NGHIÊN cứu, ỨNG DỤNG PHẦN mềm CATIA TRONG THIẾT kế và lập TRÌNH GIA CÔNG KHUÔN hút CHÂN KHÔNG TRÊN máy PHAY CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------THÂN HOÀNG BẢO LÂM
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT
KẾ VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG KHUÔN HÚT CHÂN KHÔNG
TRÊN MÁY PHAY CNC

CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. NGUYỄN VIẾT TIẾP

Hà Nội – 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng những điều được nêu ra trong luận văn thạc sỹ khoa
học "Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm Catia trong thiết kế và gia công khuôn hút
chân không trên máy phay CNC " là hoàn toàn đúng. Tất cả kết quả thu được đều là
từ quá trình nghiên cứu và gia công thực tế. Mọi tài liệu và sự hỗ trợ giúp thực hiện
luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa từng
được bảo vệ tại bất kì hội đồng nào cũng như chưa từng được công bố trên bất kì
phương tiện thông tin nào.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Tác giả

Thân Hoàng Bảo Lâm

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CAD

Computer Aided Design

CAM

Computer Aided Manufacturing

CAE

Computer Aided Engineering

CIM

Computer Intergrated Manufacturing

NC

Numerical Control

CNC

Computer Numerical Control

CU

Control Unit

MCU

Machine Control Unit

PTP

Point to Point

CLU

Control Loop Unit

DPU

Data Processing Unit

MDI

Manual Data Input

DNC

Direct Numerical Control

DXF

Data Xtrange Format

IGES

Initial Graphics Exchange

PDES

Product Data Exchange Specification

PPR

Process Product Resources

PO

Part Operation


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
STT

Hình

Tên hình

Trang

1

Hình 1.1

Sơ đồ chu kỳ sản xuất

4

2

Hình 1.2

Sơ đồ chu kỳ sản xuất khi dùng CAD/CAM

5

3

Hình 1.3

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

13

4

Hình 1.4

Tạo đường sinh dụng cụ gia công chi tiết thông qua
chức năng CAM

15

5

Hình 1.5

Mô phỏng quá trình chuyển động của dụng cụ cắt

15

6

Hình 1.6

Điều khiển điểm

21

7

Hình 1.7

Điều khiển đoạn thẳng

22

8

Hình 1.8

Điều khiển 2D trên máy phay

23

9

Hình 1.9

Điều khiển 2D ½

23

10

Hình 1.10

Phay túi trên máy 3D

24

11

Hình 1.11

Hệ tọa độ trên các máy CNC và chuyển động các trục

25

12

Hình 1.12

Các điểm gốc và điểm chuẩn trên máy thẳng đứng

27

13

Hình 1.13

Điểm gốc của chương trình

28

14

Hình 1.14

Các điểm chuẩn P của dao

28

15

Hình 2.1

Quy tình thiết kế thuận

36

16

Hình 3.1

Khay nhựa PET

48

17

Hình 3.2

Môi trường CATIA

50

18

Hình 3.3

Môi trường Sketch

51

19

Hình 3.4

Ràng buộc kích thước trong Sketch

53

20

Hình 3.5

Thiết kế khay nhựa

54

21

Hình 3.6

Thiết kế khay nhựa

54

22

Hình 3.7

Thiết kế khay nhựa

55

23

Hình 3.8

Thiết kế khay nhựa

55

24

Hình 3.9

Thiết kế khay nhựa

55


25

Hình 3.10

Thiết kế khay nhựa

56

26

Hình 3.11

Thiết kế khay nhựa

56

27

Hình 3.12

Thiết kế khay nhựa

56

28

Hình 3.13

Thiết kế khay nhựa

57

29

Hình 3.14

Thiết kế khay nhựa

57

30

Hình 3.15

Thiết kế khay nhựa

57

31

Hình 3.16

Thiết kế khay nhựa

58

32

Hình 3.17

Thiết kế khay nhựa

58

33

Hình 3.18

Thiết kế khay nhựa

58

34

Hình 3.19

Thiết kế khay nhựa

59

35

Hình 3.20

Thiết kế khay nhựa

59

36

Hình 3.21

Thiết kế khay nhựa

59

37

Hình 3.22

Thiết kế khay nhựa

60

38

Hình 3.23

Thiết kế khay nhựa

60

39

Hình 3.24

Thiết kế khay nhựa

60

40

Hình 3.25

Thiết kế khay nhựa

61

41

Hình 3.26

Thiết kế khay nhựa

61

42

Hình 3.27

Thiết kế khay nhựa

61

43

Hình 3.28

Thiết kế khay nhựa

62

44

Hình 3.29

Thiết kế khay nhựa

62

45

Hình 3.30

Thiết kế khay nhựa

62

46

Hình 3.31

Thiết kế khay nhựa

63

47

Hình 3.32

Thiết kế khay nhựa

63

48

Hình 3.33

Thiết kế khay nhựa

63

49

