NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK (Cơ cấu bốn khâu bản lề, Tay quay con trượt, Culit)

-1- LỜI NÓI ĐẦU Trong sự phát triển lớn mạnh không ngừng của khoa học - kỹ thuật, cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp, ngành cơ khí có vai trò quan trọng trong nền công nghiệp nước nhà cũng như trên thế giới. Phát triển ngành chế tạo máy phải được tiến hành đồng thời với việc phát triển nguồn nhân lực và đầu tư các trang thiết bị hiện đại. Ngày nay nhiều phương pháp tính số đã và đang phát triển mạnh mẽ và trở thành công cụ không thể thiếu khi giải quyết các bài toán trong khoa học kỹ thuật. Sự xuất hiện của máy tính điện tử và các lý thuyết tính toán trong những thập niên gần đây đã tạo điều kiện cho sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại dựa trên cơ sở phân tích và tổng hợp đáp ứng thời gian sử dụng trạng thái. Do vậy những ứng dụng phương pháp tính trong tính toán kỹ thuật kết hợp sử dụng phần mềm Matlab- Simulink chuyên dùng trong mô phỏng và phân tích hệ thống điều khiển ngày càng được ứng dụng rất rộng rãi. Được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo Th.s Tống Văn Cảnh và các thầy, cô giáo trong khoa Cơ khí, trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đến nay, em đã hoàn thành đồ án được giao có tên: “Nghiên cứu động lực học cơ cấu bốn khâu bản lề sử dụng phần mềm Matlab- Simulink”. Đề tài tốt nghiệp này được phát triển lên từ đề tài Nghiên cứu khoa học sinh viên do nhóm ba sinh viên Trương Văn Hải, Nguyễn Tiến Đạt và Phạm Bá Cường thực hiện và đã bảo vệ cấp khoa tháng 6-2013. Tuy nhiên, do trình độ và thời gian còn hạn chế nên trong đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô cùng toàn thể bạn bè để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên, ngày … tháng … năm 2013 Sinh viên thực hiện: Trƣơng Văn Hải -2- MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 4 Chƣơng I. MỞ ĐẦU 6 1.1.Nhiệm vụ của đồ án 6 1.2. Nội dung của đồ án 6 1.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 7 1.4. Các kết quả cần đạt đƣợc 7 1.5. Tình hình nghiên cứu hiện tại 7 Chƣơng II. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU 9 2.1. Các phƣơng pháp nghiên cứu động học cơ cấu 9 2.1.1. Phương pháp vẽ 9 a. Ưu nhược điểm 9 b. Ví dụ minh họa 10 1. Phương pháp họa đồ véc tơ 10 2. Phương pháp đồ thị động học 15 2.1.2. Phương pháp giải tích 16 a. Các bước phân tích động học cơ cấu bằng phương pháp giải tích 17 b. Ưu nhược điểm của phương pháp giải tích 17 c. Cơ sở lý thuyết 17 d. Ví dụ minh họa 19 1. Phương pháp giải tích véc tơ 19 2. Phương pháp giải tích ma trận 22 2.2. Các phƣơng pháp phân tích lực cơ cấu 25 2.2.1 Phương pháp họa đồ véc tơ 25 a. Nội dung phương pháp 25 b. Ví dụ minh họa 26 2.2.2 Phương pháp phân lực trực tiếp 27 -3- a. Nội dung phương pháp 27 b. Ví dụ minh họa 28 Chƣơng III. PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 29 3.1. Nghiên cứu động học cơ cấu sử dụng Matlab 29 3.1.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab 29 3.1.2. Tính toán động lực học cơ cấu bốn khâu bản lề 29 a) Bài toán xây dựng họa đồ vị trí cơ cấu 30 b) Bài toán tính toán vận tốc, gia tốc cơ cấu 35 c) Bài toán phân tích lực cơ cấu 40 3.2. Động học cơ cấu sử dụng Simulink 46 3.2.1. Giới thiệu về Simulink 46 1. Đặc điểm của Simulink 46 2. Cấu trúc của một sơ đồ Simulink 47 3. Trình tự thực hiện quá trình mô phỏng 47 3.2.2. Tính toán động học cơ cấu bốn khâu bản lề 49 Chƣơng IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 4.1. Kết luận 56 4.2. Hƣớng phát triển của đồ án 57 Lời kết: 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 60 A1.Hoadovitricocau_4khau 60 A2. Donghoccocau_4khau 62 A3. Dong_luc_hoc_co_cau_bonkhaubanle 67 A4. Mfile: Khoi_mo_phong_co_cau_4khau 67 A.5. Phương pháp vi phân đồ thị 76 -4- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ STT Hình vẽ Diễn giải Trang 1 2.1 Cơ cấu 4 khâu 10 2 2.2 Họa đồ vị trí cơ cấu 4 khâu bản lề 11 3 2.3 Họa đồ vận tốc cơ cấu 4 khâu bản lề 12 4 2.4 Họa đồ gia tốc cơ cấu 4 khâu bản lề 13 5 2.5 Nghiên cứu động học cơ cấu tay quay con trượt bằng phương pháp đồ thị 15 6 2.6 Phân tích chuyển vị con trượt 16 7 2.7 Đồ thị vị trí, vận tốc, gia tốc con trượt 16 8 2.8 Cơ sở lý thuyết 1 17 9 2.9 Cơ sở lý thuyết 2 17 10 2.10 Nghiên cứu động học cơ cấu bốn khâu bản lề bằng phương pháp giải tích véc tơ. 19 11 2.11 Nghiên cứu động học cơ cấu bốn khâu bản lề bằng phương pháp ma trận. 22 12 2.12 Phân tích lực cơ cấu bằng phương pháp họa đồ véc tơ 27 13 2.13 Phân tích lực cơ cấu bằng phương pháp phân lực trực tiếp 28 14 3.1 Tính toán động học cơ cấu bốn khâu bản lề sử dụng Matlab 30 15 3.2 Họa đồ vị trí xây dựng trên Matlab 34 16 3.3 Vận tốc các khớp, khâu thuộc cơ cấu 36 17 3.4 Gia tốc các khớp, khâu thuộc cơ cấu 37 18 3.5 Kích thước khâu dẫn 40 19 3.6 Phân tích lực tác dụng trên các khâu 42 20 3.7 Các khối chức năng 47 21 3.8 Lập đường truyền kết nối giữa các khối chức năng. 48 -5- 22 3.8 Các khối chức năng sau khi kết nối hoàn chỉnh. 48 21 3.10 Nhập thông số mô phỏng. 48 22 3.11 Hiển thị kết quả mô phỏng. 49 23 3.12 Nghiên cứu động học cơ cấu bốn khâu bản lề sử dụng Simulink. 49 24 3.13 Khối mô phỏng động học cơ cấu bốn khâu bằng Simulink. 51 25 3.14 Đồ thị động học khâu 2. 52 26 3.15 Đồ thị động học khâu 3. 52 27 3.16 Đồ thị động học khâu 4. 53 28 3.17 Sự biến thiên gia tốc góc khâu 3 theo thời gian 53 29 3.18 Giá trị gia tốc góc max và min của khâu 3 54 -6- Chƣơng I. MỞ ĐẦU 1.1.Nhiệm vụ của đồ án Phân tích động lực học cơ cấu bao gồm hai nội dung là phân tích động học cơ cấu và phân tích lực cơ cấu. Phân tích động học cơ cấu thực chất là giải bài toán chuyển vị, vận tốc, gia tốc với các thông số kích thước động của các khâu, vị trí, vận tốc khâu dẫn,… Còn mục đích của phân tích lực cơ cấu là xác định áp lực khớp động, mô men hay lực cân bằng khâu dẫn từ đó xác định công suất của máy (hay cơ cấu), thiết kế khớp động và mặt cắt ngang các khâu. Để giải bài toán động lực học cơ cấu có thể dùng phương pháp đồ thị, họa đồ véc tơ hoặc phương pháp giải tích. Giải bài toán này bằng phương pháp đồ thị và họa đồ véc tơ là các phép dựng hình để xác định các giá trị trên. Phương pháp này đã rất quen thuộc với các thầy giáo và sinh viên ngành cơ khí. Hiện nay, phương pháp giải tích cho thấy nó có những tính năng ưu việt hơn hẳn như độ chính xác cao, dễ dàng thực thi các phép tính dựa vào phương trình hàm biểu diễn chuyển vị, vận tốc, gia tốc của các khâu trong cơ cấu… Sử dụng phương pháp giải tích để giải bài toán chuyển vị, vận tốc, gia tốc của các khâu trong cơ cấu phẳng toàn khớp thấp đã được nhiều tác giả sử dụng phần mềm máy tính giải các bài toán trên. Đồ án này em giới thiệu cách sử dụng phần mềm Matlab/Simulink tính toán chuyển vị, vận tốc, gia tốc, áp lực khớp động và mô men cân bằng khâu dẫn của cơ cấu bốn khâu bản lề, một cơ cấu có rất nhiều ứng dụng trong kỹ thuật. Lý thuyết tính toán các đại lượng này cũng sẽ được trình bày trong đồ án. Các dữ liệu tính toán được xử lý trên Matlab/Simulink và được lưu dưới dạng các ma trận số. Các kết quả chuyển vị, vận tốc, gia tốc…được phân tích và minh họa bằng các đồ thị. Kết quả của đồ án đã cho thấy tính thuận tiện, nhanh chóng của việc giải bài toán cơ cấu bằng giải tích và máy tính. 1.2. Nội dung của đồ án Nội dung của đồ án gồm: Chương 1: Mở đầu, giới thiệu nhiệm vụ, nội dung, phương pháp nghiên cứu, các kết quả cần đạt được, tình hình nghiên cứu hiện tại. -7- Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu động lực học cơ cấu, giới thiệu những phương pháp nghiên cứu động lực học cơ cấu được sử dụng phổ biến trong các giáo trình nguyên lý máy. Phân tích những ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp thông qua các ví dụ điển hình. Chương 3: Phân tích động lực lực học cơ cấu sử dụng phần mềm Matlab/Simulink. Tìm hiểu tổng quan về phần mềm Matlab/Simulink. Nghiên cứu sử dụng Simulink xây dựng sơ đồ khối các phương trình vi phân bậc cao và nghiên cứu động lực học cơ cấu bốn khâu bản lề bằng Matlab/Simulink. Chương 4: Kết luận và kiến nghị. Kết luận những nội dung đã nghiên cứu được và đề xuất những nội dung nghiên cứu tiếp theo. 1.3. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp số: sử dụng phương pháp giải tích thiết lập các phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ, trên cơ sở đó xây dựng các chương trình tính toán trên phần mềm Matlab/Simulink. 1.4. Các kết quả cần đạt đƣợc - Sử dụng được phần mềm Matlab/Simulink trong việc phân tích động lực học cơ cấu. - Vẽ được họa đồ vị trí, tính được vận tốc, gia tốc, áp lực khớp động và mô men cân bằng khâu dẫn của cơ cấu với sự trợ giúp của máy tính đối với cơ cấu bốn khâu bản lề. 1.5. Tình hình nghiên cứu hiện tại Để giải quyết bài toán động lực học cơ cấu, nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã tiến hành nghiên cứu để tính toán ngày một nhanh chóng, chính xác, hiệu quả cao. Một số nghiên cứu điển hình như sau: 1. Phan Quang Thế, Vũ Quý Đạc, Nguyễn Đăng Hào (Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, Đại học Thái Nguyên), Ứng dụng giải tích và máy tính cho bài toán cơ cấu tay quay con trượt. Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 4(44)/năm 2007. Bài báo này, các tác giả đã trình bày ứng dụng máy tính để giải bài toán cơ cấu tay quay con trượt. Các phép phân tích, so sánh chuyển vị và vận tốc của cơ cấu -8- chấp hành trong các trường hợp cơ cấu tay quay con trượt chính tâm, lệch tâm, nghiêng một góc so với mặt phẳng ngang tiến hành thông qua chương trình máy tính. Các kết quả so sánh với lý thuyết cho thấy độ tin cậy và tính hiệu quả nhờ máy tính. 2. Nguyễn Đức Tôn (Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh), Phương pháp ma trận trong nghiên cứu động học và động lực học cơ cấu (luận văn tốt nghiệp Cao học ngành Cơ học máy). Tác giả đã rút ra được các ưu điểm khi sử dụng phương pháp ma trận và sử dụng chương trình Pascal minh họa động học cơ cấu bốn khâu bản lề. 3. Dan B. Marghitu (Khoa Cơ khí, Trường Đại học Auburn, Hoa Kỳ), Mechanisms and Robots Analysis with MATLAB ® , Giáo trình trình bày việc giải quyết các vấn đề tính toán động lực học cơ cấu thông qua các ví dụ phân tích cơ cấu và rô bốt. 4. Quan-wei Su, Xiao-kan Wang (Trường Cao đẳng nghề Cơ điện Henan, Zheng zhou, Trung Quốc), The Kinematics Analysis of Double Crank-Slider Mechanism Based on Simulink, Applied Mechanics and Materials Vols. 215-216 (2012) pp 258-262. -9- Chƣơng II. CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU Để giải quyết các bài toán động học cơ cấu, trong Nguyên lý máy dùng hai phương pháp truyền thống sau: - Phương pháp vẽ (gồm phương pháp đồ thị động học và phương pháp hoạ đồ véc tơ). - Phương pháp giải tích (gồm giải tích ma trận và giải tích véc tơ): phương pháp này được xây dựng dựa trên cơ sở áp dụng các phương pháp toán học vào việc nghiên cứu. Đối với bài toán phân tích lực cơ cấu, trong Nguyên lý máy cũng có hai phương pháp thường được sử dụng là: - Phương pháp họa đồ véc tơ - Phương pháp phân lực trực tiếp Chương này giới thiệu về các phương pháp trên, phân tích những ưu nhược điểm của từng phương pháp thông qua việc phân tích động lực học của một số cơ cấu đơn giản. Qua đó sẽ là cơ sở để đánh giá tính ưu việt của phương pháp nghiên cứu động lực học cơ cấu khi sử dụng máy tính trên cơ sở phần mềm Matlab Simulink. 2.1. Các phƣơng pháp nghiên cứu động học cơ cấu 2.1.1. Phƣơng pháp vẽ Như đã giới thiệu ở trên phương pháp vẽ gồm có phương pháp đồ thị động học và phương pháp hoạ đồ véc tơ. Phần này trình bày những ưu, nhược điểm của phương pháp, sau đó minh họa phương pháp bằng các ví dụ cụ thể. a. Ƣu nhƣợc điểm - Ưu điểm: Trực quan, đơn giản, dễ nhận biết và kiểm tra. - Nhược điểm: Độ chính xác tính toán phụ thuộc vào sai số dựng hình, sai số đọc biểu đồ; Phương pháp đồ thị, kết quả cho quan hệ giữa một đại lượng động học theo -10- một thông số nhất định thường là khâu dẫn; Phương pháp họa đồ véctơ cho kết quả tính toán động học không liên tục, chỉ tính được ở một vị trí nhất định của cơ cấu. Phương pháp đồ thị động học thường chỉ thích hợp khi khâu dẫn chuyển động với tốc độ không đổi. b. Ví dụ minh họa 1. Phương pháp họa đồ véc tơ Phần này trình bày một ví dụ cụ thể sử dụng phương pháp họa đồ véc tơ để tính toán động học cơ cấu. Cho cơ cấu bốn khâu bản lề có lược đồ như hình vẽ dưới đây. Các kích thước: AB = 0.1m, BC = 0.35m, CD= 0.3m, AD = 0.3m. Tính toán tại vị trí góc của thanh 1 (thanh AB) tạo với trục hoành ( trục x ) một góc = 1 = 3π/4. Khâu dẫn 1 quay đều với vận tốc vòng quay n = 60 (v/ph). Hình 2.1. Cơ cấu bốn khâu bản lề. Bài toán vị trí cơ cấu: Chọn tỉ lệ xích dài: µ l = 0,01m/mm. Chiều dài của các khâu biểu thị trên họa đồ vị trí: AB = l AB μ l = 0,1 0,01 = 10(mm) [...]... DỤNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK Chương này trình bày bài toán tính toán động lực học cơ cấu dựa trên phương pháp giải tích kết hợp với việc sử dụng phần mềm Matlab - Simulink Thông qua việc tính toán động lực học đối với cơ cấu bốn khâu bản lề để làm rõ những ưu điểm của phương pháp này so với những cách làm truyền thống 3.1 Nghiên cứu động lực học cơ cấu sử dụng Matlab 3.1.1 Giới thiệu về phần mềm Matlab... làm việc trong môi trường công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, Matlab là ngôn ngữ của tính toán khoa học 3.1.2 Tính toán động lực học cơ cấu bốn khâu bản lề Tính toán động lực học của cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng như trên hình 3.1 -29- Hình 3.1 Tính toán động học cơ cấu bốn khâu bản lề sử dụng Matlab Thanh AB được đặt trong hệ quy chiếu có gốc tại A Các kích thước: AB = 0.1m, BC = 0.35m, CD= 0.3m,... dùng phân tích động học mà còn có thể dùng để phân tích lực cơ cấu 2 Phương pháp giải tích ma trận Sau đây trình bày một ví dụ sử dụng phương pháp giải tích ma trận để nghiên cứu động học cơ cấu Xét cơ cấu 4 khâu bản lề biểu thị trên hình vẽ 2.11 Biết kích thước của các khâu của cơ cấu Khâu dẫn quay đều với vận tốc góc 𝜔1 Xác định chuyển vị góc, vận tốc góc, gia tốc góc của khâu 2 và khâu 3, chuyển... các tham số vị trí các khâu bị dẫn của cơ cấu; 𝜔 - ma trận vận tốc góc các khâu bị dẫn của cơ cấu; 𝐵 - ma trận tham số vị trí khâu dẫn cơ cấu; 𝜔1 – Vận tốc khâu dẫn của cơ cấu Hệ thức xác định gia tốc của cơ cấu có dạng: 𝐴 𝜀 =− 𝐴 𝜔 + 𝜔1 𝐵 Trong đó: 𝜀 - ma trận gia tốc khâu bị dẫn của cơ cấu: -24- (2.40) 𝐴 = 𝑑 𝐴 𝑑𝑡 và 𝐵 = 𝑑 𝐵 𝑑𝑡 Qua quá trình phân tích động học cơ cấu 4 khâu bản lề trình bày ở trên,... Xét cơ cấu bốn khâu bản lề phẳng biểu thị trên hình 2.10 Biết kích thước của tất cả các khâu, góc định vị 𝜑1 của khâu dẫn 1 và vận tốc góc của khâu dẫn 𝜔1 = const Cần phải xác định vị trí, vận tốc và gia tốc của các khâu thuộc cơ cấu Bài toán xác định vị trí các khâu trên cơ cấu Xem cơ cấu 4 khâu bản lề ABCD như một đa giác véc tơ khép kín (hình2.10) y C 2 2 B 3 1 1 3 x A D C' 4 Hình 2.10 Nghiên cứu. .. tính áp lực khớp động tạo cơ sở cho việc tính toán sức bền của khâu và khớp, việc tính toán ma sát, bôi trơn,… tiếp tục giải quyết bài toán động lực học máy Áp lực khớp động là lực tại các khớp động khi không kể đến lực ma sát (nếu kể đến ma sát thì gọi là phản lực khớp động) Vì thế, để xác định áp lực khớp động cần phải tách khâu nọ ra khỏi khâu kia mới xuất hiện áp lực khớp động biểu thị cho tác dụng. .. trình bày tính toán lực đối với cơ cấu đã phân tích động học và lực quán tính ở phần phân tích động học bằng họa đồ véc tơ (hình 2.1) Bỏ qua trọng lượng của các khâu Đầu tiên, tách cơ cấu thành một nhóm tĩnh định (2, 3) và khâu dẫn 1 và đặt các lực và mô men: R03; R12; R21; R01; P2; P3; Mcb Trong đó R03; R12, R21 là các áp lực khớp động, Mcb là mô men cân bằng khâu dẫn và P2, P3 là lực công tác đặt tại... 1,075 C m s2 Gia tốc góc khâu 3: ε3 = at C l CD = 1,075 0,3 = 3,6 rad s nCB c′ = 23,75mmat = nCB c′ μa = 23,75.0,1 = 2,375 CB Gia tốc góc khâu 2: ε2 = at CB l BC = 2,375 0,35 -14- rad = 6,8( 𝑠2 ) m s2 2 Phương pháp đồ thị động học Sau đây xét một ví dụ sử dụng phương pháp đồ thị động học để tính toán động học cho cơ cấu tay quay con trượt có lược đồ như hình vẽ 2.5, khi tay quay quay đều với vận tốc góc... -16- khoa học kỹ thuật và công nghiệp hiện đại, cùng với việc ứng dụng phổ biến các máy vi tính, phương pháp giải tích ngày càng được dùng rộng rãi Phần này sẽ trình bày phương pháp giải tích để nghiên cứu động học cơ cấu a Các bƣớc phân tích động học cơ cấu bằng phƣơng pháp giải tích Một cách tổng quát, phân tích động học cơ cấu sử dụng phương pháp giải tích được thực hiện theo các bước sau: Bước... của áp lực khớp động này và các lực tác động khác trên khâu dẫn Sau đó là cơ sở để tính toán áp lực khớp động giữa giá với khâu dẫn -25- Có thể tính mô men cân bằng bằng nhiều phương pháp, thuận lợi hơn cả là hai phương pháp từ việc tính áp lực khớp động và từ việc tính công suất của tất cả các ngoại lực đặt trên cơ cấu b Ví dụ minh họa Để minh họa cho phương pháp họa đồ véc tơ để tính lực cơ cấu, sau . TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK 29 3.1. Nghiên cứu động học cơ cấu sử dụng Matlab 29 3.1.1. Giới thiệu về phần mềm Matlab 29 3.1.2. Tính toán động lực học cơ cấu bốn. 49 23 3.12 Nghiên cứu động học cơ cấu bốn khâu bản lề sử dụng Simulink. 49 24 3.13 Khối mô phỏng động học cơ cấu bốn khâu bằng Simulink. 51 25 3.14 Đồ thị động học khâu 2. 52 26. 1 17 9 2.9 Cơ sở lý thuyết 2 17 10 2.10 Nghiên cứu động học cơ cấu bốn khâu bản lề bằng phương pháp giải tích véc tơ. 19 11 2.11 Nghiên cứu động học cơ cấu bốn khâu bản lề bằng phương