Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Phân tích động học và động lực học máy công cụ song song

ĐỀ tài này đi vào thiết kế vàphân tích máy phay CNC năm bậc tự do theo hướng kết cấu động học song song.Nội dung dé tai đi vào thiết kế cau hình phần cứng của máy, xây dựng các giải pháp

TRAN QUOC TOAN

PHAN TÍCH ĐỘNG HỌC VA ĐỘNG LỰC HỌC

MÁY CÔNG CỤ SONG SONG

Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máyMã số: 605204

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, tháng 06 năm 2013

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai hoc Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 29 tháng 07 năm 2013

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi của Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS TS Trần Thiên Phúc

2.PGS TS Trương Tích Thiện

3 TS Trần Nguyên Duy Phương

4 TS Nguyễn Văn Giáp

-5 TS Trương Quốc Thanh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨHọ tên học viên: Trần Quốc Toàn - 5-5-5 +c+c+cscsrree: MSHV:09040381

Ngày, tháng, năm sinh: O1/ 01 / 1963 -<<+ Nơi sinh: Long An

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy - - - 5: Mã số : 605204 I TÊN DE TÀI: PHAN TÍCH DONG HỌC VÀ ĐỘNG LUC HỌC

MÁY CÔNG CỤ SONG SONGH NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tong quan về kết cau máy công cụ song song.- Thiết kế sơ đỗ nguyên lý và sơ đồ động của máy

- Tính toán thiết kế các phần tử cơ khí trong máy

- Xây dung bài toán vi trí và động học.- Phân tích tinh và độ cứng vững.

- Xây dựng bài toán động lực học và mô phỏng chuyển động của máy.Ill NGÀY GIAO NHIEM VU : 2/7/2012

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 21/ 6/ 2013 ccccccccccscscssssesccseeesseseeeeseseesV CAN BO HUONG DAN (Ghi rõ học ham, học vi, ho, tén):TS Trần Nguyên

Duy Phương - - - - << 9000010 nọ re

Tp HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DAN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Trần Nguyên Duy Phương Trần Nguyên Duy Phương

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

trình thực hiện ludn văn.

Xin cảm ơn các thay cô đã day cho tôi trong suốt thời gian

theo học tại trường

Cảm ơn gia đình đã tạo điêu kiên cho tôi dé hoàn thành luận

van nay

Tran Quốc Toàn

Hiện nay, nhu cầu về cơ khí hóa và tự động hóa tại Việt Nam là rất lớn Mộtyêu cau đặt ra và phải tự động hóa nên cơ khí theo hướng hiện đại Trong khi đóđiều kiện trang thiết bị trong nước còn lạc hậu, chưa xứng đáng với tiềm năng pháttriển của ngành Các máy gia công cơ khí có độ chính xác cao chủ yếu nhập khẩu từnước ngoài nên có chi phí cao dẫn tới các sản phẩm cơ khí của Việt Nam không đủsức cạnh tranh với các sản phẩm cơ khí của nước ngoài Từ đó, yêu cau đặt ra là cầncó giải pháp nghiên cứu và chế tạo các thiết bị máy móc nói chung và máy gia công

cơ khí chính xác nói riêng trong nước là câp bách.

Trong những năm gần đây, nhiều trường đại học và các trung tâm nghiên cứutrong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu và máy gia công cơ khí chính xác Đólà nền tảng cho sự phát triển của máy CNC trong nước ĐỀ tài này đi vào thiết kế vàphân tích máy phay CNC năm bậc tự do theo hướng kết cấu động học song song.Nội dung dé tai đi vào thiết kế cau hình phần cứng của máy, xây dựng các giải phápđộng học và động lực học bao gdm phân tích động học va động lực học may côngcụ song song, mô hình hóa 3D cho kết cầu máy, mô phỏng động học cho máy

Dé tài: “Phân tích động học và động lực học máy công cụ song song” giảiquyêt những van dé cơ bản vê máy công cụ song song làm cơ sở cho việc tiêp tụcnghiên cứu và phát trién máy công cụ song song sau nay.

công cụ song song sáu bac tự do Dé tài đã giải quyét các van dé chính bao gom:

Giới thiệu và phân tích tong quan về máy công cụ song song.Thiết kế mô hình 3D cấu trúc máy và phân tích kết cầu máy trên phần mềm

solidworks và Ansys.

Thiết kế cau hình máy bao gồm xác định các thông số đầu vào của máy, xây

dựng bài toán động học thuận và động học ngược, phân tích tĩnh và độ cứngvững, phân tích động lực học của máy.

Mô phỏng động học trên phan mềm SimMechanics

ABSTRACTThe main contents of this thesis to the analysis of the kinetics and dynamics ofparallel machine tools six degrees of freedom The thesis solved the main problemsinclude:

- Introduction and overview of the analysis of parallel machine tools.- Design 3D machine structure and the structural analysis of the millingmachine with Solidworks and Ansys software.

- Design configuration consists of determining the input parameters of themachine, inverse knimetics analysis and direct knimetics analysis, analysisstatic and stiffness, dynamic analysis of machine.

- The dynamic simulation by software SimMechanics.

Tôi xin cam đoan:1 Day là công trình nghiên cứu của tôi.

