Nghiên cứu xây dựng bộ hậu xử lý cho bộ điều khiển iTNC530 dùng cho trung tâm phay CNC

1
..

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
***************************************

Luận văn thạc sỹ Kỹ thuật

Nghiên cứu xây dựng bé hËu xư lý cho bé ®iỊu khiĨn
itnc530 dïng cho trung tâm phay cnc

Ngành: Máy và dụng cụ công nghiệp
MÃ số:

Đỗ Trung Hiếu

Người hướng dẫn khoa học: GS-TSKH. Bành Tiến Long

Hµ néi 2006


2

Mơc lơc
Trang
Mơc lơc ............................................................................... 2
Danh mơc c¸c ký hiƯu, c¸c chữ viết tắt .............................. 3
Danh mục các hình vẽ ......................................................... 4
Danh mục các bảng ............................................................. 5
Mở đầu ................................................................................ 6

Chương 1. Tỉng quan vỊ c«ng nghƯ CAD/CAM ................ 8
1.1. Tỉng quan .................................................................................. 8
1.2. Cơ sở tính toán đường dụng cụ trong gia công phay ............... 17
Chương 2. Nghiên cứu bộ điều khiĨn Heidenhain dïng
cho trung t©m phay cnc................................................................... 28
2.1. CÊu tróc của một chương trình Heidenhain ............................ 28
2.2. Các dạng nội suy ..................................................................... 36
Chương 3. nghiên cứu lập bộ post processor ............... 46
3.1. Tæng quan ................................................................................ 46
3.2. Post processor trong Cimatron ................................................ 47
3.3. Xây dựng bộ Post processor cho phay..................................... 63
Chương 4. Kết luận và kiến nghị ......................................... 75
Tài liệu tham kh¶o ............................................................ 76


3

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
K.hiệu
Tiếng Anh
AC
Adaptive Control

APT
ASCII

CAD
CAE
CAM
CAP

CIM

CLD
CNC

NC

Tiếng Việt
Là tập hợp tất cả các phần tử điều khiển và áp
dụng các đặc tính tự thích nghi vào hệ thống điều
khiển hay đảm bảo tự động sửa chữa các lỗi trong
trường hợp có một thông tin không đầy đủ. Nó có
thể là một phần của hệ thống NC.
Automatically
Là một hệ thống lập trình chi tiết đa chức năng mạnh
Programmed Tool
nhất. Nó bắt đầu phát triển vào năm 1956 ở Mỹ.
American Standard Cốt mà nhị phân được ứng dụng phổ biến trong
Code for
kỹ thuật số để trình bày các kí tự chức năng
Information
khác cần cho việc truyền dữ liệu.
Interchange
Computer Aided
Sử dụng máy tính vào việc thiết kế tự động
Design
Computer Aided
Sử dụng máy tính vào việc mô hình hoá tự động.
Engineering
Computer Aided

Sử dụng máy tính vào quản lý, điều khiển và
Manufacturing
vận hành sản xuất.
Computer Aided
Sử dụng máy tính vào việc lập kế hoạch.
Planning
Computer Intergraded Sự liên kết toàn bộ giữa CAD và CAM vào một
Manufacturing
quá trình được giám sát và điều khiển hoàn
toàn bằng máy tính.
Cutter Location Data Dữ liệu định vị dụng cụ cắt
Computer
Hệ thống dựa trên máy vi tính, chứa một hoặc
Numerical Control
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 khiển máy công cụ.
Numerical Control
phương pháp hoặc hệ thống điều khiển một máy
công cụ bằng các lệnh ở dạng số, thông tin được
ghi lại bằng ký tự nhờ sử dụng mà số và chữ cái
hay phím chức năng.


4

Danh mục các hình vẽ
Trang
Hình 1-1: Thông tin dữ liệu trong CAD/CAM ................................................ 12
Hình 1-2: Phần cứng trong CAD/CAM .......................................................... 13

Hình 1-3: Các dạng đường dụng cụ ................................................................. 17
Hình 1-4: Các loại dao phay phổ biến ............................................................. 18
Hình 1-5: Các thông số của dụng cụ ............................................................... 18
Hình 1-6: Hiện tượng va chạm khi tính đường dụng cụ .................................. 20
Hình 1-7: Các phương pháp sinh đường định vị định cụ CL ........................... 21
Hình 1-8: Phương pháp CC với dao đầu phẳng .............................................. 22
Hình 1-9: Các dạng đường tiếp xúc theo các phương pháp khác nhau ........... 23
Hình 1-10: Hình dáng các ®­êng dơng cơ 2D ............................................... 24
H×nh 2-1: CÊu tróc mét khối chương trình ...................................................... 28
Hình 2-2: Chiều dài dao và đường kính dao .................................................... 32
Hình 2-3: Cách xác định chiều dài dao ........................................................... 33
Hình 2-4: Chênh lệch chiều dài và bán kính dao ............................................ 34
Hình 2-5: Nội suy thẳng theo một trục............................................................ 36
Hình 2-6: Nội suy thẳng theo hai trục ............................................................. 36
Hình 2-7: Nội suy thẳng theo 3 trục ................................................................ 37
Hình 2-8: Nội suy thẳng theo 5 trục ................................................................ 37
Hình 2-9: Nội suy đường thẳng từ vị trí hiện thời tới vị trí khai báo .............. 37
Hình 2-10: Vát mép giữa hai đường thẳng dao nhau ...................................... 38
Hình 2-11: Vê tròn một góc ............................................................................ 38
Hình 2-12: Nội suy theo cung tròn .................................................................. 39
Hình 2-13: Chiều gia công .............................................................................. 40
Hình 2-14: Tâm đường tròn CC....................................................................... 40
Hình 2-15: Chạy dao theo cung tròn tâm CC .................................................. 41
Hình 2-16: Chạy dao theo đường trßn kÝn ....................................................... 42


5

Hình 2-17: Chạy dao theo đường tròn kín bán kính R .................................... 42
Hình 2-18: Chạy dao theo cung nhỏ lồi-lõm ................................................... 43

Hình 2-19: Chạy dao theo cung lớn lồi-lõm .................................................... 43
Hình 2-20: Chạy dao theo đường thẳng và vát mép ........................................ 44
Hình 2-21: Chạy dao theo cung tròn ............................................................... 44
Hình 3-1: Qui trình tạo ra và biên dịch một bộ hậu xử lý ............................... 48
Danh mục các bảng
Bảng 1-1: Bảng so sánh, đánh giá các phương pháp sinh đường dụng cụ....... 25
Bảng 2-1: Một số chức năng vận hành máy .................................................... 35
Bảng 2-2: Mặt phẳng chứa cung tròn cần gia công khi đặt trục chính............ 39
Bảng 3-1: Chiều dài tối ®a cđa x©u ký tù ........................................................ 65


6

Mở đầu
Trong thời đại ngày nay loài người đang chứng kiÕn rÊt nhiỊu nh÷ng
tiÕn bé cđa khoa häc kü tht. 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 đà đưa đến hình thức sản xuất linh hoạt. ở các nước công nghiệp phát
triển sản xuất linh hoạt có thể thay thế có hiệu quả lao động đắt giá, điều này
có thể có quan hệ rất nhiều 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 đà 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.
Trong luận văn tốt nghiệp ngành công nghệ cơ khí, em đà chọn đề tài
Nghiên cứu xây dựng bộ hậu xử lý cho bộ điều khiển iTNC530 dùng cho
trung tâm phay CNC.
Post processor là một chương trình hậu sử lý, nó xử lý tiếp dữ liệu
đường tâm dao từ chương trình xử lý (processor) thành tập hợp các lệnh được
thiết kế cho một hệ thống 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


7

ngôn ngữ của chương trình hậu sử 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 mà 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.
Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, đến nay em đà hoàn thành
nội dung của bản luận văn. Vì hiện nay ở Việt Nam những vấn đề tự động hoá
lập trình ở mức độ cao còn là khá mới mẻ, đồng thời do khả năng và kinh
nghiệm bản thân còn hạn chế 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 chân
thành cảm ơn GS-TSKH. Bành Tiến Long, TS. Hoàng Vĩnh Sinh đà tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này. Em cũng xin gửi lời
cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Gia công vật liệu và dụng cụ công nghiệp
thuộc Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đà giúp đỡ em hoàn
thành bản luận văn này.

8

Chương 1. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM
1.1.

Tổng quan

1.1.1. Lịch sư ph¸t triĨn cđa CAD/CAM
Nhờ sự phát triển của cơng 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 q trình 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
• Cơng nghệ trợ giúp bằng máy tính: CAE
• Thiết kế và phác hoạ trợ giúp bằng máy tính: CADD
• Q 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 cơng
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 ngơn
ngữ lập trình cho máy tính APT (Automatically Programmed Tools). Mục

9

đích của APT là để lập trình cho máy điều khiển số, nó được coi như là một
bước đột phá cho tự động hố q 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 hồn 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 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-GraphicsMỹ; 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)
l 2 phn mm in hỡnh.
1.1.2. Các quá trình trong thiết kế trợ giúp bằng máy tính
ã Thit k mơ hình hình học (design modeling)
• Phân tích mơ hình (design analysis)

10

• Thẩm định thiết kế (design review)
• Kết xuất tài liu thit k (design documentation)
1.1.2.1. Thiết kế mô hình hình häc
Thiết kế mơ hình hình học của một chi tiết là q trình xây dựng mơ
hình tốn học của chi tiết đó trên máy tính. Mơ hình tốn 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 trịn và đường cong. Các hình
ảnh xuất hiện trên màn hình được máy tính lưu trữ bằng các toạ độ của mơ
hình tốn học.
Khi hiệu chỉnh các đối tượng thiết kế thì trước tiên máy tính tính tốn
lại mơ hình hình học thơng qua mơ hình tốn học sau đó thay đổi sự hiển thị
trên màn hình.
Mơ hình hình học có thể biểu diễn 1 trong 3 dạng: 2D, 2.5D và 3D. Mơ
hình 3D có thể là khung dây (wire-frame) hay khối rắn (solid).
Kỹ thuật đồ hoạ cho phép quan sát mơ hình thiết kế một cách tốt nhất
thơng qua việc biểu diễn các đối tượng vẽ bằng màu và k thut tụ búng
(render).
1.1.2.2. Phân tích mô hình hình học
Vic phân tích mơ 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 tốn 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 q trình sau:


11

Phân tích nhiệt, áp suất, ứng suất, biến dạng, cong vênh, khả năng điền
đầy khn, q trình đơng đặc...
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một cơng cụ tốn học quan
trọng trong các bài tốn 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 q trình phân tích có thể là một bảng báo cáo
(report), một bức tranh điền đầy hay một mơ hình chi tiết đã bị cong, hay biến
dạng được đặt trùng với mơ 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 Moldflow là các phần mềm CAE chun phân tích q trình điền đầy khn, cong
vênh, nhiệt, áp xuất. ANSYS - chuyên phân tích ứng xuất v bin dng...
1.1.2.3. Thiết kế thẩm định
Quỏ trỡnh ny kim 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 mơ phỏng đồ hoạ.
1.1.2.4. KÕt xt tµi liƯu thiÕt kÕ
Đây là giai đoạn kết xuất các tài liệu kỹ thuật, bản vẽ chế tạo, quy trình
cơng nghệ, bảng vật liệu, film mơ 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 mơ hỡnh thit k thay i.
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. Mơ hình tốn học, mơ hình đồ hoạ,
bảng thông số kỹ thuật của vật liệu, dung sai... là các dữ liệu dùng chung của


12

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 xuất thủ công truyền thông dữ liệu thông qua các tài
liệu kỹ thuật, bản vẽ. Người thiết kế 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 hồn thành cơng 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 dùng 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
(h×nh 1.1). Do vậy khi giai đoạn thiết kế kết thúc cũng là lúc mà q trình sản
xuất đã sẵn sàng.
M« hình
Phân tích
Duyệt lại
Tài liệu

Kế hoạch
Dữ liệu

Lập trình từng phần

cơ sở

Thiết kế dụng cụ

dùng

Loại vật liệu

chung

Sản xuất
Thiết kế
Hình 1-1: Thông tin dữ liệu trong CAD/CAM
1.1.4. Phần cứng trong hệ thống CAD/CAM
CPU (Central Processing Unit), 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


13

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 (h×nh 1.2) ví d nh:
Đầu vào

Hiển thị

Đầu ra

Bàn phím

Máy in
Bàn viết

Cần điều khiển

Đĩa mềm

Máy tính

Băng từ

Bóng xoay
Chuột

Hình 1-2: Phần cứng trong CAD/CAM
* Thit bị nhập liệu phổ biến nhất là con chuột và bàn phím, nhưng các
thiết bị này khơng đủ khả năng để nhập thông tin của các đối tượng thiết kế
phức tạp như mơ 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 hố trên đó là tồn bộ các chức năng của phần mềm và vùng đồ
hoạ ghép nối với phần mềm CAD/CAM gọi là tablet.


14

Lưu ý rằng trong phần cứng của hệ CAD/CAM không bao gồm các
máy cơng cụ vì kết thúc của giai đoạn CAM là kết xuất ra các chương trình
gia cơng NC (NC-CODE).
1.1.5. PhÇn mỊm trong hƯ thèng 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 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 xố, 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, tơ 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 tốn tính
tốn trong đó có tối ưu hay khơng? độ tin cậy của các kết quả tính tốn ra
sao? Điều này chỉ các nhà viết chương trình mới biết cịn người sử dụng muốn
biết chỉ có thể đưa ra các bài toán cụ thể để kiểm tra.


15

1.1.6. Mô hình hình học trong CAD/CAM
biu din cỏc vật thể trên máy tính, việc đầu tiên là phải mơ hình
tốn 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 tốn 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
khơng gian 2D; 2.5D và 3D.
1.1.6.1. BiĨu diƠn 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 thơng tin khơng 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 không gian, điều này gây ra những khó
khăn nhất định vì khơng phải bất cứ ai cũng có sự tưởng tượng tốt.
1.1.6.2. BiĨu diÔn 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. BiĨu diƠn 3D
Đây là xu thế tất yếu của CAD/CAM. Biểu diễn 3D làm cho việc quan
sát hình ảnh 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 mơ hình, hay các chi tiết được mơ hình hố. Biểu diễn
3D bao gồm 2 loại: khung dây (wire-frame) và khối rắn (solid). Mơ hình


16

khung dây thể hiện ít thơng tin hơn mơ hình khối rắn nhưng việc xử lý trên
máy tính thì nhanh hơn và khơng địi hỏi cấu hình máy phải cao lắm. Mức độ
cao nhất của mơ hình khung dây là biểu diễn vật thể bằng các bề mặt
(surfaces), hiện nay các phần mềm CAD/CAM đã đạt đến độ hoàn hảo cho
việc biểu diễn vật thể bằng mơ hình bề mặt. Mơ hình khối rắn là mơ hình thật
của chi tiết, nó chứa đựng cả thơng tin bên trong và bề mặt chi tiết. Có 2 xu
hướng nghiên cứu mơ 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 mơ hình. Mơ hình loại này địi hỏi một khối lượng tính tốn lớn nhưng
u cầu ít khơng gian lưu trữ dữ liệu.

Biểu diễn đường bao (boundary representation B-rep). Mơ 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. Mơ hình B-rep cần một không gian lưu trữ
dữ liệu lớn nhưng sự tính tốn lại ít hơn mơ 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 diẽn bằng khung dây hay khối rắn
các phần mềm đang phát triển mạnh mẽ theo phương pháp biểu diễn mơ hình
tham số hố, các đặc điểm tốn học của mơ hình như toạ độ, độ cong, các
vectơ tiếp tuyến, pháp tuyến… được gắn với các 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. M« pháng trong CAD/CAM
Mơ 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


17

phân tích các ứng xử của hệ thống mà khơng cần phải chế tạo mẫu thật hay
tiêu hao năng lượng để hoạt động một hệ thống thật.
Ví dụ mơ phỏng trong thiết kế các mối ghép cơ khí.
Mơ phỏng hoạt động của robot trong một dây truyền sản xuất.
Mô phỏng q trình cắt bề mặt khơng 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. Tuỳ
theo phương thức gia công là 2D, 3D, 5D sẽ có đường dụng cụ 2D, 3D, 5D
(hình 1-3).

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 quĩ đạo nào, vì vậy hình dạng dụng cụ không cần quá phức tạp.
Các loại dao trong gia công phay th­êng lµ dao ngãn vµ mét sè biÕn thĨ cđa
chóng (h×nh 1-4).


18

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 có góc lượn
6. Dao đầu phẳng thân côn có góc 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 kÝnh dao D


19

+ Góc côn A
+ Bán kính ở góc với dao đầu phẳng
+ Chiều dài phần me cắt H1
+ Chiều dài an toàn H2
+ Chiều dài từ mũi dao đến chuẩn lỗ gá dụng cụ H3.
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 cã thĨ sư dơng c¸c tht to¸n kh¸c 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 điểm 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 (Tool-path) 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 mét UMO th­êng tr¶i qua 4 b­íc:
B­íc 1: LËp kÕ hoạch đường dụng cụ. Trong bước này phải xác định
hình dáng đường dụng cụ (Tool-path 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 cơ. KÕt thóc viƯc tÝnh


20

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 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 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 bỊ mỈt cđa chi tiÕt (gauge), së dÜ cã sù
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 (Concave-gauge).
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).

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 lµ:


21

1) Hướng tiếp cận dựa vào điểm tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt chi

tiết (Cutter Contact Point ), ký hiƯu lµ CC.
2) H­íng tiÕp cËn dùa vµo sù định vị trực tiếp dụng cụ cắt trên bề mặt
chi tiÕt (Direct Positioning), ký hiƯu lµ DP.
1.2.3.1. H­íng tiÕp cËn dựa vào điểm tiếp xúc CC
Trong hướng tiếp cận này các điểm định vị dụng cụ CL nhận được qua 2 bước:
ã Đường dụng cụ được định trước (planned) trên bề mặt thiết kế.
ã Các điểm CL được tính từ các điểm CC trên đường dụng cụ.
Từng điểm P 1 (x 1 ,y 1 ,z 1 ) trên đường 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, O là tâm đầu cầu, n(n x ,n y ,n z ) 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:

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:


22

 x O = x + R.cosα

 yO = y + R. cos β
 z = z + R. cos
O

(1-1)

Trong đó , , là các cosin chỉ phương của véc tơ n
Từ đó có toạ độ điểm P1:
 x1  x + R. cos α 
P1=  y1 =  y + R. cos β 
 z1  z + R. cos γ − R 

(1-2)

§èi víi 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

x1 x + R. cos
P1=  y1 =  y + R. cos β 

 z1 
z

(1-3)


23

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).
ã 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 như tạo thành các tia.
ã 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.
ã 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.
ã 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 (iso-inclination curve).

Hình 1-9: Các dạng đường tiếp xúc theo các phương pháp khác nhau


24

ã 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 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 (Tool-path 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 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 biên giới...
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 dông cô 2D


25

1.2.3.3. So sánh, đánh giá các phương pháp sinh đường dụng cụ
Bảng 1-1: Bảng so sánh, đánh giá các phương pháp sinh đường dụng cụ
Phương pháp CC

Phương pháp DP

Tìm đường tiếp xúc giữa dụng Đường dụng cụ 2D được áp đặt
Nguyên tắc cụ và bề mặt cần gia công trước trước và cao độ Z tìm được
cơ bản

từ đó xác định điểm CL thông thông qua sự tiếp xúc giữa dụng
qua điểm tiếp xúc CC.

cụ và bề mặt cần gia công.

- Thuật toán phức tạp, nhiều - Thuật toán đơn giản.
khi mắc lỗi.

- Không phải kiểm tra cắt lẹm

- Phải qua giai đoạn kiểm tra cắt vì tại bất kỳ điểm CL tính
Độ phức tạp

lẹm (gauge-detect) vì tại mỗi được, dụng cụ chỉ được phép
điểm trên đường tiếp xúc, dụng tiÕp xóc víi mét hc nhiỊu
cơ cã thĨ giao víi các mặt xung bề mặt của mô hình chi tiết.
quanh, nếu thuật toán không tốt
có thể gây hỏng chi tiết.

Chất lượng
bề mặt sau
khi gia công
Cơ sở
liệu

Nói chung tốt do việc tính Nhiều khi chiều cao nhấp nhô
đường dụng cụ có quan tâm không quản lý được do đường
đến các đặc trưng của bề mặt dụng cụ 2D được áp đặt trước.
như độ cong, pháp tuyến...

dữ - Bề mặt (surface)

- Khối rắn (solid)
- Bề mặt (surface)