Ứng dụng phần mềm CAD CAM vào thiết kế và gia công trên máy CNC 5 trục Ứng dụng phần mềm CAD CAM vào thiết kế và gia công trên máy CNC 5 trục Ứng dụng phần mềm CAD CAM vào thiết kế và gia công trên máy CNC 5 trục luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp
Tổng quan về công nghệ CAD/CAM - CNC
Khái niệm CAD, CAM, CAE, CNC 1 1.1.2 Tích hợp công nghệ CAD/CAM - CNC 5 1.1.3 Vai trò của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất
CAD (Thiết kế hỗ trợ bằng máy tính) là quá trình thiết kế sử dụng công nghệ máy tính, giúp đơn giản hóa việc tạo ra bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp ghép Trước đây, việc thiết kế phải thực hiện hoàn toàn bằng tay, gây khó khăn và phức tạp Tuy nhiên, sự phát triển của phần mềm CAD, đặc biệt là CAD 3D, đã mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Các phần mềm này cung cấp công cụ hỗ trợ thiết kế mạnh mẽ, cho phép nội suy theo các đường và bề mặt dễ dàng Hơn nữa, quá trình lắp ráp cũng được cải thiện nhờ vào các ràng buộc hình học và kích thước, giúp người thiết kế dễ dàng hơn trong việc kết hợp các chi tiết.
Trong lĩnh vực tự động hoá công nghiệp, CAD không chỉ giới hạn ở việc tạo ra các bản vẽ 2D hoặc 3D, mà còn bao gồm mô hình hoá thực thể đặc, hình động và phân tích phần tử hữu hạn (FEM) Sự trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống CAD/CAM và tích hợp tự động hoá CAD/CAM được thiết lập theo các tiêu chuẩn chung, với nhiều đề án tích hợp được áp dụng trong thời gian gần đây Những tiến bộ công nghệ đã góp phần tăng tốc độ thiết kế kỹ thuật và quá trình tự động hoá trong ngành công nghiệp.
CAD được xem như một cuộc cách mạng công nghiệp mới kể từ khi ra đời So với phương pháp vẽ thiết kế thủ công, CAD mang lại nhiều lợi ích vượt trội.
Tăng độ chính xác và chất lượng bản vẽ vì CAD có thể tạo ra những kích thước vẽ theo đơn vị nhỏ hơn 0,001 mm
Làm giảm mức độ mơ hồ, trừu tượng của bản vẽ
Các bản vẽ CAD có thể truy cập, lưu trữ, truyền tải qua các bộ chứa và lưu thông tin
Tiết kiệm không gian vì loại bỏ phòng lưu trữ các bản vẽ giấy
Tiết kiệm thời gian vì loại bỏ lao động thủ công lặp lại
Có khả năng giao diện trực tiếp với những ứng dụng kỹ thuật khác như CAE, CAM
Có thể làm tăng năng suất và lợi nhuận với giải pháp phù hợp
Kết quả của CAD là bản vẽ xác định, thể hiện nhiều hình chiếu khác nhau của chi tiết cơ khí với các đặc trưng hình học và chức năng Phần mềm CAD là công cụ tin học chuyên dụng cho nghiên cứu và thiết kế.
Khi nhắc đến CAD, không thể không đề cập đến KERNEL, hay còn gọi là hệ thống hạt nhân đồ hoạ, là nền tảng quan trọng cho các phần mềm CAD Hiện có một số định dạng KERNEL chính như PARASOLID, ACIS và DesignBASE của RICOH PARASOLID được sử dụng cho Unigraphics-NX, CADmeister, Solid Edge và MasterCAM, trong khi ACIS phục vụ cho AutoCAD và MDT DesignBASE dành cho các phần mềm CAD hạng trung Đặc biệt, CATIA sử dụng định dạng KERNEL riêng của DASSAULT SYSTEMES, cải biên từ ACIS, giúp dữ liệu xuất ra tương thích tốt với các phần mềm sử dụng ACIS và PARASOLID Tuy nhiên, độ chính xác của KERNEL ACIS không bằng PARASOLID, dẫn đến xu hướng chuyển đổi từ CATIA sang Unigraphics-NX ngày càng gia tăng trong ngành thiết kế ôtô.
