Tài liệu Nghiên cứu công nghệ cadcam cnc vào thiết kế gia công khuôn

ĐOÀN VĂN LƯỢNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- ĐOÀN VĂN LƯỢNG CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CAD/CAM-CNC VÀO VIỆC THIẾT KẾ GIA CÔNG KHUÔN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHẾ TẠO MÁY KHÓA 2013B HàNội – Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- ĐOÀN VĂN LƯỢNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CAD/CAM-CNC VÀO VIỆC THIẾT KẾ GIA CÔNG KHUÔN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. TRƯƠNG HOÀNH SƠN Hà Nội – Năm 2016 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................... 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, ẢNH CHỤP ....................... 2 LỜI CAM ĐOAN ............................................................................... 7 MỞ ĐẦU ............................................................................................ 8 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC ... 10 VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU ........................................................ 10 1.1. Tổng quan về CAD/CAM/CNC ..................................................... 10 1.1.1. Tổng quan về CNC ......................................................................... 10 1.1.2. Tổng quan về CAD/CAM ............................................................... 12 1.2. Giới hạn nghiên cứu của đề tài ....................................................... 17 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ KHUÔN MẪU ĐỂ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC VÀO THIẾT KẾ CHẾ TẠO ........ 19 2.1. Thực trạng khuôn mẫu trên thế giới và Việt Nam. ......................... 19 2.1.1. Thực trạng khuôn mẫu trên thế giới ................................................ 19 2.1.2. Thực trạng khuôn mẫu ở Việt Nam ................................................. 19 2.2. Tổng quan chung về khuôn ép phun nhựa ...................................... 20 2.2.1. Vật liệu chất dẻo. ........................................................................... 20 2.2.2. Polymer ......................................................................................... 21 2.2.3. Tính chất, đặc điểm, ứng dụng của chất dẻo. .................................. 21 2.3. Cơ sở thiết kế khuôn ...................................................................... 23 2.3.1. Các loại khuôn ép phụn nhựa .......................................................... 23 2.3.2. Các bộ phận cơ bản của khuôn........................................................ 25 2.3.3. Các yêu cầu kỹ thuật đối với khuôn ép nhựa ................................... 27 2.3.4. Hệ thống đẩy .................................................................................. 27 2.3.5. Hệ thống chốt hồi về ....................................................................... 29 2.3.6. Hệ thống cấp nhựa .......................................................................... 30 2.3.7. Lõi mặt bên của khuôn.................................................................... 32 2.3.8. Hệ thống làm nguội khuôn .............................................................. 33 2.3.9. Vật liệu làm khuôn: ........................................................................ 33 2.3.10. Phương pháp thiết kế khuôn: ........................................................ 33 2.4. Máy ép phun .................................................................................. 35 2.4.1. Cấu tạo máy ép phun ...................................................................... 35 2.4.2 Các công đoạn của máy ép phun: ..................................................... 36 CHƯƠNG 3 ...................................................................................... 38 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC ĐỂ THIẾT KHUÔN VÀ LẬP CHƯƠNG TRÌNH GIA CÔNG LÒNG, LÕI KHUÔN .... 38 3.1. Phần mềm CATIA ......................................................................... 38 3.1.1. Giới thiều về phần mềm .................................................................. 38 3.1.2. Các Module chính và chức năng của chúng .................................... 39 3.1.3. Đặc trưng nổi bật của CATIA ......................................................... 42 3.2. Ứng dụng phần mềm Catia để thiết kế bộ khuôn ép phun nhựa...... 43 3.2.1 Giới thiệu tổng quan về sản phẩm nghiên cứu.................................. 44 3.2.2 Phân tích công nghệ sản xuất và lấy mẫu dựng hình chi tiết.......... 45 3.2.3 Các bước vẽ chi tiết khay bằng phần mềm Catia .............................. 45 3.3. Thiết kế khuôn cho sản phẩm khay nhựa........................................ 48 3.3.1. Phân tích ý tưởng: ........................................................................... 48 3.3.2. Thiết kế khuôn tổng thể .................................................................. 48 3.4. Ứng dụng phần mềm Mastercam6 để lập trình gia công................. 66 3.4.1. Thực nghiệm gia công mẫu. ............................................................ 66 3.4.2. Tạo phôi cho cả quá trình gia công (Workpiece) ............................. 67 3.4.3.Thiết lập máy, hệ toạ độ và mặt phẳng an toàn cho quá trình gia công ................................................................................................................. 68 3.4.4.Tiến hành làm các chương trình gia công bề mặt chi tiết ................. 69 3.4.5. Tạo chương trình gia công NC ........................................................ 79 CHƯƠNG 4 ...................................................................................... 82 KẾT QUẢ GIA CÔNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHUNG VỀ SẢN PHẨM 82 4.1. Gia công sản phẩm trên máy CNC ................................................. 82 4.1.1. Máy gia công .................................................................................. 82 4.1.2. Sản phẩm ........................................................................................ 83 4.2. Kiểm tra sản phẩm sau khi gia công để đánh giá độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt của chi tiết sau khi gia công .............................. 84 4.2.1. Đo độ nhám của bề mặt sản phẩm. .................................................. 84 4.2.2. Kiểm tra độ chính xác của sản phẩm ............................................... 86 Các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác gia công trên máy CNC: ............................................................................................................. 86 4.2.3. Kiểm tra và đánh giá độ chính xác của chi tiết ................................ 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................ 98 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu 1 CAD Computer Aided Design Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính 2 CAE Computer Aided Engineering Máy tính hỗ trợ kỹ thuật 3 CAM Computer Aided Manufacturing Gia công với sự trợ giúp của máy tính 4 CFD Computational Fluid Dynamics Tính toán khí động lực học 5 CMM Coordinate Measuring Machine Máy đo tọa độ 6 CNC Computer Numerical Control Máy điều khiển theo chương trình số 7 EMX Expert Moldbase Extension Module hỗ trợ thiết kế khuôn nhựa 8 FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn 9 MCAD 10 NURBS Non-uniform rational B-spline 11 RE 12 PDX Ý nghĩa Mechanical design Dịch nghĩa computer aided Thiết kế cơ khí với sự trợ giúp của máy tính Bề mặt tự do Reverse Engineering Kỹ thuật ngược Progresive Die Extension Module hỗ trợ thiết kế khuôn dập 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, ẢNH CHỤP Hình 1.1. Quá trình hình thành và phát triển của CAD/CAM/CAE ............................ 13 Hình 1.2. Liên kết dữ liệu giữa CAD và CAM ............................................................ 14 Hình 1.3. Mối quan hệ CAD/CAM ............................................................................. 14 Hình 2.1:Các loại vật liệu .......................................................................................... 21 Hình 2.2 :Cấu tạo khuôn hai tấm ............................................................................... 23 Hình 2.3:Khuôn ba tấm ............................................................................................. 