC là nhờ ở khả năng thay đổi của chương trình này Rõ ràng việc viết lại một chương trình thì dễ dàng hơn nhiều so với việc thay đổi trang thiết bị sản xuất

Công nghệ NC đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều nguyên công, kể cả vẽ, lắp ráp, kiểm tra chất lượng, đột dập, hàn điểm Tuy nhiên ứng dụng chủ yếu của

NC là trong gia công cắt gọt kim loại chi tiết cần được gia công có nhiều kích cỡ và hình thù khác nhau, đồng thời đa số các chi tiết gia công trong công nghiệp hiện nay thường được sản xuất hàng nhỏ và vừa Những chi tiết đó thường phải trải qua các nguyên công điển hình như tiện, phay và khoan Việc NC thích hợp với các công việc cắt gọt này là lý do điêu fkhiển số phát triển cực kỳ nhanh chóng trong công nghiệp gia công kim loại nửa sau thế kỷ XX đến nay

1.2.1.2 Lịch sử phát triển điều khiển số

NC truyền thống gắn liền với một công trình có tính chất mở đường của John T.Parson Vào cuối những năm 40 của thế kỷ XX, Parson đã nghĩ đến phương pháp

sử dụng bìa có đục lỗ chứa thông tin về tọa độ để điều khiển một máy công cụ Cỗ máy này được điều khiển chuyển động tịnh tiến từng bước nhỏ, nhờ vậy tạo nên bề mặt mong muốn của chi tiết cần gia công Năm 1948, Parsons đã trình diến ý tưởng của mình trước cơ quan không lực Hoa Kỳ rồi sau đó ông đã được một loạt dự án tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đỡ đầu

Công trình mở đầu tại MIT liên quan tới việc triển khai một máy phay NC ở giai đoạn chế thử, và năm 1952 mẫu thử này đã đuợc thực hiện thành công Điều này đã chứng tỏ tính hiệu quả cao của khái niệm điều khiển số NC

Ngay sau đó, các nhà thiết kế chế tạo máy công cụ bắt đầu triển khai các dự án riêng của mình tập chung cho ra đời những cỗ máy NC trên thị trường Một số nghành công nghiệp khác cũng không bỏ lỡ cơ hội nghiên cứu các máy điều khiển

số nhằm đáp ứng nhu cầu riêng của nghành mình Không lực Hoa Kỳ tiếp tục hưởng ứng cho việc phát triển NC banừg cách tài trợ cho việc nghiên cứu bổ xung tại MIT để phát triển một dạng ngôn ngữ lập trình chi tiết gia công có thể dùng để điều khiển máy NC Kết quả chính là sự ra đời của ngôn ngữ lập trình APT (Automatically Programmed Tools) vào năm 1956 Mục tiêu nghiên cứu ban đầu của APT là cung cấp một phương tiện để người lập trình vật làm có thể thông báo các lệnh cắt gọt cho máy công cụ bằng những lệnh đơn giản gần giống như ngôn ngữ tiếng Anh Được đánh giá là công kềnh đối với nhiều loại máy tính, tuy nhiên APT cũng đã mang lại những khả năng và hiệu quả to lớn Cho đến bây giờ, APT vẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, và hầu hết các ngôn ngữ lập trình vật làm được dựa trên các khái niệm của APT, đồng thời các nhược điểm của nó cũng đựợc khắc phúc với sự phát triển của nghành công nghiệp máy tính hiện đại

- Máy công cụ ( hoặc quá trình được điều khiển khác )

Chương trình làm nhiệm vụ đầu vào cho các bộ phận điều khiển để bộ phận này ra các mệnh lệnh cho máy công cụ hoặc một quá trình cần được điều khiển nào

đó

+ Lập trình gia công

Người lập trình gia công chi tiết có trách nhiệm vạch ra quy trình công nghệ cho nhứng phần chi tiết được gia công trên máy NC Người lập trình phải có kiến thức về gia công cắt gọt và phải được đào tạo để lập trình cho máy NC, có nhiệm vụ lập trình trình tự các bước giac công sẽ được thực hiện trên máy NC và lập thành tư liệu về các bước đó theo một quy cách đặc biệt Có hai phương pháp lập trình cho NC:

- lập trình theo lối thủ công: theo cách này , các lệnh gia công trên máy được

chuẩn bị dưới dạng bản thảo của chương trình gia công chi tiết Bản thảo này là một danh sách các vị trí tương đối của dao cắt hay vật làm cần tuân thủ để gia công máy cho chi tiết

- lập trình dưới dự trợ giúp của máy tính: Đa số phần việc tính toán tẻ nhạt

và tốn công sức phải làm trong phương pháp lập trình theo lối thử công thì ở đây được chuyển cho máy tính đảm nhiệm Điều này đặc biệt thích hợp với những chi tiết gia công có hình dạng phức tạp, những công việc cần nhiều bước gia công Trong những trương hợp như vậy, máy tính sẽ giúp tiết kiệm rất lơn thời gian lập trình

1.2.1.5 Các phương pháp lập trình gia công chi tiết

+ Lập trình vật làm theo lối thủ công

Để chuẩn bị một chương trình gia công viết theo lối thủ công, người lập trình viết các lệnh chạy máy (cắt gọt) theo một dạng đặc biệt, gọi là bản thảo lập trình vật làm Các lệnh đó phải được chuẩn bị rất chính xác vì người gõ chương trình chỉ đơn giản đánh máy trực tiếp những gì có trong bản thảo vào máy đục lỗ mà thôi Bản

thảo có nhiều dạng, tùy theo máy công cụ và khuôn mẫu dạng băng nào được dùng Chẳng hạn, mẫu bản thảo dùng cho một máy khoan hai trục P – T – P khác với mẫu bản thảo dùng cho máy ba trục cắt theo đường vòng Bản thảo là một danh sách các

vị trí tương đối giữa dụng cụ cắt và vật làm Ngoài ra no còn chứa các dữ liệu khác như lệnh chuẩn bị, các lệnh phụ trợ, các thông số kỹ thuật như tốc độ cắt, lượng chạy dao – tất cả những dữ liệu đó là cần thiết để vận hành máy dưới sự điều khiển của băng

Có thể chia các công việc lập trình thử công thành hai loại:

- lập trình điểm tới điểm (P – T - P)

- lập trình theo đường bao vòng

Trừ trường hợp với những chi tiết gia công phức tạp có nhiều lỗ khoan là không thich hợp với lập trình thủ công, còng nói chung phương pháp này thích hợp nhất với những vật làm không phức tạp mà lại có nhiều lỗ cân gia công Ngược lại trừ những công việc phai và tiên đơn giản nhất ra, lập trình thủ công sẽ không hợp

lý với công việc căt gọt theo đường bao vòng vì rất tôt thời gian cho công việc lập trình và độ chính xáclại không cao Do vậy ta chỉ đề cập tới lập trình thủ công đối với nguyên công cắt gọt P – T – P mà thôi Còn nguyên công cắt gọt theo đường bao vòng thì rất phù hợp với phương pháp lập trình có máy tính trợ giúp

+ Lập trình chi tiết gia công dưới sự trợ giúp của máy tính

Ở những nguyên công P – T – P phức tạp hoặc cắt theo đường bao vòng, lập trình thủ công trở nên một công việc cực kỳ đơn điệu và dễ mắc lỗi, trong khi đó nếu sử dụng máy tính thì việc giải quyết bài toán sẽ nhẹ nhàng và hiệu quả hơn nhiều Để phục vụ cho mục đích đó, đã có nhiều hệ ngôn ngữ lập trình gia công chi tiết ra đời Khi có sự tham gia lập trình của máy tính, thì giữa lập trình viên và máy tính sẽ đảm nhận những nhiệm vụ riêng biệt

1.2.1.6 Điều khiển số hiện đại bằng máy tính

Trên đường phát triển của mình, công nghệ điều khiển số luôn quan hệ chặt chẽ và dựa trên nền tảng sự phát triển của công nghệ máy tính Sản xuất càng tiến

bộ, các chi tiết tạo ra càng đa dạng và phức tạp về kết cấu cũng như công nghệ Nếu

như không có sụ tham gia của máy tính trong quá trình điều khiển số thì chắc chắn con người không thể thiết kế và gia công ra các sản phẩm đó Không còn nghi ngờ

gì nữa, chính việc sử dụng máy tính số máy tính đã cho phép kỹ thuật điều khiển số

có những cải thiện đột phá về chất lượng Hai trong số các chủ đề điều khiển số bằng máy tính được đưa ra tìm hiểu gồm có:

- Điều khiển số bằng máy tính (CNC)

- Điều khiển số trực tiếp (DNC)

Với CNC, bộ điều khiển CU kiểu kết nối cứng trong NC truyền thống đã được thay thế bằng một máy tính nhỏ (trước đây là máy tính vừa, hiện nay là máy vi tính) Máy tính thực hiện một số hoặc toàn bộ chức năng NC cơ bản nhờ các chương trình lưu trữ trong bộ nhớ của nó Một trong các đặc điểm nổi bật của CNC

là mỗi máy tính được dùng để điều khiển một máy công cụ, trong khi DNC sử dụng một máy tính lớn để điều khiểnnhiều máy công cụ khác nhau

Quá trình phát triển và cải thiện công nghệ điều khiển số gắn liền với quá trình phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính nhằm khắc phục những hạn chế mà công nghệ điều khiển số truyền thông đã gặp phải Các hạn chế này gồm có:

- Các lỗi lập trình gia công chi tiết là vấn đề thường gặp khi chuẩn bị băng đục

lỗ Những lỗi này thường là lỗi cú pháp hoặc lỗi về con số, và không hiếm khi phải

ba hay bốn lần sửa lỗi hay nhiều lần hơn nữa thì mới có thể khắc phục được hết sai xót Một vấn đề nữa là làm sao có được trình tự gia công là hợp lý nhất , một khó khăn chủ yếu phát sinh khi lập trình gia công theo lỗi thủ công Một số ngôn ngữ lập trình gia công chi tiết có máy tính trợ giúp mới có những công cụ phụ trợ để có thể đáp ứng được yêu cầu này

- Chế độ cắt tối ưu: trong NC truyền thống, hệ điều khiển không có cơ cấu cho phép thay đổi tốc độ cắt và lượng chạy dao trong quá trình cắt gọt Do vậy vì lý do

an toàn, người lập trình buộc phải thiết lập chế độ cắt ở những điều kiện xấu nhất Kết quả là máy làm việc với chế độ cắt dưới mức tối ưu

Công nghệ máy tính phát triển cho ra đời các máy vi tính kích thước nhỏ bé và tốc độ sử lý ngày càng cao Do vậy, chẳng bao lâu sau, ý tưởng sử dụng một máy

tính cho một máy công cụ đã trở thành hiện thực Ý tưởng này sau đó được gọi là điều khiển số bằng máy tính hay CNC – Computer Numerical Control Những thế

hệ CNC đầu tiên được bán ở thị trường là vào khoảng năm 1970, với các ưu điểm nổi trội nhờ ứng dụng bộ điều khiển kết nối mềm một bộ điều khiển bằng máy tính tiêu chuẩn có thể được điều khiển thích nghi với các loại máy công cụ khác nhau bằng cách lập trình các chức năng điều khiển rồi đưa vào bộ nhớ của máy tính của máy công cụ đó Ngày nay, do tính ưu việt của CNC nên rất hiếm có các hệ NC kết nối cứng còn tồn tại và lưu hành trên thị trường

Những tiến bộ lớn trong công nghiệp máy tính đã không ngừng cung cấp những công cụ điều khiển số có kích thước ngày càng bé mà tốc độ và khả năng ngày càng cao với giá thành ngày càng rẻ hơn Điều đó cho phép các nhà thiết kế chế tạo máy công cụ thiết kế ra các bản mạch CNC với tư cách là một bộ phận tích hợp của máy công cụ chứ không phải là một hộp đieùe khiển độc lập đứng tách rời nhò vậy, diện tích dành để đạt máy đã giảm đi rất nhiều Các mạch VLSI (Very Large Scale Integrated) được sử dụng vào các bộ phận điều khiển này tạo thuận lợi lớn cho các nhà thiết kế cũng như người vận hành máy công cụ bộ điều khiển có ít phần tử hơn cũng có nghĩa là ít tốn kém hơn và dễ chế tạo hơn đối với các nhà thiết

kế chế tạo máy công cụ

1.2.1.7 Đồ họa tương tác với việc lập trình trên hệ CAD/CAM

Có thể nói việc sử dụng đồ họa tương tác vào lập trình NC là một ví dụ nổi bật

về tích hợp giữa CAD và CAM Trình tự của thủ tục lập trình được tiên hành trên terminal đồ họa (có thể coi là một máy vi tính) của hệ thống CAD/ CAM Từ dữ liệu hình học mô tả chi tiết do quá trình CAD tạo ra, người lập trình sẽ dựa vào đó

để xấy dựng đường đi của dụng cụ cắt Trong hầu hết các phần mềm tích hợp CAD/CAM ngày nay, thì đường đi đó được tự động tạo ra Kết qua thu được là một chương trình APT hoặc một tệp CLFILE thực (Cutter location File: tệp vị trí dao cắt) mà dựa vào đó, có thể tiến hành các bước tiếp theo để tạo băng đục lỗ phục vụ cho quá trình gia công chi tiết

Tất cả các nhà cung cấp hệ thống CAD/CAM lớn đều có bán kèm theo các gói phần mềm lập trình gia công NC Mặc dù các gói phần mềm đều có những đặc điểm khác nhau giữa các nhà cung cấp nhưng chúng đều vận hành theo một cách thức giống nhau Trình tự của thủ tục lập trình gia công theo các bước sau đây:

+ Các bước khởi đầu của thủ tục:

Thủ tục CAD/CAM dùng cho lập trình NC bắt đầu bằng việc xác định dữ liệu hình học của chi tiết Một thuận lợi rất lớn của việc sử dụng hệ thống CAD/CAM là có thể tạo ra những dữ liệu hình học thông qua quá trình thiết kế CAD Nếu mô hình hình học của chi tiết chưa được tạo ra trong giai đoan CAD thì nhất định nó phải đựơc xây dựng trên màn hình đồ họa trứớc khi có thể lập trình

Hình 1.3 - Tạo lập mô hình hình học chi tiết thông qua chức năng CAD

Với chi tiết gia công được thể hiện trên màn hình máy tính, người hình học tiến hành ghi nhãn cho các bề mặt, các yếu tố hình học khác nhau tạo nên hình dáng hình học của chi tiết Công việc này được thực hiện thông qua sự hỗ trợ của các công cụ thích hợp được xây dựng trong hệ CAD/CAM Sau khi ghi nhãn xong, hệ CAD/CAM sẽ tạo ra các lệnh hình học cần thiết của ngôn ngữ APT

Lựa chọn dụng cụ cắt gọt là bước tiếp theo trong thủ tục này Một hệ CAD/CAM thường có thư viện dụng cụ cắt, chứa nhiều danh mục dụng cụ thông dụng ở phân xưởng và đã được phân loại người lập trình giựa vào đó có thể chọn một trong số những dụng cụ cắt được liệt kê trong thư viện này, hoặc cũng có thể tự mình tạo ra các dụng cucắt mới bằng cách xác định các thông số và kích thước của dụng cụ cắt như đường kính, bán kính góc lượn,chiều dài lưỡi cắt…vv

+ Tạo đường sinh của dụng cụ

Khi thực hiện đến bước này, người lập trình đã có một mô hình hình họccủa vật làm cùng các dụng cụ cắt cần thiết để gia công cắt gọt Bước tiếp theo sẽ là xây dựng đường đi của dao cắt Khi sử dụng đồ họa tương tác, ta có được , ta có được phương pháp thực hiện nhiệm vụ đó tùy theo từng loai nguyên công (phay cạnh, tiện, đột, dập,…) và độ phức tạp của chi tiết gia công Cách tiếp cận tương tác cho phép người lập trình tạo nên đường đi của dụng cụ cắt theo lối bước nọ nối tiếp bước kia và cso thể theo dõi trên màn hình để có thể kiểm tra bằng mắt Thủ tục bắt đầu bằng việc xác định vị trí xuất phát của dao cắt Sau đó người lập trình ra lệnh cho dao cắt di chuyển dọc theo các bề mặt hình học đã xác định của chi tiết gia công Khi hình ảnh của dụng cụ cắt đang chuyển động trên màn hình máy tính, các lệnh chuyển động của ngôn ngữ APT tương ứng được hệ CAD/CAM tự động sắp sẵn ra Phương cách tương tác còn tạo cơ hội cho sử dụng chèn vào các lệnh hậu sử

lý tại những thời điểm thích hợp trong quá trình tạo chương trình Các lệnh hậu xử

lý gồm các lệnh máy công cụ như tốc độ cắt, lượng ăn dao và điều khiển nước làm nguội

Các thường trình cắt gọt tự động được chương trình chính gọi ra làm việc để phục vụ cho những công việc gần giống nhau lặp lại trong các đoạn khác nhau trong chương trình Những chương trình này cũng tương tự như các MACRO, được viết

ra với tư cách là một bộ phận của gói phần mềm CAD/CAM Dữ liệu hình học của chi tiết đóng vai trò một tập hợp các định nghĩa tham số hoặc các đối số dùng cho MACRO

Hình 1.4 - Tạo đường sinh dụng cụ

gia công chi tiết thông qua chức

năng CAM

Phay cạnh và phay hốc lõm là hai ví dụ thông dụng về các thường trình cắt gọt tự động mà hầu hết các hệ CAD/CAM đều có Trong đó, thường trình phay cạnh được dùng để tạo ra các đường đi của dao khi cắt gọt vòng quanh một loạt các yếu tố hình học đã được người sử dụng chỉ ra trước đó Đồ họa rất có lợi cho người dùng khi tạo đường sinh của dụng cụ thông qua hệ CAD/CAM Ta có thể hiển thị hóa quá trình cắt gọt chi tiết thông qua việc mô phỏng quá trình chuyển động của dụng cụ cắt trên màn hình đồ họa Các phần mềm đồ CAD/CAM cung cấp cho người thiết kế công cụ mô phỏng với các tùy biến khác nhau như: chuyển động dụng cụ với vận tốc lớn nhằm giảm thời gian thẩm tra đường đi của dao, cho dụng

cụ chuyển động với tốc độ thực để thấy được lượng chạy dao ứng với tốc độ cắt đã cho , hoặc dùng chuyển động của dao để kiểm tra một cách kỹ luỡng hơn hay cho dao chạy theo từng bước một để có thể thấy được đường đi của dao theo từng bước một…vv

Hình 1.5 - Mô phỏng quá trình

chuyển động của dụng cụ cắt

1.2.1.8 Ưu điểm của CAD/CAM trong lập trình NC gia công chi tiết

Sử dụng các hệ CAD/CAM trong lập trình NC gia công chi tiết là cách tiếp cận có nhiều ưu điểm:

- Tiết kiệm thời gian xác định hình học: nhờ sử dụng hệ đồ họa của chương trình CAD/CAM mà dữ liệu hình học của chi tết gia công được tạo ra trong giai đoạn thiết kế CAD, do vậy người lập trình gia công chi tiết không phải tái tạo dữ liệu này, điều mà lập trình APT không thể có được

- Thẩm định cụ thể, trực quan: Nhờ có màn hình máy tính và kỹ thuật đồ họa, đừong đi của dao cắt được hiển thị lên màn hình bằng hình ảnh nên người lập trình

có thể kiểm tra rất cụ thể, sinh động và trực quan Do vậy đã số lỗi lập trình được phát hiẹn và chỉnh sửa ngay sau khi vừa mắc phải trong khi đó, với các ngôn ngữ

NC (kể cả APT) truyền thống thì chắc chắn sẽ có một khoảng thời gian trì hoán giữa viết chương trình với quá trình phát hiện sửa lỗi

- Sử dụng các thường trình cắt gọt tự động: khi lập trình gia công những chi tiết thông dụng như các chi tiết cần phay cạnh hay phay hốc lõm, thì việc sử dụng các thường trình kiểu MACRO sẽ giảm nhiều thời gian lập trình

- Có lợi cho sản xuất đơn chiếc: do thời gian lập trình gia công chi tiết giảm rất nhiều nhờ việc sử dụng hệ thống CAD/CAM, vì vậy NC lúc này trở thành một phương pháp hấp dẫn về kinh tế đối với sản xuất đơn chiếc Nếu không có hệ CAD/CAM thì để lập trình, cần phải có một lượng thời gian lớn và đó sẽ là một trở ngại ngăn cản cho việc sử dụng NC trong sản xuất đơn chiếc

- Tích hợp các chức năng liên quan: có một cơ hội hiển nhiên cho việc tích hợp chức năng thiết kế sản phẩm với chức năng lập trình NC gia công chi tiết Trong giai đoạn sản xuất cũng có cơ hội để tích hợp các chức năng như vậy, chẳng hạn thiết kế dụng cụ cắt, thiết kế quy trình công nghệ, phân nhóm chi tiết gia công

để dễ lập trình,…vv Bằng rất nhiều ưu điểm của CAD/CAM trong lập trình gia công chi tiết, chắc chán toàn bộ logic của qúa trình này sẽ được xử lý trên máy tính Điều này cho phép lập trình NC sớm được máy tính thực hiện trọn vẹn và tự động

mà không cần có sự can thiệp của con người

1.2.2 Giới thiệu về công nghệ CNC

CNC (control Numerical ) – điều khiển số bằng máy tính là một hệ thống NC

có sử dụng máy tính trong đó lưu trữ chương trình dành riêng cho việc thực hiện một số hoặc toàn bộ chức năng điều khiển số cơ bản Thời kỳ đầu chỉ sử dụng máy tính, nhưng kể từ khi máy vi tính ra đời đến nay thì hầu hết các hệ thống CNC có trên thị trường đều sử dụng một bộ điều khiển dựa trên máy vi tính, và cũng từ đó, máy vi tính được sử dụng trong các mạch điều khiển của CNC

Về hình thứ bên ngoài, máy CNC rất giống với máy NC truyền thống Các chương trình gia công chi tiết lúc đầu cũng được nhập vào theo cùng một cung cách giống nhau Đầu đọc băng vẫn là thiết bị công dụng chung để nhập chương trình gia công chi tiết vào hệ thống Tuy nhiên, với điều khiển số truyền thống sau khí chi tiết được gia công xong, băng lại được cuộn trở lại vị trí ban đầu để cắt gọt lần tiếp theo Cứ như vậy cho đến khi cắt gọt hết Còn đối với CNC thì chương trình chỉ đựoc nhập vào máy tính một lần rồi được lưu trữ luôn trong bộ nhớ Do vậy bộ phận đọc băng chỉ được dùng một lần vào việc nhập chương trình vànạp dữ liệu lúc ban đầu mà thôi So với máy NC thông thường, máy CNC mềm dẻo và có nhiều khả năng tính toán hơn Khi muốn bổ xung hay thay đổi một ý định nào đó, ta chỉ việc lập trình lại là xong Do khả năg có thể lập trình lại này – cả chương trình gai công chi tiết cũng như các tùy chọn điều khiển của hệ thống, mà CNC thường được gọi là

“NC kết nối mềm”

1.2.2.1 Các chức năng của CNC

Máy CNC được thiết kế với nhiều chức năng, trong đó có nhữnc chức năng

mà máy NC truyền thống không thể hoặc khó có thể thực hiện được các chức năng chủ yếu của máy CNC là:

a Điều khiển máy công cụ: chức năng hàng đầu của một hệ CNC là điều

khiển máy công cụ Nó thực hiện chuyển đổi các lệnh của chương trình gia công chi tiết thành các chuyển động của máy công cụ thông qua giao diện mát tính và hệ trợ động (servo system) Ưu điểm của CNC là có thể kết hợp một cách dễ dàng nhiều đặc tính điều khiển khác nhau vào trong cùng một bộ điều khiển kết nối mềm một

số chức năng điều khiển như nội suy đường tròn chẳng hạn, thực ra các mạch kết nối cứng thực hiện có hiệu quả hơn so với máy tính, vì vậy dẫn đến hai kiểu bộ đièu khiển thay thế nhau trong CNC, đó là:

- CNC lai ghép

- CNC không lai ghép

Với hệ CNC lai ghép, bộ phận điều khiển gồm có một máy tính kết nối mềm cộng với các mạch lôgic kết nối cứng Các phần tử kết nối cứng tiến hành những chức năng mà nó thực hiện tốt nhất như tạo sinh lượng dao và nội suy đường tròn, cong máy tính thì thực hiện những chức năng còn lại cùng những nhiệm vụ khác không thuộc về chức năng của bộ phận kết nối cứng

Với hệ CNC không lai ghép, sử dụng một máy tính để thực hiện tất cả mọi chức năng Hệ này chỉ cần đến những phần tử kết nối cứng nào phục vụ cho việc giao diện máy tính với máy công cụ và điều khiển của nguời vận hành Còn các chức năng nội suy, phản hồi vị trí dao cắt và mọi chức năng khác đều được phần mềm máy tính thực hiện Do vậy máy tính trong hệ này phải mạnh hơn nhiều so với máy tính trong hệ lai ghép Ưu điểm của hệ không lai ghép là tính mềm dẻo của nó: khi cần nó có thể dễ dàng thay đổi chương trình nội suy trong khi hệ lai ghép không có khả năng này do logic của các mạch kết nối cứng không thể thay đổi được

b Bù sai số khi đang gia công: đây là chức năng có quan hệ chặt chẽ với

điều khiển máy công cụ Nó liên quan tới hiệu chỉnh động đối với các chuyển động của máy công cụ khi đang gia công mà gặp lỗi hay cần thany đổi các thông số này Các kiểu bù khi đang gia công của máy CNC gồm có

- Điều chỉnh khi gặp lỗi do dụng cụ đo, hoặc dụng cụ đo nhận biết được lúc đang gia công

- Tính toán lại tọa đọ khi một đầu dòbị lỗi được sử dung để định vị một mốc tham chiếu trên chi tiết gia công

- Điều chỉnh lượng bù dao theo bán kính dao (dao phay) và theo chiều dài dao (dao tiện)

- Điều chỉnh điều khiển thích nghi đối với tốc độ cắt hoặc lượng chạy dao hoặc cả hai

- Tính toán tuổi thọ dự kiến của dao cắt và lựa chọn dao thay thế khi có yêu cầu

c Các tính năng lập trình và vận hành tiên tiến

Các tính năng lập trình và vận hành có được là nhờ tính mềm dẻo của điều khiển kết nối mềm Các tính năng này gồm có :

- Chỉnh sửa chương trình ngay trên máy, nhờ đó có thể dễ dàng sửa lỗi cà tối

ưu hóa chương trình

- Hiển thị hình ảnh đường đi của dao cắt để có thể thẩm tra lại chất lượng băng có đục lỗ

- Hỗ trợ các hệ đo khác nhau bao gồm hệ Anh và hệ mét

- Sử dụng các chương trình con chuyên dụng

- Nhập dữ liệu thủ công (MDI: Manual Data Input)

- Lưu trữ cục bộ chưa nhiều chương trình gia công chi tiết

d Chức năng chẩn sai

Các máy CNC là những hệ phức tạp và đắt tiền Càng phức tạp thì càng tăng khả năng hỏng hóc khiến hệ thống phải ngừng hoạt động đồng thời càng đòi hỏi đội ngũ bảo trì hệ thống phải được đào tạo ở mức thành thạo hơn để có thể ứng phó được, sửa chữa được những hỏng hóc đó Do chi phí NC cao nên cần cố gắng phải dừng máy ở mức độ tối thiểu Các máy CNC thường được trang bị thêm khả năng chẩn sai để có thể hỗ trợ trong công tác bảo trì và sửa chữa Cùng với thời gian thì các khả năng chẩn sai này vẫn đang trong quá trình phát triển và hoàn thiện dần Một số chức năng chẩn sai có thể kể đến là:

- Chỉ ra nguyên nhân gây ra ngừng máy

- Ra tín hiệu báo động về những hỏng hóc sắp xảy ra tại một chi tiết hay bộ phận nào đó Giúp cho đội ngũ bảo trì có thể thay thế chi tiết hay bộ phận ấy vào lúc ngừng máy, nhờ vậy tránh phải dừng sản xuất không đúng kế hoạch

- Đối với những phần tử được coi là dễ hỏng thì nên bố trí sẵn phần tử dự phòng, để khi có sự cố thì hệ chẩn sẽ tự động tách phần tử hỏng ra, đồng thời kích hoạt phần tử dự phòng vào thay thế hoạt động, nhờ vậy công việc sửa chữa không làm gián đoạn hoạt động bình thường của hệ thống

1.2.2.2 Các ưu điểm của CNC

So với các máy NC truyền thống, CNC có những ưu điểm sau:

- Băng và bộ phận đọc băng chỉ dùng đến một lần để nhập chương trình vào

bộ nhớ máy tính Nhờ ưu điểm này mà tăng độ tin cậy của hệ vì bộ phận đọc băng thuờng được coi là thành phần kém tin cậy nhất trong hệ NC truyền thống

- Chỉnh sửa băng ngay tại máy: băng chứa chương trình có thể chỉnh sửa, thậm chí tối ưu hóa (như đường đi của dao cắt, tốc độ cắt và lượng chạy dao) trong khi băng đang được chạy thử tại máy công cụ

- Chuyển đổi kinh hoạt giữa hệ Anh và hệ quốc tế: CNC có khả năng chuyển đổi đơn vị inch được chuẩn bị trên băng thành đơn vị mét

- Tính mềm dẻo cao hơn: đây là điểm nổi trội nhất so với NC truyền thống nhờ tính mềm dẻo mà khi cần có thể tạo ra những khả năng điều khiển mới khá dễ dàng và ít chi phí

- Người lập trình có thể viết các chương trình bổ xung: một trong những khả năng không lường được từ đầu là người dùng lại có thể viết những chương trình chuyên dụng của mình để bổ xung vào chương trình gia công chi tiết chúng thường là những chương trình con ở dạng Marco, được lưu trữ trong bộ nhớ máy CNC và khi cần, có thể được chương trình gia công chi tiết gọi ra để thực hiện các trình tự gia công thường xuyên lặp lại

- Tổng thiết bị sản xuất: CNC thích hợp hơn với một hệ thống sản xuất được máy tính hóa ở cấp độ toàn nhà máy Một trong những cột mốc đạt tới hệ thống như vậy là khái niệm điều khiển số trực tiếp (DNC)

1.2.2.3 Phân loại các hệ thống điều khiển

Xét về bản chất thì các máy điều khiển theo chương trình số có nguyên lý tạo hình về cơ bản không khác gì so với máy công cụ truyền thống, có nghĩa là về mặt

thuật ngữ nó cũng mang tên của các loại máy công cụ như máy tiện, máy phay đứng, máy phay nằm ngang hay máy mài… nhưng chúng đã được số hóa và tin học hóa để có thể điều khiển được các chuyển động công tác của máy bằng các lệnh đưa vào hệ thống CNC Tùy theo yêu cầu của từng loại máy và từng cơ cấu điều khiển,

hệ điều khiển mà có thể phân thành 3 loại cơ bản sau: điều khiển điểm – điểm, điều khiển đoạn thẳng và điều khiển theo đường (tuyến tính hoặc phi tuyến) Tất nhiên các máy đieùe khiển đường đều có thể sử dụng để điều khiển điểm điểm và đoạn thẳng

a Điều khiển Điểm – Điểm

Với các loại máy này , trong quá trình gia công, người ta cho định vị nhanh dụng cụ đến tọa độ yêu cầu và trong quá trình dich chuyển nhanh dụng cụ, máy không thực hiện việc cắt gọt Chỉ đến khi đạt được tạo độ theo yêu cầu nó mới thực hiện các công việc cắt gọt, ví dụ như: khoan lỗ, khoét, doa hoặc có thể những công việc khác như trên các máy hàn điểm cho công việc hàn, các máy đột dập cho công việc đột hoặc dập lỗ…

Hình 1.6 - Điều khiển điểm

Trong ví dụ trên, để gia công 2 lỗ A và B có các tọa độ XA, YA và XB, YB trong

hệ tọa độ XOY Ta có thể thực hiện theo các cách sau đây: Điều khiển dụng cụ dịch chuyển nhanh đến điểm A(XA,YA) Sau đó thực hiện gia công lỗ A Tiếp theo, sau khi đã dich chuyển dụng cụ thoát khỏi lỗ đã gia công (đảm bảo rằng việc dịch chuyển dụngcụ thực hiện được an toàn) sẽ tiếp tục dịch chuyển nhanh dụng cụ đến

điểm B (XB,YB) để gia công lỗ B Khi đó, quá trình dich chuyển dụng cụ đến điêm

B có thể thực hiện bằng 2 cách được biểu diễn:

- Quỹ đạo dịch chuyển theo AA’CB song song với các trục tọa độ OX và OY

- Quỹ đạo dịch chuyển theo đường thẳng tối ưu: ACB

b Điều khiển đoạn thẳng ( Hình 1.7 )

Ngoài chức năng dich chuyển nhanh theo

các trục tọa độ như ở điều khiển điểm, còn có thể

thực hiện việc gia công trong qúa trình dich

chuyển theo các trục này Điều đó có nghĩa là

dụng cụ sẽ thực hiện các chuyển động cắt gọt

trong quá trình dịch chuyển song song với các

trục tọa độ hoặc khi tiện các chi tiết mà dụng cụ cắt thực hiện các chuyển động cắt gọt theo phương trục Z va trục X

c Điều khiển đường (tuyến tính và phi tuyến)

Ngoài các chức năng như điều khiển điểm và điều khiển đoạn thẳng, người ta còn có thể điều khiển được dụng cụ chuyển động theo các đường bất kỳ trong mặt phẳng hoặc trong không gian có thực hiện gia công cắt gọt Tùy thuộc vào đường được điều khiển là phẳng hay không gian mà ra có thể bố trí số trục được điều khiển đồng thời là khác nhau Từ đó cũng xuất hiện thuật ngữ máy 2 trục, máy 3,4,5 trục (tức có số trục được điều khiển đồng thời theo quan hệ ràng buộc)

Để chuẩn hóa việc sử dụng thuật ngữ, người ta thường sử dụng thuật ngữ máy

điều khiển 2D, 2D ½, 3D, 4D, 5D (dimension)

* Điều khiển 2D

Cho phép dịch chuyển dụng cụ cắt trong một mặt phẳng nhất định nào đó (2 trục được điều khiển đồng thời) Thí dụ, trên máy tiện, dụng cụ sẽ dich chuyển trong mặt phẳng XOZ để tạo nên đường sinh khi tiện các bề mặt, trên các máy phay

2D, dụng cụ sẽ thực hiện các chuyển động trong mặt phẳng xoy để tạo nên các đường rãnh hay các mặt bậc có biên dạng bất kỳ

Hình 1.8 - Điều khiển 2D trên máy phay

* Điều khiển 2D ½

Cho phép dịc chuyển dụng cụ theo 2 trục đồng thời để tạo nên một được cong phẳng, còn trục thứ 3 được điều khiển chuyển động độc lập Điều khác biệt của phương pháp điều khiển này so với điều khiển 2D là ở chỗ 2 trục được điều khiển đồng thời có thể được đổi chỗ cho nhau: có nghĩa là hoặc trong mặt phẳng XOY hoặc trong mặt phẳng YOZ

Hình 1.9 - Điều khiển 2D ½

*) Điều khiển 3D

Cho phép dịch chuyển dụng cụ theo 3 mặt phẳng đồng thời để tạo nên một đương cong hay một mặt cong trong không gian bất kỳ Điều này cũng tương ứng

với quá trình điều khiển đồng thời cả 3 trục của máy theo một quan hệ ràng buộc nào đó tại từng thời điểm để tạo nên quỹ đạo của dụng cụ theo yêu cầu

Hình 1.10 - Phay túi trên máy 3D

*) Điều khiển 4D, 5D

Trên cơ sở của điều khiển 3D, người ta còn bố trí cho dụng cụ hoặc chi tiết có thêm 1 chuyển động quay (4D) hoặc hai chuyển động quay(5D) xung quanh một hay 2 trục nào đó theo một quan hệ rằng buộc với các chuyển động trên các trục khác của máy 3D Với khả năng như vậy, các bề mặt phức tạp hay các bề mặt có trục quay có thể được thực hiện dễ dàng so với khi gia công trên máy 3D

Mặt khác, vì lý do công nghệ nên có những bề mặt không thể thực hiện được việc gia công bằng 3D vì có thể tốc độ cắt sẽ có những điểm có tốc độ cắt bằng không (như tại đỉnh của dao phay đầu cầu) hay lưỡi cắt của dụng cụ không thể thực hiện việc gia công theo mong muốn (ví dụ góc cắt không thuận lợi hay có thể vướng thân dao vao các thành phần khác của chi tiết )

Tóm lại, tùy thuộc vào yêu cầu bề mặt gia công cụ thể mà có thể lựa chọn máy thích hợp vì máy càng phức tạp thì giá thành máy càng cao và cần phải bổ xung thêm nhiều công cụ khác như các phân mềm CAD/CAM hỗ trợ cho việc lập

trình…hơn thế nữa, máy càng phức tạp (càng có nhiều trục điều khiển) thì tính an toàn trong quá trình vận hành và sử dụng máy càng thấp do dễ bị va chạm dao vào phôi và máy Vì vậy để có thể sử dụng các loại máy này, người điều khiển trước hết

đã sử dụng rất thành thạo các máy điều khiển theo chương trình số 2D và 3D

1.2.2.4 Hệ thống tọa độ, các điểm gốc và điểm chuẩn

a Hệ thống tọa độ máy CNC

Để có thể tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, cần thiết phải gắn vào chi tiết một hẹ trục tọa độ Thông thường các trên các máy điều khiển theo chương trình số, ta sử dụng hệ tọa độ Decard OXYZ theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận) và nó được gắn vào chi tiết gia công Gốc của hệ trục tọa độ có thể đặt tại bất

kỳ một điểm nào đó trên chi tiết (về mặt nguyên tắc) nhưng thông thường người ta

sẽ chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời dễ dàng kiểm tra kích thước theo bản vẽ của chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều tính toán bổ xung

Một đặc điểm mang tính quy ước là trên các máy điều khiển theo chương trình

số, chi tiết gia công được xem là luôn luôn cố định và luôn gắn với hệ thống tọa độ

cố định nói trên, còn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do dụng cụ thực hiện Trong thực tế, điều này đôi khi ngược lại, ví dụ trên máy phay thì chính bàn máy mang phôi mới thực hiện chuyển động tạo hình, còn dụng cụ chỉ thực hiện chuyển động cắt gọt

Hình 1.11 - Hệ tọa độ trên các máy CNC và chuyển động các trục

Theo quy ước chung, phương của trục chính của máy là phương của trục OZ, còn chiều dương của nó được quy ước khi dao tiến ra xa chi tiết ví dụ, với máy tiện 2D thông thường thì trục chính của nó nằm ngang và trùng với phương OZ của hệ tọa độ, chiều dương của nó hướng ra khỏi ụ trục chính (hướng về phía bàn dao) Phương chuyển động của bàn xe dao theo hướng kính là phương OX và chiều

dương của nó là hướng ra xa bề mặt chi tiết gia công Đối với máy phay thẳng đứng, trục X hướng theo phương thửang đứng từ dưới lên trên., còn trục X và Y được xác định theo quy tắc bàn tay phải, tuy nhiên trong thực tế các nhà máy chế tạo lại thường ưu tiên chọn trục X là trục mà có chuyển động bàn máy dài hơn…đối với các chuyển động quay xung quanh các trục tương ứng X,Y,Z được xác định bằng các địa chỉ A, B, C sẽ được xác định là chiều dương khi chiều quay đó có hướng thuậnchiều kim đồng hồ khi nhìn theo chiều dương của các trục tương ứng (khi nhìn vào gốc của hệ trục tọa độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ngước chiều kim đồng hồ) ngoài ra, còn có một số chuyển động phụ song song với các trục tương ứng với các trục X, Y, Z là các địa chỉ U, V, W và hướng của chúng được biểu diễn như hình trên

b Các điểm gốc, điểm chuẩn

- Điểm gốc của máy M

Quá trình gia công trên máy điều khiển theo chương trình số được thiết lập bằng một chương trình mô tả quỹ đạo chuyển động tương đối giữa lưỡi cắt của dụng cụ và phôi Vì vậy để đảm bảo việc gia công đạt được độ chính xác thì các dịch chuyển của dụng cụ phải được so sánh với điểm 0 (zero) của hệ thống đo lường và người ta gọi điểm gốc của của hệ tọa độ của máy hay gốc đo lường M (Machine referecce zero) Các điểm này được các nhà máy chế tạo quy định trước

- Điểm chuẩn của máy R

Để giám sát và điều chỉnh kịp thời quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, cần thiết phải bố trí một hệ thống đo lường để xác định quãng đường thực tế (tọa độ thực) so với tọa độ lập trình Trên các máy CNC người ta đặt các mốc để theo dõi các tọa độ thực của dụng cụ trong quá trình dịch chuyển, vị trí của dụng cụ luôn luôn được so sánh với gốc đo lường của máy M Khi bắt đầu đóng mạch điều khiển của máy thì tất cả các trục phải được chạy về một điểm mà giá trị tọa độ của nó so với điểm gốc

M phải luôn luôn không đổi và do các nhà chế tạo máy quy định Điểm đó gọi là chuânr của máy (ký hiệu Machine Reference Point) Vị trí của điểm chuẩn này được tính toán chính xác từ trước bởi một cá (cữ chặn) lắp trên bàn trượt và các công tắc

giới hạn hành trình Do độ chính xác vị trí của các máy CNC là rất cao (thường với

hệ Metre thì giá trị của nó là 0,001 mm và với hệ inch là 0,0001 inch) nên khi dịch chuyển trở về điểm chuẩn của các trục thì ban đầu nso chạy nhanh cho đến khi gần đến vị trí thì chuyển sang chế độ chạy chậm để định vị một cách chính xác

Hình 1.12 - Các điểm gốc và điểm chuẩn trên máy thẳng đứng

- Điểm zero của phôi W và điểm gốc của chương trình P

Điểm gốc của phôi W

Khi bắt đầu gia công, cần phải tiến hành xác định tạo độ điểm zero cảu chi tiết hay gốc chương trình so với điểm M để xác định và hiệu chỉnh hệ thống đo lường dich chuyển

Điểm zero (O) của phôi W (ký hiệu workpiece zero point) xác định hệ tọa độ của phôi trong quan hệ với điểm zero của máy (M) điểm W của phôi được chọn bởi người lập trình và đuợc đưa vào hệ thống CNC khi đặt số liệu máy trước khi gia công

Điểm gốc của phôi có thể được chọn tùy ý bởi người lập trình trong phạm vi không gian làm việc của máy và của chi tiết Tuy vậy, nên chọn điểm nào ở trên phôi cho thuận tiện khi xác định các thông giữa nó với M Thường với chi tiết tiện, người ta chọn điểm W trùng trục quay (tâm trục máy tiện) và có thể chọn đầu mút trái hay đầu mút phải của phôi Đối với chi tiết phay, nên lấy một điểm nằm ở góc làm điểm W của phôi, thường dùng là góc bên trái, phía trên phôi

Điểm gốc của chương trình ( Hình 1.13)

Tùy thuộc vào bản vẽ chi tiết gia công mà người ta sẽ có một hay một số điểm chuẩn để xác định tọa độ của các bề mặt khác Trong trường hợp đó, điểm này gọi

là điểm gốc chương trình P Thực tế trong quá trình gia công, nếu chọn điểm gốc W của phôi trùng với điểm gốc cảu chương trình thì sẽ càng thuận lợi cho quá trình lập trình vì không phải thưcj hiện nhiều phép tính toán bổ xung

Chọn điểm gốc của chi tiết và điểm gốc của chương trình

Khi khoan các lỗ phân bố trên đường tròn

- Điểm gốc cuả dụng cụ

Để đảm bảo quá trình gia công chi tiết với việc sử dụng nhiều dao và mỗi dao

có hình dạng và kích thuớc khác nhau được chính xác, cân phải có các điểm gốc của dụng cụ điểm gốc của dụng cụ là những điểm cố định và nó được xác định tọa độ chính xác so với các điểm M và R

Điểm chuẩn của dao P

Điểm chuẩn của dao là điểm mà từ đó ta lập trình chương trình chuyển động trong quá trình gia công Đối với dao tiện, người ta chọn điẻm nhọn của mũi dao và đối với dao phay ngón, dao khoan thì người ta chọn điểm P ở tâm trên đỉnh dao, còn với dao phay đầu cầu, người ta chọn điểm P là tâm mặt cầu

Hình 1.14 - Các điểm chuẩn P của dao

Dao tiện (a), dao phay ngón (b), dao phay đầu cầu (c)