3.3.1 Mô hình hóa và phân tích dữ kiện bài toán.
Cơ cấu hút được thiết kế ở mục (3.2) được mô hình hóa thể hiện toàn bộ kết cấu bên trong như hình 3.2.
Dữ kiện bài toán:
+ Hình dáng và kích thước của cơ cấu hút được chỉ ra ở phụ lục 1. + Lưu chất: không khí.
o Khối lượng riêng là:= 1,225 [kg/m3]. o Độ nhớt:µ= 1,7894 x 10-5[kg/m-s].
+ Áp suất cấp vào cửa A từ máy nén khí:p= 7 [kgf/cm2] = 686465,5 [pascal]
+ Khe hở tại miệng vòi phun E là 0,1 [mm]. + Trường dòng chảy là: chảy rối.
+ Khe hở áp tường là: 1 [mm]. Điều kiện biên:
+ Áp suất cấp tại ngõ vào (pressure-inlet) là 7 [kgf/cm2] = 686465,5 [pascal].
+ Áp suất bằng 0 tại ngõ ra (pressure-outlet) và tại các thành biên (wall).
3.3.2 Các bước tiến hành mô phỏng với phần mềm Ansys[5], [6].
+ Bước 1:Mô hình hóa dòng lưu chất với phần mềmPro/Creo.
+ Bước 2:Khởi độngAnsys Workbenchvới mô đunFluid Low (FLUENT).
+ Bước 3:Khai báo dữ liệu hình học tại chỉ mục thứ 2 (Geometry) bằng cách chỉ đường dẫn (Browse) đến tập tin dữ liệu hình học dòng lưu chất (tập tin có đuôi.sat).
+ Bước 4: Chia lưới cho mô hình tại chỉ mục thứ 3 (mesh).
Hình 3.3: Mô hình hóa lưu chất bên trong cơ cấu hút.
Hình 3.4: Cửa sổ workbench cho phép chọn mô đun làm việc.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 18 HVTH: Hồ Minh Phương
+ Bước 5:Khai báo dữ kiện bài toán, nhập điều kiện biên và giải bài toán tại chỉ mục thứ 4 (setup).
Khai báo thuộc tính của dòng lưu chất tại cửa sổCreate/Edit Materials
Khai báo điều kiện biên tại mụcBoundary Conditions
Hình 3.6: Cửa sổ khai báo thuộc tính của chất lưu.
Hình 3.7: Cửa sổ khai báo áp suất ngõ vào, cường độ rối và đường kính thủy lực.
Giải bài toán tại mụcRun Calculation.
+ Bước 6:xem và đánh giá kết quả mô phỏng của bài toán tại chỉ mục thứ 6 (Results).
Hình 3.10: Trường phân bố áp suất trên mặt đối xứng.
Hình 3.8: Cửa sổ khai báo áp suất ngõ ra, cường độ rối và đường kính thủy lực.
Hình 3.9: Cửa sổ khai báo số bước lặp và giải bài toán.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 20 HVTH: Hồ Minh Phương (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 3.1: Kết quả mô phỏng cơ cấu hút.
Lực hút [N] Lưu lượng [l/ph]
15,7289 314,47
Chế Tạo và Thử Nghiệm:
Chọn vật liệu là nhôm.
Gia công chi tiết giác hút dựa trên bản vẽ ở phụ lục 1 cho ra sản phẩm như hình 3.12
Kết quả thử nghiệm ở áp suất p= 7 [kgf/cm2] = 686465,5 [pascal] (cùng một điều kiện áp suất cấp vào như đã mô phỏng).
Khối lượng cân được như hình 3.13 là: 2,2 [kg].
Khối lượng cơ cấu hút + co nối khi nén + dây dẫn khí: 0,4 [kg]. Suy ra :
Lực hút do cơ cấu hút sinh ra: 2,2 – 0,4 = 1,8 [kg]18 [N]. Lưu lượng tính toán qua cơ cấu hút là : 375 [l/ph] . (phụ lục 5)
Hình 3.12: Sản phẩm cơ cấu hút sau khi được gia công.
Hình 3.13: Thử nghiệm cơ cấu hút.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 20 HVTH: Hồ Minh Phương
Bảng 3.1: Kết quả mô phỏng cơ cấu hút.
Lực hút [N] Lưu lượng [l/ph]
15,7289 314,47
Chế Tạo và Thử Nghiệm:
Chọn vật liệu là nhôm.
Gia công chi tiết giác hút dựa trên bản vẽ ở phụ lục 1 cho ra sản phẩm như hình 3.12
Kết quả thử nghiệm ở áp suất p= 7 [kgf/cm2] = 686465,5 [pascal] (cùng một điều kiện áp suất cấp vào như đã mô phỏng).
