Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Catia trong lập trình thiết kế và gia công chi tiết khuôn trên máy CNC

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

-----------------

ĐỖ ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA
TRONG LẬP TRÌNH THIẾT KẾ VÀ GIA CƠNG
CHI TIẾT KHN TRÊN MÁY CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội – Năm 2012


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

-----------------

ĐỖ ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA
TRONG LẬP TRÌNH THIẾT KẾ VÀ GIA CƠNG
CHI TIẾT KHN TRÊN MÁY CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

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

Hà Nội – Năm 2012


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn: “Nghiên cứu ứng dụng phần mềm CATIA trong lập trình thiết kế
và gia cơng chi tiết khn trên máy CNC” được hồn thành bởi học viên Đỗ Anh
Tuấn ngành Chế tạo máy – Khóa 2011B – Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội.
Tơi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các cơng trình nào khác
Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2012
Tác giả

Đỗ Anh Tuấn


LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành vào tháng 9 năm 2012 tại Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội. Trong q trình nghiên cứu, tơi đã nhận được rất nhiều
sự quan tâm giúp đỡ, đóng góp ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi của các tập
thể và cá nhân.
Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Nguyễn
Viết Tiếp - người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, chỉnh sửa, giúp đỡ tơi
hồn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cơ giáo và các cán bộ Viện
Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và hồn thiện luận văn.

Tơi cũng gửi lời cảm ơn tới tất cả các bạn bè và đồng nghiệp – những
người đã cung cấp số liệu, chia sẻ kinh nghiệm và nhiệt tình giúp đỡ tơi
trong q trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn những người thân trong gia đình –
những người đã ln động viên, khuyến khích và sát cánh bên tơi trong suốt
thời gian học vừa qua.

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2012
Học viên

ĐỖ ANH TUẤN


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU…………………………………………………....................................

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM…………………

3

1.1 Tổng quan về công nghệ CAD/CAM……….………….....…………...……

3

1.1.1. Giới thiệu về CAD/CAM. .......................................................................... .

3

1.1.2. Đối tượng phục vụ của CAD/CAM ........................................................... .

4

1.1.3. Vai trị của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất……………………………

5

1.2. Tình hình ứng dụng và phát triển cơng nghệ CAD/CAM tại Việt Nam...

6

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ CÔNG NGHỆ CNC

7

2.1. Giới thiệu về điều khiển số……………………………………………........

7

2.1.1. Khái niệm………………………………………………………..….….…

7

2.1.2. Các thành phần cơ bản của một hệ NC thế hệ cũ…..…………………..…

7

2.1.3. Trình tự NC………………………………………………………..……...

8

2.1.3.1. Lập trình cơng nghệ…………………………..…………………...………..

8

2.1.3.2. Lập trình gia cơng…………………………………….…………………….

8

2.1.3.3. Sản xuất………………………………………………….…………….….….

9

2.2. Điều khiển số hiện đại bằng máy tính……………...……………………...

9

2.2.1. Các chức năng của CNC………………………………………………….

10

2.2.2. Các ưu điểm của CNC ................................................................................ .

12

2.3. Lập trình gia cơng cho máy NC……………………………………………

13

2.3.1. Lập trình theo lối thủ cơng. ........................................................................ .

13

2.3.2. Lập trình chi tiết gia cơng dưới sự trợ giúp của máy tính………………...

13

2.3.2.1. Nhiệm vụ của người lập trình……………………………………………...

14

2.3.2.2. Nhiệm vụ của máy tính ........................................................................ .

14

2.3.3. Đồ họa tương tác với việc lập trình trên hệ CAD/CAM….. ...................... .

16

2.4. Các phương pháp nhập dữ liệu.................................................................... .

17

2.4.1. Nhập dữ liệu theo lối thủ công ..................................................................... .

17

2.4.2. Điều khiển số trực tiếp ................................................................................ .

19


CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CATIA………………………...…..

21

3.1. Tổng quan về các phần mềm CAD/CAM hiện đại………..……………....

21

3.1.1. Các chức năng cơ bản của một hệ CAD hiện đại…………………………

21

3.1.1.1. Chức năng mô hình hóa……………………………..………………………

21

3.1.1.2. Chức năng vẽ ......................................................................................... .

22

3.1.1.3. Chức năng phân tích ............................................................................. .

22

3.1.1.4. Chức năng CAM .................................................................................... .

23

3.1.2. Những cơng nghệ mới trong CAD ............................................................. .

23

3.1.2.1 Thiết kế theo tham số………………………………………………………….

24

3.1.2.2. Thiết kế hướng đối tượng ...................................................................... .

24

3.1.3. Khái quát về các hệ CAD/CAM tại Việt Nam ........................................... .

25

3.2. Giới thiệu phần mềm tích hợp CAD/CAM/CAE CATIA. ........................ .

25

3.2.1 Lịch sử ra đời và phát triển phần mềm CATIA. ......................................... .

26

3.2.2. Tình hình sử dụng CATIA tại Việt Nam.................................................... .

28

3.2.3. Giới thiệu module thiết kế cơ khí trong CATIA ........................................ .

29

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ

31

KHUÔN VỎ ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG SAMSUNG GALAXY I5700……….
4.1. Tổng quan về công nghệ ép phun………………………………………….

31

4.1.1. Khái niệm chung về công nghệ ép phun .................................................... .

31

4.1.1.1 Thực chất công nghệ ép phun……………………………….……………….

31

4.1.1.2. Các thành phần cơ bản trong công nghệ ép phun………….…...............

31

4.1.2. Khuôn ép nhựa. .......................................................................................... .

35

4.1.2.1. Phân loại khuôn ép nhựa………………………………….……..………….

35

4.1.2.2. Các bộ phận cơ bản của một khuôn ép phun………….……...…………..

37

4.2. Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế khuôn vỏ điện thoại

39

Sam Sung Galaxy I5700........................................................................................
4.2.1. Giới thiệu chi tiết nắp vỏ điện thoại Sam Sung Galaxy I5700....................

