Tính toán thiết kế robot trực giao song song ba bậc tự do ứng dụng trong gia công cơ khí

LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại bùng nổ phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ thì việc sử dụng máy móc hiện đại đã làm tăng năng suất lao động, năng suất chất lượng, đồng thời hạ giá

MỤC LỤC

1.2 Phân tích động học và mô phỏng 6

1.3 Miền làm việc 8 1.4 Modul phần mềm mô phỏng 11

Chương 2 Tính toán đường dụng cụ gia công CNC 3 trục trong không

gian

12

2.1 Đặt vấn đề 12 2.2 Thuật toán tính quỹ đạo điểm CCi trên bề mặt gia công

2.2.1 Quy luật xoắn ốc

2.2.2 Quy luật song song

13

13

15 2.2.3 Quy luật ziczắc

2.2.4 Quy luật hình tia

2.2.5 Quy luật song song một chiều

2.2.6 Ví dụ áp dụng

2.3 Tính đường dụng cụ trong gia công bề mặt không gian trên máy phay

CNC 3 trục

2.3.1 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu cầu

2.3.2 Tính đường dụng cụ với dao đầu bằng

2.3.3 Tính đường dụng cụ với dao đầu xuyến

3.2 Cụm dẫn hướng 28

Chương 4 Xây dựng thuật toán điều khiển và thiết kế mạch điều khiển 33

4.1 Phân tích và thiết kế mạch phần cứng điều khiển 33 4.2 Thuật toán nội suy các hàm mã G-code

4.2.1 Các thuật toán nội suy trong mặt phẳng

4.2.2 Các thuật toan nội suy trong không gian 3D

Kết luận và kết quả đạt được

Tài liệu tham khảo

Phụ lục 1 (các hàm chinh mã code chương trình)

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại bùng nổ phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ thì việc sử dụng máy móc hiện đại đã làm tăng năng suất lao động, năng suất chất lượng, đồng thời hạ giá thành sản phẩm một cách đáng kể trong quá trình sản xuất, đây chính là xu hướng tự động hóa, đưa điều khiển tự động vào trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, nó là một vấn đề quan trọng, đòi hỏi sự phối hợp của nhiều ngành khoa học như tin học, điều khiển thiết kế hệ thống, cơ khí…

Đối với lĩnh vực cơ khí cũng không nằm ngoài xu hướng phát triển nói trên, các phương tiện máy móc với công nghệ hiện đại điều khiển tự động theo các chương trình số, nên hệ thống điều khiển số CNC được sử dụng rất rộng rãi trong quá trình gia công, các hệ thống này có thể điều khiển bằng lập trình trực tiếp ( thay cho điều khiển bằng các rơle điện tử) để thực hiện nhiệm vụ chuyên môn thông qua các chương trình được thiết lập từ trước… Cho đến nay máy CNC đã phát triển rất phong phú đa dạng từ chủng loại , kích thước, độ chính xác gia công Máy được sử dụng phổ biến trong các phân xưởng gia công cơ khí, ở các nước đang phát triển máy công cụ điều khiển số(CNC) nói chung thường có cấu trúc động học hở, sau những năm 1990 xuất hiện các mẫu máy có cấu trúc động học song song (PKMT), mẫu máy này thương được ứng dụng làm các máy phay cao tốc Để dần hoàn thiện hơn trong gia công thì đã có nhiều nhà khoa học đã đề xuất các mẫu máy song song kiểu trực giao

có đầu dao trục chính đẳng hướng, để dễ dàng hòa nhập vào xu hướng nói trên thì em

đựơc thầy giáo PGS TS.Phan Văn Đồng giúp đỡ hướng dẫn tận tình đề tài “ Tính

toán, thiết kế, robot trực giaosong song 3 bậc tự do ứng dụng trong gia công cơ khí”

Em đã rất nỗ lực cố gắng hoàn thành luận văn tuy nhiên không thể tránh khỏi những sai sót có thể gặp phải do trình độ và thời gian hạn chế Em mong thầy giáo bỏ qua và tạo điều kiện giúp đỡ để em có thể hoàn thành luận văn này

Học viên thực hiện

Nguyễn Mạnh Tiến

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian làm đề tài luận văn Thạc sỹ “ tính toán, thiết kế, robot trực

giao song song 3 bậc tự do kiểu ứng dụng trong gia công cơ khí” Dưới sự hướng

dẫn nhiệt tình của thầy PGS.TS Phan Văn Đồng, bộ môn cơ sở thiết kế máy & robot,Viện Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội em đã nỗ lực hoàn thành các nội dung sau:

- Tìm hiểu tổng quan về cơ cấu song song có cấu trúc trực giao

- Phân tích động học và lập trình tính toán thông số điều khiển động học quá

Trong một khoảng thời gian không dài dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS.Phan Văn Đồng em đã vận dụng những kiến thức đã được học trong chương trình đào tạo Thạc sỹ khoa Cơ Khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội để hoàn thành luận văn vừa áp dụng lý thuyết vừa có tính thực nghiệm để em hoàn thiện, tổng hợp kiến thức trước khi tốt nghiệp khoá đào tạo Thạc sỹ

