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

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 häc ng−êi h−íng dÉn: ts bïi q lùc Hµ néi - 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn “Tính tốn độ cứng vững máy công cụ cấu trúc song song” tự thực Nội dung luận văn tự thực hiện, không chép từ tài liệu Các số liệu kết luận văn hồn tồn trung thực Tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm với nội dung luận văn HỌC VIÊN ĐINH BÁ ĐĨNH MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY CÔNG CỤ .4 1.1 Đại cương Cấu trúc máy công cụ .4 1.1.1 Khái niệm lịch sử phát triển máy công cụ 1.1.2 Máy công cụ điều khiển số (CNC) 1.1.3 Định nghĩa cấu trúc máy công cụ 1.1.4 Định nghĩa máy công cụ cấu trúc song song 1.1.5 Một số ưu nhược điểm máy công cụ cấu trúc song song CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA MÁY CÔNG CỤ CẤU TRÚC SONG SONG .9 2.1 Cấu trúc song song .9 2.1.1 Khâu, khớp, chuỗi động máy máy công cụ cấu trúc song song 2.1.1.1 Khâu 2.1.1.2 Khớp 2.1.1.3 Chuỗi động 11 2.2 Bậc tự máy công cụ cấu trúc song song 11 2.3 Các toán máy công cụ cấu trúc song song .15 2.3.1 Bài toán động học 15 2.3.2 Bài toán động học thuận 21 2.3.3 Bài toán động học ngược 21 2.4 Tính tốn vị trí cho máy phay tọa độ cấu trúc song song cụ thể .21 2.4.1 Bài toán động học thuận 24 2.4.2 Bài toán động học ngược 25 2.5 Bài tốn phân tích Jacobi 25 2.5.1 Ma trận Jacobi robot song song khơng gian 25 2.5.2 Phân tích Jacobi cấu trúc song song tổng quát .26 2.5.3 Phân tích Jacobi cấu trúc song song cụ thể 28 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG CẤU TRÚC SONG SONG BẰNG MÁY TÍNH VÀ TÍNH ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA MÁY PHAY TỌA ĐỘ 31 3.1 Tính tốn độ cứng vững máy phay tọa độ cấu trúc song song .31 3.1.1 Mô tả hệ thống 31 3.1.2 Động học ngược 32 3.1.3 Xây dựng mơ hình tính độ cứng máy phay tọa độ cấu trúc song song .34 3.1.3.1 Mơ hình mẫu Các giả định 34 3.1.3.2 Mơ hình độ cứng hệ thống truyền động: 34 3.2 Mơ mơ hình máy phay tọa độ cấu trúc song song phần mềm CATIA 41 3.2 Kiểm nghiệm kết tính tốn 53 3.3 So sánh kết tính tốn lý thuyết kết tính tốn qua phần mềm Catia 56 CHƯƠNG : KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 01 BĐK: Bộ điều khiển 02 BTĐ: Bán tự động 03 CKCX: Cơ khí xác 04 CK-CTM: Cơ khí – Chế tạo máy 05 CN CTM: Công nghệ chế tạo máy 06 ĐKTĐ: Điều khiển tự động 07 ĐKS: Điều khiển số 08 KHKT: Khoa học kỹ thuật 09 NCKH: Nghiên cứu khoa học 10 QTCN: Quy trình cơng nghệ 11 QTSX: Quy trình sản xuất 12 TBĐK: Thiết bị điều khiển 13 TĐH: Tự động hóa 14 TTGC: Trung tâm gia công DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Bảng 3.1: Thơng số độ cứng kết cấu máy 44 Bảng 3.2: So sánh kết tính lý thuyết kết tính tốn qua phần mềm Catia 57 Biểu đồ 3.1: Biểu đồ độ cứng 30o 54 Biểu đồ 3.2: Biểu đồ độ cứng 150o 54 Biểu đồ 3.2: Biểu đồ độ cứng 270o 55 Biểu đồ 3.4: Các loại độ cứng .55 Hình 1.1: Máy phay CNC trục Hình 2.1: Các khả chuyển động tương đối hai vật thể 11 Hình 2.2: Cơ cấu không gian Stewart – gough 14 Hình 2.3: Cấu trúc song song mơ 16 Hình 2.4: Hệ toạ độ góc quay 18 Hình 2.5: Sơ đồ động máy phay tọa độ cấu trúc song song 22 Hình 3.1: Mơ hình máy phay tọa độ cấu trúc song song .32 Hình 3.2 Sơ đồ động máy phay tọa độ cấu trúc song song 33 Hình 3.3: Mơ hình cụm vít me đai ốc 35 Hình 3.4: Mơ hình dạng khung 38 Hình 3.5: Hệ tọa độ Oi' xi' yi' z i' .38 Hình 3.6: Sơ đồ kích thước kết cấu máy .42 Hình 3.7: Mơ hình máy phay tọa độ cấu trúc song song .43 