Sử dụng ngôn ngữ lập trình Autolisp trong tự động hóa thiết kế dụng cụ cắt

 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 
1 
SỬ DỤNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH AUTOLISP 
TRONG TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ DỤNG CỤ CẮT 
Nguyễn Quốc Tuấn (ĐH Thái Nguyên) 
1. Tự động hóa thiết kế trong sản xuất dụng cụ 
Thiết kế dụng cụ cắt là quá trình phân tích, tính toán tương đối phức tạp như tính toán 
xác định biên dạng lưỡi cắt dụng cụ, xác định kích thước hình dáng hình học, kích thước kết cấu 
của dụng cụ cắt Đây là công việc tiêu tốn nhiều thời gian, nhiều khi không đảm bảo độ chính 
xác yêu cầu nếu sử dụng việc tính toán thủ công theo phương pháp truyền thống. Sự sử dụng 
m¸y tÝnh ®iÖn tö mở ra một hướng mới trong lĩnh vực thiết kế dụng cụ cắt, được đặc trưng bởi 
sự hoàn thiện của các phương pháp tính toán, bởi sự mô đun hóa toán học các quá trình sáng tạo 
và có thể tự động hóa quá trình thiết kế dụng cụ cắt. Dụng cụ cắt được tự động hóa thiết kế cho 
độ chính xác biên dạng cao, góp phần nâng cao chất lượng gia công. Đặc biệt, ngày nay với sự 
phát triển của công nghệ CAD/CAM-CNC việc tự động hóa thiết kế dụng cụ cắt là một phần 
không thể thiếu được trong quá trình tự động hóa quá trình sản xuất dụng cụ cắt. 
Để thiết kế dụng cụ cắt yêu cầu phải có các thông tin đầu vào như: Kích thước hình dáng 
hình học của chi tiết gia công, dạng gia công, máy gia công, yêu cầu kĩ thuật của chi tiết gia 
công[1] các thông tin này là cơ sở dữ liệu cho sản xuất tự động hóa thiết kế dụng cụ. Quá trình 
tự động hóa thiết kế dụng cụ chuyên dùng hoặc hiệu chỉnh và chuẩn bị sản xuất dụng cụ gồm 
nhiều giai đoạn có thể trình bày ở hình 1. 
Mỗi một giai đoạn của quá trình thiết kế có một thuật toán riêng biệt, được trình bày tổng 
quát như sau: 
- Dụng cụ cắt được thiết kế tương ứng với một quy trình công nghệ gia công chi tiết nào 
đó, được xác định nhờ các bảng về phạm vi sử dụng của dụng cụ. 
- Xác định kích thước mẫu đã được tiêu chuẩn hóa đối với dụng cụ, nhưng một số trường 
hợp sự tìm kiếm kích thước tiêu chuẩn hóa là không tối ưu. 
- Khả năng hiệu chỉnh các dụng cụ tiêu chuẩn có thể được sẽ chuyển sang thiết kế dụng 
cụ cắt hiệu chỉnh. Trong trường hợp ngược lại, sẽ hình thành một thông tin để thiết kế dụng cụ 
cắt chuyên dùng. 
- Khi thiết kế hiệu chỉnh cần tìm ra một kích thước mẫu của dụng cụ tiêu chuẩn phải hiệu 
chỉnh. Sau khi chọn được kích thước mẫu yêu cầu của dụng cụ cắt tiêu chuẩn, tìm các thông số 
hiệu chỉnh dụng cụ và đưa ra thông số của dụng cụ cần hiệu chỉnh. Bản vẽ sẽ được hình thành 
nhờ các kích thước dụng cụ tiêu chuẩn mẫu đã được hiệu chỉnh. 
- Việc thiết kế các dụng cụ cắt chuyên dùng đặc biệt sẽ được thực hiện theo kiểu thuật 
toán thiết kế dụng cụ cắt đặc biệt và các quy trình công nghệ chế tạo chúng được lập ra theo các 
