Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã gia công phay CNC 5 trục cho phần mềm CAM

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

HỒ VIỆT ANH

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ TẠO MÃ GIA CÔNG
PHAY CNC 5 TRỤC CHO PHẦN MỀM CAM
CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH : CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS, HOÀNG VĨNH SINH

HÀ NỘI - 2014


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ iii
DANH CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ..................................... iv
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỂ CÔNG NGHỆ CAD/CAM ................................... 4
1.1. Tổng quan ......................................................................................................... 4
1.1.1. Lịch sử phát triển của CAD/CAM ............................................................... 4
1.1.2. Các quá trình trong thiết kế trợ giúp bằng máy tính .................................... 5
1.1.3. Thông tin dữ liệu trong CAD/CAM ............................................................. 6
1.1.4. Phần cứng trong hệ thống CAD/CAM ......................................................... 7

1.1.5. Phần mềm trong hệ thống CAD/CAM ......................................................... 8
1.1.6. Mô hình hình học trong CAD/CAM ............................................................. 9
1.1.7. Mô phỏng trong CAD/CAM ...................................................................... 11
1.2. Cơ sở tính toán đường dụng cụ trong gia công phay ........................................ 11
1.2.1. Khái niệm về đường dụng cụ ..................................................................... 11
1.2.2. Dụng cụ phổ biến trong gia công phay...................................................... 11
1.2.3. Một số phương pháp tính đường dụng cụ .................................................. 13
CHƯƠNG 2. BỘ ĐIỀU KHIỂN HAIDENHAIN ITNC 530 DÙNG CHO MÁY
PHAY 5 TRỤC ........................................................................................................ 20
2.1. Cấu trúc của một chương trình Heidenhain ...................................................... 20
2.1.1. Cấu trúc của một câu lệnh chương trình ................................................... 21
2.1.2. Cấu trúc của một từ chương trình ............................................................. 21
2.1.3. Các chức năng dịch chuyển, các chu trình. ............................................... 21
2.1.4. Các chức năng vận hành máy ................................................................... 22
2.2. Cấu trúc động học của máy phay 5 trục Mikron UCP 600 ............................... 27
2.2.1. Cấu trúc của máy CNC. ............................................................................ 27
2.2.2. Hệ trục tọa độ tiêu chuẩn. ......................................................................... 28
i


2.2.3. Hệ trục tọa độ của máy phay 5 trục Mikron UCP 600. .............................. 29
2.2.4. Vị trí điểm gốc .......................................................................................... 30
2.2.5. Ma trận Denavit – Hartenberg. ................................................................. 31
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU LẬP BỘ POST PROCESSOR ............................... 33
3.1. Tổng quan ....................................................................................................... 33
3.2. Post processor trong Cimatron ......................................................................... 35
3.2.1. GPP-Post .................................................................................................. 36
3.2.2. Các tiến trình để tạo GPP-Post ................................................................. 37
3.2.3. Các chỉ dẫn về DFPost ............................................................................. 38
3.2.4. Các phần của DFPost ............................................................................... 39

3.2.5. Cấu trúc file chương trình Post processor ................................................. 45
3.2.6. Biên dịch file chương trình Post processor ................................................ 45
3.2.7. Các biến số và hằng số ............................................................................. 45
3.2.7.3. Các hằng ký tự ....................................................................................... 47
3.2.7.4. Các ký tự điều khiển ............................................................................... 48
3.3. Xây dựng bộ Post processor cho phay ............................................................. 49
3.3.1. Áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg cho máy Mikron UCP 600..... 49
3.3.2. Chương trình ............................................................................................ 53
3.4. Kiểm nghiệm bộ Post processor trong môi trường NC của Cimatron ............... 63
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 72
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................. 73
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 73

ii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Bảng So Sánh, Đánh Giá Các Phương Pháp Sinh Đường Dụng Cụ ........... 18
Bảng 2.1: Một Số Chức Năng Vận Hành Máy ............................................................ 26
Bảng 3.1: Bảng Tham Số Trạng Thái Denavit-Hartenberg ........................................ 50
Bảng 3.2: So Sánh Giữa Giá Trị Trính Toán Và Giá Trị Trong Máy Của Góc C ....... 59
Bảng 3.3: Bảng So Sánh Giá Trị Góc A Giữa Tính Toán Và Mong Muốn .................. 59

iii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Thông Tin Dữ Liệu Trong Cad/Cam ............................................................. 7
Hình 1.2: Phần Cứng Trong Cad/Cam ......................................................................... 8
Hình 1.3: Các Dạng Đường Dụng Cụ ........................................................................ 11

Hình 1.4: Các Loại Dao Phay Phổ Biến..................................................................... 12
Hình 1.5: Các Thông Số Của Dụng Cụ ...................................................................... 12
Hình 1.6: Hiện Tượng Va Chạm Khi Tính Đường Dụng Cụ ....................................... 14
Hình 1.7: Các Phương Pháp Sinh Đường Định Vị Định Cụ Cl .................................. 15
Hình 1.8: Phương Pháp Cc Với Dao Đầu Phẳng ....................................................... 15
Hình 1.9: Các Dạng Đường Tiếp Xúc Theo Các Phương Pháp Khác Nhau ............... 16
Hình 1.10: Hình Dáng Các Đường Dụng Cụ 2d......................................................... 17
Hình 2.1: Cấu Trúc Một Khối Chương Trình ............................................................. 20
Hình 2.2: Chiều Dài Dao Và Đường Kính Dao .......................................................... 23
Hình 2.3: Cách Xác Định Chiều Dài Dao .................................................................. 24
Hình 2.4: Chênh Lệch Chiều Dài Và Bán Kính Dao................................................... 25
Hình 2.5: Máy Phay 5 Trục Mikron Ucp 600. ............................................................ 27
Hình 2.6: Mô Hình Mô Phỏng Của Máy Phay 5 Trục Mikron Ucp 600. ..................... 27
Hình 2.7: Hệ Tọa Độ Trên Máy Cnc .......................................................................... 28
Hình 2.8: Hệ Tọa Độ Trên Máy Cnc Và Chuyển Động Của Các Trục........................ 29
Hình 2.9: Hệ Trục Tọa Độ Của Máy Mikron Ucp 600 ............................................... 30
Hình 3.1: Sơ Đồ Định Nghĩa Bộ Hậu Vi Xử Lý .......................................................... 34
Hình 3.2: Lưu Đồ Thể Hiện Các Bước Xây Dựng Một Bộ Hậu Vi Xử Lý Trong
Cimatron ................................................................................................................... 36
Hình 3.3: Hướng Chuyển Động Của Các Trục........................................................... 50
Hình 3.4: Mô Hình Động Học.......................................................................................50
Hình 3.5: Thêm Hệ Tọa Độ F(Xp, Yp, Zp) .................................................................. 52
Hình 3.6: Tính Toán Các Góc Của Các Véc Tơ Đơn Vị...............................................62
Hình 3.7: Hướng Các Trục Quay Của Máy Mikron ................................................... 57
Hình 3.8: Hướng Của Các Góc .................................................................................. 58
iv


Hình 3.9: Mô Hình Chi Tiết ....................................................................................... 64
Hình 3.10: Định Nghĩa Đường Dụng Cụ .................................................................... 65

Hình 3.11: Tạo Phôi Cho Chi Tiết ............................................................................. 65
Hình 3.12: Các Thủ Tục Gia Công Nc Trong Cimatron ............................................. 65
Hình 3.13: Tạo G-Code Từ Đường Dụng Cụ Bằng Post Processor ............................ 66

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

Ký
hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt
Là tập hợp tất cả các phần tử điều khiển và áp dụng các

AC

Adaptive Control

đặc tính tự thích nghi vào hệ thống điều khiển hay đảm
bảo sự tự động sửa chữa các lỗi trong trường hợp có
một thông tin không đầy đủ.

APT

Automatichcally

Là một hệ thống lập trình chi tiết đa chức năng mạnh

Programed Tool

nhất. Nó bắt đầu phát triển vào năm 1956 ở Mỹ.

American
ASCII

Standard Code for
Information
Interchange

CAD

CAE

CAM

CAP

CIM

Computer Aid
Design
Computer Aid
Engineering

thuật số để trình bày các ký tự chức năng khác cần cho
việc truyền dữ liệu.
Sử dụng máy tính vào việc thiết kế tự động.

Sử dụng máy tính vào việc mô hình hóa tự động.

Computer Aid

Sử dụng máy tính vào quản lý, điều khiển và vận hành

Manufacturing

sản xuất.

Computer Aided
Planning

Sử dụng máy tính vào việc lập kế hoạch.

Computer

Sự liên kết toàn bộ giữa CAD và CAM vào một quá

Intergraded

trình được giám sát và điều khiển hoàn toàn bằng máy

Manufacturing
CLD

Code mã nhị phân được ứng dụng phổ biến trong kỹ

Cutter Location
Data

tính.
Dữ liệu về dụng cụ cắt.

vi


Computer
CNC

Numerical
Control

Hệ thống dựa trên máy vi tính, chứa một hoặc một vài
máy vi tính (bộ vi xử lý) trong đó các phần mềm giữ
chức năng thi hành các thuật toán của việc điều hành
máy công cụ.
Phương pháp điều khiển hoặc hệ thống điều khiển một

NC

Numerical

máy công cụ bằng các lệnh ở dạng số, thông tin được

Control

ghi lại bằng ký tự nhờ sử dụng mã số và chữ cái hay
phím chức năng.

vii


MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay con người đang chứng kiến rất nhiều những tiến bộ của
khoa học kỹ thuật. Một trong những thành tựu quan trọng nhất của khoa học kỹ thuật
đó chính là tự động hoá quá trình sản xuất, tự động hoá sản xuất đã đưa đến hình thức
sản xuất linh hoạt. Ở các nước có nền công nghiệp phát triển, sản xuất linh hoạt có thể
thay thế có hiệu quả lao động đắt giá, điều này là rất quan trọng đối với nhiều nước
đang phát triển, đang dựa vào chi phí lao động thấp để cạnh tranh giá cả trên thị
trường.
Trong dây chuyền sản xuất linh hoạt thì máy công cụ điều khiển số CNC đóng
một vai trò rất quan trọng. Sử dụng máy công cụ điều khiển số cho phép giảm khối
lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời
rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Chính vì vậy hiện nay nhiều nước trên thế giới đã và
đang ứng dụng rộng rãi các máy điều khiển số vào lĩnh vực cơ khí chế tạo.
Ở Việt Nam hiện nay, các máy CNC đang được nhập khẩu và sử dụng rộng rãi để
chế tạo ra các chi tiết cơ khí, đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết
phục vụ công nghiệp quốc phòng. Chúng ta cũng đang có những mục tiêu quốc gia
nhằm mục đích tự chế tạo máy công cụ điều khiển số CNC. Để đạt được mục tiêu sản
xuất được máy CNC đòi hỏi phải có nhiều bước đi, một trong những bước đó là đào
tạo đội ngũ cán bộ kỹ thuật có trình độ hiểu biết về máy công cụ và điều khiển máy
công cụ CNC. Qua quá trình học tập và trau dồi kiến thức tại trường, em đã quyết định
chọn CNC làm định hướng cho đồ án tốt nghiệp của mình.
Trong luận văn tốt nghiệp ngành cơ điện tử, đề tài em đã chọn để thực hiện là
“Nghiên cứu xây dựng bộ tạo mã gia công phay CNC 5 trục cho phần mềm CAM”.
Post processor là một chương trình hậu sử lý, nó xử lý trực tiếp dữ liệu đường
tâm dao từ chương trình xử lý (processor) thành tập hợp các lệnh được thiết kế cho
một hệ thông máy công cụ NC cụ thể. Những đặc điểm của máy công cụ này sẽ được
xem xét bởi chương trình hậu xử lý và chuyển thành ngôn ngữ của chương trình hậu

