Thiết kế động học máy cắt gọt kim loại Hexapod bằng mô phỏng

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

1.296
lượt xem 212
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Một trong những thông số cơ bản của máy cắt gọt kim loại động học song song là không gian làm việc và cần xác định trong thiết kế máy PKMT. Không gian làm việc của Hexapod có hình dáng phức tạp và phụ thuộc vào cấu trúc động học của nó, các điều kiện ràng buộc và dịch chuyển các khớp tịnh tiến, khớp quay, điều kiện va chạm giữa các trụ khi giá động chuyển động. Để tính toán thông số động học của PKMT Hexapod theo trình tự của động học nối tiếp giải quyết sẽ...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế động học máy cắt gọt kim loại Hexapod bằng mô phỏng

THIEÁT KEÁ ÑOÄNG HOÏC MAÙY CAÉT GOÏT KIM LOAÏI HEXAPOD BAÈNG MOÂ PHOÛNG Th s. Hå §¾c HiÒn Trung t©m c«ng nghÖ -Tæng côc c«ng nghiÖp quèc phßng Tãm t¾t Bµi b¸o tr×nh bµy ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n c¸c th«ng sè c¬ b¶n Hexapod b»ng m« pháng ®Ó thiÕt kÕ m¸y c¾t gät kim lo¹i ®éng häc song song (PKMT) Hexapod. 1. ÑAËT VAÁN ÑEÀ Mét trong nh÷ng th«ng sè c¬ b¶n cña m¸y c¾t gät kim lo¹i ®éng häc song song lµ kh«ng gian lµm viÖc vµ cÇn x¸c ®Þnh trong thiÕt kÕ m¸y PKMT. Kh«ng gian lµm viÖc cña Hexapod cã h×nh d¸ng phøc t¹p vµ phô thuéc vµo cÊu tróc ®éng häc cña nã, c¸c ®iÒu kiÖn rµng buéc vÒ dÞch chuyÓn c¸c khíp tÞnh tiÕn, khíp quay, ®iÒu kiÖn va ch¹m gi÷a c¸c trô khi gi¸ ®éng chuyÓn ®éng. §Ó tÝnh to¸n th«ng sè ®éng häc cña PKMT Hexapod theo tr×nh tù cña ®éng häc nèi tiÕp gi¶i quyÕt sÏ rÊt khã kh¨n. Víi H×nh 1: C¬ cÊu Hexapod. h−íng nghiªn cøu thiÕt kÕ PKMT lµ s¶n phÈm c¬ ®iÖn Vect¬ chiÒu dµi trô thø i ®−îc tÝnh: tö, sö dông m« pháng, b»ng ch−¬ng tr×nh tÝnh dùa vµo c¸c ph−¬ng tr×nh ®éng häc ng−îc dÔ dµng thay ®æi c¸c l i = p + AR B B bi − ai (1) ph−¬ng ¸n cÊu tróc cña ®èi t−îng nghiªn cøu. KÕt qu¶ Ma trËn quay víi θ1 quay quanh trôc x, θ2 quay øng dông nghiªn cøu cña ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n m« pháng Hexapod phôc vô thiÕt kÕ PKMT. quanh trôc y, θ 3 quay quanh trôc z: 2.CÔ SÔÛ TÍNH TOAÙN Do tÝnh chÊt ®èi xøng cña Hexapod vµ c¸c quü ®¹o  cos 1 0 sinθ2 1 0 θ 0 cosθ3 − sinθ3 0 RB =  0 1 0 0 cos 1 − sinθ1sinθ3 cos 3 0 chuyÓn ®éng cña gi¸ ®éng. §Ó ®¬n gi¶n bµi to¸n x¸c A θ θ ®Þnh kh«ng gian lµm viÖc, cÇn kh¶o s¸t c¬ cÊu trong hÖ − sinθ2 0 cosθ2 0 sinθ cosθ  0 0 1 to¹ ®é trô:   1 1   - θ a : 1/2 gãc gi÷a 2 khíp cÇu tÜnh c¹nh nhau (2) r - θ b : 1/2 gãc gi÷a 2 khíp cÇu ®éng c¹nh nhau - ai lµ vect¬ vÞ trÝ c¸c ®iÓm Ai , lµ vect¬ cè ®Þnh ®−îc - h : ChiÒu cao gi¸ ®éng theo trôc z t¹i vÞ trÝ trung t©m biÓu diÔn b»ng ®−êng kÝnh gi¸ cè ®Þnh: ai = ra [cos Ai , sin Ai ,0] T - z : Kho¶ng c¸ch ®iÓm P ®Õn O theo trôc OZ (3) - r : Kho¶ng c¸ch ®iÓm P ®Õn O trªn mÆt ph¼ng XOY r TÝnh ®èi xøng cña Hexapod nªn gãc A cã c¸c gi¸ trÞ - α : Gãc nghiªng cña vector ph¸p tuyÕn n cña gi¸ sau: ®éng so víi trôc OZ Ai = [60 0 − θ a ,60 0 + θ a ,180 0 − θ a ,180 0 + θ a ,− 60 0 − θ a ,− 60 0 + θ a ] - ΦAmax, ΦBmax : Gãc giíi h¹n cña c¸c khíp cÇu t¹i c¸c r ®iÓm Ai vµ Bi - bi lµ vect¬ vÞ trÝ cña c¸c ®iÓm Bi trong hÖ to¹ ®é - lmin, lmax : Giíi h¹n trªn vµ d−íi cña chiÒu dµi c¸c trô ®éng, lµ vect¬ cè ®Þnh ®−îc biÓu diÔn b»ng ®−êng kÝnh - zmax, zmin : VÞ trÝ biªn cña gi¸ ®éng theo trôc z (phô gi¸ ®éng: thuéc ®iÒu kiÖn lmin, lmax) b i = rb [cos B i , sin B i , h ] T (4) - αmax : Gãc nghiªng max cña gi¸ ®éng (phô thuéc Gãc B cã c¸c gi¸ trÞ: c¸c ®iÒu kiÖn ΦAmax, ΦBmax zmax, zmin) Bi = [θ b ,120 0 − θ b ,120 0 + θ b ,−120 0 − θ b ,−120 0 + θ b ,−θ b ] - ∆z, ∆r, ∆ϕ, ∆α : Sè gia c¸c biÕn trong qu¸ tr×nh kh¶o s¸t §Ó tÝnh to¸n kh«ng gian lµm viÖc cÇn ph©n quy luËt chuyÓn ®éng cña ®iÓm P theo c¸c ph−¬ng ¸n sau: - Gi¸ ®éng chuyÓn ®éng song song víi gi¸ cè ®Þnh. - Gi¸ ®éng nghiªng mét gãc ®Æt tr−íc vµ chuyÓn ®éng. Theo sù ph©n lo¹i trªn cho c¸c tr¹ng th¸i kh¶o s¸t, víi ®iÒu kiÖn h¹n chÕ chuyÓn ®éng m« h×nh c¬ cÊu ta x¸c ®Þnh ®−îc kh«ng gian lµm viÖc cña ®iÓm P lµ ®iÓm ®Æt ®Çu dông cô c¾t. C¸c ®iÒu kiÖn h¹n chÕ sù chuyÓn ®éng cña c¬ cÊu lµ: a/ §iÒu kiÖn h¹n chÕ chiÒu dµi trô lmin< li < lmax cho i=1..6 Lµ ®iÒu kiÖn h¹n chÕ chiÒu dµi trô do kh¶ n¨ng lµm viÖc cña khíp tÞnh tiÕn (trôc vÝt ®ai èc bi, xi lanh thuû lùc).
ChiÒu dµi trô ®−îc x¸c ®Þnh theo ph−¬ng tr×nh ®éng 3. COÂNG CUÏ MOÂ PHOÛNG ÑOÄNG HOÏC PKMT HEXAPOD häc. li = p + AR B B bi − a i Khi thiÕt kÕ mét m¸y c¬ ®iÖn tö yªu cÇu ng−êi thiÕt kÕ Gi¸ trÞ lmax , lmin ®−îc ®Æt tr−íc theo kÝch th−íc trô dù gi¶i quyÕt c¸c nguyªn lý m¸y, cÊu tróc c¬ khÝ, cÊu tróc kiÕn. Ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n sÏ ch¹y vßng lÆp kiÓm tra hÖ thèng ®iÖn vµ ®iÖn tö, c¸c cÊu thµnh m¸y. Nguyªn lý ®iÒu kiÖn. m¸y cÇn gi¶i vµ ph©n tÝch c¸c bµi to¸n ®éng häc, ®éng b/ §iÒu kiÖn h¹n chÕ gãc l¾c khíp cña hai khíp φ < lùc häc ®Ò ra ®−îc th«ng sè cÊu tróc ®¹t nhiÖm vô thiÕt kÕ. Víi m¸y Hexapod lµ mét cÊu tróc ®éng häc song Φmax: song, thiÕt kÕ ph¶i gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n mµ d÷ liÖu Lµ ®iÒu kiÖn h¹n chÕ kh¶ n¨ng lµm viÖc cña khíp vµo cÇn thay ®æi do thay ®æi ph−¬ng ¸n h×nh häc, ®iÖn, c¸c®¨ng, khíp cÇu. ®iÖn tö ®Ó cã cÊu tróc hîp lý. §Ó x¸c ®Þnh ®iÒu kiÖn nµy cÇn kh¶o s¸t gãc l¾c cña 6 Nghiªn cøu thiÕt kÕ víi c«ng cô m« pháng tr×nh bµy khíp cè ®Þnh Ai víi ®iÒu kiÖn φ A < ΦAmax , vµ 6 khíp d−íi ®©y gi¶i quyÕt ®−îc nhiÖm vô thiÕt kÕ. ThiÕt kÕ ch−¬ng tr×nh m« pháng ®éng häc häc Hexapod ®éng Bi víi ®iÒu kiÖn φB < ΦBmax ®Ó ph©n tÝch m¸y Hexapod theo ph−¬ng ph¸p thiÕt kÕ r m¸y c¬ ®iÖn tö. §Ó m« pháng m« h×nh m¸y cÇn cã Ph−¬ng ph¸p kiÓm tra dïng vect¬ trô ( l − A i Bi ) so ch−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña c¸c kh©u, khíp trong r m«i tr−êng ®å ho¹. Ch−¬ng tr×nh bao gåm modul h×nh s¸nh víi vect¬ danh nghi· cña trô l d . Vect¬ danh nghÜa ¶nh vµ biÕn ®æi ¶nh, modul b¶n vÏ vµ chuyÓn ®æi, thuéc lµ vect¬ khi gÝa trÞ gãc Φ=0 tÝnh vµ thay ®æi thuéc tÝnh, ®−îc liªn kÕt víi m« h×nh Gi¸ trÞ gãc ΦA khíp cè ®Þnh ®−îc tÝnh: vËt lý m¸y. Mét modul ch−¬ng tr×nh m« pháng hÖ rr thèng ®Ó quan s¸t cÊu tróc. C¸c modul ®−îc tÝch hîp φi A = ar cos(li .lia ) víi i=1..6 (5) trong kü thuËt h×nh ¶nh ®Ó ng−êi thiÕt kÕ quan s¸t trùc Gi¸ trÞ gãc ΦB khíp ®éng ®−îc tÝnh: tiÕp vµ thay ®æi ph−¬ng ¸n. ChuyÓn ®éng cña m« h×nh rr ph¶i phï hîp chuyÓn ®éng cña m¸y d−íi t¸c ®éng cña φi B = ar cos(l i .lib ) víi i=1..6 (6) ngo¹i lùc. §iÒu kiÖn h¹n chÕ kh«ng gian lµm viÖc do gãc l¾c ®−îc M« h×nh vËt lý cña Hexapod ®−îc x©y dùng nh− sau: ®Æt ra cho c¸c khíp ®éng vµ cè ®Þnh cña Hexapod lµ: C¸c kh©u thµnh phÇn cña Hexapod gåm gi¸ ®éng, gi¸ φ iA 〈φ i max A víi i=1..6 (7) cè ®Þnh vµ 6 trô. Mçi trô lµ khíp tÞnh tiÕn cã hai kh©u trong ®ã mét xilanh vµ mét pÝtston. Gi¸ ®éng nèi víi 6 φ iB 〈φ i max B víi i=1..6 (8) pitston b»ng c¸c khíp c¸c®¨ng hoÆc khíp cÇu, gi¸ cè ®Þnh nèi víi 6 xilanh b»ng c¸c khíp c¸c®¨ng hoÆc khíp c/ §iÒu kiÖn h¹n chÕ va ch¹m gi÷a hai trô d > dmin cÇu. Khíp tÞnh tiÕn ®−îc m« h×nh ho¸ lµ Pitston vµ xi Trong qu¸ tr×nh kh¶o s¸t chuyÓn ®éng gi¸ ®éng cÇn lanh cã hÖ sè c¶n nhít hoÆc ®é cøng lß xo. kiÓm tra ®iÒu kiÖn va ch¹m c¬ khÝ gi÷a c¸c trô. C¸c trô Ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n m« pháng ®−îc lËp b»ng ng«n cã kh¶ n¨ng va ch¹m lµ trô 1víi 2, 3 víi 4 vµ 5 víi 6. ng÷ C++. Gåm 4 thanh lÖnh kÐo xuèng trong ®ã cã c¸c §Ó kiÓm tra ®−îc kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c trô cÇn tÝnh giao diÖn “D÷ liÖu”, “KÕt qu¶” sö dông ®Ó ph©n tÝch, ®−îc dmin lµ kho¶ng c¸ch nhá nhÊt gi÷a c¸c trô trong lùa chän ph−¬ng ¸n cÊu tróc cña Hexapod. qu¸ tr×nh chuyÓn ®éng. r Trong giao diÖn “D÷ liÖu” cÇn nhËp th«ng sè hÖ thèng Kho¶ng c¸ch gi÷a hai trô ®−îc x¸c ®Þnh b»ng vect¬ d ®éng häc, vµ th«ng sè kÕt cÊu cña c¬ cÊu. vu«ng gãc víi hai trô kh¶o s¸t TÝnh n¨ng quan träng cña ch−¬ng tr×nh lµ thay ®æi ®−îc c¸c th«ng sè ®éng häc vµ th«ng sè kÕt cÊu cña m« h×nh. A i Bi = p + AR B B bi − ai vµ A i +1 Bi +1 = p + AR B B bi +1 − a i +1 ViÖc kiÓm tra kho¶ng c¸ch hai trô liªn tiÕp ®−îc thùc r hiÖn b»ng vect¬ d r r r r d i ,i +1 = i × (l1+1 × li ) víi i=1,3,5 (9) r r r li × l i +1 Trong ®ã vect¬ ®¬n vÞ i = r r víi i=1,3,5 li × l i +1 ViÖc kiÓm tra cã thÓ hiÓn thÞ hoÆc kh«ng hiÓn thÞ, kÕt H×nh 2: Giao diÖn “D÷ liÖu” cña ch−¬ng tr×nh thóc ch−¬ng tr×nh tÝnh sÏ th«ng b¸o cho biÕt kho¶ng c¸ch gi÷a nhá nhÊt 2 trô c¹nh nhau Giao dieän döõ lieäu keát caáu
Th«ng sè kÕt cÊu lµ c¸c th«ng sè kÝch th−íc gi¸ ®éng, gi¸ cè ®Þnh, chiÒu dµi trô, c¸c gãc khíp trªn gi¸ cè ®Þnh vµ gi¸ ®éng, c¸c ®iÒu kiÖn h¹n chÕ kh«ng gian lµm viÖc D÷ liÖu kÕt cÊu cÇn nhËp: - B¸n kÝnh gi¸ ®éng [m] - Khèi l−îng gi¸ ®éng [kg] - M« men qu¸n tÝnh gi¸ ®éng theo c¸c trôc x, y, z [kg.m2 ] - B¸n kÝnh gi¸ cè ®Þnh [m] - ChiÒu dµi trôc vÝt [ m] - Khèi l−îng trôc vÝt [kg] - M«men qu¸n tÝnh cña trôc vÝt theo trôc x, y [kg.m2 ] H×nh 4: Giao diÖn “D÷ liÖu ®éng häc” cña ch−¬ng tr×nh - ChiÒu dµi ®ai èc bi [m] Giao dieän keát quaû - Khèi l−îng ®ai èc [kg] KÕt qu¶ cña ch−¬ng tr×nh lµ ®å thÞ hoÆc b¶ng sè to¹ ®é - M«men qu¸n tÝnh cña ®ai èc theo trôc x, y [kg.m2 ] dÞch chuyÓn ®iÓm P cña gi¸ ®éng. ChiÒu dµi trô, vËn tèc - Gãc x¸c ®Þnh t©m c¸c khíp trªn gi¸ ®éng [®é] h−íng trôc c¸c ®iÓm Bi, ch−¬ng tr×nh tÝnh ®−îc lùc t¸c - Gãc x¸c ®Þnh c¸c khíp trªn gi¸ cè ®Þnh [®é] dông däc trôc lªn trô. - ChiÒu cao gi¸ ®éng [m] KÕt qu¶ ®−îc tÝnh to¸n trung thùc theo c¸c ph−¬ng tr×nh - ChiÒu dµi max, min cña trô [m] ®éng häc cña c¬ cÊu. - Gãc l¾c max cña khíp trªn gi¸ ®éng [®é] - Gãc l¾c max cña khíp trªn gi¸ cè ®Þnh [®é] H×nh 5: Giao diÖn “KÕt qu¶” cña ch−¬ng tr×nh §å thÞ kÕt qu¶ ch−¬ng tr×nh gåm c¸c ®å thÞ sau: • ChuyÓn dÞch ®iÓm P theo thêi gian thùc • ChuyÓn dÞch c¸c ®iÓm Bi • VËn tèc c¸c ®iÓm Bi [m/s] • Lùc däc trôc t¸c dông lªn trô [N] • Th«ng b¸o dÞch chuyÓn P theo Z [m], kho¶ng c¸ch nhá nhÊt gi÷a c¸c trô H×nh 3: “D÷ liÖu kÕt cÊu” cña ch−¬ng tr×nh Giaodieän döõ lieäu ñoäng hoïc T¹i giao diÖn nµy cÇn nhËp c¸c d÷ liÖu ®éng häc: - Ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña ®iÓm P - H−íng cña vect¬ ph¸p tuyÕn gi¸ ®éng - §é cøng cña lß xo [N/m ] - HÖ sè c¶n nhít [Ns/m ] H×nh 6: §å thÞ dÞch chuyÓn ®iÓm P theo thêi gian thùc vµ th«ng b¸o Zmax, Zmin, dmin
4.KEÁT LUAÄN Khi thiÕt kÕ m¸y c¬ ®iÖn tö, c¸c ph©n tÝch cÊu tróc c¬ khÝ cÇn ph©n tÝch lùa chän vµ thay ®æi ph−¬ng ¸n cïng víi lùa chän cÊu tróc ®iÒu khiÓn vµ ®iÖn ®iÖn tö. Sù thay ®æi ph−¬ng ¸n cÊu thµnh ®iÖn tö còng lµm thay ®æi ®Õn ph©n tÝch ®éng häc cña m¸y. Ng−îc l¹i nh÷ng thay ®æi ph−¬ng ¸n trong ®éng häc nÕu kh«ng ®Ò cËp ®Õn thay ®æi trong hÖ thèng ®iÖn, ®iÖn tö th× ph−¬ng ¸n cã thÓ dÉn ®Õn kh«ng kh¶ thi. Nãi chung hÖ thèng ®iÖn, ®iÖn tö vµ hÖ thèng c¬ khÝ ®−îc ph©n tÝch thiÕt kÕ mét c¸ch ®ång thêi. Víi ch−¬ng tr×nh tÝnh to¸n, m« pháng Hexapod gióp gi¶i quyÕt nhanh chãng c¸c ®Ò xuÊt ph−¬ng ¸n thiÕt kÕ ®éng häc PKMT Hexapod. Tµi liÖu tham kh¶o 1. Masory O. Wang J. 1995, Workspace evaluation of Stewart platform, advanced robotics. 2. Husty M. L. Eberharter J. 2001, Kinematic analisis of the Hexapod telescope, computation kinematics 3. Conti, J.P., Clinton, C.M., Zhang G., Wavering, A.J., Workspace variation of a hexapod machine tool. NISTIR 6135, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, March 1998. 4. Arai, T., et al, Design, analysis, and construction of a prototype parallel link manipulator 5. Hå §¾c HiÒn. Gi¶i bµi to¸n ®éng häc ng−îc Hexapod. TuyÓn tËp c¸c b¸o c¸o khoa häc héi nghÞ c¬ ®iÖn tö toµn quèc lÇn thø 1. Hµ néi 2002