Nghiên cứu ứng dụng phần mềm catia trong thiết kế và lập trình gia công trục vít trên máy tiện cnc

- Chương 3: Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế và lập trình gia công trục vít êtô - Chương 4: Kiểm tra chương trình gia công trục vít êtô trên máy tiện CNC Có thể nói trong hàng

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

-

PHẠM BÁ DƯƠNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ VÀ

LẬP TRÌNH GIA CÔNG TRỤC VÍT TRÊN MÁY TIỆN CNC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS TRẦN THẾ LỤC

HÀ NỘI - 2010

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

-

PHẠM BÁ DƯƠNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT

KẾ VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG TRỤC VÍT ME TRÊN MÁY

TIỆN CNC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HÀ NỘI - 2010

- 1 -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những thiết kế, mô phỏng, và quá trình gia công chi tiết nêu trong luận văn là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc

Hà nội, tháng 10 năm 2010

Phạm Bá Dương Đức

1.1 Tổng quan về công nghệ CAD/CAM 13

1.4.2.2 Lập trình dưới sự trợ giúp của máy tính 24

- 3 -

1.5.2 Khuôn dạng băng và mã hoá chương trình trên băng máy NC 26

1.5.2.1 Khuôn dạng băng và mã hoá chương trình trên băng 26

1.5.2.2 Cách mà các lệnh được tạo ra 26

1.6 Các phương pháp lập trình gia công chi tiết 28

1.6.2.3 Các ngôn ngữ lập trình gia công điều khiển số 30

1.6.3.3 Ưu điểm của CAD/CAM trong lập trình NC gia công chi tiết 35

1.7.1.3 Các tính năng lập trình và vận hành tiên tiến 39

1.7.3.3 Điều khiển đường (tuyến tính và phi tuyến) 42

- 4 -

2.1 Tổng quan về các phần mềnCAD/CAM hiện đại 52

2.1.3.2 Truyền thông tiêu chuẩn- dịch gián tiếp 58

2.2 Giới thiệu phần mềm tích hợp CAD/CAM/CAFCATIA 62

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ

VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG TRỤC VÍT ÊTÔ

68

3.2 Lập trình gia công chi tiết trục vít êtô trên phần mềm Catia 78

- 5 -

3.2.1 Chuyển phần thiết kế chi tiết trong môi trường past Design (gồm cả

past và stock) sang môi trường gia công

78

3.2.2 Chọn máy gia công, hệ tọa độ, phôi, chi tiết 80

CHƯƠNG IV: KIỂM TRA CHƯƠNG TRÌNH GIA CÔNG TRỤC VÍT

ÊTÔ TRÊN MÁY TIỆN CNC

4.2 Các bước gia công

4.3 Kết quả kiểm tra

- 6 -

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CNC Computer Numerical Control

CAD Computer Aided Design

CAM Computer Aided Manufacturing

CIM Computer Intergrated Manufacturing

CAE Computer Aided Engineering

MCU Machine Control Unit

PTP Point to Point

PPR Process Product Resources

MDI Manual Data Input

DNC Direct Numerical Control

PDES Product Data Exchange Specification

IGES Initial Graphics Exchange

DXF Data Xtrange Format

DPU Data Processing Unit

CLU Control Loop Unit

- 7 -

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

2 Hình 1.2 Sơ đồ chu kỳ sản xuất khi dùng CAD/CAM 16

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

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

5 Hình 1.5 Mô phỏng quá trình chuyển động của dụng cụ cắt 35

11 Hình 1.11 Hệ tọa độ trên các máy CNC và chuyển động các trục 45

12 Hình 1.12 Hệ tọa độ trên máy tiện với bàn dao sau và có bố trí

15 Hình 1.15 Các điểm gốc và điểm chuẩn trên máy thẳng đứng 47

16 Hình 1.16 Chọn điểm gốc của chi tiết và điểm gốc của chương

trình khi khoan các lỗ phân bố trên đường tròn 48

- 8 -

23 Hình 3.5 Chọn mặt phẳng thiết kế chi tiết trục vít êtô 71

27 Hình 3.9 Cây trạng thái thiết kế chi tiết trục vít êtô 74

33 Hình 3.15 Chuyển phần thiết kế chi tiết từ môi trường part

36 Hình 3.18 Màn hình giao diện môi trường tiện chi tiêt trục vít

39 Hình 3.21 Chọn hệ truc tọa độ chi tiết gia công 82

40 Hình 3.22 Chọn hệ truc tọa độ chi tiết gia công 82

- 9 -

- 10 -

84 Hình 3.66 Hoạt động chạy mô phỏng gia công chi tiết trục vít

- 11 -

MỞ ĐẦU

Công nghệ CAD/CAM đã và đang đi sâu vào trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí, chế tạo máy như một yêu cầu tất yếu của nền sản xuất hiện đại nhằm mục đích nâng cao năng xuất lao động, giảm giá thành và tạo ra các sản phẩm đạt chất lượng cao Với những ưu điểm đó, công nghệ CAD/CAM ngày càng được ứng dụng rộng rãi và chuyên sâu trong các ngành công nghiệp trọng điểm của một quốc gia như: chế tạo ô tô, máy bay, công nghiệp đóng tầu, chế tạo khuôn mẫu, thiết kế các sản phẩm dân dụng v v

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

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

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

Là một học viên cao học Công nghệ niên khoá 2008 – 2010 trường Đại Học

Bách Khoa Hà Nội Học viên lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu và Ứng

dụng phần mềm CATIA trong thiết kế và lập trình gia công trục vít trên máy tiện CNC ” không nhằm ngoài mục đích tiếp cận, tìm hiểu cũng như ứng dụng công nghệ CAD/CAM trong gia công chế tạo các chi tiết thông qua phần mềm CATIA Luận văn được chia thành 4 chương, với nội dung các chương được thể hiện như sau:

- 12 -

- Chương 1: Tổng quan về công nghệ CAD/CAM, điều khiển số và công nghệ CNC

- Chương 2: Giới thiệu phần mềm CATIA

- Chương 3: Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế và lập trình gia công trục vít êtô

- Chương 4: Kiểm tra chương trình gia công trục vít êtô trên máy tiện CNC

Có thể nói trong hàng chục năm qua, công nghệ CAD/CAM đã thay đổi nhanh chóng và phát triển vượt bậc mà với kiến thức và khả năng hạn hẹp của một cá nhân không thể nắm bắt được hết Để có thể thực hiện được đề tài và hoàn thành trong thời gian cho phép, học viên xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo và đóng góp

nhiệt tình từ PGS.TS Trần Thế Lục cũng như đội ngũ cán bộ khoa Cơ khí - Trường

cao đẳng Công nghiệp Việt Đức đã hết sức tạo điều kiện để học viên có thể thực tập, thiết lập chương trình cũng như thực hiện chạy thử tại chương trình

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

Xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Học viên

Phạm Bá Dương Đức

- 13 -

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM, ĐIỀU KHIỂN SỐ

VÀ CÔNG NGHỆ CNC

1.1 Tổng quan về công nghệ CAD/CAM

1.1.1 Giới thiệu về CAD/CAM

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

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

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

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

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

- Kết quả của CAM là cụ thể, đó là chi tiết cơ khí Trong CAM không truyền đạt một sự biểu diễn của thực thể mà thực hiện một cách cụ thể công việc Việc chế tạo bao gồm các vấn đề liên quan đến vật thể, cắt gọt vật liệu, công suất của trang thiết bị, các điều kiện sản xuất khác nhau có giá thành nhỏ nhất, với việc tối ưu hoá

đồ gá và dụng cụ cắt nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết cơ khí

- 14 -

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- 15 -

1.1.2 Đối tượng phục vụ của CAD/CAM

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

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

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

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

và các thiết bị phụ trợ khác

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

Công việc này bao gồm:

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

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

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

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

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

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

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

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

- 16 -

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

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

Hình 1.1: Sơ đồ chu kỳ sản xuất

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

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

- 17 -

1.1.4 Chức năng của CAD

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Những ứng dụng của CAD trong ngành chế tạo máy:

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

1.1.5 Tình hình ứng dụng và phát triển công nghệ CAD/CAM tại Việt Nam

Công nghệ CAD/CAM/CNC đã trở thành xu hướng phát triển tất yếu của nền sản xuất hiện đại Điều đó không những giúp cho con người có thể sản xuất ra các sản phẩm đạt được năng xuất cao, chất lượng tốt kéo theo giá thành hạ, đồng thời

nó còn thỏa mãn được những yêu cầu khắt khe của con người về những sản phẩm chuyên dụng, phức tạp mà với công nghệ gia công cổ điển trên các máy công cụ cắt gọt trước đây không thể thực hiện được

Một đất nước phát triển phải được dựa trên nền tảng của một nền công nghiệp phát triển, với vai trò tiên phong, chủ chốt và mũi nhọn của nghành cơ khí Nhận thức được xu hướng phát triển và tầm quan trọng của công nghệ hiện đại, mà cụ thể

là ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC trong sản xuất, Đảng và nhà nước ta từ những năm 90 của thế kỷ trước đã có những hành động cụ thể nhằm tiếp cận và dần đưa công nghệ CAD/CAM/CNC vào trong sản xuất Trải qua hơn một thập niên xây dựng và phát triển, có thể nói công nghệ CAD/CAM/CNC đã dần phát triển, đi vào thực tế sản xuất mang lại hiệu quả và những lợi ích vốn có của nó Góp phần nâng cao năng xuất, tạo ra những sản phẩm chất lượng, đạt độ chính xác cao, thỏa mãn yêu cầu người sử dụng Có tác động tích cực trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, thúc đẩy cho nền công nghiệp nói chung và sản xuất cơ khí nói riêng phát triển sau một thời gian dài khó khăn bởi các nguyên nhân chủ quan

và khách quan

Các doanh nghiệp nhà nước và tư nhân cũng đã mạnh dạn đầu tư các trang thiết bị máy móc đắt tiền phục vụ sản xuất Và cũng đã có những thời điểm doanh

