Khảo sát động lực học hệ robot-vũ khí trên cơ sở cơ học hệ nhiều vật

Nội dung text: Khảo sát động lực học hệ robot-vũ khí trên cơ sở cơ học hệ nhiều vật

1. Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC HỆ ROBOT-VŨ KHÍ TRÊN CƠ SỞ CƠ HỌC HỆ NHIỀU VẬT Lại Thanh Tuấn*, Uông Sỹ Quyền, Trương Tư Hiếu Tóm tắt: Bài báo trình bày mô hình tính toán và khảo sát động lực học hệ robot-vũ khí trên cơ sở cơ học hệ nhiều vật. Phần robot gồm thân xe, giá súng, cơ cấu dẫn động và các bánh xe. Phần vũ khí là súng đại liên PKMS được liên kết với giá súng thông qua bộ phận định hướng chuyển động súng và lò xo giảm giật. Các kết quả nhận được cho phép đánh giá tính ổn định của cơ hệ robot-vũ khí, đồng thời làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế, lắp đặt, bố trí các cơ cấu bộ phận để đảm bảo tính tối ưu của cơ hệ. Từ khóa: Robot chiến đấu; Động lực học; Súng đại liên PKMS; Ổn định. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, cùng với những thành tựu đạt được trong lĩnh vực khoa học, công nghệ quân sự đặt ra những yêu cầu nghiên cứu các phương án chiến đấu tối ưu, cho phép giảm thiểu tối đa sự hiện diện trực tiếp của con người trên chiến trường. Việc lắp đặt súng tự động lên robot chiến đấu là một xu hướng nhằm thực hiện các nhiệm vụ đảm bảo cho người chiến sĩ được an toàn trong các không gian tác chiến đặc biệt. Tuy nhiên, sự kết hợp này phải tuân thủ các yêu cầu chiến kỹ thuật khắt khe, trong đó có yêu cầu về tính ổn định và đặc biệt là độ chính xác bắn của vũ khí. Vì vậy, việc khảo sát động lực học của hệ robot-vũ khí trong tác chiến là cơ sở quan trọng để xây dựng các tham số kết cấu của robot khi thiết kế nhằm thỏa mãn các nhiệm vụ thực tế đặt ra. 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC HỆ ROBOT-VŨ KHÍ 2.1. Xây dựng mô hình tính toán hệ robot chiến đấu-vũ khí Cơ hệ gồm hai phần: phần robot và phần vũ khí. Mô hình khảo sát được xây dựng dựa trên các giả thuyết: robot đứng yên trên mặt phẳng nằm ngang khi bắn; trừ các lò xo là các phần tử đàn hồi các vật còn lại được xem là các vật rắn tuyệt đối; không tính đến động năng và ảnh hưởng của bộ phận dẫn tiến; cơ cấu tầm-hướng được khóa cứng trong quá trình bắn và các liên kết được xem là lý tưởng, không có khe hở. Mô hình khảo sát (hình 1) gồm các vật: thân xe (khối lượng m1 , khối tâm tại O1 ), giá súng (khối lượng m2 , khối tâm O2 ), hộp súng (khối lượng m3 , khối tâm O3 ), bệ khóa nòng (khối lượng m4 , khối tâm O4 ) và các khâu làm việc của máy tự động: cơ cấu tiếp đạn (khối lượng mtd ) và cơ cấu khóa nòng (khối lượng mkn ) có dịch chuyển phụ thuộc vào chuyển động của khâu cơ sở. Để khảo sát ta sử dụng các hệ tọa độ: hệ tọa độ cố định O0 x 0 y 0 z 0 gắn với trọng tâm xe trước khi bắn; các hệ tọa độ động O1 x 1 y 1 z 1 gắn với thân xe, O2 x 2 y 2 z 2 gắn với giá súng, O3 x 3 y 3 z 3 gắn với hộp súng, O4 x 4 y 4 z 4 gắn với bệ khóa nòng. Hướng của các trục tọa độ thể hiện như trên hình 1. Các hệ tọa độ động Okn x kn y kn z kn và Otd x td y td z td gắn với trọng tâm ban đầu của cơ cấu khóa nòng và cơ cấu tiếp đạn, có trục Ox song song với phương chuyển động của chúng, trục Oy hoặc Oz song song với trục tương ứng trên hệ O2 , trục còn lại hợp thành tam diện thuận. Với mục đích khảo sát dao động khi bắn của súng khi lắp trên robot, để đơn giản tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cơ hệ được khảo sát với các bậc tự do (tọa độ suy rộng): dịch chuyển tịnh tiến của trọng tâm xe q1 theo phương Ox11, dịch chuyển quay của hộp súng q2 quanh trục Oz22, dịch chuyển tịnh tiến của trọng tâm hộp súng q3 so với giá súng theo phương Ox33, dịch chuyển tịnh tiến của trọng tâm bệ khóa nòng q4 so với hộp súng theo phương Ox44. 150 L. T. Tuấn, U. S. Quyền, T. T. Hiếu, “Khảo sát động lực học cơ sở cơ học hệ nhiều vật.”
2. Nghiên cứu khoa học công nghệ Hình 1. Mô hình cơ hệ robot-vũ khí. Hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của cơ hệ robot-vũ khí sử dụng phương pháp Lagrange có dạng: d TT −=Q , j  4 (1) j dt  qjj()() t q t Trong đó: T - Tổng động năng cơ hệ; q j - Các tọa độ suy rộng; Q j - Các lực suy rộng tác dụng lên thân xe, giá súng, hộp súng, bệ khóa nòng. Để xác định lực của áp suất khí thuốc tác dụng trong lòng nòng ta giải bài toán thuật phóng trong, sử dụng hệ phương trình vi phân: dv pS dl dz p = ;;; =  v =  dt1 3 m dt 1 3 dt 2 I k dc p =23 (1 + 2 z ) − b G b − (1 −  ) G d ; dt Ik dw1−  p (2) =23 (1 + 2 z ) +  sv ; dt Ik dp11  p −  =  2 f − Kp(1 + 2  z ) − KpSV  3 − Kp  b G b + (1 −  3 ) G d − K t p . dt w I   k Áp suất khí thuốc trong buồng khí được xác định bởi hệ phương trình nhiệt động trong buồng khí dựa trên các quá trình cơ bản của khí động lực học: dd bb=(G − G ); = XS ; dti b bk dt i b (3) dp b 1 =().kRTGb − kRT b − kp b w b i dt wb Bằng phương pháp số, giải đồng thời hệ các phương trình vi phân dao động (1) của hệ robot- vũ khí, hệ các phương trình vi phân thuật phóng trong (2) và hệ các phương trình nhiệt động buồng khí sẽ cho phép ta nhận được các quy luật chuyển động của hệ khi bắn. Sơ đồ khối mô tả tính toán máy tự động kiểu trích khí thể hiện trên hình 2. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 151
3. Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực Hình 2. Sơ đồ khối mở rộng tính toán máy tự động kiểu trích khí. 1 - Các điều kiện ban đầu; 2 - Xác định các lực tác dụng lên khâu cơ sở; 3 - Xác định giá trị lực cản; 4 - Xác định giá trị Ki và ηi; 5,6 - Xác định các hệ số ξi; 7 - Xét điều kiện xảy ra va chạm; 8 - Tính biến thiên tốc độ do va chạm; 9 - Phân tích điều kiện kết thúc tính toán; 10 - Ghi kết quả; 11 - Dừng tính toán. 2.2. Xác định động năng cơ hệ, công khả dĩ và các lực suy rộng Động năng của cơ hệ được xác định là tổng động năng của các vật: TTTTTTT =1 + 2 + 3 + 4 +kn + td (4) Trong đó: 1 + T= RT m R - Động năng của thân xe; 12 1 1 1 1 + T=+ RTTT m R A23 I A - Động năng của giá súng; 22 ( 2 2 2 0 2 0 ) 1 1 + T=+ RTTT m R A33 I A , T=+ RTTT m R A44 I A - Động năng của hộp 32 ( 3 3 3 0 3 0 ) 42 ( 4 4 4 0 4 0 ) súng và bệ khóa nòng; 1 1 + T=+ RT m R T A kn I A knT , T=+ RT m R T A td I A tdT - Động năng kn2 ( kn kn kn00 kn ) td2 ( td td td00 td ) của cơ cấu khóa nòng và tiếp đạn. Ở đây: + R1 , R2 , R3 , R4 , Rkn , Rtd , m1 , m2 , m3 , m4 , mkn , mtd - Thứ tự là véc tơ trọng tâm trong hệ tọa độ cố định O0 và ma trận khối lượng tương ứng của thân xe, giá súng, hộp súng, bệ khóa, cơ cấu khóa nòng và cơ cấu tiếp đạn; + - Vận tốc góc quay của hộp súng trong mặt phẳng bắn; + I2 , I3 , I4 , Ikn , Itd - Ten xơ quán tính của giá súng đối với hệ trục O2 , hộp súng đối với hệ trục O3 , bệ khóa nòng với hệ trục O4 , cơ cấu khóa nòng và cơ cấu tiếp đạn với hệ trục 3 kn kn RRAUAUkn=3 + 0 3 + 3 i và Otd . 152 L. T. Tuấn, U. S. Quyền, T. T. Hiếu, “Khảo sát động lực học cơ sở cơ học hệ nhiều vật.”
