Đồ án Thiết kế và chế tạo bệ stewart dùng trong gia công cắt gọt (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và chế tạo bệ stewart dùng trong gia công cắt gọt (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỆ STEWART DÙNG TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT GVHD: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH SVTH: TRẦN THÁI BÌNH MSSV: 10111138 SVTH: HUỲNH QUANG DUY MSSV: 10111141 SVTH: TỬ MINH HÙNG MSSV: 10111023 SKL003029 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CH ẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỆ STEWART DÙNG TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT GVHD : PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH SVTH : TRẦN THÁI BÌNH 10111138 HUỲNH QUANG DUY 10111141 TỪ MINH HÙNG 10111023 Khóa : 2010-2014 Ngành : CƠ ĐIỆN TỬ Tp.Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014
3. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên : Trần Thái Bình MSSV:10111138 Huỳnh Quang Duy MSSV:10111141 Từ Minh Hùng MSSV:10111023 Ngành : Cơ Điện Tử Lớp :10111CLC GVHD : PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh ĐT: Ngày nhận đề tài:1/4/2014 Ngày nộp đề tài:24/7/2014 1.Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bệ Stewart dùng trong gia công cắt gọt 2. Các số liệu ban đầu,tài liệu tham khảo: + Dao sử dụng là dao phay ngón liền khối + Vật liệu dao là thép gió. + Số lưỡi dao Z = 4. + Vật liệu phôi là Mica có  b 375MPa . + Công suất máy phay < 5 Kw. + Chiều sâu cắt t = 3 (mm) Sách tham khảo:Cơ sở công nghệ chế tạo máy,robot công nghiệp,sổ tay cơ khí 2.Nội dung thực hiện đề tài: Với mục tiêu nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và điều khiển robot song song loại hexapod:
4. - Nghiên cứu thiết kế cơ khí máy phay 5 trục ảo. - Nghiên cứu thiết kế hexapod robot dựa trên nguyên lý Gough-Stewart Platform (tay máy song song hexapod). - Thiết kế chế tạo hệ cơ khí hexapod robot. - Thiết kế mạch điện tử điều khiển trung tâm và điều khiển động cơ. - Thiết kế giao diện giám sát hệ thống.  Phương pháp nghiên cứu: - Tham khảo tài liệu. - Tiến hành mô phỏng, thực nghiệm. - Phân tích tổng hợp để thiết kế. 3.Sản phẩm:Bệ Stewart dùng trong gia công cắt gọt TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
5. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: TRẦN THÁI BÌNH MSSV: 10111138 Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỆ STREWART DÙNG TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2014 Giáo viên hướng dẫn
6. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: HUỲNH QUANG DUY MSSV: 10111141 Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỆ STREWART DÙNG TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2014 Giáo viên hướng dẫn
7. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: TỪ MINH HÙNG MSSV: 10111023 Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỆ STREWART DÙNG TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH NHẬN XÉT 7. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 8. Ưu điểm: 9. Khuyết điểm: 10. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 11. Đánh giá loại: 12. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2014 Giáo viên hướng dẫn
8. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: TRẦN THÁI BÌNH MSSV: 10111138 Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỆ STEWART DÙNG TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT Họ và tên Giáo viên phản biện: TS.TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2014 Giáo viên phản biện
9. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: HUỲNH QUANG DUY MSSV: 10111141 Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỆ STEWART DÙNG TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT Họ và tên Giáo viên phản biện: TS.TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ NHẬN XÉT 7. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 8. Ưu điểm: 9. Khuyết điểm: 10. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 11. Đánh giá loại: 12. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2014
10. Giáo viên phản biện CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: TỪ MINH HÙNG MSSV: 101111023 Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỆ STEWART DÙNG TRONG GIA CÔNG CẮT GỌT Họ và tên Giáo viên phản biện: TS.TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: )
11. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2014 Giáo viên phản biện
12. LỜI CẢM ƠN Đó là bốn năm kể từ khi chúng tôi bước chân vào giảng đường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian học ở trường Đại Học chúng tôi đã tiếp thu được một lượng kiến thức đáng kể không chỉ về kiến thức chuyên nghành mà là những kiến thức về thế giới xung quanh. Tất nhiên, chúng tôi sẽ không có được những điều đó nếu không có sự hỗ trợ của trường Đại Học với những chương trình tuyệt vời, cũng như những kiến thức được truyền đạt từ các giảng viên bộ môn Cơ Điện Tử. Vì vậy lời cảm ơn đầu tiên chúng tôi xin gởi đến trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh,Khoa Đào tạo chất lượng cao và Bộ môn Cơ Điện Tử. Đồ án này chỉ có thể hoàn thành với sự hỗ trợ to lớn từ người giảng viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh. Dưới sự hướng dẫn chân thành và nhiệt tình, chúng tôi đã thực hiện từng bước và trở thành những người nghiên cứu độc lập trong lĩnh vực này và học làm thế nào để tạo ra những ý tưởng cũng như hoàn thành nhiệm vụ đề ra của đồ án. Thầy cũng đã hỗ trợ chúng tôi rất nhiều trong việc tiếp cận những vấn đề mới vì vậy chúng tôi xin gởi đến thầy những lời cảm ơn chân thành nhất. Lời cảm ơn cuối cùng được gởi đến ba mẹ chúng tôi, những người đã đưa chúng tôi đến những cơ hội để có thể đi suốt cuộc đời chúng tôi trên thế giới này. Tp.HCM, ngày 25 tháng 7 năm 2014 Nhóm sinh viên thực hiện i
13. TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trên thế giới, Robot 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 Robot 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 Robot song song. Đề tài này trình bày các bước từ lựa chọn mô hình, tính toán thiết kế để chế tạo một Robot cơ cấu song song (Hexapod) cụ thể ứng dụng trong gia công cơ khí. Đây là một phương pháp gia công cơ khí mới có những ưu điểm vượt trội về độ cứng vững, khả năng chia tải trọng lớn, khả năng thay đổi vị trí và định hướng linh hoạt, gia công chi tiết với độ phức tạp hơn, nhưng vẫn đáp ứng độ chính xác cao. Trong đó nhóm đưa ra phương pháp là thay thế bàn máy phay thuần túy bằng Hexapod Robot. ii
14. ABSTRACT In the world, the parallel kinematic mechanism (PKM) is more wide applications in many fields such as precision mechanics, space, medical, manufacturing assembly in manufacturing, In Vietnam, the study of the the parallel kinematic mechanism has been noted since 2000. Many research facilities, production facilities have basic research and initial deployment manufacturing parallel Robot. This thesis presents the steps of model selection, design calculations to produce of the the parallel kinematic mechanism (Hexapod) specific applications in mechanical processing. This is a method of mechanical processing new with advantages of stiffness, high load, the ability to change the position and orientation flexibility, processing the parts with more complex, but still response high precision. Here the group make replacement method milling machine table purely by Hexapod Robot. iii
15. MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ĐỀ TÀI ii ABSTRACT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH ẢNH x CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Tổng quan về robot song song loại hexapod 2 1.3 Giới hạn đề tài 7 CHƯƠNG 2:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BÀN MÁY 8 2.1 Lựa chọn phương án thiết kế 8 2.2 Xác định số bậc tự do của cơ cấu 10 2.3 Giải bài toán động học nghịch của cơ cấu 12 2.4 Giải bài toán động học thuận của cơ cấu 13 2.5 Ảnh hưởng của các tham số đến vùng làm việc 14 2.6 Phân tích động lực học cơ cấu 20 2.6.1 Phân tích vị trí 22 2.6.2 Phân tích vận tốc 24 2.6.3 Phân tích gia tốc 26 2.6.4 Động lực học của các nhánh 27 2.6.5 Động lực học bệ di động 29 2.6.6 Bộ tác động và phản lực nền 31 iv
16. 2.7 Ma trận Jacobian 31 2.8 Tính toán chọn động cơ 34 2.8.1 Phương diện hành trình 34 2.8.2 Phương diện tạo lực 36 2.8.3 Tiến hành lựa chọn 36 2.9 Mô phỏng hexapod ứng dụng làm bàn máy gia công 38 CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THÂN MÁY 42 3.1 Đặc điểm và cấu tạo máy phay 42 3.2 Hoạt động 43 3.3 Thiết kế, phân tích độ bền và mô hình thân phay 43 3.3.1 Trục chính máy phay 43 3.3.1.1 Chọn vật liệu trục chính 43 3.3.1.2 Tính toán trục chính 43 3.3.2 Chọn động cơ 54 3.3.3 Ổ đỡ trục chính 55 3.3.4 Mô hình 3D của thân máy 55 3.3.5 Phân tích giá đỡ 57 3.3.6 Phân tích khung dầm 60 3.3.7 Phân tích trụ đỡ 61 CHƯƠNG 4:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 63 4.1 Hệ thống điện điều khiển 64 4.1.1. Tổng quan về hệ thống điện điều khiển 65 4.1.2 Thiết kế mạch điều khiển 66 4.2 Khối vi điều khiển STM32F107 67 v
17. 4.2.1 Mạch nguyên lý 67 4.2.2 Chức năng 68 4.2.3 . Hoạt động 69 4.3 Bộ Driver DC SERVO DRIVE HIGH CURRENT 69 CHƯƠNG 5:THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 42 5.1 Cấu trúc bộ điều khiển robot: 72 5.2 .Nội suy 73 5.2.1 . Phương pháp nội suy 73 5.2.2 Các dạng nội suy 73 5.2.3. Nguyên lý nội suy 73 5.2.4 Thuật toán nội suy 74 5.3. Phần mềm máy tính 78 5.3.1. Giới thiệu 78 5.3.2 Nhiệm vụ chung 78 5.3.3. Chuẩn bị dữ liệu nội suy cho quá trình gia công (Import Gcode file) 80 5.3.4 . Giải thuật 80 5.3.5 Phần hiển thị các thông số về vị trí của tấm mang dao trong hệ tọa độ của máy và của phôi, chiều dài của các chân 82 5.3.6 Phần mô phỏng 82 5.4 .Phần vi điều khiển 82 5.4.1 Nhiệm vụ chính 82 5.4.2 .Thuật toán phát xung cho các driver điều khiển 84 Hình 5.5 Lưu đồ giải thuật phát xung của vi điều khiển chủ 85 CHƯƠNG 6:KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 86 6.1 Máy phay 5 trục ảo dựa trên cơ cấu máy động học song song 86 vi
18. 6.2 Giao diện chính của máy 89 6.3 Sản phẩm thực nghiệm 89 CHƯƠNG 7:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 92 7.1 Kết luận 92 7.2 Hướng phát triển 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 vii
19. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Đ:Đúng S:Sai pt:phương trình viii
20. DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Bảng so sánh các phương án 10 Bảng 2.2 Thông số động cơ 36 Bảng 3.1 Các thông số gia công của máy phay 48 Bảng 3.2 Bảng lựa chọn và đánh giá phương án thiết kế thân máy 54 Bảng 6.1 Các thông số công nghệ máy 87 Bảng 6.2 Bảng đánh giá sai số sau gia công 90 ix
21. DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1 Một số dạng chi tiết 1 Hình 1.2 Thiết bị gia công Hexapod - dự án của Nist 3 Hình 1.3 Dự án Hexaglide 4 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý nghịch 8 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý thuận 9 Hình 2.3 Cơ cấu hexapod 11 Hình 2.4 Sơ đồ giải thuật mô hình hóa không gian làm việc 15 Hình 2.5 Cơ cấu 1 16 Hình 2.6 Mô hình hóa vùng làm việc của cơ cấu song song 17 Hình 2.7 Cơ cấu 2 17 Hình 2.8 Vùng làm việc khi thay đổi góc hướng của chân 18 Hình 2.9 Vùng làm việc khi thay đổi bán kính tấm dịch chuyển 18 Hình 2.10 Vùng làm việc khi thay đổi tọa độ suy rộng 19 Hình 2.11 Sơ đồ cơ cấu Stewart-gough 20 Hình 2.12 Góc Euler của một chân 22 Hình 2.13 Sơ đồ đơn giản của nhánh 23 Hình 2.14 Sơ đồ động lực học của chân 26 Hình 2.15 Phân tích vị trí cơ cấu 33 Hình 2.16 Xác định quỹ tích trọng tâm G của tấm động 34 Hình 2.17 Động cơ tuyến tính 36 Hình 2.18 Robot hexapod 37 Hình 2.19 Phân tích lực 38 Hình 2.20 Trực diện 38 Hình 2.21 Quay 90o 39 x