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

Trong các nhiệm vụ công nghệ cần thực hiện để đảm bảo gia công phay trên robot, ngoài nhiệm vụ tính toán xác định chế độ cắt và các tham số công nghệ phù hợp, cần thực hiện nhiệm vụ tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Thanh Hải

MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT

GIA CÔNG PHAY

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Phan Bùi Khôi

2 PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh

Phản biện 1: PGS.TS Trần Đức Tăng

Phản biện 2: PGS.TS Tạ Khánh Lâm

Phản biện 3: PGS.TS Vũ Lê Huy

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi.…giờ… ngày… tháng… năm……

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

CỦA LUẬN ÁN

1 Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải Khảo sát động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot gia công cơ khí Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc, Tập

2 Động lực học – máy và robot, Đà Nẵng 3-5.08.2015, trang 407-418

2 Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải Động lực học robot trong quá trình gia công cơ khí Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc, Tập 2 Động lực học –máy và robot, Đà Nẵng 3-5.08.2015, trang 419-427

3 Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải Force analysis of a robot in machining process

National Conference on Machines and Mechanics 2015, Ho Chi Minh City, 1.11.2015, trang 346-359

30.10-4 Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải, Hoàng Vĩnh Sinh Xác định phản lực tại các khớp robot khi gia công cơ khí Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học toàn quốc lần

thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, 7-8.10.2016, trang 478-483

5 Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải, Hoàng Vĩnh Sinh Điều khiển động lực học ngược robot tác hợp khi gia công phay Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc

lần thứ X, Tập 1 Động lực học và Điều khiển Cơ học máy, Hà Nội 8-9.12.2017, trang 352-361

6 Hà Thanh Hải, Đỗ Thị Kim Liên, Phan Bùi Khôi Thiết kế quỹ đạo và mô phỏng hoạt động của robot tác hợp gia công tạo hình bề mặt cong phức tạp Tuyển tập

công trình khoa học Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, Hà Nội 09/04/2019, Tập 2 Động lực học và Điều khiển, Cơ học Máy, Cơ học Thủy khí, trang 211-219

7 Hà Thanh Hải, Hoàng Vĩnh Sinh, Hà Huy Hưng, Phan Bùi Khôi Điều khiển trong không gian thao tác robot gia công tạo hình bề mặt phức tạp Tuyển tập công trình

khoa học Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, Hà Nội 09.04.2019

8 Ha Thanh Hai Effect of cutting forces on the form-shaping motion in robotic milling

American Journal of Engineering Research, vol 8, Issue 7, 2019, pp 176-185

9 Ha Thanh Hai Kinematic Modelling of a Robot in Form-shaping Milling Complex Surfaces European Journal of Engineering Research and Science vol.4.11 no.11,

November 2019, pp 26-31

10 Ha Thanh Hai Inverse dynamic analysis of miling machining robot: application

in calibration of cutting force Vietnam Journal of Science and Technology 57 (6)

(2019), pp 773-787

11 Phan Bui Khoi, Ha Thanh Hai, Hoang Vinh Sinh Dynamic analysis of robot in machining International Journal of Mechanical and Production Engineering

Research and Development (IJMPERD), Vol 10, Issue 1, Feb 2020, pp 223–236

12 Khoi Bui Phan, Hai Thanh Ha, Sinh Vinh Hoang Eliminating the effect of uncertainties of cutting forces by fuzzy controller for robots in milling process

Applied siences Journal, under review

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Robot công nghiệp đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong gia công cơ bởi những lợi ích lớn về mặt kinh tế và kỹ thuật

Ưu điểm của robot là với cấu trúc dạng chuỗi gồm nhiều khâu, khớp, nhiều bậc tự do, làm cho robot có khả năng linh hoạt cao hơn, không gian gia công lớn hơn so các máy công cụ thông thường Robot

có thể gia công được những bề mặt có cấu trúc không gian phức tạp khác nhau chỉ bằng một số rất ít nguyên công Robot có khả năng gia công được các bề mặt với yêu cầu về độ chính xác tương đối từ thấp đến cao đối với các loại vật liệu khác nhau

