TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠ ĐIỆN BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đề tài: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM VR-CNC VÀO TRONG GIẢNG DẠY Th.s PHẠM VĂN TOẢN Th.s VI TRUNG KIÊN Biên Hòa, ngày 16 tháng 06 năm 2012 LỜI NÓI ĐẦU Trước tiên Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự phối hợp và giúp đỡ nhận được từ Giáo Sư Yung - Chou Kao trường đại học Cao Hùng – Đài Loan đã gửi tặng phần mềm cho Khoa Cơ Điện – Trường Đại Học Lạc Hồng Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của các ngành điện tử, công nghệ thong tin, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành vật liệu mới đã khiến cho nghành công nghệ cao trở thành một cách mạng kỹ thuật mang tính thời đại. Một trong những lĩnh vực phát triển mạnh mẽ đó chúng ta cần nói tới lĩnh vực gia công CNC. Trên thế giới CNC, đặc biệt la những nước Châu âu nền tảng CNC phát triển đã khá lâu và rất hiện đại. Còn ở Việt Nam, khái niệm về gia công CNC đã dần dần được quan tâm đầu tư về công sức và kinh phí. Tất cả điều này giúp Đất nước ta hoàn thành chỉ tiêu đặt ra tới năm 2020 là một nước công nghiệp phát triển. Vậy một câu hỏi đặt ra là làm sao có thể giúp người học có thể tiếp cận với cộng nghệ hiện đại này, trong khi mức đầu tư cho một máy CNC thực tế là rất cao. Trong các trường đại học, cao đẳng, học viện, các trường trung cấp đào tạo nghề không có khả năng đáp ứng được nhiệm vụ này. Một giải pháp đã khắc phục được vấn đề này, một phần mền mô phỏng VR/CNC giống thực tế với quá trình gia công của máy CNC được cài đặt trên máy vi tính. Điều này giúp cho mỗi người học có thể thực hành trên một máy CNC mà những thao tác vận hành tương tự như những máy gia công thực. Do thời gian tìm hiểu ngắn và kiến thức còn hạn hẹp, chúng tôi mong nhận được sự đóng góp của bạn đọc. Xin chân thành cảm ơn! Ths. Phạm Văn Toản Ths. Vi Trung Kiên 1 MỤC LỤC CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 4 1.1.Tên đề tài nghiên cứu 4 1.2. Giải pháp kỹ thuật đã biết 4 1.3. Mục đích của nghiên cứu 4 1.4. Nguyên lý chung của giải pháp nghiên cứu 4 CHƢƠNG 2 : CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHỦ YẾU TRONG ĐỀ TÀI 4 2.1. Lý thuyết Công nghệ CNC, thiết kế máy CNC trên phần mềm đồ họa solidwork 5 2.1.1. Những định nghĩa cơ bản trên máy CNC 5 2.1.2. Phân loại hệ điều khiển trên máy CNC 6 2.1.3. Các dạng nội suy theo đƣờng thẳng, cung tròn 10 2.2. Cấu trúc của hệ thống VR-CNC 11 2.3. Xây dựng CAD trên phần mềm Solidworks 12 2.4. Phần mềm EON studio 12 2.5. Thực thi việc giao tiếp giữa bộ điều khiển ảo và máy CNC 13 2.6. Xây dựng phiên bản VR-CNC Lạc Hồng version 1.0 (LHU version 1.0) 13 2.7. Xây dựng Lƣu đồ giải thuật 14 2.8. Máy phay CNC thực tế - ảo phiên bản LHU sau khi hoàn tất có giao diện 15 2.8.1 Tính năng đạt đƣợc 15 CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP NGHIÊN CỨU 16 3.1. Tính mới và tính sáng tạo giải pháp dự thị : 16 3.2. Khả năng áp dụng: 16 2 3.3. Hiệu quả 16 3.3.1 Kỹ thuật 16 3.3.2 Kinh tế 16 3.3.3 Xã hội 17 3.4. Mức độ triển khai 17 PHỤ LỤC MINH HỌA 17 (Tài liệu hƣớng dẫn sử dụng máy phay CNC thực - tế ảo + bài báo tham khảo đính kèm theo ) 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 Danh mục Hình vẽ Hình 1.1. Nguyên lý chung của giải pháp Hình 2.1. Hệ tọa độ Oxyz theo quy tắc bàn tay phải Hình 2.2. Hệ tọa độ và chiều chuyển động của các trục trên máy CNC Hình 2.3 Điều khiển theo điểm Hình 2.4 Các đường chạy theo điểm trong điều khiển theo điể Hình 2.5 Điều khiển đường viền 2D Hình 2.6 Điều khiển đường viền 2D1/2 Hình 2.7 Điều khiển 3D Hình 2.8 Điều khiển 4D và 5D Hình 2.9 Nội suy theo đường thẳng Hình 2.10 Nội suy cung tròn dùng G02 Hình 2.11 Nội suy cung tròn dùng G03 Hình 2.12 Cấu trúc hệ thống VR-CNC[2] Hình 2.13 Xây dựng CAD trong phần mềm Solidwork 3 Hình 2.14 Trước khi đã xử lý Hình 2.15 Sau khi đã xử lý Hình 2.16 Lưu đồ giải thuật hiển thị ngôn ngữ giao tiếp Hình 2.17 Lưu đồ thể hiện các bước thực thi chương trình tư động Hình 2.18 Máy phay CNC thực tế - ảo Phiên bản Lạc Hồng LHU version 1.0 4 CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1.Tên đề tài nghiên cứu Nghiên cứu Máy Phay CNC thực tế- ảo (VR-CNC) Phiên bản Lạc Hồng trên phần mềm (VR-CNC) và ứng dụng vào trong giảng dạy. 1.2. Giải pháp kỹ thuật đã biết Các phần mềm mô phỏng đã biết nhƣ Catia, mastercam, CNC simulation …. Nhƣợc điểm của các phần mềm này đều là không có bộ điều khiển CNC ảo nên làm cho Sinh Viên, công nhân rất khó thao tác trên 1 máy CNC thật 1.3. Mục đích của nghiên cứu Xây dựng hệ thống máy phay CNC thực tế - ảo (VRCNC) phiên bản VRCNC Lạc Hồng, mô phỏng quá trình điều khiển và gia công giống hệt một máy CNC thực tế[1]. Tạo điều kiện rất lớn đối với những trƣờng đại học, cao đẳng không có khả năng trang bị những máy CNC đắt tiền cho sinh viên thực tập, giúp các công ty xí nghiệp giảm thiểu việc đào tạo lại tay nghề cho ngƣời vận hành máy, tiết kiệm đƣợc chi phí và thời gian rất lớn. 1.4. Nguyên lý chung của giải pháp nghiên cứu Ngôn ngữ lập trình Visual Basic để thực hiện việc Giao tiếp giữa bộ điều khiển và máy CNC Xây dựng CAD (Máy CNC ảo đƣợc thiết kế trên phần mềm Solidwork ) Xử lý về ánh sáng và độ nét trên phần mềm EON Studio Xây dựng Phiên bản VRCNC- Lạc Hồng Hình 1.1. Nguyên lý chung của giải pháp 5 CHƢƠNG 2 : CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHỦ YẾU TRONG ĐỀ TÀI 2.1. Lý thuyết Công nghệ CNC, thiết kế máy CNC trên phần mềm đồ họa solidwork 2.1.1. Những định nghĩa cơ bản trên máy CNC 2.1.1.1.Hệ thống tọa độ trên máy CNC Để có thể tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, Chúng ta nên gắn vào chi tiết một hệ trục tọa độ. Thông thƣờng trên các máy điều khiển theo chƣơng trình số ngƣời ta thƣờng sử dụng hệ tọa độ Decard Oxyz theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận) và nó đƣợc gắn vào chi tiết gia công. Gốc của hệ trục tọa độ có thể đặt tại bất kỳ một điểm nào đó trên chi tiết (về mặt nguyên tắc) nhƣng thông thƣờng ngƣời ta sẽ chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời dễ dàng kiểm tra kích thƣớc theo bản vẽ của chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều bƣớc tính toán bổ sung. Hình 2.1. Hệ tọa độ Oxyz theo quy tắc bàn tay phải Quy tắc bàn tay phải đƣợc chuẩn hóa là ngón tay cái chỉ chiều dƣơng của trục X, ngón tay giữa chỉ chiều dƣơng trục Z, còn ngón tay trỏ chỉ chiều dƣơng trục Y. Các trục quay tƣơng ứng với các trục X,Y, Z đƣợc kí hiệu bởi các chữ A, B, C. Chiều quay dƣơng là chiều quay theo chiều kim đồng hồ nếu nhìn theo chiều dƣơng của các trục X, Y, Z. 6 Hình 2.2. Hệ tọa độ và chiều chuyển động của các trục trên máy CNC Theo quy ƣớc chung, phƣơng của trục chính của máy là phƣơng của trục OZ, còn chiều dƣơng của nó đƣợc quy ƣớc khi dao tiến ra xa chi tiết. Ví dụ, với máy tiện 2D thông thƣờng thì trục chính của nó nằm ngang và trùng với phƣơng OZ của hệ tọa độ, chiều dƣơng của nó hƣớng ra khỏi ụ động trục chính. Phƣơng chuyển động của bàn xe sao theo hƣớng kính là phƣơng OX và chiều dƣơng của nó là hƣớng ra xa bề mặt chi tiết gia công. Đối với máy phay thẳng đứng, trục Z hƣớng theo phƣơng thẳng đứng lên trên, còn trục X và trục Y đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay phải, tuy nhiên trong thực tế các nhà chế tạo máy lại thƣờng ƣu tiên chọn trục X là trục mà có chuyển động bàn máy dài hơn… Đối với các chuyển động quay xung quanh các trục tƣơng ứng X, Y, Z đƣợc xác định bằng các địa chỉ ký hiệu A, B, C. Và đƣợc xác định là dƣơng khi chiều quay đó có hƣớng thuận chiều kim đồng hồ khi nhìn theo chiều dƣơng của các trục tƣơng ứng ( khi nhìn vào gốc của hệ trục tọa độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ngƣợc chiều kim đồng hồ). Ngoài ra còn có một số chuyển động phụ song song với các trục tƣơng ứng với các trục X, Y, Z là các địa chỉ U, V, W và hƣớng của chúng đƣợc biểu diễn trên hình 2.2 2.1.2. Phân loại hệ điều khiển trên máy CNC 2.1.2.1 Điều khiển theo điểm Điều khiển theo điểm đƣợc ứng dụng khi gia công theo các tọa độ xác định đơn giản. Dao sẽ thực hiện chạy dao nhanh đến các điểm đã đƣợc lập trình, trong hành trình 7 này dao không cắt vào chi tiết. Chỉ khi đạt tới các điểm đích, quá trình gia công mới đƣợc thực hiện theo lƣợng chạy dao đã lập trình Các trục có thể có chuyển động kế tiếp nhau hoặc tất cả các trục có thể có chuyển động đồng thời, giữa chúng không có mối quan hệ hàm số giữa các trục. Khi các trục có chuyển động đồng thời hƣớng của chuyển động tạo thành góc 45 o . Khi một trong 2 tọa độ đã đạt đƣợc thì trục thứ 2 sẽ đƣợc kéo theo đến điểm đích. Điều khiển này đƣợc ứng dụng trên các máy khoan tọa độ và trên các thiết bị hàn điểm. n S §õ¬ng ch¹y dao nhanh §õ¬ng ch¹y dao c¾t C¸c trôc ch¹y lÇn lù¬t C¸c trôc ch¹y ®ång thêi Y X P1 P2 Y X P1 P2 Hình 2.3 Điều khiển theo điểm Hình 2.4 Các đường chạy theo điểm trong điều khiển theo điểm 2.1.2.2 Điều khiển đường Điều khiển theo đƣờng tạo ra các đƣờng chạy song song với các trục của máy. Trong các điều khiển đƣờng mở rộng, 2 trục của máy chuyển động với tốc độ nhƣ nhau đồng thời ta có thể gia công bề mặt côn có góc 45 o Phạm vi ứng dụng của điều khiển đƣờng thƣờng bị thu hẹp trên các máy CNC. 2.1.2.3 Điều khiển theo đường viền Bằng điều khiển theo đƣờng viền ta có thể tạo ra các đƣờng viền hoặc đƣờng thẳng tùy ý trong một mặt phẳng hoặc không gian. Điều này đạt đƣợc nhờ chuyển động đồng thời của các bàn trƣợt máy theo 2 hoặc nhiều trục và giữa các trục này có mối liên hệ hàm số. 8 Tùy theo số lƣợng các trục đƣợc điều khiển đồng thời mà điều khiển đƣờng viền đƣợc chia thành: Điều khiển 2D, điều khiển 2D1/2, điều khiển 3D và điều khiển nhiều hơn 3 trục điều khiển đồng thời. Điều khiển 2D: Điều khiển 2D cho phép thực hiện một đƣờng viền nào đó của dụng cụ cắt trong một mặt phẳng gia công. Trục thứ 3 đƣợc điều khiển độc lập với 2 trục kia. Điều khiển 2D1/2: Dạng điều khiển này cho phép thực hiện các chuyển động của dụng cụ cắt theo mặt phẳng XOY hoặc XOZ. Nhƣ vậy thông qua các chức năng G code trong chƣơng trình NC ta có thể chuyển từ bề mặt X-Y sang mặt phẳng X-Z. x z x Y z Gia c«ng trong mÆt ph¼ng X/Z Gia c«ng trong mÆt ph¼ng X/Y z Y X §iÒu khiÓn 2 1 2D Hình 2.5 Điều khiển đường viền 2D Hình 2.6 Điều khiển đường viền 2D1/2 Điều khiển 3D: Bằng điều khiển 3D ta có thể thực hiện các chuyển động của dụng cụ cắt trong một không gian 3 chiều. Trong điều khiển 3D tất cả các trục máy chuyển động đồng thời. Trên máy phay bất cứ đƣờng viền nào cũng có thể đƣợc hình thành. [...]... trình thực thi tự động câu lệnh trong chƣơng trình Hệ thống tọa độ của máy cần phải hợp nhất với hệ tọa độ của phôi[8] Hình 2.17 Lưu đồ thể hiện các bước thực thi chương trình tư động 14 2.8 Máy phay CNC thực tế - ảo phiên bản LHU sau khi hoàn tất có giao diện Hình 2.18 Máy phay CNC thực tế - ảo Phiên bản Lạc Hồng LHU version 1.0 2.8.1 Tính năng đạt đƣợc - Máy CNC ảo hoạt động trên phần mềm giống hệt... việc học trên máy CNC ảo phiên bản lạc hồng sinh viên, học viên sẽ nắm rõ về cấu trúc và vận hành máy CNC hơn so với phƣơng pháp học lý thuyết trên sách vở 3.3.2 Kinh tế Đối tƣợng sinh viên, học viên Chi phí đầu tƣ 10 ngƣời học sử dụng 10 ngƣời học sử dụng 1 Máy Phay CNC thực tế 10 Máy phay CNC thực tế ảo phiên bản LHU 1000 000 000 VNĐ (một tỷ đồng) 60 000 000 VNĐ (sáu mƣơi triệu đồng) Qua bảng trên ta... bảng trên ta thấy rõ đƣợc lợi ích về kinh tế khi chúng ta đào tạo sinh viên, học viên trên phần mềm máy phay CNC thực tế - ảo phiên bản lạc hồng 16 3.3.3 Xã hội Tác động tích cực đến xã hội vì không gây ra tiếng ồn nhƣ sử dụng máy CNC thực tế, vận hành máy CNC ảo trong phòng học mà hiệu quả học cũng tƣơng đƣơng với khi ra công xƣởng vận hành máy, Với phiên bản Lạc Hồng giao diện bằng tiếng việt cho nhiều... vận hành đƣợc máy CNC 3.4 Mức độ triển khai Đã chạy thử nghiệm thành công và đƣa vào ứng dụng giảng dạy trong trƣờng Đại Học Lạc Hồng bắt đầu từ tháng 9 năm 2011 Máy phay CNC thực tế - ảo đã hoạt động ổn định và có chức năng mô phỏng gần giống nhƣ một máy CNC thực tế PHỤ LỤC MINH HỌA (Tài liệu hƣớng dẫn sử dụng máy phay CNC thực - tế ảo + bài báo tham khảo đính kèm theo ) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yung-Chou... giống hệt nhƣ máy CNC thực tế - Sinh viên sau khóa học với máy CNC thực tế - ảo đa phần có thể thực thi gia công sản phẩm ngay trên máy thực tế 15 CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Tính mới và tính sáng tạo giải pháp dự thị : - Lần đầu tiên thực hiện tại nƣớc Việt Nam - Có tính mới với thế giới (trên thế giới đa phần chỉ có những phần mềm mô phỏng quá trình gia công của máy CNC) - Mang tính... chuyền từ bộ điều khiển ảo vào giao diện ảo cho máy VRCNC thông qua thƣ viện EONX Type[6] , các quá trình chuyển động và di chuyển của hệ thống đƣợc mô phỏng bằng giao diện làm việc EON Studio 2.6 Xây dựng phiên bản VR -CNC Lạc Hồng version 1.0 (LHU version 1.0) Để hiển thị đƣợc Phiên bản Lạc Hồng trong giao diện ngƣời dùng, trong phần mềm VCNCMILL3 ta xây dựng cơ sở dữ liệu để lƣu trữ nhiều đặc tính... các nghành công nghệ thông tin + cơ khí + điện tử 3.2 Khả năng áp dụng: - Thuận tiện trong việc đào tạo Sinh Viên, công nhân sử dụng máy CNC (mỗi ngƣời có một máy CNC ảo để thực hành) - Giảm chi phí rất lớn cho các trƣờng đại học, cao đẳng, học viện không đủ tiền để trang bị máy móc CNC - Có tính ứng dụng rất lớn trong việc đào tạo và phát triển nguồn nhân lực tại khu công nghiệp Đồng Nai 3.3 Hiệu... toán để điều khiển các trục tọa độ Hệ truyền động gia công có sự so sánh và phản hồi, sau đó hệ thống đƣa ra kết quả lỗi dự báo Và cuối cùng hiển thị lỗi này trên biên dạng hình học (Hình 1) Hình 2.12 Cấu trúc hệ thống VR -CNC[ 2] 11 2.3 Xây dựng CAD trên phần mềm Solidworks Những hình ảnh đồ họa trong máy đƣợc xây dựng bằng phần mềm Solidworks Hình2.13 diễn tả quá trình phác họa các chi tiết cho máy. .. ảo và máy CNC Việc thực thi toàn bộ hệ thống giữa màn hình giao diện và bộ điều khiển trong việc nghiên cứu đƣợc thông qua thƣ viện EONX 3.0 Type Thƣ viện này cho phép gán vào trong cửa sổ mô phỏng của giao diện ảo trong chƣơng trình Microsoft Visual Basic 6.0 Giao tiếp giữa bộ điều khiển và giao diện ảo đƣợc đƣa vào biên dịch lớp cấu trúc dữ liệu Dữ liệu đã phân tích đƣợc chuyền từ bộ điều khiển ảo. .. Cấu trúc của hệ thống VR -CNC Từ phần mền thiết kế CAD, khối hình học đƣợc chuyển tới hệ thống CAD/CAM, qua quá trình sử lý và mô phỏng xuất ra câu lệnh NC Cuter Location (CL) file là một kiểu đƣợc định dạng theo mẫu chuẩn công nghiệp, chƣơng trình gia công đƣợc đƣa vào CL file để so sánh và kiểm tra Tại vùng “kiểu chạy dao” chức năng nội suy theo quỹ đạo đƣờng thẳng hay cung tròn Từ đó hệ thống đƣa ra . 2.8. Máy phay CNC thực tế - ảo phiên bản LHU sau khi hoàn tất có giao diện Hình 2.18 Máy phay CNC thực tế - ảo Phiên bản Lạc Hồng LHU version 1.0 2.8.1 Tính năng đạt đƣợc - Máy CNC ảo. của nghiên cứu Xây dựng hệ thống máy phay CNC thực tế - ảo (VRCNC) phiên bản VRCNC Lạc Hồng, mô phỏng quá trình điều khiển và gia công giống hệt một máy CNC thực tế[ 1]. Tạo điều kiện rất lớn. bộ điều khiển ảo và máy CNC 13 2.6. Xây dựng phiên bản VR -CNC Lạc Hồng version 1.0 (LHU version 1.0) 13 2.7. Xây dựng Lƣu đồ giải thuật 14 2.8. Máy phay CNC thực tế - ảo phiên bản LHU sau khi