Tính toán độ cứng vững của máy công cụ cấu trúc song song

bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học BáCH khoa hà nội đinh bá đĩnh tính toán độ cứng vững máy công cụ cấu trúc song song Chuyên ngành: chế tạo máy luận văn thạc sĩ khoa học ngời hớng dẫn: ts bùi quý lực Hà nội - 2011 LI CAM OAN Tụi xin cam oan ni dung lun Tớnh toỏn cng vng ca mỏy cụng c cu trỳc song song l tụi t thc hin Ni dung ca lun l tụi t thc hin, khụng chộp t bt k ti liu no Cỏc s liu v kt qu lun l hon ton trung thc Tụi xin chu hon ton trỏch nhim vi ni dung ca lun ny HC VIấN INH B NH MC LC LI CAM OAN DANH MC CC Kí HIU, CC CH VIT TT DANH MC CC BNG BIU V HèNH V M U CHNG 1: TNG QUAN V CU TRC MY CễNG C .4 1.1 i cng v Cu trỳc mỏy cụng c .4 1.1.1 Khỏi nim v lch s phỏt trin ca mỏy cụng c 1.1.2 Mỏy cụng c iu khin s (CNC) 1.1.3 nh ngha cu trỳc mỏy cụng c 1.1.4 nh ngha mỏy cụng c cu trỳc song song 1.1.5 Mt s u nhc im ca mỏy cụng c cu trỳc song song CHNG 2: PHN TCH CU TRC V CNG VNG CA MY CễNG C CU TRC SONG SONG .9 2.1 Cu trỳc song song .9 2.1.1 Khõu, khp, chui ng v mỏy mỏy cụng c cu trỳc song song 2.1.1.1 Khõu 2.1.1.2 Khp 2.1.1.3 Chui ng 11 2.2 Bc t mỏy cụng c cu trỳc song song 11 2.3 Cỏc bi toỏn c bn v mỏy cụng c cu trỳc song song .15 2.3.1 Bi toỏn ng hc 15 2.3.2 Bi toỏn ng hc thun 21 2.3.3 Bi toỏn ng hc ngc 21 2.4 Tớnh toỏn v trớ cho mỏy phay ta cu trỳc song song c th .21 2.4.1 Bi toỏn ng hc thun 24 2.4.2 Bi toỏn ng hc ngc 25 2.5 Bi toỏn phõn tớch Jacobi 25 2.5.1 Ma trn Jacobi ca robot song song khụng gian 25 2.5.2 Phõn tớch Jacobi ca cu trỳc song song tng quỏt .26 2.5.3 Phõn tớch Jacobi ca mt cu trỳc song song c th 28 CHNG 3: Mễ PHNG CU TRC SONG SONG BNG MY TNH V TNH CNG VNG CA MY PHAY TA 31 3.1 Tớnh toỏn cng vng ca mỏy phay ta cu trỳc song song .31 3.1.1 Mụ t h thng 31 3.1.2 ng hc ngc 32 3.1.3 Xõy dng mụ hỡnh tớnh cng mỏy phay ta cu trỳc song song .34 3.1.3.1 Mụ hỡnh mu v Cỏc gi nh 34 3.1.3.2 Mụ hỡnh cng ca h thng truyn ng: 34 3.2 Mụ phng mụ hỡnh mỏy phay ta cu trỳc song song bng phn mm CATIA 41 3.2 Kim nghim kt qu tớnh toỏn 53 3.3 So sỏnh gia kt qu tớnh toỏn lý thuyt v kt qu tớnh toỏn qua phn mm Catia 56 CHNG : KT QU V BN LUN 58 KT LUN V KIN NGH 59 TI LIU THAM KHO 60 DANH MC CC Kí HIU, CC CH VIT TT 01 BK: B iu khin 02 BT: Bỏn t ng 03 CKCX: C khớ chớnh xỏc 04 CK-CTM: C khớ Ch to mỏy 05 CN CTM: Cụng ngh ch to mỏy 06 KT: iu khin t ng 07 KS: iu khin s 08 KHKT: Khoa hc k thut 09 NCKH: Nghiờn cu khoa hc 10 QTCN: Quy trỡnh cụng ngh 11 QTSX: Quy trỡnh sn xut 12 TBK: Thit b iu khin 13 TH: T ng húa 14 TTGC: Trung tõm gia cụng DANH MC CC BNG BIU V HèNH V Bng 3.1: Thụng s cng kt cu mỏy 44 Bng 3.2: So sỏnh kt qu tớnh lý thuyt v kt qu tớnh toỏn qua phn mm Catia 57 Biu 3.1: Biu cng 30o 54 Biu 3.2: Biu cng 150o 54 Biu 3.2: Biu cng 270o 55 Biu 3.4: Cỏc loi cng .55 Hỡnh 1.1: Mỏy phay CNC trc Hỡnh 2.1: Cỏc kh nng chuyn ng tng i gia hai vt th 11 Hỡnh 2.2: C cu khụng gian Stewart gough 14 Hỡnh 2.3: Cu trỳc song song mụ phng 16 Hỡnh 2.4: H to v cỏc gúc quay 18 Hỡnh 2.5: S ng mỏy phay ta cu trỳc song song 22 Hỡnh 3.1: Mụ hỡnh mỏy phay ta cu trỳc song song .32 Hỡnh 3.2 S ng ca mỏy phay ta cu trỳc song song 33 Hỡnh 3.3: Mụ hỡnh cm vớt me c 35 Hỡnh 3.4: Mụ hỡnh dng khung 38 Hỡnh 3.5: H ta Oi' xi' yi' z i' .38 Hỡnh 3.6: S v kớch thc kt cu mỏy .42 Hỡnh 3.7: Mụ hỡnh mỏy phay ta cu trỳc song song .43 M U Lý chn ti K t i v phỏt trin cho ti nay, ngnh c khớ núi riờng v ngnh c khớ ch to mỏy núi chung ó khụng ngng phỏt trin v t c nhng thnh tu vụ cựng to ln Nú úng mt vai trũ rt quan trng cỏc chin lc phỏt trin kinh t v khoa hc k thut ca mi quc gia trờn th gii Trong giai on hin nay, tớnh cht ca vic sn xut ngy cng tng, vic thay th dn sc lao ng ca ngi cỏc dõy chuyn sn xut bng quỏ trỡnh t ng húa ca mỏy múc cng c chỳ trng t c iu ú, ũi hi phi to cỏc mỏy cụng c hin i, cú chớnh xỏc cao Mt cỏc ú l nghiờn cu ng dng cỏc kt cu mi vic thit k, ch to mỏy cụng c V mỏy cụng c cu trỳc song song c cp n nhiu thi gian gn õy Cú rt nhiu cỏc cụng trỡnh nghiờn cu v cu trỳc song song in hỡnh l rụbt song song, c ng dng rng rói cỏc ngnh k thut, sn xut v nghiờn cu Mỏy cụng c cu trỳc song song l mt khỏi nim cũn tng i mi m Vit Nam S phỏt trin ca mụ hỡnh rụbt song song ó phn no nh hng n s phỏt trin ca mụ hỡnh cu trỳc mỏy cụng c Mỏy cụng c cu trỳc song son cú cỏc chõn v ng mụ phng theo mụ hỡnh ca robot song song Cỏc mỏy cụng c cu trỳc song song cú kh nng gia cụng tt hn so vi mỏy cụng c cu trỳc thng iu ú c th hin qua chớnh xỏc quỏ trỡnh gia cụng, thi gian gia cụng ngn, v s n nh ca mỏy sut thi gian lm vic Tuy vy, nghiờn cu tớnh toỏn cng vng ca mỏy cụng c cu trỳc song song l mt bi toỏn rt phc tp.Vi mc ớch l a phng phỏp tớnh cng vng cho mỏy cụng c cu trỳc song song, tỏc gi ó chn ti: Tớnh toỏn cng vng mỏy cụng c cu trỳc song song Mc ớch nghiờn cu ca lun vn, i tng, phm vi nghiờn cu Trong khuụn kh ca mt lun thc s, ch gii hn nghiờn cu phng phỏp tớnh toỏn cng vng ca mỏy cụng c cu trỳc song song, nờn tỏc gi a bi toỏn ng lc hc, ng hc, v mụ phng tớnh toỏn cng vng ca mỏy cụng c cu trỳc song song in hỡnh, ú l mỏy phay ta cu trỳc song song T nhng kt qu nghiờn cu, so sỏnh kt qu tớnh toỏn lý thuyt v kim nghim thc t bng phn mm