Hiện nay phần mềm CATIA có rất nhiều phiên bản khác nhau. Trong luận văn này tôi sử dụng bản V5R20 để thiết kế và lập trình mô phỏng gia công.
Phần mềm này được thiết kế với cấu trúc phân thành nhiều Module với các chức năng của các Module phục vụ cho các công việc khác nhau trong thiết kế, phân tích, lắp ráp, chế tạo cũng như mô phỏng, xuất bản vẽ chi tiết 2 chiều. Tất cả các Module đều sẽ sử dụng thống nhất một cơ sở dữ liệu và dễ dàng chuyển qua lại giữa các Module khi thiết kế.
Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống CAD/CAM/CAE trong CATIA 4.2.1. Một số module chính sử dụng trong thiết kế (CAD)
* Mechanical Design: Là phần chuyên về thiết kế sản phẩm của CATIA. Nó bao gồm nhiều Module với các chức năng khác nhau. Sau đây là một số Module cơ bản và chức năng của chúng.
Hình 4.2. Module thiết mechanical design và shape
- Part Design: Module thiết kế Solid, tạo các chi tiết khối rắn Solid.
- Assembly Design: Module lắp ráp các chi tiết thành một cụm sản phẩm hay một sản phẩm hoàn chỉnh. CATIA Mechanical Design (Chứa các Module thiết kế, lắp ráp, mô phỏng động, tạo khuôn ...v.v.)
Analysis & Simulation
(Chứa các Module phân tích phần tử hữu hạn FEM) Machining NC (Chứa các Module tạo chu trình gia công trên các máy
- Drafting: Module tạo các bản vẽ 2 chiều một cách tựđộng với cơ sở là các bản vẽ 3D.
- Wireframe & Surface Design: Module thiết kế khung dây và các bề mặt Surface phức tạp.
- Core & Cavity Design: Module tạo các bề mặt hốc, lõi, lõi mặt bên của sản phẩm để chuẩn bị cho quá trình thiết kế khuôn.
- Mold Tooling Design: Module thiết kế khuôn tự động. Với nhiều chi tiết tiêu chuẩn và công cụ sẽ giúp cho quá trình thiết kế khuôn được nhanh chóng và hiệu quả, trực quan.
* Shape:Được tích hợp các module xử lý bề mặt, tạo các mặt phức tạp, ứng dụng nhiều trong hàng không như: Generative Shape, Free Style, Sketch Tracker…v.v.
4.2.2. Module phân tích phần tử hữu hạn (Analysis & Simulation)
Là phần chuyên để phân tích phần tử hữu hạn (phân tích FEM ứng suất, biến dạng kết cấu, phân tích tần số, phân tích nhiệt, phân tích độổn định…) của chi tiết máy cũng như của cả kết cấu của một máy gồm nhiều chi tiết. Gồm 2 Module sau:
- Advanced Meshing Tools: Module tạo và hiệu chỉnh việc chia lưới phần tử hữu hạn, tối ưu hoá việc chia lưới khi phân tích phần tử hữu hạn.
Hình 4.3. Module phân tích phần tử hữu hạn
- Generative Structural Analysis: Module tạo các ràng buộc, các thuộc tính, đặt lực và phân tích phần tử hữu hạn cũng nhưđưa ra các kết quả phân tích FEM.
4.2.3. Một số module chính sử dụng trong lập trình gia công (CAM)
Là các module được sử dụng sau khi thiết kế, các chi tiết 3D được đưa vào module này để tiến hành tạo các chu trình gia công trên các máy CNC và xuất sang mã gia công (NC Code).
Phần lập trình gia công gồm các Module tạo và điều khiển chu trình gia công tiện, phay, khoan CNC 2,5 trục và 3, 4, 5 trục. Trong phiên bản CATIA V5R20, các Module phục vụ cho mục đích tạo các chu trình gia công bao gồm:
- Lathe Machining: Tạo các chu trình gia công tiện CNC.
- Prismatic Machining: Tạo các chu trình gia công phay, khoan các hốc phẳng 2,5 trục và 3 trục.
- Surface Machining: Tạo các chu trình gia công phay, khoan bề mặt Surface từđơn giản đến phức tạp trên máy 3 trục.
- Advanced Machining: Tạo các bước gia công thô, bán tinh, tinh bề mặt Surface phức tạp trên các máy nhiều trục.
- NC Manufacturing Review: Mô phỏng, kiểm lại những chu trình gia công. - STL Rapid Prototyping: Module trợ giúp tạo mẫu nhanh.
Hình 4.4. Module lập trình gia công machining
Mỗi Module đảm nhận các chức năng riêng biệt và có thể chuyển đổi qua lại với nhau để tạo các chu trình gia công cần thiết gia công chi tiết. Sau đó, sẽ tạo các đường chạy dao Toolpath và mô phỏng từng chu trình hoặc toàn bộ các chu trình gia công trên màn hình đồ hoạ, kiểm tra sự va chạm dao với chi tiết hoặc đồ gá,
kiểm tra lượng dư còn lại giữa các chu trình cũng như của toàn bộ các chu trình đã thiết kế trước khi xuất ra dữ liệu chương trình gia công.
Ngoài ra phần mềm còn một số module khác như:
- Module Equiptment & systems: Cho phép xây dựng các trang thiết bị, các hệ thống của một nhà máy theo tiêu chuẩn
- Module Ergonomics design & Analysis: Phần này dùng để phân tích con người về sử dụng phương tiện đểđưa ra những khoảng cách và tư thế phù hợp cho từng vóc dáng của con người, không gây cảm giác mỏi khi sử dụng phương tiện trong thời gian dài
- Module Digital Mockup: Phần này được sử dụng để mô phỏng động học các cơ cấu máy.
Như đã giới thiệu ở trên, phần mềm CATIA có rất nhiều module với các chức năng khác nhau. Tuy nhiên, do yêu cầu cũng như do thời gian có hạn nên trong báo cáo của luận văn này không thể nghiên cứu và trình bày hết tất cả các chức năng của các Module mà ở đây chỉ nêu ra các Module cần thiết cho việc lập trình gia công chi tiết trục vít có bước thay đổi
4.3. Một số thao tác cơ bản trong module lập trình gia công 4.3.1. Các thiết lập ban đầu 4.3.1. Các thiết lập ban đầu
- Vào môi trường Module gia công: Từ Menu của phần mềm, vào: Start > Machining, rồi lựa chọn hình thức gia công.
- Chọn loại máy CNC: Tiện, phay 3,4,5 trục. Thiết lập hệ toạ độ gốc phôi. Nhập chi tiết, phôi.
- Sau khi vào môi trường của các Module gia công. Bên trái cửa sổ màn hình có cây phả hệ Specification Tree chứa các đối tượng kỹ thuật khi tạo chu trình gia công.
- Click đúp vào Part Operation.1 trên cây phả hệ. Một hộp thoại hiện ra như hình 4.5 :
Hình 4.5. Hộp thoại thiết lập Part Operation
- Click nút để chọn loại máy sẽ dùng để gia công. Một hộp thoại hiện ra để chọn các loại máy và thiết lập các thông số cho máy như trục chính Spindle; Dụng cụ cắt Tooling; Mã NC sử dụng cho máy đó Numerical Control.
- Click nút để thiết lập hệ toạ độ gia công sẽđược dùng là hệ toạ độ gốc phôi cho khi sinh mã gia công. Với Icon
- Click nút . Một trình duyệt hiện ra và ta chọn chi tiết cần gia công, sau đó nhập vào màn hình đồ hoạ.
- Click nút Design Part để chọn hình dạng chi tiết ban đầu trên màn hình đồ hoạ.
- Chọn Select Stock và chọn phôi trên màn hình đồ hoạ cho quá trình gia công. Phôi này có thể là một phôi thiết kế sẵn nhập vào cùng với chi tiết. Hoặc là phôi được tạo ngay trong môi trường Module gia công. Nếu không chọn cái này thì CATIA sẽ tự tạo phôi hình chữ nhật bao lấy chi tiết.
- Chọn Fixture để chọn đồ gá (đòn kẹp, đồ gá gá đặt…) trên màn hình đồ hoạ phục vụ cho việc mô phỏng và tạo chu trình gia công.
4.3.2. Chu trình gia công tiện thô
Click nút Lathe Roughing ICon. Hộp thoại hiện ra và chọn kiểu Roughing Mode mong muốn trong Machining Parameter Strategy Tab Page .
Hình 4.6. Hộp thoại lựa chọn các kiểu tiện thô
Có 3 kiểu Roughing Mode là:
+ Longitudinal: Tiện với các đường chạy dao cắt theo từng lớp dọc theo cho toàn bộ chiều dài của Profile chi tiết từ ngoài cùng vào trong.
+ Face: Tiện với các đường chạy dao cắt theo từng lớp kim loại theo chiều ngang hướng kính.
+ Parallel Contour: Tiện với đường chạy dao hớt đi các lớp kim loại song song với đường Profile biên dạng của chi tiết.