xử lý của thiết bị điều khiển máy công cụ đó. Chương trình hậu xử lý sẽ xem xét mẫu
đầu vào, được yêu cầu bởi đơn vị điều khiển riêng và gán các mã xác định cho các tốc
độ riêng biệt, các tỉ số tiến dao, các thông tin điều khiển theo các đặc tính riêng của máy.
1


Cimatron là phần mềm được phát triển bởi hãng CIMATRON CO ., Ltd. Đây là
một phần mềm tích hợp CAD/CAM dùng cho lĩnh vực thiết kế gia công cơ khí hàng
đầu của thế giới. Phần mềm Cimatron do nhóm chuyên gia của Nhật Bản và Israel hợp
tác xây dựng từ năm 1990, một gói phần mềm Cimatron bao gồm tất cả các yếu tố
phục vụ đầy đủ nhu cầu của một người kỹ sư thiết kế từ việc xây dựng mô hình đến
mô phỏng gia công hay làm khuôn. Khác với các phần mềm CAD/CAM khác như
Catia, Pro/Engineer…Cimatron đặc biệt nổi trội trong khả năng thực hiện gia công
CNC và thiết kế khuôn.
Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, đến nay em đã hoàn thành nội dung
của bản luận văn. Vì thời gian hoàn thành luận văn có hạn, đồng thời do khả năng và
kinh nghiệm bản thân còn hạn chế đối với một đề tài mới mẻ với bản thân nên chắc
rằng trong luận văn còn có những thiếu sót, tồn tại. Em mong được sự chỉ bảo của mọi
người để kết quả tìm hiểu, nghiên cứu của luận văn được hoàn thiện hơn. Nhân dịp
này em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS. Hoàng Vĩnh Sinh đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này. Những góp ý chỉ bảo của thầy
đã giúp em rất nhiều trên con đường định hướng ứng dụng những kiến thức CNC vào
thực tế sản xuất.

2


LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Gia công trên các máy phay CNC hiện nay đã trở thành phổ biến nhờ những ưu
điểm của chúng: chính xác, nhanh chóng, phù hợp với mọi loại hình sản xuất và đặc

biệt là khả năng thích ứng với nhiều loại sản phẩm có độ phức tạp cao.
Phần mềm CAD/CAM là công cụ không thể thiếu khi sử dụng máy CNC. Nó tạo
ra mã gia công (G-code) dựa trên bản thiết kế để điều khiển trực tiếp máy CNC hoạt
động theo đúng ý đồ thiết kế.
Bộ Post-processor là 1 bộ biên dịch từ đường chạy dao tính toán được trong phần
mềm CAM, dựa vào cấu trúc động học của máy để sinh ra mã gia công.
Các hệ phần mềm CAD/CAM phổ biến đều cung cấp bộ post-processor cho gia
công phay CNC 3 trục. Riêng với 5 trục thì không có sẵn mà phải mua bổ sung kèm
theo những công đoạn thiết lập tham số rất phức tạp và kinh phí thường rất lớn, từ
18.000USD đến 30.000USD / bộ / máy.
Như vậy, đề tài sẽ giải quyết được các nghiên cứu về cấu trúc động học của máy
cũng như đáp ứng được nhu cầu của các doanh nghiệp sản xuất trong nước.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỂ CÔNG NGHỆ CAD/CAM
1.1. Tổng quan
1.1.1. Lịch sử phát triển của CAD/CAM
Nhờ sự phát triển của công nghệ máy tính, các nhà sản xuất muốn tự động quá
trình thiết kế và muốn sử dụng cơ sở dữ liệu này cho qúa trình tự động sản xuất. Đây
là ý tưởng cho ngành khoa học CAD/CAM ra đời. CAD/CAM được hiểu là sử dụng
máy tính trong quá tình thiết kế và sản xuất hay theo thuật ngữ tiếng Anh là máy tính
trợ giúp thiết kế và sản xuất. Từ sự ra đời của CAD/CAM, các lĩnh vực khác của việc
ứng dụng máy tính cũng đã phát triển theo như:

• Đồ hoạ máy tính: CG
• Công nghệ trợ giúp bằng máy tính: CAE
• Thiết kế và phác họa trợ giúp bằng máy tính: CADD
• Quá trình sản xuất trợ giúp bằng máy tính: CAPP

Tất cả những lĩnh vực sinh ra đó đều liên quan tới những nét đặc trưng của quan
niệm về CAD/CAM. CAD/CAM là một lĩnh vực rộng lớn nó là trái tim của nền sản
xuất tích hợp và tự động .
Lịch sử phát triển của CAD/CAM gắn liền với sự phát triển của công nghệ máy
tính và kỹ thuật đồ hoạ tương tác (ICG). Vào cuối những năm 1950 đầu những năm
1960 CAD/CAM có những bước phát triển đáng kể, khởi đầu có thể nói là tại
Massachusetts Institute of Technology (MIT) - Mỹ với ngôn ngữ lập trình cho máy
tính APT (Automatically Programmed Tools). Mục đích của APT là để lập trình cho
máy điều khiển số, nó được coi như là một bước đột phá cho tự động hoá quá trình sản
xuất.
Những năm 1960 đến 1970 CAD tiếp tục phát triển mạnh, hệ thống Turnkey
CAD được thương mại hoá, đây là một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm phần cứng, phần
mềm, bảo trì và đào tạo, hệ thống này được thiết kế chạy trên mainframe và
minicomputer. Tuy nhiên khả năng xử lý thông tin, bộ nhớ và ICG của mainframe và
minicomputer hạn chế nên các hệ CAD/CAM thời kỳ này kém hiệu quả, giá thành cao
và chỉ được sử dụng trong một số rất ít lĩnh vực.
Năm 1983 máy tính IBM-PC ra đời, đây là thế hệ máy tính lý tưởng về khả năng
4


xử lý thông tin, bộ nhớ, đồ hoạ cho CAD/CAM. Điều này tạo điều kiện cho các hệ
CAD/CAM phát triển rất nhanh chóng.
Cuối những năm 1990 là thời kỳ CAD/CAM đạt đến những thành tựu đáng kể,
rất nhiều phần mềm đồ sộ được tung ra thị trường và ứng dụng rộng rãi trong thiết kế
và sản xuất của nhiều ngành công nghiệp.
Hiện nay các phần mềm CAD/CAM nổi tiếng đang có mặt trên thị trường như:
CIMATRON-Israel; DELCAM-Anh; Pro-Engineer-Mỹ; Uni-Graphics- Mỹ;
SURFCAM- Mỹ; MasterCAM-Mỹ...
Phần mềm CAE xuất hiện sau CAD/CAM, khi mà những đòi hỏi về chất lượng
của sản phẩm rất cao. Moldflow (Australia) và Moldex (Taiwan) là 2 phần mềm điển

hình..
1.1.2. Các quá trình trong thiết kế trợ giúp bằng máy tính

• Thiết kế mô hình hình học (design modeling)
• Phân tích mô hình (design analysis)
• Thẩm định thiết kế (design review)
• Kết xuất tài liệu thiết kế (design documentation)
1.1.2.1. Thiết kế mô hình hình học
Thiết kế mô hình hình học của một chi tiết là quá trình xây dựng mô hình toán
học của chi tiết đó trên máy tính. Mô hình toán học này được chuyển sang dạng đồ hoạ
và hiển thị trên màn hình. Quá trình bắt đầu khi người thiết kế tạo các hình ảnh đồ hoạ
bằng các tiện ích của ICG, các hình ảnh được tạo bởi các điểm, đường thẳng, đường
tròn và đường cong. Các hình ảnh xuất hiện trên màn hình được máy tính lưu trữ bằng
các toạ độ của mô hình toán học.
Khi hiệu chỉnh các đối tượng thiết kế thì trước tiên máy tính tính toán lại mô hình
hình học thông qua mô hình toán học sau đó thay đổi sự hiển thị trên màn hình.
Mô hình hình học có thể biểu diễn 1 trong 3 dạng: 2D, 2.5D và 3D. Mô hình 3D
có thể là khung dây (wire-frame) hay khối rắn (solid).
Kỹ thuật đồ hoạ cho phép quan sát mô hình thiết kế một cách tốt nhất thông qua
việc biểu diễn các đối tượng vẽ bằng màu và kỹ thuật tô bóng (render).

5


1.1.2.2. Phân tích mô hình hình học
Việc phân tích mô hình sau thiết kế được thực hiện nhờ phần mềm CAD/CAM.
Điều này làm cho công việc phân tích trở nên đơn giản hơn nhiều so với toán học
thông thường và cho kết quả đáng tin cậy trong một thời gian nhanh chóng, nhờ vào
kết quả đó mà người thiết kế sẽ hiệu chỉnh lại thiết kế cho phù hợp. Tuỳ theo tính năng
và yêu cầu của chi tiết mà sự phân tích có thể là những quá trình sau: Phân tích nhiệt,

áp suất, ứng suất, biến dạng, cong vênh, khả năng điền đầy khuôn, quá trình đông
đặc...
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ toán học quan trọng trong
các bài toán phân tích. Phương pháp này chia tự động chi tiết thành nhiều phần nhỏ
hình tam giác hay chữ nhật nối tiếp nhau rồi phân tích từng phần nhỏ đó. Kết quả của
quá trình phân tích có thể là một bảng báo cáo (report), một bức tranh điền đầy hay
một mô hình chi tiết đã bị cong, hay biến dạng được đặt trùng với mô hình lý thuyết,
từ đó người thiết kế sẽ nhìn thấy những vị trí biến dạng cực đại và điều chỉnh thiết kế.
Ví dụ Moldex và Mold- flow là các phần mềm CAE chuyên phân tích quá trình điền
đầy khuôn, cong vênh, nhiệt, áp xuất. ANSYS - chuyên phân tích ứng xuất và biến
dạng...
1.1.2.3. Thiết kế thẩm định
Quá tình này kiểm tra lại độ chính xác của tất các các yếu tố, khía cạnh (aspects)
trong bản thiết kế như: kích thước, phân lớp (layers) các đối tượng theo tính năng,
kiểm tra va chạm, cắt lẹm. Một số công việc kiểm tra có thể sử dụng kỹ thuật mô
phỏng đồ hoạ.
1.1.2.4. Kết xuất tài liệu thiết kế
Đây là giai đoạn kết xuất các tài liệu kỹ thuật, bản vẽ chế tạo, quy trình công
nghệ, bảng vật liệu, film mô phỏng...Các tài liệu này có thể được kết xuất tự động hoặc
bán tự động và được lưu trữ cùng bản thiết kế mô hình theo dự án (project). Chúng
được cập nhật khi mô hình thiết kế thay đổi.
1.1.3. Thông tin dữ liệu trong CAD/CAM
Vấn đề cốt yếu trong giao tiếp CAD/CAM là giao tiếp giữa thiết kế và sản xuất
trên cơ sở dữ liệu dùng chung. Mô hình toán học, mô hình đồ hoạ, bảng thông số kỹ
6


thuật của vật liệu, dung sai... là các dữ liệu dùng chung của CAD và CAM được lưu trữ
trong cơ sở dữ.liệu của một dự án thiết kế và chế tạo. Trong thiết kế và sản xuât thủ
công truyền thống thì dữ liệu được thông qua các tài liệu kỹ thuật, bản vẽ. Người thiêt

kê đưa ra kết quả cuối cùng là bản vẽ chế tạo và người sản xuất tiếp nhận bản vẽ đó để
chế tạo sản phẩm.
Với phương pháp cổ điển bộ phận sản xuất không thể truy cập thông tin khi bộ
phận thiết kế chưa hoàn thành công việc, điều này dẫn đến quá trình làm việc năng
xuất thấp, thời gian kéo dài. Với công nghệ CAD/CAM do dữ liệu là dung chung nên
tại bất cứ thời điểm nào bộ phận sản xuất cũng có thể truy cập dữ liệu từ bản vẽ thiết
kế để lấy thông tin, từ các thông tin đó bộ phận sản xuất có thể chuẩn bị: kế hoạch sản
xuất, đặt vật tư, lập chương trình NC (hình 1.1). Do vậy khi giai đoạn thiết kế kết thúc
cũng là lúc mà quá trình sản xuất đã sẵn sàng.

Hình 1.1: Thông tin dữ liệu trong CAD/CAM
1.1.4. Phần cứng trong hệ thống CAD/CAM
CPU (Central Processing Unit), hay còn gọi là thiết bị nhập dữ liệu, thiết bị xuất
dữ liệu, thiết bị nhớ dữ liệu là các phần cứng cơ bản trong các hệ CAD/CAM. Một PC
thông thường với các thiết bị ngoại vi tối thiểu gồm bàn phím, con chuột, màn hình và
một ổ đĩa mềm đã có thể đủ để một số phầm mềm CAD/CAM làm việc nhưng rất khó
thực hiện được việc thiết kế và chế tạo cho các dự án lớn, phức tạp. Để tăng năng xuất
và chất lượng thiết kế người ta đã tạo ra nhiều phần cứng mở rộng cho CAD/CAM
(hình 1.2) ví dụ như:
Đầu vào

Hiển thị

7

Đầu ra


Hình 1.2: Phần cứng trong CAD/CAM

* Thiết bị nhập liệu phổ biến nhất là con chuột và bàn phím, nhưng các thiết bị
này không đủ khả năng để nhập thông tin của các đối tượng thiết kế phức tạp như mô
hình của một pho tượng chẳng hạn, để nhập thông tin cho các đối tượng phức tạp như
vậy phải sử dụng thiết bị số hoá ghép nối với máy tính như máy đo toạ độ 3D, máy
scaner laser 4D...

* Để sử dụng cho các nhà thiết kế chuyên nghiệp người ta đã chế tạo ra các bảng
số hoá trên đó là toàn bộ các chức năng của phần mềm và vùng đồ hoạ ghép nối với
phần mềm CAD/CAM gọi là tablet.
Lưu ý rằng trong phần cứng của hệ CAD/CAM không bao gồm các máy công cụ
vì kết thúc của giai đoạn CAM là kết xuất ra các chương trình gia công NC (NCCODE).
1.1.5. Phần mềm trong hệ thống CAD/CAM
Phần mềm cho phép người sử dụng điều khiển phần cứng để khai thác những tính
năng kỹ thuật của cả hệ thống phục vụ cho thiết kế và sản xuất. Có thể chia ra 5 tác vụ
chính mà phần mềm cho phép chúng ta làm việc trên hệ thống CAD/CAM đó là:
Chức năng nhập dữ liệu: Mỗi phần mềm được thiết kế theo một phương pháp
8


nhập dữ liệu khác nhau. Khả năng tương tác tốt giữa người sử dụng và máy tính nói
lên rằng phần mềm đó có các chức năng nhập dữ liệu tốt.
Chức năng hiệu chỉnh: Bao gồm các chức năng như xoá, thay thế hay sửa đổi
thuộc tính...
Chức năng biến đổi hình ảnh: Bao gồm các chức năng như: di chuyển, quay,
thu phóng
Chức năng điều khiển màn hình: Bao gồm các chức năng như: Zoom, Pan, ẩn
nét khuất, tô bóng, thay đổi điểm nhìn...
Chức năng xuất dữ liệu: Bao gồm các chức năng kết xuất dữ liệu bản vẽ, tài liệu
văn bản kỹ thuật ra máy in hay các thiết bị ngoại vi khác và khả năng kết xuất dữ liệu
cho các phần mềm khác.