Hình 3.34

Thiết kế khay nhựa

64

50

Hình 3.35

Thiết kế khay nhựa

64


51

Hình 3.36

Thiết kế khay nhựa

64

52

Hình 3.37

Thiết kế khay nhựa

65

53

Hình 3.38

Thiết kế khay nhựa

65

54

Hình 3.39

Thiết kế khay nhựa

65

55

Hình 3.40

Thiết kế khay nhựa

66

56

Hình 3.41

Thiết kế khay nhựa

66

57

Hình 3.42

Thiết kế khay nhựa

66

58

Hình 3.43

Thiết kế khay nhựa

67

59

Hình 3.44

Thiết kế khay nhựa

67

60

Hình 3.45

Thiết kế khay nhựa

67

61

Hình 3.46

Thiết kế khay nhựa

68

62

Hình 3.47

Thiết kế khay nhựa

68

63

Hình 3.48

Thiết kế khay nhựa

68

64

Hình 3.49

Thiết kế khay nhựa

69

65

Hình 3.50

Thiết kế khay nhựa

69

66

Hình 3.51

Thiết kế khay nhựa

69

67

Hình 3.52

Thiết kế khay nhựa

70

68

Hình 3.53

Thiết kế khay nhựa

70

69

Hình 3.54

Thiết kế hoàn chỉnh

71

70

Hình 4.1

Chi tiết

98

71

Hình 4.2

Bề mặt cần gia công

99

72

Hình 4.3

Bề mặt cần gia công

99

73

Hình 4.4

Workbench Surface Machine

100

74

Hình 4.5

Cây thư mục PPR

100

75

Hình 4.6

Hộp thoại Part Operation

101

76

Hình 4.7

Hộp thoại Machine Editor

101


77

Hình 4.8

Xác nhận kích thước phôi

102

78

Hình 4.9

Xác nhận phôi

103

79

Hình 4.10

Xác nhận gốc

104

80

Hình 4.11

Thư mục Manufaturing Program.1

105

81

Hình 4.12

Gia công bằng dao D8

109

82

Hình 4.13

Gia công bằng dao D3

109

83

Hình 4.14

Gia công bằng dao R3

110

84

Hình 4.15

Gia công bằng dao D32

110

85

Hình 4.16

Gia công bằng dao D3

111

86

Hình 4.17

Gia công bằng dao D32

111

87

Hình 4.18

Gia công bằng dao D3

112

88

Hình 4.19

Cây thư mục tiến trình PPR

112

89

Hình 4.20

Gia công bằng dao R3

114

90

Hình 4.21

Mô phỏng gia công chi tiết

114

91

Hình 4.22

Sản phẩm

115


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC................ 1
1.1. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM ...................................................... 1
1.1.1. Giới thiệu về CAD/CAM ..................................................................... 1
1.1.2. Đối tượng phục vụ của CAD/CAM...................................................... 3
1.1.3. Vai trò của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất ...................................... 4
1.1.4. Chức năng của CAD.............................................................................. 6
1.2. Tổng quan về điều khiển số và công nghệ CNC..................................... 7
1.2.1. Giới thiệu điều khiển số truyền thống ................................................... 7
1.2.1.1 Khái niệm điều khiển số.................................................................... 7
1.2.1.2. Lịch sử phát triển điều khiển số ....................................................... 7
1.2.1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ NC ............................................ 8
1.2.1.4. Trình tự NC ...................................................................................... 9
1.2.1.5. Các phương pháp lập trình gia công chi tiết .................................... 9
1.2.1.6. Điều khiển số hiện đại bằng máy tính .............................................. 10

1.2.1.7. Đồ họa tương tác với việc lập trình trên hệ CAD/CAM .................. 12
1.2.1.8. Ưu điểm của CAD/CAM trong lập trình NC gia công chi tiết ........ 16
1.2.2. Giới thiệu về công nghệ CNC ............................................................... 17
1.2.2.1. Các chức năng của CNC .................................................................. 17
1.2.2.2. Các ưu điểm của CNC...................................................................... 20
1.2.2.3. Phân loại các hệ thống điều khiển.................................................... 20
1.2.2.4. Hệ thống tọa độ, các điểm gốc và điểm chuẩn................................. 25


1.2.2.5. Các phương pháp nhập dữ liệu......................................................... 30
CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CATIA .......................................... 33
2.1. Tổng quan về các phần mềm CAD/CAM hiện đại ................................ 33
2.1.1. Các chức năng cơ bản của một hệ CAD hiện đại.................................. 34
2.1.1.1. Chức năng mô hình hóa.................................................................... 34
2.1.1.2. Chức năng vẽ.................................................................................... 35
2.1.1.3. Chức năng phân tích......................................................................... 35
2.1.1.4. Chức năng CAM .............................................................................. 36
2.1.2. Những công nghệ mới trong CAD ........................................................ 36
2.1.2.1. Thiết kế theo tham số (Parametric Design)...................................... 36
2.1.2.2. Thiết kế hướng đối tượng (Feature Based Design) .......................... 37
2.1.3. Phương thức chuyển đổi dữ liệu giữa các hệ phần mềm....................... 37
2.1.3.1.Truyền thông trực tiếp....................................................................... 38
2.1.3.2 Truyền thông tiêu chuẩn – dịch gián tiếp.......................................... 39
2.2. Giới thiệu phần mềm tích hợp Cad/Cam/Cae Catia ............................. 41
2.2.1. Lịch sử ra đời và phát triển phần mềm CATIA..................................... 41
2.2.2. Tình hình sử dụng CATIA trên thế giới ................................................ 43
2.2.3. Tình hình sử dụng CATIA tại Việt Nam............................................... 44
CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ SẢN
PHẨM.................................................................................................................... 47
3.1. Tổng quan về công nghệ hút chân không ............................................... 47

3.1.1. Thực chất ............................................................................................... 47
3.1.3. Công dụng.............................................................................................. 47
3.2. Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế sản phẩm khuôn hút chân
không ..................................................................................................................... 48
CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG LẬP TRÌNH GIA
CÔNG KHUÔN HÚT CHÂN KHÔNG............................................................. 72
4.1. Các công cụ lập trình gia công bề mặt chi tiết với Workbench Surface
Machine ................................................................................................................. 72


4.1.1. Chu trình gia công thô ........................................................................... 72
4.1.1.1. Chu trình gia công thô Sweep Roughing ......................................... 72
4.1.1.2. Chu trình gia công thô Roughing ..................................................... 76
4.1.2. Chu trình gia công tinh Sweeping ......................................................... 85
4.1.3. Chu trình gia công theo Contour ........................................................... 92
4.2. Ứng dụng CATIA lập trình gia công khuôn hút chân không............... 98
4.2.1. Nhập chi tiết, xác định các thông số máy, đồ gá và phôi gia công ....... 99
4.2.2. Thiết lập hoạt động gia công thô. (Create Roughing Operation) .......... 105
4.2.3. Thiết lập hoạt động gia công tinh .......................................................... 109
4.2.4 Xuất chương trình gia công NC.............................................................. 115
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
TÓM TẮT


MỞ ĐẦU
Ngày nay, 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.
Trong một hệ CAD/CAM, các phần mềm CAD/CAM/CAE là một yếu tố cấu
thành hết sức quan trọng giữ vai trò quyết định tới chất lượng cũng như thành công
khi ứng dụng hệ CAD/CAM trong quá trình sản xuất. Cùng với tiến trình phát triển
mạnh mẽ của công nghệ CAD/CAM, các phần mềm CAD/CAM cũng ngày càng
được cập nhật, bổ xung và hoàn thiện nhằm đáp ứng thực tiễn sản xuất. Có thể kể
đến một loạt các hệ phần mềm nổi tiếng, mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trên
thị trường hiện nay như: CATIA, UNI GRAPHIC, PRO ENGINEER, CAD IDES,
CIMATRON…v.v
Được xây dựng và phát triển bởi một công ty của Pháp tên là Dassault
Systems và được độc quyền phân phối, khai thác thị truờng bởi tập đoàn máy tính
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.


