CHƯƠNG 9: PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ QTCN GC CHI TIẾT CK
9.10. Thiết kế công nghệ cơ khí bằng máy tính
Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết cơ khí được thiết kế theo ba phương thức như sau: thủ công, cơ khí và tự động. Những đặc điểm cơ bản của các phương thức thiết kế này được trình bầy ở bảng 9.1. Thiết kế công nghệ cơ khí bằng máy tính là phương thức tiên tiến và hữu hiệu.
Bảng 9.1. Các phương thức thiết kế công nghệ cơ khí.
Đặc điểm Phương thúc thủ công
Phương thức cơ khí
Phương thức tự động Phương tiện ghi
nhận dữ liệu
Giấy viết giấy in giấy vẽ
Vi phim (micro film)
Bộ phận hiển thị (display)
Hệ thống tìm kiếm truy cập dữ liệu
Hệ thống hồ sơ công nghệ
Hệ thống dữ liệu tin học
Hệ thống dữ liệu tin học
Hệ thống lưu trữ Tủ đựng hồ sơ ngăn kéo đã phân loại
Bìa lỗ ghi dữ liệu vi phim, bộ chứa các bi phim, các catalô
Bộ lưu trữ dùng băng từ, lõi ferrit, đĩa mềm
Phương thức xác định dữ liệu
đọc trực tiếp từ giấy, bản vẽ
Nhận biết qua ảnh rửa từ vi phim,đọc vi phim qua máy phóng vi phim
đọc từ bản ghi do máy đọc – dịch cung cấp, (plotter)
Khả năng diễn đạt thông tin
Thủ công, dùng bản vẽ
Thủ công, dùng bản vẽ
Tự động dùng máy vẽ (plotter), máy in (print) Phương thức thông
tin xa
Thư, điện
thoại,máy têlêx
Thư, điện
thoại,máy têlêx
Mạng thông tin (LAN, ethernet)
Khả năng dùng lại các phương án cũ
Hầu như không Có, trong phạm vi hẹp
Tốt, trong phạm vi rộng
ảnh hưởng chủ quan của người thiết kế
ảnh hưởng lớn ảnh hưởng giảm ảnh hưởng rất ít
Phương thức đối ngoại (dialog)
Người – người Người – người Người – máy tính Khả năng thiết kế
theo cách lập và so sánh nhiều phương án khả thi
Hầu như không Có Bắt buộc
Mức độ diễn đạt nội dung phương pháp thiết kế
Rất thấp Rõ Rất rõ bằng các thuật
giải cụ thể (algorithms)
Thiết kế công nghệ cho sản xuất cơ khí bằng máy tính là phương thức chuẩn bị bán tự động, tự động trên cơ sở ứng dụng kỹ thuật tin học với công cụ thực hiện là máy tính (hình 9.5,9.7, 9.8).
Các chi tiết cơ khí đa dạng về kết cấu và đặt ra các yêu cầu rất khác nhau đối với quá trình công nghệ gia công chúng.
Hiện nay quá trình gia công các chi tiết cơ khí, tuỳ theo điều kiện và trình độ sản xuất, được thực hiện trên hai loại máy công cụ là máy thường và máy NC, CNC. Như vậy quá trình thiết kế công nghệ gia công chi tiết cơ khí có thể tạm phân chia thành hai giai đoạn chính, trên cơ sở ứng dụng tin học như sau (hinh 9.4):
1.Thiết kế sơ bộ bao gồm: xác định chi tiết gia công, xác định phương pháp gia công, xác định thứ tự gia công.
2. Thiết kế chính xác bao gồm: thiết kế nguyên công theo kiểu loại máy công cụ chọn dùng. ở máy công cụ NC, CNC còn phải lập sơ đồ toạ độ gia công và soạn thảo chương trình gia công NC theo ngôn ngữ của máy công cụ.
Như vậy ở giai đoạn 1 (thiết kế sơ bộ) vãn rất cần thiết đối với chuẩn bị công nghệ cho các trung tâm gia công và hệ thống gia công linh hoạt NC, CNC.
Hình 9.4. Sơ đồ tổng quá về phơng thức thiết kế công nghệ cơ khí ứng dụng kỹ thuật tin học.
Phương pháp thiết kế công nghệ cơ khí (kế
hợp toán tối ưu)
Kĩ thuật tin học với công nghệ là máy
tính
Toán tối ưu được ứng dụng trong kỹ thuật và kinh tế trên cơ sở mô phỏng các vấn đề kinh tế và kỹ thuật bằng các mô hình toán học ở dạng các hàm số ở dạng toán học bậc nhất (tuyến tính) hoặc bậc cao (hàm số luỹ thừa, phi tuyến). Có thể chuyển đổi mô hình toán bậc cao thành mô hình toán bậc thấp qua phép logarit.
Từ năm 1939 giáo sư Xô viết KANTOROVICH đã đề xuất phương pháp giải các bài toán quy hoạch tuyến tính (linear optimisation). Năm 1947 DANTZIG đề xuất phương pháp đơn hình (simplex) dể giải các bài toán tối ưu tuyến tính: đó là phương pháp giải tương đối đơn giản và vạn năng nên được áp dụng khá rộng rãi trong kỹ thuật và kinh tế. Ngày nay, phương pháp giải đơn hình này vẫn được vận dụng với thuật giải và chương trình máy tính hữu hiệu.
Trong thiết kế công nghệ, việc ứng dụng lý thuyết toán tối ưu, nhất là vận dụng quy hoạch tuyến tính và phương pháp đơn hình là rất cần thiết vì:
- Phải lập các phương án khả thi, so sánh để chọn phương án tối ưu cho quá trình công nghệ và dây truyền sản xuất theo điều kiện và quy mô sản xuất để đạt các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, đảm bảo sản xuất tin cậy và linh hoạt.
- Các phương án công nghệ khả thi được so sánh trên cơ sở hao phí thời gian lao động, vật liệu và năng lượng, trên cơ sở năng suất lao động và giá thành sản xuất ứng với sản lượng dự kiến.
- Tạo tiền đề ứng dụng kỹ thuật tin học trong thiết kế công nghệ.
Mô hình toán tối ưu ứng với công nghệ thiết kế công nghệ cơ khí được xác định và xây dựng từ hai nhóm hàm số sau đây:
1. Hàm mục tiêu được xác định theo chỉ tiêu nhất định mà từ đó phải tìm cực trị (max, min) như là: chi phí nhỏ nhất, năng suất cao nhất, lãi xuất lớn nhất. Hàm mục tiêu bao gồm các đại lượng có quan hệ với chỉ tiêu tối ưu; các đại lượng này là biến số của hàm mục tiêu mà ta phải xác định giá trị của chúng sao cho chỉ tiêu tối ưu đạt cực đại.
2. Các hàm giới hạn được xác định từ những điều kiện giới hạn, gọi là các điều kiện biên, mà những điều kiện này, cực trị (max, min) của hàm mục tiêu ứng với chỉ tiêu tối ưu được phép tồn tại và được chấp nhận. Các hàm giới hạn này phụ thuộc vào những giới hạn thực tế về kỹ thuật sản xuất và tổ chức sản xuất. Chúng phải được xác định sao cho không mâu thuẫn nhau, nghĩa là phải đảm bảo tính tương thích của chúng trong toán tối ưu.
Mô hình toán tối ưu đã lập, nếu là mô hình hàm số mũ (phi tuyến) sẽ được chuyển đổi thông qua phép tính logarit để có mô hình hàm số bậc nhất (tuyến tính) và phải bằng phương pháp đơn hình (simplex). Như vậy, đường lối giải các bài toán tối ưu tuyến tính (quy hoạch tuyến tính) gồm các bước sau đây:
1. Lập mô hình tổng quát để mô phỏng gần đúng đối tượng kinh tế kỹ thuật hoặc công nghệ bằng các chỉ tiêu toán học theo chỉ tiêu tối ưu, nghĩa là xác định đại lượng cần đạt đại lượng cực trị (max, min).
2. Phân tích mô hình tổng quát đã lập để xác định thông số cần thiết có liên qua, ví dụ, nhu cầu vật tư thời gian lao động, chi phí sản xuất, vốn đầu tư, quãng đường vận chuyển, lãi xuất, v.v...
3. Đưa các thông số đặc trưng cần thiết đó vào mô hình tổng quát, nghĩa là xác định mô hình toán theo quan hệ giữa chỉ tiêu tối ưu cần đạt cực trị (max, min) và các thông số đặc trưng.
4. Giải mô hình toán tối ưu bằng phương pháp đơn hình (simplex).
5. Biện luận lời giải so sánh phương án lời giải, xác định phương án nào phù hợp với điều kiện thực tế, có chú ý điều kiện không âm (0) của giá trị biến số trong hàm mục tiêu.
Toán tối ưu đã được vận dụng và để xác định chế độ cắt tối ưu cho các phương pháp cắt gọt cơ bản như tiện, phay, khoan, mài. Nội dung của vấn đề xác định chế độ cắt tối ưu đã được trình bầy ở chương 14 (Tối ưu hoá quá trình cắt gọt).
Ngày nay, có thể coi kỹ thuật tin học với máy tính, đặc biệt là “Hệ phần mềm (Software) ” là công cụ lao động đắc lực của các nhà kỹ thuật trong thiết kế tính toán và điều hành sản xuất.
Theo mục tiêu linh hoạt hoá sản xuất dựa trên cơ sở áp dụng công nghệ nhóm (group technology), quá trình thiết kế công nghệ gia công chi tiết cơ khí có những nội dung chính như sau:
1. Xác định đối tượng gia công (ghép nhóm chi tiết cơ khí để có thể gia công chung với một quá trình công nghệ và dây chuyền công nghệ, nhằm đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tốt)
2. Xác định đối tượng đại diện cho nhóm chi tiết đã ghép.
3. Xác định phương pháp gia công cho từng bề mặt (phần tử hình dạng) của đối tượng đại diện.
4. Xác định thứ tự gia công các bề mặt (phần tử hình dạng) của đố tượng đại diện theo các quy luật logic về kỹ thuật và công nghệ (chuẩn công nghệ và phôi)
5. Thiết kế từng nguyên công ứng với kiểu lóịi máy công cụ (máy thường,máy NC, CNC), gồm: chọn máy, phân chia các bước công nghệ , xác định dụng cụ cắt, trang bị công nghệ, định mức vật tư, định mức thời gian, xác định chế độ cắt tối ưu, xác định bậc thợ, v.v…
7. Lập các văn bản cần thiết (phiếu tiến trình công nghệ, phiếu nguyên công, sơ đồ nguyên công, phiếu dụng cụ – trang bị công nghệ, phẩm vật tư …). Riêng đối máy công cụ NC,CNC phải lập sơ đồ toạ độ gia công và chương trình gia công NC theo ngôn ngữ bảng cốt ISO (ISO Code) thích hợp để điều khiển quá trình gia công chi tiết cơ khí trên máy công cụ NC,CNC.
Cơ sở dữ liệu,
Cơ sở đồ hoạ Mỏy tớnh Máy vẽ
(plotter) Máy in (printer) Hệ phần mềm (Software)
- Vạn năng (MS-DOS, …) - Chuyên dụng,
- Giao tiếp (APT, euro APT, EXAPT, IGES VDA – FS, FORTRAN,…)
Giao diện (interface) – Chế độ tương tác (interactive) Người Máy tính
Hình9.5. Quan hệ tơng tác Ngời - Máy tình trong khâu chuẩn bị kỹ thuật cho sản xuÊt.
Hình 9.6. Tổng quát về ứng dụng kỹ thuật tin học trong chuẩn bị công nghệ (cơ khí).
Dữ liệu ban đàu (theo ngôn ngữ máy tÝnh)
Máy tính
Văn bản công nghệ(đọc được)
Chương trình thiết kế - điều khiển công nghệ tổng quát ( chương trình chính)
Ngân hàng dữ liệu công nghệ.
Ngân hàng phương pháp kỹ thuật tin học (ví dụ: MS – DOS, Windows …)
Hệ thống các môđun phư
ơng pháp thiết kế - điều khiển công nghệ (các chư
ơng trình con)
Phần mềm ứng dông thiÕt kÕ - ®iÒu khiển công
nghệ( thuật giải + cấu trúc dữ liệu = chương trình) Dữ liệu hình học và công nghệ của chi tiết cơ
khÝ
M hoá dữ liệu hình học của chi tiết cơ khí ã theo ngôn ngữ máy tính sử dụng
Máy tính
Thiết kế công nghệ gia công chi tiết cơ khí:
Thiết kế sơ bộ,
2. Thiết kế chính xác
Phiếu nguyên công (đọc đư
ợc)
Bản vẽ hư
íng dÉn gia công (đọc đư
ợc)
Vật mang tin ghi nội dung hướng dẫn gia
công (bằng lỗ, điă mềm, đĩa CD)
Phiếu hướng dẫn
gia công (đọc được) Bản vẽ chi tiết cơ khí
Hình 9.7. Các giai đoạn thiết kế công nghệ cơ khí ứng dụng kỹ thuật tin học.
Các thuật giải và chương trình máy tính thiết kế công nghệ sơ bộ được xây dựng ứng với các dạng chi tiết cơ khí cơ bản đã nêu trên, theo ngôn ngữ thích hợp (ví dụ, Turbo Pascal, Visual BASIC …), gồm các bài toán công nghệ sau:
1. Ghép nhóm chi tiết cơ khí trong phạm vi một dạng chi tiết theo các dữ liệu đặc trưng (khoảng kích thước, vật liệu, độ cứng, độ chính xác IT, độ nhám Ra hoặc Rz, trọng lượng, sản lượng).
2. Nhóm các chi tiết đã ghép, phân tích từng chi tiết trong nhóm thành các phần tử hình dáng cơ bản (xác định mã hiệu các phần tử hình dạng đã phân tích).
3. Xác định chi tiết đại diện cho nhóm chi tiết đã ghép, tính số lượng các phần tử hình dạng của từng chi tiết trong nhóm, tìm chi tiết cơ sở (chi tiết nào trong nhóm có số lượng phần tử hình dạng nhiều nhất), xây dựng chi tiết đại diện cho nhóm (bằng cách thêm vào chi tiết cơ sở các phần tử hình dạng khá từ các chi tiết còn lại trong nhóm).
4. Xác định phương pháp gia công cho chi tiết đại diện (ghi ra: tên phần tử hình dạng, mã hiệu phần tử hình dạng, xác định tên và mã hiệu của phương pháp gia công phù hợp với từng phần tử hình dạng)
5. Xác định thứ tự gia công cho các phần tử của chi tiết đại diện cho trình tự công nghệ điển hình ứng với từng dạng chi tiết cơ khí cơ bản.
Trong thực tế, khi nghiên cứu để thiết lập và sử dụng một gia công linh hoạt (FMS) vào sản xuất, người ta phải tiến hành những công việc chính như sau:
1. Xác định chủng loại chi tiết gia công (ghép nhóm chi tiết gia công).
2. Tập hợp và xử lý dữ liệu hình học và công nghệ của nhóm chi tiết gia công . 3. Thiết kế công nghệ để gia công nhóm chi tiết (xác định các phương pháp gia công, xác định thứ tự gia công các bề mặt ứng với chi tiết đại diện của nhóm, thiết kế các nguyên công).
4. Xác định nhu cầu gia công (khối lượng lao động quy đổi ra giờ máy gia công), xác định mức độ khai thác các máy gia công.
