CAD/CAM:
Về mặt phương pháp, để chế tạo chân vịt trên máy CNC cần giải quyết được vấn đề tính toán và vẽ chính xác chân vịt ở dạng mô hình 3D trong các phần mềm CAD/CAM, yêu cầu cơ bản đầu tiên để có thể thực hiện quá trình gia công trên các máy phay CNC. Do mặt cánh chân vịt khá phức tạp nên nhận thấy giải pháp hiệu quả là lập trình tính và vẽ 3D chân vịt trong phần mềm CAD, trong trường hợp này là phần mềm Autocad với ngôn ngữ lập trình AutoLisp, sau đó chuyển qua phần mềm CAM
Pro Engineer Wildfire. Với cách đặt vấn đề như thế nên trong phần này cần giải quyết các nội dung chính sau :
- Nghiên cứu xây dựng thuật toán, viết chương trình tính và vẽ mô hình chân vịt 3D theo các thông số thiết kế trong phần mềm CAD/CAM thông dụng
- Mô phỏng gia công trên máy phay CNC.
3.2.1.Thuật toán và chương trình vẽ 3D mô hình cánh chân vịt :
Về mặt phương pháp, để có thể gia công trên máy phay CNC cần phải xây dựng được mô hình chân vịt tàu dưới dạng 3D trong các phần mềm CAM thông dụng hiện nay. Tuy nhiên do mặt cánh chân vịt rất phức tạp, khó dựng được trong phần mềm CAM theo những cách thông thường nên cần đặt vấn đề nghiên cứu thuật toán và viết chương trình tự động hóa quá trình vẽ cánh chân vịt theo các thông số thiết kế dưới dạng mô hình 3D và chuyển mô hình 3D vừa dựng vào phần mềm CAM để gia công, cụ thể như sau :
Bước 1 : Dùng ngôn ngữ lập trình AutoLISP để lập trình vẽ mô hình chân vịt 3D trong môi trường phần mềm AutoCAD.
Bước 2 : Chuyển mô hình 3D của chân vịt đã được xây dựng trong phần mềm Autocad sang các phần mềm CAM thông dụng, trong trường hợp này là Pro Engineer. Đây có lẽ là giải pháp đơn giản và hiệu quả trong việc tự động hóa quá trình thiết kế và chế tạo chân vịt trên máy phay CNC.
Hình 3.9 trình bày sơ đồ giải thuật của chương trình vẽ tự động 3D cánh chân vịt từ các thông số thiết kế.
Hình 3.9: Sơ đồ thuật toán chương trình vẽ tự động chân vịt từ các thông số thiết kế. Trên cơ sở thuật toán nói trên, viết chương trình tính và vẽ chân vịt bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic với nội dung chương trình đã được giới thiệu trong tài liệu [10]. Phần dưới đây trình bày kết quả chạy chương trình tính và vẽ mô hình 2D, 3D chân vịt kiểu B - Wageningen trong môi trường Autocad từ các thông số thiết kế ban đầu gồm đường kính chân vịt D, tỷ lệ bước xoắn H/D, tỷ lệ mặt đĩa So/S và số cánh của chân vịt Z. Hình 3.10 là giao diện nhập các thông số thiết kế của chương
Nhập các thông số thiết kế
Phân tích thông số thiết kế Xử lý, phản hồi các thông số ngoài phạm vi chương trình
Rẽ nhánh chương trình Tính các thông số bề rộng
cánh bm. Tọa độ mặt cánh khai triển tương ứng với kiểu chân vịt z = 2, z = 3
Tính các thông số bề rộng cánh bm. Tọa độ mặt cánh khai triển tương ứng với kiểu chân vịt z = 4, z = 5
Tính các tọa độ prophin cánh theo phần trăm chiều dày lớn nhất
Tính các thông số kích thước củ chân vịt Thực hiện các lệnh vẽ Acad 2D Xuất bản vẽ Acad 2D Thực hiện các lệnh vẽ Acad 3D Xuất bản vẽ Acad 3D Mở bản vẽ Cad 3D trong chương trình Pro. Engineer
trình vẽ tự động chân vịt. Việc trình bày giao diện chương trình, liên kết dữ liệu cũng như thực hiện các lệnh gọi và khởi động các phần mềm AutoCad và MasterCam được lập trình trên Visual Basic 6.0.
Hình 3.10 : Giao diện của chương trình.
3.2.2.Nghiên cứu chuyển mô hình chân vịt 3D trong môi trường CAD/CAM.
Như đã biết, do cánh chân vịt được vẽ từ tọa độ của các điểm nằm trên prophin cánh nên chương trình chỉ có thể dựng phần củ chân vịt dưới dạng mô hình khối đặc (solid), còn mô hình cánh chân vịt chỉ có thể dựng dưới dạng mô hình khung dây (wire frame). Do đó để có thể mô phỏng và thực hiện quá trình gia công được chân vịt trên máy CNC trước tiên cần dựng mô hình 3D chân vịt dạng khối đặc (Solid) trong phần mềm CAM. Kết quả thử nhiều chương trình CAM, chúng tôi đề xuất sử dụng Pro Engineer Wildfire, phần mềm CAM mạnh và có nhiều ưu điểm hiện nay để giải quyết vấn đề phủ mặt cánh để tạo ra mô hình 3D chân vịt dưới dạng khối đặc. Quá trình thực hiện theo trình tự sau :
1 ) Dựng mô hình 3D chân vịt trong Autocad
Nhập các thông số cần thiết của chân vịt vào trong chương trình tính và vẽ nói trên, ví dụ như cần vẽ chân vịt có các thông số D = 1000 mm ; H/D = 1 ; S/S0 = 0.4 và Z = 3. Kết quả sẽ dựng được mô hình 3D chân vịt trong phần mềm AutoCad như trên hình 3.11.
Hình 3.11 : Mô hình 3D chân vịt dựng trong phần mềm AutoCad.
Sau đó sử dụng lệnh Copy chọn đường bao ngoài một cánh chân vịt như hình 3.12, chọn một điểm trên đường bao để tạo thêm đường bao cách đường bao cũ đoạn 50 mm. Sử dụng lệnh Trim và lệnh Move để tạo thành một phần của đầu mút như trên hình 3.13 và đưa trở về lại trùng với đầu mút cánh cũ.
Hình 3.13: Tạo đầu mút cánh chân vịt
Thực hiện tương tự cho các phần đầu mút còn lại và đường bao ngoài đã vẽ theo và sử dụng lệnh Delete để xóa hai cánh còn lại như trên hình 3.14.
Hình 3.14: Mô hình cánh chân vịt hoàn chỉnh trong môi trường CAD.
2) Dựng mô hình 3D chân vịt trong phần mềm Pro/E:
Quá trình dựng mô hình 3D chân vịt tàu thủy dưới dạng khối rắn Solid thực hiện theo trình tự sau :
Khởi động chương trình Pro/E File Open Nhấp mục All Files ở ô Type
Chọn file CAD chứa mô hình 3D chân vịt nói trên Assembly đặt tên File, ví dụ chanvit xuất hiện mô hình 3D của chân vịt trên màn hình (hình 3.15)
Hình 3.15: Mô hình chân vịt 3D trong phần mềm Pro/E
Chọn File Save a copy lưu File dưới dạng khác, ví dụ File Step và đặt tên File, ví dụ chanvit.stp xuất hiện menu Export Step đánh dấu 4 tùy chọn Solids, Shells, Datum Curves and Poínt, Facets OK (hình 3.16)
Hình 3.16 : Menu Export Step
Vào chương trình Pro/E để mở lại File chanvit.step nói trên và chọn mục
Hình 3.17: Chi tiết chân vịt
Thiết lập đơn vị bằng cách vào Edit Setup chọn trên menu Units Manager
mục Unit chọn đơn vị mmNsSet OK CloseDone (hình 3.18)
Hình 3.18 : Thiết lập đơn vị cho chương trình
Phủ mặt cánh chân vịt để tạo khối đặc
Nhấp nút (Boundary Blend) trên thanh công cụ Tools (hoặc theo đường dẫn
Main menu/Insert/Boundary Blend) nhấn phím Ctrl và chọn lần lượt các đường prophin cánh cho đến prophin ngoài cùng (hình 3.19)
Hình 3.19: Chọn các đường bao prophin cánh trên mặt cánh chân vịt Nhấp và chọn các đường bao cánh chân vịt OK (hình 3.20).
Hình 3.20: Chọn đường bao cánh chân vịt
Để tránh sự xuất hiện nhiều đường nằm giữa cánh gây vỡ mặt, trước khi nhấp
OK, nhấp Control Points NewSet nhấp chuột phải chọn Add xuất hiện các điểm đỏ trên prophin cánh nhấp chọn từng điểm đỏ cho đến prophin ngoài cùng (hình 3.21).
Hình 3.21 : Xử lý sự nứt vỡ cánh
Bằng cách tương tự, tiếp tục sử dụng công cụ Boundary Blend để tạo mặt phủ kín mép cánh ở đầu mút chân vịt (hình 3.22) và phủ mặt cánh chân vịt (hình 3.23).
