Luận án tiến sĩ nghiên cứu xây dựng hệ thống trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC

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

Phùng Xuân Lan

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRỢ GIÚP
THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG
CHI TIẾT TRÊN MÁY PHAY CNC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội - 2017


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

Phùng Xuân Lan

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRỢ GIÚP
THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG
CHI TIẾT TRÊN MÁY PHAY CNC

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 62520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS. Trần Văn Địch
2. PGS. TS. Hoàng Vĩnh Sinh

Hà Nội - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả
nghiên cứu trong luận án là trung thực, chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công
trình nghiên cứu nào khác.

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

Nghiên cứu sinh

GS. TS. Trần Văn Địch

Phùng Xuân Lan

PGS. TS. Hoàng Vĩnh Sinh


LỜI CÁM ƠN

Luận án đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của GS. TS. Trần Văn Địch
và PGS. TS. Hoàng Vĩnh Sinh. NCS xin gửi lời cám ơn chân thành tới
GS. TS. Trần Văn Địch đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và động viên NCS những lúc
NCS gặp khó khăn và hỗ trợ NCS những điều kiện tốt nhất trong nghiên cứu. NCS
xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới sự hƣớng dẫn tận tình của PGS. TS. Hoàng Vĩnh
Sinh. Thầy đã có nhiều định hƣớng đúng đắn cho NCS ngay từ những ngày đầu để
giúp cho NCS có kết quả ngày hôm nay.
NCS cũng bày tỏ lời cám ơn chân thành tới tập thể các thầy/cô giáo và các bạn

đồng nghiệp tại Bộ môn Công nghệ chế tạo máy đã luôn cổ vũ, chỉ bảo và góp
nhiều ý kiến chân thành và khách quan giúp đỡ NCS trên chặng đƣờng nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ lời cám ơn chân thành tới Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí
đã luôn tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện đề tài nghiên cứu của mình.
Tôi xin cám ơn tới gia đình, bố, mẹ, chồng, anh chị em và các con tôi đã luôn tạo
mọi điều kiện và cổ vũ tinh thần tôi trong suốt thời gian qua.
Tôi xin gửi lời cám ơn tới Công ty cổ phần xây lắp và thiết bị công nghiệp
MEKAMIC đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong việc thu thập dữ liệu và thử nghiệm hệ
thống.

Tôi chân thành cám ơn tất cả!


MỤC LỤC

i

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................ 4
MỤC LỤC ............................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................ ix
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ QTCN CÓ SỰ TRỢ GIÚP
CỦA MÁY TÍNH ....................................................................................................... 5
1.1 Thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP) ............................... 5
1.2 Các phƣơng pháp CAPP ............................................................................ 7
1.2.1 CAPP khả biến .................................................................................... 8

1.2.2 CAPP khả sinh .................................................................................... 9
1.2.3 CAPP phối hợp ................................................................................... 9
1.3 Các hƣớng tiếp cận trong việc nhận dạng đối tƣợng gia công ................ 10
1.4 Lựa chọn dụng cụ cắt............................................................................... 14
1.4.1 Lựa chọn chủng loại dụng cụ cắt ...................................................... 15
1.4.2 Lựa chọn kích thƣớc dụng cụ cắt ...................................................... 17
1.5 Thiết lập thứ tự nguyên công ................................................................... 18
Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................ 20
2 CHƢƠNG 2 - PHƢƠNG PHÁP NHẬN DẠNG ĐỐI TƢỢNG GIA CÔNG 21
2.1 Sơ đồ thực hiện ........................................................................................ 21
2.2 Phân loại các đối tƣợng gia công ............................................................. 22
2.3 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tƣợng tạo hình dạng vẽ phác....... 25
2.3.1 Quá trình trích xuất dữ liệu với trƣờng hợp đối tƣợng tạo hình dạng
vẽ phác .......................................................................................................... 25


MỤC
ii

LỤC

2.3.2 Quá trình nhận dạng đối tƣợng gia công từ các đối tƣợng tạo hình
dạng vẽ phác ...................................................................................................... 32
2.4 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tƣợng tạo hình dạng thiết lập đặc
tính và vị trí ........................................................................................................... 33
2.4.1 Quá trình trích xuất đối tƣợng tạo hình lỗ (HoleWzd) ..................... 33
2.4.2 Quá trình nhận dạng đối tƣợng tạo hình HoleWzd ........................... 34
2.4.3 Quá trình trích xuất và nhận dạng đối tƣợng chuyển tiếp ................ 34
2.5 Quá trình trích xuất và nhận dạng yêu cầu kỹ thuật ................................ 35
2.6 Quá trình nhận dạng các mối quan hệ giữa các đối tƣợng tạo hình ........ 37

Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................ 39
3 CHƢƠNG 3 - PHƢƠNG PHÁP LỰA CHỌN TRANG BỊ CÔNG NGHỆ VÀ
THỨ TỰ NGUYÊN CÔNG ..................................................................................... 40
3.1 Phƣơng pháp lựa chọn dụng cụ cắt.......................................................... 40
3.1.1 Phƣơng pháp phân tích thứ bậc để lựa chọn loại dụng cụ cắt .......... 40
3.1.2 Lựa chọn kích thƣớc dụng cụ cắt ...................................................... 51
3.1.3 Thuật toán lựa chọn dụng cụ cắt ....................................................... 53
3.1.4 Xác định chế độ cắt ........................................................................... 55
3.2 Lựa chọn máy công cụ............................................................................. 57
3.3 Phƣơng pháp thiết lập thứ tự nguyên công .............................................. 58
3.3.1 Mô hình hóa bài toán thiết lập thứ tự gia công ................................. 59
3.3.2 Xây dựng các ma trận ràng buộc thứ tự ............................................ 60
3.3.3 Chi phí gia công ................................................................................ 64
3.3.4 Thiết lập thứ tự gia công trong trƣờng hợp lựa chọn thiết bị cố định ..
.......................................................................................................... 65
3.3.5 Thiết lập thứ tự gia công với trƣờng hợp lựa chọn thiết bị linh hoạt 71
Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................ 77
4 CHƢƠNG 4 - XÂY DỰNG CSDL PHỤC VỤ THIẾT KẾ QTCN .............. 78
4.1 Thiết kế CSDL ......................................................................................... 78
4.1.1 Đặc điểm và cấu trúc của CSDL thiết kế QTCN .............................. 78
4.1.2 Mô hình quản trị CSDL .................................................................... 80
4.2 CSDL các lựa chọn ban đầu .................................................................... 81


MỤC LỤC

iii

4.2.1 CSDL vật liệu gia công..................................................................... 81
4.2.2 CSDL máy gia công .......................................................................... 83

