- 1 -
THIEÁT KEÁ MOÂ PHOÛNG HEÄ THOÁNG TAY GAÉP THAY DAO TRONG TRUNG TAÂM
GIA COÂNG ÑIEÀU KHIEÅN KYÕ THUAÄT SOÁ
TS. Nguyeãn Ngoïc Phöông, KS. Hoà Ngoïc Boán, Th.S.Vuõ Nhö Phan Thieän
Tröôøng Ñaïi hoïc Sö phaïm Kyõ thuaät T.p Hoà Chí Minh
Toùm taét: Söï phaùt trieån cuûa coâng nghieäp maùy tính vaø caùc phaàn meàm öùng duïng trong kyõ ngheä ñaõ môû ra nhieàu
bieän phaùp giaûi quyeát caùc baøi toaùn kyõ thuaät hoaøn chænh vaø hieäu quaû cao. Treân yù töôûng naøy baøi vieát “ Thieát keá
moâ phoûng heä thoáng tay gaép thay dao trong trung taâm gia coâng ñieàu khieån kyõ thuaät soá” nghieân cöùu nguyeân lyù
ñoäng hoïc vaø ñoäng löïc hoïc tay gaép, öùng duïng phaàn meàm Solid-Edge, Visual Nastran Desktop vaø Matlab moâ
phoûng keát caáu, ñoäng hoïc , ñoäng löïc hoïc, kieåm tra beàn, tính dao ñoäng…
Chöông trình ñaõ xaây döïng moâ hình 3D hôn moät traêm chi tieát, coù theå söõa chöõa daïng hình hoïc cô caáu deã
daøng, kieåm tra beàn, tính dao ñoäng chính xaùc. Thieát keá ñöôïc caùc ñoaïn phim moâ phoûng, phaân tích nguyeân lyù hoaït
ñoäng vaø ñoäng löïc hoïc tay gaép.
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.
I. TOÅNG QUAN
Ñeå thieát keá cheá taïo moät thieát bò naøo ñoù, vieäc ñaàu tieân laø phaûi thöïc nghieäm nguyeân lyù, sau ñoù cheá taïo vaø
chaïy thöû. Caùc coâng vieäc ñoù coù theå moâ phoûng tröôùc treân maùy tính, tìm ra nhöõng choã chöa ñaït yeâu caàu, söõa chöõa
ngay treân moâ hình.
Thoâng qua vieäc xaây döïng caùc moâ hình moâ phoûng coù theå caûm nhaän tröïc quan. Ñöa laïi söï hieåu bieát chi tieát
vaø cuï theå trong vaán ñeà laøm keá hoaïch. Trình baøy, thaûo luaän vaø ñaùnh giaù vôùi nhöõng ngöôøi ñieàu haønh cuõng nhö
ngöôøi saûn xuaát. Thaáy tröôùc ñöôïc nhöõng maâu thuaån kyõ thuaät giaûm ñöôïc sai laàm trong keá hoaïch. Hoäi nhaäp
nhöõng ñieàu kieän khaùc bieät trong saûn xuaát. Moâ phoûng thöïc teá aûo phaân tích kyõ ñöôïc qui trình saûn xuaát, nhaèm boû
bôùt coâng ngheä khoâng caàn thieát, boå sung khieám khuyeát tröôùc khi gia coâng, ruùt ngaén thôøi gian thöïc hieän.
Maùy gia coâng ñaàu tieân kieåu “trung taâm gia coâng caét goït kyõ thuaät soá” xuaát hieän vaøo naêm 1958 vaø töø ñoù
ñeán nay ñaõ phaùt trieån roäng raõi. Trung taâm gia coâng caét goït coù khaû naêng thöïc hieän caùc nguyeân coâng khaùc nhau
cho moät saûn phaåm. Ví duï trung taâm gia coâng caét goït kyõ thuaät soá MC FHC80 vaø MC FVH80 coù theå thöïc hieän
caùc nguyeân coâng phay, khoan, doa vaø caét ren treân caùc beà maët ñôn giaûn hoaëc phöùc taïp [10], ñöôïc duøng trong
saûn xuaát caùc chi tieát baùn töï ñoäng vôùi cheá ñoä saûn xuaát haøng loaït nhoû hoaëc ñôn chieác.
Neáu ñaùnh giaù trung taâm caét goït theo quan ñieåm coâng ngheä, coù theå khaúng ñònh raèng phaàn lôùn caùc thieát bò
naøy coù theå gia coâng saûn phaåm töø nhieàu phía vôùi moät laàn ñònh vò vaø keïp chaët, ví duï caùc loaïi dao caét khaùc nhau.
Ñieàu naøy cho pheùp ñaït ñöôïc ñoä chính xaùc kích thöôùc vaø beà maët hình hoïc cao hôn, giaûm thôøi gian toån thaát giöõa
caùc nguyeân coâng.
Trung taâm caét goït coù theå laøm vieäc trong nhieàu chu kyø khaùc nhau. Hieän nay haàu heát caùc trung taâm naøy
ñeàu ñöôïc trang bò heä thoáng ñieàu khieån cho pheùp laøm vieäc vôùi caùc chu kyø hoaøn chænh, ñoàng thôøi giaûi quyeát
vieäc chuyeån ñoäng töông ñoái cuûa duïng cuï caét vaø chi tieát theo 3, 4, 5 truïc.
Taïi Vieät nam, trang thieát bò vaø coâng ngheä gia coâng tieân tieán xuaát hieän ngaøy caøng nhieàu, ñaùp öùng yeâu
caàu phaùt trieån coâng nghieäp vaø hoäi nhaäp Quoác teá, trong ñoù caùc maùy coâng cuï CNC chieám vai troø quan troïng.
Moät soá cô sôû coâng nghieäp, ñang söû duïng caùc loaïi maùy CNC, hieäu MAZAC nhaäp töø Nhaät Baûn, trong ñoù coù caû
maùy phay CNC ñöôïc trang bò tay gaép thay dao töï ñoäng. Söï töï ñoäng hoaù treân maùy bao goàm töï ñoäng taùch phoâi,
töï ñoäng ñoåi dao, töï ñoäng ñònh vò… vôùi heä thoáng ñieàu khieån rieâng. Boä thay dao töï ñoäng ñöôïc laép ñaët cuøng vôùi
boä chöùa dao vaø heä thoáng ñieàu khieån, chuû yeáu baèng cô caáu Cô -Thuûy löïc, caùc chuyeån ñoäng ñoåi dao thöôøng
goàm hai chu kyø:
- Tìm dao theo maõ soá vaø chuyeån dao ñeán vò trí thay ñoåi.
- Ñoåi dao, phaûi baét ñaàu töø vieäc laép dao ôû hoäp dao, ñöa dao ñeán ñaàu ñònh vò dao vaø keïp chaët dao.
- 2 -
Heä thoáng naøy caàn ñöôïc chænh söûa vaø caûi tieán nhaèm taêng tính linh hoaït, giaûm thôøi gian thay dao. Ñeå ñaït
ñöôïc ñieàu ñoù caàn nghieân cöùu theâm veà ñoäng hoïc, ñoäng löïc hoïc vaø moâ phoûng söï hoaït ñoäng cuûa tay gaép thay
dao treân maùy tính.
Tay gaép thay dao laø boä phaän caàn thieát ñeå ñoåi dao töï ñoäng trong trung taâm caét goït CNC, ñaõ coù nhieàu daïng
ôû caùc maùy gia coâng caét goït treân theá giôùi. Thieát keá moâ phoûng heä thoáng tay gaép theo kieåu module cho pheùp söû
duïng boä duïng cuï thöïc hieän nhieàu nguyeân coâng coù theå gia coâng theo nhoùm chi tieát.
Boä Module ñöôïc söû duïng treân cuïm gia coâng baùn töï ñoäng hoaëc töï ñoäng ñieàu khieån baèng kyõ thuaät soá.
Xaây döïng moâ hình döïa treân thöïc teá ñoàng thôøi thu thaäp thoâng tin töø caùc taøi lieäu lieân quan ñeán vieäc nghieân
cöùu tay gaép trong vaø ngoaøi nöôùc.
Baøi vieát “ Thieát keá moâ phoûng heä thoáng tay gaép thay dao trong trung taâm gia coâng ñieàu khieån kyõ thuaät
soá” öùng duïng phaàn meàm Solid-Edge, Visual Nastran Desktop vaø Matlab ñeå moâ phoûng.
II. MOÂ TAÛ CHÖÙC NAÊNG BOÄ ÑOÅI DAO TÖÏ ÑOÄNG
Cô caáu cuûa boä ñoåi dao töï ñoäng thöïc hieän caùc chuyeån ñoäng sau – Hình 1:
- Chuyeån ñoäng quay 2700, vôùi söï thieát laäp vò trí ban ñaàu 900.
- Ñònh vò dao.
- Chuyeån ñoäng tònh tieán 200mm, caân baèng vôùi truïc cuûa trung taâm caét goït.
Vieäc chuyeån ñoäng tònh tieán cuûa pít-toâng thanh raêng laøm quay baùnh raêng lieân keát vôùi then truyeàn chuyeån ñoäng
quay leân truïc. Vieäc xaùc ñònh vò trí nhôø vaøo caùc van ñaûo chieàu R1, R2 vaø R3. Trình töï laøm vieäc cuûa boä ñoåi dao
töï ñoäng:
♦. Giai ñoaïn laép dao.
1. Vò trí ban ñaàu (cô baûn), ngaøm keïp môû. 2. Tay gaép quay +900. 3. OÅn ñònh ñuùng vò trí laáy dao. 4. Ñoùng ngaøm
keïp – Boä ñoåi dao dòch chuyeån tònh tieán. 5. Quay theâm +1800 . 6. Dòch chuyeån vaø môû ngaøm keïp tay gaép. 7.
Ñònh vò boä ñoåi dao vaøo vò trí. 8. Quay ngöôïc -900 . Baét ñaàu gia coâng.
♦. Giai ñoaïn thaùo dao.
9. Quay theo chieàu kim ñoàng hoà +900. 10. Ñöa boä ñoåi dao vaøo vò trí. 11. Ñoùng ngaøm keïp – Boä ñoåi dao tònh
tieán . 12. Quay ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà –1800 . 13. Dòch chuyeån vaø môû ngaøm keïp tay gaép. 14. Ñònh vò boä
ñoåi dao vaøo vò trí. 15. Quay theâm -900 veà vò trí ban ñaàu.
Döïa vaøo nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa cô caáu ôû treân, xaây döïng moâ hình 3D vaø moâ phoûng heä thoáng tay gaép- Hình 2
III. THIEÁT KEÁ VAØ MOÂ PHOÛNG TAY GAÉP
Hình 1 Nguyeân lyù hoaït ñoäng vaø sô ñoà
thu
y
û löïc ta
y
g
aé
p
tha
y
dao Hình 2 Moâ
p
hoûn
g
heä thoán
g
ta
y
g
aé
p
R1
R3
O
Å
DAO
TAY GAÉP O
À
TRUÏC MAÙY
THANH RAÊNG BAÙNH RAÊNG
VAN ÑAÛO CHIE
À
U
ÑÖÔØNG DA
À
U
PISTON KEÏP
PISTON PHUÏ
- 3 -
! PHAÀN MEÀM HOÅ TRÔÏ
! TRÌNH TÖÏ THÖÏC HIEÄN
Phaàn meàm Solid Edge thuoäc hoï caùc phaàn meàm Unigraphics Solutions, laø coâng cuï taïo saûn phaåm 3D hieäu
quaû, nhanh, chính xaùc. Ñeå thöïc hieän moâ phoûng, ñaàu tieân caàn taïo caùc chi tieát 3D, sau ñoù tieán haønh laép gheùp
caùc chi tieát theo cuïm, cuoái cuøng laép gheùp toång theå [2] – xem Sô ñoà hình 3.
• TOÅNG QUAN HEÄ THOÁNG TAY GAÉP – Hình 4a, 4b, 4c, 4d
• CAÙC BÖÔÙC TOÅNG QUAÙT TRONG PHAÂN TÍCH PHAÀN TÖÛ HÖÕU HAÏN
Phaàn meàm Nastran laø moät trong soá nhöõng phaàn tính toaùn giaûi quyeát caùc baøi toaùn kyõ thuaät haøng ñaàu
Keát quaû
Caùc Chi tieát Laép gheùp
Moâ phoûng
-Ñoäng hoïc, ñoänglöïc hoïc.
-Phaân tích PTHH.
-Dao ñoäng…
SOLID EDGE, UGS,
AUTOCAD, PRO/E MSC.VISUALNASTRAN.
MATLAB, MICROSOFT
EXCEL
Laäp qui trình coâng
ngheä
gia coâng
Kieåm tra saûn
phaåm thöïc teá
Hình 4 a Sô ñoà toång quaùt Hình 4 b Sô ñoà thuûy löïc
Hình 4 c Heä thoáng thuûy löïc Hình 4 d Sô ñoà tay gaép
Hình 3 Sô ñoà moâ phoûng
- 4 -
theá giôùi, ñöôïc taïo bôûi coâng ty MSC. Nastran laø moät phaàn meàm trong hoï caùc phaàn meàm thuoäc MSC Software.
Caùc baøi toaùn coù theå ñöôïc giaûi quyeát goàm: tính toaùn ñoäng hoïc - ñoäng löïc hoïc, tính söùc beàn (FEM), baøi toaùn toái
öu theo kích thöôùc – taàn soá …, baøi toaùn truyeàn daãn nhieät treân vaät theå [8] theo sô ñoà khoái – Hình 5.
" Baøi toaùn ñoäng hoïc, ñoäng löïc hoïc.
- Chuyeån file döõ lieäu chi tieát 3D ñöôïc thieát keá baèng Solid Edge sang phaàn meàm MSC Nastran.
- Ñònh nghóa caùc töông quan chuyeån ñoäng giöõa caùc khaâu, nghóa laø thieát laäp caùc khôùp (quay, tònh
tieán, baùnh raêng, ñai…)
- Thieát laäp caùc nguyeân nhaân taïo chuyeån ñoäng nhö motor, actuator, löïc, moment moät caùch töông
öùng, tuøy thuoäc töøng loaïi moâ hình.
" Baøi toaùn tính söùc beàn.
- Aùp ñaët taûi taùc duïng, taùc duïng leân maët trong cuûa vaät theå.
- Aùp ñaët ñieàu kieän bieân (ñieàu kieän raøng buoäc).
- Tính toaùn, coù theå tính sô boä hay tính chính xaùc theo ñieàu kieän cho tröôùc ñoù laø sai soá tính toaùn, sai
soá chaát löôïng löôùi. Thôøi gian tính nhanh hay chaäm phuï thuoäc vaøo vieäc thieát laäp caùc ñieàu kieän sai
soá cho pheùp. Sau khi tính toaùn xong thì seõ kieåm tra ñieàu kieän beàn, giaù trò öùng suaát cho pheùp cuûa
vaät lieäu ñöôïc nhaäp tröôùc khi tính toaùn.
- Xuaát döõ lieäu daïng hình aûnh, daïng soá lieäu theå hieän ôû daïng trang Web.
" Moâ hình tay gaép ñöôïc thöïc hieän nhôø phaàn meàm Solid Edge vaø MSC Nastran, caùc soá lieäu nhaäp ñöôïc
laáy töø caùc keát quûa tính toaùn trình baøy ôû phaàn treân, moät soá keát quaû nhaän ñöôïc sau:
" Baøi toaùn dao ñoäng: xaùc ñònh daïng vaø tìm soá dao ñoäng möùc thaáp nhaát.
• TÍNH TOAÙN ÖÙNG SUAÁT NAÉP ÑAÄY – Hình 6
Daïng hình hoïc keát caáu.
Tính chaát vaät lieäu (E, ρ
ρρ
ρ, ν
νν
ν).
Rôøi raïc – maõ hoaù keát caáu.
Aùp ñaët lieân keát (ngaøm, goái töïa). Baøi toaùn ñoäng
Tính chaát taûi troïng taùc duïng.
(Löïc taäp trung - momen taäp trung, löïc –
momen phaân boá, löïc kích ñoäng). Baøi toaùn tónh
Baøi toaùn ñaùp öùng
[]
{}
[]
{}
0.. =+ qKqM &&
[]
{} { }
fqK =.
[]
{}
[]
{} (){}
tfqKqM =+ .. &&
Hình 5 Sô ñoà khoái tính toaùn
- 5 -
• TÍNH TOAÙN ÖÙNG SUAÁT PISTON KEÏP VAØ ÖÙNG SUAÁT BAÏC ÑÔÕ TRUÏC – Hình 7
• TÍNH DAO ÑOÄNG CUÛA TRUÏC VAØ GIAÙ KEÏP CAÙN DAO – Hình 8
IV. KEÁT LUAÄN VAØ ÑEÀ NGHÒ
• Thieát keá cheá taïo tay gaép ñeå phuïc vuï cho vieäc thay ñoåi dao töï ñoäng ñoøi hoûi ñoä chính xaùc cao, raát caàn
thieát cho caùc maùy gia coâng theo kieåu “ trung taâm gia coâng caét goït kyõ thuaät soá “. Vieäc moâ phoûng laø
böôùc chuaån bò caàn thieát tröùôc khi gia coâng thöïc teá.
• Moâ hình aûo khoâng nhöõng phaân tích kyõ ñöôïc nguyeân lyù hoaït ñoäng maø coøn kieåm tra tính toaùn ñoäng
hoïc vaø ñoäng löïc hoïc cuûa cô caáu. Vieäc thöïc hieän moâ phoûng tay gaép seõ mang laïi hieäu quaû kinh teá hôn
laø vieäc cheá taïo “thöû vaø sai”.
• Thoâng qua vieäc xaây döïng moâ hình moâ phoûng ñöa laïi söï hieåu bieát chi tieát, coù theå söõa chöõa daïng hình
hoïc cô caáu deã daøng, vaø cuï theå trong vaán ñeà laøm keá hoaïch, qui trình saûn xuaát.
Mode 1: 261Hz Mode 1: 560Hz
Hình 6 Tính toaùn aùp suaát naép
Hình 7 Tính toaùn öùng suaát pittoâng keïp vaø öùng suaát baïc ñôõ truïc
Hì
n
h 8 Tính toaùn dao ñoäng cuûa truïc vaø keïp caùn dao