Phân tích động học và động lực học máy công cụ song song

Nội dung đề tài đi vào thiết kế cấu hình phần cứng của máy, xây dựng các giải pháp động học và động lực học bao gồm phân tích động học và động lực học máy công cụ song song, mô hình hóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TRẦN QUỐC TOÀN

PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC

MÁY CÔNG CỤ SONG SONG

Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :TS Trần Nguyên Duy Phương

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Nguyễn Văn Giáp

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Trương Quốc Thanh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 29 tháng 07 năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 PGS TS Trần Thiên Phúc

2 PGS TS Trương Tích Thiện

3 TS Trần Nguyên Duy Phương

4 TS Nguyễn Văn Giáp

5 TS Trương Quốc Thanh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trần Quốc Toàn MSHV:09040384 Ngày, tháng, năm sinh: 01 / 01 / 1983 Nơi sinh: Long An Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số : 605204

I TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC

MÁY CÔNG CỤ SONG SONG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tổng quan về kết cấu máy công cụ song song

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ động của máy

- Tính toán thiết kế các phần tử cơ khí trong máy

- Xây dựng bài toán vị trí và động học

- Phân tích tĩnh và độ cứng vững

- Xây dựng bài toán động lực học và mô phỏng chuyển động của máy

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 2/ 7/ 2012

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/ 6/ 2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):TS Trần Nguyên

Duy Phương

Tp HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

Xin cảm ơn các thầy cô đã dạy cho tôi trong suốt thời gian theo học tại trường

Cảm ơn gia đình đã tạo điều kiên cho tôi để hoàn thành luận văn này

Trần Quốc Toàn

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, nhu cầu về cơ khí hóa và tự động hóa tại Việt Nam là rất lớn Một yêu cầu đặt ra và phải tự động hóa nền cơ khí theo hướng hiện đại Trong khi đó điều kiện trang thiết bị trong nước còn lạc hậu, chưa xứng đáng với tiềm năng phát triển của ngành Các máy gia công cơ khí có độ chính xác cao chủ yếu nhập khẩu từ nước ngoài nên có chi phí cao dẫn tới các sản phẩm cơ khí của Việt Nam không đủ sức cạnh tranh với các sản phẩm cơ khí của nước ngoài Từ đó, yêu cầu đặt ra là cần

có giải pháp nghiên cứu và chế tạo các thiết bị máy móc nói chung và máy gia công

cơ khí chính xác nói riêng trong nước là cấp bách

Trong những năm gần đây, nhiều trường đại học và các trung tâm nghiên cứu trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu và máy gia công cơ khí chính xác Đó

là nền tảng cho sự phát triển của máy CNC trong nước Đề tài này đi vào thiết kế và phân tích máy phay CNC năm bậc tự do theo hướng kết cấu động học song song Nội dung đề tài đi vào thiết kế cấu hình phần cứng của máy, xây dựng các giải pháp động học và động lực học bao gồm phân tích động học và động lực học máy công

cụ song song, mô hình hóa 3D cho kết cấu máy, mô phỏng động học cho máy

Đề tài: “Phân tích động học và động lực học máy công cụ song song” giải quyết những vấn đề cơ bản về máy công cụ song song làm cơ sở cho việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển máy công cụ song song sau này

TÓM TẮT

Nội dung chính của luận văn đi vào phân tích động học và động lực học máy công cụ song song sáu bậc tự do Đề tài đã giải quyết các vấn đề chính bao gồm:

- Giới thiệu và phân tích tổng quan về máy công cụ song song

- Thiết kế mô hình 3D cấu trúc máy và phân tích kết cấu máy trên phần mềm solidworks và Ansys

- Thiết kế cấu hình máy bao gồm xác định các thông số đầu vào của máy, xây dựng bài toán động học thuận và động học ngược, phân tích tĩnh và độ cứng vững, phân tích động lực học của máy

- Mô phỏng động học trên phần mềm SimMechanics

ABSTRACT

The main contents of this thesis to the analysis of the kinetics and dynamics of parallel machine tools six degrees of freedom The thesis solved the main problems include:

- - Introduction and overview of the analysis of parallel machine tools

- - Design 3D machine structure and the structural analysis of the milling machine with Solidworks and Ansys software

- - Design configuration consists of determining the input parameters of the machine, inverse knimetics analysis and direct knimetics analysis, analysis static and stiffness, dynamic analysis of machine

- - The dynamic simulation by software SimMechanics

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

1 Đây là công trình nghiên cứu của tôi

2 Các kết quả được trình bày hoàn toàn trung thực

Học viên

Trần Quốc Toàn

MỤC LỤC

- Nhận xét i

- Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ ii

- Lời cảm ơn iii

- Lời nói đầu iv

-Tóm tắt v

- Lời cam đoan vi

- Mục lục vii

Chương 1: Tổng quan máy công cụ song song 1

1.1 Tổng quan về máy công cụ song song 1

1.1.1 Tình hình sản xuất cơ khí tại Việt Nam 1

1.1.2 Xu hướng tự động hóa trong ngành cơ khí 2

1.1.3 Ứng dụng máy công cụ song song trong ngành cơ khí 3

1.2 Mục đích nghiên cứu 9

1.3 Cấu trúc của luận văn 10

Chương 2: Thiết kế cấu hình máy công cụ song song 12

2.1 Khảo sát tổng quan về các loại máy công cụ song song 12

2.1.1 Máy công cụ song song sử dụng nguyên lý thuận……… 12

2.1.2 Máy công cụ song song sử dụng nguyên lý nghịch 13

2.2 Xác định các thông số làm việc 13

2.2.1 Xác định đối tượng gia công và phạm vi làm việc của máy 13

2.2.2 Xác định chế độ làm việc giới hạn 14

2.3 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế 15

2.3.1 Phân loại khớp sử dụng trong máy công cụ song song 15

2.3.2 P hân tích và lựa chọn phương án 17

2.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 20

2.5 Thiết kế kết cấu máy 22

2.6 Xây dựng bài toán động học 22

2.6.1 Hình học của máy 22

2.6.2 Bài toán động học ngược 24

2.6.3 Bài toán động học thuận 29

2.6.4 Động học vận tốc và gia tốc 32

2.6.5 Phân tích ma trận Jacobi 34

2.7 Phân tích lực tĩnh và độ cứng vững 36

2.7.1 Phân tích lực tĩnh 36

2.7.2 Phân tích độ cứng vững 38

2.8 Phân tích động lực học 39

Chương 3: Phân tích kết cấu sử dụng phần mềm Ansys 44

3.1 Thiết kế và kiểm nghiệm bền 45

3.2 Thiết kế và kiểm nghiệm bền chân máy 54

3.3 Thiết kế và kiểm nghiệm bền đế trên 56

3.4 Thiết kế và kiểm nghiệm bền đế lắp bệ trượt 59

3.5 Bản vẽ kết cấu máy 62

3.6 Kết luận 64

Chương 4: Mô phỏng động học máy 65

4.1 Giới thiệu về bộ công cụ SimMechanics 65

4.1.1 SimMechanics và ứng dụng của simMechanics 65

4.1.2 Thư viện các khối chuẩn của simmechanics 66

4.1.2.1 Thư viện các khối Bodies 67

4.1.2.2 Thư viện các khối ràng buộc và truyền động 68

4.1.2.3 Thư viện các phần tử lực 69

4.1.2.4 Thư viện các khớp 70

4.1.2.5 Thư viện thiết bị đo và cơ cấu chấp hành 72

4.1.2.6 Thư viện Utilities 74

4.2 Ứng dụng SimMechanics mô phỏng động học của máy 76

4.2.1 Liên kết giữa SimMechanic và phần mềm Solidworks 76

4.2.1.1 Xây dựng mô hình khối SimMechanic 76

4.2.1.2 Hoàn chỉnh mô hình máy trong môi trường SimMechanic 77

4.2.2 Mô phỏng động học máy 78

4.2.2.1 Mô phỏng động học ngược 78

4.2.2.2 Mô phỏng bài toán động học thuận 82

4.2.2.3 Áp dụng mô hình điều khiển của Horhordin Aleksandr mô phỏng máy phay 85

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài 90

Tài liệu tham khảo 91 Phụ lục 1: Xác định chế độ làm việc giới hạn

Phụ lục 2: Thiết kế kết cấu máy

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tổng quan về máy công cụ song song

1.1.1 Tình hình sản xuất cơ khí tại Việt Nam

Ngành cơ khí đóng vai trò quan trọng nhằm hướng đến mục tiên đưa Việt Nam trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại Cơ khí có mặt trong hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải… Tuy nhiên một thực tế là ngành cơ khí đang ở trình độ kém xa so với các nước trong khu vực và chỉ đáp ứng được một phần nhỏ nhu cầu trong nước

Theo số liệu của Tổng cục thống kê cho biết, tính đến hết năm 2010, cả nước có khoảng 3.100 doanh nghiệp cơ khí, với 53.000 cơ sở sản xuất, trong đó có gần 450 doanh nghiệp quốc doanh, 1.250 cơ sở sản xuất tập thể, 156 xí nghiệp tư doanh Khoảng 50% cơ sở sản xuất cơ khí chuyên chế tạo, lắp ráp, còn lại chủ yếu

là các cơ sở sửa chữa Tổng số vốn của ngành cơ khí quốc doanh vào khoảng 360 –

380 triệu USD, tổng số vốn đầu tư nước ngoài (FDI) vào ngành cơ khí vào khoảng 2,1 tỷ USD, trong đó, hơn 50% tập trung vào lĩnh vực lắp ráp ô tô, xe máy và các mặt hàng tiêu dùng khác Ngành cơ khí Việt Nam mới đáp ứng 34% nhu cầu sản phẩm cơ khí trong nước, giá trị xuất khẩu chỉ đạt 23,4%, thấp hơn nhiều so với mục tiêu đề ra là 45-50% về nhu cầu và 30% về giá trị xuất khẩu

Chiến lược phát triển ngành cơ khí đến năm 2010, tầm nhìn tới năm 2020, tập trung chủ yếu vào phát triển 8 nhóm sản phẩm trọng điểm bao gồm: thiết bị toàn

bộ, máy động lực, máy móc ngành nông nghiệp, phương tiện giao thông, máy công

cụ, máy móc phục vụ ngành xây dựng, đóng tàu và thiết bị điện, nhưng chỉ có đóng tàu và chế tạo thiết bị điện là “thực hiện được định hướng chiến lược” Ở những lĩnh vực còn lại, kết quả đạt được còn rất xa mục tiêu, thậm chí nhóm ngành chế tạo máy công cụ còn tụt hậu hơn so với thời bao cấp Với ngành đóng tàu, thành tựu đạt được cũng chỉ là khả năng đóng được những chiếc tàu lớn, còn lĩnh vực thiết bị điện

vẫn chủ yếu là của ngành chế tạo biến áp Nhóm thiết bị toàn bộ được xem là có nhiều tiến bộ nhưng thực tế vẫn chỉ sản xuất những thiết bị lớn và phi tiêu chuẩn

Tóm lại, những gì ngành cơ khí làm được trong thời gian qua chủ yếu nằm ở phân khúc dễ, không đòi hỏi trình độ công nghệ chuyên sâu và có giá trị thấp Vì thế, khả năng đáp ứng cho nhu cầu trong nước (tính theo giá trị) của ngành cơ khí Việt Nam vẫn chỉ giới hạn quanh mức 20-25%, trong khi kỳ vọng lại rất lớn, đến 40-50% Hiện tại, mỗi năm Việt Nam phải nhập khẩu khoảng 18 tỷ USD máy móc thiết bị Điều đó cho thấy thị trường cơ khí Việt Nam có tiềm năng không nhỏ, nhưng các doanh nghiệp cơ khí Việt Nam thì luôn đứng ngoài cuộc

Một trong những nguyên nhân dẫn đến ngành cơ khí Việt Nam chưa phát triển được là do các mục tiêu định hướng phát triển đặt ra quá lớn, không xét đến thực lực của ngành cơ khí như trang thiết bị, công nghệ, nhân lực, nguồn lực tài chính còn yếu và yếu tố thị trường, cộng với định hướng phát triển Dù gọi là trọng điểm, nhưng thực tế thì dàn trải, bao quát gần hết nhu cầu của nền kinh tế Ngoài ra, tình trạng đầu tư khép kín, các doanh nghiệp bị chia tách, cát cứ theo chỉ đạo của cấp chủ quản, dẫn đến doanh nghiệp nhà nước ngành cơ khí rất khó hợp tác, đầu tư trùng lắp cũng góp phần không nhỏ vào thất bại trong chiến lược phát triển của ngành

1.1.2 Xu hướng tự động hóa trong ngành cơ khí

Theo kết quả đánh giá hiện trạng công nghệ ngành cơ khí chế tạo Việt Nam, máy thiết bị tự động trong các doanh nghiệp cơ khí hiện nay vẫn chiếm tỷ lệ rất nhỏ, chỉ chiếm khoảng 7% và những thiết bị này phát huy tác dụng cũng rất hạn chế trong các dây chuyền sản xuất do tính đồng bộ của dây chuyền sản xuất không cao Theo số liệu thống kê, hiện nay trong các doanh nghiệp cơ khí sử dụng trên 70% máy công cụ vạn năng Do đó, khả năng gia công chính xác và đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định của các dây chuyền sản xuất cơ khí còn thấp

Ứng dụng máy công cụ điều khiển số (CNC) vào trong gia công cơ khí mang lại hiệu quả kinh tế cao, tăng độ chính xác và rút ngắn thời gian gia công, đảm bảo chất lượng sản phẩm Trong những năm qua đã có những chuyển biến lớn trong ứng dụng máy gia công CNC vào trong ngành cơ khí Việc nghiên cứu và chế tạo thành công máy phay CNC siêu tốc sẽ giúp các doanh nghiệp cơ khí có điều kiện hiện đại hóa trang thiết bị máy móc hiện có do giá thành sản phẩm trong nước thấp hơn nhập khẩu rất nhiều Xu hướng tiến đến giảm dần tỉ lệ sử dụng máy công cụ truyền thống, tăng tỉ lệ sử dụng máy công cụ tự động nhằm đáp ứng nhu cầu của nền sản xuất hàng hóa

1.1.3 Ứng dụng máy công cụ song song trong ngành cơ khí

Lý thuyết về cơ cấu động học song song đã có từ lâu nhưng những ứng dụng thực tế mãi đến thế kỷ XX mới được biết đến Có thể xem James Gwinnett là một người đi tiên phong khi đề xuất ra thiết bị mô phỏng chuyển động của máy bay Kết cấu động học song song không gian đầu tiên cho ứng dụng công nghiệp là Robot sơn có 5 bậc tự do, được thiết kế bởi L.W Willard Năm 1934 Pollards Sohn, L.Willard và G Pollard đã đăng ký sáng chế và được công nhận năm 1942 Việc thực hiện kỹ thuật cho cơ chế này bị thất bại Thực ra công ty Devilis - sau này là nhà chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên - đã mua bản quyền nhưng cuối cùng chỉ sử dụng bộ phận điều khiển

Hình 1.1 Robot sơn với kết cấu động học do L.Willard và G Pollard sáng chế

Trong những hướng nghiên cứu về robot và tay máy ứng dụng trong công nghiệp thì hướng nghiên cứu được Stewart đưa ra năm 1965 nhằm ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực mô phỏng quá trình lắc của máy bay, đó là nguyên lý cơ bản cho loại tay máy song song 6 bậc tự do, cơ cấu này gồm 6 chân có độ dài thay đổi được, các chân này liên kết với giá và tấm di chuyển bằng các khớp cầu

Hình 1.2 Cơ cấu mô phỏng bay của Stewart Cùng thời gian đó, Klaus Cappel, một nhân viên của Franklan Institue Research Labratories ở Philadelphia đã phát triển một thiết bị mô phỏng bay cho máy bay lên thẳng và đăng ký sáng chế năm 1964 Trên cơ sở này, hàng chục năm tiếp theo nhiều hãng đã phát triển và chế tạo những thiết bị mô phỏng bay

Trong những năm 80 và 90, cơ cấu động học song song được phát triển chủ yếu cho thiết bị vận hành và được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp

Khởi xướng đầu tiên có sử dụng cơ cấu động học song song trong máy công cụ bắt nguồn từ Liên Xô cũ vào cuối những năm 70 ở viện kỹ thuật điện Novosibirsk Đầu những năm 90 đã xuất hiện nhiều phiên bản mẫu Vào cuối những năm 80 việc phát triển máy công cụ có kết cấu động học song song cũng được đẩy mạnh ở Mỹ Trong những năm tiếp theo do có sự hỗ trợ khá mạnh của chương trình nghiên cứu quốc gia và quốc tế nên luôn luôn có những phiên bản mẫu mới được phát triển, chế tạo và giới thiệu tại các hội chợ, hội thảo quốc gia và quốc tế Cho tới nay, trên thế

giới có một số máy gia công và thiết bị vận hành đã được xác nhận là tốt, góp phần tạo ra đột phá trong thực tế công nghiệp

Các sản phẩm công nghiệp đã được thương mại hóa:

Máy phay DMT 100 của hãng Deckel Maho, Đức Máy sử dụng nguyên lý tay máy song song song 3 bậc tự do với 3 chân kết hợp với phần trợ lực ở giữa để tạo cho đầu trục chính có 2 trục xoay tương tự như trên máy CNC 5 bậc tự do Máy sử dụng hệ điều khiển Siemens 840 D, có vận tốc cắt tối đa 100m/phút, được sử dụng

để phay các sản phẩm trong công nghiệp hàng không

Hình 1.3 Máy DMT 100 của hãng Deckel Maho, Đức

Hình 1.4 Máy phay Triomaxx của hãng Fooke, Đức

Máy phay Triomaxx của hãng Fooke, Đức Máy sử dụng nguyên lý tay máy song song 3 bậc tự do có 3 chân, không có phần trợ lực ở giữa Máy sử dụng hệ điều khiển Adronic CNC 400 PC-control Máy có vận tốc cắt tối đa 30m/phút, ứng dụng để phay, cắt tia nước

Máy phay Ulyses của hãng, Fatronic, Tây Ban Nha Máy có cấu trúc song song 3 bậc tự do với 3 chân, có phần trợ lực Máy có thể gia công tốc độ cao với tốc

độ cắt tối đa 50m/phút Máy có trục chính nằm ngang, sử dụng hệ điều khiển Fagor

8070

Hình 1.5 Máy phay Ulyses của hãng, Fatronic, Tây Ban Nha

Hình 1.6 Máy phay TM 1000 của hãng JSC Lapik, Nga

Máy phay TM 1000 của hãng JSC Lapik, Nga Máy có cấu trúc song song 6 bậc tự do với 6 chân, không có phần trợ lực Máy có thể ứng dụng để phay hoặc sử dụng làm thiết bị đo

Máy công cụ Quickstep HS 500 của Krauseco & Mauser, Áo Máy có cấu trúc song song 6 bậc tự do với 6 chân máy có chiều dài cố định, có thể gia công tốc

độ cao Vận tốc cắt tối đa 80m/ph, trục chính nằm ngang

Hình 1.7 Máy công cụ Quickstep HS 500 của Krauseco & Mauser, Áo Máy công cụ song song IWU Chemnitz 6X của hãng Mikromat, Đức Máy

có cấu trúc song song 6 bậc tự do với 6 chân Máy có tốc độ cắt tối đa 30m/phút Máy có trục chính thẳng đứng, sử dụng hệ điều khiển Andron andronic 400 với giao diện SERCOS

Hình 1.8 Máy công cụ song song IWU Chemnitz 6X của hãng

Mikromat, Đức

Máy công cụ song song Cosmo Center PM-600 của hãng OKUMA, Nhật Bản Máy có cấu trúc song song 6 bậc tự do với 6 chân, tốc độ cắt tối đa lên tới 120m/ph Trục chính dạng đứng, có thể gia công tốc độ cao với số vòng quay trục chính lên đến 30.000 vòng/phút

