Luận văn mô hình hóa Động lực học và Điều khiển robot gia công phay

Tiếp đến là nhiệm vụ mê hình hóa động lực học hệ thống robot để xác định môi quan bệ giữa chuyển động gia công của dụng cụ với chuyến động và các lực dẫn động tại các khớp, với các lực c

BỘ GIÁO ĐỤC VA ĐÀO TẠO TRUONG BAI HOC BACH KHOA HA NOI

Ha Thanh Hai

MO HINH HOA DONG LUC HQC VA DIEU KHIEN

ROBOT GIA CONG PIIAY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội — 2020

MÔ HÌNH HÓA DONG LUC HOC VA ĐIỂU KHIỂN

ROBOT GIA CONG PHAY

Ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 9520103

LUAN AN TIEN Si KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Phan Bùi Khôi

2 PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh

Hà Nội 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xm cam doan tắt cả những nội dung trong luận án “Mô hình hỏa động lực học

và điền khiến robot gia công phay” do tôi thực hiện đưới sự hướng đẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.18 Phan Bùi Khôi vả PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh Các kết quá siêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giá khác công bổ trong bat ky công trình nghiên cửu nào!

Hà Nội ngày — tháng - năm 2020

Người hướng dẫn Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh

PGS.TS Phan Bùi Khôi PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh Hà Thanh Hải

LỜI CẢM ƠN

Loi đầu tiên, nghiên cứu sinh xin chân thành cắm on su chi day, su tao điển kiện

siúp đố qui báu của các qui thây cô Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp,

Bộ môn Cư học ứng dụng, Khoa Cơ khi, Trường Đại lọc Bách khoa Ha Nội, nơi nhiên cứu sinh đã được học tập và nghiên cứu trong quá trình hoàn thành luận án Tiếp đến, nghiên cứu sinh xin cảm ơn các nhà khoa học, các bạn bẻ, đông nghiệp

đã giúp đỡ, chỉ báo, đóng góp ý kiến cho nghiên cứu sinh để nghiên củu sinh hoàn thành luận án cũa mình

Luận án sẽ không thể hoàn thành nêu không có sự chỉ dạy, hướng dẫn tận tinh, quý giá của các thây hướng, đân Sự hướng dân không biết mệt mới của các thấy dã giúp xighiên cứu sinh vượt qua nhiều khó khăn, nhiều giới hạn để có thể hoàn thành luận

án Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phan Bùi Khôi,

PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh đá dành nhiều công sức hướng dẫn nghiên cứu sinh trong suốt quả trinh nghiện cứu,

Nghiên cứu sinh cũng xa gửi lời cấm ơn chân thành déu ban bè, đổng nghiệp Trường Cao đắng công trinh đỏ thị, đã động viên, hễ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ nghiên cứu trong quả trinh nghiên cửu

Cudi cing, nghiên cứu gình xi đành sự biết ơn tới vợ, các cơn, bố, mẹ, những,

người thân trong gia đình về sự động viên, sự chia sẻ, hi sinh lớn lao để nghiên cứu

sinh hoàn thánh luận án

1à Nội, ngày — tháng - năm 2020

NGHIÊN CỨU SINH

Ha Thanh Hai

1.1.2 Uu thể của việc gia công cơ khí trên robot 7

1.1.3 Những vẫn dé gia công cơ khí trên rohot công nghiệp 9 1.3 Cơ sở động học, động lực học tạo hình khi gia công phay - 10

1.2.1 Cơ sở động học phay tạo hinh bề mặt chỉ tiết se TÔ 1.2.2 Các thông số động học quả trinh cắt khi phay .10 1.2.3 Tổng quan về lực cãi và các phương pháp xác dịh lực 14 1.2.3.1 Tổng quam các mô hình xác định lực cất khi play - 15

1⁄13.2 Cáo thành phần của lực cất trong gia công play 15 1.3 Cơ sở động lực học gia công phay trén robot

1.3.1 Sự cản thiết khảo sát động lục học robot gia sông,

1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát của roboi - os

1.3.3 Các yêu tế ánh hướng đến động lực học robot khi gia công

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cửu trong và ngoài nước vẻ mô hình hỏa

động lực học và điều khiển robot gia công phny - 1 1.5 Các vẫn để nghiên cứu trơng luận án 23

CLIUONG 2, DONG LIOC TAO HINT CUA ROBOT TRONG GIA CONG COKHÍ „2

2.1 Cơ sứ động học gia công tạo hình bê mặt

2.1.1 Cơ sở động học tạo hình các bẻ mặt tự do của dụng cụ

2.1.2 Phương pháp tạo hình bể mặt tự do

2.2 Cơ sở thực hiện động học tạo hình của robot trơng gia công

2.21 Đặc trưng hình học của đụng cũ

2.2.2 Đặc trưng hình học của bể mặt gia công

23 Dong học vá thiết kế quỹ đạo chuyển động của robor

2.3.1 Déng hoc robot gia công cơ khi

2.3.2 Giải bài toán động học

2.3.3 Thiết kế quỹ dao chuyên đông theo yêu câu thao tác công nghệ 36

2.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể cccooiieoeeeeoea 3Ó)

CHƯƠNG 3 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG - #

3.1 Thiết lập phương trình vi phan chuyển đồng của robot

3.1.1 Ma trận khối lượng suy rộng của hệ robot- bàn máy

3.1.2 Lực suy rộng của lực Coriolis và lục Ìy tâm

3.1.3 Lực suy rộng của các lực có thẻ tác dụng lên robợt

3.1.4 Lực suy rộng của của các lực không thể

3.1.5 Tuực suy rộng của các lực dẫn động

3.3 Các mô bình tính lực cắt

3.3 Bai toán động lục học hệ roboL— bản máy khi gia công cơ khí 66 3.4 Tài toán xác định phản lực liên kết tại các khớp - 67 3.5 Tải toán hiệu chỉnh tính toán lực cắt trong quá trinh hé robot — ban may

4.1 Diễu khiển hệ robot — bản máy trong gia công eơ -.„ 100 4.1.1 Diễu khiển bám quỹ đạo cho robot khi gia công phay .100 4.1.2 Điều khiển dộng lực học ngược + PD trong, không 2 gian khớp cho hệ

4.1.3 Điều khiến động, bạc học ngược kết ep với vòng ngoài PD tong Phòng

4.2 Điều khiển hệ robot - bằu máy trong không g gian 'Khớp dựa trên đông lực học ngược ! PD ! Hiệu chuẩn tỉnh toán lực cắt 105

4.2.1 Cầu trúc bộ điều khiến n động lực học ngược 1 DD ! Hiệu chuẩn tính

4.3.3 Thuật toán hiệu chuẩn tính toán lực cất - ane 106

43 Điều khiển mờ cho hệ robot — bản máy trong ga công cơ - TÔẾ 4.3.1 Cơ sở về điều khiến mờ - eine LOT

4.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể - - - H2

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỘ CỦA LUẬN ÁN „1#?

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TÁT

Đường kinh đao phay

Số vòng quay của đạo

Lượng chạy dao răng,

Lượng chạy đao vòng Tượng chạy đạo phút

Chiều sâu cắt

Chiêu sâu phay

Chiêu rộng phay

\g của dao phay

Chiều day cat Chiều day cất nhỏ nhật

Chiều dày cắt lớn nhật

Chiểu dày cát trung bình

Gc tiếp xúc tức thời Chiều rộng cất

Gc nghiêng lưỡi cốt chỉnh

goe nang của lưỡi cất chính

Diện tích khi phay

Số răng đẳng thời tham gia cắt ở một lớp cắt

Điện tích cắt do răng thử ¡ cắt ra

Dién tích cắt trung bình khi phay

Lực cắt tống Trực tiếp tuyển (lực vòng)

Lực hưởng tâm (lực lưưởng kinh}

Lực chiều trục (lực theo phương z) Tực nằm ngang (lực theo phương x) Lực thẳng, (lục theo phương y)

Lực tiếp tuyển tác dụng lên răng thứ ¡ lực cắt đơn vị

Mô men xuắn khi cất của dạo

Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của lượng chạy dao

Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của chiêu sầu phay te đến lực cắt Tị

Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của ID dén Fe

Don vi míph

mm víph mnMtp mmg mmíph

mm

mm

mm

độ tru

chiều đảy của phoi cắt

chiều đây tĩnh do đao chuyến động

chiều day động do đao rung động,

Bán kính của dao phay

Góc vị trí của răng thứ ¡ tham gia cất Chu kỷ chuyển dộng của răng,

Góc xoắn (góc nghiêng của cạnh cặt đao)

Góc giữa 2 răng kê nhau

Vector biểu diễn lực cắt, tiếp tuyến, hướng tâm và hướng,

trụo cho răng thứ ¡ cắt

1Hệ số lực cắt tiếp tuyển cho mô hinh lực tuyến tỉnh

Hệ số lực cắt hướng tâm cho mô hình hrc tuyén tinh

Hệ sẻ lực cắt chiều trục cho mỏ hình lực tuyến tính Vector hệ số hé sé lực cái của răng theo các phương tiếp

tuyến, hướng kính và hướng trục đối với mê hình lực cắt

Vector biểu diễn lực cắt theo phương x, y, z

‘Ma tran chuyển đổi hệ trục từ hệ trục tra sang hệ trục xyz

Góc lệch hướng tàm

Góc hợp bởi lực đF¿ với trục của đao

Ma trận biên đổi tọa độ thuần nhất, biếu điễn vị trí và

hướng của tọa độ Opayia trong hệ tọa độ Ôiixilyi1⁄41

Ma trận chuyển vị của ma tran A

Nanm? N/mm

a

iG,

Góc quay quanh tuc za dé truc x1 chuyén đến trục x’:

('i xi)

Khoảng dich chuyển tính tiến dọc theo trục ⁄4¡ để gốc lọa

độ Oii chuyển dén His giao điểm của trục xị và trục Z1 Khoảng dịch chuyển tịnh tiên dọc theo true x dé Lia

chuyên đến gác toa độ O¡

Góc quay quanh trục xị sao cho trục 741 (ial! 4a) chuyển

dén true a

Thân từ ở hàng thử ¡ và cột thứ j của ma tran

Ma tiên côsin chỉ hướng của hệ tọa độ Oiiyx đối với hệ

toa d6 Onixityinzia

Vector biểu điển vị trí tọa độ của gốc Oi trong hệ tọa độ Ơi

TX¡-1VL1241

Ma trận biểu diễn vị trị và hướng cho hệ tọa dộ Ouyi

trong hệ tọa độ cơ sở Ouxuyu2e

Ma tran côsin chỉ hướng của hệ tọa độ Ozoyia đối với hệ

Tọa độ cơ sỡ Ooxayoze

Vector biểu diễn vị tri tọa độ của ede Oj trong hệ tọa dộ

Qoxpynze

Hệ phương trình động học đạng rua bận

Vector định vị tọa độ thao tác của dụng cụ cất

Vector tọa độ khớp

Vị trí của khóp ¡ của robot

fim dung ev cit

Vector vệ

Vector vi tốc lại cde khép aia robot

Vector gia tốc của đựng cụ cắt Vector gia tốc ớ các khớp của robot

Ma iran Jacobian của hàm f với biến q

Ma tran Jacobian của hàm f với biển p

Ma trận nghịch đão của ma tran Jy

Ma trận nghịch đáo cửa ma tran Jp Deo ham ma tran Jacobian Jạ theo thời gian t Deo ham ma trận Jacobian J, theo thai giant

Hành trình lớn nhất robat có thế thực hiện theo phương j

Vận tắc tương đối của dụng cụ đối với đổi Lượng gia công, 'Lổng chiều dài gia công ủng với hành trinh Lị

độ, rad ram

d6, rad

mis

F,

Me

Thời gian gia công ứng với một hành trình Lý

Khoáng di chuyển bản máy cần thực hiện theo phương j

Thời giam gia công

Ma trận biểu điển vị trí và hưởng của khâu ¡ (hệ tọa dộ Ceyaza) (1 = 1,2, ,a) trong hệ tọa độ cơ sở Oxaynzo

Ma trận eosin chỉ hướng của khâu ¡ đổi với hệ tọa độ cơ sở

Ma trên khối lượng suy rộng

Khối lượng khâu ¡

Vận tốc của khối tâm của khâu ¡ trong hệ tọa đô Ogxoyozo

Vận tốc góc của khâu thử ¡ của robot trong hệ tọa dộ

OoXuynzo

Toán tử sóng của vector vận tắc góc thứ ¡

Ma trận Jacobi của vector tọa độ khối tâm khâu ¡ theo

vector tọa độ kliớp

Ma trận Jacobi của vector vận tốc góc khâu ¡ theo vector đạo hàm của các tọa độ khớp

Ten xo quấn tỉnh khâu ¡ đối với khối lâm Ci biểu điển tronir

hệ tọa độ khối tâm khâu ¡

Vector lye sưy rộng của các lực quán tính Coriolis va quan tính ly tâm tác dụng lên robot

kỷ hiệu Clristofel 3 chỉ số loại Vector lực suy rộng ứng với các lực bão toàn (lực có thế)

Lure suy rộng của các lực bảo toàn ứng với tọa độ suy rộng,

4 Vector lực suy rộng của các lực dẫn dộng,

'Thể năng của cả hệ robot Gia tốc trọng trường

Lực dẫn ứng với khớp ¡ là khớp tịnh tiến và là ngẫu

Vector lực tác đụng tương hỗ của F, lên đối tượng công

nghệ

Vector md men Lac dung Lương hỗ của Mẹ lên đổi trọng

công nghệ

Vector lực suy rộng của l', vả M¿

Vector lục suy rộng của E; và M:

Veolor xác định vị trí gốc Oz (điểm cắt) ở trong hệ trục lọa

độ cơ sở Oaxayozo theo chuỗi dộng học cầu trúc robot

Ma tran Jacobian tinh tién cita dựng cụ cắt biểu diễn trong

hệ lọa độ cơ sở Oaxayoza theo chuối động học cầu trúc robot

Vector xác dịnh vị trí gốc Og ở trong hệ trục tọa độ cơ sở

Oaxuynza theo chuốt động học bàn máy robot

Ma trận Iacobian tịnh tiễn của gốc Og theo chuỗi động học

bản máy robot

Tỷ lệ - vi phân

Tỷ lệ - vi phân — tích phân

T.uật điều khiển servo cho robot tác hợp

Vector sai lệch vị tri

Vector sai lệch vận tốc

Vector sai lệch gia tốc

Vector toa dé khớp đặt (meng muốn)

óc tại các khớp đặt (mong muốn) của robot

Vector vin

Mã trận dường chéo các hệ số tỉ lẻ

Ma tran dường chéo các hệ số vị phân

Vector toa dé thao tac đặt (mong muiễn) của đựng cụ cắt

Vector vận tốc đất (mong muốn) cửa dụng cụ cắt

Lam thuộc của sai số vị trí khớp ¡

Ham Dưuộc của sai số vận tốc khớp ¡

Hàm thuộc lượng điều chỉnh lựcmôê men dẫn đệng của

khớp ¡

Nin

Tam

rad, mm rad/s, mm/s rad/s", mmm⁄2 rad

rad/s

ms

DANH MỤC CÁC BẰNG

Trang

Bang 1.1 Tinh cdc luc thank phan luc Fy, Ky, Fz theo lye tiếp tuyến È [221 16

Bang 2.1 Thông số động học của robot và dụng cụ - - 30 Bang 2.2 Thông số động học của bản máy - - 32

Bang 2.3 Tọa đề lưới điểm xác định bể mặt củ tiết - 36

Bang 2.4 Dường dụng cụ được biểu diễn đưới dang số 37

Bang 2.5 Biểu diễi

Bảng 2.6 Thông số động học theo chuối bản máy

Bảng 1.7 Giá trị thông số động học của robot

đăng 1.8 Giá trị thông số của đối tượng gia công và bản my

Bang 2.9 Giá trị thông số dụng cụ và quá trình công nghệ [95] + E9]

Bang 2.10 Thông số động học của bản máy

Bang 2.11 Giá trị thông số của dối tượng gia công và bản may

Bang 2.12 Gid tri thông sẽ dụng cụ và diều kiện gia công [98]

thông số động học robot theo chuối robot - dung eu

Thằng 2.13 Các ký hiệu Máu, các hệ lợa độ và [tông s động học gũa robot dụng øị 5S

"Bảng 2.14 Các ký hiệu khâu, các hệ tọa độ và thông số động học của bàn máy - đồ gá 32

Bang 2.17 Giá trị thông, sé dung cụ và quá š trình c công nghệ [98], [2 54

Băng 3.1 Thông số động lực học cúa hệ robot — ban may S71

Bang 3.2 Thông số chỉ tiết, thông số công nghệ chơ hai trường hợp

Bang 3.4 Các bệ số lực cắt khi phay [24]

‘Bang 4.1 Biểu điển các miễn con vat lý, tập mở và giá trị ngôn ngữ của tín hiện vào ra 109

Bang 4.3 Miễn giá trị v:

Täng 4.4 Giá trị thông số của đổi tượng gia công và bản máy

Băng 4.5 Giá trị thông số dụng cụ và quả trình công nghệ

Bang 4.6 Hệ số lực cắt trong gia công phay

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐÔ THỊ

Trang Tình 1.1 Ứng dụng robot có cầu trúc nổi tiếp trorer gia công cơ khi 8 Hinh 1.2 Cac loai dao phay hay six dung dé gia cdng phay cic bé wnt trén robot [21 10 linh 1.3 [ướng tiến dao khi phay cả thuận và nghịch

Tình 1.4 Thông số động bọc khi phay

Tình 1.8 Góc tiếp xúc khi phay [22]

Lành 1.6 Chiểu day cắt, chiều rộng khi phay [2

Hình 1.7 Thành phân lựo cắt phay bằng đao phay mặt đầu và dao phay ngón 16

lành 1.8 Mô hình tính lực của dao phay ngón khi phay [24] + [26] ~ee Hình 2.1 Các chuyến động tao hình bề mặt chỉ tiết 37

Linh 2.3 M6 hinh cau trac déng, hoc robot gia céng cv 229 Hình 2.4 Mô hình cấu trúc động học của hệ rebot - bản máy gia công phay thân bơm, 3

Fink 2.5 Hành trình đụng cụ cần đi chuyển dọc theo phương j để gia công 43

Hình 2.6 Thân giữa bơm thủy lực 1 dược gia công bằng robot

Linh 2.7 Dao phay ngón dùng cho robot gia cổng phay

Hinh 28 Viti, vận tốc, gia tỏo các khớp của robot ting với ruờng hợp bản máy inh 45 Hình 2.9 Vị trị vận tốc, gia tốc các khớp của robctung với trường, hợp bản máy di déng, 46

lành 2.10 Mô hình robot ứng dụng phay bẻ mặt cánh tuabim AT Hình 2.11 Biểu điễn lưới điểm của bể mặt cảnh tuabin 48 Tình 2.12 Biển điển một quy luật dịch chuyển giữa đao và cảnh tua bùn 30

Hình 2.13 Dao phay ngón đầu câu |98|

'Hình 2.14 Chuyển động của oác khớp của robot khí play "bế mặt cánh tuabin 5I

mặt chỉ tiết

Tình 2.15 Mô hình động học roboL ứng dụng phay

linh 2.16 Chỉ tiết gia công và quy luật dịch chuyển dao khi phay

linh 2.17 Dụng cụ gia công dao phay ngón đầu cầu [98]

Hình 2.18 Quy luật chuyển động của đụng cụ khi gia công phay

Tình 2.19 Quy hiật chuyển động của các khớp robol khí gia công phay -

Hình 3.1 Hệ robot, bản máy cỏ n— m bậc tự do thục hiện gia công SƠ

Hinh 3.2 Luc, mé men cit, tong hỗ tác dung lên đụng cụ và đối tượng gia công 6Ö Tình 3.3 Mô hình lực cắt do rằng cắt thứ ¡ gây ra trên phân tổ đía

linh 3.4 Œóc tiếp xúc gia công phay [1031

THình 3.5 Mô hình lực cắt của cáo loại dao phay m ngôn đầu cầu khi phay

Tình 3.6 Mô hình cáu trúc của hệ rohot— bàn máy gia công cơ 7

1lình 3.7 Lực cất trong, quá trình robot gia công, phay bẻ mặt chị tiết 7 Link 3.8 Dao phay ngón dùng cho robot gia công co, hé toa dé dung cụ 75

1

4

Hình 3.9 Mô men dẫn động tại các khớp của robot khi bản máy cô định

THình 3.10 Mô men dẫn động tại các khớp khi bản máy đi dộng

Hình 3.11 Chỉ tiết và quỹ dạo dường chạy đao ¬—

linh 3.12 Quy luật chuyên động của đao trên đường dụng cụ C

Tình 3.13 Các lực cắt

Hình 3.14 Mô men dẫu động tại các khép cia robot

Linh 3.15 Quy lugt chuyén déng cua cae khau

Hình 3.16 Chỉ tiết gia công và đường chạy đao

Tình 3.18 Tọa dộ thạo tác cv eiieerre

Hình 3.19 Tọa độ khớp

Tình 3.20 Vận lốc khâu

Hình 3.21 Lực cắt gia công

Linh 3.22 Lye din dang

Hình 3.23 Chỉ tiết gia công và đường chay dao

lành 3.24 Đường cong tạo hình

lành 3.25 Tọa độ thao tác

Hình 3.26 Tọa độ khớp,

Fish 3.27 Vận lắc khâu

lành 3.28 Lực cắt khi gia công fete

Link 3.29 M6 men din động tại các ác khớp eee "

Tình 3.30 Mô hình cầu trúc của hệ roboL— bản tuáy gia công pháy

Linh 3.31 Chi tiết gia công mẫu khuôn dúc 2 và quy luật dường chạy dao

Hinh 3.33 Vi tri, van téc, gia téc các khâu của robot 7

Tình 3.34 Momten dẫn động tại các khớp của robot 88

Tĩnh 335 Qwy lật cian dice cia ck lchau (vit) tintich phin phone tinh duyên đàng „ 8g

Hình 3.36 Mô hình câu trúc của hệ robot — bản máy gia công cơ

Tình 3.37 Quỹ đạo chuyển động của mũi đao

Linh 3.38 Vi tri các khâu của robot theo t

Linh 3.39 Vận tốc các khâu theo t

Tình 3.40 Gia tốc các khâu theo L

1ành 3.41 Mô men dẫn dộng các khâu ¬

Hình 3.42 Phân lực liên kết tại khớp 2 theo phương z

Hình 3.43 Mô hình và sơ đỗ động bọc của robor gia công Khí,

Tình 3.44 Biển điển các lục cắt được hiệu chỉnh

lành 3.45 Sai số lực

Tình 4-2 Sơ đổ hệ thống điều khiển trong không gian khúp 101

Hinh 4.3 So dé hé théng diéu khién trong không gian thao tác + 102 1iình 4.4 Mô hình điều khiến động lực học ngược kết + PD trong không gian khớp

Hình 4Š Mô hình điểu khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD

trong không gian thao táo cho hệ robot bản máy M1

Tình 46 Mô hình bộ điền khiển động lực học ngược k

tích hợp khối điều chỉnh lực cốt lực cắt khi gia công trong không gian khỏp 105

hop vòng ngoài PD só

Tình 4.7 Đồ tị hàm thuộc tr(x) có mức chuyển đổi tuyến tính 107

Hình 4.8 Hàm liên thuộc của các sai số vị trí, vận tốc và lượng diều chỉnh mô men dẫn dong Kop yi (yi 6G Ud 1 TPHH) ii „110

Tĩnh 4.9 Mô hình bộ điều khiển mờ cho hệ robot — ban may rong gia công co 12

Hình 4.10 Mô hình vật lý và động học hệ robot— bàn máy, 112 Tình 4.11 Mô hình bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD 113 Hình 4.12 Khối điều khiển vòng ngoài PD ào, T3

Hình 4.14 Khối tích phân phương trình vi phân chuyến đông - 114

Hình 4.15 Chỉ tiết và qưi đạo pia công 14 T0nh 4.16 Kết quả mô phỏng điều khiển gia công phay mặt phẳng hình vành

Tình 4.17 Kết quả mỗ phông điều khiển gia công phay thân giữa bơm thủy lực 1

khi có sai lệch lực cắt trong quả trinh gia công So sc ¬

Tình 4.18 Mô hình vật lý và động học hệ robol— ban may Ny

Hình 4.19 Mô hinh b6 diéu khién PD ương không gian thao tác 118

Hình 4.20 Kết quá điều khiển trong không gian thao tác sew LD

Fink 4.22 M6 hinh hệ roboL— bàn máy 8 bậc tự do gia công phay 122 Hình 4.3 Mô bình bộ điều khiển động ạc học ngược kết hợp vóng ngoài PD 124

Tĩnh 4.24 Biễu điền mô hình tổng thẻ bộ điều khiến mà - - 125 Tình 4.25 Biểu điễn cầu trúc khối điều khiển mờ vòng kép 146

Hình 4.26 Chỉ tiết và dường đụng cụ gia công 126

Hình 4.37 Dao phay ngón dùng cho robot gia công, pha

Tĩïnh 4.28 Lục cắt tương từng với với hai cách tính va lựa chọn các hg số hực cất

Hình 4.29 Sai lệch tọa đô khớp của bộ diễu khiển PDI, PD2

Tình 4.30 Sai lệch giữa quỹ đạo thao tác với quỹ đạo đặt là đường dụng cụ cửa bộ

Tình 4.31 Sai lệch tọa độ khép của các bộ điều khiển PD1, PD2 , Fury 130 Hình 4.32 Sai lệch giữa quỹ dạo thao tác với quỹ dạo dặt là đường dụng cụ của bộ

Tình 4-33 Quỹ đạo của điểm cắt cửa đựng cu trong hé toa dd thao tác 131 Hình 4.34 Kết quả mô phông bộ điều khiển mờ với sai lệch quỹ dạo ban dẫu 132

MỜ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của để tài nghiên cứu

Robot dang ugay cảng được ứng, dụng, nhiều trong, gia cong cơ khi do có nhiều ưu điểm về kỹ thuậi và kính tế, Robot có nhiễu bậc tự đo, cầu Irúe nhiều khâu, khớp, cho khả năng chuyên động thao tác linh hoạt, khẳng gian gia công lớn, gia công được cáo

clủ tiết có bề mặt hình học phúc tạp, kích thước lớn, với số nguyên công lối thiêu và

đồ gá đơn giản Robot có khả năng gia công cơ khí với nhiều thao tác khác nhau cùng, Túc, từ dơn giản đến phức tạp, dáp ứng dược những yêu cầu về độ chính xác tương đổi từ thấp đến cao đôi với các loại vật liệu khác nhau Sử dựng robot công nghiệp trong gia công có ta thể về kinh tế hơn so với gia công bằng các máy công cụ như

giảm chi phi san xuất, đầu tr và lắng năng suất lao động,

Tiên cạnh những lợi ích lớn về mặt kỹ thuật và kinh tế, còn có nhiều khó khăn,

thách thức cần nghiên cửu và giải quyết để có thể nâng cao khả năng, hiệu quả ứng dụng gia công cơ của robot Cầu trủc nhiều khâu, khớp cho robot khả năng thao tác Tĩnh hoạt rữnz dã nêu nhưng dồng thời lại là khó khăn trong việc mô hình hóa động

học, động lực học và điêu khiến robot Các biển thức xác định các đại hrọng động

học, động lực học trong phương trinh vi phan chuy én động của robot thường công

kênh, đồ sô Quả trình gia công cơ khi có nh i đã và chính

xác, chẳng hạn cáo nhiều có thể xuất biện bắt thường Dặc biệt lục cắt sinh ra trong

quả trình gia công là yếu tế bất định và có ảnh hướng lớn đến việc xác đình lục điều

khiển dựa trên mô hình động lực Các quả trình cổng nghệ gia công cơ khí thường,

yêu cầu cao vé dé chỉnh xác, đặc biết khi phay tạo hình các chí tiết có bề mặt phức tạp cảng đòi hỏi khát khe về độ chính xác của chuyền động tạo hình Dẻ giải quyết những vấn dễ này, dã có nhiều hướng nghiên cứu nhằm cãi thiện, nâng cao độ chỉnh

xắc gia công của roboL

‘Trong các nhiệm vụ cần thực hiện để đám bảo robot gia công cơ khi, bên cạnh

nhiệm vụ tính toán xác định ch độ cắt, xác định các tham số công nghệ phủ hợp, chế

độ bôi trơn, lâm mát, còn cần thực hiện các nhiệt vụ quan trọng và khó khăn trong việc tính toán động học, động lực học và điều khiến robot gia công Đâu tiên là nhiệm

vụ mô bình hóa động học hệ robot, đựa trên mê hình động học tính toán thiết kế qui đạo cho robot đảm bảo chuyển dộng tạo hình của dụng cụ trên bẻ mặt chỉ tiết gia công, đáp ứng các yêu câu gia công Tiếp đến là nhiệm vụ mê hình hóa động lực học

hệ thống robot để xác định môi quan bệ giữa chuyển động gia công của dụng cụ với chuyến động và các lực dẫn động tại các khớp, với các lực cắt sinh ra trong quá trình gia công của robot Từ các xuô hình toán học cần xây dựng cáo giải thuật, thiệt kế các

bộ điều khiến để điều khiển robot thực hiện chính xác các thao tác công nghệ Cúc bộ điều khiển áp đụng cho robot só thể là các bộ điêu khiên truyền thống như bộ điều khiển PD, PID, bộ điều khiển động học ngược, hoặc các bộ diễu khiễn hiện đại như

bổ điều khiến logic mờ, bộ điều khiến đại số gia tữ, bộ điều khiến mạng nơ ran Đối với các ứng dụng cúa robot công nghiệp như vận chuyển, lắp ráp, sơn, hản, việc ứng đụng các bộ điều khiển truyền thông có thể đáp tng được yêu câu đo trong mô hình động lực học của robot không cỏ thành phần lực cắt bất định, và không cỏ nhiều

của quá trình gia sông Đối với robot gia công cơ, để áp dụng các bộ điều khiển truyền

thông cần phải đảm bảo mô hình đông lực học chính xáe, tức là phải dâm bão xác định các đại lượng động lực học chính xác, điều nảy là khó khăn, đặc biệt là xác định

chính xác lực cắt như đã nêu trên Như ộ điều khiến cho robot gia

công øơ là một khó khăn lớn, áp dụng các bộ điền khiển truyền thông hoặc các bố diều khiển hiện dại cản đưa ra giải pháp khắc phục sự bắt dịnh của các dại lượng trong phương trình động lực học và nhiều khí gia công Hơn nữa, để tục hiện được các nhiệm vụ đã nêu, cân xây dựng các giải thuật, chương trình tính toán, mô phỏng

đỗ giãa quyết và kiếm nghiệm các kết quả của các Dàn toán,

Trong và ngoài nước, đã có nhiều nghiên cứu vẻ động học, đông lực học và điều khiển của robot cho các ứng đụng khác nhau, tuy nhiên việc giái quyết các van dé

vậy luận án chọn dễ tải: “Mô hình hóa động lực học và diều khiển robot gia công phay” Tuận án nghiên cứa và giải quyết các vẫn đề khó khăn và thách thức đá nêu

công cơ góp, phân giải quyết việc năng cao khả năng gia công cửa robol Tuận án thực hiện việc xây dựng mô hình toán học cho hệ thống robot gia công cơ tổng quát,

dải thuật diễu khiển và thiết kế mô hình các bộ điệu khiển với những phục được tỉnh bất định của các đại lượng trong phương trình động

qui dao chuyén động tạo hình, khảo sát phân tỉch lực cúa robot trong

gia công phay

2 Mục đích, đối tương, phạm vĩ nghiên cứu

- Phương pháp thiết kế qu đạo chuyển động đâm bảo động học tạo hình kHú thục

tiện gia công phay bằng robot

- Mô hình toàn học cho phép khảo sát tỉnh toán dộng lực bọc robot một cách thuật loi và hiệu quả

- Giải thuật tỉnh toán và điều khiến robot dễ khắc phục hoặc loại trừ các yếu tổ bất

định trong mnô hình động lực học của robot khi thục hiện quả trình phay

tại cáo khớp động làm cơ sở cho việc tỉnh toán,

n động của robot cho trụ đích gia công

ác khâu khóp, hệ thống

2.2, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

chuỗi, có nhiều bậc tự do, ứng dụng trong gia công tạo hình bẻ mặt chỉ tiết

Phạm vị nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Động học, động lực học và điều khiển robot o6 cdu tric dang chuỗi gia

công tạo hinth

- Các thuật toán, chương trình mẽ phỏng số dé đánh giá, khảo sát các kết quả nghiên cửu lý thuyết

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cửu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với tinh toán,

- Nghiên cứu ly thuyết

ẻ ứng dụng, Tobot trong gia công cơ, kháo sát động luc hoe

xobol khi gia công đạo chuyên động cho robol gia công

tạo hình bề mặi k toán điển khiển robot khi gia oông phay

- Phương, pháp tính toán, thiếp lập mỏ hình toán học, giải thuật dé giải các hệ phương trình động học, đông lực học nhờ máy tính Giải thuật tính toán, hiệu chỉnh

Tre diều khiển theo sự ảnh hưởng của lục cắt, sai lệch của lực cắt, giải thuật tính toán,

điều khiển cho robot trong gia công tạo hình dudi tác dụng của lực cắt

- Phương pháp mô phỏng số cho phép đánh giá cáo kết quả tỉnh toàn lý thuyết

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

~ Ý nghĩa khoa học: cũng cấp cơ sở lý thuyết tính toán thúới kế qui dạo cho hé robot, bàn máy có câu trúc nỗi tiếp gia công tạo hình các bề mặt từ đơn giản đến phứo tạp Cung cập co sơ tính toán, lựa chọn, thiết kế các bộ điều khiển robot gia công pha

khớp, lựo tác động của các khẩu để tình toán, thiết kế, chế tạo robot đáp ứng yêu câu gia công cơ khi

nghĩa thực tiễn:

Các chương trình được lập, các phương pháp điều khiển cho phép ứng dụng để

xây dựng bộ điều khiến cho robot Kết quả tinh toán cáo phân lục tác động vào các

khâu, khớp của robot trong quả trình giz công cung cấp cơ sở cho việc tỉnh toán, thiết

kẻ, chế tạo robot công nghiệp gia công cơ khi

Việc thêm cáo bậc tự do chuyên động ở bản máy giúp mở rộng không gian làm

việc của robot, giứp robot gia công được các chỉ tiết có kích thước lớn, có các bề mặt

phức Tạp với số nguyên công tôi thiểu Ngoài ra, các bậc tự do của bản máy có thể sứ

đụng để bù sai số cho robot trong quá trình gia công,

5 Những đóng góp mới của luận án

- Xây đựng mô hình toán học của hé robot - ban máy có câu trúc đạng chuối tổng

quát dùng cho gia công, cơ khí, lắm cơ sở cho việc kháo sát, tính toàn các bài toán áp

đụng rong gia công mội cách thuật lợi và hiệu quả

- Xây dụng phương pháp tỉnh toản, thiết kế quï đạo chuyển động đám bảo động

hoc lao tỉnh cho robot gia công các chỉ tiết từ đơu giãn đến phúc tạp

- Xây đựng các chương trình và thuật toán kháo sát ánh hướng của lực cắt đến

chuyển động lao lảnh, phân tích phân lực động lực lại các khớp

- Phương pháp xây dựng bộ điều khiến hiệu chỉnh lực đẫn động dựa trên giải thuật

mô hình hóa động lực học và điều khiển cho phép khắc phục tính bất định của lực cắt

Trong quá trình gia công,

- Giải thuật điều khiến dựa trên logie mờ cho phép khắc phục đồng thời các yêu tổ bat định về lực cắt, nhiễu, các sai số hoặc tinh kháng đây đủ về một số đại lượng động lực trong quả trình điều khiển robot đám báo chuyên động tạo hính

- Các thuật toán và chương trình cho phép tinh toan, mỏ phỏng số, nhân dược kết

quả nhanh, với sự so sánh đầm bảo độ tin cậy

6 Cầu trúc của nội dung luận án

Phần mỡ đầu luận án trình bày vé tinh cấp thiết, mục đích, đổi tượng, phạm

vi, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, những đóng góp

mới của luận án Phân nội dung chính của luận án được trình bày trong 4

chương

Chương Ì trình bảy tổng quan về ứng đụng rebot công nghiệp trong gia công

sơ khí, đặc biệt là gia công phay, phân tỉnh những ưu thế, những khó khăn, tỏn tại của việc áp đựng robot công nghiệp khi gia công cơ khi, những giải pháp để nâng cao độ chính xác cứa robot trong gia công cơ Khí Tiếp theo, chương 1 bảy

cơ sở động lực học quá trình gia công bao gồm các yêu tô chế độ cắt, thông số

hình học lớp cắt, tổng quan về tính toán lực cắt trong quá trình gia công phay

Š của bài loán động lực học của robot gia công

mức độ tốn tại của các vẫn đề đã và đang được giải quyết trong việc áp dung

robơt vaơ gia công cơ khi, từ đỏ luận an lựa chọn hưởng nghiền cứu, vần đề

nghiên cứu

Chương 2 luận án trinh bày eo sở lý thuyết động học tạo hình của robot trong gìa công cơ, thiết lập mô hình động học lồng quái, thành lập và giải các bài

toán động học của robot, tìm ra môi quan hệ chuyên động động học của các

điểm, dường trên bể mặt gia công với các khâu khớp của robot Tính toán, thiết

kế quỹ đạo cho robot gia công tạo hình bẻ mặt chỉ tiết Áp dựng các kết quả của

bai toán động học khảo sát một số trường hợp gia công cụ thể Các chương trình

tỉnh toán, mỗ phông cũng được xây dựng để tính toán và hiển thị các kết quả tính toán Kết quả của việc giải bài toán động học của robot một mặt giúp xây

đựng cơ số đữ liệu đề tỉnh toán thiết kế qui dau gia công các bễ mặt, một mặt

làm cơ sở để tỉnh toản vá giải bài toán động lực học, mặt khác đưa ra cơ sở đánh giá sai sẽ gia công khi có lực tác động của quá trình cắt

Chương 3 trình bảy một trong những trọng tâm nghiên cứu của luận án, đó

là việc xây dựng mô hình động lực học, thiết lập các phương trình vị phân chuyên động cho mô hình tổng quát của robot gia công cơ Việc tỉnh loán các

đại lượng động lực trong phương trinh động lực học, đặc biệt đại lượng lực cắt

bat định được khảo sắt và trình bày mệt cách chỉ tiết Việc tìm ra các qui luật chuyển động động lực của robot giúp kháo sát và phân tích một cách chính xác những yếu tổ tác động chính dẫn đến sai số của robol, giúp tìm được qui luật

biến đổi của các lực gia công, cáo lực táo dụng tại khớp, cáo lực đẫn động tại các khâu, khớp của robot trong môi tương quan với các thông số động học yêu cầu Trình bày đóng góp về một cách liếp cận để tính các phần lục khớp đồng, cũng như đua rz một số đông góp mới trong việc tỉnh toán, biệu chính lực điều khiến theo ảnh hướng của lực cắt của quá trình gia công một cách giản tiép, thông qua phương trình động lực học ma không cân dủng đến các phương tiện

đo trực tiếp lực cắt tại đâu dao Một số trường hợp áp dụng cụ thể cho mô hình

robot gia công phay trên thực tế được tiên hành để làm rõ, kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết Các chương trình tính toán và mô phông số được viết

đề thực hiện quá trình tính toán và hiền thị các kết quả

_Chương 4 trình bảy việc thiết kế các bộ điều khiển cho hệ roboi-bản máy bao gồm bộ diều khiển động lực học ngược kết hợp vỏng ngoài PD trong không,

gian khớp và không gian thao lác, bộ điều khiển động lực bọc ngược ¡ PD_ hiệu thuận lực cắt trong không gian khớp, bộ điều khiển mờ Các bộ khiển lần

lượt giải quyết các vấn dễ nhằm nâng cao hiệu quả, độ chính xác gia công của

hệ robot-bàn máy Các bài toán áp dụng các bộ điền khiến được thực hiện cho

mồ hinh hệ robot _ bản máy gồm robot cỏ 6 bậc tự do mang dụng cụ cắt vả bản

xnáy cô định hoặc di chuyển Kết quả kháo sắt tĩnh toán và mô phông bộ điều

khiển bằng 8imulink cho phép dánh giả qua hình ảnh trục quan

Cuối cùng là kết luận về những kết quả đat được, những vấn để cân nghiên

cửu phát triển tiếp

CHU'ONG 1 TONG QUAN CAC VAN ĐÈ NGHIÊN CỨU

Chương 1 trình bảy tống quan về ứng dung gia céng cơ khí, đặc biết là gia công phay trên robot công nghiệp, phân tích những trụ thể, những khó khăn, tổn tại của

việc áp dụng gia công cơ khí trên robot công nghiệp, những giải pháp dễ nâng cao khả năng ứng dựng gia công cơ khí trên robot

Tiếp theo, chương 1 bay cơ sở dộng lực học quá trình gia công bao gỏm các yếu

tế chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt, tầng quan về tính toán lực cắt trong quá trình gia công phay Phản tích và làm rõ các vấn dễ của bài toán động, lực học robot gia

công phay

Cuối cùng, chương 1 trình bảy tổng quan vẻ các nghiên cửu trong vả ngoài nước

có liên quan, đưa ra những nhận xét khái quát về các vẫn để khoa học má công trình

đã câng bổ, những vẫn đề đã và đang cân tiếp tục giải quyết dé nâng cao khả năng

từng dụng gia công phay trên robot Từ đỏ, trình bảy các vẫn dê nghiên cửu và giải quyết của hiện án

1.1 Tổng quan gia công cơ khí trên robot công nghiệp

1.1.1 Sw phát triển của gia công cơ khi trên robot công nghiệp

Robot công nghiệp có cấu trúc nỗi tiếp dã dạt dược những thành tựu lớn trong những thập kỷ qua, cho các ứng dựng phố biển nhnr hàn, sơn, vận chuyến, lắp ráp,

phục vụ cho các máy CNC, Theo Liiệp hội Robot quốc tế, lượng sử dụng robot công nghiệp ngày cảng tăng mạnh, thông kê năm 2018 cho thấy lượng liêu thu roboL công nghiệp trên thể giới từ năm 2015 đền năm 2017 tăng thêm khoảng 310,000 đơn

vi robo mdi năm Robot công nghiệp được sử dụng để vậ i

78,79, treng khi hượng robot dùng để gia công cơ khí (tiện, phay, mi, đánh bóng )

chiếm ít hơn 5% |1| Gần dây với sự phát triển của khoa hợc kỹ thuật, sự cạnh tranh

#Ay gắt trong sản xuất sản phẩm, việc tầng tốc đô sẵn xuất và c;

hỏi cân phái phát triển những phương pháp, những hình thức gia công mới Một trong

những Hình thức gia công mới có liểm sống lớn đó là gia công trên robot sông nghiệp [2l Tử năm 2011 - 2012 lượng dúng robot nghiệp trên thể giới để gia công mai va phay đã tăng lên 41% [1]

'Việc ứng đụng robot gia công cơ khi (tiện, phay, mài, đánh bóng, mài, cắt bằng tia nước, tia laser ) diva dang dược nghiên cửu, phát triển mạnh mẽ trên toàn thể giới,

dặc biệt ở những xước công nghiệp phát triển [2] + [7] Một trong những dự án lớn

về nghiên cứu áp đụng gia công cơ khí trên robot hiện nay là COMFT, đây là một dự

án được đồng tài trợ bởi Ủy bạn châu Âu, thuộc chương trinh khôi phục kinh tế châu,

Ân, với sự kết hợp của công ty Delcam vả 13 trung tâm nghiên cứu trên § nước châu

Âu[#], 9 Hiện nay, độ chỉnh xác vị tr lặp lại cúa các robot công nghiệp có cầu trúc nói tiếp, có 6 bậc ty do la khoảng 0.01 mmm [10] Đối vôi ứng dụng gia công cắt gọi các loại vật liệu cúng như nhôm hợp kim, thép, độ chính xác gia công của robot đạt được trong khoảng 0.3 mm |11] Với sự hỗ trợ của các thiết bị bù sai số trực tiếp độ chính xác gia công của robot có thể đạt được 2.454un, độ nhám bê mặt có thể đạt 4.7

jum [12] Nghién cứu ứng đụng robot gia công cắt gọt kim loại hay các loại vật liệu cứng vẫn đang là một thách thúc lớn, và có nhiều vẫn để cần nghiên cm giải quyết

dé làm tăng độ chính xác va khá năng gia công cho robot

1.1.2 Ưu thế của việc gia công cơ khi trên robot

Ủng dựng gia công trên robot sẽ phát huy dược tính linh hoạt, không gian gia công

rộng và giá thành rẻ hơn so với may CNC Nhe cầu trúc nhiều bậc tự do, roboL dễ

dàng thực hiện các chuyên động không gian phức tap dé khâu thao tác đạt được vị trí

và hướng theo yêu cầu công nghệ Robot có thể được lập Hình Hình hoạt cho phép

thực hiện nhiều thao tác công nghệ đồng thời khảo nhau, từ đơn gián đền phức tạp

Với câu trúc 6 bậc tự đo, đang chuối nội liếp, robot có thể đạt dến IẤt cả các vị trí và

các hướng trong không gian thao tác, nhờ đó rohot có thể gia công được các chỉ tiết

có bê mặt hình học phức tạp, có nhiều hóc, nhiều ngóc ngách với đỗ gà dơn giản và

với một số rất íL nguyên công so với gia công trên các máy công cụ Ngoài việc lĩnh

hoạt trong gia công, robot còn thể hiện sự linh hoạt trong cáo mục địch sứ dụng khác

xihư sơn, hậu, lắp ráp Không gian gia công rộng, độ lĩnh hoạt cao do có nhiều bậc

tự đo được liên kết với nhau theo dạng chuối cho phép robot cỏ thể gia công các chỉ tiết có kích thước lớn, thậm chí rất lớn, chỉ bằng một hoặc một số íL nguyễn công

Không gian gia công của rohot lên đến 7,5 m”, thậm chỉ khi đặt robot trên ray đân

hưởng, chuyển hướng, không gian gia công có thé lên dến 20 ne hoặc lớn hơn |2| Việc áp dựng gia công trên robot công nghiệp thả hiện ưu thế về kinh tế hơn so với gia công trên cáo máy công cụ, theo COMIUT tính toán lợi thể giá thành lên đến 30% [9] Ngoài ra, giá đầu tư cho một máy ƠNC có trên 4 trục là hơn $00,000 €, trong khi siá của một robot công nghiệp 6 trục với tái 10kg là khoảng 50,000 € [8] Một ưu điểm nứa của việo sử dụng robot trong gia công cơ là dễ lái lập cấu hình, có thế gia công với nhiều loại dụng cụ, dễ gá lắp

Việc gia công các công đoạn cuối, tạo mẫu, có thể dược thực hiện bởi các công nhân làm bằng tay, dựa trên kỹ năng và kinh nghiệm của họ, nhưng việc thực hiện

này dẫn đến giá thành cao, tồn thời gian, dùng nhiều sức lao động và dễ xảy ra sai

hông, Trong khi đó roboi công nghiệp với sự lĩnh hoại, không gian gia sống lớn, công với kĩ thuật gia công tốc độ cao sử dụng cho gia công các công đoạn cuối và tạo mẫu không những làm tăng độ chính xác, tăng năng suải, giãm giá thành các sản phẩm gia công, mà còn có thể gia công được những chỉ tiết phức tạp, yêu cầu cao mà công nhân không thể thực hiện được

Thờ những tru thế trên, rơbot đã và đang được tăng khả năng ứng dụng để gia công

các sản phẩm đa dạng, phong phú, từ đơn giản đến phúc tạp, từ yêu câu chỉnh xác

vừa phải đến độ chính xác cao Đầu liên, đối với gia công các công giai đoạn cuối, robot công nghiệp dược sử dụng dé khoan, ta 16, vat mép, cat tia va mai ba via cua các chỉ tiết như ba via các bánh răng sau khi phay răng, xọc răng, ba via của chỉ tiết

hàn, ba via của các vật đúc, phay hoặc mài tạo đường viên cho các chỉ tiết (1Tình 1.1a.Ù,e) Trong cong nghé lao mau, rebel công ngluệp phay tao hình hiệu quả cao lừ

vật liệu phi kim loại như gỗ, nhựa, xếp, đến các vật liệu kim loại có độ cứng thấp như

xihôm, đẳng, đặc biết là những mẫu có kích thước lớu và hình dạng phúc lạp (Hình 1.14) Trong công nghiệp hàng không, robot được sử đụng đỗ khoan, phay rãnh các chi tiét nhém có kich thước lớn, cắt tỉa các chỉ tiết làm từ sợi các bon (Hình 1.1e)

Ngoài ra, robot công nghiệp còn ứng dụng cho gia công cắt bằng lia nước hoặc tia

laser đổi với những vật liệu có độ cứng cao như thép các bon, thép hợp kim [2], [3]

+ [7] Ứng dụng quan trọng mà hiện nay các nhà khoa học, các công ty, tỏ chức đang tập trung nghiên cứu phát triển đó là ứng dụng gia công phay bẻ mặt các loại vật liệu

cỏ độ cứng vừa đến cao như nhôm hợp kim, thép trên robot công nghiệp (đặc biệt là

robot cầu trúc nói tiệp) (Hình 1.18)

& Robot đang bắn đình tản vỏ máy bay [13] _ b Robot dang gia công hoàn thiện bánh răng [L4]

¢ Robot IRB6660 mài ch tết thép [1 5] d Robot Solutions dang gia cong mẫu [16]

Hình 1.1 Ứng dụng robot cỏ câu trúc nỗi tiếp trong gia công cơ khí

Bên cạnh những lợi thẻ to lớn đã riêu trên, thi việc ứng dụng gia công cơ khí, đặc biệt là gia công phay trên robot công nghiệp, van tôn tại những vân đề, những thách

thức lớn, cần nhiều công sức và thời gian nghiên cứu vả giải quyết

1.1.3 Những vấn đề gia công cơ khi trên robot công nghiệp

Câu trúc robot nhiều khâu, các khâu vẻ phia cuối chuối déng vả khâu thao tác của

robot có chuyển động được tổng hợp từ nhiều chuyển động thánh phân Đề thục hiện

được các chuyên động không gian phức tạp của khâu thao tác thì robot cần ít nhất 5,

6 bac tu đo Với cầu trúc nhiều khớp quay, ít nhật là 3 khỏp quay thì mới đâm bảo

khâu thao tác có hướng tùy ý khi thục hiện thao tác Thông thường phế biển robot só nhiêu hơn 3 khớp quay bởi khớp quay lảm cho câu trúc robot gọn hơn khớp tịnh tiền Bởi nhiều khâu khớp, việc tổng hợp chuyển đồng cửa khâu thao tác vì thể khó khăn,

các biểu thức tỉnh toản vận tốc góc, gia tốc góc thường rất dỗ sộ Các phương trình

đông học, đông lực học công kênh, phức tạp, khó khăn trong việc thành lập cứmg như từm lời giải, khó có thể thực hiện tính toan bằng tay nêu không được lập trinh tự động

ều tố khó xác định chỉnh xác trong phương Irình động lực của robot chính là lực cắt sinh ra khi đựng cụ cắt tác dựng lên chỉ tiết gia công, Lực cắt phụ thuộc nhiều yêu

tổ như vật liệu, tốc dộ cắt, chiêu dày lớp cắt, chiều sâu cắt, Thông thường việc xác

đính lực cất được thục hiện theo công thúc thực nghiệm trong các số tay kỹ thuật,

xung sẽ có sai số không nhỏ dân đến sai lệch dẫn đông và điều khiển chuyên động

của robot

ới cầu trúc dạng chuối, độ cứng, vững của robot: thấp hơn sơ với các máy công

cụ, máy ƠNC, nên dưới tác dụng của lực cất cô thể dẫn đến sai lệch lớn do biển dạng

và đao động trong quá trình gia công Dặc biệt do sự không đồng nhất vẻ vật liệu chiều sâu cắt, lưỡi cắt gồm các rằng cất hoặc cạnh cắt không liên tục nên lực cắt thường xuyên biến đối đẫn đến xuất hiện đao động làm ảnh hưởng độ chỉnh xác gia công J8 [19], [20] Kế cả trường hợp nếu giá trị lực cắt được cho là không thay đội thi chiên và hướng của véc tạ lực cắt củng, Môn thay đi trong quá trình dụng cụ cắt chuyển động gia công tạo bình theo đường dụng cụ trên bê mặt chỉ tiết,

TNgoài ra, việc giải quyết các thuật toán tính toán trong chương trình gia công của robot để có áp dựng thuận lợi cũng là một khó khăn Chương trình gia công cần tính

đến khả năng gia công phủ hợp với hệ thống động học, dông lực học và diễu khiển của robot đề tránh các va chạm, tránh cắt lẹm, tránh các điểm kỳ di, dim bảo vùng

gia nông, cáo tự thể gia công trong không gian thao tác của robot |1 1] Để xây dựng được chương trình gia công cho robot thì cân nghiên cứu nhiều bải toán, tìm các giải thuật tỉnh toan cho phép lập trình thuận lợi đề giải quyết các bái toán vẻ động học, động lực học, nội suy quỹ đạo chuyển động thao tác, điều khiển Với robol, các bài

toán đó phúc tạp hơn nhiều so véi may CNC, do câu trúc động học của robot phục

tạp hơn các máy CNC Nghiêu củu các giải thuật dễ giải các bài toán đó làm cơ sở tướng tới tạo được các phần mêm gia công hiệu quả để áp đụng cho robot vẫn là hưởng nghiên cứa mở

Tuy có những khó khăn, thách thức như trên nhưng bởi những tru thể và tiêm năng lớn nên việc áp dụng robot trong gia công cơ khí dã và dang được tập trung nghiện cửu, ứng dụng rộng rấi

Luận án nghiên củu và giải quyết những vẫn để trong các vấn để đã nêu trén, De

à việc khảo sát động học dưa ra phương pháp Ihiết ké qui dạo gia công tạo hình các

bể mặt chỉ tiết, đặc biệt các các chỉ tiết có hinh đạng bể mặt phức tạp, cung cắp cơ sở cho việc trora các chương Irình gia công cho robot, Phương pháp thiết lập các phương trình vi phân chuyên động cho hệ robot - bản máy có câu trúc dạng chuỗi tổng quát, cho phép khảo sát thuận lợi các bái toán động lực học của robot trong gia công cơ

Xây dựng các thuật toán điều khiển nhấm khắc phục các dại lượng, yêu tố bát định

trong phương trình động lực học như việc hiệu chỉnh lực điền khiến nhăm giảm thiểu, loại trừ tác động thay đổi cúa lục cắt trong gia công, góp phần lâm tăng độ chính xác gia công của robot

Đi ứng dụng gia công cơ, đặc biệt là gia công, phay trên robơt, cản khảo sắt động

hoe và động lực học của quá trình cất, làm cơ sở cho việc tính toán giải quyết các bài

toán động học, thiết kế quỹ đạo chuyên động che robot khi gia công tạo hinh bề mặt Việc khảo sát, lựa chọn các ru hình tính toán lực cắt, ruột mat lam co sé dé tính toán lực suy rộng của lực cắt trong phương trình động lực học, mặt khác khảo sát ảnh hướng của tính bất định của lực cắt đến chuyển động của robot khi gia công để từ đò

tìm phương pháp nhằm giãm thiểu, loại từ ảnh hưởng của tính bắt định của lực cắt

trong gia công, làm tăng dộ chính xác và hiệu quả gia công trên robot

1.2 Cơ sở động học, động lực học tạo hinh khi gia công phay

1.2.1 Cơ sở động học phay tạo hình bề mặt chỉ tiết

Đổ gia công phay tạo hình bẻ mặt chủ tiết, thí bẻ mặt dụng cụ và bẻ mặt gia công

của chỉ tiếc chuyển động tương đổi với nhau theo một quy luật nhật định và bóc đi lượng dư gia công, dé tạo thành bể mặt chỉ tiết có hinh đáng và kích thước dúng với

yêu câu kỹ thuật Trong suất: quá trình gia công phay phân lưỡi cắt của dụng cụ luôn

tiếp xúc với bẻ rnặt chủ tiết đạo chuyên động tương đổi của mỗi điểm trên lưỡi

cắt đối với bê mặt gia công là kết quả chuyên động long hợp do dụng cụ phay và chỉ

tiết được thực hiện trên hệ robot — ban may

Hình 12 Các loại dao phay hay sit dung đỗ gia công phay các bê mãi trên “robot J2

a Dao phay ngón đầu phẳng, b Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn, e Dao phay

ngón đầu cầu, d Dao phay ngón đầu côn cầu, e Dao phay mặt đầu

Dung cụ để gia công phay các bể mặt không gian của chỉ tiết trên hệ robot —

máy là các loai dao phay ngón Tủy thuộc vào hình đáng hình học của bê mặt cân gia

công phay mà chọn loại đao có hình đáng hình học phù hợp để khi gia sông đảm bảo lấy đi lượng dư phủ hợp, chất lượng bề mặt tốt nhất và năng suất cao nhất Dụng cụ

thường được sử dụng để gia công phay các bê mặt không gian trén hé robot ban may

lä dao phay ngón dâu phòng, dao phay ngón dâu phẳng cỏ góc lượn, dao phay ngỏn

đâu cầu, dao phay ngón đàu cồn cầu và dao phay mặt đầu Trên Hình 1.2 biểu diễn

các loại dao phay hay sử dụng để gia công phay các bể mặt trén hé robot — ban may Các chuyên động cơ bán trong quả trình phay, do sự phối hợp giữa hai chuyên động là chuyển động chính (chuyển động quay tròn của dao) và chuyên động chay dao (chuyển động tương dỗi giữa dao với chủ tiết), mà có hai dạng phay là phay thuận

và phay nghịch Khi phay thuận chuyển động chỉnh và chuyên động chạy dạo cùng chiêu nhau, TTình 1.3, Hình 14a Khi phay nghịch chuyển động chính và chuyển động chạy dao ngược chúểu nhau Hình 1.3, Hình 1.4,

Tếc độ của chuyển động cắt chính (chuyển động cắt ra phoi) Khi phay chuyén

đông cắt chính la chuyển động quay trên cửa dao, đáo quay tì vòng trong mội phút

(vg/ph)

H

xDn + Dao phầy ngón dầu phẳng và dao phay

= nh + Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn q3

os ve nDn + Dao phay ngón đầu cầu

_— 1 `1800

Trong đỏ:

— đường kinh dao phay, (mm)

n—sé véng, quay ctia dao, (v/ph)

®Rˆ góc lượn bản kính mỗi dao, (mm)

Tốc độ của chuyển động chạy đao (/ph)

-Luong chav dao S

Lượng chay dao răng 8z: lượng dịch chuyển tịnh tiền giữa dao với bê mặt gia công

theo hướng tiền đao, sau khi đao quay được một góc răng, (mm/rg)

Tưượng chạy dao vòng Sv lượng dịch chuyển tịnh tiễn giữa đạo và bề rnặt gia công

theo hướng tiên đao, sau một vàng quay của chuyến động cắt chính, (mm/p)

Luong chạy đao phút Sạn: lượng dịch chuyển lương đối giữa lưới cắt của dau và

tbể mặt gia công theo phương của chuyển động chạy dao, sau thời gian một phút,

(ph)

- Chiều sâu cắt hạ (man),

Chiều sâu cắt là khoảng cách giữa bê mặt chưa gia công và đã gia công, ITình 1 4

b Thông sé hình học lốp cất khí pháy, [22|

- Chiều sâu phay h (man)

Chiểu sâu phay lá kích thước kim loại được cắt đo theo phương vuông góc với trục

đao phay, Hình 1.4

- Chiêu rộng phay Ð (mu),

Chiều rộng phay B là kích thước lớp kim loại được cất đo theo phương song song, với trục dao, 1Tinh 1 4

- Góc tiếp xúc @

Góc tiếp xúc Ø là góc ở tâm của đao chẵn cung tiếp xúc 1 giữa đao và chỉ tiết, Hình l5

Hình 1.5 Góc tiếp xúc khi phay [22]

ộ răng đồng thời tham cắt N-

Số răng đồng thời tham cắt là số răng của đao phay nằm trong cung tiếp xúc yp, Tinh 1.5

Đối với dạo phay mặt đâu

Hình 1.6 Chiều dây cắt, chiêu rộng khi phay [22]

Chidu day cắt a là khoảng cách giữa hai vị trí liên tiếp của quỹ đạo chuyển động

của một diễm trên lưỡi cắt ứng với với lượng chạy dao 8z, do theo phương vuông, sóc

với lưỡi cắt, xem IIình 1.6 khi phay bằng dao phay mặt đầu

Trong quá trinh phay, chiêu dày cắt khi phay luôn biến dỗi tử khi lười cắt của một

rang bắt đầu tham gia cắt đến khi ra khỏi vùng cất a biến đối từ ama„ đến auiu hoặc từ a«sn đến amax tủy theo phương pháp phay thuận hay phay nghịch

Phay bang dao phay mất đầu:

Từ nh 1.6, khi đao địch chuyển tịnh tiến với bê mặt gia công một lượng 8, thi quy dạo của lưỡi cắt chuyên dịch tử vị trí 1 đến vị trí 2 và lưỡi dao cắt cỉ một lớp kừm loại

có chiều đây ans Chiều đây cÃI nụ thay đổi theo 6;

Ở day Ô¡ — góc Hiếp xúc tức thời

Chiều dày cắt nhỏ nhất khi 6, = +8 tại Bvac

Chiều rộng cắt: chiêu đài lưỡi cắt chính tham gia cắt đo theo mặt đáy

Phay bang dao phay mat dau, Llinh 1.6:

singoos?

G diy:

T— chiều rộng phay, (mm)

@- góc nghiêng lưỡi cắt chính, (độ)

2 góc nâng của lưỡi cắt chính, (độ)

- Diện tịch cắt khi phạy bằng dao phay mặt đầu, (imm2)

Tay theo kết cấu dao, kích thước lép cl ma trong cúng tiếp xúc có N; răng đồng thời tham gia cắt thủ tổng diện tích mặt cất ngang lớp cắt do N; sing tao ra dược tính bằng công thức sau:

ä trình trình cắt như lực cất, biên đang đàn hồi, biến dạng đồo, tồa nhiệt Các yến

tổ ảnh hưởng đến cơ sở vật lý của quá trình cắt như vật liệu gia công, vật liệu làm đao, thông số hinh học phân cất của dụng cụ, chẻ dộ cất, Các hiện tượng vật lý

trong quá trình cắt ảnh hưởng đến chất lượng bể mặt chỉ tiết và năng suất gia công

Lý thuyết về động lục học quả trình gia công cắt gọt được trình bảy trong các tải liệu chuyên ngành, ở dây chỉ tình bày những mô hình lực cất, chế độ cắt có Hên quan đến

việc áp dụng cho robot trong gia công pha)

Tao cắt là lực sinh ra trong quả trình cả

Dé Khao sát động lực học của robot trong quá trình gia công, cân phải tính toán

được các lực tác động vào dao cắt, hay của gọi là lực cắt sinh ra trong, quả trình gia

công, Việc tính toán lực cắt cho các máy công cụ đã dược trình bảy trong các tài liệu

nguyên lý cắt, số tay công nghệ chế †ạo máy

"Trong gia công, dao cắt có thể gá lên robot, hoặc gả trên bệ dao ngoài robot (trưởng

hợp này phôi được gá liên robot) Việc gá dao lrên robot hoặc không phụ thuộc vào

khỏi lượng của bộ dẫn déng và gả đao, cũng như khói lượng phôi vẻ hình thúc gia

công

thông sổ hình học lớp c cất, ‘thang số hình học của dao, điều kiện gia công, kiểu phoi vv Vị thế việc tính chính xác lực cắt là một vấn để khó khăn, phức tạp

1.2.3.1 Tông quan các mô hình xác định lực cắt khi phay

- Các mô hình lực cắt có thể phần loại thành ba nhóm khác nhau như sau:

Nhóm thứ nhất, tính lực cắt theo công thức lý thuyết (công thức này dược xây dựng

dua trên các tiên để toán học, vật lý học và cơ học biển dạng rồi đùng phương pháp diễn giái để mỏ tá cơ chế tác động cơ lý của quá trình tạo phoi, tử đỏ rút ra công thức

tính lực cắt dưới dạng biển thức giải tích [23]) Kết quả tính toán bực cắt theo công

thức lý thuyết có độ chính xác không cao vì khi xây dựng công thức người ta phải

đơn giản hóa các diễu kiện biên của bái toán

Nhỏm thử hai lực cắt được tính theo các công thúc thục nghiệm (công thức được

xây dung bằng thực nghiêm dựa trên lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm kết hợp với

xử lý số liệu, theo phương pháp thống kê đề rút ra công thức tính lực [23}) Các công

thức thực nghiệm phản nhiều được sử dụng cho các máy gia công khác nhau, ứng với

từng loại hình gia công Các công thức thường đơn giản, thuận tiện cho việc lĩnh toán,

và được sử dụng rộng rãi trong ngành gia công chế tạo Tuy nhiên công thúc thực nghiệm không mang tỉnh tổng quái mà chỉ có giá trị lượng ứng với các điều kiện công nghệ cụ thẻ Vi thể kết quá tính toán lực cắt theo các công thức thực nghiệm với các điêu kiện công nghệ khác nhau cho độ chính xác không cao và thường dùng để tham

khảo

‘Nhom thi ba, việc tỉnh toán lực cắt dua vac việc do trực tiếp hoặc giản tiếp các

Tực cất trong quá trình gia công thông qua các câm biển và tín hiện điêu khiến Độ

chính xác của lực cắt phụ thuộc vào độ chính xàc của cáo cám biển, đặc biệt là hệ

thông do theo phương pháp sử dụng cáo điện trở đản và hiệu ứng áp điện được dùng phổ biển Giá trị lực cắt thông thường là ngẫu nhiên và thay đối theo thời gian gia công và các điều kiện cắt

- Các phương pháp tính toán lực cắt trong quá trinh gia công khá đa đạng, gồm các cách tiếp cận phân tích và mô hình hóa lực cắt khác nhau Có nhiều mô hình lực cắt khắc nhau, nhưng có thê tổng quan thành 2 loại mô hình lực cắt: mô hình lực cắt xem đao là vật rắn tuyệt đối cửng, mô hình lực cắt xer đao là đản hồi |11|

Dưới đây trình bày khái quát về các thành phần của lực cất trong gia công phay Các mồ hình tỉnh toán lực cắt cụ heo các phương, pháp khác nhau được trinh bảy trong Chương 3

4.2.3.2 Các thành phần của lực cắt trong gia công phay

Lực cắt If sinh ra khi gia công phay nhằm chồng lại lực biến dạng và ma sát tác đụng lên đao Lực cắt E có phương, trị số và điểm đặt luôn biến đối trong quả tình

1ã

cắt do các yếu tô cất luôn biến đôi Khi tính toán, ta coi điểm đặt lực F năm ở giữa

phân lưỡi cắt chính tham gia cắt

ä Mô hình tình lực cắt khi phay bằng các loại dao phay ngôn đầu phẳng và

ác thành phẩn lục cắt và lực lác đụng lương hỗ của lực cắt lên đao và đối tượng

gia công có điểm đặt lực tại điểm cắt giữa dao và đổi tượng gia công, cáo lực nay

cũng phương, nhưng ngược chiều và cùng độ lớn Trị phương của các tltảnh

lực cắt ở từng thời điểm khác nhau trong góc tiếp xúc 6 là không như nhau T.ực

Ty — lực có phương vuông góc với lực Fz

Xác định gần đúng quan hệ giữa cáo lực thành phần lực l„„ ly, t„ với lực tiếp tuyến

khi phay bang dao phay mặt dâu dược thể hiện ở hãng sau

Băng 1.1 Tỉnh các lực thảnh phần lục Fx, Fạ, E› theo lực tiếp tuyến F, |22|

Các thành an Phay không đổi xúng

| phân lục | Phay đổi xứng Phay thuận Phay nghich

Fs (03+ 044 mm đ 30)

tạ (0,5 : 0,35)F; (0.5 : 0,55)Fe (0.5 : 0,55)Fe

* Xác định lực tiếp tuyến tức thời H; [22]

thuộc vào sự thay đôi điện tích cắt, Tại mỗi thời điểm xác định được các thành phân

lực cắt túc thởi tác dụng lên mỗi răng dao tham eia cắt trong cưng tiếp xúc 6, thi sé

xác định được long cáo lực thành phân tức thời đó lác đụng lên toàn than dao

Lực oắt tiếp tuyển đo Z răng củng tham gia cẮt:

4x - lực tgp tuyển tác dụng lên răng thit i:

2m, 4p - giới tạm phia dưới và phía trên của phẩn cắt ũa răng thứ ¡ do thoo chiều

cao trục dao

dpi - pha tổ lực tiếp tuyên tác dụng lên phân tổ diện tích cắt dễ của răng thử ¡

lực cất đơn vị phụ thuộc vật liệu gia công, cỉ liều đây cất và góc nghiêng của

lực cắt đơn vị là một lượng thay đổi, qw (N/mm2)

Ở - hệ số phụ thuộc vào vật liêu gia công và thông số gúc trước của đạo

- chiêu đây cắt đo răng thứ ¡ cắt ra

mm - số mũ, phụ thuộc vào tĩnh chất của vật liệu gia công, độ môn của dao và điều:

Hình 1-8 Mỏ hình tính lực của đao phay ngón khi phay [24] + [26]

Vector biểu điển lực cắt đo Z răng đồng thời tham gia cắt trong hệ trục xyz

Trong đó:

— lực cắt thành phần theo phuong u (u ~ x,y,z) do Z ring tham gia cat

=

Tỉ - lực cắt thanh phản theo phương t (u = x,y,Z), tác dụng lên răng thứ ¡ của hưỡi cắt

zy (0i(z)), Zj2(0i(2)) - giới hạn phía dưới và phía trên của phản cắt của răng thứ ¡ đo

theo chiều cao trục đạo

di, ~ lực cắt phân tổ theo phương tr ít = x,y,2), tác đựng lên phân tố của lưỡi cắt ¡

*#ZCt„ — na trên biểu diễn hướng của hệ iru tar trong hệ trục xy

—cos8, —sin@sink —sinlcosk”

0,(2)- góc vị trí của phân tổ của lưỡi cắt ï (góc ăn dao):

80)=6()+8, — CA), i 7 on = Ey, a, 1-93 272

% - góc hợp bởi lục đfa với trục của dao; Z — số răng của dao; w⁄) — góc lệch

hướng tâm; n — số vòng quay của dao trên một phút

đEm — vector biểu điện lực cắt phân tỏ, tác dụng lên phân tổ của lưỡi cắt ¡ của dao, trong hệ trục tar

Tại một thời điểm t tại diém P bat ki, một phân tổ của lưỡi cắt ¡ thực hiện gia công,

khi đỏ các phân tổ lục cắt d's, đa, đi lần lượt theo hướng tiếp tuyên, hướng tâm

và chiều trục tương ứng tác dụng lên diém P-

Ở đây

Kee, Kees Kae ~ hé 36 luc eat tiép tuyển, hung tâm và hướng trục

Kuz, Kee, K„ - lân lượt là các hệ số lục cắt cúa răng theo cáo phương tiếp tuyến, hưởng kinh và hưởng trục

để - chiều đài phân tổ của lưỡi cắt ¡ của một đoạn cắt cạnh xoắn ốc có thế được

dua ra nhu sau

đi: - chiều đải cắt theo hướng: dọc theo vận lốc cất

ai(Ô¡&) — chiêu đảy cắt do phản tổ lưỡi cắt ¡ thục hiện gia cảng

a(0,)— 8, sind, sink (1.30)

| Phan đao phay hình nôn đoạn OM (0 < z< Mz)

1) 22 x), HQ) — Vn, (2) — MEE G30

G08 Œ

œ(⁄3- œ6-góc xoăn được coi lả không đổi ở gi

+ Phân dao phay hình đới cầu doạn MỊN (Mz <

đúc xoắn &@(z) thay đôi dọc theo rãnh xoắn của đao

oe góc xoắn không déi

ø; - gốc xoắn không dỏi dọc theo rãnh xoăn

L908

Lied đường dẫn của rãnh xoắn của dao

Trong phương trình động lực học của robot lực cất là

dung cu cất, thông số bình học của dụng cụ, chị hình học lớp cắt và

điều kiện gia công, thiết bị gia công {22] Với bài toán điều khiển robot thực hiện

chuyển động tạo hình (nhiêm vụ trung tâm của việc ứng dụng gia công phay trên) thì lực cắt là một trong các thành phân quan trọng trang phương trình vi phân chuyển động của robot Do đó việc nghiên cửu động lực học của quá trình cắt nói chung và tính toán xác định lục cốt nói riêng đã trình bày là một trong các nội dụng quan trong

để thục hiện việc thành lập mô bình động lực và điều khiên robot trong gia công phay

c nội dung cửa luận án khi áp dụng phương pháp điều khiến ‘ra’, phỏ biển trong điều khiển robot

Mặt khác, qua nghiên cửu cho thấy những mặt khó khăn, hạn chế của các phương pháp điều khiến đựa trên mô hình động lực của robot với việc tính toán lực cắt thiểu chính xác, hiôn tên tại yếu tố bát định như trên, đã tạo động lục để luận án thực hiện

các nghiên cửu nhằm tìm cáo giải phán khắc phục ảnh hưởng của việc tính toán không

chính xá cắt Đó lả luận an dưa ra phương pháp hiệu chuẩn việc tỉnh lực cắt dựa trên tín hiệu nhận được lừ cảm biên của hệ thống điều khiển cùng với việc áp dụng

thuật toán động lực học ngược dễ dâm bảo chơ robet gia công Tiếp theo, luân án nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển logic mờ để điều khiên chuyên động cho robot gia

công nhằm giấm thiểu vả loại trừ ảnh hưởng của tỉnh bắt định của lực cắt nâng, cao

hiệu quả gia công cho rơboL

1.3 Cơ sở động lực học gia công phay trền robot

1.3.1 Sự cần thiết khảo sát động lực học robot gia công

‘Mot trong những nhiệm vụ quan trọng của gia công cơ trên robot trong phải đảm

báo chuyển động tạo hình Quá trình gia công cơ là một quá trình động lực Việc xác

định các lực cắt, quyết định việc xác định các lục suy rộng không thề trong mô hình động lực học của robot Độ chỉnh xác chuyển động của robot phụ thuộc vào các lực dẫn động được điều khiến của các động cơ lại các khớp và các lục cắt sinh ra trong quá trinh gia công Dộ chính xảe chuyên động, cúa robot lại quyết định độ chính xác gia công Vì vậy, bài toán khảo sát động lực học của robot khi phay là một trong

những bài toán quan trọng nhất

Động lực học quá trinh gia công cất gọt là cơ sở cho quả trinh tỉnh toán, thiết kế,

gia công, chế tạo và sử dụng robot gia công cáo chỉ tiết cơ khi Dề robot gia công cắt gọt dược các chỉ tiết theo yêu câu kỹ thuật thì dụng cụ cắt cẳn dược điều khiển dễ thực hiện chưyển động tạo hình trên đường dung cu, dam bảo chính xác về vị trí, hưởng, vận tốc, gia tốc giữa dựng cụ và chủ tiết gia công, Chuyên động tạo hình của dụng cụ là sự tổng hợp của nhiều chuyển động thành phần của các khâu, các khớp phải đảm bảo qui luật chuyến động vẻ vi trí, hướng, vận tốc, gia tốc theo đứng phương trình động học của robot Chuyển động các khâu dược thực hiện bởi mồ men/lực dẫn động tại các khép Khi robot thực hiện gia công cơ, các ngoại lựo sinh ra gồm lực cắt, lực ma sát, phản lực liên kết khớp động Lực cắt sinh ra tác dụng lên dụng cụ cất, phân lực liên kết khép động tác đụng lên cáo khép của khâu Đé dẫn động, điều khiển robot gia công chính xác cần xác định được các lực cắt tác dụng lên robot và

sự tương tác giữa dựng cụ cất với đôi lượng gia công trong quá trình gra công

1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát của robot

Thương trừnh động lực học của robot khi gia công phay có đang tổng quát như sau:

Trong dé:

M(q) - ma tran khéi lương suy rộng của robot

4.4- lin hrot la vector toa 45 khdip va vector đạo hám cấp một, cấp bai cửa q

wa, 4)- Vector lực suy rộng của lục Coriolis và lục ly tâm

G(q) vector lực suy rộng của các lục có thế tác dụng lên robot

Q—veeter lực suy rộng của của các lực không có thê tác dụng lên robot, trong luận

án là lực suy rộng của các lực cắt trong quá trình gia công phay

'U_— vector lực suy rộng của các lực dần đông

Để thành lập được phương trình vi phan chuyển động của robot ở trên, cân tỉnh: cáo thông số động lực học, các đại lượng như lọa khối lâm cửa các khâu, ten xơ quản

tính của các khâu, động nẵng, thế năng, lực suy rộng của các lực có thể và các lực

Các thông số động lực học có thể tính dựa trên các công, thúc hoặc dựa vào việc

đo trên thực tế các khâu khớp của roboL Ten xơ quản tính có thế xáo định dựa trên

mé hình các khâu khỏp trong các phan mém thiét ké 3D nhu Autodesk Inventor, Solidwork, Các thông số này có thể được hiệu chỉnh chính xác trên mô hình thực

của robot

Riêng lực cốt sinh ra lrong quá trình gia công là đại lượng luôn thay đối, khỏ xác định và ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của mỗ hình động lực học

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học robot khi gia công

Cac yêu tổ ảnh hưởng đến khả năng đạt độ chính xác gia công của robot như khó

tính toán chinh xác xu6 hình dộng học, dộng lực học, độ cửng vững của robot khong cao, ảnh hưởng của lực tác động bên ngoài dễ gây ra dao động Các yéu t6 dé din

đến sai số của mô hình động lực họa, sai số của một số đại lượng trong phương trình

vị phân chuyển động cửa robot Điều dó cũng dẫu đến sai lệch chuyển động lo hình của robot, ảnh hướng đến độ chính xác gia công Mặc dù vậy, trong các yêu tổ gây niên sai số của các đại lượng động học, động lực học thì các sai số của các thông số hình học và các thêng số động lực học như độ dài, kích thước góc, khối lượng, ten xơ quản tính, có thể loại bö hoặc giảm thuểu trong quả trình hiệu chuẩn robot |2|, |7 |, I2]

Lực cắt lá một yêu tổ ảnh hướng quan trọng trong phương trình động lực cúa robot

Độ chỉnh xác tính toán lực cắt sinh ra trong quá trình gia công ảnh hưởng khả năng điều khiễn chuyển động thao tác của robot Lực cắt phụ thuộc nhiều yêu tổ như vật Tiêu, tắc độ cắt, lượng clay dao, chiêu đây lớp cắi, Khi các thông số này lá hằng số thủ giá trị lực cắt có thể là hằng số, nhưng hướng của lực cắt thay đổi do hình dạng hình hoc bê mặt gia công phức tạp Ngoài ra, lực cắt tác dụng vào khôu thao tác ở cuối chuỗi động học nhiều khâu nên việc tính toán, biểu điễn lực suy rộng của lực cắt trong phương trình vị phân chuyển động của robot là phức tạp Lhông thường người 1a xác định lực cất nhờ công thức thực nghiệm trong cáo số tay kỹ thui, nhưng số có sai số không nhỏ Để tăng độ chính xác khi xác định lực cắt trong phương trinh vị

phân chuyên động của robol, có thể sứ dụng các cảm biến đo lực Điều máy có thể làm phúc tạp hệ thông công nghệ, tăng giá thành sản phẩm

Trong luân án này trình bảy khảo sát bài toán dông lực hoc khi kế dến sự thay đối của lực cắt trong quá trình gia céng Nhur vay, hrc oat là hàm của thời gian và được tính toán ở mỗi thời điểm Ngoài ra, mặc dù được tính toán tại mỗi thời điểm nhưng

tinh Loan theo eng thức thực nghiệm luôn lồn tại sai số Phương pháp hiệu chỉnh lực điều khiển dựa trên tỉnh toán lượng sai lệch của lực cắt trong quá trình gia công má

không đùng thiết bị đo lục cắt được trình bảy trong luận án

1.4 Tổng quan vẻ tỉnh hình nghị ên cứu trong và ngoài nước vẻ mồ

hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay

Nghiên cứu vẻ động học, động lực học vả điều khiển robot được viết ở các tải liệu [30] + [35] kha day du, nhưng các kết quả nghiên cứu chưa giải quyết các bải toán gia

21

công trên robot như chưa tính toán, thiết kế quỹ dạo chuyển động của robot gia công tạo hình bể mặt, clra tính toán ảnh hướng của lực cắt đến động lực học và điều khiến robot gia công

Nghiên cửu về động học, lộng lực học và khiển của robot tác hợp ch

bản máy) trong gia công cơ gồm có: nghiên cửu động hợc của robot với thiết kế quỹ chuyển động cho robot, lập phương trình động lọc và giải bài toán động học cho bé robot ~ bàn máy khi gia céng co khi tbe wai bể mặt chi tiết [36] : (39 Nghiên cứu động lực học cho robot gắm lập phương trình vi phân và giải bài toán động lực học cho hệ robot - bản máy trong gia công cơ khí như mãi bề mặt chỉ tiết [37] + [39]

Nghiên cửu thiết kế bộ điều khiến PD trong không gian khớp và bộ diễu khiến mờ dễ

điêu khiển chuyển động của bệ robot - bản máy khi gia công mài bể mặt chỉ tiết [3 [39] Cac nghiên cửa ở dây chưa xét dên ảnh hưởng của phản lực khớp động, lực cất đến động lực học và điều khiến robot

Nghiên cửu động lực học quá trình cắt trong gia công tạo hình bể mặt: xây dụng

xô hình tính lực cất, thiết lập công thức tính lực cất; ãnh hưởng của vật l

vật liệu làm dụng oụ cắt, chế độ oắt, thông số bình học của dụng cụ

công dễn lực cắt, ảnh hưởng, của lực cất đến công suất cắt, công cắt, nhiệt cất, quy luật mài mỏn của dụng cụ cắt |40| : |43J Những nghiên cứu này chưa để cập về động học, động lụo học và điều khiên robot trong gia công cơ khí

