Home > Nghiên cứu & Thảo luận > Ảnh hưởng của phần cứng máy tính đến hiệu năng của các phần mềm CAM

Ảnh hưởng của phần cứng máy tính đến hiệu năng của các phần mềm CAM

Trước đây, khi đưa ra phiên bản mới của những phần mềm lập trình gia công (CAM), các công ty phần mềm thường chỉ tập trung vào việc phát triển những chiến lược chạy dao mới phù hợp với loại máy và công nghệ cắt gọt mới. Tuy nhiên, khoảng hai năm trở lại đây, họ bắt đầu quan tâm đến việc làm thế nào để hỗ trợ những nền tảng phần cứng mới như công nghệ đa luồng (multi-threading) và tính toán song song (parallel processing).

Thay đổi có tính đột phá trong việc phát triển phần cứng là chuyển từ máy tính một bộ vi xử lí sang máy tính nhiều bộ vi xử lí hoặc bộ xử lí đa nhân (multi-core). Sau nhiều năm theo đuổi việc nâng cao tốc độ xung của CPU, các nhà phát triển phần cứng đã chuyển sang một hướng mới để tăng sức mạnh tính toán bằng việc cho ra đời những máy tính được trang bị CPU đa nhân. Hiện nay, hấu hết máy tính cá nhân hay laptop phục vụ cho mục đích giải trí thông thường cũng đều được trang bị CPU 2 nhân còn đối với những máy tính chuyên dụng, số nhân có thể là 4, 8 hoặc thậm chí là hai CPU.

Phần cứng máy tính không ngừng phát triển dẫn đến số lượng bộ vi xử lí càng tăng nhưng giá thành của chúng lại ngày càng giảm. Những cỗ máy tính với sức mạnh tính toán “khủng” được cho là không thể đầu tư cách đây 10 năm đã xuất hiện phổ biến ngay cả trong những doanh nghiệp vừa và nhỏ.

1.      Lợi ích của việc sử dụng nhiều bộ vi xử lí

Sử dụng CPU đa nhân mang lại lợi ích trong hai trường hợp : tính toán nền và tính toán song song. Tính toán nền (background calculating) cho phép người lập trình tiếp tục lập trình, mô phỏng bước gia công mới đồng thời với việc tính toán đường chạy dao của bước gia công trước đó. Thật ra kỹ thuật này có thể áp dụng được trên nền tảng phần cứng bất kì nhưng nó chỉ mang lại hiệu quả thật sự khi chạy trên một máy tính được trang bị CPU nhiều nhân. Khả năng làm việc song song giúp hạn chế thời gian chết trong khi lập trình. Ví dụ, người lập trình không cần phải đợi máy tính tính toán xong bước chạy dao thô mới chuyển sang lập trình cho bước chạy dao bán tinh hoặc tinh. Tương tự, người lập trình có thể lập trình đường chạy dao cho một vùng trên chi tiết và trong thời gian máy tính tính toán, anh ta chuyển sang lập trình cho một vùng khác với một chiến lược gia công khác. Hiệu suất cũng được tăng lên vì quá trình tính toán có thể diễn ra liên tục trong giờ giải lao hoặc thậm chí suốt đêm. Người lập trình chỉ cần sắp xếp các bước lập trình và phần mềm CAM sẽ tự động tính lần lượt hết bước này đến bước khác.

Trong trường hợp tính toán song song, máy tính có thể thực việc xử lí nhiều phần khác nhau của một tác vụ phức tạp trong cùng một thời điểm. Về cơ bản, nó chia quá trình tính toán ra thành nhiều phần và chuyển chúng đến các nhân khác nhau trên CPU. Nói cách khác, nó phân bố đồng đều công việc giữa các nhân trong cùng một CPU và thời gian tính toán sẽ giảm đi đáng kể. Hiệu quả của tính toán song song phụ thuộc vào độ lớn và mức độ phức tạp của chi tiết cũng như chiến lược chạy dao được sử dụng. Thử nghiệm tại Delcam cho thấy máy tính có CPU 2 nhân tính nhanh hơn 45% so với máy tính có CPU 1 nhân. Máy tính lõi tứ tính nhanh hơn 65% và với máy tính 8 nhân con số này là 75%. Nếu kết hợp cả hai kỹ thuật này, tức là áp dụng phương thức tính toán song song cho cả hai tác vụ tính toán và tính toán nền thì hiệu quả còn cao hơn nhiều. Trong một thử nghiệm khác với phần mềm HSMWorks, tốc độ tính toán của CPU 8 nhân nhanh hơn CPU đơn nhân 6.53 lần. Một bước gia công nếu như trước đây phải cần đến hơn 40 phút để tính toán trên CPU 1 một nhân thì chỉ cần khoảng 6 phút để tính trên CPU 8 nhân (hình 1).

 CPU benchmark

Hình 1 : So sánh tốc độ tính toán của các CPU đa nhân

Tuy nhiên lợi ích mang lại từ việc sử dụng CPU nhiều nhân không thể tiếp tục tăng đều theo cách như trên. Nguyên nhân là do máy tính cũng cần nguồn tài nguyên để quản lí các tác vụ tính toán trên các nhân khác nhau của CPU. Càng nhiều nhân thì tài nguyên cho việc quản lí này cũng càng lớn và sẽ làm ảnh hưởng đến hiệu suất của máy tính. Vì vậy, tám là số lượng nhân CPU tối ưu cho hầu hết các tác vụ tính toán đường chạy dao trong lập trình gia công.

2.      Nâng cao hiệu suất lập trình cho các máy CNC hiện đại

Việc giảm thời gian tính toán mang lại nhiều lợi ích. Cụ thể, hiệu suất làm việc tăng rõ rệt do giảm được thời gian chết khi máy CNC phải chờ kết quả tính toán từ máy tính. Điều này rất quan trọng đối với những công ty đang sử dụng các thế hệ máy CNC hiện đại như trung tâm gia công 5 trục, trung tâm tiện – phay. Ưu điểm chính của hai loại thiết bị này là khả năng hoàn tất toàn bộ các bước gia công chỉ trong một lần gá đặt. Với trung tâm phay 5 trục, điều này được thực hiện bằng xoay bàn máy (hoặc trục chính) để thay đổi phương gia công của dụng cụ cắt, ví dụ như khi gia công những vùng undercut hoặc khoan những hệ lỗ trên nhiều bề mặt khác nhau. Với trung tâm tiện – phay, việc gia công có thể thực hiện ngay trên một lần gá thay vì phải gá hai hay nhiều lần trên các máy tiện và phay độc lập.

Gá đặt nhiều lần nghĩa là phải dùng nhiều đồ gá và phát sinh sai số gá đặt. Vì vậy gá một lần sẽ tiết kiệm chi phí chế tạo đồ gá, nâng cao độ chính xác và chất lượng sản phẩm. Khó khăn với những máy móc tối tân này là việc tính toán đường chạy dao sẽ phức tạp hơn rất nhiều so với những máy tiện hay máy phay ba trục. Phần mềm CAM không chỉ phải có nhiều tùy chọn chạy dao mà còn phải đảm nhận luôn cả nhiệm vụ mô phỏng để chắc chắn rằng không xảy ra va chạm giữa các bộ phận máy trong quá trình gia công. Ví dụ, nhiều phần CAM đã tích hợp công cụ tránh va chạm khi lập trình gia công 5 trục. Phần mềm sẽ tự động đổi hướng, nghiêng dụng cụ cắt một góc thích hợp khi phát hiện gặp vật cản và trở lại hướng gia công ban đầu sau khi vượt qua vật cản đó. Một số phần mềm thông minh hơn thậm chí còn kết hợp thêm chức năng nhìn trước khoảng cách trong khi tính toán để bảo đảm đường chạy dao được sinh ra liên tục, đều dặn trong trướng hợp phải đổi chiều của trục chính. Tất cả những điều này đều làm tăng thời gian tính toán và hiệu quả của việc sở hữu một máy cấu hình mạnh sẽ càng rõ ràng hơn.

Moriseiki

Hình 2 : Trung tâm tiện phay Mori Seiki

3.      Tính toán mô hình phôi

Một công việc tính toán nặng nề khác liên quan đến mô hình phôi (stock model). Mọi phần mềm CAM đều yêu cầu người lập trình khai báo thông số về phôi trước khi làm việc và cho phép dùng phôi có dạng khối chữ nhật, khối trụ hoặc có dạng bất kì, ví dụ như phôi đúc có hình dạng gần giống với chi tiết cần gia công.

Rest material

Hình 3 : Mô hình phôi sau 1 bước gia công của Cimatron

Phần mềm CAM sẽ tính toán và tạo ra mô hình vật liệu còn lại trên chit tiết sau mỗi bước gia công. Nhờ đó, người lập trình sẽ biết vị trí và khối lượng vật liệu còn sót lại để chọn dụng cụ cắt và chiến lược chạy dao phù hợp, duy trì sự ổn định về lực cắt trong quá trình gia công. Điều này giúp người lập trình vượt qua một nghịch lí luôn đeo bám họ trong công việc. Một mặt, họ muốn nâng cao năng suất bằng cách tăng tốc độ chuyển động của bàn máy, mặt khác họ cũng muốn đảm bảo rằng dụng cụ cắt sẽ không bị gãy trong suốt quá trình gia công. Việc gia công an toàn đã trở nên quan trọng hơn khi mà ngày càng có nhiều công ty cho máy làm việc liên tục suốt đêm hoặc thậm chí cả trong những ngày nghỉ.

4.      Mô phỏng quá trình gia công

Như đã đề cập ở phần trên, tính toán nền nghĩa là thực thi những tác vụ tốn quá nhiều thời gian cùng lúc với một công việc khác. Và một ứng dụng quan trọng của nó là mô phỏng trong lúc lập trình. Chất lượng hình ảnh tốt hơn từ những card đồ họa mới nhất mang lại nhiều lợi ích cho công việc mô phỏng. Nó cho phép những nhà phát triển phần mềm tạo ra những mô hình 3D chính xác của rất nhiều loại máy công cụ và sử dụng chúng vào việc mô phỏng quá trình cắt gọt kim loại. Không những thế, nó còn có thể hiển thị trung thực chất lượng của bề mặt chi tiết sau gia công.

Việc mô phỏng trước quá trình gia công trên máy tính giúp người lập trình tự tin hơn khi chuyển chương trình xuống các máy CNC để gia công chi tiết thực. Phần mềm sẽ đưa ra những cảnh báo nếu như có bất kỳ sự va chạm nào giữa máy và chi tiết gia công hoặc giữa những bộ phận trong máy. Những nguy cơ tiềm ẩn được phát hiện và loại bỏ trước khi chương trình được chạy trên máy sẽ giúp giảm thiểu tối đa sự cố khi làm việc trên máy thật. Tất nhiên, chi phí để tìm và xử lí lỗi trên máy tính luôn rẻ hơn rất nhiều so với khắc phục sự cố trên máy thật.

X5_Machine_Simulation

Hình 4 : mô phỏng gia công 5 trục trên MasterCAM

5.      Kết luận

Bài viết đã đưa ra một số lợi ích mà việc phát triển phần cứng máy tính mang lại cho những phần mềm lập trình gia công. Và như đã nói ở đầu bài viết, mặc dù phần cứng được nâng cấp không ngừng, giá của chúng lại đang rẻ hơn bao giờ hết. Nếu so sánh, giá của một workstation chỉ bằng 1/3 hay thậm chí 1/4 giá của một phần mềm CAM bản quyền.

Việc đầu tư đồng bộ một phần mềm CAM tốt và các máy tính được trang bị phần cứng mới nhất cho phép hệ thống đạt được hiệu suất tối ưu, mang lại những lợi ích to lớn hơn cho nhà đầu tư, đặc biệt khi họ đã có trong tay những máy CNC ngày càng hiện đại và phức tạp hơn.

Hoàng Khương

Cimatron SuperBox

SuperBox là một công cụ đặc biệt được Cimatron phát triển nhằm mục đích nâng cao hiệu suất tính toán đường chạy dao khi lập trình gia công. Về bản chất, SuperBox là một máy tính được cài Cimatron với cấu hình khá cao : CPU i7, 16GB RAM ; kết nối vào hệ thống mạng LAN và hoạt động theo phương phức Plug and Play.

Sau khi thiết lập thông số công nghệ cần thiết, các máy tính lập trình có thể gửi dữ liệu qua SuperBox để SuperBox tính toán đường chạy dao. Kết quả tính toán sẽ được tự động gửi trả về các máy tính lập trình. Nhờ cấu hình cao và được chuyên môn hóa, SuperBox tính toán rất nhanh và có thể đảm nhiệm công việc cho nhiều máy tính khác trong cùng một lúc. Nó giúp giảm áp lực trên các máy tính này cũng như hạn chế tối đa hiện tượng thắt cổ chai trong những công ty chuyên về gia công, phải xử lí khối lượng công việc rất lớn mỗi ngày.

Superbox

Tham khảo

1.       How hardware developments affect CAM software performance – Peter Dickin, tạp chí Equipment News 03/2011

2.       Hardware Review : Running on All Eight Cores – http://www10.mcadcafe.com

3.       Cimatron SuperBox Fact Sheet – Cimatron Group

 

  1. No comments yet.
  1. No trackbacks yet.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: