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

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

747
lượt xem 241
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô phỏng và thiết kế Hexapod cho gia công cơ khí chính xác

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 Tóm tắt: Trên thế giới, Rôbốt cơ cấu song song ngày Đặc điểm của máy công cụ truyền thống càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: cơ khí chính xác, vũ trụ, y tế, lắp ráp trong sản Các máy công cụ truyền thống hoạt động theo nguyên xuất,.... Ở Việt Nam, việc nghiên cứu Rôbốt cơ cấu tắc nhiều trục chính để điều khiển chuyển động tạo song song đã được chú ý từ năm 2000. Nhiều cơ sở hình cắt trong quá trình gia công. Những máy công cụ nghiên cứu, cơ sở sản xuất đã có những nghiên cứu này thường chỉ có tới 3 chuyển động phối hợp (2 cơ bản và bước đầu triển khai chế tạo Rôbốt song chuyển động đồng thời) vì vậy hạn chế rất nhiều về song. khả năng tạo hình các sản phẩm có hình dạng phức tạp thay đổi trong không gian 3 chiều. 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. Hình 2. Máy phay truyền thống 1 Đặt vấn đề Nhận xét: Qua khảo sát thực tế sản xuất cũng như nhu Các dạng sản phẩm có hình dáng phức tạp đòi hỏi độ cầu của thị trường trong việc gia công chế tạo các sản chính xác cao, ngày càng được sử dụng rộng rãi như: phẩm có hình dạng phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu đề xuất giải pháp ứng dụng • Khuôn mẫu có dạng trụ tròn Rôbốt cơ cấu song song trong gia công cơ khí sẽ được • Biên dạng cam để điều khiển trình bày cụ thể ở phần sau. • Khuôn mẫu đột, dập 2 Rôbốt song song trong gia công cơ khí • Khuôn ép nhựa dùng cho sản xuất quạt điện 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. Hình 1. Một số dạng chi tiết • Kết cấu động học của Rôbốt song song có độ Hiện nay, các cơ sở gia công cơ khí tại các nhà máy, cứng vững cao và chịu được tải trọng lớn mặc dù trung tâm sản xuất vẫn còn sử dụng nhiều máy công kích thước Rôbốt nhỏ. cụ truyền thống. Với các máy công cụ này, việc gia công chế tạo các sản phẩm trên rất khó có thể thực • Có thể chế tạo theo kiểu modul hoá, có nhiều chi hiện được. Có 2 giải pháp được đặt ra: tiết giống hệt nhau về cấu tạo và vai trò. • Trang bị các máy CNC hiện đại thay thế các máy Qua tìm hiểu về khả năng ứng dụng Rôbốt song song công cụ hiện có. trong gia công cơ khí, nhóm nghiên cứu đưa ra 4 phương án ứng dụng, đánh giá và lựa chọn phương án • Cải tiến máy công cụ hiện có. thích hợp:
Phương án 1: Hexapod trong vai trò máy gia công Để phù hợp với điều kiện ứng dụng tại Việt Nam, các chỉ tiêu sau được lựa chọn để đánh giá tính khả thi Bộ đầu dao được gắn trên của các phương án: tấm đế di động của Rôbốt. 7 chuyển động cần được điều • Phương án được lựa chọn phải đơn giản trong khiển đồng thời khi gia công, việc điều khiển bao gồm: 6 chuyển động của • Kết cấu của Rôbốt đảm bảo độ cứng vững cao. Rôbốt và một chuyển động • Có thể ứng dụng phổ biến trong sản xuất và phù cắt của dụng cụ cắt. hợp với nhu cầu ứng dụng của các đơn vị sản Hình 3. Phương án 1 xuất hiện tại. Phương án 2: Tripod trong vai trò máy gia công Đánh giá các phương án Bộ đầu dao được gắn trên 4 phương án đề xuất đã được lựa chọn và đánh giá tấm đế di động. 4 chuyển theo bảng sau: động cần được điều khiển đồng thời khi gia công. Tuy Chỉ tiêu Phương Phương Phương Phương STT nhiên để làm tăng cứng đánh giá án 1 án 2 án 3 án 4 vững hệ thống và hạn chế Rất Phức các bậc tự do thừa, mô hình 1 Điều khiển Phức tạp Phức tạp phức tạp tạp này cần phải thêm cơ cấu Phức Đơn giản phụ, hoặc thay đổi cấu trúc Hình 4. Phương án 2 2 Kết cấu Phức tạp Phức tạp tạp hơn của các khớp. Độ cứng Nên có Nên có Cứng Cứng Phương án 3: Hexapod trong vai trò đồ gá vạn năng 3 vững của phần trợ phần trợ vững vững lắp trên máy công cụ kết cấu lực lực Khả năng Phôi được gắn trên tấm đế di động của Rôbốt. 