Học viên lựa chọn đề tài luận văn thạc sĩ “ Nghiên cứu, ứng dụng phần
mềm CATIA trong thiết kế và lập trình gia công khuôn hút chân không trên máy
phay 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 khuôn mẫu thông qua
phần mềm CATIA. Từ đây cung cấp một nhìn khái quát nhưng cũng chi tiết và cụ
thể về công nghệ CAD/CAM. Luận văn được chia thành 4 chương, với nội dung
các chương được thể hiện như sau:
- CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC.
- CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CATIA.
- CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ
SẢN PHẨM.
- CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG LẬP TRÌNH
GIA CÔNG KHUÔN HÚT CHÂN KHÔNG.
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 Nguyễn Viết Tiếp cũng như đội ngũ cán bộ Trung tâm Thực
hành Công nghệ Cơ khí - Trường ĐHBK Hà Nội đã hết sức tạo điều kiện để học
viên có thể thực tập, thiết lập chương trình cũng như thực hiện chạy thử 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 25 tháng 10 năm 2010
Học viên
Thân Hoàng Bảo Lâm


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/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.
Nhằm khai thác các công cụ hữu ích, những ứng dụng tin học trong chế tạo
không chỉ hạn chế trong các phần mềm đồ hoạ hiển thị và quản lý mà còn sử dụng

1

việc lập trình và điều khiển các máy công cụ điều khiển số, do vậy đòi hỏi khi thực
hiện phải nắm vững các kiến thức về kỹ thuật gia công.
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
liệutin 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

2

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.
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).
Cơ sở dữ liệu của CIM phải toàn diện và đồng bộ, nghĩa là phải có toàn bộ dữ
liệu liên quan đến quá trình sản xuất, từ khi chuẩn bị, bắt đầu, đến khi kết thúc sản
xuất.
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.

3


Hiện nay, qua phân tích tình hình thiết kế ta thấy rằng 90% thời lượng
thiết kế là để tra cứu số liệu cần thiết mà chỉ có 10% thời gian dành cho lao động
sáng tạo và quyết định phương án, do vậy các công việc trên có thể thực hiện bằng
máy tính điện tử để vừa tiết kiệm thời gian vừa đảm bảo độ chính xác và chất
lượng.

CAD/CAM là lĩnh vực nghiên cứu nhằm tạo ra các hệ thống tự động thiết kế
và chế tạo trong đó máy tính điện tử được sử dụng để thực hiện một số chức năng
nhất định.
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.
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

4


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.
1.1.4. Chức năng của CAD.
Khác biệt cơ bản với qui 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.

5


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)
- Giảm đáng kể thời gian mô phỏng hình học bằng cách tạo mô hình hình học
theo cấu trúc mặt cong từ dữ liệu số.
- Chức năng mô phỏng hình học mạnh, có khả năng mô tả những hình dáng
phức tạp nhất.
- Khả năng mô hình hoá cao cho các phương pháp phân tích, cho phép lựa

chọn giải pháp kỹ thuật tối ưu.

6


1.2. Tổng quan về điều khiển số và công nghệ CNC
1.2.1. Giới thiệu điều khiển số truyền thống.
1.2.1.1 Khái niệm điều khiển số.
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 điêu fkhiển số phát triển cực kỳ nhanh chóng trong công
nghiệp gia công kim loại nửa sau thế kỷ XX đến nay.
1.2.1.2. 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 diến 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

7


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
nghành công nghiệp khác cũng không bỏ lỡ cơ hội nghiên cứu các máy điều khiển
số nhằm đáp ứng nhu cầu riêng của nghành mình. Không lực Hoa Kỳ tiếp tục
hưởng ứng cho việc phát triển NC banừg 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. Được đánh giá là công kềnh đối với nhiều loại máy tính, tuy nhiên
APT cũng đã mang lại những khả năng và hiệu quả to lớn. 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.
1.2.1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ NC.
Một hệ NC bao gồm có ba thành phần cơ bản sau đây:
- Chương trình gồm các lệnh
- Bộ phận điều khiển (CU) hay còn được gọi là bộ điều khiển máy (MCI –

Machine Control Unit)
- 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.

8


1.2.1.4. Trình tự NC.
Để sử dụng NC trong lĩnh vực chế tạo, cần phải thực hiện các bước sau đây:
+ Lập trình công nghệ.
Bản vẽ kỹ thuật (còn gọi là bản vẽ chế tạo) của chi tiết gia công phải được
diễn giải thành bản quy trình công nghệ. Đây là một bản liệt kê trình tự các nguyên
công phải được thực hiện trên chi tiết.
+ Lập trình gia công.
Người lập trình gia công chi tiết có trách nhiệm vạch ra quy trình công nghệ
cho nhứng 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 giac 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 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.
- 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 thử 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 trương hợp như vậy, máy tính sẽ giúp tiết kiệm rất lơn thời gian lập
trình.
1.2.1.5. Các phương pháp lập trình gia công chi tiết
+ Lập trình vật làm theo lối thủ công.
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

9


thảo có nhiều dạng, tùy theo máy công cụ và khuôn mẫu dạng băng nào được dùng.
Chẳng hạn, mẫu bản thảo dùng cho một máy khoan hai trục P – T – P khác với mẫu
bản thảo dùng cho máy ba trục cắt theo đường vòng. Bản thảo là một danh sách các
vị trí tương đối giữa dụng cụ cắt và vật làm. Ngoài ra no còn chứa các dữ liệu khác
như lệnh chuẩn bị, các lệnh phụ trợ, các thông số kỹ thuật như tốc độ cắt, lượng
chạy dao – tất cả những dữ liệu đó là cần thiết để vận hành máy dưới sự điều khiển
của băng.
Có thể chia các công việc lập trình thử công thành hai loại:
-

lập trình điểm tới điểm (P – T - P)

-

lập trình theo đường bao vòng.
Trừ trường hợp với những chi tiết gia công phức tạp có nhiều lỗ khoan là

không thich hợp với lập trình thủ công, còng nói chung phương pháp này thích hợp

nhất với những vật làm không phức tạp mà lại có nhiều lỗ cân gia công. Ngược lại
trừ những công việc phai và tiên đơn giản nhất ra, lập trình thủ công sẽ không hợp
lý với công việc căt gọt theo đường bao vòng vì rất tôt thời gian cho công việc lập
trình và độ chính xáclại không cao. Do vậy ta chỉ đề cập tới lập trình thủ công đối
với nguyên công cắt gọt P – T – P mà thôi. Còn nguyên công cắt gọt theo đường
bao vòng thì rất phù hợp với phương pháp lập trình có máy tính trợ giúp.
+ Lập trình chi tiết gia công dưới sự trợ giúp của máy tính.
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.
1.2.1.6. 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

10


như không có sụ 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
tính). Máy tính thực hiện một số hoặc toàn bộ chức năng NC cơ bản nhờ các
chương trình lưu trữ trong bộ nhớ của nó . Một trong các đặc điểm nổi bật của CNC
là mỗi máy tính được dùng để điều khiển một máy công cụ, trong khi DNC sử dụng
một máy tính lớn để điều khiểnnhiều máy công cụ khác nhau.
Quá trình phát triển và cải thiện công nghệ điều khiển số gắn liền với quá trình
phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính nhằm khắc phục những hạn chế mà
công nghệ điều khiển số truyền thông đã gặp phải. Các hạn chế này gồm có:
- 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
xót. 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.
Công nghệ máy tính phát triển cho ra đời các máy vi tính kích thước nhỏ bé và
tốc độ sử lý ngày càng cao. Do vậy, chẳng bao lâu sau, ý tưởng sử dụng một máy

11

tính cho một máy công cụ đã trở thành hiện thực. Ý tưởng này sau đó được gọi là
điều khiển số bằng máy tính hay CNC – Computer Numerical Control. Những thế
hệ CNC đầu tiên được bán ở thị trường là vào khoảng năm 1970, với các ưu điểm
nổi trội nhờ ứng dụng bộ điều khiển kết nối mềm . một bộ điều khiển bằng máy tính
tiêu chuẩn có thể được điều khiển thích nghi với các loại máy công cụ khác nhau
bằng cách lập trình các chức năng điều khiển rồi đưa vào bộ nhớ của máy tính của
máy công cụ đó. Ngày nay, do tính ưu việt của CNC nên rất hiếm có các hệ NC kết
nối cứng còn tồn tại và lưu hành trên thị trường.
Những tiến bộ lớn trong công nghiệp máy tính đã không ngừng cung cấp
những công cụ điều khiển số có kích thước ngày càng bé mà tốc độ và khả năng
ngày càng cao với giá thành ngày càng rẻ hơn. Điều đó cho phép các nhà thiết kế
chế tạo máy công cụ thiết kế ra các bản mạch CNC với tư cách là một bộ phận tích
hợp của máy công cụ chứ không phải là một hộp đieùe khiển độc lập đứng tách rời.
nhò vậy, diện tích dành để đạt máy đã giảm đi rất nhiều. Các mạch VLSI (Very
Large Scale Integrated) được sử dụng vào các bộ phận điều khiển này tạo thuận lợi
lớn cho các nhà thiết kế cũng như người vận hành máy công cụ. bộ điều khiển có ít
phần tử hơn cũng có nghĩa là ít tốn kém hơn và dễ chế tạo hơn đối với các nhà thiết
kế chế tạo máy công cụ.
1.2.1.7. Đồ họa tương tác với việc lập trình trên hệ CAD/CAM.
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 tiên 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 xấy 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.

12

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:
+ 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 đoan CAD thì
nhất định nó phải đựơc xây dựng trên màn hình đồ họa trứớc 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 hình học
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.

13