Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử hệ thống máy phay cnc thực tế ảo phiên bản lạc hồng

Nhược 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.. Nguyên lý chung của giải pháp nghiên cứu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

KHOA CƠ ĐIỆN

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU

KHOA HỌC

Đề tài:

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM VR-CNC VÀO

TRONG GIẢNG DẠY

Th.s PHẠM VĂN TOẢN Th.s VI TRUNG KIÊN

Biên Hòa, ngày 16 tháng 06 năm 2012

LỜI NÓI ĐẦU

Trước tiên Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự phối hợp và giúp đỡ nhận được

từ Giáo Sư Yung - Chou Kao trường đại học Cao Hùng – Đài Loan đã gửi tặng phần

mềm cho Khoa Cơ Điện – Trường Đại Học Lạc Hồng

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của các ngành điện tử, công nghệ thong tin, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành vật liệu mới đã khiến cho nghành công nghệ cao trở thành một cách mạng kỹ thuật mang tính thời đại

Một trong những lĩnh vực phát triển mạnh mẽ đó chúng ta cần nói tới lĩnh vực gia công CNC Trên thế giới CNC, đặc biệt la những nước Châu âu nền tảng CNC phát triển đã khá lâu và rất hiện đại Còn ở Việt Nam, khái niệm về gia công CNC đã dần dần được quan tâm đầu tư về công sức và kinh phí Tất cả điều này giúp Đất nước

ta hoàn thành chỉ tiêu đặt ra tới năm 2020 là một nước công nghiệp phát triển

Vậy một câu hỏi đặt ra là làm sao có thể giúp người học có thể tiếp cận với cộng nghệ hiện đại này, trong khi mức đầu tư cho một máy CNC thực tế là rất cao Trong các trường đại học, cao đẳng, học viện, các trường trung cấp đào tạo nghề không có khả năng đáp ứng được nhiệm vụ này

Một giải pháp đã khắc phục được vấn đề này, một phần mền mô phỏng VR/CNC giống thực tế với quá trình gia công của máy CNC được cài đặt trên máy vi tính Điều này giúp cho mỗi người học có thể thực hành trên một máy CNC mà những thao tác vận hành tương tự như những máy gia công thực

Do thời gian tìm hiểu ngắn và kiến thức còn hạn hẹp, chúng tôi mong nhận được sự đóng góp của bạn đọc

Xin chân thành cảm ơn!

Ths Phạm Văn Toản Ths Vi Trung Kiên

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG 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

CHƯƠNG 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 đường 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 Lưu 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 được 15

CHƯƠNG 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 hướng 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

CHƯƠNG 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 như Catia, mastercam, CNC simulation … Nhược 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 trường 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 người vận hành máy, tiết kiệm được 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 được 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

CHƯƠNG 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 thường trên các máy điều khiển theo chương trình số người

ta thường sử dụng hệ tọa độ Decard Oxyz theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận) và

nó được 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) nhưng thông thường người ta sẽ chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời dễ dàng kiểm tra kích thước theo bản vẽ của chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều bước tính toán bổ sung

Hình 2.1 Hệ tọa độ Oxyz theo quy tắc bàn tay phải

Quy tắc bàn tay phải được chuẩn hóa là ngón tay cái chỉ chiều dương của trục X, ngón tay giữa chỉ chiều dương trục Z, còn ngón tay trỏ chỉ chiều dương trục Y Các trục quay tương ứng với các trục X,Y, Z được kí hiệu bởi các chữ A, B, C Chiều quay dương

là chiều quay theo chiều kim đồng hồ nếu nhìn theo chiều dương 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 ước chung, phương của trục chính của máy là phương của trục OZ, còn chiều dương của nó được quy ước khi dao tiến ra xa chi tiết Ví dụ, với máy tiện 2D thông thường thì trục chính của nó nằm ngang và trùng với phương OZ của hệ tọa độ, chiều dương của nó hướng ra khỏi ụ động trục chính Phương chuyển động của bàn xe sao theo hướng kính là phương OX và chiều dương của nó là hướng ra xa bề mặt chi tiết gia công Đối với máy phay thẳng đứng, trục Z hướng theo phương thẳng đứng lên trên, còn trục X

và trục Y được xác định theo quy tắc bàn tay phải, tuy nhiên trong thực tế các nhà chế tạo máy lại thường ưu tiên chọn trục X là trục mà có chuyển động bàn máy dài hơn… Đối với các chuyển động quay xung quanh các trục tương ứng X, Y, Z được xác định bằng các địa chỉ ký hiệu A, B, C Và được xác định là dương khi chiều quay đó có hướng thuận chiều kim đồng hồ khi nhìn theo chiều dương của các trục tương ứng ( khi nhìn vào gốc của hệ trục tọa độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ngược chiều kim đồng hồ) Ngoài

ra còn có một số chuyển động phụ song song với các trục tương ứng với các trục X, Y, Z

là các địa chỉ U, V, W và hướng của chúng được 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 được ứng dụng khi gia công theo các tọa độ xác định đơn giản Dao sẽ thực hiện chạy dao nhanh đến các điểm đã được lập trình, trong hành trình

7

này dao khụng cắt vào chi tiết Chỉ khi đạt tới cỏc điểm đớch, quỏ trỡnh gia cụng mới được thực hiện theo lượng chạy dao đó lập trỡnh

Cỏc trục cú thể cú chuyển động kế tiếp nhau hoặc tất cả cỏc trục cú thể cú chuyển động đồng thời, giữa chỳng khụng cú mối quan hệ hàm số giữa cỏc trục Khi cỏc trục cú chuyển động đồng thời hướng của chuyển động tạo thành gúc 45o Khi một trong 2 tọa độ

đó đạt được thỡ trục thứ 2 sẽ được kộo theo đến điểm đớch Điều khiển này được ứng dụng trờn cỏc mỏy khoan tọa độ và trờn cỏc thiết bị hàn điểm

n S

Đừơng chạy dao nhanh

Đừơng chạy dao cắt

Các trục chạy lần lựơt Các trục chạy đồng thời

Y

X

P 1

P2 Y

X

P 1

P2

Hỡnh 2.3 Điều khiển theo điểm Hỡnh 2.4 Cỏc đường chạy theo điểm trong

điều khiển theo điểm

2.1.2.2 Điều khiển đường

Điều khiển theo đường tạo ra cỏc đường chạy song song với cỏc trục của mỏy Trong cỏc điều khiển đường mở rộng, 2 trục của mỏy chuyển động với tốc độ như nhau đồng thời ta cú thể gia cụng bề mặt cụn cú gúc 45o

Phạm vi ứng dụng của điều khiển đường thường bị thu hẹp trờn cỏc mỏy CNC

2.1.2.3 Điều khiển theo đường viền

Bằng điều khiển theo đường viền ta cú thể tạo ra cỏc đường viền hoặc đường thẳng tựy ý trong một mặt phẳng hoặc khụng gian Điều này đạt được nhờ chuyển động đồng thời của cỏc bàn trượt mỏy theo 2 hoặc nhiều trục và giữa cỏc trục này cú mối liờn hệ hàm số

8

Tùy theo số lượng các trục được điều khiển đồng thời mà điều khiển đường viền được 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 đường viền nào đó của

dụng cụ cắt trong một mặt phẳng gia công Trục thứ 3 được 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 Như vậy thông qua các chức năng G code trong chương 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 212D

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 đường viền nào cũng có thể được hình thành

9

z Y X

G

Hình 2.7 Điều khiển 3D

- Điều khiển 4D, 5D : Trên cơ sở của điều khiển 3D, người 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 như vậy, các bề mặt phức tạp hay các bề mặt có trục quay có thể được 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 được 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 (như tại đỉnh của dao phay đầu cầu) hay lưỡi cắt của dụng cụ không thể thực hiện việc gia công theo mong muốn ( ví dụ như góc cắt không thuận lợi hay có thể bị vướng 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 đường thẳng, cung tròn

M(10/10)

K A ( 20/36.28)

K E ( -10/-12.36)

Y

X

Hø¬ng ch¹y -J

-I

10 10

-10

N100G03X-10Y-12.36

I-10J26.28F100

-10

M(10/10)

K A (-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 được 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 được định dạng theo mẫu chuẩn công nghiệp, chương trình

gia công được đưa vào CL file để so sánh và kiểm tra Tại vùng “kiểu chạy dao”

chức năng nội suy theo quỹ đạo đường thẳng hay cung tròn Từ đó hệ thống đưa

ra các dạng đường tương 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 đưa 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 được xây dựng bằng phần mềm Solidworks Hình2.13 diễn tả quá trình phác họa các chi tiết cho máy VCNC[3] Từng chi tiết được thiết kế và đo đạc kỹ lưỡng trước khi hệ thống được lắp ráp hoàn chỉnh [4]

Hình 2.13 Xây dựng CAD trong phần mềm Solidwork

2.4 Phần mềm EON studio

Mô hình được đưa vào xử lý về ánh sáng và từng lớp cấu trúc thiết lập trong môi trường EON [5] Hình 2.14 và hình 2.15 hiển thị mô hình CAD trước và sau khi được 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 được thông qua thư viện EONX 3.0 Type Thư viện này

cho phép gán vào trong cửa sổ mô phỏng của giao diện ảo trong chương trình

Microsoft Visual Basic 6.0 Giao tiếp giữa bộ điều khiển và giao diện ảo được đưa

vào biên dịch lớp cấu trúc dữ liệu Dữ liệu đã phân tích được chuyền từ bộ điều

khiển ảo vào giao diện ảo cho máy VRCNC thông qua thư viện EONX Type[6] ,

các quá trình chuyển động và di chuyển của hệ thống được 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 được Phiên bản Lạc Hồng trong giao diện

người dùng, trong phần mềm VCNCMILL3 ta xây dựng cơ

sở dữ liệu để lưu trữ nhiều đặc tính trong một thư mục có tên

“Lang_vn _eng”[7] để người sử dụng có thể thuận tiện sử

dụng Lưu đồ giải thuật tóm tắt được hiển thị trong những

đặc tính ngôn ngữ khác nhau được thể hiện trong hình 2.16

version 1.0”

“Controller pane”

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

14

2.7 Xây dựng Lưu đồ giải thuật

Trong hình 2.17 khắc họa chương trình thực thi tự động câu lệnh trong chương 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