BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------THÂN HOÀNG BẢO LÂM
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT
KẾ VÀ LẬP TRÌNH GIA CÔNG KHUÔN HÚT CHÂN KHÔNG
TRÊN MÁY PHAY CNC
CHUYÊN NGÀNH : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. NGUYỄN VIẾT TIẾP
Hà Nội – 2010
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng những điều được nêu ra trong luận văn thạc sỹ khoa
học "Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm Catia trong thiết kế và gia công khuôn hút
chân không trên máy phay CNC " là hoàn toàn đúng. Tất cả kết quả thu được đều là
từ quá trình nghiên cứu và gia công thực tế. Mọi tài liệu và sự hỗ trợ giúp thực hiện
luận văn đều đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa từng
được bảo vệ tại bất kì hội đồng nào cũng như chưa từng được công bố trên bất kì
phương tiện thông tin nào.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Tác giả
Thân Hoàng Bảo Lâm
MCU
Machine Control Unit
PTP
Point to Point
CLU
Control Loop Unit
DPU
Data Processing Unit
MDI
Manual Data Input
DNC
Direct Numerical Control
DXF
Data Xtrange Format
IGES
4
2
Hình 1.2
Sơ đồ chu kỳ sản xuất khi dùng CAD/CAM
5
3
Hình 1.3
Tạo lập mô hình hình học chi tiết thông qua chức năng CAD
13
4
Hình 1.4
Tạo đường sinh dụng cụ gia công chi tiết thông qua
chức năng CAM
15
5
9
Hình 1.9
Điều khiển 2D ½
23
10
Hình 1.10
Phay túi trên máy 3D
24
11
Hình 1.11
Hệ tọa độ trên các máy CNC và chuyển động các trục
25
12
Hình 1.12
Các điểm gốc và điểm chuẩn trên máy thẳng đứng
Khay nhựa PET
48
17
Hình 3.2
Môi trường CATIA
50
18
Hình 3.3
Môi trường Sketch
51
19
Hình 3.4
Ràng buộc kích thước trong Sketch
53
20
24
Hình 3.9
Thiết kế khay nhựa
55
25
Hình 3.10
Thiết kế khay nhựa
56
26
Hình 3.11
Thiết kế khay nhựa
56
27
Hình 3.12
Thiết kế khay nhựa
Thiết kế khay nhựa
58
32
Hình 3.17
Thiết kế khay nhựa
58
33
Hình 3.18
Thiết kế khay nhựa
58
34
Hình 3.19
Thiết kế khay nhựa
59
35
39
Hình 3.24
Thiết kế khay nhựa
60
40
Hình 3.25
Thiết kế khay nhựa
61
41
Hình 3.26
Thiết kế khay nhựa
61
42
Hình 3.27
Thiết kế khay nhựa
Thiết kế khay nhựa
63
47
Hình 3.32
Thiết kế khay nhựa
63
48
Hình 3.33
Thiết kế khay nhựa
63
49
Hình 3.34
Thiết kế khay nhựa
64
50
65
54
Hình 3.39
Thiết kế khay nhựa
65
55
Hình 3.40
Thiết kế khay nhựa
66
56
Hình 3.41
Thiết kế khay nhựa
66
57
Hình 3.42
Hình 3.46
Thiết kế khay nhựa
68
62
Hình 3.47
Thiết kế khay nhựa
68
63
Hình 3.48
Thiết kế khay nhựa
68
64
Hình 3.49
Thiết kế khay nhựa
69
70
69
Hình 3.54
Thiết kế hoàn chỉnh
71
70
Hình 4.1
Chi tiết
98
71
Hình 4.2
Bề mặt cần gia công
99
72
Hình 4.3
Hình 4.7
Hộp thoại Machine Editor
101
77
Hình 4.8
Xác nhận kích thước phôi
102
78
Hình 4.9
Xác nhận phôi
103
79
Hình 4.10
Xác nhận gốc
104
110
84
Hình 4.15
Gia công bằng dao D32
110
85
Hình 4.16
Gia công bằng dao D3
111
86
Hình 4.17
Gia công bằng dao D32
111
87
Hình 4.18
Hình 4.22
Sản phẩm
115
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC................ 1
1.1. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM ...................................................... 1
1.1.1. Giới thiệu về CAD/CAM ..................................................................... 1
1.1.2. Đối tượng phục vụ của CAD/CAM...................................................... 3
1.1.3. Vai trò của CAD/CAM trong chu kỳ sản xuất ...................................... 4
1.1.4. Chức năng của CAD.............................................................................. 6
1.2. Tổng quan về điều khiển số và công nghệ CNC..................................... 7
1.2.1. Giới thiệu điều khiển số truyền thống ................................................... 7
1.2.1.1 Khái niệm điều khiển số.................................................................... 7
1.2.1.2. Lịch sử phát triển điều khiển số ....................................................... 7
1.2.1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ NC ............................................ 8
1.2.1.4. Trình tự NC ...................................................................................... 9
1.2.1.5. Các phương pháp lập trình gia công chi tiết .................................... 9
1.2.1.6. Điều khiển số hiện đại bằng máy tính .............................................. 10
3.1.1. Thực chất ............................................................................................... 47
3.1.3. Công dụng.............................................................................................. 47
3.2. Ứng dụng phần mềm CATIA trong thiết kế sản phẩm khuôn hút chân
không ..................................................................................................................... 48
CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG LẬP TRÌNH GIA
CÔNG KHUÔN HÚT CHÂN KHÔNG............................................................. 72
4.1. Các công cụ lập trình gia công bề mặt chi tiết với Workbench Surface
Machine ................................................................................................................. 72
4.1.1. Chu trình gia công thô ........................................................................... 72
4.1.1.1. Chu trình gia công thô Sweep Roughing ......................................... 72
4.1.1.2. Chu trình gia công thô Roughing ..................................................... 76
4.1.2. Chu trình gia công tinh Sweeping ......................................................... 85
4.1.3. Chu trình gia công theo Contour ........................................................... 92
4.2. Ứng dụng CATIA lập trình gia công khuôn hút chân không............... 98
4.2.1. Nhập chi tiết, xác định các thông số máy, đồ gá và phôi gia công ....... 99
4.2.2. Thiết lập hoạt động gia công thô. (Create Roughing Operation) .......... 105
4.2.3. Thiết lập hoạt động gia công tinh .......................................................... 109
4.2.4 Xuất chương trình gia công NC.............................................................. 115
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
TÓM TẮT
MỞ ĐẦU
Ngày nay, công nghệ CAD/CAM đã và đang đi sâu vào 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 xuất lao động, giảm giá thành và tạo ra các sản phẩm
công nghệ CAD/CAM trong gia công chế tạo các chi tiết khuôn mẫu thông qua
phần mềm CATIA. Từ đây cung cấp một nhìn khái quát nhưng cũng chi tiết và cụ
thể về công nghệ CAD/CAM. Luận văn được chia thành 4 chương, với nội dung
các chương được thể hiện như sau:
- CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC.
- CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CATIA.
- CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG THIẾT KẾ
SẢN PHẨM.
- CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CATIA TRONG LẬP TRÌNH
GIA CÔNG KHUÔN HÚT CHÂN KHÔNG.
Có thể nói trong hàng chục năm qua, công nghệ CAD/CAM đã thay đổi nhanh
chóng và phát triển vượt bậc mà với kiến thức và khả năng hạn hẹp của một cá nhân
không thể nắm bắt được hết. Để có thể thực hiện được đề tài và hoàn thành trong
thời gian cho phép, học viên xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo và đóng góp
nhiệt tình từ PGS.TS Nguyễn Viết Tiếp cũng như đội ngũ cán bộ Trung tâm Thực
hành Công nghệ Cơ khí - Trường ĐHBK Hà Nội đã hết sức tạo điều kiện để học
viên có thể thực tập, thiết lập chương trình cũng như thực hiện chạy thử chương
trình.
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn luận văn sẽ không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Do vậy học viên mong nhận được sự đóng góp chân thành và quý
báu từ quý thầy cô, các nhà chuyên môn cùng quý đồng nghiệp đang công tác và
hoạt động trong lĩnh vực CAD/CAM.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, ngày 25 tháng 10 năm 2010
Học viên
Thân Hoàng Bảo Lâm
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC
việc lập trình và điều khiển các máy công cụ điều khiển số, do vậy đòi hỏi khi thực
hiện phải nắm vững các kiến thức về kỹ thuật gia công.
Trong chế tạo, việc sử dụng các dữ liệu tin học phải lưu ý đến nhiều mối quan
hệ ràng buộc. Các ràng buộc này nhiều hơn trong thiết kế. Việc cắt gọt vật liệu trên
một máy công cụ điều khiển số hay một máy công cụ vạn năng thông thường là như
nhau, trong hai trường hợp vật liệu không thay đổi về tính chất.
Trong khi đó các dữ liệu tin học có trong môi trường công nghiệp cũng có
trong các xưởng gia công. Các nguồn dữ liệu này cải thiện kỹ thuật chế
tạo, chuyển đổi phương pháp và dẫn đến thay đổi quan trọng trong các công
việc hoàn thành khi lập qui trình công nghệ cũng như trên vị trí làm việc. Ngoài
công việc cho phép điều khiển số các nguyên công gia công, việc thiết lập các dữ
liệutin học mang lại nhiều sự cải thiện về kết cấu liên quan đến cấu trúc máy và đồ
gá, các phương pháp chế tạo và kiểm tra sản phẩm, thiết kế dụng cụ cắt và các cơ
cấu tự động khác. Mặt khác, các ứng dụng tin học này cũng cho phép khai thác tốt
hơn các khả năng mới của máy và dụng cụ.
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
2
Integrated Manufacturing - CIM).
Cơ sở dữ liệu của CIM phải toàn diện và đồng bộ, nghĩa là phải có toàn 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 quá trình CAD không chỉ là cơ sở dữ liệu để thực hiện phân tích kỹ thuật,
lập qui trình chế tạo, gia công 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 trò quan trọng trong việc hình thành bất kỳ
một sản phẩm cơ khí nào
Công 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.v.v...)
- Chuẩn bị công nghệ (đảm bảo tính năng công nghệ của kết cấu, thiết
lập qui trình công nghệ)
- Thiết kế và chế tạo các trang bị công nghệ và dụng cụ phụ v.v...
- Kế hoạch hoá quá trình sản xuất và chế tạo sản phẩm trong thời gian
yêu cầu.
3
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 công việc trên có thể thực hiện bằng
máy tính điện tử để vừa tiết kiệm thời gian vừa đảm bảo độ chính xác và chất
lượng.
hay không, phụ thuộc chủ yếu vào chức năng xử lý của các phần mềm thiết kế.
5
Ngày nay những bộ phần mềm CAD/CAM chuyên nghiệp phục vụ thiết kế và gia
công khuôn mẫu có khả năng thực hiện được các chức năng cơ bản sau:
- Thiết kế mô phỏng hình học 3 chiều (3D) những hình dạng phức tạp.
- Giao tiếp với các thiết bị đo, quét toạ độ 3D thực hiện nhanh chóng các chức
năng mô phỏng hình học từ dữ liệu số.
- Phân tích và liên kết dữ liệu: tạo mặt phân khuôn, tách khuôn, quản lý kết
cấu lắp ghép...
- Tạo bản vẽ và ghi kích thước tự động: có khả năng liên kết các bản vẽ 2D
với mô hình 3D và ngược lại.
- Liên kết với các chương trình tính toán thực hiện các chức năng phân tích kỹ
thuật: tính biến dạng khuôn, mô phỏng dòng chảy vật liệu, trường áp suất,
trường nhiệt độ, độ co rút vật liệu,...
- Nội suy hình học, biên dịch các kiểu đường chạy dao chính xác cho công
nghệ gia công điều khiển số.
- Giao tiếp dữ liệu theo các định dạng đồ hoạ chuẩn.
- Xuất dữ liệu đồ hoạ 3D dưới dạng tập tin STL để giao tiếp với các
thiết bị tạo mẫu nhanh theo công nghệ tạo hình lập thể.
Những ứng dụng của CAD trong ngành chế tạo máy:
- Tạo mẫu nhanh thông qua giao tiếp dữ liệu với thiết bị tạo mẫu nhanh theo
công nghệ tạo hình lập thể (đo quét toạ độ)
- Giảm đáng kể thời gian mô phỏng hình học bằng cách tạo mô hình hình học
theo cấu trúc mặt cong từ dữ liệu số.
- Chức năng mô phỏng hình học mạnh, có khả năng mô tả những hình dáng
phức tạp nhất.
- Khả năng mô hình hoá cao cho các phương pháp phân tích, cho phép lựa
máy này được điều khiển chuyển động tịnh tiến từng bước nhỏ, nhờ vậy tạo nên bề
mặt mong muốn của chi tiết cần gia công. Năm 1948, Parsons đã trình diến ý tưởng
của mình trước cơ quan không lực Hoa Kỳ rồi sau đó ông đã được một loạt dự án
tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đỡ đầu
7
Công trình mở đầu tại MIT liên quan tới việc triển khai một máy phay NC ở
giai đoạn chế thử, và năm 1952 mẫu thử này đã đuợc thực hiện thành công . Điều
này đã chứng tỏ tính hiệu quả cao của khái niệm điều khiển số NC.
Ngay sau đó, các nhà thiết kế chế tạo máy công cụ bắt đầu triển khai các dự án
riêng của mình tập chung cho ra đời những cỗ máy NC trên thị trường. Một số
nghành công nghiệp khác cũng không bỏ lỡ cơ hội nghiên cứu các máy điều khiển
số nhằm đáp ứng nhu cầu riêng của nghành mình. Không lực Hoa Kỳ tiếp tục
hưởng ứng cho việc phát triển NC banừg cách tài trợ cho việc nghiên cứu bổ xung
tại MIT để phát triển một dạng ngôn ngữ lập trình chi tiết gia công có thể dùng để
điều khiển máy NC. Kết quả chính là sự ra đời của ngôn ngữ lập trình APT
(Automatically Programmed Tools) vào năm 1956. Mục tiêu nghiên cứu ban đầu
của APT là cung cấp một phương tiện để người lập trình vật làm có thể thông báo
các lệnh cắt gọt cho máy công cụ bằng những lệnh đơn giản gần giống như ngôn
ngữ tiếng Anh. Được đánh giá là công kềnh đối với nhiều loại máy tính, tuy nhiên
APT cũng đã mang lại những khả năng và hiệu quả to lớn. Cho đến bây giờ, APT
vẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, và hầu hết các ngôn ngữ lập trình vật
làm được dựa trên các khái niệm của APT, đồng thời các nhược điểm của nó cũng
đựợc khắc phúc với sự phát triển của nghành công nghiệp máy tính hiện đại.
1.2.1.3. Các thành phần cơ bản của một hệ NC.
Một hệ NC bao gồm có ba thành phần cơ bản sau đây:
- Chương trình gồm các lệnh
- Bộ phận điều khiển (CU) hay còn được gọi là bộ điều khiển máy (MCI –
Trong những trương hợp như vậy, máy tính sẽ giúp tiết kiệm rất lơn thời gian lập
trình.
1.2.1.5. Các phương pháp lập trình gia công chi tiết
+ Lập trình vật làm theo lối thủ công.
Để chuẩn bị một chương trình gia công viết theo lối thủ công, người lập trình
viết các lệnh chạy máy (cắt gọt) theo một dạng đặc biệt, gọi là bản thảo lập trình vật
làm. Các lệnh đó phải được chuẩn bị rất chính xác vì người gõ chương trình chỉ đơn
giản đánh máy trực tiếp những gì có trong bản thảo vào máy đục lỗ mà thôi. Bản
9
thảo có nhiều dạng, tùy theo máy công cụ và khuôn mẫu dạng băng nào được dùng.
Chẳng hạn, mẫu bản thảo dùng cho một máy khoan hai trục P – T – P khác với mẫu
bản thảo dùng cho máy ba trục cắt theo đường vòng. Bản thảo là một danh sách các
vị trí tương đối giữa dụng cụ cắt và vật làm. Ngoài ra no còn chứa các dữ liệu khác
như lệnh chuẩn bị, các lệnh phụ trợ, các thông số kỹ thuật như tốc độ cắt, lượng
chạy dao – tất cả những dữ liệu đó là cần thiết để vận hành máy dưới sự điều khiển
của băng.
Có thể chia các công việc lập trình thử công thành hai loại:
-
lập trình điểm tới điểm (P – T - P)
-
lập trình theo đường bao vòng.
Trừ trường hợp với những chi tiết gia công phức tạp có nhiều lỗ khoan là
không thich hợp với lập trình thủ công, còng nói chung phương pháp này thích hợp
-
Điều khiển số trực tiếp (DNC)
Với CNC, bộ điều khiển CU kiểu kết nối cứng trong NC truyền thống đã được
thay thế bằng một máy tính nhỏ (trước đây là máy tính vừa, hiện nay là máy vi
tính). Máy tính thực hiện một số hoặc toàn bộ chức năng NC cơ bản nhờ các
chương trình lưu trữ trong bộ nhớ của nó . Một trong các đặc điểm nổi bật của CNC
là mỗi máy tính được dùng để điều khiển một máy công cụ, trong khi DNC sử dụng
một máy tính lớn để điều khiểnnhiều máy công cụ khác nhau.
Quá trình phát triển và cải thiện công nghệ điều khiển số gắn liền với quá trình
phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính nhằm khắc phục những hạn chế mà
công nghệ điều khiển số truyền thông đã gặp phải. Các hạn chế này gồm có:
- Các lỗi lập trình gia công chi tiết là vấn đề thường gặp khi chuẩn bị băng đục
lỗ. Những lỗi này thường là lỗi cú pháp hoặc lỗi về con số, và không hiếm khi phải
ba hay bốn lần sửa lỗi hay nhiều lần hơn nữa thì mới có thể khắc phục được hết sai
xót. Một vấn đề nữa là làm sao có được trình tự gia công là hợp lý nhất , một khó
khăn chủ yếu phát sinh khi lập trình gia công theo lỗi thủ công. Một số ngôn ngữ
lập trình gia công chi tiết có máy tính trợ giúp mới có những công cụ phụ trợ để có
thể đáp ứng được yêu cầu này.
- Chế độ cắt tối ưu: trong NC truyền thống, hệ điều khiển không có cơ cấu cho
phép thay đổi tốc độ cắt và lượng chạy dao trong quá trình cắt gọt. Do vậy vì lý do
an toàn, người lập trình buộc phải thiết lập chế độ cắt ở những điều kiện xấu nhất.
Kết quả là máy làm việc với chế độ cắt dưới mức tối ưu.
Công nghệ máy tính phát triển cho ra đời các máy vi tính kích thước nhỏ bé và
tốc độ sử lý ngày càng cao. Do vậy, chẳng bao lâu sau, ý tưởng sử dụng một máy
11
Tất cả các nhà cung cấp hệ thống CAD/CAM lớn đều có bán kèm theo các gói
phần mềm lập trình gia công NC. Mặc dù các gói phần mềm đều có những đặc điểm
khác nhau giữa các nhà cung cấp nhưng chúng đều vận hành theo một cách thức
giống nhau. Trình tự của thủ tục lập trình gia công theo các bước sau đây:
+ Các bước khởi đầu của thủ tục:
Thủ tục CAD/CAM dùng cho lập trình NC bắt đầu bằng việc xác định dữ
liệu hình học của chi tiết. Một thuận lợi rất lớn của việc sử dụng hệ thống
CAD/CAM là có thể tạo ra những dữ liệu hình học thông qua quá trình thiết kế
CAD. Nếu mô hình hình học của chi tiết chưa được tạo ra trong giai đoan CAD thì
nhất định nó phải đựơc xây dựng trên màn hình đồ họa trứớc khi có thể lập trình.
Hình 1.3 - Tạo lập mô hình hình học chi tiết thông qua chức năng CAD
Với chi tiết gia công được thể hiện trên màn hình máy tính, người hình học
tiến hành ghi nhãn cho các bề mặt, các yếu tố hình học khác nhau tạo nên hình dáng
hình học của chi tiết. Công việc này được thực hiện thông qua sự hỗ trợ của các
công cụ thích hợp được xây dựng trong hệ CAD/CAM. Sau khi ghi nhãn xong, hệ
CAD/CAM sẽ tạo ra các lệnh hình học cần thiết của ngôn ngữ APT.
13
Copyright: Tài liệu đại học ©