TÍNH TOÁN ĐỘNG học, ĐỘNG lực học máy PHAY CNC 5 TRỤC ảo KIỂU HEXAPOD

LỜI CẢM ƠNTrong quá trình thực hiện đề tài " Tính toán động học, động lực học phay CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod ", em đã đạt được một số kết quả nhất định: Tìm hiểu được cấu trúc máy song

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MÁY PHAY CNC

5 TRỤC ẢO KIỂU HEXAPOD

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CƠ ĐIỆN TỬ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-KS NGUYỄN TIẾN THỊNH

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MÁY PHAY CNC

5 TRỤC ẢO KIỂU HEXAPOD

CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCCÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN HỒNG THÁI

Hà Nội – 9/2014

LỜI CAM ĐOAN

Tên em là Nguyễn Tiến Thịnh, học viên cao học khóa 2012B.CĐT.KH chuyênngành Cơ Điện Tử Sau 2 năm học tập, nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội, được sự giúp đỡ của các thày cô giáo, đặc biệt là PGS.TS Tạ Khánh Lâm

và TS Nguyễn Hồng Thái, em đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Em xin cam đoan đề tài luận văn “Tính toán động học, động lực học phay

CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod” là công trình nghiên cứu của cá nhân em dưới dự

hướng dẫn của PGS.TS Tạ Khánh Lâm và TS Nguyễn Hồng Thái và chỉ tham khảocác tài liệu được liệt kê Em không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất

kỳ hình thức nào Nếu có, em xin hoàn thành chịu trách nhiệm

iii

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Người cam đoan

Nguyễn Tiến Thịnh

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài " Tính toán động học, động lực học phay

CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod ", em đã đạt được một số kết quả nhất định: Tìm

hiểu được cấu trúc máy song song kiểu hexapod trong gia công cơ khí, tính toánđộng học, động lực học và điều khiển, thực hiện mô phỏng gia công trên OpenGL

Em xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của PGS.TS Tạ Khánh Lâm, TS.NguyễnHồng Thái và các thầy cô trong bộ môn đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho

em hoàn thành đề tài này Tuy nhiên, với kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên luậnvăn không thể tránh được những thiếu sót và chưa thể hoàn thiện như mong đợi,kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến để đề tài được hoàn thành tốt hơn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Tiến Thịnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 2

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 2

Chương 1 3

TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 5 TRỤC ẢO 3

KIỂU HEXAPOD 3

1.1 MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC HỞ TRUYỀN THỐNG 3

1.2 CÁC MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC SONG SONG 6

1.2.1 Sự phát triển của máy có cấu trúc chuỗi động học song song 6

1.2.2 Sự phát triển của máy công cụ CNC có cấu trúc chuỗi động học song song.9 1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CƠ CẤU SONG SONG 12

1.4 NHỮNG NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ VỀ MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC ĐỘNG HỌC SONG SONG 13

1.5 TÍNH ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT KHÔNG GIAN TRÊN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC 14

1.5.1 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu cầu 15

1.5.2 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu bằng 16

1.5.3 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu xuyến 17

1.5.4 Định hướng trục dụng cụ trong hệ tọa độ phôi 18

1.5.5 Xây dựng các hệ quy chiếu trong phay CNC 5 trục 21

1.5.6 Hệ quy chiếu lực cắt trong gia công CNC 5 trục 23

1.6 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 27

Chương 2 28

PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC MÁY CNC 5 TRỤC ẢO KIỂU HAXAPOD 28

2.1 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY 28

2.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ 31

2.2.1 Giải bài toán động học ngược 35

2.2.2 Phương pháp điều khiển bài toán động học ngược trong gia công cơ khí35 2.2.3 Thuật toán điều khiển động học trong gia công các bề mặt phức tạp 37

2.2.4 Ví dụ áp dụng 41

v

2.3 BÀI TOÁN VẬN TỐC 51

2.3.1 Vận tốc dài và vận tốc góc của giá di động 51

2.3.2 Ma trận jacobi 56

2.3.3 Vận tốc góc các chân 59

2.3.4 Vận tốc trọng tâm của từng chân 60

2.4 VÍ DỤ ÁP DỤNG 61

Chương 3 64

BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 64

3.1 BÀI TOÁN GIA TỐC 64

3.2 XÁC ĐỊNH GIA TỐC VÀ GIA TỐC GÓC CỦA KHÂU THAO TÁC 65

3.3 GIA TỐC TRỌNG TÂM CÁC KHÂU 65

3.4 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG PHÁP NEWTON-EULER 66

3.4.1 Xét cho từng nhánh chân 66

3.4.2 Xét riêng khâu 2 của nhánh chân thứ i 70

3.5 Ví dụ áp dụng 71

KẾT LUẬN 81

I Về mặt lý thuyết 81

II Về mặt thực tiễn 81

III Các đề xuất phát triển hoàn thiện kết quả nghiên cứu của luận văn 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 84

PHỤ LỤC A: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MATLAB 84

1 Hàm tính toán độ biến thiên chiều dài chân 84

3 Hàm tính toán và vẽ đồ thị độ biến thiên vận tốc góc 87

3 Tính toán gia tốc góc các chân tại điểm tạo hình CCi 89

4 Tính toán vận tốc dài từng chân tại điểm tạo hình CCi 91

5 Tính toán vận tốc trọng tâm từng chân tại điểm tạo hình CCi 93

6 Tính toán gia tốc trọng tâm từng chân tại điểm tạo hình CCi 97

PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TRÊN VISUAL C SỬ DỤNG THƯ VIỆN OPENGL 104

1 Chương trình đọc file dữ liệu đầu vào dạng txt 104

2 Chương trình tính toán đưa ra thông số điều khiển 105

3 Chương trình mô phỏng 111

PHỤ LỤC C: THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC TỪ SOLIDWORKS 116

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

vii

Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa

CNC Computer numerical controlled_Điều khiển số bằng máy tính

Aj Tọa độ khớp cầu thứ j trên giá cố định (j  1  6)

Bji Tọa độ khớp cầu thứ j trên giá di động tại thời điểm thứ i

ϑu Hệ quy chiếu gốc máy RBSS: ϑu{OXYZ}

dji Chiều dài chân thứ j tại thời điểm thứ i

R Bán kính đường tròn đi qua các khớp trên giá cố định

r Bán kính đường tròn đi qua các khớp trên giá di động

aj Tọa độ của khớp cầu thứ j trên giá cố định (j  1  6)

bj Tọa độ của khớp cầu thứ j trên giá di động so với gốc tọa độ

AjBji Chiều dài chân thứ j tại thời điểm thứ i (j  1  6)

P Tọa độ của gốc P đặt tại tâm giá di động so với gốc tọa độ

sji Véc tơ chỉ hướng của của chân thứ j tại thời điểm i ( j  1  6)

d Chiều dài chân thứ j tại vị trí “0” ban đầu.

dmax Giới hạn hành trình trượt lớn nhất có thế của mỗi chân

dmin Giới hạn hành trình trượt nhỏ nhất có thể của mỗi chân

0

T CL Tọa độ tâm dao tại vị trí “0” ban đầu.

H Tọa độ theo trục z của giá cố định ϑ 1 so với giá cố định ϑ 0

lc Khoảng cách từ tâm bán cầu dao so với hệ quy chiếu động ϑ 2

i

T CL Điểm định vị dụng cụ tại thời điểm thứ i

CCi Điểm tạo hình trên phôi tại thời điểm thứ i

j L Tổng mô men động lượng của hai khâu 1 jvà 2 j(nối với nhau

bởi khớp trượt) tác dụng lên A j ji

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Tính chọn góc điều khiển hướng thực của RBSS 28

Bảng 3.2 Các giá trị lực cắt lớn nhất trong mô phỏng và trong

thí nghiệm của dao đầu cầu trong phay CNC 5 trục

74

Bảng 3.4 Bảng trích ngang quỹ đạo mô phỏng lực 77

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Máy CNC 3 trục của hãng MAKINO Nhật Bản [14] 4

Hình 1.2 Máy CNC 5 trục DMU 50 của Okuma [14] 5

Hình 1.3 Rạp chiếu phim được đề xuất bởi J.E Gwinnet [3] 6

Hình 1.4 Cơ cấu Gough platform thử độ mòn lốp máy bay [14] 7

Hình 1.5 Cơ cấu mô phỏng bay của Cappel [14] 7

Hình 1.6 Robot song song được ứng dụng trong mổ nội soi [14] 8

Hình 1.7 RBSS ứng dụng trong dây truyền phân loại đóng gói bánh quy của hãng Demaurrex [7] 8

Hình 1.8 Máy phay Variax của Gridding & Lewis [14] 9

Hình 1.9 Cấu trúc trực giao IRCCyN [6] 10

Hình 1.10 Máy song song – DOF [7] 10

Hình 1.11 Robot song song 6 bậc tự do Hexaglide, Đức [14] 11

Hình 1.12 Máy Hexa của hãng Toyoda Nhật Bản 11

Hình 1.13 Robot Delta của hãng Hitachi Seiki 11

Hình 1.14 Máy PM-600 của hãng Okuma, Nhật [14] 12

Hình 1.15 Mối quan hệ giữa dụng cụ và phôi [7] 14

xi

Hình 1.16 Thông số hình học chọn điểm định vị và vectơ đơn vị trục dụng cụ 15

Hình 1.17 Quỹ tích điểm định vị dụng cụ ( ) đối với dao phay ngón đầu cầu [1] 16

Hình 1.18 Quỹ tích điểm định vị dụng cụ ( ) đối với dao phay ngón đầu bằng [1] 17 Hình 1.19 Quỹ tích điểm định vị dụng cụ đối với dao phay ngón đầu xuyến [1] 18

Hình 1.20 Định hướng dụng cụ trong hệ tọa độ điểm cắt CCi [1] 19

Hình 1.22 Dụng cụ cắt được điều khiển nghiêng bởi hai trục quay 21

Hình 1.21 Sơ đồ tính đường dụng cụ trong gia công 5 trục đối với dao phay ngón đầu bằng 21

Hình 1.23 Miền giới hạn vùng dụng cụ 23

Hình 1.24 Mô hình cắt lớp của phần thân trụ dao phay đầu cầu 25

Hình 1.25 Độ dày phoi trong hệ quy chiếu điểm cắt 27

Hình 2.1 Robot Delta của hãng Hitachi Seiki 28

Hình 2.2 Robot song song 6 bậc tự do Hexaglide, Đức [14] 29

Hình 2.3 Máy CNC 5 trục ảo PM-600 của hãng Okuma, Nhật [14] 29

Hình 2.4 Máy công cụ hexapod phát triển tại trường đại học U.A.E [13] 30

Hình 2.5 Mô tả sơ đồ nguyên lý và đặt hệ quy chiếu 31

Hình 2.6: Thiết kế kết cấu sơ bộ của robot 33

Hình 2.7 Sơ đồ véc tơ vòng của một chân 34

Hình 2.8 Độ xoắn của tam diện động trên đường cong gia công 37

Hình 2.9 Điều khiển hướng trục dụng cụ 38

Hình 2.10 Tịnh tiến giá di động từ vị trí CL0 đến CLi 41

Hình 2.11 Mô tả vị trí các khớp và hệ trục tọa độ trên giá di động và giá cố định 42

Hình 2.12: Quỹ đạo điểm tạo hình, đường dụng cụ và trường véc tơ hướng trục dụng cụ 44

Hình 2.13 Cấu trúc mô phỏng trên OpenGL 46

Hình 2.14 Giao diện chính 48

Hình 2.15 Load file dữ liệu đầu vào 48

Hình 2.16 Bảng menu điều khiển mô phỏng 49

Hình 2.17 Chọn chế độ hiển thị 49

Hình 2.18 Kết quả mô phỏng độ biến thiên chiều dài chân 50

Hình 2.19 Trọng tâm khâu 1 và 2 của chân thứ j 60

Hình 2.20 Độ biến thiên vận tốc dài từng chân 62

Hình 2.21 Độ biến thiên vận tốc góc các chân 62

Hình 2.22 Độ biến thiên vận tốc trọng tâm 1 từng chân 63

Hình 2.23 Độ biến thiên vận tốc trọng tâm 2 từng chân 63

Hình 3.1 Các lực tác dụng lên khớp liên kết của chân thứ j 67

Hình 3.2 Lực tác dụng lên khớp trượt trong của khâu thứ j 71

Hình 3.3 Mô hình hình học của một vi phân lưỡi cắt 72

Hình 3.4 Hình dạng lưỡi cắt theo các hướng nhìn dọc trục, tuyếp tuyến và pháp tuyến 73

Hình 3.5 Các hệ số lực cắt được xác định theo chiều sâu cắt cho dao đầu cầu 50% phay thuận [24] (Ký hiệu: các giá trị hệ số được xác định (chấm nhỏ), giá trị hệ số trung bình (chấm lớn), đường nối ziczắc (nét đậm), đường cong xấp xỉ bậc 4 (nét mảnh) Đường chấm gạch thẳng đứng biểu diễn vùng phân cách giữa phần đầu cầu và phần thân trụ) 75

Hình 3.6 So sánh kết quả mô phỏng (nét đứt) với lực cắt đo đạc trích dẫn từ tài liệu [24] (nét liền) của dụng cụ phay đầu cầu với phay ngược 50% chiều sâu cắtb 4 (mm), lượng chạy dụng cụ f t  0 , 08(mm/răng)) 76

Hình 3.7 Độ biến thiên gia tốc dài từng chân 78

Hình 3.8 Độ biến thiên gia tốc góc các chân 79

Hình 3.9 Độ biến thiên gia tốc trọng tâm 1 của từng chân 79

Hình 3.10 Độ biến thiên gia tốc trọng tâm 2 từng chân 80

Hình 3.11 Độ biến thiên lực điều khiển từng chân 80

Hình C.1 Thông số động lực học cụm khung đế 116

Hình C.2 Thông số động lực học cụm giá di động 116

Hình C.3 Thông số động lực học khớp chân trên 117

Hình C.4 Thông số động lực học khớp chân dưới 117

xiii

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Quá trình công nghiệp hóa đang là mục tiêu phát triển của nhiều quốc gia trênthế giới, các sản phẩm công nghiệp ngày nay yêu cầu đạt độ chính xác và độ bóngcao, các chi tiết ngày càng tinh xảo và phức tạp Chính vì vậy mà các máy công cụđiều khiển số hay còn gọi là máy CNC ngày càng được hiện đại hóa và được sửdụng rộng rãi trên toàn thế giới Máy CNC được phát triển bắt đầu từ những năm

