Ứng dụng phần mềm Autodesk Inventor để phân tích động học cơ cấu gạt phôi

Nguyễn Thị Thanh Nga và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 93(05): 97 - 101<br /> <br /> ỨNG DỤNG PHẦN MỀM AUTODESK INVENTOR<br /> ĐỂ PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU GẠT PHÔI<br /> Nguyễn Thị Thanh Nga*, Hoàng Tiến Đạt<br /> Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo này trình bày ứng dụng mô đun Dynamic Designer Motion Professional tích hợp trong<br /> phần mềm Autodesk Inventor để giải bài toán phân tích động học học cơ cấu phẳng - cơ cấu gạt<br /> phôi. Bằng việc vẽ các khâu của cơ cấu bởi mô hình khối rắn và lắp ráp các khâu bởi các liên kết<br /> (ràng buộc) giữa các khâu để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh. Các kết quả của bài toán động học đã<br /> được xác định. Các kết quả này bao gồm quỹ đạo các điểm của cơ cấu, vận tốc và gia tốc của các<br /> điểm đó. Các kết quả đã đạt được cho thấy rằng việc giải bài toán phân tích động học bằng việc sử<br /> dụng phần mềm Autodesk Inventor là rất hiệu quả và nhanh chóng.<br /> Từ khóa: Động học cơ cấu, Autodesk Inventor, cơ cấu gạt phôi.<br /> <br /> GIỚI THIỆU*<br /> Cho đến nay đã có nhiều phương pháp phân<br /> tích động học học cơ cấu như: phương pháp<br /> vẽ hay phương pháp đồ thị [1], phương pháp<br /> giải tích [1,2,4,5,6] và phương pháp số [3].<br /> Phương pháp đồ thị rất thuận tiện, giải bài<br /> toán một cách nhanh gọn mà vẫn đạt được độ<br /> chính xác cần thiết trong bài toán kỹ thuật.<br /> Hơn nữa, trong một số trường hợp, quan hệ<br /> giữa các thông số của một số bài toán cho<br /> dưới dạng đồ thị mà không phải dưới dạng<br /> các biểu thức giải tích. Khi đó cần sử dụng<br /> phương pháp vẽ hoặc phương pháp tính bằng<br /> số. Phương pháp giải tích có ưu điểm là cho<br /> độ chính xác cao và mối quan hệ giữa các đại<br /> lượng được biểu diễn bằng biểu thức giải tích.<br /> Vì vậy, có thể dễ dàng nghiên cứu ảnh hưởng<br /> của các thông số này đối với nhau. Tuy nhiên<br /> để khảo sát cơ cấu bằng phương pháp giải<br /> tích yêu cầu cần phải hiểu rõ bản chất về bài<br /> toán và cần thiết phải có kỹ năng lập trình<br /> một ngôn ngữ nhất định.<br /> Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của<br /> công nghệ thông tin, nhiều phần mềm thiết kế<br /> ra đời tạo thuận lợi cho việc tính toán thiết kế<br /> cho các ngành kỹ thuật nói chung và ngành cơ<br /> khí nói riêng một cách dễ dàng, nhanh chóng<br /> và hiệu quả.<br /> Cơ cấu gạt phôi là cơ cấu có 8 khâu, trong đó<br /> khâu dẫn 1 là khâu phát động chuyển động<br /> *<br /> <br /> Tel: 0985 909792<br /> <br /> quay và nhờ sự nối động của các khâu để tạo<br /> thành thành chuyển động tịnh tiến khứ hồi<br /> của khâu đầu ra 7 (Hình 1). Nhằm tạo ra<br /> chuyển động gạt phôi khứ hồi. Cơ cấu này có<br /> rất nhiều ứng dụng trong thức tế, điển hình là<br /> dùng để gạt phôi trong hệ dẫn động băng tải.<br /> Việc phân tích động học cho cơ cấu này là rất<br /> cần thiết bởi vì từ việc phân tích này người ta<br /> có thể xác định được quy luật chuyển động<br /> của các khâu trong cơ cấu. Thêm vào đó, có<br /> thể dựa vào việc phân tích này để tính công<br /> suất và động năng của máy. Việc phân tích<br /> này còn sử dụng để nghiên cứu và cải thiện<br /> chuyển động thực của máy dưới tác dụng của<br /> các lực vì để làm điều đó cần biết vận tốc hay<br /> tỷ số vận tốc của các khâu; muốn tính được<br /> lực quán tính trên các khâu để tính sức bền cho<br /> các khâu hay chạy thử dao động trong máy phải<br /> biết quy luật biến đổi gia tốc các khâu.<br /> Từ các lý do trên, việc giải bài toán động của<br /> cơ cấu gạt phôi là rất cần thiết. Nghiên cứu<br /> này trình bày việc giải bài toán phân tích<br /> động học cơ cấu này bằng việc sử dụng phần<br /> mềm thiết kế Autodesk Inventor.<br /> O3<br /> <br /> O2<br /> 0<br /> <br /> O1<br /> <br /> D<br /> <br /> 7<br /> <br /> 3<br /> <br /> C<br /> <br /> 5<br /> <br /> 1<br /> <br /> 6<br /> <br /> A<br /> <br /> 2<br /> <br /> B<br /> <br /> 4<br /> <br /> E<br /> <br /> Hình 1: Lược đồ động học cơ cấu gạt phôi<br /> <br /> 97<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Thanh Nga và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Nghiên cứu này đã sử dụng mô đun Dynamic<br /> Designer Motion Professional của phần mềm<br /> Autodesk Inventor để khảo sát bài toán động<br /> học của cơ cấu gạt phôi. Để làm được việc đó,<br /> cơ cấu gạt phôi được xác định với các kích<br /> thước động của các khâu và một thông số đầu<br /> vào là góc quay của khâu dẫn 1 ϕ1, với các<br /> kích thước động học cụ thể: O1A = 100 mm;<br /> O1O2 = 222 mm; AB = 206 mm; AC = 306<br /> mm; O2B = O3E = 233 mm; O2O3 = BE = CD<br /> = 415 mm.<br /> Tiếp theo, để giải được bài toán động học các<br /> tác giả dựng được họa đồ vị trí của cơ cấu với<br /> các thông số đã cho. Phần mềm Autodesk<br /> Inventor được dùng để vẽ mô hình các khâu<br /> dưới dạng khối rắn. Sau đó lắp ráp các khâu<br /> với việc sử dụng các liên kết cần thiết sẽ tạo<br /> ra được cơ cấu lắp ráp hoàn chỉnh.<br /> Bài toán phân tích động học bao gồm các bài<br /> toán vị trí, bài toán vận tốc và bài toán gia<br /> tốc. Bài toán chuyển vị trí xác định quỹ đạo<br /> của các điểm thuộc các khâu trên cơ cấu. Bài<br /> toán vận tốc để xác định vận tốc của các điểm<br /> trên các khâu bị dẫn. Và bài toán gia tốc để<br /> xác định gia tốc của các điểm trên các khâu bị<br /> dẫn. Cụ thể, trong cơ cấu này xác định quỹ đạo,<br /> vận tốc và gia tốc các điểm A, B, C, D, E.<br /> KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> Với việc sử dụng mô đun Dynamic Designer<br /> Motion Professional trong phần mềm<br /> Autodesk Inventor đã đạt được kết quả một<br /> cách nhanh chóng và hiệu quả.<br /> Sự mô phỏng chuyển động của cơ cấu được<br /> thực hiện một cách dễ dàng. Vẽ các khâu, lắp<br /> rắp cơ cấu và khai báo các thông số. Trong<br /> Inventor việc tạo nên các khâu ở mô hình<br /> khối rắn 3D được thực hiện một cách dễ dàng<br /> và nhanh chóng. Việc lắp rắp các khâu cũng<br /> được thực hiện rất trực quan nhờ các liên kết<br /> (ràng buộc) thường gặp trong kỹ thuật. Hình 2<br /> là cơ cấu đã được lắp ráp xong tại vị trí ϕ1 = 00.<br /> Bài toán vị trí<br /> Sau khi cơ cấu đã được lắp ráp hoàn chỉnh và<br /> cho khâu dẫn quay với một vận tốc góc không<br /> đổi bằng 10 (rad/s), quỹ đạo của các điểm trên<br /> các khâu A, B, C, D, E được thể hiện trên<br /> hình 3.<br /> <br /> 93(05): 97 - 101<br /> <br /> Hình 2: Vị trí cơ cấu tại ϕ1 = 00<br /> <br /> Hình 3: Quỹ đạo của các điểm trên cơ cấu<br /> <br /> Khi khâu dẫn O1A chuyển động quay quanh<br /> tâm O1, khâu 2 và khâu 6 chuyển động song<br /> phẳng, còn khâu 3 và 5 chuyển động lắc<br /> quanh tâm O2 và O3; hai khâu còn lại là khâu<br /> 4 và khâu 7 chuyển động tịnh tiến. Để cơ cấu<br /> thực hiện được nhiệm vụ gạt phôi ta thấy rằng<br /> khâu đầu ra 7 chuyển động tịnh tiến với quỹ<br /> đạo như hình 3 (điểm C, D).<br /> Bài toán vận tốc<br /> Bằng việc khai báo các thông số cần thiết việc<br /> xác định các véc tơ vận tốc của các điểm A,<br /> B, C, D, E được thể hiện trên hình 4. Các véc<br /> tơ vận tốc này được xác định tại mọi thời<br /> điểm chuyển động của cơ cấu. Trên hình 4 là<br /> véc tơ vận tốc của các điểm tại t = 1,24 (s) .<br /> Phần mềm Inventor không những thể hiện<br /> được các véc tơ vận tốc của mọi điểm thuộc<br /> các khâu, mà còn xác định được giá trị vận<br /> tốc của chúng tại mọi thời điểm thông qua đồ<br /> thị. Trên hình 5 là đồ thị biểu diễn vận tốc của<br /> các điểm C, D hay chính là vận tốc của khâu<br /> CD. Hơn nữa, giá trị cực trị của chúng cũng<br /> hoàn toàn xác định được vmax= 1919,06<br /> (mm/s) tại t = 2,45 (s); vmin = 1,11432 (mm/s)<br /> tại t = 3,79 (s).<br /> Bài toán gia tốc<br /> Bài toán gia tốc cũng tương tự như bài toán<br /> vận tốc. Các véc tơ gia tốc của các điểm trên<br /> các khâu cũng được thể hiện trên Hình 6. Giá<br /> trị gia tốc của điểm C, D thể hiện trên đồ thị<br /> hình 7.<br /> <br /> 98<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Thanh Nga và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 93(05): 97 - 101<br /> <br /> Hình 4: Véc tơ vận tốc của các điểm A, B, C, D, E tại thời điểm t = 1,24s<br /> <br /> Hình 5: Đồ thị biểu diễn vận tốc của điểm C, D theo thời gian<br /> (a) Vận tốc toàn phần; (b) Hình chiếu vận tốc theo phương x, vx;(c) Hình chiếu vận tốc theo phương y, vy<br /> <br /> Hình 6: Véc tơ gia tốc của các điểm A, B, C, D, E tại thời điểm t = 1,9s<br /> <br /> 99<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Thanh Nga và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> 93(05): 97 - 101<br /> <br /> Hình 7: Đồ thị biểu diễn gia tốc của điểm C, D theo thời gian<br /> (a) Gia tốc toàn phần; (b) Hình chiếu gia tốc theo phương trục x, ax ;<br /> (c) Hình chiếu gia tốc theo phương trục y, ay<br /> <br /> Giá trị gia tốc lớn nhất của chúng cũng được<br /> xác định với amax = 29211,1 (mm/s2) tại t =<br /> 6,88 (s); amin= 4393,4 (mm/s2) tại t = 5,17 (s).<br /> KẾT LUẬN<br /> Việc giải bài toán phân tích động học của cơ<br /> cấu, máy là rất quan trọng cho việc thiết kế<br /> máy. Bài toán phân tích động học cơ cấu bao<br /> gồm: bài toán vị trí, bài toán vận tốc và bài<br /> toán gia tốc.<br /> Có nhiều phương pháp để giải được bài toán<br /> này, bao gồm: phương pháp vẽ, phương pháp<br /> <br /> giải tích và phương pháp số. Trong bài báo<br /> này trình bày ứng dụng của mô đun Dynamic<br /> Designer Motion Professional tích hợp trong<br /> phần mềm thiết kế 3D Autodesk Inventor để<br /> giải bài toán động học cơ cấu gạt phôi. Các<br /> kết quả đạt được cụ thể như sau:<br /> - Bài toán vị trí, vận tốc và gia tốc được xác<br /> định nhanh chóng và chính xác;<br /> - Vận tốc và gia tốc của điểm không những<br /> biểu diễn được các véc tơ, mà giá trị của<br /> chúng còn được xác định theo hệ trục tọa độ<br /> đề các vx, vy, ax, ay;<br /> <br /> 100<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Thanh Nga và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ<br /> <br /> - Giá trị cực trị của vận tốc và gia tốc đã được<br /> xác định.<br /> Việc áp dụng phương pháp phân tích động<br /> học như trên có ý nghĩa lớn trong việc tính<br /> toán thiết kế cũng như trong giảng dạy tại các<br /> trường đại học kỹ thuật.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Đinh Gia Tường, Nguyễn Xuân Lạc, Trần<br /> Doãn Tiến, Nguyên lý máy, Nhà xuất bản Đại học<br /> và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1970.<br /> [2]. Robert L. Norton, Design of Machinery, The<br /> center for library resources and education media<br /> Suranaree University of Technology, McGrawHill, Inc.<br /> <br /> 93(05): 97 - 101<br /> <br /> [3]. Numerical Method for Kinematics,<br /> http://www.google.com.vn/url?sa=t&rct=j&q=nu<br /> merical%20method%20for%20kinematics&source<br /> =web&cd=1&ved=0CCAQFjAA&url=http%3A%<br /> 2F%2Fwwwinst.eecs.berkeley.edu%2F~cs184%2Ffa11%2Fres<br /> ources%2Fik_soln.pdf&ei=vfP5TpGCNZGeiAeH<br /> 3rXDAQ&usg=AFQjCNFI6uoO7nR6VqelmBxqJ<br /> tDYf5xalw&cad=rja (truy cập ngày 12/12/2011)<br /> [4]. Vũ Công Hàm, Nguyên lý máy, Nhà xuất bản<br /> quân đội nhân dân, Hà Nội 2011.<br /> [5]. Oleg Vinogradov, Fundamentals of<br /> Kinematics and Dynamics of Mechanisms, CRC<br /> Press Boca Raton<br /> London<br /> New York<br /> Washington, D.C.<br /> [6]. Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm, Nguyên lý<br /> máy, Nhà xuất bản Giáo dục, 2006.<br /> <br /> SUMMARY<br /> KINEMATIC ANALYSIS OF WALKING BEAM EIGHT BAR TRANSPORT<br /> MECHANISM USING AUTODESK INVENTOR SOFTWARE<br /> Nguyen Thi Thanh Nga*, Hoang Tien Dat<br /> College of Technology - TNU<br /> <br /> This paper presents the application of module's Dynamic Designer Motion Professional of<br /> Autodesk Inventor software to solve the kinematic analysis of walking beam eight bar transport<br /> mechanism. The links are drawn by Autodesk Inventor the same as solid model. And then they are<br /> joined by nodes (reduced degree of freedom) to create mechanism. The result determined<br /> positions, velocities and accelerations of points on the links. All results achieved show that using<br /> Autodesk Inventor to solve kinematic mechanism efficiently and quickly.<br /> Keywords: Kinematic mechanism, Autodesk Inventor, walking beam eight bar<br /> <br /> Ngày nhận bài: 8/3/2012, ngày phản biện: 4/5/2012, ngày duyệt đăng:<br /> *<br /> <br /> Tel: 0985 909792<br /> <br /> 101<br /> <br /> Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên<br /> <br /> http://www.lrc-tnu.edu.vn<br /> <br />