Xây dựng mô đun hỗ trợ CAPP xuất Gcode tự động trực tiếp từ đối tượng gia công sử dụng lập trình tham số

Phùng Xuân Lan, Nguyễn Kiên Trung<br /> <br /> 52<br /> <br /> XÂY DỰNG MÔ-ĐUN HỖ TRỢ CAPP XUẤT GCODE TỰ ĐỘNG TRỰC TIẾP TỪ<br /> ĐỐI TƯỢNG GIA CÔNG SỬ DỤNG LẬP TRÌNH THAM SỐ<br /> DEVELOPMENT OF CAPP SUPPORTED MODULE FOR AUTOMATIC GCODE<br /> GENERATION FROM MACHINING FEATURE USING MACRO PROGRAMMING<br /> Phùng Xuân Lan, Nguyễn Kiên Trung<br /> Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; lan.phungxuan@hust.edu.vn, trung.nguyenkien@hust.edu.vn<br /> Tóm tắt - Lập quy trình công nghệ có sự trợ giúp của máy tính<br /> (CAPP) ngày càng được chú trọng phát triển nhằm đưa công nghệ,<br /> kinh nghiệm và trí tuệ của con người vào lĩnh vực tự động hóa sản<br /> xuất. Việc sử dụng các dữ liệu trích xuất từ CAPP bao gồm các<br /> thông tin hình học và công nghệ của đối tượng gia công để tự động<br /> tạo ra các chương trình Gcode gia công trên máy CNC chưa được<br /> nghiên cứu cụ thể. Mô-đun lập trình CNC theo kiểu tham số cho<br /> các đối tượng gia công phổ biến như mặt phẳng, hốc, đảo, rãnh,<br /> lỗ v.v. được trình bày trong bài báo đã xử lý hiệu quả bài toán đó,<br /> từ đó hoàn thiện dòng tích hợp CAD/CAPP/CNC mà không cần<br /> thông qua các thao tác bằng tay trong mô-đun CAM. Với mỗi đối<br /> tượng gia công chỉ cần khai báo thông số cơ bản, mô-đun sẽ hỗ<br /> trợ xuất Gcode tự động cho từng đối tượng. Trong bài báo, một chi<br /> tiết với các đối tượng gia công cơ bản được sử dụng để mô tả<br /> phương pháp và kiểm tra tính hiệu quả của mô-đun.<br /> <br /> Abstract - Computer aided process planning (CAPP) is<br /> increasingly being developed to bring technology, experience and<br /> intelligence<br /> into<br /> the<br /> manufacturing<br /> automation.<br /> The<br /> implementation of the data on geometry, technical and<br /> manufacturing process extracted from CAPP from machining<br /> features to automatically generate the Gcode for CNC machine is<br /> ongoing research. CNC macro programming module for common<br /> machining features such as faces, pocket, boss, slot, holes, etc.<br /> presented in this article will be effective tool for the current problem<br /> and clear the obstacle in the integrated CAD/CAPP/CNC system<br /> without any manual proceesing at CAM module. The Gcode will be<br /> automatically generated by the module from basic information of<br /> each machining feature. In this paper, a machining part consists of<br /> the basic machining features is used to describe the method and<br /> to verify the module’s cability.<br /> <br /> Từ khóa - Lập trình tham số; đối tượng gia công; CAPP; xuất<br /> Gcode<br /> <br /> Key words - Macro programming; machining feature; CAPP;<br /> Gcode generation.<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Máy công cụ CNC từ lâu đã khẳng định được vai trò<br /> quan trọng của mình trong nền sản xuất hiện đại đặc biệt là<br /> trong công nghiệp sản xuất tự động hóa ngày nay và công<br /> nghiệp 4.0 tương lai. Nhờ có công nghệ CAD/CAM người<br /> kỹ sư đã được hỗ trợ khá nhiều trong việc hình thành đường<br /> chạy dao và xuất chương trình Gcode sử dụng cho máy<br /> CNC. Tuy nhiên các chương trình Gcode xuất từ CAM ra<br /> thường chỉ sử dụng những lệnh nội suy Gcode cơ bản nên có<br /> đặc thù là khá dài, khó theo dõi và sửa đổi. Các đường chạy<br /> dao là do phần mềm tự động tính toán và tạo ra, do đó nhiều<br /> khi không giống tư duy của lập trình bằng tay. Độ chính xác<br /> của đường chạy dao phụ thuộc rất nhiều vào cơ sở tính toán<br /> bên trong phần mềm. Thậm chí các đường chạy dao tự động<br /> đó có thể vi phạm vào không gian của máy và đồ gá gây các<br /> va chạm nguy hiểm cho máy, dao và đồ gá. Chính vì vậy,<br /> mặc dù ở một nước có nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ<br /> như Nhật Bản, họ cũng không sử dụng nhiều các phần mềm<br /> CAD/CAM để hình thành Gcode mà tối đa sử dụng lập trình<br /> tham số trực tiếp trên hệ điều khiển. Ưu điểm nổi trội của lập<br /> trình theo kiểu tham số là chương trình ngắn, dễ dàng theo<br /> dõi, kiểm soát và thay đổi thông số, đáp ứng tính toán nhanh<br /> từ chính bộ điều khiển của máy CNC, đồng thời có hỗ trợ<br /> các kỹ thuật lập trình cơ bản như câu lệnh điều kiện, vòng<br /> lặp, các hàm toán học [1]. Các đường chạy dao theo một kiểu<br /> thống nhất ít phát sinh thêm các đường khác và được kiểm<br /> soát thông qua các hàm toán học do người lập trình đề xuất<br /> trong chương trình nên chương trình có độ tin cậy cao. Đặc<br /> biệt, khi đối tượng gia công thay đổi thông số hình học thì<br /> chương trình vẫn có thể sử dụng lại mà không cần phải lặp<br /> lại toàn bộ các thao tác phức tạp và rờm rà như CAM. Trong<br /> dòng tích hợp CAD/CAPP, mô hình chi tiết 3D sẽ được nhận<br /> dạng và hình thành quy trình công nghệ một cách tự động<br /> <br /> thông qua các thuật toán nhận dạng, lựa chọn và tối ưu. Đầu<br /> ra của CAPP sẽ là một danh sách các đối tượng gia công với<br /> đầy đủ các thông tin hình học và công nghệ bao gồm các lựa<br /> chọn máy, dao và chế độ cắt [2]. Những thông tin đầu vào<br /> này sẽ là cơ sở để hình thành chương trình gia công CNC<br /> cho từng đối tượng. Mỗi đối tượng gia công trên một chi tiết<br /> sẽ có tương ứng một chương trình gia công theo kiểu tham<br /> số (chương trình con). Chương trình chính sẽ có nhiệm vụ<br /> gọi các chương trình con theo đúng thứ tự gia công để gia<br /> công hoàn thiện chi tiết. Khi thay đổi thông tin tạo hình của<br /> đối tượng gia công, chỉ cần cung cấp bộ thông số khác cho<br /> các tham số thì đường chạy dao sẽ thay đổi theo. Dựa vào<br /> ưu điểm này của lập trình CNC theo kiểu tham số, nhóm<br /> nghiên cứu đã thiết lập một bộ các lệnh/hàm mới cho phép<br /> nhận thông số đầu ra của CAPP để trực tiếp tạo ra chương<br /> trình gia công cho từng đối tượng gia công và cho cả chi tiết.<br /> Từ đó, dòng tích hợp tự động CAD/CAPP/CNC dễ dàng<br /> được thiết lập với hiệu quả cao mà không cần thiết phải<br /> thông qua mô-đun CAM.<br /> 2. Lập trình CNC theo tham số<br /> Bản chất của lập trình theo tham số là việc sử dụng<br /> các biến hay thông số trong quá trình lập trình kết hợp với<br /> việc gọi chương trình con nên rất phù hợp với việc thiết<br /> lập các chương trình gia công theo từng nhóm đối tượng<br /> gia công khác nhau. Khi đối tượng gia công thay đổi thì<br /> chỉ việc thay đổi giá trị của các tham số là đường chạy<br /> dao sẽ thay đổi, trong khi cấu trúc của chương trình vẫn<br /> giữ nguyên. Đăc điểm này rất phù hợp cho các chi tiết tiêu<br /> chuẩn có hình dáng cơ bản còn kích thước khác nhau ví<br /> dụ như ổ đỡ, vòng bi, bánh răng, trục, v.v. Hiện nay,<br /> Fanuc là một trong những hệ điều khiển sử dụng rộng rãi<br /> nhất trong thực tế. Tùy từng các phiên bản của hệ điều<br /> <br /> ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 17, NO. 1.1, 2019<br /> <br /> khiển Fanuc mà năng lực lập trình theo tham số cũng khác<br /> nhau. Bài báo này xây dựng các chương trình CNC theo<br /> tham số trên phiên bản hệ điều khiển là Fanuc21 và<br /> Fanuc31. Một số điểm chung của hai hệ điều khiển này là<br /> đều cho phép khai báo và sử dụng hiệu quả các tham số.<br /> Một tham số được đặt tên theo cấu trúc “#” tiếp theo sau<br /> là một số ví dụ #10 = 100 là gán giá trị 100 cho tham số<br /> #10. Tùy phạm vi của con số này mà nó có thể là biến<br /> toàn cục, biến cục bộ hay biến hệ thống [3]. Giới hạn của<br /> biến và các hàm toán học tương ứng tùy thuộc vào từng<br /> hệ điều khiển. Bảng 1 mô tả sự khác nhau của hai hệ<br /> Fanuc21 và Fanuc31 khi sử dụng lập trình tham số. Hệ<br /> điều khiển Fanuc31 có nhiều hàm hơn cho phép lập trình<br /> đơn giản và ngắn gọn hơn. Hệ điều khiển Fanuc21 không<br /> có vòng lặp khi đó có thể sử dụng chương trình con và số<br /> lần gọi chương trình con để thay thế. Fanuc21 cũng không<br /> có lệnh G65 cho phép gán giá trị cho các tham số trong<br /> chương trình con như Fanuc31.<br /> <br /> 53<br /> <br /> kết giữa CAD và CAPP với nhiệm vụ cơ bản là tách biệt<br /> các đối tượng, trích xuất các thông tin hình học và yêu cầu<br /> kỹ thuật của từng đối tượng, đồng thời nhận dạng các đối<br /> tượng gia công cơ bản. Hình 2 mô tả các loại đối tượng gia<br /> công 2.5D cơ bản có thể nhận diện và xử lý trong mô-đun<br /> này. Mô-đun 2 (CAPP) xử lý các dữ liệu đã trích xuất trong<br /> mô-đun 1. Nó thực hiện một loạt các nhiệm vụ cơ bản của<br /> thiết kế quy trình công nghệ là nhận dạng phương pháp gia<br /> công, lựa chọn thiết bị, chế độ cắt và thiết lập thứ tự nguyên<br /> công trên cơ sở các ràng buộc công nghệ. Mô-đun cuối<br /> cùng (CAPP-CNC) trong dòng tích hợp này chính là môđun chuyển đổi Gcode với nhiệm vụ là thiết lập cầu nối<br /> giữa CAPP và CNC. Nó bao gồm các hàm chuyển đổi<br /> Gcode trực tiếp từ các đối tượng gia công.<br /> Vật liệu gia công<br /> <br /> Mô hình CAD 3D với đầy đủ<br /> yêu cầu kỹ thuật<br /> <br /> Dạng sản xuất<br /> ĐẦU VÀO<br /> Phương pháp chế tạo<br /> phôi và xử lý nhiệt<br /> <br /> Bảng 1. So sánh đặc điểm của hai hệ Fanuc21 và Fanuc31<br /> trong lập trình tham số<br /> STT<br /> <br /> Khả năng<br /> <br /> 1<br /> <br /> Phép toán<br /> <br /> 2<br /> <br /> Các hàm<br /> toán học<br /> <br /> Fanuc21<br /> +, -, *, /<br /> <br /> +, -, *, /<br /> <br /> Không có<br /> <br /> SIN, COS, TAN,<br /> ATAN, ASIN, ACOS<br /> ABS, SQRT, EXP,<br /> ROUND, FIX, FUP<br /> EQ, NE, GT, LT, GE,<br /> LE<br /> AND, OR, XOR<br /> <br /> 2<br /> <br /> Phép logic<br /> <br /> EQ (=), NE (),<br /> GT(>), LT(