Ứng dụng phần mềm autodesk inventor để phân tích động học cơ cấu gạt phôi

nh khối rắn và lắp ráp các khâu bởi các liên kết (ràng buộc) giữa các khâu để tạo thành cơ cấu hoàn chỉnh. Các kết quả của bài toán động học đã được xác định. Các kết quả này bao gồm quỹ đạo các điểm của cơ cấu, vận tốc và gia tốc của các điểm đó. Các kết quả đã đạt được cho thấy rằng việc giải bài toán phân tích động học bằng việc sử dụng phần mềm Autodesk Inventor là rất hiệu quả và nhanh chóng. Từ khóa: Động học cơ cấu, Autodesk Inventor, cơ cấu gạt phôi. GIỚI THIỆU* Cho đến nay đã có nhiều phương pháp phân tích động học học cơ cấu như: phương pháp vẽ hay phương pháp đồ thị [1], phương pháp giải tích [1,2,4,5,6] và phương pháp số [3]. Phương pháp đồ thị rất thuận tiện, giải bài toán một cách nhanh gọn mà vẫn đạt được độ chính xác cần thiết trong bài toán kỹ thuật. Hơn nữa, trong một số trường hợp, quan hệ giữa các thông số của một số bài toán cho dưới dạng đồ thị mà không phải dưới dạng các biểu thức giải tích. Khi đó cần sử dụng phương pháp vẽ hoặc phương pháp tính bằng số. Phương pháp giải tích có ưu điểm là cho độ chính xác cao và mối quan hệ giữa các đại lượng được biểu diễn bằng biểu thức giải tích. Vì vậy, có thể dễ dàng nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số này đối với nhau. Tuy nhiên để khảo sát cơ cấu bằng phương pháp giải tích yêu cầu cần phải hiểu rõ bản chất về bài toán và cần thiết phải có kỹ năng lập trình một ngôn ngữ nhất định. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, nhiều phần mềm thiết kế ra đời tạo thuận lợi cho việc tính toán thiết kế cho các ngành kỹ thuật nói chung và ngành cơ khí nói riêng một cách dễ dàng, nhanh chóng và hiệu quả. Cơ cấu gạt phôi là cơ cấu có 8 khâu, trong đó khâu dẫn 1 là khâu phát động chuyển động * Tel: 0985 909792 quay và nhờ sự nối động của các khâu để tạo thành thành chuyển động tịnh tiến khứ hồi của khâu đầu ra 7 (Hình 1). Nhằm tạo ra chuyển động gạt phôi khứ hồi. Cơ cấu này có rất nhiều ứng dụng trong thức tế, điển hình là dùng để gạt phôi trong hệ dẫn động băng tải. Việc phân tích động học cho cơ cấu này là rất cần thiết bởi vì từ việc phân tích này người ta có thể xác định được quy luật chuyển động của các khâu trong cơ cấu. Thêm vào đó, có thể dựa vào việc phân tích này để tính công suất và động năng của máy. Việc phân tích này còn sử dụng để nghiên cứu và cải thiện chuyển động thực của máy dưới tác dụng của các lực vì để làm điều đó cần biết vận tốc hay tỷ số vận tốc của các khâu; muốn tính được lực quán tính trên các khâu để tính sức bền cho các khâu hay chạy thử dao động trong máy phải biết quy luật biến đổi gia tốc các khâu. Từ các lý do trên, việc giải bài toán động của cơ cấu gạt phôi là rất cần thiết. Nghiên cứu này trình bày việc giải bài toán phân tích động học cơ cấu này bằng việc sử dụng phần mềm thiết kế Autodesk Inventor. Hình 1: Lược đồ động học cơ cấu gạt phôi O1 O2 B A C D E O3 1 2 0 3 4 6 7 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Thanh Nga và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 93(05): 97 - 101 98 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu này đã sử dụng mô đun Dynamic Designer Motion Professional của phần mềm Autodesk Inventor để khảo sát bài toán động học của cơ cấu gạt phôi. Để làm được việc đó, cơ cấu gạt phôi được xác định với các kích thước động của các khâu và một thông số đầu vào là góc quay của khâu dẫn 1 ϕ1, với các kích thước động học cụ thể: O1A = 100 mm; O1O2 = 222 mm; AB = 206 mm; AC = 306 mm; O2B = O3E = 233 mm; O2O3 = BE = CD = 415 mm. Tiếp theo, để giải được bài toán động học các tác giả dựng được họa đồ vị trí của cơ cấu với các thông số đã cho. Phần mềm Autodesk Inventor được dùng để vẽ mô hình các khâu dưới dạng khối rắn. Sau đó lắp ráp các khâu với việc sử dụng các liên kết cần thiết sẽ tạo ra được cơ cấu lắp ráp hoàn chỉnh. Bài toán phân tích động học bao gồm các bài toán vị trí, bài toán vận tốc và bài toán gia tốc. Bài toán chuyển vị trí xác định quỹ đạo của các điểm thuộc các khâu trên cơ cấu. Bài toán vận tốc để xác định vận tốc của các điểm trên các khâu bị dẫn. Và bài toán gia tốc để xác định gia tốc của các điểm trên các khâu bị dẫn. Cụ thể, trong cơ cấu này xác định quỹ đạo, vận tốc và gia tốc các điểm A, B, C, D, E. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Với việc sử dụng mô đun Dynamic Designer Motion Professional trong phần mềm Autodesk Inventor đã đạt được kết quả một cách nhanh chóng và hiệu quả. Sự mô phỏng chuyển động của cơ cấu được thực hiện một cách dễ dàng. Vẽ các khâu, lắp rắp cơ cấu và khai báo các thông số. Trong Inventor việc tạo nên các khâu ở mô hình khối rắn 3D được thực hiện một cách dễ dàng và nhanh chóng. Việc lắp rắp các khâu cũng được thực hiện rất trực quan nhờ các liên kết (ràng buộc) thường gặp trong kỹ thuật. Hình 2 là cơ cấu đã được lắp ráp xong tại vị trí ϕ1 = 00. Bài toán vị trí Sau khi cơ cấu đã được lắp ráp hoàn chỉnh và cho khâu dẫn quay với một vận tốc góc không đổi bằng 10 (rad/s), quỹ đạo của các điểm trên các khâu A, B, C, D, E được thể hiện trên hình 3. Hình 2: Vị trí cơ cấu tại ϕ1 = 00 Hình 3: Quỹ đạo của các điểm trên cơ cấu Khi khâu dẫn O1A chuyển động quay quanh tâm O1, khâu 2 và khâu 6 chuyển động song phẳng, còn khâu 3 và 5 chuyển động lắc quanh tâm O2 và O3; hai khâu còn lại là khâu 4 và khâu 7 chuyển động tịnh tiến. Để cơ cấu thực hiện được nhiệm vụ gạt phôi ta thấy rằng khâu đầu ra 7 chuyển động tịnh tiến với quỹ đạo như hình 3 (điểm C, D). Bài toán vận tốc Bằng việc khai báo các thông số cần thiết việc xác định các véc tơ vận tốc của các điểm A, B, C, D, E được thể hiện trên hình 4. Các véc tơ vận tốc này được xác định tại mọi thời điểm chuyển động của cơ cấu. Trên hình 4 là véc tơ vận tốc của các điểm tại t = 1,24 (s) . Phần mềm Inventor không những thể hiện được các véc tơ vận tốc của mọi điểm thuộc các khâu, mà còn xác định được giá trị vận tốc của chúng tại mọi thời điểm thông qua đồ thị. Trên hình 5 là đồ thị biểu diễn vận tốc của các điểm C, D hay chính là vận tốc của khâu CD. Hơn nữa, giá trị cực trị của chúng cũng hoàn toàn xác định được vmax= 1919,06 (mm/s) tại t = 2,45 (s); vmin = 1,11432 (mm/s) tại t = 3,79 (s). Bài toán gia tốc Bài toán gia tốc cũng tương tự như bài toán vận tốc. Các véc tơ gia tốc của các điểm trên các khâu cũng được thể hiện trên Hình 6. Giá trị gia tốc của điểm C, D thể hiện trên đồ thị hình 7. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Thanh Nga và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 93(05): 97 - 101 99 Hình 4: Véc tơ vận tốc của các điểm A, B, C, D, E tại thời điểm t = 1,24s Hình 5: Đồ thị biểu diễn vận tốc của điểm C, D theo thời gian (a) Vận tốc toàn phần; (b) Hình chiếu vận tốc theo phương x, vx;(c) Hình chiếu vận tốc theo phương y, vy Hình 6: Véc tơ gia tốc của các điểm A, B, C, D, E tại thời điểm t = 1,9s Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Thanh Nga và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 93(05): 97 - 101 100 Hình 7: Đồ thị biểu diễn gia tốc của điểm C, D theo thời gian (a) Gia tốc toàn phần; (b) Hình chiếu gia tốc theo phương trục x, ax ; (c) Hình chiếu gia tốc theo phương trục y, ay Giá trị gia tốc lớn nhất của chúng cũng được xác định với amax = 29211,1 (mm/s2) tại t = 6,88 (s); amin= 4393,4 (mm/s2) tại t = 5,17 (s). KẾT LUẬN Việc giải bài toán phân tích động học của cơ cấu, máy là rất quan trọng cho việc thiết kế máy. Bài toán phân tích động học cơ cấu bao gồm: bài toán vị trí, bài toán vận tốc và bài toán gia tốc. Có nhiều phương pháp để giải được bài toán này, bao gồm: phương pháp vẽ, phương pháp giải tích và phương pháp số. Trong bài báo này trình bày ứng dụng của mô đun Dynamic Designer Motion Professional tích hợp trong phần mềm thiết kế 3D Autodesk Inventor để giải bài toán động học cơ cấu gạt phôi. Các kết quả đạt được cụ thể như sau: - Bài toán vị trí, vận tốc và gia tốc được xác định nhanh chóng và chính xác; - Vận tốc và gia tốc của điểm không những biểu diễn được các véc tơ, mà giá trị của chúng còn được xác định theo hệ trục tọa độ đề các vx, vy, ax, ay; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Thị Thanh Nga và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 93(05): 97 - 101 101 - Giá trị cực trị của vận tốc và gia tốc đã được xác định. Việc áp dụng phương pháp phân tích động học như trên có ý nghĩa lớn trong việc tính toán thiết kế cũng như trong giảng dạy tại các trường đại học kỹ thuật. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đinh Gia Tường, Nguyễn Xuân Lạc, Trần Doãn Tiến, Nguyên lý máy, Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1970. [2]. Robert L. Norton, Design of Machinery, The center for library resources and education media Suranaree University of Technology, McGraw- Hill, Inc. [3]. Numerical Method for Kinematics, merical%20method%20for%20kinematics&source =web&cd=1&ved=0CCAQFjAA&url=http%3A% 2F%2Fwww- inst.eecs.berkeley.edu%2F~cs184%2Ffa11%2Fres ources%2Fik_soln.pdf&ei=vfP5TpGCNZGeiAeH 3rXDAQ&usg=AFQjCNFI6uoO7nR6VqelmBxqJ tDYf5xalw&cad=rja (truy cập ngày 12/12/2011) [4]. Vũ Công Hàm, Nguyên lý máy, Nhà xuất bản quân đội nhân dân, Hà Nội 2011. [5]. Oleg Vinogradov, Fundamentals of Kinematics and Dynamics of Mechanisms, CRC Press Boca Raton London New York Washington, D.C. [6]. Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm, Nguyên lý máy, Nhà xuất bản Giáo dục, 2006. SUMMARY KINEMATIC ANALYSIS OF WALKING BEAM EIGHT BAR TRANSPORT MECHANISM USING AUTODESK INVENTOR SOFTWARE Nguyen Thi Thanh Nga*, Hoang Tien Dat College of Technology - TNU This paper presents the application of module's Dynamic Designer Motion Professional of Autodesk Inventor software to solve the kinematic analysis of walking beam eight bar transport mechanism. The links are drawn by Autodesk Inventor the same as solid model. And then they are joined by nodes (reduced degree of freedom) to create mechanism. The result determined positions, velocities and accelerations of points on the links. All results achieved show that using Autodesk Inventor to solve kinematic mechanism efficiently and quickly. Keywords: Kinematic mechanism, Autodesk Inventor, walking beam eight bar Ngày nhận bài: 8/3/2012, ngày phản biện: 4/5/2012, ngày duyệt đăng: * Tel: 0985 909792 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên