Vẽ kỹ thuật thiết kế cơ khí dựa trên cơ sở đồ họa máy tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẼ KỸ THUẬT THIẾT KẾ CƠ KHÍ DỰA TRÊN CƠ SỞ ĐỒ HOẠ MÁY TÍNH NGÀNH :CƠ KHÍ MÃ SỐ : NGUYỄN THỊ THU NGA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TSKH LÊ HÙNG SƠN HÀ NỘI 2005 -1- MỞ ĐẦU Cùng với phát triển nhanh chóng cơng nghệ thơng tin, Đồ họa máy tính, cơng cụ hỗ trợ đắc lực việc giải tốn mơ hình hố hình học kỹ thuật, ngày phát triển hoàn thiện Trước đây, vẽ kỹ thuật “bằng tay” (khơng có trợ giúp đồ họa máy tính) phương hình thức, nội dung yêu cầu kỹ thuật đối tượng công nghệ Các vẽ kỹ thuật thường mang tính chất tĩnh, nội dung đóng kín khó hình dung có nhiều trường hợp địi hỏi người sử dụng phải có trình độ chun mơn cao đọc Ngày nay, phần mềm đồ hoạ thông dụng AutoCad , 3Dmax,… giúp thể cách trực quan chi tiết vẽ kỹ thuật Tuy nhiên xét phương diện kỹ thuật, thiết kế vẽ kỹ thuật việc mơ cấu máy móc khơng địi hỏi việc mơ hình học hay mơ động dạng hoạt hình mà cịn cần phải mơ trình hoạt động lắp ráp chi tiết theo thông số kỹ thuật ta can thiệp vào thơng số kỹ thuật Đối với ngành khí, việc mơ hoạt động máy móc q trình lắp ráp chi tiết cần thiết khơng diễn tả trình hoạt động, lắp ráp máy móc mà cịn giúp đánh giá ưu nhược điểm mặt cấu trúc hình học, thông số kỹ thuật đối tượng công nghệ, tối ưu q trình khảo sát, tính tốn, thiết kế chế tạo sản phẩm Dưới góc độ người giảng dạy vẽ kỹ thuật, luận văn tập trung vào việc xem xét ứng dụng đồ hoạ máy tính vẽ kỹ thuật thiết kế khí, cụ thể giải vấn đề mơ hoạt động lắp ráp nêu mô vẽ kỹ thuật khí -2- Mục tiêu luận văn sử dụng kiến thức sở đồ hoạ máy tính cho việc giải tốn mơ phỏng, đặc biệt mơ động Từ mơ hoạt động trình lắp ráp cấu truyền động Cơ khí bao gồm: Bộ truyền động ma sát, truyền động bánh răng, truyền động bánh vít-trục vít, truyền động xích, truyền động đai truyền động vít-đai ốc Đồng thời sử dụng đồ hoạ máy tính để mơ vẽ lắp, cụ thể vẽ lắp hộp giảm tốc, bao gồm nhiều cấu truyền động Với mục tiêu đề luận văn mong muốn góp phần việc cải tiến việc giảng dạy môn vẽ kỹ thuật chi tiết máy cho sinh viên ngành khí, cung cấp cho sinh viên hình ảnh mơ 3D trực quan Nhờ sinh viên thấy rõ cấu trúc hình học trình hoạt động lắp ráp chi tiết máy Đồng thời, luận văn sử dụng đồ hoạ máy tính để bước đầu xây dựng mơ hình vẽ kỹ thuật Nó mang tính động, khơng bó hẹp phạm vi mặt phẳng tờ giấy vẽ kỹ thuật truyền thống; không cung cấp cho người đọc vẽ kỹ thuật hai chiều mà cịn mơ ba chiều q trình hoạt động trình lắp ráp máy móc tương ứng với thơng số kỹ thuật -3- CHƯƠNG I CƠ SỞ ĐỒ HOẠ MÁY TÍNH VÀ MƠ HÌNH HỐ HÌNH HỌC 1.1 Hệ toạ độ 1.1.1 Hệ toạ độ Descartes *Không gian hai chiều: Trong lĩnh vực đồ hoạ máy tính, hình dạng kích thước đối tượng hai chiều đặc trưng mô tả số hai chiều quan hệ với hệ thống toạ độ Decarte x,y Các điểm không gian chiều tương ứng 1-1 với cặp số thực Một điểm khơng gian 2D (trên mặt phẳng) biểu diễn cặp (x,y), cặp số thực (x,y) biểu diễn điểm tương ứng mặt phẳng y (x,y) )) y  O x x Hình 1.1 Hệ toạ độ Decarte hai chiều *Không gian ba chiều: Các đối tượng ba chiều thường tạo hệ thống toạ độ thực ba chiều sau ánh xạ sang hệ thống hai chiều để hiển thị Các điểm không gian chiều tương ứng 1-1 với số thực Một điểm khơng gian 3D biểu diễn ba số thực (x,y,z), ba số thực (x,y,z) biểu diễn điểm tương ứng không gian -4- Chiều trục toạ độ hệ trục ba chiều tuân theo quy luật bàn tay phải bàn tay trái Hình 1.2 Hệ toạ độ theo quy ước bàn tay phải(a) trái(b) 1.1.2 Hệ toạ độ trụ hệ toạ độ cầu Trong khơng gian ba chiều, ngồi hệ toạ độ Decarte thơng thường ta cịn sử dụng hệ toạ độ trụ hệ toạ độ cầu • Hệ toạ độ trụ (Hình 1.3 (a)) Một điểm M  R đặc trưng ba thông số: x = rcos(); r= x2  y2 y = rsin () z=z  = arctan (y/x) z=z Như Hình 1.3.(a), đoạn thẳng PP' quét lên mặt trụ bao quanh trục z góc  thay đổi • Hệ toạ độ cầu (Hình 1.3 (b)) Một điểm M  R đặc trưng ba thông số: x = rcos() sin () r= x2  y  z y = rsin() sin() z = rcos()  = arctan(y/x)  = arccos(z/r) -5- Hình 1.3: Hệ toạ độ trụ (a) hệ toạ độ cầu (b) 1.1.3 Hệ toạ độ Trong đồ hoạ máy tính người ta thường sử dụng tính tốn ma trận trợ giúp cho định nghĩa hình học thao tác ứng dụng đồ hoạ máy tính Tuy nhiên việc sử dụng toạ độ Decarte thường loại bỏ khả vài phép biến đổi hình học tạo phương pháp ma trận, số khác tạo phép cộng vectơ Để khắc phục vấn đề này, hệ toạ đồ sử dụng thay cho hệ toạ độ Decarte lĩnh vực đồ hoạ máy tính mơ hình hố hình học Hình 1.4: Hệ toạ độ -6-  wx   wy  Điểm (x,y,z) biểu diễn dạng toạ độ   ,  wz    w  w  số gọi "trọng số" Như giá trị trọng số ta có tọa độ khác Trong hầu hết hệ đồ hoạ máy tính, trọng số thường chọn w = Một điểm (x,y,z) tổng quát x y biểu diễn dạng đơn giản dạng  z  1       1.2 Các phép biến đổi hình học sở đồ họa Các phép biến đổi phần quan trọng đồ họa máy tính Các phép biến đổi hình học làm thay đổi toạ độ đối tượng, từ làm cho đối tượng bị thay đổi hình dạng, hướng, kích thước Nó có ý nghĩa quan trọng việc tạo quan sát mơ hình, mơ chuyển động… Các phép biến đổi hình học sở bao gồm: Tịnh tiến (translation), quay (rotation) biến đổi tỉ lệ (scaling) Ngoài ra, số phép biến đổi khác thường áp dụng phép đối xứng (reflection) biến dạng (shearing) Các phép biến đổi hình học nghiên cứu hai phương pháp - Phép biến đổi đối tượng (object transformation) : Thay đổi toạ độ điểm tạo nên đối tượng mà không thay đổi hệ thống toạ độ - Phép biến đổi toạ độ (coordinate tranformation): Tạo hệ thống toạ độ biểu diễn tất điểm thành theo hệ thống toạ độ -7- 1.2.1 Các phép biến đổi hình học hai chiều Phép biến đổi hai chiếu biến điểm P mặt phẳng thành điểm có toạ độ Q theo qui tắc Về chất, phép biến đổi điểm ánh xạ T : T : R2  R2 P(x,y)  Q(x', y') nói cách khác, T hàm số T(x,y) theo hai biến (x,y) x' = f(x,y) y' = g(x,y) Phép biến đổi affine phép biến đổi với f(x,y) g(x,y) hàm tuyến tính Phép biến đổi có dạng x' = ax + cy + e y' = bx + dy + f 1.2.1.1 Phép tịnh tiến Để tịnh tiến điểm P(x,y) từ vị trí sang vị trí khác mặt phẳng, ta cộng thêm giá trị mô tả độ dời vào toạ độ P Nếu gọi trx try độ dời theo trục hoành trục tung toạ độ Q là: x' = x + trx y' = y + try Hình 1.5 Phép tịnh tiến với trx=2, try=3 -8- (trx, try) gọi vector tịnh tiến hay vector độ dời Ta dịch chuyển tồn đối tượng cách áp dụng qui tắc cho điểm thuộc đối tượng 1.2.1.2 Phép quay Là phép làm thay đổi hướng đối tượng Một phép quay địi hỏi phải có tâm quay, góc quay Góc quay dương thường quy ước chiều ngược kim đồng hồ Ta có cơng thức biến đổi phép quay điểm P(x,y) Hình 1.6 Phép quay quanh góc tọa độ góc : x' = cos.x - sin.y y' = sin.x + cos.y 1.2.1.3 Phép biến đổi tỉ lệ Phép biến đổi tỉ lệ làm thay đổi kích thước đối tượng Để co hay giãn toạ độ điểm P(x,y) theo trục hoành trục tung Sx, Sy ta nhân tương ứng sx sy cho toạ độ P Hình 1.7 Phép tỉ lệ với Sx=3, Sy=2 -9- x' = Sxx y' = Syy Khi giá trị Sx, Sy nhỏ 1, phép biến đổi thu nhỏ đối tượng, ngược lại phép biến đổi phóng lớn đối tượng Khi Sx, Sy ta gọi phép đồng dạng Tâm tỉ lệ không bị thay đổi qua phép biến đổi tỉ lệ 1.2.1.4 Biểu diễn ma trận phép biến đổi Ma trận sử dụng hệ thống đồ họa 2D 3D để thực phép biến đổi affine chuẩn phép tịnh tiến, phép quay phép tỉ lệ Đó phần quan trọng việc mơ hình hố, hiển thị q trình thay đổi tỉ lệ Hiển thị phối cảnh mô tả phương pháp ma trận Có thể nói phương pháp sử dụng ma trận vấn đề hầu hết hệ thống đồ hoạ máy tính x  Nếu biểu diễn điểm (x,y) dạng ma trận   Ta có y  • Phép tịnh tiến: x '  x  t x   '       y  y  t y  • Phép tỉ lệ: x '  s x  x  '     y  0 s y  y • Phép quay: x '  cos()  sin() x  '   cos()  y y  sin x '  1 • Phép biến dạng theo hướng trục x     y '  0 k x  x   y - 105 - scene.object(4).drawObject(); glPopMatrix(); glPushMatrix(); glTranslated(0*_scale,700*_scale,225.9474*_scale); glTranslated(0*_scale,-1*n*_scale,0*_scale); glRotated(n,0,1,0); scene.object(6).drawObject(); glPopMatrix(); glPushMatrix(); glTranslated(-78.7627*_scale,700*_scale,180.4737*_scale); glTranslated(0*_scale,-1*n*_scale,0*_scale); glRotated(n,0,1,0); scene.object(6).drawObject(); glPopMatrix(); glPushMatrix(); glTranslated(-78.7627*_scale,700*_scale, 