CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CAD/CAM/ CNC 1. Lịch sử phát triển của công nghệ CAD/CAM Lịch sử phát triển của công nghệ CAD/CAM liên quan trực tiếp với sự phát triển của công nghệ máy tính. 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 Masschusetts vào giữa thập kỷ 50 của thế kỷ thứ 20. Chữ APT là viết tắt của thuật ngữ Automatically programed tools.
Dự án này có quan hệ mật thiết với ý tưởng triển khai một phương thức thuận tiện để thông qua máy tính xác định các yếu tố hình học phục vụ cho việc lập trình cho máy công cụ điều khiển số. Từ những năm 60 của thế kỷ 20 nhiều tập đoàn công nghiệp như General Motors, IBM, Lockheed Georgia, Itek Corp… đã thực hiện các dự án về đồ hoạ máy tính. Đến cuối thập kỷ 60 một số nhà cung cấp hệ thống CAD/CAM đã được thành lập trong đó phải kể đến hãng Calma vào năm 1968, Applicon và Computervision vào năm 1969. Các hãng này bán trọn gói theo kiểu chìa khoá trao tay trong đó có hầu hết hoặc toàn bộ phần cứng và phần mềm theo yêu cầu của khách hàng.
Một số hãng khác phát triển theo xu hướng cung cấp phần mềm đồ hoạ như hãng Par Hanratti mà công ty thành viên của nó đã cho ra đời AD2000… Có thể nói đây là một trong những người mở đường tiêu biểu. Ngày nay CAD/CAM đã thực sự trở thành một công nghệ có tốc độ phát triển cực kỳ nhanh chóng trên nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau và cũng thật khó có thể liệt kê đầy đủ các hãng sản xuất và cung cấp dịch vụ, sản phẩm trong lĩnh vực này. Trong lĩnh vực này phải kể đến một vài hãng quen thuộc như Soft Desk nổi tiếng với phần mềm đồ hoạ Autocad ra đời từ cuối năm 1982, hãng Gulf Publishing với các phần mềm thiết kế máy, hãng MTS với gói phần mềm MTS - CAD/CAM. Hệ tích hợp CAD/CAM ra đời vào giữa những năm 70 – 80.
Ta có thể biểu diễn lịch sử phát triển của hệ thống CAD/CAM bằng sơ đồ sau đây: 12 CIM CAD/CAM CAD FMS CNC NC 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Hình 1. Sơ đồ lịch sử phát triển của hệ thống CAD/CAM 1. Giới thiệu về CAD/CAM/CNC 1. Các thuật ngữ CAD (Computer Aided Design- Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính).
Công nghệ này cho phép dễ dàng thiết kế được các biên dạng, các bề mặt hoặc các hình khối bất kỳ nhờ máy tính, từ đó có thể thay đổi mẫu mã sản phẩm một cách linh hoạt, thuận lợi cho việc khảo sát, đánh giá kết quả. Cạnh tranh về mẫu mã sản phẩm… CAM (Computer Aided Manufacturing) Sản xuất có sự trợ giúp của máy tính. CAM thực hiện tất cả các công đoạn của quá trình sản xuất như thiết kế quy trình công nghệ gia công, lập chương trình gia công tự động, quản lý và điều hành quá trình gia công nhờ máy tính. Nhờ máy tính mà các hoạt động cần thiết để chế tạo sản phẩm được thiết lập một cách nhanh chóng, chính xác và tối ưu.
CAP bao gồm hai công cụ sản xuất quan trọng là MRP (Manufacturing Resource Planning) Cách thức lập kế hoạch sản 13 xuất và CAPP (Computer Aided Process Planning) Lập quy trình có sự trợ giúp của máy tính. CAPP giúp người lập quy trình chọn thứ tự nguyên công tối ưu để chế tạo sản phẩm. CAQ (Computers Aided Quality Control) Kiểm tra chất lượng sản phẩm và quản lý chất lượng trong hệ thống sản xuất. Chức năng PP&C là hoạt động tổ chức của CIM, nó liên quan đến lập kế hoạch sản xuất, lập kế hoạch nhu cầu vật tư, nhu cầu thời gian và kiểm tra hệ thống sản xuất.