39

4.2.2. Phương thức truy nhập phần mềm CATIA.................................................

40


4.2.3 Thiết kế mơ hình khn nhựa cho chi tiết vỏ điện thoại Sam Sung

43

Galaxy I5700.........................................................................................................
4.2.3.1 Thiết kế mơ hình chi tiết vỏ điện thoại Sam Sung Galaxy I5700.............

43

4.2.3.2. Thiết kế mơ hình khn ép phun cho chi tiết..........................................

50

CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG LẬP TRÌNH

67

GIA CƠNG LỊNG VÀ LÕI KHUÔN VỎ ĐIỆN THOẠI SAM SUNG
GALAXY I5700....................................................................................................
5.1. Ứng dụng CATIA lập trình gia cơng lịng khn nhựa nắp vỏ

67

điện thoại Sam Sung Galaxy I5700......................................................................
5.1.1. Lựa chọn máy gia công..............................................................................

67

5.1.2. Nhập chi tiết, xác định các thông số máy, đồ gá và phôi gia công............

68

5.1.3. Thiết lập hoạt động gia công thô...............................................................

75

5.1.4. Thiết lập hoạt động gia công tinh..............................................................

81

5.1.5. Xuất chương trình gia cơng NC.................................................................

85

5.1.6. Chương trình gia cơng...............................................................................

89

5.1.6.1. Hoạt động Roughing...........................................................................

89

5.1.6.2. Hoạt động Z.Level.1 và Sweeping.1....................................................

93

5.2. Ứng dụng CATIA lập trình gia cơng lõi khn nhựa nắp vỏ điện thoại

94

Sam Sung Galaxy I5700........................................................................................
KẾT LUẬN............................................................................................................

97

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................

98

PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CAD

Computer Aided Design

DR1

Drafting 1

CAM

Computer Aided Manufacturing

MD1

Mechanical Design 1

CAE

Computer Aided Engineering

ME1

Mechanical Engineering 1

CIM

Computer Integrated

SD1

Sheet Metal Design 1

Manufacturing
NC

Numerical Control

SL1

Sheet Metal Production 1

CNC

Computer Numerical Control

XM1

Styled Mechanical Design 1

CU

Control Unit

YM1

Styled Mechanical Design 1

MCU

Machine Control Unit

CV2

Core and Cavity Design 2

PTP

Point to Point

DP2

Drawing Production 2

CLU

Control Loop Unit

HD2

Hybrid Design 2

DPU

Data Processing Unit

MD2

Mechanical Design 2

MDI

Manual Data Input

ME2

Mechanical Engineering 2

DNC

Direct Numerical Control

MS2

Mechanism Simulation 2

DXF

Data eXtrange Format

SD2

Sheet Metal Design 2

IGES

Initial Graphics Exchange

XM2

Extended Mechanical Design 2

YM2

Styled Mechanical Design 2

PDES Product Data Exchange
Specification
PPR

Process Product Resources

CD3

Composites Design 3

PO

Part Operation

SL3

Aerospace Sheet Metal Design 3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
STT