1. Lựa chọn biên dạng phôi và chi tiết
Click vào các vùng màu đỏđể chọn các Profile Stock và Profile Part cũng như chọn mặt giới hạn đường chạy dao. Khi chọn các Profile Stock và Profile Part thì thanh công cụ Edge Selection Toolbar xuất hiện để trợ giúp chọn ra các Profile.
Hình 4.7. Hộp thoại lựa chọn bề biên dạng phôi và chi tiết
Khi muốn chọn tựđộng chọn lựa một cách liên tục các đường Profile tiếp nối, Click vào nút Options để hiện ra hộp thoại Options và chọn kiểm kết nối liên tục Link Types.
2. Thiết lập thông số gá thân dao vào bàn xe dao
Hình 4.8. Hộp thoại lựa chọn thông số thân dao và bàn xe dao
+ Setup Angle: Góc gá thân dao so với trục hướng kính trên bàn xe dao. 00 là gá thẳng; ≠ 00 là gá nghiêng.
Góc nghiêng = 00 Góc nghiêng = 450
+ Set X; Set Y; Set Z: Định nghĩa thành phần tổng chiều dài thiết lập cho Tool Assembly.
+ Tool Inverted: Định nghĩa nếu muốn dụng cụ cắt đảo chiều.
Invert No Check Invert Check
+ Number of Component: Định ra số của các thành phần của Tool Assembly. + Pref. output point 1; 2; 3: Định ra điểm Output ưu tiên đầu tiên. Có 10 giá trị lựa chọn. P1; P2; P3; P4; P5; P6; P7; P8; P9; P9R.
Thiết lập các thông số hình học của thân dao và tạo các kiểu dao như: dao tiện ngoài; dao tiện trong; dao tiện rãnh ngoài; dao tiện rãnh trong ..v.v. Ví dụ như dao tiện ngoài gồm các thông số như sau:
+ Hand Style: gồm Left Hand; Right Hand ; Neutral.
+ Holder Capability: Định nghĩa khả năng của cán dao gồm có mặt ngoài của dao Surface; Mặt ngang của dao Traverse; Mặt ngắn nhất Shortest.
+ Cutting Edge Angle (Kr):Định nghĩa góc phía cạnh cắt của dao.
Hình 4.9. Hộp thoại thiết lập thông số hình học kiểu dao
Hình 4.10. Hộp thoại thiết lập thông số chế độ gia công 4.3.3. Chu trình gia công dạng xoắn vít
- Vào môi trường gia công, chọn module gia công “Advanced machining”. Chọn kiểu gia công “Mutil-axis Helix machining ”
Hình 4.11. Hộp thoại Machining Parameter Strategy và Geometry Tab
- Machining Parameter Strategy : Thiết lập các thông số công nghệ: + Machining Tab: Thiết lập hướng gia công và độ chính xác gia công. + Radian tab: Thiết lập thông số cắt hình học theo chiều hướng kính. + Tool Axis: Thiết lập góc nghiêng của dụng cụ
- Geometry Tab : Định nghĩa thông số hình học cho chu trình gia công. Kick vào các vùng màu đỏ và lựa chọn chi tiết, điểm đầu cuối biên dạng .v.v.
- Tool Tap : Lựa chọn, thiết lập dụng cụ cắt.
Hình 4.12. Hộp thoại Tool Tap
- Feeds & Speeds Tab : Lựa chọn các thông số công nghệ gia công.
Hình 4.13. Hộp thoại Feeds & Speeds Tab và Macros
- Macros : Định nghĩa di chuyển dao khi vào và ra dao của đường chạy dao theo Macro.
4.3.4. Mô phỏng quá trình gia công
- Chọn chu trình gia cụng và Click nút Replay hoặc Right Click vào chu trình gia cụng trong phần Process > Part Operation.i trên cây phả hệ Specification
Tree và chọn Replay trong Menu ngữ cảnh. Hộp thoại Replay hiện ra như hình 4.14:
Hình 4.14. Hộp thoại các công cụ mô phỏng quá trình gia công
Trên hình 4.14 có các lựa chọn như sau:
Toolpath phụ thuộc vào người dùng nhập.
- Replay mode : Dao chạy liên tục từđầu đến cuối chu trình gia công. - Visualization mode :Dụng cụ cắt chỉ xuất hiện tại các vị trí cuối cùng. - Color mode : Hiển thịđường dụng cụ Toolpath với cùng màu.