- 19 -

nghiệp làm dự án, nhập một loạt các trang thiết bị, máy móc hiện đại nhưng lại không hợp lý trong quá trình khai thác sản xuất dẫn đến tình trạng lãng phí lớn Nhưng ngày nay, có thể thấy được các nhà máy, xí nghiệp đã có thể trang bị được những trung tâm CAD/CAM hiện đại với số lượng máy móc và thiết bị lên tới con

số hàng chục Việc đầu tư hợp lý có hệ thống với mục đích và chiến lược rõ ràng đã mang lại nhiều hiệu quả cho doanh nghiệp Giúp cho họ ngày càng tự tin hơn trong sản xuất, tiếp thị phân phối sản phẩm và cạnh tranh với hàng ngoại nhập vốn có ưu thế cao về chất lượng, giá cả cũng như tâm lý sử dụng của khách hàng

Không tách rời với xu hướng phát triển đó, lĩnh vực CAD/CAM cũng đi vào công tác đào tào như là một nhu cầu tất yếu Các trung tâm đào tạo CAD/CAM/CNC được mở ra ngày càng nhiều nhằm đạo tạo ra đội ngũ nhân lực kỹ thuật chất lượng đáp ứng nhu cầu nghiên cứu, thiết kế và sản xuất các sản phẩm cơ khí Sự quan tâm của lớp trẻ đối với lĩnh vực mới, công nghệ cao ngày càng gia tăng Hình thành nên các nhóm diễn đàn, trao đổi, tranh luận sôi nổi về lĩnh vực CAD/CAM/CNC trong các trường đại học, cao đẳng, qua các diễn đàn trên mạng internet đã giúp cho những người chưa có kinh nghiệm như đối tượng học sinh, sinh viên có được cơ hội tìm hiểu và nắm bắt những kiến thức cơ bản, nền tảng, giúp cho những nhà chuyên môn có cơ hội được tiếp xúc, trao đổi kinh nghiệm từ đó cùng nhau hợp tác và đưa ra những hướng đi chiến lược cho việc phát triển công nghệ CAD/CAM

Các thành tựu đạt được sau hơn một thập niên xây dựng và phát triển là không thể phủ nhận Tuy nhiên cũng phải thừa nhận một điều là công nghệ CAD/CAM trong nước mới đang ở những bước đầu tiên, tiếp cận dần với trình độ phát triển mạnh mẽ của công nghệ CAD/CAM trên thế giới Trên thực tế thì lĩnh vực CAD/CAM/CNC cũng đang gặp phải những khó khăn đến từ cả những nguyên nhân chủ quan và khách quan

- 20 -

1.2 Giới thiệu điều khiển số truyền thống

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

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

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

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

NC là trong gia công cắt gọt kim loại Chi tiết cần được gia công có nhiều kích cỡ

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

1.2.2 Lịch sử phát triển điều khiển số

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

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

- 21 -

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

Ngay sau đó, các nhà thiết kế chế tạo máy công cụ bắt đầu triển khai các dự án riêng của mình tập chung cho ra đời những cỗ máy NC trên thị trường Một số ngành công nghiệp khác cũng không bỏ lỡ cơ hội nghiên cứu các máy điều khiển số nhằm đáp ứng nhu cầu riêng của ngành mình Không lực Hoa Kỳ tiếp tục hưởng ứng cho việc phát triển NC bằng cách tài trợ cho việc nghiên cứu bổ xung tại MIT

để phát triển một dạng ngôn ngữ lập trình chi tiết gia công có thể dùng để điều khiển máy NC Kết quả chính là sự ra đời của ngôn ngữ lập trình APT (Automatically Programmed Tools) vào năm 1956 Mục tiêu nghiên cứu ban đầu của APT là cung cấp một phương tiện để người lập trình vật làm có thể thông báo các lệnh cắt gọt cho máy công cụ bằng những lệnh đơn giản gần giống như ngôn ngữ tiếng Anh Cho đến bây giờ, APT vẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, và hầu hết các ngôn ngữ lập trình vật làm được dựa trên các khái niệm của APT, đồng thời các nhược điểm của nó cũng đựợc khắc phúc với sự phát triển của nghành công nghiệp máy tính hiện đại

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

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

đó

Chương trình là một tập hợp lệnh được chi tiết hóa bước nọ sang bước kia, ra lệnh cho máy biết các công việc cần thực hiện Chương trình được viết dưới dạng

- 22 -

các mã số (hoặc mã ký hiệu) trên vật mang tin để khi nhập vào bộ phận điều khiển thì bộ phận này có thể diễn dịch ra được Trước đây vật mang tin thông dụng nhất là băng đục lỗ có chiều rộng 1 inch Qua thời gian, còn ra đời một số loại vật mang tin khác, kể cả bìa có đục lỗ, thậm chí đó là phim ảnh 35 mm,…

Có hai phương pháp nhập thông tin (Input) cho hệ NC Phương pháp nhập thứ nhất là vào dữ liệu cho CU bằng thủ công, và được gọi là nhập dữ liệu thủ công (MDI – Manual Data Input) Phương pháp này chỉ thích hợp với những việc làm khá đơn giản, trong đó trình tự các thao tác không được lặp lại