Hình

Tên hình

Trang

1

Hình 1.1

Sơ đồ chu kỳ sản xuất

5

2

Hình 1.2

Sơ đồ chu kỳ sản xuất khi dùng CAD/CAM

5

3

Hình 2.1

Cấu trúc cơ bản của một hệ NC thế hệ cũ

8

4

Hình 2.2

Cấu trúc cơ bản của một hệ CNC

9

5

Hình 2.3

Các bước trong lập trình gia cơng chi tiết có sự trợ giúp

15

của máy tính
6

Hình 2.4

Cấu hình tổng qt của một hệ thống DNC

19

7

Hình 3.1

Mơ hình bản vẽ trong CAD

21

8

Hình 3.2

Chức năng phân tích trong CAD

23

9

Hình 3.3

Quy tình thiết kế thuận

24

10

Hình 3.4

Quản lý mơ hình theo đối tượng

25

11

Hình 4.1

Các hệ thống của máy ép phun

31

12

Hình 4.2

Bộ phận kẹp của máy ép phun

33

13

Hình 4.3

Bộ phun của máy ép phun

33

14

Hình 4.4

Cấu tạo trục vít

34

15

Hình 4.5

Cấu tạo Vịi phun

35

16

Hình 4.6

Kết cấu khn 2 tấm

35

17

Hình 4.7

Kết cấu khn 3 tấm

36

18

Hình 4.8

Kết cấu khn nhiều tầng

37

19

Hình 4.9

Kết cấu cơ bản của khn ép phun

37

20

Hình 4.10

Hệ thống cấp nhựa

37

21

Hình 4.11

Hệ thống đẩy

38

22

Hình 4.12

Hệ thống làm mát

38

23

Hình 4.13

Q trình thiết kế khn

39

24

Hình 4.14

Phương thức truy nhập mơi trường CATIA

41

25

Hình 4.15

Truy cập Workbench Part Design

41

26

Hình 4.16

Giao diện workbenh Part Design

42

27

Hình 4.17

Giao diện workbenh Generative Shape Design

42

28

Hình 4.18

Quá trình thiết kế mơ hình

43


29

Hình 4.19a

Bản vẽ 2D chi tiết

44

30

Hình 4.19b

Chọn mặt YZ làm mặt vẽ phác

44

31

Hình 4.20

Thiết kế mơ hình chi tiết nắp vỏ điện thoại

45

32

Hình 4.21

Vẽ biên dạng thứ hai của chi tiết

45

33

Hình 4.22

Sử dụng lệnh Multi-section Definition nối 2 biên dạng

46

34

Hình 4.23

Sử dụng lệnh Fillet để tạo góc trịn trên các cạnh

46

35

Hình 4.24

Sử dụng lệnh Variable Fillet để tạo góc trịn có bán kính

47

khác nhau trên các cạnh
36

Hình 4.25

Sử dụng lệnh Shell để tạo chiều dày cho chi tiết

47

37

Hình 4.26a

Trước khi dùng lệnh Shell

47

38

Hình 4.26b

Sau khi dùng lệnh Shell

47

39

Hình 4.27

Vẽ biên dạng Sketch để khoét lỗ

47

40

Hình 4.28

Sử dụng lệnh Pocket để tạo lỗ

48

41

Hình 4.29

Vẽ biên dạng Sketch để khoét lỗ

48

42

Hình 4.30

Sử dụng lệnh Pocket để tạo lỗ

48

43

Hình 4.31

Vẽ biên dạng Sketch để khoét lỗ

48

44

Hình 4.32

Sử dụng lệnh Pocket để tạo lỗ

49

45

Hình 4.33

Vẽ biên dạng Sketch để khoét lỗ

49

46

Hình 4.34

Sử dụng lệnh Pocket để tạo lỗ

49

47

Hình 4.35

Vẽ biên dạng Sketch để khoét lỗ

49

48

Hình 4.36

Sử dụng lệnh Pocket để tạo lỗ

50

49

Hình 4.37

Chuyển sang mơi trường thiết kế Surface

50

50

Hình 4.38

Hộp thoại cho phép đặt tên mặt Surface cần tạo ra

50

(mặt lịng khn)
51

Hình 4.39

Cây thư mục trên màn hình đồ họa

51

52

Hình 4.40

Sử dụng lệnh Multiple Extract để tạo các mặt Surface

51

trên chi tiết
53

Hình 4.41

Sử dụng lệnh Boundary để tạo các đường giới hạn

52

trên chi tiết
54

Hình 4.42

Sử dụng lệnh Fill để tạo các bề mặt từ các đường giới hạn

52

55

Hình 4.43

Tạo các mặt Surface tại các vùng còn lại trên chi tiết

53


56

Hình 4.44

Sử dụng lệnh Joim để tạo mặt Surface duy nhất

53

57

Hình 4.45

Sử dụng lệnh Extruded để tạo mặt phân khn

54

58

Hình 4.46

Mặt phân khn của tấm lịng (Cavity Plate)

54

59

Hình 4.47

Mặt phân khn của lõi khn (Core Plate)

55

60

Hình 4.48

Vào mơi trường thiết kế khn

56

61

Hình 4.49

Chèn khn vào mơi trường thiết kế

56

62

Hình 4.50

Lấy các chi tiết trong thư viện chuẩn Catia

58

63

Hình 4.51

Chọn kích thước thích hợp

58

64

Hình 4.52

Hiệu chỉnh kích thước khn

59

65

Hình 4.53

Bảng kích thước khn thiết kế

59

66

Hình 4.54

Cắt tấm lịng khn

60

67

Hình 4.55

Chọn phần giữ lại

61

68

Hình 4.56

Kết quả thiết kế tấm lịng khn (Cavity Plate)

61

69

Hình 4.57a

Thiết kế tấm lõi khn

61

70

Hình 4.57b

Kết quả thiết kế tấm lõi khn (Core Plate)