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Kể từ đời phát triển nay, ngành khí nói riêng ngành khí chế tạo máy nói chung không ngừng phát triển đạt thành tựu vơ to lớn Nó đóng vai trị quan trọng chiến lược phát triển kinh tế khoa học kĩ thuật quốc gia giới Trong giai đoạn nay, tính chất việc sản xuất ngày tăng, việc thay dần sức lao động người dây chuyền sản xuất q trình tự động hóa máy móc trọng Để đạt điều đó, địi hỏi phải tạo máy cơng cụ đại, có độ xác cao Một vấn đề nghiên cứu ứng dụng kết cấu việc thiết kế, chế tạo máy công cụ Và máy công cụ cấu trúc song song đề cập đến nhiều thời gian gần Có nhiều cơng trình nghiên cứu cấu trúc song song Điển hình rơbốt song song, ứng dụng rộng rãi ngành kĩ thuật, sản xuất nghiên cứu Máy công cụ cấu trúc song song khái niệm tương đối mẻ Việt Nam Sự phát triển mô hình rơbốt song song phần ảnh hưởng đến phát triển mơ hình cấu trúc máy cơng cụ Máy cơng cụ cấu trúc song son có chân đế động mơ theo mơ hình robot song song Các máy công cụ cấu trúc song song có khả gia cơng tốt so với máy cơng cụ cấu trúc thường Điều thể qua độ xác q trình gia cơng, thời gian gia công ngắn, ổn định máy suốt thời gian làm việc Tuy vậy, để nghiên cứu tính tốn độ cứng vững máy cơng cụ cấu trúc song song toán phức tạp.Với mục đích đưa phương pháp tính độ cứng vững cho máy công cụ cấu trúc song song, tác giả chọn đề tài: “Tính tốn độ cứng vững máy công cụ cấu trúc song song” Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ, giới hạn nghiên cứu phương pháp tính tốn độ cứng vững máy cơng cụ cấu trúc song song, nên tác giả đưa toán động lực học, động học, mơ tính tốn độ cứng vững máy công cụ cấu trúc song song điển hình, máy phay tọa độ cấu trúc song song Từ kết nghiên cứu, so sánh kết tính tốn lý thuyết kiểm nghiệm thực tế phần mềm Catia Đồng thời đưa phương án sử dụng cấu trúc song song cách tối ưu Để giải mục tiêu luận văn, vấn đề sau đề cập nghiên cứu chương tương ứng luận văn: Chương I: Tổng quan cấu trúc máy cơng 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 song song Kết luận luận văn Hướng phát triển đề tài Tuy nhiên, có cố gắng nhiều việc xây dựng ý tưởng mơ hình nội dung luận văn cịn nhiều thiếu sót cịn nhiều điểm cần đề xuất trao đổi, thảo luận thêm Tác giả mong trân trọng đóng góp, phê bình thầy giáo đồng nghiệp luận văn Lời cảm ơn Tác giả xin trân trọng cảm ơn Viện sau Đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Cơ khí trường đại học Bách khoa Hà Nội, Viện máy dụng cụ công nghiệp IMI tạo điều khiện thuận lợi cho em suốt trình học tập hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn thầy giáo Hội đồng bảo vệ luận văn Thạc sỹ góp ý, chỉnh sửa phê duyệt đề cương để luận văn em hoàn thành với nội dung tốt Đặc biệt, tác giả xin trân trọng cảm ơn TS Bùi Quý Lực tận tình hướng dẫn em suốt trình xây dựng ý tưởng mơ hình hồn thành nội dung luận văn Xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, cộng tác viên giúp đỡ, thảo luận đề xuất giải pháp tốt trình viết luận văn Xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè giúp đỡ, động viên tinh thần vật chất cho thân suốt trình học tập làm luận văn HỌC VIÊN Đinh Bá Đĩnh CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC MÁY CÔNG CỤ 1.1 Đại cương Cấu trúc máy công cụ 1.1.1 Khái niệm lịch sử phát triển máy công cụ Máy công cụ thiết bị, máy móc làm thay đổi hình dáng, kích thước độ xác chi tiết gia cơng(theo thiết kế) phương pháp công nghệ khác từ phôi Chiếc máy công cụ lịch sử loài người máy khoan gỗ dùng dây kéo người Ai cập cổ đại phát minh cách 3000- 4000 năm Sau 2000 năm người Ai cập ấn độ phát minh máy tiện gỗ đạp chân Cuối kỷ 15 đầu kỉ 16, Leona de Vinci nghệ sĩ lớn đồng thời nhà phát minh người ý chế tạo phận máy tiện : bánh răng, trục vít me, bàn dao….nhưng nguồn động lực máy sức bắp người Đầu kỷ 17, người ta dùng sức nước nguồn động lực cho máy công cụ Đầu năm 1774, John Wilkinson cho đời máy khoan vật liệu thép giới Từ trở nhà sáng chế phát minh liên tục cho đời loại máy gia công kim loại khơng ngừng cải tiến chúng để có loại máy công cụ đa dạng chủng loại khác kích thước thấy Việt Nam nước công nghiệp giới Máy công cụ hệ cũ sử dụng Việt nam số nước phát triển Số máy hữu dụng chi phí để đầu tư máy rẻ, khấu hao thấp, phù hợp với thực tế sản xuất nước quốc gia 1.1.2 Máy cơng cụ điều khiển số (CNC) Sự phát triển không ngừng khoa học kĩ thuật làm cho ngành khí chế tạo máy có bước phát triển to lớn Trong vài năm trở lại đây, thấy đời nhiều máy móc thiết bị Trong lĩnh vực nào, có cải tiến, nâng cấp thiết bị nhằm tiết kiệm nguyên vật liệu, nhân công, nâng cao suất lao động Bước Chọn lưới để tính tốn độ cứng cho máy Chú ý, chọn lưới ta phải dùng phần chọn cho tồn máy, phần mềm chia mắt lưới thích hợp ứng với máy Sở dĩ, máy mặc định chọn kích thước lưới tính tốn cho ta cách chọn máy tạo lưới có khe hở nhỏ nhất, tính tốn lực phân bố cấu trúc máy tốt 46 Bước Nhận diện lưới tính tốn Khi chọn lưới tính tốn, phải nhận lại lưới Ở đây, có lựa chọn Lựa chọn chọn lưới lưới đa diện, lựa chọn lưới tam giác Lưới tính có hình màu xanh, nằm trọng tâm máy ( Trọng tâm máy xác định tự động qua tính tốn phần mềm.) 47 Bước Đặt lực tác động lên máy Có nhiều lựa chọn phương án đặt lực lên máy Theo giả định ban đầu, đế máy tuyệt đối cứng, ta chọn đế máy gắn với mặt cố định Trong công cụ đặt lực, ta chọn mặt cố định Kết thu sau : 48 Còn lực tác dụng gia công lực phản hồi lại phiến đế động Tác giả chọn lực có độ lớn F=4000 N Mặt chịu tác dụng lực mặt đáy đế động Bốn lực phân bố tiết diện đế động Độ lớn lực F1 = F2 = F3 = F4 = 1000 N 49 Bước 5: Quy trình tính tốn Sau nhập xong tồn thơng số lưới tính tốn, lực tác dụng lên bệ máy, lực tác dụng lên cụm trục chính, ta chọn tiếp chương trình tính tốn phản lực, chuyển vị, biểu đồ mơ men lực 50 Bước Mơ hình mơ lưới lực tác động lên tồn máy Sau tính tốn, ta nhận kết phân bố lưới lực 51 Bước Mơ hình phân bố lực Trên ảnh chụp, ta thấy phân bố lực toàn kết cấu máy chịu tải trọng 4000N Từ đây, ta lấy biểu đồ nội lực, chuyển vị vị trí, lực tác động lên điểm kết cấu máy 52 Bước Chuyển vị toàn máy 3.2 Kiểm nghiệm kết tính tốn Qua việc mơ tính tốn phần mềm Catia, ta có nhận xét sau Có thể thấy độ cứng thay đổi theo vị trí khơng gian máy Ví dụ, độ cứng độ cứng tối thiểu nằm trung tâm không gian làm việc máy, ứng với góc 30o, 150o, 270o, độ cứng tối thiểu tiếp tuyến xảy góc 53 Dưới biểu đồ độ cứng ứng với góc Biểu đồ 3.1: Biểu đồ độ cứng 30o Biểu đồ 3.2: Biểu đồ độ cứng 150o 54 Biểu đồ 3.2: Biểu đồ độ cứng 270o Theo mô hình, độ cứng hướng trục đạt giá trị max trung tâm không gian làm việc, giá trị vùng biên Biểu đồ cho phép ta xác định giá trị độ cứng vị trí Nhìn vào biểu đồ, ta thấy tỉ lệ : 1: 1,2:2,9 tỷ lệ gần đúng, phụ thuộc vào liên kết cấu trúc kích thước cấu trúc song song 400 350 300 250 200 150 100 50 Vít lắp ráp Bệ chống Khung máy Kết cấu trục máy Độ cứng xuyên tâm Độ cứng tiếp Độ cứng dọc tuyến trục Biểu đồ 3.4: Các loại độ cứng 55 3.3 So sánh kết tính tốn lý thuyết kết tính tốn qua phần mềm Catia 56 Phân tích cho thấy, kiểm nghiệm mơ hình máy phay CNC tọa độ, cấu trúc