BAI GIANG CADCAMCNC 2017

CAM Computer Aided Manufacturing: Chế tạo với sự trợ giúp của máy tính, mô phỏng quá trình chế tạo, lập trình chế tạo sản phẩm trên máy công cụ tự động CNC CNC Computer Numerical Control

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM/CNC

CAD (Computer Aided Design): Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính, tự động

hóa từng phần tiến tới tự động hóa hoàn toàn

CAM (Computer Aided Manufacturing): Chế tạo với sự trợ giúp của máy tính,

mô phỏng quá trình chế tạo, lập trình chế tạo sản phẩm trên máy công cụ tự động CNC

CNC (Computer Numerical Control): Ðiều khiển số bằng máy tính, để điều

khiển tự động các máy trong day chuyền sản xuất

2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CAD/CAM/CNC

- Năm 1808, Joseph M Jacquard điều khiển tự động máy dệt bằng những tấm

tôn đục lỗ Ðánh dấu sự ra đời của vật mang thông tin thay đổi được

- Năm 1863, M Fourneaux đăng ký phát minh đài dương cầm tự động Pianola,

trong đó các phím bấm được điều khiển bằng băng giấy đục lỗ Bãng giấy đục lỗ dùng

làm vật mang thông tin được phát kiến

- Năm 1938, Claud E Shannon tại MIT (Massachusetts Intitue of Technology)

đã chứng minh rằng việc tính toán và truyền tải nhanh dữ liệu chỉ có thể duy nhất thực

hiện nhờ mã nhị phân Cơ sở khoa học cho máy tính và điều khiển số được hoàn thiện

- Năm 1946, máy tính số điện tử đầu tiên “ENIAC” ra đời, dựa trên công nghệ

đèn điện tử

- Năm 1949 – 1952, John Parsons và MIT phối hợp chế tạo thành công máy

phay điều khiển số đầu tiên có tên là Cincinati Hydrotel, có trục đứng Tủ điều khiển

dùng đèn điện tử, có thể dịch chuyển đồng thời 3 trục (3D Linearinterpolation), tiếp

nhận dữ liệu qua băng đục lỗ mã nhị phân

- Năm 1954, thiết bị điều khiển NC công nghiệp đầu tiên ra đời bởi Bendix

- Năm 1957, máy phay NC đầu tiên được trang bị trong các xưởng chế tạo máy

bay của không lực Hoa Kỳ

- Năm 1958, ngôn ngữ lập trình APT ra đời

- Năm 1960,các nhà chế tạo Ðức trình bày những máy NC đầu tiên của mình

tại hội chợ Hannover

- Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC (Intergrated Circuits) làm cho các tủ

điều khiển nhỏ hơn và có độ tin cậy cao hõn

- Năm 1972, thế hệ các thiết bị NC kết nối với máy vi tính có công năng mạnh

mẽ hơn (CNC) Thế hệ này nhanh chóng được thay thế bởi các cụm điều khiển dùng

Microprocessor (ìP)

- Năm 1986, chuẩn hóa giao diện và truyền thông: làm cơ sở cho hệ thống CIM

(Computer Intergrated Manufacturing) phát triển

- Năm 1990, hình thành và phát triển các hệ thống CIM

3 MỐI QUAN HỆ CAD/CAM và CNC

Hình 1.1 Các giai đoạn phát triển của CAD/CAM/CNC

4 SO SÁNH GIỮA QUI TRÌNH SẢN XUẤT TRUYỀN THỐNG VÀ QUI

TRÌNH SẢN XUẤT CĨ HỔ TRỢ CAD/CAM

Hình 1.2

Khái niệm sản phẩm

Tính tốn thiết kế

Sản xuất Lập kế hoạch

sản xuất Kiểm tra

Qui trình sản xuất truyền thống

QTSX truyền thống

ạp trong khơng gian 3D

- Liên kết với các Modul khác để thực hiện quá trình tính tốn phân tích kỹ thuật, mơ phỏng gia cơng thử để kịp thời sữa chữa trước khi tiến hành quá trình sản xuất

- Biên dịch các đường chạy dao chính xác dùng cho cơng nghệ gia cơng trên các máy CNC

và truyền chương trình gia cơng cho các máy gia cơng CNC qua mạng máy tính

5 CÁC PHẦN MỀM CAD/CAM THƯỜNG DÙNG

• AutoCAD

CAD Lập bản vẽ và hồ sơ nhờ máy tính

Khái niệm sản phẩm

Tính tốn thiết

Lập QTCN nhờ máy tính

Điều khiển chất lượng nhờ máy tính

Sản xuất

Lập kế hoạch sản xuất

Roboot, máy cơng cụ

điều khiển bằng máy

Lập kế hoạch sản xuất nhờ máy tính, kế hoạch nhu cầu vật tư, nắm tình hình sản xuất Kiểm tra

Qui trình sản xuất cĩ CAD/CAM

Trong số các phần mềm nói trên hiện nay được sử dụng nhiều nhất là:

AutoCAD, Pro/ENGINEER, Mastercam, SolidWorks, Catia

Chương 2

CAD - THIẾT KẾ NHỜ MÁY TÍNH

Nội dung chương

1 TỔNG QUAN

Chúng ta đã biết mối liên hệ giữa CAD/CAM và CNC, trong đó hệ thống

CAD dùng máy tính để thiết kế, phát triển, phân tích, sửa chữa Vấn đề cốt lõi trong

hệ thống CAD là đồ họa máy tính Khi thiết kế người thiết kế dùng máy tính để tạo ra,

biến đổi và đưa dữ liệu lên màn hình ở dạng hình ảnh và ký hiệu

Một hệ tương tác đồ họa máy tính ICG (Interactive Computer Graphics) điển

hình bao gồm phần cứng và phần mềm

Hình 2.1

1.1 Phần cứng gồm

- Bộ xử lý trung tâm

- Một hoặc vài trạm làm việc kể cả màn hình

- Các thiết bị như máy in, máy vẽ,

1.2 Phần mềm gồm

Các chương trình cần thiết để đưa qúa trình đồ họa lên hệ thống, kèm theo

các chương trình ứng dụng cho các nhiệm vụ thiết kế riêng biệt theo yêu cầu của người

dùng

Cấu hình của một phần mềm CAD gồm:

Hệ thống hay bộ đồ họa (Graphics Package) là phần mềm hỗ trợ giữa người

dùng và màn hình đồ họa Nó quản lý sự tương tác giữa người dùng và hệ thống Nó

cũng dùng như là giao diện (kết nối trung gian) giữa người dùng và phần mềm ứng

dụng Hệ thống đồ họa gồm các chương trình con nhập (input subroutines) và các

chương trình con xuất (output subroutines)

Các chương trình con nhập nhận các lệnh và dữ liệu từ người dùng và đưa

chúng đến chương trình ứng dụng

Chương trình con xuất điều khiển màn hình (hoặc các thiết bị khác) và biến

đổi model ứng dụng sang hình ảnh đồ họa 2 hoặc 3 chiều

1990 - 2005 Multimedia và Hypermedia, thực tế ảo,…

2.2 Các chức năng của bộ đồ họa

2.2.1 Tạo ra các phần tử đồ họa (Create)

Phần tử trong đồ họa máy tính là một đối tượng hình ảnh cơ sở như: điểm,

đường thẳng, đường tròn, Tập hợp những phần tử này trong hệ thống cũng có thể

bao gồm cả chữ viết và ký hiệu đặc biệt

Thí dụ AutoCAD có các công cụ tạo các phần tử hình học sau:

Hình 2.2

2.2.2 Biến đổi (Trasform): Di chuyển, phóng đại, xoay

Để định vị một điểm trong hệ tọa độ 2 trục, phải chỉ ra tọa độ X, Y Những

tọa độ này có thể coi như một ma trận 1 x 2 : (x,y)

Thí dụ: Ma trận (2,5) là một điểm có tọa độ x = 2 và y = 5 tính từ gốc toạ

độ Phương pháp này có thể phát triển cho việc xác định đường như là ma trận 2x2

bằng cách cho toạ độ 2 điểm của đường thẳng Công thức có dạng:

1 1

y x

y x L

Bằng cách dùng các quy tắc ma trận, một điểm hay một đường (hoặc phần

tử hình học khác viết dưới dạng ma trận) có thể được biến đổi để tạo ra một phần tử

mới

Có nhiều phép biến đổi được dùng trong đồ họa máy tính Chúng ta sẽ bàn

về 3 phép biến đổi: di chuyển, khuyếch đại và xoay

•Move (Di chuyển): Là đưa phần tử hình học từ chỗ này tới chỗ kia, trong

trường hợp 1 điểm, phương trình được viết như sau:

x’ = x + m , y’ = y + n

Trong đó:

- x’, y’ : là tọa độ của điểm di chuyển tới

Hình 2.3

- x,y : là tọa độ ban đầu của điểm di chuyển đi

- m,n : lượng di chuyển tương ứng theo phương x, y

Viết dưới dạng ma trận:

(x’,y’) = (x,y) + T

Trong đó:

T = (m,n): ma trận di chuyển

Để minh họa phép di chuyển trong mặt phẳng 2D hãy xét

một đường thẳng được xác định bởi ma trận

11

L

Giả sử ta cần di chuyển L đi 2 đơn vị theo x và 3 đơn vị theo y Việc này có

nghĩa là ta phải cộng thêm 2 vào các giá trị x hiện tại và 3 vào gía trị y hiện tại của các

điểm đầu và cuối của đường thẳng Nghĩa là đường thẳng mới có các điểm cuối là

(3,4) và (4,7) Hiệu qủa của phép di chuyển minh họa trên hình sau

•Scaling (phóng to, thu nhỏ) Dùng để tăng hoặc giảm kích thước của đối

tượng hình học, không nhất thiết phải có tỉ lệ khuyếch đại như nhau theo cả 2 phương

x,y Một đường tròn có thể biến đổi thành ellipse bằng cách lấy tỉ lệ khuyếch đại theo

phương x và y khác nhau Lấy tỉ lệ theo hai phương khác nhau bằng ví dụ sau:

Hình 2.4

Hình 2.5 Các điểm của một phân tử có thể được lấy tỉ lệ khuyếch đại bằng ma trận tỉ lệ

00

Là ma trận tỉ lệ Điều này có nghĩa là kích thước của phân tử được thay đổi bởi

hệ số tỉ lệ m theo phương x và hệ số tỉ lệ n theo phương y

Thí dụ

Cũng với đường thẳng như trong thí dụ trên hình 4, ta hãy nhân tỉ lệ lên 2 Khi

đó ma trận tỉ lệ (2x2) được xác định như sau:

02

S

Phương trình khuyết đại được viết

02

 Rotation (xoay) Trong phép biến đổi này các điểm của một phân tử được

xoay quanh gốc tọa độ một góc  Đốivới góc  dương, chi tiết xoay ngược chiều kim

sincos

R là ma trận xoay (R: viết tắt của Rotation)

Thí dụ: Chúng ta sẽ sử dụng cùng đường thẳng trên hình 4 và cho xoay một

góc 300 quanh gốc tọa độ Ma trận xoay được viết:

5.0866.030cos30sin

30sin30cos

366.1366.0866.05.0

5.0866.0

Hình 2.7

3 MÔ HÌNH HÓA HÌNH HỌC

Một cảnh có thể chứa các vật thể khác nhau: Mây, cây, đá, nhà, nội thất,

v.v… Ta có nhiều cách khác nhau để thể hiện các vật thể đó:

Trong không gian hai chiều (2D) một vật thể bất kỳ có thể được biểu diễn

bằng điểm, đường thẳng, đường cong thông qua các hình chiếu, mặt cắt,…

Việc thực hiện các bản vẽ trong không gian 2D rất là đơn giản Với 2D phần

lớn các bản vẽ thiết kế chi tiết máy và sơ đồ điện trong công nghiệp đã được tạo ra

bằng tay

Thí dụ trên hình 2.8 là một mô hình 2D

Hình 2.8 Nhờ có máy tính và ứng dụng các phần mềm đồ họa, các bản vẽ 2D được

hình thành với tốc độ nhanh hơn, chính xác hơn, rõ ràng hơn, và đặc biệt là dễ chỉnh

lý, sửa chữa hơn

Tuy nhiên, so với vẽ trong không gian 3D, nó có một số nhược điểm sau:

 Không thể tự tạo ra các hình chiếu phụ thông qua hình chiếu có trên màn

hình

 Các hình ảnh như hình chiếu trục đo, hình chiếu thẳng chỉ là giả tạo và khi

vẽ thì không có liên hệ gì với nhau cả

Thông thường để xây mô hình 2D trong các phần mềm CAD người thiết kế

Việc sử dụng các lệnh để tạo nên các phần tử đơn giản như đường thẳng (LINE),

đường tròn (CIRCLE), cung tròn (ARC), ellipse, spline, point

Việc vẽ có thể được thực hiện theo hai cách:

- Vẽ phác - vẽ trước khi cho kích thước

- Vẽ chính xác: khi vẽ phải chỉ ra tọa độ của

đối tượng cần vẽ

Vẽ phác là một công cụ vẽ nhanh chóng vì

không yêu cầu độ chính xác cao, Việc vẽ chính xác

ngay từ đầu có ưu điểm là có thể cho bản vẽ đúng,

nhưng tốc độ chậm hơn so với vẽ phác Thí dụ vẽ một

đường thẳng được thực hiện như sau

Để chỉnh lý hình ảnh, có nhiều công cụ Các công cụ thông dụng là: Erase,

Offset, Copy, Move, Mirror, Array, Lengthen, Break, Chamfer, Fillet, Trim, Extend,

Rotate, Thí dụ trong AutoCAD chỉnh lý gồm các công cụ sau:

Hình 2.10

Hình 2.9

Hình 2.11

 Công cụ tuỳ biến màn hình

Gồm các công cụ phóng to thu nhỏ (Zoom), di chuyển (Pan) trong không gian

2D

Thí dụ trong AutoCAD có các công cụ Zoom sau:

Zoom[All/Center/Dynamic/Extents/Previous/Scale(X/XP)/Window/<Realtim

e>:]

Với công cụ Zoom, Pan, người dùng có thể phóng to, thu nhỏ hình ảnh theo

tỉ lệ mong muốn, di chuyển hình ảnh trên màn hình đến vị trí cần thiết giống như ta

đưa tờ giấy vẽ trên mặt bàn khi thực hiện bản vẽ bằng tay

3.2 Mô hình khung dây 3D

Mô hình khung dây mô tả một phần tử 3D, chúng gồm tập hợp các điểm

đỉnh, và các cạnh (đường thẳng, cung tròn và đường tròn, đường conic, spline) nối với

nhau, đủ xác định một vật thể và có thể quan sát, sau đây ta khảo sát một số mô hình

khung dây:

 Mô hình tứ diện

Hình 2.12

Hình 2.13

 Mô hình côn

Hình 2.15

 Mô hình cầu

Hình 2.14

Hình 2.16

Lưu ý: Các ràng buộc khi xây dựng mô hình khung dây

- Mỗi đỉnh phải có 3 giá trị toạ độ X, Y, Z

- Mỗi cạnh chỉ nối với hai đỉnh duy nhất có trong danh sách đỉnh

- Các cạnh phải khép kín

- Các cạnh không được tự cắt nhau

Tuy vậy mô hình khung dây cũng có các ưu và nhược điểm sau:

- Ưu điểm: Dễ dựng hình, tốn ít bộ nhớ

- Nhược điểm:

1 Không nhất quán,

2 Không có đường bóng

3 Không thể thấy được ảnh hưởng lẫn nhau giữa các phần tử

4.Khó khăn xuất hiện khi tính toán các tính chất vật lý

5 Không có khả năng tô bóng vì thiếu bề mặt

3.3 Mô hình mặt 3D

Mô hình mặt được xác định nhờ điểm, đường, mặt Kỹ thuật này cao hơn so

với khung dây, linh hoạt hơn và nhiều chức năng hơn

Ưu điểm so với khung dây:

- Có thể tạo ra các mặt phức tạp

- Có thể tô bóng

- Có thể phân biệt các phần tử đặc biệt trên mặt như các lỗ

- Có thể thu được hình ảnh chất lượng và đảm bảo giao diện thuận tiện với máy

CNC khi mô phỏng chuyển động của công cụ trong không gian 3 chiều khi gia công

chi tiết với bề mặt phức tạp theo nhiều trục

Các mặt hình học cơ sở gồm:

1 Mặt kẻ –Ruled surface

2 Mặt tròn xoay – Revolved surface

3 Mặt quét - Sweep surface

4 Mặt trùm - Blend surface

Mặt kẻ (ruled) Mặt tròn xoay (revolved)

Hình 2.16a

Tên gọi các công cụ tạo mặt có thể khác nhau ở những phầm mềm

CAD/CAM khác nhau Thí dụ mặt kẻ Ruled trong Pro/E không có mà chỉ có mặt

Boundary tuy vậy mô hình mặt cũng có những nhược điểm sau:

- Xuất hiện sự không nhất quán khi cố gắng tạo ra mô hình của vật thể rắn

- Không đủ độ chính xác mô tả 1 số bề mặt nhằm có những thông số tin cậy về

Mô hình khối rắn được bao bởi thể tích 3 chiều mà vật đó chiếm Như vậy

mô hình khối rắn là phương tiện duy nhất đảm bảo hình dung đầy đủ về vật thể trong

không gian 3 chiều Đây là phương pháp hiện đại nhất và mạnh nhất trong tất cả các

phương pháp hiện có

Ưu điểm của mô hình khối rắn:

1 Xác định đầy đủ hình khối, phân biệt rõ vùng trong và vùng ngoài vật thể, dễ

phát hiện ra sự cố khi các thành phần tương tác với nhau

2 Đảm bảo tự động xóa các đường khuất

Mặt Sweep

Mặt Blend

3 Tự động xây dựng các mặt cắt ba chiều, rất cần khi phân tích các đơn vị lắp

ráp phức tạp

4 Sử dụng các phương pháp phân tích tự động xác định chính xác trọng lượng

và kết cấu một cách hiệu qủa bằng phương pháp phần tử hữu hạn

5 Tạo ra những hình ảnh có chất lượng trên màn hình nhờ sử dụng nhiều màu

sắc

6 Nâng cao hiệu qủa khi mô phỏng chuyển động của các cơ cấu, tạo ra các qũi

đạo chuyển động của dụng cụ và người máy

Có 2 phương pháp tạo mô hình khối đặc được ứng dụng:

Phương pháp kết cấu – Constructive Representation (C - rep)

Phương pháp biên – Boundary representation (B - rep)

 Phương pháp kết cấu – Constructive Representation (C - rep)

Vật thể khối được xây dựng từ những khối nguyên thuỷ theo quy tắc tóan học

Boole Các khối nguyên thuỷ thường là những khối đơn giản với ít tham số như hình

Khối nón trụ Tham số: Bán kín, chiều cao

Khối cầu

Tham số: Bán kính

Khối hình nêm Tham số: Chiều dài, rộng, cao

Khối xuyến Tham số: bán kính, bán kính xuyến

1 Khối lập phương: {(x, y, z): 0<x<w, 0<y<H, 0<z<D}

 Phương pháp biên – Boundary representation (B - rep)

• Một mô hình B-rep là mô hình được bao bởi các mặt biên Các mặt này:

- Kín và liên tục

- Có thể định hướng, nghĩa là có thể phân biệt hai phía

• Model B-rep có các phần tử topologic (địa chính) và hình học

(Phương pháp này nghiên cứu sâu hơn ở các tài liệu sau)

3.5 Các dạng mô hình khác

• Kỹ thuật Voxel

• Kỹ thuật Grammar (nhân mảnh)

• Kỹ thuật Particle (tạo hạt)

(Phương pháp này nghiên cứu sâu hơn ở các tài liệu sau)

4 CẤU TRÚC DỮ LIỆU

4.1 Cấu trúc dữ liệu (Data Structure)

Khái niệm

Cấu trúc dữ liệu là một tập các dữ liệu có mối quan hệ với nhau theo một quy

luật nhất định Theo quan điểm CAD/CAM cấu trúc dữ liệu là một sơ đồ logic hay

tuần tự các bước lưu trữ các dữ liệu đồ hoạ và không đồ hoạ Chức năng chính của

Data Structure là xử lý dữ liệu trên màn hình như zoom, pan, giao tiếp với người dùng,

đặc biệt là những chức năng chỉnh lý như trim, fillet, stretch, đánh giá các tính chất

như diện tích, khối lượng, quán tính, …, đảm bảo những thông tin phụ cho sản xuất

Các yêu cầu về quản lý dữ liệu trong các hệ thống CAD/CAM về căn bản khác

với các ứng dụng thương mại

Đặc điểm dữ liệu CAD/CAM

• Nhiều kiểu, nhưng số lượng mỗi kiểu không nhiều

• Sản phẩm thiết kế có thể rất lớn với hàng triệu chi tiết và các cụm lắp phụ

thuộc lẫn nhau

• Thiết kế có thể thay đổi theo thời gian

• Mỗi chi tiết có thể thay đổi

• Hàng trăm người có thể làm việc trong cùng một thiết kế

• Do đó phải hỗ trợ làm việc tập thể

• Có hai loại dữ liệu là tổ chức và công nghệ

Lưu trữ và truy xuất dữ liệu

Dạng tuần tự: năng suất thấp

Ngẫu nhiên: năng suất cao

Do đó các file chứa dữ liệu đồ hoạ được lưu dưới dạng truy xuất ngẫu nhiên

và tất cả các file liên kết với nhau bằng mũi tên

Bản ghi chính có tên là " Head record", từ đây các mũi tên chỉa đến tất cả

các dữ liệu khác theo một trật tự chặt chẽ

Cấu trúc cơ sở dữ liệu (Data StructureDatabase)

Mục đích của cấu trúc cơ sở dữ liệu là thu thập và lưu trữ dữ liệu trong bộ nhớ

trung tâm để dễ truy xuất và xử lý

Ưu điểm của việc quản lý tập trung dữ liệu là:

Rất quan trọng trong việc tích hợp CAD/CAM, dữ liệu phải đủ phong phú để

hỗ trợ thiết kế và chế tạo sản phẩm Hạn chế những mâu thuẫn hay không phù hợp khi

truy xuất cho cac ứng dụng khác nhau

Tăng cường tiêu chuẩn

Việc kiểm sóat tập trung tăng cường được tiêu chuẩn cấu trúc dữ liệu Các tiêu

chuẩn cần cho việc trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống

Bảo mật

Việc truy xuất dữ liệu phải ðýợc kiểm tra và kiểm soát bằng mã đăng ký sử

dụng các vùng khác nhau của database

Duy trì tính thống nhất

Tính thống nhất đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, tính thống nhất đi trước

tính phù hợp, thiếu tính thống nhất có thể dẫn đến việc nhập dũ liệu không phù hợp

Dữ liệu CAD/CAM (CAD/CAM database) phải có khả năng lưu dữ liệu ảnh,

dữ liệu chữ và số Những model database thông dụng là:

- Hierarchical database: cơ sở dữ liệu thứ bậc

- Network database: cơ sở dữ liệu mạng

- Relational database: cơ sở dữ liệu quan hệ

- Object-oriented database: cơ sở dữ liệu định hướng đối tượng

 Hierarchical database (cơ sở dữ liệu thứ bậc): Dữ liệu có cấu trúc cây,

đỉnh của cây thường gọi là root = gốc, có thứ bậc cao nhất trong số các cấp bậc

Là một giải pháp đặc biệt cần ngay cho các ứng dụng thực tế, già cỗi nhất

trong các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu là IMS của IBM dùng để tổ chức và lưu trữ

thông tin cho dự án nghiên cứu việc hạ cánh của phi thuyền Apollo, ra đời năm 1968

• Ưu điểm: Xử lý dữ liệu hiệu quả, cấu trúc quen thuộc cho việc lập trình,

đảm bảo dự đoán công việc vì biết trước tất cả đường dẫn

• Nhược điểm:

- Không mềm dẻo và dễ hiểu như là cơ sở dữ liệu quan hệ

- Mạng như rừng (tập hợp các cây Trees)

- Các kết nối là từ cha đến con: kiểu quan hệ một tới nhiều người (One to

many), không có kiểu kết nối từ con đến cha

Hình 2.19

Từ lá A mà muốn xác định D phải có một chuỗi giấy phép từ R tới Y và từ Y

tới D

Thí dụ: Một ô tô có một khung và trên khung có 4 bánh xe giống nhau nhưng

đặt ở 4 vị trí khác nhau là một biểu hiện cấu trúc có thứ bậc

Hình 2.19a

Hình 2.20

 Network database (cơ sở dữ liệu mạng 1960-1990): cho phép mô hình hoá

nhiều đối tượng tương tự trực tiếp hơn so với kiểu thứ bậc Dữ liệu là tập hợp các bản

ghi, quan hệ giữa các dữ liệu được thể hiện bằng những kết nối (link), giống như cấu

trúc nhị phân Phạm vi kết nối tuỳ thuộc vào mối quan hệ Many - to many, many - to

- one, hay one - to - one

 Nhược điểm của cơ sở dữ liệu thứ bậc và mạng:

- Cần các chương trình phức tạp cho một công việc đơn giản

- Tính độc lập của dữ liệu là thấp nhất

- Nền tảng lý thuyết không được chấp nhận rộng rải

- Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ giúp vượt qua được những vấn đề

trên

 Relational database ( cơ sở dữ liệu quan hệ):

Dữ liệu được lưu trong các bảng có mối quan hệ với nhau, gọi là bảng quan

hệ Dữ liệu có tính độc lập cao, nghĩa là chương trình ứng dụng không bị ảnh hưởng

bởi sự thay đổi cách biểu diễn dữ liệu bên trong Các quan hệ có thể được truy xuất

tuần tự hay ngẫu nhiên Ðảm bảo các kỹ thuật giải quyết các vấn đề liên quan đến

ngôn ngữ, tính phù hợp

5 TIÊU CHUẨN ĐỒ HỌA

5.1 Sự cần thiết phải có tiêu chuẩn đồ họa

Vào những năm đầu của đồ họa máy tính (1963-1974), phần mềm đồ họa

được thiết kế phải phụ thuộc vào phần cứng được sử dụng Việc này gây khó khăn cho

cả người dùng lẫn người bán

Yêu cầu đối với các tiêu chuẩn đồ họa:

- Dễ lưu động (portable): Có thể dùng cho nhiều loại màn hình

- Dữ liệu hình ảnh phải dễ lưu động: Việc mô tả và lưu trữ hình ảnh phải

không phụ thuộc màn hình

- Văn bản phải dễ lưu động: Văn bản (text) phải không phụ thuộc phần cứng

- Cơ sở dữ liệu của đối tượng phải dễ chuyển đổi Người dùng hệ thống

CAD/CAM phải truyền được dữ liệu từ hệ thống CAD/CAM này sang một hệ thống

CAD/CAM khác khi cần thiết

Rất nhiều vấn đề khi cần phải chuyển các bản vẽ được vẽ trong một hệ thống

này sang một hệ thống khác Thí dụ: từ CADKEY sang AutoCAD hay từ AutoCAD

sang ANSYS, v.v… Việc này yêu cầu phải viết các chương trình biên dịch giữa các

phần mềm với nhau Thí dụ nếu có 5 hệ thống thì cần phải có 10 trình biên dịch

Ðể giải quyết vấn đề hóc búa này cần phải tạo ra các file trung hòa (các

neutral files) Các files này có dạng chuẩn và vì thế các hệ thống CAD có thể có các

chương trình tiền xử lý (Preprosessors) để chuyển các bản vẽ của mình sang các files

trung hòa và có các chương trình hậu xử lý (Postprocessors) để chuyển các files trung

hòa sang bản vẽ của mình

Có rất nhiều tiêu chuẩn, sau đây ta xét 2 tiêu chuẩn thông dụng, các tiêu

chuẩn chuyển đổi là các file trung hòa được định dạng dựa trên hình dạng sản phẩm

Chúng có thể dùng chung cho bất cứ phần mềm nào Thuộc loại này có

IGES

DXF

Tiêu chuẩn IGES (Initial Graphics Exchange Specification)

Quá trình phát triển của IGES

Ủy ban IGES được thành lập 1979 Cơ sở đầu tiên của IGES là CAD/CAM

Integrated Information Network (CIIN) của hãng Boing

V 1.0 ra đời năm 1980 – Mechanical 2D và 3D drawings

V.2.0 – 1983 – Sculpture surface

V.3.0 – 1986 – AEC, Piping, v.v

V.4.0 - 1988 – Constructive Solid Geometry

V.5.0 – 1990 – Rationalisation of existing formats

V.6.0 – 1991 – B – REP solids

IGES cho phép chuyển dữ liệu từ 1 hệ thống CAD này sang 1 hệ thống CAD

khác

Phần mềm chuyển đổi dữ liệu từ một hệ thống CAD sang IGES gọi là

Preprocessor, còn phần mềm chuyển đổi dữ liệu từ IGES sang một hệ thống CAD

khác gọi là Postprocessor Cũng như phần lớn các hệ thống CAD khác IGES dựa trên

các khái niệm về đối tượng từ đơn giản như điểm, đường, đường tròn, v.v đến phức

tạp như kích thước, mặt cong,…

Các đối tượng trong IGES được chia làm 3 loại:

a/ Hình học: Ðường, đường cong, mặt v.v xác định một đối tượng

b/ Ghi chú: (Annotation): Dimention, notes, title block

c/ Structure: Phương pháp mà hệ thống CAD dùng để phối hợp các đối

tượng khác nhau để mô tả vật thể một cách dễ dàng hơn (block, cell, v.v trong CAD

systems)

Tiêu chuẩn IGES chủ yếu là một bảng liệt kê cấu trúc và cú pháp của file

trung hoà dưới dạng mã nhị phân ASCII Các bản ghi của IGES gồm có 80 cột trong

đó 72 cột đầu chứa dữ liệu, 8 cột còn lại là số thứ tự của bản ghi và được dùng để định

vị các bộ phận Một file IGES gồm có 5 phần:

1 Phần mở đầu: Chứa thông tin về đặc tính của hệ thống gốc

2 Phần tổng quát: Gồm có 24 trường cần thiết cho việc chuyển đổi file Các

trường này ghi các đặc tính của đối tượng cần chuyển đổi như tên file, tên người gửi,

trên người nhận, tỉ lệ, đơn vị, giá trị toạ độ lớn nhất,…

3 Phần thư mục chứa các đối tượng: Là danh sách của tất cả các đối tượng

được xác định trong IGES file cùng với các đặc tính gắn liền với đối tượng như màu

sắc, kiểu đường, chiều dày nét vẽ, v.v

4 Phần dữ liệu các tham số: chứa các đặc tính của đối tượng như giá trị các

tọa độ, ghi chú, số lượng điểm dữ liệu của đường spline,… Tham số đầu tiên là kiểu

đối tượng, các tham số sau là dựa trên đối tượng này Mỗi đối tượng có mũi tên chỉ

thư mục chứa nó, nằm trong cột từ 66 đến 72

5 Phần kết: Ghi dấu chấm hết cho file và chứa tổng số bản ghi cho

mục đích kiểm tra dữ liệu

Nhược điểm của IGES

- Phức tạp và cồng kềnh

- Một file IGES lớn gấp 5 lần một file đồ họa tương ứng

- Vì IGES được xem xét lại thường xuyên, nhiều nhược điểm có thể được

giới hạn trong tương lai

Tiêu chuẩn DXF (Data Exchange File)

Là một dạng file trung hoà được hãng Autodesk phát triển để dùng với phần

mềm AutoCAD của họ File này cho phép truyền dữ liệu giữa các sản phẩm của

Autodesk hoặc chuyển đổi dữ liệu giữa những hệ thống CAD khác hỗ trợ file trung

hoà này Nó được dùng rộng rải giữa các hệ thống CAD trên cơ sở máy tính cá nhân

làm công cụ lưu dữ liệu ở dạng chuyển đổi

Các tiêu chuẩn đồ họa khác

 SET- (Standard d’Exchange et de Transfert)

Do Airospatiale ở Pháp đưa ra trên cơ sở IGES data Model nhưng ở dạng

gọn hơn nhiều Vì IGES có kích thước file qúa lớn và không thể chuyển dữ liệu CAD

của họ thông qua IGES được, do đó họ đã phát triển phần mềm của họ thành SET Các

dạng File của họ cho phép chia sẻ data giữa các record (bản ghi) nên giảm đáng kể

kích thước file so với IGES

Lần đầu tiên SET được công bố vào năm 1983 và sau đó vào năm 1984 với

nhiều cải tiến hơn So với IGES 2.0, file của SET giảm đến 80 lần, thời gian truy xuất

nhanh hơn gấp 3 lần SET được ứng dụng trong kỹ thuật hàng không Châu Âu

 PDDI- ( Product Data Definition Interface)

Phát triển bởi US Air Force dùng để xác định và trình bày giao diện hoàn

thiện giữa thiết kế và chế tạo Công ty Mcdonnell là khách hàng đầu tiên vào năm

1982

 VDA/FS ( Verband der Deutschen Automobil Industrie – Flachen –

Schnittsteile)

Là dạng file cho phép chuyển đổi tự do dữ liệu bề mặt giữa các nhà sản xuất ô

tô Ðức và các nhà cung cấp vì IGES được xem là không thích ứng với nhu cầu của họ

Không giống như các tiêu chuẩn khác, VDA/FS chỉ dùng được trong phạm vi

nhỏ hẹp của CAD Tuy nhiên nó vẫn rất hữu ích VDA/FS được công nhận như là một

tiêu chuẩn đồ họa của DIN

 DMIS (Dimensional Measurement Interface Specification)

Là một tiêu chuẩn mới về truyền thông do CAM-I thiết lập cho chế tạo Mục

tiêu của DMIS là truyền thông hai chiều dữ liệu kiểm tra giữa máy tính và thiết bị đo

Dữ liệu hình học và thông tin gia công được dùng để tạo chương trình NC và chương

trình kiểm tra trên máy CMM

Chương 3

CAM - SẢN XUẤT NHỜ MÁY TÍNH

Nội dung chương

1.Điều khiển số - sự khởi đầu của CAM

2 Các phương pháp lập trình NC

1 ĐIỀU KHIỂN SỐ - SỰ KHỞI ĐẦU CỦA CAM

1.2 Lịch sử phát triển

Tóm tắc:

•1725: Phiếu đục lỗ được dùng để tạo mẫu quần áo

•1808: Phiếu đục lỗ trên lá kim loại được dùng để điều khiển tự động máy thu

•1863: Tự động điều khiển chơi nhạc trên piano nhờ băng đục lỗ

•1940: John Parsons đã sáng chế ra phương pháp dùng phiếu đục lỗ để ghi

các dữ liệu về vị trí tọa độ để điều khiển máy công cụ

•1952: Máy công cụ NC điều khiển số đầu tiên

1959 - Ngôn ngữ APT được đưa vào sử dụng

•1960s: Điều khiển số trực tiếp (DNC)

1963: Đồ hoạ my tính

•1970s: Máy CNC được đưa vào sử dụng

Máy điều khiển số cổ điển chủ yếu dựa trên công trình của một người có tên

là John Parsons Từ những năm 1940 Parsons đã sáng chế ra phương pháp dùng

phiếu đục lỗ để ghi các dữ liệu về vị trí tọa độ để điều khiển máy công cụ Máy được

điều khiển để chuyển động theo từng tọa độ, nhờ đó tạo ra được bề mặt cần thiết của

cánh máy bay Năm 1948 J Parson giới thiệu hiểu biết của mình cho không lực Hoa

Kỳ, cơ quan này sau đó đã tài trợ cho một loạt các đề tài nghiên cứu ở phòng thí

nghiệm Servomechanism của trường Đại học kỹ thuật Massachusetts (MIT) Công

trình đầu tiên tại MIT là phát triển một mẫu máy phay NC bằng cách điều khiển

chuyển động của đầu dao theo 3 trụ tọa độ Mẫu máy NC đầu tiên được triển lãm

vào năm 1952 Từ 1953 khả năng của máy NC đã được chứng minh

Một thời gian ngắn sau, các nhà chế tạo máy bắt đầu chế tạo các máy NC để

bán, và các nhà công nghiệp, đặc biệt là các nhà chế tạo máy bay đã dùng máy NC để

chế tạo các chi tiết cần thiết cho họ

Hoa Kỳ tiếp tục cố gắng phát triển NC bằng cách tiếp tục tài trợ cho MIT

nghiên cứu ngôn ngữ lập trình để điều khiển máy NC Kết qủa của việc này là sự ra

đời của ngôn ngữ APT: Automatically Programmed Tools vào năm 1959

Mục tiêu của việc nghiên cứu APT là đảm bảo một phương tiện để người lập

trình gia cơng cĩ thể nhập các câu lệnh vào máy NC Mặc dù APT bị chỉ trích là thứ

ngơn ngữ qúa đồ sộ đối với nhiều máy tính, nĩ vẫn là cơng cụ chính yếu và vẫn được

dùng rộng rãi trong cơng nghiệp ngày nay và nhiều ngơn ngữ lập trình mới là dựa trên

APT

1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống CN

Hình 3.1 Chương trình là những tập hợp những câu lệnh điều khiển máy phải làm gì

Các lệnh này được mã hĩa ở dạng số và ký hiệu mà thiết bị điều khiển cĩ thể nhận

dạng được Chương trình điều khiển cĩ thể được lưu trữ trên phiếu đục lỗ, băng đục

Hệ thống điều khiển

Máy công cụ

Băng đột lỗ

Là thủ tục trong đó các bước công nghệ thực hiện trên máy CNC được thiết kế

và được viết thành văn (dưới dạng mã G, M, T, S, F, X, Y, Z,…) Việc lập trình gồm

cả việc đục băng lỗ (hoặc một kiểu thiết bị nhập chương trình khác) để đưa chương

trình vào máy CNC để thực hiện việc gia công

2.2 Các phương pháp lập trình

2.2.1 Lập trình bằng tay

Người lập trình dùng một phiếu gọi là bản thảo chương trình NC để lập trình,

các dòng lệnh phải được viết thật chính xác vì băng lỗ được hình thành trực tiếp từ

bản thảo này Tuỳ theo dạng máy công cụ và dạng băng lỗ mà bản thảo chương có thể

khác nhau

2.2.2 Lập trình bằng máy tính

Người lập trình dựa trên ngôn ngữ APT hoặc một một ngôn ngữ khác để lập

chương trình, thiết bị biên dịch dữ liệu nhập sẽ chuyển đổi các lệnh được mã hóa chứa

trong chương trình thành dạng dùng được cho máy tính và chuẩn bị cho quá trình gia

công tiếp theo Trong đó có thiết bị tính toán số học của hệ thống như các chương

trình giải các bài toán để tạo ra các mặt của chi tiết

2.2.3 Lập trình bằng giọng nói ( Voice N) VNC

Lập trình bằng giọng nói là dùng lời nói để giao tiếp với máy, để thực hiện việc

lập trình bằng VNC, người vận hành nói vào micro được thiết kế đặc biệt để giảm

tiếng ồn VNC cho phép người lập trình khỏi phải viết chương trình bằng tay, gõ chữ

hay kiểm tra bằng tay, dùng từ đơn giản với các từ như “Turn”, “Thread”, “Mill line”

cùng với số để đảm bảo các dữ liệu kích thước và tọa độ

Trước khi hệ thống VNC được sử dụng, nó phải được huấn luyện để nhận ra và

chấp nhận tiếng nói của cá nhân người lập trình Người lập trình khi tập phải nói tới

5 lần để đảm bảo 1 tập tham chiếu về giọng nói mà sau đó nó phải so sánh khi lập

trình Toàn bộ từ điển của hệ thống có khoảng100 từ

Nhiều chương trình NC chỉ cần dùng 20 từ là đủ Khi nói người lập trình phải

ngăn cách các từ bằng những đoạn nghỉ, thời gian nghỉ giữa các từ vào khoảng 1/10

giây hoặc dài hơn Việc này cho phép hệ thống nhận diện tiếng nói có thể phân biệt

biên độ của lệnh nói và so sánh đặc tính âm thanh với từ được nhớ trong tập lệnh của

nó

Tốc độ nói vào khoảng 70 từ/phút Khi các từ được nói ra, màn hình trước người

lập trình kiểm tra mỗi lệnh của người vận hành và nhắc nhở người vận hành những

lệnh cần phải thực hiện tiếp theo

Ví dụ về lập trình VNC

Để xác định một đường tròn, cuộc đối thoại giữa người và máy có dạng đặc

trưng như sau (được gọi ra trên màn hình CRT)

Ưu điểm của VNC

- Tiết kiệm thời gian lập trình, do đó giảm được thời gian chu kỳ sản xuất

- Thời gian lập trình có thể giảm đến 50%

2.2.4 Lập trình nhờ MDI

Người lập trình nhập lệnh trực tiếp trên màn hình CRT của máy NC vì thế

không cần phải đục băng lỗ Việc lập trình có thể do người vận hành thực hiện, hệ

thống NC có khả năng MDI có nghĩa là được trang bị máy tính (micro computer) làm

thiết bị điều khiển

Lập trình MDI được thiết kế đơn giản, nhưng nó đòi hỏi người lập trình phải

biết chi tiết về qúa trình gia công, để viết chương trình theo đúng trình tự của nó Về

cơ bản người vận hành phải có khả năng đọc bản vẽ kỹ thuật và hiểu biết về công

nghệ

Ưu điểm của lập trình MDI

- Đơn giản

- Không cần máy đục băng lỗ vốn đắt tiền và chiếm mặt bằng

- Những cơ sở nhỏ đễ dàng dưa vào sử dụng các máy CNC

Nhược điểm của lập trình MDI

- Chương trình phải ngắn gọn, chi tiết phải đơn giản,

- Do màn hình nhỏ (22-25 dòng), người lập trình khó kiểm tra chương trình

- Không hiệu qủa nếu lập trình để gia công các chi tiết phức tạp

- Dùng một máy rất đắt tiền để tốn nhiều thời gian cho việc lập trình là một điều

lãng phí

- Để nâng hiệu qủa sử dụng có thể vừa gia công, vừa lập trình để gia công chi

tiết mới Đó là làm việc ở chế độ hậu trường (BACKGROUND MODE)

2.2.5 Lập trình bằng tương tác đồ họa (CAD/CAM)

Lập trình tương tác đồ họa là một trong những thí dụ tuyệt vời về sự tích hợp

giữa CAD và CAM Các bước lập trình được đưa ra màn hình đồ hoạ của hệ thống

CAD/CAM bằng cách sử dụng dữ liệu hình học thu được trong quá trình thiết kế

Người lập chương trình xây dựng nó bằng các lệnh cấp cao của hệ thống

Trong nhiều trường hợp đường chạy dao được tự động sinh ra bởi phần mềm

CAD/CAM Kết quả là danh sách các chương trình APT hay các File về Cutter

location có thể được xử lý để tạo ra chương trình NC, băng lỗ NC

Hình 3.4 Lập trình nhờ tương tác đồ họa

Lập trình với tương tác đồ họa thường theo các bước sau:

- Xác định đối tượng cần gia công

Xác định hình học trên màn hình vi tính, hệ thống CAD/CAM sẽ thực hiện việc

đánh dấu các phần tử với các lệnh đơn giản sử dụng bởi người lập trình Một khi chi

tiết đã được xác định trên màn hình người lập trình có thể đặt biên dạng phôi lên chi

tiết tùy theo số lần gia công cần thiết

- Chọn dụng cụ cắt

Thường hệ thống CAD/CAM có một thư viện các dụng cụ Người lập trình

có thể chọn một trong số dụng cụ đó hay tạo ra một dụng cụ mới bằng cách khai các

tham số kích thước của dụng cụ (đường kính, bán kính góc lượn, chiều dài đoạn

cắt,v.v.)

- Tạo đường chạy dao

Phương pháp tương tác cho phép người lập trình tạo ra đường chạy dao từng

bước và kiểm tra sự đúng đắn trên màn hình, thủ tục bắt đầu với việc xác định điểm

đầu tiên của đường chạy dao Người lập trình sau đó cho dụng cụ di chuyển theo hình

dáng của phôi Khi dụng cụ gia công trên màn hình, hệ thống CAD/CAM sẽ tự động

chuẩn bị các câu lệnh chuyển động ứng với ngôn ngữ APT

Hình 3.5 Tạo đường chạy dao Phương pháp tương tác cho phép người lập trình cơ hội chèn các câu

postprocessor vào các điểm tương ứng trong khi tạo ra chương trình Các câu lệnh

postprocessor bao gồm các lệnh về điều khiển máy công cụ như Feed rates, Speeds,

dung dịch trơn nguội

- Mô phỏng đường chạy dao

Đồ họa màu cho phép người lập trình dễ dàng trông thấy sự khác nhau giữa

phôi và dụng cụ Việc mô phỏng có thể thực hiện theo nhiều cách:

+ Chạy nhanh