62

71

Hình 4.58

Các chi tiết tiêu chuẩn trong thư viện Catia

64

72

Hình 4.59

Chèn chốt dẫn hướng trong thư viện vào khn

64

73

Hình 4.60

Kết quả thiết kế sau khi chèn chốt dẫn hướng

65

74

Hình 4.61

Kết quả thiết kế khn sau khi chèn các chi tiết phụ

65

75

Hình 4.62

Thiết kế hệ thống làm mát

65

76

Hình 4.63

Thiết kế khn hồn chỉnh

66

77

Hình 4.64

Bản vẽ khn 2D

66

78

Hình 5.1

Máy DMU60 monoBLOCK

67

79

Hình 5.2

Nhập mơ hình chi tiết gia cơng

68

80

Hình 5.3

Truy cập workbench Surface Machine

69

81

Hình 5.4

Cây thư mục quản lý tiến trình gia cơng

69

82

Hình 5.5

Hộp thoại Part Operation

70

83

Hình 5.6

Hộp thoại Machine Editor

70

84

Hình 5.7

Hộp thoại Part Operation

71

85

Hình 5.8

Hộp thoại Rough Stock

71

86

Hình 5.9

Hộp thoại tạo kích thước phơi gia cơng

72


87

Hình 5.10

Hộp thoại tạo kích thước phơi gia cơng điều chỉnh thơng số

72

88

Hình 5.11

Phơi của chi tiết gia cơng được tạo ra

73

89

Hình 5.12

Hộp thoại Part Operation cho phép chọn mặt phẳng

73

an tồn khi gia cơng
90

Hình 5.13

Hộp thoại Reference Machining

74

91

Hình 5.14

Xác định hệ toạ độ gốc phơi

74

92

Hình 5.15

Thiết lập vùng gia cơng cho các ngun cơng

75

93

Hình 5.16

Cây thư mục quản lý tiến trình Process

76

94

Hình 5.17

Thiết lập vùng gia cơng trong chu trình Roughing

76

95

Hình 5.18

Thiết lập các thơng số trong mục Machining

77

96

Hình 5.19

Thiết lập các thơng số trong mục Radial

77

97

Hình 5.20

Thiết lập các thơng số trong mục Axial

77

98

Hình 5.21

Hộp thoại thơng số dao mặc định

78

99

Hình 5.22

Hộp thoại sau khi hiệu chỉnh kích thước dao

78

100

Hình 5.23

Hộp thoại thiết lập thơng số bước tiến và tốc độ cắt

78

101

Hình 5.24

Hộp thoại thiết lập thơng số tốc độ quay trục chính

78

102

Hình 5.25

Thiết lập thơng số lượng chạy dao

79

103

Hình 5.26

Thiết lập thơng số tốc độ trục chính

79

104

Hình 5.27

Mơ phỏng đường chạy dao

80

105

Hình 5.28

Mơ phỏng gia cơng thơ

80

106

Hình 5.29

Hộp thoại Part Operation

81

107

Hình 5.30

Cơng cụ thiết lập dụng cụ cắt

81

108

Hình 5.31

Hộp thoại thơng số dụng cụ cắt

81

109

Hình 5.32

Thơng số hình học dao gia cơng

82

110

Hình 5.33

Cây thư mục tiến trình gia cơng

82

111

Hình 5.34

Hộp thoại thiết lập vùng gia cơng

83

112

Hình 5.35

Hộp thoại thiết lập góc nghiêng dụng cụ cắt

83

và bề mặt gia cơng
113
114

Hình 5.36

Thiết lập chu trình gia cơng Zlevel và Sweeping

84

Hình 5.37

Thực hiện tính tốn đường chạy dao của hai chu trình

84

Zlevel và Sweeping

115

Hình 5.38

Hoạt động Z-level

85

116

Hình 5.39

Hoạt động Sweeping

85

117

Hình 5.40

Kết quả mơ phỏng q trình gia cơng

85

118

Hình 5.41

Xuất chương trình gia cơng sang mã G-Code

86

119

Hình 5.42

Hộp thoại Generative NC Output Interactively

86

120

Hình 5.43

Lựa chọn hệ điều khiển và thơng báo q trình xử lý dữ liệu

87

xây dựng chương trình thành cơng
121

Hình 5.44

Chọn thư mục lưu trữ

87

122

Hình 5.45

Thơng tin q trình xử lý

88

123

Hình 5.46

Định dạng APT Code

88

124

Hình 5.47

Chương trình NC dạng Gcode và Mcode

89

125

Hình 5.48

Thơng tin tiến trình gia cơng

89

126

Hình 5.49

Chi tiết gia cơng

95

127

Hình 5.50

Thiết lập phơi, hệ tọa độ gốc phơi

95

128

Hình 5.51

Thiết lập hoạt động gia cơng thơ Roughing

95

129

Hình 5.52

Thiết lập hoạt động gia cơng tinh Sweeping

96

130

Hình 5.53

Thiết lập hoạt động gia cơng tinh Zlevel

96

131

Hình 5.54

Thiết lập hoạt động gia cơng tinh Pencil

96

DANH MỤC CÁC BẢNG
1

Bảng 5.1

Thành phần vật liệu nhôm mác AK5M7

68


-1-

MỞ ĐẦU
Công nghệ CAD/CAM đang đi sâu và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực sản xuất cơ khí, chế tạo máy như một yêu cầu tất yếu của nền sản xuất hiện đại
nhằm mục đích nâng cao năng suất lao động, giảm giá thành và tạo ra các sản phẩm
chất lượng cao.
Trong một hệ CAD/CAM, các phần mềm CAD/CAM/CAE giữ vai trò quan
trọng, quyết định tới chất lượng cũng như thành cơng khi ứng dụng hệ CAD/CAM
đó trong quá trình sản xuất. Cùng với quá trình phát triển mạnh mẽ của công nghệ
CAD/CAM, các phần mềm CAD/CAM cũng ngày càng được cập nhật, bổ sung và
hoàn thiện nhằm đáp ứng thực tiễn và yêu cầu sản xuất. Một số hệ phần mềm nổi
tiếng và được ứng dụng rộng rãi trên thị trường hiện nay như: CATIA, UNI
GRAPHIC, PRO ENGINEER, CAD IDIES,…
Được xây dựng và phát triển bởi Dassault Systemes - một công ty của Pháp
và được độc quyền phân phối, khai thác thị trường bởi tập đoàn máy tính lớn nhất
thế giới IBM, CATIA là phần mềm thương mại đa ứng dụng, tích hợp
CAD/CAM/CAE rất nổi tiếng. Trải qua gần 30 năm xây dựng, nâng cấp và phát
triển, nhờ sự tiện dụng và những ưu thế vượt trội CATIA dần dần trở thành phần
mềm CAD/CAM được ưa chuộng nhất trên toàn thế giới và được sử dụng trong rất
nhiều tập đoàn hàng đầu như: các hãng máy bay Boeing, Airbus,… các hãng sản
xuất ô tô Toyota, Honda, Ford;…
Việc ứng dụng công nghệ CAD/CAM/CNC cùng các phần mềm CAD/CAM
trong sản xuất ngày càng phát triển rộng rãi và được coi như chìa khố để nền sản
xuất cơ khí nói chung cũng như cơng nghệ chế tạo máy nói riêng của Việt Nam đón
đầu và tiếp cận với trình độ sản xuất tiên tiến trên thế giới.
Nhận thức rõ vai trò quan trọng của phần mềm CATIA đối với ngành cơ khí
trong q trình phát triển cơng nghiệp hố, hiện đại hố tại Việt Nam hiện nay nên
tơi đã mạnh dạn chọn đề tài: “Nghiên cứu và ứng dụng phần mềm CATIA trong
lập trình thiết kế và gia cơng chi tiết khuôn trên máy CNC” làm đề tài cho luận

Luận văn cao học

-2-

văn tốt nghiệp của mình. Luận văn nhằm mục đích nghiên cứu, tiếp cận, tìm hiểu
cũng như ứng dụng cơng nghệ CAD/CAM trong gia công chế tạo các chi tiết khuôn
mẫu thông qua việc ứng dụng phần mềm CATIA. Từ đó, cung cấp cách nhìn khái
qt cũng như cụ thể về công nghệ CAD/CAM.
Sử dụng phần mềm CATIA nhằm thiết kế các bộ phận của một bộ khuôn đúc
áp lực chi tiết cụ thể, đó là chi tiết vỏ điện thoại SAMSUNG GALAXY I5700. Đây
là một mẫu sản phẩm đang được sản xuất hàng loạt tại Cơng ty SAM SUNG.
Ngồi phần mục lục, danh mục các từ viết tắt, danh mục các hình ảnh, danh
mục các bảng biểu, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn được chia
thành 5 chương như sau:
- Chương 1: Tổng quan về công nghệ CAD/CAM
- Chương 2: Tổng quan về điều khiển số và công nghệ CNC
- Chương 3: Giới thiệu phần mềm CATIA
- Chương 4: Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế khuôn cho sản
phẩm nắp vỏ điện thoại Sam Sung Galaxy I5700
- Chương 5: Ứng dụng phần mềm CATIA để lập trình gia cơng lịng
khn và lõi khn vỏ điện thoại Sam Sung Galaxy I5700.

Luận văn cao học


-3-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM
1.1 Tổng quan về công nghệ CAD/CAM
1.1.1. Giới thiệu về CAD/CAM

Thiết kế và chế tạo có sự tham gia của máy vi tính (CAD/CAM hay
CAO/FAO) thường được trình bày gắn liền với nhau. Thật vậy, hai lĩnh vực ứng
dụng tin học trong ngành cơ khí chế tạo này có nhiều điểm giống nhau bởi
chúng đều dựa trên cùng các chi tiết cơ khí và sử dụng dữ liệu tin học chung đó là
các nguồn đồ thị hiển thị và dữ liệu quản lý.
Thực tế, CAD và CAM tương ứng với các hoạt động của hai quá trình hỗ trợ
cho phép biến một ý tưởng trừu tượng thành một vật thể thật. Hai quá trình này thể
hiện rõ trong cơng việc nghiên cứu và triển khai chế tạo.
Ta phân biệt hai loại dụng cụ tin học trong nghiên cứu thiết kế:
- Các phần mềm vẽ có sự tham gia của máy tính điện tử (Dessin Assisté par
Ordinateur-DAO hay Computer Aided Drawing - CAD).
- Các phần mềm thiết kế có sự tham gia của máy tính điện tử (Conception
Assistée par Ordinateur-CAO hay Computer Aided Design-CAD).
Trong tiếng Anh ta sử dụng từ CAD chung cho cả hai phần mềm này.
Trong triển khai chế tạo ra sản phẩm từ bản vẽ thiết kế, ngày nay có các phần
mềm ứng dụng đó là các phần mềm chế tạo có sự tham gia của máy tính điện tử
(Fabrication Assistée par Ordinateur – FAO hay Computer Aided Manufacturing CAM)
Khi sự tích hợp trên máy tính điện tử cho các hoạt động thiết kế và chế tạo
được thực hiện, tức là khi việc thực hiện có thể trực tiếp dựa vào các dữ liệu số
được tạo ra bởi việc thiết kế, tập hợp các hoạt động đặc trưng của CAD/CAM được
mô tả dưới khái niệm chế tạo được tích hợp bởi máy tính điện tử (Fabrication
Integrée par Ordinateur – FIO hay Computer integrated Manufacturing - CIM).
Do vậy, CIM biểu diễn các hoạt động tương ứng với thiết kế, vẽ, chế tạo và
kiểm tra chất lượng của một sản phẩm cơ khí.

Luận văn cao học


-4-

1.1.2. Đối tượng phục vụ của CAD/CAM
Xu thế phát triển chung của các ngành công nghiệp chế tạo theo
công nghệ tiên tiến là liên kết các thành phần của quy trình sản xuất trong
một hệ thống

tích

hợp

điều

khiển

bởi

máy

tính

điện

tử (Computer

Integrated Manufacturing - CIM).
Cơ sở dữ liệu của CIM phải toàn diện và đồng bộ, nghĩa là phải có tồn bộ
dữ liệu liên quan đến quá trình sản xuất, từ khi chuẩn bị, bắt đầu, đến khi kết thúc
sản xuất.
Các thành phần của hệ thống CIM được quản lý và điều hành dựa trên cơ sở
dữ liệu trung tâm với thành phần quan trọng là các dữ liệu từ quá trình CAD. Kết
quả của q trình CAD khơng chỉ là cơ sở dữ liệu để thực hiện phân tích kỹ thuật,

lập qui trình chế tạo, gia cơng điều khiển số mà chính là dữ liệu điều khiển thiết bị
sản xuất điều khiển số như các loại máy công cụ, người máy, tay máy công nghiệp
và các thiết bị phụ trợ khác.
Công việc chuẩn bị sản xuất có vai trị quan trọng trong việc hình thành bất
kỳ một sản phẩm cơ khí nào. Cơng việc này bao gồm:
- Chuẩn bị thiết kế (thiết kế kết cấu sản phẩm, các bản vẽ lắp chung của sản
phẩm, các cụm máy,...)
- Chuẩn bị cơng nghệ (đảm bảo tính năng cơng nghệ của kết cấu, thiết
lập qui trình cơng nghệ)
- Thiết kế và chế tạo các trang bị công nghệ và dụng cụ phụ,...
- Kế hoạch hố q trình sản xuất và chế tạo sản phẩm trong thời
gian yêu cầu.
Hiện nay, qua phân tích tình hình thiết kế ta thấy rằng 90% thời lượng
thiết kế là để tra cứu số liệu cần thiết mà chỉ có 10% thời gian dành cho lao động
sáng tạo và quyết định phương án, do vậy các cơng việc trên có thể thực hiện bằng
máy tính điện tử để tiết kiệm thời gian, đảm bảo độ chính xác và chất lượng.

Luận văn cao học


-5-

CAD/CAM là lĩnh vực nghiên cứu nhằm tạo ra các hệ thống tự động thiết kế
và chế tạo trong đó máy tính điện tử được sử dụng để thực hiện một số chức năng
nhất định.
CAD/CAM tạo ra mối quan hệ mật thiết giữa hai dạng hoạt động: thiết kế và
chế tạo.
Tự động hoá thiết kế là dùng các hệ thống và phương tiện tính tốn giúp
người kỹ sư thiết kế, mơ phỏng, phân tích và tối ưu hố các giải pháp thiết kế.
Tự động hoá chế tạo là dùng máy tính điện tử để kế hoạch hố, điều

khiển và kiểm tra các ngun cơng gia cơng.
1.1.3. Vai trị của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất
Sơ đồ chu kỳ sản xuất thông thường và chu kỳ sản xuất với công nghệ
CAD/CAM được minh hoạ theo hình 1.1 và 1.2:

Hình 1.1 – Sơ đồ chu kỳ sản xuất

Hình 1.2 - Sơ đồ chu kỳ sản xuất khi dùng CAD/CAM

Luận văn cao học


-6-

Rõ ràng, CAD/CAM chi phối hầu hết các dạng hoạt động và chức
năng của chu kỳ sản xuất. Ở các nhà máy hiện đại, ở công đoạn thiết kế và chế tạo,
kỹ thuật tính tốn ngày càng phát huy tác dụng và là nhu cầu khơng thể thiếu được.
1.2. Tình hình ứng dụng và phát triển cơng nghệ CAD/CAM tại Việt
Nam
Công nghệ CAD/CAM/CNC đã trở thành xu hướng phát triển tất yếu của
nền sản xuất hiện đại. Điều đó khơng những giúp cho con người có thể sản xuất ra
các sản phẩm đạt được năng suất cao, chất lượng tốt, giá thành hạ đồng thời còn
thỏa mãn được những yêu cầu khắt khe về những sản phẩm chuyên dụng, phức tạp
mà với công nghệ gia công truyền thống trên các máy công cụ cắt gọt trước đây
không thể thực hiện được.
Một quốc gia phát triển phải được dựa trên nền tảng của một nền cơng
nghiệp phát triển, với vai trị tiên phong, chủ chốt và mũi nhọn của ngành cơ khí.
Nhận thức được xu hướng phát triển và tầm quan trọng của cơng nghệ hiện đại nói
chung, ứng dụng cơng nghệ CAD/CAM/CNC trong nền sản xuất nói riêng, Đảng và
Nhà nước ta từ những năm 90 của thế kỷ trước đã có những hành động cụ thể nhằm

tiếp cận và dần đưa công nghệ CAD/CAM/CNC vào trong sản xuất. Trải qua hơn
một thập niên xây dựng và phát triển, công nghệ CAD/CAM/CNC đã dần phát
triển, đi vào thực tế sản xuất và mang lại hiệu quả và những lợi ích vốn có của nó.
Góp phần nâng cao năng suất, tạo ra những sản phẩm chất lượng, đạt độ chính xác
cao, thỏa mãn yêu cầu người sử dụng. Có tác động tích cực trong cơng cuộc cơng
nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, thúc đẩy cho nền cơng nghiệp nói chung và sản
xuất cơ khí nói riêng phát triển sau một thời gian dài khó khăn bởi các nguyên nhân
chủ quan và khách quan. Các thành tựu đạt được sau hơn một thập niên xây dựng và
phát triển là không thể phủ nhận. Tuy nhiên, cũng phải thừa nhận một điều là công
nghệ CAD/CAM trong nước mới đang ở những bước đầu tiên, tiếp cận dần với
trình độ phát triển mạnh mẽ của công nghệ CAD/CAM trên thế giới. Trên thực tế,
lĩnh vực CAD/CAM/CNC cũng đang gặp phải những khó khăn bởi nhiều nguyên
nhân chủ quan và khách quan.

Luận văn cao học


-7-

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ
VÀ CÔNG NGHỆ CNC
2.1. Giới thiệu về điều khiển số
2.1.1 Khái niệm
Nhiều thành tựu trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo có sự trợ giúp của máy
tính đều có nguồn gốc chung từ kỹ thuật điều khiển số (NC: Numerical Control).
Có thể định nghĩa điều khiển số (NC) là một dạng tự động có thể lập trình
được, trong đó q trình được điều khiển bằng số, ký tự và ký hiệu. Trong NC, các
số tạo thành một chương trình gồm các lệnh dùng cho một vật làm (chi tiết) hay một
công việc gia cơng vật làm. Khi việc đó thay đổi thì chương trình gồm các lệnh
cũng sẽ thay đổi theo. Tính mềm dẻo của NC là nhờ ở khả năng thay đổi của

chương trình này. Rõ ràng, việc viết lại một chương trình thì dễ dàng hơn nhiều so
với việc thay đổi trang thiết bị sản xuất.
Công nghệ NC đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều nguyên công, kể cả
vẽ, lắp ráp, kiểm tra chất lượng, đột dập, hàn điểm. Tuy nhiên, ứng dụng chủ yếu
của NC là trong gia công cắt gọt kim loại. Chi tiết cần được gia cơng có nhiều kích
cỡ và hình thù khác nhau, đồng thời đa số các chi tiết gia công trong công nghiệp
hiện nay thường được sản xuất hàng loạt nhỏ và vừa. Những chi tiết đó thường phải
trải qua các nguyên cơng điển hình như tiện, phay và khoan. Việc NC thích hợp với
các cơng việc cắt gọt này là lý do điều khiển số phát triển cực kỳ nhanh chóng trong
công nghiệp gia công kim loại nửa sau thế kỷ XX đến nay.
2.1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ NC thế hệ cũ
Một hệ NC bao gồm có ba thành phần cơ bản sau đây:
- Chương trình gồm các lệnh.
- Bộ phận điều khiển (CPU) hay còn được gọi là bộ điều khiển máy (MCI –
Machine Control Unit).
- Máy cơng cụ (hoặc q trình được điều khiển khác).

Luận văn cao học


-8-

Các thành phần này được thể hiện bởi hình 2.1. Chương trình làm nhiệm vụ
đầu vào cho các bộ phận điều khiển để bộ phận này ra các mệnh lệnh cho máy cơng
cụ hoặc một q trình cần được điều khiển nào đó.

Hình 2.1 – Cấu trúc cơ bản của một hệ NC thế hệ cũ
a) Chương trình gồm các lệnh b) Bộ phận điều khiển c) Máy công cụ
2.1.3. Trình tự NC
Để sử dụng NC trong lĩnh vực chế tạo, cần phải thực hiện các bước sau đây:

2.1.3.1. Lập trình cơng nghệ
Bản vẽ kỹ thuật (cịn gọi là bản vẽ chế tạo) của chi tiết gia công phải được
diễn giải thành bản quy trình cơng nghệ. Đây là một bản liệt kê trình tự các ngun
cơng phải được thực hiện trên chi tiết.
2.1.3.2. Lập trình gia cơng
Người lập trình gia cơng chi tiết có trách nhiệm vạch ra quy trình cơng nghệ
cho những phần chi tiết được gia cơng trên máy NC. Người lập trình phải có kiến
thức về gia công cắt gọt và được đào tạo để lập trình cho máy NC, có nhiệm vụ lập
trình trình tự các bước gia công sẽ được thực hiện trên máy NC và lập thành tư liệu
về các bước đó theo một quy cách đặc biệt. Có hai phương pháp lập trình cho NC:
- Lập trình gia cơng chi tiết theo lối thủ cơng
- Lập trình gia cơng chi tiết dưới sự trợ giúp của máy tính.
a) Lập trình theo lối thủ công: Theo cách này, các lệnh gia công trên máy
được chuẩn bị dưới dạng bản thảo của chương trình gia công chi tiết. Bản thảo này

Luận văn cao học


-9-

là một danh sách các vị trí tương đối của dao cắt hay vật làm cần tuân thủ để gia
công máy cho chi tiết.
b) Lập trình dưới sự trợ giúp của máy tính: đa số các cơng việc tính tốn,
phải làm trong phương pháp lập trình theo lối thủ cơng được máy tính đảm nhiệm.
2.1.3.3. Sản xuất
Bước cuối cùng trong quy trình NC là sử dụng băng NC vào sản xuất. Việc
sản xuất lại liên quan đến vấn đề cung ứng phôi, chọn và chuẩn bị dụng cụ cắt và
dụng cụ gá kẹp, các công việc chuẩn bị máy NC để gia công (chọn chế độ cắt, làm
nguội…) nhiệm vụ của người vận hành máy cơng cụ trong q trình sản xuất là gá
phôi lên máy và thiết lập vị trí xuất phát của dao cắt so với chi tiết gia công. Đến

đây hệ NC tiếp quản công việc và gia cơng vật làm theo các chỉ lệnh có trên băng
ghi. Khi chi tiết được cắt gọt xong, người vận hành máy đưa nó ra khỏi máy rồi gá
phơi mới lên máy.
2.2. Điều khiển số hiện đại bằng máy tính
Nhờ ứng dụng các thành tựu của công nghệ vi điện tử, vi xử lý trong
thiết lập trực tiếp máy tính trên hệ điều khiển máy (Machine Control Unit MCU) để điều khiển máy NC ngày nay hình thành nên phương thức điều khiển
và thế hệ máy điều khiển số bằng máy tính (máy CNC).
CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số bằng máy tính là một
hệ thống NC có sử dụng máy tính trong đó lưu trữ chương trình dành riêng cho việc
thực hiện một số hoặc toàn bộ chức năng điều khiển số cơ bản. Trên hình 2.2 thể
hiện cấu trúc cơ bản của hệ máy CNC có sự tham gia của máy tính.

Hình 2.2– Cấu trúc cơ bản của một hệ CNC

Luận văn cao học


- 10 -

Trong CNC, bộ điều khiển gồm có hai thành phần: Hệ xử lý dữ liệu (Data
Processing Unit - DPU) và mạch điều khiển (Control Loop Unit - CLU)
DPU thực hiện các chức năng:
- Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập.
- Xử lỹ mã lệnh hay giải mã.
- Truyền dữ liệu vị trí, tốc độ và các chức năng phụ trợ tới CLU.
CLU thực hiện các chức năng:
- Nội suy chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận từ DPU và các tín hiệu
điều khiển.
- Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuyếch đại của hệ truyền động.
- Nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ

- Điều khiển các thiết bị phụ trợ.
2.2.1. Các chức năng của CNC
Các chức năng chủ yếu của máy CNC là:
- Điều khiển máy công cụ
- Bù sai số khi đang gia cơng
- Các tính năng lập trình và vận hành tân tiến
- Chuẩn sai
Điều khiển máy công cụ: chức năng hàng đầu của một hệ CNC là điều
khiển máy cơng cụ. Nó thực hiện chuyển đổi các lệnh của chương trình gia cơng chi
tiết thành các chuyển động của máy cơng cụ thơng qua giao diện máy tính và hệ trợ
động (servo system). Ưu điểm của CNC là có thể kết hợp một cách dễ dàng nhiều
đặc tính điều khiển khác nhau vào trong cùng một bộ điều khiển kết nối mềm.
Bù sai số khi đang gia công: đây là chức năng có quan hệ chặt chẽ với điều
khiển máy cơng cụ. Nó liên quan tới hiệu chỉnh động đối với các chuyển động của
máy công cụ khi đang gia công mà gặp lỗi hay cần thay đổi các thông số này. Các
kiểu bù khi đang gia công của máy CNC gồm có:
- Điều chỉnh khi gặp lỗi do dụng cụ đo hoặc dụng cụ đo nhận biết được lúc
đang gia công.

