Nghiên cứu, mô hình hóa, mô phỏng chuyển động của bàn máy hai trục CNC

- NGUỄN PHI LONG ĐỀ TÀI: NGHIấN CỨU, Mễ HèNH HểA, Mễ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA BÀN MÁY HAI TRỤC CNC LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: CễNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: NGUYỄN TRỌNG DANH HÀ NỘI – 2010 1mục lục Trang phụ bìa Danh mục các hình vẽ và đồ thị Mở đầu Ch−ơng 1 – Khai thác các công cụ mô hình hóa mô phỏng và điều khiển cơ Hệ Khái quát công cụ mô hình hóa mô phỏng và điều khiển cơ hệ Các khái niệm cơ bản về mô hình hóa mô phỏng và điều khiển cơ hệ Lựa chọn công cụ mô hình hóa mô phỏng và điều khiển cơ hệ Công cụ SimMechanics Giới thiệu chung về SimMechanics ý nghĩa một số khối cơ bản của SimMechanics Các b−ớc xây dựng một mô hình SimMechanics Thiết lập cấu hình và chạy mô hình SimMechanics Công cụ SimMechanics CAD Translation Xuất cụm lắp ghép trong môi tr−ờng CAD sang định dạng XML Hình 1.15 Mô hình tạo file XML Chuyển đổi file XML sang mô hình SimMechanics Công cụ Simulink Công cụ Solid Works Ch−ơng 2 - Xây dựng mô hình hệ truyền động chạy dao trên máy CNC Kết cấu cơ khí hệ thống truyền động chạy dao trên máy CNC Động cơ điện và thiết bị điều khiển trên máy CNC Xây dựng mô hình CAD hệ truyền động chạy dao trên máy CNC Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống truyền động d−ới dạng mô hình SimMechanics Mô hình hệ truyền động đơn giản Mô hình lực ma sát Mô hình lực cắt tác động lên bàn máy Mô hình mô men xoắn và giảm trấn Mô hình hoàn chỉnh hệ truyền động bàn máy phay CNC Ch−ơng 3 - Mô phỏng để khảo sát các đặc tr−ng động lực học của hệ thống Chuyển động của bàn máy trong trạng thái lý t−ởng Các giả thiết Kết quả khảo sát Chuyển động của bàn máy d−ới tác động của lực ma sát Các giả thiết Kết quả khảo sát Chuyển động của bàn máy d−ới tác động của lực cắt Các giả thiết Kết quả khảo sát Chuyển động của bàn máy khi trục vít me bị biến dạng đàn hồi Các giả thiết Kết quả khảo sát Chuyển động của bàn máy khi hệ thống chịu ảnh h−ởng tổng hợp của các yếu tố ma sát, lực cắt, biến dạng đàn hồi Các giả thiết Kết quả khảo sát Ch−ơng 4 - Phân tích để xác định các nguồn và quy luật phát sinh sai số gia công (theo quan điểm động lực học máy .
- Phân tích để xác định các nguồn phát sinh sai số gia công .
- Phân tích để xác định quy luật phát sinh sai số gia công .
- Xét quy luật ảnh h−ởng của lực ma sát đến quỹ đạo chuyển động của bàn máy 69 34.2.2.
- Xét quy luật ảnh h−ởng của lực cắt đến quỹ đạo chuyển động của bàn máy70 4.2.3.
- Xét quy luật ảnh h−ởng của biến dạng đàn hồi đến quỹ đạo chuyển động của bàn máy Ch−ơng 5 - Kiến nghị về giải pháp hạn chế sai số gia công Giảm sai số hình học của máy, dao, đồ gá Nâng cao độ cứng vững của hệ thống công nghệ Giảm rung động phát sinh trong quá trình cắt Khắc phục biến dạng nhiệt của hệ thống công nghệ Giải pháp gá kẹp chi tiết Chế độ cắt Kết luận Tài liệu tham khảo Danh mục các hình vẽ và đồ thị 2 3Mở đầu Trong chiến l−ợc phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam đến năm 2010 đã viết.
- Đảng và nhà n−ớc ta đã khẳng định phát triển khoa học và công nghệ (KH&CN) cùng với phát triển giáo dục và đào tạo là quốc sách hàng đầu, là nền tảng và động lực đẩy mạnh công nghiệp hóa (CNH), hiện đại hóa (HĐH) đất n−ớc.
- KH&CN đã có những đóng góp đáng kể vào sự phát triển kính tế-xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh.
- năng lực sáng tạo công nghệ mới còn hạn chế, ch−a đáp ứng đ−ợc yêu cầu của sự nghiệp CNH, HĐH đất n−ớc.