2 Các kết quả được trình bày hoàn toàn trung thực

Học viên

Tran Quoc Toàn

cm = 8d |- Nhiệm vụ luận văn thạc Sĩ - - 5< << << c9 9938181111111311 1 1111111111 0n rrg ii- LOL CAM ON na lil

- Lời nói đầu eee ccecccccccssesescscsescscscscsssscscscscssscscscsvsvsscscscsvsesesscscsssssssssscscssssseseaeens IVTOM tẶ( - LG 1 S111 1 151511 11115115 1111111151111 01 01111111111 111 111111101 0111111110001 01 1110 0 Vv

— LOL CAM OAD ee a vị

Chương 1: Tổng quan máy công cụ song SONY eeecssssessssssessssesessssessscsessssesssesscseseeseseeees l1.1 Tống quan về máy công cụ SONG SONB ¿-¿- + 252952 SE2E+EEE£EEEEEEEEEEEkrkrrrrkrerree l1.1.1 Tình hình sản xuất cơ khí tại Việt Nam ccccrietrieeriierrierieee |

1.1.2 Xu hướng tự động hóa trong ngành cơ khí -« «55s seeess 2

1.1.3 Ung dụng máy công cụ song song trong ngành cơ khí - - 5s: 3

1.2 Mure dich nghiÊn CỨU - - - G G00 re 9

1.3 Cấu trúc của luận Văn s11 11191 111 E111 11g ng 10Chương 2: Thiết kế cau hình máy công cụ song SONG escsssessssssesseseseesesesesesesesseseeeees 122.1 Khảo sát tông quan về các loại máy công cụ song song -: 12

2.1.1 Máy công cụ song song sử dụng nguyên lý thuận 122.1.2 Máy công cụ song song sử dụng nguyên lý nghịch - «+ 13

2.2 Xác định các thông SỐ lầm VIỆC G1212 91915151 5 511151511 E1 rrred 132.2.1 Xác định đối tượng gia công và phạm vi làm việc của máy 132.2.2 Xác định chế độ làm việc 5008010 0 h4 142.3 Phân tích và lựa chọn phương án thiẾt KẾ . 5-5 5 <+x+E+E+Ezrzrereei 15

2.3.1 Phân loại khớp sử dụng trong máy công cụ song song 152.3.2 Phân tích va lựa chon phương An 55 S5 S S1 1 ke 17

2A Thiét ké oi 0n aaU 202.5 Thiết kế kết cấu máy ¿- - + + 5% +E+E9 2321911212111 21 1111121111111 22

2.6 Xây dựng bài toán động hỌC << -G G10 ree 22

2.6.3 Bài toán động học thuận - - < G c1 ng kg 29

2.6.4 Động học vận tốc và gia (ỐC TT T 111121111 11112 1n gi 32

2.6.5 Phân tích ma trận JaCObI + + << {33311111 1111111131111 11155 x2 342.7 Phân tích lực tinh và độ cứng vững - - «Ăn ng re 362.7.] Phân tích lực fĩnh - - + + 111000 222111111111 1101 11 1 111v vế 362.7.2 Phân tích dO cứng VữỮng - - «s00 ng nen 382.8 Phân tích động lực hỌC - 99990011 re 39

Chương 3: Phân tích kết cầu sử dụng phần mềm Ansys 25-252 25525+52552 443.1 Thiết kế và kiểm nghiệm bên woe cccsee cscs esessssesessssssssesssssssseseseseeeeen 453.2 Thiết kế và kiểm nghiệm bền chân MAY + 2+5 2 ++++sz+s+x+szzszx+z 543.3 Thiết kế và kiếm nghiệm bền dé trên . - 5 + 2 2 22+ 563.4 Thiết kế và kiếm nghiệm bên dé lắp bệ trượt - - ee 2 s+s+szescee 593.5 Bản vẽ kết cấu máyy - ¿+ 5+ 2x3 E23 12 1211112111121 2113111111111 cx 623,6 KẾT luận G1 111121111 1111010111 011101010110 11g11 TT ngư 64

Chương 4: Mô phỏng động học mấy + 99001 ngờ 65

4.1 Giới thiệu về bộ công cụ SimMechanICS << << eeeeeese 65

4.1.1 SimMechanics và ứng dung của simMechanIcs - -s 65

4.1.2 Thư viện các khối chuẩn của simmechanics - -s - +s se £sssxzxe: 664.1.2.1 Thư viện các khối Bodies - - se eEsEsEsksesersesed 674.1.2.2 Thư viện các khối ràng buộc và truyền động -. - 684.1.2.3 Thư viện các phan tử lực - ¿+ 2 5s+s+x+cscersreeeerrsred 69

4.1.2.4 Thư viện các Khớp - - - - << «c1 ng vn 70

4.1.2.5 Thư viện thiết bị đo và cơ cau chấp hành 25-55¿ 72

4.1.2.6 Thư viện Utilities << Ă G1001 ng ng vk, 74

4.2 Ứng dụng SimMechanics mô phỏng động học của máy -. - 764.2.1 Liên kết giữa SimMechanic và phần mềm Solidworks 764.2.1.1 Xây dựng mô hình khối SimMechanic - 5 555¿ 76

4.2.2 Mô phỏng động học MAY - G0 nen 784.2.2.1 Mô phỏng động học ngƯỢC <5 5S Ăn vn 784.2.2.2 Mô phỏng bài toán động học thuận - << «<2 82

4.2.2.3 Áp dung mô hình điều khiến của Horhordin Aleksandr

mồ phỏng máy phay << s11 ng ke 85

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của dé tài - + 2555252 s+z+xezezxszsce2 90

Tài liệu tham KhiảoO - - << G000 TT 91

Phụ lục 1: Xác định chế độ làm việc giới hạn.Phụ lục 2: Thiết kế kết cầu máy

1.1 Tong quan về máy công cụ song song1.1.1 Tình hình sản xuất cơ khí tại Việt Nam

Ngành cơ khí đóng vai trò quan trọng nhằm hướng đến mục tiên đưa ViệtNam trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại Cơ khí có mặt trong hầu hếtcác lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân như công nghiệp, nông nghiệp, giao thôngvận tải Tuy nhiên một thực tế là ngành cơ khí đang ở trình độ kém xa so với các

nước trong khu vực và chỉ đáp ứng được một phân nhỏ nhu câu trong nước.