Luận văn cao học


- 11 -

- Tính tốn lại tọa độ khi một đầu dò bị lỗi được sử dụng để định vị một mốc
tham chiếu trên chi tiết gia công.
- Điều chỉnh lượng bù dao theo bán kính dao (dao phay) và theo chiều dài
dao (dao tiện).
- Điều chỉnh điều khiển thích nghi đối với tốc độ cắt hoặc lượng chạy dao
hoặc cả hai.

- Tính tốn tuổi thọ dự kiến của dao cắt và lựa chọn dao thay thế khi có yêu
cầu.
Các tính năng lập trình và vận hành tiên tiến:
Các tính năng lập trình và vận hành có được là nhờ tính mềm dẻo của điều
khiển kết nối mềm. Các tính năng này gồm có:
- Chỉnh sửa chương trình ngay trên máy, nhờ đó có thể dễ dàng sửa lỗi và tối
ưu hóa chương trình.
- Hiển thị hình ảnh đường đi của dao cắt để có thể thẩm tra lại chất lượng
băng có đục lỗ.
- Hỗ trợ các hệ đo khác nhau bao gồm hệ Anh và hệ Mét
- Sử dụng các chương trình con chuyên dụng.
- Nhập dữ liệu thủ công (MDI: Manual Data Input)
- Lưu trữ cục bộ chứa nhiều chương trình gia cơng chi tiết.
Chức năng chẩn sai
Các máy CNC là những hệ phức tạp và đắt tiền. Càng phức tạp thì càng tăng
khả năng hỏng hóc khiến hệ thống phải ngừng hoạt động. Đồng thời, đòi hỏi đội
ngũ bảo trì hệ thống phải được đào tạo ở mức thành thạo hơn để có thể ứng phó
được, sửa chữa được những hỏng hóc đó. Do chi phí NC cao nên cần cố gắng phải
dừng máy ở mức độ tối thiểu. Các máy CNC thường được trang bị thêm khả năng
chuẩn sai để có thể hỗ trợ trong cơng tác bảo trì và sửa chữa. Cùng với thời gian thì
các khả năng chẩn sai này vẫn đang trong quá trình phát triển và hồn thiện dần.
Một số chức năng chẩn sai có thể kể đến là:
- Chỉ ra nguyên nhân gây ra ngừng máy

Luận văn cao học


- 12 -

- Ra tín hiệu báo động về những hỏng hóc sắp xảy ra tại một chi tiết hay bộ

phận nào đó. Giúp cho đội ngũ bảo trì có thể thay thế chi tiết hay bộ phận ấy vào
lúc ngừng máy, nhờ vậy tránh phải dừng sản xuất không đúng kế hoạch.
- Đối với những phần tử được coi là dễ hỏng thì nên bố trí sẵn phần tử dự
phịng, để khi có sự cố thì hệ chẩn sẽ tự động tách phần tử hỏng ra, đồng thời kích
hoạt phần tử dự phòng vào thay thế hoạt động, nhờ vậy công việc sửa chữa không
làm gián đoạn hoạt động bình thường của hệ thống.
2.2.2. Các ưu điểm của CNC
So với các máy NC thế hệ cũ, CNC có những ưu điểm sau:
- Băng và bộ phận đọc băng chỉ dùng đến một lần để nhập chương trình vào
bộ nhớ máy tính. Nhờ ưu điểm này mà tăng độ tin cậy của hệ vì bộ phận đọc băng
thường được coi là thành phần kém tin cậy nhất trong hệ NC truyền thống.
- Chỉnh sửa băng ngay tại máy: băng chứa chương trình có thể chỉnh sửa,
thậm chí tối ưu hóa (như đường đi của dao cắt, tốc độ cắt và lượng chạy dao) trong
khi băng đang được chạy thử tại máy công cụ.
- Chuyển đổi linh hoạt giữa hệ Anh và hệ quốc tế: CNC có khả năng chuyển
đổi đơn vị inch được chuẩn bị trên băng thành đơn vị mét.
- Tính mềm dẻo cao hơn: đây là điểm nổi trội nhất so với NC thế hệ cũ. Nhờ
tính mềm dẻo mà khi cần có thể tạo ra những khả năng điều khiển mới khá dễ dàng
và ít chi phí.
- Người lập trình có thể viết các chương trình bổ sung: một trong những khả
năng không lường được từ đầu là người dùng lại có thể viết những chương trình
chun dụng của mình để bổ sung vào chương trình gia cơng chi tiết. Chúng thường
là những chương trình con ở dạng Marco, được lưu trữ trong bộ nhớ máy CNC và
khi cần, có thể được chương trình gia cơng chi tiết gọi ra để thực hiện các trình tự
gia cơng thường xuyên lặp lại.
- Tổng thiết bị sản xuất: CNC thích hợp hơn với một hệ thống sản xuất được
máy tính hóa ở cấp độ tồn nhà máy. Một trong những cột mốc đạt tới hệ thống như
vậy là khái niệm điều khiển số trực tiếp (DNC).

Luận văn cao học