Hồ Ngọc Bốn, Th.S.Vũ Như Phan Thiện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật T.p Hồ Chí Minh Tóm tắt: Sự phát triển của công nghiệp máy tính và các phần mềm ứng dụng trong kỹ nghệ đã mở ra nhi
Trang 1THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TAY GẮP THAY DAO TRONG TRUNG TÂM
GIA CÔNG ĐIỀU KHIỂN KỸ THUẬT SỐ
TS Nguyễn Ngọc Phương, KS Hồ Ngọc Bốn, Th.S.Vũ Như Phan Thiện
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật T.p Hồ Chí Minh
Tóm tắt: Sự phát triển của công nghiệp máy tính và các phần mềm ứng dụng trong kỹ nghệ đã mở ra nhiều
biện pháp giải quyết các bài toán kỹ thuật hoàn chỉnh và hiệu quả cao Trên ý tưởng này bài viết “ Thiết kế mô phỏng hệ thống tay gắp thay dao trong trung tâm gia công điều khiển kỹ thuật số” nghiên cứu nguyên lý động học và động lực học tay gắp, ứng dụng phần mềm Solid-Edge, Visual Nastran Desktop và Matlab mô phỏng kết cấu, động học , động lực học, kiểm tra bền, tính dao động…
Chương trình đã xây dựng mô hình 3D hơn một trăm chi tiết, có thể sữa chữa dạng hình học cơ cấu dễ dàng, kiểm tra bền, tính dao động chính xác Thiết kế được các đoạn phim mô phỏng, phân tích nguyên lý hoạt động và động lực học tay gắp
Abstract: The development of computer technology and software applying in all industries led a number of
methods to resolute completely and effectively technical problems From this idea, the theme “ Design and simulate a robotic arm system for exchange tools of CNC – center ” studies the principle kinetics and dynamics for robotic arm, using the Solid-Edge, Visual Nastran and Matlab softwares for kinetic, dynamic simulation, resistant inspection, oscillation calculus…
The theme develops 3D for more hundred details, which can be modified geometries easily, inspected resistance and calculated oscillation exactly Design short animationclips for simulation, analysis of operating principle and dynamics of the robotic arm
Để thiết kế chế tạo một thiết bị nào đó, việc đầu tiên là phải thực nghiệm nguyên lý, sau đó chế tạo và chạy thử Các công việc đó có thể mô phỏng trước trên máy tính, tìm ra những chỗ chưa đạt yêu cầu, sữa chữa ngay trên mô hình
Thông qua việc xây dựng các mô hình mô phỏng có thể cảm nhận trực quan Đưa lại sự hiểu biết chi tiết và cụ thể trong vấn đề làm kế hoạch Trình bày, thảo luận và đánh giá với những người điều hành cũng như người sản xuất Thấy trước được những mâu thuẩn kỹ thuật giảm được sai lầm trong kế hoạch Hội nhập những điều kiện khác biệt trong sản xuất Mô phỏng thực tế ảo phân tích kỹ được qui trình sản xuất, nhằm bỏ bớt công nghệ không cần thiết, bổ sung khiếm khuyết trước khi gia công, rút ngắn thời gian thực hiện Máy gia công đầu tiên kiểu “trung tâm gia công cắt gọt kỹ thuật số” xuất hiện vào năm 1958 và từ đó đến nay đã phát triển rộng rãi Trung tâm gia công cắt gọt có khả năng thực hiện các nguyên công khác nhau cho một sản phẩm Ví dụ trung tâm gia công cắt gọt kỹ thuật số MC FHC80 và MC FVH80 có thể thực hiện các nguyên công phay, khoan, doa và cắt ren trên các bề mặt đơn giản hoặc phức tạp [10], được dùng trong sản xuất các chi tiết bán tự động với chế độ sản xuất hàng loạt nhỏ hoặc đơn chiếc
