tapchiso23 pdf 08 1252

54 Khoa học Công nghệ - Môi trường MỘT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH GIA CƠNG CÁC BIÊN DẠNG ĐẶC BIỆT BẰNG CÔNG CỤ CAD/CAM A SOLUTION FOR DESIGNING AND MANUFACTURING THE SPECIAL CONTOURS BY CAD/CAM TOOLS Trần Ngọc Hải1 Tóm tắt Abstract Gia cơng chi tiết dạng cam phẳng, bánh đặc biệt… có biên dạng đường Acsimet, hipôxiclôit, êpixiclôit…theo phương pháp truyền thống thường khó khăn, biên dạng chi tiết có độ xác khơng cao Machining flat cam shapes and special gears whose curves are Acsimet hipoxicloit and epixicloit,according to traditional methods, often causes difficulty and is not highly accurate Bài báo trình bày phương pháp gia cơng, theo trước hết phải thiết lập phương trình mơ tả biên dạng chi tiết, sau sử dụng phần mềm SolidWorks, Mastercam để vẽ, lập trình, gia cơng máy CNC Kết thu chi tiết có độ xác cao Đây phương pháp tiên tiến, với công nghệ sản xuất đại The article presents a method of machining, whereby we must first set up the equations describing the detailed profiles, and then use software SolidWorks, Mastercam for drawing, programming and machining on CNC The results brought about high accuracy This method is advanced and right with modern production technology Từ khóa: Thiết kế, biên dạng, lập trình NC, gia cơng Keywords: Design, profiles, programming NC code, Manufacturing Đặt vấn đề1 phần mềm CAD/CAM vẽ biên dạng chi tiết, từ lập chương trình NC, gia công chi tiết máy CNC Đây phương pháp tiếp cận phản ánh công nghệ sản xuất đại Phần tiếp sau trình bày số ví dụ để làm rõ phương pháp gia cơng Những chi tiết dạng cam phẳng cần đẩy, bánh loại bơm đặc biệt, mặt cắt buồng hút xyclon lọc bụi kiểu trọng lực….thường có biên dạng đường Acsimet (hình 1a,b), êpixiclơit, hipơxiclơit, đường cong logarit … a v=const Giải vấn đề a 1' 2.1 Cơ sở toán học xây dựng phương trình mơ tả đường cong đặc biệt 2' r r ρ ω 3' ρ 4' 5' a) b) Hình Cam, biên dạng Acsimet Việc gia công biên dạng loại chi tiết thường thực theo phương pháp chép hình truyền thống qua cam mẫu Theo cam mẫu vẽ sở xác định tọa độ điểm thuộc biên dạng nối lại, cách làm thiếu xác Với cách tiếp cận khác, thiết lập phương trình mơ tả biên dạng, sau sử dụng Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Cơng nghiệp + Mơ hình hóa hình học: Bản chất mơ hình hóa hình học mơ tả đối tượng hình học mơ hình tốn học, đối tượng hình học đường cong biên dạng chi tiết Về mặt tốn học, biểu diễn đường cong dạng: - Phương trình ẩn - Phương trình tường minh - Phương trình tham số Ví dụ: Đường trịn bán kính r mặt phẳng x – y, tâm trùng với gốc hệ tọa độ mô tả phương trình: f(x,y) = x2 + y2 – r2 = (1) Nếu xét nửa đường trịn, phương trình (1) viết lại: y=g(x)=(r2-x2)1/2 (2) Số 23, tháng 9/2016 54 Khoa học Công nghệ - Môi trường 55 Cũng biểu diễn phương trình đường trịn dạng: x= r.cosφ; y= r.sinφ (3) Trong ví dụ trên, phương trình:(1) gọi phương trình ẩn; (2) phương trình tường minh; (3) phương trình tham số Cùng với ví dụ khác, thấy mơ hình hình học mơ tả mơ hình tốn học, sở toán học phương pháp 2.2 Các chức thiết kế đại phần mềm CAD Với khả tính tốn, thiết kế mạnh, phần mềm CAD nhanh chóng xác định, vẽ biên dạng chi tiết cho phương trình dạng: ẩn, tường minh, tham số Điểm khác biệt so với công nghệ gia công truyền thống là: -Việc tạo mẫu thủ công thay mơ hình hóa hình học từ giá trị mẫu 3D - Mẫu chép hình thay mơ hình tốn học – mơ hình hình học số - Gia cơng chép hình thay gia cơng điều khiển số (CAM) 2.4 Áp dụng 2.4.1 Thiết kế lập trình gia cơng biên dạng cam xốy ốc Acsimet + Gia công biên dạng chi tiết cam phẳng cần đẩy có biên dạng đường xốy ốc Acsimet (hình 3), bước a=10, Rcởsở=50 A-A A Đặc điểm phương trình mơ tả biên dạng: - Phương trình ẩn khó thực đồ hình (khơng nối theo trình tự tọa độ điểm thuộc biên dạng) - chức quan trọng đồ họa điện tốn - Phương trình tường minh dễ dàng chuyển đổi thành phương trình ẩn hay phương trình tham số Nhược điểm khơng thể điều khiển đường cong khép kín đường thẳng đứng - Ưu điểm bật phương trình tham số mơ tả biên dạng ví dụ: đường cong Ferguson, đường Bezier, đường B–spline …là mơ tả xác biên dạng chi tiết đặc biệt phần mềm CAD dễ dàng đọc sử lý số liệu từ phương trình tham số Đây lý ta chọn phương trình tham số mô tả biên dạng chi tiết gia công 2.3 Qui trình thiết kế lập trình gia cơng tạo hình theo cơng nghệ CAD/CAM Hình sơ đồ qui trình thiết kế gia cơng tạo hình theo cơng nghệ CAD/CAM Hình Qui trình thiết kế gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM a A a) Hình Cam, biên dạng Acsimet Thực theo bước: Lập phương trình tham số biên dạng Từ phương trình đường Acsimét hệ tọa độ cực ρ=aφ, với ý đường Acsimét lấy đường tròn R=50 làm sở => phương trình tham số đường Acsimet: a  =  x R cos ϕ + 2π ϕ cos ϕ (1)  a  = ϕ sin ϕ y R sin ϕ +  2π với ρ = a ϕ độ lớn bước ứng với góc φ 2π Vẽ biên dạng cam Acsimet - Khởi động SolidWorks, chọn Sketch, chọn Front plane làm mặt sở - Ở mục Spline, chọn Equation Driven Curve, xuất bảng sau: Hình Biên dạng cam Số 23, tháng 9/2016 55 56 Khoa học Công nghệ - Môi trường - Chọn , từ mục Equation nhập phương trình (1) (đã thay số) vào: xt, yt r7.5 , thu hình vẽ biên dạng cam A C Acsimet (hình 4) Tiếp tục vẽ hồn chỉnh cam, ghi lại file, ví dụ: (01.DWG) - Tiến hành khai báo máy, phôi, dao, thông số công nghệ, chọn lệnh gia công (Face, Contour, Pocket ) phù hợp.Việc thực lập trình gia cơng Chi tiết sau gia cơng mơ hình Hình Cam sau gia cơng mơ Hình Cam sau gia cơng máy CNC Xuất chương trình NC gia cơng(trích) (NC FILE - C:\NGOCHAI\MCAMX5\MILL\01.NC) N100 G21; N102 G0 G17 G49 G80 G90; N104 T1 ………………………………… Gia công máy phay CNC - Dùng chương trình NC lập, gia cơng máy CNC, thu sản phẩm (hình 6) Nhận xét: So với phương pháp gia cơng chép hình truyền thống, sản phẩm có: - Bề mặt gia cơng xác, tinh xảo - Sai số kích thước, hình dáng, vị trí tương quan mặt nhỏ khơng phải sử dụng cam chép hình… - Thời gian thực thực quy trình thiết kế, gia cơng tạo hình giảm 2.4.2 Thiết kế, lập trình gia cơng biên dạng cặp bánh xiclơit + Cho cặp bánh xiclơit bơm “Root”(hình 7a) Viết chương trình NC, mơ gia cơng biên dạng chi tiết, biết cung A1B, cung C3D đường hipôxiclôit, cung B2C, cung D4A đường êpixiclôit D Lập trình NC, mơ gia cơng - Khởi động Mastercam, mở file(01.DWG) α1 - Chọn α2 - Trong Parameters, nhập góc: t1=0, t2=2π R30 B Hình 7a Cặp bánh xiclôits Thực theo bước: Lập phương trình tham số biên dạng Trên phương diện tốn học, đường êpixiclôit, đường hipôxiclôit quỹ đạo điểm thuộc đường trịn đường trịn lăn khơng trượt đường trịn cố định khác Đường tròn lăn gọi đường tròn sở, đường tròn cố định gọi đường tròn định hướng Nếu hai đường trịn tiếp xúc ngồi quỹ đạo điểm đường êpixiclơit, hai đường trịn tiếp xúc quỹ đạo điểm đường hipơxiclơit Hình 7b phần biên dạng chi tiết (cung B2C) vẽ theo phương pháp truyền thống (khơng trình bày cách vẽ) M(i) 8° 7° 9° 10° 5° 6° 11°12° 13° 2° 14° 8' 9' 10'11' 7' 6' 1° 15° 5' 12' 4' 16° 13' 3' 14' 2' 15' 1' 16' 16 B C r7.5 R3 10 11 3° 4° α Hình 7b Biên dạng đường êpixiclơits Việc xác định điểm M(i), vẽ biên dạng chi tiết phức tạp tăng M(i) để tăng độ xác biên dạng Để khắc phục, từ khái niệm hình thành đường êpixiclơit, hipơxiclơit ta lập phương trình mơ tả biên dạng: - Cung A1B, cung C3D (đường hipôxiclôit)  R−r ( R − r )cosϕ + r cos ϕ  x = r  R−r y = ( R − r )sin ϕ − r sin ϕ  r (2) - Cung B2C, cung D4A (đường êpixiclôit)  R+r ( R + r )cosϕ − r cos ϕ  x = r  R+r y = ( R + r )sin ϕ − r sin ϕ  r (3) Số 23, tháng 9/2016 56 Khoa học Cơng nghệ - Mơi trường 57 - Tính góc α1, α2 chắn cung A1B, B2C: dùng cơng thức: 3600 r 3600 × 7,5 α= α = = = 900 R 30 Vẽ biên dạng cung A1B, B2C,C3D sau: - Khởi động SolidWorks, chọn Sketch, chọn Front plane làm mặt sở - Ở mục Spline, chọn Equation Driven Curve, xuất bảng sau: Xuất chương trình NC gia cơng (trích) (NC FILE -C:\NGOCHAI\MCAMX5\MILL\02NC) N100 G21;N102 G0 G17 G40 G49 G80 G90; …………………………………………… N6310 G28 X0 Y0 A0.; N6312 M30;% 2.4.3 Thiết kế, gia cơng chi tiết cam phẳng có biên dạng đường Cacđiơit + Viết chương trình NC, mơ gia cơng biên dạng chi tiết cam phẳng biên dạng đường Cacđiôit, cho a=26, cam dày 16mm Thực theo bước: Thiết lập phương trình tham số biên dạng - Từ phương trình đường Cacđiơit hệ tọa độ cực ρ = a(1+cosφ), viết lại phương trình dạng tham số:  x a cosϕ (1 + cosϕ ) =  (4)  =  y a sin ϕ (1 + cosϕ )  Hình Biên dạng xiclôit - Chọn Parametric, Equation nhập phương trình (2), (3) (đã thay số) vào: xt, yt để vẽ cung A1B, cung B2C… - Trong Parameters, t1, t2 nhập góc: (0 π/2), (π/2 π), (π 3π/4), (3π/4 2π) để vẽ cung A1B, B2C, C3D, D4A đây: a =26; φ = 2π Vẽ biên dạng đường Cacđiôit - Khởi động SolidWorks, chọn Sketch, chọn Front plane làm mặt sở - Ở mục Spline, chọn Equation Driven Curve, xuất bảng sau: - Chọn , thu hình vẽ biên dạng xiclơit (hình 8), ghi lại file, ví dụ(02.DWG) Lập trình NC, mơ gia cơng - Khởi động Mastercam, mở file(02.DWG) - Tiến hành bước ví dụ Chi tiết sau gia cơng mơ hình Hình 10 Đường Cácđiơit - Chọn , từ mục Equation nhập phương trình (4) (đã thay số) vào: xt, yt - Trong Parameters, nhập góc: t1= 0, t2=2π - Chọn ,thu hình vẽ đường Cacđiơit (hình 10) Ghi lại file,ví dụ (03.DWG) Hình Chi tiết sau gia cơng mơ Lập trình NC, mô gia công Số 23, tháng 9/2016 57 58 Khoa học Công nghệ - Môi trường - Khởi động Mastercam, mở file (03.DWG) - Tiến hành khai báo máy, phôi, dao, thông số công nghệ, chọn lệnh gia công (Face, Contour, Pocket… ) phù hợp Tiếp tục lập trình gia cơng Chi tiết sau gia cơng mơ Hình11 Kết luận Bài báo trình bày phương pháp lập trình NC theo biên dạng, gia công số dạng chi tiết đặc biệt Phần quan trọng phương pháp chuyển từ mơ hình hình học đối tượng sang xây dựng mơ hình tốn học, thiết lập phương trình tham số mô tả biên dạng chi tiết Việc sử dụng phần mềm Solidworks, Mastercam dựa tính bật CAD/ CAM phần mềm nhờ việc tính tốn, vẽ, lập trình NC thực nhanh chóng Hình 11 Cam Cacđiơit sau gia cơng mơ Xuất chương trình NC gia cơng(trích) (NC FILE -C:\NGOCHAI\MCAMX5\MILL\03.NC) ……………………………………………… N4020 G28 X0 Y0 A0 N4022 M30; 5.Gia cơng máy phay CNC Hình 12 chi tiết gia cơng máy từ chương trình NC vừa tính tốn Phương pháp lập trình theo biên dạng cho phép kỹ sư công nghệ chủ động lập trình gia cơng dạng chi tiết phức tạp Đây phương pháp tiên tiến, với công nghệ sản xuất đại Kết quả: Sản phẩm sau gia cơng theo cơng nghệ CAD/CAM có độ xác, độ tinh xảo cao Biên dạng sản phẩm không bị sai số in dập tượng cam mẫu chép hình bị mịn… gia cơng theo phương pháp truyền thống Thời gian thực quy trình thiết kế tạo hình, gia cơng giảm Hướng phát triển đề tài Thiết kế tạo hình, gia cơng chi tiết dạng cam không gian, mặt cong 3D cách xây dựng phương trình tốn mơ tả biên dạng theo tọa độ cầu, tọa độ trụ…từ sử dụng phần mềm CAD/CAM hỗ trợ vẽ tạo hình, lập trình NC gia cơng Hình 12 Gia cơng máy NOVAMILL Tính tốn, tối ưu hóa thơng số chế độ cắt (s, v, t) trình gia cơng Tài liệu tham khảo Đồn, Thị Minh Trinh 1998 Công nghệ CAD/CAM NXB Khoa học Kỹ thuật Nguyễn, Tiến Dũng (chủ biên), Nguyễn, Hồng Thái, Mai, Văn Hào 2011 Thực hành thiết kế với SOLIDWORKS 2005 qua ví dụ NXB Khoa học Kỹ thuật Tạ, Ngọc Hải 2000 Bài tập nguyên lý máy NXB Khoa học Kỹ thuật Tơn,Tích Ái 2005 Phần mềm tốn cho kỹ sư NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Trần, Vĩnh Hưng (chủ biên), Trần, Ngọc Hiền 2011 Mastercam - Phần mềm thiết kế công nghệ CAD/ CAM điều khiển máy CNC NXB Khoa học Kỹ thuật Số 23, tháng 9/2016 58