Hình 3.22: Xử lý phần mút cánh chân vịt Hình 3.23 mô tả mặt cánh chân vịt đã được phủ mặt
Liên kết các mặt lại với nhau bằng cách bấm phím Ctrl và nhấp chọn các mặt cần liên kết nhấp biểu tượng Merge Tool OK (hình 3.24)
Hình 3.24 : Liên kết các mặt trên cánh lại với nhau
Tạo trục chân vịt bằng cách chọn nút Datum Axis Tool chọn cung tròn trên củ tạo trục có trên mặc định A_1 nhấp Properties để đổi tên trục nếu thấy cần thiết.
Nhấp chọn cánh và củ chân vịt chọn nút (Merge Tool ) OK để liên kết cánh với củ chân vịt (hình 3.24) tạo góc bo tròn giữa củ và cánh bằng cách nhấp nút (Round tool) trên thanh công cụ nhấp chọn các đường cong giao giữa cánh và củ nhập bán kính góc bo nhấp OK để kết thúc (hình 3.25)
Hình 3.25: Bo cánh chân vịt.
Tạo các cánh chân vịt bằng cách : nhấp nút Datum Axis Tool có trên thanh công cụ nhấp chọn một cung tròn ở củ chân vịt tạo trục có tên mặc định AA1
trùng với trục chân vịt (hoặc sử dụng lại trục chân vịt A_1 đã tạo trong phần trên)
Hình 3.26 : Xây dựng mô hình và hoàn thiện chân vịt
3.2.3.Mô phỏng quá trình gia công chân vịt bằng phần mềm CAD/CAM
Như đã trình bày, việc mô phỏng quá trình gia công trên máy phay CNC là nhằm mục đích xác định được thời gian và lượng dư gia công khi thực hiện quá trình phay để xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ là thời gian và lượng dư gia công với sự thay đổi từ đặc điểm hình học chân vịt gốc đúc từ khuôn đến đặc điểm hình học yêu cầu. Ngoài ra, việc thiết lập và chạy mô phỏng quá trình gia công là một trong các công đoạn quan trọng trong quá trình gia công chế tạo chi tiết trên máy CNC nhằm quan sát toàn bộ quá trình gia công ở các góc độ khác nhau để tránh các sai sót trong khi lập chương trình, ví dụ như quá trình lựa chọn bước tiến dao có thể là chưa hợp lý, việc di chuyển của dao có thể bị cản trở mà kết quả có thể gây gẫy dao hoặc chi tiết trở thành phế phẩm v..v... Phần dưới đây trình bày kết quả mô phỏng quá trình gia công chân vịt trên phần mềm Pro/Engineer Wildfire (Pro/E), phần mềm CAD/CAE/CAM tích hợp thông dụng hiện nay với nhiều chức năng trợ giúp thiết kế, phân tích kỹ thuật và lập trình gia công trên CNC. Pro/E được chia thành nhiều môđun nhỏ, chia thành 3 nhóm chức năng là nhóm thiết kế (CAD), nhóm phân tích (CAE) và nhóm sản xuất (CAM), trong đó mỗi nhóm chức năng lại gồm nhiều môđun cụ thể, trong đó có 5 môđun rất cần thiết cho thiết kế cơ khí là :
- Môđun Modeling dùng để xây dựng mô hình chi tiết trong không gian 3 chiều (tức là thiết kế sản phẩm hay còn gọi là mô hình hóa hình học)
- Môđun Drawing dùng để dựng các hình chiếu cần thiết từ mô hình 3D đã có sẵn, lên kích thước và các yêu cầu kỹ thuật, ghi chú cho hồ sơ thiết kế
- Môđun Assembly dùng để lắp ráp sản phẩm từ các chi tiết rời đã được thiết kế trong phần Modeling
- Môđun Moldesign dùng để thiết kế khuôn để tạo ra sản phẩm đã được thực hiện trong phần Modeling
- Môđun Manufacturing dùng để thiết kế quy trình công nghệ gia công các chi tiết đã được vẽ trong phần Modeling hay hình thành trong phần Moldesign.
Với Pro/E, mọi công việc thuộc về cơ khí như thiết kế thông thường, thiết kế khuôn, tính bằng phần tử hữu hạn, lập trình gia công cho máy CNC (3, 4, 5 trục), cắt dây v..v… đều có thể thực hiện trên các môđun này, cũng như các môđun mở rộng của phần mềm. Tuy nhiên, khác với việc mô phỏng gia công những chi tiết thông thường trên máy CNC, vấn đề ở đây là cần phải mô phỏng quá trình gia công từ một chân vịt đóng vai trò phôi, cho đến chân vịt có các thông số hình học yêu cầu, đóng vai trò là chi tiết cần gia công. Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách như sau :
Sử dụng chương trình tính và vẽ chân vịt đã được lập trong phần 3.1 để xây dựng hai mô hình 3D chân vịt có các thông số tương ứng với các thông số của chân vịt đóng vai trò phôi và chân vịt chi tiết, đóng vai trò là chân vịt cần gia công.
Từ hai File này, sử dụng môđun Modeling trong Pro Engineer Wildfire tạo khối đặc đối với hai mô hình chân vịt như đã trình bày ở phần 3.2 và lưu thành hai File khác nhau, ví dụ File có tên là chanvitphoi.prt và File có tên là chanvitchitiet.prt
Sử dụng môđun Manufacturing trong Pro Engineer Wildfire mở hai File nói trên để đưa hai mô hình chân vịt nói trên về cùng hệ tọa độ và đặt trùng khít lên nhau.
Thực hiện mô phỏng quá trình gia công từ chân vịt phôi đến chân vịt chi tiết Ngoài hai phần đầu đã được trình bày ở trên, dưới đây trình bày hai nội dung sau :
1. Tạo chân vịt phôi và chân vịt chi tiết cần gia công:
Khởi động Pro Engineer Chọn mục New Manufacturing
NC Assembly nhập tên File vào ô Name, ví dụ tên File ở trường hợp này
giacongchanvit . Thiết lập hệ đơn vị : Setup Units mmNs Set Ok Close
Done.
Tạo chân vịt chi tiết bằng cách từ mục Manufacture Mfg Model
Assemble Ref Model xuất hiện hộp thoại Open mở File chanvichitiett.prt
Tạo ra chân vịt phôi bằng cách từ mục Manufacture Mfg Model
Assemble Workpiece xuất hiện hộp thoại Open mở File chân vịtphoi.prt
OK . xuất hiện chi tiết trên màn hình chọn Default để đưa về gốc tọa độ xác định.
Hình 3.27: Chân vịt chi tiết và chân vịt phôi
Hình 3.28: Chân vịt phôi và chân vịt chi tiết chân vịt gia công trong cùng một hệ tọa độ.
2.Thiết lập hệ tọa độ gia công:
Thiết lập hệ tọa độ gia công bằng cách nhấp nút Datum CoordinateSystem Tool chọn phôi chi tiết nhấp chọn lần lượt 3 mặt phẳng vuông góc với nhau tại tâm củ chân vịt OK xuất hiện trên chi tiết hệ tọa độ XYZ với gốc tọa độ ACSO đổi tên và chiều trục theo quy tắc bàn tay phải khi gia công trên máy CNC với trục Z hướng lên trên, trục Y nằm ngang và trục X nằm dọc theo trục chân vịt bằng cách chọn Orientation nhấp Flip trong hộp thoại Coordinate System.
Chân vịt chi tiết Chân vịt
Chọn máy phay bằng cách từ mục Manufacture Mfg Setup
Operation xuất hiện hộp thoại Operation Setup nhấp chọn biểu tượng NC Machine xuất hiện hộp Machine Tool Setup với thiết lập mặc định ở chế độ Mill, 3 Axis chọn 3 Axis chọn OK xuất hiện lại hộp thoại Operation Setup nhấp chọn mục Machine Zero nhấp chọn dòng ACS0 để thiết lập gốc tọa độ xuất hiện trênchân vịt chi tiết ký hiệu của gốc tọa độ ASC0 vừa mới thiết lập nhấp chọn Retract
và nhập giá trị cụ thể để xác định mặt phẳng lùi dao (hình 3.29)
Hình 3.29 : Chọn máy gia công
3.Lựa chọn dụng cụ cắt:
Từ Manufacture chọn Machining NC Sequence xuất hiện menu Mach Aux với các tùy chọn (nếu gia công thô chọn Volume, nếu gia công tinh chọn Surface Mill) chọn mục Surface Mill 3 Axis Done xuất hiện menu Seq Setup với 4 tùy chọn đã được mặc định trước, gồm các mục Tool, Parameters, Retract và Volume
Done xuất hiện hộp thoại Tools Setup với các tùy chọn dùng để lựa chọn dao cắt của máy. Trong trường hợp gia công thô thì nên chọn dụng cụ cắt là loại dao T001 có các thông số gồm Cut Diameter = 30, Length = 500 Apply OK như mô tả trên hình 3.30.
Hình 3.30: Lựa chọn dụng cụ cắt
Trong quá trình gia công đều có thể hiệu chỉnh được các thông số của dao cắt hoặc các thông số của chế độ cắt bằng cách nhấp chọn mục Parameters hiệu