4.2.3 CSDL dụng cụ cắt ............................................................................. 83
4.3 CSDL chi tiết gia công ............................................................................ 85
4.4 CSDL mã hoá .......................................................................................... 89
4.5 CSDL lƣu trữ luật nhận dạng/lựa chọn ................................................... 91
4.5.1 Luật nhận dạng đối tƣợng gia công .................................................. 91
4.5.2 Luật lựa chọn chủng loại dụng cụ cắt ............................................... 94
4.5.3 Luật nhận dạng phƣơng pháp gia công ............................................. 96
Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................ 98
5 CHƢƠNG 5 - XÂY DỰNG PHẦM MỀM BKCAPP ĐỂ THIẾT KẾ QTCN
GIA CÔNG CHI TIẾT TRÊN MÁY PHAY CNC .................................................. 99
5.1 Mô tả về hệ thống BKCAPP ................................................................... 99
5.2 Thử nghiệm 01 ....................................................................................... 104
5.2.1 Đặc điểm ......................................................................................... 104
5.2.2 Kết quả thiết kế QTCN ................................................................... 105
5.2.3 Đánh giá kết quả ............................................................................. 109
5.3 Thử nghiệm 02 ....................................................................................... 110
5.3.1 Đặc điểm ......................................................................................... 110
5.3.2 Kết quả thiết lập quy trình công nghệ ............................................. 112
5.3.3 Kết quả gia công từ thực tế ............................................................. 113
5.3.4 Đánh giá kết quả ............................................................................. 114
5.4 Thử nghiệm 03 ....................................................................................... 117
5.4.1 Đặc điểm ......................................................................................... 117
5.4.2 Kết quả thiết lập quy trình công nghệ ............................................. 118
5.4.3 Đánh giá kết quả ............................................................................. 121
5.5 Các thử nghiệm khác ............................................................................. 121
5.5.1

Đặc điểm ......................................................................................... 122

5.6 Thống kê kết quả thử nghiệm ................................................................ 122

Kết luận chƣơng 5 .......................................................................................... 123
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................ 124


MỤC
iv

LỤC

Kết luận .......................................................................................................... 124
Kiến nghị ........................................................................................................ 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 126
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 131
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 1
A.

Giới thiệu phần mềm BKCAPP................................................................. 1

A.1 Tab Đối tƣợng gia công ........................................................................... 1
A.2 Tab Dụng cụ cắt ....................................................................................... 1
A.3 Tab Máy gia công .................................................................................... 5
Â.4 Tab Phƣơng pháp gia công ...................................................................... 6
A.5 Tab Thứ tự gia công ................................................................................. 7
B.

Kết quả các bƣớc xử lý trong hệ thống BKCAPP (Thử nghiệm 01)......... 9

C.

Kết quả các bƣớc xử lý trong hệ thống BKCAPP (Thử nghiệm 02)....... 13

D.

Kết quả các bƣớc xử lý trong hệ thống BKCAPP (Thử nghiệm 03)....... 16

E. Kết quả thiết lập thứ tự nguyên công hiển thị trong SolidWorks (Thử
nghiệm 04, 05) ...................................................................................................... 19


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

: Computer Numerical Control (Điều khiển số sử dụng máy tính)
: Computer Aided Process Planning (Thiết kế QTCN có sự trợ giúp
của máy tính)
: Computer Aided Design (Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính)
CAD
CAM : Computer Aided Manufacturing (Gia công có sự trợ giúp của máy
tính)
QTCN : Thiết kế quy trình công nghệ
: Visual Basic for Application (Ngôn ngữ lập trình VB cho ứng dụng)
VBA
: Điều kiển số
NC
: Analytic Hierarchy Process (Phƣơng pháp phân tích thứ bậc)
AHP
: Bƣớc gia công

MO
: Đối tƣợng gia công
MF
: Đối tƣợng hình học
GF
: Chi phí sử dụng máy
MC
: Chi phí sử dụng đồ gá
SC
: Chi phí sử dụng dụng cụ cắt
TC
MCC : Chi phí thay đổi máy
: Chi phí thay đổi phƣơng án gá đặt
SCC
: Chi phí thay đổi dụng cụ cắt
TCC
: Hƣớng tiếp cận của dụng cụ cắt
TAD
: Trí tuệ nhân tạo
AI
CSDL : Cơ sở dữ liệu
: Loại đối tƣợng
FT
: Dạng vẽ phác (sketch)
ST
: Hƣớng vẽ phác (sketch)
SD
: Điều kiện bao
CT
: Dạng vát

DT
: Dạng đảo
IT
: Hƣớng mở của đối tƣợng
DM
: Dạng giao nhau
CI
: Đặc điểm gia công
LE
IGTOL : Sai lệch vị trí tƣơng quan
: Đặc tính hình học
SC
: Chất lƣợng gia công
Qa
CNC
CAPP


DANH
vi

MRC
PR
TC
CR
AR
Wi
De
SD
Cx

Te

MỤC

CÁC

KÍ

HIỆU

VÀ

CHỮ

: Khả năng bóc tách
: Công suất yêu cầu
: Giá thành dụng cụ
: Các chi phí khác
: Tỷ lệ dài/rộng
: Bề rộng/Chiểu rộng
: Chiều sâu
: Độ cứng vững
: Khoảng công xon
: Hình dáng
: Tốc độ cắt tính toán
: Tốc độ cắt (catalog)
: Hệ số điều chỉnh vật liệu gia công
: Số vòng quay trục chính
: Đƣờng kính dụng cụ cắt
: Lƣợng chạy dao phút

: Lƣợng chạy dao răng
: Số răng
: Hệ số điều chỉnh bề rộng cắt
: Tỷ lệ trích xuất vật liệu
: Chiều sâu cắt
: Chiều rộng cắt
: Công suất cắt
: Hệ số lực cắt đơn vị điều chỉnh trong công suất cắt
: Hệ số điều chỉnh góc trƣớc
: Hệ số lực cắt đơn vị
: Chiều dày lớp phoi trung bình
: Hệ số mũ trong công thức tính chế độ cắt

VIẾT

TẮT


DANH MỤC CÁC BẢNG

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông tin mã hóa dữ liệu hình học ...................................................... 26
Bảng 2.2 Luật nhận dạng tính chất đóng, mở của đối tƣợng ............................... 30
Bảng 2.3 Luật nhận dạng điều kiện bao (dạng cắt và dạng khối) ....................... 30
Bảng 2.4 Một số luật nhận dạng đối tƣợng gia công tạo hình dạng vẽ phác....... 33
Bảng 2.5 Một số luật nhận dạng đối tƣợng tạo hình dạng lỗ............................... 34
Bảng 2.6 Luật nhận dạng các đối tƣợng chuyển tiếp ngoài................................ 35

Bảng 2.7 Một số dữ liệu yêu cầu kỹ thuật đƣợc trích xuất .................................. 35
Bảng 2.8 Quy đổi độ nhám bề mặt sang cấp chính xác gia công ........................ 36
Bảng 2.9 Quy đổi độ chính xác về một số sai lệch vị trí tƣơng quan sang
cấp chính xác gia công ............................................................................................. 37
Bảng 2.10 Định nghĩa mối quan hệ giữa các đối tƣợng tạo hình ........................ 37
Bảng 3.1 Thang đo mức độ quan trọng ............................................................... 41
Bảng 3.2 Giá trị RI............................................................................................... 42
Bảng 3.3 Mức độ quan trọng của giữa các tiêu chí chính ................................... 47
Bảng 3.4 Ma trận so sánh mức độ quan trọng với tỷ lệ kích thƣớc nhỏ (Lựa chọn
nhỏ) ........................................................................................................................... 48
Bảng 3.5 Quy ƣớc xếp nhóm các thông số đầu vào của AHP ............................. 48
Bảng 3.6 Các loại kích thƣớc cơ bản của hốc...................................................... 52
Bảng 3.7 Ràng buộc thứ tự giữa các đối tƣợng giao nhau .................................. 61
Bảng 3.8 Luật nhận dạng ràng buộc thứ tự ......................................................... 62
Bảng 3.9 Danh sách các bƣớc/NC và các trang bị công nghệ tƣơng ứng ........... 69
Bảng 3.10 Thông tin về đối tƣợng gia công và nguyên công .............................. 73
Bảng 3.11 Bảng ràng buộc thứ tự nguyên công .................................................. 73
Bảng 3.12. Thông tin về chi phí gia công ............................................................ 74
Bảng 3.13 Thứ tự nguyên công và các lựa chọn máy, TAD và dụng cụ cắt tƣơng
ứng ............................................................................................................................ 75
Bảng 3.14 Thứ tự nguyên công và các lựa chọn máy, TAD và dụng cụ cắt tƣơng
ứng ............................................................................................................................ 76
Bảng 4.1 Danh sách các bảng và chức năng trong CSDL chi tiết gia công ........ 86
Bảng 4.2 Mã hoá loại dụng cụ cắt ....................................................................... 89
Bảng 4.3 Mã hoá đối tƣợng gia công................................................................... 90
Bảng 4.4 Mã hoá phƣơng pháp gia công ............................................................. 90
Bảng 4.5 Mã hoá đặc điểm gia công ................................................................... 91
Bảng 4.6 Luật nhận dạng đối tƣợng gia công dạng tạo hình dạng vẽ phác ......... 92

