Nghiên cứu lập trình điều khiển số thông minh trên cơ sở tiêu chuẩn step NC ứng dụng trên trung tâm phay CNC

Nghiên cứu lập trình điều khiển số thông minh trên cơ sở tiêu chuẩn step NC ứng dụng trên trung tâm phay CNC Nghiên cứu lập trình điều khiển số thông minh trên cơ sở tiêu chuẩn step NC ứng dụng trên trung tâm phay CNC luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Bùi Quang Bảo

NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN SỐ THÔNG MINH TRÊN CƠ SỞ TIÊU CHUẨN STEP-NC ỨNG DỤNG

TRÊN TRUNG TÂM PHAY CNC

Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 PGS.TS LÊ GIANG NAM

Hà Nội - 2018

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS Lê Giang Nam đã tận tâm hướng dẫn khoa học, động viên và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này Tác giả xin gửi lời cám ơn tới các Thầy, Cô trong bộ môn Máy và Ma sát học, Viện Cơ khí đã có nhiều ý kiến đóng góp cho luận văn Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới sự quan tâm của Viện Đào tạo sau đại học và sự ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình làm luận văn Cuối cùng tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành đến đình đã động viên, ủng hộ tác giả trong suốt thời gian làm luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Bùi Quang Bảo

Sinh ngày: 30 tháng 7 năm 1992

Là học viên cao học kỹ thuật Cơ điện tử khóa 2016A – Trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội

Tôi xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu lập trình điều khiển số thông minh

trên cơ sở tiêu chuẩn STEP-NC ứng dụng trên trung tâm phay CNC” do thầy

PGS.TS Lê Giang Nam hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tôi xin

cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Nếu sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Pháp luật và Hội đồng

Giáo viên hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT I DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ I

MỞ ĐẦU 1

Lý do chọn đề tài 1

Mục tiêu nghiên cứu 1

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Bố cục của luận văn 2

Đóng góp của luận văn 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ LẬP TRÌNH TRÊN TRUNG TÂM PHAY CNC 4

1.1 Tổng quan về ngôn ngữ lập trình gia công điều khiển số và giải pháp số CAD–CAE–CAM–CNC 4

1.1.1 Đặt vấn đề 4

1.1.2 Giới thiệu STEP – NC 5

1.1.3 Ứng dụng của STEP-NC 7

1.1.4 Giải pháp số CAD-CAE-CAM-CNC 9

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 14

1.2.1 Nghiên cứu trong nước 14

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước 15

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 16

1.3.1 Ưu, nhược điểm của tiêu chuẩn ISO 6983 16

1.3.2 Ưu điểm của STEP-NC 18

1.3.3 Ưu điểm của giải pháp CATIA - Dassault Systemes 19

1.4 Nhiệm vụ đề tài và phạm vi nghiên cứu 21

1.4.1 Nhiệm vụ đề tài 21

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 21

1.5 Phương pháp nghiên cứu 22

Tổng kết chương 1 23

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA BỘ TIÊU CHUẨN MỚI NHẤT STEP-NC AP238/ ISO 10303-238 24

2.1 Cấu trúc một chương trình STEP-NC 24

2.1.1 ISO 14649 25

2.1.2 ISO 10303-238 28

2.1.3 So sánh hai tiêu chuẩn ISO 14649 và ISO 10303-238 29

2.2 Các thành phần của chương trình STEP-NC 34

Tổng kết chương 2 37

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG TIÊU CHUẨN STEP – NC AP238 TRÊN NỀN STEP - NC MACHINE VÀ DASSAULT SYSTEMES ĐỂ GIA CÔNG MỘT SỐ CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH 38

3.1 Tích hợp quá trình CAD-CAM-CNC trên nền tảng Dassault Systemes 38

3.2 Phần mềm STEP-NC Machine 41

3.3 Xây dựng chương trình gia công điều khiển số cho một số chi tiết điển hình 45 3.3.1 Chi tiết dạng hộp 48

3.3.1.1 Phân tích chi tiết dạng hộp và lựa chọn chi tiết mẫu 48

3.3.1.2 Bản vẽ và yêu cầu kỹ thuật cho chi tiết hộp 49

3.3.1.3 Quy trình gia công CAM ứng dụng phần mềm CATIA cho chi tiết hộp 50

3.3.1.4 Bảng đồ gá 55

3.3.1.5 Mô phỏng kiểm tra trên STEP-NC machine chi tiết hộp 56

3.3.2 Chi tiết dạng càng 59

3.3.2.1 Phân tích và lựa chọn chi tiết càng 59

3.3.2.2 Bản vẽ và yêu cầu kỹ thuật cho chi tiết càng 60

3.3.2.3 Xây dựng quy trình gia công cho chi tiết càng 61

3.3.2.4 Bảng đồ gá 65

3.3.2.5 Mô phỏng kiểm tra trên STEP-NC machine chi tiết càng 67

3.4 Phân tích khả năng ứng dụng 71

Tổng kết chương 3 73

KẾT LUẬN 74

1 Kết luận 74

2 Hướng phát triển của đề tài 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 81

I

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ISO: International Organization for Standardization

STEP: The Standard for the Exchange of Product Model Data

AP(AP238): Application Protocol

CATIA: Computer Aided Three-dimensional Interactive Application

CAD: Computer Aided Design

CAE: Computer Aided Engineering

CAM: Computer Aided Manufacturing

CAPP: Computer Aided Process Planning

STEP-NC: The Standard for the Exchange of Product Model Data for Numerical Control

AP: Application Protocol

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Danh mục bảng biểu

Bảng 1: Lợi ích trong quá trình tạo CAM: Ước tính thời gian của Công ty Lockheed Martin – Mỹ trong quá trình tạo CAM từ bản vẽ 3D của sản phẩm thay vì bản vẽ 2D[6] 8 Bảng 2: Lợi ích về Quản lý dữ liệu của sản phẩm (Product Data Management): Số lượng bản vẽ được cắt giảm khi mô hình 3D được gửi đến nhà cung cấp thay vì các bản vẽ - số liệu ước tính của Công ty Raytheon – Mỹ[6] 8 Bảng 3: Lợi ích khi gia công bằng máy CNC với tốc độ tối ưu do nhận được thông tin hình học đầy đủ của sản phẩm – ví dụ của công ty Cincinnati Machine – Mỹ[6] 8 Bảng 4: Cấu trúc dữ liệu của tiêu chuẩn ISO 14649[14] 27 Bảng 5: Nguồn gốc của các thành phần dữ liệu khác nhau của ISO 13003-238[15] 28 Bảng 6: So sánh giữa ARM và AIM[5] 29

II

Bảng 7: STEP Part 21 so với STEP Part 28[5] 32

Bảng 8: Nguyên công gia công nửa dưới hộp 50

Bảng 9: Nguyên công gia công nửa trên hộp 53

Bảng 10: Đồ gá gia công chi tiết hộp 55

Bảng 11: Nguyên công gia công chi tiết càng 61

Bảng 12: Đồ gá gia công chi tiết càng 66

Danh mục hình vẽ Hình 1: Hai phương pháp lập trình gia công điều khiển số sử dụng mã G, M (ISO 6983) và STEP-NC AP 238 [5] 5

