Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lập trình và gia công trên máy công cụ điều khiển số (CNC) là một mắt xích trọng yếu trong dây chuyền sản xuất cơ khí hiện đại. Yêu cầu thực tiễn trong ngành chế tạo máy là đơn giản hóa quy trình lập trình, tối ưu hóa đường chạy dao nhằm nâng cao chất lượng bề mặt gia công, rút ngắn thời gian chu kỳ sản xuất và giảm chi phí gia công chi tiết. Phần mềm Unigraphics NX (phiên bản NX 10.0) của tập đoàn Siemens là một giải pháp tổng thể mạnh về thiết kế (CAD), mô phỏng (CAE) và chế tạo (CAM). Tuy nhiên, tại thời điểm thực hiện đề tài (năm 2015), NX 10.0 là phiên bản mới, tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chuyên sâu bằng tiếng Việt còn hạn chế, đặc biệt là mảng lập trình gia công nhiều trục (CNC 4 trục và 5 trục) gần như chưa được khai thác và nghiên cứu hệ thống.

Đề tài tốt nghiệp "Ứng dụng phần mềm NX (Unigraphics) 10.0 trong gia công 4, 5 trục" được giao thực hiện nhằm nghiên cứu khả năng thiết kế và gia công của phần mềm NX 10.0, trọng tâm là giải quyết các bài toán gia công phức tạp trên máy CNC 4 trục và 5 trục.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được phân chia thành 5 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về phần mềm Unigraphics NX và lịch sử phát triển.
  2. Giới thiệu tổng quan cấu trúc, giao diện và các module làm việc của phiên bản NX 10.
  3. Nghiên cứu công cụ thiết kế mô hình hình học (CAD) trong NX 10.
  4. Nghiên cứu quy trình thiết lập gia công (CAM) trong NX 10.
  5. Ứng dụng lập trình gia công 4 trục và 5 trục cho một số chi tiết cụ thể.

Đối tượng nghiên cứu là bộ phần mềm Siemens NX 10.0, tập trung vào hai phân hệ Modeling (CAD) và Manufacturing (CAM). Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ Tự động, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; phạm vi thời gian thực hiện đồ án từ tháng 4 năm 2015 đến ngày nộp báo cáo 22 tháng 7 năm 2015.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên nền tảng tích hợp giải pháp toàn diện CAD/CAM/CAE/PLM (Product Lifecycle Management) của Siemens PLM Software. Đồ án khai thác các nền tảng công nghệ và tiêu chuẩn kỹ thuật tích hợp trong phần mềm NX:

  • Tiêu chuẩn biểu diễn thông tin sản phẩm và sản xuất (PMI) trên không gian 3D theo chuẩn ASME Y14.41 của Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ (American Society of Mechanical Engineers).
  • Công nghệ mô hình hóa đồng bộ (Synchronous Technology) hỗ trợ chỉnh sửa trực tiếp dữ liệu hình học trung gian (như STEP, IGES) mà không phụ thuộc vào lịch sử thiết kế cây tính năng (Feature tree).
  • Môi trường mô phỏng động học máy công cụ thực (Machine Tool Simulation) để kiểm tra đường chạy dao và phòng tránh va chạm trong quá trình gia công nhiều trục.
  • Các mô hình phân tích phần tử hữu hạn, chia lưới thích ứng và môi trường đa vật lý (Multiphysics environment) phục vụ mô phỏng cấu trúc, ứng suất và rung động.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả áp dụng bao gồm:

  • Phương pháp tổng hợp và phân tích tài liệu: Khảo cứu các giáo trình, tài liệu chuyên ngành về CAD/CAM/CNC và các bài viết liên quan đến phần mềm Unigraphics NX đã công bố.
  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu kỹ thuật chính hãng: Phân tích trực tiếp nguồn tài liệu kỹ thuật của Siemens PLM Software và bộ tài liệu hướng dẫn điện tử (Documentation/Help) tích hợp sẵn trong phần mềm NX 10.0.
  • Phương pháp thực nghiệm mô phỏng trên phần mềm: Thiết lập mô hình 3D cho các chi tiết điển hình, xây dựng quy trình công nghệ gia công nhiều bước (tiện, phay thô, phay bán tinh, phay tinh), tối ưu hóa các thông số cắt, tạo đường chạy dao đa trục, mô phỏng quá trình bóc tách vật liệu và xuất chương trình mã lệnh G-code (NC Code) thông qua bộ xử lý sau (Postprocessor).

Nguồn dữ liệu ban đầu phục vụ nghiên cứu bao gồm bản cài đặt phần mềm NX 10.0 và cơ sở dữ liệu hệ thống (System Document) được phát hành kèm theo phần mềm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc làm chủ công nghệ lập trình CNC đa trục trong gia công cơ khí chính xác. Tác giả xác định mục tiêu làm chủ các lệnh thiết kế và gia công trên NX 10.0, ứng dụng lập trình gia công cho các bài tập mẫu 4, 5 trục. Chương này cũng phác thảo phương pháp tiếp cận tài liệu kỹ thuật chính hãng và cấu trúc tổng thể của bản thuyết minh đồ án.

Chương 2: Tổng quan về phần mềm NX

Tác giả hệ thống hóa lịch sử hình thành và phát triển của bộ phần mềm từ năm 1969 đến năm 2014, ghi nhận mốc phát hành hơn 51 triệu bản quyền trên toàn cầu. Các giai đoạn phát triển chính được tổng hợp theo tiến trình:

Mốc thời gian Sự kiện phát triển kỹ thuật
Năm 1969 Phát hành phần mềm UNIAPT bởi United Computing, một trong những sản phẩm CAM đầu tiên trên thế giới.
Năm 1973 Mua mã nguồn phần mềm ADAM (Automated Drafting and Machining) từ MGS, đặt nền tảng thương mại hóa sản phẩm Unigraphics vào năm 1975.
Năm 1976 Hãng hàng không McDonnell Douglas mua lại Unigraphics.
Năm 1981 Phát hành hệ thống phần cứng và phần mềm hỗ trợ thiết kế 3D thực thụ.
Năm 1991 McDonnell Douglas chuyển nhượng Unigraphics cho công ty EDS (thuộc General Motors); đạt mốc 21.000 bản cài đặt.
Năm 2001 Phát hành phiên bản Unigraphics V18.0.
Năm 2002 Hợp nhất Unigraphics và I-DEAS thành thế hệ phần mềm mới mang tên NX.
Năm 2007 Giới thiệu công nghệ Synchronous Technology trong phiên bản NX 5; chuyển giao cho Siemens PLM Software quản lý.
Năm 2008 – 2013 Phát hành liên tiếp các phiên bản NX 6 (2008), NX 7 (2010), NX 8 (2011), NX 9 (2013).
Năm 2014 Phát hành phiên bản NX 10 vào ngày 14 tháng 12 năm 2014.

Chương này cũng phân tích 15 module chuyên dụng trong NX: Modeling, Shape Studio (kết hợp Body Design và General Packaging cho thiết kế ô tô), Sheet Metal (gồm NX Sheet Metal, Aerospace Sheet Metal, Forming/Flattener), Assembly, Synchronous Modeling, Drafting và PMI (tiêu chuẩn ASME Y14.41), Manufacturing, Routing Electrical, PCB Xchange, Routing Mechanical, Mold Wizard (khuôn ép nhựa), Progressive Die Wizard (khuôn dập liên hợp), NX Human (mô phỏng nhân trắc học), Weld Assistant (tính toán mối hàn) và Ship Design (thiết kế tàu vỏ thép).

Các cải tiến mới trên phiên bản NX 10 được tác giả phân tích chi tiết:

  • NX Realize Shape: Kỹ thuật tạo hình bề mặt tự do dựa trên phương pháp phân vùng hình dạng nâng cao (Subdivision modeling) từ các đường cong hoặc polylines.
  • Giao diện cảm ứng (Touch): Tối ưu hóa không gian làm việc cho các thiết bị màn hình cảm ứng di động trong môi trường nhà xưởng.
  • Cải tiến NX CAE: Tích hợp môi trường đa vật lý (Multiphysics environment), thuật toán chia lưới thích ứng tự động (Adaptive meshing) dựa trên sai số nhiệt và ứng suất, mở rộng phân tích vật liệu composite và kiểm soát rung động âm thanh trên xe hơi.
  • Cải tiến phân hệ CAM: Chiến lược gia công thô tối ưu hóa tải trọng cắt của dao, mở rộng khả năng kiểm soát vùng dư còn lại ở các bề mặt dốc, phẳng hoặc đáy hốc, bổ sung tính năng tự động nhận diện và gia công theo nhóm các hình học/lỗ tương đồng.
  • NX Line Designer: Module thiết kế và trực quan hóa mặt bằng dây chuyền sản xuất tích hợp với giải pháp vận hành ảo Tecnomatix Process Simulate, cho phép hiệu chỉnh logic PLC trực tiếp trước khi lắp đặt thực tế.

Chương 3: Giới thiệu phần mềm Unigraphics NX 10.0

Chương 3 đi sâu vào hướng dẫn cấu hình và thao tác vận hành giao diện NX 10.0:

  • Thiết lập thư mục lưu trữ mặc định thông qua thuộc tính Start in của shortcut trên Desktop (thay thế đường dẫn mặc định C:\Program Files\Siemens\NX10.0\UGII\ sang thư mục làm việc riêng).
  • Phân loại 8 môi trường làm việc chính: Model, Simulation, Manufacturing, Inspection, Mechatronics Concept Designer, Ship Structures, Line Designer và Drawing.
  • Cấu trúc các thành phần của giao diện đồ họa gồm: Thanh công cụ Quick Access, thanh Ribbon, thanh Top Border, thanh Resource (chứa Part Navigator và History), các thanh biên (Left, Right, Bottom Border Bars), cửa sổ đồ họa trung tâm và dòng trạng thái/gợi ý Cue/Status.
  • Các thao tác tệp cơ bản: Tạo mới (Ctrl+N với việc chọn Template), mở tệp (Ctrl+O kèm chế độ Preview), đóng tệp (Close Selected Part hoặc All Parts).
  • Quản lý hệ tọa độ: Phân biệt hệ tọa độ tuyệt đối (CSYS) và hệ tọa độ làm việc (WCS) với 3 trục màu đặc trưng: trục XC (màu đỏ), trục YC (màu xanh dương) và trục ZC (màu xanh lục). Lệnh hiệu chỉnh vị trí và góc xoay thực hiện qua đường dẫn Menu > Format > WCS.
  • Quản lý hiển thị: Kiểm soát cửa sổ hiển thị (Displayed Part) qua View > Window, cho phép lưu nhớ tối đa 10 chi tiết mở gần nhất; công cụ tìm kiếm lệnh nhanh Command Finder; tùy biến giao diện qua hộp thoại User Interface Preferences (cho phép chuyển đổi giữa giao diện dải băng Ribbon và giao diện cổ điển Classic); thao tác phím tắt ngữ cảnh (Shortcut Toolbar, Shortcut Menu), thanh công cụ hướng tâm (Radial Toolbar kích hoạt bằng tổ hợp phím Shift + Ctrl + phím chuột) và các phím tắt định hướng góc nhìn như phím Home (Trimetric), phím End (Isometric) và phím F8 (đưa về mặt chiếu vuông góc gần nhất).

