Sử dụng ngôn ngữ lập trình AutoLisp trong tự động hóa thiết kế dụng cụ cắt

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 1 SỬ DỤNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH AUTOLISP TRONG TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ DỤNG CỤ CẮT Nguyễn Quốc Tuấn (ĐH Thái Nguyên) 1. Tự động hóa thiết kế trong sản xuất dụng cụ Thiết kế dụng cụ cắt là quá trình phân tích, tính toán tương đối phức tạp như tính toán xác định biên dạng lưỡi cắt dụng cụ, xác định kích thước hình dáng hình học, kích thước kết cấu của dụng cụ cắt Đây là công việc tiêu tốn nhiều thời gian, nhiều khi không đảm bảo độ chính xác yêu cầu nếu sử dụng việc tính toán thủ công theo phương pháp truyền thống. Sự sử dụng m¸y tÝnh ®iÖn tö mở ra một hướng mới trong lĩnh vực thiết kế dụng cụ cắt, được đặc trưng bởi sự hoàn thiện của các phương pháp tính toán, bởi sự mô đun hóa toán học các quá trình sáng tạo và có thể tự động hóa quá trình thiết kế dụng cụ cắt. Dụng cụ cắt được tự động hóa thiết kế cho độ chính xác biên dạng cao, góp phần nâng cao chất lượng gia công. Đặc biệt, ngày nay với sự phát triển của công nghệ CAD/CAM-CNC việc tự động hóa thiết kế dụng cụ cắt là một phần không thể thiếu được trong quá trình tự động hóa quá trình sản xuất dụng cụ cắt. Để thiết kế dụng cụ cắt yêu cầu phải có các thông tin đầu vào như: Kích thước hình dáng hình học của chi tiết gia công, dạng gia công, máy gia công, yêu cầu kĩ thuật của chi tiết gia công[1] các thông tin này là cơ sở dữ liệu cho sản xuất tự động hóa thiết kế dụng cụ. Quá trình tự động hóa thiết kế dụng cụ chuyên dùng hoặc hiệu chỉnh và chuẩn bị sản xuất dụng cụ gồm nhiều giai đoạn có thể trình bày ở hình 1. Mỗi một giai đoạn của quá trình thiết kế có một thuật toán riêng biệt, được trình bày tổng quát như sau: - Dụng cụ cắt được thiết kế tương ứng với một quy trình công nghệ gia công chi tiết nào đó, được xác định nhờ các bảng về phạm vi sử dụng của dụng cụ. - Xác định kích thước mẫu đã được tiêu chuẩn hóa đối với dụng cụ, nhưng một số trường hợp sự tìm kiếm kích thước tiêu chuẩn hóa là không tối ưu. - Khả năng hiệu chỉnh các dụng cụ tiêu chuẩn có thể được sẽ chuyển sang thiết kế dụng cụ cắt hiệu chỉnh. Trong trường hợp ngược lại, sẽ hình thành một thông tin để thiết kế dụng cụ cắt chuyên dùng. - Khi thiết kế hiệu chỉnh cần tìm ra một kích thước mẫu của dụng cụ tiêu chuẩn phải hiệu chỉnh. Sau khi chọn được kích thước mẫu yêu cầu của dụng cụ cắt tiêu chuẩn, tìm các thông số hiệu chỉnh dụng cụ và đưa ra thông số của dụng cụ cần hiệu chỉnh. Bản vẽ sẽ được hình thành nhờ các kích thước dụng cụ tiêu chuẩn mẫu đã được hiệu chỉnh. - Việc thiết kế các dụng cụ cắt chuyên dùng đặc biệt sẽ được thực hiện theo kiểu thuật toán thiết kế dụng cụ cắt đặc biệt và các quy trình công nghệ chế tạo chúng được lập ra theo các mẫu. Từ thông tin ban đầu sẽ hình thành việc thiết kế theo một mẫu đã định của dụng cụ cắt đặc biệt, bản vẽ được hình thành từ các kích thước thiết kế và được vẽ tự động. - Thiết kế quy trình công nghệ sản xuất dụng cụ chuyên dùng, từ chọn phôi đến xác định các nguyên công và các bước công nghệ, cũng như tính toán chế độ cắt và định mức thời gian cho các nguyên công. Sau khi lập được quy trình công nghệ sẽ đưa ra phiếu công nghệ và tiến hành chuyển sang việc lập kế hoạch kinh tế. Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 2 - Khi lập kế hoạch kinh tế sản xuất dụng cụ, giai đoạn thiết kế sẽ xác định các định mức tiêu hao vật liệu, giá thành sản xuất dụng cụ, quỹ thời gian cần thiết làm việc của thiết bị, độ dài thời gian một chu kì sản xuất. Các kết quả tính toán sẽ được đưa ra dưới dạng phiếu kĩ thuật kinh tế. Như vậy, để có thể tự động hóa thiết kế tất cả các loại dụng cụ cắt, ta phải tự động hóa thiết kế từng dụng cụ cắt. Từ đó ta có một chương trình lớn để tự động hóa thiết kế dụng cụ cắt. Ở đây, tác giả trình bày về tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa, sử dụng ngôn ngữ lập trình Autolisp [2]. 2. Tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa Bảng các loại dụng cụ cắt sử dụng Không Sự hiệu chuẩn số liệu có thể có Xác định loại dụng cụ cắt Xác định dụng cụ cắt đã được tiêu chuẩn hóa Đưa ra số liệu của dụng cụ cắt tiêu chuẩn Hiệu chuẩn thông tin đầu vào Xác định kích thước chuẩn của dụng cụ để hiệu chỉnh Đưa ra bản vẽ của dụng cụ cắt chuyên dùng hoặc hiệu chỉnh Đưa ra phiếu công nghệ Xác định mức tiêu hao và giá trị vật liệu Lập kế hoạch kinh tế kỹ thuật Sự tạo thành thông tin để thiết kế dụng cụ cắt chuyên dùng Có Bảng kích thước các loại dụng cụ cắt Kích thước mẫu Tìm loại kích thước tối ưu Bảng kích thước dụng cụ cắt có thể tiêu chuẩn Hình 1. Các giai đoạn của quá trình tự động hóa sản xuất dụng cụ cắt Phác thảo QTCN chế tạo dụng cụ cắt chuyên dùng Thiết kế dụng cụ cắt chuyên dùng Xác định các thông số hiệu chỉnh và đưa ra các số liệu kích thước hiệu chỉnh dụng cụ cắt Phác thảo quy trình công nghệ và đưa ra phiếu hiệu chỉnh dụng cụ cắt Có Không Khả năng hiệu chuẩn dụng cụ cắt đã tiêu chuẩn hóa Nhập dữ liệu Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 3 2.1. Thiết kế sơ đồ thuật toán Sơ đồ thuật toán tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa được thiết kế ở hình 2. Z: Số rãnh then; Dc: Đường kính ngoài của trục then hoa; d: Đường kính trong trục then hoa; rt: Chiều rộng then; De: Đường kính ngoài dao phay; de: Đường kính trong dao phay; L: Chiều dài dao phay; Zd: Số răng dao phay. Hình 2. Sơ đồ thuật toán tự động thiết kế dao phay lăn trục then hoa 2.2. Thiết kế giao diện nhập dữ liệu Hiệu chỉnh bản vẽ Chọn thông số hình học dụng cụ cắt Tính toán kích thước profin lưỡi cắt của Dụng cụ cắt Thiết kế hoàn chỉnh răng dao, rãnh phoi, rãnh xoắn  Sai Quy định các điều kiện kỹ thuật (dung sai, độ nhám tại các vị trí khác nhau) Tính toán thông số kích thước của các bề mặt định vị Dụng cụ cắt trên máy (Dựa theo bảng tiêu chuẩn) Đúng In Sai Đúng Nhập thông số trục then hoa: Z, Dc, d, rt Kiểm tra theo kích thước tiêu chuẩn Tính toán kích thước kết cấu Dụng cụ cắt Kiểm tra bản vẽ Bắt đầu Kết thúc Bảng dung sai,độ nhám tiêu chuẩn Bảng cơ sở dữ liệu thông số hình học tiêu chuẩn Bảng kích thước kết cấu tiêu chuẩn ( De, Zd, L, de ) Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 4 Chương trình tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa phải đảm bảo dữ liệu đầu vào là các thông số kĩ thuật của chi tiết gia công. Đối với trục tren hoa dữ liệu đó là: Đường kính ngoài của trục Dc, đường kính vòng tròn chân then d, số then trên trục Z, bề rộng then rt. Giao diện của chương trình được trình bày như ở hình 3. Hình 3. Giao diện của chương trình tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa 2.3. Sử dụng phương pháp động học để xác định biên dạng lưỡi cắt của dao phay lăn trục then hoa Để thiết kế dao phay lăn trục then hoa, hiện nay người thiết kế phải chia biên dạng của then hoa ra làm nhiều phần, sau đó phải dùng cung tròn thay thế để xác định biên dạng gần đúng của profin lưỡi cắt của dao phay. Điều này dẫn đến sai số biên dạng dao phay và then hoa gia công cho độ chính xác không cao. Việc tính toán, thiết kế profin dao phay bằng chương trình tính giúp việc thiết kế nhanh và chính xác, mặt khác profin được thiết kế được dùng để sửa chính xác biên dạng đá mài, từ đó nâng cao được độ chính xác của dao phay lăn trục then hoa. Cơ sở để tính toán, thiết kế profin dao phay lăn trục then hoa là phương pháp động học để xác định mặt bao của họ bề mặt. - Giả sử bề mặt chi tiết C trong hệ toạ độ 0oxoyozo gắn với chi tiết có phương trình: F(xo, yo, zo) = 0 (1) - Hệ trục cố định Oxyz gắn với dụng cụ cắt hình 5. Có thể viết phương trình mặt bao họ đường cong chi tiết dưới dạng động học [3]: F(x,y,z, t) = 0 VN  . = 0 (2) Hình 4. Điều kiện động học của Hình 5. Hệ tọa độ biểu thị mối quan sự tiếp xúc cặp bề mặt đối tiếp hệ động học giữa dụng cụ và chi tiết Z X Y z x y xo yo zo oo o yo A z y x zo xo B Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 5 Điều kiện VN  . = 0 có nghĩa là tại điểm tiếp xúc của mặt bao và chi tiết, véc tơ tốc độ V  của chuyển động tương đối khi có chuyển động tạo hình vuông góc với véc tơ pháp tuyến N  với bề mặt tại điểm đó (hình 4) đấy là điểm của mặt bao. t tzyxf VN    ),,,( .  (3) t: Là tham số của phương trình. Phương trình của họ đường cong profin then hoa trong hệ toạ độ cố định là [4]: y = x.cotg( + ) + r[1–cos + sin.cotg( + ) - .cotg( + )] (4) Để xác định đường bao của họ đường cong ấy, cần tìm đạo hàm riêng của phương trình họ đường cong profin then hoa theo thông số  và cho bằng 0 ta có: 0 ),,(     yx (5) Hay           )(sin )cos(sin )(sin ),,( 22     r xyx       )( )(sin2    ctg (6) Sau khi biến đổi ta có: x= r   )cos(sin)sin(   Giải phương trình này với phương trình họ đường cong ở trên ta có tung độ y. y = r sin   sin)sin()(  Như vậy, ta có hệ phương trình để xác định tọa độ x, y của profin dao phay như sau:      x = r sin( ) sin cos( ) y = r sin( ) sin( ) sin                     (7) 2.4. Dao phay lăn trục then hoa được tự động hóa thiết kế Sử dụng ngôn ngữ lập trình AutoLisp, với sơ đồ thuật toán ở hình 2. Tác giả đã viết được chương trình tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa. Một bản vẽ dao phay được tự động hóa thiết kế trình bày ở hình 6. Hình 6. Bản vẽ chế tạo dao phay lăn trục then hoa được tự động hóa thiết kế 3. Kết luận Tạp chí Khoa học & Công nghệ - số 2(50)/năm 2009 Kĩ thuật – Công nghệ 6 Thành công trong việc tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa giúp tác giả đưa ra kết luận sau: - Khẳng định việc sử dụng ngôn ngữ lập trình Autolisp có thể tự động hóa thiết kế được dụng cụ cắt. Đây là phần mềm có giao diện rất tốt với hệ thống CAD/CAM - CNC, tức là dụng cụ cắt sau khi thiết kế có thể tự động hóa chế tạo nếu có hệ thống CAD/CAM – CNC phù hợp. - Giảm thiểu được rất nhiều thời gian thiết kế dao phay lăn trục then hoa khi đường kính trục then hoa thay đổi và có độ chính xác thiết kế cao (số lượng điểm tính toán không hạn chế). - Profin răng dao được tự động hóa tính toán và vẽ, vì vậy có thể chế tạo được biên dạng đá mài để mài dao phay với độ chính xác biên dạng cao trên máy sửa đá CNC, tạo điều kiện cho việc nâng cao chất lượng chế tạo dao phay lăn trục then hoa. - Tạo tiền đề tốt cho việc tự động hóa thiết kế các dụng cụ cắt có Profin răng dao và kết cấu phức tạp như: Dao phay lăn răng trục vít, Dao phay lăn bánh xích, dao phay định hình Tóm tắt Ngày nay, tự động hóa thiết kế dụng cụ cắt đóng vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp, bởi vì dụng cụ cắt được tự động hóa thiết kế có độ chính xác cao hơn và giá thành hạ hơn so với dụng cụ cắt được thiết kế bằng tay. Những dụng cụ cắt này có thể chế tạo ra chi tiết máy có độ chính xác cao và giá thành sản phẩm hạ. Bài báo này trình bày về tự động hóa thiết kế dao phay lăn trục then hoa. Đây là một dụng cụ cắt có biên dạng của lưỡi cắt phức tạp. Thiết kế này còn là cơ sở để thiết kế các dụng cụ cắt phức tạp khác. Summary Automation of designing process for cutting tools by Autolisp Nowadays, automation of the designing process for cutting tools plays a very important role in industry because of its advantages such as higher accuracy and lower cost. The cutting tools can be used to manufacture machinery elements with high exactness and reasonable cost. This paper presents an automatic design process for hobbing cutting tools to manufacture spline shafts that have cutting edges of a complex profile. The result can be used as a basic principle to design other complex cutting tools. Tài liệu tham khảo [1]. Б. И. Синицын (1969), Методы Корригирования рабочих профилей металлорежущих инструментов с использованием ЭВМ - Минск. [2]. Nguyễn Hữu Lộc, Nguyễn Thanh Trung (2001), Ngôn ngữ lập trình Autolisp – NXB TP.Hồ Chí Minh. [3]. Amitabha Brattccharyya (204), Metal Cutting threory and practice - publisher - Newcentral Book agency.Ltd – India. [4]. Bành Tiến Long, Trần Thế Lục, Nguyễn Chí Quang (2004): Công nghệ tạo hình bề mặt các dụng cụ công nghiệp - NXB Kĩ thuật.