1940 và trở nên phổ biến từ những năm 1970, ban đầu từ máy 2, 2 ½ , 3, 4, 5 trục,thông thường các máy này có cấu trúc động học hở truyền thống Tuy nhiên đến đầunhững năm 1990 ngành công nghiệp cũng như an ninh quốc phòng đòi hỏi cần tạo

ra những sản phẩm có bề mặt phức tạp, có độ chính xác cao đòi hỏi ngày càng phảiphát triển và hoản thiện các máy CNC thế hệ mới có tính linh động cao hơn bêncạnh các máy CNC chuỗi động học hở truyền thống Từ năm 1990 bắt đầu pháttriển các máy có cấu trúc động học song song nhằm tăng tính linh hoạt của máycông cụ trong quá trình gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp Các máy công cụnày được gọi là các máy có trục ảo và được ứng dụng trong việc chế tạo các máyphay CNC cao tốc sử dụng cho những loại bề mặt phức tạp Cho đến nay hầu hếtcác máy này đã được thương mại hóa ở Mỹ, Nhật Bản và được dùng trong gia côngcác sản phẩm có độ chính xác cao, ngoài ra cấu trúc máy song song còn được ứngdụng trong nhiều nghành công nghiệp khác như trong nghành công nghiệp hàngkhông, trong y học… Những năm gần đây nhiều nước cũng đã tiến hành nghiên cứu

và phát triển kiểu cấu trúc máy này, điều đó được thể hiện qua các công trìnhnghiên cứu đăng trên các tạp chí uy tín trên thế giới Như vậy có thể nói đây là mẫu

máy CNC mới nhất hiện nay Do đó em chọn đề tài nghiên cứu: “Tính toán động

học, động lực học phay CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod” để thực hiện luận văn của

mình

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

- Phân tích lựa chọn kết cấu máy, thiết kế cơ cấu máy CNC 5 trục ảo kiểuhexapod

- Phân tích động học máy CNC 5 trục ảo hiểu hexapod, thiết lập thuật toán điềukhiển vị trí đầu trục chính

- Thiết lập phương trình động lực học, xây dựng hệ thống điều khiển máy

- Xây dựng phần mềm mô phỏng quá trình gia công bề mặt cong phức tạp củamáy CNC 5 trục ảo kiểu hexapod

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Luận văn nghiên cứu cấu trúc và thuật toán điều khiển cho máy CNC 5 trục ảokiểu hexapod trong gia công bề mặt phức tạp, các kết quả nghiên cứu nhằm đưa rakết cấu hợp lý và thuật toán điều khiển cho máy CNC 5 trục ảo kiểu hexapod Cácnghiên cứu của luận văn là cơ sở cho việc nghiên cứu chế tạo các máy CNC cấutrúc song song ở Việt Nam

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày trong 81 trang A4 và 35 trang phụ lục với 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về máy CNC 5 trục ảo kiểu hexapod, ưu nhược điểm của

máy có cấu trúc chuỗi động học hở và máy có cấu trúc động học song song

Chương 2: Phân tích lựa chọn kết cấu máy, phân tích động học động học thuận,

tính toán và đưa ra thuật toán điều khiển bài toán động học ngược trong gia công

cơ khí

Chương 3: Thiết lập phương trình động lực học, giải bài toán động lực học, xây

dựng hệ thống điều khiển máy

Luận văn kết thúc với ba phụ lục:

Phụ lục A: Các chương trình MATLAB tính toán mô phỏng các đặc tính

động học của biến khớp

Phụ lục B: Chương trình phần mềm gia công bề mặt phức tạp.

Phụ lục C: Thông số động lực học từ Solidworks.

2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 5 TRỤC ẢO

KIỂU HEXAPOD

Chương này trình bày tổng quan về các máy CNC 5 trục ảo có cấu trúc động học song song và lịch sử phát triển của các loại máy này Ngoài ra trong chương này còn trình bày về cơ sở lý thuyết tính toán đường dụng cụ trong gia công CNC 5 trục, mục đích để làm cơ sở cho việc tính toán ở chương 2 và các dữ liệu phục vụ cho bài toán mô phỏng.

1.1 MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC HỞ TRUYỀN THỐNG

CNC là thuật ngữ viết tắt của “Computer numerical controlled” có nghĩa là máygia công điều khiển số với sự hỗ trợ của máy tính Ban đầu các máy này chỉ lànhững máy NC sử dụng công nghệ điều khiển số với sự hỗ trợ của mạch bán dẫn,loại máy này được phát triển từ cuối thập niên 40 đầu thập niên 50 của thế kỷ trướcđược lập trình với mã lệnh tích hợp gọi chung là G-code

Năm 1952, Tại phòng thí nghiệm công nghệ MIT (Mỹ) đã nghiên cứu và chếtạo thành công máy phay đứng với hệ điều khiển được thiết lập bằng các phần tửbán dẫn Đây được coi là máy NC đầu tiên có tính chất tiền đề cho sự phát triển củacác máy CNC sau này

Từ những năm 1963 cùng với sự phát triển của máy tính IBM các máy CNCđầu tiên sử dụng công nghệ số với sự hỗ trợ của máy tính ra đời Đến năm 1984 với

sự phát triển của công nghệ đồ họa trong kĩ thuật số việc tích hợp công cụ cho quátrình thiết kế và gia công trở nên dễ dàng hơn rất nhiều và được phát triển thànhCAD-CAM-CNC tức là quá trình gia công dựa trên bản vẽ CAD, mô phỏng quátrình gia công bằng CAM rồi xuất mã G-code đưa tới máy gia công CNC

Ngày nay, máy CNC đã trở nên phổ biến ở trên toàn thế giới, rất nhiều quốc gia

đã nghiên cứu và tham gia sản xuất cung ứng loại máy công cụ này vì vậy máyCNC trở nên đa dạng về chủng loại, kiểu dáng, hoàn thiện về mặt công nghệ, độchính xác và độ ổn định ngày càng được nâng cao Các máy CNC ngày nay đượcnhiều hãng trang bị các hệ thống tự động như hệ thống thay dao tự động, hệ thống

tự gom phoi và các hệ thống gá đặt thông minh khác, vì vậy các máy CNC ngàycàng trở nên tiện ích và thông minh hơn

4

Máy CNC ngày nay được chế tạo chủ yếu ở 2 dạng chính: đó là loại máy CNC

có cấu trúc động học hở và loại máy CNC có cấu trúc động học kín Máy có cấutrúc động học hở hay còn gọi là kiểu cấu trúc dạng nối tiếp được trang bị các hệthống điều khiển hiện đại điển hình là các máy phay CNC 3 trục, CNC 5 trục, ngoài

ra ngày nay còn có những loại máy CNC 9 trục kiểu nối tiếp hay những loại máyCNC đa năng tích hợp cả phay và tiện Tuy nhiên, trên thế giới hiện nay vẫn chủyếu sử dụng các máy CNC 3 trục và 5 trục có chuỗi động học hở, sau đây là một sốđặc điểm của 2 loại máy này:

Máy gia công CNC 3 trục với 3 chuyển động tịnh tiến X, Y, Z, các loại máynày được nâng cấp từ các máy gia công cơ truyền thống tích hợp thêm bộ phận điềukhiển số Các máy này chỉ có thể gia công được những bề mặt một phía và sự thayđổi của pháp tuyến bề mặt gia công không lớn Tuy nhiên các máy này lại được sửdụng với số lượng lớn vì các chi tiết thông thường sử dụng nhiều trong công nghiệp,hơn nữa loại máy này có hệ thống điều khiển đơn giản, độ ổn định cao và giá thànhkhông quá cao đáp ứng được chất lượng và hiệu quả kinh tế

Hình 1.1 Máy CNC 3 trục của hãng MAKINO Nhật Bản [14]

Hình 1.2 Máy CNC 5 trục DMU 50 của Okuma [14]

Máy CNC 5 trục bao gồm 3 chuyển động tịnh tiến X, Y, Z và 2 chuyển độngquay, nhờ vậy mà máy có khả năng định vị và gia công bất kỳ điểm cắt nào trên bềmặt gia công Những loại máy này có khả năng gia công những bề mặt có pháptuyến thay đổi tương đối lớn, khả năng chuyển động tương đối giữa dụng cụ và phôikhá linh hoạt vì vậy có thể tạo ra nhiều sản phẩm phức tạp cho chất lượng độ chínhxác và độ bóng cao

6

Tuy nhiên ngày nay kĩ thuật công nghệ phát triển xuất hiện ngày càng nhiềunhững tiết gia công có bề mặt gia công phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao, sự thayđổi của pháp tuyến gia công lớn khi đó máy gia công CNC 3 trục, 5 trục hay 9 trụctrở nên khó thực hiện hoặc có khả năng gia công nhưng thời gian đáp ứng chậm, độchính xác và độ bóng không cao Máy CNC có cấu trúc chuỗi động học kín hay còngọi là các máy CNC cấu trúc song song trở nên hữu dụng hơn và đáp ứng đượcnhững chi tiết phức tạp như vậy

1.2 CÁC MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC SONG SONG 1.2.1 Sự phát triển của máy có cấu trúc chuỗi động học song song

Chuỗi động học song song hay chuỗi động học kín bao gồm khâu chấp hành nbậc tự do liên kết với giá cố định bởi ít nhất hai khớp phát động gọi là chuỗi độnghọc kín Hay có thể định nghĩa một cách đơn giản hơn là máy có cấu trúc chuỗiđộng học song song là cơ cấu có chuỗi động học kín có khâu chấp hành được liênkết với giá cố định bởi các chuỗi động Máy có cấu trúc chuỗi động học song songban đầu được nghiên cứu ở lĩnh vực công nghiệp mô phỏng bay và robot lắp ráp.Năm 1928 J.E Gwinnett đã đăng ký bản quyền sáng chế một rạp chiếu phim có cơcấu trúc động học song song cầu [14]

7

Năm 1947 tiến sĩ Eric Gough là người đầu tiên phát minh ra có cấu hexapodvới giá đỡ sáu chân điều khiển bằng sáu khớp trượt cho phép định vị và định hướnggiá di động (Hình 1.1)

Từ đó có rất nhiều biến thể được chế tạo và áp dụng trong công nghiệp nhưmáy thử độ bền của lốp sử dụng để nghiên cứu thử nghiệm khả năng chịu tải trọngcủa lốp máy bay khi hạ cánh

