Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CADCAM CNC vào việc thiết kế và gia công răng của bánh răng trụ

NGUY
ỄN

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

NGUYỄN DŨNG THẠCH

KỸ
THUẬ

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAM- CNC vào việc
thiết kế và gia công răng của bánh răng trụ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHẾ TẠO MÁY

2014
Phần gáy bìa

Hà Nội – 2014


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

NGUYỄN DŨNG THẠCH

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAM- CNC vào việc thiết kế
và gia công răng của bánh răng trụ
Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ khí
Mã số : 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. TRƯƠNG HOÀNH SƠN

Hà Nội – 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi
rõ trong luận văn.

Tác giả

Nguyễn Dũng Thạch


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TRONG VÀ
NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU........................................8
Tổng quan về các nghiên cứu......................................................................................8
Tổng quan về CNC..................................................................................................8
Tổng quan về CAD/CAM......................................................................................11

Giới hạn nghiên cứu của đề tài..................................................................................17
Kết luận chương I......................................................................................................17
CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC TRONG VIỆC GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT
PHỨC TẠP..................................................................................................18
Thế nào là bề mặt phức tạp........................................................................................18
Quá trình thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp theo công nghệ truyền thống....19
Quá trình thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp có sử dụng các phần mềm
CAD/CAM/CNC.......................................................................................................20
Phần mềm Mastercam................................................................................................21
Giới thiệu chung....................................................................................................21
Kết luận chương II.....................................................................................................27
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MASTERCAM ĐỂ XÂY DỰNG VÀ LÀM CHƯƠNG
TRÌNH GIA CÔNG RĂNG BÁNH RĂNG TRỤ.....................................29
Giới thiệu tổng quan về sản phẩm nghiên cứu..........................................................30
Phân tích công nghệ sản xuất và lấy mẫu dựng hình chi tiết.....................................32
Các bước dựng chi tiết bánh răng..............................................................................32
Làm các chương trình gia công chi tiết trên phầm mềm Mastercam.........................34
Chương trình gia công tiện thô , tiện tinh và cắt đứt.............................................34
Tiến hành làm các chương trình gia công bề mặt chi tiết......................................37
Chương trình gia công khỏa mặt đầu ................................................................37
Chương trình gia công thô với dao tiện thô.......................................................39
Chương trình gia công tinh với dao tiện tinh.....................................................41
Chạy kiểm tra toàn bộ quá trình và tạo file CNC..................................................44
KẾT QUẢ GIA CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHUNG VỀ SẢN PHẨM......54


Gia công sản phẩm trên máy CNC............................................................................54
Máy gia công.........................................................................................................54
...............................................................................................................................55
Một số thông số chính về công nghệ và dao cụ.....................................................55

Sản phẩm................................................................................................................56
Kiểm tra sản phẩm sau khi gia công để đánh giá độ chính xác cũng như chất lượng
bề mặt của chi tiết sau khi gia công...........................................................................57
Đo độ nhám của bề mặt sản phẩm.........................................................................57
Kiểm tra độ chính xác của sản phẩm.....................................................................60
Các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác gia công trên máy CNC..........60


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc
đẩy các ngành công nghiệp sản xuất tự động phát triển theo. Trong lĩnh vực cơ khí chế
tạo, sự ra đời của máy công cụ điều khiển bằng chương trình số với sự trợ giúp của máy
tính, gọi tắt là máy CNC, đã đưa ngành cơ khí chế tạo sang một thời kỳ mới, thời kỳ sản
xuất hiện đại.
Hầu hết các nhà máy, xí nghiệp, các khu công nghiệp ở nước ta hiện nay ít nhiều đều
được bố trí các máy công cụ CNC để phục vụ sản xuất, bao gồm các loại máy Phay, Tiện,
Bào, Mài, Khoan... có số trục điều khiển 2, 3, 4, 5. Nhưng các cơ sở sản xuất hầu như
chưa biết cách khai thác hết khả năng gia công trên máy. Lý do chủ yếu là trình độ lập
trình của cán bộ kỹ thuật Việt Nam còn yếu, các chương trình điều khiển máy CNC được
người lập trình viết bằng tay, chưa biết sử dụng các phần mềm hỗ trợ để lập trình. Trong
khi đó nhu cầu chế tạo các sản phẩm có hình dáng hình học phức tạp ngày càng gia tăng,
đặc biệt trong một số lĩnh vực như ngành da giầy, ngành dệt, sản xuất hàng tiêu dùng, chế
tạo khuôn mẫu...
Vì vậy, ứng dụng công nghệ CAD/CAM phục vụ cho máy công cụ CNC là vấn đề
được nhiều người quan tâm, bởi công nghệ này không chỉ phục vụ trong sản xuất hiện đại,
mà còn góp phần nâng cao năng suất chế tạo sản phẩm gia công cơ khí. Chất lượng của
một sản phẩm gia công cơ khí không chỉ là vấn đề về độ bền, độ bóng bề mặt, mà còn bao
hàm cả độ chính xác về vị trí tương quan, độ chính xác hình dáng hình học của chi tiết gia
công, thời gian, giá thành gia công chi tiết... Để chế tạo được những sản phẩm cơ khí có
đủ những tính năng như vậy thì các trung tâm gia công CNC nhiều trục luôn là lựa chọn

hiệu quả, nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm thời gian gia công.
Qua những phân tích trên ta thấy được việc nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm
CAD/CAM vào việc xây dựng và lập chương trình gia công cho các bề mặt phức tạp trên
máy công cụ CNC là điều rất cần thiết.
Với định hướng như vậy tôi đã chọn thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung
“Nghiên cứu ứng dụng công nghệ CAD/CAM- CNC vào việc thiết kế và gia công răng của
bánh răng trụ”. Nội dung của luận văn gồm:


-

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu liên quan đến đề tài trong và ngoài nước và
giới hạn nghiên cứu.

-

Chương 2: Công nghệ CAD/CAM/CNC trong việc gia công các bề mặt phức tạp.

-

Chương 3: Ứng dụng phần mềm Mastercam để xây dựng và làm chương trình gia
công một số bề mặt phức tạp.

-

Chương 4: Kết quả gia công và đánh giá chung về sản phẩm.


TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI TRONG VÀ
NGOÀI NƯỚC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

Tổng quan về các nghiên cứu
Tổng quan về CNC
Mặc dù máy tiện chế biến gỗ đã được sử dụng từ rất lâu nhưng chiếc máy tiện gia công
kim loại thực tế đầu tiên mới được Henry Maudslay phát minh vào năm 1800. Nó chỉ đơn
giản là một công cụ máy giữ mẩu kim loại đang được gia công (hay phôi) trong một bàn kẹp
hay trục quay và quay mẩu kim loại đó, và một công cụ cắt có thể gia công bề mặt theo
đường mức mong muốn. Công cụ cắt này được nhân viên vận hành thông qua việc sử dụng
một cái tay quay hay vô lăng. Độ chính xác về kích cỡ được nhân viên vận hành điều khiển
bằng cách quan sát đĩa chia độ trên vô lăng và di chuyển công cụ cắt theo số lượng hợp lý.
Mỗi chi tiết được sản xuất ra đòi hỏi vận hành viên phải lặp lại những cử động trong cùng
trình tự và với cùng kích thước.
Chiếc máy phay đầu tiên được vận hành theo cách thức tương tự như vậy, ngoại trừ
công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay. Phôi được lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và
di chuyển theo công cụ cắt, qua việc sử dụng vô lăng để gia công đường mức của phôi. Chiếc
máy phay này do Eli Whitney phát minh năm 1818. Những chuyển động được sử dụng trong
các công cụ máy được gọi là trục và đề cập đến 3 trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y”
(trước ra sau) và “Z” (trên và dưới). Bàn làm việc cũng có thể được quay theo mặt ngang hay
dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tư. Một số máy còn có trục thứ năm, cho phép trục quay theo
một góc.
Một trong những vấn đề của dòng máy ban đầu này là chúng đòi hỏi nhân viên vận
hành phải sử dụng vô lăng để tạo ra mỗi chi tiết. Ngoài tính nhàm chán và gây mệt mỏi về thể
chất, khả năng chế tạo các chi tiết của vận hành viên cũng bị hạn chế. Chỉ một khác biệt nhỏ
trong vận hành sẽ dẫn đến những thay đổi trong kích thước và khi đó, tạo ra những chi tiết
không phù hợp. Tỉ lệ phế phẩm được tạo ra từ những hoạt động như vậy là khá cao, gây lãng
phí nguyên liệu và thời gian lao động. Khi số lượng sản xuất tăng lên thì tỉ lệ phế phẩm cũng
tăng cao, do đó điều cần thiết ở đây là một phương tiện vận hành các chuyển động của máy
một cách tự động. Những nỗ lực ban đầu để “tự động hóa” các hoạt động này là sử dụng một


loạt Cam để di chuyển dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết (linkage). Khi Cam quay,

một liên kết lần theo bề mặt của mặt Cam (cam face), di chuyển công cụ cắt hay phôi qua một
dãy các chuyển động. Mặt Cam được định hình để điều khiển khối lượng chuyển động liên
kết và tốc độ, còn Cam quay điều khiển tốc độ cấp dao. Một số máy vẫn còn tồn tại cho tới
ngày nay và được gọi là máy “Swiss” (máy kiểu Thụy Sĩ), một cái tên đồng nghĩa với gia
công chính xác.
Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T. Parsons cuối những
năm 1940 và đầu những năm 1950, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở
thành phố Traverse, Michigan. Sau Thế chiến II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay
trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp. Đối mặt
với tính phức tạp ngày càng cao của hình dạng chi tiết và những vấn đề về toán học và kỹ
thuật như vậy, Parsons đã tìm ra những biện pháp để giảm chi phí kỹ thuật cho công ty. Ông
đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn
phòng trung ương của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy bay trực
thăng mới. Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J. Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM,
nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều khiển bởi
các thẻ đục lỗ. Như vậy, thông qua việc sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo
ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ
đồ. Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường
mức tự động” cho không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay. Đó là hợp đồng với Air
Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các
hình dạng đường mức giống như những hình trong cánh quạt và cánh máy bay. Sử dụng một
đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc
máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ. Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động
và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy
bay. Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sư ở phòng thí nghiệm thuộc Viện Công nghệ
Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án. Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu
quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến II. Phòng
thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều
khiển và cơ cấu phản hồi. Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC đã được các nhà

nghiên cứu của trường đại học đảm trách với mục tiêu đáp ứng nhu cầu của các nhà bảo trợ
quân đội.
Như vậy ý tưởng dùng nguyên lý điều khiển số vào máy công cụ xuất hiện do nhu cầu
của quân đội đã được hiện thực hóa. Đến những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của
những chiếc máy tự động giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các
ngành công nghiệp khác. Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một
chiều để vận hành vô lăng và vận hành dao cụ. Các động cơ này nhận chỉ dẫn điện từ một đầu
đọc băng từ — đọc một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm có đục một hàng lỗ. Vị trí và
thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời
gian và tốc độ chính xác, trong thực tế nó điều khiển máy giống như nhân viên vận hành. Các
xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ. Chúng thường được gọi
là NC hay máy điều khiển số. Một nhà lập trình sản xuất băng từ trên một máy giống như
máy đánh chữ, hay chính xác hơn là những “băng giấy” được sử dụng ở những máy tính thời
kì đầu, sử dụng như một “chương trình”. Kích cỡ của chương trình được xác định bởi độ dài
của băng cần phải đọc để sản xuất ra một chi tiết cụ thể. Các bộ điều khiển số đầu tiên dùng
đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng. Việc sử dụng
chúng cũng rất khó khăn, như chương trình được chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu
và không sửa chữa được. Giao tiếp giữa người và máy rất khó khăn vì không có màn hình,
bàn phím. Sau khi các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp thì máy
nhỏ gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn, nhưng tính năng sử dụng của
máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể cho đến khi có sự ứng dụng của máy tính.
Sự xuất hiện IC (1959), LSI (1965), vi xử lý (1974) và các tiến bộ kỹ thuật về lưu trữ
và xử lý số liệu đã làm nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật điều khiển số máy công cụ. Các bộ
phận điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính và thuật ngữ CNC (Computer
Numerical Control) được sử dụng từ đầu thập kỷ 70.
Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt như tốc độ xử lý cao, kết
cấu gọn…nhưng ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với
người dùng và các thiết bị ngoại vi khác. Các máy CNC ngày nay có màn hình, bàn phím và
nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng. Nhờ màn hình người dùng được

thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo các lỗi, có mô phỏng để kiểm tra
trước quá trình gia công…Máy CNC có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác


như robot, băng tải, thiết bị đo…trong hệ thống sản xuất. Áp dụng điều khiển số và công
nghệ thông tin vào điều khiển máy công cụ đã tạo ra cuộc cách mạng trong công nghệ chế tạo
cơ khí, nhờ đó các sản phẩm được chế tạo ra ngày càng chính xác hơn, đẹp hơn, giá thành
thấp hơn.
Tổng quan về CAD/CAM
Lịch sử phát triển của CAD/CAM liên quan trực tiếp tới sự phát triển của đồ hoạ máy
tính. Đương nhiên CAD/CAM bao hàm một nội dung rộng lớn hơn đồ hoạ máy tính, song hệ
đồ hoạ máy tính viết tắt là ICG (Interative Computer Graphics) là bộ phận cơ bản của CAD.
Lịch sử phát triển của đồ hoạ máy tính diễn biến qua nhiều thời kỳ:
- Một trong những dự án quan trọng đầu tiên trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính là dự án
triển khai ngôn ngữ APT tại Học viện Công nghệ Massachusetts vào giữa thập kỷ 50. APT là
chữ viết tắt của thuật ngữ Automatically Programed Tools, có nghĩa là "máy công cụ được
lập trình tự động". Dự án này có quan hệ mật thiết với ý tưởng triển khai một phương pháp
thuận tiện để thông qua máy tính xác định các yếu tố hình học phục vụ việc lập trình cho máy
công cụ điều khiển số. Mặc dù sự phát triển của APT là một cột mốc quan trọng trong lĩnh
vực đồ hoạ máy tính, nhưng việc sử dụng ngôn ngữ APT trước đây lại ít liên quan với đồ hoạ
máy tính.
- Một ý tưởng khác, ra đời vào khoảng cuối thập kỷ 50 có tên là "bút quang". Ý tưởng
về bút quang xuất hiện khi nghiên cứu cách xử lý dữ liệu ra đa của một dự án quốc phòng gọi
là SAGE (Semi-Automatic Ground Environment system). Mục đích của dự án này là triển
khai một hệ thống phân tích dữ liệu rađa và làm rõ mục đích được coi là máy bay địch trên
màn hình CRT (Catode Ray Tube - ống phóng chùm tia âm cực). Để tiết kiệm thời gian vào
việc hiển thị máy bay đánh chặn của chủ nhà chống lại máy bay địch, người ta nghĩ ra bút
quang, dụng cụ dùng để vẽ hình ảnh trực tiếp lên màn hình và giúp cho CPU nhận biết vị trí
cụ thể của màn hình vừa được bút quang tiếp xúc.
- Năm 1963 Ivan Sutherland công bố một số kết quả đầu tiên về đồ hoạ máy tính, cho

phép tạo ra và làm chủ các hình ảnh trong thời gian thực trên màn hành CRT.
- Nhiều tập đoàn công nghiệp như General Motors, IBM, Lockheed-Georgia, Itek
Corp, Mc. Ponell, v.v... đã bắt đầu thực hiện những dự án về đồ hoạ máy tính từ những năm
60. Đến cuối thập kỷ 60 một số nhà cung cấp hệ thống CAD/CAM đã được thành lập, trong
đó phải kể đến hãng Calma vào năm 1969. Các hãng này bán trọn gói theo kiểu chìa khoá


trao tay, trong đó gồm có hầu hết hoặc toàn bộ phần cứng và phần mềm theo yêu cầu của
khách hàng. Một số hãng khác phát triển theo hướng cung cấp phần mềm đồ hoạ như hãng
Pat Hanratti mà công ty thành viên của nó là MCS đã cho ra đời AD 2000 (với phiên bản sau
đó là ANVIL 4000), được coi là gói phần mềm CAD phổ dụng.
Như vậy, khái niệm CAD (Computer Aided Design) có nghĩa là: Thiết kế với sự trợ
giúp của máy tính. Mục tiêu của lĩnh vực CAD là: Tự động hoá từng bước, tiến tới tự động
hoá cao trong quá trình thiết kế sản phẩm. 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.
Khái niệm CAM (Computer Aided Manufacturing) có nghĩa là: Sản xuất với sự trợ
giúp của máy tính. Mục tiêu của lĩnh vực CAM là: Mô phỏng quá trình chế tạo, lập trình chế
tạo sản phẩm trên các máy CNC. 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.
CAE
CAD/CAE
CAD
CAD/CAM/CAE
CAD/CAM
CAM
CIM

FMS
CNC
NC

1950

1960

1970

1980

1990

2000

Hình 1.1. Quá trình hình thành và phát triển của CAD/CAM/CAE


Như vậy, khái niệm CAD/CAM dù đã có từ rất lâu nhưng vẫn đang tiếp tục được phát
triển và mở rộng. Ban đầu CAD và CAM được sử dụng độc lập để mô tả việc lập trình bộ
phận với sự trợ giúp của máy tính và các bản vẽ, đồ họa. Trong những năm gần đây, hai khái
niệm này được nối kết với nhau để tạo ra khái niệm thống nhất CAD/CAM, biểu diễn một
phương pháp tích hợp máy tính trong toàn bộ quá trình sản xuất bao trùm cả hai khâu thiết kế
và sản xuất. Cụ thể trong khâu thiết kế bao gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến các dữ
liệu kỹ thuật như bản vẽ, các mô hình học, phân tích các phần tử hữu hạn, bản ghi các chi tiết
và kế hoạch, thông tin chương trình NC. Trong khâu sản xuất, các ứng dụng của máy tính bao
trùm trong lập kế hoạch quá trình, điều độ sản xuất, NC, CNC, quản lý chất lượng và lắp ráp.
Mục đích của tích hợp CAD/CAM là hệ thống hóa dòng thông tin từ khi bắt đầu thiết
kế sản phẩm tới khi hoàn thành quá trình sản xuất. Chuỗi các bước được tiến hành với việc

tạo dữ liệu hình học, tiếp tục với việc lưu trữ và xử lý bổ sung, và kết thúc với việc chuyển
các dữ liệu này thành thông tin điều khiển cho quá trình gia công, di chuyển nguyên vật liệu
và kiểm tra tự động được gọi là kỹ thuật trợ giúp bởi máy tính CAE (Computer – Aided
Engineering) và được coi như kết quả của việc kết nối CAD và CAM. Mục đích của công
nghệ CAE không chỉ thay thế con người bằng các thiết bị máy tính hóa mà còn nâng cao năng
lực của con người để phát minh các ý tưởng và những sản phẩm mới.
Việc sử dụng các hệ thống CAD/CAM đã làm thay đổi một cách căn bản quy trình
thiết kế, gia công. Hệ thống CAD/CAM với mô đun CAD sẽ cung cấp một công cụ để thiết
kế mô hình hình học, phân tích và tối ưu hóa nó. Việc kết nối của thiết kế và gia công thông
qua một cơ sở dữ liệu dùng chung.
CAD

Cơ sở dữ
liệu

CAM

Hình 1.2. Liên kết dữ liệu giữa CAD và CAM
Nhờ có sự kết nối này mà những thay đổi của bản thiết kế nhanh chóng được cập nhật
vào trong cơ sở dữ liệu và truyền tới quá trình gia công và ngược lại người thiết kế cũng dễ
dàng nhận được các thông tin phản hồi từ quá trình gia công.
Do có mối liên hệ chặt chẽ giữa việc tạo lập bản vẽ thiết kế và lập chương trình gia
công CNC, CAD và CAM thường đi kèm với nhau trong các gói phần mềm (sorfware), được


gọi là các hệ thống CAD/CAM. Một số hệ thống CAD/CAM điển hình hiện nay như:
Mastercam, Solid Work, Cimatron, Catia, Pro/Engineer, Unigrafic…
Phương pháp sử dụng hệ thống CAD/CAM để xuất chương trình gia công một cách tự
động đã và đang được coi là phương pháp hiệu quả nhất. Đặc biệt là trong trường hợp gia
công trên máy CNC nhiều trục (từ 3 trục trở lên). Hầu hết các đơn vị sản xuất có trang bị máy

CNC thì đều có hệ thống CAD/CAM đi kèm.

Mô hình
hình học

Phân tích
tính toán

Thiết kế
sản phâm

Mô
phỏng

Dự báo
Nhu cầu

Thiết kế
sơ bộ

Phản hồi
khách hàng

Thiết bị

Qui trình
gia công

Dữ liệu

Vật liệu

Chương
trình CNC

Kế hoạch
tiến độ sx

Máy
CNC

Robot &
thiết bị vc

Thị
trường

Kiểm định
chất lượng

Sản
phẩm

Hình 1.3. Mối quan hệ CAD/CAM

CAD
Tài liệu
thiết kế

Các tiêu

chuẩn sx

CAM


Như vậy, lợi ích của CAD/CAM có nhiều, song chỉ có một số trong đó là có thể định
lượng được. Một số lợi ích khác khó có thể lượng hoá được mà chỉ thể hiện ở chỗ chất lượng
công việc được nâng cao, thông tin tiện dụng, điều khiển tốt hơn v.v...Một số ưu điểm chính
của hệ tích hợp CAD/CAM:
a, Nâng cao năng suất thiết kế
Năng suất cao giúp cho vị thế cạnh tranh của một hãng được nâng lên vì giảm được yêu cầu
nhân lực của một đồ án, dẫn tới hạ giá thành và thời gian xuất xưởng của một sản phẩm.
Tổng kết một số đơn vị có sử dụng hệ CAD cho thấy năng suất có thể tăng từ 3 – 10 lần so
với công nghệ thiết kế cũ, thậm chí còn cao hơn, tuỳ theo các yếu tố sau đây :
- Độ phức tạp của bản vẽ kỹ thuật
- Mức độ tỉ mỉ của bản vẽ
- Mức độ lặp đi lặp lại của chi tiết hay bộ phận được thiết kế
- Mức độ đối xứng của bộ phận được thiết kế
- Tính dùng chung của các chi tiết để lập thư viện.
b, Giảm thời gian chỉ dẫn
Thiết kế với hệ CAD nhanh hơn thiết kế theo cách truyền thống, đồng thời nó cũng đẩy
nhanh các tác vụ lập biểu bảng và báo cáo (lập các bảng liệt kê cụm lắp ghép chẳng hạn) mà
trước đây phải làm bằng tay. Do vậy, một hệ CAD có thể tạo ra một tập bản vẽ cuối cùng về
các chi tiết máy và các báo cáo, biểu bảng kèm theo một cách nhanh chóng. Thời gian chỉ dẫn
trong thiết kế được rút ngắn dẫn đến kết quả là làm giảm thời gian kể từ khi nhận đơn đặt
hàng đến khi giao sản phẩm.
c, Phân tích thiết kế
Các chương trình phân tích thiết kế có sẵn trong một hệ CAD giúp quá trình thiết kế diễn ra
theo những khuôn mẫu tác nghiệp có logic hơn, không cần phải trao đi đổi lại giữa nhóm thiết
kế và nhóm phân tích mà cũng những con người ấy, họ vẫn có thể tiến hành công việc phân

tích khi bản thiết kế hãy còn nằm trên máy tính của trạm thiết kế. Điều đó giúp cho người kỹ
sư tập trung tư tưởng hơn vì họ đang đối thoại trực tiếp với bản thiết kế của mình. Nhờ khả
năng phân tích này mà bản thiết sẽ tối ưu hơn. Mặt khác, thời gian thiết kế nói chung cũng sẽ
được tiết kiệm hơn do sự phân tích thiết kế giờ đây ứng xử nhanh hơn và không còn mất thời
gian trao đi đổi lại từ bàn vẽ của người thiết kế tới bàn làm việc của người phân tích như
trước đây nữa.


d, Giảm sai sót thiết kế
Các hệ CAD vốn có khả năng tránh các sai sót về thiết kế, vẽ và lập hồ sơ tư liệu, thuyết
minh kỹ thuật. Do vậy các lỗi vào (input) và di chuyển dữ liệu ... thường xảy ra khi lập liệt kê
chi tiết và làm dự trù vật liệu bằng cách thủ công thì ở đây đều bị loại bỏ. Sở dĩ có thể chính
xác như vậy chủ yếu là do khi đã có bản vẽ ban đầu rồi thì các thông tin về nó không còn phải
quản lý bằng cách thủ công nữa. Mặt khác, các công việc lặp đi lặp lại, tốn nhiều thời gian
sau khi có bản vẽ nói trên như di chuyển nhiều ký hiệu hay hình vẽ, sắp xếp theo khu vực hay
theo chi tiết cùng loại v.v... đều được thực hiện nhanh chóng với kết quả chính xác và nhất
quán. Nhờ khả năng tương tác người - máy, các hệ CAD còn có khả năng đặt câu hỏi xem dữ
liệu đưa vào có mắc lỗi không. Đương nhiên các khả năng kiểm tra việc vào dữ liệu loại này
tuỳ thuộc vào ý định của các nhà thiết kế hệ CAD muốn đặt câu hỏi cho dữ liệu đầu vào nào
và hỏi cái gì để người thiết kế tự kiểm tra lại xem mình vào đã đúng chưa.
e, Các phép tính thiết kế có độ chính xác cao hơn
Độ chính xác toán học trong hệ CAD là 14 con số có nghĩa sau dấu chấm thập phân. Đặc biệt
độ chính xác khi thiết kế các đường và mặt ba chiều thì cho đến nay chưa có phương pháp
tính tay nào so sánh được. Độ chính xác do sử dụng các hệ CAD còn thể hiện ở rất nhiều
phương diện. Chẳng hạn các chi tiết được đặt tên và đánh số như thế nào thì chúng vẫn được
bảo toàn trong trong toàn bộ các bản vẽ. Hoặc nếu có môt sự thay đổi nào của một chi tiết thì
sự thay đổi ấy vẫn được bảo toàn trong toàn bộ gói hồ sơ và tác động tới tất cả các bản vẽ có
sử dụng chi tiết ấy. Độ chính xác do hệ CAD mang lại còn làm cho việc lập tiên lượng và dự
toán công trình được chính xác hơn, tiến độ mua sắm vật tư được sít sao hơn.
f, Các lợi ích trong giai đoạn chế tạo

Cơ sở dữ liệu của hệ CAD/CAM được dùng cho cả giai đoạn thiết kế và việc lập kế hoạch và
điều khiển sản xuất. Các lợi ích trong giai đoạn chế tạo bao gồm:
- Thiết kế đồ gá và dụng cụ cắt để chế tạo sản phẩm
- Lập trình NC
- Lập quy trình công nghệ bằng máy tính.
- Liệt kê bản vẽ lắp (do hệ CAD lập) để sản xuất.
- Dò khuyết tật bằng máy tính
- Lập kế hoạch tay máy người máy.
- Lập công nghệ nhóm


Giới hạn nghiên cứu của đề tài
Ngày nay, do nhu cầu đòi hỏi của thị trường và sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ,
các hệ thống công nghệ CAD/CAM đã được phát triển rộng rãi. Các hệ thống này đã được
ứng dụng trong rất nhiều trong lĩnh vực sản xuất, nghiên cứu khoa học phục vụ đời sống ngày
càng cao của con người.
Các phần mềm tích hợp được hình thành bởi việc liên kết nhiều modul khác nhau trong
một hệ thống nhất. Mỗi modul thực hiện một công đoạn của quá trình thiết kế, chế tạo. Các
hệ thống này có ưu điểm là các hệ thống tích hợp dùng chung một cơ sở dữ liệu, tạo điều kiện
cho việc nhanh chóng cập nhật các thay đổi. Ngoài ra một ưu điểm nổi bật là khả năng kiểm
tra độ tương thích của các chi tiết thiết kế trong một khối lắp ráp tổng thể và thực hiện các
hiệu chỉnh cần thiết. Khi điều chỉnh thì các chi tiết liên quan sẽ tự động cập nhật điều chỉnh
theo.
Hiện nay, trên thị trường xuất hiện rất nhiều các phần mềm về CAD/CAM, mỗi một
loại đều có những ưu, nhược điểm riêng nên việc lựa chọn và sử dụng thế nào để có thể phát
huy tối đa những tiện ích của chúng cũng là một vấn đề đáng được quan tâm.
Trong giới hạn của đề tài này tôi sẽ trình bày việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm
CAD/CAM nhằm phục vụ một số tiêu chí sau:
- Xây dựng bản vẽ các chi tiết từ những yêu cầu của khách hàng
-

Lắp ghép, kiểm tra tương quan hình học, tính hợp lý trong quá trình lắp của các chi tiết.

- Tiến hành lập chương trình CNC để gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp. Mô phỏng,
kiểm tra và tối ưu chương trình gia công trước khi gia công.
- Kiểm tra sản phẩm sau khi gia công để đánh giá độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt
của chi tiết sau khi gia công
- Đánh giá chung

Kết luận chương I
- Ngày nay CAD/CAM thực sự đã trở thành một công nghệ có tốc độ phát triển cực kỳ
nhanh chóng, rất nhiều hãng sản xuất và cung cấp sản phẩm trong lĩnh vực này. Việc sử dụng
các sản phẩm CAD/CAM đem lại rất nhiều lợi ích. Nó giúp đẩy nhanh quá trình sản xuất,
giảm tối đa sai xót trong thiết kế, tiết kiệm được nguyên vật liệu và giảm giá thành của sản
phẩm....Chính vì đạt được nhiều ưu điểm như vậy nên việc ứng dụng các sản phẩm
CAD/CAM vào trong sản xuất sẽ là xu hướng tất yếu của quá trình phát triển sản xuất.


Các sản phẩm CAD/CAM rất đa dạng, chúng có khá nhiều các môđun giúp cho ta có
thể tiến hành từ xây dựng bản vẽ, kiểm tra chúng đến việc làm các chương trình gia công
cũng như tối ưu hoá quá trình gia công đó trước khi gia công thực tế. Như vậy, việc lựa chọn
sử dụng phần mềm nào để phù hợp với điều kiện sản xuất, phát huy được hết tính năng,
những ưu điểm của những phần mềm đó cũng là một vấn đề hết sức quan trọng.

CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC TRONG VIỆC GIA CÔNG CÁC BỀ MẶT
PHỨC TẠP
Thế nào là bề mặt phức tạp
Mô hình hình học của một đối tượng vẽ và thiết kế là khái niệm được đặc trưng bởi:
-

Hình dáng hình học các thành phần cấu thành nên đối tượng vẽ.

-

Hình thái cấu trúc hợp thành của đối tượng vẽ.

-

Mô tả bằng toán học các điểm, đường, bề mặt, khối của đối tượng vẽ.
Như vậy, mục đích bao trùm của mô hình hình học là thiết lập cơ sở dữ liệu hình học

của đối tượng vẽ và thiết kế. Nhờ đó có thể thực hiện được quá trình vẽ và thiết kế đối tượng
trên máy tính. Trong CAD, mô hình hoá hình học tương ứng với giai đoạn tổng hợp, đòi hỏi
mô tả hình dáng hình học của một đối tượng dưới dạng toán học theo cách máy tính có thể xử
lý được. Các phương pháp khác để biểu diễn đối tượng thành mô hình hình học:
- Mô hình khung dây: Thông qua một hệ toạ độ xác định và dựa vào các yếu tố hình
học cơ bản là: điểm, đường thẳng, cung tròn, đường tròn, đường cong...người ta có thể xây
dựng được một “mô hình khung dây”của một đối tượng nào đó. Cơ sở dữ liệu xác định mô
hình khung dây đó chính là danh sách toạ độ các đỉnh và danh sách từng mặt với các đỉnh của
nó.
- Mô hình mặt: đó chính là sự kết hợp giữa mô hình khung dây với một lớp vỏ mỏng.
Thông thường đối với mô hình mặt tạo bởi các dạng bề mặt cơ bản như: mặt phẳng, mặt nón,
mặt trụ, mặt cầu...thì có thể miêu tả dễ dàng bằng các phương trình toán học. Tuy nhiên, đối
với các bề mặt không tuân theo một phương trình toán học cơ bản thì việc mô tả nó gặp rất
nhiều khó khăn.
Như vậy, các bề mặt cong phức tạp có thể hiểu đó là các bề mặt không tuân theo một
phương trình toán học nào. Để có thể miêu tả được chúng thì người ta thường tách chúng ra


thành vô số các mảnh nhỏ và mô phỏng các mảnh nhỏ theo dạng các bề mặt cơ bản ở trên.

Các mảnh nhỏ dễ mô tả bằng toán học hơn, thông qua đó chúng hợp thành lưới các mảnh
mặt. Như vậy, lưới mảnh đa giác càng nhiều thì độ chính xác của mặt biểu diễn càng cao và
ngược lại.
- Mô hình đặc: là cách thể hiện tốt nhất vật thể 3 chiều. Phương pháp này sử dụng
những hình dáng hình học đặc gọi là các nguyên thể để dựng nên đối tượng.

Quá trình thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp theo công
nghệ truyền thống
Thông thường trong công nghệ gia công truyền thống, các mặt cong phức tạp sẽ được
gia công trên máy vạn năng theo phương pháp chép hình sử dụng mẫu hoặc dưỡng. Do vậy
qui trình thiết kế và gia công bao gồm có 4 giai đoạn phân biệt:
-

Tạo mẫu sản phẩm

-

Lập bản vẽ kỹ thuật

-

Tạo mẫu chép hình

-

Gia công chép hình

Ý TƯỞNG

Hiệu chỉnh

VẼ VÀ THIẾT KẾ

MẪU SẢN PHẨM
Lấy mẫu

BẢN VẼ KỸ THUẬT

TẠO MẪU CHÉP HÌNH

MẪU CHÉP HÌNH

GIA CÔNG CHÉP HÌNH
Hình 2.1. Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống
Ta thấy qui trình này sẽ có rất nhiều hạn chế, đó là:
-

Khó đạt được độ chính xác gia công, chủ yếu do quá trình chép hình


-

Dễ bị sai do nhầm lẫn hay hiểu sai vì phải xử lý rất nhiều dữ liệu

-

Năng suất thấp do mẫu được thiết kế theo phương pháp thủ công và qui trình được thực
hiện tuần tự: tạo mẫu sản phẩm – lập bản vẽ chi tiết – tạo mẫu chép hình – gia công chép
hình.

Quá trình thiết kế và gia công các bề mặt phức tạp có sử dụng
các phần mềm CAD/CAM/CNC
Sự phát triển của phương pháp mô hình hoá hình học cùng với thành tựu của công
nghệ thông tin, công nghệ điện tử, kỹ thuật điều khiển số đã có những ảnh hưởng trực tiếp
đến công nghệ thiết kế và gia công tạo hình:
-

Bản vẽ kỹ thuật được tạo từ hệ thống vẽ và tạo bản vẽ với sự trợ giúp của máy tính.

-

Tạo mẫu thủ công được thay thế bằng mô hình hoá hình học trực tiếp từ giá trị lấy mẫu
3D.

-

Mẫu chép hình được thay thế bằng mô hình toán học - mô hình hình học lưu trữ trong bộ
nhớ máy vi tính và ánh xạ trên màn hình dưới dạng mô hình khung lưới.

-

Gia công chép hình được thay thế bằng gia công điều khiển số (CAM).
Về công nghệ, khác biệt cơ bản giữa gia công tạo hình theo công nghệ truyền thống và

công nghệ CAD/CAM là thay thế tạo hình theo mẫu bằng mô hình hoá hình học. Kết quả là
mẫu chép hình và công nghệ gia công chép hình được thay thế bằng mô hình hình học số
(Computational Geometric Model - CGM) và gia công điều khiển số. Mặt khác khả năng
kiểm tra kích thước trực tiếp và khả năng lựa chọn chế độ gia công thích hợp (gia công thô,
bán tinh và tinh).
Theo công nghệ CAD/CAM phần lớn các khó khăn của quá trình thiết kế và gia công

tạo hình theo công nghệ truyền thống được khắc phục vì rằng:
-

Bề mặt gia công đạt được chính xác và tinh xảo hơn.

-

Khả năng nhầm lẫn do chủ quan bị hạn chế đáng kể.

-

Giảm được nhiều tổng thời gian thực hiện qui trình thiết kế và gia công tạo hình.


Ý TƯỞNG
VẼ VÀ TẠO BẢN
VẼ
BẢN VẼ KỸ
THUẬT

Hiệu chỉnh
MẪU SẢN
PHẨM
Lấy mẫu, số
hoá

MÔ HÌNH HOÁ HÌNH
HỌC

MÔ HÌNH HÌNH HỌC

SỐ
(CGM)

TẠO CHƯƠNG TRÌNH
GIA CÔNG (CAM)
GIA CÔNG TRÊN MÁY
CNC
Hình 2.2. Qui trình thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM/CNC.
Nhược điểm của công nghệ này đó chính là giá thành đắt và cần phải có người có trình
độ cao để phục vụ trong quá trình sản xuất.

Phần mềm Mastercam
Giới thiệu chung
Hiện nay với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, hệ thống CAD/CAM tích hợp được
phát triển rất nhanh chóng. Nó đã tạo nên sự liên thông từ quá trình thiết kế cho đến chế tạo
trong lĩnh vực cơ khí. Xu thế hiện nay các nhà kỹ thuật phát triển chủ yếu là hệ thống
CAD/CAM tích hợp. Những phần mềm CAD/CAM tích hợp đang sử dụng phổ biến hiện nay
như: Mastercam, Edgecam, Solidcam, Delcam, Surfcam, Vercut, Topmold, Cimatron,
Catia/Auto NC, Pro/Engenieer, Hypercam, v.v…
Mastercam là phần mềm CAD/CAM tích hợp được sử dụng rộng rãi ở châu Âu và trên
thế giới, đồng thời cũng được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Mastercam có khả năng thiết kế
và lập chương trình điều khiển


các trung tâm gia công CNC 5 trục, 4 trục, 3 trục, có thể lập trình để gia công tia lửa điện cắt
dây, tiện, phay, khoan … Mastercam được đánh giá là một trong những phần bán chạy nhất
thế giới trong vài nam gần đây.
Trong những phân tích gần đây nhất của tập đoàn CAM Software kết hợp với tổ chức
CIMdata Inc cho thấy ứng dụng phần mềm Mastercam ® trên thế giới được sử dụng rộng rãi
nhất. Cho đến thời điểm năm 2009, với gần 136.000 công ty công nghiệp lớn trên thế giới

đăng ký cài đặt, Mastercam có hơn hai lần các số lượng đăng ký cài đặt của các đối thủ cạnh
tranh gần nhất.
Năm 2005, Mastercam đã tạo nên bước đột phá khi phát hành phiên bản Mastercam X với
nhiều tính năng nổi bật. Ở phiên bản mới này, giao diện Mastercam được thiết kế rất đẹp các
công cụ hỗ trợ thiết kế và gia công sắp xếp tối ưu hóa và hỗ trợ thêm nhiều đặc tính mạnh.
Mastercam X giúp lập trình viên đơn giản hóa tương tác và tăng độ linh hoạt lập trình


Mastercam X có một giao diện mới nhưng lại tạo cảm giác thân thiện cho người sử dụng. Các
thanh công cụ được thiết kế có thể tùy chọn cho từng công việc cụ thể của lập trình viên khi
sử dụng. So với các phiên bản Mastercam V9 trước đó các thanh công cụ đã được thu gọn
một cách khoa học trên màn hình mà vẫn tối ưu hóa được các lựa chọn để lập trình thao tác
một cách tiện lợi nhất. Từ năm 2005 đến nay, Mastercam không ngừng cải tiến và càng hoàn
thiện về giao diện lẫn tính năng.


Các chức năng phần mềm MastercamMastercam X đồng thời cũng là gói phần mềm đưa lại
một định nghĩa mới về điều khiển và máy CNC. Một môi trường ảo hoàn hảo miêu tả môi trường
điều khiển và máy công cụ mà bạn thao tác cắt gọt phôi. Ngoài ra, nó còn có thể tính toán được việc
gì CNC có thể và không thể làm, giúp đảm bảo những đường lập trình chính xác.

Mastercam Solids
Được tích hợp đầy đủ các công cụ xây dựng mô hình sản phẩm dạng khối hoặc dạng bề mặt.
Giao tiếp tốt dữ liệu thiết kế như nhập, xuất dữ liệu hình học với nhiều phần mềm CAD/CAM.


Mastercam Art
Dễ dàng thiết kế các dạng khối, bề mặt 3D trong lĩnh vực mỹ thuật từ ảnh dạng phẳng, bản vẽ và ảnh
chụp.