DANH
viii

MỤC

CÁC

HÌNH

ẢNH

ĐỒ

THỊ

Bảng 4.7 Bảng kích thƣớc trích xuất của đối tƣợng tạo hình dạng lỗ (HoleWzd)
.................................................................................................................................. 93
Bảng 4.8 Luật nhận dạng các đối tƣợng gia công dạng lỗ (HoleWzd) ............... 94
Bảng 4.9 Một số luật trong CSDL luật lựa chọn thứ tự ƣu tiên loại dụng cụ cắt 95
Bảng 4.10 Ý nghĩa của các thông số đầu vào trong lựa chon loại dụng cụ cắt ... 96
Bảng 4.11 Một số luật trong CSDL luật nhận dạng phƣơng pháp gia công ....... 97
Bảng 5.1 So sánh thời gian chuẩn bị sản xuất của hai phƣơng pháp................. 115
Bảng 5.2 So sánh phƣơng án thiết kế QTCN .................................................... 116
Bảng 5.3 Thời gian gia công và gá đặt giữa hai phƣơng án thiết kế QTCN ..... 116
Bảng 5.4 So sánh kết quả thiết lập QTCN giữa hai CSDL ............................... 121
Bảng 5.5 Đặc điểm của các thử nghiệm ............................................................. 122
Bảng 5.6 Thống kê kết quả thử nghiệm ............................................................. 123


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Lập quy trình công nghệ thủ công ......................................................... 5
Hình 1.2 Mô hình chung của CAPP ...................................................................... 6
Hình 1.3 Các phƣơng pháp CAPP ......................................................................... 8
Hình 1.4 Sơ đồ quan hệ và luật nhận dạng hốc [49] ........................................... 12
Hình 1.5 Luật nhận dạng rãnh thông chữ nhật .................................................... 13
Hình 1.6 Đối tƣợng gia công 2.5D cơ bản .......................................................... 14
Hình 1.7 Các yếu tố cơ bản cần xác định khi lựa chọn dụng cụ cắt.................... 15
Hình 1.8 Cấu trúc mạng nơron trong lựa chọn loại dụng cụ cắt ......................... 16
Hình 2.1 Sơ đồ các bƣớc thiết lập quy trình gia công ......................................... 22
Hình 2.2 Phân loại các đối tƣợng gia công theo đặc điểm tạo hình .................... 23
Hình 2.3 Các loại đối tƣợng gia công .................................................................. 23
Hình 2.4 Đặc điểm của các phƣơng thức gia công ............................................. 24
Hình 2.5 Phân loại các đối tƣợng tạo hình .......................................................... 24
Hình 2.6 Lƣợc đồ mô tả quá trình nhận dạng đối tƣợng tạo hình dạng sketch ... 25
Hình 2.7 Phân loại các dạng điều kiện bao ......................................................... 28
Hình 2.8 Một số ví dụ về các dạng giao nhau cơ bản ......................................... 29
Hình 2.9 Đặc tính giao của đối tƣợng ................................................................. 29
Hình 2.10 Mô tả các mặt bao, hƣớng mở và hƣớng đóng của đối tƣợng ............ 29
Hình 2.11 Định nghĩa một số dạng vát ................................................................ 31
Hình 2.12 Hƣớng mở của đối tƣợng.................................................................... 32
Hình 2.13 Nhận dạng đối tƣợng gia công là bậc kín 2.5D chữ nhật ................... 32
Hình 3.1 Cấu trúc thứ bậc.................................................................................... 41
Hình 3.2 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt bậc thẳng) ............................ 44
Hình 3.3 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt cạnh) .................................... 45
Hình 3.4 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt đầu) ...................................... 45

Hình 3.5 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt rãnh) .................................... 46
Hình 3.6 Mô hình cấu trúc thứ bậc (Gia công mặt hốc 2.5D) ............................. 46
Hình 3.7 Gia công mặt bậc thành mỏng .............................................................. 49
Hình 3.8 Mức độ ảnh hƣởng của các tiêu chí chính ............................................ 50
Hình 3.9 Mức độ ƣu tiên của các phƣơng án lựa chọn........................................ 50
Hình 3.10 So sánh một số tiêu chí cơ bản giữa các phƣơng án khi gia công ...... 51
Hình 3.11 Sơ đồ khối lựa chọn dụng cụ cắt ........................................................ 54
Hình 3.12 Thuật toán lựa chọn dụng cụ cắt và thông số chế độ cắt trong CSDL 56
Hình 3.13 Thuật toán lựa chọn máy theo thứ tự ƣu tiên ..................................... 58


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ĐỒ THỊ

x

Hình 3.14 Mô hình bài toán thiết lập thứ tự nguyên công .................................. 59
Hình 3.15 Các phƣơng án thiết lập thứ tự nguyên công...................................... 60
Hình 3.16 Thuật toán thiết lập thứ tự nguyên công ............................................. 66
Hình 3.17 Chi tiết cần thiết lập thứ tự nguyên công ........................................... 69
Hình 3.18 Sơ đồ ràng buộc thứ tự của các bƣớc/NC........................................... 70
Hình 3.19 So sánh chi phí gia công của các phƣơng án thứ tự sau các vòng lặp 70
Hình 3.20 So sánh với các thuật toán khác ......................................................... 76
Hình 4.1 Cấu trúc CSDL phục vụ thiết kế QTCN............................................... 79
Hình 4.2 Mô hình dữ liệu trong hệ thống quản trị CSDL ................................... 79
Hình 4.3 Sơ đồ mô tả đƣờng luân chuẩn dữ liệu trong CSDL ............................ 80
Hình 4.4 Mối quan hệ ràng buộc giữa các bảng trong CSDL vật liệu ................ 82
Hình 4.5 Mối quan hệ ràng buộc giữa các bảng trong CSDL máy ..................... 82
Hình 4.6 Mối quan hệ ràng buộc giữa các bảng trong CSDL dụng cụ cắt.......... 84
Hình 4.7 Mối quan hệ ràng buộc giữa các bảng trong CSDL chi tiết gia công .. 88
Hình 5.1 Sơ đồ mô tả hệ thống BKCAPP ........................................................... 99

