Nghiên cứu, ứng dụng xử lý ảnh cho máy cnc 3 trục gia công gỗ

Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

LỜI CẢM ƠN

Dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Đức Bảo – PGS.TS. Đinh Văn Chiến tôi đã
thực hiện xong đề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng xử lý ảnh cho máy CNC 3 trục gia
công gỗ”.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới các thầy TS. Lê Đức Bảo, PGS.TS.
Đinh Văn Chiến và các thầy, cô trong Bộ môn máy và ma sát đã tận tình hướng
dẫn trong thời gian tôi thực hiện luận văn này.
Sau cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và những người thân đã tận
tình góp ý và giúp đỡ tơi trong suốt thời gian nghiên cứu.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm cịn hạn chế nên
luận văn khơng tránh được thiếu sót. Học viên rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp của thầy, cơ và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý
nghĩa trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2015
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Hưng

Nguyễn Văn Hưng

1

CH2013B

Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật ngành cơ khí với đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng
xử lý ảnh cho máy CNC 3 trục gia công gỗ”. Tác giả viết dưới sự hướng dẫn của
TS. Lê Đức Bảo, PGS.TS. Đinh Văn Chiến. Luận văn này được viết trên cơ sở
nghiên cứu tổng quan lý thuyết về phần mềm xử lý ảnh, từ đó đưa ra thư viện
chương trình gia cơng cho các sản phẩm phục vụ trùng tu, tôn tạo.
Khi viết bản luận văn này, tác giả có tham khảo và kế thừa 1 số kết quả
nghiên cứu của các tác giả đi trước và sử dụng những thông tin số liệu từ các tạp
chí, sách, mạng internet … theo danh mục tham khảo.
Tác giả cam đoan khơng có sự sao chép nguyên văn từ bất kỳ luận văn nào
hay nhờ người khác viết. Tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về cam đoan của
mình và chấp nhận mọi hình thức kỷ luật theo quy định của Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội.
Hà Nội, ngày 28 tháng 9 năm 2015
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Hưng

Nguyễn Văn Hưng

2

CH2013B

Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………...1
LỜI CAM ĐOAN……………………………………………………………….....2
DANH MỤC HÌNH ẢNH…………………………………………………………6
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………….....12
CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN………………………………….….14
1.1. Tìm hiểu về máy cơng cụ CNC……………………………........................14
1.1.1 Lịch sử phát triển của CNC……………………………………….…14
1.1.2 Lịch sử phát triển của máy CNC trên thế giới và ở Việt Nam….........15
1.1.3 So sánh máy công cụ thông thường và máy CNC…………………...17
1.1.4 Một số loại máy CNC hiện nay……………………………………...19
1.1.5 Đặc điểm của máy công cụ CNC hiện đại…………………………...21
1.2 Giới thiệu về công nghệ CAD/CAM-CNC………………………………...26
1.2.1 Giới thiệu chung về CAD/CAM……………………………………..26
1.2.2. Các phần mềm CAD/CAM thông dụng……………………………..28
1.3 Kết luận chương I…………………………………………………………..30
CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU VỀ PHẦN MỀM XỬ LÝ ẢNH JDPAINT……….31
2.1 Giới thiệu về phần mềm…………………………………………………….31
2.2 Giao diện phần mềm………………………………………………………..33
2.2.1.Giao diện……………………………………………………………..33
2.2.2.Hệ thống giao diện……………………………………………...........35
2.2.2.1 Các tùy chọn View………………………………………………..35
2.2.2.2 Các chế độ hiển thị ……………………………………………….37
2.2.2.3 Các thanh công cụ hỗ trợ………………………………………….37
2.3 Các chức năng phần mềm…………………………………………………..41

Nguyễn Văn Hưng

3

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

2.3.1 Các công cụ hỗ trợ thiết kế 2D………………………………………..41
2.3.1.1 Các lệnh vẽ 2D…………………………………………….............41
2.3.1.2 Các lệnh hiệu chỉnh hình học……………………………………...49
2.3.2.Các cơng cụ hỗ trợ vẽ 3D…………………………………………….51
2.3.2.1 Model……………………………………………………………...51
2.3.2.2 Color………………………………………………………………52
2.3.2.3 Options……………………………………………………………52
2.3.2.4 Eraser……………………………………………………………...55
2.3.2.5 Sculpt……………………………………………………………...56
2.3.2.6 Drived……………………………………………………………..57
2.3.2.7 Effect……………………………………………………………...57
2.3.2.8 Geometry………………………………………………………….58
2.3.2.9 Deform…………………………………………………………….59
2.3.2.10 Feature……………………………………………………………60
2.3.2.11 Art Surface……………………………………………………….61
2.3.2.12 ArtDraw………………………………………………………….68
2.3.3 Chức năng CAM……………………………………………………...70
2.4 Cách xử lý ảnh trong Jdpaint………………………………………………..79

2.4.1 Các bước cơ bản xử lý ảnh thường…………………………………...79
2.4.2 Các bước cơ bản xử lý ảnh có đi .Bmp…………………………….83
2.5 Kết luận chương II…………………………………………………………..87
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG THƯ VIỆN CHƯƠNG TRÌNH GIA CƠNG ………88
3.1 Các phương pháp thiết lập chương trình…………………………................88
3.1.1 Giữ liệu đầu vào chưa xử lý…………………………………………..88
3.1.2 Scand (quét ảnh)………………………………………………….…...88
3.1.3 Các bước thực hiện để xử lý ảnh……………………………………...89
3.2 Thực nghiệm ………………………………………………………………..91
3.2.1 Lập trình gia cơng bức tranh “Tranh mùa xuân đến”………………....94
Nguyễn Văn Hưng

4

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

3.2.2 Lập trình gia cơng cho bức tranh “Mã đáo thành cơng”…………….101
3.2.3 Lập trình gia cơng cho bức tranh “Vinh quy bái tổ”………………...106
3.2.4 Lập trình gia cơng cho bức ảnh “Ảnh Bác Hồ”……………………..110
3.2.5 Lập trình gia cơng cho bức tranh “Quần ngư hội tụ”…………..........115
3.2.6 Lập trình gia cơng cho bức tranh “Chùa một cột”…………………..119
3.2.7 Lập trình gia cơng cho bức tranh “Văn miếu Quốc tử giám”……….123
3.3 Kết luận chương III……………………………………………………..….126
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO………………………….127
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….……..128

Nguyễn Văn Hưng

5

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình1.1: Lịch sử phát triển của kỹ thuật CNC…………………………………………14
Hình 1.2: Máy phay CNC…………………………………………………………………20
Hình 1.3: Máy tiện CNC…………………………………………………………………..20
Hình 1.4: Máy mài và máy khoan CNC…………………………………………………20
Hình 1.5: Các thành phần cơ bản của máy cơng cụ CNC……………………………21
Hình 1.6: Các trục NC điều khiển được trên máy tiện………………………………...22
Hình 1.7: Các trục NC có thể điều khiển trên máy phay………………………… …..22
Hình 1.8: Truyền động bước tiến của bàn máy với vít me bi…………………………23
Hình 1.9: Truyền động vít me bi với đai ốc hai nửa khơng có khe…………………..23
Hình 1.10: Đầu rơvolve chứa dao………………………………………………………..25
Hình 1.11: Thiết bị thay dao tự động…………………………………………………….25
Hình 2.1:Hình ảnh bức tranh "Vinh quy bái tổ" sau khi được vẽ bằng phần mền..32
Hình 2.2: Hình ảnh " Khuê văn các" được vẽ bằng phần mềm………………………32
Hình 2.3: Giao diện phần mềm…………………………………………………………...33
Hình 2.4: Menu shotcut……………………………………………………………………35
Hình 2.5: Giao diện View………………………………………………………………….35
Hình 2.6: Tùy chỉnh ẩn hiện trong View………………………………………… ……..36

Hình 2.7: Tùy chỉnh các chế độ hiển thị trong Jdpaint……………………… ……….37
Hình 2.8: Tùy chỉnh chọn các thanh cơng cụ hệ thống………………………………..37
Hình 2.9: Các thanh cơng cụ hệ thống…………………………………………….…….38
Hình 2.10: Tùy chỉnh chọn các thanh cơng cụ lệnh…………………………….……..39
Hình 2.11: Tùy chỉnh Draw………………………………………………………….……41
Hình 2.12: Các điểm được vẽ bằng lệnh Point………………………………………....42
Hình 2.13: Tùy chọn của lệnh vẽ Line………………………………………………..….42
Hình 2.14: Lệnh vẽ đường cong và các tùy chọn…………………………….…….…..43
Hình 2.15: Lệnh vẽ đường trịn và các tùy chọn………………………………….……44
Hình 2.16: Lệnh vẽ đường cong Spline và các tùy chọn…………………………..….44

Nguyễn Văn Hưng

6

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Hình 2.17: Lệnh vẽ đường tổng hợp poly line và các tùy chọn……………………....45
Hình 2.18: Lệnh vẽ elip và các tùy chọn………………………………………….……..46
Hình 2.19: Lệnh vẽ hình chữ nhật và các tùy chọn……………………………….……46
Hình 2.20: Lệnh vẽ các đa giác đều và các tùy chọn…………………..………..…….47
Hình 2.21: Lệnh vẽ Star và các tùy chọn………………………………………..……....47
Hình 2.22: Lệnh vẽ 2 đường thẳng song song………………………………………….48
Hình 2.23: Lệnh vẽ mũi tên………………………………………………………….……48
Hình 2.24: Lệnh vẽ đường cong theo phương trình…………………………..……….49

Hình 2.25: Tùy chỉnh Edit……………………………………………………………..….49
Hình 2.26: Tùy chỉnh Model………………………………………………………………51
Hình 2.27: Tùy chỉnh Color………………………………………………………….……52
Hình 2.28: Tùy chỉnh Options……………………………………………..……….……..52
Hình 2.29: Chọn hiển thị 2 màu đen trắng…………………………………….………..53
Hình 2.30: Chế độ hiển thị nhiều màu chia theo độ cao…………….………………..53
Hình 2.31: Chế độ hiển thị một màu vàng……………………………….…..………….54
Hình 2.32: Chế độ hiển thị để dễ quan sát khi tơ màu…………………..…………….54
Hình 2.33: Thanh tùy chọn cơng cụ hiển thị màu……………………………..……….54
Hình 2.34: Chế độ hiển thị chọn màu nền model xanh………………………………..55
Hình 2.35: Tùy chỉnh Erase……………………………………………………..………..55
Hình 2.36: Tùy chỉnh Sculpt……………………………………………………...……….56
Hình 2.37: Tùy chỉnh Drived……………………………………………………...………57
Hình 2.38: Tùy chỉnh Effect……………………………………………………………….57
Hình 2.39: Tùy chỉnh Geometry………………………………………………………….58
Hình 2.40: Tùy chỉnh Deform…………………………………………………………….59
Hình 2.41: Tùy chỉnh Feature………………………………………………………...…..60
Hình 2.42: Tùy chỉnh Art Surface……………………………………………….……….61
Hình 2.43: Tùy chỉnh Text Surface……………………………………………………….61
Hình 2.44: Hình được vẽ bằng Peano Curve……………………………..……………62
Hình 2.45: Hình được vẽ bằng lệnh Iteration Curves…………………..……………..62

Nguyễn Văn Hưng

7

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Hình 2.46: Hình được vẽ bởi lệnh DOL……………………………………………..…..63
Hình 2.47: Hình cây được vẽ bởi lệnh D2L…………………………………………….63
Hình 2.48: Tùy chọn Image Texture…………………………………………..…………64
Hình 2.49: Hình ảnh được hiển thị ở chế độ đen trắng………………….……..……..65
Hình 2.50: Tùy chọn Standard Surface……………………………………..….…….….65
Hình 2.51: Tùy chọn Trim……………………………………………………….…..……66
Hình 2.52: Tùy chọn Cylinder/ Cone Roller…………………………………………….66
Hình 2.53: Tùy chọn Curves on Mesh…………………………………………….……..67
Hình 2.54: Tùy chọn Mesh to Nurhs……………………………………………………..68
Hình 2.55: Tùy chỉnh ArtDraw……………………………………………………….…..68
Hình 2.56: Tùy chỉnh Mirror Curve………………………………………………..……69
Hình 2.57: Tùy chỉnh chức năng CAM…………………………………………………..70
Hình 2.58: Bảng chọn chế độ gia cơng………………………………………………….70
Hình 2.59: Bảng chọn dụng cụ gia cơng………………………………………..………71
Hình 2.60: Bảng chọn vật liệu gia cơng…………………………………………………71
Hình 2.61: Bảng tổng kết các lựa chọn gia cơng………………………………..……..72
Hình 2.62: Tùy chỉnh Toolpath template…………………………………………….….73
Hình 2.63: Thư viện dụng cụ……………………………………………………..………73
Hình 2.64: Thư viện vật liệu………………………………………………………..…….74
Hình 2.65: Hộp thoại chọn vị trí lưu và tên file cần lưu………………………………74
Hình 2.66: Hộp thoại chọn các thơng số lưu…………………………………….……..75
Hình 2.67: Hộp thoại chọn lựa của Toolpath transform…………………….…..……75
Hình 2.68: Chế độ mơ phỏng gia cơng của phần mềm………………………..………76
Hình 2.69: Hộp thoại chọn chu trình khoan…………………………………………….76
Hình 2.70: Hộp thoại chọn chu trình phay theo biên dạng…………….……………..77
Hình 2.71: Hộp thoại chọn chu trình phay hốc……………………………………...…77
Hình 2.72: Hộp thoại chọn chu trình phay viền…………………………………….….77

Hình 2.73: Chế độ phay thơ theo hình……………………….……………………..…...78
Hình 2.74: Hộp thoại chọn phay bề mặt………………………………………………..78

Nguyễn Văn Hưng

8

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Hình 2.75: Hộp thoại phay Project……………………………………………………....79
Hình 2.76: Menu đưa ảnh vào phần mềm……………………………………………….79
Hình 2.77: Chọn ảnh trong bảng Input……………………………………………….…80
Hình 2.78: Bức tranh cần xử lý đã được chèn vào phần mềm………………………..80
Hình 2.79: Bức tranh được vẽ lại bằng các nét vẽ 2D……………………………...…80
Hình 2.80: Tạo model cho các nét vẽ 2D……………………………………….……….81
Hình 2.81: Model được tạo cho các nét vẽ 2D( phần màu vàng)……….……………81
Hình 2.82: Bức tranh đã được đùn lên bằng các lệnh 3D…………………………....82
Hình 2.83: Cửa sổ chọn phương pháp gia cơng cho bức tranh………………………82
Hình 2.84: Phần mềm đang xử lý để xuất ra các đường chạy dao…………….…….83
Hình 2.85: Đường chạy dao được tạo ra trên phần 3D đã vẽ………………..………83
Hình 2.86: Menu đưa ảnh vào phần mềm…………………………………………..…..84
Hình 2.87: Chọn bức ảnh cần xử lý…………………………………………………...…84
Hình 2.88: Bức ảnh cần xử lý được chèn vào phần mềm……………………………..85
Hình 2.89: Đường dẫn tới lệnh Bitmap to Mesh…………………………………….....85
Hình 2.90: Hộp thoại lựa chọn của lệnh đùn tự động……………………………..…..86

Hình 2.91: Bức tranh được đùn tự động bằng phần mềm………………………….…86
Hình 2.92: Bức tranh được chọn đường chạy dao để gia cơng………………………87
Hình 3.1: Menu đưa ảnh vào phần mềm……………………………………….………..89
Hình 3.2: Chọn ảnh trong bảng Input……………………………………….…………..90
Hình 3.3: Tạo model cho các nét vẽ 2D…………………………………………….…..90
Hình 3.4: Chức năng gia cơng…………………………………………………….…..…91
Hình 3.5: Máy CNC gia cơng gỗ BKRW2014………………………………………….92
Hình 3.6: Bức tranh “Tranh mùa xn đến”……………………….………………….94
Hình 3.7: Bức tranh “Tranh mùa xuân” đã được chèn vào phần mềm…….………94
Hình 3.8: Xử lý ảnh bằng cơng cụ vẽ 2D……………………………………….…..…..95
Hình 3.9: Bức tranh sau khi xử lý…………………………………………….……….…95
Hình 3.10: Model được tạo cho các nét vẽ 2D…………………………………………95
Hình 3.11: Bức tranh đã được xử lý kích thước 3D bằng các lệnh 3D……………..96

