; Thiết kế và mô phỏng Hexapod cho gia công cơ khí chính xác
Documents
Resources
Learning Center
Upload
Plans & pricing Sign in
Sign Out
Your Federal Quarterly Tax Payments are due April 15th Get Help Now >>

Thiết kế và mô phỏng Hexapod cho gia công cơ khí chính xác

VIEWS: 17 PAGES: 6

  • pg 1
									                   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)                                             x
                                                                                                     10.C pt .S zy B n .Z
                          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

								
To top