ỨNG DỤNG PHẦN mềm VR CNC vào TRONG GIẢNG dạy

1

MỤC LỤC


CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 4
1.1.Tên đề tài nghiên cứu 4
1.2. Giải pháp kỹ thuật đã biết 4
1.3. Mục đích của nghiên cứu 4
1.4. Nguyên lý chung của giải pháp nghiên cứu 4
CHƢƠNG 2 : CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHỦ YẾU TRONG ĐỀ TÀI 4
2.1. Lý thuyết Công nghệ CNC, thiết kế máy CNC trên phần mềm đồ họa solidwork 5
2.1.1. Những định nghĩa cơ bản trên máy CNC 5
2.1.2. Phân loại hệ điều khiển trên máy CNC 6
2.1.3. Các dạng nội suy theo đƣờng thẳng, cung tròn 10
2.2. Cấu trúc của hệ thống VR-CNC 11
2.3. Xây dựng CAD trên phần mềm Solidworks 12
2.4. Phần mềm EON studio 12
2.5. Thực thi việc giao tiếp giữa bộ điều khiển ảo và máy CNC 13
2.6. Xây dựng phiên bản VR-CNC Lạc Hồng version 1.0 (LHU version 1.0) 13
2.7. Xây dựng Lƣu đồ giải thuật 14
2.8. Máy phay CNC thực tế - ảo phiên bản LHU sau khi hoàn tất có giao diện 15
2.8.1 Tính năng đạt đƣợc 15
CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP NGHIÊN CỨU 16
3.1. Tính mới và tính sáng tạo giải pháp dự thị : 16
3.2. Khả năng áp dụng: 16
2

3.3. Hiệu quả 16
3.3.1 Kỹ thuật 16
3.3.2 Kinh tế 16

3.3.3 Xã hội 17
3.4. Mức độ triển khai 17
PHỤ LỤC MINH HỌA 17
(Tài liệu hƣớng dẫn sử dụng máy phay CNC thực - tế ảo + bài báo tham khảo đính kèm
theo ) 17
TÀI LIỆU THAM KHẢO 17
Danh mục Hình vẽ
Hình 1.1. Nguyên lý chung của giải pháp
Hình 2.1. Hệ tọa độ Oxyz theo quy tắc bàn tay phải
Hình 2.2. Hệ tọa độ và chiều chuyển động của các trục trên máy CNC
Hình 2.3 Điều khiển theo điểm
Hình 2.4 Các đường chạy theo điểm trong điều khiển theo điể
Hình 2.5 Điều khiển đường viền 2D
Hình 2.6 Điều khiển đường viền 2D1/2
Hình 2.7 Điều khiển 3D
Hình 2.8 Điều khiển 4D và 5D
Hình 2.9 Nội suy theo đường thẳng
Hình 2.10 Nội suy cung tròn dùng G02
Hình 2.11 Nội suy cung tròn dùng G03
Hình 2.12 Cấu trúc hệ thống VR-CNC[2]
Hình 2.13 Xây dựng CAD trong phần mềm Solidwork
3

Hình 2.14 Trước khi đã xử lý
Hình 2.15 Sau khi đã xử lý
Hình 2.16 Lưu đồ giải thuật hiển thị ngôn ngữ giao tiếp
Hình 2.17 Lưu đồ thể hiện các bước thực thi chương trình tư động
Hình 2.18 Máy phay CNC thực tế - ảo Phiên bản Lạc Hồng LHU version 1.0

4

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1.Tên đề tài nghiên cứu
Nghiên cứu Máy Phay CNC thực tế- ảo (VR-CNC) Phiên bản Lạc Hồng
trên phần mềm (VR-CNC) và ứng dụng vào trong giảng dạy.
1.2. Giải pháp kỹ thuật đã biết
Các phần mềm mô phỏng đã biết nhƣ Catia, mastercam, CNC
simulation …. Nhƣợc điểm của các phần mềm này đều là không có bộ điều khiển
CNC ảo nên làm cho Sinh Viên, công nhân rất khó thao tác trên 1 máy CNC thật
1.3. Mục đích của nghiên cứu
Xây dựng hệ thống máy phay CNC thực tế - ảo (VRCNC) phiên bản
VRCNC Lạc Hồng, mô phỏng quá trình điều khiển và gia công giống hệt một
máy CNC thực tế[1]. Tạo điều kiện rất lớn đối với những trƣờng đại học, cao
đẳng không có khả năng trang bị những máy CNC đắt tiền cho sinh viên thực tập,
giúp các công ty xí nghiệp giảm thiểu việc đào tạo lại tay nghề cho ngƣời vận
hành máy, tiết kiệm đƣợc chi phí và thời gian rất lớn.
1.4. Nguyên lý chung của giải pháp nghiên cứu



Ngôn ngữ lập trình
Visual Basic để thực
hiện việc Giao tiếp
giữa bộ điều khiển và

máy CNC
Xây dựng CAD
(Máy CNC ảo đƣợc thiết
kế trên phần mềm
Solidwork )

Xử lý về ánh sáng và độ nét
trên phần mềm EON Studio

Xây dựng Phiên
bản VRCNC- Lạc
Hồng
Hình 1.1. Nguyên lý chung của giải pháp
5

CHƢƠNG 2 : CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHỦ YẾU TRONG ĐỀ TÀI
2.1. Lý thuyết Công nghệ CNC, thiết kế máy CNC trên phần mềm đồ họa
solidwork
2.1.1. Những định nghĩa cơ bản trên máy CNC
2.1.1.1.Hệ thống tọa độ trên máy CNC
Để có thể tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, Chúng ta nên gắn vào chi
tiết một hệ trục tọa độ. Thông thƣờng trên các máy điều khiển theo chƣơng trình số ngƣời
ta thƣờng sử dụng hệ tọa độ Decard Oxyz theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận) và
nó đƣợc gắn vào chi tiết gia công. Gốc của hệ trục tọa độ có thể đặt tại bất kỳ một điểm
nào đó trên chi tiết (về mặt nguyên tắc) nhƣng thông thƣờng ngƣời ta sẽ chọn tại những
điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời dễ dàng kiểm tra kích thƣớc theo bản vẽ của
chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều bƣớc tính toán bổ sung.

Hình 2.1. Hệ tọa độ Oxyz theo quy tắc bàn tay phải
Quy tắc bàn tay phải đƣợc chuẩn hóa là ngón tay cái chỉ chiều dƣơng của trục X,

ngón tay giữa chỉ chiều dƣơng trục Z, còn ngón tay trỏ chỉ chiều dƣơng trục Y. Các trục
quay tƣơng ứng với các trục X,Y, Z đƣợc kí hiệu bởi các chữ A, B, C. Chiều quay dƣơng
là chiều quay theo chiều kim đồng hồ nếu nhìn theo chiều dƣơng của các trục X, Y, Z.
6


Hình 2.2. Hệ tọa độ và chiều chuyển động của các trục trên máy CNC
Theo quy ƣớc chung, phƣơng của trục chính của máy là phƣơng của trục OZ, còn
chiều dƣơng của nó đƣợc quy ƣớc khi dao tiến ra xa chi tiết. Ví dụ, với máy tiện 2D thông
thƣờng thì trục chính của nó nằm ngang và trùng với phƣơng OZ của hệ tọa độ, chiều
dƣơng của nó hƣớng ra khỏi ụ động trục chính. Phƣơng chuyển động của bàn xe sao theo
hƣớng kính là phƣơng OX và chiều dƣơng của nó là hƣớng ra xa bề mặt chi tiết gia công.
Đối với máy phay thẳng đứng, trục Z hƣớng theo phƣơng thẳng đứng lên trên, còn trục X
và trục Y đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay phải, tuy nhiên trong thực tế các nhà chế tạo
máy lại thƣờng ƣu tiên chọn trục X là trục mà có chuyển động bàn máy dài hơn… Đối với
các chuyển động quay xung quanh các trục tƣơng ứng X, Y, Z đƣợc xác định bằng các địa
chỉ ký hiệu A, B, C. Và đƣợc xác định là dƣơng khi chiều quay đó có hƣớng thuận chiều
kim đồng hồ khi nhìn theo chiều dƣơng của các trục tƣơng ứng ( khi nhìn vào gốc của hệ
trục tọa độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ngƣợc chiều kim đồng hồ). Ngoài
ra còn có một số chuyển động phụ song song với các trục tƣơng ứng với các trục X, Y, Z
là các địa chỉ U, V, W và hƣớng của chúng đƣợc biểu diễn trên hình 2.2
2.1.2. Phân loại hệ điều khiển trên máy CNC
2.1.2.1 Điều khiển theo điểm
Điều khiển theo điểm đƣợc ứng dụng khi gia công theo các tọa độ xác định đơn
giản. Dao sẽ thực hiện chạy dao nhanh đến các điểm đã đƣợc lập trình, trong hành trình
7

này dao không cắt vào chi tiết. Chỉ khi đạt tới các điểm đích, quá trình gia công mới đƣợc
thực hiện theo lƣợng chạy dao đã lập trình
Các trục có thể có chuyển động kế tiếp nhau hoặc tất cả các trục có thể có chuyển

động đồng thời, giữa chúng không có mối quan hệ hàm số giữa các trục. Khi các trục có
chuyển động đồng thời hƣớng của chuyển động tạo thành góc 45
o
. Khi một trong 2 tọa độ
đã đạt đƣợc thì trục thứ 2 sẽ đƣợc kéo theo đến điểm đích. Điều khiển này đƣợc ứng
dụng trên các máy khoan tọa độ và trên các thiết bị hàn điểm.

n
S
§õ¬ng ch¹y dao nhanh
§õ¬ng ch¹y dao c¾t

C¸c trôc ch¹y lÇn lù¬t
C¸c trôc ch¹y ®ång thêi
Y
X
P1
P2
Y
X
P1
P2

Hình 2.3 Điều khiển theo điểm Hình 2.4 Các đường chạy theo điểm trong
điều khiển theo điểm
2.1.2.2 Điều khiển đường
Điều khiển theo đƣờng tạo ra các đƣờng chạy song song với các trục của máy.
Trong các điều khiển đƣờng mở rộng, 2 trục của máy chuyển động với tốc độ nhƣ
nhau đồng thời ta có thể gia công bề mặt côn có góc 45
o

Phạm vi ứng dụng của điều khiển đƣờng thƣờng bị thu hẹp trên các máy CNC.
2.1.2.3 Điều khiển theo đường viền
Bằng điều khiển theo đƣờng viền ta có thể tạo ra các đƣờng viền hoặc đƣờng thẳng
tùy ý trong một mặt phẳng hoặc không gian. Điều này đạt đƣợc nhờ chuyển động
đồng thời của các bàn trƣợt máy theo 2 hoặc nhiều trục và giữa các trục này có mối
liên hệ hàm số.
8

Tùy theo số lƣợng các trục đƣợc điều khiển đồng thời mà điều khiển đƣờng viền
đƣợc chia thành: Điều khiển 2D, điều khiển 2D1/2, điều khiển 3D và điều khiển
nhiều hơn 3 trục điều khiển đồng thời.
Điều khiển 2D: Điều khiển 2D cho phép thực hiện một đƣờng viền nào đó của
dụng cụ cắt trong một mặt phẳng gia công. Trục thứ 3 đƣợc điều khiển độc lập với
2 trục kia.
Điều khiển 2D1/2: Dạng điều khiển này cho phép thực hiện các chuyển động của
dụng cụ cắt theo mặt phẳng XOY hoặc XOZ. Nhƣ vậy thông qua các chức năng G
code trong chƣơng trình NC ta có thể chuyển từ bề mặt X-Y sang mặt phẳng X-Z.
x
z
x
Y
z

Gia c«ng trong
mÆt ph¼ng X/Z
Gia c«ng trong
mÆt ph¼ng X/Y
z
Y

X
§iÒu khiÓn 2
1
2D

Hình 2.5 Điều khiển đường viền 2D Hình 2.6 Điều khiển đường viền 2D1/2
Điều khiển 3D: Bằng điều khiển 3D ta có thể thực hiện các chuyển động của dụng
cụ cắt trong một không gian 3 chiều. Trong điều khiển 3D tất cả các trục máy
chuyển động đồng thời. Trên máy phay bất cứ đƣờng viền nào cũng có thể đƣợc
hình thành.
9


z
Y
X

G
Hình 2.7 Điều khiển 3D

-Điều khiển 4D, 5D : Trên cơ sở của điều khiển 3D, ngƣời ta còn bố trí cho dụng
cụ hoặc chi tiết có thêm 1 trục chuyển động quay (hoặc 2 trục chuyển động quay) xung
quanh 1 trục nào đó theo một quan hệ ràng buộc với các chuyển động trên các trục khác
của máy 3D. Với khả năng nhƣ vậy, các bề mặt phức tạp hay các bề mặt có trục quay có
thể đƣợc thực hiện dễ dàng hơn so với khi gia công trên máy 3D. Mặt khác, vì lý do công
nghệ nên có những bề mặt không thể thực hiện đƣợc việc gia công bằng 3D vì có thể tốc
độ cắt sẽ khác nhau hoặc sẽ có những điểm có tốc độ cắt bằng không (nhƣ tại đỉnh của
dao phay đầu cầu) hay lƣỡi cắt của dụng cụ không thể thực hiện việc gia công theo mong
muốn ( ví dụ nhƣ góc cắt không thuận lợi hay có thể bị vƣớng thân dao vào các phần khác
của chi tiết……).

Hình 2.8 Điều khiển 4D và 5D
10


2.1.3. Các dạng nội suy theo đƣờng thẳng, cung tròn


M(10/10)
KA( 20/36.28)
KE( -10/-12.36)
Y
X
Hø¬ng ch¹y
-J
-I
10
10
-10
N100G03X-10Y-12.36
I-10J26.28F100
-10
M(10/10)
KA(-10/32.36)
KE( 20/-18.28)
Y
X
Hø¬ng ch¹y
-J
+I

10
-10
N70G02X20Y-18.28
I20J-22.36F100
-10


2.10 Nội suy cung tròn dùng G02 2.11 Nội suy cung tròn dùng G03
Y
X
10
10
N50G00X90Y60
Vx = Vy
P(90/60)
P1(20/30)
Đường chạy dao khi tiến hành nội suy
2.9 Nội suy theo đường thẳng
Đường chạy dao khi không nội suy
11

2.2. Cấu trúc của hệ thống VR-CNC
Từ phần mền thiết kế CAD, khối hình học đƣợc chuyển tới hệ thống
CAD/CAM, qua quá trình sử lý và mô phỏng xuất ra câu lệnh NC. Cuter Location
(CL) file là một kiểu đƣợc định dạng theo mẫu chuẩn công nghiệp, chƣơng trình
gia công đƣợc đƣa vào CL file để so sánh và kiểm tra. Tại vùng “kiểu chạy dao”
chức năng nội suy theo quỹ đạo đƣờng thẳng hay cung tròn. Từ đó hệ thống đƣa
ra các dạng đƣờng tƣơng ứng trong vùng “định hình gia công” dùng các thuật toán
để điều khiển các trục tọa độ. Hệ truyền động gia công có sự so sánh và phản hồi,
sau đó hệ thống đƣa ra kết quả lỗi dự báo. Và cuối cùng hiển thị lỗi này trên biên

dạng hình học (Hình 1).


Hình 2.12 Cấu trúc hệ thống VR-CNC[2]


12


2.3. Xây dựng CAD trên phần mềm Solidworks
Những hình ảnh đồ họa trong máy đƣợc xây dựng bằng phần mềm
Solidworks. Hình2.13 diễn tả quá trình phác họa các chi tiết cho máy VCNC[3].
Từng chi tiết đƣợc thiết kế và đo đạc kỹ lƣỡng trƣớc khi hệ thống đƣợc lắp ráp
hoàn chỉnh [4].


Hình 2.13 Xây dựng CAD trong phần mềm Solidwork

2.4. Phần mềm EON studio
Mô hình đƣợc đƣa vào xử lý về ánh sáng và từng lớp cấu trúc thiết lập
trong môi trƣờng EON [5]. Hình 2.14 và hình 2.15 hiển thị mô hình CAD trƣớc và
sau khi đƣợc xử lý.
Hình 2.14 Trước khi xử lý
Hình 2.15 Sau khi đã xử lý
13

2.5. Thực thi việc giao tiếp giữa bộ điều khiển ảo và máy CNC
Việc thực thi toàn bộ hệ thống giữa màn hình giao diện và bộ điều khiển
trong việc nghiên cứu đƣợc thông qua thƣ viện EONX 3.0 Type. Thƣ viện này
cho phép gán vào trong cửa sổ mô phỏng của giao diện ảo trong chƣơng trình

Microsoft Visual Basic 6.0. Giao tiếp giữa bộ điều khiển và giao diện ảo đƣợc đƣa
vào biên dịch lớp cấu trúc dữ liệu. Dữ liệu đã phân tích đƣợc chuyền từ bộ điều
khiển ảo vào giao diện ảo cho máy VRCNC thông qua thƣ viện EONX Type[6] ,
các quá trình chuyển động và di chuyển của hệ thống đƣợc mô phỏng bằng giao
diện làm việc EON Studio.
2.6. Xây dựng phiên bản VR-CNC Lạc Hồng version 1.0 (LHU version 1.0)
Để hiển thị đƣợc Phiên bản Lạc Hồng trong giao diện
ngƣời dùng, trong phần mềm VCNCMILL3 ta xây dựng cơ
sở dữ liệu để lƣu trữ nhiều đặc tính trong một thƣ mục có tên
“Lang_vn _eng”[7] để ngƣời sử dụng có thể thuận tiện sử
dụng. Lƣu đồ giải thuật tóm tắt đƣợc hiển thị trong những
đặc tính ngôn ngữ khác nhau đƣợc thể hiện trong hình 2.16.
ID
Vietnamese
English
“100100”
“Bang dieu khien LHU
version 1.0”
“Controller
pane”
“100101”
“Phoi gia cong”
“Workpiece”
“100102”
“ex1 Phay bien dang 1”
“ex1 Profile1”


Hình 2.16 Lưu đồ giải thuật hiển thị ngôn ngữ giao tiếp

14

2.7. Xây dựng Lƣu đồ giải thuật
Trong hình 2.17 khắc họa chƣơng trình thực thi tự động câu lệnh trong
chƣơng trình. Hệ thống tọa độ của máy cần phải hợp nhất với hệ tọa độ của
phôi[8].

Hình 2.17 Lưu đồ thể hiện các bước thực thi chương trình tư động




15

2.8. Máy phay CNC thực tế - ảo phiên bản LHU sau khi hoàn tất có giao diện



Hình 2.18 Máy phay CNC thực tế - ảo Phiên bản Lạc Hồng LHU version 1.0
2.8.1 Tính năng đạt đƣợc
- Máy CNC ảo hoạt động trên phần mềm giống hệt nhƣ máy CNC thực tế
- Sinh viên sau khóa học với máy CNC thực tế - ảo đa phần có thể thực

thi gia công sản phẩm ngay trên máy thực tế


16

CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Tính mới và tính sáng tạo giải pháp dự thị :
- Lần đầu tiên thực hiện tại nƣớc Việt Nam
- Có tính mới với thế giới (trên thế giới đa phần chỉ có những phần mềm
mô phỏng quá trình gia công của máy CNC)
- Mang tính kết hợp kỹ thuật của các nghành công nghệ thông tin + cơ
khí + điện tử.
3.2. Khả năng áp dụng:
- Thuận tiện trong việc đào tạo Sinh Viên, công nhân sử dụng máy CNC
(mỗi ngƣời có một máy CNC ảo để thực hành).
- Giảm chi phí rất lớn cho các trƣờng đại học, cao đẳng, học viện không
đủ tiền để trang bị máy móc CNC.
- Có tính ứng dụng rất lớn trong việc đào tạo và phát triển nguồn nhân
lực tại khu công nghiệp Đồng Nai.
3.3. Hiệu quả
3.3.1 Kỹ thuật
Qua việc học trên máy CNC ảo phiên bản lạc hồng sinh viên, học viên sẽ
nắm rõ về cấu trúc và vận hành máy CNC hơn so với phƣơng pháp học lý thuyết
trên sách vở.
3.3.2 Kinh tế

Đối tƣợng sinh viên,
học viên
10 ngƣời học sử dụng
1 Máy Phay CNC thực tế

10 ngƣời học sử dụng
10 Máy phay CNC thực tế -
ảo phiên bản LHU
Chi phí đầu tƣ
1000 000 000 VNĐ
(một tỷ đồng)
60 000 000 VNĐ
(sáu mƣơi triệu đồng)

Qua bảng trên ta thấy rõ đƣợc lợi ích về kinh tế khi chúng ta đào tạo sinh
viên, học viên trên phần mềm máy phay CNC thực tế - ảo phiên bản lạc hồng.

17

3.3.3 Xã hội
Tác động tích cực đến xã hội vì không gây ra tiếng ồn nhƣ sử dụng máy
CNC thực tế, vận hành máy CNC ảo trong phòng học mà hiệu quả học cũng
tƣơng đƣơng với khi ra công xƣởng vận hành máy, Với phiên bản Lạc Hồng giao
diện bằng tiếng việt cho nhiều ngƣời không biết tiếng anh cũng có thể học cách
vận hành đƣợc máy CNC.
3.4. Mức độ triển khai
Đã chạy thử nghiệm thành công và đƣa vào ứng dụng giảng dạy trong
trƣờng Đại Học Lạc Hồng bắt đầu từ tháng 9 năm 2011
Máy phay CNC thực tế - ảo đã hoạt động ổn định và có chức năng mô
phỏng gần giống nhƣ một máy CNC thực tế.
PHỤ LỤC MINH HỌA
(Tài liệu hƣớng dẫn sử dụng máy phay CNC thực - tế ảo + bài báo tham khảo đính kèm
theo )

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Yung-Chou Kao, Cheng-An Fang, Chang-Yean Wu, “ Development on Virtual 5-
Axis Milling Machine Tool” Journal of the Chinese Society of Mechanical
Engineers, Vol.27, No.6, pp.809~815(2006)
[2] Yung-Chou Kao and Mau-Sheng Chen, “Virtual Reality Practical Handbook,”
GAU LIH BOOK CO, 2006
[3] Hong Ming Su, “Study on the Machining Turbine Blade Surface Using Five-Axis
Numerical Control Machine Tool”, Master's thesis, Department of Mechanical
Engineering Da Yeh University, Changhua,2004
[4] Li Zhang Zhuang, “The Integrated Machining Approach for Centrifugal Impeller”,
doctoral's thesis, Department of Mechanical Engineering National Taiwan
University,Taipei,2003
[5] Zhigeng Pana, Adrian David Cheokb, Hongwei Yanga, Jiejie Zhua and Jiaoying
18

Shia, “Virtual reality and mixed reality for virtual learning environments,”
Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, vol.30, pp20-28, 2006
[6] Y. C. Kao, H. Y. Cheng, Y. C. Chen, “Development of a Virtual Controller
Integrating Virtual and Physical CNC, ” 2005 International Conference on
AdvancedManufacture, Taipei, Taiwan, 2005
[7] Wei. Chiao. Chen, “The Research Of The Virtual CPR Learning System,”
Master's thesis, Department of Mechanical Engineering National Central
University, 2004
[8] K. Erkorkmaz, Y. Altintas, C H. Yeung, “Virtual Computer Numerical Control
System” Precision Controls Laboratory, Department of Mechanical Engineering
University of Waterloo, Waterloo, Canada Manufacturing Automation Laboratory,
Department of Mechanical Engineering University of British Columbia,
Vancouver, Canada