mẫu. Từ thông tin ban đầu sẽ hình thành việc thiết kế theo một mẫu đã định của dụng cụ cắt đặc 
biệt, bản vẽ được hình thành từ các kích thước thiết kế và được vẽ tự động. 
- Thiết kế quy trình công nghệ sản xuất dụng cụ chuyên dùng, từ chọn phôi đến xác định 
các nguyên công và các bước công nghệ, cũng như tính toán chế độ cắt và định mức thời gian 
cho các nguyên công. Sau khi lập được quy trình công nghệ sẽ đưa ra phiếu công nghệ và tiến 
hành chuyển sang việc lập kế hoạch kinh tế. 
 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 
2 
- Khi lập kế hoạch kinh tế sản xuất dụng cụ, giai đoạn thiết kế sẽ xác định các định mức 
tiêu hao vật liệu, giá thành sản xuất dụng cụ, quỹ thời gian cần thiết làm việc của thiết bị, độ dài 
thời gian một chu kì sản xuất. Các kết quả tính toán sẽ được đưa ra dưới dạng phiếu kĩ thuật kinh 
tế. 
Như vậy, để có thể tự động hóa thiết kế tất cả các loại dụng cụ cắt, ta phải tự động hóa 
thiết kế từng dụng cụ cắt. Từ đó ta có một chương trình lớn để tự động hóa thiết kế dụng cụ cắt. 
Ở đây, tác giả trình bày về tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa, sử dụng ngôn ngữ lập 
trình Autolisp [2]. 
2. Tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa 
Bảng các loại 
dụng cụ cắt 
sử dụng 
Không 
Sự hiệu 
chuẩn số 
liệu có thể 
có 
Xác định loại 
dụng cụ cắt 
Xác định dụng cụ cắt 
đã được tiêu chuẩn 
hóa 
Đưa ra số liệu 
của dụng cụ cắt 
tiêu chuẩn 
Hiệu chuẩn thông tin đầu vào 
Xác định kích thước chuẩn của 
dụng cụ để hiệu chỉnh 
 Đưa ra bản vẽ 
của dụng cụ 
cắt chuyên 
dùng hoặc hiệu 
chỉnh 
 Đưa ra phiếu công nghệ 
Xác định mức tiêu hao và 
giá trị vật liệu 
Lập kế hoạch kinh tế kỹ thuật 
 Sự tạo thành thông 
tin để thiết kế dụng 
cụ cắt chuyên dùng 
Có 
Bảng kích 
thước các loại 
dụng cụ cắt 
 Kích thước 
mẫu 
 Tìm loại kích 
thước tối ưu 
Bảng kích thước 
dụng cụ cắt có thể 
tiêu chuẩn 
Hình 1. Các giai đoạn của quá trình tự động hóa sản xuất dụng cụ cắt 
Phác thảo QTCN chế tạo 
dụng cụ cắt chuyên dùng 
Thiết kế dụng cụ 
cắt chuyên dùng 
Xác định các thông số hiệu chỉnh 
và đưa ra các số liệu kích thước 
hiệu chỉnh dụng cụ cắt 
Phác thảo quy trình công 
nghệ và đưa ra phiếu 
hiệu chỉnh dụng cụ cắt 
Có Không 
 Khả năng hiệu 
chuẩn dụng cụ cắt 
đã tiêu chuẩn hóa 
Nhập dữ liệu 
 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 
3 
2.1. Thiết kế sơ đồ thuật toán 
Sơ đồ thuật toán tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa được thiết kế ở hình 2. 
Z: Số rãnh then; Dc: Đường kính ngoài của trục then hoa; d: Đường kính trong trục then hoa; 
rt: Chiều rộng then; De: Đường kính ngoài dao phay; de: Đường kính trong dao phay; L: Chiều dài dao 
phay; Zd: Số răng dao phay. 
Hình 2. Sơ đồ thuật toán tự động thiết kế dao phay lăn trục then hoa 
2.2. Thiết kế giao diện nhập dữ liệu 
Hiệu chỉnh bản vẽ 
Chọn thông số hình 
học dụng cụ cắt 
Tính toán kích thước profin 
lưỡi cắt của Dụng cụ cắt 
Thiết kế hoàn chỉnh răng dao, 
rãnh phoi, rãnh xoắn  
Sai 
Quy định các điều kiện kỹ thuật (dung 
sai, độ nhám tại các vị trí khác nhau) 
Tính toán thông số kích thước của các bề mặt định vị 
Dụng cụ cắt trên máy (Dựa theo bảng tiêu chuẩn) 
Đúng 
In 
Sai Đúng 
Nhập thông số trục then 
hoa: Z, Dc, d, rt 
 Kiểm tra 
theo kích 
thước tiêu 
chuẩn 
Tính toán kích thước 
kết cấu Dụng cụ cắt 
 Kiểm tra 
bản vẽ 
 Bắt đầu 
 Kết thúc 
Bảng dung 
sai,độ nhám 
tiêu chuẩn 
Bảng cơ sở dữ 
liệu thông số hình 
học tiêu chuẩn 
Bảng kích thước 
kết cấu tiêu chuẩn 
 ( De, Zd, L, de ) 
 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 
4 
Chương trình tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa phải đảm bảo dữ liệu đầu 
vào là các thông số kĩ thuật của chi tiết gia công. Đối với trục tren hoa dữ liệu đó là: Đường kính 
ngoài của trục Dc, đường kính vòng tròn chân then d, số then trên trục Z, bề rộng then rt. Giao 
diện của chương trình được trình bày như ở hình 3. 
Hình 3. Giao diện của chương trình tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa 
2.3. Sử dụng phương pháp động học để xác định biên dạng lưỡi cắt của dao phay lăn 
trục then hoa 
Để thiết kế dao phay lăn trục then hoa, hiện nay người thiết kế phải chia biên dạng của 
then hoa ra làm nhiều phần, sau đó phải dùng cung tròn thay thế để xác định biên dạng gần đúng 
của profin lưỡi cắt của dao phay. Điều này dẫn đến sai số biên dạng dao phay và then hoa gia 
công cho độ chính xác không cao. Việc tính toán, thiết kế profin dao phay bằng chương trình 
tính giúp việc thiết kế nhanh và chính xác, mặt khác profin được thiết kế được dùng để sửa chính 
xác biên dạng đá mài, từ đó nâng cao được độ chính xác của dao phay lăn trục then hoa. 
Cơ sở để tính toán, thiết kế profin dao phay lăn trục then hoa là phương pháp động học để 
xác định mặt bao của họ bề mặt. 
- Giả sử bề mặt chi tiết C trong hệ toạ độ 0oxoyozo gắn với chi tiết có phương trình: 
 F(xo, yo, zo) = 0 (1) 
- Hệ trục cố định Oxyz gắn với dụng cụ cắt hình 5. 
Có thể viết phương trình mặt bao họ đường cong chi tiết dưới dạng động học [3]: 
 F(x,y,z, t) = 0 
 VN
. = 0 (2) 
 Hình 4. Điều kiện động học của Hình 5. Hệ tọa độ biểu thị mối quan 
 sự tiếp xúc cặp bề mặt đối tiếp hệ động học giữa dụng cụ và chi tiết 
Z 
X 
Y 
z 
x 
y 
xo 
yo 
zo 
oo 
o 
yo 
A 
z 
y 
x 
zo 
xo 
B 
 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 
5 
Điều kiện VN
. = 0 có nghĩa là tại điểm tiếp xúc của mặt bao và chi tiết, véc tơ tốc độ V
của chuyển động tương đối khi có chuyển động tạo hình vuông góc với véc tơ pháp tuyến N
với 
bề mặt tại điểm đó (hình 4) đấy là điểm của mặt bao. 
t
tzyxf
VN


),,,(
.
 (3) 
 t: Là tham số của phương trình. 
Phương trình của họ đường cong profin then hoa trong hệ toạ độ cố định là [4]: 
y = x.cotg( + ) + r[1–cos + sin .cotg( + ) - .cotg( + )] (4) 
 Để xác định đường bao của họ đường cong ấy, cần tìm đạo hàm riêng của phương 
trình họ đường cong profin then hoa theo thông số và cho bằng 0 ta có: 
 0
),,(


 yx
 (5) 
Hay 


)(sin
)cos(sin
)(sin
),,(
22  
 
 
r
xyx 
 )(
)(sin2
 
 
ctg (6) 
Sau khi biến đổi ta có: 
 x= r   )cos(sin)sin(   
Giải phương trình này với phương trình họ đường cong ở trên ta có tung độ y. 
 y = r sin    sin)sin()( 
Như vậy, ta có hệ phương trình để xác định tọa độ x, y của profin dao phay như sau: 
  
 
x = r sin( ) sin cos( )
y = r sin( ) sin( ) sin 
   
   
 (7) 
2.4. Dao phay lăn trục then hoa được tự động hóa thiết kế 
Sử dụng ngôn ngữ lập trình AutoLisp, với sơ đồ thuật toán ở hình 2. Tác giả đã viết được 
chương trình tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa. Một bản vẽ dao phay được tự động 
hóa thiết kế trình bày ở hình 6. 
Hình 6. Bản vẽ chế tạo dao phay lăn trục then hoa được tự động hóa thiết kế 
3. Kết luận 
 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 
6 
Thành công trong việc tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa giúp tác giả đưa ra 
kết luận sau: 
 - Khẳng định việc sử dụng ngôn ngữ lập trình Autolisp có thể tự động hóa thiết kế được 
dụng cụ cắt. Đây là phần mềm có giao diện rất tốt với hệ thống CAD/CAM - CNC, tức là dụng 
cụ cắt sau khi thiết kế có thể tự động hóa chế tạo nếu có hệ thống CAD/CAM – CNC phù hợp. 
- Giảm thiểu được rất nhiều thời gian thiết kế dao phay lăn trục then hoa khi đường kính 
trục then hoa thay đổi và có độ chính xác thiết kế cao (số lượng điểm tính toán không hạn chế). 
- Profin răng dao được tự động hóa tính toán và vẽ, vì vậy có thể chế tạo được biên dạng 
đá mài để mài dao phay với độ chính xác biên dạng cao trên máy sửa đá CNC, tạo điều kiện cho 
việc nâng cao chất lượng chế tạo dao phay lăn trục then hoa. 
- Tạo tiền đề tốt cho việc tự động hóa thiết kế các dụng cụ cắt có Profin răng dao và kết cấu 
phức tạp như: Dao phay lăn răng trục vít, Dao phay lăn bánh xích, dao phay định hình 
Tóm tắt 
 Ngày nay, tự động hóa thiết kế dụng cụ cắt đóng vai trò rất quan trọng trong ngành công 
nghiệp, bởi vì dụng cụ cắt được tự động hóa thiết kế có độ chính xác cao hơn và giá thành hạ 
hơn so với dụng cụ cắt được thiết kế bằng tay. Những dụng cụ cắt này có thể chế tạo ra chi tiết 
máy có độ chính xác cao và giá thành sản phẩm hạ. Bài báo này trình bày về tự động hóa thiết kế 
dao phay lăn trục then hoa. Đây là một dụng cụ cắt có biên dạng của lưỡi cắt phức tạp. Thiết kế 
này còn là cơ sở để thiết kế các dụng cụ cắt phức tạp khác. 
Summary 
Automation of designing process for cutting tools by Autolisp 
 Nowadays, automation of the designing process for cutting tools plays a very 
important role in industry because of its advantages such as higher accuracy and lower cost. The 
cutting tools can be used to manufacture machinery elements with high exactness and reasonable 
cost. This paper presents an automatic design process for hobbing cutting tools to manufacture 
spline shafts that have cutting edges of a complex profile. The result can be used as a basic 
principle to design other complex cutting tools. 
Tài liệu tham khảo 
[1]. Б. И. Синицын (1969), Методы Корригирования рабочих профилей металлорежущих 
инструментов с использованием ЭВМ - Минск. 
[2]. Nguyễn Hữu Lộc, Nguyễn Thanh Trung (2001), Ngôn ngữ lập trình Autolisp – NXB TP.Hồ 
Chí Minh. 
[3]. Amitabha Brattccharyya (204), Metal Cutting threory and practice - publisher - Newcentral 
Book agency.Ltd – India. 
[4]. Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Nguyễn Chí Quang (2004): Công nghệ tạo hình bề mặt các 
dụng cụ công nghiệp - NXB Kĩ thuật.