Hình 5.2 Giao diện nhận dạng đối tƣợng gia công trong SolidWorks .............. 100
Hình 5.3 Giao diện kết quả nhận dạng đối tƣợng gia công trong SolidWorks . 100
Hình 5.4 Giao diện lựa chọn đầu vào trong BKCAPP ...................................... 101
Hình 5.5 Định nghĩa phôi .................................................................................. 102
Hình 5.6 Giao diện hiển thị và tra cứu vật liệu gia công ................................... 102
Hình 5.7 Giao diện hiển thị thƣ viện dụng cụ cắt.............................................. 103
Hình 5.8 Giao diện hiển thị thƣ viện máy gia công .......................................... 103
Hình 5.9 Mô hình vật thể rắn 3D trong SolidWorks (Thử nghiệm 01)............. 105
Hình 5.10 Kết quả nhận dạng đối tƣợng gia công của đối tƣợng tạo hình CutExtrude3.................................................................................................................. 107
Hình 5.11 Mô tả dữ liệu vào, ra của quá trình thiết lập QTCN (Thử nghiệm 01)
................................................................................................................................ 108
Hình 5.12 Chi tiết yêu cầu gia công trong Thử nghiệm 02 ............................... 110
Hình 5.13 Mô hình vật thể rắn 3D trong SolidWorks (Thử nghiệm 02)........... 111
Hình 5.14 Dữ liệu đầu vào, đầu ra của quá trình thiết lập QTCN (Thử nghiệm
02) ........................................................................................................................... 113
Hình 5.15 Đo kiểm chi tiết ................................................................................ 114
Hình 5.16 Quá trình gia công và sản phẩm hoàn thiện ..................................... 114
Hình 5.17 Chi tiết yêu cầu gia công (Thử nghiệm 03) ...................................... 117
Hình 5.18 Mô hình vật thể rắn 3D trong SolidWorks (Thử nghiệm 03)........... 118
Hình 5.19 Dữ liệu đầu vào và đầu ra của quá trình thiết lập QTCN (Thử nghiệm
03 - CSDL1) ........................................................................................................... 120


Tính cấp thiết của đề tài

1

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Lập quy trình công nghệ (QTCN) là một khâu kết nối quan trọng giữa hai nhiệm
vụ then chốt của quá trình sản xuất là thiết kế và gia công. Lập QTCN giải quyết
vấn đề lựa chọn các quá trình sản xuất cần thiết, lựa chọn thiết bị gia công và dụng
cụ cắt hợp lý, thiết lập thứ tự gia công để biến ý tƣởng của nhà thiết kế thành những
sản phẩm hiện hữu một cách kinh tế và có hiệu quả. Trong các nhà máy gia công cơ
khí ở Việt Nam hiện nay, đa phần các công việc này đều đƣợc tiến hành thủ công.
Khi lập QTCN thủ công, ngƣời kỹ sƣ phải mất nhiều thời gian để tra cứu sổ tay,
tính toán, lựa chọn và ra quyết định cũng nhƣ chuẩn bị các tài liệu thiết kế. Công
việc này càng khó khăn, tốn nhiều thời gian và công sức khi mà số lƣợng và
chủng loại của các trang thiết bị đặc biệt là dụng cụ cắt ngày càng lớn và thƣờng
xuyên có sự biến động về số lƣợng. Hơn nữa, trong lập QTCN thủ công thì chất
lƣợng thiết kế phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của ngƣời thiết kế. Chính sự
khác nhau giữa các thế hệ kỹ sƣ với các kinh nghiệm không đồng đều cũng làm cho
chất lượng của QTCN không ổn định. Mặt khác, trong thiết kế QTCN bên cạnh
những công việc đòi hỏi tƣ duy và tri thức của con ngƣời còn có những công việc
nhàm chán mất nhiều thời gian. Chính vì vậy, nhu cầu có một hệ thống hỗ trợ
thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP) là hết sức cần thiết để có thể tận
dụng khả năng tính toán, xử lý và truy xuất nhanh của máy tính với tƣ duy và tri
thức của con ngƣời cho phép rút ngắn thời gian thiết lập QTCN. Kết quả của CAPP
không chỉ dừng lại ở việc cung cấp một tài liệu thiết kế hƣớng dẫn gia công mà còn
được dùng trong nhiều giai đoạn khác nhau của quá trình sản xuất từ lập kế
hoạch sản xuất, quản lý nguồn nhân lực sản xuất, điều hành sản xuất, hạch toán kinh
tế.
Trong nền sản xuất hiện đại, máy tính đã hỗ trợ ngƣời kỹ sƣ rất nhiều trong thiết
kế mô hình sản phẩm (CAD) và hình thành đƣờng chạy dao cùng file gia công NC
(CAM) nhƣng những hỗ trợ trong thiết kế quy trình công nghệ (CAPP) còn nhiều
hạn chế và chưa bắt kịp được sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ CAD/CAM.
Mặc dù đƣợc coi là cầu nối giữa CAD và CAM nhƣng CAPP phức tạp và khó khăn
hơn nhiều. Thực tế cho thấy rằng, hiện nay các phần mềm thƣơng mại CAD/CAM
đƣợc phát triển rất mạnh bởi nhiều hãng nhƣ Autodesk, Dassault System, Siemens

v.v. nhƣng chƣa phát triển đƣợc một mô-đun phần mềm CAPP thƣơng mại thực sự
do tính chất đa dạng và phức tạp của CAPP. Một số hệ CAD/CAM nhƣ NXSiemens, CATIA cũng có phát triển mô-đun nhận dạng đối tƣợng gia công là dữ


LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

2

liệu đầu vào của CAPP. Tuy nhiên, nó mới chỉ dừng lại ở mức sơ khai là nhận dạng
ra các đối tƣợng gia công 2.5D đơn giản còn toàn bộ quá trình lựa chọn dụng cụ cắt
cũng nhƣ hình thành phƣơng án gia công cho các đối tƣợng này một cách chi tiết và
cụ thể thì chƣa có. Khi nền sản xuất ngày càng phát triển, thì nhu cầu hình thành
một QTCN nhanh, chính xác, tự động và ổn định là hết sức cần thiết. Trong bối
cảnh nhƣ vậy, nghiên cứu phát triển hệ thống hỗ trợ thiết kế QTCN bằng máy
tính có một ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn. Đó cũng chính là lý do cơ bản
mà nghiên cứu sinh (NCS) cùng tập thể hƣớng dẫn đã lựa chọn đề tài của luận án là:
“Nghiên cứu xây dựng hệ thống trợ giúp thiết kế quy trình công nghệ gia công
chi tiết trên máy phay CNC’’

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu cuối cùng của đề tài là xây dựng một hệ thống trợ giúp thiết lập quy
trình công nghệ gia công chi tiết trên máy phay CNC bằng máy tính, cho phép hình
thành các phiếu công nghệ chỉ dẫn gia công trực tiếp từ mô hình vật thể rắn 3D thiết
kế trong phần mềm CAD thƣơng mại.

Nội dung của luận án
(1) Xây dựng phƣơng pháp nhận dạng các đối tƣợng gia công trên cơ sở các đối
tƣợng tạo hình trực tiếp trong phần mềm CAD thƣơng mại.
(2) Xây dựng phƣơng pháp lựa chọn trang bị công nghệ bao gồm máy, dụng cụ
cắt và phƣơng pháp thiết lập thứ tự gia công trên cơ sở dữ liệu (CSDL) thay đổi linh

hoạt.
(3) Xây dựng giao diện tích hợp CAD-CAPP thử nghiệm với nhiều chi tiết và
cho phép ứng dụng trong thực tế sản xuất.

Đối tƣợng và phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Các chi tiết gia công trên máy phay/khoan CNC
Phạm vi nghiên cứu:
Giới hạn ở các chi tiết gia công trên máy phay/khoan CNC 3D. Chi tiết gia công
đƣợc thiết kế trong phần mềm SolidWorks với đầy đủ yêu cầu kỹ thuật.
Trợ giúp thiết kế QTCN trong một số khâu cơ bản để hình thành phiếu công nghệ
chỉ dẫn gia công, chỉ rõ các lựa chọn máy, dụng cụ cắt, hƣớng tiếp cận dụng cụ, chế
độ cắt và trình tự gia công một cách tự động.
Phương pháp nghiên cứu:
Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết chủ yếu đƣợc sử dụng để xây dựng phƣơng
pháp trợ giúp thiết lập QTCN gia công các chi tiết bằng máy tính.


Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

3

Giao diện tích hợp CAD-CAPP đƣợc xây dựng để kiểm nghiệm phƣơng pháp và
thuật toán. CSDL thực tế đã đƣợc thu thập từ nhà máy sản xuất và tiến hành thử
nghiệm với một số chi tiết gia công để kiểm chứng và hiệu chỉnh phƣơng pháp.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học
 Xây dựng đƣợc phƣơng pháp nhận dạng đối tƣợng gia công mới, cho phép
mở rộng phạm vi nhận dạng ra nhiều loại đối tƣợng khác nhau, trực tiếp trong

phần mềm CAD thƣơng mại.
 Xây dựng đƣợc phƣơng pháp lựa chọn trang bị công nghệ theo thứ tự ƣu tiên
trên cơ sở đánh giá đa tiêu chí, gắn kết với những thay đổi linh hoạt của
CSDL và phƣơng pháp hình thành thứ tự gia công cho phép rút ngắn thời gian
xử lý.
 Xây dựng đƣợc bộ luật nhận dạng đối tƣợng gia công, phƣơng pháp gia công
và lựa chọn dụng cụ cắt làm cơ sở cho việc thiết kế QTCN.
 Thiết kế đƣợc một hệ CSDL cho phép mở rộng và quản lý hiệu quả dữ liệu
của quá trình thiết kế QTCN
Ý nghĩa thực tiễn
 Giao diện CAD-CAPP (BKCAPP) đƣợc viết trên cơ sở kết quả nghiên cứu
của luận án có khả năng ứng dụng trong đào tạo, nghiên cứu và thực tế sản
xuất.
 Kết quả nghiên cứu của đề tài đã đƣợc kiểm nghiệm trong thực tế để gia
công chi tiết tại Công ty MEKAMIC cho phép giảm thời gian chuẩn bị sản
xuất và thời gian gia công, nâng cao khả năng tự động hoá trong nhà máy.

Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu
Là đề tài nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu về phƣơng pháp thiết lập
QTCN bằng phƣơng pháp khả sinh cho phép mở rộng tƣơng tác của ngƣời sử dụng.
Xây dựng đƣợc phƣơng pháp mới trên cơ sở thiết lập bộ nhận dạng gồm bảy yếu tố
cho phép nhận dạng nhiều loại đối tƣợng gia công từ thông tin hình học đến các yêu
cầu kỹ thuật.
Xây dựng đƣợc phƣơng pháp mới để lựa chọn dụng cụ cắt theo thứ tự ƣu tiên
trên cơ sở đánh giá đa tiêu chí, thích hợp với sự đa dạng và linh hoạt của CSDL
Xây dựng đƣợc phƣơng pháp chọn lọc ghép nhóm để thiết lập thứ tự gia công với
thời gian xử lý rút ngắn so với các phƣơng pháp trƣớc.
Xây dựng đƣợc giao diện CAD-CAPP (BKCAPP) trợ giúp thiết kế QTCN trực
tiếp từ mô hình CAD 3D thiết kế từ phần mềm CAD thƣơng mại

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

4

Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 5 chƣơng, nội dung chính của từng chƣơng đƣợc tóm tắt nhƣ sau:
Chương 1 - Trình bày các lý thuyết tổng quan về thiết kế QTCN có sự trợ giúp
của máy tính (CAPP). Kết luận của chƣơng chỉ ra các tồn tại của các nghiên cứu
hiện tại và hƣớng nghiên cứu của luận án.
Chương 2 - Trình bày phƣơng pháp mới để nhận dạng đối tƣợng gia công trực
tiếp từ mô hình vật thể rắn 3D về cả hai mặt thông số hình học và yêu cầu kỹ thuật.
Kết quả là giải quyết về cơ bản nút thắt quan trọng giữa CAD và CAPP tạo ra dòng
tích hợp giữa CAD/CAPP.
Chương 3 - Trình bày các phƣơng pháp lựa chọn trang bị công nghệ bao gồm
máy, dụng cụ cắt, chế độ cắt và thiết lập thứ tự gia công. Kết quả của phƣơng pháp
lựa chọn cho ra thứ tự ƣu tiên của các phƣơng án.
Chương 4 - Trình bày cách thức xây dựng CSDL phục vụ thiết kế QTCN. CSDL
không chỉ lƣu trữ thông tin mô tả mà còn lƣu trữ các luật nhận dạng và lựa chọn, tạo
cơ sở cho việc cập nhật và hiệu chỉnh các thông tin của toàn hệ thống một cách độc
lập và dễ dàng.
Chương 5 - Xây dựng giao diện CAD/CAPP (BKCAPP) để thiết kế QTCN gia
công chi tiết trên máy phay CNC. Chƣơng trình máy tính đã đƣợc thiết lập để kiểm
nghiệm phƣơng pháp và thuật toán. Một số chi tiết điển hình đƣợc thiết kế để thử
nghiệm tính hiệu quả của phần mềm.
Phần cuối cùng là kết luận và đề xuất hƣớng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. Tài
liệu tham khảo và danh mục các công trình đã công bố.


Thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP)

5

1 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ QTCN CÓ SỰ
TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH

1.1 Thiết kế QTCN có sự trợ giúp của máy tính (CAPP)
Lập QTCN là bài toán kỹ thuật, kinh tế và tổ chức có nhiệm vụ biến tài liệu thiết
kế thành các tài liệu hƣớng dẫn (quy trình) thực thi quá trình gia công. Để có thể
thiết lập đƣợc một QTCN, bên cạnh những kiến thức về lập QTCN vững vàng,
ngƣời kỹ sƣ cần có các kỹ năng thiết lập QTCN cùng các kinh nghiệm tích lũy của
bản thân về nhiều lĩnh vực nhƣ mô tả trong Hình 1.1. Trong lập QTCN, có những
việc đơn giản, rất tẻ nhạt nhƣng cũng có những việc có tính trí tuệ cao, đòi hỏi tính
toán phức tạp, lựa chọn và ra quyết định chính xác. Ngƣời ta thấy rằng chỉ có
khoảng 15% thời gian của ngƣời lập QTCN dành cho việc ra các quyết định kỹ
thuật, 40% thời gian dành cho việc tra cứu, tìm kiếm dữ liệu và tính toán, toàn bộ
thời gian còn lại dành cho việc chuẩn bị các tài liệu thiết kế [26].
Kiến thức về lập QTCN

Kỹ năng, kinh nghiệm về lập QTCN
Sử dụng sách tham khảo

Sổ tay công nghệ

Giá thành tƣơng đối của
các quá trình gia công,
dụng cụ và vật liệu
Kinh nghiệm sản xuất
thực tế

Kiến thức về
sản xuất

Kiến thức về mô
hình chi tiết

Nguồn lực có sẵn của
nơi sản xuất
Kinh nghiệm về phôi,
vật liệu thô

Đọc và hiểu bản vẽ cơ khí

Kiến thức về ra
quyết định

Khả năng tính toán
giá thành và thời gian

Hình 1.1 Lập quy trình công nghệ thủ công

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự ra đời của máy tính, ngƣời ta
đang có xu hƣớng đƣa máy tính vào trợ giúp các khâu trong quá trình sản xuất tiến


LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

6

tới xây dựng một nền sản xuất hiện đại và CAPP cũng không nằm ngoài xu hƣớng

đó. Máy tính cho phép lƣu trữ một lƣợng dữ liệu lớn, khả năng truy xuất, tính toán
chính xác và nhanh chóng. Sự hỗ trợ của máy tính vào việc thiết kế QTCN có nhiều
cấp độ khác nhau [26].
 Ở cấp độ thấp, máy tính và con ngƣời cùng tham gia vào việc thiết lập
QTCN theo nguyên tắc để cho ngƣời và máy thực thi những công việc tốt
nhất mà từng đối tƣợng có thể thực hiện. Lúc này, máy tính chỉ đóng vai
trò lƣu trữ và truy xuất dữ liệu sử dụng cho quá trình thiết lập QTCN còn
con ngƣời vẫn thực thi những công việc mang tính chất trí tuệ.
 Ở cấp độ cao hơn, máy tính có thể tự động hình thành các QTCN cho một
vài chi tiết có hình dáng đơn giản. QTCN này có thể đƣợc hiệu chỉnh cho
phù hợp với yêu cầu cụ thể.
 Ở cấp độ cao nhất, là mục tiêu cuối cùng của CAPP, cho phép hình thành
QTCN hoàn toàn bằng máy tính. Khi đó toàn bộ giữa tri thức và kinh
nghiệm thiết kế công nghệ cùng với toán tối ƣu đều đƣợc tích hợp vào
trong chƣơng trình máy tính. CSDL của hệ thống CAPP ở mức độ này cần
có khả năng kết nối trực tiếp với các hệ thống khác ví dụ nhƣ CAD và
CAM.
Hệ thống CAD

Triết xuất và nhận dạng
đối tƣợng gia công

Dữ liệu đầu vào
(Đối tƣợng gia công)

Hệ thống CAPP
Dữ liệu về kiến thức công nghệ
(máy, dao, đồ gá, chế độ cắt...)
Các quy tắc và
ràng buộc công nghệ

Các mô hình toán
Các phƣơng pháp lựa chọn, tối ƣu

...
Dữ liệu đầu ra
(Quy trình công nghệ)

Hệ thống CAM

Máy CNC

Hình 1.2 Mô hình chung của CAPP

Chi tiết


Các phƣơng pháp CAPP

7

Bản chất của CAPP lúc này là một phần mềm với dữ liệu đầu vào là các thông tin
hình học và yêu cầu kỹ thuật của chi tiết cần gia công đã đƣợc trích xuất và nhận
dạng từ hệ thống CAD và đầu ra là QTCN để gia công chi tiết đó, đây lại là đầu vào
của hệ thống CAM. Để thực hiện đƣợc toàn bộ quy trình này, CAPP phải là một hệ
thống bao gồm các CSDL công nghệ, các quy tắc và ràng buộc công nghệ, các mô
hình toán kết hợp với phƣơng pháp lựa chọn và tính toán tối ƣu nhƣ mô tả trong
Hình 1.2. Kết quả là cho phép thiết lập đƣợc QTCN một cách tự động, nhanh chóng
và hiệu quả.
Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng một hệ thống CAPP hiệu quả có thể làm giảm
giá thành sản xuất xuống tới 30% và thời gian sản xuất một sản phẩm cũng có thể

giảm xuống tới 50% [52]. Hiệu quả của việc tự động hóa thiết kế nguyên công trên
một số phƣơng diện cũng đƣợc tác giả S Anderberg phân tích và so sánh trong một
số công ty chuyên gia công CNC [39]. Do đó tính linh hoạt trong sản xuất, năng
suất và chất lƣợng sản phẩm đƣợc nâng cao, thời gian sản xuất đƣợc rút ngắn, đáp
ứng đƣợc nhu cầu của nền sản xuất hiện đại là sản xuất ra sản phẩm luôn thay đổi
vả cải tiến về mặt mỹ thuật và kỹ thuật. Chính vì vậy, các vấn đề liên quan CAPP đã
thu hút đƣợc nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu từ cách đây bốn thập niên. Ở
Việt Nam, mặc dù các nghiên cứu tự động hóa thiết kế QTCN còn chƣa nhiều
nhƣng cơ sở lý thuyết tự động hóa thiết kế QTCN và các phƣơng pháp, kỹ thuật xây
dựng hệ thống tự động hóa thiết kế QTCN đã đƣợc nghiên cứu và trình bày khá cụ
thể trong cuốn sách của hai tác giả Nguyễn Đăng Bình và Nguyễn Phú Hoa [3]. Một
số hệ thống CAPP đã đƣợc xây dựng và áp dụng cho chi tiết dạng tiện hay phay trên
máy CNC bởi nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới [32, 55, 59]. Không chỉ dừng lại ở
tự động hóa thiết kế QTCN trên máy CNC, nhiều nghiên cứu mở rộng sang các
dạng khác nhƣ tạo mẫu nhanh hay uốn tấm [37]. Điều này thể hiện tiềm năng phát
triển các hƣớng nghiên cứu CAPP sang nhiều lĩnh vực khác nhau.

1.2 Các phƣơng pháp CAPP
CAPP đã đƣợc nghiên cứu, tạo lập và triển khai ứng dụng theo các phƣơng pháp
nhƣ mô tả ở Hình 1.3 bao gồm:
 Phƣơng pháp CAPP khả biến (Variant CAPP),
 Phƣơng pháp CAPP khả sinh (Generative CAPP)
 Phƣơng pháp CAPP phối hợp (Hybrid CAPP)
Với phƣơng pháp CAPP khả biến ngƣời ta sử dụng các thủ tục phục hồi để truy
cập các sơ đồ tiến trình công nghệ chuẩn cho các chi tiết tƣơng tự nhau. Do đó
QTCN thƣờng cứng và đơn giản; còn với phƣơng pháp CAPP khả sinh, các sơ đồ
tiến trình công nghệ đƣợc tạo lập tự động cho các chi tiết mới cần chế tạo mà không
cần tham khảo các sơ đồ tiến trình công nghệ có sẵn trên cơ sở mô hình hình học và

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

8

công nghệ của đối tƣợng sản xuất (chi tiết, sản phẩm cơ khí) tạo lập trên máy tính,
bao gồm cả chƣơng trình gia công máy CNC [6]. Phƣơng pháp CAPP khả sinh có
nhiều ƣu điểm là sự linh hoạt và chi tiết của QTCN nhƣng do việc thiết lập khó
khăn và phức tạp nên phƣơng pháp CAPP phối hợp trên cơ sở kết hợp giữa phƣơng
pháp khả sinh và khả năng tƣơng tác của con ngƣời đƣợc xây dựng [40].
Lập QTCN có sự trợ giúp
của máy tính (CAPP)

Tiếp cận theo
công nghệ nhóm

Tiếp cận chính xác
trực tiếp

Phƣơng pháp
khả biến

Phƣơng pháp
khả sinh

Phƣơng pháp
phối hợp

Sự tƣơng tự của các
chi tiết và QTCN

Mô hình toán

Kết hợp giữa phƣơng pháp khả
sinh và khả năng tƣơng tác và
tùy chỉnh của con ngƣời

QTCN cứng,
đơn giản

QTCN linh hoạt,
chi tiết, phức tạp

Hình 1.3 Các phương pháp CAPP

1.2.1 CAPP khả biến
Quá trình xây dựng hệ thống CAPP khả biến khai thác sự tƣơng đồng giữa các
chi tiết cơ khí thông dụng và tìm kiếm thông qua CSDL, nhằm đƣa ra đƣợc một số
QTCN chuẩn cho họ chi tiết [27]. QTCN chuẩn này sẽ đƣợc áp dụng cho các chi
tiết thuộc cùng một họ và đƣợc sửa đổi cho phù hợp với từng chi tiết cụ thể trong
một họ chi tiết, trên cơ sở phân loại, mã hoá và ghép nhóm các chi tiết cơ khí thông
dụng theo hệ thống mã hoá phù hợp.
Các hệ thống CAPP khả biến đã đƣợc tạo lập là giải pháp phát triển tiến bộ của
giải pháp thủ công. Bản chất chung của các hệ CAPP khả biến là quá trình phục hồi
và truy cập lại bằng máy tính những QTCN đã có từ bộ nhớ do ngƣời thiết kế
QTCN tạo lập trƣớc đây. Với hệ CAPP khả biến, một QTCN điển hình cho một chi
tiết tƣơng tự có thể đƣợc truy cập, phục hồi lại tự động từ tệp của máy tính, nếu chi
tiết mới cần chế tạo có những đặc điểm tƣơng đồng với chi tiết điển hình và phù
hợp với hệ thống mã hóa có sẵn của máy tính. Từ đó, QTCN đã đƣợc truy cập ra sẽ
đƣợc biên tập và điều chỉnh để phù hợp hơn với chi tiết mới cần chế tạo [40].
Cách thiết kế khả biến đòi hỏi phải có hệ CSDL bao hàm những QTCN tiêu

chuẩn cho từng họ chi tiết. QTCN tiêu chuẩn này đƣợc xây dựng từ những chỉ dẫn
công nghệ cơ bản cần thiết để chế tạo từng chi tiết của một họ chi tiết. Các chi tiết
cơ khí thông dụng và tiêu chuẩn đƣợc phân chia thành các họ chi tiết công nghệ


Các phƣơng pháp CAPP

9

nhóm. Trong công nghệ nhóm, từng chi tiết cơ khí đƣợc nhận một mã số tuỳ theo
đặc điểm về kết cấu và công nghệ của nó và các chi tiết sẽ đƣợc ghép thành nhóm
theo các họ phù hợp với mã số chi tiết. Do đó, phƣơng pháp này thích hợp với các
nhà máy sản xuất có sự ổn định về chủng loại chi tiết. Nhƣợc điểm của phƣơng
pháp khả biến là khó hiệu chỉnh hệ thống đặc biệt là sự giới hạn về hệ thống mã hóa
và khó có thể hình thành một QTCN một cách chi tiết.
1.2.2 CAPP khả sinh
Giải pháp CAPP khả sinh có bản chất là hệ cơ sở tri thức. Hệ cơ sở tri thức đƣợc
ứng dụng trong việc xây dựng QTCN chế tạo, thực chất là một tập hợp các quy luật
và nguyên tắc thiết kế công nghệ, đƣợc rút ra từ kinh nghiệm của những nguời thiết
kế công nghệ thành thạo và đã đƣợc thực tế sản xuất kiểm chứng [27]. Không giống
nhƣ giải pháp khả biến có sử dụng các QTCN chuẩn của họ chi tiết, giải pháp khả
sinh dựa vào các logic xây dựng QTCN. Giải pháp khả sinh cố gắng bắt chƣớc tƣ
duy của ngƣời thiết kế công nghệ bằng cách áp dụng logic ra quyết định của ngƣời
thiết kế công nghệ. Ngày nay, trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) và hệ chuyên
gia (Expert System) là công cụ hiện đại để xác lập QTCN. Trí tuệ nhân tạo là kỹ
thuật giống nhƣ logic hình thức dùng để mô tả các chi tiết cơ khí. Hệ chuyên gia
dùng để hệ thống hoá quá trình xử lý tri thức của con ngƣời để áp dụng vào việc
thiết kế QTCN. Hệ thống CAPP khả sinh có đặc điểm là tạo ra các QTCN nhanh và
nhất quán. Nó có thể tạo lập các QTCN cho toàn bộ các chi tiết mới, mà không hạn
chế ở các QTCN chuẩn của các chi tiết sẵn có nhƣ trong hệ thống CAPP khả biến.

Trong trƣờng hợp có những thay đổi của CSDL thiết bị hay có các máy bị quá tải
thì hệ thống khả sinh có thể tự động hình thành các QTCN khác. Một ƣu điểm nổi
bật khác của hệ thống khả sinh là QTCN đƣợc hình thành tự động mà không phụ
thuộc vào kinh nghiệm của ngƣời lập QTCN. Nó là một hệ thống động và có thể
đƣợc sử dụng trong hệ thống CIM [40]. Mặc dù việc lập trình khó khăn hơn nhiều
nhƣng nó phù hợp với các ứng dụng thiết kế QTCN cho các chi tiết khác nhau, phù
hợp với tính đa dạng của thiết kế chi tiết. Do đó đáp ứng đƣợc sự thay đổi nhanh
chóng của mẫu mã sản phẩm trên thị trƣờng hiện nay.
1.2.3 CAPP phối hợp
Mặc dù, phƣơng pháp CAPP khả sinh là mục đích phát triển của hệ thống CAPP.
Nó là hệ thống CAPP có đặc điểm tự động hoá rất cao, khi đó toàn bộ công việc
đƣợc tiến hành tự động. Tuy nhiên, điều này có xu hƣớng hạn chế các tác động của
con ngƣời vào hệ thống. Với một hệ thống phức tạp nhƣ CAPP thì việc này làm cho
hệ thống trở nên kém linh hoạt và khó thích ứng. Chính vì vậy hệ thống CAPP phối
hợp ra đời là sự kết hợp của những kỹ thuật lập QTCN khả sinh CAPP với khả năng


LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

10

tƣơng tác với ngƣời sử dụng. Lúc này hệ thống CAPP phối hợp sẽ gồm hai chức
năng: thứ nhất là tận dụng các công nghệ thiết lập QTCN theo phƣơng pháp khả
sinh và thứ hai là nâng cao khả năng giao tiếp và tƣơng tác với ngƣời sử dụng.
Tƣơng tác với ngƣời sử dụng này có thể trong một chu trình đánh giá hay cập nhật
dữ liệu nào đó hoặc cho phép đƣa ra quyết định cuối cùng khi nảy sinh các vấn đề
xung đột mà không thể giải quyết tự động đƣợc [20].