Tất cả những quá trình trên được tích hợp trong một hệ thống CIM (Computer Intergrated Manufacturing). CIM là hệ thống sản xuất tự động theo dây chuyền với sự tích hợp của các thiết bị: Máy tính, các trung tâm gia công CNC, robot, kho hàng và cấp phôi tự động, các thiết bị điều khiển… Hệ thống được thiết kế, quản lý và điều hành bằng phần mềm chuyên dùng. Mô hình hệ thống OpenCIM 1. Giới thiệu về CAD/CAM – CNC Xu hướng hiện nay, việc hoạch định quy trình công nghệ thường được định hướng linh hoạt hoá.
Trong ngành Cơ khí đã có sự dịch chuyển từ tự động hoá các doanh nghiệp có quy mô sản xuất lớn sang quy mô vừa và nhỏ, điều đó đã cho phép dễ dàng thực hiện linh hoạt hoá. Với định hướng này, dây chuyền gia công chi tiết cơ khí có thể thực hiện theo một trong các phương án sau: 14 + Phương án 1: Dùng máy vạn năng kết hợp gá lắp, điều chỉnh theo nhóm chi tiết. + Phương án 2: Dùng máy chuyên dùng đơn giản có khả năng điều chỉnh theo nhóm chi tiết gia công. + Phương án 3: Dùng các máy hay trung tâm gia công CNC theo giải pháp tập trung nguyên công, tự động hoá việc điều khiển theo hướng linh hoạt hoá và tự động hoá Các thủ tục xử lý trong kỹ thuật CAD/CAM-CNC có thể khái quát qua sơ đồ hình1.
Bắt đầu hệ thống CAD/CAM Tạo lập mô hình học (2D, 3D) Tệp dữ liệu hình học Tạo lập bản vẽ chi tiết Chọn dụng cụ cắt Tệp dụng cụ cắt Đặt các điều kiện về Tệp vật liệu gia công gia công (cắt gọt) Tạo lập quỹ đạo dao (Toolpath) Chuẩn bị chương Tệp dữ liệu về máy trình gia công NC CNC Xuất băng lỗ NC (ghi chương trình gia công NC) Gia công chi tiết trên máy CNC Hình 1. Quy trình xử lý thông tin trong kỹ thuật CAD/CAM-NC. 15 Quá trình từ thiết kế đến chế tạo ra sản phẩm có sự đóng góp đắc lực của kỹ thuật CAD/CAM-CNC nhưng vai trò của con người trong đó có ý nghĩa quyết định. Chương trình gia công NC, CNC dù có được xây dựng từ chuỗi liên thông thì cũng không thể đáp ứng với mọi loại máy, mọi loại vật liệu, mọi phương thức gia công.
mà thể hiện rõ nhất là việc sử dụng chế độ cắt trên máy. Tích hợp CAD và CAM Các mức tiếp cận của kỹ thuật CAD/CAM-CNC: CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm được kết nối theo sơ đồ sau: CAD CAM Hardware Software Hardware Software + Scanner + Auto CAD Máy công cụ CNC + Cimatron + Digitizer + Auto Surf Robot (IR) + TRAUB + Digital + Designer Trung tâm tế bào gia + DENFORD + Camera +Auto Architec công CNC. + Master CAM (AUTO-DESK, FMS DESK…) + Heidenhain SOFT-DESK…) + Boxfort MTS, v.4 – Mức tiếp cận CAD/CAM với hệ phần cứng và phần mềm Nguyên lý CAD/CAM – CNC Sơ đồ nguyên lý của kỹ thuật CAD/CAM: Giao diện dữ liệu (tiêu Giao diện dữ liệu (tiêu chuẩn/chuyên dụng) chuẩn/chuyên dụng) Nhu cầu Đối tượng sx, tiêu CAD CAM CNC sx (Chi tiết, dùng sản phẩm) Hình 1. Nguyên lý kỹ thuật CAD/ CAM-CNC 16 Giao diện CAD/CAM: Để đảm bảo tính chất tương thích, tích hợp liên thông, linh hoạt của các hệ CAD/CAM phải có giải pháp chuyển tiếp giữa các phân hệ trong phạm vi của từng hệ và giữa các hệ CAD/CAM được kết nối với nhau thông qua giao diện CAD/CAM.
Giao diện xét theo hai phần là phần cứng và phần mềm có những chức năng: Giao diện quá trình, giao diện hệ thống, giao diện nối tiếp với các thiết bị dữ liệu ngoài, giao diện với người vận hành. Giao diện xét về chức năng trao đổi dữ liệu gọi là giao diện dữ liệu, để chuyển đổi dạng dữ liệu của một hệ CAD/CAM này sang dạng dữ liệu của một hệ CAD/CAM khác khi tích hợp hai hệ CAD/CAM với nhau. Các hệ CAD/CAM khác nhau có các cấu trúc dữ liệu khác nhau về đối tượng xử lý (chi tiết, sản phẩm). Chuyển giao dữ liệu có nghĩa là dịch dữ liệu theo hai cách: Dịch trực tiếp và dịch gián tiếp thông qua quy cách trung gian tiêu chuẩn như IGES, DXF, STEP, PDES… Các thành phần của CIM có mục đích cơ bản là tạo lập mối quan hệ tích hợp giữa các hệ thống có máy tính trợ giúp khác nhau trong nội bộ hãng.
Mục đích đó được quán triệt ngay từ khâu trao đổi dữ liệu nhờ các chương trình chuyển đổi cho tới khâu tạo lập các ngân hàng dữ liệu sản phẩm chung. Ở cách dịch trực tiếp cần có hai bộ phận dịch trực tiếp cho từng cặp hệ thống có quan hệ giao tiếp dữ liệu với nhau theo hai chiều. Như vậy khi có n hệ thống khác nhau thì phải có (n-1) bộ dịch, bởi vì có n/2 cặp hệ thống. Ví dụ: có 5 hệ thống (n=10) thì cần phải có 5(5-1) = 20 bộ dịch trực tiếp để chuyển giao dữ liệu khi chúng tích hợp với nhau.
Nếu ghép thêm chỉ một hệ dữ liệu vào n hệ có sẵn thì phải có thêm 2n bộ dịch trực tiếp khác nhau để chuyển giao dữ liệu. Ở cách dịch gián tiếp người ta sử dụng hệ chuyển giao dữ liệu gián tiếp thông qua tệp trung gian. Tệp trung gian có cấu trúc cơ sở dữ liệu trung gian, không phụ thuộc vào hệ thống nào riêng biệt. Hiện tại có nhiều tệp trung gian khác nhau được dùng, mà điển hình là: IGES, DXF, STEP, IGS.
Tệp trung gian còn được gọi là giao diện dữ liệu tiêu chuẩn, đây là cách chuyển giao dữ liệu gián tiếp giữa các hệ cơ sở dữ liệu khác nhau. Tuy vậy ở cách này, từng hệ thống phải có một cặp bộ xử lý để chuyển đổi dữ liệu riêng của nó thành quy cách tệp trung gian 17 và ngược lại từ quy cách tệp trung gian thành quy cách tệp gốc của nó. Bộ dịch có chức năng chuyển giao dữ liệu từ quy cách cơ sở dữ liệu gốc của một hệ thống thành một quy cách trung gian được gọi là bộ tiền xử lý (pre – processor). Ngược lại bộ dịch có chức năng chuyển giao dữ liệu từ quy cách trung gian thành quy cách cơ sở dữ liệu của một hệ thống nào đó được gọi là bộ hậu xử lý (post – processor).
Như vậy cần có 2n bộ xử lý cho n hệ thống được nối ghép với nhau và nếu thêm một hệ thống mới thì chỉ cần có thêm 2 bộ xử lý nữa. Khâu trao đổi thông tin giữa các phòng kỹ thuật hiện tại còn phổ biến dưới phương thức chuyển giao các bản vẽ kỹ thuật đã được xây dựng theo quy chuẩn.