Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm MasterCam v9.1 Lập trình gia công tiện CNC

Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm MasterCam v9.1 Lập trình gia công tiện CNC Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm MasterCam v9.1 Lập trình gia công tiện CNC Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm MasterCam v9.1 Lập trình gia công tiện CNC Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm MasterCam v9.1 Lập trình gia công tiện CNC Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm MasterCam v9.1 Lập trình gia công tiện CNC Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm MasterCam v9.1 Lập trình gia công tiện CNC

CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ CAD/CAM – CNC

I.1 Công nghệ CAD/CAM:

Những năm cuối thế kỹ 20, công nghệ CAD/CAM đã trở thành một lĩnh

vực đột phá trong thiết kế, chế tạo sản phẩm công nghiệp Computer –

Aided – Design (CAD) là thiết kế với sự trợ giúp của máy tính, Computer –

Aided - Manufacturing (CAM) là chế tạo với sự trợ giúp của máy tính Hai

lĩnh này ghép nối với nhau đã trở thành một loại hình công nghệ cao, một

lĩnh khoa học kỹ thuật tổng hợp của sự liên ngành Cơ khí – Tin học – Tự

động hoá Cùng với sự phát triển của khoa học máy tính, CAD/CAM đã

được nhận thức và chấp nhận nhanh chóng trong công nghiệp vì nó là hạt

nhân chính để sáng tạo và sản xuất sản phẩm, để tăng nhanh năng suất lao

động, giảm cường độ lao động và tự động hoá quá trình sản xuất, nâng cao

độ chính xác chi tiết và đạt hiệu quả kinh tế cao

Computer – Aided – Design (CAD) và Computer – Aided -

Manufacturing (CAM) đã làm một cuộc cách mạng về thiết kế và các

phương pháp sản xuất Người thiết kế không cần phải tính toán các phương

trình toán học phức tạp về các vấn đề như tiếp tuyến, giao tuyến, các vị trí

tâm hoặc các bề mặt phức tạp Việc sử dụng máy vi tính để thiết kế hình

dáng hình học và phát sinh ra chương trình điều khiển số (NC) với công cụ

mô phỏng sẽ cho ta nhìn trước kết quả gia công Công nghệ CAD/CAM tiết

kiệm thời gian và giá thành sản phẩm nhờ vào hiệu quả và sự chính xác của

nó

Trong quá trình hình thành một sản phẩm cơ khí hoàn chỉnh thì công việc

chuẩn bị sản xuất rất quan trọng nó bao gồm các khâu chuẩn bị thiết kế,

chuẩn bị công nghệ, thiết kế và chế tạo các trang bị công nghệ phụ… Kế

hoạch hoá quá trình sản xuất và chế tạo sản phẩm trong thời gian ấn định

Hiện nay nó mang tính chất của loại hình sản xuất hàng loạt nhỏ, phần lớn

thời gian trong khâu chuẩn bị sản xuất thì 90% giành cho thiết kế, tra cứu số

liệu và phần còn lại giành cho lao động sáng tạo cho nên những công việc