1.3 Các hƣớng tiếp cận trong việc nhận dạng đối tƣợng gia công
Việc xây dựng một công cụ cho phép tự động nhận dạng các đối tƣợng gia công

từ mô hình vật thể rắn 3D là một vấn đề quan trọng cần phải quan tâm đầu tiên khi
xây dựng mô-đun CAPP tích hợp trong các phần mềm CAD/CAM thƣơng mại.
Hiện nay đa phần các phần mềm CAD/CAM thƣơng mại đều không tích hợp hoặc
chƣa tích hợp đầy đủ các công cụ cho phép cung cấp thông tin hình học của chi tiết
đủ để nhận dạng các đối tƣợng gia công [20]. Hơn nữa, mô hình CAD chứa chi tiết
các thông tin hình học về chi tiết gia công, tuy nhiên đó không phải là các thông tin
gia công đƣợc dùng trực tiếp trong các lĩnh vực sản xuất nhƣ lập QTCN. Để giải
quyết vấn đề tạo mối giao tiếp giữa CAD và CAPP, việc tự động nhận dạng đối
tƣợng gia công có ý nghĩa hết sức quan trọng.
Trong khoảng bốn thập niên trở lại đây, CAPP đã thu hút sự tập trung của nhiều
nhà nghiên cứu. Trong đó, tự động nhận dạng đối tƣợng gia công từ các đối tƣợng
tạo hình là một vấn đề đƣợc quan tâm nhiều hơn cả. Bên cạnh nhiều thành tựu đáng
kể đã đƣợc công bố, cũng còn nhiều khó khăn chƣa giải quyết đƣợc đặt ra với các
nhà nghiên cứu không chỉ ở trong và ngoài nƣớc. Những tóm tắt sau sẽ chỉ ra tình
hình nghiên cứu ở cả trong và ngoài nƣớc về cả những thành quả đạt đƣợc và các
thách thức đặt ra.
Thực tế ở trong nƣớc hiện nay, chƣa nhiều nhà nghiên cứu tập trung đi sâu vào
lĩnh vực CAPP nói chung và tự động nhận dạng đối tƣợng gia công nói riêng nên
những kết quả đạt đƣợc còn hết sức khiêm tốn. Tác giả Vƣơng Sĩ Kông đã xây dựng
phƣơng pháp tự động thiết kế QTCN gia công chi tiết dạng càng mà ở đó đầu vào là
các bản vẽ 2D CAD cứng có sẵn trong thƣ viện [9]. Một nhƣợc điểm lớn nhất của
cách tiếp cận này là hệ thống rất khó làm việc với những đầu vào là các chi tiết khác
không có trong dữ liệu của hệ thống. Tác giả Chu Đức Hòa đã thành công khi xây
dựng phƣơng pháp thiết kế QTCN dạng trục ứng dụng công nghệ nhóm [8]. Điểm
thành công của nghiên cứu này so với nghiên cứu trƣớc là tác giả đã xây dựng đƣợc
một phần mềm cho phép thiết kế những chi tiết dạng trục đơn giản trên đó và đồng
thời nhận dạng đƣợc đối tƣợng gia công từ chính đối tƣợng hình học 2D đã thiết kế
trong hệ thống. Khi xây dựng nhƣ vậy, tác giả đã đảm bảo tính tự động ở khâu nhận
dạng nhƣng cách làm này chỉ phù hợp với những chi tiết dạng trục có kết cấu tròn

Các hƣớng tiếp cận trong việc nhận dạng đối tƣợng gia công

11

xoay đơn giản có thể hiểu đƣợc bằng cách đọc bản vẽ CAD 2D chứ khó áp dụng với
các chi tiết dạng hộp mà ở đó kết cấu phức tạp hơn nhiều. Nhƣ vậy, với các hệ
thống CAPP đã đƣợc xây dựng từ các nghiên cứu ở trong nƣớc thì đầu vào của hệ
thống mới chỉ dừng lại ở các bản vẽ chi tiết mẫu có sẵn trong thƣ viện hoặc các bản
vẽ CAD 2D mà chƣa nghiên cứu nào tích hợp đƣợc CAD 3D vào hệ thống CAPP.
Do đó, phạm vi của nghiên cứu chủ yếu chỉ là xuất ra đƣợc QTCN của chi tiết mẫu
có sẵn trong thƣ viện hoặc các biên dạng trục đơn giản.
Vấn đề tự động nhận dạng các đối tƣợng gia công từ các đối tƣợng hình học là
một trong những vấn đề phức tạp của CAPP và đã thu hút đƣợc rất nhiều nhà
nghiên cứu ngoài nƣớc. S. M. Amaitik đã xây dựng ra một hệ thống tự động thiết
lập QTCN thông minh cho các chi tiết 2.5D [41]. Trong hệ thống này, tác giả đã
xây dựng một mô-đun cho phép thiết kế các đối tƣợng gia công 2.5D cơ bản nhƣ
hốc, bậc, rãnh tích hợp trong AutoCAD. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là họ sẽ
không mất thời gian nhận dạng và trích xuất đối tƣợng nữa bởi vì các đối tƣợng gia
công đã hình thành và có thể lấy dữ liệu ngay trong quá trình ngƣời sử dụng xây
dựng mô-hình vật thể rắn. Ƣu điểm thứ hai là hệ thống là kết quả của nhận dạng
đƣợc xuất ra dƣới dạng file STEP AP224 - một định dạng file trung gian tiêu chuẩn
cho CAPP. Nhƣng nhƣợc điểm lớn nhất của cách tiếp cận này là cho dù ngƣời sử
dụng đã có một mô hình vật thể rắn vẽ đƣợc bằng các phần mềm CAD thƣơng mại
rồi, họ vẫn phải mất thời gian vẽ lại vật thể rắn họ muốn thiết lập QTCN trên môđun CAD mà tác giả đã xây dựng. Điều này, đôi khi cũng gây khó khăn, lãng phí
thời gian và công sức đối với ngƣời sử dụng. Một giới hạn khác của hệ thống này là
nó chỉ cho phép xây dựng và nhận dạng các đối tƣợng gia công 2.5D chứ chƣa cho
phép làm việc với các đối tƣợng gia công 3D.
Một hƣớng đi khác khá phổ biến trong các nghiên cứu hiện nay là trực tiếp
nhận dạng các đối tƣợng gia công từ các định dạng file trung gian nhƣ IGES, STEP

hay DWG v.v. Để thuận tiện cho việc trao đổi giữa các phần mềm CAD khác nhau,
đa số các phần mềm đều có khả năng lƣu các file thiết kế chi tiết dƣới dạng các định
dạng file trung gian. Các file này cũng chính là cầu nối thông tin giữa các phần
mềm CAD thƣơng mại hiện nay. Tác giả T. Yifei đã xây dựng phƣơng pháp tự động
nhận dạng các đối tƣợng gia công từ định dạng file trung gian STEP AP214 [48].
Bằng cách trích xuất các dữ liệu khởi tạo đối tƣợng hình học nhƣ các mặt phẳng,
các mặt bao, các vòng kín cạnh (edge loop), các đƣờng và đỉnh cùng các vecto chỉ
hƣớng của nó. Một thuật toán sẽ đƣợc áp dụng để hợp các mặt thành một đối tƣợng
hình học rồi dùng các luật để nhận dạng ra các đối tƣợng gia công. Bởi vì trong định
dạng các file trung gian đều không chỉ rõ các thông số liên quan đến dung sai kích
thƣớc hay vị trí tƣơng quan v.v. Vì vậy họ đề xuất phƣơng án ghi các thao tác thực
hiện dƣới dạng code (macro) trong quá trình thiết kế vật thể rắn rồi sau đó xây dựng
hàm đọc các macro để lấy các dữ liệu này. Rõ ràng, để có đƣợc các yêu cầu kỹ thuật