7 chuyển Kém chuyển động cần được điều khiển đồng thời trong quá Linh Kém 4 động của linh Linh hoạt trình gia công, bao gồm: 6 chuyển động của Rôbốt và hoạt linh hoạt bề mặt tấm hoạt một chuyển động độc lập của đầu dao. Có 2 phương đế di động án: Rôbốt là bàn gá chuyên dụng và Rôbốt gá trên Rộng bàn dao như hình vẽ Hình 5. ( thể hiện Khả năng Khá 5 Rộng 2 vai trò Hẹp hơn ứng dụng rộng gá đặt và Đồ gá tạo hình) vạn năng 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 Hình 5. Phương án 3 (Rôbốt gá trên bàn gá) gá vạn năng lắp trên các máy công cụ để nâng cao khả năng sử dụng của các máy công cụ truyền thống Phương án 4: Tripod trong vai trò đồ gá vạn năng → Chọn phương án 3. lắp trên máy công cụ 3 Mô phỏng Hexapod trong vai trò đồ gá vạn Phôi gắn trên tấm đế di động năng lắp trên máy công cụ phục vụ gia công cơ của Rôbốt. 4 chuyển động cần khí chính xác được điều khiển đồng thời trong quá trình gia công, bao 3.1 Nguyên lý chung [2], [3], [4] gồm: 3 chuyển động của Bài toán động học Rôbốt và một chuyển động Phương trình động học của Rôbốt: độc lập của dao cắt. Tuy nhiên x = f(q) (1) cũng giống như phương án 2 Trong đó: cần thêm các cơ cấu phụ tăng Hình 6. Phương án 4 cứng vững và hạn chế các bậc • x : quỹ đạo chuyển động của Rôbốt trong không tự do thừa. gian
• q: toạ độ suy rộng của Rôbốt b) Các thông số đầu vào cho mô phỏng: Với quỹ đạo chuyển động (x) cho trước của Rôbốt ta Thông số động học của Rôbốt xác định được toạ độ suy rộng q của Rôbốt với phương trình: Nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng Rôbốt song q = f -1(x) (2) song trong vai trò đồ gá vạn năng lắp trên bàn chạy Với toạ độ suy rộng q được xác định bởi phương trình dao của máy phay đứng (6H11) có các thông số chính sau: (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: L b b c L3 g ab q && + Γabc q q = Q a & & (3) Trong đó: • q : Toạ độ suy rộng Rôbốt W2 • Qa : Lực suy rộng W1 • gab : Ma trận khối lượng suy rộng • Γabc : Các lực Coriolis và lực ly tâm suy rộng W Từ bài toán động học theo phương trình (2) ta tìm W3 H H1 được q , q thế vào phương trình (3) sẽ xác định & && được Qa H2+H3 Từ giá trị Qa tìm các thông số động cơ (chế độ điều L1 khiển) cho Rôbốt được tính. Hình 7. Mô hình máy phay gia công 6H11 3.2 Tính toán động lực học a) Chương trình mô phỏng alaska [1] (Máy phay cỡ trung bình) Tên máy 6H11 Đối tượng mô phỏng của chương trình alaska là cơ Thông số đặc trưng của phần không chuyển động hệ nhiều vật. Với nhiều tính năng từ phân tích, giải Kích thước lớn nhất (mm) các bài toán tuyến tính, bài toán phi tuyến, hiển thị Khối lượng Rộng được các kết quả mong muốn, … rất phù hợp để mô (kg) Cao (H1) Dài (L1) (W1) phỏng Rôbốt cơ cấu song song. 2100 2300 2060 1530 alaska có các chức năng chính sau: Thông số đặc trưng của bộ phận gá phôi • Lập phương trình chuyển động phi tuyến. Trục Trục Trục X Y Z • Giải các phương trình chuyển động phi tuyến, … Khối Kích thước (mm) (W) (L) (H) • Lập các phương trình tuyến tính, lượng Hành trình (mm) (kg) 200 200 350 • Phân tích các giá trị riêng, tìm các dạng riêng, Cao Dài Miền vận tốc tính toán các tần số dao động, Rộng(L3) (H2+H3) (W3) (mm/phút) • Giải các phương trình tuyến tính, … 35 - 25 - 12 - 300 100 1000 250 205 765 380 • Tính toán và đưa ra các kết quả theo yêu cầu Các loại dao và thông số • Có cơ chế mở: nhập các dữ liệu từ kết quả của Thông số Dao đứng các phần mềm khác (các ma trận độ cứng, ma Miền đường kính (mm) 4 - 20 trận khối lượng, … lấy ra từ các phần mềm tính Miền tốc độ cắt (vòng/phút) 65 - 1800 toán kết cấu, phần tử hữu hạn - NASTRAN, Bảng 2. Thông số chính của máy phay mặt đầu 6H11 ANSYS, …), do đó xây dựng được mô hình Cơ hệ nhiều vật có các phần tử đàn hồi.
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: STT Thông số Chiều Vị trí của tâm vật so Bán kính cao Góc Khối với gốc (mm) Tên vật danh trung lệch lượng nghĩa bình (độ) (kg) Theo Theo Theo (mm) (mm) trục 1 trục 2 trục 3 Tấm 1 300 50 20 66.291 0.0 0.0 0.1 dưới Tấm 2 200 30 24 47.416 0.0 0.0 trên Bán kính Bán kính Chiều dài Khối lượng Hình 9. Quỹ đạo gia công của Rôbốt ngoài (mm) trong (mm) (mm) (kg) Động Lực cắt tác dụng lên Rôbốt cơ và Cơ sở chính để xác định lực cắt trong quá trình mô 3 ống 50 35 350 34.143 phỏng động lực học Rôbốt là dựa vào quy trình công trượt ngoài nghệ gia công chi tiết, loại dụng cụ cắt sử dụng, vật liệu phôi, ... trên cơ sở các tài liệu chuyên ngành Bán kính Chiều dài Khối lượng Công nghệ chế tạo máy, các hệ số trong công thức Vật liệu (mm) (mm) (kg) tính lực cắt (4) phù hợp với các bước, nguyên công Thanh khi gia công cũng như các thuộc tính vật liệu, chế độ 4 35 400 10 trượt cắt, bước chạy dao, ...của dao cắt và phôi gia công Vị trí tâm phôi được xác định. Vị trí ban đầu so với tấm trên Công thức tính lực cắt [5]: Chiều Khối của phôi (mm) Chiều (mm) cao lượng dày cắt Theo Theo Theo Theo Theo Theo (mm) (kg) trục trục trục trục trục trục (mm) 10.C pt .S zy B n .Z x 1 2 3 1 2 3 Pz = .k MV (4) Phôi D q .n w 5 36 20 0.0 0.0 18 0.0 0.0 0.0 20 Trong đó: gá Bảng 3. Thông số của mô hình Rôbốt (Hexapod) • Z :số răng dao phay • n : số vòng quay của đầu dao (vòng/ phút) Quỹ đạo gia công của Rôbốt • Cp : là hệ số phụ thuộc vào vật liệu phôi và loại Trong quá trình thiết kế Rôbốt song song, một số dao phay dạng chi tiết phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao như • kMV : hệ số điều chỉnh chất lượng vật liệu gia các khuôn mẫu, chi tiết dạng cam (việc gia công các công chi tiết này rất khó khăn đối với cả máy CNC 5 trục) đã được mô phỏng ... Bài báo này chỉ trình bày phần • D : đường kính danh nghĩa của dao phay mô phỏng quá trình gia công một chi tiết dạng cam • SZ : lượng chạy dao răng (Hình 8). 3 0.5Ddao nc 1 F1 2 Hình 8. Chi tiết cần gia công F2 F3 Trên cơ sở hình dạng, kích thước, yêu cầu về độ chính xác của chi tiết cần gia công, kinh nghiệm gia Ft công, quỹ đạo gia công mà Rôbốt cần thực hiện trong không gian theo hệ toạ độ mô tả trong Hình 10, tiến Hình 10. Các thành phần lực cắt so với hành xây dựng qui trình công nghệ gia công chi tiết. hệ trục cố định
Các số mũ x, y, q, w là các hệ số phụ thuộc vào loại Trong thực tế khi mô phỏng, bài toán động học và dao, vật liệu gia công và vật liệu làm dao, ... được tra động lực học được giải đồng thời trong cùng môi trong các tài liệu chuyên ngành về Chế tạo máy [9]. 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 Qi, tại các khớp) phục vụ bài toán điều khiển. 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 Hình 13. Mô hình Hexapod trên chương trình alaska Việc mô phỏng Rôbốt (Hexapod) được tiến hành theo d) Kết quả mô phỏng: các bước sau: Mô hình Rôbốt song song được xây dựng trên chương • Xây dựng mô hình Rôbốt với phần mềm alaska trình alaska. Sau khi tiến hành mô phỏng, tính toán động lực học, các kết quả sau được đưa ra nhằm phục • Lập quỹ đạo chuyển động (x) của Rôbốt cần thực vụ cho bài toán điều khiển Rôbốt: hiện trong không gian. • Giải bài toán ngược động học theo quỹ đạo 1. Các phản lực tại các khớp trượt chuyển động thực của Rôbốt trong không gian để 2. Khoảng dịch chuyển qi của các khớp trượt xác định toạ độ suy rộng của Rôbốt qi, vận tốc q & và gia tốc q . && 3. Vận tốc q , và gia tốc q của các khớp trượt & && • Giải bài toán động lực học Rôbốt từ đó xác định Một số kết quả mô phỏng bằng phần mềm alaska: lực suy rộng (Qi) để tính toán các thông số động cơ phục vụ điều khiển Rôbốt. AUTOCAD x Quỹ đạo chuyển động Động học Hình 14. Phản lực của một khớp trượt trong quá trình qi Toạ độ Rôbốt gia công Động lực học Lực tại các khớp Qi Điều khiển Hình 15. Vận tốc của một khớp trượt Hình 12. Sơ đồ các bước mô phỏng được thực hiện
• 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 Hình 16. Khoảng dịch chuyển của một khớp trượt khiển. • Nghiên cứu về các thuật toán điều khiển song 4 Thiết kế cơ khí Rôbốt song song song, thông minh ứng dụng cho Rôbốt cơ cấu Trên cơ sở kết quả của bài toán mô phỏng động lực song song. học Rôbốt (Hexapod): phản lực khớp trượt, vận tốc • Vấn đề dao động của Rôbốt, để đảm bảo độ của chúng, khoảng dịch chuyển của biến khớp trượt, chính xác khi thao tác của khâu cuối cùng. miền tải Rôbốt phải chịu,... lựa chọn động cơ và hệ • Mô phỏng Rôbốt song song có các thành phần là thống điều khiển cho Rôbốt (Hexapod), đồng thời các phần tử đàn hồi. 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 Bài báo này được hoàn thành với sự trợ giúp của ráp, vận hành của Rôbốt ... Chương trình Quốc gia về Nghiên cứu Khoa học Tự nhiên. 6 Tài liệu tham khảo [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 Hình 17. Bản vẽ thiết kế chi tiết Rôbốt bằng phần động lực học máy. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ mềm Inventor thuật. 2001 Rôbốt (Hexapod) cụ thể đã được thiết kế chi tiết trên [5] Sổ tay công nghệ Chế tạo máy. Nhà Xuất bản phần mềm Inventor. Tấm đế cố định và tấm đế di Khoa học Kỹ thuật. 2000 động có thể được chế tạo tại Việt Nam. Các thanh trượt, động cơ và khớp cầu được chọn lựa theo các [6] Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ thông số nhận được từ bài toán mô phỏng động lực Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn: Thiết kế Rôbốt cơ học. Chi tiết phần thiết kế cơ khí Hexapod xin tham cấu song song (Hexapod) ứng dụng trong gia khảo [6]. công cơ khí chính xác. Báo cáo tại Hội nghị Cơ học toàn quốc nhân dịp 25 năm thành lập Viện 5 Kết luận Cơ học. 4-2004 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