Các nghiên sử dụng mộ hình lực cắt phay tĩnh và dộng của các máy phay công cụ, may phay CNC cho robot gia công cơ khi được trinh bảy trong các tài liệu [19], [44] + [48] Do câu trúc của robot khác với các máy công cụ và may CNC, niên việc áp dụng các mô hình lục cắt của các máy nảy vào giải các bải toán gia công cho robot

chữa tính dến các yêu tố đặc thủ riêng liên quan đến câu Irúu của robot

- Nghiên cửu về các yếu tổ ãnh hướng đền độ chính xác (khá năng lặp lại vụ trị,

hướng, độ chính xác và độ phân giải) gia công của rơbot [49]: sai số do môi trườt sai số phụ thuộc bản thân robot gêm sai số hình học (sai số vẻ độ đài các khâu, sai

lắp ráp ), sai số phi hình học (sai số do biển dạng, do mon ) va sai số hệ thông; sai

86 do quả trình gia công do các nguyên nhân lâm thay đối lực cất [19], [44], [50] Chưa có nghiên cửu nảo ở đây viết về cách hiệu chính lực điều khiển thông qua việc

giải phương tình vì phân chuyển động cửa robot trong quá trình gia céng cơ khi Các nguyên nhân chưa được làm rõ về phản lực của kop động ảnh hướng thế nào đến chuyển động của các khâu - khớp rohol; sai lệch giữa lực cắt tính theo công thức thục nghiệm đầu vào và lực cắt ở đâu ra của phương trình đêng lực học khi gia công làm giảm dộ chính xác của robot như thế nảo

- Các nghiên cứu về các phương pháp nâng cao độ chính xác gia công của rabot: 1iiểu chuẩn (bù sai số) động học và động lục họơ qua mỏ hình động hợc và động lực học hay qua phân mêm của bộ điều khiến [49], [51] + [55] Phuong phap bi: sai số gián tiếp là bù những sai lệch đã được dự liệu, được tính toán trước vào trong chương, trình phần mêm gia công của robot [56] + [62] Phương pháp pháp bù sai số trực tiếp tại thời điểm gia công là từ các thiết bị đo, xác định được sai số gia công, từ đó điều khiển robot bi trực tiền sai số hoặc đảng cóc thiết bị bù sai số nie thar [8], [46], 163] : 171] Phương pháp tôi wu hóa các thông số cắt, qui dao cắt, chiến lược gia công dễ nông cao độ chính xác gia công [20], [11], [72] : [81] Phương pháp điều khiển nâng cao độ chính xác như điều khiến thích nghị, điêu khiển trở kháng, điển khiển

mờ, điều khiến mạng nơ ron [29], [74], [82] z [S8] Phương pháp thay đổi câu trúc

xobot đễ nâng cao độ cứng vũng |89| Các nghiên cửu ở dây chưa trình bảy về cảch xác định lực cắt, cũng như xác định các phản lực khớp động qua mô hình động hực học của

robot, chưa có bủ sai lệch giữa lực cắt tỉnh theo công thức thực nghiệm từ đầu vào, vá

đầu ma của mô hình động lực đựa trên việc giải phương trình động lực học hay qua bộ diễu khiển dễ giúp nâng cao dộ chính xá gia cổng cơ khí trên robot

~ Nghiên cứu sử dụng mô hình reboLnôi tiếp 6 bậc lự do, đao phay ngón Tăng xoắn tiến hành gia công phay Nghiên cửu về động học, động lực học vả tác động của lực lên dụng cụ cất do độ cúng của robot không cao làm các khớp bị biến dạng đàn hồi dan đến điểm cắt trên đụng cụ dịch chuyền sai lệch so với đường dụng cụ, để gia công đạt được độ chỉnh xác tiễn hành hiệu chính bú sai lệch Lực cắt được xây dựng

bằng cách chúa đao cái hành nhiều đĩa trông, lục cắi ở răng thứ 1 trên đĩa tông c khí

tham gia cất gồm lực cất tiếp tuyến, hưởng kinh, hưởng trục dược xác định lá hàm của hệ St, chiêu dày cắt và độ dày đĩa mồng Bằng công cụ toán bọc sẽ xác đình

cập đến dùng phương trình đông lực học dễ tìm lực cặt và phân lực tại các khớp động

khi rohot tiễn hành gìa công cơ khí Các lực nói trên la một trong nguyên nhân làm

các khâu, khớp bị biến dạng đản hỏi dân dên vị trí cất trên dụng cụ bị sai lệch sơ với

yêu cầu công nghệ

Qua tổng quan các nghiên cứu trong, và ngoài nước ở trên, nhận thấy cỏ rất nhiều các nghiên cứm khác nhau liên quan đến tng dụng gia công cơ khí trên robot Tuy

nhiên, chưa cỏ cổng trinh nghiên cửu nảo trình bảy tổng quát, đây đú, rõ ráng vá chỉ

tiết về việc mô hình hóa động lực học và điều khiển cho hệ robot - bản máy có n + mà

bậc tự do thực hiện gia công phay Việc thành lập mỏ hình động lực học của robot sia công phay bằng lập trinh trên máy tính chưa thấy dược trinh bảy dầy đủ trong các công trình đá công bổ Trong các công trình công bổ, việc áp dụng bộ điều khiến logie

mở cho robot gia công phay tao hinh clara dược trinh bảy đây đủ cho mô hình robot

có nhiều bậc tự do Vẫn còn những vẫn để cân giải quyết liên quan đền thiết kế quĩ đạo chuyển động cho robot gia công tạo hinh, liên quan đến việc kiểm soát và khắc phục ảnh hưởng của sự biên đổi của lực cắt đến độ chính xác giá nông, Đây cũng là

những vân đề mà luận án đặt ra để nghiền cứu và giải quyết

1.5 Cac van đề nghiên cửu trong luận án

"Như dã trinh bảy ở trên, tay đã và dang có những nghiên cứu liên quan dén robot gia công cơ Tuy nhiên, đẻ nâng cao hiệu quả, khả năng ứng dụng gia công co khí trên robot, cãi thiện độ chính xác gia công của robot thì vẫn còn nhiều vấn dễ cần

tổng quan các công trinh nghiên cứu, những vân để cân phát triển cũng là nội dung

nghiên cửu, giãn quyết của luận ám Cụ thể luận án có nội đụng nghiên cứu các vấn

để trình bảy đưới đây

Luận án lựa chọn mô hình robot tổng, quát vá phù hợp đúng trong gia công phay la

hệ robot — bàn máy, robot cau trúc đạng chuỗi có n bậc tụ do, bàn máy có m bậc tự do; robot mang dung cu va ban may mang chủ tiết cùng phối hợp chuyển động theo

chương trình đề thực hiện quá trình gia công nhăm làm tăng khả năng gia công, mở

xộng không gian thao tác

Các nghiên cứu trong các bài toán ứng dụng trong luận án, có đổi tượng nghiền

cứu là các mã hình hệ robot — đổ gá (bàn máy) cổ định, hệ reboi-bàn máy đi động (còn gọi là robot tác hợp MRM) Mô hình hệ robot - bản máy cỗ định có đối tượng

gia công được kẹp chặt trên bản máy cổ định, robot 6 bậc lự đo là đũ đâm bảo đạt dược vị tí và hưởng dụng cụ dễ thực hiện gia công phay tạo bình bê rnặt từ đơn gián đến phúc tap Tay nhiên, đề mở rộng không gian thao tác của robol, hoặc lựa chọn tur thể gia công thuận lợi, thì đùng mô hình hệ robot - bản máy di động, với robot có 6 bac lự do, ban nuiy có một hoặc hai bac lr do chuyéu doug Kho dé, hé robot - bản máy di động có thể gia công được những chỉ tiết lớn, có nhiều bê mặt phúc tạp, giảm

số nguyên công gá đặt Một cách tổng quát, gọi tên chung cho hệ robot bản máy cố định, hệ robot — bản máy di động, là hệ robol-bàn máy, hệ robot, hoặc chỉ đơn giãn 1a robot

Luin an khao sat, déng hoe robot gia céug phay gdm viée xay dung md hinih dng học, thiết lập các phương trình động học, đưa ra giải thuật và chương trình tỉnh toàn động học Phương pháp thiết kế thiết kế quỹ ì uỹ dạo động học cho robot gia công phay tạo hình bề mặt các chỉ tiết từ đơn giản đến phíto tap Luận án khảo sát động lực học robot gia công cơ bao gồm xây dựng mỏ hình dộng

Tục học, tiết lập phương trình vì phân chuyên động Đưa ta các thuật Loáu cho phép,

lập trình trên máy tính dễ thiết lập mô hình động lực học cho robot gia công cơ khí một cách thuận lợi Đưa ra giải thuật và chương trình tính toán động lục học, xác định các đại lượng động lực học trang phương trinh vị phân chuyên động Tính phán lực tại khỏp động, tính lực cắt và liệu chính lực điều khiển theo sự ảnh hướng của lực cắt thông qua mê hình động lực học khi robot thực hiện quá trình phay

Luận án nghiên cứu thiết kế bộ diễu khiển dộng lực học ngược kết hợp với võng ngoài PD có khối bù và hiệu chính tính toán lực cất, mô hình hóa và mỏ phông bộ

điều khiển trong không gian khớp và không gian thao tác, tỉnh toán các lực din dang

plat hợp để nâng cao độ chính xác điều khiến, nâng cao độ chỉnh xác thao tác của

robot, nhằm đám báo việc gia công phay tạo hình các bề mặt chỉ tiết có hình dang

phúc lạp

Tận án nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiến logic mờ đẻ điền khiến chuyến động

cho robot gia công nhằm giâm thiểu và loại trừ ảnh hưởng của các yếu tổ bất định cửa các đại lượng trong phương trình đậng lực học như yếu tổ bắt định của lực cắt dé nâng cao hiệu quả, dộ chính xác gia công cho robot

Chương 1 đã trình bày tổng quan về ứng đụng robot công nghiệp trong gia công

eo, đặc biệt là gia công phay, lam rõ những tru thể, những lợi ich, tiêm năng, ý nghĩa cấp thiết của việc nghiên cứu và ứng dụng roboL rong gia công cơ Đông thời cũng phân tích, chỉ ra những khó khăn, thách thức của việc áp dựng robot công nghiệp

trong gia công cơ, những giải pháp cần nghiên cửu dễ nâng cao khả năng áp dụng của

robot trong gia céng oc

Các vẫn để liên quan đến cơ sở gia công cắt gợt của robơt cũng dược trình: bay bao

gồm cơ sở động học, động lực học quá trình gia công phay Cơ sở động học gia cộng cắt sợt bao gồm các yêu tổ chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt được trình bảy làm

cơ sở cho việc tỉnh toán bài toán động học gia công tạo binh eda robot & các chương:

sau Cơ sở động lực học của quả trình phay được trình bày gồm tầm quan trọng, ý nghĩa, co sở của việc tỉnh toán lực cắt, các yêu tô ảnh hưởng đến lực cắt khi phay Từ

đó, phân tích và làm rõ các vấn để của bải toàn động lực học của robot gia công phay, làm liên để đề đưa ra hướng nghiên cứu, giải quyết ở Chương 3

Từ hướng nghiên cửu, Chương 1 thực hiện khảo sát tổng quan về các công trình nghiên cửu trong và ngoài nước có liên quan, đưa ra những đánh giả, nhận xét

quát về các vấn đề khoa học mã các công trình đã công bổ, nêu bật những vấn đề đã

và dang cần tiếp tục giải quyết để nâng cao khả năng gia công của robot Từ các phân tích, Chương 1 đã lựa chẹn được mỏ bình đổi tượng nghiên cứu là mô hình hệ robot

~ ban may tông quất, phủ hợp với gia công cơ nói chung vả gia công phay tạo hình bể

xnặt chỉ tiết tới riêng, Chương cũng đá xáu định được các vẫn để nghiên cứu của luận

án sẽ trình bảy trong các chương tiếp theo, bao gdm mé hinh hoa va giai quyết các bài loán động học, động luc học; thiết kế các hộ điêu khiển cho hệ robol bàn máy trong gia công, Kết luận của Chương cũng chính la những đông gớp của chương này,