5. Xác định mức độ tự động hoá cần thiết.
7. Xác định hệ thống cung cấp ứng với phôi và dụng cụ (lưu trữ, gã đỡ, tháo đỡ, vận chuyển phôi và dụng cụ công nghệ) phù hợp, nhằm đảm bảo tính linh hoạt và mức độ tự động hoá cần thiét của dòng phôi liệu và dụng cụ gia công.
8. Tính toán kinh tế ứng với từng phương án cấu trúc của hệ thống gia công linh hoạt (FMS).
9. So sánh các phương án cấu trúc của FMS để xác định phương án cấu trúc tối ưu.
Như vậy, phương pháp thiết kế công nghệ theo hướng ứng dụng kỹ thuật tin học, trong đó có giai đoạn thiết kế sơ bộ, như đã trình bầy trên đây là phù hợp với nội dung chuẩn bị công nghệ theo hướng linh hoạt hoá và tự động hoá sản xuất; mà trước hết là góp phần bổ trợ cho các giải pháp CAD/Cam hiện đậi nhưng rất tốn kém.
Nói cung, kể từ khi máy tính điện tử ra đời (đầu thập niên 70) cho đến nay, khi máy vi tính (thế hệ máy tính thứ tư) đang trở thành công cụ hữu hiệu trong mọi công việc, vấn đề thiết kế công nghệ cơ khí bằng máy tính đã được thực hiện đặt ra và giải quyết phù hợp với khả năng của từng thế hệ máy tính. Những kết quả thu được đã và đang được ứng dụng có hiệu quả trong chiến lược nghiên cứu xây dựng các hệ thiết kế và chế tạo chi tiết cơ khí có trợ giúp của máy vi tính liên thông và linh hoạt, nhằm tạo lập các chương trình gia công NC phù hợp với từng máy gia công điều khiể bằng vi tính (CNC) hiện đại, gọi tắt là CAD/CAM - CNC (computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing -Computerised Numerical Control). Cho dến nay trên thế giới đã có tới khoảng 100 hệ CAD/CAM - CNC được tạo lập và sử dụng. Một số trong những hệ này, ví dụ:
CIMATRON, MasterCAM, BOXFORT PORTFOLIO, DENFORD,v.v…, cũng đang góp phần nâng cao trình độ nghiên cứu, giảng dạy và sản xuất trong lĩnh vực cơ khí ở nước ta, đặc biệt là trong thiết kế và gia công khuôn mẫu phức tạp.
Công việc thiết kế công nghệ gia công chi tiết cơ khí được CAP (Computer Aided Planning) hay CAPP (Computer Aided Proccss Planning), được coi là một mắt xích quan trọng trong chuỗi liên hoàn CAD/CAM – CNC, giữa hai mắt xích CAD và CAM.
CAP hay là CAPP có bản chất là khâu quy hoạch (planning) công nghệ, bao gồm các nội dung: thiết kế, quy hoạch quy trình công nghệ và dây chuyền công nghệ gia công chi tiết cơ khí; mà hiện tại chủ yếu là thiết kế tiến trình của công nghệ và thiết kế nguyên công.
Thiết kế nguyên công có trợ giúp của máy tính khi coi là một mắt xích quan trọng (CAP hay CAPP) trong giải pháp liên hoàn CAD/CAM – CNC có thể được phân chia thành hai hệ thống chính như sau:
Hệ thống xây dựng quy trình công nghệ biến thể (retreieval (variant) CAPP system) và hệ thống xây dựng quy trình công nghệ sản sinh (generative CAPP system); ngoài ra còn có hệ thống xây dựng quy trình công nghệ phối hợp giữa hai hệ thống này gọi là hệ thống bán - sản sinh (the semi – generative CAPP systen).
Với hệ thống CAPP biến thể (retrieval (variant)) người ta sử dụng các thủ tục phục hồi (retrieval procedures) để truy cập các hồ sơ tiến trình công nghệ chuẩn cho các chi