Các tác vụ trên chỉ cho chúng ta đánh giá về mặt hình thức của một phần mềm
còn phần quan trọng nhất trong phần mềm là các thuật toán tính toán trong đó có tối
ưu hay không? Độ tin cậy của các kết quả tính toán ra sao? Điều này chỉ các nhà viết
chương trình mới biết còn người sử dụng muốn biết chỉ có thể đưa ra các bài toán cụ
thể để kiểm tra.
1.1.6. Mô hình hình học trong CAD/CAM
Để biểu diễn các vật thể trên máy tính, việc đầu tiên là phải mô hình toán học
được vật thể đó. Sau đó sử dụng kỹ thuật đồ hoạ máy tính để hiển thị vật thể trên màn
hình. CAD/CAM dựa vào toán học và kỹ thuật đồ hoạ máy tính để biểu diễn các vật
thể trong không gian thiết kế gọi là các mô hình hình học (geometric modeling) của
vật thể được biểu diễn.
Các hệ CAD/CAM có khả năng biểu diễn các đối tượng đồ hoạ trong không gian
2D, 2.5D và 3D.
1.1.6.1. Biểu diễn 2D
Các hệ thống đầu tiên chỉ có khả năng biểu diễn 2D, đây là một nhược điểm rất
lớn vì nó gây ra nhiều lỗi trong quá trình sản xuất do khả năng quan sát hình ảnh kém
và lượng thông tin không đầy đủ. Các bản vẽ 2D nói chung sử dụng hơn 2 hình chiếu
ví dụ chiếu đứng, chiếu bằng, chiếu cạnh. Bộ phận sản xuất lấy thông tin để chế tạo
sản phẩm dựa vào các hình chiếu đó nên phải tưởng tượng ra sản phẩm thật trong
9


không gian, điều này gây ra những khó khăn nhất định vì không phải bất cứ ai cũng có
sự tưởng tượng tốt.
1.1.6.2. Biểu diễn 2.5D
Đây là phương pháp biểu diễn tốt hơn 2D, các đối tượng biểu diễn được gán thêm
chiều dày làm cho việc quan sát hình ảnh tốt hơn.
1.1.6.3. Biểu diễn 3D
Đây là xu thế tất yếu của CAD/CAM. Biểu diễn 3D làm cho việc quan sát hình
ẩnh trên màn hình đồ hoạ gần giống nhất với chi tiết thực, điều này tạo thuận lợi hơn

cho việc thiết kế và chế tạo các chi tiết. Các chi tiết được biểu diễn 3D gọi là các mô
hình, hay các chi tiết được mô hình hoá. Biểu diễn 3D bao gồm 2 loại: khung dây
(wire-frame) và khối rắn (solid). Mô hình khung dây thể hiện ít thông tin hơn mô hình
khối rắn nhưng việc xử lý trên máy tính thì nhanh hơn và không đòi hỏi cấu hình máy
phải cao lắm. Mức độ cao nhất của mô hình khung dây là biểu diễn vật thể bằng các bề
mặt (surfaces) hiện nay các phân mêm CAD/CAM đã đạt đến độ hoàn hảo cho việc
biểu diễn vật thể bằng mô hình bề mặt. Mô hình khối rắn là mô hình thật của chi tiết,
nó chứa đựng cả thông tin bên trong và bề mặt chi tiết. Có 2 xu hướng nghiên cứu mô
hình khối rắn đó là:
Hình học khối rắn cơ bản (constructive solid geometry – CSG). Phương pháp này
sử dụng các khối rắn cơ bản như: lập phương, trụ, cầu, chóp để xây dựng mô hình. Mô
hình loại này đòi hỏi một khối lượng tính toán lớn nhưng yêu cầu ít không gian lưu trữ
dữ liệu.
Biểu diễn đường bao (boundary representation B-rep). Mô hình này sử dụng tất
cả các đường bao để biểu diễn chi tiết, nó cho phép biểu diễn được các chi tiết có bề
mặt rất phức tạp. Mô hình B-rep cần một không gian lưu trữ dữ liệu lớn nhưng sự tính
toán lại ít hơn mô hìng CSG.
Xu thế hiện nay trong các phần mềm CAD/CAM là kết hợp cả 2 phương pháp
biểu diễn CSG và B-rep để sử dụng các điểm mạnh của mỗi phương pháp biểu diễn.
Với mỗi cách biểu diễn bằng khung dây hay khối rắn, các phần mềm đang phát triển
mạnh mẽ theo phương pháp biểu diễn mô hình tham số hoá, các đặc điểm toán học của
mô hình như toạ độ, độ cong, các vectơ tiếp tuyến, pháp tuyến... được gắn với các
10


tham số được hiển thị động khi kích chuột và cho phép thay đổi trực tiếp các đặc điểm
này ngay trong quá trình thiết kế.
1.1.7. Mô phỏng trong CAD/CAM
Mô phỏng là một khả năng quan trọng trong CAD/CAM, nhờ mô phỏng mà
người thiết kế có thể thiết kế một sản phẩm hay một quá trình và phân tích các ứng xử