Chương 4: CAD trong NX 10

Chương này biên soạn tài liệu hướng dẫn thực hành xây dựng mô hình hình học:

  • Nhóm lệnh phác thảo 2D (Sketch Curve): Profile (vẽ liên tiếp đoạn thẳng và cung tròn, phím tắt Z), Line (phím L), Arc (phím A với 2 phương pháp: qua 3 điểm hoặc tâm và 2 điểm đầu mút), Circle, Fillet, Rectangle, Polygon, Studio Spline, Ellipse, Conic, Offset Move Curve.
  • Lệnh tạo đường cong không gian 3D: Circular Blend Curve, Wrap/Unwrap Curve.
  • Các công cụ tạo hình và hiệu chỉnh khối: Nhóm lệnh cắt xén (Trim), nhóm lệnh phóng to/thu nhỏ và tạo khoảng cách (Offset/Scale), công cụ chuyển đổi bề mặt thành khối đặc (Sheets to Solid Assistant), bo góc thẩm mỹ (Aesthetic Face Blend).
  • Các lệnh trong công nghệ mô hình hóa đồng bộ (Synchronous Modeling): Move Face (di chuyển mặt), Pull Face (kéo dãn vùng mặt), Offset Region (offset vùng), nhóm thay đổi kích thước tham số (Resize) và nhóm xác lập quan hệ hình học (Relate).
  • Nhóm công cụ tạo mặt cong tự do (Surface): Through Curves Mesh, N-side Surface, Swept, X-form.

Chương 5: CAM – Gia công trong NX 10

Nội dung chương trình bày trình tự thiết lập công nghệ gia công cắt gọt:

  • Trình tự lập trình gia công NC tiêu chuẩn: Tạo cụm chi tiết gia công (Manufacturing Assembly bao gồm chi tiết gia công, đồ gá, chi tiết kẹp), tạo môi trường gia công (Manufacturing Setup), tạo nguyên công/bước gia công (Operation), thiết lập đường chạy dao (Tool path), định nghĩa thông số dụng cụ cắt (Cutting Tool) và quản lý hốc chứa dao (Pocket) từ thư viện.
  • Cấu trúc hiển thị của cửa sổ quản lý gia công (Operation Navigator) gồm 4 chế độ quan sát: Program Order View (thứ tự chương trình), Machine Tool View (danh sách dao và ổ tích dao), Geometry View (cây hình học phôi, chi tiết, gốc tọa độ gia công) và Machining Method View (phương pháp gia công thô, tinh, lượng dư và dung sai).
  • Hệ thống hóa các bảng chu trình cắt gọt và bảng phân loại các loại dao cắt chuẩn trong NX.
  • Quy trình thực hành gia công một chi tiết phay cụ thể: Khai báo phôi và đồ gá; xác định gốc tọa độ gia công; phay thô phá lượng dư lớn; giảm bớt lượng dư tại các vùng bề mặt cong; phay tinh thành đứng và trụ giữa; gia công tinh các bề mặt cong phức tạp; tiến hành kiểm tra mô phỏng bóc tách vật liệu và xuất chương trình gia công NC Code qua bộ hậu xử lý.

Chương 6: Bài tập gia công 4-5 trục

Chương cuối cùng đi sâu vào ứng dụng gia công nâng cao:

  • Gia công cánh tua bin (5 trục): Chi tiết cánh tua bin có dạng hình học xoắn phức tạp, đòi hỏi chuyển động đồng thời của 3 trục tịnh tiến (X, Y, Z) và 2 trục quay (thường là trục A và B hoặc B và C). Tác giả thiết lập đường chạy dao phay 5 trục liên tục, điều khiển hướng trục dao (Tool Axis Control) vuông góc hoặc nghiêng một góc tối ưu so với bề mặt cong nhằm loại trừ nguy cơ va chạm giữa cán dao/đầu trục chính với cánh lân cận, đảm bảo độ bóng bề mặt khí động học.
  • Bài tập gia công kết hợp (tiện và phay 4 trục):
    • Bước 1: Tiện biên dạng ngoài cho phôi tròn xoay nhằm đạt kích thước đường kính và bậc hình học cơ bản.
    • Bước 2: Phay phân cánh trên trục xoay 4 trục (sử dụng trục quay để phân độ hoặc nội suy phay biên dạng cánh).
    • Bước 3: Khắc chữ nghệ thuật và thông số kỹ thuật trên bề mặt trụ xoay thông qua chiến lược chạy dao chiếu biên dạng lên mặt trụ kết hợp trục thứ 4.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Hệ thống hóa toàn diện cấu trúc tính năng của phần mềm Siemens NX 10.0, bao gồm các bước ngoặt phát triển từ 1969 đến 2014, cấu trúc 15 module chuyên ngành, và các tính năng mới như Realize Shape, công nghệ màn hình cảm ứng Touch, môi trường đa vật lý NX CAE và Line Designer.
  • Xây dựng quy trình hướng dẫn chuẩn hóa về thiết kế mô hình 3D (CAD 2D Sketch, 3D Curves, Surfaces và Synchronous Modeling) và quy trình thiết lập gia công CAM trên giao diện NX 10.
  • Thực hiện thành công việc lập trình gia công đa trục cho 2 dạng đối tượng thử nghiệm điển hình: phay bề mặt khí động phức tạp trên chi tiết cánh tua bin 5 trục và quy trình gia công kết hợp trên chi tiết phôi tròn xoay (tiện định hình ngoài, phay 4 trục tạo cánh và khắc chữ trên mặt cong).
  • Xuất thành công chương trình mã lệnh NC Code sẵn sàng tương thích cho máy công cụ điều khiển số.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc cung cấp một tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống về phân hệ gia công đa trục trên phiên bản NX 10.0 tại thời điểm trong nước còn khan hiếm tài liệu thực hành chuyên sâu cho mảng công nghệ này.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Toàn bộ kết quả gia công dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, mô phỏng kiểm tra đường chạy dao và xuất chương trình G-code trên phần mềm máy tính (Machine Tool Simulation); đồ án chưa tiến hành gia công cắt gọt thực nghiệm trên máy công cụ CNC 4 trục và 5 trục thực tế tại xưởng do điều kiện thiết bị.
  • Số lượng chi tiết gia công thử nghiệm còn hạn chế, tập trung vào hai bài tập mẫu (cánh tua bin và chi tiết tiện - phay kết hợp khắc chữ).

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

  • Đưa các chương trình NC Code đã xuất vào nạp và chạy thực tế trên các trung tâm gia công CNC 4 trục và 5 trục; tiến hành đo kiểm kích thước, độ chính xác hình học và độ nhám bề mặt chi tiết sau gia công.
  • Tùy biến và xây dựng các bộ xử lý sau (Postprocessor) chuyên biệt, tương thích hoàn toàn với các hệ điều khiển CNC phổ biến như Siemens Sinumerik, Fanuc hay Heidenhain.
  • Khai thác sâu hơn các module mô phỏng rung động CAE và thiết kế mặt bằng phân xưởng Line Designer.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ chế tạo máy, Cơ điện tử và Công nghệ Tự động hóa đang làm đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về công nghệ CAD/CAM/CNC.
  • Kỹ sư công nghệ, kỹ thuật viên lập trình CAM đang tìm hiểu quy trình chuyển đổi và làm chủ phiên bản Siemens NX 10.0.
  • Các phần nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm: Chương 3 (hệ thống phím tắt và thao tác WCS), Chương 4 (các công cụ Synchronous Modeling để xử lý hình học lỗi), Chương 5 (quy trình thiết lập 4 bước trong Operation Navigator) và Chương 6 (chiến lược kiểm soát trục dao trong gia công cánh tua bin 5 trục).

Câu hỏi thường gặp

1. Lịch sử phát triển của phần mềm NX có những dấu mốc chuyển đổi tổ chức và tên gọi quan trọng nào?
Phần mềm khởi đầu từ sản phẩm UNIAPT của United Computing năm 1969. Năm 1973, công ty mua mã nguồn ADAM từ MGS và thương mại hóa thành Unigraphics năm 1975. Hãng máy bay McDonnell Douglas mua lại năm 1976, sau đó bán cho EDS (thuộc General Motors) vào năm 1991. Đến năm 2002, Unigraphics sáp nhập với I-DEAS tạo nên thương hiệu NX. Từ năm 2007, phần mềm do Siemens PLM Software phát triển và phiên bản NX 10.0 được phát hành vào ngày 14 tháng 12 năm 2014.

2. Điểm cải tiến nổi bật của công nghệ thiết kế mô hình trong phiên bản NX 10.0 là gì?
NX 10.0 bổ sung module NX Realize Shape sử dụng phương pháp phân vùng hình dạng nâng cao (Subdivision modeling). Công cụ này cho phép chia nhỏ các đường cong hoặc polylines để kiểm soát các chuyển động tạo hình trơn tru (extruded, swept, lofted, revolves), giúp dựng các bề mặt phức tạp với chất lượng cao mà không đòi hỏi kỹ năng chuyên môn sâu về mô hình hóa bề mặt truyền thống.

3. Trong NX 10, hệ tọa độ làm việc (WCS) được phân biệt với hệ tọa độ tuyệt đối như thế nào và các trục hiển thị ra sao?
Hệ tọa độ tuyệt đối (CSYS) là hệ tọa độ cố định luôn kích hoạt trong môi trường Modeling. Hệ tọa độ làm việc (WCS) có thể thay đổi độc lập với hướng quan sát đối tượng, được phân biệt bằng tiền tố "C" kèm tên trục: trục XC hiển thị bằng màu đỏ, trục YC màu xanh dương và trục ZC màu xanh lục. Người dùng hiệu chỉnh WCS thông qua lệnh Menu > Format > WCS.

4. Bốn chế độ hiển thị chính trong cửa sổ quản lý gia công (Operation Navigator) của NX CAM là gì?
Bốn chế độ hiển thị bao gồm: Program Order View (quản lý thứ tự thực hiện của các chương trình gia công), Machine Tool View (quản lý danh sách dụng cụ cắt và vị trí hốc dao trên đài dao/ổ dao), Geometry View (quản lý các đối tượng hình học như gốc tọa độ gia công MCS, phôi Blank, chi tiết Part, vùng kiểm tra Check) và Machining Method View (quản lý phương pháp gia công như phay thô, tinh, lượng dư cắt và dung sai gia công).

5. Đồ án đã áp dụng gia công 4 trục và 5 trục trên những dạng chi tiết cụ thể nào?
Đồ án thực hiện lập trình cho hai nhóm chi tiết: thứ nhất là chi tiết cánh tua bin (gia công phay 5 trục liên tục điều khiển hướng trục dao theo bề mặt cong phức tạp); thứ hai là bài tập gia công kết hợp gồm nguyên công tiện định hình biên dạng ngoài, nguyên công phay 4 trục phân độ chia cánh và khắc chữ nghệ thuật trên mặt trụ xoay.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lê Quốc Bưởu đã hệ thống hóa thành công nền tảng lý thuyết và công nghệ của bộ phần mềm Siemens NX 10.0, bao gồm các module CAD, CAE, CAM và tính năng Line Designer. Nghiên cứu đã làm rõ quy trình chuẩn bị dữ liệu, thiết lập thông số công nghệ và kiểm soát đường chạy dao đa trục trong môi trường Manufacturing. Hai bài tập mẫu về phay cánh tua bin 5 trục và gia công kết hợp tiện - phay 4 trục đã minh chứng khả năng ứng dụng hiệu quả của NX 10.0 trong giải quyết các bài toán gia công cơ khí chính xác có độ phức tạp hình học cao.