ynamic Designer/Motion DDM thực ra là một phần mềm mô phỏng động học và động lực học của cơ cấu máy, được dùng trong một số hệ thống CAD cụ thể là phần mềm AuTodesk Inventor.. Lệnh tạo c
Trang 1ứng 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 - Trường Đại học GTVT
Tóm tắt: Thiết kế Cam lμ một công việc phức tạp Từ trước đến nay người ta thường dùng
các phương pháp cổ điển để thiết kế như trong [1] vμ [7] Trong bμi báo nμy giới thiệu một phương pháp thiết kế dựa trên các phần mềm trong ngμnh cơ khí Kết quả lμ sẽ tốn rất ít thời gian vμ người 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
ynamic Designer/Motion (DDM) thực ra
là một phần mềm mô phỏng động học và
động lực học của cơ cấu máy, được dùng
trong một số hệ thống CAD (cụ thể là phần
mềm AuTodesk Inventor) Với phần mềm này
người thiết kế có thể thiết kế và kiểm tra đồng
thời tạo ra mô hình và xem chúng làm việc
Tối ưu hoá việc thiết kế trước khi đưa vào sản xuất
ii nội dung
1 Giao diện người dùng
Dynamic Designer là một phần mềm nghiên cứu mô hình thực tại ảo được tích hợp với môi trường của Inventor Sử dụng các tính năng về giao 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 trường đồ hoạ Trình duyệt
Motion
Trang 2- 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 như công nghệ “kéo –
nhả” (drag and drop)
- Trình đơn Motion có các chức năng
tương tự như trình duyệt Intellimotion Browser,
nhưng nó được 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
tượng 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 trượt:
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 bước), 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 -
đường, tiếp xúc đường - đường 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 thường dùng nhất hiện nay, đặc biệt là trong các máy tự động cần có sự phối hợp nhịp
Trang 3nhàng những động tác đồng thời hoặc kế tiếp
nhau của các cơ cấu chấp hành Sở dĩ như
vậy là vì so với các cơ cấu khác, đặc biệt là
các cơ cấu toàn khớp thấp, cơ cấu Cam có
nhiều ưu điểm:
- Có thể thực hiện hầu như 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 được chọn một cách
thoả đáng
- Thuận tiện cho việc phối hợp động tác
trong máy tự động
Nhược điểm của cơ cấu Cam là áp suất
trên mặt tiếp xúc tương đối lớn nên các khâu
chóng mòn, tuổi thọ kém, khi chuyển động
nhanh có thể xảy ra hiện tượng va đập giữa
Cam và cần, và nói chung chế tạo Cam thật
chính xác theo phương pháp truyền thống là
một việc khó
ảnh hưởng xấu của những nhược điểm
trên có thể giảm bớt nhiều, nếu trong quá trình
thiết kế, quy luật chuyển động và các thông
số cấu tạo được chọn theo công nghệ
CAD/CAE/CAM/CNC
Tuỳ theo yêu cầu của quá trình công
nghệ, có thể có hai trường 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
hưởng tới quá trình được thực hiện
Trong trường hợp thứ nhất, quy luật
chuyển động do quá trình công nghệ quyết
định, trong trường hợp thứ hai người 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 trưng động lực học của cơ cấu
Thông thường 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 như 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 tượng va đập giữa cần và cam
b Lý thuyết thiết kế cơ cấu cam được trình bày trong các tài liệu [1], [2], [7] được Dynamic Designer áp dụng
c.Trình tự thiết kế Trong quá trình thực hiện mô phỏng mỗi cơ cấu sẽ được triển khai theo trình tự như 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
> ϕ
> ϕ
> ϕ
Đồ thị chuyển vị
Đồ thị vận tốc
Đồ thị gia tốc
Trang 4Sau 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 được xuất ra các
đồ thị kết quả Căn cứ vào đó để đưa ra các
kết luận và so sánh với phương pháp thiết kế
cơ cấu Cam theo lý thuyết truyền thống
d Thí dụ
Dynamic Designer là phần mềm dựa trên
môi trường của AuToDesk Inventor do đó các
mô hình mô phỏng đều được 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 được
cho trước 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 hμnh trình của Cam
Chuyển vị góc của Cần lắc theo góc hành trình của Cam
Trang 5Vận 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 như trước 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 nhưng nếu sử
dụng Dynamic Designer Motion công việc này
được tự động hoá Đồng thời chúng ta có thể
nhìn trực tiếp cơ cấu Cam trên mô hình Có
thể chọn lựa tối ưu 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 được các kết quả tính toán động học và động lực học khác của các khâu… tất cả đều được biểu thị trên đồ thị một cách dễ dàng
- Biên dạng Cam được 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 Tường, Trần Doãn Tiến Giáo trình
nguyên lý máy Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp Hà nội, 1970
[2] ТЕОРИЯ ΜΕΧАΗИЗМОВ И МАШИН 1970
[3] PGS TS An Hiệp, TS Trần Vĩnh Hưng 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 Hưng 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 User’s Guide Part Number DMIV03R0 – 01 Second Printing October 2002
[7] Lê Phước Ninh Nguyên lý máy Nhà xuất bản
giao thông vận tải, Hà Nội 2000♦