Catia ng thi a cỏc phng ỏn s dng cu trỳc song song mt cỏch ti u gii quyt cỏc mc tiờu ca lun vn, cỏc sau s c cp v nghiờn cu tng chng tng ng lun vn: Chng I: Tng quan v cu trỳc mỏy cụng c Chng II: Phõn tớch cu trỳc v cng vng ca mỏy cụng c cu trỳc song song Chng III: Mụ phng mỏy cụng c cu trỳc song song bng mỏy tớnh v tớnh cng vng ca mỏy phay trc cu trỳc song song Kt lun ca lun Hng phỏt trin ca ti Tuy nhiờn, mc dự cú c gng nhiu vic xõy dng ý tng mụ hỡnh nhng ni dung ca lun cũn nhiu thiu sút v cũn nhiu nhng im mi cn c xut v trao i, tho lun thờm Tỏc gi rt mong v trõn trng mi s úng gúp, phờ bỡnh ca cỏc thy giỏo v ng nghip i vi lun Li cm n Tỏc gi xin trõn trng cm n Vin sau i hc Trng i hc Bỏch khoa H Ni, Vin C khớ trng i hc Bỏch khoa H Ni, Vin mỏy v dng c cụng nghip IMI ó ht sc to iu khin thun li cho em sut quỏ trỡnh hc v hon thnh lun Xin trõn trng cm n cỏc thy giỏo Hi ng bo v lun Thc s ó gúp ý, chnh sa v phờ duyt cng lun ca em c hon thnh vi ni dung tt nht c bit, tỏc gi xin trõn trng cm n TS Bựi Quý Lc ó tn tỡnh hng dn em sut quỏ trỡnh xõy dng ý tng mụ hỡnh v hon thnh ni dung lun Xin chõn thnh cm n cỏc ng nghip, cỏc cng tỏc viờn ó giỳp , tho lun v xut nhng gii phỏp tt nht quỏ trỡnh vit lun Xin chõn thnh cm n gia ỡnh v bn bố ó giỳp , ng viờn v tinh thn v vt cht cho bn thõn sut quỏ trỡnh hc v lm lun HC VIấN inh Bỏ nh CHNG 1: TNG QUAN V CU TRC MY CễNG C 1.1 i cng v Cu trỳc mỏy cụng c 1.1.1 Khỏi nim v lch s phỏt trin ca mỏy cụng c Mỏy cụng c l nhng thit b, mỏy múc lm thay i hỡnh dỏng, kớch thc v chớnh xỏc ca chi tit gia cụng(theo thit k) bng cỏc phng phỏp cụng ngh khỏc t phụi Chic mỏy cụng c u tiờn lch s loi ngi l mỏy khoan g dựng dõy kộo c ngi Ai cp c i phỏt minh cỏch õy 3000- 4000 nm Sau ú 2000 nm ngi Ai cp v n ó phỏt minh mỏy tin g p chõn Cui th k 15 u th k 16, Leona de Vinci l mt ngh s ln ng thi l mt nh phỏt minh ngi ý ó ch to cỏc b phn c bn ca mỏy tin nh : bỏnh rng, trc vớt me, bn dao.nhng ngun ng lc mỏy l sc c bp ca ngi u th k 17, ngi ta ó dựng sc nc l ngun ng lc cho mỏy cụng c u nm 1774, John Wilkinson ó cho i mỏy khoan vt liu thộp u tiờn trờn th gii T y tr i cỏc nh sỏng ch v phỏt minh liờn tc cho i cỏc loi mỏy gia cụng kim loi v khụng ngng ci tin chỳng cú nhng loi mỏy cụng c a dng v chng loi v khỏc v kớch thc nh chỳng ta ang thy hin Vit Nam v cỏc nc cụng nghip trờn th gii Mỏy cụng c th h c hin c s dng ti Vit nam v mt s nc ang phỏt trin S mỏy ny hu dng vỡ chi phớ u t mỏy r, khu hao thp, phự hp vi thc t sn xut ca cỏc nc quc gia ú 1.1.2 Mỏy cụng c iu khin s (CNC) S phỏt trin khụng ngng ca khoa hc k thut ó lm cho ngnh c