Nghiên cứu xây dựng biên dạng CAM Globoid trên phần mềm Creo Parametric 3.0

Nội dung text: Nghiên cứu xây dựng biên dạng CAM Globoid trên phần mềm Creo Parametric 3.0

1. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BIÊN DẠNG CAM GLOBOID TRÊN PHẦN MỀM CREO PARAMETRIC 3.0 Đặng Thiện Ngôn1, Nguyễn Trường Giang2 1 - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2 - Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM Email: Ntgiangck@gmail.com Tóm tắt Bề mặt đường cong phác thảo của CAM Globoid là một trong nhiều bề mặt không gian mở, chúng không thể được trải ra. Do đó rất khó để biểu diễn dưới dạng bản vẽ kỹ thuật 2D. Bài báo này đề xuất một quy trình tính toán thiết kế CAM Globoid: từ bước xác định và tính toán các thông số hoạt động, mô hình hóa tham số đường cong, đến việc thực hiện xây dựng phác thảo biên dạng trên phần mềm Creo Parametric 3.0. Từ khóa: Trục vít - bánh vít, đường cong, biên dạng CAM Globoid, Creo Parametric. Abtract The outline curved surface of globoidal indexing cam is a more complex space surface which can not spread out. Therefore, 2D mechanical drawing is difficult to describe it clearly. This paper proposes a process design calculations CAM Globoid: from step to identify and calculate the operating parameters, modeling parameter curves, to the implementation of construction contour outline on Creo Parametric 3.0 software. Keywords: Worm gear, cuver, CAM Globoid profile, Creo Parametric. 1. Giới thiệu Cơ cấu CAM Globoid là một loại thiết bị cơ khí, thích ứng cho không gian tốc độ cao trong các cơ cấu chuyển động gián đoạn. Bởi vì bề mặt biên dạng làm việc của CAM Globoid không trải ra được [1], vì vậy rất khó để thiết kế, nhưng cùng với sự phát triển và trợ giúp của công nghệ máy tính, việc thiết kế CAM có thể được thực hiện nhanh chóng dựa trên các phần mềm thiết kế 3D. Đi đôi với đó là giá cả và chất lượng thiết kế cũng tăng lên. 1
2. Trong bài báo này các thông số chuyển động và thông số hình học của cơ cấu CAM Globoid sẽ được tính toán dựa trên phần mềm Creo Parametric, hệ tọa độ 3D mô tả biên dạng làm việc của CAM được tính toán trực tiếp trên phần mềm dưới dạng tham số hình học. Kết thúc bằng việc tạo mô hình CAM 3D hoàn chỉnh. 2. Các phương pháp thiết kế CAM Globoid Bề mặt đường cong của CAM Globoid là một mặt cong không gian được bố trí trên nền một hình trụ nên việc thiết kế phải sử dụng thiết kế 3D với các thông số về tọa độ xác định. Để thiết kế bề mặt không gian này đã có một số nghiên cứu đề xuất cách giải phương trình đường cong bề mặt CAM bằng cách sử dụng các phần mềm CAD/CAM. Chao Zhang và Zhihong Zhang [3] đã đưa ra phương pháp thiết kế CAM Globoid dựa vào Matlab để giải phương trình đường cong, qua đó tính toán xác định tọa độ các điểm bề mặt bằng Matlab và thực hiện vẽ bằng Catia. Với cách này, các tác giả đã thành công trong việc xây dựng được bề mặt đường cong làm việc (hình 1) Hình 1. Kết quả giải phương trình đường cong trên Matlab [3] Các tác giả Guangguo Zhang,Zhibin Chang và Haitao Liu [4] đã sử dụng modul Catia/CAA của Catia để xây dựng mô hình 3D cho CAM. Hình 2. CAM Globoid trên phần mềm Catia [4] Trong công bố của mình Nianfu Xu, Feng Xu, Wei He [5] đã đề xuất cách xây dựng CAM Globoid bằng cách phát triển một phần mềm CAD/CAM (Pro/Toolkit) để phục vụ việc tính toán, vẽ biên dạng CAM chạy trên nền tảng Pro/E. Phần mềm được viết bằng VC và khi chạy trên nền Pro/E có giao diện như ở hình 3a và hộp nhập các thông số chính thực hiện việc tính toán và vẽ được trình bày ở hình 3b. 2
3. Hình 3. Giao diện và hộp nhập liệu khi chạy trên nền Pro/E [5] Cách thức của Chao Zhang và Zhihong Zhang [3] đòi hỏi phải có phần mềm Matlab và các kỹ năng tính toán tương ứng. Phương pháp do Nianfu Xu, Feng Xu, Wei He [5] đề xuất đòi hỏi phải xây dựng một phần mềm chạy trên nền tảng Pro/E. Các cách thức này không dễ triển khai trong thực tế và đòi hỏi nhiều thời gian khi thực hiện. Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu về xây dựng bề mặt CAM Globoid dựa trên khả năng tính toán và dựng hình của Creo Parametric. 3. Đề xuất phương pháp thiết kế CAM Globoid trên Creo Parametric Trên cơ sở các nghiên cứu [3, 4] và các kết quả nghiên cứu xây dựng phần mềm chạy trên nền tảng Pro/E [5] để mô hình hóa bề mặt CAM Globoid, phương pháp ứng dụng Creo để mô hình hóa bề mặt 3D được đề xuất gồm các bước sau: - Xác định các thông số hoạt động - Tính toán các thông số hoạt động - Đặt tham số đường cong - Các bước (vẽ) xây dựng biên dạng trên phần mềm Creo 3.1. Xác định các thông số hoạt động Bước này xác định các thông số cần thiết để tính toán thiết kế vẽ biên dạng CAM Globoid. Hình vẽ mô tả các thông số cụ thể được trình bày ở hình 3. - Số vòng quay trục vào N (vg/ph) H 2 H - Khoảng cách trục C (mm) o/2 O2 i/2 - Góc chia độ  p2  f r h b z e C - Số đầu mối H p1 r - Số khoảng chia I i o D D O1 D - Góc ăn khớp cho phép p 1 - Hướng quay của CAM  Trái p =1  Phải p = -1 B - Quy luật chuyển động (Modifile Sin Curve) Hình 4. Thông số thiết kế cơ bản 3
4. 3.2. Tính toán các thông số hoạt động Qua trình tính toán gồm các bước cụ thể sau: - Tính vận tốc góc trục vào 2πN w = (rad / s) (1) 1 60 - Tính góc dừng d, góc dao động z, thời gian chia độ, thời gian dừng của CAM + Tính góc dừng d d + f = 2 (2) f - Góc chia độ. + Góc dao động z 2π 2π.H = = (3) Z IZ Z - Số con lăn. Thường dùng Z = 6,8, 10, 12 và 16 Z = H.I (4) + Thời gian chia độ tf θf tf = (5) w1 + Thời gian dừng td θd td = (6) w1 - Xác định chuyển vị, vận tốc góc, gia tốc góc và gia tốc biến đổi của CAM (được tính toán trên phần mềm Creo) πθ 1 4π  f yh sin 0  (4 π)θff 4(4 π) θ 8 2 πθ 9 4π π ff7 yh sin  (7) 4 π (4 π)θff 4(4 π) 3θ 3 8 8 4 πθ 1 4π 7 f yh sin  f 4 π (4 π)θff 4(4 π) θ 8 h - là chuyển vị của cần - Xác định các thông số của bộ truyền + Bán kính vòng chia bàn xoay 4
5. C tgαp rp2 (8) Z Vmax tgα p θf Vmax - vận tốc lớn nhất theo quy luật đường cong + Bán kính của con lăn Rr = (0,5 ÷ 0,7)rp1 sin ( z/2) (9) + Chiều dài của con lăn br = (1 ÷ 1,4) Rr (10) + Khe hở giữa CAM và con lăn e = (0,2 ÷ 0,3) br (11) + Chiều dài theo hình vành khăn của con lăn có bao gồm cả khe hở h = e + br (12) + Bán kính đỉnh của bàn xoay Ho = br/2 + Rp2 (13) + Bán kính đáy của bàn xoay Hi = Rp1 - br/2 (14) + Bán kính vòng chia CAM rp1 rp1 = C - rp2 (15) + Bề rộng của CAM B = 2h (16) 3.3. Đặt tham số đường cong Thiết lập đường cong chuyển động cho biên dạng bề mặt dưới dạng tham số hình học bằng cách chia đường cong CAM thành 6 loại đường cong chính, trong đó 4 đường cong ở giai đoạn chia độ là 1L, 2L ,2R ,3R và 2 đường cong ở giai đoạn dừng quy định như trong hình 5 5
6. r r R R O2 O2 R R p2 p2 r r b b C C 3R 2L O1 O1 1 1 2R 1L B B Hình 5. Các đường cong 1L,2L, 2R, 3R và đường cong dừng của CAM Để thuận tiện cho quá trình xây dựng đường cong trên phần mềm 3D ta nhập các biểu thức với các giá trị trực tiếp được quy định như sau: c /* Khoảng cách trục*/ fei /* Góc  */ p /* Hướng CAM*/ r /*Tham số bề mặt thay đổi*/ B1 /* Góc chia độ f*/ w1 /* Vận tốc trục vào*/ n /* Số khoảng chia*/ w2 /* Vận tốc trục ra*/ th /* Góc theta  */ pus /* Góc ăn khớp  */ fei1 /* Góc 1 */ Tham số trên các đoạn đường cong 1L,2L,2R,3R và các đường cong dừng - Tính toán đường cong 1L + Thời điểm 0 ≤  ≤ f/8 - Góc quay i được tính θ θ =f (17) t I× t Trong đó: t – tham số cho đường cong - Góc vị trí của con lăn   = 0 + p I (18) 0 - góc vị trí bắt đầu của con lăn. Với đường cong 1L π φ = p (19) 01 Z i - góc chuyển vị của con lăn 6
7. πθ 1 4πθ φ = h×ii - sin (20) i (4 + π)θff 4(4 + π) θ - Vận tốc góc trục ra w2 4πθ 1- cos i θ w = h × π f (21) 2 (4 + π)θ f + Thời điểm f/8 ≤  ≤ 7f/8 - Góc quay i được tính θ6f θt = + (22) I I×θf ×t - Góc vị trí của con lăn i 2 πθ 9 4πθ π φ = h× +ii - sin + (23) i 4+π (4 + π)θff 4(4 + π) 3θ 3 - Vận tốc góc trục ra w2 π 4πθ 1-3cos + i 33θ w = h × π f (24) 2 (4 + π)θ f + Thời điểm 7f/8 ≤  ≤ f - Góc quay i được tính θ7f ×I θi = + (25) I× t θf - Góc vị trí của con lăn Φ. 4 πθ 1 4πθ φ = h× +ii - sin (26) i 4+π (4 + π)θff 4(4 + π) θ - Vận tốc góc trục ra w2 4πθ 1- cos i θ w = h × π f (27) 2 (4 + π)θ f 7
8. - Tính hệ số vận tốc tức thời ω w =2 (28) ω1 - Tính góc ăn khớp  p×r ω tanΨ = 2 +180 (29) C - rcosφω 1 - Tính x2, y2, z2 - Tọa độ 3 chiều các điểm tiếp xúc liên hợp của bề mặt làm việc hình trụ của con lăn trong hệ tọa độ S2 [2] x2 = r y2 = Rr cos() z2 = Rr sin() Thay tất cả công thức trên vào phương trình : x1 x 2 cos cosθ py 2 sin cosθ z 2 sinθ Ccosθ y1 x 2 cos sinθ py 2 sin sinθ z 2 cosθ Csinθ (30) z1 px 2 sin y 2 cos Ta được tọa độ theo 3 phương của đường cong 1L - Tính toán đường cong 2L Đường cong 2L giống với đường cong 1L chỉ khác ở góc 0 vị trí bắt đầu của con lăn. Với đường cong 2L π φ = - p (31) Z - Tính toán đường cong 2R Đường cong 2R giống với đường cong 2L chỉ khác ở góc ăn khớp  p×r ω tanΨ= 2 C - rcosφω 1 - Tính toán đường cong 3R Đường cong 3R giống với đường cong 2R chỉ khác ở góc 0 vị trí bắt đầu của con lăn 3π φ = - p (32) Z - Đường cong dừng bên trái 8
9. + Góc vị trí của con lăn . π φ = - p Z + Tính hệ số vận tốc tức thời w = 0 + Tính góc ăn khớp  p×r ω tanΨ= 2 C - rcosφω 1 + Tính x2, y2, z2 - Tọa độ 3 chiều các điểm tiếp xúc liên hợp của bề mặt làm việc hình trụ của con lăn trong hệ tọa độ S2 x2 = r y2 = Rr cos() z2 = 0 - Đường cong dừng bên phải Tương tự biên dạng đường cong bên trái chỉ khác ở góc vị trí của con lăn  π φ = p Z + Tính góc ăn khớp  p×r ω tanΨ = 2 +180 C - rcosφω 1 3.4. Các bước xây dựng biên dạng trên phần mềm Creo Thiết kế biên dạng CAM Globoid được thực hiện như sau: - Khởi động và thiết lập bản vẽ - Xây dựng các đường cong CAM (thực hiện bước 3.3) - Hợp biên đường cong và chuyển khối Solid - Hoàn thiện xây dựng biên dạng cam và lắp ghép hoàn chỉnh cơ cấu 4. Ứng dụng và kiểm chứng Để xác định khả năng ứng dụng của phương pháp, một CAM Globoid của máy đóng gói được tính tính toán thiết kế. Kết quả tính toán được so sánh với kết quả đã công bố thực hiện bằng phương pháp khác. 9
10. 4.1. Tính toán thiết kế - Bước 1: Tính toán thông số cơ bản THÔNG SỐ ĐẦU VÀO - Số vòng quay trục vào N = 300 vg/ph - Khoảng cách trục C = 180mm H 2 H o/2 O2 i/2 0 - Góc chia độ f = 120 p2  r h b z e - Số đầu mối H = 1 C p1 r - Số khoảng chia I = 8 i o D D O1 D 0 - Góc ăn khớp cho phép p = 30 1 - Hướng quay của CAM  Trái p =1 B - Quy luật chuyển động Modifile Sin Curve Áp dụng các công thức mục 3.2 ta có kết quả tính toán các thông số hoạt động như sau: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN - Vận tốc trục vào w =10 (rad/s) 0 - Góc dừng d = 240 0 - Góc dao động z = 45 - Số con lăn Z = 8 - Thời gian chia độ tf = 0,67 (s) - Thời gian dừng td = 0,13 (s) - Bán kính vòng chia bàn xoay rp2 = 84 mm - Bán kính vòng chia CAM rp1 = 96 mm - Bán kính của con lăn Rr = 22 mm - Chiều dài con lăn br = 24 mm - Khe hở CAM và con lăn e = 6 mm - Chiều dài theo hình vành khăn của con lăn h = 30 mm - Bán kính đỉnh của bàn xoay H0 = 96 mm - Bán kính đáy cảu bàn xoay Hi = 72 mm 10
11. - Bước 2: Xây dựng biên dạng trên Creo + Khởi động chương trình Từ File/New để mở một bản vẽ mới, bỏ dấu tick lựa chọn Use default template. chọn kiểu Part. Trong mục Template chọn kiểu mmns_part_solid. + Thiết lập các đường cong chuyển động 1L,2L,2R,3R và các đường cong dừng cho biên dạng bề mặt CAM Đặt tham số cho các đoạn đường cong. Từ Tab lệnh Model Datum Curve Curve from Equation Equation Relations để nhập thông số đường cong Click OK. Hình 6. Nhập tham số đường cong Thiết lập cho đường cong 1L Các giá trị tham số cho chuyển động lên của đường cong 1L c = 180 p = 1 B1=120 n = 8 h = 45 th = B1 /n*t fei1 = h*(pi*th/B1-1/4*sin(4*180*th/B1))/(4+pi) fei = 22.5 + P*fei1 r = 72 w1 = 10*pi w2 = pi*h*(1-cos(4*180*th/B1))/((4+pi)*B1) w = w2 /w1 pus = atan(p*r/(c - r*cos(fei))*w) + 180 x2 = r y2 = 22*cos( pus) z2 = 22*sin( pus) 11
12. x = x2*cos(fei)*cos(th)-p*y2*sin(fei)*cos(th)-z2*sin(th)-c*cos(th) y = -x2* cos(fei)*sin(th)+p*y2*sin(fei)*sin(th)-z2*cos(th)+c*sin( th) z = p*x2*sin(fei)+y2* cos(fei) Các mã code cho các đường cong dừng của phần 1L là giống như mã số cho các đường cong tăng, nhưng các biến sau đây được thay thế như sau: th = B1/n + 6/n*B1*t w2 = pi*h*(1-3*cos(180/3+4*180*th/3/B1))/((4+pi)*B1) fei1 = h*(2+pi*th/B1-9/4*sin(180/3+4*180*th/3/B1))/(4+pi) Các mã code cho các đường cong giảm của phần 1L là giống như mã số cho các đường cong dừng, nhưng các biến sau đây được thay thế như sau: th = B1/n*t+7/n*B1 w2 = pi*h*(1-cos(4*180*th/B1))/((4+pi)*B1) fei1 = h*(4+pi*th/B1-1/4*sin(4*180*th/B1))/(4+pi) Sự kết hợp của các mã nói trên hoàn thành phần đường cong 1L. a) Đoạn lên b) Đoạn dừng c) Đoạn xuống Hình 7. Đường cong 1L Các đường cong 2L, 2R, 3L được thiết lập tương tự. Thiết lập cho đường cong dừng Mã code cho đường cong dừng bên trái B1=240 th = 120+B1*t fei = -22.5 r = 72 w = 0 pus = atan(p*r/(c - r*cos(fei))*w) x2 = r y2 = 22*cos( pus) z2 = 0 x = x2*cos(fei)*cos(th)-p*y2*sin(fei)*cos(th)-z2*sin(th)-c*cos(th) y = -x2* cos(fei)*sin(th)+p*y2*sin(fei)*sin(th)-z2*cos(th)+c*sin(th) z = p*x2*sin(fei)+y2*cos(fei) Mã code cho đường cong dừng bên phải giống đường cong bên trái chỉ khác fei = 22.5 Tất cả các đường cong được thể hiện trong hình 8 12
13. Hình 8. Các đường cong CAM + Hợp biên và chuyển khối đường cong Từ Tab Menu Boundary Blend hợp nhất các đường cong. Sau khi hợp nhấp sử dụng Merge làm kín biên dạng va Solidify để chuyển từ biên dạng Surface thành dạng khối Solid. a) Liên kết đường cong b) Lệnh Boundary Blend c) Lệnh Solidify Hình 9. Hợp biên đường cong và chuyển khối Solid + Hoàn thiện CAM a) Mặt trước b) Mặt sau Hình 8. Biên dạng CAM hoàn thiện 13
14. 4.2. So sánh đối chứng Với việc xây dựng và giải phương trình đường cong trực tiếp dưới dạng tham số hình học, phương pháp đề xuất đã chứng minh được rằng, việc mô hình hóa tham số trực tiếp có thể thực hiện được trên phần mềm Creo. Để đánh giá độ chính xác của phương pháp, các số liệu về tọa độ điểm và biên dạng CAM hoàn chỉnh chỉnh được so sánh với kết quả do Chao Zhang và Zhihong Zhang [3] và Guangguo Zhang,Zhibin Chang và Haitao Liu [4] công bố. - So sánh số liệu toạ độ điểm a) Số liệu công bố [3, 4] b) Số liệu thực hiện trên Creo Hình 11. So sánh tọa độ điểm Dựa trên số liệu thực nghiệm tọa độ các điểm trên 2 phần mềm ta thấy kết quả hoàn toàn giống nhau, độ sai lệch là không đáng kể. - So sánh biên dạng CAM a) CAM trên Catia [3] b) CAM trên Creo Hình 10. So sánh biên dạng CAM Globoid hoàn chỉnh 14
15. Dựa trên biên dạng CAM thực nghiệm trên phần mềm Creo so sánh với biên dạng CAM đã công bố kết quả là giống nhau. 5. Kết luận Bài báo trình bày cách thức xây dựng biên dạng CAM Globoid trên Creo Parametric. Bằng cách sử dụng chức năng đường cong của phần mềm và tham số hóa trực tiếp phương trình đường cong bề mặt trên phần mềm đã giúp xác định được các thông số cần thiết để xây dựng biên dạng CAM. Một ứng dụng thiết kế CAM cho máy đóng gói đã được thực hiện theo đúng các bước đã đề ra. Kết quả cho thấy: - Số liệu về toạ độ các điểm là trùng khớp nhau - Biên dạng CAM là giống nhau Biên dạng cơ cấu CAM Globoid đã được tính toán, thiết kế và xây dựng biên dạng thành công trên Creo. Phương pháp đề xuất không quá phức tạp, số liệu được nhập qua các biểu thức tham số cho phép dễ dành thay đổi khi cần cần thiết. Điều này đã cung cấp một nền tảng hiệu quả cho các doanh nghiệp để ứng dụng nghiên cứu, thiết kế sản phẩm CAM Globoid một cách nhanh chóng và hiệu quả. Tài liệu tham khảo [1] - FU Yan-ming - Analysis and Design of the Globoidal Indexing CAM Mechanism - Journal of Shanghai University (English Edition ) ISSN 1007-6417, Vol.4, No.l(Mar.2000), pp 54—59 [2] - Hong Sen Yan, Hsin Hung Chen - Geometry Design of Roller CAMs with hyperboloid Rollers - Elsevier Science Vol. 22 – 1995 [3] - Chao Zhang, Zhihong Zhang - Design of the Globoidal CAM Mechanism Based on MATLAB and CATIA - Applied Mechanics and Materials Vols 716-717 (2015) pp 720-723. [4] - Guangguo Zhang ,Zhibin Chang and Haitao Liu - Parametric Modeling for Globoidal CAM Based on CATIA/CAA - Applied Mechanics and Materials Vols. 88-89 (2011) pp 236-239. [5] - Nianfu Xu, Feng Xu, Wei He - Globoidal Indexing CAM’s CAD/CAM Development on Pro/E - Applied Mechanics and Materials Vol 86 (2011) pp 496-499 [6] - Lei Li, Xianying Feng, Ziping Zhang , Xingchang Han and Yaqing Song - 3D Modeling and Simulation of a New Type of Globoidal Indexing CAM Mechanism - Applied Mechanics and Materials Vols. 26-28 (2010) pp 931-935 15
16. [7] - W. Tang, Y.Q. Zhou and H. Zhang - Development of an Internet-based Interactive Globoidal Indexing CAM Mechanisms Design System - Materials Science Forum Vols 471-472 (2004) pp 513-517. [8] - Tian Xia, Ling Xu, and Jianxing Si - The Study of Globoidal Indexing CAM CNC Machine Tools - Advanced Materials Research Vols. 753-755 (2013) pp 888-891. [9] - Qingli Liu, Albert Tsai, Sufen Yao, Edmund Wang - The Parametric Design Method of the Globoid CAM Based on the Software of ProEngineer - Applied Mechanics and Materials Vols 166-169 (2012) pp 784-787. [10] - Lin Wang, Mingfu Yin - The Parametric Design and Simulation for Globoidal Indexing CAM Mechanism - Applied Mechanics and Materials Vols. 599-601 (2014) pp 517-521. 16
17. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.