180.4737*_scale); glTranslated(0*_scale,-1*n*_scale,0*_scale); glRotated(n,0,1,0); scene.object(6).drawObject(); glPopMatrix(); glPushMatrix(); glTranslated(0*_scale,700*_scale,-225.9474*_scale); glTranslated(0*_scale,-1*n*_scale,0*_scale); glRotated(n,0,1,0); scene.object(6).drawObject(); glPopMatrix(); glPushMatrix(); glTranslated(78.7627*_scale,700*_scale,-180.4737*_scale); glTranslated(0*_scale,-1*n*_scale,0*_scale); glRotated(n,0,1,0); scene.object(6).drawObject(); glPopMatrix(); - 106 - glPushMatrix(); glTranslated(78.7627*_scale,700*_scale,180.4737*_scale); glTranslated(0*_scale,-1*n*_scale,0*_scale); glRotated(n,0,1,0); scene.object(6).drawObject(); glPopMatrix(); } if((n>700)&(n800) { glPushMatrix(); glTranslated(0*_scale,135*_scale); scene.object(0).drawObject(); scene.object(1).drawObject(); scene.object(2).drawObject(); scene.object(3).drawObject(); - 107 - scene.object(4).drawObject(); scene.object(5).drawObject(); glPopMatrix(); glPushMatrix(); scene.object(7).drawObject(); glPopMatrix(); } } //HOAT DONG BANH VIT TRUCVIT if(demo==2) { glPushMatrix(); glTranslated(0*_scale,0,135*_scale); glRotated(-x/2,0,1,0); scene.object(0).drawObject(); scene.object(1).drawObject(); scene.object(2).drawObject(); scene.object(3).drawObject(); scene.object(4).drawObject(); scene.object(5).drawObject(); glPopMatrix(); glPushMatrix(); glRotated(-20.5*x,1,0,0); scene.object(7).drawObject(); glPopMatrix(); } glDepthMask(GL_TRUE); glPopMatrix(); } - 108 - 4.3 Chương trình mơ truyền động khí Chương trình mơ truyền động khí xây dựng dựa phân tích hoạt động truyền động khí q trình lắp ráp trình bày trên, sử dụng ngơn ngữ lập trình VisualC++6.0 thư viện OpenGl Chương trình xây dựng với mong muốn góp phần vào việc giảng dạy vẽ kỹ thuật, giúp sinh viên hình dung cách trực quan cấu tạo hình học, trình lắp ráp hoạt động truyền động khí Menu chương trình bao gồm: phần quản lý chương trình bao gồm quản lý file, save, print, help, view hiển thị toolbar ; phần thứ hai menu truyền động Mỗi truyền động mô q trình lắp ráp, hoạt động, có thơng số hình học kèm; phần thứ ba nút bấm toolbar cho phép dừng chương trình, xem góc độ khác thay đổi tốc độ lắp ráp vận tốc động Hình 4.3 Menu chương trình Hình 4.4 Mỗi truyền động mô bao gồm lắp ráp, hoạt động thơng số hình học - 109 - Ví dụ để mơ lắp ráp truyền động bánh vít-trục vit Trên menu chọn BANH VIT-TRUC VIT  Truc vit Acsimet Lắp ráp Hình 4.5 Mơ q trình lắp ráp truyền động bánh vít-trục vít Hay để mơ hoạt động truyền động bánh côn, chọn BANH