song song, ta lấy điểm O(0,0,250), A(0, 250, 250), B(0,-250,250) Kết thu bảng Bảng 3.2: So sánh kết tính lý thuyết kết tính tốn qua phần mềm Catia Điểm kiểm định Tọa độ 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 Tính tốn lý thuyết Tính tốn Catia Qua bảng số liệu, ta thấy kết tính tốn lý thuyết kết tính tốn qua phần mềm Catia có độ sai lệch khơng đáng kể Vì vậy, kết luận phương pháp tính tác giả hồn tồn chấp nhận 57 CHƯƠNG : KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Qua nội dung trình bày trên, ta thấy tầm quan trọng ý nghĩa việc phân tích động học máy cơng cụ cấu trúc song song, việc phân tích động lực học máy sở để tính độ cứng vững cho tồn máy Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu độ cứng vững máy công cụ, với máy có cấu trúc song song Cách tính độ cứng vững cho mơ hình máy phay tọa độ mà tác giả xây dung dựa cách tính tốn ghép chồng Tức là, tính độ cứng cho phần nhỏ máy, tổng hợp thành độ cứng tồn máy Cách tính tốn có ưu nhược điểm sau Về ưu điểm Cách tính đơn giản, khơng nhiều thời gian, kiểm nghiệm phần mềm thiết kế khí : Catia, inventer… Trong mơ hình độ cứng máy, dầm ngang có độ dài thay đổi tùy theo thay đổi vị trí đế động khơng gian làm việc máy Khi tính tốn, ứng dụng cơng thức tính tốn độ cứng có sẵn, cơng thức tính tốn độ cứng hệ lị xo… Mơ hình máy xây dựng đơn giản, hiệu tính tốn Có thể phát triển mơ hình theo hướng khác, phù hợp với thực tế sản xuất yêu cầu kĩ thuật Về nhược điểm Mơ hình xây dựng chưa tồn diện, phải sử dụng phương án tối ưu hóa tính tốn Cách tính chưa tổng qt, chưa đưa công thức cụ thể Phải chia nhỏ máy thành thành phần nhỏ để tính tốn, gây sai số hệ thống 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trải qua trình tìm hiểu, nghiên cứu thực luận văn, thân em học hỏi thêm nhiều lĩnh vực chuyên môn có thêm hiểu biết định tính tốn thiết kế máy cơng cụ cấu trúc song song Điều có ích cho thân em gần đòi hỏi bắt buộc với kỹ sư khí mà ký sư công tác ngành chế tạo máy thời buổi ngày Sở dĩ nói xu tất yếu thời đại KHKT có phát triển vũ bão, máy móc khí dần trở nên lạc hậu, không đáp ứng với yêu cầu thực tế sản xuất Các máy móc dần bị thay máy tự động, dây chuyền tự động, sản phẩm Mechatronics với hàm lượng KHKT chất xám cao Trong khuôn khổ luận văn cao học, em trình bày quan điểm, kiến thức định tính tốn độ cứng vững máy cơng cụ cấu trúc song song, cách kiểm nghiệm phần mềm Catia Nhìn chung, luận văn giải số vấn đề sau: - Đưa giải toán động học máy phay tọa độ cấu trúc song song - Giải toán động lực học máy phay tọa độ cấu trúc song song - Đưa phương pháp xác định độ cứng máy phay tọa độ cấu trúc song song - So sánh kết tính tốn lý thuyết thực tế kiểm nghiệm phần mềm Catia Do thời gian hiểu biết cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong nhận hướng dẫn, bảo tận tình thầy, để em rút học quý báu cho bước đường nghiên cứu hoạt động nghiên cứu khoa học em sau Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn bảo thầy cô đặc biệt TS BÙI QUÝ LỰC hết lòng giúp đỡ em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp cao học 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 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. .. 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 vịng kín khâu ( ) nối với khớp động Sơ đồ động... CẤU TRÚC SONG SONG BẰNG MÁY TÍNH VÀ TÍNH ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA MÁY PHAY TỌA ĐỘ 3.1 Tính tốn độ cứng vững máy phay tọa độ cấu trúc song song Độ cứng vững đặc tính quan trọng thông số kĩ thuật máy công