Ứng dụng phần mềm CADCAM để nghiên cứu ảnh hưởng của hình học tạo hình đến độ chính xác gia công bề mặt không gian trên máy phay CNC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.45 MB, 119 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------------------------
NGUYỄN TIẾN TIỆP
ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CAD/CAM ĐỂ NGHIÊN CỨU
ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH HỌC TẠO HÌNH ĐẾN ĐỘ
CHÍNH XÁC GIA CÔNG BỀ MẶT KHÔNG GIAN TRÊN
MÁY PHAY CNC
LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TRẦN XUÂN THÁI
HÀ NỘI – 2010
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Xuân Thái, Giảng viên trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nhiệt tình hướng dẫn khoa học cho tôi trong suốt
quá trình làm luận văn thạc sĩ.
Tôi xin cảm ơn tập thể giảng viên Khoa Công nghệ - Trường Đại học Hải
Phòng đã tạo điều kiện giúp đỡ về máy móc, thiết bị và động viên tinh thần và đóng
góp ý kiến để tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Cơ khí, Viện Sau đại học – Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và hướng dẫn tôi các thủ tục cần thiết
trong suốt quá trình tôi làm và bảo vệ luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn học viên trong lớp cao học ngành Công
nghệ cơ khí khóa 2008 – 2010 đã luôn luôn sát cánh ủng hộ và giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình học và quá trình làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy phản biện đã cho tôi các ý kiến đóng góp
quý báu để tôi có thể hoàn thành tốt phần nghiên cứu khoa học của mình.
Hà nội, tháng 10 năm 2010
Học viên
Nguyễn Tiến Tiệp
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................... 5
MỞ ĐẦU
............................................................................................................. 10
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................... 10
2. Lịch sử nghiên cứu ........................................................................................... 10
3. Cơ sở, mục đích, phạm vi nghiên cứu của luận văn ......................................... 10
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM ........................................ 12
1.1. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM ............................................................... 12
1.2. Một số phần mềm CAD/CAM được ứng dụng trên Thế giới và Việt Nam ..... 13
1.3. Ứng dụng các phần mềm CAD/CAM trong thiết kế và mô phỏng quá trình
chế tạo chi tiết. ........................................................................................................ 20
1.3.1. Ứng dụng trong thiết kế .............................................................................20
1.3.2. Ứng dụng trong tính toán và mô phỏng quá trình gia công .......................20
1.4. Một số loại hình học dụng cụ cắt thường sử dụng trong gia công bề mặt 3D
có thể lựa chọn trên phần mềm CAD/CAM ........................................................... 26
Chương 2 TẠO HÌNH BỀ MẶT KHÔNG GIAN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
CAD/CAM/CNC ....................................................................................................... 29
2.1. Phân loại bề mặt không gian ............................................................................ 29
2.2. Các phương pháp tạo hình bề mặt không gian bằng gia công phay ................. 31
2.2.1. Phay định hình ...........................................................................................31
2.2.2. Phay bao hình .............................................................................................31
2.3. Xử lý các dữ liệu chương trình tạo hình trong máy CNC ................................ 35
1
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Chương 3 ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH HỌC DỤNG CỤ VÀ ĐƯỜNG DỤNG
CỤ ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC GIA CÔNG PHAY BỀ MẶT. ..................................... 40
3.1. Độ chính xác gia công bề mặt .......................................................................... 40
3.1.1. Dung sai gia công ......................................................................................41
3.1.2. Chiều cao nhấp nhô....................................................................................41
3.1.3. Độ nhám bề mặt và độ sóng bề mặt ...........................................................42
3.1.4. Sự hình thành bề mặt 3D khi gia công trên máy phay CNC .....................44
3.2. Ảnh hưởng của hình học dụng cụ đến chất lượng tạo hình bề mặt trong gia
công ứng dụng phần mềm CAD/CAM ................................................................... 47
3.2.1. Mối quan hệ tương quan giữa hình học bề mặt không gian và hình học
dụng cụ cắt trong gia công với bước tiến ngang lớn ............................................47
3.2.2. Mối quan hệ tương quan giữa hình học bề mặt không gian và hình học
dụng cụ cắt trong gia công với bước tiến ngang nhỏ. ...........................................54
3.3. Ảnh hưởng của hình học đường chạy dao tới độ chính xác gia công phay bề
mặt 3D ..................................................................................................................... 61
3.3.1. Khái niệm về đường chạy dao ...................................................................61
3.3.2. Các thông số của đường dụng cụ ...............................................................63
3.3.3. Ảnh hưởng của đường chạy dao khi gia công ...........................................65
3.4. Tổng kết chương 4 ............................................................................................ 85
Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ............................................................ 87
4.1. Thí nghiệm ảnh hưởng của hình học dụng cụ đến chất lượng bề mặt dụng
cụ cắt ....................................................................................................................... 87
4.1.1. Trong gia công mặt phẳng .........................................................................87
4.1.2. Trong gia công mặt cong ...........................................................................88
2
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
4.2. Thí nghiệm ảnh hưởng của hình học đường dụng cụ đến chất lượng bề mặt
dụng cụ cắt .............................................................................................................. 94
4.2.1. Trong gia công mặt cong ...........................................................................94
4.3. Kết luận chương 5 .......................................................................................... 105
KẾT LUẬN CHUNG .............................................................................................. 107
CÁC ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ....................................................... 115
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................ 116
3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ, đề tài: “Ứng dụng phần mềm CAD/CAM
để nghiên cứu ảnh hưởng của hình học tạo hình đến độ chính xác gia công bề mặt
không gian trên máy phay CNC”, tên tiếng Anh: “Application of CAD/CAM
software to research the influence of tool-path and tool-shape to the precision of
surface milling on CNC machine” là công trình nghiên cứu của tôi, các kế quả
nghiên cứu và số liệu được trình bày trong luận văn là do tôi thực hiện, không sao
chép ở bất cứ tài liệu nào.
Học viên
Nguyễn Tiến Tiệp
4
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Sản phẩm được thiết kế bằng Solidwork .........................................15
Hình 1-2. Gia công với SolidCam ....................................................................16
Hình 1-3. Sản phẩm thiết kế với CATIA .........................................................18
Hình 1-4. Chức năng phân tích của CATIA .....................................................19
Hình 1-5 Các phương án chạy dao trong gia công hốc ....................................21
Hình 1-6 Phay thuận và phay nghịch ...............................................................22
Hình 1-7 Dung sai gia công ..............................................................................22
Hình 1-8 Các thông số chạy dao theo phương ngang ......................................22
Hình 1-9. Mỗi lớp cắt thô là offset của bề mặt chi tiết (Surface) .....................23
Hình 1-10. Chạy dao mỗi lớp cắt cùng nằm trên một mặt phẳng ....................23
Hình 1-11. Chạy dao mỗi lớp cắt uốn theo bề mặt ...........................................24
Hình 1-12. Các phương án chạy dao khi gia công tinh ....................................24
Hình 1-13. Điều chỉnh thông số lớp cắt ...........................................................25
Hình 1-14. Bước tiến dao ngang khi phay .......................................................25
Hình 1-15 Một số loại dụng cụ cắt thường sử dụng trong gia công bề mặt
3D .................................................................................................... 26
Hình 1-16. Khả năng lấy lượng dư của các loại dao có hình dáng khác nhau .27
Hình 2-1 Bề mặt một số chi tiết máy và dụng cụ cơ bản .................................29
Hình 2-2 Bề mặt khuôn mẫu ............................................................................30
Hình 2-3. Phương pháp phay định hình ...........................................................31
Hình 2-4. Sơ đồ phay lăn răng..........................................................................32
Hình 2-5. Phay rãnh xoắn .................................................................................33
Hình 2-6. Nhóm bề mặt khuôn mẫu .................................................................34
Hình 2-7. Bề mặt chi tiết được hình thành khi phay ........................................34
Hình 2-8 Biên dạng cần nội suy .......................................................................35
Hình 2-9 Tính khoảng nội thẳng suy theo các trục ..........................................36
Hình 2-10 Nội suy vòng theo phương pháp DDA ...........................................38
Hình 3-1 Dung sai gia công ..............................................................................41
5
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Hình 3-2 Chiều cao nhấp nhô ...........................................................................41
Hình 3-3 Độ nhám bề mặt chi tiết ....................................................................42
Hình 3-4 Tổng quát về độ nhám và độ sóng bề mặt chi tiết máy.....................43
Hình 3-5. Sơ đồ tính dung sai gia công ............................................................45
Hình 3-6. Bề mặt thực tạo thành do ảnh hưởng của dung sai gia công ...........45
Hình 3-7. Cắt lẹm và không cắt ........................................................................46
Hình 3-8. Chiều cao nhấp nhô khi gia công bề mặt 3D ...................................47
Hình 3-9. Sơ đồ tính chiều cao nhấp nhô khi gia công bằng dao phay đầu
cầu ...................................................................................................48
Hình 3-10. Chiều cao nhấp nhô khi gia công bề mặt lồi bằng dao đầu cầu .....48
Hình 3-11. Sơ đồ tính chiều cao nhấp nhô khi gia công bề mặt lồi bằng dao
đầu cầu ............................................................................................49
Hình 3-12. Sơ đồ tính chiều cao nhấp nhô khi gia công bề mặt cong lõm
bằng dao phay đầu cầu ....................................................................50
Hình 3-13 Chiều cao nhấp nhô khi cắt bằng dao phay trụ đầu phẳng .............52
Hình 3-14. Gia công mặt cong bằng dao phay ngón đầu bằng ........................52
Hình 3-15 Nhấp nhô để lại với 2 loại dao ........................................................53
Hình 3-16 Lượng dư để lại khi gia công bằng dao phay ngón đầu phẳng .......53
Hình 3-17 Điểm tạo hình tại các vùng bề mặt khác nhau ................................55
Hình 3-18 Bề mặt không gian ..........................................................................56
Hình 3-19 Quỹ đạo điểm tạo hình ....................................................................57
Hình 3-20 Sơ đồ tính chiều cao nhấp nhô gia công bằng dao đầu cầu ............58
Hình 3-21 Sơ đồ gia công mặt cong lõm khi góc θ ≠0.....................................59
Hình 3-22 Tạo hình bằng dao phay ngón đầu cầu ............................................60
Hình 3-23 Gia công mặt cong lõm bằng dao phay đầu cầu .............................61
Hình 3-24. Đường chạy dao .............................................................................61
Hình 3-25 Đường dụng cụ 2D ..........................................................................62
Hình 3-26. Các kiểu hình học dụng cụ 2D .......................................................62
6
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Hình 3-27. Gia công bề mặt cong với hai phương án đường dụng cụ khác
nhau .................................................................................................63
Hình 3-28. Khoảng cách giữa 2 vị trí chạy dao liên tiếp..................................64
Hình 3-29. Khoảng cách giữa 2 điểm nút ........................................................64
Hình 3-30 Chạy dao theo đường kiểu gạch mặt cắt .........................................65
Hình 3-31 Tối ưu hóa quỹ đạo đường chạy dao ...............................................66
Hình 3-32 Chạy dao theo contour ....................................................................66
Hình 3-33 Hình dạng phôi sau gia công thô bằng dao phay ngón đầu bằng
với kiểu chạy dao contour ...............................................................67
Hình 3-34 Gia công dao ăn theo trục Z ............................................................67
Hình 3-35 Sơ đồ tính đường tạo hình ...............................................................69
Hình 3-36 Sơ đồ tính hình chiếu của đường tròn tạo hình lên măt phẳng P ....70
Hình 3-37 Hình chiếu của đường tròn tạo hình lên mặt phẳng vuông góc với
véc tơ tốc độ chạy dao tức thời .......................................................70
Hình 3-38 Hình chiếu của đường tròn tạo hình trên mặt phẳng P ...................71
Hình 3-39 Chiều cao nhấp nhô để lại sau gia công ..........................................71
Hình 3-40 Khả năng lấy lượng dư tại mỗi vị trí tiếp xúc .................................72
Hình 3-41 Đường chạy dao tối ưu ....................................................................74
Hình 3-42 Chạy dao theo đường uốn theo biên dạng (linear) ..........................74
Hình 3-43 Gia công mặt cong với các phương án đường chạy dao khác nhau 75
Hình 3-44 Bề mặt dạng chỏm cầu ....................................................................75
Hình 3-45 Phương án chạy dao khi gia công mặt chỏm cầu ............................76
Hình 3-46 Chỏm cầu lõm được mô phỏng sau gia công ..................................76
Hình 3-47 Gia công bề mặt chỏm cầu với các phương án chạy dao khác
nhau .................................................................................................77
Hình 3-48 Gia công thành bên của hốc ............................................................77
Hình 3-49 Bề mặt côn ......................................................................................78
Hình 3-50 Gia công mặt nghiêng .....................................................................78
Hình 3-51 Phương án chạy dao khi gia công mặt nghiêng ..............................79
7
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Hình 3-52 Mặt nghiêng sau khi gia công .........................................................79
Hình 3-53 Chạy dao theo kiểu hình tia.............................................................80
Hình 3-54 Gia công bề mặt cong lồi ................................................................81
Hình 3-55 Bề mặt chi tiết tạo thành có lựa chọn đường chạy dao cắt ngang
các đường chạy dao ở lần cắt trước ................................................81
Hình 3-56 Phương án chạy dao dạng mặt cong phức tạp.................................82
Hình 3-57 Mô phỏng kết quả gia công bề mặt cong phức tạp .........................82
Hình 3-58 Phương án chạy dao dạng mặt cong phức tạp.................................83
Hình 3-59 Kết quả mô phỏng gia công ............................................................83
Hình 3-60 Chạy dao theo đường xoắn ốc .........................................................84
Hình 3-61 Chạy dao theo dạng đường kẻ .........................................................84
Hình 3-62 Chạy dao sửa đúng biên dạng tại phần giao nhau ...........................85
Hình 4-1 Dao phay ngón đầu cầu và đầu phẳng ..............................................87
Hình 4-2 Mẫu chi tiết gia công mặt phẳng .......................................................87
Hình 4-3 Bề mặt chi tiết đạt được sau khi gia công; a. gia công sử dụng dao
phay ngón đầu cầu và b. sử dụng dao phay đầu phẳng ...................88
Hình 4-4 Chi tiết cần gia công..........................................................................89
Hình 4-5 Phôi sau khi gia công thô ..................................................................90
Hình 4-6 Gia công với dao phay ngón đầu cầu ................................................90
Hình 4-7 Gia công với dao phay ngón đầu bằng ..............................................91
Hình 4-8 Mẫu gia công mặt cong mô phỏng bằng phần mềm CATIA I.
Vùng gia công với dao phay ngón đầu cầu II. Vùng gia công với
dao phay ngón đầu phẳng ...............................................................91
Hình 4-9 Mẫu sau gia công với đường chạy dao ngang ...................................92
Hình 4-10 Profile của bề mặt mẫu đo vẽ được trên máy đo 3 tọa độ...............92
Hình 4-11 So sánh bề mặt thực và bề mặt lý thuyết.........................................93
Hình 4-12 Chiều cao các nhấp nhô tại các vị trí ..............................................93
Hình 4-13 Chiều cao các nhấp nhô khi gia công bằng dao phay đầu phẳng ....94
Hình 4-14 Gia công với đường chạy dao uốn theo biên dạng cong .................95
8
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Hình 4-15 Phương án đường chạy dao uốn theo mặt cong ..............................96
Hình 4-16 Mẫu sau gia công I. Vùng gia công sử dụng dao phay ngón đầu
cầu II. Vùng gia công sử dụng dao phay ngón đầu phẳng ..............96
Hình 4-17 Mẫu sau gia công với đường chạy dao dọc .....................................97
Hình 4-18 Vỏ chuột máy tính .........................................................................101
Hình 4-19 Lõi khuôn chuột máy tính .............................................................101
Hình 4-20 Đường chạy dao khi gia công thô .................................................102
Hình 4-21 Bề mặt đạt được sau khi gia công thô (mô phỏng bằng phần mềm
CATIA) .........................................................................................103
Hình 4-22 Chi tiết sau khi gia công tinh ........................................................104
Hình 4-23 Khuôn con chuột sau gia công tinh ...............................................104
9
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay rất nhiều doanh nghiệp sản xuất tại Việt Nam đã đầu tư các máy móc
thiết bị mới, trong đó có các máy công cụ CNC (Cmputer Numerical Control). Để
khai thác hiệu quả máy công cụ CNC trong sản xuất cần thiết phải ứng dụng
CAD/CAM, có như vậy thì ngành cơ khí của nước ta mới tiếp cận và hội nhập với
trình độ hiện đại của các nước phát triển trên thế giới.
Trong việc ứng dụng các phần mềm CAD/CAM để thiết kế và gia công các
sản phẩm cơ khí, khi gia công năng suất và chất lượng bề mặt của sản phẩm phụ
thuộc rất nhiều vào hình học của dụng cụ cắt đã lựa chọn, phương án đường chạy
dao trong quá trình gia công. Vì vậy việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của hình học
dụng cụ cắt và phương án đường dụng cụ khi sử dụng phần mềm CAD/CAM để
đưa ra những giải pháp tối ưu đảm bảo chất lượng bề mặt sản phẩm và năng suất
của quá trình gia công là thực sự cần thiết.
2. Lịch sử nghiên cứu
Công nghệ CAD/CAM đã được phát triển từ rất lâu trên thế giới, tuy nhiên ở
Việt Nam thì hiện nay gần như mới bắt đầu, do đó các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực
này chưa nhiều ở nước ta.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng của hình học dụng cụ cắt và hình học tạo hình đến
chất lượng bề mặt chi tiết máy, ở nước ngoài đã có rất nhiều công trình nghiên cứu,
nhưng kết quả ứng dụng ở Việt Nam thì rất ít, có thể do sự hạn chế về điều kiện
kinh tế kỹ thuật, … Trong nước cũng đã có một số đề tài có đề cập đến, tuy nhiên
để đạt được kết quả cao trong việc ứng dụng các phần mềm CAD/CAM cần có
nhiều đề tài nghiên cứu sâu, rộng hơn nữa.
3. Cơ sở, mục đích, phạm vi nghiên cứu của luận văn
Cơ sở nghiên cứu
10
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Cơ sở khoa học: Lý thuyết tạo hình bề mặt không gian, Công nghệ CAD/CAM
trong chế tạo các sản phẩm cơ khí.
Cơ sở thực tiễn: Độ chính xác tạo hình là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất
lượng của các bề mặt khuôn mẫu, chi tiết máy. Với các điều kiện thực tiễn trong sản
xuất công nghiệp hiện nay tại Việt Nam như ứng dụng các phần mềm CAD/CAM
và máy phay CNC hoàn toàn có khả năng nghiên cứu các yếu tố hình học tạo hình
ảnh hưởng đến độ chính xác bề mặt gia công nhằm nâng cao năng xuất và chất
lượng sản phẩm
Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu ảnh hưởng của hình học dụng cụ cắt và hình học tạo hình đến chất
lượng bề mặt không gian khi gia công trên máy phay 3 trục.
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu một số phần mềm CAD/CAM
- Nghiên cứu nguyên lý làm việc, nguyên lý điều khiển của máy phay CNC
- Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết máy
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hình học dụng cụ đến độ chính xác gia công bề
mặt không gian trên máy phay 3 trục
- Nghiên cứu ảnh hưởng của phương án đường dụng cụ đến độ chính xác gia
công bề mặt không gian trên máy phay 3 trục
- Thí nghiệm đánh giá kết quả
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết ứng dụng phần mềm CAD/CAM
Nghiên cứu sản phẩm thực tế qua các mô hình thí nghiệm.
11
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CAD/CAM
1.1. Tổng quan về công nghệ CAD/CAM
Kỹ thuật CAD/CAM đã được nghiên cứu, xây dựng và nâng cấp ngày càng
hoàn thiện hơn, sau đây là những mốc phát triển quan trọng nhất của kỹ thuật
CAD/CAM:
Năm 1979 khớp nối liên hoàn CAD/CAM đầu tiên đã được tạo lập
Năm 1984 hệ CNC với công cụ trợ giúp đồ họa (Graphic) tạo khả năng mô
phỏng (Simulation) trên màn hình máy tính.
Năm 1986/1987 giao diện tiêu chuẩn hóa (Standard Interfaces) tạo khả năng
tích hợp hóa và tự động hóa sản xuất theo mô hình CIM (Computer Intergrated
Manufacturing).
Năm 1990 giao diện số (Digital Interfaces) giữa hệ điều khiển NC và các hệ
khởi động đã cải thiện độ chính xác và đáp ứng điều khiển của các trục NC và của
trục chính máy.
Năm 1994 khép kín chuỗi quá trình CAD/CAM/CNC bằng cách dùng hệ
NURBS (Not Uniforme Rationale B-Splines) là phương pháp nội suy
(interpolation) trong các hệ CNC. Hệ NURBS dùng để diễn tả toán học các bề mặt
gia công bằng các điểm và các thông số tạo thành mô hình lưới bề mặt gồm nhiều
nút, diễn tả bề mặt với độ mịn cao, truy cập trực tiếp từ hệ CAD (Computer Aided
Design). Giải pháp này giảm lượng dữ liệu, tăng độ chính xác và tốc độ xử lý, tạo
chuyển động đều đặn của máy, tăng tuổi thọ của máy và của dao cắt.
Năm 1996 điều khiển bộ khởi động số (Digital Motor Control) và nội suy
chính xác với độ phân giải nhỏ hơn 0.001mm, lượng tiến dao đạt tới 100m/phút.
Năm 1997 kỹ thuật thực hiện ảo tạo khả năng mô phỏng không gian có hiệu
quả hơn.
12
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
CAD là viết tắt của thuật ngữ tiếng Anh Computer Aided Design, có nghĩa là
hệ thống thiết kế có sự trợ giúp của máy tính, với hệ CAD có thể tính toán các dữ
liệu khác nhau như thể tích, diện tích, trọng lượng, sức bền, vv… có thể tạo lập các
bản vẽ như bản vẽ lắp (Assembly drawings), bản vẽ chi tiết (Part drawings) và bản
vẽ tỉ mỉ (Detail drawings).
CAM là hệ thống gia công (chế tạo, sản xuất) có sự trợ giúp của máy tính
(Manufacturing system aided by computers), viết tắt của thuật ngữ tiếng Anh
Computer aided manufacturing.
Hệ thống CAD/CAM là hệ thống tích hợp giữa CAD và CAM, nghĩa là hệ
thống thiết kế và chế tạo tích hợp có sự trợ giúp của máy tính, phối hợp giữa thiết
kế bằng hệ CAD và chế tạo bằng hệ CAM.
Ngày nay giải pháp tích hợp của các hệ thống CAD/CAM (integration of
CAD/CAM system) đang được coi trọng trong nghiên cứu và ứng dụng. Một hệ
CAD/CAM có thể gồm những bộ phần mềm CAD và CAM tách biệt nhau hoặc tích
hợp.
1.2. Một số phần mềm CAD/CAM được ứng dụng trên Thế giới và Việt Nam
Hiện nay trên thị trường đã xuất hiện rất nhiều phần mềm CAD/CAM của các
hãng khác nhau trên thế giới và các phần mềm này đã bắt đầu được ứng dụng rộng
rãi ở Việt Nam trong những năm gần đây. Số lượng các phần mềm CAD/CAM có
thể đến vài chục, trong đó có một số phần mềm được nhiều doanh nghiệp trong và
ngoài nước sử dụng cũng như được người sử dụng biết đến nhiều nhất như CATIA,
Pro/Engineer, Solidworks, Cimatron, UniGraphics, Mastercam, vv…
Mỗi người sử dụng CAD/CAM có thể có đánh giá riêng. Sau đây là một số
thông tin thu thập qua các tài liệu phân tích thị trường của nước ngoài. Với xu
hướng toàn cầu hoá và trình độ thông tin như hiện nay thì việc cập nhật các chức
năng và công nghệ tiên tiến khá dễ dàng. Điều đó thể hiện ở chỗ thời gian để các
hãng đưa ra một version mới được rút ngắn rất nhanh, một công nghệ mới ra đời tại
13
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
hãng này thì chỉ mấy tháng sau đã thấy xuất hiện ở sản phẩm của hãng khác. Vì vậy,
không thấy có sự khác biệt đáng kể về chức năng giữa các hệ CAD/CAM. Sự khác
nhau có chăng là ở cách đóng gói, cách cung cấp các modul chức năng tới khách
hàng như thế nào, mà đó là vì lý do thương mại. Khi lựa chọn phần mềm, ngoài tính
năng kỹ thuật, cần đặc biệt quan tâm đến môi trường làm việc mà phần mềm tạo ra
và chi phí sử dụng phần mềm.
Pro/Engineer là sản phẩm của PTC (Parametric Technology Corp). Đây là
hãng lớn, có bề dày và doanh thu cao trong thị trường CAD thế giới. Mọi công việc
về cơ khí: thiết kế thông thường, khuôn, phần tử hữu hạn, lắp ráp, CAM (lập trình
cho máy phay tới 5 trục, tiện với trục C, cắt dây,...) đều có thể thực hiện trên Pro/E
và các modul mở rộng của nó. Nhược điểm lớn nhất của Pro/E là rất khó học và khó
sử dụng. Các phiên bản trước của Pro/E chạy trong Unix. Gần đây PTC cho ra các
phiên bản Windows, và kể từ phiên bản Pro/E 2000i đã rất cố gắng cải tiến giao
diện người dùng theo chuẩn Windows. Phiên bản Pro/E Wildfire ra năm 2002 đã
thể hiện bước tiến đáng ghi nhận về giao diện người dùng của Pro/E. Tuy nhiên,
ngay cả trong các phiên bản mới của Pro/E, khả năng xử lý tài nguyên còn hạn chế.
Cùng một công việc, Pro/E đòi hỏi cấu hình phần cứng máy tính cao và chạy khá
nặng nề.
Cimatron là sản phẩm của hãng cùng tên (Israel), có tính năng và đặc điểm
tương tự như của Pro/E. Đó là phần mềm mô hình hoá 3D mạnh, đặc biệt về thiết kế
khuôn mẫu, mô hình hoá và gia công bề mặt. Các phiên bản trước của Cimatron
cũng rất khó dùng. Bắt đầu từ phiên bản 12, giao diện của Cimatron cũng được cải
tiến một cách tích cực theo chuẩn Windows.
SolidWorks và Autodesk là 2 hãng sản xuất phần mềm CAD nổi tiếng thế
giới, đã sớm cho ra các phiên bản Windows.
SolidWorks là một trong những sản phẩm nổi tiếng của hãng Dassault
systemn, bên cạnh một sản phẩm nổi tiếng khác của hãng này là Catia.
14
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Hình 1-1. Sản phẩm được thiết kế bằng Solidwork
SolidWorks phần mềm thiết kế ba chiều được sử dụng rất rộng rãi trong các
lĩnh vực khác nhau như xây dựng, kiến trúc, cơ khí… được sử dụng các công nghệ
mới nhất về lĩnh vực đồ họa máy tính. Phần mềm SolidWorks do công ty
SolidWorks phát triển là một trong những phần mềm thiết kế uy tín nhất trên thế
giới. Phần mềm này cho phép người sử dụng xây dựng các mô hình chi tiết 3D, lắp
ráp chúng lại với nhau thành một bộ phận máy (máy) hoàn chỉnh, kiểm tra động
học, cung cấp thông tin về vật liệu…
Phần mềm SolidWorks cũng cho phép nhiều phần mềm ứng dụng nổi tiếng
khác chạy trực tiếp trên môi trường của nó. SolidWorks có thể xuất ra các file dữ
liệu định dạng chuẩn để người sử dụng có thể khai thác mô hình trong môi trường
các phần mềm phân tích khác như ANSYS, ADAMS, Pro-Casting…Trước sự phát
triển lớn mạnh của phần mềm CAD SolidWorks, hiện nay nhiều phần mềm
CAD/CAM đã viết thêm các modul nhận dạng trực tiếp file dữ liệu SolidWorks…
15
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Chức năng CAD: Phần mềm này có ưu điểm là giao diện đẹp, thân thiện, khả
năng thiết kế nhanh hơn các phần mềm khác rất nhiều nhờ vào sự xắp xếp và bố trí
các toolbar một cách có hệ thống và hợp lý. Phần mềm này không có nhiều modul
như Catia hay unigraphics vốn là những phần mềm lớn thiết kế trong nhiều lĩnh vực
như ôtô, hàng không, điện tử, … Solidworks chủ yếu được dùng trong cơ khí chính
xác, điện tử, ôtô, thiết kế cơ khí, tạo khuôn, thiết kế kim loại tấm… nói chung, về
các chức năng này thì Solidworks tỏ ra có không thua kém Catia, unigraphics thậm
chí còn hay hơn và tốt hơn, bởi lẽ nó chỉ chuyên về những lĩnh vực đó, cùng với
người anh em Catia của mình, Solidworks trở thành một trong những phần mềm nổi
tiếng thế giới của hãng Dassault systemn.
Hình 1-2. Gia công với SolidCam
Chức năng CAE: có lẽ đây là một ưu điểm của hãng sản xuất, khi mà họ mua
trọn gói bộ phần mềm phân tích nổi tiếng thế giới là Cosmos để tích hợp và chạy
ngay trong môi trường của solidworks bao gồm: COSMOS Motion,
COSMOSWorks, COSMOSFloworks làm cho chức năng Phân tích của Solid khó
16
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
có thể có phần mềm khác so sánh được được. Với modul phân tích của Solidworks
là cosmos, chúng ta có thể thực hiện được những bài phân tích vô cùng phức tạp
nhưng rất hay, dưới đây là liệt kê một vài bài toán dùng để tính với cosmos:
-
Phân tích tĩnh học.
-
Phân tích động học .
-
Phân tích động lực học(bài toán phân tích ứng suất khi cơ cấu chuyển
động – con lăn di chuyển trên ray).
-
Phân tích dao động.
-
Phân tích nhiệt học.
-
Phân tích sự va chạm của các chi tiết.
-
Phân tích thuỷ khí động học ( thông qua bài toán phân tích lượng nước
chảy qua cái robine và bố trí quạt thông gió cho CPU máy tính nhằm
tản nhiệt tốt hơn).
-
Phân tích quá trình rót kim loại lỏng vào khuôn và mức độ gia nhiệt cần
thiết cho quá trình đó.
-
Mô phỏng cánh tay Robot...
Bên cạnh những modul phân tích này thì Cosmos còn cho phép thực hiện
nhiều bài toán khác nữa. Nói chung là chương trình tính toán nhanh và cho phép
thực hiện phân tích cụm rất nhiều chi tiết, với các thông số kết quả là: ứng suất, sức
căng, chuyển vị, hệ số an toàn kết cấu …
Mold tools: Các công cụ giúp công việc thiết kế khuôn mẫu của bạn dễ dàng
hơn rất nhiều.
Autodesk có 2 sản phẩm thiết kế cơ khí chuyên dùng là Mechanical Desktop
(MDT) và Inventor. MDT chạy trên nền AutoCAD nên mọi giao diện tương tự của
AutoCAD, được người sử dụng hoan nghênh khi họ muốn chuyển từ môi trường
CAD truyền thống sang mô hình hoá 3D.
17
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Inventor chạy độc lập, sử dụng công nghệ tiên tiến. Ngoài công nghệ tham số,
hướng đối tượng như các phần mềm khác, Inventor lần đầu trình diễn công nghệ
thiết kế thích nghi. Chức năng quản lý theo Project cho phép thiết kế và quản lý các
cụm lắp ráp lớn. Giao diện người dùng của Inventor rất hoàn chỉnh, thân tiện, tiện
dụng và hấp dẫn. Hệ thống thanh công cụ của Inventor được thiết kế gọn, thông
minh, cho phép người dùng giảm thiểu di chuyển và số lần bấm chuột. Bên cạnh đó,
Inventor có hệ thống trợ giúp khá đầy đủ, phục vụ tốt cho mọi lớp người dùng. Bản
thân MDT và Inventor là phần mềm CAD/CAE chỉ có chức năng thiết kế thông
thường: mô hình hóa solid và bề mặt, phần tử hữu hạn, thư viện cơ khí, tính các bộ
truyền,... Các chức năng đặc biệt khác, như khuôn, CAM, được tích hợp từ các nhà
phát triển thứ 3 (MAI). Ưu điểm lớn nhất của các phần mềm này là dễ sử dụng, giao
diện người dùng thân thiện. Giá cả của chúng thuộc loại thấp.
CATIA viết tắt từ (Computer Aided Three Dimensional Interactive
Application) Nghĩa là
Xử lý tương tác trong
không gian ba chiều có
sự hỗ trợ của máy tính,
Catia là một bộ phần
mềm thương mại phức
hợp
được
CAD/CAM/CAE
hãng
Dassault
Systemes (đây là một
công ty của Pháp) phát
Hình 1-3. Sản phẩm thiết kế với CATIA
triển và IBM là nhà
phân phối trên toàn thế giới. Catia được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++. Catia là
viên đá nền tảng đầu tiên của bộ phần mềm quản lý toàn bộ 1 chu trình sản phẩm
của Dassault. Nó có khả năng thiết kế, phân tích kết cấu, lập trình và gia công CNC.
18
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Catia bao gồm 06 Module phục vụ cho toàn bộ quá trình thiết kế, tính toán tối
ưu và gia công trong lĩnh vực cơ khí, các modul của nó bao gồm:
1. Modul thiết kế cơ khí (Mechanical Deigsn): Modul này cho phép xây
dựng các chi tiết, các sản phẩm lắp ghép trong cơ khí.
2. Modul thiết kế bề mặt (Shape Design and Styling): Modul này cho phép
thiết kế các bề
mặt có biên
dạng,
kiểu
dáng phức tạp
trong lĩnh vực
thiết kế vỏ ô
tô, tàu biển,
máy bay,…
3. Modul phân
tích
(Analysis):
Hình 1-4. Chức năng phân tích của CATIA
Module này cho phép tính toán kiểm tra và mô phỏng chi tiết chịu tải
trọng trong môi trường kết cấu liên tục hoặc trong môi trường nhiệt độ. Từ
đó cho phép tối ưu kết cấu
4. Modul gia công (Manufacturing): Modul này cho phép mô phỏng quá
trình gia công chế tạo chi tiết thông qua việc lựa chọn dao, chế độ cắt, gá
đặt từ đó cho phép người thiết kế lựa chọn quá trình chế tạo hợp lý nâng
cao chất lượng gia công và tiết kiệm vật liệu.
5. Modul hệ thống các thiết bị (Equipments and systems): Cho phép xây
dựng các trang thiết bị, các hệ thống của một nhà máy theo tiêu chuẩn.
6. Modul thiết kế mặt bằng, nhà máy, dây chuyền sản xuất (Plant
Engineering): Cho phép thiết kế mặt bằng xưởng, nhà máy, dây chuyền
sản xuất.
19
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Đây là một phần mềm rất mạnh có khả năng giải quyết nhiều bài toán nên yêu
cầu cấu hình máy tính phải đảm bảo.Các đối tượng mà CATIA có khả năng làm
việc là:
-
Thiết kế cơ khí: Thiết kế chi tiết và các cơ cấu tổ hợp các sản phẩm dập
tấm, bề mặt và khung dây, thiết kế khuôn, thiết kế tàu thuỷ, ô tô, máy
bay v.v…
-
Thiết kế các kiểu dáng hình học 3D với những mặt cong bất kỳ.
-
Phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
-
Gia công CNC.
-
Thiết kế nhà xưởng.
-
Thiết kế hệ thống điện, điện tử, thủy lực.
-
Mô phỏng động học.
1.3. Ứng dụng các phần mềm CAD/CAM trong thiết kế và mô phỏng quá
trình chế tạo chi tiết.
1.3.1. Ứng dụng trong thiết kế
Với sự hỗ trợ của các phần mềm CAD hiện đại giúp cho quá trình thiết kế một
sản phẩm cơ khí trở nên nhanh hơn, hiệu quả hơn. Người thiết kế có thể thực hiện
quá trình thiết kế từ khâu phác thảo, thiết kế kết cấu, kiểm tra sức bền, mô phỏng
lắp ráp rồi đến mô phỏng quá trình làm việc của sản phẩm cơ khí. Ngoài ra các phần
mềm CAD còn cho phép giao tiếp với các phần mềm CAM hoặc các module CAM
để thực hiện quá trình gia công chế tạo.
1.3.2. Ứng dụng trong tính toán và mô phỏng quá trình gia công
Ứng dụng các phần mềm CAD/CAM trong việc tính toán công nghệ và mô
phỏng quá trình gia công đem lại hiệu quả làm việc cao trong sản xuất, giúp quá
trình thiết kế và chế tạo giảm được rất nhiều chi phí về thời gian và tiền bạc.
Trong phần phạm vi luận văn chỉ đưa ra giới thiệu một số phương án hình học
đường chạy dao có thể thực hiện được trên một số phần mềm CAD/CAM thông
20
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
dụng mà hiện nay được nhiều hãng hay tập đoàn lớn trên thế giới sử dụng.
a. Gia công hốc
Kiểu đường chạy dao (Toolpath)
Phay hốc với đường chạy dao theo kiểu xoắn ốc song song với đường bao
(Pocket Boundary), dao sẽ cắt từ trong ra ngoài (Hình 1-5.a).
a.
b.
c.
d.
e.
f.
Hình 1-5 Các phương án chạy dao trong gia công hốc
Phay hốc với đường chạy dao theo kiểu xoắn ốc song song với đường bao
(Pocket Boundary), dao sẽ cắt từ ngoài vào trong (Hình 1-5.b).
21
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
Phay hốc với đường chạy dao theo kiểu chữ S (Hình 1-5.c).
Phay hốc với đường chạy dao theo dạng Zig-Zag (Hình 1-5.d).
Phay hốc với đường chạy dao theo kiểu song song với đường bao (Pocket
Boundary), dao sẽ cắt theo một chiều (Hình 1-5.f).
Phay hốc dao cắt nhiều lớp (Hình 1-5.e)
Cài đặt các thông số gia công
-
Định nghĩa hướng véctơ tốc độ cắt
Phay dao phay thuận và dao phay nghịch (Hình 1-6)
-
Hình 1-6 Phay thuận
và phay nghịch
Dung sai gia công
Là khoảng sai số lớn nhất cho phép giữa biên dạng
(Contour) lý thuyết và đường chạy dao tính toán, xem trên Hình
1-7 (khi gia công chúng ta luôn mong muốn đường chạy dao
trùng với biên dạng của chi tiết cần gia công).
-
Định khoảng cách giữa 2 đường chạy dao liên tiếp
Hình 1-7 Dung
sai gia công
(Stepover), xem Hình 1-8.a.
-
Khoảng cách giữa hai đường chạy dao được tính toán theo % đường kính
dao với tỷ lệ nghịch, có giá trị tính toán trong khoảng từ 1% ÷ 99%
(Percentage of Tool Diameter), (xem Hình 1-8.b).
a.
b.
c.
d.
e.
Hình 1-8 Các thông số chạy dao theo phương ngang
-
Khoảng cách giữa hai đường chạy dao được tính toán theo % đường kính
22
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
VIỆN SĐH - ĐHBKHN
dao với tỷ lệ thuận, có giá trị tính toán trong khoảng từ 1% ÷ 99% xem
Hình 1-8.c.
b. Kiểu chạy dao khi gia công thô bề mặt ngoài
a.
b.
c.
Hình 1-9. Mỗi lớp cắt thô là offset của bề mặt chi tiết (Surface)
Với mỗi lớp cắt thô sẽ là Offset của bề mặt (Surface) với 3 cách chuyển dao
giữa các đường chạy dao, xem Hình 1-9.
a.
b.
c.
Hình 1-10. Chạy dao mỗi lớp cắt cùng nằm trên một mặt phẳng
Mỗi lớp cắt thô sẽ cùng phẳng với 3 cách chuyển dao giữa các đường chạy
dao, xem Hình 1-10.
23