Nguyễn Văn Hưng

9

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Hình 3.12: Chọn phương pháp gia cơng 1 lần………………………………..………..96
Hình 3.13: Bảng chọn loại dao gia cơng…………………………………………….….97
Hình 3.14: Bảng thơng số của đao JD-30-0,4………………………………………….97
Hình 3.15: Bảng Chọn chế độ gia cơng…………………………………………….…...98
Hình 3.16: Phần mềm đang xử lý để xuất ra các đường chạy dao………….……….98

Hình 3.17: Đường chạy dao được tạo ra trên phần 3D đã vẽ…………….………….98
Hình 3.18: Chế độ gia cơng mơ phỏng trên phần mềm…………………….…………99
Hình 3.19: Chế độ lưu chương trình gia cơng………………………………..………..99
Hình 3.20: Bức tranh sau khi gia cơng………………………………………….……..101
Hình 3.21: Bức tranh mã đáo thành cơng……………………………………..………102
Hình 3.22: Bức tranh “Mã đáo thành cơng” đã được chèn vào phần mềm………105
Hình 3.23: Bức tranh mã đáo thành cơng sau khi xử lý…………………………..…105
Hình 3.24: Đường chạy dao bức tranh mã đáo thành cơng………………….….….105
Hình 3.25: Bức tranh mã đáo thành cơng sau gia cơng……………………………..106
Hình 3.26: Bức tranh 3D “Vinh quy bái tổ” đưa vào phần mềm…………………..109
Hình 3.27: Đường chạy dao bức tranh vinh quy bái tổ……………………………...109
Hình 3.28a: Bức tranh vinh quy bái tổ đang gia cơng……………………….………109
Hình 3.28b: Bức tranh vinh quy bái tổ đang gia cơng…………………….…….…..110
Hình 3.29: Bức tranh vinh quy bái tổ sau khi gia cơng……………….….………….110
Hình 3.30: Ảnh Bác Hồ……………………………………………………..……………110
Hình 3.31: Ảnh Bác Hồ sau khi xử lý…………………………………….………….…114
Hình 3.32: Đường chạy dao bức tranh gia cơng ảnh Bác Hồ………………………114
Hình 3.33: Bức tranh sau khi gia cơng “Ảnh Bác Hồ”………………………….…..114
Hình 3.34: Tranh quần ngư hội tụ……………………………………………………...115
Hình 3.35: Ảnh Quần ngư hội tụ sau khi xử lý…………………………………….….117
Hình 3.36: Đường chạy dao bức tranh quần ngư hội tụ………………………...…..117
Hình 3.37a: Bức tranh quần ngư hội tụ đang gia cơng……………………………...118
Hình 3.37b: Bức tranh quần ngư hội tụ đang gia cơng…………………………..….118
Hình 3.38: Ảnh quần ngư hội tụ sau khi gia công…………………………..………..118

Nguyễn Văn Hưng

10

CH2013B

Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Hình 3.39: Ảnh chùa một cột…………………………………….................………….119
Hình 3.40: Ảnh chùa Một cột sau khi xử lý…………………………………………....122
Hình 3.41: Đường chạy dao bức tranh chùa Một cột……………………………..…122
Hình 3.42: Ảnh Chùa Một Cột sau khi gia cơng…………………………………...…122
Hình 3.43: Tranh văn miếu quốc tử giám……………………………………………...123
Hình 3.44: Ảnh Văn miếu sau khi xử lý…………………………………………….….125
Hình 3.45: Đường chạy dao bức tranh Văn miếu quốc tử giám……………………125
Hình 3.46: Tranh “Văn miếu quốc tử giám” sau khi gia công……………………..125

Nguyễn Văn Hưng

11

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay máy công cụ CNC được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất, không
những chế tạo các sản phẩm cơ khí mà cịn trong ngành điêu khắc gỗ. Điều này thật

sự mang lại một cuộc cách mạng lớn trong lĩnh vực ngành điêu khắc gỗ. Với máy
cơng cụ CNC hồn tồn có thể gia cơng các loại hình điêu khắc khác nhau mà
khơng cần đến thao tác thủ công trạm điêu khắc bằng tay của con người, có thể gia
cơng được những hình điêu khắc phức tạp. Việc nghiên cứu, ứng dụng xử lý ảnh
cho máy CNC 3 trục gia công gỗ và công nghệ gia công trên máy CNC là điều hết
sức cần thiết, nhất là khi cơng nghệ này ngày càng có những bước phát triển hết sức
nhanh chóng. Để có thể nắm bắt và từng bước tiến kịp với trình độ công nghệ khoa
học hiện đại cần thiết phải triển khai nghiên cứu, ứng dụng phầm mềm xử lý ảnh
cho máy gia công CNC gia công gỗ.
Với mục tiêu sử dụng để bảo tồn, tơn tạo lại các cơng trình di tích, lịch sử văn
hóa, việc gia cơng trên máy CNC gia công gỗ được thực hiện tự động bởi máy tính
điều khiển chứa các dữ liệu chương trình gia cơng NC. Máy CNC gia công gỗ thực
hiện gia công được những bề mặt phức tạp với độ ổn định và chính xác cao, thời
gian phụ giảm dẫn đến tăng năng xuất, giá thành giảm,… Chính vì vậy mà tác giả
chọn hướng nghiên cứu với đề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng xử lý ảnh cho máy
CNC 3 trục gia công gỗ”
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu: Tạo thư viện chương trình gia cơng cho máy CNC 3
trục gia cơng gỗ, từ giữ liệu ảnh chụp.
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu phần mềm xử lý ảnh Jdpaint từ đó đưa ra
chương trình gia cơng trên máy CNC gia cơng gỗ.

Nguyễn Văn Hưng

12

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Phạm vi nghiên cứu: Dựa trên thư viện ảnh chụp từ các thiết bị như camera,
máy ảnh số, điện thoại có độ phân giải cao, phần mềm xử lý ảnh để tạo file chương
trình đưa vào máy CNC gia cơng gỗ.
3. Phương pháp nghiên cứu
Lý thuyết: Nghiên cứu về phần mềm xử lý ảnh Jdpaint
Thực nghiệm: Nghiên cứu đưa ra thư viện chương trình gia cơng trên máy
CNC gia cơng gỗ BKRW 2014.
4. Các nội dung chính của luận văn
Nội dung chính của luận văn bao gồm các chương sau:
Chương I: Nghiên cứu tổng quan
Trong chương này trình bày tổng quan về máy cơng cụ CNC, tìm hiểu được sự
phát triển máy CNC trên thế giới và ở Việt Nam, tổng quan công nghệ CAD/CAMCNC. Giới thiệu về phần mềm xử lý ảnh cho máy CNC gia công gỗ.
Chương II: Nghiên cứu về phần mềm xử lý ảnh Jdpaint
Trong chương này nghiên cứu về các bước xử lý ảnh từ giữ liệu ảnh chụp bên
ngồi vào chương trình. Nghiên cứu chương trình gia công thông qua ảnh 3D đã xử lý.
Chương III: Xây dựng thư viện chương trình gia cơng
Nội dung trong chương này trình bày các bước xử lý ảnh trong phần mềm rồi tạo
thư viện chương trình gia cơng.
Thực nghiệm chương trình gia cơng trên máy CNC gia cơng gỗ BKRW 2014.
5. Kết luận
Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu, tổng hợp về quá trình nghiên cứu xử lý
ảnh trong phần mềm Jdpaint từ giữ liệu ảnh chụp. Từ đó tạo ra thư viện chương
trình gia cơng trên máy CNC gia công gỗ.
Kết quả thực nghiệm cho ra những sản phẩm là các bức tranh điêu khắc đạt độ
giống cao so với bức ảnh ban đầu. Kết quả nghiên cứu của luận văn chắc chắn sẽ
được áp dụng có hiệu quả trong thực tế sản xuất nghành điêu khắc gỗ ở Việt Nam.

Nguyễn Văn Hưng

13

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 Tìm hiểu về máy cơng cụ CNC
1.1.1.

Lịch sử phát triển của CNC

Ý tưởng về sự phát triển của điều khiển số (Numerical Control) cho máy công
cụ được hình thành từ những năm 1949 – 1950 tại viện công nghệ Massachusetts,
Hoa Kỳ.
Khi gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp với kỹ thuật thơng thường thì
thời gian gia cơng là rất lớn và chi phí sản xuất cao. Do vậy, sau một thời gian
nghiên cứu, biên dạng gia cơng của những chi tiết lớn có thể dễ dàng được thay thế
bởi các chức năng toán học và người ta quyết định chế tạo một bộ điều khiển để
điều khiển một máy phay dựa trên cơ sở này.

Hình1.1: Lịch sử phát triển của kỹ thuật CNC
Về mặt kỹ thuật để thực hiện ý tưởng này cần một bộ điều khiển, nó biên dịch
các đại lượng đầu vào được mô tả dưới dạng nhị phân và dạng số cho các hành trình
chuyển động và các chức năng vận hành máy, qua đó máy phay có thể hiểu được và

xử lý các tín hiệu này. Đây là nguyên tắc cơ bản ứng dụng điều khiển số cho các
máy cơng cụ. Với sự phát triển nhanh chóng của xử lý tín hiệu điện tử đã tạo điều
kiện cho ý tưởng trở thành hiện thực.

Nguyễn Văn Hưng

14

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Máy điều khiển số đầu tiên là máy phay đứng. Các trục bước tiến làm dịch
chuyển bàn máy được thực hiện bởi từng động cơ riêng biệt. Các thơng tin hành
trình và chức năng cần thiết cho q trình gia cơng được ghi lại trên băng đục lỗ
dưới dạng chuỗi các lệnh đã được mã hóa ở dạng chữ và số, được gọi là một
chương trình NC.
Máy cơng cụ điều khiển số đầu tiên đã chỉ rõ ra đặc điểm của các máy CNC
sau này:
- Tồn bộ chương trình gia cơng được ghi lại trên băng đục lỗ.
- Máy tính điều khiển việc xử lý các thơng tin hành trình và chức năng máy.
- Truyền động riêng biệt cho từng trục bước tiến và trục chính để điều khiển
chuyển động của dao và bàn máy.
- Hệ thống đo và kiểm tra để phản hồi vị trí dụng cụ cắt cho hệ điều khiển trong
máy tính.
Sự phát triển nhanh chóng của các linh kiện vi điện tử như các bộ vi xử lý và
máy tính đã tạo điều kiện cho hệ điều khiển NC phát triển thành hệ điều khiển CNC

(Computerized Numerical Control) vào những năm 70.
1.1.2.

Lịch sử phát triển của máy CNC trên thế giới và ở Việt Nam

Trước đây khoa học cịn chưa phát triển, q trình cắt gọt được điều khiển
theo truyền thống (dùng cam, cữ chặn, chép hình theo mẫu…). Ngày nay, với sự
tiến bộ của khoa học – kỹ thuật, nhất là trong điều khiển số và tin học, cùng với trợ
giúp của máy tính, hệ thống điều khiển tự động phát triển, hàng loạt các ý tưởng ra
đời và hiện thực hóa, điển hình là điều khiển NC và CNC.
Xuất phát từ ý tưởng về điều khiển máy bằng các lệnh nhớ ở các máy CNC đã
xuất hiện từ thế kỷ XIV, nó được phát triển và hoàn thiện dần cho đến ngày nay, với
một số mốc lịch sử:

Nguyễn Văn Hưng

15

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

- Năm 1808, Toseph và M Jacquard đã dùng bìa tơn đục lỗ để điều khiển các
máy dệt (bìa đục lỗ là vật mang tin).
- Năm 1938, Claude Shannon bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện công nghệ MIST
Mỹ, với nội dung tính tốn chuyển dao dữ liệu dạng nhị phân.
- Năm 1946, tiến sĩ John W.Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên

có tên là ENIAC cho quân đội Mỹ.
- Năm 1965, giải pháp thay dụng cụ tự động (ATC).
- Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời cho độ tin cậy cao hơn.
- Năm 1972, hệ điều khiển NC đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ.
- Năm 1979, hình thành khối liên hồn CAD/CAM – CNC.
Từ những năm 80 trở đi, sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, các máy
CNC riêng lẻ đã được kết nối với nhau thành trung tâm gia công DNC. Sau này các
hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và sản xuất với sự trợ giúp máy tính CIM lần lượt
ra đời, nâng cao năng suất gia cơng và tự động hóa q trình sản xuất.
Ở Việt Nam, ngày nay máy CNC đã khá phổ biến. Cách đây hơn 20 năm thì
cơng nghệ CNC ở nước ta vẫn cịn rất xa lạ. Thơng qua dự án chuyển giao cơng
nghệ từ nước ngồi, lúc đó các máy tiện, máy phay CNC xuất hiện ở Việt Nam và
thu hút sự quan tâm của nhiều nhà chuyên môn cũng như doanh nghiệp trong nước
và liên doanh.
Hiện nay, nhiều nhà máy trong nước đã đầu tư nhiều dây chuyền sản xuất tự
động với phần lớn máy CNC, hay các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS, các hệ
thống sản xuất tích hợp trợ giúp của máy tính CIM, nhằm nâng cao năng suất gia
công. Với mục tiêu năm 2020, mục tiêu cơ bản trở thành nước công nghiệp theo
hướng hiện đại. Do đó, việc đẩy mạnh đầu tư, ứng dụng cơng CNC trong công
nghiệp là rất cần thiết và cấp bách. Ứng dụng công nghệ cao và hiện đại cũng như
nâng cao đội ngũ kỹ thuật của nước ta thì nền cơng nghiệp Việt Nam mới có thể
phát triển và sánh với các nước khác.

Nguyễn Văn Hưng

16

CH2013B

Viện Cơ khí

1.1.3.

Bộ mơn máy & Ma sát học

So sánh máy công cụ thông thường và máy CNC

Về mặt cấu trúc:
Máy công cụ CNC được thiết kế cơ bản giống máy công cụ thông thường. Sự
khác nhau thật sự là ở các bộ phận liên quan đến tiến trình gia cơng của máy CNC
được điều khiển bởi máy tính.
Các hướng dịch chuyển của các bộ phận máy công cụ điều khiển CNC được
xác định bởi một hệ trục tọa độ, hệ trục tọa độ này liên quan đến chi tiết gia công và
thể hiện các trục bước tiến, chúng nằm song song với các dịch chuyển chính – thẳng
của máy. Những chuyển động cần thiết cho tiến trình gia cơng của các bộ phận máy
(bàn máy, cụm thay dao tự động và các bộ phận khác) được tính tốn, điều khiển và
kiểm tra bởi máy tính. Với mục đích này mỗi chuyển động của các bộ phận máy có
một hệ thống đo lường riêng biệt để tính tốn, kiểm tra các vị trí tương ứng và phản
hồi thơng tin này về hệ điều khiển.
Về mặt chức năng:
Bảng so sánh những chức năng cơ bản giữa máy công cụ thông thường, máy
công cụ NC và máy công cụ CNC.
Máy công cụ
thông thường
Nhập dữ liệu:
Người công nhân
điều chỉnh máy công cụ
bằng tay dựa theo nhiệm
vụ sản xuất và bản vẽ chi

tiết, gá phôi và dụng cụ
cắt cũng như điều chỉnh
độ song song giữa dao và
chi tiết.
Điều khiển bằng tay:
Người công nhân
Nguyễn Văn Hưng

Máy công cụ
Máy công cụ CNC
NC
Nhập dữ liệu:
Nhập dữ liệu:
Chương trình
Chương trình NC có
NC được nhập vào thể được nhập vào hệ điều
hệ điều khiển NC bởi khiển CNC thông qua bàn
băng đục lỗ.
phím, đĩa hoặc cổng giao
tiếp. Nhiều chương trình NC
được lưu trữ trong một bộ
nhớ như đĩa cứng.
Điều khiển NC:
Điều khiển CNC:
Điều khiển NC
Máy tính và phần mềm
17

CH2013B

Viện Cơ khí

cài đặt các thơng số cơng
nghệ (số vịng quay,
lượng chạy dao…) và
điều khiển việc gia công
thông qua các tay quay.

Kiểm tra:
Người cơng nhân
đo và kiểm tra kích
thước bằng tay, nếu cần
thiết phải lập lại tiến
trình gia cơng.

Bộ mơn máy & Ma sát học

xử lý các thông tin về
đường dịch chuyển
và các chức năng
máy trong chương
trình NC và đưa ra
các tín hiệu điều
khiển tương ứng với
từng các bộ phận
hình thành máy NC.
Kiểm tra:
Máy NC đã
đảm nhận trong khi

gia công đạt các kích
thước chi tiết bởi sự
phản hồi thường
xuyên của hệ thống
đo và của motor vị
trí.

tương ứng tích hợp trong hệ
điều khiển CNC làm nhiệm
vụ điều khiển và điều chỉnh
máy CNC. Bộ lưu trữ
chương trình, chương trình
con, dữ liệu máy, kích thước
dụng cụ cắt và các giá trị
hiệu chỉnh cũng như các chu
trình gia cơng được sử dụng.
Kiểm tra:
Máy CNC đảm nhận
trong khi gia cơng đạt các
kích thước chi tiết bởi sự
phản hồi liên tục của hệ
thống đo và các motor vị trí
được điều chỉnh số vịng
quay. Nhờ có các cảm biến
đo được tích hợp mà việc
kiểm tra các kích thước đạt
được ngay trong suốt q
trình gia cơng. Đồng thời có
thể thực hiện tiếp tục việc xử
lý trong hệ điều khiển CNC,

ví dụ tối ưu hóa, thử nghiệm
chương trình NC mới.

Tính kinh tế: một số ưu điểm của máy cơng cụ CNC
 Tính kinh tế đạt được cao với máy công cụ CNC bởi tốc độ gia công cao
cũng như thời gian gia công cơ bản, thời gian phụ, thời gian chuẩn bị và kết
thúc giảm. Các nhân tố sau ảnh hưởng tới tính kinh tế của máy cơng cụ
CNC:
-

Lập trình trực tiếp trên máy

-

Lưu trữ các trường hợp gia cơng lặp lại dưới dạng chương trình con.

Nguyễn Văn Hưng

18

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

-

Tối ưu hóa chương trình NC trong hệ điều khiển.

-

Mơ tả hình dạng chi tiết gia công thông qua việc cho dạng hình học đơn
giản.

-

Chạy dao tự động cho đến khi đạt kích thước.

-

Tự động vận hành các chức năng của máy và trực tiếp can thiệp khi xảy
ra lỗi hoặc bị nhiễu.

-

Quan sát tự động q trình gia cơng thơng qua hệ điều khiển CNC (đo và
kiểm tra tự động).

-

Hệ thống ổ thay dao tự động chứa nhiều dao.

-

Có khả năng chuẩn bị dụng cụ cắt bên ngồi máy mà khơng ảnh hưởng
đến q trình gia cơng.

 Chất lượng chi tiết gia cơng ổn định, ít phế phẩm.

 Làm tăng độ chính xác gia cơng, do cấp chính xác của máy cao.
 Thời gian gia công ngắn thông qua việc tổ chức sản xuất và trùng lặp công
việc.
 Thời gian vận hành máy cao.
 Tính linh hoạt trong sản xuất cao bởi hệ thống gia công.
1.1.4.

Một số loại máy CNC hiện nay

Hiện nay máy CNC có rất nhiều loại: máy phay, máy tiện, máy mài, máy
khoan…Các máy CNC 3, 4 hay 5 trục đã rất phổ biến trên thế giới. Tại Việt Nam,
nhiều khu công nghiệp cũng đã trang bị các máy công cụ CNC hiện đại để phục vụ
cho sản xuất, lập các trung tâm gia công CNC, DNC…
-

Máy phay CNC:

Nguyễn Văn Hưng

19

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Hình1.2: Máy phay CNC
-

Máy tiện CNC:

Hình 1.3: Máy tiện CNC
-

Máy mài và máy khoan CNC:

Hình1.4: Máy mài và máy khoan CNC
Nguyễn Văn Hưng

20

CH2013B


Viện Cơ khí

1.1.5.

Bộ mơn máy & Ma sát học

Đặc điểm của máy công cụ CNC hiện đại

Như đã nêu ở trên, cơ bản máy cơng cụ CNC có cấu tạo cũng giống với máy
công cụ thông thường. Việc hiểu cấu tạo của máy nhằm lựa chọn máy phù với yêu
cầu gia cơng (độ chính xác chi tiết, kích thước phơi tối đa cho phép, khả năng cơng
nghệ của máy…), ngồi ra đảm bảo cho việc thực hiện chính xác trong quá trình sản
xuất, khắc phục các trục trặc khi xảy ra sự cố, giải quyết các vấn đề nhanh chóng.

Hình1.5: Các thành phần cơ bản của máy công cụ CNC
Điều khiển trục quay và trục bước tiến
Gia công chi tiết trên máy cơng cụ CNC địi hỏi các trục bước tiến có thể được
điều khiển và điều chỉnh, chúng được truyền động bởi các động cơ bước/servo độc
lập. Do đó các tay quay chính yếu của máy cơng cụ thơng thường khơng cịn dùng
đến trên máy cơng cụ CNC hiện đại.
Nguyễn Văn Hưng

21

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Các máy tiện và máy phay CNC
Máy tiện có ít nhất là 2 trục bước tiến có thể điều khiển hay điều chỉnh, được
đánh dấu theo phương X và phương Z. Máy phay có ít nhất 3 trục bước tiến có thể
điều khiển hay điều chỉnh, được đánh dấu theo các phương X, Y, Z.

Hình1.6: Các trục NC điều khiển được trên máy tiện

Hình 1.7: Các trục NC có thể điều khiển trên máy phay
Trên máy phay CNC, ngoài chuyển động dọc theo các trục X, Y, Z cịn có thể
điều khiển chuyển động quay quanh các trục.
Các chuyển động quay này có thể được điều khiển và đánh dấu bằng A, B, C.

Nguyễn Văn Hưng

22

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Để đáp ứng những yêu cầu trên một cơ cấu truyền động hiện đại bao gồm các
thành phần sau:
-

Động cơ, ly hợp cơ khí chống lại sự quá tải cũng như được điều khiển bằng
điện từ.

- Vít me bi làm cho quá trình truyền lực khơng có khe hở.
-

Cảm biến đo như hệ thống đo hành trình hầu hết được đặt ở cuối mỗi trục.

-

Khuếch đại công suất với các thiết bị giao tiếp bằng số (digital) hoặc tương
tự (analog) để điều khiển CNC.

Hình 1.8: Truyền động bước tiến của bàn máy với vít me bi (1- động cơ bước tiến,
2 – bàn máy, 3 – hệ thống đo, 4 – vít me bi, 5 – đai ốc bi)
Để đạt được độ chính xác trong q trình dịch chuyển, các cơ cấu truyền động

thường dùng vít me bi. Nếu chuyển động của trục chính được thực hiện bởi động
cơ, thì đai ốc bi dịch chuyển hầu như khơng có khe hở chiều dọc.

Hình 1.9: Truyền động vít me bi với đai ốc hai nửa khơng có khe hở (1 – đai ốc bi,
2 – vòng đệm, 3 – vòng cách điều chỉnh khe hở, 4 – trục truyền động)

Nguyễn Văn Hưng

23

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Hệ thống đo hành trình
Tùy thuộc vào dạng thiết bị đo được sử dụng hoặc thang đo để phân biệt giữa
đo vị trí trực tiếp và gián tiếp cũng như đo vị trí tương đối và tuyệt đối.
Truyền động chính và các trục cơng tác
Truyền động chính của máy CNC phải truyền công suất cắt cần thiết bởi các
động cơ truyền động tương ứng qua các trục công tác để gia công chi tiết thích hợp.
Ngồi ra cịn có tổn thất do ma sát thường gặp trong bộ phận cơ khí mà độ tác động
về mặt kích thước của nó phải được xác định cho máy CNC. Độ ổn định cao về mặt
truyền động được đặt ra, mặc dù lực gia công cao nhưng momen quay ở mọi vị trí
phải được ổn định. Đồng thời phải đảm bảo cho sự thay đổi nhanh chóng về tốc độ
cắt và khơng bị rung động.
Trước kia các trục công tác và trục truyền động đối xứng trên các máy công cụ
CNC được truyền động bằng động cơ một chiều. Để giữ cho tốc độ cắt ổn định cần

những yêu cầu về số vòng quay của các motor, ví dụ để tiện các đường kính khác
nhau, tốc độ của các động cơ này được điều chỉnh vô cấp trong một phạm vi rộng.
Nhược điểm của động cơ điện một chiều này là các chổi than bị mài mịn, do đó cần
phải kiểm tra thường xun chổi than và thay thế kịp thời.
Với sự phát triển tiến bộ của linh kiện vi điện tử, ngày nay hầu hết sử dụng
động cơ điện Servo.
Hệ thống gá và thay dao tự động
Máy công cụ CNC được trang bị với những thiết bị có thể điều khiển để thay
dao tự động. Tùy thuộc vào dạng cấu trúc và phạm vi sử dụng, những thiết bị thay
dao có thể đồng thời chứa được nhiều dao khác nhau và lắp đặt dao vào vị trí cơng
tác theo chương trình NC. Thường có hai loại sau:
- Đầu rơvolve chứa dao.
- Ổ chứa dao.
Nguyễn Văn Hưng

24

CH2013B


Viện Cơ khí

Bộ mơn máy & Ma sát học

Hình 1.10: Đầu rơvolve chứa dao
Đầu rơvolve thường dùng cho máy tiện và ổ chứa dao thường dùng cho máy
phay.

Hình 1.11: Thiết bị thay dao tự động
Tùy thuộc vào kết cấu và kích thước, đầu rơvolve của máy tiện có thể chứa 8

đến 16 dao. Trong trung tâm gia công cần nhiều hơn 48 dao, thì ổ chứa dao với các
Nguyễn Văn Hưng

25

CH2013B