Tài liệu Mô phỏng và thiết kế Hexapod cho gia công cơ khí chính xác docx

Bài báo này trình bày các bước từ lựa chọn mô hình, mô phỏng động lực học và tính toán thiết kế để chế tạo một Rôbốt cơ cấu song song Hexapod cụ thể ứng dụng trong gia công cơ khí.. Đ

Mô phỏng và thiết kế Hexapod cho gia công cơ khí chính xác

Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn

Phòng Cơ điện tử, Viện Cơ học-264 Đội Cấn, Hà Nội

E-mail: mechatronics@hn.vnn.vn

càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

như: cơ khí chính xác, vũ trụ, y tế, lắp ráp trong sản

xuất, Ở Việt Nam, việc nghiên cứu Rôbốt cơ cấu

song song đã được chú ý từ năm 2000 Nhiều cơ sở

nghiên cứu, cơ sở sản xuất đã có những nghiên cứu

cơ bản và bước đầu triển khai chế tạo Rôbốt song

song

Bài báo này trình bày các bước từ lựa chọn mô hình,

mô phỏng động lực học và tính toán thiết kế để chế

tạo một Rôbốt cơ cấu song song (Hexapod) cụ thể

ứng dụng trong gia công cơ khí Các máy công cụ

truyền thống sau khi thêm bộ đồ gá vạn năng

(Hexapod) có thể gia công được những chi tiết có bề

mặt phức tạp mà trước đây không thực hiện được

Đây là một giải pháp phù hợp cho việc nâng cấp các

máy công cụ truyền thống hiện đang được sử dụng

rất nhiều tại các cơ sở gia công cơ khí chính xác

trong nước, nhằm chế tạo ra các sản phẩm đáp ứng

được những đòi hỏi ngày càng cao của thị trường.

1 Đặt vấn đề

Các dạng sản phẩm có hình dáng phức tạp đòi hỏi độ

chính xác cao, ngày càng được sử dụng rộng rãi như:

• Khuôn mẫu có dạng trụ tròn

• Biên dạng cam để điều khiển

• Khuôn mẫu đột, dập

• Khuôn ép nhựa dùng cho sản xuất quạt điện

Hình 1 Một số dạng chi tiết

Hiện nay, các cơ sở gia công cơ khí tại các nhà máy,

trung tâm sản xuất vẫn còn sử dụng nhiều máy công

cụ truyền thống Với các máy công cụ này, việc gia

công chế tạo các sản phẩm trên rất khó có thể thực

hiện được Có 2 giải pháp được đặt ra:

• Trang bị các máy CNC hiện đại thay thế các máy

công cụ hiện có

• Cải tiến máy công cụ hiện có

Đặc điểm của máy công cụ truyền thống

Các máy công cụ truyền thống hoạt động theo nguyên tắc nhiều trục chính để điều khiển chuyển động tạo hình cắt trong quá trình gia công Những máy công cụ này thường chỉ có tới 3 chuyển động phối hợp (2 chuyển động đồng thời) vì vậy hạn chế rất nhiều về khả năng tạo hình các sản phẩm có hình dạng phức tạp thay đổi trong không gian 3 chiều

Hình 2 Máy phay truyền thống

Nhận xét: Qua khảo sát thực tế sản xuất cũng như nhu

cầu của thị trường trong việc gia công chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu đề xuất giải pháp ứng dụng Rôbốt cơ cấu song song trong gia công cơ khí sẽ được trình bày cụ thể ở phần sau

2 Rôbốt song song trong gia công cơ khí

Khả năng ứng dụng Rôbốt song song trong gia công

cơ khí dựa vào các ưu điểm sau:

• Bề mặt tấm đế di động của Rôbốt có thể chuyển động tự do trong không gian một cách linh hoạt

Vì vậy việc tạo hình bề mặt được thực hiện dễ dàng hơn và đạt yêu cầu về độ chính xác cao hơn

• Kết cấu động học của Rôbốt song song có độ cứng vững cao và chịu được tải trọng lớn mặc dù kích thước Rôbốt nhỏ

• Có thể chế tạo theo kiểu modul hoá, có nhiều chi tiết giống hệt nhau về cấu tạo và vai trò

Qua tìm hiểu về khả năng ứng dụng Rôbốt song song trong gia công cơ khí, nhóm nghiên cứu đưa ra 4 phương án ứng dụng, đánh giá và lựa chọn phương án thích hợp:

Phương án 1: Hexapod trong vai trò máy gia công

Bộ đầu dao được gắn trên

tấm đế di động của Rôbốt 7

chuyển động cần được điều

khiển đồng thời khi gia công,

bao gồm: 6 chuyển động của

Rôbốt và một chuyển động

cắt của dụng cụ cắt

Phương án 2: Tripod trong vai trò máy gia công

Bộ đầu dao được gắn trên

tấm đế di động 4 chuyển

động cần được điều khiển

đồng thời khi gia công Tuy

nhiên để làm tăng cứng

vững hệ thống và hạn chế

các bậc tự do thừa, mô hình

này cần phải thêm cơ cấu

phụ, hoặc thay đổi cấu trúc

của các khớp

Phương án 3: Hexapod trong vai trò đồ gá vạn năng

lắp trên máy công cụ

Phôi được gắn trên tấm đế di động của Rôbốt 7

chuyển động cần được điều khiển đồng thời trong quá

trình gia công, bao gồm: 6 chuyển động của Rôbốt và

một chuyển động độc lập của đầu dao Có 2 phương

án: Rôbốt là bàn gá chuyên dụng và Rôbốt gá trên

bàn dao như hình vẽ Hình 5

Phương án 4: Tripod trong vai trò đồ gá vạn năng

lắp trên máy công cụ

Phôi gắn trên tấm đế di động

của Rôbốt 4 chuyển động cần

được điều khiển đồng thời

trong quá trình gia công, bao

gồm: 3 chuyển động của

Rôbốt và một chuyển động

độc lập của dao cắt Tuy nhiên

cũng giống như phương án 2

cần thêm các cơ cấu phụ tăng

cứng vững và hạn chế các bậc

tự do thừa

Để phù hợp với điều kiện ứng dụng tại Việt Nam, các chỉ tiêu sau được lựa chọn để đánh giá tính khả thi của các phương án:

• Phương án được lựa chọn phải đơn giản trong việc điều khiển

• Kết cấu của Rôbốt đảm bảo độ cứng vững cao

• Có thể ứng dụng phổ biến trong sản xuất và phù hợp với nhu cầu ứng dụng của các đơn vị sản xuất hiện tại

Đánh giá các phương án

4 phương án đề xuất đã được lựa chọn và đánh giá theo bảng sau:

1 Điều khiểnphức tạp Rất Phức tạp Phức tạp Phức tạp

kết cấu

Cứng vững

Nên có phần trợ lực

Cứng vững

Nên có phần trợ lực

4

Khả năng chuyển động của

bề mặt tấm

đế di động

Linh hoạt

Kém linh hoạt Linh hoạt

Kém linh hoạt

Rộng ( thể hiện

2 vai trò

gá đặt và tạo hình)

Hẹp hơn

Bảng 1 So sánh giữa các phương án

K ết luận:

Với điều kiện sản xuất tại Việt Nam, việc chế tạo một Rôbốt song song chuyên dụng cho gia công cơ khí (vai trò là máy gia công) sẽ gặp khó khăn về cả khả năng chế tạo và khả năng ứng dụng Một giải pháp khả thi là sử dụng Rôbốt song song trong vai trò đồ

gá vạn năng lắp trên các máy công cụ để nâng cao khả năng sử dụng của các máy công cụ truyền thống

→ Chọn phương án 3

năng lắp trên máy công cụ phục vụ gia công cơ khí chính xác

Bài toán động học

Phương trình động học của Rôbốt:

Trong đó:

• x : quỹ đạo chuyển động của Rôbốt trong không

gian

Đồ gá

vạn năng

Hình 5 Phương án 3 (Rôbốt gá trên bàn gá)

Hình 4 Phương án 2

Hình 6 Phương án 4 Hình 3 Phương án 1

• q: toạ độ suy rộng của Rôbốt

Với quỹ đạo chuyển động (x) cho trước của Rôbốt ta

xác định được toạ độ suy rộng q của Rôbốt với

phương trình:

Với toạ độ suy rộng q được xác định bởi phương trình

(2) ta có thể tính được vận tốc q&, và gia tốc q&&

Bài toán động lực học Rôbốt

Bài toán động lực học Rôbốt được mô tả theo phương

trình Lagrange II:

a Q

c q

b q abc

b

q

ab

Trong đó:

• q : Toạ độ suy rộng Rôbốt

• Qa : Lực suy rộng

• g ab : Ma trận khối lượng suy rộng

• Γabc: Các lực Coriolis và lực ly tâm suy rộng

Từ bài toán động học theo phương trình (2) ta tìm

được q& , q&& thế vào phương trình (3) sẽ xác định

được Q a

Từ giá trị Q a tìm các thông số động cơ (chế độ điều

khiển) cho Rôbốt được tính

a) Chương trình mô phỏng alaska [1]

Đối tượng mô phỏng của chương trình alaska là cơ

hệ nhiều vật Với nhiều tính năng từ phân tích, giải

các bài toán tuyến tính, bài toán phi tuyến, hiển thị

được các kết quả mong muốn, … rất phù hợp để mô

phỏng Rôbốt cơ cấu song song

alaska có các chức năng chính sau:

• Lập phương trình chuyển động phi tuyến

• Giải các phương trình chuyển động phi tuyến, …

• Lập các phương trình tuyến tính,

• Phân tích các giá trị riêng, tìm các dạng riêng,

tính toán các tần số dao động,

• Giải các phương trình tuyến tính, …

• Tính toán và đưa ra các kết quả theo yêu cầu

• Có cơ chế mở: nhập các dữ liệu từ kết quả của

các phần mềm khác (các ma trận độ cứng, ma

trận khối lượng, … lấy ra từ các phần mềm tính

toán kết cấu, phần tử hữu hạn - NASTRAN,

ANSYS, …), do đó xây dựng được mô hình Cơ

hệ nhiều vật có các phần tử đàn hồi

b) Các thông số đầu vào cho mô phỏng:

Thông số động học của Rôbốt

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng Rôbốt song song trong vai trò đồ gá vạn năng lắp trên bàn chạy dao của máy phay đứng (6H11) có các thông số chính sau:

Hình 7 Mô hình máy phay gia công 6H11

(Máy phay cỡ trung bình) Tên máy 6H11 Thông số đặc trưng của phần không chuyển động

Kích thước lớn nhất (mm) Khối lượng

(kg) Cao (H1) Dài (L1) Rộng (W1)

Thông số đặc trưng của bộ phận gá phôi

Trục

X (W)

Trục

Y (L)

Trục

Z (H) Hành trình (mm) Kích thước (mm)

200 200 350

Khối lượng (kg)

Cao (H2+H3)(W3) Dài Rộng(L3) Miền vận tốc (mm/phút)

300 100 1000 250 35 - 205 25 - 765 12 - 380

Các loại dao và thông số

Thông số Dao đứng Miền đường kính (mm) 4 - 20 Miền tốc độ cắt (vòng/phút) 65 - 1800 Bảng 2 Thông số chính của máy phay mặt đầu 6H11

L3

L

W2

W

W1

W3 H

H2+H3

L1

H1

Để phù hợp với máy phay trên, chúng tôi đã tính toán

và chọn ra các kích thước hình học của Rôbốt song

song như sau:

Thông số

Vị trí của tâm vật so với gốc (mm) STT

Tên vật Bán kính danh

nghĩa

(mm)

Chiều cao trung bình (mm)

Góc lệch (độ)

Khối lượng (kg) Theo trục 1

Theo trục 2

Theo trục 3

1 Tấm dưới 300 50 20 66.291 0.0 0.0 0.1

2 Tấm trên 200 30 24 47.416 0.0 0.0

Bán kính

ngoài (mm) trong (mm) Bán kính Chiều dài (mm) Khối lượng (kg)

3

Động

cơ và

ống

trượt

ngoài

Bán kính

(mm)

Chiều dài (mm)

Khối lượng (kg) Vật liệu

Vị trí tâm phôi

so với tấm trên (mm)

Vị trí ban đầu của phôi (mm) Chiều

cao

(mm)

Khối

lượng

(kg) Theo trục

1

Theo trục

2

Theo trục

3

Theo trục

1

Theo trục

2

Theo trục

3

Chiều dày cắt (mm)

5 Phôi gá 36 20 0.0 0.0 18 0.0 0.0 0.0 20

Bảng 3 Thông số của mô hình Rôbốt (Hexapod)

Quỹ đạo gia công của Rôbốt

Trong quá trình thiết kế Rôbốt song song, một số

dạng chi tiết phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao như

các khuôn mẫu, chi tiết dạng cam (việc gia công các

chi tiết này rất khó khăn đối với cả máy CNC 5 trục)

đã được mô phỏng Bài báo này chỉ trình bày phần

mô phỏng quá trình gia công một chi tiết dạng cam

(Hình 8)

Trên cơ sở hình dạng, kích thước, yêu cầu về độ

chính xác của chi tiết cần gia công, kinh nghiệm gia

công, quỹ đạo gia công mà Rôbốt cần thực hiện trong

không gian theo hệ toạ độ mô tả trong Hình 10, tiến

hành xây dựng qui trình công nghệ gia công chi tiết

Hình 9 Quỹ đạo gia công của Rôbốt

Lực cắt tác dụng lên Rôbốt

Cơ sở chính để xác định lực cắt trong quá trình mô phỏng động lực học Rôbốt là dựa vào quy trình công nghệ gia công chi tiết, loại dụng cụ cắt sử dụng, vật liệu phôi, trên cơ sở các tài liệu chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy, các hệ số trong công thức tính lực cắt (4) phù hợp với các bước, nguyên công khi gia công cũng như các thuộc tính vật liệu, chế độ cắt, bước chạy dao, của dao cắt và phôi gia công được xác định

Công thức tính lực cắt [5]:

MV w

q

n y z

x pt

n D

Z B S C

.

10

Trong đó:

• Z :số răng dao phay

• n : số vòng quay của đầu dao (vòng/ phút)

• C p : là hệ số phụ thuộc vào vật liệu phôi và loại dao phay

• k MV : hệ số điều chỉnh chất lượng vật liệu gia công

• D : đường kính danh nghĩa của dao phay

• S Z : lượng chạy dao răng

Hình 10 Các thành phần lực cắt so với

hệ trục cố định

F2

F3

0.5Ddao

nc

3

2

1

Ft

F1

Hình 8 Chi tiết cần gia công

Các số mũ x, y, q, w là các hệ số phụ thuộc vào loại

dao, vật liệu gia công và vật liệu làm dao, được tra

trong các tài liệu chuyên ngành về Chế tạo máy [9]

Hình 11 Lực cắt khi gia công chi tiết (Hình 6)

Phương của lực cắt thay đổi theo thời gian thoả mãn

trục dao luôn vuông góc với bề mặt tấm đế di động

c) Các bước mô phỏng

Các dữ liệu đầu vào cho việc mô phỏng động lực học

Rôbốt (Hexapod) là:

• Thông số hình học Rôbốt

• Quỹ đạo gia công của Rôbốt

• Lực cắt trong quá trình gia công

Việc mô phỏng Rôbốt (Hexapod) được tiến hành theo

các bước sau:

• Xây dựng mô hình Rôbốt với phần mềm alaska

• Lập quỹ đạo chuyển động (x) của Rôbốt cần thực

hiện trong không gian

• Giải bài toán ngược động học theo quỹ đạo

chuyển động thực của Rôbốt trong không gian để

xác định toạ độ suy rộng của Rôbốt q i, vận tốc q&

và gia tốc q&&

• Giải bài toán động lực học Rôbốt từ đó xác định

lực suy rộng (Q i) để tính toán các thông số động

cơ phục vụ điều khiển Rôbốt

Hình 12 Sơ đồ các bước mô phỏng được thực hiện

Trong thực tế khi mô phỏng, bài toán động học và động lực học được giải đồng thời trong cùng môi trường mô phỏng Kết quả từ bài toán động học là thông số đầu vào của bài toán động lực học và kết quả

cuối cùng của mô hình động lực học (phản lực Q i, tại các khớp) phục vụ bài toán điều khiển

Hình 13 Mô hình Hexapod trên chương trình alaska d) Kết quả mô phỏng:

Mô hình Rôbốt song song được xây dựng trên chương

trình alaska Sau khi tiến hành mô phỏng, tính toán

động lực học, các kết quả sau được đưa ra nhằm phục

vụ cho bài toán điều khiển Rôbốt:

1 Các phản lực tại các khớp trượt

2 Khoảng dịch chuyển qi của các khớp trượt

3 Vận tốc q&, và gia tốc q&& của các khớp trượt

Một số kết quả mô phỏng bằng phần mềm alaska:

Hình 14 Phản lực của một khớp trượt trong quá trình

gia công

Hình 15 Vận tốc của một khớp trượt

x

q i

Qi

Động học

Động lực học

Quỹ đạo chuyển động

Toạ độ Rôbốt

Lực tại các khớp

AUTOCAD

Điều khiển

Hình 16 Khoảng dịch chuyển của một khớp trượt

4 Thiết kế cơ khí Rôbốt song song

Trên cơ sở kết quả của bài toán mô phỏng động lực

học Rôbốt (Hexapod): phản lực khớp trượt, vận tốc

của chúng, khoảng dịch chuyển của biến khớp trượt,

miền tải Rôbốt phải chịu, lựa chọn động cơ và hệ

thống điều khiển cho Rôbốt (Hexapod), đồng thời

thiết kế các cụm chi tiết có thể chế tạo tại Việt Nam

như: tấm đế di động, tấm đế cố định, khớp cầu, khớp

trụ, khớp các đăng và cuối cùng quy định cách lắp

ráp, vận hành của Rôbốt

Hình 17 Bản vẽ thiết kế chi tiết Rôbốt bằng phần

mềm Inventor Rôbốt (Hexapod) cụ thể đã được thiết kế chi tiết trên

phần mềm Inventor Tấm đế cố định và tấm đế di

động có thể được chế tạo tại Việt Nam Các thanh

trượt, động cơ và khớp cầu được chọn lựa theo các

thông số nhận được từ bài toán mô phỏng động lực

học Chi tiết phần thiết kế cơ khí Hexapod xin tham

khảo [6]

5 Kết luận

Bài báo đã trình bày các kết quả ban đầu trong việc

thiết kế chế tạo Rôbốt cơ cấu song song (Hexapod)

phục vụ trong gia công cơ khí Trong thời gian tới các

vấn đề sau sẽ tiếp tục được thực hiện:

• Chế tạo cơ khí Rôbốt

• Thiết kế và chế tạo phần điều khiển gồm: phần

cứng, chương trình phần mềm và giao diện điều

khiển

• Nối ghép giữa phần cơ khí và điều khiển Lắp ráp hoàn chỉnh và kiểm tra hoạt động thực tế của Rôbốt

Ngoài ra, một số vấn đề khác cũng cần được nghiên cứu là:

• Nghiên cứu về không gian làm việc của Rôbốt song song, tìm ra các thuật toán từ đó xác định được các điểm kỳ dị của Rôbốt trong không gian làm việc, phục vụ việc tối ưu hoá trong điều khiển

• Nghiên cứu về các thuật toán điều khiển song song, thông minh ứng dụng cho Rôbốt cơ cấu song song

• Vấn đề dao động của Rôbốt, để đảm bảo độ chính xác khi thao tác của khâu cuối cùng

• Mô phỏng Rôbốt song song có các thành phần là các phần tử đàn hồi

Bài báo này được hoàn thành với sự trợ giúp của Chương trình Quốc gia về Nghiên cứu Khoa học Tự nhiên

[1] Institute of Mechatronics, Inc., Chemnitz: alaska,

version 3.0, User Manual, Simulation Tool in Multibody System Dynamics 1998

[2] Ahmed A Shabana: Dynamics of Multibody System Cambridge University Press 1998 [3] Lung Wen Tsai: Robot analysis - The Mechanics

of Serial and Parallel Manipulators A Wiley - Interscience Publication 1999

[4] Phan Nguyên Di, Nguyễn Văn Khang: Giáo trình động lực học máy Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 2001

[5] Sổ tay công nghệ Chế tạo máy Nhà Xuất bản Khoa học Kỹ thuật 2000

[6] Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn: Thiết kế Rôbốt cơ cấu song song (Hexapod) ứng dụng trong gia công cơ khí chính xác Báo cáo tại Hội nghị Cơ học toàn quốc nhân dịp 25 năm thành lập Viện

Cơ học 4-2004