Mô phỏng và thiết kế Hexapod cho gia công cơ khí chính xác Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn Phòng Cơ điện tử, Viện Cơ học-264 Đội Cấn, Hà Nội E-mail: mechatronics@hn.vnn.vn Tóm tắt: Trên thế giới, Rôbốt cơ cấu song song ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: cơ khí chính xác, vũ trụ, y tế, lắp ráp trong sản xuất, Ở Việt Nam, việc nghiên cứu Rôbốt cơ cấu song song đã được chú ý từ năm 2000. Nhiều cơ sở nghiên cứu, cơ sở sản xuất đã có những nghiên cứu cơ bản và bước đầu triển khai chế tạo Rôbốt song song. Bài báo này trình bày các bước từ lựa chọn mô hình, mô phỏng động lực học và tính toán thiết kế để chế tạo một Rôbốt cơ cấu song song (Hexapod) cụ thể ứng dụng trong gia công cơ khí . Các máy công cụ truyền thống sau khi thêm bộ đồ gá vạn năng (Hexapod) có thể gia công được những chi tiết có bề mặt phức tạp mà trước đây không thực hiện được. Đây là một giải pháp phù hợp cho việc nâng cấp các máy công cụ truyền thống hiện đang được sử dụng rất nhiều tại các cơ sở gia công cơ khí chính xác trong nước, nhằm chế tạo ra các sản phẩm đáp ứng được những đòi hỏi ngày càng cao của thị trường. 1 Đặt vấn đề Các dạng sản phẩm có hình dáng phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao, ngày càng được sử dụng rộng rãi như: • Khuôn mẫu có dạng trụ tròn • Biên dạng cam để điều khiển • Khuôn mẫu đột, dập • Khuôn ép nhựa dùng cho sản xuất quạt điện Hình 1. Một số dạng chi tiết Hiện nay, các cơ sở gia công cơ khí tại các nhà máy, trung tâm sản xuất vẫn còn sử dụng nhiều máy công cụ truyền thống. Với các máy công cụ này, việc gia công chế tạo các sản phẩm trên rất khó có thể thực hiện được. Có 2 giải pháp được đặt ra: • Trang bị các máy CNC hiện đại thay thế các máy công cụ hiện có. • Cải tiến máy công cụ hiện có. Đặc điểm của máy công cụ truyền thống Các máy công cụ truyền thống hoạt động theo nguyên tắc nhiều trục chính để điều khiển chuyển động tạo hình cắt trong quá trình gia công. Những máy công cụ này thường chỉ có tới 3 chuyển động phối hợp (2 chuyển động đồng thời) vì vậy hạn chế rất nhiều về khả năng tạo hình các sản phẩm có hình dạng phức tạp thay đổi trong không gian 3 chiều. Hình 2. Máy phay truyền thống Nhận xét: Qua khảo sát thực tế sản xuất cũng như nhu cầu của thị trường trong việc gia công chế tạo các sản phẩm có hình dạng phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu đề xuất giải pháp ứng dụng Rôbốt cơ cấu song song trong gia công cơ khí sẽ được trình bày cụ thể ở phần sau. 2 Rôbốt song song trong gia công cơ khí Khả năng ứng dụng Rôbốt song song trong gia công cơ khí dựa vào các ưu điểm sau: • Bề mặt tấm đế di động của Rôbốt có thể chuyển động tự do trong không gian một cách linh hoạt. Vì vậy việc tạo hình bề mặt được thực hiện dễ dàng hơn và đạt yêu cầu về độ chính xác cao hơn. • Kết cấu động học của Rôbốt song song có độ cứng vững cao và chịu được tải trọng lớn mặc dù kích thước Rôbốt nhỏ. • Có thể chế tạo theo kiểu modul hoá, có nhiều chi tiết giống hệt nhau về cấu tạo và vai trò. Qua tìm hiểu về khả năng ứng dụng Rôbốt song song trong gia công cơ khí, nhóm nghiên cứu đưa ra 4 phương án ứng dụng, đánh giá và lựa chọn phương án thích hợp: Phương án 1: Hexapod trong vai trò máy gia công Bộ đầu dao được gắn trên tấm đế di động của Rôbốt. 7 chuyển động cần được điều khiển đồng thời khi gia công, bao gồm: 6 chuyển động của Rôbốt và một chuyển động cắt của dụng cụ cắt. Phương án 2: Tripod trong vai trò máy gia công Bộ đầu dao được gắn trên tấm đế di động. 4 chuyển động cần được điều khiển đồng thời khi gia công. Tuy nhiên để làm tăng cứng vững hệ thống và hạn chế các bậc tự do thừa, mô hình này cần phải thêm cơ cấu phụ, hoặc thay đổi cấu trúc của các khớp. Phương án 3: Hexapod trong vai trò đồ gá vạn năng lắp trên máy công cụ Phôi được gắn trên tấm đế di động của Rôbốt. 7 chuyển động cần được điều khiển đồng thời trong quá trình gia công, bao gồm: 6 chuyển động của Rôbốt và một chuyển động độc lập của đầu dao. Có 2 phương án: Rôbốt là bàn gá chuyên dụng và Rôbốt gá trên bàn dao như hình vẽ Hình 5. Phương án 4: Tripod trong vai trò đồ gá vạn năng lắp trên máy công cụ Phôi gắn trên tấm đế di động của Rôbốt. 4 chuyển động cần được điều khiển đồng thời trong quá trình gia công, bao gồm: 3 chuyển động của Rôbốt và một chuyển động độc lập của dao cắt. Tuy nhiên cũng giống như phương án 2 cần thêm các cơ cấu phụ tăng cứng vững và hạn chế các bậc tự do thừa. Để phù hợp với điều kiện ứng dụng tại Việt Nam, các chỉ tiêu sau được lựa chọn để đánh giá tính khả thi của các phương án: • Phương án được lựa chọn phải đơn giản trong việc điều khiển • Kết cấu của Rôbốt đảm bảo độ cứng vững cao. • Có thể ứng dụng phổ biến trong sản xuất và phù hợp với nhu cầu ứng dụng của các đơn vị sản xuất hiện tại. Đánh giá các phương án 4 phương án đề xuất đã được lựa chọn và đánh giá theo bảng sau : STT Chỉ tiêu đánh giá Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 Phương án 4 1 Điều khiển Rất phức tạp Phức tạp Phức tạpPhức tạp 2 Kết cấu Phức tạp Phức tạp Đơn giản hơn Phức tạp 3 Độ cứng vững của kết cấu Cứng vững Nên có phần trợ lực Cứng vững Nên có phần trợ lực 4 Khả năng chuyển động của bề mặt tấm đế di động Linh hoạt Kém linh hoạt Linh hoạt Kém linh hoạt 5 Khả năng ứng dụng Rộng Khá rộng Rộng ( thể hiện 2 vai trò gá đặt và tạo hình) Hẹp hơn Bảng 1. So sánh giữa các phương án K ết luận: Với điều kiện sản xuất tại Việt Nam, việc chế tạo một Rôbốt song song chuyên dụng cho gia công cơ khí (vai trò là máy gia công) sẽ gặp khó khăn về cả khả năng chế tạo và khả năng ứng dụng. Một giải pháp khả thi là sử dụng Rôbốt song song trong vai trò đồ gá vạn năng lắp trên các máy công cụ để nâng cao khả năng sử dụng của các máy công cụ truyền thống → Chọn phương án 3. 3 Mô phỏng Hexapod trong vai trò đồ gá vạn năng lắp trên máy công cụ phục vụ gia công cơ khí chính xác 3.1 Nguyên lý chung [2], [3], [4] Bài toán động học Phương trình động học của Rôbốt: x = f(q) (1) Trong đó: • x : quỹ đạo chuyển động của Rôbốt trong không gian Đồ gá vạn năng Hình 5. Phư ơng án 3 (Rôbốt gá trên bàn gá) Hình 4. Phương án 2 Hình 6. Phương án 4 Hình 3. Phương án 1 • q: toạ độ suy rộng của Rôbốt Với quỹ đạo chuyển động (x) cho trước của Rôbốt ta xác định được toạ độ suy rộng q của Rôbốt với phương trình: q = f -1 (x) (2) Với toạ độ suy rộng q được xác định bởi phương trình (2) ta có thể tính được vận tốc q & , và gia tốc q && . Bài toán động lực học Rôbốt Bài toán động lực học Rôbốt được mô tả theo phương trình Lagrange II: a Q c q b q abc b q ab g =Γ+ &&&& (3) Trong đó: • q : Toạ độ suy rộng Rôbốt • Qa : Lực suy rộng • g ab : Ma trận khối lượng suy rộng • abc Γ : Các lực Coriolis và lực ly tâm suy rộng Từ bài toán động học theo phương trình (2) ta tìm được q & , q && thế vào phương trình (3) sẽ xác định được Q a Từ giá trị Q a tìm các thông số động cơ (chế độ điều khiển) cho Rôbốt được tính. 3.2 Tính toán động lực học a) Chương trình mô phỏng alaska [1] Đối tượng mô phỏng của chương trình alaska là cơ hệ nhiều vật. Với nhiều tính năng từ phân tích, giải các bài toán tuyến tính, bài toán phi tuyến, hiển thị được các kết quả mong muốn, … rất phù hợp để mô phỏng Rôbốt cơ cấu song song. alaska có các chức năng chính sau: • Lập phương trình chuyển động phi tuyến. • Giải các phương trình chuyển động phi tuyến, … • Lập các phương trình tuyến tính, • Phân tích các giá trị riêng, tìm các dạng riêng, tính toán các tần số dao động, • Giải các phương trình tuyến tính, … • Tính toán và đưa ra các kết quả theo yêu cầu • Có cơ chế mở: nhập các dữ liệu từ kết quả của các phần mềm khác (các ma trận độ cứng, ma trận khối lượng, … lấy ra từ các phần mềm tính toán kết cấu, phần tử hữu hạn - NASTRAN, ANSYS, …), do đó xây dựng được mô hình Cơ hệ nhiều vật có các phần tử đàn hồi. b) Các thông số đầu vào cho mô phỏng: Thông số động học của Rôbốt Nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng Rôbốt song song trong vai trò đồ gá vạn năng lắp trên bàn chạy dao của máy phay đứng (6H11) có các thông số chính sau: Hình 7. Mô hình máy phay gia công 6H11 (Máy phay cỡ trung bình) Tên máy 6H11 Thông số đặc trưng của phần không chuyển động Kích thước lớn nhất (mm) Khối lượng (kg) Cao (H1) Dài (L1) Rộng (W1) 2100 2300 2060 1530 Thông số đặc trưng của bộ phận gá phôi Trục X (W) Trục Y (L) Trục Z (H) Hành trình (mm) Kích thước (mm) 200 200 350 Khối lượng (kg) Cao (H2+H3) Dài (W3) Rộng(L3) Miền vận tốc (mm/phút) 300 100 1000 250 35 - 205 25 - 765 12 - 380 Các loại dao và thông số Thông số Dao đứng Miền đường kính (mm) 4 - 20 Miền tốc độ cắt (vòng/phút) 65 - 1800 Bảng 2. Thông số chính của máy phay mặt đầu 6H11 L3 L W 2 W W1 W3 H H2+H3 L1 H1 Để phù hợp với máy phay trên, chúng tôi đã tính toán và chọn ra các kích thước hình học của Rôbốt song song như sau: Thông số Vị trí của tâm vật so với gốc (mm) STT Tên vật Bán kính danh nghĩa (mm) Chiều cao trung bình (mm) Góc lệch (độ) Khối lượng (kg) Theo trục 1 Theo trục 2 Theo trục 3 1 Tấm dưới 300 50 20 66.291 0.0 0.0 0.1 2 Tấm trên 200 30 24 47.416 0.0 0.0 Bán kính ngoài (mm) Bán kính trong (mm) Chiều dài (mm) Khối lượng (kg) 3 Động cơ và ống trượt ngoài 50 35 350 34.143 Bán kính (mm) Chiều dài (mm) Khối lượng (kg) Vật liệu 4 Thanh trượt 35 400 10 Vị trí tâm phôi so với tấm trên (mm) Vị trí ban đầu của phôi (mm) Chiều cao (mm) Khối lượng (kg) Theo trục 1 Theo trục 2 Theo trục 3 Theo trục 1 Theo trục 2 Theo trục 3 Chiều dày cắt (mm) 5 Phôi gá 36 20 0.0 0.0 18 0.0 0.0 0.0 20 Bảng 3. Thông số của mô hình Rôbốt (Hexapod) Quỹ đạo gia công của Rôbốt Trong quá trình thiết kế Rôbốt song song, một số dạng chi tiết phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao như các khuôn mẫu, chi tiết dạng cam (việc gia công các chi tiết này rất khó khăn đối với cả máy CNC 5 trục) đã được mô phỏng . Bài báo này chỉ trình bày phần mô phỏng quá trình gia công một chi tiết dạng cam (Hình 8). Trên cơ sở hình dạng, kích thước, yêu cầu về độ chính xác của chi tiết cần gia công, kinh nghiệm gia công, quỹ đạo gia công mà Rôbốt cần thực hiện trong không gian theo hệ toạ độ mô tả trong Hình 10, tiến hành xây dựng qui trình công nghệ gia công chi tiết. Hình 9. Quỹ đạo gia công của Rôbốt Lực cắt tác dụng lên Rôbốt Cơ sở chính để xác định lực cắt trong quá trình mô phỏng động lực học Rôbốt là dựa vào quy trình công nghệ gia công chi tiết, loại dụng cụ cắt sử dụng, vật liệu phôi, . trên cơ sở các tài liệu chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy, các hệ số trong công thức tính lực cắt (4) phù hợp với các bước, nguyên công khi gia công cũng như các thuộc tính vật liệu, chế độ cắt, bước chạy dao, .của dao cắt và phôi gia công được xác định. Công thức tính lực cắt [5]: MV wq ny z x pt z k nD ZBSC P . . .10 = (4) Trong đó: • Z :số răng dao phay • n : số vòng quay của đầu dao (vòng/ phút) • C p : là hệ số phụ thuộc vào vật liệu phôi và loại dao phay • k MV : hệ số điều chỉnh chất lượng vật liệu gia công • D : đường kính danh nghĩa của dao phay • S Z : lượng chạy dao răng Hình 10. Các thành phần lực cắt so với hệ trục cố định F 2 F 3 0.5D dao n c 3 2 1 F t F 1 Hình 8. Chi tiết cần gia công Các số mũ x, y, q, w là các hệ số phụ thuộc vào loại dao, vật liệu gia công và vật liệu làm dao, . được tra trong các tài liệu chuyên ngành về Chế tạo máy [9]. Hình 11. Lực cắt khi gia công chi tiết (Hình 6) Phương của lực cắt thay đổi theo thời gian thoả mãn trục dao luôn vuông góc với bề mặt tấm đế di động. c) Các bước mô phỏng Các dữ liệu đầu vào cho việc mô phỏng động lực học Rôbốt (Hexapod) là: • Thông số hình học Rôbốt • Quỹ đạo gia công của Rôbốt • Lực cắt trong quá trình gia công Việc mô phỏng Rôbốt (Hexapod) được tiến hành theo các bước sau: • Xây dựng mô hình Rôbốt với phần mềm alaska • Lập quỹ đạo chuyển động (x) của Rôbốt cần thực hiện trong không gian. • Giải bài toán ngược động học theo quỹ đạo chuyển động thực của Rôbốt trong không gian để xác định toạ độ suy rộng của Rôbốt q i , vận tốc q & và gia tốc q && . • Giải bài toán động lực học Rôbốt từ đó xác định lực suy rộng (Q i ) để tính toán các thông số động cơ phục vụ điều khiển Rôbốt. Hình 12. Sơ đồ các bước mô phỏng được thực hiện Trong thực tế khi mô phỏng, bài toán động học và động lực học được giải đồng thời trong cùng môi trường mô phỏng. Kết quả từ bài toán động học là thông số đầu vào của bài toán động lực học và kết quả cuối cùng của mô hình động lực học (phản lực Q i , tại các khớp) phục vụ bài toán điều khiển. Hình 13. Mô hình Hexapod trên chương trình alaska d) Kết quả mô phỏng: Mô hình Rôbốt song song được xây dựng trên chương trình alaska. Sau khi tiến hành mô phỏng, tính toán động lực học, các kết quả sau được đưa ra nhằm phục vụ cho bài toán điều khiển Rôbốt: 1. Các phản lực tại các khớp trượt 2. Khoảng dịch chuyển q i của các khớp trượt 3. Vận tốc q & , và gia tốc q && của các khớp trượt Một số kết quả mô phỏng bằng phần mềm alaska: Hình 14. Phản lực của một khớp trượt trong quá trình gia công Hình 15. Vận tốc của một khớp trượt x q i Qi Động học Động lực học Quỹ đạo chuyển động Toạ độ Rôbốt Lực tại các khớp AUTOCAD Điều khiển Hình 16. Khoảng dịch chuyển của một khớp trượt 4 Thiết kế cơ khí Rôbốt song song Trên cơ sở kết quả của bài toán mô phỏng động lực học Rôbốt (Hexapod): phản lực khớp trượt, vận tốc của chúng, khoảng dịch chuyển của biến khớp trượt, miền tải Rôbốt phải chịu, . lựa chọn động cơ và hệ thống điều khiển cho Rôbốt (Hexapod), đồng thời thiết kế các cụm chi tiết có thể chế tạo tại Việt Nam như: tấm đế di động, tấm đế cố định, khớp cầu, khớp trụ, khớp các đăng và cuối cùng quy định cách lắp ráp, vận hành của Rôbốt . Hình 17. Bản vẽ thiết kế chi tiết Rôbốt bằng phần mềm Inventor Rôbốt (Hexapod) cụ thể đã được thiết kế chi tiết trên phần mềm Inventor. Tấm đế cố định và tấm đế di động có thể được chế tạo tại Việt Nam. Các thanh trượt, động cơ và khớp cầu được chọn lựa theo các thông số nhận được từ bài toán mô phỏng động lực học. Chi tiết phần thiết kế cơ khí Hexapod xin tham khảo [6]. 5 Kết luận Bài báo đã trình bày các kết quả ban đầu trong việc thiết kế chế tạo Rôbốt cơ cấu song song (Hexapod) phục vụ trong gia công cơ khí. Trong thời gian tới các vấn đề sau sẽ tiếp tục được thực hiện: • Chế tạo cơ khí Rôbốt • Thiết kế và chế tạo phần điều khiển gồm: phần cứng, chương trình phần mềm và giao diện điều khiển • Nối ghép giữa phần cơ khí và điều khiển. Lắp ráp hoàn chỉnh và kiểm tra hoạt động thực tế của Rôbốt. Ngoài ra, một số vấn đề khác cũng cần được nghiên cứu là: • Nghiên cứu về không gian làm việc của Rôbốt song song, tìm ra các thuật toán từ đó xác định được các điểm kỳ dị của Rôbốt trong không gian làm việc, phục vụ việc tối ưu hoá trong điều khiển. • Nghiên cứu về các thuật toán điều khiển song song, thông minh ứng dụng cho Rôbốt cơ cấu song song. • Vấn đề dao động của Rôbốt, để đảm bảo độ chính xác khi thao tác của khâu cuối cùng. • Mô phỏng Rôbốt song song có các thành phần là các phần tử đàn hồi. Bài báo này được hoàn thành với sự trợ giúp của Chương trình Quốc gia về Nghiên cứu Khoa học Tự nhiên. 6 Tài liệu tham khảo [1] Institute of Mechatronics, Inc., Chemnitz: alaska, version 3.0, User Manual, Simulation Tool in Multibody System Dynamics. 1998 [2] Ahmed A. Shabana: Dynamics of Multibody System. Cambridge University Press. 1998 [3] Lung Wen Tsai: Robot analysis - The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators. A Wiley - Interscience Publication. 1999 [4] Phan Nguyên Di, Nguyễn Văn Khang: Giáo trình động lực học máy. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 2001 [5] Sổ tay công nghệ Chế tạo máy. Nhà Xuất bản Khoa học Kỹ thuật. 2000 [6] Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn: Thiết kế Rôbốt cơ cấu song song (Hexapod) ứng dụng trong gia công cơ khí chính xác. Báo cáo tại Hội nghị Cơ học toàn quốc nhân dịp 25 năm thành lập Viện Cơ học. 4-2004 . Mô phỏng và thiết kế Hexapod cho gia công cơ khí chính xác Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn Phòng Cơ điện tử, Viện Cơ. chọn mô hình, mô phỏng động lực học và tính toán thiết kế để chế tạo một Rôbốt cơ cấu song song (Hexapod) cụ thể ứng dụng trong gia công cơ khí . Các máy công