- KH&CN n−ớc ta đang đứng tr−ớc nguy cơ tụt hậu ngày càng xa, tr−ớc xu thế phát triển mạnh mẽ của KH&CN và kinh tế tri thức trên thế giới.
- ...T− t−ởng của chiến l−ợc phát triển KH&CN n−ớc ta đến năm 2010 là tập trung xây dựng nền KH&CN theo h−ớng hiện đại và hội nhập, đ−a KH&CN thực sự trở thành nền tảng thúc đẩy CNH, HĐH đất n−ớc.
- Các nhiệm vụ trọng tâm nghiên cứu trong khoa học tự nhiên đó là: Trong giai đoạn đến năm 2010, các nghiên cứu cơ bản trong khoa học tự nhiên cần đ−ợc tiến hành có trọng điểm theo một số h−ớng chủ yếu sau đây: Nghiên cứu cơ bản định h−ớng ứng dụng nhằm hỗ trợ cho quá trình lựa chọn, tiếp thu, thích nghi và cải tiến các công nghệ tiên tiến nhập từ n−ớc ngoài vào Việt Nam và tiến tới sáng tạo các công nghệ đặc tính của Việt Nam, nhất là trong các lĩnh vực công nghệ tự động hóa, cơ - điện tử.
- Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tự động hóa, cơ điện tử nhằm nâng cao chất l−ợng, hiệu quả sản xuất, góp phần nâng cao sức cạnh tranh của các doanh nghiệp và nền kinh tế.
- Tự thiết kế, xây dựng phần mềm, lắp ráp, bảo trì vận hành các hệ thống điều khiển, giám sát, thu thập và xử lý số liệu.
- Nghiên cứu, chế tạo một số sản phẩm cơ điện tử, đặc biệt trong một số lĩnh vực cơ khí trọng điểm (máy công cụ, máy động lực, thiết bị điện-điện tử.
- ứng dụng và phát triển công nghệ thiết kế, chế tạo các hệ điều khiển cơ điện tử (bao gồm cả phần cứng và phần mềm), đặc biệt các hệ điều khiển chúng.
- −u tiên phát triển các phần mềm ứng dụng và các giải 4pháp thiết kế.
- Phát triển kỹ thuật mô phỏng, nhằm tối −u hóa các sản phẩm công nghệ cao ứng dụng trong các lĩnh vực: rô bốt, máy chính xác.
- Nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ tiên tiến trong công nghiệp cơ khí chế tạo máy, phát triển ngành cơ khí chế tạo máy đủ sức trang bị một số thiết bị, máy móc đáp ứng nhu cầu trong n−ớc, tiến tới xuất khẩu.
- Với công nghệ gia công cơ: cùng với việc nâng cấp, hiện đại hóa thiết bị, máy móc hiện có, cần áp dụng rộng rãi các công nghệ mới.
- kết hợp cơ khí điện tử phục vụ tự động hóa thiết kế và các quá trình điều khiển, kiểm tra, đo l−ờng.
- Tr−ớc bối cảnh đó, việc nghiên cứu ứng dụng các phần mềm mô phỏng, điều khiển để khảo sát, đ−a ra các biện pháp nâng cao chất l−ợng gia công, chất l−ợng sản phẩm, năng suất gia công là một trong các h−ớng nghiên cứu đúng đắn.
- Nh− ta đã biết công nghệ mô phỏng đang dần chiếm một vị trí quan trọng trong quá trình sản xuất.
- Bởi vì sau quá trình tính toán thiết kế chúng ta rất mong đợi một cách nào đó xem hệ thống hoạt động có đúng nh− mong đợi không, tránh việc đi vào sản xuất luôn mà chẳng may gặp lỗi thiết kế, tính toán nào đó gây lãng phí lớn cả về vật chất lẫn thời gian.
- Vì vậy cùng với quá trình tính toán thiết kế kết hợp với công cụ mô phỏng chúng ta có thể mô phỏng luôn hệ thống để khảo sát hệ thống, xem hệ thống hoạt động nh− thế nào.
- Qua đó có thể rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm một cách đáng kể.
- Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế cao.
- Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử và tin học Công nghệ mô phỏng đang phát triển rất nhanh với h−ớng ứng dụng tin học.
- Nhiều n−ớc tiên tiến trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời những phần mềm mô phỏng mạnh với dao diện đồ hoạ và khả năng hoạt động nh− thật.
- Một trong những phần mềm đó là phần mềm Matlab, một công cụ mạnh cho phép mô phỏng và khảo sát đối t−ợng, hệ thống hay quá trình kỹ thuật – vật lý vv.
