Báo cáo khoa học: "ứng dụng dynamic designer motion để thiết kế mô phỏng một số cơ cấu cam thông dụng" pps

ứng dụng dynamic designer motion để thiết kế
mô phỏng một số cơ cấu cam thông dụng

PGS. TS. An hiệp
KS. Bùi vũ hùng

Bộ môn Thiết kế máy
Khoa Cơ khí - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt: Thiết kế Cam l một công việc phức tạp. Từ trớc đến nay ngời ta thờng dùng
các phơng pháp cổ điển để thiết kế nh trong [1] v [7]. Trong bi báo ny giới thiệu một
phơng pháp thiết kế dựa trên các phần mềm trong ngnh cơ khí. Kết quả l sẽ tốn rất ít thời
gian v ngời thiết kế có thể nhìn cụ thể cơ cấu Cam cần thiết kế.
Summary: CAM designing is a hardjob. Conventional methods have been used so far as
in [1] and [7]. The article introduces a designing method based on mechanical engineering
software. As the result it costs less time and the designer can see indetails the structure of
CAM to be designed.

i. đặt vấn đề
D


.


y
namic Desi
g
ner/Motion
(

DDM
)
th
ự
c ra
là m
ộ
t phần mềm mô phỏn
g
đ
ộ
n
g
h
ọ
c và
động lực học của cơ cấu má




y
, đ
ợ
c dùn
g
tron
g
m
ộ

t số hệ thốn
g
CAD
(
c
ụ
thể là phần
mềm AuTodesk Inventor
)
. Với phần mềm nà
y
n
g
ời thiết kế có thể thiết kế và kiểm tra đồn
g
thời tạo ra mô hình và xem chúng làm việc.
Tối u hoá việc thiết kế trớc khi đa vào sản xuất
ii. nội dung
1. Giao diện ngời dùng
D
y
namic Desi
g
ner là m
ộ
t phần mềm
nghiên cứu mô hình thực t
ạ
i ảo đ
ợ

c tích h
ợ
p
với môi trờn
g
của Inventor. Sử d
ụ
n
g
các tính
năn
g
về
g
iao diện của phần mềm ta sẽ tìm ra
giải pháp nghiên cứu các cơ cấu phức tạp.
)
Trình đơn
kéo Motion
Thanh công
cụ Motion

Môi trờng đồ hoạ
Trình duyệt
Motion

- Trình duyệt Intellimotion Browser (trong
chế độ motion) là công cụ rất hữu dụng khi
phát triển một mô hình ảo trên Dynamic
Designer. Trình duyệt Intellimotion Browser

hoàn toàn thích ứng với giao diện của
Inventor, nó cũng cung cấp đầy đủ các tính
năng của Windows nh công nghệ kéo
nhả (drag and drop).
- Trình đơn Motion có các chức năng
tơng tự nh trình duyệt Intellimotion Browser,
nhng nó đợc bố trí trong thanh trình đơn kéo
xuống của Inventor. Trình đơn này dùng để
khởi tạo, quan sát kết quả và xuất dữ liệu.
Thanh công cụ Motion gồm các biểu
tợng để sử dụng nhanh các chức năng khi
quan sát mô hình chuyển động chủ yếu là
quan sát các kết quả mô phỏng. Đồng thời
cũng để thiết đặt mô phỏng, điều khiển hình
ảnh và các khả năng điều chỉnh dữ liệu.
2. Các lệnh chính trong Dynamic
designer motion
Khi nghiên cứu cơ cấu chúng ta chú ý
đến ba loại ràng buộc sau đây: Khớp, chuyển
động và tải trọng.
a. Các lệnh tạo khớp: Có hai loại khớp cơ
bản trong Dynamic Designer Motion.
+ Khớp để ràng buộc quan hệ chuyển
động giữa hai khâu bằng liên kết giữa chúng.
+ Khớp cơ sở để áp đặt các ràng buộc
hình học chuẩn.
Khớp bản lề:
Revolute Joint
Khớp Vítme: Screw
Joint

Khớp trụ: Cylindrical
Joint
Khớp cơ sở Parrallel
Axis: Parrallel Axis Jprim
Khớp cầu: Spherical
Joint
Khớp cơ sở Inline:
Inline Jprim
Khớp trợt:
Translational Joint
Khớp cơ sở InPlane:
InPlane Jprim
Khớp các đăng:
Universal Joint
Khớp cơ sở
Orientation:
Orientation Jprim
Khớp phẳng: Planar
Joint
Khớp cơ sở
Perpendicular:
Perpendicular Jprim
Khớp cứng (khớp cố
định): Fixed Joint

b. Lệnh tạo chuyển động
Chúng ta biết chuyển động của khớp bao
gồm các tham số: Chuyển vị, vận tốc và gia
tốc và chúng là các hàm của thời gian.Trong
Dynamic Designer/Motion có 5 loại hàm

chuyển động của một khớp là: Constant
function (hàm hằng), Step function (hàm
bớc), Harmonic function (hàm điều hoà),
Spline function (hàm đa tuyến), ADAMS
function Expression (biểu thức hàm ADAMS).
c. Lệnh tạo các loại tải trọng
Cần chú ý đến
- Tải trọng tác dụng chủ yếu là lực và mômen
xoắn.
- Liên kết đàn hồi: bao gồm lò xo thẳng, lò xo
xoắn, giảm chấn thẳng và giảm chấn xoắn.
- Trọng lực
d. Lệnh tạo các loại tiếp xúc (Contact)
Trong Dynamic Designer/Motion có quy
định một số loại tiếp xúc sau: Tiếp xúc điểm -
đờng, tiếp xúc đờng - đờng và tiếp xúc 3D.
e. Các lệnh mô phỏng
Khi xây dựng và mô phỏng thành công cơ
cấu, ta có thể sử dụng rất nhiều công cụ
mạnh trong Dynamic Designer để phân tích
chính xác các kết quả mô phỏng. Ta có thể
tạo file hoạt cảnh, xuất dữ liệu sang Microsoft
Excel, xuất các thông tin mô phỏng sang một
phần mềm phần tử hữu hạn (FEA), kiểm tra
sự giao nhau giữa các khâu, vẽ đồ thị kết quả
của rất nhiều định dạng phụ thuộc vào phạm
vi nghiên cứu.
3. ứng dụng trong lý thuyết thiết kế
cam
a. Một số đặc điểm khi thiết kế cơ cấu

Cam
Cơ cấu Cam là một trong những cơ cấu
thờng dùng nhất hiện nay, đặc biệt là trong
các máy tự động cần có sự phối hợp nhịp

nhàng những động tác đồng thời hoặc kế tiếp
nhau của các cơ cấu chấp hành. Sở dĩ nh
vậy là vì so với các cơ cấu khác, đặc biệt là
các cơ cấu toàn khớp thấp, cơ cấu Cam có
nhiều u điểm:
- Có thể thực hiện hầu nh bất kỳ một
quy luật chuyển động nào của khâu bị dẫn,
bằng cách chọn biên dạng cam thích hợp.
- Có năng suất cao, nếu quy luật chuyển
động của khâu bị dẫn đợc chọn một cách
thoả đáng.
- Thuận tiện cho việc phối hợp động tác
trong máy tự động.
Nhợc điểm của cơ cấu Cam là áp suất
trên mặt tiếp xúc tơng đối lớn nên các khâu
chóng mòn, tuổi thọ kém, khi chuyển động
nhanh có thể xảy ra hiện tợng va đập giữa
Cam và cần, và nói chung chế tạo Cam thật
chính xác theo phơng pháp truyền thống là
một việc khó.
ảnh hởng xấu của những nhợc điểm
trên có thể giảm bớt nhiều, nếu trong quá trình
thiết kế, quy luật chuyển động và các thông
số cấu tạo đợc chọn theo công nghệ
CAD/CAE/CAM/CNC.

Tuỳ theo yêu cầu của quá trình công
nghệ, có thể có hai trờng hợp:
- Khâu bị dẫn phải chuyển động theo một
quy luật hoàn toàn xác định.
- Khâu bị dẫn chỉ cần có một chuyển vị
nhất định trong khoảng thời gian nhất định,
còn quy luật chuyển động của nó không ảnh
hởng tới quá trình đợc thực hiện.
Trong trờng hợp thứ nhất, quy luật
chuyển động do quá trình công nghệ quyết
định, trong trờng hợp thứ hai ngời thiết kế
có thể tự chọn.
Chọn quy luật chuyển động của cần là
một vấn đề phức tạp, muốn giải quyết tốt, phải
nghiên cứu sâu mối liên hệ giữa quy luật
chuyển động và các đặc trng động lực học
của cơ cấu.
Thông thờng quy luật chuyển động có
gia tốc cực đại nhỏ nhất, có thể coi là quy luật
chuyển động tốt nhất, vì trong những điều kiện
nh nhau thì gia tốc càng nhỏ lực quán tính
càng nhỏ, do đó phản lực khớp động giảm và
cơ cấu bền hơn. Ngoài ra, nếu lực quán tính
nhỏ, lò xo không cần cứng lắm, không xảy ra
hiện tợng va đập giữa cần và cam.
b. Lý thuyết thiết kế cơ cấu cam đợc
trình bày trong các tài liệu [1], [2], [7] đợc
Dynamic Designer áp dụng.
c.Trình tự thiết kế
Trong quá trình thực hiện mô phỏng mỗi

cơ cấu sẽ đợc triển khai theo trình tự nh
sau:
- Sử dụng AuToCAD Mechanical Power
Pack để thiết kế biên dạng của Cam.
- Sử dụng biên dạng đó để thiết kế mô
hình cơ cấu Cam trên AuToDesk Inventor.
>

>

>

Đồ thị chuyển vị
Đ
ồ th
ị
v
ậ
n tốc
Đồ th
ị

g
ia tốc

Sau đó triển khai tính toán và mô phỏng cơ
cấu bằng Dynamic Designer Motion.
- Kết quả tính toán, mô phỏng trên
Dynamic Designer Motion sẽ đợc xuất ra các
đồ thị kết quả. Căn cứ vào đó để đa ra các

kết luận và so sánh với phơng pháp thiết kế
cơ cấu Cam theo lý thuyết truyền thống.
d. Thí dụ
Dynamic Designer là phần mềm dựa trên
môi trờng của AuToDesk Inventor do đó các
mô hình mô phỏng đều đợc thực hiện trên
AuToDesk Inventor. Tuy nhiên AuToDesk
Inventor không có khả năng tính toán tạo hình
biên dạng, mà đơn thuần chỉ là một phần
mềm thiết kế các mô hình 3D, từ những chi
tiết đơn lẻ cho đến các cụm chi tiết lắp ráp với
nhau. Phần mềm Mechanical Power Pack có
khả năng tính toán và xây dựng biên dạng
Cam một cách chính xác theo những quy luật
chuyển vị, vận tốc và gia tốc của cần đợc
cho trớc. Sự kết hợp giữa hai phần mềm này
sẽ xây dựng mô hình 3D một cách chính xác.

Kết quả mô phỏng với Dynamic
designer motion
Các kết quả tính toán mô phỏng theo
thời gian.
Chuyển vị góc của Cần lắc theo thời gian

Vận tốc góc của Cần lắc theo thời gian
(giá trị độ lớn)

Gia tốc góc của cần lắc theo thời gian
(giá trị độ lớn)

áp lực khớp giữa Cam và Giá theo thời
gian

Các kết quả tính theo
góc hnh trình của Cam
Chuyển vị góc của Cần
lắc theo góc hành trình của
Cam


Vận tốc góc của Cần lắc theo góc hành
trình của Cam

Gia tốc góc của Cần lắc theo góc hành
trình của Cam

áp lực khớp giữa Cam và Giá theo góc
hành trình của Cam

iii. kết luận
- Nếu nh trớc đây khi thiết kế Cam
theo [1] và [7] chúng ta phải vi phân hay tích
phân đồ thị quy luật vận tốc, gia tốc. Công
việc này mất rất nhiều thời gian nhng nếu sử
dụng Dynamic Designer Motion công việc này
đợc tự động hoá. Đồng thời chúng ta có thể
nhìn trực tiếp cơ cấu Cam trên mô hình. Có
thể chọn lựa tối u cơ cấu theo ý muốn.
- Kết quả tính toán chuyển vị góc của
Cam, chuyển vị góc của cần lắc, chuyển vị

thẳng của cần đẩy, vận tốc góc, gia tốc góc
và áp lực ăn khớp giữa Cam và cần đẩy, cần
lắc Nói tóm lại khi mô phỏng ta nhận đợc
các kết quả tính toán động học và động lực
học khác của các khâu tất cả đều đợc biểu
thị trên đồ thị một cách dễ dàng.
- Biên dạng Cam đợc thiết kế trên
CAD/CAM/CAE chuyển dữ liệu NC sang máy
CNC để chế tạo biên dạng Cam chính xác.
Tài liệu tham khảo
[1]. Đinh Gia Tờng, Trần Doãn Tiến. Giáo trình
nguyên lý máy. Nhà xuất bản Đại học và
Trung học chuyên nghiệp. Hà nội, 1970.
[2]. . 1970.
[3]. PGS. TS. An Hiệp, TS. Trần Vĩnh Hng. Phần
mềm chuyên dụng thiết kế cơ khí AutoCAD
Mechanical 2002 Power Pack. NXB giao thông
vận tải. Hà nội, 2003.
[4]. PGS. TS. An Hiệp, TS. Trần Vĩnh Hng. Phần
mềm chuyên dụng thiết kế cơ khí Autodesk
Inventor. NXB giao thông vận tải. Hà nội,
2003.
[5]. I.I Artobolevsky. Mechanics in Modern
Engineering Design (Volume 4). Mir
Publishers, 1977.
[6]. Copyright 1997 2002 by Mechanical
Dynamics, Inc. Dynamic Designer Motion
Users Guide. Part Number DMIV03R0 01.
Second Printing October 2002.
[7]. Lê Phớc Ninh. Nguyên lý máy. Nhà xuất bản

giao thông vận tải, Hà Nội 2000