خلاصه

هگزاپاد مکانیزمی است که به عنوان یک ربات موازی با پایههای قابل تغییر طول میباشد. از سال ۱۹۵۰ به بعد رباتهای موازی در انواع مختلف و با اهداف متفاوت صنعتی و تحقیقاتی ساخته و مورد بهرهبرداری قرار گرفتهاند. در این پایاننامه تحلیل ارتعاشات آزاد مجموعه ماشینابزار بر پایه مکانیزم استوارت با قابلیت تغییر طول پایهها و با قابلیت ماشینکاری قطعات پیچیده با اندازههای متوسط و کوچک مورد بررسی قرار گرفته است. درکارهای پیشین تحلیل ارتعاشات میز هگزاپاد به تنهایی و بدون در نظرگرفتن سازه ماشینابزار انجام شده است. در تحقیق حاضر، بدنه ماشینابزار هم به عنوان زنجیره ارتعاشی اتصالی به کل سیستم مورد تحلیل قرار گرفته است. در این تحقیق تحلیل ارتعاشات آزاد مجموعه ماشینابزار هگزاپاد شامل میز هگزاپاد و کلهگی دستگاه فرز FP4M به صورت یک زنجیره ارتعاشی کامل مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور معادلات ارتعاشی میز هگزاپاد، ابزار و دستگاه فرز متصل به آن استخراج و در نرمافزار MATLAB برنامه استخراج فرکانسهای طبیعی کل سازه نوشته شده است. سپس جهت بررسی صحت کارهای تئوری انجام شده، مدلسازی مجموعه میز هگزاپاد و بدنه دستگاه در نرم افزار ANSYS انجام شده و فرکانسهای طبیعی به دست آمده از این نرم افزار با نتایج تئوری مقایسه گردیده است.

کلمات کلیدی: ارتعاشات آزاد، هگزاپاد، ماشین ابزار

۱٫ مقدمه

شناخت و کنترل ارتعاشات یا ایزولاسیون آن در ابزارها و دستگاه های مختلف جهت بهبود عملکرد و افزایش بازده کاری آنها یکی از تلاشها و زمینه های مطالعاتی مهم مهندسین و محققین می باشد. بررسی های تئوری بسیاری در مورد سینماتیک و دینامیک معکوس و مستقیم ، محاسبه فضای کاری و نقاط تکین فضای کاری ، و کنترل حرکتی ماشین ابزار هگزاپاد در دنیا انجام شده است اما در مورد تحلیل ارتعاشات آن کارهای محدودی صورت گرفته است که در ذیل اشاره می شود.

دوهنر و همکارانش [۱] از موسسات تحقیقاتی مختلف، در زمینه کاهش و حذف فعال لرزه در ماشین فرز اوکتاهدرال تحقیقاتی انجام دادند که منجر به کنترل ارتعاشات حاصل از فرایند براده برداری قطعه گردید. فلینت و همکارش [۲] با کار بر روی انواع مکانیزم های موازی با هدف موقعیت دهی و ایزوله کردن فعال ارتعاشات، به این نتیجه رسیدند که پیش بینی ارتعاشات و جلوگیری از به وجود آمدن آن در مکانیزم های موقعیت دهی نظیر میز ماشین ابزار هگزاپاد نسبت به کنترل فعال ارتعاشات مناسب تر و با دامنه وسیع تغییرات شرایط محیطی عملی تر می باشد. ابوهانیه [۳] انواع روشهای ایزولاسیون تک محوری با به کارگیری انواع حسگرها و فیدبک ها را بررسی کردهاند. در پژوهش وی با صرف نظر از جرم پایه ها و استهلاک سازه، تنها با فرض جرم سکوها، فرکانس های طبیعی مجموعه به دست آمده است. در بررسی ارتعاشات سیستم مذکور، مدل ارتعاشی دارای تغییر پیکربندی، موقعیت و جرم نمی باشد. محبوب خواه و همکارانش ۴]و[۵، ارتعاشات آزاد و اجباری میز هگزاپاد با در نظر گرفتن اجزای انعطاف پذیر پایه ها و مفصل های سیستم را در تحقیقات خود بررسی نموده اند و فرکانس های طبیعی میز هگزاپاد را بدون در نظر گرفتن اتصال قطعه به ابزار را به دست آورده اند. در این تحقیقات به سازه ماشین ابزار به عنوان زنجیره ارتعاشی متصل به میز هگزاپاد پرداخته نشده است که در تحقیق حاضر بررسی خواهد شد.

۱رئیس هیات مدیره شرکت آریا صنعت آفاق تبریز
۲مدیر عامل شرکت آریا صنعت آفاق تبریز

۱

دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در » مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
۲nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering

۲٫ مدلسازی معادلات ارتعاشی مجموعه ماشین ابزار هگزاپاد

مجموعه ماشین ابزار هگزاپاد مورد بررسی ، شامل ماشین فرز FP4M و میز هگزاپاد می باشد که مدلسازی بدنه ماشین ابزار طبق اطلاعات ابعادی مربوط به ماشین فرز FP4M در وبسایت گروه ماشینسازی تبریز [۶] و اندازهگیری دقیق از خود سازه و مدلسازی میز هگزاپاد طبق نمونه ساخته شده در دانشگاه تربیت مدرس تهران با حداکثر سعی برای حفظ جزئیات مهم و دقت ابعادی کامل سازه، در محیط نرم افزاری CATIA صورت گرفته است. در شکل ۱ نمونه مدلسازی شده مجموعه ماشین ابزار هگزاپاد مورد نظر نشان داده شده است که در آن، تمام اجزاء سازه که در فرکانسهای طبیعی و شکل مودهای سازه حائز اهمیت میباشند در نظر گرفته شده است.

ماشین فرز
FP4M

×سکوی متحرک

×پایه

×سکوی ثابت

شکل -۱ مدل CAD مجموعه ماشین ابزار هگزاپاد

برای تشکیل زنجیره ارتعاشی مجموعه ماشینابزار هگزاپاد، ۶ پایه از طریق میز متحرک به ماشینابزار متصل شده است. مطابق شکل ۲ هر یک از پایهها به صورت یک فنر معادل در نظر گرفته شدهاند که به میز متحرک متصل میباشند. فنر دیگری از طریق ابزار به سکوی متحرک متصل میباشد که همان فنر معادل بدنه ماشینابزار فرز میباشد. با مفروضات فوق، معادلات ارتعاشات آزاد معادل سکوی متحرک را با توجه به جابجایی مجموع سکوی متحرک که ناشی از نیروهای سفتی وارده بر سکوی متحرک است، میتوان محاسبه نمود.

×

شکل ۲ شماتیک مجموعه ماشین ابزار هگزاپاد به صورت فنرهای معادل

۲

دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در » مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
۲nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering

در شکل۲، m ، k و C به ترتیب نماد جرم، سفتی و میرایی میباشند. Kui و Cui به ترتیب ضرایب سفتی پایه ها و مفاصل و سکوی ثابت میز
هگزاپاد است. KCTM و CCTM نیز ضرایب سفتی و میرایی مجموع وارد بر سکوی متحرک از طرف ماشین ابزار فرز و ابزار در جهات X، Yو Z
میباشد که در ادامه محاسبه خواهند گردید. Mp و Ip به ترتیب مجموع جرم و ممان اینرسی جرمی سکوی متحرک، قطعه کار و فیکسچر میباشند، سه دستگاه مختصات برای تعریف حرکت سیستم استفاده شده است. دستگاه مختصات مرجع {W} در مرکز هندسی سکوی ثابت پایین قرار دارد. دستگاه مختصات محلی {P} به مرکز هندسی سکوی متحرک متصل شده است. یک دستگاه محلی دیگر {A} ، به مرکز هندسی سکوی متحرک متصل شده تا چرخش و جهت گیری سکوی متحرک را تعریف کند. این دستگاه مختصات همراه با سکوی متحرک جابجا می شود ولی همراه با آن نمی چرخد.