Hình 1.4 Cơ cấu Gough platform thử độ mòn lốp máy bay [14]

8

Từ năm 1960 đến năm 1971 Cappel đã nghiên cứu và phát minh ra cơ cấu khác

mô phỏng bay và hãng Sicorki Aircaft mua bản quyền và xây dựng máy mô phỏngbay sáu bậc tự do

Cho đến nay nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu thành công Robot songsong như: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Đức, Ý, Italia, Hàn Quốc, Canada… và robotsong song được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống như:

+ Trong y học

Hình 1.5 Cơ cấu mô phỏng bay của Cappel [14]

Hình 1.6 Robot song song được ứng dụng trong mổ nội soi [14]

Hình 1.7 RBSS ứng dụng trong dây truyền phân loại đóng gói bánh quy của

hãng Demaurrex [7]

+ Trong các dây truyền sản xuất phân loại sản phẩm của hãng Demaurrex

1.2.2 Sự phát triển của máy công cụ CNC có cấu trúc chuỗi động học song song

Do những ưu điểm của cấu trúc máy song song nên ngày càng thu hút đượcnhiều nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng loại cấu trúc này và đặc biệt là ứngdụng trong lĩnh vực máy công cụ Từ những năm 1970 đã có rất nhiều công trìnhnghiên cứu ứng dụng cấu trúc song song trong lĩnh vực máy công cụ nhưng hầu hếtkhông thành công do chi phí tính toán điều khiển các chân là quá cao Gần đây giáthành của máy tính giảm mạnh, nhiều công ty, các trung tâm nghiên cứu đã quay trởlại tập trung nghiên cứu máy CNC có cấu trúc chuỗi động học song song Năm

1990, công ty Ingersoll (Mỹ) đã giới thiệu và triển lãm máy công cụ có cấu trúcđộng học song song đầu tiên là Octahedral Hexapod [14] Năm 1994 tại triển lãmmáy công cụ IMTS ở Chicago, hãng Gridding & Lewis đã giới thiệu máy phayCNC có cấu trúc chuỗi động học song song với tên gọi Variax ứng dụng phay nhômtốc độ cao:

Hình 1.8 Máy phay Variax của Gridding & Lewis [14]

10

Năm 1997 hãng Geodetic giới thiệu máy công cụ CNC kiểu hexapod Gầnđây các hãng Hitachi, Seiki, Toyoda đã liên kết với các công ty của Mỹ và Anh đểcùng phát triển các máy công cụ có cấu trúc song song này.

Năm 2000-2003, tại Pháp 2 nhà nghiên cứu Wenger và Chablat đã đề xuất thiết

kế chế tạo IRCCyN [6]:

Năm 2009 điều khiển tay máy song song 3-DOF trong hệ đề các do NSK, NhậtBản thiết kế

Như vậy các máy công cụ có cấu trúc động học song song vẫn là hướng nghiêncứu được các nhà khoa học và các hãng quan tâm nghiên cứu cà ngày càng hoànthiện, cho ra các loại máy mới ngày càng ưu việt hơn Dưới đây là một số máyCNC có cấu trúc chuỗi động học kín được sản xuất bởi các hãng:

Hình 1.10 Máy song song – DOF [7]

Hình 1.11 Robot song song 6 bậc tự do Hexaglide, Đức [14]

12

Hình 1.14 Máy PM-600 của hãng Okuma, Nhật [14]

Hình 1.13 Robot Delta của hãng Hitachi

Seiki

Hình 1.12 Máy Hexa của hãng Toyoda

Nhật Bản

1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CƠ CẤU SONG SONG

Chính vì máy có cấu trúc động học kín hay cấu trúc song song có nhiều ưuđiểm hơn so với các cấu trúc động học kiểu nối tiếp nên các máy này luôn đượcquan tâm nghiên cứu ở các quốc gia trên thế giới Việc ứng dụng cấu trúc máy songsong trong máy công cụ CNC có các ưu nhược điểm so với cấu trúc máy kiểu nốitiếp như sau:

Ưu điểm:

+ Khả năng chịu tải cao: Do máy có cấu trúc động học kín, bàn máy di động

và đế cố định được liên kết với nhau bởi các khâu động, do đó cơ cấu có tínhràng buộc tương hỗ cao Vì vậy, mà kiểu cấu trúc này có khả năng chịu đượctải trọng cao hơn kết cấu nối tiếp có khối lượng tương đương

+ Có khả năng thực hiện được các thao tác phức tạp với độ chính xác cao+ Do các chân và khớp nối tương đối giống nhau nên được thiết kế sẵn thànhcác cụm chi tiết tiêu chuẩn

14

+ Cung cấp khả năng linh động cao trong quá trình làm việc.

+ Khả năng ứng dụng của robot cấu trúc song song rất rộng từ việc lắp rápcác chi tiết nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp đòi hỏi

độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp…

Qua những phân tích ở trên cho thấy việc nghiên cứu tính toán động học, độnglực học máy phay CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod là cần thiết cũng như việc nghiêncứu mô phỏng quá trình điều khiển động lực học để xuất tín hiệu lực điều khiển làquan trọng là tiền đề cho việc chế tạo thực tế và thương mại hóa sản phẩm trongtương lai đáp ứng nhu cầu gia công các chi tiết công nghiệp ngày càng phức tạphiện nay

Hình 1.15 Mối quan hệ giữa dụng cụ và phôi [7]

1.5 TÍNH ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT KHÔNG GIAN TRÊN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC

Giả thiết:

- Bề mặt gia công (S) cho dưới dạng tham số S ( u , v )

- Quỹ đạo điểm tạo hình CCi trên bề mặt gia công (S) được cho dưới dạngtham số (u(t),v(t))

Xét trong trường hợp tồng quát hình 1.15

Vectơ xác định điểm định vị dụng cụ CLi trong hệ tọa độ phôi, trong trườnghợp tồng quát cho bởi phương trình:

B A r

16

Hình 1.16 Thông số hình học chọn điểm định vị và vectơ đơn vị trục dụng cụ

1.5.1 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu cầu

Dao đầu cầu với việc chọn điểm định vị CLi tại tâm cầu hình 1.17

17

Khi đó tâm xoay định hướng K  CLivà AR.n , B  0 phương trình 1.1được viết lại như sau:

n R r

Phương trình 1.2 được viết dưới dạng đại số:1.5.2 Tính đường dụng

cụ với dao phay ngón đầu bằng

Đối với dao đầu bằng tọa độ điểm định vị dụng cụ CLi không những phụ thuộcvào tọa độ điểm CCi mà còn phụ thuộc vào hướng của trục dụng cụ d

Trong đó:

+ cc

p M : ma trận chuyển từ hệ tọa độ tức thời điều khiển tạo hình (Kttpttttd) tại K

về hệ tọa độ gốc phôi

+  , : ma trận xoay quanh tâm K đề điều khiển quá trình tạo hình

1.5.3 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu xuyến

Cũng tương tự dao đầu bằng, dao đầu xuyến điểm định vị CLi ngoài việc phụthuộc vào điểm tiếp xúc CCi còn phụ thuộc vào vectơ định hướng dụng cụ Do đóphương trình tính điểm định vị CLi cũng được cho bởi phương trình 1.2

D KCLi dc

0

0

, 0

).

) sin(

2

2 (

1 1

n r D z

y x z

y

x

dc cc

p

zi yi

xi dc

CCi CCi CCi

CLi CLi

CLi

(1.9)

19

1.5.4 Định hướng trục dụng cụ trong hệ tọa độ phôi

Đối với định hướng trục dụng cụ các loại dao đều được tính như nhau và theohai bước cụ thể như sau:

Hướng của véc tơ trục dụng cụ trong hệ tọa độ điểm cắt

Trong trường hợp tồng quát hình 1.20 gọi:

+ T : bề mặt dụng cụ

+ : bề mặt gia công cho dưới dạng tham số

+ ( ) là quỹ tích các điểm tạo hình CCi trên S, khi đó vectơ tiếp tuyến đơn

vị cho bởi phương trình:

 

 

dt d dt

d lt

+ Vectơ pháp tuyến của tại điểm CCi  được cho bởi phương trình:

v

v u S u

v u S

v

v u S u

v u S n

, ,

sin cos

sin sin

t M

0 cos sin

0

0 sin cos

0

0 0 0

1 ,

0 1 0 0

0 0 cos sin

0 0 sin cos

0 0 0

z ttz tpz

y tty tpy

x ttx tpx

CC

P

n n

n M

d

T t

1.5.5 Xây dựng các hệ quy chiếu trong phay CNC 5 trục

Trong luận văn này ta xét bài toán với một loại dao phay điển hình đó là daophay ngón đầu cầu Tại mỗi điểm định vị ta có thể thiết lập nên một hệ quy chiếuđược gọi là hệ quy chiếu điểm cắt (CCS) với tâm là điểm định vị và các trục chính

XC, YC, ZC có phương trùng với phương của các vectơ ttp, ttt và n (hình 1.21)[1] Tại mỗi một điểm trên đường dụng cụ, dụng cụ cắt được điều khiển nghiêngtheo trục XC một góc  sau đó quay quanh trục ZC một góc  Một hệ quy chiếuđược tạo bởi việc quay CCS như trên được gọi là hệ tọa độ dụng cụ (TCS) (hình1.21) TCS có trục ZT trùng với trục dụng cụ td và do lượng chạy dụng cụ là rấtnhỏ so với tốc độ quay của trục chính nên ta có thể coi tại một vị trí trên đườngdụng cụ, dụng cụ cắt sẽ quay quanh trục ZT với vận tốc góc là .