Tuy nhiên với kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót và chưa thể hoàn thiện một cách hoàn hảo như ý muốn, mong đợi Em mong đợi nhận được sự chỉ bảo, góp ý của thầy hướng dẫn, thầy phản biện và các thầy trong hội đồng để em hoàn thiện kiến thức và học hỏi thêm

Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2011

Học viên

Nguyễn Mạnh Tiến

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa

CAM : Computer Aided Manufacturing

RBSS : Rô bốt song song

PKMT : Parallel Kinematic Machine Tool

CLi : Điểm định vị dụng cụ (cutter location)

CCi : Điểm tiếp xúc giữa dụng cụ và bề mặt gia công

Oxyz Hệ tọa độ quy chiếu gốc máy (hệ 1)

Puvw Hệ tọa độ động gắn tại tâm của cụm trục chính (hệ 2)

τr Vecto đơn vị của tiếp tuyến

rr CCi Véc tơ định vị của điểm CCi trên (∑s)

rr CLi Vec tơ định vị của điểm CLi trên dụng cụ

A Ma trận cosin chỉ phương của hệ tọa độ động so với hệ

tọa độ gốc phôi

Chương 1

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC 1.1 Phân tích lựa chọn kết cấu máy

Máy công cụ có cấu trúc động học song song (PKMT: Parallel Kinematic Machine Tool) được nghiên cứu và phát triển bắt đầu từ những năm 1990, cụ thể máy Octahedral Hexapod được hãng Ingersoll (Mỹ) giới thiệu vào năm 1990 hay máy Variax được giới thiệu bởi hãng Gidding & Lewis (Mỹ) vào năm 1994, đến nay đã cho ra đời nhiều mẫu máy khác nhau như máy phay cao tốc VARIAX-Hexacenter của hãng Gidding&Lewis, máy phay TORNADO 2000 của hãng Hexel hay máy phay CNC 5 trục TRICEPT 845 của hãng Neos Robotics v.v [2, 3, 5, 6] Tuy nhiên hầu hết các máy PKMT đầu dao trục chính có thể định vị và định hướng dụng cụ (có số bậc tự

do lớn hơn 3), trong một số trường hợp chỉ cần 3 bậc tự do tịnh tiến như máy phay CNC 3 trục thì các cấu trúc trên lại trở nên không hiệu quả bởi điều khiển phức tạp và giá thành cao Để đáp ứng yêu cầu đó những năm gần đây nhiều nhà khoa học trong

đó phải kể đến Damien Chablat [4, 8] đã đề xuất các mẫu máy song song kiểu trực giao có đầu dao trục chính đẳng hướng (tịnh tiến song song với các trục của hệ tọa độ

đề các đặt tại gốc máy), sau đó Ryu 2008 [5] đã đưa ra cải tiến về cấu trúc chân của loại máy này bằng cách đưa thêm cụm cơ cấu hình bình hành vào mỗi chân và đổi kiểu dẫn động từ tịnh tiến thành quay nhằm tăng độ cứng vững của máy Trong nghiên cứu này tác giả đưa ra đề xuất cải tiến cụm dẫn động mẫu máy của Ryu [5] bằng cách thêm cơ cấu tay quay con trượt dẫn động cụm hình bình hành thay vì dẫn động trực tiếp Máy là Rôbốt song song kiểu trực giao mang đầu dao trục chính chuyển động theo quỹ đạo định vị dụng cụ

Trong đó chuyển động tịnh tiến được thực hiện bởi ba chân, mỗi chân được dẫn động bởi một cơ cấu tay quay con trượt kết hợp với cơ cấu hình bình hành nhằm tăng hành trình trượt và độ cứng vững của máy Do đó mỗi trục điều khiển gồm 9 khớp quay và một khớp trượt nối từ giá cố định đến đầu trục chính (hình 1)

Hầu hết trong công nghiệp gia công phay CNC 3 trục chuyển động tương đối giữa phôi và dụng cụ được thực hiện bởi 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 trục tọa độ x, y, z của hệ tọa độ gốc máy (hình 1.1)

Như vậy, khi ứng dụng cấu trúc động học song song nhằm đưa vào thiết kế máy phay CNC 3 trục cần tìm những cơ cấu sao cho chuyển động của giá di động chỉ gồm 3 bậc

tự do tịnh tiến theo các trục của hệ tọa độ gốc và được gọi là cấu trúc trực giao bắt đầu

từ những năm 2000 trở lại đây các cấu trúc song song loại này bắt đầu được nghiên cứu Ban đầu là các nghiên cứu về mặt cấu trúc nhằm tìm ra những cấu trúc khác nhau

về máy động học song song kiêu trực giao trong vấn đề này phải kể đến Gogu [15 - 17] và (Xianwen Kong, Clément Gosselin - 2007) [19] đã đưa ra rất nhiều cấu trúc trực giao từ đơn giản đến phức tạp dưới đây là một số cấu trúc tiêu biểu

Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu máy phay CNC 3 trục

:

a) Cấu trúc được đưa ra bởi Kong và Gosselin [19] b) Cấu trúc đưa ra bởi Gogu [16]

c) Các cấu trúc song song trực giao 3 bậc tự do được đề xuất bởi Gogu [15]

Hình 1.2 Các cấu trúc song song trực giao 3 bậc tự do

Tiếp đến là các ghiên cứu về động học, độ cứng vững, động lực học và điều khiển [ 4, 10-13, 18, 20 ] và đã cho ra đời các mẫu máy trong các phòng thí nghiệm với các thử nghiệm khác nhau từ ứng dụng trong các thí nghiệm đơn gian cho đến gia công cơ khí

để nhằm minh chứng cho các kết quả nghiên cứu lý thuyết Về mặt sản xuất chế tạo thành sản phẩm thương mại hóa về kiểu máy phay CNC 3 trục hiện mới chỉ có một mẫu máy được đưa ra bởi viện nghiên cứu LOLA, Belgrade [21] dưới đây là một số mẫu máy đã được chế tạo

Hình 1.3 Máy CNC 3 trục IRCCyN nghiên cứu tại Pháp [11 - 14]

Hình 1.4 Máy có cấu trúc trực giao nghiên cứu tại Đại học công nghệ Taipei quốc

gia, Đài loan [18]

Trên cơ sở phân tích tổng hợp các công trình nghiên cứu về lĩnh vực này cho thấy đây

là một cấu trúc máy mới đã và đang được rất nhiều nhà nghiên cứu ở những nước có

Hình 1.6 Máy phay CNC 3 trục kiểu trực giao nghiên cứu tại Đại học Thessaloniki [10]

Hình 1.7 Máy có cấu trúc trực giao Isoglide 4-T3R1-A5

nghiên cứu tại viện Cơ học Pháp [17]

a) Rôbốt Tripteron b) Rôbốt Quadrupteron

Hình 1.5 Mô hình rô bốt song song phát triển bới trường đại học Laval [19]

nền khoa học phát triển quan tâm nhằm đưa những nghiên cứu lý thuyết vào sản xuất chế tạo những mẫu máy CNC 3 trục thế hệ mới cấu trúc động học song song, trên cơ

sở đó tác giả chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận văn Ngoài ra có thể khẳng định luận văn là một hướng nghiên cứu mới mang tính thời sự và có khả năng ứng dụng thực tiễn

Ưu nhược điểm:

- Bài toán động học và động lực học phức tạp đặc biệt là vấn đề giao động

- Bài toán điều khiển, đặc biệt là điều khiển lực phức tạp

dcl

O

zB

Để thiết lập mối quan hệ giữa thông số điều khiển các trục tịnh tiến và tọa độ điểm định vị dụng cụ CL các hệ tọa độ được đặt như hình 9 với quy ước d1, d2, d3 là các thông số điều khiển theo các trục tịnh tiến x, y, z của hệ tọa độ quy chiếu gốc máy trong đó: H0- Oxyz: hệ tọa độ quy chiếu gốc máy; HB-OBxByBzB: hệ tọa độ bàn máy mang phôi; Hp- Puvw: hệ tọa độ động gắn tại tâm của cụm trục chính với các quy ước như sau:

+ lij = const: chiều dài của các cẳng tay (hình 1.8)

+ l : là khoảng cách từ điểm định vị dụng cụ đến gốc của hệ tọa độ động mang cdđầu dao trục chính

B CL B CL B

y x z

B

B

B

l (1.1)

Tọa độ các điểm Di trong hệ tọa

b D , 0 0

b D

Pi i 23 B

Pi

i

13

z y

h B , z y

0 B

22 i

z

d 1

0l4

l

1

l1

D 1

D 3 u

D 2 w

2b

Hình 1.9 Cụm đầu dao trục chính

Nếu gọi dji ( j = 1÷3) là thông số điều khiển 3 trục x, y, z (hình 1.8) tại thời điểm

thứ i, như vậy cần xác định mối quan hệ giữa dji và tọa độ điểm P khi cụm đầu dao

trục chính dẫn dụng cụ quét lên bề mặt gia công theo đường dụng cụ Thật vậy xét

trên mặt phẳng xoz, yoz của hệ H0 ta có:

Trên mặt phẳng xoz đối với chân 1 (hình 11) có:

) x

x arcsin(

Z

cos

Z

x x Z

x x

tg

i 1

4 11 A i 13 B i

1

1

B i

1

B

4 A B B

A B

i

1

i 13

i 13

11 i 13

i 13

11 i 11

l l l

i 1 1 i

2 ( 0 ) x sin 2 ( E

i

d

i 2 i

+ Xét trong mặt phẳng yoz đối với chân 3 ta có:

2 E

2 0 E

i

d

i 3 i

i

3

2 E 2 0 E

i

2

2 E 2 0 E

i

1

) e y ( z

d

) e z ( y

d

) e z ( x

d

i 3 i

3

i 2 i

2

i 1 i

1

l l

l

với

(1.5)

Kết luận : hệ phương trình (1.5) xác định thông số điều khiển hình động học d1i, d2i,

d3i khi gia công bề mặt không gian tại thời điểm gia công thứ i

1.3 Miền làm việc

T i 2 1 A

i 2 1 i

2 ( ) y sin 2 ( 0

T A i 3 1 i 3 1 x i

2 ( ) cos 2 ( h E

32 ⎥⎦⎤

⎢⎣

a) Định nghĩa và khái niệm

Miền làm việc (MLV) thực chất là miền (phẳng hoặc không gian) của khâu chấp hành

mà tại đó cơ cấu thỏa mãn tất cả các ràng buộc hình học Do đó đây là một trong những thông số quan trọng của máy, cho biết phạm vi và khả năng hoạt động của khâu chấp hành tương ứng với các thông số kích thước xác định vị trí của cơ cấu [28-34] Cơ cấu song song thường có MLV phức tạp và hạn chế, do đó việc xác định MLV là một bài toán khó và phức tạp Tùy thuộc vào cấu trúc cơ cấu mà ta có MLV khác nhau, nhưng trong trường hợp tổng quát được định nghĩa như sau:

o MLV: là miền không gian mà tại đó khâu chấp hành có thể thực hiện được các

yêu cầu kỹ thuật nhất định nào đó Tuy nhiên, tùy thuộc vào cấu trúc mà MLV thường là một hoặc được chia thành nhiều miền khác nhau (miền với tới, MLV đẳng hướng, MLV linh hoạt, miền không gian hướng) Đối với các cơ cấu phẳng và không gian do cơ cấu chấp hành được định vị và định hướng, do đó MLV là miền khảo sát đối với cơ cấu phẳng là miền 2 chiều 3 bậc tự do, cơ cấu không gian là miền không gian 3 chiều 6 bậc tự do

o Miền với tới: là miền không gian lớn nhất mà tại đó cơ cấu chấp hành có thể

với tới ứng với các thông số kích thước xác định vị trí và ít nhất một hướng của khâu chấp hành Do đó miền này bao gồm các miền: MLV đẳng hướng, MLV linh hoạt, miền không gian hướng

o Miền đẳng hướng: là miền không gian mà tại đó khâu chấp hành chỉ có thể

thực hiện yêu cầu kỹ thuật theo một hướng xác định nào đó ứng với các thông

số xác định vị trí của cơ cấu

o MLV linh hoạt: là miền mà khâu chấp hành có thể thực hiện yêu cầu kỹ thuật

theo vị trí và các hướng khác nhau trong giới hạn ràng buộc Miền này có thể được chia thành nhiều miền nhỏ hơn theo định hướng của khâu chấp hành Do

đó, miền này thường nhỏ

o Miền không gian hướng: Là miền không gian lớn nhất tại một điểm cố định

nào đó trong MLV linh hoạt mà khâu chấp hành có thể xoay được trong đó

b) Các phương pháp xác định MLV

Cho đến nay vẫn chưa có một phương pháp xác định MLV nào tối ưu và mang tính tổng quát cho mọi cơ cấu, do tính đa dạng và phong phú về kết cấu cũng như kích thước của RBSS Do đó, tùy thuộc vào cấu trúc cụ thể mà sử dụng phương pháp khác nhau Dưới đây là một số phương pháp thường được sử dụng để tính MLV cũng như phạm vi không gian hoạt động của các cấu trúc RBSS [35, 36]:

o Phương pháp hình học: thường được dùng để xác định các biên của MLV,

phương pháp này có ưu điểm nhanh, chính xác và tính được diện tích của MLV Nhược điểm là khó áp dụng với cơ cấu không gian, do khó khăn trong việc xác định tất cả các điều kiện ràng buộc của cơ cấu Phương pháp này thường được áp dụng đối với các cơ cấu đơn giản như cơ cấu phẳng hoặc trực giao

o Phương pháp giải tích: phương pháp này được thực hiện bằng cách đặt các

điều kiện ràng buộc hình học thành các bất phương trình, sau đó chuyển sang dạng đẳng thức bằng cách đưa thêm các biến để xét tổng quát Tuy nhiên, việc giải các phương trình này rất khó khăn và phức tạp, cho đến nay thường dùng

để giải các bài toán đẳng hướng cũng như tìm miền bao

o Phương pháp rời rạc hóa: phương pháp này được thực hiện bằng cách chia

lưới rồi xét các điểm nút MLV là tập hợp các điểm thỏa mãn các ràng buộc của cấu trúc cơ cấu rôbốt Phương pháp này có ưu điểm là xét được hết các điều kiện ràng buộc nhưng lại có một số nhược điểm sau:

+ Độ chính xác và thời gian tính toán phụ thuộc vào độ mịn chia lưới + Gặp khó khăn khi xác định các lỗ thủng trong MLV

+ Đòi hỏi máy tính có tốc độ xử lý cao và chiếm mất nhiều dung lượng

ổ cứng để chứa các file kết quả tính

c) Xác định miền không gian làm việc của máy Trên cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu và

phân tích ở trên luận văn sử dụng phương pháp hình học để xác định miền làm việc của máy do đây là cấu trúc trực giao Với việc đặt các điều kiện ràng buộc hình học và

sử dụng phần mềm đồ họa 3D Solidwork miền làm việc của máy hoàn toàn xác định

trên hình 1.11

1.4 Modul phần mềm mô phỏng

Trên cơ sở hệ phương trình (1.5) lập trình mô phỏng động học máy trong quá trình gia công trên phần mềm Visual C và OpenGL Mo dul phần mềm có chức năng mô phỏng động học quá trình gia công theo đường dụng cụ được tính toán từ Matlab

Hình 1.11 Miền làm việc của máy

Hình 1.12 Modul phần mềm mô phỏng động học

Chương 2 TÍNH TOÁN ĐƯỜNG DỤNG CỤ GIA CÔNG CNC 3 TRỤC TRONG KHÔNG

GIAN 2.1 Đặt vấn đề

Trong các phần mềm CAM thương mại đường dụng cụ thường được tính theo phương pháp đẳng tham số, đẳng phẳng, đẳng độ cong, mặt đẳng dốc và chiều cao nhấp nhô không đổi [22-24] Tuy nhiên, trong trường hợp cụ thề tùy thuộc vào đô phức tạp của bề mặt, yêu cầu công nghệ mà quy luật phủ đường dụng cụ và một trong những phương pháp trên được áp dụng cụ thể Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn đưa ra các thuật toán sinh quỹ đạo điểm cắt nhằm tạo cơ sở cho việc tính toán đường dụng cụ sau này Thuật toán được xây dựng cho các quy luật được mô tả ởhình 2.1

2.2 Thuật toán tính quỹ điểm CC i trên bề mặt gia công

Theo tài liệu [1, 39, 40, 46, 52] ta có các thuật toán tính toán quỹ đạo điểm tạo hình tuân theo các quy luật tạo hình dưới đây

2.2.1 Quy luật xoắn ốc

a) Quy luật song song cách đều

a) Quy luật xoáy ốc b) Quy luật song song

c) Quy luật

ziczac

d) Quy luật hình tia

e) Quy luật song song một chiều

Hình 2.1 Các quy luật sinh quỹ đạo điểm cắt CCi

Đối với quy luật xoáy ốc song song cách đều hình 2.1a, ta có sơ đồ thuật toán hình 2.2

Trong đó:

+∆x, ∆y: Lần lượt là gia số theo trục x,y

+ n, m : Là số điểm nút lưới theo trục x,y tương ứng

+ (− 1 )p nhằm mục đích đổi chiều theo từng cạnh p tăng sẽ làm đổi dấu của biểu thức tọa độ trong thuật toán ở hình 2.2

+ Dấu "-" ứng với chiều đi của quỹ đạo điểm cắt theo chiều dương (ngược chiều kim

đồng hồ), dấu "+" ứng với chiều ngược lại (thuận chiều kim đồng hồ)

End

p=p+1, 1i<=n(m+1

n=n-i=i+1,x i =x i−1

y ) 1 ( y

yi= i−1± − p∆d=d+1d=0

x y x

(Đúng(Sai)

d<=n

d<=m

(Đúng(Sai)

+ Khi : m=n và ∆x= ∆y ta có đường xoáy ốc vuông cách đều

+ Khi mKn và ∆x = ∆y ta có đường xoáy ốc chữ nhật cách đều

Tuỳ thuộc vào sai số yêu cầu mà gia số ∆x, ∆y theo các trục x,y được chọn hợp lý, do

đó thuật toán trên hoàn toàn áp dụng trong trường hợp tổng quát

b) Quy luật xoắn ốc Acsimet

Đối với quy luật xoáy ốc song song Acsimet hình 2.1a, ta có sơ đồ thuật toán hình 2.3 Trong đó:

+ a, ∆ϕ: lần lượt là hằng số xoắn ốc và gia số góc

+ φ0, n : lần lượt là góc ban đầu và số vòng xoắn ốc

+ϕi: góc giữa các tia, ϕ = [0÷2π ]