Phương pháp thứ hai là thông qua đường truyền trực tiếp với máy tính, gọi là điều khiển số trực tiếp, hay DNC (Direct Numerical Control)

Chương trình trong đó chứa tất cả các lệnh do người lập trình vật làm soạn thảo Công việc của người lập trình là đưa ra một bộ lệnh tỉ mỉ để dựa vào đó mà các bước gia công được thực hiện Đối với một nguyên công cắt gọt, các bước gia công này có liên quan tới chuyển động tương đối giữa dao và vật làm

CU gồm các bộ phận điện tử và phi điện tử, có nhiệm vụ đọc và diễn giải các lệnh trong chương tình rồi chuyển đổi chúng thành các hoạt động cơ học của máy công cụ Các thành phần điển hình của một bộ phận điều khiên trong NC truyền thống gồm có đầu đọc băng, bộ đệm dữ liệu (buffer), các kênh xuất tín hiệu cho máy công cụ, các kênh phản hồi từ máy công cụ và các cơ cấu (mạch) điều khiển tuần tự để điều phối toàn bộ hoạt động của các thành phần nói trên Cũng cần lưu ý rằng ngày nay hầu hết các hệ NC hiện đại đều dùng máy vi tính để làm bộ phận điều khiển CU Loại NC này được gọi là điều khiển số bằng máy tính (CNC)

Đầu đọc băng là một thiết bị cơ điện dùng để cuộn băng có đục lỗ và đọc thông tin (chương trình) chứa trên đó Thông tin được đọc từ băng vào bộ đệm dữ liệu (buffer) Mục đích của thiết bị này là lưu trữ các lệnh đầu vào dưới dạng các khối (block) logic về thông tin Thường thì một khối thông tin thể hiện trọn vẹn một bước trong dãy các bước trong nguyên công Ví dụ, một khối có thể là dữ liệu cần cho việc di chuyển bàn máy tới một vị trí mong muốn và khoan một lỗ tại vị trí đó

- 23 -

Các kênh xuất tín hiệu được nối với các động cơ servo (động cơ có trợ động)

và các cơ cấu mạch điều khiển khác trong máy công cụ Thông qua các kênh này, các lệnh được gửi từ CU cho máy công cụ Chức năng quan trọng nhất của vòng phản hồi là để đảm bảo rằng bàn máy và vật làm được định vị đúng so với dụng cụ cắt

Các cơ cấu (mạch) điều khiển tuần tự có tác dụng điều phối toàn bộ hoạt động của các thành phần khác của CU Đầu đọc băng được kích hoạt để đọc dữ liệu từ băng từ vào buffer, các tín hiệu được gửi tới máy công cụ và từ máy công cụ gửi về, vv các loại hoạt động này cần được đồng bộ hóa và đây chính là chức năng của các mạch điều khiển

Bàn điều khiển (control panel) cũng là một thành phần của CU, mà về mặt vật

lý thì nó có thể là một bộ phận của CU hoặc của máy công cụ Bàn điều khiển chứa đĩa số hoặc núm vặn để người vận hành máy điều khiển hệ NC, đồng thời còn có thể có bộ phận hiển thị dữ liệu (màn hình) để cung cấp thông tin cho nó Mặc dù

NC là một hệ tự động, nhưng các thao tác của con người vẫn cần thiết để đóng mở máy, thay dụng cụ (một số hệ NC hiện đại có bộ thay dao tự động), gá lắp phôi liệu trên máy để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nữa

1.3.3 Máy công cụ hoặc quá trình khác được điều khiển

Đây là thành phần thứ ba trong một hệ NC Trong hầu hết các ví dụ thông thường về hệ thống NC được thiết kế để thực hiện các nguyên công cắt gọt thì máy công cụ bao gồm bàn máy và trục chính, cùng các động cơ và các cơ cấu điều khiển cần thiết để vận hành chúng Ngoài ra còn phải kể đến dụng cụ cắt, dụng cụ gá kẹp

và các thiết bị phụ trợ khác cần thiết cho nguyên công cắt gọt tương ứng

- 24 -

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

- Lập trình gia công chi tiết theo lối thủ công

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

1.4.2.1 Lập trình theo lối thủ công

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

1.4.2.2 Lập trình dưới dự trợ giúp của máy tính

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

Một băng đục lỗ được tạo ra căn cứ vào bản quy trình công nghệ (do người lập trình gia công chi tiết soạn thảo trước đó) Trong lập trình thủ công, căn cứ trực tiếp

từ bản thảo chương trình vật làm, băng được đục lỗ trên bàn phím chuyên dụng có

bộ phận đục lỗ trên băng Còn trong lập trình do máy tính trợ giúp thì máy tính tự diễn dịch danh sách sang các lệnh trong chương trình, thực hiện các phép tính toán cần thiết để chuyển đổi các lệnh đó thành các lệnh di chuyển máy công cụ rồi điều khiển thiết bị đục lỗ tạo ra các lỗ đục trên băng Đó là công việc chuẩn bị băng để đưa vào máy NC