Theo số liệu của Tổng CỤC thống kê cho biết, tính đến hết năm 2010, cảnước có khoảng 3.100 doanh nghiệp cơ khí, với 53.000 cơ sở sản xuất, trong đó cógân 450 doanh nghiệp quốc doanh, 1.250 cơ sở sản xuất tập thể, 156 xí nghiệp tưdoanh Khoảng 50% cơ sở sản xuất cơ khí chuyên chế tạo, lắp ráp, còn lại chủ yếulà các cơ sở sửa chữa Tổng số vốn của ngành cơ khí quốc doanh vào khoảng 360 —380 triệu USD, tổng số vốn đầu tư nước ngoài (FDI) vào ngành cơ khí vào khoảng2,1 tý USD, trong đó, hơn 50% tập trung vào lĩnh vực lắp ráp ô tô, xe máy và cácmặt hàng tiêu dùng khác Ngành cơ khí Việt Nam mới đáp ứng 34% nhu cầu sảnphẩm cơ khí trong nước, gia tri xuất khẩu chỉ đạt 23.4%, thấp hơn nhiều so với mụctiêu đề ra là 45-50% về nhu cầu và 30% về giá trị xuất khẩu

Chiến lược phát triển ngành cơ khí đến năm 2010, tầm nhìn tới năm 2020,tập trung chủ yếu vào phát triển 8 nhóm sản phẩm trọng điểm bao gồm: thiết bị toàn

bộ, máy động lực, máy móc ngành nông nghiệp, phương tiện giao thông, máy công

cụ, máy móc phục vụ ngành xây dựng, đóng tàu và thiết bị điện, nhưng chỉ có đóngtàu và chế tạo thiết bị điện là “thực hiện được định hướng chiến lược” Ở những lĩnhvực còn lại, kết quả đạt được còn rất xa mục tiêu, thậm chí nhóm ngành chế tạo máycông cu còn tụt hậu hơn so với thời bao cấp Với ngành đóng tau, thành tựu đạtđược cũng chỉ là khả năng đóng được những chiếc tàu lớn, còn lĩnh vực thiết bị điện

Tóm lại, những gì ngành cơ khí làm được trong thời gian qua chủ yếu nằm ởphân khúc dễ, không đòi hỏi trình độ công nghệ chuyên sâu và có giá trị thấp Vìthế, khả năng đáp ứng cho nhu câu trong nước (tính theo giá trị) của ngành cơ khíViệt Nam vẫn chỉ giới hạn quanh mức 20-25%, trong khi kỳ vọng lại rất lớn, đến40-50% Hiện tại, mỗi năm Việt Nam phải nhập khâu khoảng 18 tỷ USD máy mócthiết bị Điều đó cho thấy thị trường cơ khí Việt Nam có tiềm năng không nhỏ,

nhưng các doanh nghiệp cơ khí Việt Nam thì luôn đứng ngoài cuộc.

Một trong những nguyên nhân dẫn đến ngành cơ khí Việt Nam chưa pháttriển được là do các mục tiêu định hướng phát triển đặt ra quá lớn, không xét đếnthực lực của ngành cơ khí như trang thiết bị công nghệ, nhân lực, nguồn lực tàichính còn yếu và yếu tô thị trường cộng với định hướng phát triển Dù gọi là trọngđiểm, nhưng thực tế thì dan trải, bao quát gần hết nhu cầu của nền kinh tế Ngoài ra,tình trạng đầu tư khép kín, các doanh nghiệp bị chia tách, cát cứ theo chỉ đạo củacấp chủ quản, dẫn đến doanh nghiệp nhà nước ngành cơ khí rất khó hợp tác, đầu tưtrùng lắp cũng góp phần không nhỏ vào thất bại trong chiến lược phát triển của

ngành.1.1.2 Xu hướng tự động hóa trong ngành cơ khí

Theo kết quả đánh giá hiện trạng công nghệ ngành cơ khí chế tạo Việt Nam,máy thiết bị tự động trong các doanh nghiệp cơ khí hiện nay vẫn chiếm tỷ lệ rấtnhỏ, chỉ chiếm khoảng 7% và những thiết bị này phát huy tác dụng cũng rất hạn chếtrong các dây chuyển sản xuất do tính đồng bộ của dây chuyển sản xuất không cao.Theo số liệu thống kê, hiện nay trong các doanh nghiệp cơ khí sử dụng trên 70%máy công cụ vạn năng Do đó, khả năng gia công chính xác và đảm bảo chất lượng

sản phâm ôn định của các dây chuyên sản xuât cơ khí còn thâp.

Ung dung máy công cu điều khiển số (CNC) vào trong gia công cơ khí mang lạihiệu quả kinh tế cao, tăng độ chính xác và rút ngắn thời gian gia công, đảm bảo chấtlượng sản phẩm Trong những năm qua đã có những chuyển biến lớn trong ứngdụng máy gia công CNC vao trong ngành cơ khí Việc nghiên cứu và chế tạo thànhcông máy phay CNC siêu tốc sẽ giúp các doanh nghiệp cơ khí có điều kiện hiện đạihóa trang thiết bị máy móc hiện có do giá thành sản phẩm trong nước thấp hơn nhậpkhẩu rất nhiều Xu hướng tiến đến giảm dan tỉ lệ sử dụng máy công cụ truyềnthống, tăng tỉ lệ sử dụng máy công cụ tự động nhằm đáp ứng nhu cau của nên sảnxuất hàng hóa.

1.1.3 Ứng dụng máy công cụ song song trong ngành cơ khíLý thuyết về co cau động học song song đã có từ lâu nhưng những ứng dụngthực tế mãi đến thế kỷ XX mới được biết đến Có thé xem James Gwinnett là mộtngười đi tiên phong khi dé xuất ra thiết bị mô phỏng chuyển động của máy bay

Kết cau động học song song không gian dau tiên cho ứng dụng công nghiệp làRobot sơn có 5 bậc tự do, được thiết kế bởi L.W Willard Năm 1934 Pollards Sohn,L.Willard và G Pollard đã đăng ký sáng chế và được công nhận năm 1942 Việcthực hiện kỹ thuật cho cơ chế này bị thất bại Thực ra công ty Devilis - sau này lànhà chế tao Robot công nghiệp dau tiên - đã mua bản quyên nhưng cuối cùng chỉ sửdụng bộ phận điều khiến

Hình 1.1 Robot sơn với kết cau động học do L.Willard và G Pollard sáng chế

Trong những hướng nghiên cứu về robot và tay may ứng dung trong côngnghiệp thì hướng nghiên cứu được Stewart đưa ra năm 1965 nhằm ứng dụng chủyếu trong lĩnh vực mô phỏng quá trình lắc của máy bay, đó là nguyên lý cơ bản choloại tay máy song song 6 bậc tự do, cơ cấu này gồm 6 chân có độ dài thay đổi được,

các chân này liên kết với gia và tâm di chuyên băng các khớp câu.

Hình 1.2 Co cau mô phỏng bay của Stewart

Cùng thời gian đó, Klaus Cappel, một nhân viên của Franklan Institue Research

Labratories ở Philadelphia đã phát triển một thiết bị mô phỏng bay cho máy bay lênthăng và đăng ký sáng chế năm 1964 Trên cơ sở này, hàng chục năm tiếp theonhiều hãng đã phát triển và chế tạo những thiết bị mô phỏng bay

Trong những năm 80 và 90, cơ cầu động học song song được phát triển chủ yếucho thiết bị vận hành và được sử dụng ngày càng nhiễu trong công nghiệp

Khởi xướng đầu tiên có sử dụng cơ cấu động học song song trong máy công cụbắt nguồn từ Liên Xô cũ vào cuối những năm 70 ở viện kỹ thuật điện Novosibirsk.Đầu những năm 90 đã xuất hiện nhiều phiên ban mẫu Vào cuối những năm 80 việcphát triển máy công cụ có kết cau động học song song cũng được đây mạnh ở Mỹ.Trong những năm tiếp theo do có sự hỗ trợ khá mạnh của chương trình nghiên cứuquốc gia và quốc tế nên luôn luôn có những phiên bản mẫu mới được phát triển, chế

tạo và giới thiệu tại các hội chợ, hội thảo quéc gia và quôc tê Cho tới nay, trên thê

giới có một sô may gia công va thiệt bi vận hành đã được xác nhận là tot, góp phan

tạo ra đột phá trong thực tế công nghiệp.Các sản phẩm công nghiệp đã được thương mại hóa:

Máy phay DMT 100 của hãng Deckel Maho, Đức Máy sử dụng nguyên lý tay

máy song song song 3 bậc tự do với 3 chân kết hợp với phan trợ lực ở giữa dé tạocho đầu trục chính có 2 trục xoay tương tự như trên máy CNC 5 bậc tự do Máy sửdụng hệ điều khiển Siemens 840 D, có vận tốc cắt tối đa 100m/phut, được sử dụngđể phay các sản phẩm trong công nghiệp hàng không

May phay Triomaxx cua hang Fooke, Duc May su dung nguyén ly tay may

song song 3 bậc tự do có 3 chân, không có phan tro lực ở giữa Máy sử dung hệđiều khiển Adronic CNC 400 PC-control Máy có vận tốc cắt tối đa 30m/phút, ứngdụng để phay, cắt tia nước

Máy phay Ulyses của hãng, Fatronic, Tây Ban Nha Máy có cấu trúc songsong 3 bậc tự do với 3 chân, có phan trợ lực Máy có thé gia công tốc độ cao với tốcđộ cắt tối đa 50m/phút Máy có trục chính năm ngang, sử dụng hệ điều khiến Fagor

8070.

May phay TM 1000 của hãng JSC Lapik, Nga Máy có cau trúc song song 6bậc tự do với 6 chan, không có phân trợ lực Máy có thể ứng dụng để phay hoặc sửdụng làm thiết bị đo.

Máy công cụ Quickstep HS 500 của Krauseco & Mauser, Áo Máy có cautrúc song song 6 bậc tự do với 6 chân máy có chiều dài cố định, có thé gia công tốcđộ cao Vận tốc cắt tối da 80m/ph, trục chính nam ngang

Hình 1.7 Máy công cu Quickstep HS 500 của Krauseco & Mauser, Áo

May công cụ song song [WU Chemnitz 6X của hãng Mikromat, Đức May

có cau trúc song song 6 bậc tự do với 6 chân Máy có tốc độ cắt tối đa 30m/phut.Máy có trục chính thang đứng, sử dụng hệ điều khiến Andron andronic 400 với giao

diện SERCOS.

Hình 1.8 Máy công cụ song song [WU Chemnitz 6X của hang

Mikromat, Đức.

May cong cu song song Cosmo Center PM-600 cua hang OKUMA, Nhat

Ban Máy có cau trúc song song 6 bậc tự do với 6 chân, tốc độ cắt tối đa lêntới 120m/ph Trục chính dạng đứng, có thé gia công tốc độ cao với số vòngquay trục chính lên đến 30.000 vòng/phút

Hình 1.9 Máy phay Cosmo Center PM-600 của hãng OKUMA, Nhật

Bản.Uu diém của công cụ song song

Thị trường máy công cụ CNC của thế giới hiện nay có khoảng 80% là máy 3trục Do máy CNC 3 trục có kết cau đơn giản, độ cứng vững cao, giá thành thấp nênđược đầu tư nhiều trong các doanh nghiệp sản xuất Tuy nhiên với các bề mặt giacông phức tạp, biên dạng 3D, yêu cau kĩ thuật khắt khe thì máy CNC 3 trục lộ rnhững nhược điểm về năng suất, chất lượng và hiệu quả, thậm chí không thể giacông được bề mặt yêu cầu Trong trường hợp này, máy CNC 5 trục là giải phápthích hợp Có thêm 2 trục quay, bất kì bề mặt nào (phăng hay tròn) đều có thể tạo

nên trong mọi vị trí trong không gian làm việc.

Ưu điểm của máy CNC 5 trục so với máy CNC 3 trục là có thé gia công bề mặtphức tạp, giảm số lần gá đặt, tránh được các vết cắt giao nhau sau khi gia công cácbé mặt có hình dáng phức tạp, điều kiện cat tốt hơn Tuy nhiên, máy CNC 5 trục

vân con | sô nhược điêm như giá thành cao, can phải có hệ điêu khiên mạnh, trục

quay phụ gây ra sai số vị tri, chi có thé lập trình với một hệ thống lập trình đặc biệt,đối với máy có 2 trục trên bàn k p, không gian làm việc nhỏ, các máy với các trụcquay trên trục chính có độ cứng vững thấp va trục quay của trục chính hạn chế sựtruyền lực, ở số vòng quay cao còn có moment tác động do hiệu ứng con quay hồi

chuyên.

Một giải pháp nhằm hạn chế những nhược điểm trên của máy CNC 5 trục thực

là ứng dụng tay máy song song vào gia công cơ khí Máy có độ cứng vững cao do

các bộ phận công tác chịu lực kéo và nén chủ yếu, từ đó giảm rung động, cải thiệnđộ chính xác cho quá trình gia công Các quỹ đạo gia công phức tạp và có thé giacông được trong một lần ga Bang cách thiết kế bộ phận công tác thực hiện vai trògia công, sẽ giúp cho các thiết bi máy CNC 5 trục chế tạo ra sẽ đơn giản hon, từ đógiúp hạ giá thành của máy sau khi chế tạo ra nhưng vẫn đảm bảo máy có khả năng

đáp ứng các yêu câu làm việc.1.2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế một máy công cụ song song 6 bậc tự do, ứng dụng cơcầu hexapod với 6 chân máy Máy có kha năng gia công được các bề mặt kim loại

và phi kim có biên dạng phức tạp, khả năng làm việc tương đương một máy phayCNC 5 bac tự do.

Xây dựng bài toán động học, động lực học và mô phỏng động học cho máy.

Đề đạt được mục tiêu đề ra , luận văn giải quyết các nội dung sau:

- Nghiên cứu tong quan về kết câu máy công cu song song.- Thiết kế sơ đồ nguyên lý và sơ đồ động của máy

- Tính toán thiết kế các phần tử cơ khí trong máy

- Xây dựng bài toán vi trí và động học.

- Phân tích tinh va độ cứng vững.

- Xây dựng bài toán động lực học và mô phỏng chuyền động của máy.1.3 Cấu trúc luận văn

Chương 1: Đặt vẫn đềChương này trình bày tổng quan về máy công cụ song song, xu hướng tự độnghóa ngành cơ khí Nêu lên những ưu điểm của máy công cụ song song cũng nhưgiới thiệu một số máy công cụ song song Từ đó xác định mục đích nghiên cứu

Chương 2: Thiết kế cau hình máy công cụ song songNội dung chương 2 xác định các thông số thiết kế đầu vào của máy, phân tích vàlựa chọn phương án thiết kế Thiết kế các phần tử cơ khí của máy Xây dựng bài

toán động học và động lực học.

Chương 3: Phân tích kết cau sử dụng phần mềm AnsysChương này trình bày phương pháp ứng dụng phần mềm thiết kế Solidworks kếthợp với phan phân tích kết cấu Ansys để xây dựng nên kết cau máy công cụ songsong hoàn chỉnh Những nội dung chính trong chương này tập trung chủ yếu vàoviệc áp dụng các phần mềm thiết kế hiện đại vào quá trình thiết kế cho phép xâydựng được kết câu theo yêu cầu thiết kế

Chương 4: Mô phóng động học may

Chương 4 trình bảy phương pháp áp dụng bộ công cụ SimMechanics của phanmềm Matlab vào mô phỏng động học của máy Chương gồm 2 phan là giới thiệu vềbộ công cụ SimMechanics và phan tiếp theo là ứng dụng công cụ này vào việc mô

phỏng động học cho máy.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Tổng kết lại những nội dung chính đã đạt và chưa đạt được của luận văn.Đưa ra đề xuất về phương hướng phát triển cho đề tài đã thực hiện

Chương 2

THIET KE CAU HÌNH MAY CÔNG CỤ SONG SONG2.1 Khao sát tong quan các loại may công cụ song song

Hiện nay, có nhiêu cách phân loại máy công cụ song song nhưng về nguyên

lý có thể phân loại máy công cụ song song thành 2 loại chính:

2.1.1 Máy công cụ song song sử dụng nguyên lý thuận

Trong phương án này, dụng cụ gia công được gắn trên bệ di động, thực hiệncác chuyền động cắt trong quá trình gia công Phôi được gắn cô định trên ban máy

2.1.2 Máy công cụ song song sử dụng nguyên lý nghịch

Ở phương án này, dụng cụ cat được thiết kế cỗ định, chi tiết gia công đượcgá trên bàn máy có 3 chân hoặc 6 chân Phần d6 ga đặt trên bàn máy có thé chuyểnđộng theo phương X và Y để mở rộng không gian làm việc của máy

platform A G Dung cu gia công

Chan Ms NAY

Gia

Hình 2.2 Sơ đỗ nguyên lý nghịchCác máy công cụ song song được thiết kế theo phương án này thường cảitiền từ máy công cụ truyền thống Kết cấu chính của máy bao gdm phan đầu trụcchính được giữ nguyên, do đó có thể gia công được với tốc độ cao với độ chính xáccao Đồ gá truyền thống được thay thế bằng kết cấu hexapod, cho phép gia côngđược những bề mặt phức tạp Máy công cụ này có ưu thé là chi phí thấp, có thé cảitiến từ máy công cụ truyền thống để tăng khả năng gia công của máy Tuy nhiên,việc tính toán, thiết kế và điều khiến khó khăn và phức tap

2.2 Xác định các thông số làm việc2.2.1 Xác định đối tượng gia công và phạm vi làm việc của máyMáy sau khi thiết kế là máy phay, có thể gia công được các loại vật liệu cơkhí có độ cứng lên đến 300HB, gia công các loại vật liệu như g6, nhựa, đồng, nhôm,thép kết cau

Máy được thiết kế dé gia công những bề mặt có biên dạng 3D là chủ yếu, cókhả năng gia công được các bề mặt tạo hình có biên dạng phức tạp, gia công khuônmẫu, khắc chữ

2.2.2 Xác định chế độ làm việc giới hạn

Chê độ làm việc của máy bao gôm nhiều mặt như chê độ cat, ché độ bôi trơn,làm nguội, an toàn Đề tạo cơ sở cho việc tính toán động lực học của máy, ở đâychỉ xác định chê độ cat giới hạn, sao cho máy sau thiệt kê có đặc tính động lực học

(mm)

Chiêu sâu cat tối da (mm) 2.6Tốc độ chạy dao (mm/vg) 0.87

Độ chính xác gia công (mm) 0.05

Kích thước khuôn khổ X/Y/Z 800/800/1200

Dién ap lam viéc 220/380V - 50Hz

Các thông số chế độ làm việc giới hạn làm cơ sở cho quá trình thiết kế vàtính toán sơ bộ cho máy Một số thông số sẽ được thay đối dé phù hợp với yêu cầu

thiệt kê và đảm bảo yêu câu cho kêt cầu.

2.3 Phan tích và lựa chọn phương án thiết kế

2.3.1 Phân loại khớp sw dung trong may công cụ song song

Máy công cụ song song bao gồm nhiều khâu được nối với nhau thông quacác khớp Có nhiều loại khớp được sử dụng, đối với máy công cụ song song thường

sử dụng các loại khớp sau:

Khóp lăng trụ (ký hiệu P): cho phép hai phan tử trượt tương đối với nhaudọc theo trục được xác định bang hình dang hình học của khớp Khớp lăng trụ chicho phép một chuyền động tự do

Hình 2.3 Khớp lăng trụ và lược đỗ khớpKhớp cau (ký hiệu S): cho phép hai phan tử quay tự do quanh tâm cau làmặt tiếp xúc chung của hai phần tử Khớp cau chỉ cho phép ba chuyên động tự do làba chuyền động quay, không có chuyền động tịnh tiến

Hình 2.4 Khớp cầu và lược đồ khớp

Khóớp các đăng (Ký hiệu U): cho phép hai phan tử quay tương đối với nhauquanh trục mỗi trục Khớp các đăng cho phép hai chuyển động quay, không cóchuyền động tịnh tiến.

Hình 2.5 Khớp các đăng và lược đồ khớpKhớp các đăng có thể mở rộng thành khớp 3 bậc tự do (U) tuong tu nhukhớp cau nhờ bậc tự do xoay quanh trục mỗi phan tử các đăng Khớp các đăng cónhiều ưu thế hơn so với khớp cầu như có độ chính xác cao, dễ chế tạo, góc làm việclớn, khả năng chịu lực lớn hơn so với khớp cầu nên xu thế hiện nay thường thay thếkhớp cầu bằng khớp các đăng trong máy công cụ song song

Khớp quay hay khớp bản lề (ký hiệu R): cho phép hai phan tử quay tươngđối với nhau theo trục được xác định băng hình dạng hình học của khớp Khớp lăngtrụ chỉ cho phép một chuyển động tự do Khớp quay có kết cau đơn giản, độ chính

xác cao, dê chê tạo.