Tuy nhiên, bên cạnh các ưu thế, còn những thách thức, những vấn

đề khó khăn cần tập trung nghiên cứu và giải quyết để có thể nâng cao khả năng ứng dụng gia công cơ khí trên robot Khó khăn lớn nhất là việc đảm bảo độ chính xác tuyệt đối gia công của robot Khó khăn tiếp theo là với cấu trúc nhiều bậc tự do dạng chuỗi nhiều bậc tự do cũng dẫn đến sự khó khăn trong việc tính toán và điều khiển để robot thực hiện gia công các bề mặt phức tạp

Trong các nhiệm vụ công nghệ cần thực hiện để đảm bảo gia công phay trên robot, ngoài nhiệm vụ tính toán xác định chế độ cắt và các tham số công nghệ phù hợp, cần thực hiện nhiệm vụ tính toán thiết kế quĩ đạo cho robot để đảm bảo chuyển động tạo hình Cần thiết kế các

bộ điều khiển đảm bảo việc điều khiển các khâu khớp của robot chuyển động chính xác quá trình gia công, sao cho giảm thiểu ảnh hưởng của lực cắt, các yếu tố bất định khi gia công

Đã có nhiều nghiên cứu về động học, động lực học và điều khiển của robot cho các ứng dụng khác nhau, tuy nhiên việc giải quyết các vấn đề này để ứng dụng gia công phay trên robot vẫn cần tiếp tục

nghiên cứu và giải quyết Luận án chọn đề tài:

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

đề tiếp tục giải quyết các vấn đề trên

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đưa ra phương pháp thiết kế quĩ đạo chuyển động đảm bảo động

học tạo hình khi thực hiện gia công phay trên robot

- Thiết lập mô hình toán học cho phép khảo sát tính toán động lực học robot một cách thuật lợi và hiệu quả

- Xây dựng những giải thuật tính toán và điều khiển robot để khắc phục hoặc loại trừ các yếu tố bất định trong mô hình động lực học của robot khi gia công phay

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với tính toán, mô phỏng số

- Nghiên cứu lý thuyết về ứng dụng gia công cơ khí trên robot, khảo sát động lực học robot khi gia công cơ khí, phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot gia công phay tạo hình bề mặt, các thuật toán điều khiển robot khi gia công phay

- Phương pháp tính toán, thiếp lập, giải thuật để giải các hê phương trình động học, động lực học nhờ máy tính Giải thuật tính toán, hiệu chỉnh lực cắt và sai lệch lực cắt Giải thuật tính toán, điều khiển chuyển động robot gia công phay

- Phương pháp mô phỏng số cho phép đánh giá các kết quả tính toán lý thuyết

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: cung cấp cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế quĩ đạo chuyển động cho robot gia công tạo hình các bề mặt phức tạp Cung cấp cơ sở tính toán, lựa chọn, thiết kế các bộ điều khiển robot gia công phay Ngoài ra còn cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tính toán mô men, phản lực tại các khớp, lực tác động của các khâu để tính toán, thiết kế, chế tạo robot đáp ứng yêu cầu gia công cơ khí

- Ý nghĩa thực tiễn: Các chương trình được lập, các phương pháp điều khiển cho phép ứng dụng để xây dựng bộ điều khiển cho robot Kết quả tính toán các phản lực tác động vào các khâu, khớp của robot trong quá trình gia công cung cấp cơ sở cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo robot công nghiệp gia công cơ khí

5 Những đóng góp mới của luận án

- Xây dựng mô hình toán học của robot gia công cơ cho phép khảo sát tính toán động lực học một cách thuật lợi và hiệu quả

- Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế quĩ đạo chuyển động đảm bảo động học tạo hình khi thực hiện gia công phay bằng robot

- Xây dựng những giải thuật tính toán và điều khiển robot để khắc phục hoặc loại trừ các yếu tố bất định trong mô hình động lực học của robot khi thực hiện quá trình phay

6 Cấu trúc của nội dung luận án

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan gia công cơ khí trên robot công nghiệp

1.1.1 Sự phát triển của gia công cơ khí trên robot công nghiệp

- Robot công nghiệp đã được dùng trong nhiều ứng dụng phổ biến như hàn, sơn, vận chuyển, lắp ráp, phục vụ cho các máy CNC

- Việc ứng dụng gia công cơ khí trên robot công nghiệp đã và đang được nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ trên thế giới, đặc biệt ở những nước công nghiệp phát triển

- Ứng dụng gia công cắt gọt kim loại trên robot vẫn đang là một thách thức lớn, và có nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải quyết để làm tăng độ chính xác gia công cho robot

1.1.2 Ưu thế của việc gia công cơ khí trên robot

Do có cấu trúc nhiều bậc tự do dạng chuỗi, nên robot có khả năng linh hoạt trong gia công, không gian gia công của robot rộng, cho phép robot gia công được chi tiết lớn có các bề mặt phức tạp với số ít nguyên công Robot có khả năng thực hiện nhiều thao tác trong nhiều ứng dụng khác nhau cùng lúc Lợi thế về giá thành đầu tư robot và giá gia công sản phẩm đó là việc đầu tư cho một máy CNC 4 trục có giá cao gấp khoảng 8 lần một robot 6 bậc tự do Giá gia công trên robot có thể giảm đến 30% so với các phương pháp gia công thông thường

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

Robot có nhiều khâu khớp, chuyển động của dao cắt là chuyển động tổng hợp của nhiều khâu nên việc tính toán động học, động lực học để đảm bảo chuyển động gia công tạo hình khó khăn, phức tạp Việc xác định chính xác các thành phần trong phương trình động lực học gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là lực cắt, do lực cắt luôn thay đổi về giá trị và hướng Độ cứng vững của robot thấp, nên dễ bị dao động dưới tác dụng của lực cắt, gây ảnh hưởng độ chính xác Khó khăn trong việc xây dựng

mô hình động lực học, với các yếu tố bất định dẫn đến khó khăn trong việc tính toán điều khiển robot gia công chính xác

1.2 Cơ sở động học, động lực học tạo hình khi gia công phay 1.3 Cơ sở động lực học gia công phay trên robot

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

1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát của robot

Việc tính toán sẽ trình bày cụ thể trong chương 3, ở đây chỉ nêu ra phương trình để nêu ra bài toán

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

Lực cắt là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng trong phương trình động lực của robot Độ chính xác tính toán lực cắt sinh ra trong quá trình gia công ảnh hưởng khả năng điều khiển chuyển động thao tác của robot Lực cắt sinh ra trong quá trình gia công, phụ thuộc nhiều yếu tố như vật liệu, chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt, điều kiện gia công,… Ngoài ra, lực cắt tác dụng vào khâu thao tác ở cuối chuỗi động học nhiều khâu nên việc tính toán, biểu diễn lực cắt trong phương trình

vi phân chuyển động của robot là phức tạp

1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay

Có rất nhiều các công trình khác nhau ở trong và ngoài nước ở đã công bố nghiên cứu nâng cao độ chính xác để ứng dụng gia công cơ khí trên robot Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu nào trình bày tổng quát, đầy đủ, rõ ràng và chi tiết về việc khảo sát động lực học và điều khiển cho hệ robot – bàn máy có n + m bậc tự do gia công phay Việc thành lập mô hình động lực học cho hệ robot – bàn máy gia công phay bằng lập trình trên máy tính chưa được trình bày đầy đủ trong các công trình đã công bố Trong các công trình công bố, việc áp dụng

bộ điều khiển logic mờ cho robot gia công phay tạo hình chưa được trình bày đầy đủ cho mô hình robot có nhiều bậc tự do Vẫn còn những vấn đề cần giải quyết liên quan đến thiết kế quĩ đạo chuyển động cho robot gia công tạo hình, liên quan đến việc kiểm soát và khắc phục ảnh hưởng của sự biến đổi của lực cắt đến độ chính xác gia công Đây cũng

là những vấn để mà luận án đặt ra để nghiên cứu và giải quyết

1.5 Các vấn đề nghiên cứu trong luận án

2 CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC TẠO HÌNH CỦA ROBOT TRONG

GIA CÔNG CƠ KHÍ

Nội dung chương bao gồm cơ sở lý thuyết động học tạo hình gia công cơ khí trên robot, xây dựng mô hình động học, thiếp lập phương trình động học, thiết kế quỹ đạo chuyển động và giải các bài toán động học cho hệ robot bàn máy tổng quát có n + m bậc tự do thực hiện quá trình gia công phay

2.1 Cơ sở động học gia công tạo hình bề mặt

2.1.1 Cơ sở động học tạo hình các bề mặt tự do của dụng cụ 2.1.2 Phương pháp tạo hình bề mặt tự do

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

2.2.1 Đặc trưng hình học của dụng cụ

Bề mặt dụng cụ tại được đặc trưng bởi hệ trục OExEyEzE

2.2.2 Đặc trưng hình học của bề mặt gia công

Bề mặt gia công tại mỗi thời điểm gia công được đặc trưng bởi hệ trục Ofixfiyfixfi

2.2.3 Phương pháp tam diện trùng theo

Điều kiện để thực hiện quá trình gia công tạo hình bề mặt đối tượng công nghệ tại mỗi thời điểm gia công có OExEyEzE  Ofixfiyfixfi

2.3 Động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot

2.3.1 Động học robot gia công cơ khí

Hình 2.3 Mô hình cấu trúc động học robot gia công cơ khí

Mô hình động học hệ robot – bàn máy gia công được cho như hình 2.3 Áp dụng các phương pháp Denavit-Hartenberg, tọa độ suy rộng, tam diện trùng theo, phương pháp ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất, thiết lập được hệ phương trình động học gồm n + m phương trình như (2.12)

2.3.2 Giải bài toán động học

Bài toán động học thuận: xác định p,p,p khi biết q, q, qtừ (2.12)

Bài toán động học ngược: xác định q,q,q khi biết p,p,p từ (2.12)

2.3.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu thao tác công nghệ

Bước 1: thiết kế quỹ đạo hình học:

Bước 2: Thiết kế quỹ đạo động học:

2.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể

Bài toán 2.1: Khảo sát động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động

cho hệ robot - bàn máy có 8 bậc tự do, gia công phay bề mặt thân giữa bơm thủy lực làm bằng thép C40 có độ cứng 235 HB hình 2.4

Hình 2.4 Mô hình cấu trúc động học của hệ robot –bàn máy gia công

Phương trình động học (2.12) xét cho 2 trường hợp khi bàn máy cố định n = 6, khi bàn máy di động thì n= 6 và m = 2

Dùng dao pháy ngón đầu trụ làm bằng vật liệu P6M5, số răng xoắn

4, đường kính dao 20mm, chiều dài dao 104mm

Chế độ cắt khi gia công: vc = 61,14 m/ph, Sr = 0,1 mm/răng; h0 = 2,2 mm Quy luật dịch chuyển giữa dao và đối tượng gia công hình 2.6b

a b

Hình 2.6 Thân giữa bơm thủy lực gia công bằng robot

Kết quả tính toán và mô phỏng

Hình 2.8 và hình 2.9 đều biểu diễn 3 đoạn khác nhau (1,2,3) ứng với hai hành trình cắt và một hành trình chuyển tiếp

Hình 2.8 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khâu của robot ứng với trường hợp bàn

máy cố định

Hình 2.9 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khâu của robot ứng với trường hợp

bàn máy di động

Bài toán 2.2: Khảo sát động học ngược và thiết kế quỹ đạo chuyển

động cho hệ robot – bàn máy có 7 bậc tự do gia công phay tạo hình bề mặt cong cánh tuabin bằng thép C40 có độ cứng 235 HB hình 2.10

Hình 2.10 Mô hình robot ứng dụng phay bề mặt cánh tuabin

Phương trình động học (2.12) có n = 6 và m = 1

Dùng dao pháy ngón đầu cầu của hãng Lamina Technogies để gia công, số răng xoắn 2, đường kính dao 10mm, chiều dài dao 72 mm Chế độ cắt khi gia công: vc = 80m/ph, Sr = 0,1 mm/răng; h0 = 0,3 mm

Quy luật dịch chuyển giữa dao và đối tượng gia công hình 2.12

Hình 2.12 Biểu diễn một quy luật dịch chuyển giữa dao và cánh tua bin

Kết quả tính toán và mô phỏng

Hình 2.14 Chuyển động của các khớp của robot khi phay

bề mặt cánh tuabin

Bài toán 2.3: Khảo sát động học ngược, thiết kế quỹ đạo chuyển

động cho hệ robot – bàn máy có 6 bậc tự do gia công phay tạo hình bề mặt chi tiết khuôn mẫu đúc bằng vật liệu Ti6AL4V hình 2.15

Hình 2.15 Mô hình động học robot ứng dụng phay bề mặt chi tiết

Phương trình động học (2.12) có n= 6 và m = 0

Dùng dao pháy ngón đầu cầu để gia công, số răng xoắn 2, đường kính dao 8mm, chiều dài dao 63 mm

Chế độ cắt khi gia công: n = 4000vg/ph, Sr = 0,1 mm/răng; h0 = 0,2 mm

Bề mặt gia công đườn tròn với bán kính r = 50mm

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

Hình 2.19 Quy luật chuyển động của các khớp robot khi gia công phay Kết luận chương 2

Chương 2 đã xây dựng được mô hình động học, khảo sát bài toán động học và áp dụng được phương pháp tam diện trùng theo trong việc thiết kế quỹ đạo chuyển động cho hệ robot - bàn máy n + m bậc tự do thực thiện gia công phay tạo hình bề mặt theo yêu cầu công nghệ Kết quả của việc thiết kế quỹ đạo chuyện động và giải bài toán động học cho hệ robot – bàn máy làm cơ sở cho khảo sát động học và điều khiển

3 CHƯƠNG 3 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG

Chương này trình bày việc khảo sát động lực học cho mô hình hệ robot tổng quát có n + m bậc tự do ứng dụng trong gia công cơ khí Đồng thời áp dụng phương trình động lực của hệ robot – bàn máy, đưa

ra phương pháp xác định, hiệu chỉnh lực cắt Đưa thêm phương pháp xác định phản lực liên kết qua phương trình động lực học

3.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot

Phương trình vi phân chuyển động của hệ robot – bàn máy:

Ở đây i là lực dẫn động tại các khớp, với khớp tịnh tiến i là lực,

là mô men với khớp quay

3.2 Các mô hình lực cắt

3.3 Bài toán động lực học hệ robot – bàn máy khi gia công cơ khí

Bước 1: Mô hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy,

xác định các tham số động lực học

Bước 2: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động

Bước 3: Bài toán động lực học thuận

Bước 4: Bài toán động lực học ngược

Bước 5 : Bài toán động lực học hỗn hợp

3.4 Bài toán xác định phản lực liên kết tại các khớp

Bước 1: Mô hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy,

xác định các tham số động lực học

Bước 2: Xác định vị trí khớp và hướng cần xác định phản lực liên kết Bước 3: Giả thiết giải phóng liên kết và đưa vào bậc tự do giả định