Hình 1.9 Máy phay Cosmo Center PM-600 của hãng OKUMA, Nhật

Bản

Ƣu điểm của công cụ song song

Thị trường máy công cụ CNC của thế giới hiện nay có khoảng 80% là máy 3 trục Do máy CNC 3 trục có kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, giá thành thấp nên được đầu tư nhiều trong các doanh nghiệp sản xuất Tuy nhiên với các bề mặt gia công phức tạp, biên dạng 3D, yêu cầu kĩ thuật khắt khe thì máy CNC 3 trục lộ r những nhược điểm về năng suất, chất lượng và hiệu quả, thậm chí không thể gia công được bề mặt yêu cầu Trong trường hợp này, máy CNC 5 trục là giải pháp thích hợp Có thêm 2 trục quay, bất kì bề mặt nào (phẳng hay tròn) đều có thể tạo nên trong mọi vị trí trong không gian làm việc

u điểm của máy CNC 5 trục so với máy CNC 3 trục là có thể gia công bề mặt phức tạp, giảm số lần gá đặt, tránh được các vết cắt giao nhau sau khi gia công các

bề mặt có hình dáng phức tạp, điều kiện cắt tốt hơn Tuy nhiên, máy CNC 5 trục vẫn còn 1 số nhược điểm như giá thành cao, cần phải có hệ điều khiển mạnh, trục

quay phụ gây ra sai số vị trí, chỉ có thể lập trình với một hệ thống lập trình đặc biệt, đối với máy có 2 trục trên bàn k p, không gian làm việc nhỏ, các máy với các trục quay trên trục chính có độ cứng vững thấp và trục quay của trục chính hạn chế sự truyền lực, ở số vòng quay cao còn có moment tác động do hiệu ứng con quay hồi chuyển

Một giải pháp nhằm hạn chế những nhược điểm trên của máy CNC 5 trục thực

là ứng dụng tay máy song song vào gia công cơ khí Máy có độ cứng vững cao do các bộ phận công tác chịu lực kéo và nén chủ yếu, từ đó giảm rung động, cải thiện

độ chính xác cho quá trình gia công Các quỹ đạo gia công phức tạp và có thể gia công được trong một lần gá Bằng cách thiết kế bộ phận công tác thực hiện vai trò gia công, sẽ giúp cho các thiết bị máy CNC 5 trục chế tạo ra sẽ đơn giản hơn, từ đó giúp hạ giá thành của máy sau khi chế tạo ra nhưng vẫn đảm bảo máy có khả năng đáp ứng các yêu cầu làm việc

Xây dựng bài toán động học, động lực học và mô phỏng động học cho máy

Để đạt được mục tiêu đề ra , luận văn giải quyết các nội dung sau:

- Nghiên cứu tổng quan về kết cấu máy công cụ song song

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ động của máy

- Tính toán thiết kế các phần tử cơ khí trong máy

- Xây dựng bài toán vị trí và động học

- Phân tích tĩnh và độ cứng vững

- Xây dựng bài toán động lực học và mô phỏng chuyển động của máy

1.3 Cấu trúc luận văn

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương này trình bày tổng quan về máy công cụ song song, xu hướng tự động hóa ngành cơ khí Nêu lên những ưu điểm của máy công cụ song song cũng như giới thiệu một số máy công cụ song song Từ đó xác định mục đích nghiên cứu

Chương 2: Thiết kế cấu hình máy công cụ song song

Nội dung chương 2 xác định các thông số thiết kế đầu vào của máy, phân tích và lựa chọn phương án thiết kế Thiết kế các phần tử cơ khí của máy Xây dựng bài toán động học và động lực học

Chương 3: Phân tích kết cấu sử dụng phần mềm Ansys

Chương này trình bày phương pháp ứng dụng phần mềm thiết kế Solidworks kết hợp với phần phân tích kết cấu Ansys để xây dựng nên kết cấu máy công cụ song song hoàn chỉnh Những nội dung chính trong chương này tập trung chủ yếu vào việc áp dụng các phần mềm thiết kế hiện đại vào quá trình thiết kế cho phép xây dựng được kết cấu theo yêu cầu thiết kế

Chương 4: Mô phỏng động học máy

Chương 4 trình bày phương pháp áp dụng bộ công cụ SimMechanics của phần mềm Matlab vào mô phỏng động học của máy Chương gồm 2 phần là giới thiệu về

bộ công cụ SimMechanics và phần tiếp theo là ứng dụng công cụ này vào việc mô phỏng động học cho máy

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Tổng kết lại những nội dung chính đã đạt và chưa đạt được của luận văn Đưa ra đề xuất về phương hướng phát triển cho đề tài đã thực hiện

Chương 2 THIẾT KẾ CẤU HÌNH MÁY CÔNG CỤ SONG SONG

2.1 Khảo sát tổng quan các loại máy công cụ song song

Hiện nay, có nhiều cách phân loại máy công cụ song song nhưng về nguyên

lý có thể phân loại máy công cụ song song thành 2 loại chính:

2.1.1 Máy công cụ song song sử dụng nguyên lý thuận

Trong phương án này, dụng cụ gia công được gắn trên bệ di động, thực hiện các chuyển động cắt trong quá trình gia công Phôi được gắn cố định trên bàn máy

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý thuận

Bệ di động được liên kết với đế cố định bởi 3 chân hoặc 6 chân Máy thường

có cấu trúc trục chính thẳng đứng Để mở rộng không gian làm việc của máy, ở một

số máy công cụ song song, bàn máy còn có khả năng chuyển động theo hai truc X

và Y Do được thiết kế đồng bộ nên máy có độ cứng vững cao, có thể gia công được các bề mặt phức tạp, độ chính xác cao Quá trình tính toán, thiết kế và điều khiển tương đối thuận lợi hơn

2.1.2 Máy công cụ song song sử dụng nguyên lý nghịch

Ở phương án này, dụng cụ cắt được thiết kế cố định, chi tiết gia công được

gá trên bàn máy có 3 chân hoặc 6 chân Phần đồ gá đặt trên bàn máy có thể chuyển động theo phương X và Y để mở rộng không gian làm việc của máy

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý nghịch Các máy công cụ song song được thiết kế theo phương án này thường cải tiến từ máy công cụ truyền thống Kết cấu chính của máy bao gồm phần đầu trục chính được giữ nguyên, do đó có thể gia công được với tốc độ cao với độ chính xác cao Đồ gá truyền thống được thay thế bằng kết cấu hexapod, cho phép gia công được những bề mặt phức tạp Máy công cụ này có ưu thế là chi phí thấp, có thể cải tiến từ máy công cụ truyền thống để tăng khả năng gia công của máy Tuy nhiên, việc tính toán, thiết kế và điều khiển khó khăn và phức tạp

2.2 Xác định các thông số làm việc

2.2.1 Xác định đối tượng gia công và phạm vi làm việc của máy

Máy sau khi thiết kế là máy phay, có thể gia công được các loại vật liệu cơ khí có độ cứng lên đến 300HB, gia công các loại vật liệu như gỗ, nhựa, đồng, nhôm,

thép kết cấu…

Máy được thiết kế để gia công những bề mặt có biên dạng 3D là chủ yếu, có khả năng gia công được các bề mặt tạo hình có biên dạng phức tạp, gia công khuôn mẫu, khắc chữ…

2.2.2 Xác định chế độ làm việc giới hạn

Chế độ làm việc của máy bao gồm nhiều mặt như chế độ cắt, chế độ bôi trơn, làm nguội, an toàn… Để tạo cơ sở cho việc tính toán động lực học của máy, ở đây chỉ xác định chế độ cắt giới hạn, sao cho máy sau thiết kế có đặc tính động lực học hợp lý nhất

Tính toán các thông số chế độ làm việc giới hạn (xem phụ lục 1)

Bảng 2.1 Bảng thống kê các thông số chế độ làm việc giới hạn sơ bộ

Các thông số chế độ làm việc giới hạn làm cơ sở cho quá trình thiết kế và tính toán sơ bộ cho máy Một số thông số sẽ được thay đổi để phù hợp với yêu cầu thiết kế và đảm bảo yêu cầu cho kết cấu

2.3 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

2.3.1 Phân loại khớp sử dụng trong máy công cụ song song

Máy công cụ song song bao gồm nhiều khâu được nối với nhau thông qua các khớp Có nhiều loại khớp được sử dụng, đối với máy công cụ song song thường

sử dụng các loại khớp sau:

Khớp lăng trụ (ký hiệu P): cho phép hai phần tử trượt tương đối với nhau

dọc theo trục được xác định bằng hình dạng hình học của khớp Khớp lăng trụ chỉ cho phép một chuyển động tự do

Hình 2.3 Khớp lăng trụ và lược đồ khớp

Khớp cầu (ký hiệu S): cho phép hai phần tử quay tự do quanh tâm cầu là

mặt tiếp xúc chung của hai phần tử Khớp cầu chỉ cho phép ba chuyển động tự do là

ba chuyển động quay, không có chuyển động tịnh tiến

Hình 2.4 Khớp cầu và lược đồ khớp

Khớp các đăng (Ký hiệu U): cho phép hai phần tử quay tương đối với nhau

quanh trục mỗi trục Khớp các đăng cho phép hai chuyển động quay, không có chuyển động tịnh tiến

Hình 2.5 Khớp các đăng và lược đồ khớp Khớp các đăng có thể mở rộng thành khớp 3 bậc tự do (U*) tương tự như khớp cầu nhờ bậc tự do xoay quanh trục mỗi phần tử các đăng Khớp các đăng có nhiều ưu thế hơn so với khớp cầu như có độ chính xác cao, dễ chế tạo, góc làm việc lớn, khả năng chịu lực lớn hơn so với khớp cầu nên xu thế hiện nay thường thay thế khớp cầu bằng khớp các đăng trong máy công cụ song song

Khớp quay hay khớp bản lề (ký hiệu R): cho phép hai phần tử quay tương

đối với nhau theo trục được xác định bằng hình dạng hình học của khớp Khớp lăng trụ chỉ cho phép một chuyển động tự do Khớp quay có kết cấu đơn giản, độ chính xác cao, dễ chế tạo

Hình 2.6 Khớp quay và lược đồ khớp

Độ cứng vững

Góc làm việc lớn nhất

Độ khó khi chế tạo

2.3.2 Phân tích và lựa chọn phương án

Máy công cụ song song có thể được thiết kế cơ cấu chấp hành đối xứng và không đối xứng Trong đó, cơ cấu chấp hành đối xứng thường được sử dụng phổ biến do quá trình thiết kế, tính toán và điều khiển đơn giản hơn cơ cấu chấp hành không đối xứng rất nhiều Máy công cụ song song đối xứng thỏa mãn các điều kiện sau:

- Số lượng nhánh bằng số bậc tự do của bệ máy di động

- Kiểu loại và số lượng các khớp trên các nhánh được bố trí theo cấu hình

đồng nhất

- Số lượng và vị trí các khớp động trong tất cả các nhánh đều như nhau

Có thể thấy, trong cơ cấu chấp hành đối xứng, số nhánh m bằng số bậc tự

do F, đồng thời cũng bằng tổng số các vòng (kể cả vòng ngoại vi):

m = F = L+1 Gọi độ liên kết, Ck trên một nhánh là các bậc tự do có quan hệ với tất cả các khớp trên nhánh đó, xác định theo biểu thức:

Với j là số khớp trong một cơ cấu

Mặt khác, độ liên kết của mỗi nhánh không được lớn hơn thông số chuyển động và phải nhỏ hơn số bậc tự do của bệ di động:

F ≤ Ck ≤ λ Đối với máy công cụ song song 6 bậc tự do, thay F = λ = 6 vào biểu thức trên:

Độ liên kết trên mỗi nhánh bằng 6, nghĩa là mỗi nhánh có 6 bậc tự do trên tất

cả các khớp Số khâu trên mỗi nhánh đạt cực đại khi tất cả các khớp là khớp 1 bậc

tự do và nhỏ nhất nếu tất cả các khớp là khớp 3 bậc tự do Trong máy công cụ, điều mong muốn là sử dụng số khâu là nhỏ nhất, tương ứng với 2 khâu nối từ bệ di động tới đầu dụng cụ thông qua 3 khớp Như vậy, nếu dùng 2 khớp 3 bậc tự do thì trong mỗi nhánh phải có một bậc tự do thừa để thỏa mãn yêu cầu trên

Như vậy, để tạo ra kết cấu máy công cụ song song 6 bậc tự do, với 4 loại khớp thường dùng nêu trên có các phương án cơ bản sau:

Bảng 2.3 Các phương án cơ bản

Phương án Khớp sử dụng Kiểu chân

Từ các phương án phân tích nêu trên, lựa chọn phương án thiết kế thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Lựa chọn khớp các đăng thay thế cho khớp cầu

- Loại bỏ bậc tự do thừa trong kết cấu để tăng độ chính xác

- Sử dụng số khâu nối từ đế cố định đến bàn công tác là nhỏ nhất

- Số khâu cố định là lớn nhất

Để thỏa mãn các yêu cầu trên, từ các phương án nêu trên, lựa chọn phương án

PU*U Trong phương án này, khớp cầu được thay thế bằng khớp các đăng nên khắc phục được các nhược điểm của khớp cầu, đồng thời loại bỏ được bậc tự do thừa trong kết cấu Khớp P có thể được lắp trên khâu cố định nên chỉ có một khâu di động nối từ khâu cố định đến bàn máy

2.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Từ phương án đã lựa chọn ở trên cho phép xác định được sơ đồ nguyên lý như trên hình 2.7

Trong phương án này, dụng cụ cắt được lắp trên bệ di động Bệ máy được liên kết với đế cố định là 6 chân máy nhờ các khâu trung gian thông qua các khớp

U, U* và P Các khớp trụ P có thể tịnh tiến trên các chân cho phép bệ di động có thể đạt được các vị trí trong không gian làm việc Như vậy trong phương án này, số khâu di động là nhỏ nhất (6 khâu), cho phép kết cấu đạt được các yêu cầu thiết kế nêu trên

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý máy Xác định số bậc tự do của cơ cấu

Theo tiêu chuẩn Grübler-Kutzbach, bậc tự do của cơ cấu được xác định theo biểu thức sau:

∑

Trong đó:

λ = 6: số bậc tự do trong không gian làm việc của cơ cấu λ=3 đối với cơ cấu

phẳng và λ=6 đối với cơ cấu không gian

n = 14: số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định

j = 18:số khớp trong cơ cấu

f i: số chuyển động tương đối được phép của khớp i Trong cơ cấu này, bao gồm 6 khớp 1 bậc tự do, 6 khớp 2 bậc tự do và 6 khớp 3 bậc tự do Do đó:

Cơ cấu có 6 bậc tự do, tương ứng cần phải có 6 thông số ngõ vào để xác định

vị trí đầu công tác Mỗi vị trí độc lập với nhau nên 6 thông số đầu vào được điều khiển độc lập với nhau

2.5 Thiết kế kết cấu máy

Từ các thông số thiết kế và sơ đồ nguyên lý đã lựa chọn nêu trên, có thể tiến hành thiết kế kết cấu cho máy Phần thiết kế này được trình bày trong phụ lục 2

2.6 Xây dựng bài toán động học

2.6.1 Hình học của máy

Từ sơ đồ nguyên lý cho phép xây dựng được mô hình toán học của máy công

cụ song song (cụ thể ở đây là máy phay) có dạng như hình 2.8

Máy có kết cấu gồm 6 chân gắn với đế cố định, trên mỗi chân có khớp trụ P

có thể trượt dọc theo chiều dài mỗi chân cho phép thay đổi tọa độ theo trục z Bệ di động lắp dụng cụ cắt liên kết với đế cố định (các chân) thông quay khâu BiCi nhờ khớp các đăng U và U*

Hình 2.8 Mô hình toán học

Sơ đồ khối của máy từ cấu trúc hình học:

Hình 2.8 Sơ đồ khối máy công cụ song song Trong sơ đồ khối có thể nhận thấy máy gồm 6 nhánh liên kết đế đến mặt công tác Trên mỗi nhánh, khớp P là khớp chủ động, nhận chuyển động trực tiếp từ động cơ Khớp U* là khớp các đăng 3 bậc tự do, khớp U là khớp các đăng 2 bậc tự

do

2.6.2 Bài toán động học ngược

Trong bài toán động học ngược, quỹ đạo gia công được cho trước Yêu cầu của bài toán là tìm tọa độ của các biến khớp để bộ phận công tác đạt được vị trí yêu cầu Đối với máy công cụ song song theo kết cấu PU*U, đó là bài toán đi tìm tọa độ khớp P để đầu dao đạt được quỹ đạo cần gia công trên chi tiết

Đặt hệ tọa độ Oxyz lên đế cố định và hệ trục tọa độ Puvw lên bệ di động trên đầu trục chính tại vị trí đầu dụng cụ (trùng với quỹ đạo gia công) Biến đổi từ bệ di động đến đế cố định được mô tả bằng vectơ vị trí p của gốc tọa độ P và ma trận quay ARC của bệ di động Gọi u,v,w là 3 vectơ đơn vị trên 3 trục u,v, w trong hệ tọa

độ di động Ma trận quay là:

Phương trình (2.9) cho ra 6 phương trình mô tả vị trí bệ chuyển động so với

đế tương ứng với i=1÷6 Trong đó, ai, Cci là các vectơ không đổi xác định bằng hình học

Trong bài toán động học ngược, ứng với tọa độ quỹ đạo gia công cho trước

có thể xác định được vecto vị trí p và ma trận quay ARC, tìm chiều dài nhánh di với i=1÷6 bằng cách lấy căn bậc 2 của biểu thức (8):

(2.10)

Với i =1,2,…,6 Ứng với mỗi vị trí bệ, có 2 nghiệm khả dĩ cho mỗi nhánh Tuy nhiên di chỉ nhận giá trị dương Khi nghiệm di là số phức, vị trí bệ di động là không thể đạt được

Xác định các thành phần trong bài toán động học ngược:

Hình 2.10 Xác định các thông số động học ngược

- Xác định vecto vị trí p:

Tọa độ vecto vị trí p trùng với tọa độ gia công tại vị trí đang xét Phương và chiều vecto p hướng từ tọa độ cố định đến vị trí đầu dụng cụ

- Xác định ma trận quay ARC:

Có nhiều phương pháp xác định ma trận quay như phương pháp thực hiện phép

quay theo 3 góc Euler, phương pháp phép quay Roll-Pitch-Yaw (RPY), … Dưới

đây trình bày phương pháp thường dùng là phép quay theo 3 góc Euler

Giả sử ban đầu vecto trục dụng cụ trùng với trục z và có tọa độ n=[0, 0,1]T, tiến

hành thực hiện 2 phép quay để đưa trục dụng cụ đến vị trí có tọa độ n=[nx, ny,nz]T:

Hình 2.11 Phép quay theo 3 góc Euler

1 Quay góc quanh trục z

2 Quay tiếp góc θ quanh trục y mới, đó là trục y’

3 Quay tiếp góc ψ quanh trục z mới, đó là trục z”

Ma trận biểu diễn phép quay theo 3 góc Euler nhận được bằng cách nhân 3 ma

trận với nhau Ở phép quay Euler nếu thực hiện thứ tự quay ngược lại (ψ-θ- cũng

cho kết quả như nhau

R( , θ, ψ) = R(z, ).R(y, θ) R(z, ψ)

Với:

[ ]

2.6.3 Bài toán động học thuận

Trong bài toán động học thuận, chiều dài nhánh di được cho trước, cần tìm vecto vị trí p và ma trận quay ARC để xác định vị trí điểm gia công trên chi tiết (tọa

độ mũi dao).Vecto vị trí p có 3 ẩn vô hướng, ma trận quay ARC có 9 ẩn vô hướng thỏa mãn các điều kiện trực giao nêu trên

Từ các điều kiện nêu trên có thể xác định được hệ phương trình sau:

Hệ gồm 12 phương trình bậc 2 dùng để giải bài toán động học thuận Đây là

hệ phương trình phi tuyến có nhiều nghiệm và khó giải Vấn đề đặt ra là cần chọn phương pháp nào để việc giải phương trình nêu trên được nhanh và cho độ chính xác chấp nhận được Giải hệ phương trình này cho phép xác định được tọa độ mũi dao trên chi tiết gia công Dưới đây trình bày phương pháp giải hệ phương trình bằng thuật toán Newton-Raphson [2]

Xét hệ phương trình phi tuyến có n ẩn số