khớ ch to mỏy cú nhng bc phỏt trin to ln Trong vi nm tr li õy, chỳng ta ó thy s i ca rt nhiu mỏy múc thit b mi Trong lnh vc no, cng cú s ci tin, nõng cp thit b nhm tit kim nguyờn vt liu, nhõn cụng, nõng cao nng sut lao ng Bc Chn li tớnh toỏn cng cho mỏy Chỳ ý, chn li ta phi dựng phn chn cho ton mỏy, trờn ú phn mm s chia cỏc mt li thớch hp ng vi mỏy ca chỳng ta S d, mỏy s mc nh chn kớch thc li tớnh toỏn cho ta vỡ cỏch chn ca mỏy s to li cú khe h l nh nht, cho nờn tớnh toỏn lc phõn b trờn cu trỳc mỏy l tt nht 46 Bc Nhn din li tớnh toỏn Khi ó chn c li tớnh toỏn, chỳng ta phi nhn li li õy, cú la chn La chn ú l chn li l li a din, la chn l li tam giỏc Li tớnh cú hỡnh mu xanh, nm trng tõm ca mỏy ( Trng tõm ca mỏy c xỏc nh t ng qua tớnh toỏn ca phn mm.) 47 Bc t lc tỏc ng lờn mỏy Cú nhiu la chn phng ỏn t lc lờn mỏy Theo gi nh ban u, mỏy l tuyt i cng, cho nờn ta chn mỏy gn vi mt c nh Trong cụng c t lc, ta chn mt c nh Kt qu thu c nh sau : 48 Cũn lc tỏc dng gia cụng l lc phn hi li phin ng Tỏc gi chn lc cú ln F=4000 N Mt chu tỏc dng ca lc chớnh l mt ỏy ca ng Bn lc ny phõn b u trờn tit din ca ng ln ca mi lc l F1 = F2 = F3 = F4 = 1000 N 49 Bc 5: Quy trỡnh tớnh toỏn Sau nhp xong ton b thụng s v li tớnh toỏn, lc tỏc dng lờn b mỏy, lc tỏc dng lờn cm trc chớnh, ta chn tip chng trỡnh tớnh toỏn cỏc phn lc, cỏc chuyn v, biu mụ men lc 50 Bc Mụ hỡnh mụ phng li lc tỏc ng lờn ton mỏy Sau tớnh toỏn, ta nhn c kt qu phõn b li lc 51 Bc Mụ hỡnh phõn b lc Trờn nh chp, ta thy c s phõn b lc ca ton kt cu mỏy chu ti trng 4000N T õy, ta cú th ly c cỏc biu ni lc, cỏc chuyn v ca tng v trớ, cng nh lc tỏc ng lờn tng im kt cu ca mỏy 52 Bc Chuyn v ca ton mỏy 3.2 Kim nghim kt qu tớnh toỏn Qua vic mụ phng v tớnh toỏn bng phn mm Catia, ta cú cỏc nhn xột nh sau Cú th thy cng thay i theo tng v trớ trờn khụng gian ca mỏy Vớ d, cng cng ti thiu nm trung tõm khụng gian lm vic ca mỏy, ng vi cỏc gúc 30o, 150o, v 270o, cng ti thiu tip tuyn cng xy ti cỏc gúc trờn 53 Di õy l biu cng ng vi gúc Biu 3.1: Biu cng 30o Biu 3.2: Biu cng 150o 54 Biu 3.2: Biu cng 270o Theo mụ hỡnh, cng hng trc cú th t giỏ tr max ti trung tõm khụng gian lm vic, giỏ tr ti cỏc vựng biờn Biu cho phộp ta xỏc nh giỏ tr cng ti cỏc v trớ ú Nhỡn vo biu , ta thy t l : 1: 1,2:2,9 l t l gn ỳng, nú ph thuc vo liờn kt ca cu trỳc v kớch thc ca cu trỳc song song 400 350 300 250 200 150 100 50 Vớt lp rỏp B chng Khung mỏy Kt cu trc mỏy cng xuyờn tõm cng tip cng dc tuyn trc Biu 3.4: Cỏc loi cng 55 3.3 So sỏnh gia kt qu tớnh toỏn lý thuyt v kt qu tớnh toỏn qua phn mm Catia 56 Phõn tớch trờn cho thy, kim nghim mụ hỡnh mỏy phay CNC ta , cu trỳc song song, ta ly im O(0,0,250), A(0, 250, 250), B(0,-250,250) Kt qu thu c nh bng Bng 3.2: So sỏnh kt qu tớnh lý thuyt v kt qu tớnh toỏn qua phn mm Catia im kim nh Ta O X 35 39 Y 35 39 Z 123 137 X 42 48 Y 49 57 Z 75 86 X 33 37 Y 71 83 Z 85 97 A B Tớnh toỏn lý thuyt Tớnh toỏn trờn Catia Qua bng s liu, ta thy kt qu tớnh toỏn lý thuyt v kt qu tớnh toỏn qua phn mm Catia cú sai lch khụng ỏng k Vỡ vy, cú th kt lun phng phỏp tớnh ca tỏc gi l hon ton chp nhn c 57 CHNG : KT QU V BN LUN Qua cỏc ni dung ó trỡnh by trờn, ta cú th thy c tm quan trng cng nh ý ngha ca vic phõn tớch ng hc ca mỏy cụng c cu trỳc song song, vic phõn tớch ng lc hc ca mỏy chớnh l c s tớnh cng vng cho ton mỏy ó cú nhiu cụng trỡnh nghiờn cu v cng vng ca mỏy cụng c, nhng vi mỏy cú cu trỳc song song thỡ rt ớt Cỏch tớnh cng vng cho mụ hỡnh mỏy phay ta m tỏc gi xõy dung da trờn cỏch tớnh toỏn ghộp chng Tc l, tớnh cng cho tng phn nh ca mỏy, ri tng hp thnh cng ca ton mỏy Cỏch tớnh toỏn ny cú nhng u v nhc im nh sau V u im Cỏch tớnh khỏ n gin, khụng mt nhiu thi gian, cú th kim nghim c bng cỏc phn mm thit k c khớ nh : Catia, inventer Trong mụ hỡnh cng ca mỏy, cỏc dm ngang cú di thay i tựy theo s thay i v trớ ca ng khụng gian lm vic ca mỏy Khi tớnh toỏn, cú th ng dng c cỏc cụng thc tớnh toỏn cng ó cú sn, nh cụng thc tớnh toỏn cng ca h lũ xo Mụ hỡnh mỏy xõy dng n gin, nhng rt hiu qu tớnh toỏn Cú th phỏt trin mụ hỡnh theo cỏc hng khỏc, phự hp vi thc t sn xut v yờu cu k thut V nhc im Mụ hỡnh xõy dng cha c ton din, phi s dng cỏc phng ỏn ti u húa tớnh toỏn Cỏch tớnh cha tng quỏt, cha a cỏc cụng thc c th Phi chia nh mỏy thnh cỏc thnh phn nh tớnh toỏn, gõy sai s h thng 58 KT LUN V KIN NGH Tri qua mt quỏ trỡnh tỡm hiu, nghiờn cu v thc hin lun vn, bn thõn em ó hc hi thờm rt nhiu c lnh vc chuyờn mụn cng nh cú thờm c nhng hiu bit nht nh v tớnh toỏn thit k mỏy cụng c cu trỳc song song iu ú rt cú ớch cho bn thõn em bi õy gn nh l mt ũi hi bt buc vi mt k s c khớ m nht l ký s cụng tỏc ngnh ch to mỏy thi bui ngy S d cú th núi nh vy bi vỡ õy l xu th tt yu ca thi i KHKT cú nhng phỏt trin nh v bóo, cỏc mỏy múc thun c khớ l dn tr nờn lc hu, khụng ỏp ng c vi yờu cu thc t ca sn xut Cỏc mỏy múc ú ó dn b thay th bi cỏc mỏy t ng, cỏc dõy chuyn t ng, cỏc sn phm Mechatronics vi mt hm lng KHKT v cht xỏm rt cao Trong khuụn kh mt lun cao hc, em ó trỡnh by nhng quan im, nhng kin thc nht nh ca mỡnh v tớnh toỏn cng vng ca mỏy cụng c cu trỳc song song, cỏch kim nghim trờn phn mm Catia Nhỡn chung, lun ó gii quyt c mt s c bn sau: - a v gii quyt c bi toỏn ng hc ca mỏy phay ta cu trỳc song song - Gii quyt c bi toỏn ng lc hc ca mỏy phay ta cu trỳc song song - a c phng phỏp xỏc nh cng ca mỏy phay ta cu trỳc song song - So sỏnh c kt qu gia tớnh toỏn lý thuyt v thc t kim nghim trờn phn mm Catia Do thi gian cng nh s hiu bit cũn hn ch nờn khụng th trỏnh nhng sai sút Rt mong nhn c s hng dn, ch bo tn tỡnh ca cỏc thy, cỏc cụ em cú th rỳt c nhng bi hc quý bỏu cho bc ng nghiờn cu v hot ng nghiờn cu khoa hc ca em sau ny Mt ln na, em xin trõn trng cm n s ch bo ca cỏc thy cụ v c bit l TS BI QUí LC ó ht lũng giỳp em hon thnh tt lun tt nghip cao hc ny 59 TI LIU THAM KHO Bhattacharya H, et al, On the optimum design of Stewart platform type manipulators, Robotica, 1995, 13:133-140 Clinton, C M., Zhang, G., Stiffness modeling of a Stewart-platform-based milling machine, Transactions of NAMRI/SME, 1997, 115:335-340 EI-Khasawneh, B S., Ferreira P M Computation of stiffness bounds for parallel link manipulators, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 1999, 39(2): 321-342 Ferraresi, C., Pastorelli, S., Sorli, M, Static and dynamic behavior of a high stiffness Stewart platform-based force/torque Sensor, Journal of Robotic Systems, 1995, 12(12): 883-893 Gosselin, C M., Stiffness mapping for parallel manipulators, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1990, 6(3): 377-382 Huang T, Whitehouse D J, Wang J Local dexterity, optimal architecture and design criteria of parallel machine tools, Annals of CIRP, 1997, 47(1): 347-351 Pritschow, G., Parallel kinematic machines (PKM)-Limitations and new solutions, Annals of CIRP, 2000, 49(1): 275-280 Stoughton, R S., Arai,,T., A modified Stewart platform with improved dexterity, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1993, 9(2):166-172 Tlusty, J., Ziegert, J., Ridgeway, S., Fundamental comparison of the use of serial and parallel kinematics for machine tools, Annals of CIRP, 1999, 48(1): 351356 60 ... quan cấu trúc máy công cụ Chương II: Phân tích cấu trúc độ cứng vững máy công cụ cấu trúc song song Chương III: Mô máy công cụ cấu trúc song song máy tính tính độ cứng vững máy phay trục cấu trúc. .. pháp tính toán độ cứng vững máy công cụ cấu trúc song song, nên tác giả đưa toán động lực học, động học, mô tính toán độ cứng vững máy công cụ cấu trúc song song điển hình, máy phay tọa độ cấu trúc. .. VÀ ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA MÁY CÔNG CỤ CẤU TRÚC SONG SONG 2.1 Cấu trúc song song Cũng máy công cụ thông thường, máy công cụ cấu trúc song song có cấu trúc vòng kín khâu ( ) nối với khớp động Sơ đồ động