24 Hình 2.4: khuôn ba tấm ............................................................................................. 24 Hình 2.5: Khuôn nhiều tầng ....................................................................................... 24 Hình 2.6: Cấu tạo sơ bộ ............................................................................................. 25 Hình 2.7: Các bộ phận cơ bản của khuôn .................................................................. 25 Hình 2.8: Hệ thống đẩy.............................................................................................. 27 Hình 2.9: Hệ thống chốt hồi về .................................................................................. 30 Hình 2.10: Cuống phun ............................................................................................. 30 Hình 2.11:Bố trí kênh nhựa ....................................................................................... 31 Hình 2.12:Các kiểu kênh nhựa thông dụng ................................................................ 31 Hình 2.13:Vật phun bị ngắn ....................................................................................... 31 Hình 2.14: Sản phẩm bị cong vênh. ........................................................................... 32 Hình 2.15: Đường hàn ............................................................................................... 32 Hình 2.16: Sự tạo đuôi. .............................................................................................. 32 Hình 2.17: Hõm co .................................................................................................... 32 Hình 2.18. Các kiểu bố trí lòng khuôn dạng hình chữ nhật ........................................ 34 Hình 2.19. Kiểu bố trí lòng khuôn dạng tròn và thẳng ............................................... 34 Hình 2.20: Cấu tạo máy ép phun ............................................................................... 35 Hình 2.21: Cụm bơm nhựa......................................................................................... 35 Hình 2.22: Quá trình nhựa hoá. ................................................................................. 36 Hình 2.23: Quá trình điền đầy khuôn. ........................................................................ 36 Hình 2.24: Quá trình lấy sản phẩm ............................................................................ 36 Hình 3.1.: Một số ứng dụng của phần mềm CATIA .................................................. 39 2 Hình 3.2 : Các Module chính và chức năng của Catia ............................................... 39 Hình 3.3: Module Shape ............................................................................................ 40 Hình 3.4: Module Machining ................................................................................... 41 Hình 3.5.: Module Machining Simulation ................................................................. 42 Hình 3.6.: Bộ khuôn ép phun khay nhựa .................................................................... 43 Hình 3.7 :Các bộ phận cơ bản của khuôn .................................................................. 44 Hình 3.8: Machinical Design ..................................................................................... 46 Hình 3.9: Vẽ Sketsch .................................................................................................. 46 Hình 3.10: Dựng khối hộp ......................................................................................... 46 Hình 3.11: Chọn mặt phẳng vẽ hình .......................................................................... 47 Hình 3.12: Lệnh Poket và cài đặt thông số hình học .................................................. 47 Hình 3.13: Bo R các góc ............................................................................................ 47 Hình 3.14: Làm mỏng khối đặc .................................................................................. 48 Hình 3.15..Hình vẽ tổng thể chi tiết khay. .................................................................. 48 Hình 3.16: Vào môi trường tách lòng và lõi ............................................................... 49 Hình 3.17: Vào môi trường để tạo mặt phân khuôn.................................................... 49 Hình 3.18: Bảng tỷ lệ co ngót .................................................................................... 50 Hình 3.19: Trường chi tiết để tạo mặt phân khuôn ..................................................... 50 Hình 3.20: Extact mặt trên thuộc đường phân hốc ..................................................... 50 Hình 3.21: Đổi màu phân hốc .................................................................................... 51 Hình 3.22: Extact mặt đáy và đường bao cạnh đứng cho thuộc đường lõi.................. 51 Hình 3.23: Đổi thành mầu đỏ để phân lõi .................................................................. 51 Hình 3.24: Vẽ mặt phẳng trên chi tiết ........................................................................ 52 Hình 3.25: Fill mặt phẳng vào chi tiết ....................................................................... 52 Hình 3.26: Mặt phân hốc được tạo ............................................................................ 52 Hình 3.27: Chọn màu phân hốc, phân lõi................................................................... 53 Hình 3.28: Kiểm tra mặt cắt chi tiết phân khuôn được tạo ......................................... 53 Hình 3.29: Vào môi trường tạo khuôn cơ sở .............................................................. 54 Hình 3.30: Chọn dạng khuôn trong thư viện mẫu....................................................... 54 Hình 3.31: Khuôn cơ sở ............................................................................................. 54 3 Hình 3.32: Chèn chi tiết vào khuôn ............................................................................ 55 Hình 3.33:. Bộ khuôn được tạo. ................................................................................. 55 Hình 3.34: Tạo phân hốc ........................................................................................... 56 Hình 3.35: Tạo phân lõi ............................................................................................. 56 Hình 3.36: Lắp trục dẫn hướng vào khuôn................................................................. 57 Hình 3.37 :Lắp bạc dẫn hướng. ................................................................................. 57 Hình 3.38:. Lắp ráp bu lông cố định tậm khuôn trên. ................................................. 58 Hình 3.39:Lắp ráp bu lông tấm khuôn dưới ............................................................... 58 Hình 3.40: Vị trí chốt hồi ........................................................................................... 59 Hình 3.41 :Lắp chốt hồi ............................................................................................. 59 Hình 3.42: Lắp bạc cuống phun. ................................................................................ 60 Hình 3.43:. Điểm lắp bu lông..................................................................................... 60 Hình 3.44:. Lắp bu lông cố định bạc cuống phun ....................................................... 61 Hình 3.45: Lắp cuống phun ....................................................................................... 61 Hình 3.46: Điểm lắp chốt đẩy .................................................................................... 62 Hình 3.47: Lắp chốt đẩy vào khuôn ........................................................................... 62 Hình 3.48: Bộ khuôn hoàn chỉnh................................................................................ 63 Hình 3.49: Hệ thống bu lông, chốt, phụ kiện .............................................................. 63 Hình 3.50. Kích thước tấm hốc khuôn ........................................................................ 64 Hình 3.51: Kích thước tấm lõi khuôn ......................................................................... 65 Hình 3.52: Tạo một file gia công mới......................................................................... 67 Hình 3.53: Tạo phôi cho quá trình gia công. ............................................................. 68 Hình 3.54: Thiết lập mặt phẳng an toàn cho quá trình gia công ................................ 69 Hình 3.55: Chọn dao cho quá trình gia công. ............................................................ 70 Hình 3.56: Thiết lập các thông số cho quá trình gia công thô. ................................... 71 Hình 3.57: Kiểm tra đường chạy dao của quá trình gia công. .................................... 72 Hình 3.58: Mô phỏng đường chạy dao gia công thô. ................................................. 72 Hình 3.59: Khai báo thông số dao cho quá trình phay thô ........................................ 73 Hình 3.60: Thiết lập các thông số cho quá trình gia công thô .................................... 73 Hình 3.61: Mô phỏng đường chạy dao gia công thô. ................................................. 74 4 Hình 3.62: Khai báo thông số dao cho quá trình bán tinh và tinh .............................. 75 Hình 3.63: Thiết lập các thông số cho quá trình gia công tinh ................................... 76 Hình 3.64: Khai báo thông số dao cho quá trình tinh................................................. 77 Hình 3.65: Thiết lập các thông số dao cho quá trình gia công tinh. ........................... 78 Hình 3.66: Kiểm tra quá trình chạy dao của quá trình gia công tinh. ........................ 79 Hình 4.1. Máy phay CNC SUNMILL.JHV-710. .......................................................... 82 Hình 4.2. Sản phẩm 2 nửa khuôn khuôn ép phun khay nhựa ...................................... 84 Hình 4.3: Máy đo độ nhám ........................................................................................ 85 Hình 4.4. Vị trí đo độ nhám trên sản phẩm ................................................................ 85 Hình 4.5: Đầu đo thực hiện đo độ nhám .................................................................... 86 Hình 4.6: Thiết bị Scan Máy quét 3D của hãng NIKON ............................................. 91 Hình 4.7. Đầu quét sản phẩm..................................................................................... 93 Hình 4.8 : Hình chiếu máy ........................................................................................ 93 Hình 4.9: Sản phẩm quét ........................................................................................... 94 Hình 4.10 : REF: Đối tượng so sánh (File thiết kế 3D). ............................................ 95 Hình 4.11 : Kết quả kiểm tra sản phẩm ..................................................................... 95 Hình 4.12: Sai số trong gia công. .............................................................................. 96 5 LỜI CẢM ƠN Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Trương Hoành Sơn - người Thầy đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tiếp theo Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí và bộ môn Chế tạo Máy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này. Sau hết Tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. Xin trân trọng cảm ơn! 6 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn. Tác giả Đoàn Văn Lượng 7 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp sản xuất tự động phát triển theo. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, sự ra đời của máy công cụ điều khiển bằng chương trình số với sự trợ giúp của máy tính, gọi tắt là máy CNC, đã đưa ngành cơ khí chế tạo sang một thời kỳ mới, thời kỳ sản xuất hiện đại. Hầu hết các nhà máy cơ khí ở nước ta hiện nay ít nhiều đều được bố trí các máy công cụ CNC để phục vụ sản xuất, bao gồm các loại máy Phay, Tiện, Bào, Mài, Khoan... có số trục điều khiển 2, 3, 4, 5. Nhưng các cơ sở sản xuất hầu như chưa biết cách khai thác hết khả năng gia công trên máy. Lý do chủ yếu là trình độ thiết kế, lập trình của cán bộ kỹ thuật Việt Nam còn yếu, chưa khai thác và ứng dụng những phần mềm mới để hỗ trợ thiết kế và lập trình. Trong khi đó nhu cầu chế tạo các sản phẩm có hình dáng hình học 3D ngày càng gia tăng, đặc biệt trong một số lĩnh vực như ngành sản xuất hàng tiêu dùng, các sản phẩm công nghiệp, chế tạo khuôn mẫu... Vì vậy, ứng dụng công nghệ CAD/CAM phục vụ cho máy công cụ CNC là vấn đề được nhiều người quan tâm, bởi công nghệ này không chỉ phục vụ trong sản xuất hiện đại, mà còn góp phần nâng cao năng suất chế tạo sản phẩm gia công cơ khí. Chất lượng của một sản phẩm gia công cơ khí không chỉ là vấn đề về độ bền, độ bóng bề mặt, mà còn bao hàm cả độ chính xác về vị trí tương quan, độ chính xác hình dáng hình học của chi tiết gia công, thời gian, giá thành gia công chi tiết... Để chế tạo được những sản phẩm cơ khí có đủ những tính năng như vậy thì các trung tâm gia công CNC nhiều trục luôn là lựa chọn hiệu quả, nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm thời gian gia công. Qua những phân tích trên ta thấy được việc nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm CAD/CAM vào việc xây dựng và lập chương trình gia công cho các bề mặt lòng khuôn trên máy công cụ CNC là điều rất cần thiết. Với định hướng như vậy tôi đã chọn thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp với nội dung “Nghiên cứu công nghệ khuôn”. CAD/CAM/CNC vào việc thiết kế và gia công Nội dung của luận văn gồm:  Chương 1: Tổng quan về công nghệ CAD/CAM-CNCvà giới hạn nghiên cứu.  Chương 2: Nghiên cứuvề khuôn mẫu để ứng dụng công nghệ CAD/CAM-CNC vào thiết kế chế tạo  Chương 3: Ứng dụng công nghệ CAD/CAM-CNC để thiết kế khuôn và lập chương trình gia công lòng, lõi khuôn  Chương 4: Kết quả gia công và đánh giá chung về sản phẩm. 9 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM/CNC VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về CAD/CAM/CNC 1.1.1. Tổng quan về CNC Chiếc máy phay đầu tiên được vận hành theo cách thức tương tự như vậy, ngoại trừ công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay. Phôi được lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt, qua việc sử dụng vô lăng để gia công đường mức của phôi. Chiếc máy phay này do Eli Whitney phát minh năm 1818. Những chuyển động được sử dụng trong các công cụ máy được gọi là trục và đề cập đến 3 trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y” (trước ra sau) và “Z” (trên và dưới). Bàn làm việc cũng có thể được quay theo mặt ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tư. Một số máy còn có trục thứ năm, cho phép trục quay theo một góc. Một trong những vấn đề của dòng máy ban đầu này là chúng đòi hỏi nhân viên vận hành phải sử dụng vô lăng để tạo ra mỗi chi tiết. Ngoài tính nhàm chán và gây mệt mỏi về thể chất, khả năng chế tạo các chi tiết của vận hành viên cũng bị hạn chế. Chỉ một khác biệt nhỏ trong vận hành sẽ dẫn đến những thay đổi trong kích thước và khi đó, tạo ra những chi tiết không phù hợp. Tỉ lệ phế phẩm được tạo ra từ những hoạt động như vậy là khá cao, gây lãng phí nguyên liệu và thời gian lao động. Khi số lượng sản xuất tăng lên thì tỉ lệ phế phẩm cũng tăng cao, do đó điều cần thiết ở đây là một phương tiện vận hành các chuyển động của máy một cách tự động. Những nỗ lực ban đầu để “tự động hóa” các hoạt động này là sử dụng một loạt Cam để di chuyển dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết (linkage). Khi Cam quay, một liên kết lần theo bề mặt của mặt Cam (cam face), di chuyển công cụ cắt hay phôi qua một dãy các chuyển động. Mặt Cam được định hình để điều khiển khối lượng chuyển động liên kết và tốc độ, còn Cam quay điều khiển tốc độ cấp dao. Một số máy vẫn còn tồn tại cho tới ngày nay và được gọi là máy “Swiss” (máy kiểu Thụy Sĩ), một cái tên đồng nghĩa với gia công chính xác. Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T. Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố Traverse, Michigan. Sau Thế chiến II, Parsons tham gia 10 sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp. Đối mặt với tính phức tạp ngày càng cao của hình dạng chi tiết và những vấn đề về toán học và kỹ thuật như vậy, Parsons đã tìm ra những biện pháp để giảm chi phí kỹ thuật cho công ty. Ông đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung ương của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng mới. Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J. Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM, nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ. Như vậy, thông qua việc sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ. Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường mức tự động” cho không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay. Đó là hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đường mức giống như những hình trong cánh quạt và cánh máy bay. Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ. Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay. Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sư ở phòng thí nghiệm thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án. Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến II. Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển và cơ cấu phản hồi. Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách với mục tiêu đáp ứng nhu cầu của các nhà bảo trợ quân đội. Sự xuất hiện IC (1959), LSI (1965), vi xử lý (1974) và các tiến bộ kỹ thuật về lưu trữ và xử lý số liệu đã làm nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật điều khiển số máy công cụ. Các bộ phận điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính và thuật ngữ CNC (Computer Numerical Control) được sử dụng từ đầu thập kỷ 70. Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt như tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn…nhưng ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với người dùng và các thiết bị ngoại vi khác. Các máy CNC ngày 11 nay có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng. Nhờ màn hình người dùng được thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo các lỗi, có mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công…Máy CNC có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo…trong hệ thống sản xuất. Áp dụng điều khiển số và công nghệ thông tin vào điều khiển máy công cụ đã tạo ra cuộc cách mạng trong công nghệ chế tạo cơ khí, nhờ đó các sản phẩm được chế tạo ra ngày càng chính xác hơn, đẹp hơn, giá thành thấp hơn. 1.1.2. Tổng quan về CAD/CAM Lịch sử phát triển của CAD/CAM liên quan trực tiếp tới sự phát triển của đồ hoạ máy tính. Đương nhiên CAD/CAM bao hàm một nội dung rộng lớn hơn đồ hoạ máy tính, song hệ đồ hoạ máy tính viết tắt là ICG (Interative Computer Graphics) là bộ phận cơ bản của CAD. Lịch sử phát triển của đồ hoạ máy tính diễn biến qua nhiều thời kỳ: - Một trong những dự án quan trọng đầu tiên trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính là dự án triển khai ngôn ngữ APT tại Học viện Công nghệ Massachusetts vào giữa thập kỷ 50. APT là chữ viết tắt của thuật ngữ Automatically Programed Tools, có nghĩa là "máy công cụ được lập trình tự động". Dự án này có quan hệ mật thiết với ý tưởng triển khai một phương pháp thuận tiện để thông qua máy tính xác định các yếu tố hình học phục vụ việc lập trình cho máy công cụ điều khiển số. Mặc dù sự phát triển của APT là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính, nhưng việc sử dụng ngôn ngữ APT trước đây lại ít liên quan với đồ hoạ máy tính. - Năm 1963 Ivan Sutherland công bố một số kết quả đầu tiên về đồ hoạ máy tính, cho phép tạo ra và làm chủ các hình ảnh trong thời gian thực trên màn hành CRT. Như vậy, khái niệm CAD (Computer Aided Design) có nghĩa là: Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính. Mục tiêu của lĩnh vực CAD là: Tự động hoá từng bước, tiến tới tự động hoá cao trong quá trình thiết kế sản phẩm. Kết quả của CAD là một bản vẽ xác định, một sự biểu diễn nhiều hình chiếu khác nhau của một chi tiết cơ khí với các đặc trưng hình học và chức năng. Khái niệm CAM (Computer Aided Manufacturing) có nghĩa là: Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính. Mục tiêu của lĩnh vực CAM là: Mô phỏng quá trình chế 12 tạo, lập trình chế tạo sản phẩm trên các máy CNC. Kết quả của CAM là cụ thể, đó là chi tiết cơ khí. Trong CAM không truyền đạt một sự biểu diễn của thực thể mà thực hiện một cách cụ thể công việc. Việc chế tạo bao gồm các vấn đề liên quan đến vật thể, cắt gọt vật liệu, công suất của trang thiết bị, các điều kiện sản xuất khác nhau có giá thành nhỏ nhất, với việc tối ưu hoá đồ gá và dụng cụ cắt nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết cơ khí. CAE CAD/CAE CAD CAD/CAM/CAE CAD/CAM CAM CIM FMS CNC NC 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Hình 1.1. Quá trình hình thành và phát triển của CAD/CAM/CAE Như vậy, khái niệm CAD/CAM dù đã có từ rất lâu nhưng vẫn đang tiếp tục được phát triển và mở rộng. Ban đầu CAD và CAM được sử dụng độc lập để mô tả việc lập trình bộ phận với sự trợ giúp của máy tính và các bản vẽ, đồ họa. Trong những năm gần đây, hai khái niệm này được nối kết với nhau để tạo ra khái niệm thống nhất CAD/CAM, biểu diễn một phương pháp tích hợp máy tính trong toàn bộ quá trình sản xuất bao trùm cả hai khâu thiết kế và sản xuất. Cụ thể trong khâu thiết kế bao gồm toàn bộ các hoạt động liên quan đến các dữ liệu kỹ thuật như bản vẽ, các mô hình học, phân tích các phần tử hữu hạn, bản ghi các chi tiết và kế hoạch, thông tin chương trình NC. Trong khâu sản xuất, các ứng dụng của máy tính bao trùm trong lập kế hoạch quá trình, điều độ sản xuất, NC, CNC, quản lý chất lượng và lắp ráp. Việc sử dụng các hệ thống CAD/CAM đã làm thay đổi một cách căn bản quy trình thiết kế, gia công. Hệ thống CAD/CAM với mô đun CAD sẽ cung cấp một 13 công cụ để thiết kế mô hình hình học, phân tích và tối ưu hóa nó. Việc kết nối của thiết kế và gia công thông qua một cơ sở dữ liệu dùng chung. CAD Cơ sở dữ liệu CAM Hình 1.2. Liên kết dữ liệu giữa CAD và CAM Nhờ có sự kết nối này mà những thay đổi của bản thiết kế nhanh chóng được cập nhật vào trong cơ sở dữ liệu và truyền tới quá trình gia công và ngược lại người thiết kế cũng dễ dàng nhận được các thông tin phản hồi từ quá trình gia công. Do có mối liên hệ chặt chẽ giữa việc tạo lập bản vẽ thiết kế và lập chương trình gia công CNC, CAD và CAM thường đi kèm với nhau trong các gói phần mềm (sorfware), được gọi là các hệ thống CAD/CAM. Một số hệ thống CAD/CAM điển hình hiện nay như: Mastercam, Solid Work, Cimatron, Catia, Unigrafic… Phương pháp sử dụng hệ thống CAD/CAM để xuất chương trình gia công một cách tự động đã và đang được coi là phương pháp hiệu quả nhất. Đặc biệt là trong trường hợp gia công trên máy CNC nhiều trục (từ 3 trục trở lên). Hầu hết các đơn vị sản xuất có trang bị máy CNC thì đều có hệ thống CAD/CAM đi kèm. Hình 1.3. Mối quan hệ CAD/CAM Như vậy, lợi ích của CAD/CAM có nhiều, song chỉ có một số trong đó là có thể định lượng được. Một số lợi ích khác khó có thể lượng hoá được mà chỉ thể hiện 14 ở chỗ chất lượng công việc được nâng cao, thông tin tiện dụng, điều khiển tốt hơn v.v...Một số ưu điểm chính của hệ tích hợp CAD/CAM: a, Nâng cao năng suất thiết kế Năng suất cao giúp cho vị thế cạnh tranh của một hãng được nâng lên vì giảm được yêu cầu nhân lực của một đồ án, dẫn tới hạ giá thành và thời gian xuất xưởng của một sản phẩm. Tổng kết một số đơn vị có sử dụng hệ CAD cho thấy năng suất có thể tăng từ 3 – 10 lần so với công nghệ thiết kế cũ, thậm chí còn cao hơn, tuỳ theo các yếu tố sau đây : - Độ phức tạp của bản vẽ kỹ thuật - Mức độ tỉ mỉ của bản vẽ - Mức độ lặp đi lặp lại của chi tiết hay bộ phận được thiết kế - Mức độ đối xứng của bộ phận được thiết kế - Tính dùng chung của các chi tiết để lập thư viện. b, Giảm thời gian chỉ dẫn Thiết kế với hệ CAD nhanh hơn thiết kế theo cách truyền thống, đồng thời nó cũng đẩy nhanh các tác vụ lập biểu bảng và báo cáo (lập các bảng liệt kê cụm lắp ghép chẳng hạn) mà trước đây phải làm bằng tay. Do vậy, một hệ CAD có thể tạo ra một tập bản vẽ cuối cùng về các chi tiết máy và các báo cáo, biểu bảng kèm theo một cách nhanh chóng. Thời gian chỉ dẫn trong thiết kế được rút ngắn dẫn đến kết quả là làm giảm thời gian kể từ khi nhận đơn đặt hàng đến khi giao sản phẩm. c, Phân tích thiết kế Các chương trình phân tích thiết kế có sẵn trong một hệ CAD giúp quá trình thiết kế diễn ra theo những khuôn mẫu tác nghiệp có logic hơn, không cần phải trao đi đổi lại giữa nhóm thiết kế và nhóm phân tích mà cũng những con người ấy, họ vẫn có thể tiến hành công việc phân tích khi bản thiết kế hãy còn nằm trên máy tính của trạm thiết kế. Điều đó giúp cho người kỹ sư tập trung tư tưởng hơn vì họ đang đối thoại trực tiếp với bản thiết kế của mình. Nhờ khả năng phân tích này mà bản thiết sẽ tối ưu hơn. Mặt khác, thời gian thiết kế nói chung cũng sẽ được tiết kiệm hơn do sự phân tích thiết kế giờ đây ứng xử nhanh hơn và không còn mất thời gian trao đi đổi lại từ bàn vẽ của người thiết kế tới bàn làm việc của người phân tích như 15