của hệ thống mà không cần phải chế tạo mẫu thật hay tiêu hao năng lượng để hoạt
động trên một hệ thống thật. Ví dụ:
+ Mô phỏng trong thiết kế các mối ghép cơ khí.
+ Mô phỏng hoạt động của robot trong một dây truyền sản xuất.
+ Mô phỏng quá trình cắt bề mặt không gian trên máy phay CNC.
1.2. Cơ sở tính toán đường dụng cụ trong gia công phay
1.2.1. Khái niệm về đường dụng cụ
Đường dụng cụ là đường mà một điểm đặc biệt của dụng cụ được dẫn theo nó
trong quá trình gia công thì bề mặt dụng cụ sẽ tiếp xúc với bề mặt cần gia công.
Điểm được biệt được dẫn thường lấy là điểm tâm ở mũi dụng cụ. Tùy theo
phương thức gia công là 2D, 3D, 5D sẽ có tương ứng là đường dụng cụ 2D, 3D, 5D
(hình l-3).

Đường dụng cụ 2D

Đường dụng cụ 3D

Đường dụng cụ 5D

Hình 1.3: Các dạng đường dụng cụ
1.2.2. Dụng cụ phổ biến trong gia công phay
Máy điều khiển theo chương trình số có khả năng dẫn dắt dụng cụ theo bất kỳ
một quỹ đạo nào, vì vậy hình dạng dụng cụ không cần quá phức tạp. Các loại dao
trong gia công phay thường là dao ngón và một số biến thể của chúng (hình 1.4).

11


Hình 1.4: Các loại dao phay phổ biến
1. Dao đầu cầu; 2. Dao thân côn đầu cầu; 3. Dao đầu phẳng

4. Dao thân côn đầu phẳng; 5. Dao đầu phẳng cố gốc lượn

6. Dao đầu phẳng thân côn cố gốc lượn
Trong hầu hết các phần mềm CAD/CAM đều cho phép khai báo các loại hình
dáng dao như (hình 1.4). Các thông số để định nghĩa hình dạng hình học (hình 1-5)
gồm:

Hình 1.5: Các thông số của dụng cụ
+ Hình dáng dao: đầu cầu (ball mill), đầu phẳng (end mill)
+ Đường kính dao D
+ Góc côn A
+ Bán kính ở góc với dao đầu phẳng
+ Chiều dài phần me cắt HI
+ Chiều dài an toàn H2
+ Chiều dài từ mũi dao đến chuẩn lỗ gá dụng cụ H3.
12


1.2.3. Một số phương pháp tính đường dụng cụ
Hiện nay có nhiều phương pháp tính đường dụng cụ (Tool-path generation) được
sử dụng trong các hệ CAD/CAM khác nhau. Để tính được đường dụng cụ thì điều kiện
tiên quyết là phải mô hình toán được mô hình chi tiết và mô hình dụng cụ hay nói cách
khác phải quản lý được cơ sở dữ liệu của mô hình chi tiết và mô hình dụng cụ. Từ cơ
sở dữ liệu đó, các hệ CAD/CAM của các hãng phần mềm có thể sử dụng các thuật
toán khác nhau trong việc sinh đường dụng cụ. Mô hình toán để tạo mô hình chi tiết
cho đến nay sử dụng ba loại là: mô hình bề mặt (surface), mô hình khối rắn (solid) và
mô hình lưới điển rời rạc. Còn để mô hình dụng cụ người ta sử dụng hai loại mô hình
bề mặt và mô hình khối rắn.
Trong gia công NC, một đường dụng cụ (Toolpath) được hiểu là đường dẫn dụng
cụ trong một nguyên công bằng một dụng cụ nhất định, một nguyên công như vậy

được gọi là một đơn vị gia công UMO (Unit Machining Operation).
Việc sinh đường dụng cụ cho một UMO thường trải qua 4 bước:
Bước 1: Lập kế hoạch đường dụng cụ. Trong bước này phải xác định hình dáng
đường dụng cụ (Toolpath topology).
Bước 2: Tính toán các điểm CL (Cutter-Location). Các điểm CL là các điểm đặc
biệt trên dụng cụ, thường là ở tâm và đáy dụng cụ. Kết thúc việc tính toán các điểm
CL ta được các dữ liệu định vị dụng cụ gọi là CLD (Cutter - Location - Data).
Bước 3: Nối đường dụng cụ: Từ bộ dữ liệu CLD, ta phải nối chúng lại với nhau
theo một thuật toán để được đường dụng cụ liên tục. Việc nối các dữ liệu CLD thường
dùng là các đoạn thẳng hay cung tròn.
Bước 4: Kiểm tra đường dụng cụ (Verification). Đối tượng kiểm tra ở đây là sự
va chạm của dụng cụ với các bề mặt của chi tiết (gauge), sở dĩ có sự va chạm này là do
một số phương pháp tính đường dụng cụ chỉ quan tâm đến các thông tin cục bộ tại
từng điểm của bề mặt (toạ độ và véc tơ pháp tuyến). Sự va chạm (hình 1-6) xảy ra là
do hai tình huống sau:
Khi tính dữ liệu định vị dụng cụ để gia công điểm này thì dụng cụ lại chạm vào
điểm khác của bề mặt, điều này thường xảy ra khi dụng cụ đi qua đỉnh lõm (Concavegauge).
13


Khi nối hai điểm CL cạnh nhau bằng một đoạn thẳng thì tại các điểm trung gian
trên đoạn thẳng đó dụng cụ cắt lẹm vào bề mặt, điều này thường xảy ra khi dụng cụ đi
qua đỉnh lồi (Convex-gauge).

Va chạm tại vùng lõm

Va chạm qua vùng lồi

Không cắt tại vùng lõm

Hình 1.6: Hiện tượng va chạm khi tính đường dụng cụ
Tuỳ theo cách tính các điểm CL, các phương pháp sinh đường dụng cụ có thể
được phân loại theo hai hướng tiếp cận, đó là:

1) Hướng tiếp cận dựa vào điểm tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt chi tiết (Cutter
Contact Point), ký hiệu là CC.

2) Hướng tiếp cận dựa vào sự định vị trực tiếp dụng cụ cắt trên bề mặt chi tiết
(Direct Positioning), ký hiệu là DP.
1.2.3.1. Hướng tiếp cận dựa vào điểm tiếp xúc CC
Trong hướng tiếp cận này các điểm định vị dụng cụ CL nhận được qua 2 bước:
 Đường dụng cụ được định trước (planned) trên bề mặt thiết kế.
 Các điểm CL được tính từ các điểm CC trên đường dụng cụ.
Từng điểm P1 (X1, Y1, Z1) trên đường CL (CL path) được tính từ các điểm tương
ứng P(x,y,z) trên đường CC path rồi nối lại với nhau. Trên (hình 1-7), R là bán kính
dụng cụ, 0 là tâm đầu cầu, n(nx,ny,nz) là véc tơ pháp đơn vị của bề mặt điểm tiếp xúc
P(x,y,z) ta có thể dẫn ra toạ độ của điểm P1 như sau:

14


5^3
1. Phương pháp CC.

2. Phương pháp DP

Hình 1.7: Các phương pháp sinh đường định vị định cụ CL
Toạ độ tâm cầu được tính bằng công thức:

 x 0  x  R.cos 


 y0  y  R.cos 
z  z  R.cos 
 0

(11)

Trong đó  ,  ,  là các cosin chỉ phương của véc tơn
Từ đó có toạ độ điểm P1:

 x1  x  R.cos  
P1  y1   y  R.cos  
  

 x1  z  R.cos   R 

(1  2)

Đối với dao đầu phẳng công thức tính toạ độ điểm P1 như sau: (hình 1.8)

Hình 1.8: Phương pháp CC với dao đầu phẳng

15


 x1  x  R.cos  
P1  y1   y  R.cos  
  

 x1  z



(1  3)

Tuỳ theo cách hình thành các đường tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt gia công,
các phương pháp sinh đường dụng cụ dựa trên điểm CC (CC-points based) lại được
phân loại như sau: (hình 1.9).

• Phương pháp đẳng phẳng (Iso-plannar): Phương pháp này sinh ra các đường
tiếp xúc là giao điểm giữa bề mặt cần gia công và các mặt phẳng song song nhau hoặc
có một quy luật nào đó ví như tạo thành các tia.

• Phương pháp đẳng tham số (Iso-parametric): Đường tiếp xúc giữa dụng cụ
và bề mặt gia công là đường cong đẳng tham số trong không gian tham số u,v.

• Phương pháp đẳng độ cong (Iso-curvature): Đường tiếp xúc giữa dụng cụ và
bề mặt gia công là các đường cong trên bề mặt có cùng độ cong (curvature) hay là một
vài đường đặc tính khác.

• Phương pháp đẳng dốc (Iso-phote): Đường tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt
gia công là các đường cong được offset 3D từ các đường cong đẳng dốc (isoinclination curve).

Hình 1.9: Các dạng đường tiếp xúc theo các phương pháp khác nhau

• Phương pháp chiều cao nhấp nhô không đổi (Constant scallop height):
Đường tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt gia công là các đường sao cho chiều cao nhấp
nhô để lại trên bề mặt gia công là không đổi. Thực ra cơ sở của phương pháp này
16

chính là phương pháp đẳng dốc.
1.2.3.2. Hướng tiếp cận định vị trực tiếp DP (Direct positioning)
Để có được đường dụng cụ cũng phải trải qua các bước tổng quát đã nêu ở trên,
nhưng nội dung bước 1 và 2 sẽ có các điểm khác so với phương pháp “Hướng tiếp cận
điểm CC”. Cụ thể là:
Hình dáng đường dụng cụ 2D (Toolpath topology) được định trước trên mặt
phẳng vuông góc với trục dụng cụ (hình 1.10). Biên giới của vùng cần gia công phải
được xác định bằng các đường biên dạng (contour), trong vùng cần gia công đó đường
dụng cụ 2D được sinh ra một cách có quy luật bằng các thuật toán thích hợp. Thường
đường dụng cụ 2D có các hình dáng là: song song với nhau, song song với đường biên
giới, tia xuất phát từ một điểm trong vùng gia công và toả ra đường bao...
Các vị trí dụng cụ riêng lẻ trên đường dụng cụ 2D được hạ thấp dần cho đến khi
dụng cụ tiếp xúc với bề mặt chi tiết. Từ đó có được dữ liệu CLD. Ưu điểm chính của
phương pháp là: nguyên tắc tính như nhau cho mọi loại hình dáng dụng cụ và chi tiết.

Đường dụng cụ song song (zig-zac)

Đường dụng cụ song song với đường bao

Hình 1.10: Hình dáng các đường dụng cụ 2D

17