này thực hiện trên máy tính mang lại hiệu quả cao hơn, chính xác hơn và

chất lượng hơn

CAD/CAM là một công nghệ liên quan với việc sử dụng máy tính để

thực hiện những chức năng xác định trong lĩnh vực thiết kế và sản xuất, chế

tạo Trước đây, hai lĩnh vực thiết kế và sản xuất chế tạo được thực hiện tách

biệt nhau và độc lập với nhau ngay cả trong cùng một công ty, xí nghiệp

Công nghệ CAD/CAM đang phát triển theo hướng liên kết chặt chẽ hai lĩnh

này với nhau, nhằm tạo ra một cơ sở công nghệ cho mô hình nhà máy được

tích hợp với máy tính trong tương lai

CAD/CAM là một lĩnh vực nghiên cứu nhằm tạo ra các hệ thống tự động

thiết kế và chế tạo Nó dùng máy tính điện tử để thực hiện một chức năng

nhất định để thiết kế và chế tạo sản phẩm Tự động hoá chế tạo là dùng máy

tính điện tử để kế hoạch hoá, điều khiển quá trình sản xuất, điều khiển quá

trình cắt gọt kim loại và kiểm tra nguyên công gia công

Computer – Aided – Design (CAD) là sử dụng hệ thống máy tính cùng

với phần mềm thích hợp để trợ giúp việc thiết lập, sửa đổi, phân tích hoặc tối

ưu hoá một đồ án thiết kế CAD là đồ họa máy tính mà cơ bản là sự sáng tạo

và điều khiển các hình ảnh trên thiết bị hiển thị với sự trợ giúp của máy tính

CAD có thể chuyển thông tin trên không gian hai chiều sang không gian ba

chiều và có được không gian khung giây (Wire frame), bề mặt (Søurface),

hoặc vật thể rắn (Solid)

Computer – Aided - Manufacturing (CAM) là sử dụng hệ thống máy

tính cùng với phần mềm thích hợp để lập kế hoạch, quản lý và điều khiển

các hoạt đông của một nhà máy thông qua giao diện trực tiếp hoặc gián tiếp

giữa máy tính với các tài nguyên sản xuất của nhà máy đóù CAM có thể

phân thành hai loại:

• Theo dõi và điều khiển: đây là những ứng dụng trực tiếp của CAM

9 Theo dõi được thực hiện thông qua việc thu nhập số liệu từ quá

trình sản xuất

9 Điều khiển là dựa vào số liệu thu nhập được từ quá trình sản xuất

để xử lý và đưa ra những tính hiệu điều khiển trực tiếp từ các quá trình trên

cơ sở thuật toán của phần mềm

quá trình sản xuất

Quá trình sản xuất

Máy tính Dữ liệu của

sản xuất

Dữ liệu của

quá trình sx Các tín hiệu điều khiển

• Trợ giúp sản xuất: đây là ứng dụng gián tiếp trong đó máy tính đã

dùng để lập kế hoạch, tiến độ, dự báo, cung cấp thông tin đưa ra các chỉ thị

quản lý và điều hành công việc sản xuất Trong trường hợp này máy tính chỉ

có chức năng trợ giúp nên nằm ngoài hệ thống còn con người thì thường

xuyên phải có mặt thực hiện các công việc theo dõi và điều khiển quá trình

I.2 Lịch sử phát triển CAD/CAM - CNC:

I.2.1 Các giai đoạn phát triển:

Máy công cụ NC việc điều khiển các chức năng của máy được quyết định

bằng các chương trình đã lập sẵn Các máy công cụ NC rất thích hợp với

dạng sản xuất hàng loạt nhỏ và trung bình Hệ thống điều khiển của máy NC

là mạch điện tử Thông tin vào chứa trên băng từ hoặc trên băng đục lỗ, thực

hiện chức năng theo từng khối, khi khói trước kết thúc, máy đọc tiếp các khối

lệnh tiếp theo để thực hiện các dịch chuyển cần thiết Các máy NC chỉ thực

hiện các chức năng như: nội suy đường thẳng, nội suy đường tròn, chức năng

đọc theo băng Các máy NC không có chức năng lưu trữ chương trình

Sự phát triển điều khiển số cho máy công cụ được hình thành năm 1949 –

1950 tại Viện công nghệ Massachusetts (Massachusetts Institute of

Technology Cambridge, USA) Vì nhiệm vụ của Không lực Hoa Kỳ đặt chế

tạo những chi tiết quan trọng của máy bay từ một vật liệu đồng nhất tốt hơn

là dùng đinh tán hay hàn các vật liệu lại với nhau Khi gia công những chi

tiết lớn có biên dạng phức tạp với kỹ thuật thông thường, thì gian gia công rất

lớn và chi phí sản xuất rất cao Do đó sau một thời gian nghiên cứu, biên

dạng gia

công của những chi tiết lớn có thể dễ dàng được thay thế bằng các chức năng

toán học và người ta quyết định chế tạo một bộ điều khiển một máy phay

dựa trên cơ sở này

Về mặt kỹ thuật để thực hiện ý tưởng này yêu cầu một bộ điều khiển, nó

phiên dịch các đại lượng đầu vào được miêu tả dưới dạng nhị phân và dạng

số cho các hành trình chuyển động và các chức năng vận hành máy, theo đó

Dữ liệu của

quá trình sản xuất Các tín hiệu điều khiển (giáp tiếp)

máy phay có thể hiểu được và xử lý các tín hiệu điều khiển bằng số Với sự

phát triển nhanh chóng của xử lý tín hiệu điện tử đã tạo điều kiện cho ý

tưởng trên trở thành hiện thực

Mô hình kỹ thuật CIM:

Phần mềm:

Phần cứng:

1950 1960 1970 1980 1990

• NC (Numerical Control): Điều khiển bằng số

• CNC (Numerical Control with integrated computer): Điều khiển

bằng số với sự tích hợp của máy tính

• FFS (Flexible manufacturing system): Hệ thống sản xuất linh hoạt

• CAD (Computer Aided Design): Thiết kế với sự trợ giúp của máy

tính điện tử

• CIM (Computer Intergnated Manufacturing): Sản xuất với sự trợ

giúp của máy tính với chức năng lập kế hoạch, thiết kế và tự động sản xuất

Máy công cụ điều khiển số đầu tiên đã chỉ rõ các đặc điểm của các máy

NC phát triển sau này:

9 Toàn bộ chương trình gia công được ghi lại trên băng đục lỗ

9 Máy tính điều khiển và xử lý các thông tin đường chuyển dịch và các

chức năng của máy

9 Từng truyền động cho các trục bước tiến và trục chính để điều khiển

chuyển động của dao và cơ cấu gá chi tiết

9 Các hệ thống đo và kiểm để phản hồi vị trí của dụng cụ cắt cho hệ

thống điều khiển trong máy tính

Giữa những năm 50, hầu hết các nhà sản xuất máy công cụ đã bắt đầu

sản xuất và phát triển máy phay điều khiển số NC và ngay sau đó là máy

tiện NC Sự phát triển nhanh chóng của linh kiện vi điện tử như các bộ vi xử

NC

CNC FFS CAD

CAD/CAM

CIM

lý và máy vi tính đã tạo điều kiện cho hệ điều khiển NC phát triển thành hệ

điều khiển CNC (Computer numerial control)

Năm 1953 công bố sáng chế máy phay điều khiển theo chương trình số

NC

Năm 1959 những máy NC đầu tiên của châu âu được triễn lãm tại Paris

Năm 1960 các hệ điều khiển số được chế tạo tương ứng với trình độ kỹ

thuật của công nghệ bóng đèn điện tử và rơle với kích thước lớn giá thành

còn cao, máy NC ở thời kỳ này được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp

hàng không

Từ những năm 1970 ngành điều khiển số phát triển nhanh chóng ứng

dụng những thành tựu của kỹ thuật vi điện tử, vi mạch tích hợp, đặc biệt là sự

phát triển mạnh mẽ của ngành điện toán, cùng với công nghệ phần mềm liên

tục cho ra đời các chương trình ứng dụng với khả năng vượt trội hơn, chương

trình điều khiển linh hoạt hơn, dung lương lớn ngày càng được mở rộng Khi

gia công những chi tiết có biên dạng gia công phức tạp nếu sử dụng kỹ thuật

thông thường sẽ tốn nhiều thời gian và chi phi rất cao, độ chính xác kém

Nhưng nếu sử dụng chương trình số cho máy CNC để gia công những biên

dạng phức tạp này, với các hàm toán học, việc giải toán và điểu khiển thông

số qua bộ sử lý và các mạch điện tử đã trở nên dễ dàng hơn Các giá trị tính

toán được biên dịch dưới dạng mã nhị phân, đây là nguyên tắc cơ bản để ứng

dụng điều khiển số cho máy công cụ Máy công cụ điều số đầu tiên là máy

phay NC đứng, các trục chạy dao được điều khiển bởi motor riêng biệt

Máy công cụ CNC là bước phát triển cao của các máy NC Các máy NC

có một máy tính để thiết lập phần mềm điều khiển các chức năng dịch

chuyển của máy Các chương trình gia công được đọc cùng một lúc và được

lưu trữ và bộ nhớ Khi gia công máy tính đưa các lệnh điều khiển máy Máy

công cụ CNC có khả năng thự hiện các chức năng như: nội suy đường thẳng,

cung tròn, mặt xoắn, mặt Parabol và bất kì mặt bậc nào Máy CNC cũng có

khả năng bù chiều dài và đường kính công cụ Tất cả các chức năng trên đều

được thực hiện nhờ một phần mềm máy tính Các chương trình lập ra có thể

được lưu trữ trong đĩa cứng hoặc trong đĩa mềm

Với sự đóng góp của các bộ vi xử lý ở tốc độ cao ngày càng gia tăng, đã

tạo điều kiện mở rộng khả năng hoạt của các máy công cụ điều khiển số

Các bộ vi xử lý hiện thời và hệ điều khiển CNC cũng như máy công cụ điều

khiển bằng chương trình lôgic (PLC), đã cải tiến hiệu quả của chương trình

NC về độ chính xác gia công, tốc độ của dụng cụ cắt cũng như công suất cắt

Hệ điều khiển CNC hiện đại có thể có vô số các chức năng khác, có khả

năng lập trình gia công các chi tiết có dạng hình học phức tạp mà không phải

tính toán thông qua sự hổ trợ của công cụ toán học

Sự phát triển không ngừng của máy công cụ CNC đang diễn ra trong sự

hợp tác giữa các nhà máy sản xuất linh kiện vi điển tử, điều khiển CNC,

máy công cụ và dụng cụ cắt Ngoài ra, người sử dụng cũng tạo điều kiện cho

nhịp độ phát triển nhanh chóng, do luôn đòi hỏi cao và yêu cầu những giải

pháp tốt nhất và mới nhất Các trung tâm gia công CNC, hệ thống sản xuất

linh hoạt FFS và các nhà máy sản xuất tự động cao CIM đã đánh dấu bước

phát triển quan trọng của máy công cụ điều khiển bằng chương trình số

Tại Việt Nam, trang thiết bị và công nghệ gia công tiên tiến xuất hiện

ngày càng nhiều, đáp ứng yêu cầu phát triển công nghiệp và hội nhập quốc

tế, trong đó các máy công cụ CNC chiếm vai trò quan trọng trong một số cơ

sở công nghiệp

I.2.2 Hệ điều khiển của máy công cụ:

• Hệ điều khiển máy NC:

Ngày nay các máy trang bị hệ điều khiển NC vẫn còn thông dụng

Đây là hệ điều khiển đơn giản với số lượng hạn chế các kênh thông tin

Trong hệ điều khiển NC các thông số hình học của chi tiết gia công và các

lệnh điều khiển được cho dưới dạng dãy các con số Hệ điều khiển NC làm

việc theo nguyên tắc sau đây: sau khi mở máy các lệnh thứ nhất và thứ hai

được đọc Chỉ sau khi quá trình đọc kết thúc, máy mới bắt đầu thực hiện lệnh

thứ nhất Trong thời gian này thông tin của lệnh thứ hai nằm trong bộ nhớ

của hệ thống điều khiển Sau khi hoàn thành việc thực hiện lệnh thứ nhất,

máy bắt đầu thực hiện lệnh thứ hai lấy từ bộ nhớ ra Trong khi thực hiện lệnh

thứ hai, hệ điều kiển đọc lệnh thứ ba được dựa vào chỗ của bộ nhớ mà lệnh

thứ hai vừa được giải phóng ra

Nhược điểm chính của hệ điều khiển NC là khi gia công chi tiết tiếp

theo trong loạt hệ điều khiển lại phải đọc tất cả các lệnh từ đầu và như vậy

sẽ không tránh khỏi những sai sót của bộ nhớ tính toán trong hệ điều khiển

Do đó chi tiết gia công có thể bị phế phẩm Một nhược điểm khác nữa là do

cần rất nhiều lệnh chứa trong băng đục lỗ hoặc băng từ nên khả năng mà

chương trình bị dừng lại (không chạy) thường xuyên có thể xảy ra Ngoài ra

với chế độ làm việc như vậy băng đục lỗ hoặc băng từ sẽ nhanh chóng bị bẩn

và mòn gây lỗi cho chương trình

• Hệ điều khiển máy CNC:

Đặc điểm chính của hệ điều khiển CNC là sự tham gia của máy vi

tính Các nhà chế tạo máy CNC cài đặt vào máy tính một chương trình điều

khiển cho từng loại máy Hệ điều khiển CNC cho phép thay đổi và hiệu

chỉnh các chương trình gia công chi tiết và cả chương trình hoạt động của bản

thân nó Trong hệ điều khiển CNC các chương trình gia công có thể được ghi

nhớ lại Trong hệ điều khiển CNC chương trình có thể được nạp vào bộ nhớ

toàn bộ một lúc hoặc từng lệnh bằng tay hoặc bàn điều khiển Các lệnh điều

khiển không chỉ được viết cho từng chuyển động riêng lẽ mà còn cho nhiều

chuyển động cùng lúc Điều này cho phép giảm số lệnh của chương trình và

như vậy có thể nâng cao độ tin cậy làm việc của máy Hệ điều khiển CNC có

kích thước nhỏ hơn và giá thành thấp hơn so với hệ điều khiển NC nhưng lại

có những đặc tính mới mà hệ điều khiển trước đó không có Ví dụ: nhiều hệ

điều khiển loại này có khả năng hiệu chỉnh những sai số cố định của máy

những nguyên nhân gây ra sai số gia công

I.2.3 Khái niệm và mô hình hoá máy CNC:

CNC (Computer numerial control) là bước phát triển cao của máy diều

khiển theo chương trình số CNC là loại máy điều khiển theo chương trình số

có cơ cấu cấp dao tự động để thực hiện nhiều nguyên công khác nhau sau

một lần kẹp phôi Điểm khác nhau cơ bản giữa NC và CNC là:

• NC điều khiển cứng, chúng được hình thành từ mạch IC logic

• CNC điều khiển mềm vì dùng hệ máy tính nhớ với bộ nhớ có thể đọc và

viết để điều khiển máy công cụ Máy CNC gồm hai phần:

9 Phần điều khiển bằng chương trình điều khiển và các cơ cấu điều

khiển

9 Phần chấp hành

Chương trình điều khiển: Tập hợp các tín hiệu (gọi là LỆNH) được mã

hoá bằng chữ hoặc bằng số Cơ cấu điều khiển nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc

chương trình điều khiển để thực hiện các biến đổi cần thiết để có tín hiệu

phù hợp điều khiển các hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra

sự hoạt của chúng thông qua các tín hiệu được giử về từ các cảm biến liên hệ

ngược

Cơ cấu chấp hành: Máy cắt kim loại, một số cơ cấu phụ khác như: cơ cấu

tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn…

Mô hình hoá máy CNC:

Chương trình

Điều khiển phôi

Bàn phím * Chuyển động

* Vận tốc

* Điều khiển bằng tay * Vị trí

* Điều khiển tự động * Báo lỗi

Tính hiệu màn hình Chi tiết gia

công

Phần điều khiển

Phần chấp hành

Các cơ cấu điều khiển

Máy cắt kim loại

I.2.4 Ưu điểm của máy CNC:

Tính kinh tế đạt được cao với máy công cụ CNC bởi tốc độ nâng cao cũng

như thời gian gia công cơ bản, thời gian phụ, thời gian chuẩn bị và thời gian

kết thúc giảm Các nhân tố ảnh hưởng sau đây tác động mạnh tới kinh tế của

máy CNC:

• Lập trình trực tiếp trên máy bởi khả năng nhập bằng tay

• Việc đảm trách ở bộ phận chuẩn bị chuẩn bị sản xuất cho việc lập

trình, sẵn sàng vật liệu cũng như dụng cụ cắt và nhập các dữ liệu được thực

hiện tại chỗ làm việc

• Lưu trữ trong các trường hợp gia công lập lại của một chương trình gia

công chi tiết đặc biệt dưới dạng chương trình con

• Tối ưu hoá chương trình NC trong hệ điều khiển

• Mô tả hình dạng chi tiết gia công thông qua việc cho dạng hình học

đơn giản

• Chạy dao tự động cho đến khi đạt kích thước

• Tự động vận hành các chức năng của máy và trực tiếp can thiệp khi

xảy ra lỗi hoặc bị nhiễu

• Quan sát tự động quá trình gia công thông qua hệ điều khiển CNC (đo

và kiểm tra tự động)

• Hệ thống ổ dao chứa nhiều dao

• Có khả năng chuẩn bị dụng cụ cắt bên ngoài máy mà không ảnh

hưởng đến quá trình gia công

Chất lượng chi tiết gia công ổn định, ít phế phẩm

Làm tăng chính xác gia công, do cấp chính xác của máy cao (1/1000mm

độ chính xác đo)

Thời gian gia công ngắn thông qua việc tổ chức sản xuất và trùng lắp

công việc

Thời gian vận hành máy cao

Tính linh hoạt trong sản xuất cao bởi hệ thống gia công và do vậy gia

công hợp lí cho loạt nhỏ hoặc gia công đơn chiếc với độ phức tạp cao

I.2.5 Yêu cầu khi sử dụng máy CNC:

Để vận hành và lập trình trên máy công cụ CNC, nhất thiết đòi hỏi người

vận hành máy phải có trình độ cao Nhiều kinh nghiệm từ gia công trên máy

thông thường không thể ứng dụng cho gia công CNC do tốc độ cắt cao hơn

rất nhiều Chi tiết gia công trên máy CNC có ảnh hưởng đến kết cấu của đồ

gá, do đó nó phải đảm bảo những yêu cầu về kỹ thuật an toàn gồm:

• Phải cài then an toàn để chống lại việc gia công các chi tiết bị gá đặt

sai hoặc không đủ cứng vững, để tránh văng của các phần tử chuyển

động

• Chi tiết gia công phải có những bề mặt chuẩn tốt đảm bảo độ chính

xác và độ ổn định gá đặt, đồng thời chi tiết phải có bề mặt thuận tiện

cho việc kẹp chặt không gây biến dạng chi tiết

• Để không dùng đồ gá phụ thì chi tiết không nên có những bề mặt

nghiêng và góc nghiêng

• Để đảm bảo độ chính xác gá đặt cao, chi tiết cần phải định vị theo ba

bề mặt Trong trường hợp này có thể dùng các bề mặt đã qua gia công

trên các máy vạn năng để định vị

• Nếu chi tiết gia công không cho phép định vị theo ba bề mặt thì định

vị theo một bề mặt và hai lỗ, khoảng cách các lỗ phải xa nhau và có

độ bóng cấp 7

• Phải khoá các thiết bị kẹp chi tiết trên máy CNC

• Giữa khoảng cách an toàn giữa các bộ phận nhô xa của các máy CNC

lân cận trong hệ thống mạng máy CNC

• Tránh phoi văng cũng như tia phun của nước trơn nguội

• Hút bụi không khí trong không gian máy