Nếu đánh giá trung tâm cắt gọt theo quan điểm công nghệ, có thể khẳng định rằng phần lớn các thiết bị này có thể gia công sản phẩm từ nhiều phía với một lần định vị và kẹp chặt, ví dụ các loại dao cắt khác nhau Điều này cho phép đạt được độ chính xác kích thước và bề mặt hình học cao hơn, giảm thời gian tổn thất giữa các nguyên công
Trung tâm cắt gọt có thể làm việc trong nhiều chu kỳ khác nhau Hiện nay hầu hết các trung tâm này đều được trang bị hệ thống điều khiển cho phép làm việc với các chu kỳ hoàn chỉnh, đồng thời giải quyết việc chuyển động tương đối của dụng cụ cắt và chi tiết theo 3, 4, 5 trục
Tại Việt nam, trang thiết bị và công nghệ gia công tiên tiến xuất hiện ngày càng nhiều, đáp ứng yêu cầu phát triển công nghiệp và hội nhập Quốc tế, trong đó các máy công cụ CNC chiếm vai trò quan trọng Một số cơ sở công nghiệp, đang sử dụng các loại máy CNC, hiệu MAZAC nhập từ Nhật Bản, trong đó có cả máy phay CNC được trang bị tay gắp thay dao tự động Sự tự động hoá trên máy bao gồm tự động tách phôi, tự động đổi dao, tự động định vị… với hệ thống điều khiển riêng Bộ thay dao tự động được lắp đặt cùng với bộ chứa dao và hệ thống điều khiển, chủ yếu bằng cơ cấu Cơ -Thủy lực, các chuyển động đổi dao thường gồm hai chu kỳ:
- Tìm dao theo mã số và chuyển dao đến vị trí thay đổi
- Đổi dao, phải bắt đầu từ việc lắp dao ở hộp dao, đưa dao đến đầu định vị dao và kẹp chặt dao
Trang 2- 2 -
Hệ thống này cần được chỉnh sửa và cải tiến nhằm tăng tính linh hoạt, giảm thời gian thay dao Để đạt được điều đó cần nghiên cứu thêm về động học, động lực học và mô phỏng sự hoạt động của tay gắp thay dao trên máy tính
Tay gắp thay dao là bộ phận cần thiết để đổi dao tự động trong trung tâm cắt gọt CNC, đã có nhiều dạng
ở các máy gia công cắt gọt trên thế giới Thiết kế mô phỏng hệ thống tay gắp theo kiểu module cho phép sử dụng bộ dụng cụ thực hiện nhiều nguyên công có thể gia công theo nhóm chi tiết
Bộ Module được sử dụng trên cụm gia công bán tự động hoặc tự động điều khiển bằng kỹ thuật số
Xây dựng mô hình dựa trên thực tế đồng thời thu thập thông tin từ các tài liệu liên quan đến việc nghiên cứu tay gắp trong và ngoài nước
Bài viết “ Thiết kế mô phỏng hệ thống tay gắp thay dao trong trung tâm gia công điều khiển kỹ thuật số” ứng dụng phần mềm Solid-Edge, Visual Nastran Desktop và Matlab để mô phỏng
II MÔ TẢ CHỨC NĂNG BỘ ĐỔI DAO TỰ ĐỘNG
Cơ cấu của bộ đổi dao tự động thực hiện các chuyển động sau – Hình 1:
- Chuyển động quay 2700, với sự thiết lập vị trí ban đầu 900
- Định vị dao
- Chuyển động tịnh tiến 200mm, cân bằng với trục của trung tâm cắt gọt
Việc chuyển động tịnh tiến của pít-tông thanh răng làm quay bánh răng liên kết với then truyền chuyển động quay lên trục Việc xác định vị trí nhờ vào các van đảo chiều R1, R2 và R3 Trình tự làm việc của bộ đổi dao tự động:
♦ Giai đoạn lắp dao
1 Vị trí ban đầu (cơ bản), ngàm kẹp mở 2 Tay gắp quay +900 3 Ổn định đúng vị trí lấy dao 4 Đóng ngàm kẹp – Bộ đổi dao dịch chuyển tịnh tiến 5 Quay thêm +1800 6 Dịch chuyển và mở ngàm kẹp tay gắp 7 Định vị bộ đổi dao vào vị trí 8 Quay ngược -900 Bắt đầu gia công
♦ Giai đoạn tháo dao
9 Quay theo chiều kim đồng hồ +900 10 Đưa bộ đổi dao vào vị trí 11 Đóng ngàm kẹp – Bộ đổi dao tịnh tiến 12 Quay ngược chiều kim đồng hồ –1800 13 Dịch chuyển và mở ngàm kẹp tay gắp 14 Định vị bộ đổi dao vào vị trí 15 Quay thêm -900 về vị trí ban đầu
Dựa vào nguyên lý hoạt động của cơ cấu ở trên, xây dựng mô hình 3D và mô phỏng hệ thống tay gắp- Hình 2
III THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TAY GẮP
Hình 1 Nguyên lý hoạt động và sơ đồ
thuỷ lực tay gắp thay dao
Hình 2 Mô phỏng hệ thống tay gắp
R1
R 3
Ổ DAO
TAY GẮP Ồ TRỤC MÁY
THANH RĂNG BÁNH RĂNG
VAN ĐẢO CHIỀU
ĐƯỜNG DẦU PISTON KẸP
PISTON PHỤ
Trang 3! PHẦN MỀM HỔ TRỢ
! TRÌNH TỰ THỰC HIỆN
Phần mềm Solid Edge thuộc họ các phần mềm Unigraphics Solutions, là công cụ tạo sản phẩm 3D hiệu quả, nhanh, chính xác Để thực hiện mô phỏng, đầu tiên cần tạo các chi tiết 3D, sau đó tiến hành lắp ghép các chi tiết theo cụm, cuối cùng lắp ghép tổng thể [2] – xem Sơ đồ hình 3
• TỔNG QUAN HỆ THỐNG TAY GẮP – Hình 4a, 4b, 4c, 4d
• CÁC BƯỚC TỔNG QUÁT TRONG PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN
Phần mềm Nastran là một trong số những phần tính toán giải quyết các bài toán kỹ thuật hàng đầu
Kết quả
Các Chi tiết Lắp ghép
Mô phỏng -Động học, độnglực học
-Phân tích PTHH
-Dao động…
SOLID EDGE, UGS,
AUTOCAD, PRO/E MSC.VISUALNASTRAN. MATLAB, MICROSOFT
EXCEL
Lập qui trình công nghệ gia công
Kiểm tra sản phẩm thực tế
Hình 4 a Sơ đồ tổng quát Hình 4 b Sơ đồ thủy lực
Hình 4 c Hệ thống thủy lực Hình 4 d Sơ đồ tay gắp
Hình 3 Sơ đồ mô phỏng
Trang 4- 4 -
thế giới, được tạo bởi công ty MSC Nastran là một phần mềm trong họ các phần mềm thuộc MSC Software Các bài toán có thể được giải quyết gồm: tính toán động học - động lực học, tính sức bền (FEM), bài toán tối
ưu theo kích thước – tần số …, bài toán truyền dẫn nhiệt trên vật thể [8] theo sơ đồ khối – Hình 5
" Bài toán động học, động lực học
- Chuyển file dữ liệu chi tiết 3D được thiết kế bằng Solid Edge sang phần mềm MSC Nastran
- Định nghĩa các tương quan chuyển động giữa các khâu, nghĩa là thiết lập các khớp (quay, tịnh tiến, bánh răng, đai…)
- Thiết lập các nguyên nhân tạo chuyển động như motor, actuator, lực, moment một cách tương ứng, tùy thuộc từng loại mô hình
" Bài toán tính sức bền
- Aùp đặt tải tác dụng, tác dụng lên mặt trong của vật thể
- Aùp đặt điều kiện biên (điều kiện ràng buộc)
- Tính toán, có thể tính sơ bộ hay tính chính xác theo điều kiện cho trước đó là sai số tính toán, sai số chất lượng lưới Thời gian tính nhanh hay chậm phụ thuộc vào việc thiết lập các điều kiện sai số cho phép Sau khi tính toán xong thì sẽ kiểm tra điều kiện bền, giá trị ứng suất cho phép của vật liệu được nhập trước khi tính toán
- Xuất dữ liệu dạng hình ảnh, dạng số liệu thể hiện ở dạng trang Web
" Mô hình tay gắp được thực hiện nhờ phần mềm Solid Edge và MSC Nastran, các số liệu nhập được lấy từ các kết qủa tính toán trình bày ở phần trên, một số kết quả nhận được sau:
" Bài toán dao động: xác định dạng và tìm số dao động mức thấp nhất
• TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT NẮP ĐẬY – Hình 6
Dạng hình học kết cấu.
Tính chất vật liệu (E, ρρρρ, νννν)
Rời rạc – mã hoá kết cấu
Aùp đặt liên kết (ngàm, gối tựa) Bài toán động
Tính chất tải trọng tác dụng.
(Lực tập trung - momen tập trung, lực –
momen phân bố, lực kích động) Bài toán tĩnh
Bài toán đáp ứng
[ ] M { } q && + [ ] K { } q = 0
[ ] K { } { } q = f
[ ] M { } q && + [ ] K { } q = { } f ( ) t
Hình 5 Sơ đồ khối tính toán
Trang 5• TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT PISTON KẸP VÀ ỨNG SUẤT BẠC ĐỠ TRỤC – Hình 7
• TÍNH DAO ĐỘNG CỦA TRỤC VÀ GIÁ KẸP CÁN DAO – Hình 8
• Thiết kế chế tạo tay gắp để phục vụ cho việc thay đổi dao tự động đòi hỏi độ chính xác cao, rất cần thiết cho các máy gia công theo kiểu “ trung tâm gia công cắt gọt kỹ thuật số “ Việc mô phỏng là bước chuẩn bị cần thiết trứơc khi gia công thực tế
• Mô hình ảo không những phân tích kỹ được nguyên lý hoạt động mà còn kiểm tra tính toán động học và động lực học của cơ cấu Việc thực hiện mô phỏng tay gắp sẽ mang lại hiệu quả kinh tế hơn là việc chế tạo “thử và sai”
• Thông qua việc xây dựng mô hình mô phỏng đưa lại sự hiểu biết chi tiết, có thể sữa chữa dạng hình học cơ cấu dễ dàng, và cụ thể trong vấn đề làm kế hoạch, qui trình sản xuất
Hình 6 Tính toán áp suất nắp
Hình 7 Tính toán ứng suất pittông kẹp và ứng suất bạc đỡ trục
Hình 8 Tính toán dao động của trục và kẹp cán dao
Trang 6- 6 -
• Trình bày, thảo luận với những người điều hành cũng như người sản xuất Được đánh giá, phân tích
và cải tiến trước khi thực hiện Điều này góp phần giảm được những thiếu sót trong quyết định, và
giúp phát hiện sớm những khó khăn hoặc mâu thuẩn trong sản xuất
• Giảm sai lầm trong kế hoạch cũng như trong thiết kế kỹ thuật, kiểm tra và hợp lý hóa những công
đoạn kỹ thuật, bỏ bớt những bước không cần thiết trong công nghệ, thờiø gian làm ra sản phẩm được
rút ngắn lại
• Không những có tính trực quan mà còn giải quyết bài toán kỹ thuật triệt để, thiết lập được bộ bản
vẽ chế tạo chi tiết gia công Hơn nũa dữ liệu vi tính tập trung được quản lý dễ dàng và tiện lợi hơn,
ứng dụng những kết qủa đạt được cho những công trình sau
• Gần đây máy gia công cắt gọt điều khiển theo chương trình số thâm nhập vào nước ta mạnh mẽ
Với kết quả mà bài viết đạt được, hy vọng sẽ giúp cho những người làm công tác nghiên cứu và cho
sinh viên đạt được kết quả tốt hơn trong công việc liên quan
• Để thiết kế mô phỏng một hệ thống thiết bị nào đó, cần phải phân tích về nguyên lý họat động, tính
toán thiết kế, nắm chắc công nghệ, khả năng mô phỏng 3D, công việc được tiến hành nhờ sự cộng
tác của nhiều người Hướng đang đề nghị và từng bước tiến hành xây dựng ngành “ Thiết kế & mô
phỏng” tại trường ĐH.SPKT
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Stephen J Chapman, MATLAB Programming for Engineers by Stephen J Chapman
[2] Jerry Craig, Engineering and Technical Drawing Using Solid Edge, Version 9
[3] Desmond J Higham, Nicholas J Higham, MATLAB Guide
[4] Nguyễn Ngọc Cẩn, Truyền động dầu ép trong máy cắt kim loại, Đ.H Bách khoa Hà nội, 1974
[5] Cernoch, Strojne technicka prirucka, Praha, 1977
[6] Chvála, Mechanizace a automatizace obrábecích stroju, Praha, 1970
[7] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy T1&2, NXB Giáo Dục, 1996
[8] MSC, MSC/NASTRAN Quick Reference Guide by MSC
[9] Necmec, Casti stroju III, Praha, 1969
[10] Píc, Vybrané state z konstrukce NC obrábecích stroju, VUT 1974
[11] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng thủy lực, NXB Giáo Dục,2000
Địa chỉ liên hệ:
NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG
Khoa Cơ khí Chế tạo máy
Bộ môn Cơ điện tử
Trường ĐHSPKT Thủ đức, TP HCM
ĐT: 8 960986
Mobil: 0913 702 581
E-Mail: phuongnn@hcmute.edu.vn