- Point display mode :Đường đi của các điểm liên kết được hiển thị. - Holder Visibility Options : Hiển thị tùy chọn hiển thị dụng cụ
- Video from Last Saved Result : Tiếp tục mô phỏng sự hớt vật liệu của nguyên công lựa chọn từ chi tiết (đã được mô phỏng) còn lại sau khi mô phỏng từ các nguyên công trước (sự mô phỏng các nguyên công trước này phải được ghi nhớ);
- Full Video : Mô phỏng tất cả các nguyên công theo thứ tự kể cả nguyên công lựa chọn lẫn các nguyên công khác trong chương trình.
- Mixed Photo/Video : Hiển thị kết quả gia công của tất cả các chu trình gia công trước chu trình gia công lựa chọn muốn mô phỏng của chương trình Machining (thường dùng khi chưa mô phỏng các chu trình gia công trước đó lần nào và chỉ muốn mô phỏng chu trình gia công lựa chọn nhưng lại muốn biết kết quả
của tất cả các chu trình gia công kể cả chu trình gia công lựa chọn), sau đó mô phỏng chu trình gia công lựa chọn.
- Associate Video Result to Machining Operation : Kết hợp kết quả của chu trình gia công. Tương tự như Save kết quả của Video mô phỏng các chu trình gia công đó để sử dụng cho mô phỏng một chu trình gia công khác nhưng khuông muốn phải mô phỏng lại từđầu mà chỉ mô phỏng chu trình gia công lựa chọn. Lệnh này kết hợp với lệnh Video From last Saved Result.
- Video Collisions Report : Tạo báo cáo các va chạm dụng cụ cắt khi gia công.
- Photo : Hiển thị kết quả gia công thực. Tại mọi thời điểm, có thể dùng chuột Kick vào bất cứ vị trí nào trên Photo và một hộp thoại hiện ra sẽ báo cho bạn biết các thông tin vềđiểm Kick đó
- Video Options : Điều chỉnh khi mô phỏng.
- Start Machine Toolpath Simulation : Bắt đầu mô phỏng với máy VNC. - Analisys : Phân tích các thông số liên quan đến mô phỏng.
4.3.5. Xuất chương trình gia công sang mã NC
- Chọn Manufacturing Program trong cây phả hệ Specification Tree, sau đó chọn Generate NC Code Interactively ICon trên thanh công cụ. Hoặc cũng có thể Right Click và chọn nó trong Menu ngữ cảnh. Hộp thoại Generate NC Output Interactively xuất hiện như trên hình 4.15
- Phụ thuộc vào việc tạo mã NC Code cho từng loại máy mong muốn sẽ có các thủ tục khác nhau để lựa chọn. Trong phần NC Data Type trên hộp thoại, có thể chọn tạo loại mã:
+ Tạo mã APT Source Code. + Tạo mã Clfile Code. + Tạo mã NC Code.
+ Tạo Video Result in CAPTproduct
Hình 4.15. Hộp thoại Generate NC Output Interactively
- Click nút Execute để tạo dữ liệu NC data.
2.5. Thiết kế trục vít có bước thay đổi
Trục vít có bước thay đổi là một chi tiết có biên dạng tương đối phức tạp vì vậy có nhiều cách có thể thiết kếđược khi sử dụng phần mềm CATIA. Ởđây, luận văn sử dụng phương pháp kết hợp và chuyển đổi qua lại giữa hai môi trường làm việc là: Generative Shape Design và Part Design để thiết kế mô hình 3D của chi tiết. Chi tiết trục vít thiết kế có các thông số cơ bản như sau:
- Đường kính: D=50mm - Đoạn vít làm nhiệm vụ cấp liệu: L1=625mm, H1=6mm, t1=50mm - Đoạn vít dùng nén ép (vùng chuyển tiếp): L2= 125mm, H2=3÷5, t2=50÷55mm - Đoạn vít dùng định lượng: L3=100mm, H3 =3; t3=50 - Chiều rộng cánh vít: e=6mm - Góc nghiêng Φ =27° - Chiều dài phần làm việc của trục vít: L=850mm - Chiều dài phần lắp ghép: 180mm
- Chiều dài trục then hoa: 60mm, số răng 6, bề rộng 6mm, đường kính ngoài
38 =
φ , đường kính trong φ=32mm
- Chiều dài chi tiết L= 1120mm
Hình 4.16. Thông số trục vít thiết kế
Quá trình thiết kế có rất nhiều thao tác, ởđây Luận văn chỉ đưa ra một số bước chính:
* Bước 1. Tạo đường xoắn Helix theo dạng xoắn của trục vít:
Tạo 1 môi trường làm việc trong môi trường Generative Shape Design. Sử dụng công cụ Helix tạo đường xoắn vít theo biên dạng của trục vít. Đường xoắn này được