Khối lượng cân được như hình 3.13 là: 2,2 [kg].
Khối lượng cơ cấu hút + co nối khi nén + dây dẫn khí: 0,4 [kg]. Suy ra :
Lực hút do cơ cấu hút sinh ra: 2,2 – 0,4 = 1,8 [kg]18 [N]. Lưu lượng tính toán qua cơ cấu hút là : 375 [l/ph] . (phụ lục 5)
Hình 3.12: Sản phẩm cơ cấu hút sau khi được gia công.
Hình 3.13: Thử nghiệm cơ cấu hút.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 20 HVTH: Hồ Minh Phương
Bảng 3.1: Kết quả mô phỏng cơ cấu hút.
Lực hút [N] Lưu lượng [l/ph] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
15,7289 314,47
Chế Tạo và Thử Nghiệm:
Chọn vật liệu là nhôm.
Gia công chi tiết giác hút dựa trên bản vẽ ở phụ lục 1 cho ra sản phẩm như hình 3.12
Kết quả thử nghiệm ở áp suất p= 7 [kgf/cm2] = 686465,5 [pascal] (cùng một điều kiện áp suất cấp vào như đã mô phỏng).
Khối lượng cân được như hình 3.13 là: 2,2 [kg].
Khối lượng cơ cấu hút + co nối khi nén + dây dẫn khí: 0,4 [kg]. Suy ra :
Lực hút do cơ cấu hút sinh ra: 2,2 – 0,4 = 1,8 [kg]18 [N]. Lưu lượng tính toán qua cơ cấu hút là : 375 [l/ph] . (phụ lục 5)
Hình 3.12: Sản phẩm cơ cấu hút sau khi được gia công.
3.4 CẢI TIẾN THIẾT KẾ CHO CƠ CẤU HÚT.
Hai yêu cầu chính được đặt ra đối với việc thiết kế một cơ cấu hút, đó là phải thật gọn nhẹ và tạo ra được lực hút lớn. Trước yêu cầu trên, ta sẽ tiến hành phân tích thật kỹ tính công nghệ trong kết cấu để có thể cải tiến làm cho chi tiết dễ gia công và thật gọn nhẹ, mặt khác ta cũng sẽ phân tích và mô phỏng để cải tiến hình dáng thiết kế nhằm tạo ra được cơ cấu hút có thể sinh ra được lực hút lớn.
3.4.1 Phân tích và cải tiến tính công nghệ.
Với một cơ cấu hút được toát ra từ một ý tưởng ban đầu, tuy rằng nó có thể đáp ứng được về nguyên lý hoạt động và đáp ứng được về lý thuyết ứng dụng từ phương trình Bernoulli nhưng nó không thể nào hoàn chỉnh được bởi vì nó còn quá thô và nặng.
Lò xo
Chốt điều chỉnh khe hở Vành mép
Thân ngoài Lỗ ren lắp co khí nén
Thân trụ lắp chốt Ốc điều chỉnh khe hở miệng vòi phun.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 22 HVTH: Hồ Minh Phương
Phân tích thiết kế:
Do phải chịu áp suất khí nén cao và kích thước mỏng để giảm khối lượng nên ta không thể chọn nhựa PE được. Mặt khác nếu là vật liệu Nhựa PE thì với kích thước nhỏ gọn sẽ gây nhiều khó khăn trong quá trình gá đặt để gia công, trong qúa trình gia công chi tiết nóng lên, chảy dẻo sẽ biến dạng làm sai lệch hình dáng, kích thước và gây khó khăn cho quá trình gia công hơn. Vì vậy ta chọn vật liệu nhôm để gia công.
Vành mép có kích thước 3 [mm] là quá dầy, ta có thể thiết kế mỏng lại, với nhôm chất lượng tốt thì với kích thước 1 [mm] vẫn được đảm bảo.
Thân ngoài có dạng hình vuông nhằm để có bề dầy gia công lỗ ren lắp co khí nén, chính vì vậy cơ cấu có khối lượng lớn. Nếu ta thiết kế lại thân ngoài có dạng hình tròn với bề dầy chỉ 1[mm] thì chi tiết sẽ gọn nhẹ hơn rất nhiều. Tuy nhiên, với thân hình tròn và thành mỏng thì để gia công lỗ ren lắp co khí nén sẽ khó khăn và phức tạp hơn. Chính vì vậy mà ta sẽ cải tiến vị trí đưa khí nén vào, không nên đặt theo kiểu đưa vào từ bên hông nữa. Mặt khác việc cấp khí vào từ bên hông cũng chỉ làm cản trở dòng khí di chuyển mà thôi. Nếu ta thiết kế đưa khí vào theo kiểu từ trên xuống thì sẽ tốt hơn.
Thân trụ lắp chốt thiết kế ở bên trong như vậy sẽ làm cho quá trình gia công, đo kiểm trở nên khó khăn hơn, nếu gia công trên máy CNC thì càng rắc rối hơn. Vì vậy ta sẽ thiết kế đưa thân trụ lắp chốt ra ngoài.
Thay vì đặt lò xo bên trong thì ta có thể bỏ hẵn lò xo, bởi vì khi cấp khí nén vào thì áp lực khí nén sẽ thay cho lò xo, bên cạnh đó trên thân chốt ta cũng gia công hai rãnh để đặt hai vòng chắn khí giữ kín khí nén không để khí thoát ra ngoài.
Cải tiến thiết kế:
Từ những cơ sở phân tích về tính công nghệ trong kết cấu, ta có thể thiết kế lại cơ cấu hút có hình dáng như hình 3.15 (chi tiết được thể hiện ở phụ lục 2).
Kết quả sau khi cải tiến thiết kế:
Khối lượng của cơ cấu hút với thiết kế lúc ban đầu là 250 [gam], sau khi cải tiến thì khối lượng chỉ còn lại 100 [gam].
Với cải tiến như vậy thì việc gia công cũng dễ dàng hơn rất nhiều và không cần sử dụng tới nguyên công phay. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đặc biệt là kết quả mô phỏng với cơ cấu hút sau khi cải tiến cho ta thấy rõ hơn về sự phân bố, tác động của dòng lưu chất bên trong và đạt giá trị áp suất nhỏ hơn cơ cấu hút với thiết kế ban đầu.
Thân ngoài. Chốt điều chỉnh khe hở. Vành mép. Thân trụ lắp chốt. Ốc điều chỉnh khe hở. Lỗ ren lắp co khí nén. Rãnh lắp vòng chắn khí.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 24 HVTH: Hồ Minh Phương
Kết quả mô phỏng cho cơ cấu hút ở lần thiết kế đầu tiên (mục 3.2) và sau khi cải tiến về tính công nghệ trong kết cấu (mục 3.4.1) được thể hiện ở đồ thị 3.1.
Hình 3.17: Phân bố véc tơ vận tốc trên mặt đối xứng.
3.4.2 Cải tiến về kết cấu, hình dáng cho cơ cấu hút.
Bước đầu ta đã cải tiến và đạt được kết quả rất tốt thông qua việc phân tích tính công nghệ trong kết cấu. Ở lần cải tiến này hầu như ta đã lột xác hoàn toàn cơ cấu hút ban đầu trở thành một cơ cấu hút mới. Tiếp theo, ta sẽ tiến hành thay đổi một vài đặc điểm về kết cấu và hình dáng hình học thông qua những phương án sau:
3.4.2.1 Phương án 1: thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương đứng ở 2 vị trí.
Mục đích của phương án thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương đứng là để xem vùng không gian phía bên dưới chốt điều chỉnh khe hở có ảnh hưởng thế nào đến giá trị lực hút. Phải chăng ta phải tạo ra vùng không gian rộng lớn thì mới có thể tạo ra được lực hút lớn hay không ?
15.7289 314.4730794 27.1004 411.8425192 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Lực hút sinh ra [N] Lưu lượng [lít/ph]
Thiết kế ban đầu Sau khi cải tiến
Đồ thị 3.1: Lưu lượng và lực hút sinh của cơ cấu hút với thiết kế ban đầu và sau khi cải tiến về tính công nghệ trong kết cấu.
Lực hút sinh ra của cơ cấu hút sau khi cải tiến thiết kế 1,72 lần lực hút sinh ra của cơ cấu hút được thiết kế ban đầu.
Lưu lượng qua cơ cấu hút sau khi cải tiến thiết kế 1,3 lần lưu lượng qua cơ cấu được thiết kế ban đầu.
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 26 HVTH: Hồ Minh Phương
Kết quả mô phỏng: 27.1004 411.8425192 43.8155 454.9495191 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Lực hút sinh ra [N] Lưu lượng [lít/ph]
Mặt dưới chốt điều chỉnh đặt âm sâu bên trong. Mặt dưới chốt điều chỉnh đặt ngang mặt đáy.
Hình 3.18: Phương án thay đổi vị trí đặt chốt điều chỉnh theo phương đứng.
a. Mặt dưới chốt điều chỉnh được đặt ngang mặt đáy.
b. Mặt dưới chốt điều chỉnh được đặt âm sâu bên trên.
Đồ thị 3.2: Lưu lượng và lực hút sinh ra của cơ cấu hút với phương án thay đổi vị trí đặt chốt điều chỉnh theo phương đứng.
Lực hút sinh ra của cơ cấu hút sau khi cải tiến 1,61 lần lực hút sinh ra của cơ cấu hút trước khi cải tiến.
Lưu lượng qua cơ cấu hút sau khi cải tiến 1,1 lần lưu lượng qua cơ cấu hút trước khi cải tiến.
Nhận xét kết quả mô phỏng:
Nếu ta thiết kế sao cho mặt dưới chốt điều chỉnh được đặt ngang mặt đáy cơ cấu hút, điều này cũng có nghĩa là hạ thấp miệng vòi phun đến mức thấp nhất thì sẽ tăng được lực hút sinh ra của cơ cấu lên xấp xỉ 1,6 lần trong khi lưu lượng chỉ tăng xấp xỉ 1,1 lần so với thiết kế đặt chốt điều chỉnh âm sâu bên trong.
Vậy ta nên cải tiến thiết kế sao cho mặt dưới chốt điều chỉnh đặt ngang mặt đáy. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.4.2.2 Phương án 2: thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương ngang ở 3 vị trí.
Ta tiến hành thiết kế lại hình dáng cơ cấu hút với phương án thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương ngang (phương bán kính R). Với thiết kế hiện tại thì miệng vòi được đặt ở giữa, bây giờ ta sẽ thiết kế thêm với trường hợp miệng vòi đặt sát trong để có vành mép lớn nhất và trường hợp miệng vòi đặt sát ngoài để không có vành mép như hình 3.19.
a. Vòi đặt sát trong b.Vòi đặt ở giữa c.Vòi đặt sát ngoài
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 28 HVTH: Hồ Minh Phương
Kết quả mô phỏng cho phương án thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương ngang.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 4.5 5 5.5 6 6.5 7 L ực hú t si nh ra ở m ặt đá y cơ cấ u hú t [ N ] Áp suất cấp vào [kgf/cm2] Vòi đặt sát ngoài Vòi đặt ở giữa Vòi đặt sát trong 0 100 200 300 400 500 600 700 4.5 5 5.5 6 6.5 7 L ưu lư ợn g kh í cấ p và o [ l/p h ] Áp suất cấp vào [kgf/cm2] Vòi đặt sát ngoài Vòi đặt ở giữa Vòi đặt sát trong
Đồ thị 3.3: Kết quả mô phỏng lực hút của 3 kiểu đặt vòi theo phương ngang.
3.4.2.3 Phương án 3: thay đổi hình dáng miệng vòi.
Mục đích của phương án này là để xem tại vị trí miệng vòi phun với các kiểu gia công khác nhau như bo tròn và vát cạnh thì có ảnh hưởng thế nào đến giá trị lực hút.
a. Bo tròn
b. Vát cạnh
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot leo tường, trần nhà
GVHD: TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng 30 HVTH: Hồ Minh Phương
Kết quả mô phỏng:
3.4.2.4 Nhận xét, phân tích và kết luận.a. Nhận xét a. Nhận xét
Thông qua những phương án thay đổi tính công nghệ trong kết cấu, thay đổi vị trí đặt miệng vòi theo phương đứng, phương ngang và thay đổi hình dáng miệng vòi, ta có thể rút ra những điểm nhận xét quan trọng để có thể tạo ra được cơ cấu hút tốt nhất:
+ Miệng vòi nên đặt sát mép ngoài, tức là cơ cấu hút sẽ không có vành mép. + Mặt dưới chốt điều chỉnh nên đặt ngang với mặt đáy cơ cấu hút, điều này có
nghĩa là nên hạ thấp vị trí miệng vòi xuống mức thấp nhất có thể (gần mặt đáy).
+ Miệng vòi nên được bo tròn. 63.7439 458.1905391 43.9991 454.9495791 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Lực hút sinh ra [N] Lưu lượng [lít/ph]
Bo tròn. Vát cạnh.
Đồ thị 3.5: Lưu lượng và lực hút sinh ra của cơ cấu hút với phương án thay đổi hình dáng miệng vòi.
Lực hútcủa cơ cấu hút có miệng vòi được bo tròn 1,45 lần so với cơ cấu hút có miệng vòi được vát cạnh.
Lưu lượngcủa cơ cấu hút có miệng vòi được bo tròn1,007 lần so với cơ cấu hút miệng vòi được vát cạnh.
b. Phân tích
+ Với điểm nhận xét miệng vòi nên đặt sát mép ngoài (để không tạo ra vành mép) sẽ tạo ra lực hút lớn, bên cạnh đó thì lưu lượng qua cơ cấu hút