4. Nghiên cứu khoa học công nghệ T + Rq11= 00 ; 22 + RRAU2=+ 1 0 1 ; 33 + RRAU3=+ 2 0 2 ; 44 + RRAU4=+ 3 0 3 ; 3 T +  = Aq0200 ; 3 kn kn + RRAUAUkn=3 + 0 3 + 3 i ; 3 td td + RRAUAUtd=3 + 0 3 + 3 i ; 2 T + U1= a 21 b 21 c 21 ; 3 T + U2=+ a 32 q 3 b 32 c 32  ; 4 T + U3=+ a 43 q 4 b 43 c 43  ; T + Uqkn=  kn 00 ; T + Uq= 00 A2 , A3 , A4 , Akn ; td td  0 0 0 0 kn + A0 - Các ma trận chuyển từ các hệ trục tọa độ O2 , O3 , O4 , Okn , Otd về hệ trục tọa độ cố định O0 ; 2 3 4 kn td + U1 , U2 , U3 , U3 , U3 - Tương ứng là các véc tơ gốc O2 trong hệ trục O1 , véc tơ gốc O3 trong hệ trục O2 , véc tơ gốc O4 trong hệ trục O3 , véc tơ trọng tâm khóa nòng và tiếp đạn trong 223 2 3 43kn3 kn td3 td hệ tọa độ O3 : AA01= ; AAA0= 0. 2 ; AA00= ; AAA0= 0 3 ; AAA0= 0 3 ; 2 3 kn td + A1 , A2 , A3 , A3 là các ma trận quay từ các hệ trục tọa độ O2 về O1 , từ hệ trục O3 về O2 , từ hệ trục Okn và Otd về O3 : 1 0 0 cosqq22 0 sin cos 0 sin AAA2= 010; 3 = 010; kn ( td ) = 010 1 2 3 ; 0 0 1 −− sinqq22 0 cos sin 0 cos + - Góc lệch của hướng chuyển động khâu khóa nòng hoặc tiếp đạn so với một trong các trục của hệ trục O3 . Tổng công khả dĩ của các lực suy rộng được tính theo công thức: 4 W=  WP +  WFlx +  WG +  WPlg +  WP bk +   WF bxk +  WF td +  WF ph (5) k=1 Trong đó : WP , WFlx , WG , WPlg , WPbk , WFbxk ( k =1 4 ), WFtd , WFph lần lượt là công khả dĩ của trọng lực, lực của lò xo đẩy về, lực của cơ cấu giảm giật, lực khí thuốc, lực của áp suất khí thuốc trong buồng khí tác dụng lên súng, lực đàn hồi của các bánh xe, lực cản băng đạn và lực cản phụ của máy tự động. Ở đây: 4 + WP=  WPi +  WP td +  WP kn ; i=1 T + WPi= P i R iz ( i =1 4 ); Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 153
5. Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực T + WPkn= P kn R knz ; T + WPtd= P td R tdz ; 4 Riz + Rqiz=  j ; j=1 q j 4 Rknz + Rqknz=  j ; j=1 q j 4 Rtdz + Rqtdz=  j - Di chuyển khả dĩ của trọng tâm thân xe, giá súng, hộp súng, bệ khóa j=1 q j nòng, cơ cấu khóa nòng và cơ cấu tiếp đạn; 34 + WFlx= − F lx(  R lx −  R lx ) ; + Flx =+ K4( f 40 q 4 ) - Lực nén của lò xo đẩy về; 4 3 4 4 3 Rlx 4 Rlx + Rqlx=  j và Rqlx=  j - Di chuyển khả dĩ của các điểm đặt lực trên hộp j=1 q j j=1 q j súng và bệ khóa nòng; + f40 - Độ nén lò xo tương ứng vị trí qq4= 40 ; + WG= Fgg R3 ; + Fgg=− K gg () f30 q 3 - Lực nén của lò xo giảm giật; 4 R3 + Rq3 =  j - Di chuyển khả dĩ của thân súng; j=1 q j + f30 - Độ nén ban đầu tương ứng vị trí cân bằng trước khi bắn ; + WP= PT R ; lg lg Plg + Plg - Lực áp suất khí thuốc được tính theo hệ phương trình thuật phóng trong; 4 RP + Rq= lg - Di chuyển khả dĩ của điểm đặt lực P ; Pjlg  lg j=1 q j + WP=− PT  R34  R ; bk bk( Pbk P bk ) + Pbk - Lực áp suất khí thuốc trong buồng khí được xác định theo hệ phương trình nhiệt động buồng khí; 4 R3 4 R4 + Rq3 = Pbk , Rq4 = Pbk - Di chuyển khả dĩ của các điểm đặt lực P Pjbk  Pjbk  bk j=1 q j j=1 q j trong hệ tọa độ động O3 và O4 ; + WFbxk= F bxk R bxk ; + FAF= 1 - Lực tác dụng tại bánh xe k; bxk01 z bxk 4 Rbxk + Rqbxk=  j - Di chuyển khả dĩ của điểm đặt lực Fbxk ; j=1 q j 1 + A0z - Ma trận quay quanh trục Oz từ hệ trục O1 về hệ trục O0 ; + Fbxk1 - Lực tác dụng tại bánh xe k trong hệ trục O1 ; 154 L. T. Tuấn, U. S. Quyền, T. T. Hiếu, “Khảo sát động lực học cơ sở cơ học hệ nhiều vật.”
6. Nghiên cứu khoa học công nghệ T + WFtd= F td R Ftd ; + Ftd=+ K V b n g - Lực cản băng đạn; 4 RFtd + RqFtd=  j - Di chuyển khả dĩ của điểm đặt lực cản băng đạn ; j=1 q j T 34 + WFph= − F ph(  R ph −  R ph ) ; + Fph - Lực cản phụ của máy tự động gồm: lực cản tống đạn, lực cản rút đạn và rút vỏ đạn, lực ma sát trên các đường trượt; 4 3 4 4 3 Rph 4 Rph + Rqph=  j , Rqph=  j - Di chuyển khả dĩ của điểm đặt lực cản phụ j=1 q j j=1 q j trên hộp súng trong hệ tọa độ O3 và của bệ khóa nòng trong hệ tọa độ O4 . 2.3. Giải bài toán động lực học cơ hệ robot-vũ khí Hệ phương trình vi phân để giải bài toán động lực học của cơ hệ gồm: hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của cơ hệ; hệ phương trình vi phân thuật phóng trong của súng đại liên PKMS và hệ phương trình nhiệt động buồng khí. Các số liệu đầu vào để giải bài toán thuật phóng trong và bài toán nhiệt động buồng khí của súng PKMS được lấy theo tài liệu [1]. Các số liệu đầu vào của cơ hệ robot-vũ khí được lấy từ các số liệu mô phỏng mô hình trên phần mềm đồ họa AutoDesk Inventor 2018: P1 =1000 N; P2 = 200 N; P3 = 75.5 N; P4 = 8.6 N; Ptd = 0.75 N; 2 2 2 2 Pkn =1.47 N; J1xx =1.667 kg.m ; J1yy = 2.833 kg.m ; J1zz = 3.234 kg.m ; J2xx = 0.018 kg.m ; 2 2 2 2 2 J2yy = 0.018 kg.m ; J2zz = 0.014 kg.m ; J3xx = 0.01 kg.m ; J3yy = 0.27 kg.m ; . . kg.m ; 2 2 2 −7 J4xx = 0.00014 kg.m ; J4 yy = 0.009 kg.m ; J4zz = 0.008 kg.m ; JJJtdxx= tdyy = tdzz = 325.10 2 −8 2 kg.m ; JJJknxx= knyy = knzz = 926.10 kg.m . Độ cứng của lò xo giảm xóc: Kgx = 800 N/m; độ cứng lò xo giảm giật: Kgg = Kgg = 300 N/m; độ cứng của lò xo đẩy về: K4 = 4 N/m. Tọa độ trọng tâm các vật được xác định theo phần mềm mô phỏng cơ hệ. Sử dụng phần mềm Maple 18 để giải đồng thời các hệ phương trình của bài toán động lực học, ta nhận được quy luật áp suất khí thuốc, quy luật chuyển động của đạn, quy luật áp suất buồng khí, quy luật chuyển động của máy tự động và quy luật chuyển động của cơ hệ. Dưới đây dẫn ra các đồ thị: đồ thị áp suất thuật phóng trong của súng (hình 3); đồ thị mô tả chuyển động của khâu cơ sở theo thời gian (hình 4); đồ thị chuyển động của thân xe theo thời gian tương ứng với một phát bắn (hình 5a), với ba phát bắn (hình 5b) và đồ thị góc nảy thân xe theo thời gian khi bắn (hình 6). Hình 3. Đồ thị áp suất thuật phóng trong và Hình 4. Đồ thị mô tả chuyển động của áp suất buồng khí. khâu cơ sở theo thời gian. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 155
7. Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực a) Với một phát bắn b) Với ba phát bắn Hình 5. Đồ thị chuyển động của thân xe theo thời gian. Hình 6. Đồ thị góc nảy của súng theo thời gian khi bắn. Các kết quả tính toán thuật phóng trong và nhiệt động học buồng khí, chuyển động của khâu cơ sở nhận được tương đối sát với các số liệu công bố của nhà sản xuất. Dao động của thân súng so với giá thông qua cơ cấu giảm giật phụ thuộc vào thông số của cơ cấu giảm giật. Chu kỳ làm việc của cơ cấu giảm giật nhỏ hơn chu kỳ làm việc của máy tự động nên đảm bảo sự tiếp đạn và hoạt động của các cơ cấu giữa các phát bắn khác nhau không có nhiều sai khác. Thân xe khi bắn có dao động khoảng 0,04 mm khi bắn phát một và 0,14 mm khi bắn ba phát liên tiếp, sau đó trở lại vị trí cân bằng do có mô men quán tính và trọng lượng nên giúp robot ổn định hơn. 3. KẾT LUẬN Trên cơ sở xây dựng mô hình cơ hệ robot-vũ khí, sử dụng lý thuyết cơ học hệ nhiều vật đã xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động của máy tự động súng đại liên PKMS lắp trên robot chiến đấu thông qua cơ cấu giảm giật bằng lò xo. Bằng phương pháp số giải đồng thời với hệ phương trình thuật phóng trong, hệ phương trình nhiệt động buồng khí đã xác định được dịch chuyển của hộp súng, thân xe và góc nảy của súng khi bắn. Các kết quả tính toán tương đối phù hợp với các số liệu lý thuyết, đảm bảo độ tin cậy nhất định và có thể dùng là cơ sở cho việc nghiên cứu động lực học vũ khí lắp trên robot chiến đấu cũng như khi tính toán thiết kế, cải tiến và tối ưu hóa hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Trương Tư Hiếu, Uông Sỹ Quyền, “Trang bị điển hình vũ khí tự động”, NXB Học viện Kỹ thuật quân sự (2004). [2]. Võ Ngọc Anh, “Động lực học vũ khí tự động”, NXB Học viện Kỹ thuật quân sự (1995). 156 L. T. Tuấn, U. S. Quyền, T. T. Hiếu, “Khảo sát động lực học cơ sở cơ học hệ nhiều vật.”
8. Nghiên cứu khoa học công nghệ [3]. Phạm Huy Chương, “Giáo trình cơ sở kết cấu và tính toán thiết kế máy tự động”, NXB Học viện Kỹ thuật quân sự (1998). [4]. “Hướng dẫn sử dụng súng PKMS”, Cục quân khí, Tổng cục Kỹ thuật. [5]. J. Wittenburg, “Động lực học hệ vật rắn” (Người dịch: GS TSKH Nguyễn Đông Anh), NXB Xây dựng (2000). ABSTRACT THE SURVEY OF DYNAMICS OF ROBOT-WEAPON SYSTEM BASED ON OF MECHANICS OF MULTIBODY SYSTEM The article presents a model for calculating and surveying dynamics of the robot- weapon system based on of mechanics of the multibody system. The robot consists of the vehicle body, the gun rack, transmission structure and the wheels. The weapon is a machine gun PKMS, which is attached to the gun rack by the orientation bar and reduces shock springs. The results of the calculating allowed the assessment of the stability of the robot-weapon system and used as the basis for calculating for design, installation and arrangement of components with the optimization of the system. Keywords: Combat robot; Dynamics; Machine gun PKMS; Stability. Nhận bài ngày 17 tháng 01 năm 2021 Hoàn thiện ngày 04 tháng 3 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 4 năm 2021 Địa chỉ: Bộ môn Vũ khí - Khoa Vũ khí - Học viện Kỹ thuật quân sự. *Email: thanhtuan711@gmail.com. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 157