Hình 2: Sự khác biệt về thời gian giữa STEP/STEP-NC với phương pháp hiện tại[6] 6

Hình 3: Gia công khuôn có độ chính xác cao bằng máy phay CNC 10

Hình 4: Chuỗi giải pháp CAD-CAE-CAM 10

Hình 5: Môi trường CAD 2D và 3D trong CATIA V5 11

Hình 6: Môi trường CAE trên CAITIA V5 12

Hình 7: Môi trường CAM trong CATIA V5 14

Hình 8: Hiện trạng quản lý dữ liệu sản xuất[7] 17

Hình 9: Quản lý dữ liệu sản xuất theo đề xuất sử dụng STEP-NC[7] 19

Hình 10: Các sản phẩm ứng dụng CATIA[11] 20

Hình 11: Mô hình tiêu chuẩn STEP-NC AP238 mới nhất 24

Hình 12: Cấu trúc cấu thành chương trình theo tiêu chuẩn STEP-NC AP238 25

Hình 13: So sánh mô hình CAD/CAPP/CAM giữa ISO 6983 và ISO 14649[12] 25

Hình 14: Bộ điều khiển NC có thể hỗ trợ hai tiêu chuẩn ISO 14649 và ISO 6983 [9] 26

Hình 15: Lược đồ tổng quan cấu trúc dữ liệu của tiêu chuẩn ISO 14649[13] 27

Hình 16: Cấu trúc của mô hình dữ liệu hướng đối tượng [17] 31

Hình 17: Một phần của chương trình STEP-NC trong định dạng Part 21[5] 33

Hình 18: Một phần của chương trình STEP-NC trong định dạng Part 28[5] 33

Hình 19: Trích đoạn một chương trình phay sử dụng tiêu chuẩn STEP-NC[18] 34

Hình 20: So sánh giữa chương trình G-code và chương trình STEP-NC[19] 35

Hình 21: Trích dẫn một đoạn chương trình sử dụng chuẩn STEP-NC 36

Hình 22: Chi tiết hộp - Giao diện CATIA V5 môi trường thiết kế 40

Hình 23: Chi tiết hộp - Giao diện phần mềm CATIA V5 môi trường CAM 41

Hình 24: Phần mềm STEP-NC Machine phiên bản 11.64 42

Hình 25: Giao diện chính của phần mềm STEP-NC Machine 42

Hình 26: Giao diện chức năng từng phần thanh công cụ 44

Hình 27: Chương trình gia công và chiến lược gia công của chi tiết 45

Hình 28: Ứng dụng phương pháp lập trình STEP-NC[5] 46

Hình 29: Quy trình thực hiện giải pháp CAD/CAM/CNC theo tiêu chuẩn STEP-NC bằng giải pháp CATIA với phần mềm STEP-NC Machine 47

Hình 30: Ví dụ minh họa chi tiết dạng hộp 48

III

Hình 31: Bản dựng 3D chi tiết hộp đựng PCB 49

Hình 32: Bản vẽ kèm yêu cầu kỹ thuật cho chi tiết Nắp hộp 49

Hình 33: Bản vẽ kèm yêu cầu kỹ thuật cho chi tiết Thân hộp 50

Hình 34: Nhập dữ liệu đường dụng cụ cho chi tiết hộp 56

Hình 35: Nhập mô hình 3D chi tiết, phôi gia công chi tiết hộp 56

Hình 36: Tạo các bước gia công chi tiết hộp 57

Hình 37: Tạo đồ gá cho chi tiết hộp 57

Hình 38: Tạo dụng cụ cắt (dao) 58

Hình 39: Nhập chế độ cắt 58

Hình 40: Mô phỏng quá trình gia công hộp bằng STEP-NC machine 59

Hình 41: Ví dụ minh họa chi tiết dạng càng 60

Hình 42: Bản dựng 3D chi tiết dạng càng gạt 60

Hình 43: Bản vẽ 2D chi tiết càng gạt 61

Hình 44: Nhập chi tiết 3D và phôi chi tiết Càng 67

Hình 45: Tạo các bước gia công chi tiết càng 67

Hình 46: Nhập đồ gá chi tiết càng 68

Hình 47: Nhập dụng cụ cắt (dao) 68

Hình 48: Nhập chế độ cắt 69

Hình 49: Nhập kết quả kích thước gia công mong muốn 69

Hình 50: Chọn máy CNC để mô phỏng 70

Hình 51: Khởi chạy các nguyên công đã nhập 70

Hình 52: Quy trình lập trình gia công điều khiển số CNC với STEP-NC AP238 72

Hình 53: Giao diện thao tác trong STEP-NC machine 77

và trở nên phổ biến trên toàn thế giới Tuy nhiên, ngôn ngữ này vẫn còn nhiều hạn chế như giới hạn bởi các máy công cụ cụ thể, không bao hàm đầy đủ các thông tin

về đối tượng gia công, vật liệu, phôi… và gần như không thể gửi phản hồi thông tin

từ máy gia công về cơ sở CAD/CAM[7] để có thể quản lý khép kín vòng đời sản phẩm Ngày nay, một tiêu chuẩn mới là STEP-NC (The Standard for Exchange of Product Model Data for Numerical Control) đang được sử dụng làm nền tảng cho

sự phát triển của bộ điều khiển CNC thế hệ tiếp theo Luận văn này trình bày cấu trúc bộ tiêu chuẩn STEP-NC, sử dụng giải pháp CATIA – Dassault Systemes để thiết lập mô hình hình học của chi tiết, chiến lược gia công tạo ra một tệp duy nhất với định dạng *.stpnc theo tiêu chuẩn STEP-NC Việc truyền dữ liệu CAD/CAM/CNC chỉ cần một tệp duy nhất kể trên để đưa vào máy CNC Ta có thể

mô phỏng và kiểm tra quá trình gia công thông qua một phần mềm STEP-NC machine được phát triển bởi công ty Step Tools, Inc – Mỹ sau đó chuyển đổi thành Gcode và gia công thực tế để kiểm chứng kết quả

Mục tiêu nghiên cứu

Với định hướng luận văn là: Nghiên cứu lập trình điều khiển số thông minh trên cơ sở tiêu chuẩn STEP – NC ứng dụng trên trung tâm phay CNC; vì vậy những nhiệm vụ chính của đề tài là:

- Nghiên cứu, giới thiệu chung về tiêu chuẩn STEP-NC

- Tìm hiểu cấu trúc chương trình của STEP-NC

2

- Ứng dụng tiêu chuẩn STEP-NC AP-238 trên nền phần mềm STEP-NC Machine

và phần mềm CATIA của Dassault Systemes để gia công một số chi tiết điển hình trong đó có một chi tiết chuyển đến xưởng để gia công thật

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Tiêu chuẩn STEP-NC AP 238 Ứng dụng phần mềm CATIA V5 và STEP-NC machine thực hiện mô phỏng, xuất G-code gia công thực

tế kiểm chứng tiêu chuẩn trên

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu tiêu chuẩn STEP-NC ở mức cơ bản: Quá trình hình thành và phát triển, lợi ích, ứng dụng và cấu trúc cơ bản

- Ứng dụng tiêu chuẩn STEP-NC AP-238 trên nền phần mềm STEP-NC Machine

và phần mềm CATIA của Dassault Systemes để gia công các chi tiết dạng: càng, hộp Trong đó có một bộ chi tiết được gia công thật

Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu và phân tích lý thuyết dựa trên nguồn tài liệu: Sách, báo, tạp chí khoa học trong và ngoài nước

- Thực hiện thí nghiệm bằng việc sử dụng phần mềm CATIA và STEP-NC Machine

Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm các phần chính sau đây: Chương 1: Trình bày tổng quan về gia công điều khiển số và lập trình trên trung tâm phay CNC Những ưu, nhược điểm của bộ tiêu chuẩn cũ ISO 6983 và bộ tiêu chuẩn mới STEP-NC AP238

Chương 2: Trình bày về việc phân tích cấu trúc của bộ tiêu chuẩn mới nhất

STEP-NC AP238/ ISO 10303-238

3

Chương 3: Ứng dụng tiêu chuẩn STEP - NC AP238 trên nền STEP - NC machine

và CATIA V5 - Dassault systemes để gia công một số chi tiết điển hình

Đóng góp của luận văn

Luận văn này trình bày cấu trúc tiêu chuẩn và chương trình gia công sử dụng tiêu chuẩn STEP-NC AP 238, những ưu điểm của nó so với tiêu chuẩn ISO 6983 Bằng thực nghiệm đã kiểm chứng được khả năng của nó khi sử dụng phần mềm CATIA V5 và STEP-NC machine như một công cụ mới xây dựng chương trình gia công hai chi tiết điển hình: Chi tiết hộp và chi tiết càng, trong đó gia công thực tế chi tiết hộp cho kết quả tương tự như gia công bằng phương pháp sử dụng tiêu chuẩn cũ (ISO 6983) Ngoài ra, nó còn có những lợi thế nhất định như trình bày ở phần ưu điểm Việc sử dụng tiêu chuẩn STEP-NC trong gia công đòi hỏi một sự thay đổi toàn diện từ nhà cung cấp máy tới người sử dụng cuối Vấn đề này cần sự đầu tư toàn diện: đào tạo nhân lực, thay thế bộ điều khiển của các máy CNC cũ, tích hợp các mô-đun STEP-NC trong các phần mềm thiết kế, gia công… Tuy nhiên trong tương lai khi gia công cơ khí bằng máy CNC đòi hỏi có kiểm soát, phản hồi bằng các hệ thống có khả năng tương tác phản hồi hai chiều thì chúng ta hoàn toàn

có thể tin tưởng vào khả năng ứng dụng của tiêu chuẩn STEP-NC AP 238 này sẽ đem lại những lợi ích vô cùng to lớn

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG ĐIỀU KHIỂN SỐ

VÀ LẬP TRÌNH TRÊN TRUNG TÂM PHAY CNC

1.1 Tổng quan về ngôn ngữ lập trình gia công điều khiển số và giải pháp số CAD–CAE–CAM–CNC

1.1.1 Đặt vấn đề

Gia công điều khiển số đã hiện hữu trong gần bảy thập niên tính từ năm

1952, công nghệ này cho phép máy công cụ trở nên linh hoạt để thực hiện các nhiệm vụ gia công [1] Ngôn ngữ điều khiển số với bộ mã G-M theo tiêu chuẩn ISO (International Organization for Standard) 6983 từ năm 1983 trên nền điều khiển số CNC đã cho thấy được sự hiệu quả đặc biệt trong điều khiển quá trình gia công với

sự trợ giúp của máy tính Nó mang lại nhiều ưu điểm và trở nên phổ cập trên toàn thế giới Tuy nhiên, ngôn ngữ lập trình này vẫn tồn tại khá nhiều khuyết điểm, đó là việc bị giới hạn bởi các máy công cụ cụ thể, không bao hàm đầy đủ các thông tin về đối tượng gia công, vật liệu, chi tiết lồng phôi.v.v và hầu như không thể phản hồi trực tuyến thông tin từ máy gia công về hệ thống CAD/CAM/CAE; bởi sử dụng quá trình một chiều của thủ tục biên dịch Post-processor để tạo ra chương trình điều khiển đúng cho mỗi máy CNC dựa trên định dạng của các bộ Post-processor tương ứng v.v… vì thế nên hạn chế khả năng quản lý khép kín chu trình phát triển sản phẩm Ngày nay, một tiêu chuẩn mới là STEP-NC (Standard for Product Model Data Exchange for Numerical Control) đang được sử dụng làm nền tảng cho sự phát triển của bộ điều khiển CNC thế hệ tiếp theo Tiêu chuẩn STEP-NC AP238 là kết quả của một nỗ lực quốc tế hơn mười lăm năm để thay thế bộ mã G-M với một ngôn ngữ hiện đại cho phép các dữ liệu của quá trình thiết kế CAD được tiếp tục sử dụng cho các yêu cầu gia công và định dạng dữ liệu quá trình CAM và CNC [3]

5

Hình 1: Hai phương pháp lập trình gia công điều khiển số sử dụng mã G, M (ISO

6983) và STEP-NC AP 238 [5]

STEP-NC là một giao diện mới được phát triển để trao đổi thông tin giữa các

hệ thống CAD/CAM và bộ điều khiển CNC Trên cơ sở sử dụng các yếu tố dữ liệu của tiêu chuẩn STEP (ISO 10303) phổ biến rộng rãi, hỗ trợ toàn diện trao đổi dữ liệu hai chiều với việc sử dụng các cơ sở dữ liệu chung STEP-NC cung cấp những

cơ hội mới để hỗ trợ thông tin cấp cao từ thiết kế đến bộ điều khiển CNC và cho phép luồng dữ liệu hai chiều giữa CAD/CAM và CNC mà không làm mất mát bất

kỳ thông tin nào của quá trình [4][5]

1.1.2 Giới thiệu STEP – NC

Tiêu chuẩn cho việc trao đổi dữ liệu mô hình sản phẩm (STEP) là một tiêu chuẩn dữ liệu được tạo bởi một nhóm quốc tế gồm hơn 500 chuyên gia CAD, CAM

và CAE Tiêu chuẩn STEP cho phép thể hiện rõ ràng và đầy đủ về dữ liệu sản phẩm trong suốt toàn bộ vòng đời của nó Lần đầu tiên STEP được công nhận là một tiêu chuẩn ISO là vào năm 1994 và trong nhiều năm trở lại đây tất cả các nhà cung cấp phần mềm CAD hàng đầu đã thực hiện biên dịch dữ liệu STEP và hiện tại đã có hơn

Hình 2: Sự khác biệt về thời gian giữa STEP/STEP-NC với phương pháp

hiện tại[6]

Tiêu chuẩn STEP-NC được dùng để thay thế tiêu chuẩn RS274D với mã M

và G làm giao diện chính giữa các hệ thống CAM-CNC hiện tại Với STEP-NC, một hệ thống CNC sẽ được mô tả đầy đủ về chi tiết và quy trình sản xuất Mô tả này cho phép hệ thống CNC thực hiện kiểm tra an toàn hoàn chỉnh trước khi bắt đầu gia

- ISO 14649-1: 2003: Tổng quan và nguyên lý cơ bản

- ISO 14649-10: 2003: Quy trình dữ liệu chung

- ISO 14649-11: 2003: Xử lý dữ liệu cho máy phay

Nghiên cứu toàn cầu trong các lĩnh vực STEP-NC đã được phối hợp chủ yếu dưới một hệ thống IMS (Intelligent Manufacturing System – Hệ thống gia công thông minh) Để dự án này hiệu quả đòi hỏi một loạt các hành động tầm cỡ quốc tế Các đối tác từ bốn khu vực tham gia dự án là: EU, Hàn Quốc, Thụy Sĩ và Mỹ Họ

hỗ trợ nhà sản xuất, người sử dụng và các tổ chức giáo dục Các điều phối viên khu vực là Siemens (EU), CADCAMation (Thụy Sĩ), STEP Tools (Mỹ) và ERC-ACI (Hàn Quốc) Các hoạt động nghiên cứu tích cực nhất được tìm thấy trong số các đối tác ở các khu vực của EU, Mỹ, Hàn Quốc và New Zealand Có hai tiểu ban ISO khác nhau đang làm việc trên tiêu chuẩn STEP-NC với hai tiêu chuẩn khác nhau ISO TC 184 / SC1 đang làm việc theo tiêu chuẩn ISO 14649 (ARM) Tiêu chuẩn ISO 14649 không có cơ chế để kết hợp các loại dữ liệu STEP khác nhau, do đó làm cho luồng dữ liệu hai chiều giữa thiết kế và sản xuất gặp nhiều khó khăn hơn Không giống như ISO 14649, STEP AP-238 bao gồm tất cả các thông tin từ STEP AP-203 và AP-224 cộng với một mô hình giải thích được ánh xạ từ ISO 14649[5]

1.1.3 Ứng dụng của STEP-NC

Tiêu chuẩn STEP-NC được ứng dụng vào nhiều loại máy gia công khác nhau như: Máy tiện, máy phay, máy cắt dây, các loại máy đo-CMM,

8

Bảng 1: Lợi ích trong quá trình tạo CAM: Ước tính thời gian của Công ty Lockheed Martin – Mỹ trong quá trình tạo CAM từ bản vẽ 3D của sản phẩm thay vì bản vẽ 2D[6]

kiệm Max(h) Min(h) Trung bình (h) Trung bình(h)

9

1.09h 0.36h Qua một loạt các thí nghiệm từ các trung tâm gia công trên toàn thế giới đặc biệt là các công ty của Mỹ - nơi tiên phong trong việc tích hợp các công nghệ mới trong sản xuất chế tạo (thể hiện qua các bảng 1, 2, 3), STEP-NC cho thấy được khả năng ứng dụng thực tế cũng như những lợi ích vô cùng to lớn mà nó đem lại

1.1.4 Giải pháp số CAD-CAE-CAM-CNC

Ngày nay các chuyên gia về thiết kế, kỹ thuật, cơ khí và sản xuất đang phải đối mặt với các thách thức kinh doanh phức tạp Với xu hướng phát triển nhanh, hàng ngàn khách hàng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hàng không, y tế, gia công chế tạo, xây dựng cần sử dụng các phần mềm để hiện thực hóa các ý tưởng hay mô phỏng các mô hình trước khi tiến hành gia công chế tạo để đảm bảo thời điểm ra mắt sản phẩm cũng như hạn chế được các sai lầm khi thực hiện gia công, chế tạo Có thể kể tới các yêu cầu đáp ứng cần thiết trong kỉ nguyên số này như sau:

- Cung cấp các dự án với thiết kế dựa trên các mô hình thông minh để đáp ứng công việc

- Cải thiện sự cộng tác trong đội ngũ bằng cách truy cập các dịch vụ trên điện toán đám mây và các ứng dụng di động

10

Hình 3: Gia công khuôn có độ chính xác cao bằng máy phay CNC

Trong lĩnh vực cơ khí nói riêng, để theo kịp tốc độ phát triển sản phẩm cũng như cạnh tranh được với các đối thủ, cùng với sự phát triển của máy vi tính, các doanh nghiệp cơ khí trong, ngoài nước đã có nhiều đổi mới theo hướng hiện đại hóa như đầu tư máy móc hiện đại, công nghệ tiên tiến, thiết bị chuyên dụng, nâng cao tay nghề và chuyên môn cho kỹ sư cũng như công nhân vận hành máy nhằm nâng cao năng lực thiết kế, gia công chế tạo để đáp ứng nhu cầu của thị trường Ngành cơ khí có điều kiện để tiếp cận các thành tựu khoa học và công nghệ hiện đại để bắt kịp với xu thế phát triển hiện nay Hệ thống phần mềm ảo hóa CAD-CAE-CAM kết hợp với trung tâm gia công CNC chính là chuỗi giải pháp số nằm trong sự phát triển

đó Để hiểu rõ hơn giải pháp số CAD-CAE-CAM-CNC tác giả xin đưa ra định nghĩa viết tắt của các cụm từ trên nhằm làm rõ hơn về các khái niệm:

Hình 4: Chuỗi giải pháp CAD-CAE-CAM

11

 CAD: Computer Aided Design: Thiết kế được sự hỗ trợ của máy tính

Hình 5: Môi trường CAD 2D và 3D trong CATIA V5

Khác biệt cơ bản với quy 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 phần mềm CAD chuyên nghiệp như CATIA V5 – Dassault Systemes, NX 10 – Siemens phục vụ thiết kế

và gia công khuôn mẫu/chi tiết 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

12

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

 CAE: Computer Aided Engineering: Phân tích kỹ thuật được sự hỗ trợ của

máy tính

Hình 6: Môi trường CAE trên CAITIA V5

CAE là công nghệ liên quan đến việc sử dụng hệ thống máy tính để phân tích đối tượng hình học CAD, cho phép người thiết kế mô phỏng và nghiên cứu cách ứng xử của sản phẩm từ đó có thể tinh chỉnh và tối ưu hóa sản phẩm Các công cụ CAE tương đối đa dạng, đáp ứng được cho nhiều nhu cầu phân tích sản phẩm Trong CAE người ta sử dụng 3 công cụ giải tích chính là:

13

- Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM)

- Phuơng pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method – FDM)

- Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method- BEM)

Các lĩnh vực CAE bao gồm:

- Phân tích ứng suất trên các thành phần và bộ phận lắp ráp sử dụng Finite Element Analysis (FEA)

- Phân tích dòng chảy nhiệt và chất lỏng Computational fluid dynamics (CFD);

- Multibody dynamics (MBD) và Kinematics

- Các công cụ phân tích cho mô phỏng quá trình cho các hoạt động như đúc, khuôn đúc, và khuôn dập

- Tối ưu hóa sản phẩm hoặc quy trình

 CAM: Computer Aided Manufacturing: Sản xuất ứng dụng công nghệ hỗ trợ

của máy tính

Hầu hết các xưởng gia công cơ khí đều có một trong các máy gia công như phay, tiện, router, cắt tia nước, laser hay plasma với một bộ điều khiển CNC và thay

vì lập trình CNC bằng cách cổ điển là nhập từng dòng mã lệnh G-M thì họ cần một phần mềm CAM Cho dù đó là một máy CNC đời mới với khả năng gia công tốc độ cao hay một máy CNC cũ được dựng lại hoặc một máy cơ được nâng cấp lên máy CNC, thì một phần mềm có mô-đun CAM sẽ luôn luôn là cần thiết để giúp quá trình

tự động hóa trong sản xuất được đẩy nhanh và dễ dàng hơn Bởi vì việc gia công và sản xuất luôn luôn biến động và thay đổi đa dạng, xưởng sản xuất sẽ cần nhiều hơn các công cụ hỗ trợ nhằm đáp ứng sản xuất và nhu cầu ngày càng nhiều của khách hàng Khi mà CAD là nơi bắt đầu với việc lên ý tưởng và chuyển hóa nó thành các mẫu 3D thực tế, thì CAM sẽ tiến hành đảm bảo làm sao có thể gia công chính xác ra

14

nó Đó là các chiến lược gia công như: chạy dao phá thô, bán tinh và tinh hoàn toàn, chế độ cắt, thông số của đường chạy dao

Hình 7: Môi trường CAM trong CATIA V5

Hầu hết các phần mềm cơ khí, tạo mẫu, khuôn, chế tạo, sản xuất trên thế giới hiện tại đều có thể đáp ứng và giải quyết các công đoạn từ ý tưởng thiết kế đến khi hình thành được sản phẩm trên môi trường máy tính – mô hình 3D, sau đó có thể xuất ra bản vẽ 2D và thực hiện gia công trên máy phay, tiện

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Nghiên cứu trong nước

Tiêu chuẩn STEP-NC là một tiêu chuẩn còn khá mới ở Việt Nam Các doanh nghiệp tư nhân hay các tổ chức sử dụng STEP-NC trong gia công là vô cùng hiếm gặp do việc thay đổi giao thức mới sẽ gây tốn kém chi phí đầu tư ban đầu Do vậy, các nghiên cứu trong nước còn nhiều hạn chế và chỉ dừng lại ở mức ứng dụng, lý thuyết do thiếu sự đầu tư từ các doanh nghiệp, tổ chức hay từ các dự án có kinh phí khác Tuy nhiên vẫn có thể kể tới một số đề tài liên quan đến tiêu chuẩn STEP-NC như sau:

15

- Ðề tài: Ứng dụng chuẩn STEP/STEP-NC cho chi tiết tiện phay - Được thực hiện bởi Kỹ sư Dương Thị Vân Anh Ðề tài đã được bảo vệ thành công vào năm 2010 ở trường Ðại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

- Ðề tài: Xây dựng hệ thống lập quy trình công nghệ theo chuẩn STEP/STEP-NC - Được Kỹ sư Nguyễn Ðình Nghĩa thực hiện Ðề tài đã được bảo vệ thành công vào năm 2011 ở trường Ðại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

- Ðề tài: Tối ưu hóa chế độ cắt dựa trên STEP-NC theo tuổi bền dao tiện - Được Kỹ

sư Trương Thị Kim Thoa thực hiện Ðề tài đã được bảo vệ thành công vào năm

2012 ở trường Ðại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

1.2.2 Nghiên cứu ngoài nước

Trái ngược lại với hiện trạng trong nước, đã có rất nhiều các dự án được tài trợ bởi các công ty công nghiệp, các viện nghiên cứu sử dụng chi phí đầu tư của nhà nước nghiên cứu về tiêu chuẩn STEP-NC ở nước ngoài Một số nghiên cứu tạo được dấu ấn[7]:

- Dự án Optimal: Đây là dự án đầu tiên bắt đầu hướng tới con đường xây dựng một tiêu chuẩn công nghiệp Dự án này là một phần của dự án ESPRIT 3 – Nghiên cứu đặc trưng và phát triển công nghệ lập trình trong lĩnh vực công nghệ thông tin (EEC) 1990-1994 được thành lập bởi liên minh châu Âu

- Dự án STEP-NC: Đây là dự án tiếp nối sau thành công của dự án Optimal cho ra đời giao diện dữ liệu tuân thủ cấu trúc dữ liệu STEP-NC dùng trong điều khiển số

Dự án này đưa ra được mô hình dữ liệu thực tế (đối với máy phay, tiện và EDM) Các chi tiết được gia công sử dụng mô hình dữ liệu STEP-NC Kết quả chính của

dự án này là phát triển, đề xuất các công cụ phần mềm thể hiện khả năng mô hình hoá dữ liệu:

+ Mô phỏng và kiểm tra đường chạy dao theo chuẩn STEP-NC

- Dự án IMS 97006: Dự án này đã được triển khai từ năm 2001 đến năm 2003 và là một bước tiến lớn bởi vì nó mang lại sự thống nhất của các đối tác khác nhau trước đây độc lập phát triển tiêu chuẩn STEP-NC Các đối tác khác nhau từ EU, Mỹ, Hàn Quốc và Thụy Sĩ cùng nhau tham gia vào dự án này Sự kết hợp các kinh nghiệm cũng như các mong muốn chung đã dẫn đến hai tiêu chuẩn khác nhau: ISO 10303-

238 và ISO 14649

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Sản xuất đang thay đổi từng ngày và những ý tưởng mới về kiểm soát kèm theo sự phát triển của các kỹ thuật CAM - công nghệ máy tính đã cho phép định nghĩa một tiêu chuẩn điều khiển máy công cụ nâng cao: STEP-NC[2] STEP-NC là chìa khóa dẫn đến cánh cửa phía sau có một cánh đồng giàu có về nghiên cứu kỹ thuật sản xuất và cơ hội cho sản xuất gọn gàng, thông minh, linh hoạt đang gần hơn bao giờ hết[2] Vì vậy, để thấy rõ được các lợi ích khi sử dụng STEP-NC chỉ cần so sánh nó với tiêu chuẩn ISO 6983 hiện đang sử dụng để xem xét nhưng điểm vượt trội của nó

1.3.1 Ưu, nhược điểm của tiêu chuẩn ISO 6983

ISO 6983 đã trở nên quen thuộc trong việc lập trình cho máy gia công CNC Hầu hết các máy CNC hiện nay đều sử dụng ngôn ngữ mã G và M để lập trình, nó

17

tuân theo luồng dữ liệu như hình dưới

Hình 8: Hiện trạng quản lý dữ liệu sản xuất[7]

- Material Preparation: Chuẩn bị phôi liệu

- Post processing: Bộ hậu xử lý

Lập trình với ngôn ngữ này cũng cho thấy rõ những ưu điểm và nhược điểm như sau:

 Ưu điểm[8]:

- Ngôn ngữ đơn giản, dễ học, dễ hiểu

- Được phổ biến rộng rãi và sử dụng trên toàn thế giới

Chính những ưu điểm trên của nó mang lại các nhược điểm sau:

18

kết thúc là 1 số Ví dụ: G00, G01 Gây khó khăn trong việc nắm bắt thông tin của các giai đoạn gia công

- Không chứa đựng đầy đủ thông tin về chi tiết gia công, vật liệu, phôi

- Gần như không có phản hồi ngược từ máy CNC về CAM/CAD

- Mỗi chương trình chỉ chạy trên một máy CNC duy nhất

- Nội suy Spline tích hợp chưa tốt

- Hỗ trợ các tính năng động học cho máy gia công 5 trục trở nên kém hiệu quả hoặc chưa tốt

1.3.2 Ưu điểm của STEP-NC

STEP-NC có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với ISO 6983, có thể kể đến các

ưu điểm như sau:

- Ngôn ngữ lập trình trực quan, giúp người vận hành dễ dàng nắm bắt thông tin qua từng giai đoạn gia công

- Luồng thông tin cung cấp hai chiều Sửa đổi tại nơi sản xuất có thể được lưu và phản hồi cho nhà thiết kế

- Gia công an toàn hơn và thích nghi hơn do STEP-NC được phát triển độc lập với nhà phát triển máy công cụ

- Chất lượng thông tin cao hơn, dữ liệu CAD được sử dụng trực tiếp trên máy, các thông tin về vật liệu, phôi, chi tiết gia công đều được cung cấp đầy đủ

- Các bộ hậu xử lý – Post-processor sẽ bị loại bỏ vì giao diện của STEP-NC không yêu cầu máy công cụ cụ thể

- Các tệp XML có thể được sử dụng để chuyển thông tin cho phép gia công trên Web hoặc gia công điện tử - E-manufacturing

19

Hình 9: Quản lý dữ liệu sản xuất theo đề xuất sử dụng STEP-NC[7]

1.3.3 Ưu điểm của giải pháp CATIA - Dassault Systemes

CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) là một gói phần mềm CAD/CAM/CAE thương mại đa thành phần được phát triển bởi một công ty của Pháp - Dassault Systemes Được viết bởi ngôn ngữ lập trình C++, CATIA là một sản phẩm PLM – Quản lý vòng đời sản phẩm (Product lifecycle management) xương sống của hãng Dassault Systemes CATIA cung cấp khả năng độc đáo không chỉ mô hình hóa bất kỳ sản phẩm nào, ngoài ra trong bối cảnh hành

vi thực tế của cuộc sống tác động đến sản phẩm, nó còn giúp người dùng thiết kế sản phẩm hiệu quả trong thời đại mà các sản phẩm có vòng đời ngắn hơn, yêu cầu cập nhật nhanh hơn Hệ thống kiến trúc sư, kỹ sư, nhà thiết kế và tất cả những người đóng góp có thể xác định, tưởng tượng và định hình thế giới CATIA, được hỗ trợ bởi nền tảng Dassault Systemes '3D EXPERIENCE, cung cấp[10]:

- Môi trường thiết kế được xây dựng trên một nguồn chính xác duy nhất và được truy cập thông qua các trang tổng quan 3D mạnh mẽ thúc đẩy kinh doanh, thiết kế

20

đồng thời trong thời gian thực cùng với tất cả các cộng tác viên trên toàn thế giới, các bên liên quan bao gồm cả người dùng

- Một công cụ 3D EXPERIENCE tự nhiên, dành cho cả người dùng có kinh nghiệm

và những người mới sử dụng với khả năng mô phỏng - mô hình hóa 3D đẳng cấp thế giới, tối ưu hóa một cách hiệu quả cho mọi người dùng

- Một nền tảng phát triển sản phẩm được tích hợp dễ dàng với các quy trình và công

cụ hiện đại Điều này cho phép nhiều ngành sử dụng các ứng dụng chuyên sâu và tích hợp trên tất cả các giai đoạn của quá trình phát triển sản phẩm

Các ứng dụng thiết kế, kỹ thuật và hệ thống kỹ thuật của CATIA là trung tâm của các giải pháp công nghiệp từ Dassault Systemes nhằm giải quyết các nhu cầu cụ thể của các ngành nghề riêng biệt Điều này cách mạng hóa cách thức tổ chức thai nghén, phát triển và sáng tạo ra sản phẩm mới, mang lại lợi thế cạnh tranh thông qua trải nghiệm khách hàng

Hình 10: Các sản phẩm ứng dụng CATIA[11]

1.4 Nhiệm vụ đề tài và phạm vi nghiên cứu

STEP-NC được ứng dụng trong nhiều công nghệ cho máy công cụ tiện, phay, cắt dây hoặc các máy đo Tuy nhiên trong giới hạn của luận văn này, tác giả chỉ đề cập đến đặc trưng gia công trong máy phay

1.4.1 Nhiệm vụ đề tài

Với định hướng luận văn là: Nghiên cứu lập trình điều khiển số thông minh trên cơ sở tiêu chuẩn STEP – NC ứng dụng trên trung tâm phay CNC; vì vậy những nhiệm vụ chính của đề tài là:

- Nghiên cứu, giới thiệu chung về tiêu chuẩn STEP-NC

- Tìm hiểu cấu trúc chương trình của STEP-NC

- Ứng dụng tiêu chuẩn STEP-NC AP-238 trên nền phần mềm STEP-NC Machine

và phần mềm CATIA của Dassault Systemes để gia công một số chi tiết điển hình trong đó có một chi tiết chuyển đến xưởng để gia công thật

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu tiêu chuẩn STEP-NC ở mức cơ bản: Quá trình hình thành và phát triển, lợi ích, ứng dụng và cấu trúc cơ bản

- Ứng dụng tiêu chuẩn STEP-NC AP-238 trên nền phần mềm STEP-NC Machine

và phần mềm CATIA của Dassault Systemes để gia công các chi tiết dạng: càng, hộp Trong đó có một bộ chi tiết được gia công thật

22

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu và phân tích lý thuyết dựa trên nguồn tài liệu: Sách, báo, tạp chí khoa học trong và ngoài nước

- Thực hiện thí nghiệm bằng việc sử dụng phần mềm CATIA và STEP-NC Machine

23

Tổng kết chương 1

Bằng nhiều thực nghiệm tại nhiều đơn vị khác nhau trên toàn thế giới như tại công ty Lockheed Martin, Raytheon tiêu chuẩn STEP-NC đã chứng minh được những ưu điểm vượt trội của mình so với tiêu chuẩn cũ ISO 6983 như tiết kiệm thời gian hơn, hạn chế các loại giấy tờ đi kèm, đơn giản hơn trong ngôn ngữ lập trình, STEP-NC được ứng dụng trong nhiều loại máy móc khác nhau như tiện, phay, máy

đo 3D Với những ưu điểm vượt trội của nó, STEP-NC hứa hẹn sẽ là tiêu chuẩn mới của tương lai, mở ra kỷ nguyên gia công hiện đại hơn, tương tác hai chiều Tuy còn mới lạ tại Việt Nam song với giải pháp sử dụng CATIA của Dassault Systemes

và STEP-NC machine của STEP Tools ta hoàn toàn có thể đưa STEP-NC vào thực tiễn gia công hiện nay Với những nền móng như vậy, ta hoàn toàn tin tưởng vào tương lai và tính thực tiễn của STEP-NC

24

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC CỦA BỘ TIÊU CHUẨN MỚI NHẤT STEP-NC AP238/ ISO 10303-238

2.1 Cấu trúc một chương trình STEP-NC

Để nghiên cứu cấu trúc một chương trình STEP-NC, trước tiên ta sẽ đi tìm hiểu cấu trúc của bộ tiêu chuẩn STEP-NC mới nhất, có cách gọi thông thường là AP238 Bộ tiêu chuẩn mới nhất STEP-NC AP238 là kết quả của một loạt các nghiên cứu khác nhau được cấu thành từ hai bộ tiêu chuẩn là ISO 10303-238 (Mô hình phiên dịch ứng dụng cho bộ điều khiển số trên máy tính) và ISO 14649 (Mô hình dữ liệu cho các bộ điều khiển số trên máy tính) – Hình 6

Hình 11: Mô hình tiêu chuẩn STEP-NC AP238 mới nhất

Đơn giản ta có thể hiểu cấu trúc tiêu chuẩn STEP-NC AP238 – hình 7 được thể hiện chặt chẽ bằng việc liên kết 2 tiêu chuẩn ISO 14649 (vùng màu xanh) có chức năng thể hiện thông tin sản xuất như: Dụng cụ sản xuất, gia công kết hợp với các thông tin về hình học chi tiết Trong khi đó tiêu chuẩn 10303-238 (vùng màu vàng) lại thể

25

hiện rõ kế hoạch gia công cũng như các thông số công nghệ chi gia công như: Đường chạy dao, dụng cụ, chiến lược gia công ) Sự kết hợp giữa hai tiêu chuẩn trên cấu thành một tiêu chuẩn mới có nhiều ưu điểm kế thừa từ hai tiêu chuẩn ban đầu:

Hình 12: Cấu trúc cấu thành chương trình theo tiêu chuẩn STEP-NC AP238

2.1.1 ISO 14649

Tạo file CAM

Mô hình CAM

CLF (Dữ liệu đường chạy dao)

Post - Processing

CNC

CAPP

Bộ điều khiển Controller

-CNC 2D

Chi tiết

Hình 13: So sánh mô hình CAD/CAPP/CAM giữa ISO 6983 và ISO 14649[12]

26

Như đã trình bày ở trên, ISO 14649 – mô hình dữ liệu cho các bộ điều khiển

số trên máy tính là kết quả của những nỗ lực trong những năm 1999 – 2004 của những thành viên trong dự án ESPRIT, dự án IMS STEP-NC Dưới sự kết hợp của Công ty Siemens với đại học RWTH Aachen và đại học Stuttgart tại Đức, Komatsu

và FANUC tại Nhật Bản, Heidenhain tại Thụy Sĩ, đại học Khoa học công nghệ Pohang ở Hàn Quốc, các mô hình điều khiển cho trung tâm phay, tiện CNC đã được

ấn bản năm 2005, cùng lúc đó, bản dự thảo cho máy cắt dây và máy gia công bằng tia lửa điện – EDM cũng được đệ trình lên ủy ban ISO Mục đích chính của ISO

14649 là thay thế ISO 6983 ISO 14649 được kỳ vọng sẽ khắc phục được những nhược điểm của ISO 6983 Theo kế hoạch thử nghiệm thực hiện tiêu chuẩn này, máy CNC sẽ hỗ trợ cả hai tiêu chuẩn ISO 14649 và ISO 6983 Hình dưới mô tả giai đoạn ban đầu khi thực hiện tiêu chuẩn ISO 14649[13]

STEP Hình học

Xử lý

dữ liệu

Thư viện hàm được xác định trước

Mô hình dữ liệu CNC mới

Phiên dịch mô

hình dữ liệu mới

Dữ liệu kế thừa cụ thể của nhà cung cấp

Hình 14: Bộ điều khiển NC có thể hỗ trợ hai tiêu chuẩn ISO 14649 và ISO 6983 [9]

Định dạng dữ liệu của tiêu chuẩn ISO 14649 cũng khác hoàn toàn so với mã

NC cũ Nó được cấu trúc tốt hơn: hướng vào đối tượng Cấu trúc dữ liệu này cho phép sử dụng một chương trình STEP-NC trên bất cứ trung tâm phay/tiện CNC nào

mà không cần sử dụng một bộ hậu xử lý – post processor biên dịch Các yếu tố chính của nó trong cấu trúc là:

27

- Tiêu đề - Header

- Đặc tính hình học của chi tiết

- Các bước công nghệ phục vụ gia công: mỗi bước được hợp thành bởi nhiều tính năng/công nghệ vận hành

Hình 15: Lược đồ tổng quan cấu trúc dữ liệu của tiêu chuẩn ISO 14649[13]

Ta có bảng giải thích đơn giản về cấu trúc dữ liệu của tiêu chuẩn ISO 14649:

Bảng 4: Cấu trúc dữ liệu của tiêu chuẩn ISO 14649[14]

tác giả, thời gian thực hiện, công ty

1 = Project(Workplan#10); Chọn chiến lược gia công tại #10

#10 = Workplan(#20,#35,#71…) Chiến lược gia công bao gồm: Bước 1

#22 =

Drilling(# (Tool),,,# (Technology),# Thông số công nghệ #22

2.1.2 ISO 10303-238

Tiêu chuẩn này chính thức được phát hành vào 30-04-2007 với tên ban hành ISO 10303-238:2007 Sự khác biệt chính của nó so với ISO 14649 là mô hình dữ liệu này bao gồm cả mô hình CAD 3D của sản phẩm Về cơ bản, đây có thể coi là một phiên bản nâng cấp của ISO 14649 Bảng liệt kê dưới đây cho thấy phần lớn cấu trúc dữ liệu của ISO 10303-238 được trích dẫn từ ISO 14649:

