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 . 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. 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. 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