Xây dựng một số bài thực hành ảo về vận hành máy tiện và máy phay CNC

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 3/2012<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THỰC HÀNH ẢO VỀ VẬN HÀNH<br /> MÁY TIỆN VÀ MÁY PHAY CNC<br /> DEVELOPING SOME TUTORIALS ON THE VIRTUAL OPERATION<br /> OF CNC LATHES AND MILLS<br /> Nguyễn Văn Tường1<br /> Ngày nhận bài: 27/7/2012; Ngày phản biện thông qua: 05/9/2012; Ngày duyệt đăng: 12/9/2012<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo trình bày việc xây dựng một số bài thực hành ảo về vận hành máy tiện và máy phay CNC bằng phần mềm<br /> Swansoft CNC Simulation. Các bài thực hành được xây dựng để giúp sinh viên học vận hành các máy tiện và máy phay<br /> CNC có trang bị các bộ điều khiển như Fanuc, Siemens hoặc Mitsubishi. Trong các bài thực hành này, các thao tác vận<br /> hành máy ảo được mô phỏng giống như các thao tác vận hành khi sử dụng máy thật. Các bài thực hành này giúp sinh viên<br /> tích lũy kinh nghiệm vận hành trước khi bắt đầu thực hành vận hành máy thật.<br /> Từ khóa: thực hành ảo, CNC, swansoft CNC simulation<br /> <br /> ABSTRACT<br /> This paper presents the development of some tutorials on virtual operation of CNC lathes and mills by using<br /> Swansoft CNC Simulation. The tutorials were built to help students learn how to operate CNC lathes and mills which<br /> equipped with Fanuc, Siemens or Mitsubishi controlers. In these tutorials, tasks for operating virtual machines are<br /> simulated as tasks which used to operate real machines. The tutorials give students operational experience prior to actual<br /> practice of machine operation.<br /> Keywords: virtual practice, CNC, swansoft CNC simulation<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Để hỗ trợ huấn luyện vận hành máy CNC, một<br /> số nhà khoa học đã xây dựng các phần mềm giúp<br /> người dùng thực hành ảo vận hành máy CNC trên<br /> máy tính cá nhân. Yingxue Yao và cộng sự [1] đã<br /> phát triển một số hệ thống huấn luyện gia công<br /> CNC dựa trên công nghệ gia công ảo. Họ đã xây<br /> dựng các bài thực hành trên các hệ thống này để hỗ<br /> trợ huấn luyện nhằm giúp người học nắm vững lý<br /> thuyết, tăng cường kỹ năng thực hành và giải quyết<br /> các sự cố kỹ thuật phát sinh trong quá trình vận<br /> hành máy CNC.<br /> Giáo sư Suleyman Yaldiz và các cộng sự ở<br /> trường Đại học Khoa học Kỹ thuật thuộc đại học<br /> Selcuk (Thổ Nhĩ Kỳ) đã xây dựng 28 bài thực hành<br /> cho huấn luyện gia công CNC [2]. Các bài thực<br /> hành này được thực hiện nhờ chương trình huấn<br /> luyện ảo CNC có tên là VTC FOR CNC đã được<br /> 1<br /> <br /> phát triển ở trường này. Một số bài thực hành điển<br /> hình mà nhóm nghiên cứu đã xây dựng là: nhóm bài<br /> thao tác các chức năng của panel điều khiển máy,<br /> nhóm bài về hiểu, gán và đo điểm không chương<br /> trình, nhóm bài về bù trừ dao, nhóm bài liên quan<br /> đến lập trình, chạy chương trình gia công.<br /> Một số hãng chế tạo bộ điều khiển CNC cũng<br /> đã xây dựng các phần mềm và các bộ thiết bị mô<br /> hình dùng cho huấn luyện. Hãng Siemens đã áp<br /> dụng phần mềm Sinutrain [3] để huấn luyện vận<br /> hành máy CNC nhờ máy tính. Phần mềm này được<br /> áp dụng để lập trình và vận hành máy tiện và máy<br /> phay CNC sử dụng bộ điều khiển Sinumerik 802D,<br /> 810D, 840D và 840Di.<br /> Các phần mềm VR Turning và VR Milling của<br /> hãng Denford được viết cho lập trình gia công và<br /> vận hành ảo các dòng máy CNC dùng trong giáo<br /> dục [4]. Các phần mềm này cho phép người dùng<br /> <br /> TS. Nguyễn Văn Tường: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 65<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> thực hiện một số thao tác vận hành máy cơ bản trên<br /> nền máy ảo với bộ điều khiển Fanuc.<br /> Phần mềm FANUC 21i Emulator là một trong<br /> những sản phẩm của Intelitek [5] được dùng dùng<br /> cho đào tạo vận hành máy CNC. Phần mềm này<br /> được thiết kế theo cách sao chép bộ điều khiển<br /> CNC Fanuc 21i, cho phép thực hiện huấn luyện<br /> sử dụng bộ điều khiển Fanuc 21i thông qua thực<br /> hành ảo.<br /> Công ty Nanjing Swan Software Technology [6]<br /> đã phát triển phần mềm Swansoft CNC Simulation<br /> dùng cho giảng dạy về vận hành máy CNC ở<br /> trường đại học cũng như trong các nhà máy chế<br /> tạo. Phần mềm bao gồm 17 loại, 67 hệ thống và 126<br /> panel điều khiển một số hãng Fanuc, Sinumerik,<br /> Mitsubishi, Fagor, Haas, PA, Romi, GSK, HNC,<br /> KND, Dasen, WA ,Great, Sanying, Renhe và SKY.<br /> Hiện nay, hầu hết các trường đại học trong nước<br /> có đào tạo chuyên ngành chế tạo máy đều đưa học<br /> phần về gia công trên máy CNC vào giảng dạy. Tuy<br /> nhiên, do giá thành khá cao nên hầu hết các trường<br /> chỉ đầu tư máy CNC với số lượng và chủng loại rất<br /> ít ỏi. Do đó hầu hết các trường đều không đáp ứng<br /> được nhu cầu học vận hành máy CNC của sinh<br /> viên. Hơn nữa, trong thực tế sản xuất, các bộ điều<br /> khiển máy CNC tương đối đa dạng. Vì vậy, nếu gặp<br /> bộ điều khiển thuộc hãng khác với bộ điều khiển mà<br /> sinh viên đã được học thì sinh viên mới ra trường<br /> không thể vận hành máy CNC được. Để phần nào<br /> giải quyết các vướng mắc nói trên, cơ sở đào tạo có<br /> thể áp dụng giải pháp thực hành ảo vận hành máy<br /> CNC nhờ một số phần mềm chuyên dụng.<br /> II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 1. Đối tượng nghiên cứu<br /> Các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam chủ yếu<br /> chỉ đầu tư máy tiện 2 trục và máy phay CNC 3 trục<br /> để phục vụ đào tạo về gia công CNC. Các loại máy<br /> nói trên có thể được trang bị với bộ điều khiển khác<br /> nhau tùy theo hãng sản xuất. Các bộ điều khiển<br /> CNC phổ biến nhất ở nước ta là Fanuc, Siemens và<br /> Mitsubishi. Vì vậy, việc xây dựng các bài thực hành<br /> ảo về vận hành máy tiện CNC 2 trục và máy phay<br /> CNC 3 trục với các bộ điều khiển thông dụng nói<br /> trên sẽ đáp ứng nhu cầu thực tế.<br /> 2. Phương pháp nghiên cứu<br /> Việc xây dựng các bài thực hành ảo có thể<br /> được thực hiện nhờ nghiên cứu lý thuyết kết hợp<br /> với thực hành trên máy các nội dung sau:<br /> - Nghiên cứu nội dung chương trình chi tiết học<br /> phần về gia công trên máy CNC để xác định các nội<br /> dung cần triển khai thực hành ảo.<br /> <br /> 66 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Soá 3/2012<br /> - Tìm hiểu một số phần mềm mô phỏng gia<br /> công trên máy CNC và lựa chọn phần mềm phù hợp<br /> cho việc xây dựng các bài thực hành ảo theo nội<br /> dung đã đề xuất.<br /> - Xây dựng các bài thực hành ảo về vận hành<br /> máy tiện và phay CNC trên phần mềm đã chọn.<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Lựa chọn phần mềm và các hạng mục thực<br /> hành ảo<br /> Có thể sử dụng một số phần mềm cho thực<br /> hành ảo về vận hành máy CNC như đã mô tả ở<br /> trên. Tuy nhiên, trong số các phần mềm này thì<br /> Swansoft CNC Simulation là phần mềm có nhiều ưu<br /> thế nhất do nó tích hợp nhiều bộ điều khiển CNC và<br /> giá của phần mềm này khá rẻ (399 USD/1 license)<br /> [6]. Sử dụng phần mềm này cho việc giảng dạy thực<br /> hành CNC này sẽ gặp nhiều thuận lợi vì chỉ cần một<br /> phần mềm vẫn có thể dùng để dạy cho sinh viên<br /> học sử dụng nhiều loại bộ điều khiển khác nhau. Do<br /> đó phần mềm này được chọn để xây dựng các bài<br /> thực hành ảo về vận hành máy tiện và máy phay<br /> CNC. Theo khả năng của phần mềm Swansoft CNC<br /> Simulation, các bài thực hành được xây dựng tương<br /> ứng cho các bộ điều khiển Fanuc 21i, Sinumerik<br /> 810 (Siemens) và EZMotion 60 (Mitsubishi).<br /> Trong trường đại học, học phần Thực hành<br /> gia công trên máy CNC thường có thời lượng là 01<br /> tín chỉ. Do đó chỉ có thể triển khai một số nội dung<br /> thực hành cơ bản về vận hành máy. Các hạng mục<br /> thực hành chính về vận hành máy tiện và máy phay<br /> CNC là:<br /> - Khởi động máy CNC và đưa các trục của máy<br /> về “Home”.<br /> - Cài đặt hệ tọa độ chi tiết.<br /> - Cài đặt bù trừ dao.<br /> - Lập trình gia công (thủ công).<br /> - Chạy chương trình.<br /> 2. Nội dung các bài thực hành<br /> Để thực hiện các hạng mục nói trên, các nội<br /> dung cần triển khai cho mỗi bài thực hành với phần<br /> mềm Swansoft CNC Simulation bao gồm:<br /> Khởi động phần mềm.<br /> Khởi động máy CNC.<br /> Đưa các trục của máy về “Home”.<br /> Thiết lập phôi và kẹp chặt phôi.<br /> Thiết lập dụng cụ cắt.<br /> Cài đặt tọa độ chi tiết.<br /> Bù trừ chiều dài dao.<br /> Lập trình trên máy (thủ công).<br /> Chạy chương trình.<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> a. Khởi động phần mềm<br /> Nội dung khởi động phần mềm thuần túy chỉ là<br /> những bước mà người dùng thao tác với phần mềm<br /> để vào môi trường mô phỏng. Trình tự các bước<br /> về khởi động phần mềm trong các bài thực hành là<br /> giống nhau. Điểm khác biệt duy nhất trong quá trình<br /> khởi động này là ở chổ chọn bộ điều khiển để thực<br /> hành. Trên hình 1 là môi trường mô phỏng vận hành<br /> máy tiện với bộ điều khiển Fanuc 21iT.<br /> <br /> Soá 3/2012<br /> b. Khởi động máy CNC<br /> Nội dung mở máy bao gồm các thao tác để<br /> nhấn các phím trên bộ điều khiển ảo để mở máy<br /> CNC theo từng loại máy và bộ điều khiển.<br /> c. Đưa các trục của máy về “Home”<br /> Nội dung này bao gồm các thao tác với các<br /> phím trên bộ điều khiển ảo đưa các trục của máy<br /> CNC về “Home”.<br /> <br /> Hình 1. Môi trường mô phỏng vận hành máy tiện với bộ điều khiển Fanuc 21iT<br /> <br /> d. Thiết lập phôi và kẹp chặt phôi<br /> Nội dung về thiết lập phôi và kẹp chặt phôi thuần<br /> tuý chỉ trình bày việc sử dụng các lệnh của phần<br /> mềm về chọn dạng phôi, hiệu chỉnh các kích thước<br /> phôi và chọn phương án gá đặt phôi. Đối với các bài<br /> thực hành tiện, để đơn giản, các phôi ở dạng phôi trụ<br /> đặc và được gá trên mâm cặp 3 chấu. Đối với các<br /> bài thực hành phay, hai dạng phôi hình hộp chữ nhật<br /> và hình trụ được chọn để người thực hành làm quen<br /> với việc cài đặt hệ tọa độ chi tiết với một số dạng phôi<br /> khác nhau. Phôi được gá trực tiếp trên bàn máy và<br /> được kẹp chặt bằng bu lông - thanh kẹp.<br /> e. Thiết lập dụng cụ cắt<br /> Để giảm thời gian thực hành, các bài thực hành<br /> chỉ dùng hai loại dao khác nhau được lấy từ thư viện<br /> của phần mềm. Các bài thực hành hướng dẫn cách<br /> chọn dao từ thư viện và hiệu chỉnh một số thông số<br /> hình học nhằm giúp người thực hành làm quen với<br /> các lệnh về quản lý dao của phần mềm. Các dao<br /> dùng cho thực hành tiện bao gồm dao tiện ngoài và<br /> dao tiện rãnh. Đối với các bài thực hành phay thì các<br /> dao được sử dụng là dao phay ngón và mũi khoan.<br /> f. Cài đặt tọa độ chi tiết gia công<br /> Đối với các bài thực hành tiện, thống nhất chọn<br /> <br /> gốc tọa độ chi tiết nằm ở đầu bên phải của phôi.<br /> Nội dung cài đặt tọa độ chi tiết gia công hướng dẫn<br /> các bước thao tác với bộ điều khiển ảo để xác định<br /> các tọa độ X và Z của máy rồi nhập các tọa độ này<br /> vào mục các tọa độ của phôi ứng với G54. Bước đo<br /> đường kính chi tiết sau khi cắt một lớp mỏng bề mặt<br /> trụ ngoài (để xác định toạ độ theo phương X) cũng<br /> được mô phỏng nhờ chức năng đo lường của phần<br /> mềm (hình 2).<br /> Đối với các bài thực hành phay, việc xác định<br /> gốc tọa độ chi tiết gia công được chia thành hai<br /> trường hợp là dùng dao phay (hình 3) và dùng đầu<br /> dò quang học (hình 4). Sỡ dĩ như vậy là vì đây là hai<br /> cách mà người vận hành máy phay CNC thường<br /> dùng trong thực tế. Ngoài việc hướng dẫn xác định<br /> gốc tọa độ chi tiết gia công nằm ở một góc của phôi<br /> (dạng hình hộp chữ nhật), các bài thực hành phay<br /> còn có phần hướng dẫn xác định gốc toạ độ tại tâm<br /> phôi (dạng hình hộp chữ nhật và dạng hình trụ).<br /> Tương tự như tiện, nội dung này hướng dẫn các<br /> bước thao tác với bộ điều khiển ảo để xác định các<br /> tọa độ X, Y và Z của máy rồi nhập các tọa độ này<br /> vào mục các tọa độ của phôi ứng với G54.<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 67<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> <br /> Soá 3/2012<br /> <br /> Hình 2. Đo đường kính ngoài của chi tiết<br /> <br /> Hình 3. Xác định gốc tọa độ chi tiết gia công<br /> dùng dao phay<br /> <br /> g. Bù trừ chiều dài dao<br /> Nội dung này hướng dẫn các bước thao tác với<br /> bộ điều khiển ảo để thực hiện bù trừ chiều dài dao.<br /> Các bài thực hành đều sử dụng hai dao, một dao<br /> được chọn làm dao “chủ” còn dao kia sẽ được bù<br /> chiều dài dựa theo dao “chủ”.<br /> h. Lập trình trên máy và chạy chương trình<br /> Nội dung lập trình trên máy bao gồm các bước<br /> thao tác tác với bộ điều khiển ảo để nhập chương<br /> trình gia công đơn giản đã được soạn thảo theo<br /> <br /> Hình 4. Xác định gốc tọa độ chi tiết gia công<br /> dùng đầu dò quang học<br /> <br /> cú pháp của bộ điều khiển tương ứng. Việc sửa<br /> chương trình gia công cũng được trình bày nhằm<br /> giúp người thực hành có thể sửa chương trình nếu<br /> có sự nhầm lẫn. Sau khi hoàn tất việc nhập chương<br /> trình là bước chạy chương trình gia công để quá<br /> trình tòan bộ quá trình mô phỏng cắt gọt. Hình 5<br /> trình bày một số kết quả chạy chương trình gia công<br /> của các bài thực hành tiện và phay ứng với máy có<br /> bộ điều khiển Fanuc 21iT và Fanuc 21iM (trường<br /> hợp dùng phôi hình trụ).<br /> <br /> Hình 5. Kết quả mô phỏng gia công khi tiện (trái) và phay (phải)<br /> <br /> 68 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG<br /> <br /> Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn<br /> 3. Thảo luận<br /> Trong các bài thực hành ảo, một số nội dung<br /> thực hành thuần túy chỉ là thực hiện lệnh của phần<br /> mềm như khởi động phần mềm, thiết lập phôi và<br /> thiết lập dụng cụ cắt. Đối với các nội dung còn<br /> lại, sinh viên dùng chuột máy tính để thao tác với<br /> các phím trên bộ điều khiển ảo để thực hiện các<br /> nội dung giống như dùng tay thao tác với bộ điều<br /> khiển trên máy thật. Như vậy, có thể nói các bài<br /> thực hành ảo đáp ứng được yêu cầu thực hành ảo<br /> về vận hành máy CNC. Nhờ đó, sinh viên có thể<br /> tự trải nghiệm thực hành ảo trước khi được hướng<br /> dẫn thực hành trực tiếp trên máy thật. Các kinh<br /> nghiệm mà sinh viên tích luỹ được khi thực hành<br /> ảo sẽ giúp họ nhanh chóng tiếp cận với máy thật<br /> tại phân xưởng. Điều này giúp tăng hiệu quả kinh tế<br /> nhờ giảm thời gian trực tiếp đứng máy của sinh viên<br /> đồng thời cũng giảm áp lực cho sơ sở đào tạo khi<br /> dùng máy CNC đắt tiền với số lượng ít.<br /> Thử nghiệm sơ bộ cho thấy khi sinh viên khi đã<br /> thực hành thuần thục các bài thực hành vận hành<br /> máy ứng một dòng bộ điều khiển (ví dụ như Fanuc<br /> 21i) thì sinh viên cũng có thể tự thực hành vận hành<br /> máy có bộ điều khiển cùng họ (ví dụ như Fanuc 18i)<br /> nếu có thêm thông tin tham khảo về bộ điều khiển<br /> này. Ngoài ra, việc thử nghiệm thực tế cũng khẳng<br /> định rằng sinh viên nhanh chóng tiếp cận với máy<br /> thật sau khi đã thực hiện thực hành ảo thành công.<br /> IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ<br /> Thực hành ảo về vận hành máy CNC làm tăng<br /> <br /> Soá 3/2012<br /> hiệu quả giảng dạy về thực hành gia công CNC và<br /> giúp cơ sở đào tạo triển khai một số nội dung thực<br /> hành trên các máy mà cơ sở đào tạo chưa có điều<br /> kiện đầu tư. Nhờ áp dụng công cụ mạnh là máy tính,<br /> kết hợp với chương trình mô phỏng có tính tương<br /> tác, sinh viên có thể nhanh chóng lĩnh hội nội dung<br /> bài học vận hành máy trước khi thực hành thực tế<br /> tại phân xưởng. Các bài thực hành ảo về vận hành<br /> tiện và phay trong nghiên cứu này được xây dựng<br /> cho các máy tiện CNC 2 trục và máy phay CNC<br /> 3 trục được trang bị các bộ điều khiển Fanuc 21i,<br /> Sinumerik 810 và EZMotion 60. Nội dung chính của<br /> các bài bao gồm các hạng mục thực hành vận hành<br /> máy cơ bản như: đưa máy về “Home”, cài đặt tọa<br /> độ, cài đặt bù trừ dao, lập trình gia công trên máy<br /> và chạy chương trình. Các bài thực hành này giúp<br /> người học làm quen với việc sử dụng các bộ điều<br /> khiển nói trên, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực<br /> hành trong thực tế.<br /> Đối với các trường chỉ trang bị máy tiện và máy<br /> phay CNC với bộ điều khiển thuộc một trong ba loại<br /> đã được đề cập trong nghiên cứu này thì trường có<br /> thể sử dụng các bài thực hành tương ứng với bộ<br /> điều khiển đó để dạy sinh viên trước khi triển khai<br /> thực hành vận hành máy thật. Các bài thực hành<br /> khác có thể được sử dụng như các bài tập về nhà<br /> nhằm giúp sinh viên làm quen với các máy tiện và<br /> máy phay CNC với bộ điều khiển khác mà trường<br /> chưa đầu tư được. Điều này cũng giúp sinh viên tích<br /> lũy kinh nghiệm về vận hành máy cũng như lập trình<br /> và kiểm tra chương trình gia công.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1.<br /> <br /> M. Sahin, S. Yaldiz, F. Unsacar, B. Yaldiz, N. Bilalis, E. Maravelakis, A. Antoniadis (2008). Virtual Training Centre for CNC:<br /> An Accomplished Cooperation Case. International Journal of Computers, Communications & Control, Vol. III , No. 2, pp.<br /> 196-203.<br /> <br /> 2.<br /> <br /> Siemens (2008). Sinutrain Sinumerik training and programming. Siemens AG.<br /> <br /> 3.<br /> <br /> Yingxue Yao, Jianguang Li, Changqing Liu (2007). A Virtual Machining Based Training System For Numerically Controlled<br /> Machining. Wiley InterScience.<br /> <br /> 4.<br /> <br /> http://www.b2gmarket.com/vendorfiles/CNC%20Classroom.pdf (đọc ngày 10/4/2012)<br /> <br /> 5.<br /> <br /> http://www.intelitek.com/Products.asp?CategoryID=13&Industrial=&Education=yes&category_str_id=1;10;13;58;13 (đọc<br /> ngày 10/4/2012)<br /> <br /> 6.<br /> <br /> http://www.swansc.com/index_en.htm (đọc ngày 10/4/2012)<br /> <br /> TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 69<br /> <br />