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