Ứng dụng tin học trong thiết kế máy và chi tiết
Để cung cấp thêm thông tin cho các cán bộ, công nhân kỹ thuật trong ngành cơ khí chế tạo máy về khả năng ứng dụng tin học vào lĩnh vực chế tạo máy, bài viết này trình bày những hướng chính ứng dụng tin học vào thiết kế máy và chi tiết máy, đồng thời giới thiệu một số phần mềm tiện ích sử dụng để thiết kế và gia công chi tiết máy.
Cơ sở lý thuyết
Trong nền công nghiệp hiện đại, máy tính hỗ trợ cho mọi công việc trong quá trình thiết kế, sản xuất và tổ chức sản xuất. Thông thường các máy tính được nối thành mạng, cùng truy cập đến một cơ sở dữ liệu chung (Hình 1).
Ba khối công việc đầu thuộc công việc thiết kế máy và chi tiết máy. Để thực hiện tốt ba khối công việc trên, người thiết kế phải nắm thật vững lý thuyết môn học Chi tiết máy, phải biết lập trình trên máy tính, phải biết sử dụng máy tính và các thiết bị phụ trợ khác. Hoặc ít ra người thiết kế cũng phải biết sử dụng các chương trình thiết kế và vẽ tự động các chi tiết máy, bộ phận máy đã có sẵn.
Hai khối công việc sau thuộc về lĩnh vực gia công tạo hình cho chi tiết máy. Các máy tự động NC, có sự trợ giúp của máy tính, thực hiện gia công chính xác các kích thước của chi tiết máy.
Năm khối công việc trên liên kết với trung tâm dữ liệu, thực hiện hoàn chỉnh một quá trình thiết kế chế tạo. Công việc được tiến hành một cách tự động, giảm đáng kể công sức thiết kế và chế tạo cho các kỹ sư cơ khí.
Những hướng chính ứng dụng tin học vào thiết kế máy và chi tiết máy
- Hướng thứ nhất: giảm nhẹ công sức tính toán thiết kế. Thực hiện chương trình hoá các phương pháp tính toán kinh điển đang được sử dụng, bằng các phần mềm ứng dụng. Khi thiết kế, chạy chương trình trên máy tính, nhập vào chương trình những số liệu cần thiết đã được lựa chọn, kết quả tính toán được đưa ra giấy và màn hình.
- Hướng thứ hai: thiết kế chính xác. Lợi dụng khả năng tính toán nhanh, chính xác của máy tính, thiết lập các bài toán thiết kế theo những lý thuyết chính xác, lập chương trình để giải các bài toán này. Kết quả tính toán thiết kế có độ chính xác cao hơn, tin cậy hơn so với phương pháp tính toán thiết kế theo truyền thống.
- Hướng thứ ba: thiết kế tối ưu. Lợi dụng khả năng tính toán nhanh của máy tính, lập chương trình tính toán tất cả các phương án thiết kế có thể được, sau đó chọn ra phương án tốt nhất theo chỉ tiêu tối ưu của bài toán đặt ra.
- Hướng thứ tư: giảm nhẹ công sức lập các bản vẽ. Sử dụng các phần mềm về vẽ, lập chương trình ứng dụng tự động vẽ các chi tiết máy, bộ phận máy. Khi chạy các chương trình này, chỉ cần nạp số liệu đã được chọn từ bàn phím, hoặc từ đĩa mềm, máy tính sẽ tự động hoàn thành bản vẽ và có thể in ra giấy để sử dụng. Có thể lập bản vẽ chế tạo chi tiết máy, bản vẽ lắp, bản vẽ chung, thậm chí có thể tự động lập bản thuyết minh.
- Hướng thứ năm: tự động hoá quá trình thiết kế. Lập phần mền hoàn chỉnh giải quyết tất cả các vấn đề liên quan đến một chi tiết máy, một bộ phận máy. Khi chạy chương trình, chỉ cần nhập những số liệu cần thiết theo yêu cầu của chương trình. Kết quả nhận được là bản vẽ hoàn chỉnh của chi tiết máy hoặc bộ phận máy.
- Hướng thứ sáu: kết hợp các chương trình tính toán thiết kế và các chương trình điều khiển quá trình chế tạo, kiểm tra, tạo thành một hệ thống thiết kế - chế tạo tự động hoàn chỉnh.
Một số phần mềm sử dụng để thiết kế máy và chi tiết máy
 |
Ở Việt Nam , nhiều cơ quan thiết kế, trường đại học cũng đã xây dựng các phần mềm tính toán và vẽ các chi tiết máy, bộ phận máy. Ví dụ như Viện Cơ học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trường Đại học Giao thông Hà Nội, trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.
Trong thư viện của Khoa Sư phạm Kỹ thuật, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng đã sưu tập tất cả các phần mềm tính toán thiết kế của các trường đại học. Ví dụ như:
- Tính toán thiết kế và vẽ các bộ truyền.
- Tính toán thiết kế và vẽ trục.
- Tính toán và vẽ các loại hộp giảm tốc.
Ngoài ra Khoa cũng có một số chương trình riêng. Ví dụ như:
- Tính toán thiết kế tối ưu các bộ truyền.
- Tính toán thiết kế chính xác bộ truyền bánh răng theo phương pháp Phần tử hữu hạn.
Ví dụ, chạy chương trình tính toán thiết kế và vẽ tự động bộ truyền bánh răng, được thực hiện như sau:
- Nạp số liệu thiết kế vào máy tính từ bàn phím, hoặc từ đĩa mềm. Các số liệu gồm có: công suất, số vòng quay, thời gian sử dụng, đặc tính tải trọng.
- Trong quá trình chạy chương trình, cần phải trả lời một số câu hỏi lựa chọn hiện trên màn hình, như chọn vật liệu, phương pháp nhiệt luyện, giá trị các hệ số tính toán, độ chính xác gia công.
- Sau khi tính toán xong, máy sẽ tiến hành tự động lập bản vẽ chế tạo các bánh răng. Vẽ các hình chiếu, mặt cắt, ghi kích thước có dung sai, ghi sai lệch hình dạng, vị trí tương quan, độ nhám bề mặt. Ghi các điều kiện kỹ thuật. Kẻ và điền bảng thông số. Kẻ và điền khung tên.
Chạy chương trình tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng theo phương pháp Phần tử hữu hạn, qua các bước sau:
- Nạp số liệu thiết kế vào chương trình I, tính bộ truyền bánh răng theo phương pháp truyền thống. Kết quả tính được nạp vào File dữ liệu 1.
- Chạy chương trình II, vẽ bộ truyền bánh răng, xây dựng mô hình tính toán theo phương pháp Phần tử hữu hạn. Số liệu được nhập từ File dữ liệu 1, kết quả được ghi vào File dữ liệu 2.
- Chạy chương trình III, tính ứng suất uốn, ứng suất tiếp xúc trên răng bằng phương pháp Phần tử hữu hạn. Số liệu được nhập từ File dữ liệu 2. So sánh giá trị ứng suất tính được và giá trị cho phép, điều chỉnh kích thước của bộ truyền bánh răng, tính lại ứng suất. Chương trình sẽ dừng, khi kết quả thiết kế bộ truyền bánh răng thoả mãn yêu cầu của người thiết kế.
Một số phần mềm thiết lập bản vẽ và lập trình gia công trên máy công cụ CNC
- Phần mềm AutoCAD, được công bố bắt đầu từ Releas 1 (R1) vào tháng 12 năm 1982, sau đó là R.12 và R.13 lần lượt ra đời, R.14 được tung ra thị trường vào tháng 5 năm 1997, hiện nay đang sử dụng AutoCAD 2000. Sử dụng AutoCAD dễ dàng thiết lập được các bản vẽ cơ khí 2D, 3D.
- Phần mềm MasterCam là phần mềm chuyên dùng để thiết lập bản vẽ chi tiết máy dưới dạng hình chiếu 2D, và hình chiếu trục đo 3D. Khả năng thiết lập bản vẽ 3D của phần mềm MasterCam mạnh hơn nhiều so với phần mềm AutoCAD. Phần mềm MasterCam có thể tự động lập trình điều khiển quá trình gia công trên máy công cụ CNC. Khả năng lập trình gia công trên máy CNC của phần mềm này có thể nói là mạnh nhất, tương thích rất rộng. Hầu như tất cả các loại máy công cụ CNC hiện có ở Việt Nam đều chạy được các chương trình được thiết lập từ phần mềm MasterCam 9.1. Lập trình tự động, giảm nhẹ được công sức thiết kế, tránh được những sai sót trong quá trình lập trình. Các chương trình được lập tự động thường dài, chính tắc, quy trình gia công không phải là tối ưu.
Ví dụ, sau khi vẽ khuôn ép nhựa, chọn máy, dao, chế độ cắt, đường chạy dao, phần mềm MasterCam 9.1 đã tự động lập trình điều khiển quá trình gia công. Chương trình được viết bằng mã lệnh M-G code, có trên 3.000 câu lệnh. Dưới đây xin trích đoạn đầu và đoạn cuối của chương trình:
- Phần mềm Pro/Engineer cũng có khả năng thiết lập bản vẽ 2D, 3D và lập trình CNC. Điểm mạnh của phần mềm Pro/Engineer là thiết lập các bản vẽ 3D. Vẽ nhanh, chính xác và có thể biểu diễn chuyển động lắp ghép các chi tiết với nhau. Một đặc trưng nổi bật khác của phần mềm này là cho phép thiết kế đối tượng từ các phương trình tham số, mô phỏng động học các chuyển động của vật thể.
- Phần mềm Metacut Utilities, chuyên dùng để mô phỏng các quá trình gia công trên máy công cụ CNC. Sử dụng phần mềm này có thể mô tả quá trình gia công chi tiết máy trên một máy CNC ảo. Ta quan sát trước được toàn bộ quá trình gia công trên màn hình máy tính, từ lúc bắt đầu cho đến khi kết thúc. Việc chạy mô phỏng giúp chúng ta phát hiện những lỗi trong chương trình, tránh được những sự cố đáng tiếc thường xảy ra khi sử dụng máy CNC.
- Công nghệ CAD/CAM, là công nghệ thiết kế và gia công nhờ sự trợ giúp của máy tính. Khi lập trình, người thiết kế không phải viết các phương trình toán học phức tạp để xác định các giao tuyến, tiếp điểm, tâm điểm, phương trình mô tả hình dạng của các bề mặt phức tạp. Chương trình điều khiển quá trình gia công trên máy CNC được thiết lập một cách tự động. Ngoài ra còn cho phép chạy mô phỏng quá trình gia công trên máy tính, giúp chúng ta biết trước được kết quả gia công trên máy thực, tránh được nhứng sai sót trong khi gia công.
Nhờ vào hiệu quả và độ chính xác cao, công nghệ CAD/CAM cho phép chúng ta tiết kiệm được thời gian thiết kế, thời gian gia công, góp phần hạ giá thành của sản phẩm.
- Công nghệ CAD/CAM/CNC là sự kết hợp giữa hệ thống CAD/CAM và máy công cụ CNC. Công nghệ này cho phép chúng ta thực hiện quá trình sản xuất một cách hoàn toàn tự động. Đây chính là chìa khoá của nền sản xuất cơ khí hiện đại.
Ứng dụng tin học vào lĩnh vực chế tạo máy đã giải quyết được rất nhiều vấn đề: thiết lập các bản vẽ, thiết lập bản thuyết minh, tính toán thiết kế các chi tiết máy, bộ phận máy với độ chính xác cao, thiết lập các chương trình điều khiển quá trình gia công, chế tạo hệ thống gia công tích cực, tự động kiểm tra và điều chỉnh chế độ cắt, đảm bảo năng suất cao và độ chính xác gia công rất cao. Tin học và máy tính đã hỗ trợ cho kỹ sư cơ khí phát huy hết khả năng vốn có, để thiết kế và chế tạo ra những sản phẩm cơ khí có chất lượng cao, giá thành thấp. Muốn tận dụng được lợi thế này, ngoài kiến thức chuyên môn về công nghệ chế tạo máy, kỹ sư cơ khí cần hiểu biết về tin học và sử dụng thành thạo các thiết bị điện tử trong hệ thống sản xuất cơ khí hiện đại.
Tài liệu tham khảo
[1] Dr. Zsáry Árpád, Gépelemek, II Kötek,Tankönyvkiadó, Budapest , 1991.
[2] Trịnh Chất, Cơ sở thiết kế máy và chi tiết máy,NXB Khoa học Kỹ thuật, 1998.
[3] Trần Văn Địch, Công nghệ trên máy CNC,NXB Khoa học Kỹ thuật, 2000.
[4] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy, tập I, II,NXB Giáo dục, 1999.
[5] Tạ Duy Liêm, Máy công cụ CNC,NXB Khoa học Kỹ thuật, 1999.
[6] Nguyễn Đắc Lộc, Tăng Huy, Điều khiển số và công nghệ điều khiển số CNC,NXB Khoa học Kỹ thuật, 2000.
[7] Nguyễn Văn Yến, Ngô Tấn Thống , MassterCam 9.1 Lập trình CNC nâng cao, tập I,NXB Giao thông Vận tải, 2004.
[8] Nguyễn Văn Yến, Ngô Tấn Thống, Sử dụng Pro/Engineer Wildfire thiết lập bản vẽ và lập trình CNC,NXB Giao thông Vận tải, 2005.
[9] Nguyễn Văn Yến, Thiết lập các bản vẽ trong đồ án môn học Chi tiết máy,NXB Giao thông Vận tải, 2005.
[10] Nguyễn Văn Yến, Giáo trình Chi tiết máy,NXB Giao thông Vận tải, 2005.