RANG Banh rang  Hoat dong Để xem thơng số hình học truyền động bánh trụ thẳng chọn BANH RANG Banh rang tru rang thang  Thong so hinh hoc - 110 - Hình 4.6 Để mơ hoạt động truyền động, từ Menu chọn truyền động chọn mục Hoạt động Hình 4.7 Thơng số hình học truyền động bánh trụ thẳng - 111 - Ta thay đổi vận tốc góc động thay đổi tốc độ lắp ráp nhấn vào nút Sử dụng nút sau để xem vật thể từ hướng chiếu tương ứng với hình chiếu Hình 4.8 Các hình chiếu tương ứng với hướng chiếu - 112 - Khi cần tạm dừng lại trình hoạt động hay lắp ráp nhấn vào nút Muốn xóa tồn hình nhấn phím Ta phóng to hình ảnh cách vừa ấn phải chuột vừa kéo vào trong, thu nhỏ hình ảnh cách vừa ấn phải chuột vừa kéo Để di chuyển chi tiết vừa ấn phím trái chuột vừa di chuột đến vị trí cần đến Để quay hình với góc độ khác vừa bấm phím trái phím phải chuột vừa di chuột 4.4 Chương trình mơ vẽ lắp hộp giảm tốc Chương trình mơ vẽ lắp, xây dựng ngơn ngữ lập trình VisualC++6.0 với mong muốn xây dựng hình thức vẽ ký thuật Không cung cấp cho người đọc vẽ lắp hai chiều mà cịn mơ q trình lắp ráp hoạt động hộp giảm tốc Hình 4.8 Menu chương trình Phần mơ bao gồm mơ q trình lắp ráp hoạt động hộp giảm tốc Quá trình lắp ráp thể thứ tự chi tiết lắp ráp, mối tương quan hình học kỹ thuật chi tiết với thông số kỹ thuật chúng Các chi tiết bên làm để thấy lắp ráp hoạt động bên hộp giảm tốc Trong q trình mơ lắp ráp hoạt động ta chi tiết để nhìn thấy rõ chi tiết khác cách chọn Transparent, cho lại chi tiết chọn Visible - 113 - Hình 4.9 Mơ q trình lắp ráp hộp giảm tốc Hình 4.10 Mơ q trình hoạt động hộp giảm tốc - 114 - Phần thông số bao gồm thơng số kỹ thuật, thơng số hình học bảng kê chi tiết Trong phần thông số kỹ thuật cung cấp đặc tính kỹ thuật hộp giảm tốc bao gồm công suất vận tốc động cơ, tỷ số truyền hộp giảm tốc, tỷ số truyền thông số kỹ thuật truyền động Phần thơng số hình học cung cấp vẽ lắp hai chiều hộp giảm tốc Bảng kê chi tiết cho thấy số thứ tự tên gọi, vật liệu, số lượng chi tiết Hình 4.11Bản vẽ lắp cùa hộp giảm tốc Ta sử dụng nút sau để xem vật thể từ hướng chiếu tương ứng với hình chiếu Vận tốc động tốc độ lắp ráp thay đổi cách nhấn vào nút: Khi lên hộp thoại Vận tốc động tốc độ lắp ráp Ta thay đổi thơng số hộp thoại - 115 - Hình 4.12 Hộp thoại : Vận tốc động tốc độ lắp ráp Để phóng to hình ảnh vừa ấn phải chuột vừa kéo vào trong, thu nhỏ hình ảnh vừa ấn phải chuột vừa kéo Để di chuyển chi tiết vừa ấn phím trái chuột vừa di chuột đến vị trí cần đến Để quay hình với góc độ khác vừa bấm phím trái phím phải chuột vừa di chuột Hình 4.13 Phóng to hình ảnh để thấy rõ chi tiết - 116 - KẾT LUẬN Có thể nói việc khái thác ứng dụng đồ họa máy tính kỹ thuật cần thiết Trong trình làm luận văn, thực mục tiêu đề ra, tìm hiểu nắm kiến thức đồ hoạ máy tính Từ đó, góc độ người giảng dạy vẽ kỹ thuật, tập trung vào việc xem xét ứng dụng đồ hoạ máy tính vẽ kỹ thuật thiết kế khí, khai thác ngơn ngữ lập trình VisualC++6.0, kết hợp với thư viện đồ hoạ OpenGl để giải vấn đề mô hoạt động lắp ráp mô vẽ kỹ thuật khí Các sản phẩm phần mềm bao gồm : chương trình mơ truyền động khí, chương trình mơ vẽ lắp hộp giảm tốc Chương trình mơ thể trình lắp ráp hoạt động cấu máy cách trực quan, rõ ràng xác Điều khẳng định độ tin cậy kết đạt Việc mơ q trình lắp ráp hoạt động cấu máy có ý nghĩa vẽ kỹ thuật thiết kế khí Nó cung cấp nhìn trực quan, thể bên cấu, tối ưu q trình tính tốn lựa chọn cấu trúc khí, bớt khâu chế tạo thử Bên cạnh đó, việc mơ hoạt động lắp ráp bổ xung hạn chế vẽ kỹ thuật truyền thống Với sản phẩm phần mềm trên, mong muốn tạo công cụ tiện dụng cho người học nhận biết nhanh hơn, xác cấu tạo hình học trình lắp ráp, hoạt động cấu máy khí Cùng với phát triển công nghệ thông tin, phầm mềm đồ hoạ ngày hoàn thiện hơn, việc xây dựng chương trình cần phải phát triển hoàn thiện thêm để theo kịp với phát triển khoa học công nghệ nhu cầu ngày cao kỹ thuật - 117 - Vì vậy, tơi mong góp ý bảo thêm thầy giáo đồng nghiệp - 118 - TÀI LIỆU THAM KHẢO - Dương Anh Đức, Lê Đình Quân, Vũ Hải Quân (1999), Cơ sở Đồ hoạ máy tính, Nhà xuất Giáo Dục, Hà nội - Vera D.Anand - Người dịch : TS Nguyễn Hữu Lộc (2000), Đồ hoạ Máy tính mơ hình hố hình học, Nhà xuất Thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hồ Chí Minh - Nguyễn Trọng Hiệp (2000) , Chi tiết máy - Tập 1, tập , Nhà xuất giáo dục, Hà nội -Nguyễn Văn Tiến, Nguyễn Đức Huệ, Nguyễn Văn Nhiên, Đào Quốc Sủng, (2000), Bài giảng vẽ Kỹ thuật, Trường đại học Bách khoa Hà nội -Nguyễn Đức Huệ, Trần Hữu Quế, (2000), Bài tập vẽ kỹ thuật, Trường đại học Bách khoa Hà nội - Nhóm Medgroup, Giới thiệu OpenGl, Trường đại học Bách khoa Hà nội -Các trang web: http://www.opengl.org.com http://www.functionx.com http://www.dohoavietnam.com - 119 - ... ứng dụng đồ hoạ máy tính vẽ kỹ thuật thiết kế khí, cụ thể giải vấn đề mô hoạt động lắp ráp nêu mô vẽ kỹ thuật khí -2- Mục tiêu luận văn sử dụng kiến thức sở đồ hoạ máy tính cho việc giải tốn mơ... đọc Ngày nay, phần mềm đồ hoạ thông dụng AutoCad , 3Dmax,… giúp thể cách trực quan chi tiết vẽ kỹ thuật Tuy nhiên xét phương diện kỹ thuật, thiết kế vẽ kỹ thuật việc mơ cấu máy móc khơng địi hỏi... chóng cơng nghệ thơng tin, Đồ họa máy tính, công cụ hỗ trợ đắc lực việc giải tốn mơ hình hố hình học kỹ thuật, ngày phát triển hoàn thiện Trước đây, vẽ kỹ thuật “bằng tay” (khơng có trợ giúp đồ họa