2.2.2 Quy luật song song

a) Song song cách đều

Đối với quy luật song song cách đều hình 1b, ta có sơ đồ thuật toán hình 2.4

(Sai)(Đúng

+ ∆x, ∆y : Lần lượt là gia số theo trục x và y

+ n : Số vòng quét lên bề mặt gia công

+ Dấu “+”: Khi chiều cắt (ngược chiều kim đồng hồ), dấu “-” chiều cắt (thuận chiều

kim đồng hồ)

+ p: Chỉ số đổi dấu

+ Nếu ∆x = ∆y: ta có song song vuông cách đều

+ Nếu ∆x K ∆y : ta có song song cách đều chữ nhật

Hình 2.4 Quy luật song song cách đều

End

p=p+1, n =n-1 m=m-1,d=0

i<=n.m-(m-n+1)

y ) 1 ( y

(Đúng) (Sai)

d<=n

d<=m

(Đúng) (Sai)

b) song song đồng tâm

Đối với quy luật song song đồng tâm hình 2.1b, ta có sơ đồ thuật toán hình 2.5

Trong đó:

+ ∆r , ∆φ : Lần lượt là gia số của bán kính (bước giữa hai đường cắt) và góc

+ n : Số vòng quét lên bề mặt gia công

+ Dấu “+”: Khi chiều cắt ngược chiều kim đồng hồ, dấu “-” chiều tiến cắt thuận chiều kim đồng hồ

+ r = R-∆r: Khi quét từ biên vào, trong trường hợp ngược lại quét từ trong ra

2.2.3 Quy luật Ziczac

ϕi = ± (d.∆ϕ)

xi = r cosϕi, yi = r sinϕi i=i+1, d=d+1

i=i+1, d=0 r= r +∆r hoặc (r = R-∆r)

Begin

(Đúng)

(Đúng) (Sai)

Đối với quy luật ziczac hình 2.1c, ta có sơ đồ thuật toán hình 2.4 tương tự quy luật song song cách đều nhưng các điều kiện được thay đổi cụ thể như sau:

+ Gia số theo trục y được thay bởi biểu thức yj=yj-1m∆y

+ Điều kiện kết thúc i<=n.m-(m-n+1) được thay bởi i<=(n+1).(m+1)+(m-1).m

2.2.4 Quy luật hình tia

Đối với quy luật hình tia 2.1d ta có sơ đồ thuật toán hình 2.6 trong đó:

+ n, m: lần lượt là số điểm trên một tia và số tia

+ ∆ϕ, ∆r: lần lượt là góc giữa các tia và bước tiến liên tiếp giữa hai điểm trên một tia

2.2.5 Quy luật song song một chiều

Endi<=md<=n

Với quy luật song song một chiều hình 2.1e ta có sơ đồ thuật toán hình 2.7

Tron đó :

+ ∆x, ∆y : lần là gia số theo trục x,y

+ Dấu “+”: ứng với chiều tiến cắt từ trái sang phải, dấu “-” ứng với chiều ngược lại Trong trường hợp phương tiến cắt song song với trục y thì các biểu thức xi, yi hoán đổi cho nhau

(Sai) Hình 2.7 Quy luật song song một chiều

1 v ( v 80

50 v 100 50 u 100 )

Hình 2.12 Quỹ đạo điểm CC i trên bề mặt

gia công theo quy luật zig-zag với bước tiến

cắt t=1mm, bước tiến ngang giữa hai đường

dụng cụ h=3mm

Hình 2.11 Quỹ đạo điểm CC i trên bề mặt gia công theo quy luật song song một chiều với bước tiến cắt t=1mm, bước tiến ngang giữa hai đường dụng cụ h=3mm

Hình 2.10 Quỹ đạo điểm CC i trên bề mặt

gia công theo quy luật song song đồng

tâm, bước giữa hai đường liên tiếp h=4

mm

Hình 2.9 Quỹ đạo điểm CC i trên bề mặt gia công theo quy luật zig-zag với bước tiến cắt t=1mm, bước tiến ngang giữa hai đường dụng cụ h=3mm

Hình2.8 Quỹ đạo điểm CC i trên bề mặt

gia công theo quy luật Acsimet với bước

tiến cắt t=1mm, bước tiến ngang giữa hai

đường dụng cụ h=3mm

Giả thiết:

+ bề mặt gia công (ΣS) cho dưới dạng tham số S ( u , v )

+ quỹ đạo điểm tạo hình CCi trên bề mặt gia công (ΣS) được cho dưới dạng tham

)v,u(S

v

)v,u(Sxu

)v,u(S

r (2.2)

Như vậy, việc tính đường dụng cụ cho ba loại dao như sau:

2.3.1 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu cầu

Đối với dao phay ngón đầu cầu do đặc điểm đầu cầu bán kính dao không đổi Do

Bề mặt gia công CCi

nr

đó, điểm định vị dụng cụ được lấy tại tâm của đầu cầu ký hiệu CL Tại mỗi điểm tạo hình CCi trên bề mặt gia công, tọa độ điểm định vị của dụng cụ CLi được xác định

+ R : Bán kính đầu cầu

Phương trình (2.3) cho biết tọa độ của điểm CLi trong hệ tọa độ phôi và được viết lại dưới dạng đại số :

CLi= CCi+ R ni (2.4)

2.3.2 Tính đường dụng cụ với dao đầu bằng

Với dao phay ngón đầu bằng điểm định vị CLđược lấy tại tâm đường tròn mặt đầu

Như vậy, việc tính tọa độ điểm định vị được thực hiện qua các bước sau:

Bước 1: Tính tam diện động tại điểm tiếp xúc CCi

Trên tam diện động thực hiện phép quay quanh trục rttpi

theo chiều ngược chiều

kim đồng hồ một góc )

2(π −β tại CCi (điểm tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi) Như vậy,

từ hình 2.15 tọa độ của điểm CLi được tính trong hệ tọa độ gốc phôi được cho bởi

phương trình:

i tp

i CCi

2,t(R.Ar

r = + π−β (2.5) Phương trình (2.5) viết dưới dạng đại số:

i i i tp ).R.ni

2,t(R.ACC

yi ccyi pyi

xi ccxi pxi i

ntt

ntt

nttA

2.3.3 Tính đường dụng cụ với dao đầu xuyến

Với dao đầu xuyến điểm định vị được lấy tại tâm xuyến, tương tự như đối với dao

đầu cầu và đầu bằng từ hình 2.16 phương trình tính tọa độ điểm định vị trong hệ tọa

độ phôi được cho bởi:

i tpi

i CCi

2

D ).(

2 , t ( R A n r r

Các thành phần trên hệ tọa độ động tại điểm CC i

của bề mặt gia công S(u,v)

, trong đó:

dt

)) t ( v ), t ( u ( d

T rCCi = ξ

trong đó: r: bán kính xuyến; D: đường kính dao xuyến; )

2 , t (

R rtp π− β : ma trận quay tại điểm Ki (tâm của bán kính xuyến)

Phương trình (2.7) được viết dưới dạng đại số

i tp

i i

2

D ( ).

2 , t R A n r CC

CL = + + r π− β − (2.8)

Như vậy, các phương trình (2.6, 2.7, 2.8) là các phương trình tính toán điểm định vị dụng cụ đối với 3 loại dao phay ngón đầu cầu, bằng, xuyến khi gia công bề mặt không gian

v sin u cos r y

v cos u cos r x

t

r

CCi tp

tr

- bán kính mặt cầu r = 100 mm

Với dao phay ngón đầu cầu có bán kính R = 4mm, góc giữa các điểm định vị 30

Ta tính được đường dụng cụ với số điểm CL = 6050

Hình 2.17 là kết quả mô phỏng

Bảng 2.1: Trích ngang cơ sở dữ liệu

3,022476

1 02,953640 102,953640 102,953640 102,953640 102,953640 102,953640 102,953640

102,953640

Hình 2.17 Đường dụng cụ với dao phay ngón đầu cầu

Bảng 2.2: Thông số động học máy Đơn vị: mm

Thông số động học máy Thông số đường dụng cụ

Bề mặt G/công: mặt cầu

Đường d/cụ kiểu s/song đồng tâm

- Dao đầu cầu, bán kính R =

v sin u cos r y

v cos u cos r x

π

÷

=π

Ta có đồ thị xác định các thông số điều khiển hình 2.18

Hình 2.18 Đồ thị xác định thông số điều khiển

Chương 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Một ưu điểm của cấu trúc song song so với máy có chuỗi động học hở truyền thống là khung máy thường kết cấu khung dàn do đó kết cấu khung được chọn thiết kế là kết cấu hàn hình 3.1 dưới đây là mô hình máy được thiết kế Phần tính toán thiết kế và tra cứu theo tài liệu [26] và các bản vẽ chi tiết được trình bày trong phần phụ lục 2 của luận văn

3.1 Thiết kế bệ máy và bàn máy

Theo tài liệu [25] khung máy và bệ máy công cụ có các phương án đúc liền khối và hàn như hình 3.2

Bệ máy được thiết kế theo phương pháp đúc nhằm đảm bảo độ ổn định;

Hình 3.1 Mô hình máy được thiết kế trên Solidwork

Hình 3.2 Phương án thiết kế bệ máy [25]

3.2 Cụm dẫn hướng

Thông thường đối với máy công cụ thường có một số kết cấu phần dẫn hướng sau:

Và đối với máy CNC sử dụng các thanh dẫn hướng bi nhằm giảm ma sát luận văn thiết kế cụm dẫn hướng thanh trượt ma sát và dẫn động bằng Động cơ bước- vít me đai ốc hình 3.5

Hình 3.4 Các kiểu dẫn hướng của máy công cụ thông thường

Hình 3.5 Cụm dẫn hướng theo các trục x,y, z

3.3 Cụm cánh tay và cẳng tay

Cụm cánh tay và cẳng tay được thiết kế theo kiểu cơ cấu tay quay con trượt kết hợp với hình bình hành nhằm tăng hành trình của các trục bản vẽ chi tiết được trình bày trong phần phụ lục 2 của bản thuyết minh

3.4 Thiết kế cụm trục chính

Kết cấu cụm trục chính của máy phay thông thường có kết cấu như sau:

Hình 3.7 Cụm cẳng tay và cánh tay

Với các máy phay CNC cụm trục chính nhỏ gọn hơn do động cơ trục chính được điều

khiển Secvor với các tốc độ khác nhau kết cấu ngày càng gọn nhẹ hơn thông thường

được bố trí theo sơ đồ hình 3.9 Với việc bố trí hai sensor đo tốc độ đề điều khiển

Cụm trục chính

Puly Puly

Hình 3.9 Cụm trục chính máy phay CNC [37]

Hình 3.10 Kết cấu các cụm trục chính máy phay CNC [26]

Với cụm trục chính thay dao tự động được thiết kế thêm thanh đẩy với bộ điều khiển khí nén nhằm tạo lực đẩy khi thay dao tự động kết cấu như hình 3.11 dưới đây

Đối với các máy phay tốc độ cao đầu trục chính thường được thiết kế gắn động cơ liền trục bao gồm Stator và rotor cũng như phần làm mát hình 3.12 và các kết cấu lắp vòng bi được mô tả bởi hình 3.13

Hình 3.11 Cụm trục chính có cụm thay dao tự động

Hình 3.12 Kết cấu cụm trục chính động cơ liền trục [27]

Trên cơ sở phân tích và lựa chọn luận văn lựa chọn phương án thiết kế ở hình 3.11 để thiết kế cụm trục chính hình 3.12 mô tả cụ thể được trình bày trong phần phụ lục bản

vẽ thiết kế

Trên cơ sở đó hoàn thiện thiết kế của máy hình 3.13

Hình 3.2 Thiết kế trên mô hình 3D của máy Hình 3.12 Cụm trục chính được thết kế

Chương 4

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT KẾ MẠCH PHẦN

CỨNG 4.1 Phân tích và thiết kế mạch phần cứng điều khiển

o Hệ dẫn động

được thiết kế là Động cơ bước – vít me có các thông số:

+ Động cơ bước: kiểu từ trở biến đổi, góc bước 1.80/ bước

+ Vít me: ren hình thang, ren phải một đầu mối, bước 3mm

o Sơ đồ điều khiển

Máy tính : có chức năng nhập và phân tích các câu lệnh điều khiền máy CNC 3 trục,

Khối công suất

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

sau đó thông qua modul kết nối máy tính để truyền các thông số điều khiển xuống khối vi điều khiển

RS232 : RS232 là chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, có thể kết

nối nhiều nhất với 2 thiết bị Có chức năng kết nối giữa máy tính và vi điều khiển thông qua cổng Com

Khối vi điều khiển : từ các thông số điều khiển được tính toán trên máy tính được

truyền xuống Khối vi điều khiển sẽ thực hiện xuất đi các xung điều khiển xuống khối công suất

Khối công suất : có chức năng nhận tín hiệu từ vi điều khiển để cho phép động cơ

bước hoạt động hay không hoạt động Khối công suất này có khả năng chịu được dòng và áp lớn để đảm bảo đủ công suất cho động cơ hoạt động theo yêu cầu

Các công tắc hành trình : có nhiệm vụ trả tín hiệu về vi điều khiển để xác định gốc

máy và giới hạn cho phép của máy

Như vậy hệ mạch phần cứng điều khiển bao gồm 3 modul:

o 1 Modul ghép nối máy tính

Hình 4.5 Modul ghép nối máy tính

Modul ghép nối máy tính có nhiệm vụ truyền dữ liệu từ máy tính xuống vi điều khiển

và truyền tín hiệu phản hồi từ vi điều khiển về máy tính Trung tâm của modul này là

MAX232 dưới đây là sơ đồ nguyên lý

o 2.Modul vi điều khiển

Trung tâm của modul này là vi điều khiển Atmega16 Vi điều khiển này nhận tín hiêu

từ máy tính thông qua modul ghép nối máy tính, từ các thông tin được gửi xuống từ máy tính vi điều khiển sẽ thực hiện việc điều khiển các động cơ bước của 3 trục X, Y,

Z của máy CNC Dưới đây là sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý modul vi điều khiển

o 3.Modul Công suất

Để thực hiện cung cấp nguồn cho động cơ bước có nhiều phương pháp, tuỳ thuộc vào

mô men cần tạo ra trên các trục mà ta cung cấp các dòng khác nhau Ngày nay để điều khiển động cơ bước, người ta đã sản xuất nhiều vi mạch điều khiển tích hợp trên một