X

Y

Đườngdụng cụ

Các thành phần lực cắt sẽ được tính toán trong hệ quy chiếu dụng cụ (TCS) và

sẽ được chiếu lên các trục của hệ quy chiếu (TCS) bằng cách nhân với một ma trậnquay Sau đó lực cắt được đưa về hệ quy chiếu (CCS) thông qua ma trận quay từ hệquy chiếu (TCS) sang hệ quy chiếu (CCS) Tiếp theo lực cắt theo 3 trục của CCSđược đưa về hệ quy chiếu gắn với phôi (PCS) bằng cách nhân với ma trận chỉphương của CCS trong PCS [1] và cuối cùng sẽ được đưa về hệ quy chiếu gốc máy(ϑ1) để phục vụ cho việc tính toán và so sánh (hình 1.22) Để đơn giản quá trình tínhtoán ta có thể coi PCS và (ϑ1) có các trục chính có phương trùng nhau

Một vectơ v có tọa độ  T

z

T y

T x T

T v  v v v trong TCS, tọa độ của v trongCCS là:

v P

v C T T C

0

sin cos

0

0 0

1 1 0 0

0 cos sin

0 sin cos

) , ( ) ,

T d C T C

0

sin cos cos

cos sin

sin sin cos

sin cos

C T

1 2

3

n

Z T 

d t



Hình 1.23 Miền giới hạn vùng dụng cụ

Bề mặt phôi



 Ƥ2

C

1 1

y tty tpy

x ttx tpx C

n t t

n t t

n t t

t t

n t t

n t t

z ttz tpz

y tty tpy

x ttx tpx

0

sin cos cos

cos sin

sin sin cos

sin cos

1.5.6 Hệ quy chiếu lực cắt trong gia công CNC 5 trục

24

Trong phay CNC 5 trục, do dụng cụ được điều khiển nghiêng bởi 2 trục quaynên biên dạng vùng tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi có sự thay đổi Vùng tiếp xúc này

sẽ nằm trong hai giới hạn là giới hạn bởi hướng chạy dụng cụ và giới hạn phần dụng

cụ nằm ngược bề mặt phôi Do đầu dụng cụ có dạng hình cầu nên khi di chuyển cắtgọt phôi chỉ có nửa cầu được chia bởi mặt phẳng vuông góc với vectơ tiếp tuyếnđường dụng cụ và cùng phía với vectơ tiếp tuyến tiếp xúc với phôi, nửa cầu còn lạikhông tiếp xúc, giới hạn này được gọi là giới hạn bởi hướng chạy dụng cụ

Hình 1.23a mô tả vùng dụng cụ giới hạn bởi hướng chạy dụng cụ, trong khuônkhổ đồ án ta chỉ xét đến trường hợp phay 100% Mặt (1) là mặt phân cách giữa phầnđầu cầu và phần thân trụ khi dụng cụ đang ở vị trí vuông góc với bề mặt phôi, dụng

cụ quay quanh trục XC một góc  và mặt phân cách ở lúc này là mặt (2) cuối cùngdụng cụ được quay quanh trục ZT một góc  tương ứng với mặt phân cách là mặt(3) Với một điểm P bất kì nằm trên dụng cụ cắt, P được xác định trong hệ quychiếu dụng cụ (TCS) thông qua hai góc vị trí là  và  :

sinsin

R R R Z

Y X

P T P T P T

(1.21)

'

 và ' tương ứng là góc vị trí của P trong hệ quy chiếu điểm cắt (CCS).

Tọa độ điểm P trong hệ quy chiếu điểm cắt sẽ được xác định thông qua ma trậnquay C

sinsin

'cos

'cos'sin

'sin'sin

R R

R P R

R R Z

Y

X

C T P

C P C P C

cossin

0

sincoscos

cossin

sin.sincos

sincos

R R R Z

Y X

P C P C P C

cos sin cos cos

sin cos cos sin

sin sin arccos

'

) cos cos cos

sin arccos(sin

arccos '

0

2

' 2

Hình 1.24 Mô hình cắt lớp của phần thân

trụ dao phay đầu cầu

Lớp cắt tại mặt phân cách với phần cầu

CL

26

Ở phần thân trụ, với việc giả sử chia dụng cụ thành rất nhiều lớp có chiều dàyrất nhỏ , ta coi các lớp này tham gia cắt cùng lúc và độc lập với nhau (hình 1.24).Xét riêng lớp cắt tại mặt phân cách với phần cầu, các điểm nằm trên lớp này đượcđịnh vị trong hệ quy chiếu điểm cắt bởi các góc vị trí  'và'được xác định theophương trình (1.23) với  = 90:

cos sin cos arccos '

) cos arccos(cos '

cụ nên khi gia công lớp vật liệu được loại bỏ bởi lớp cắt thứ i hoàn toàn độc lập vớilớp vật liệu được loại bỏ bởi lớp cắt thứ i+1 Vì vậy giới hạn (2.24) vẫn chính xáckhi áp dụng cho phần thân trụ của dao đầu cầu

Khi dụng cụ ăn vào trong phôi, chỉ có phần dụng cụ nằm dưới bề mặt phôi mớitham gia cắt Hình (1.23b) mô tả biên dạng tiếp xúc của dụng cụ với phôi, giới hạnnày sẽ được xét trong hệ quy chiếu dụng cụ Coi bề mặt phôi quanh vùng dụng cụtiếp xúc là phẳng, z0 là tọa độ giao điểm của trục dụng cụ với bề mặt phôi, với chiềusâu cắt là b

 cos

0

b R R