CAM (Computer Aided Manufacturing) là quá trình gia công được hỗ trợ bởi máy tính, bắt đầu từ việc xuất dữ liệu CAD dưới định dạng file trung gian như STEP, SAT, IGES Dữ liệu này sau đó được nhập vào phần mềm CAM, nơi người sử dụng thiết lập các điều kiện tính toán cho quá trình gia công, bao gồm chiến lược gia công, thông số công nghệ và thông số dụng cụ cắt Cuối cùng, chương trình CAM tự động tạo ra các chương trình NC dưới dạng mã lệnh G - M code hoặc ngôn ngữ APT.
3 trình NC dưới dạng mã lệnh này sẽ được truyền trực tiếp đến máy CNC bằng ổ đĩa mềm hoặc qua các bộ điều khiển DNC
Kết quả của CAM là chi tiết cơ khí cụ thể, thực hiện công việc một cách chính xác mà không chỉ đơn thuần là biểu diễn thực thể Quy trình chế tạo liên quan đến nhiều yếu tố như dụng cụ cắt, vật liệu, quá trình cắt gọt và công suất thiết bị Những điều kiện sản xuất khác nhau ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và giá thành sản phẩm.
CAE (Kỹ thuật Hỗ trợ Bằng Máy Tính) là ứng dụng công nghệ thông tin nhằm hỗ trợ các quy trình kỹ thuật, bao gồm phân tích, mô phỏng, lập kế hoạch sản xuất và bảo trì sửa chữa.
Các lĩnh vực hỗ trợ của CAE bao gồm:
- Phân tích ứng suất trong kết cấu và các mối lắp ghép
- Phân tích chuyển động của các dòng chất khí và chất lỏng
- Phân tích các quá trình mô phỏng cơ khí như quá trình đúc, quá trình cắt gọt và quá trình biến dạng
- Phân tích lời giải và xử lý các kết quả trong quá trình tính toán cơ khí
CNC (Điều khiển số bằng máy tính) là công nghệ được phát triển vào những năm 1940 - 1950 tại phòng thí nghiệm SERVOMECHANISM của học viện kỹ thuật MASSACHUSETTS Công nghệ này sử dụng các chương trình chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA - 274 - D, với các mã lệnh G - M code hoặc ngôn ngữ APT để điều khiển các máy móc.
Công nghệ CNC đã cách mạng hóa ngành cơ khí, chuyển đổi từ sản xuất cơ khí truyền thống sang sự tích hợp giữa cơ khí, công nghệ thông tin và điện tử Quá trình gia công phức tạp trở nên đơn giản hơn, cho phép thực hiện các đường cong dễ dàng như đường thẳng và các cấu trúc 3D phức tạp cũng trở nên khả thi, đồng thời giảm thiểu đáng kể số lượng thao tác thủ công.
Việc áp dụng tự động hóa vào sản xuất cơ khí đã nâng cao đáng kể độ chính xác và chất lượng sản phẩm Công nghệ CNC đã cải thiện hiệu suất sản xuất và giảm thiểu sai sót, góp phần vào sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.
Bốn người đã giảm thiểu sai sót, giúp người thao tác có thêm thời gian cho các công việc khác Họ cũng mang lại sự linh hoạt trong việc thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho máy móc, từ đó sản xuất được nhiều loại sản phẩm khác nhau.
Công nghệ CNC mang lại sản phẩm chất lượng cao và đáng tin cậy Sau khi chương trình được kiểm tra kỹ lưỡng và đưa vào sản xuất, hàng loạt chi tiết đồng nhất có thể được sản xuất với độ chính xác và tính ổn định cao.
Hiện nay thì có một số hãng lớn sản xuất máy CNC là: MORI SEIKI, MAKINO, DECKEL MAHO…
DNC (Điều khiển số trực tiếp) là một hệ thống máy tính trung tâm, được cài đặt phần mềm truyền dữ liệu, thường là phần mềm đi kèm với bộ điều khiển, để kết nối và điều khiển các máy CNC trong trung tâm gia công.
Khi đã hoàn thiện chương trình NC, cần tải chương trình này lên hệ điều khiển CNC Mặc dù người vận hành có thể nhập trực tiếp vào hệ điều khiển, nhưng phương pháp này khá thủ công và gặp khó khăn khi xử lý các chương trình dài.
Các mức tiếp cận của kỹ thuật CAD/CAM - CNC
Hãng DENFORD (Anh Quốc) đã tạo lập các module phù hợp dùng cho đào tạo theo các mức tiếp cận kỹ thuật CAD/CAM – CNC như sau:
Cho các quá trình phay, khoan hoặc tiện, mức này có khả năng thực hiện giải pháp CAD/CAM - CNC như sau:
Tạo lập bằng tay các lệnh G - M code …
Kế hoạch hoá quá trình sản xuất
Tự động hoá, Kế hoạch hoá quá trình sản xuất
Tự động hoá Thiết kế
Vẽ biểu đồ, lập nhu cầu nguyên vật liệu
Thiết bị điều khiển bằng máy tính
Tự động hoá kiểm tra chất lượng
Khái niệm sản phẩm mới
Nhu cầu thị trường mới
Lập biểu đồ sản xuất Nhu cầu thị trường
Tạo lập tự động các lệnh G - M code với hệ CAM rồi chạy mô phỏng chương trình gia công CNC đã lập trên màn hình máy tính
Mức này được trang bị tương tự như mức 1, nhưng bổ sung thêm hệ xử lý thích nghi (Postprocessor) dành cho bàn phím CNC của hãng DENFORD Hệ thống này cho phép lập trình gia công CNC và mô phỏng chương trình gia công trực tiếp trên màn hình máy tính mà không cần sử dụng bàn phím của máy tính.
Mức này có thêm máy thực hành gia công CNC bổ xung vào mức 2, theo hai phương án như sau: Đĩa cài đặt CAD/CAM - CNC
Khoá cứng CAD/CAM - CNC
Máy tính + bàn phím + chuột Đĩa cài đặt
Khoá cứng CAD/CAM - CNC
Máy tính + bàn phím + chuột
Bàn phím CNC (Desktop - Tutor)
Mức này kết hợp giữa mức 1 và mức 2, cho phép bàn phím CNC lập trình và điều khiển gia công CNC với các hệ thống khác nhau như FANUC và HEIDENHAIN.
SIEMENS đã thay đổi tấm phím ấn để phù hợp với từng hệ thống, giúp thiết kế chi tiết gia công dễ dàng hơn Với cách này, người dùng có thể lập trình gia công CNC thông qua bàn phím máy tính, bằng cả phương pháp thủ công lẫn tự động Sau đó, chương trình gia công CNC có thể được mô phỏng trên màn hình máy tính để kiểm tra trước khi thực hiện.
Mức 5 gồm mức 4 có bổ xung thêm một máy thực hành gia công CNC và có khả năng như sau: thiết kế chi tiết gia công rồi lập trình gia công CNC trên máy tính (thủ công hoặc tự động), hoặc lập trình thủ công với bàn phím CNC, sau đó chạy mô phỏng chương Đĩa cài đặt + khoá cứng
CAD/CAM – CNC để thiết kế, lập trình CNC Đĩa cài đặt CAD/CAM–CNC để thiết kế, lập trình CNC
Máy thực hành gia công CNC có bàn phím và màn hình CNC (FANUC)
Chi tiết gia công CNC
Máy tính PC + Bàn phím CNC (FANUC)
Máy thực hành gia công
Chi tiết gia công CNC
Trong quá trình gia công CNC, 11 trình gia công đã được hiển thị trên màn hình máy tính Cuối cùng, chương trình gia công sẽ được thực hiện trên máy CNC thực hành để cắt phôi và tạo ra các chi tiết theo thiết kế và lập trình đã được xác định.
Mức này dựa trên sự phát triển tiêu chuẩn của phần mềm công nghiệp CAD/CAM, sử dụng các module CAD để thiết kế chi tiết gia công trên máy tính Dữ liệu CAD sau đó được nạp vào các module CAM để tạo lập chương trình gia công CNC, rồi được truyền trực tiếp tới máy gia công CNC.
Giao diện CAD/CAM 11 1.1.6 Giới thiệu một số phần mềm CAD/CAM đang được sử dụng hiện nay, ưu nhược điểm của các phần mềm 17 1.1.7 Tình hình ứng dụng công nghệ CAD/CAM – CNC tại Việt Nam 20 1.2 Phương pháp chế tạo các sản phẩm cơ khí ứng dụng công nghệ CAD/CAM - CNC 22 1.2.1 Quá trình thiết kế ứng dụng công nghệ CAD/CAM - CNC
Để đảm bảo tính tương thích và linh hoạt của các hệ CAD/CAM, cần có giải pháp chuyển tiếp giữa các phân hệ trong mỗi hệ và giữa các hệ CAD/CAM kết nối thông qua giao diện Việc sử dụng đĩa cài đặt và khóa cứng là cần thiết để duy trì sự liên thông này.
Máy tính PC + bàn phím máy tính + chuột + bàn phím CNC
Hệ dao cụ CNC Máy thực hành gia công
Máy thực hành gia công CNC Đĩa cài đặt + khoá cứng CAD/CAM – CNC như các mức trên
Giao diện xét theo hai phần là phần cứng và phần mềm có các chức năng sau đây:
Giao diện nối tiếp với các thiết bị dữ liệu bên ngoài
Giao diện với người vận hành
Giao diện dữ liệu là chức năng cho phép trao đổi và chuyển đổi dạng dữ liệu giữa các hệ CAD/CAM khác nhau Khi tích hợp hai hệ thống CAD/CAM, việc chuyển đổi này rất quan trọng do mỗi hệ thống có cấu trúc dữ liệu riêng biệt liên quan đến các đối tượng như chi tiết và sản phẩm.
Chuyển giao dữ liệu có nghĩa là dịch dữ liệu theo hai cách như sau:
Dịch gián tiếp thông qua quy cách trung gian tiêu chuẩn như IGES, DXF, STEP, PDES…
Các thành phần của CIM nhằm tạo lập mối quan hệ tích hợp giữa các hệ thống máy tính khác nhau trong nội bộ Điều này bắt đầu từ việc trao đổi dữ liệu qua các chương trình chuyển đổi cho đến việc xây dựng ngân hàng dữ liệu sản phẩm chung Đối với việc dịch trực tiếp, cần có hai bộ dịch cho mỗi cặp hệ thống giao tiếp, dẫn đến số lượng bộ dịch tăng theo công thức n(n - 1) Ví dụ, với 10 hệ thống, sẽ cần 90 bộ dịch để chuyển giao dữ liệu Khi thêm một hệ thống mới, sẽ cần thêm 2n bộ dịch Trong khi đó, cách dịch gián tiếp sử dụng tệp trung gian có cấu trúc cơ sở dữ liệu độc lập, như IGES, DXF, STEP, cho phép chuyển giao dữ liệu giữa các hệ thống khác nhau Tuy nhiên, mỗi hệ thống vẫn cần một bộ xử lý riêng để chuyển đổi dữ liệu sang định dạng tệp trung gian và ngược lại.
Bộ dịch có vai trò quan trọng trong việc chuyển giao dữ liệu giữa các hệ thống khác nhau Cụ thể, bộ tiền xử lý (pre-processor) chuyển đổi dữ liệu từ quy cách cơ sở dữ liệu gốc thành một quy cách trung gian, trong khi bộ hậu xử lý (post-processor) thực hiện ngược lại, đưa dữ liệu từ quy cách trung gian về quy cách cơ sở dữ liệu của hệ thống đích Để kết nối n hệ thống, cần có 2n bộ xử lý, và khi thêm một hệ thống mới, chỉ cần bổ sung thêm hai bộ xử lý nữa.
Hình 1.9 Hệ chuyển giao dữ liệu gián tiếp thông qua tệp trung gian
Hiện nay, việc trao đổi thông tin giữa các phòng kỹ thuật chủ yếu được thực hiện thông qua chuyển giao các bản vẽ kỹ thuật theo quy chuẩn Để nâng cao hiệu quả, cần áp dụng giải pháp sử dụng máy tính trong nội bộ để mô tả các sản phẩm kỹ thuật Mục tiêu là phát triển khả năng trao đổi các mô hình hỗ trợ máy tính giữa các hệ thống CAD và các hệ thống liên quan như CAM, CAE, nhằm tối ưu hóa quy trình làm việc.
Việc triển khai ứng dụng các mô hình kỹ thuật đối với các quá trình nối tiếp sau hệ CAD có những ưu điểm là:
Tránh được công việc trùng lặp nhờ khâu nạp dữ liệu
Loại trừ nguồn gốc phát sinh sai số
Sử dụng nhiều lần dữ liệu
Tăng tốc trao đổi dữ liệu
Tích hợp hoá các thành phần có ứng dụng máy tính
Trong quá trình chuyển giao dữ liệu giữa hai hệ thống CAD/CAM, việc trao đổi dữ liệu chỉ có thể thực hiện qua các định dạng trung gian Các giao diện VDAFS và IGES hiện nay là những công cụ quan trọng nhất cho việc trao đổi dữ liệu kỹ thuật và bản vẽ CAD trong ngành cơ khí Thông tin về dữ liệu sản phẩm được tổ chức thành nhiều giao diện khác nhau để phục vụ cho mục đích này.
Bộ tiền xử lý pre-processor
Cơ sở dữ liệu gốc
Tệp trung gian tiêu chuẩn
Bộ hậu xử lý post-processor
Cơ sở dữ liệu riêng (B)
Các giao diện tiêu chuẩn hóa theo quốc gia được cung cấp bởi các hãng CAD/CAM thông qua các chương trình chuyển đổi dữ liệu Các hãng này cung cấp hai loại chương trình chuyển đổi cho hệ thống CAD/CAM của họ, bao gồm tiền xử lý và hậu xử lý, tương ứng với hai hệ vi xử lý khác nhau.
Hệ tiền xử lý giúp chuyển đổi dữ liệu chuyên dụng thành dạng trung gian, sau đó hệ hậu xử lý tiếp tục chuyển đổi dạng này thành định dạng phù hợp với hệ thống nhập vào Mô hình truyền dẫn dữ liệu giữa các hệ CAD/CAM được thể hiện qua sơ đồ minh họa.
Hình 1.10 Các giao diện dùng trong lĩnh vực cơ khí
PHICS – Programers Hierarchical Graphic System GKS-3D – Graphic Kernel System
CGI – Computer Graphics Interface CGM - Computer Graphics Metafile
IGES – Initial Graphics Exchange Specification SET – Standard Exchange Transport
VDAFS – VAD-Flachenschnitt PDES – Produce Data Exchange Specification STEP – Standard forExchange or Product Model Data
Các giao diện Đồ hoạ
CAD-NT – CAD-Normteile IRDATA – Industrial Robot Data APT – Automatically Programmed Tools CLDATA – Cutter Location Data
MAP – Manufacturing Automation Protocol TOP – Technical and Office Protocol
Hình 1 11 Quá trình truyền dẫn dữ liệu qua hai hệ CAD/CAM A và B
Để thực hiện giải pháp này, cần có sự thỏa thuận giữa các đối tác về cách cung cấp dữ liệu CAD/CAM, bao gồm hình thức diễn đạt và mô hình gốc Điều này nhằm đảm bảo tính ổn định của dữ liệu và cho phép tùy chọn tại mọi thời điểm, không phụ thuộc vào hệ thống và cấu trúc Hiện nay, dữ liệu trung gian được tạo ra theo nhiều cách khác nhau và có mức độ thông tin đa dạng.
Hệ chuyển đổi chuyên dụng 1
Bộ dịch trực tiếp từ A sang B
Dữ liệu chuyển tiếp ở dạng trung gian
Hệ chuyển đổi chuyên dụng 2
Bộ dịch trực tiếp từ B sang A
Ngoài giao diện dữ liệu trung gian, còn có giao diện trực tiếp với các hệ chuyển đổi chuyên dụng, phụ thuộc vào hệ thống, nhằm hỗ trợ quá trình trao đổi dữ liệu giữa hai hệ thống CAD/CAM.
Giao diện là khái niệm bao gồm các điều kiện, quy tắc và thoả thuận liên quan đến việc kết nối các phân hệ, chủ yếu thông qua việc trao đổi thông tin, bao gồm cả giao diện dữ liệu và giao diện cơ khí.
Khả năng hoạt động của hệ thống tự động hoá phụ thuộc vào việc đảm bảo thông tin giữa các đơn vị cấu trúc, đơn vị dữ liệu và tín hiệu Các vị trí chuyển tiếp giữa các đơn vị cần được thiết lập tương thích, được gọi là giao diện Trong thực tế, có nhiều loại giao diện như giao diện quá trình, giao diện hệ thống, giao diện nối tiếp với thiết bị dữ liệu bên ngoài và giao diện với người vận hành.
Các hệ CAD/CAM có cấu trúc dữ liệu khác nhau, do đó khi tích hợp, cần chuyển đổi dữ liệu giữa các hệ thống Điều này yêu cầu một bộ “dịch xuôi” để chuyển đổi dữ liệu từ hệ này sang hệ khác và một bộ “dịch ngược” cho quá trình ngược lại Mỗi cặp hệ CAD/CAM cần hai bộ dịch, được gọi là bộ dịch trực tiếp Hệ thống chuyển giao dữ liệu này được biết đến là hệ chuyển giao dữ liệu trực tiếp.
Có thể chuyển giao dữ liệu giữa hai hệ CAD/CAM khác nhau một cách hiệu quả hơn thông qua việc sử dụng cấu trúc cơ sở dữ liệu trung gian, gọi là tệp trung gian không phụ thuộc vào hệ CAD/CAM hiện tại hoặc tương lai Phương pháp này được gọi là chuyển giao dữ liệu gián tiếp giữa các hệ cơ sở dữ liệu khác nhau Mỗi hệ CAD/CAM cần có một cặp bộ xử lý để chuyển đổi dữ liệu thành định dạng tệp trung gian và ngược lại, từ tệp trung gian về định dạng gốc của nó Chức năng của các bộ xử lý này được phân chia rõ ràng.
Bộ dịch chuyển giao dữ liệu từ định dạng cơ sở dữ liệu gốc sang định dạng trung gian, được biết đến với tên gọi bộ tiền xử lý (preprocessor).
Quá trình gia công ứng dụng công ngệ CAD/CAM - CNC 27 1.3 Kết luận
Chương II: PHẦN MỀM UNIGRAPHICS-NX TRONG THIẾT KẾ CHI TIẾT