Bước cuối cùng trong quy trình NC là sử dụng băng NC vào sản xuất Việc sản xuất lại liên quan đến vấn đề cung ứng phôi, chọn và chuẩn bị dụng cụ cắt và dụng cụ gá kẹp, các công việc chuẩn bị máy NC để gia công (chọn chế độ cắt, làm nguội…) nhiệm vụ của người vận hành máy công cụ trong qúa trình sản xuất là gá phôi lên máy và thiết lập vị trí xuất phát của dao cắt so với vật làm Đến đây hệ NC tiếp quản công việc và gia công vật làm theo các chỉ lệnh có trên băng ghi Khi vật làm được cắt gọt xong, người vận hành máy đưa nó ra khỏi máy rồi gá phôi mới lên máy

1.5 Lập trình gia công cho máy NC

Lập trình gia công cho máy điều khiển số là một thủ tục (hay quy trình ) mà qua đó trình tự các bước gia công trên máy NC sẽ được thiết kế ra và lập thành tư liệu theo một quy cách riêng Nó bao hàm cả việc chuẩn bị băng (băng có đục lỗ hoặc băng từ hay môi trường chứa tin nào đó) dùng để truyền các lệnh gia công cho máy công cụ Như đã nói ở trên, có hai phương pháp để để lập trình gia công, đó là lập trình bằng tay và lập trình dưới sự trợ giúp của máy tính Ta sẽ đi sâu vào vấn đề này để có thể hiểu rõ hơn

Chương trình gia công chi tiết được biến đổi thành dãy các hoạt động của máy công cụ, nhờ vật lưu trữ thông tin đầu vào (ở đây là băng đục lỗ chứa chương trình)

và nhờ bộ phận điều khiển (CU) diễn dịch các thông tin đó CU và vật chứa tin đầu vào phải tương thích với nhau, tức là những gì chứa trên vật trữ tin phải cho phép

- 26 -

CU đọc được Đối với máy NC truyền thông, băng đục lỗ để trữ thông tin đầu vào

là thông dụng nhất Băng được tiêu chuẩn hóa sao cho máy đục lỗ lên băng được chế tạo theo một tiêu chuẩn thống nhất, còn đầu đọc băng là một bộ phận của CU, cũng được cấu tạo thống nhất để có thể đọc đươc mọi thông tin trên băng Băng dùng cho máy NC có chiều rộng là 1 inch, theo tiêu chuẩn của EIA (Hiệp hội công nghiệp điện tử) là tổ chức đảm nhận nhiều tiêu chuẩn quan trọng trong công nghiệp

1.5.1.2 Phương pháp thứ hai

Gắn liền với cách lập trình có máy tính trợ giúp: với cách tiếp cận này, máy tính sẽ trực tiếp điều khiển thiết bị đục để đục lỗ trên băng, không căng góc tay như

ở phương pháp thư nhất

1.5.2 Khuôn dạng băng và mã hóa chương trình trên băng máy NC

1.5 2.1 Khuôn dạng băng và mã hóa chương trình trên băng

Trở lại ví dụ trên, chúng ta thấy rằng có tám cột lỗ bình thường, chạy dọc theo chiều dài của băng Ngoài ra còn một cột lỗ đặc biệt nằm giữa cột thứ ba và thứ tư của tám cột lỗ kia Cột đặc biệt này có lỗ nhỏ hơn, răng bánh xích sẽ mò vào đó để kéo băng

1.5.2.2 Cách mà các lệnh được tạo ra

Một số nhị phân được gọi là byte Mỗi byte có giá trị 1 hay 0, tùy thuộc vào việc có hay không một lỗ ở một vị trí trên hàng và cột cụthể nào đó của băng (hàng theo chiều ngang, cột theo chiều dọc) cứ một hàng là một ký tự (Đó có thể là chữ cái, chữ số hoặc ký hiệu) được tạo ra Như vậy một ký tự là một tổ hợp các byte trên mỗi hàng Nhiều ký tự sẽ tạo thành một từ, nhiều từ sẽ tạo nên một lệnh Các từ

1.5.2.3 Các từ của NC

Sau đây là danh sách các từ mà khi tạo thành một block cần đến Tuy nhiên không phải mọi máy đều dùng tất cả các từ này Mặt khác, cách diễn đạt của mỗi từ cũng khác nhau tùy theo từng máy Để thuận tiện, các từ trong một block được cho theo thứ tự sau đây:

- Số thứ tự - Sequence number (các từ N): được dùng để nhận biết block

- Từ chuẩn bị - Prepratory word (các từ G): được dùng để sự báo cho CU chuẩn bị xử lý các lệnh sẽ đọc vào Chẳng hạn như G02 để sự báo cho CU chuẩn bị nội suy đường tròn cho một cung tròn, theo chiều kim đồng hồ Cần đến từ chuẩn bị

để CU diễn dịch một cách đúng đắn dữ liệu đứng sau từ đó

- Các tọa độ - Cordinates (các từ khóa X,Y,Z) : Các từ này đưa ra tọa độ của dao cắt Trong hệ hai trục thì chỉ có hai trong ba từ trên

- Lượng chạy dao – Feed rate (từ khóa F): được dùng để xác định lượng chạy dao trong nguyên công cắt gọt Đơn vị là inch/phút hoặc mm/phút

- Tốc độ cắt – Cutting speed (từ khóa S): để xác định tốc độ cắt, hay tốc độ quay của trục chính, tính theo đơn vị vòng/phút

- Chọn dao – Tool selection (từ khóa T): chỉ phải dùng đến từ này với máy có

ụ dao chứa nhiều dao hoặc có giá thay dao tự động Từ khóa T cho biết dao cắt nào

sẽ được dùng cho nghuyên công cắt gọt

- Chức năng phụ - Miscellaneous funtion (từ khóa M): để xác định các chức năng phụ mà máy công cụ có Đương nhiên máy công cụ phải có chức năng được gọi đến này Ví dụ từ M03 để khởi động quay trục chính Chức năng phụ là từ đặt ở cuối block Để đánh dấu kết thúc một câu lệnh, ký hiệu EOB được đục trên băng

- 28 -

1.6 Các phương pháp lập trình gia công chi tiết

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

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

- Lập trình điểm tới điểm (P – T - P)

- Lập trình theo đường bao vòng

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

1.6.2.1 Nhiệm vụ của người lập trình

Công việc của người lập trình gồm có:

- Xác định hình học của vật làm

- Xác định trình tự các nguyên công và đường đi của dụng cụ cắt

Dù hình dạng của vật làm có phức tạp đến đâu thì cũng có thể coi là do nhiều yếu tố đơn giản hợp thành Và như vậy hầu như tất cả những chi tiết mà con người

có thể nghĩ ra được cũng đều có thể diễn tả được bởi các phần tử hình học, như điểm, đường, mặt, khối cùng những mặt có thể mô tả được bằng các phương trình toán học Nhiệm vụ của lập trình là liệt kê ra những yếu tố hình học tạo nên hình dạng vật làm, ngoài ra còn phải xác định kích thước và vị trí tương đối của chúng Sau khi xác định các yếu tố hình học của vật làm, công việc tiếp theo của người lập trình là phải xây dựng quy trình công nghệ để có thể gia công chi tiết

1.6.2.2 Nhiệm vụ của máy tính

Máy tính có bốn nhiệm vụ, đồng thời cũng là bốn bước phải được thực hiện theo trình tự sau:

- Dịch thông tin đầu vào

Bộ phận tính toán số học của máy tính gồm có một bộ chương trình (chương trình con) sẽ có nhiệm vụ giải những bài toán cần thiết nhằm tạo bề mặt mong muốn Bộ phận số học thực sự là thành phần quan trọng nhất Nó giúp người lập trình thoát khỏi những phép tính hình học và lượng giác tốn phí nhiều công sức để tập trung thời gian vào vấn để gia công chi tiết

Xác định đường đi của dao cắt là nhiệm vụ thứ hai của người lập trình Tuy nhiên đường đi thực tế của dao khác với đường viền của vật làm một khoảng bán kính dao, vì đường đi đó được xác định bởi quỹ đạo của tâm dao còn đường viền chi tiết gia công được tạo ra bởi mặt ngoài của dao khi dao di chuyển Ta gọi khoảng cách giữa đường đi của dao so với đường viền của chi tiết gia công là lượng

bù dao Mục đích tính toán lượng bù dao là nhằm bù cho đường đi một lượng bằng

- 30 -

bán kính dao để tạo ra đường viền của vật làm Điều đó có nghĩa là người lập trình

có thể xác định người làm có thể xác định chính xác đường viền gia công chi tiết trong các lệnh hình học Việc tính toán lượng bù đã có thường trình trong máy tính đảm nhiệm, nhờ đó người lập trình không cần phải quan tâm

Hậu xử lý là một chương trình máy tính riêng biệt, được viết để chuẩn bị băng cho một máy công cụ riêng biệt Đầu vào (Input) của chương trình hậu xử lý là đầu

ra của dãy các vị trí dao cắt và các lệnh khác Đầu ra (Output) của chương trình hậu

xử lý là băng NC được viết theo một khuôn dạng băng đúng cho máy công cụ mà băng đó phục vụ

1.6.2.3 Các ngôn ngữ lập trình gia công điều khiển số

Một số ngôn ngữ lập trình gia công NC gồm có một gói phần mềm (chương trình máy tính) cộng với các quy tắc, các quy ước riêng dùng cho gói phần mềm đó Mục đích của chúng nhằm tạo thuận lợi cho người lập trình thông báo với máy tính những thông tin cần thiết về hình học của chi tiết gia công và các chuyển động của dao sao cho chương trình gia công được tạo ra Các từ vựng là những ký hiệu quy ước và giống với tiếng Anh để gói phần mềm dễ sử dụng

Dưới đây là danh sách và đặc điểm một số ngôn ngữ thông dụng hiện nay:

- APT (Automatically Programmed Tools) là sản phẩm của công trình nghiên cứu triển khai của MIT về các hệ lập trình

- ADAPT (Adaption of APT: bản điều chỉnh của APT) là một số ngôn ngữ lập trình gia công NC dựa trên cơ sở ngôn ngữ APT, trong số đó có ADAPT do IBM triển khai theo hợp đồng ký với không lực Hoa Kỳ

- EXAPT (Extended subset of APT : tập con mở rộng của APT) được thiết kế vào khoảng năm 1964 tại CHLB Đức, trên cở sở APT

- NELAPT (Nation Engineering labaratory of APT) ra đời tại Anh, là một tập con của APT nhưng có những đặc điểm tiến bộ mà APT không có, đặc biệt thích hợp cho công việc chế tạo khuôn

- 31 -

- UNIAPT (United Computing Corp of Carson, California) phiên bản ở mức

độ hạn chế của APT nhưng chạy được trên máy tính, phù hợp với khả năng của các

xí nghiệp vừa và nhỏ vào nửa sau thế kỷ 20

- SPLIT (Sundstrand Processing Language Internally Translated) là hệ ngôn ngữ dành riêng cho các máy công cụ hiệu “Sundstrand” Nó có thể điều khiển tới 5 trục trong các thao tác định vị (khoan lỗ và phay thẳng), kể cả khả năng điều khiển cắt bao vòng

- COMPACT II Với nhiều đặc điểm giống như SPLIT, hiện có ở MDSI (Manufacturing Data System, Inc), một hãng có trụ sở tại Ann Arbor, Michigan MDSI cho khách hàng thuê COMPACT II trên mạng theo chế độ chia sẻ thời gian Người lập trình vật làm (khách hàng) truyền chương trình qua máy tính của mình tới một trong những máy MDSI để có được băng NC

- PROM là ngôn ngữ lập trình vật làm theo lối tương tác, do Weber N/C System, Inc., một hãng thuộc Milwaukee, Winsconsin Nó được thiết kế để dùng cho nhiều loại máy công cụ khác nhau, trong đó có máy tiện, tổ hợp (center) cắt gọt, máy cắt bằng ngọn lửa và máy đột dập

- CINTURN II là ngôn ngữ bậc cao do Cicinati Milacron thiết kế để tạo thuận tiện cho lập trình các nguyên công tiện

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

về tích hợp giữa CAD và CAM Trình tự của thủ tục lập trình được tiến hành trên terminal đồ họa (có thể coi là một máy vi tính) của hệ thống CAD/CAM Từ dữ liệu hình học mô tả chi tiết do quá trình CAD tạo ra, người lập trình sẽ dựa vào đó để xây dựng đường đi của dụng cụ cắt Trong hầu hết các phần mềm tích hợp CAD/CAM ngày nay, thì đường đi đó được tự động tạo ra Kết qua thu được là một chương trình APT hoặc một tệp CLFILE thực (Cutter location File: tệp vị trí dao cắt) mà dựa vào đó, có thể tiến hành các bước tiếp theo để tạo băng đục lỗ phục vụ cho quá trình gia công chi tiết

- 32 -

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

1.6 3.1 Các bước khởi đầu của thủ tục

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

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

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

- 33 -

Hệ CAD/CAM không những có ưu điểm là dễ xác định hình học của chi tiết phục vụ cho quá trình xây dựng các lệnh hình học của ngôn ngữ APT, mà còn có nhiều thuận lợi khác cho người lập trình NC Việc hiển thị mô hình chi tiết trên màn hình theo các góc quay, các tỷ lệ thu phóng và các mặt cắt khác nhau để kiểm tra những phần nghi ngờ trong quá trình gia công cắt gọt Khả năng điều khiển hình ảnh của vật làm trên màn hình như vậy sẽ giúp cho người lập trình hiển thị hóa bàn thiết kế của vật làm và nhờ đó có thể xem xét một cách trực quan, cụ thể và rõ ràng hơn

1.6.3.2 Tạo đường sinh của dụng cụ

Khi thực hiện đến bước này, người lập trình đã có một mô hình hình học của vật làm cùng các dụng cụ cắt cần thiết để gia công cắt gọt Bước tiếp theo sẽ là xây dựng đường đi của dao cắt Khi sử dụng đồ họa tương tác, ta có được, ta có được phương pháp thực hiện nhiệm vụ đó tùy theo từng loại nguyên công (phay cạnh, tiện, đột, dập,…) và độ phức tạp của chi tiết gia công Nhiều hệ thống CAD/CAM

sử dụng cách tiếp cận tương tác kèm theo các thường trình (chương trình con) cắt gọt dùng chung được các hệ thống CAD/CAM đó thực hiện tự động, trong các thường trình tự động này có thể phay cạnh đường bao chi tiết, khoan và đột dập P –

T – P, phay ngón tạo hốc lõm, …

Cách tiếp cận tương tác cho phép người lập trình tạo nên đường đi của dụng

cụ cắt theo lối bước nọ nối tiếp bước kia và có thể theo dõi trên màn hình để có thể kiểm tra bằng mắt Thủ tục bắt đầu bằng việc xác định vị trí xuất phát của dao cắt Sau đó người lập trình ra lệnh cho dao cắt di chuyển dọc theo các bề mặt hình học

đã xác định của chi tiết gia công Khi hình ảnh của dụng cụ cắt đang chuyển động trên màn hình máy tính, các lệnh chuyển động của ngôn ngữ APT tương ứng được

hệ CAD/CAM tự động sắp sẵn ra Phương cách tương tác còn tạo cơ hội cho sử dụng chèn vào các lệnh hậu xử lý tại những thời điểm thích hợp trong quá trình tạo chương trình Các lệnh hậu xử lý gồm các lệnh máy công cụ như tốc độ cắt, lượng

ăn dao và điều khiển nước làm nguội

- 34 -

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

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

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

chức năng CAM

Đồ họa rất có lợi cho người dùng khi tạo đường sinh của dụng cụ thông qua hệ CAD/CAM Ta có thể hiển thị hóa quá trình cắt gọt chi tiết thông qua việc mô phỏng quá trình chuyển động của dụng cụ cắt trên màn hình đồ họa Các phần mềm

đồ họa CAD/CAM cung cấp cho người thiết kế công cụ mô phỏng với các tùy biến khác nhau như: chuyển động dụng cụ với vận tốc lớn nhằm giảm thời gian thẩm tra đường đi của dao, cho dụng cụ chuyển động với tốc độ thực để thấy được lượng chạy dao ứng với tốc độ cắt đã cho, hoặc dùng chuyển động của dao để kiểm tra một cách kỹ lưỡng hơn hay cho dao chạy theo từng bước một để có thể thấy được đường đi của dao theo từng bước một…vv

- 35 -

Hình 1.5: Mô phỏng quá trình chuyển động của dụng cụ cắt

1.6 3.3 Ưu điểm của CAD/CAM trong lập trình NC gia công chi tiết

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

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

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

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

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

- 36 -

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

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

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

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

mà không cần có sự can thiệp của con người

1.7 Điều khiển số hiện đại bằng máy tính

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

bộ, các chi tiết tạo ra càng đa dạng và phức tạp về kết cấu cũng như công nghệ Nếu như không có sự tham gia của máy tính trong quá trình điều khiển số thì chắc chắn con người không thể thiết kế và gia công ra các sản phẩm đó Không còn nghi ngờ

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

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

- Điều khiển số bằng máy tính (CNC)

- Điều khiển số trực tiếp (DNC)

Với CNC, bộ điều khiển CU kiểu kết nối cứng trong NC truyền thống đã được thay thế bằng một máy tính nhỏ (trước đây là máy tính vừa, hiện nay là máy vi

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

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

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

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

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

- Băng đục lỗ: băng giấy tuy rẻ nhưng có nhược điểm quá mỏng, dễ mòn hay rách nên khó có thể dùng lại nhiều lần ở phân xưởng mà vẫn đảm bảo tin cậy Vì vậy nó dần được thay thế bằng các vật liệu bền hơn và đắt hơn

- Đầu đọc băng là bộ phận ít tin cậy nhất trong máy và do vậy, khi có trục trặc máy NC, thợ sửa chữa thường đi tìm những nguyên nhân bắt nguồn từ bộ phận này

- Bộ phận điều khiển CU: trong NC truyền thống, bộ phận điều khiển CU được nối cứng, do đó chức năng điều khiển của nó khó thay đổi, trong khi nếu thay thế bằng máy tính thì sẽ linh hoạt hơn nhiều, khi đó chỉ cần thay đổi chương trình là

có thể thực hiện được điều đó

- 38 -

- Thông tin để quản lý: NC truyền thống không thể cung cấp thông tin kịp thời

về hiệu quả vận hành để phục vụ cho công tác quản lý, đó là những thông tin đến quá trình gia công chi tiết, các sự cố máy, thay dụng cụ cắt…vv

1.7.1 Các chức năng của CNC

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

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

- Điều khiển máy công cụ

- Bù sai số khi đang gia công

- Các tính năng lập trình và vận hành tân tiến

- Chuẩn sai

1.7.1.1 Điều khiển máy công cụ

Chức năng hàng đầu của một hệ CNC là điều khiển máy công cụ Nó thực hiện chuyển đổi các lệnh của chương trình gia công chi tiết thành các chuyển động của máy công cụ thông qua giao diện máy tính và hệ trợ động (servo system) Ưu điểm của CNC là có thể kết hợp một cách dễ dàng nhiều đặc tính điều khiển khác nhau vào trong cùng một bộ điều khiển kết nối mềm Một số chức năng điều khiển như nội suy đường tròn chẳng hạn, thực ra các mạch kết nối cứng thực hiện có hiệu quả hơn so với máy tính, vì vậy dẫn đến hai kiểu bộ điều khiển thay thế nhau trong CNC, đó là:

- CNC lai ghép

- CNC không lai ghép

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

Với hệ CNC không lai ghép, sử dụng một máy tính để thực hiện tất cả mọi chức năng Hệ này chỉ cần đến những phần tử kết nối cứng nào phục vụ cho việc giao