Bảng 5: Nguồn gốc của các thành phần dữ liệu khác nhau của ISO 13003-238[15]

Thành phần dữ liệu trên AP238 Thành phần dữ liệu gốc

Phần Hình học 3D

Tất cả các tiêu chuẩn ứng dụng giao thức STEP cùng chia sẻ cùng một mô hình dữ liệu

Dao cụ cho máy tiện

Phần 12 – ISO 14649 Phần 121 – ISO 14649

29

Mô hình dữ liệu của AP 238 được cấu trúc thành ba phần chính là[16]:

- Biểu diễn chi tiết dạng 3D

- Chiến lược gia công

- Các thông số công nghệ cho sản xuất

2.1.3 So sánh hai tiêu chuẩn ISO 14649 và ISO 10303-238

Như đã trình bày ở phần giới thiệu, có hai tiểu ban ISO khác nhau đang làm việc trên tiêu chuẩn STEP-NC với hai tiêu chuẩn khác nhau Tiểu ban ISO TC 184/SC1 đang làm việc theo tiêu chuẩn ISO 14649 (mô hình ARM) và tiểu ban ISO

TC 184/SC4 đang làm việc trên STEP AP-238 (mô hình AIM) Sự khác biệt chính giữa hai mô hình này là mức độ mà họ sử dụng phương pháp biểu diễn STEP và cấu trúc kỹ thuật ISO 14649 và ISO 10303-238 có thể được xem là hai phương pháp thực hiện khác nhau của tiêu chuẩn STEP-NC Tiêu chuẩn ISO 14649 có nhiều khả năng hơn và được sử dụng trong một môi trường mà hệ thống CAM có thông tin chính xác từ nhà xưởng, trong khi đó STEP AP-238, như là một phần của tiêu chuẩn STEP, phù hợp hơn cho một thiết kế hoàn chỉnh và tích hợp trong sản xuất Tiêu chuẩn ISO 14649 không có cơ chế để kết hợp các loại dữ liệu STEP khác, do

đó làm cho luồng dữ liệu hai chiều giữa thiết kế và sản xuất khó hơn Không giống như ISO 14649, STEP AP-238 bao gồm tất cả các thông tin từ STEP AP-203 và AP-224 cộng với một mô hình giải thích được ánh xạ từ ISO 14649[5]

Bảng 6: So sánh giữa ARM và AIM[5]

Tiêu chí so sánh ISO14694 (ARM) ISO 10303-238(AIM)

Khả năng tương thích với Phù hợp một phần Hoàn toàn phù hợp

trường trong đó hệ thống CAM có thông tin chính xác từ nhà xưởng, trong khi AIM phù hợp hơn cho một thiết kế hoàn chỉnh và tích hợp sản xuất STEP-NC AIM là tập tin bao gồm các thông tin về các mô hình thiết kế chính nó, lượng dư, tính năng gia công, dao cụ/đồ gá, trình tự gia công, quy trình sản xuất, v.v Nó tự cung cấp tài liệu và cho phép kiểm tra an toàn hoàn toàn Loại thông tin này có thể được mô

tả là thông tin '' cái gì làm được '', có nghĩa là chỉ có mô tả các nhiệm vụ sản xuất, nhưng không phải là (các) cách để hoàn thành chúng Loại thông tin "cái gì cần làm" được đưa vào bộ điều khiển STEP-NC để tạo ra cái gọi là thông tin '' làm thế nào để làm '', có thể vẫn được ghi lại theo tiêu chuẩn ISO 14649, nghĩa là tệp ARM[5]

Phương pháp lập trình sử dụng STEP-NC là quan điểm định hướng đối tượng của chương trình về các tính năng gia công, thay vì mã hóa trực tiếp các dãy chuyển động và vận hành của dao theo định nghĩa trong ISO 6983 Nguyên tắc cơ bản của mô hình dữ liệu mới là các chương trình về tính năng gia công (lỗ, rãnh, v.v), thay vì mã hóa trực tiếp các dãy chuyển động của trục và vận hành của dao

Sự kết hợp các tính năng sản xuất và thông tin công nghệ được gọi là "working step" Các bước làm việc đại diện cho việc xây dựng các khối của quá trình gia công Mỗi bước làm việc mô tả một quá trình gia công duy nhất sử dụng một dao và một chiến lược gia công Tuy nhiên, chương trình cổ điển vẫn còn đó và lập trình hướng đối tượng chưa được giới thiệu, áp dụng một cách toàn bộ Hai phương pháp này tồn tại đồng thời như minh họa trong hình 9 Một phần chương trình được mô tả trong một File vật lý - định dạng theo ISO 10303 Dữ liệu cấu trúc của tệp STEP-

Mô tả đặc tính hình học

Thực hiện các tác vụ được sắp xếp theo thứ tự

Hình 16: Cấu trúc của mô hình dữ liệu hướng đối tượng [17]

Phần đầu tiên của chương trình phần là tiêu đề - phần được đánh dấu bởi từ khóa "Header" Tiêu đề này chứa một số thông tin tổng quát và nhận xét về phần phụ của chương trình, chẳng hạn như tên tập tin, người thiết kế, ngày thiết kế và nơi làm việc Phần thứ hai và là phần chính của tập tin chương trình là phần dữ liệu được đánh dấu bởi từ khoá "Data" Phần này chứa tất cả thông tin về nhiệm vụ sản xuất và hình học của phôi/chi tiết Dữ liệu được chia thành ba phần quan trọng:

- (A) Chiến lược gia công và thực thi

- (B) Mô tả công nghệ

- (C) Mô tả đặc tính hình học

Máy công cụ CNC do đó được cung cấp với đầy đủ thông tin để gia công chi tiết máy Ngoài ra nó cũng có nhiệm vụ dịch thông tin được xác định bằng STEP-NC như các bước làm việc với chuyển động trục và quá trình chạy dao

Part 21 và Part 28 là hai phương pháp định nghĩa các dữ liệu STEP - NC đã

32

xác định Định dạng tệp Part 21 hiện đang là phương pháp thực hiện phổ biến nhất Hiện nay, Part 28 ở định dạng tệp XML cũng ngày càng được sử dụng nhiều hơn Part STEP-NC được mô tả trong một định dạng tệp vật lý theo tiêu chuẩn ISO 10303-21 được thể hiện trong hình 12 và một phần của tệp STEP-NC được mô tả trong định dạng tệp vật lý theo ISO 10303-28 (định dạng XML) được thể hiện trong hình 13 Sự khác biệt chính giữa hai định dạng này thể hiện trong bảng 7[5]

Bảng 7: STEP Part 21 so với STEP Part 28[5]

Định dạng

Tương tác với người dùng Có thể diễn giải một phần Khó khăn

Trao đổi qua trang WEB Chỉ có thể thông qua một

tập tin vật lý cá nhân

Có thể trao đổi bất kỳ một phần của dữ liệu trong cấu trúc phân cấp