Hình 2.6 Khớp quay và lược đồ khớp

Bảng 2.2 Bảng so sánh các loại khớp

Bậc Độ chính Độ cứng Góc làm Độ khó khiĐặc tính , :

tự do xác vững việc lớn nhât chê tạoKhớp

Từ bang so sánh trên có thé nhận thay, nếu có thé thay thé được từ khớp cầu

sang khớp các đăng sẽ giúp cải thiện được độ chính xác, độ cứng vững, không gian

làm việc và giảm giá thành cho máy do khớp các đăng dễ chế tạo hơn

2.3.2 Phân tích và lựa chọn phương án

Máy công cụ song song có thê được thiệt kê cơ cầu châp hành đôi xứng và

không đối xứng Trong đó, cơ cau chấp hành đối xứng thường được sử dụng phốbiến do quá trình thiết kế, tính toán và điều khiển đơn giản hơn cơ cau chấp hành

không đôi xứng rât nhiêu Máy công cụ song song đôi xứng thỏa mãn các điêu kiện

Sau:

- SỐ lượng nhánh băng số bậc tự do của bệ máy di động

- Kiéu loại và sô lượng các khớp trên các nhánh được bô trí theo cau hình

đồng nhất.- _ Số lượng và vị trí các khớp động trong tat cả các nhánh đều như nhau

Có thé thấy, trong cơ cau chấp hành đối xứng, số nhánh m bằng số bậc tựdo F, đồng thời cũng bang tổng số các vòng (kế cả vòng ngoại vi):

m=F=L+lGoi độ liên kêt, Cự trên một nhánh là các bậc tự do có quan hệ với tat cả các

khớp trên nhánh đó, xác định theo biểu thức:

môi nhánh phải có một bậc tự do thừa đề thỏa mãn yêu câu trên.

Như vậy, để tạo ra kết cầu máy công cụ song song 6 bậc tự do, với 4 loại

khớp thường dùng nêu trên có các phương án cơ bản sau:

Bảng 2.3 Các phương án cơ bản

Khớp sử dụng Kiêu chânPhương án

SPS|

P,S,S

PSS2

RSS3

R,S,S

SRS

4

UPS5

U,P,S

PUS6

URS

7

U,R,S

RUS8

URU9 tk

tăng được độ chính xác, độ cứng vững, mở rộng không gian làm việc và giảm được

giá thành chế tạo

Từ các phương án phân tích nêu trên, lựa chọn phương án thiết kế thỏa mãn

các yéu cau sau:

- _ Lựa chọn khớp các đăng thay thé cho khớp cau.- _ Loại bỏ bậc tự do thừa trong kết cầu dé tăng độ chính xác.- Str dụng số khâu nối từ dé có định đến bàn công tác là nhỏ nhất.- _ Số khâu cô định là lớn nhất

Để thỏa mãn các yêu cầu trên, từ các phương án nêu trên, lựa chọn phương ánPU U Trong phương án này, khớp câu được thay thé bang khớp các đăng nên khắcphục được các nhược điểm của khớp cầu, đồng thời loại bỏ được bậc tự do thừatrong kết câu Khớp P có thé được lắp trên khâu cố định nên chỉ có một khâu diđộng nối từ khâu cô định đến bàn máy

2.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lýTừ phương án đã lựa chọn ở trên cho phép xác định được sơ đồ nguyên lý như trên

hình 2.7.

Trong phương án này, dụng cụ cắt được lắp trên bệ di động Bệ máy đượcliên kết với dé cỗ định là 6 chân máy nhờ các khâu trung gian thông qua các khớpU, U* và P Các khớp trụ P có thé tịnh tiễn trên các chân cho phép bệ di động có thểđạt được các vi trí trong không gian làm việc Như vay trong phương án này, sỐkhâu di động là nhỏ nhất (6 khâu), cho phép kết cấu đạt được các yêu câu thiết kế

nều trên.

phăng và A=6 đối với cơ cau không gian.

n = 14: số khâu trong cơ cấu, kế cả khâu có định.j = 18:số khớp trong cơ cau

#: số chuyển động tương đối được phép của khớp i Trong cơ cau này, baogom 6 khớp | bậc tự do, 6 khớp 2 bậc tự do và 6 khớp 3 bac tự do Do đó:

khiến độc lập với nhau.2.5 Thiết kế kết cầu máy

Từ các thông sô thiệt kê và sơ đô nguyên lý đã lựa chọn nêu trên, có thê tiên

hành thiết kế kết cau cho máy Phan thiết kế này được trình bay trong phụ lục 2

2.6 Xây dựng bài toán động hoc

khớp các đăng U và U*.

Hình 2.8 Mô hình toán họcSơ đô khôi của máy từ câu trúc hình học:

LẺ] 3 iJ

P| [ [0]

LJ ~ iY J

Hinh 2.8 Sơ đô khôi may công cụ song song

Trong so đồ khối có thể nhận thay máy gồm 6 nhánh liên kết dé đến mặtcông tác Trên mỗi nhánh, khớp P là khớp chủ động, nhận chuyển động trực tiếp từ

động cơ Khớp U* là khớp các đăng 3 bậc tự do, khớp U là khớp các đăng 2 bậc tựdo.

2.6.2 Bài toán động học ngược

Trong bai toán động học ngược, quỹ đạo gia công được cho trước Yêu cầucủa bài toán là tìm tọa độ của các biến khớp dé bộ phận công tác đạt được vị trí yêucầu Đối với máy công cụ song song theo kết cầu PU*U, đó là bài toán đi tìm tọa độkhớp P dé dau dao đạt được quỹ đạo cần gia công trên chỉ tiết

Đặt hệ tọa độ Oxyz lên dé cố định và hệ trục tọa độ Puvw lên bệ di động trênđầu trục chính tại vị trí đầu dụng cụ (trùng với quỹ đạo gia công) Biến đổi từ bệ diđộng đến dé cô định được mô tả băng vecto vi trí p của sốc tọa độ P và ma trậnquay ‘Re của bệ di động Goi u,v,w là 3 vecto đơn vi trên 3 trục u,v, w trong hệ tọa

độ di động Ma trận quay là:

Uy Vy Wy|=|cos(y,u) cos(y,v) cos(y,w)| (2.1)

My Vz W, cos(z,u) cos(z,v) cos(z,w)Uy Vy “ cos(x,u) cos(x,v) cos(x,w)

ARo =

Cac phan tu cua ma tran trén phai thoa man diéu kién truc giao:

uy + uy + u =I (2.2)Vy + Vy tv, = (2.3)Wy +wy tw =l (2.4)

UxVx + UyVy + U,V, = O (2.5)UxWx + UyWy + UW, = 0 (2.6)VyWx + VyWy + V,W, = 0 (2.7)

Hình 2.9 Xác định hệ trục tọa độ

A,B, = A,C, + C,B,Mat khac:

A.C, = 0+ ^Re€c¡ — dị

Do đó:

A,B,=p+ ^Re°e¡ + CB, — a; (2.8)

với 1=1,2, ,6

Chiều dài nhánh thứ i được xác định băng cách lấy tích vecto A;B; với chính

Phương trình (2.9) cho ra 6 phương trình mô tả vị trí bệ chuyển động so vớidé tương ứng với i=l+6 Trong đó, a;, “c, là các vectơ không đổi xác định bang

hình học.

Trong bài toán động học ngược, ứng với tọa độ quỹ đạo gia công cho trước

có thé xác định được vecto vị trí p va ma trận quay ’Ro, tìm chiều dài nhánh d; vớii=1+6 bang cách lay căn bậc 2 của biểu thức (8):

dị = A¡B¡ = V[p + ^Rc°c¡ + CB; — a;|"[p + ^RcCc¡ + C;B; — aj](2.10)

Với i =1,2, ,6 Ứng với mỗi vi trí bệ, có 2 nghiệm khả dĩ cho mỗi nhánh.Tuy nhiên d; chỉ nhận giá trị dương Khi nghiệm d; là SỐ phức, vị trí bệ di động làkhông thé đạt được

Xác định các thành phan trong bài toán động học ngược:

AI

Hình 2.10 Xác định các thông số động học ngược

- _ Xác định vecto vi tri p:Toa độ vecto vi trí p trùng với tọa độ gia công tại vi trí đang xét Phương và

chiều vecto p hướng từ tọa độ cô định đến vị trí đầu dụng cụ

- _ Xác định ma trận quay ARG:Có nhiều phương pháp xác định ma trận quay như phương pháp thực hiện phép

quay theo 3 góc Euler, phương pháp phép quay Roll-Pitch-Yaw (RPY), Dướiđầy trình bày phương pháp thường dùng là phép quay theo 3 góc Euler.

Giả sử ban đầu vecto trục dụng cụ trùng với trục z và có tọa độ n=[0, 0.11, tiễnhành thực hiện 2 phép quay để đưa trục dụng cụ đến vị trí có tọa độ n=[n,, ny.n,]':

Hình 2.11 Phép quay theo 3 góc Euler— Quay góc Ø quanh trục z.

Se) Quay tiếp góc 0 quanh trục y mới, đó là trục y'

oY) Quay tiếp góc quanh trục z mới, đó là trục z”.Ma trận biểu diễn phép quay theo 3 góc Euler nhận được băng cách nhân 3 matrận với nhau Ở phép quay Euler nếu thực hiện thứ tự quay ngược lại (-0-Ø)cũngcho kết quả như nhau

cO6 0 s8

R(z,@) = | 0 1 |

—s6 0 c0cb —s O

R(z,@) = sb cw J

0 0 1Do đó:

c@cOcW —sOsW —sOcOcW—sOcW sGcO

R(@, 8, yw) = sococy +sO@sw —sØc8s + cOcw sos (2.11)

—s0cÙ sOsw c8Xác định các góc Euler:

Lần lượt cân băng 2 biểu thức (2.1) và (2.11), ta có:

uz Vz

Ux = cOcOcy — sØstuy = sOcOcW + sOsw

w, = cÐ

Từ đó ta có:w, = cÔ => Ô=arccosw, = cos ‘w, (2.12)

Ww, =s0c0 > G=cos7! (+) (2.13)

— — —1 Uz

u,=—s0cy > W=cos (- —) (2.14)Do tính đa trị của hàm lượng giác arccos và có hàm sin ở mẫu số nên các côngthức trên không xác định khi Ð = 0 hoặc 9 = 75° + 180° Do đó người ta thườngdùng hàm arctag2(y.x) gọi là hàm arctg2 bién với mục đích xác định góc thực duynhất với dau của tỷ thức y/x Hàm số trả về giá trị góc trong khoảng -+< Ð <1

băng cách xét dâu của y và x.

Các góc Euler được xác định như sau:

® = arctg2(ay, ax) (2.15)

8= arctg2(cgw, + SgWy, w,) (2.16)Y= arctg2(—sgu, + Coy, —SgVx + cøvy) (2.17)

2.6.3 Bài toán động học thuậnTrong bài toán động học thuận, chiêu dài nhánh d; được cho trước, cân tìm

( u + uy” + u“=lVe + Vy + v, =]

UxVx + UyVy + U,V, = OUxWx + UyWy + UW, = 0VyWx + VyWy + V,W, = 0

\ d? = A¡B,Ÿ = [p + ^Rc°c¡ + B,C; — a¡]T[p + ^Re°c¡ + B,C; — aj]

Hệ gồm 12 phương trình bậc 2 dùng để giải bài toán động học thuận Day làhệ phương trình phi tuyến có nhiều nghiệm và khó giải Van dé đặt ra là cần chọnphương pháp nào để việc giải phương trình nêu trên được nhanh và cho độ chínhxác chấp nhận được Giải hệ phương trình này cho phép xác định được tọa độ mũidao trên chi tiết gia công Dưới đây trình bay phương pháp giải hệ phương trìnhbằng thuật toán Newton-Raphson |"!

Xét hệ phương trình phi tuyến có n an số