- Matlap là một công cụ tuyệt vời để mô hình hóa mô phỏng các hệ thống cơ khí thông qua các mô đun SimMechanics, SimMechanics CAD Translator, Simulink.
- Hiệu quả của quá trình mô hình hóa mô phỏng đ−ợc nâng lên khi ta kết hợp Matlap với SolidWorks.
- 5Bằng công cụ của phần mềm Matlab và SolidWorks, với sự h−ớng dẫn, giúp đỡ tận tình của TS.
- Nguyễn Trọng Doanh, tôi đã tiến hành nghiên cứu, mô hình hoá, mô phỏng truyền động chạy dao trên máy CNC, một trong các nguyên nhân chủ yếu ảnh h−ởng đến độ chính xác gia công.
- Trên cơ sở mô hình CAD của hệ truyền động, tôi đã xây dựng mô hình sơ đồ khối điều khiển hệ truyền động.
- Và liên kết các tín hiệu lấy từ mô hình sơ đồ khối với mô hình hình học CAD để mô phỏng quá trình truyền động của hệ thống, từ đó khảo sát các yếu tố ảnh h−ởng đến độ chính xác gia công.
- Nguyễn Trọng Doanh - Ng−ời đã tận tình h−ớng dẫn tôi trong suốt quá trình viết luận văn.
- Cũng xin đ−ợc cảm ơn các thầy giáo thuộc bộ môn Cơ khí chế tạo máy, khoa Cơ khí tr−ờng ĐHBKHN đã cho tôi nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành luận văn này.
- Do thời gian có hạn cũng nh− sự hạn chế về kiến thức của bản thân, hẳn tôi còn những thiếu sót rất mong những góp ý, những lời nhận xét bổ sung của các thầy và các bạn.
- năm 2010 Học viên: 6Ch−ơng 1 – Khai thác các công cụ mô hình hóa mô phỏng và điều khiển cơ Hệ 1.1 Khái quát công cụ mô hình hóa mô phỏng và điều khiển cơ hệ 1.1.1 Các khái niệm cơ bản về mô hình hóa mô phỏng và điều khiển cơ hệ Mô phỏng là một ph−ơng pháp thí nghiệm với một mô hình chi tiết của một hệ thống thực để xác định xem hệ thống sẽ phản ứng, thay đổi nh− thế nào khi ta thay đổi cấu trúc, môi tr−ờng hoặc các giả thiết cơ bản.
- Mô phỏng cho phép thí nghiệm với mô hình hệ thống để hiểu rõ hơn các quá trình xẩy ra, nhằm nâng cao hiệu suất và chất l−ợng của hệ thống.
- Mô hình hóa mô phỏng kết hợp các đầu vào biến đổi với một hệ thống, cung cấp một ph−ơng pháp đánh giá, thiết kế lại và đo.
- Mô phỏng có thể trợ giúp việc giải quyết các vấn đề một cách sáng tạo: sự khiếp sợ thất bại đã ngăn cản con ng−ời đến với các ý t−ởng sáng tạo.
- Mô phỏng cho phép thử nghiệm và kiểm tra các ý t−ởng sáng tạo và vì vậy nó đã khuyến khích đ−ợc các quan điểm lạc quan.
- Mô phỏng có thể dự đoán đ−ợc các kết quả, tác động khi các giá trị đầu vào của hệ thống thay đổi.
- Mô phỏng có thể tính toán, xác định các vấn đề mâu thuẫn, xung đột trong hệ thống.
- Các mô hình mô phỏng giúp chúng ta xem xét một cách sâu sắc các tác động, ảnh h−ởng của hệ thống khi thay đổi các giá trị đầu ra và đầu vào.
- Mô phỏng có thể mang lại lợi nhuận: khi các tổ chức cố gắng nhanh chóng đáp lại những thay đổi của thị tr−ờng, một mô hình mô phỏng có thể là một công cụ tuyệt vời để đánh giá nhanh các phản ứng.
- Mô hình hóa mô phỏng cho phép thí nghiệm với các tham số hệ thống mà không cần phải can thiệp vào hệ thống thực.
- Mô phỏng cung cấp nhiều sự lựa chọn, giảm thiểu các rủi do, nâng cao các khả năng thành công, và cung cấp các thông tin để quyết định mà không phải mất chi phí cho các thí nghiệm với hệ thống thực.
- Vì vậy mô phỏng cung cấp một ph−ơng pháp có 7hiệu quả kinh tế để kiểm tra nhanh và đánh giá các giải pháp khác nhau để đáp ứng lại các nhu cầu của thị tr−ờng.
- Với các ý nghĩa và hiệu quả mà mô phỏng mang lại, nên hầu hết các lĩnh vực của đời sống đều ứng dụng kỹ thuật mô phỏng.
- Một trong các ứng dụng đó là mô hình hóa mô phỏng và điều khiển cơ hệ.
- 1.1.2 Lựa chọn công cụ mô hình hóa mô phỏng và điều khiển cơ hệ Sẽ mất rất nhiều thời gian mới có thể kiểm tra, đánh giá, lựa chọn đ−ợc các sản phẩm phần mềm đáp ứng đ−ợc nhu cầu của ng−ời sử dụng.
- Với các sản phẩm phần mềm có công dụng t−ơng đ−ơng nhau thì các tiêu chí quan trọng để lựa chọn đó là dễ sử dụng, linh hoạt, và rẻ.
- Trên thị tr−ờng hiện nay có nhiều phần mềm có thể sử dụng để mô hình hóa mô phỏng và điều khiển cơ hệ, nh−ng với các tiêu chí trên thì các công cụ phần mềm sau đ−ợc lựa chọn: 1> Phần mềm MATLAP: đây là một phần mềm dùng cho tính toán kỹ thuật.
- Nó tích hợp việc tính toán, mô hình hóa mô phỏng và lập trình trong một môi tr−ờng dễ sử dụng – nơi mà các vấn đề và các giải pháp đ−ợc diễn đạt bằng các ký hiệu toán học quen thuộc.
- Phát triển các thuật toán iii.
- Mô hình hóa mô phỏng và tạo mẫu v.
- Khảo sát, phân tích, mô phỏng dữ liệu vi.
- Các đồ thị ứng dụng khoa học vii.
- Phát triển các ứng dụng, bao gồm xây dựng giao diện sử dụng đồ họa.
- 2> Phần mềm SolidWorks: SoliWorks là một trong các phần mềm ứng dụng thiết kế cơ khí mạnh nhất hiện nay.
- Phần mềm này giúp cho các nhà thiết kế phác thảo nhanh các ý t−ởng, thử nghiệm các ý t−ởng, từ đó tạo ra các mô hình và các bản vẽ chi tiết.
- 1.2 Công cụ SimMechanics 1.2.1 Giới thiệu chung về SimMechanics a.
- Các khái niệm cơ bản SimMechanics là một môi tr−ờng mô hình hóa dạng sơ đồ khối các thiết kế và mô phỏng các chi tiết máy cùng các chuyển động của chúng, sử dụng các tiêu chuẩn của động lực học Newton cho lực và mô men.
- Với SimMechanics ta có thể mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống cơ khí với một bộ công cụ phù hợp để xác định các chi tiết cơ khí và các đặc tính khối l−ợng của chúng, các chuyển động, các ràng buộc động lực học và các hệ tọa độ, khởi động và đo các chuyển động của chi tiết.
- SimMechanics cho phép thể hiện một hệ thống cơ khí bằng một sơ đồ khối.
- Công cụ mô phỏng của SimMechanics hiển thị và hoạt hình hóa các kết cấu máy d−ới dạng 3D, tr−ớc và trong quá trình mô phỏng, bằng cách sử dụng hệ thống đồ họa MATLAP.
- SimMechanics chứa đựng các khả năng mô hình hóa và thiết kế các hệ thống theo các nguyên tắc vật lý cơ bản.
- Các khối mô hình vật lý mô tả các thành phần vật lý và mối quan hệ trực tiếp giữa chúng.
- Mathworks cung cấp các sản phẩm có liên quan đến các kiểu nhiệm vụ mà chúng ta có thể thực hiện với SimMechanics nh− Simulink và Virtual Reality toolbox.
- SimMechanics có một bộ các th− viện các khối và các đặc tính mô phỏng đặc biệt.
- Các khối trong các th− viện này giúp chúng ta mô hình hóa các hệ thống cơ khí và giải quyết các ph−ơng trình chuyển động của hệ thống.
- 9- Diễn tả các chi tiết và các bậc tự do của chúng bằng các khối Body và Joint, từ đó có thể mô tả các kết cấu máy với các bộ phận đ−ợc tổ chức, sắp xếp theo thứ tự xác định.
- Cung cấp các tín hiệu lực, mô men.
- tới các khối SimMechanics bằng các khối Actuator, nội suy các ph−ơng trình Newton, đo các kết quả chuyển động và lấy tín hiệu ra từ các khối SimMechanics bằng các khối Sensor.
- Tóm l−ợc các nhóm khối vào thành các hệ thống phụ.
- Hoạt hình hóa và mô phỏng một kết cấu máy bằng các chi tiết thành phần của nó.
- SimMechanics cung cấp bốn chế độ để phân tích các hệ thống cơ khí khi mô phỏng: o Phân tích động lực học thuận: tổ hợp các lực, mô men, duy trì các ràng buộc và nhận đ−ợc các kết quả chuyển động.
- o Phân tích động lực học ng−ợc: tìm lực, mô men cần thiết để tạo ra các chuyển động đã xác định tr−ớc trong các hệ thống mở.
- o Phân tích động học: tìm các lực, mô men cần thiết để tạo ra các chuyển động đã xác định tr−ớc trong các hệ kín.
- o Chế độ phân tích để tìm các trạng thái cân bằng của hệ thống.
- Các công việc cơ bản khi sử dụng SimMechanics để xây dựng và chạy mô hình trình diễn kết cấu máy • Xác định các thuộc tính quán tính, số bậc tự do và các ràng buộc, các hệ tọa độ gắn vào các chi tiết để đo vị trí và vận tốc của chúng.
- Thiết lập các cảm biến và các bộ phát động chuyển động để ghi và khởi động các chuyển động của chi tiết nh− cung cấp lực và mô men.
- Bắt đầu mô phỏng, SimMechanics tìm kiếm các chuyển động của hệ thống, trong khi vẫn duy trì các ràng buộc đã áp đặt.
- Mô phỏng kết cấu máy trong khi xây dựng mô hình và hoạt hình hóa quá trình mô phỏng trong khi chạy.
- 101.2.2 ý nghĩa một số khối cơ bản của SimMechanics a.
- Bodies, Coordinate Systems, Joints, and Constraints: o SimMechanics cung cấp các khối Body (mô tả chi tiết) đ−ợc xác định bởi khối l−ợng và tensor mô men quán tính.
- Các Body đ−ợc kết nối với nhau bởi các khớp (Joint) mô tả các khả năng chuyển động của chi tiết này so với chi tiết kia.
- Có thể gán các ràng buộc động học giữa các chi tiết để hạn chế các chuyển động và điều khiển các chuyển động của chi tiết nh− các hàm của thời gian.
- o Giao diện của SimMechanics cho phép xác định các hệ tọa độ (CSs), các ràng buộc, lực và mô men.
- Gắn các hệ tọa độ (Body CSs) lên chi tiết để xác định các trục, gốc cho việc đo và kích hoạt các chuyển động.
- o Các kiểu ràng buộc (Constraint) xác định các mối quan hệ động học và các hàm đại số giữa các chi tiết với nhau.
- Có thể ràng buộc các chuyển động của hệ thống bằng cách kết nối các khối Constraint với từng cặp chi tiết.
- Kết nối các khối Driver để cung cấp các ràng buộc phụ thuộc thời gian.
- Thuộc tính hình học đ−ợc xác định bởi hệ toạ độ Body của vật thể * Thuộc tính khối l−ợng đ−ợc định nghĩa bởi khối l−ợng của Body và tenso quán tính 11* Vị trí ban đầu của Body đ−ợc đặt bởi vị trí trọng tâm của nó * H−ớng ban đầu đ−ợc định bởi những thành phần tenso quán tính của nó - Khối Ground: Biểu diễn một điểm cố định trên nền giá đỡ Mô tả: Một khối Ground đều biểu diễn một điểm cố định trong hệ toạ độ tuyệt đối World.
- Gắn khối này vào một bên của khớp để ngăn chặn sự chuyển động của bên khớp đó.
- Hàm này phải luôn luôn đ−ợc giữ không âm trong khi mô phỏng - Khối Linear driver: Định rõ một thành phần vecto nối hai gốc toạ độ Body nh− một hàm theo thời gian 12Mô tả.
- Những vận tốc đ−ợc chiếu bởi các tích số bên trong trên những vecto không đổi đã đựơc ấn định - Khối Point Curve driver: C−ỡng bức chuyển động của một điểm trên một Body di dọc theo đ−ờng cong trên một Body khác Mô tả: Hai Body đ−ợc nối bởi khối Point Curve driver chỉ có thể di chuyển t−ơng đối với body kia nếu một điểm trên một body di chuyển dọc theo một đ−ờng cong trên một body khác - Khối Parallel Contraint: C−ỡng bức véc tơ trục Body của hai body luôn song song Mô tả: Hai Bođy đ−ợc nối bởi Parallel Contraint là đ−ợc khống chế chuyển động quay t−ơng đối giữa chúng

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt