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

Luận án thực hiện việc xây dựng mô hình toán học cho hệ thống robot gia công cơ tổngquát, xây dựng các giải thuật điều khiển và thiết kế mô hình các bộ điều khiển vớinhững giải pháp khắc

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2020

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

N gành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS Phan Bùi Khôi

2 PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh

Hà Nội – 2020

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Mô hình hóa động lựchọc và điều khiển robot gia công phay” do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của tậpthể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi và PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh Cáckết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bốtrong bất kỳ công trình nghiên cứu nào!

Hà Nội,

Người hướng dẫn

Khoa học 1 Người hướng dẫnKhoa học 2 Nghiên cứu sinh

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

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn sự chỉ dạy, sự tạo điều kiện giúp

đỡ quí báu của các quí thầy cô Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp, Bộmôn Cơ học ứng dụng, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nơi nghiêncứu 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 bè, đồng nghiệp

đã giúp đỡ, chỉ bảo, đóng góp ý kiến cho nghiên cứu sinh để nghiên cứu sinh hoànthành luận án của mình

Luận án sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự chỉ dạy, hướng dẫn tận tình,quý giá của các thầy hướng dẫn Sự hướng dẫn không biết mệt mỏi của các thầy đãgiúp nghiên cứu sinh vượt qua nhiều khó khăn, nhiều giới hạn để có thể hoàn thànhluận án Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phan Bùi Khôi,PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh đã dành nhiều công sức hướng dẫn nghiên cứu sinh trongsuốt quá trình nghiên cứu

Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, đồng nghiệpTrường Cao đẳng công trình đô thị, đã động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡnghiên cứu trong quá trình nghiên cứu

Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin dành sự biết ơn tới vợ, các con, bố, mẹ, nhữngngười thân trong gia đình về sự động viên, sự chia sẻ, hi sinh lớn lao để nghiên cứusinh hoàn thành luận án

NGHIÊN CỨU SINH

Hà Thanh Hải

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Tổng quan gia công cơ khí trên robot công nghiệp 6

1.1.1 Sự phát triển của gia công cơ khí trên robot công nghiệp 6

1.1.2 Ưu thế của việc gia công cơ khí trên robot 7

1.1.3 Những vấn đề gia công cơ khí trên robot công nghiệp 9

1.2 Cơ sở động học, động lực học tạo hình khi gia công phay 10

1.2.1 Cơ sở động học phay tạo hình bề mặt chi tiết 10

1.2.2 Các thông số động học quá trình cắt khi phay 10

1.2.3 Tổng quan về lực cắt và các phương pháp xác định lực cắt khi phay.14 1.2.3.1 Tổng quan các mô hình xác định lực cắt khi phay 15

1.2.3.2 Các thành phần của lực cắt trong gia công phay 15

1.3 Cơ sở động lực học gia công phay trên robot 20

1.3.1 Sự cần thiết khảo sát động lực học robot gia công 20

1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát của robot 20

1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học robot khi gia công 21

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 21

1.5 Các vấn đề nghiên cứu trong luận án 23

Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC TẠO HÌNH CỦA ROBOT TRONG GIA CÔNG CƠ KHÍ26 2.1 Cơ sở động học gia công tạo hình bề mặt 26

2.1.1 Cơ sở động học tạo hình các bề mặt tự do của dụng cụ 26

2.1.2 Phương pháp tạo hình bề mặt tự do 28

2.2 Cơ sở thực hiện động học tạo hình của robot trong gia công 28

2.2.1 Đặc trưng hình học của dụng cụ 28

2.2.2 Đặc trưng hình học của bề mặt gia công 28

2.2.3 Phương pháp tam diện trùng theo 28

2.3 Động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot 29

2.3.1 Động học robot gia công cơ khí 29

2.3.2 Giải bài toán động học 33

2.3.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu thao tác công nghệ 36

2.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể 39

Kết luận chương 2 56

CHƯƠNG 3 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG 57

3.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 57

3.1.1 Ma trận khối lượng suy rộng của hệ robot- bàn máy 58

3.1.2 Lực suy rộng của lực Coriolis và lực ly tâm 59

3.1.3 Lực suy rộng của các lực có thế tác dụng lên robot 59

3.1.4 Lực suy rộng của của các lực không thế 59

3.1.5 Lực suy rộng của các lực dẫn động 61

3.2 Các mô hính tính lực cắt 63

3.3 Bài toán động lực học hệ robot – bàn máy khi gia công cơ khí 66

3.4 Bài toán xác định phản lực liên kết tại các khớp 67

3.5 Bài toán hiệu chỉnh tính toán lực cắt trong quá trình hệ robot – bàn máy thực hiện gia công phay 68

3.6 Khảo sát một số bài toán cụ thể 70

Kết luận chương 3 97

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN ROBOT TRONG GIA CÔNG 99

4.1 Điều khiển hệ robot – bàn máy trong gia công cơ 100

4.1.1 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot khi gia công phay 100

4.1.2 Điều khiển động lực học ngược + PD trong không gian khớp cho hệ robot - bàn máy 102

4.1.3 Điều khiển động lực học ngược kết hợp với vòng ngoài PD trong không gian thao tác cho hệ robot - bàn máy 104

4.2 Điều khiển hệ robot - bàn máy trong không gian khớp dựa trên động lực học ngược + PD + Hiệu chuẩn tính toán lực cắt 105

4.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển động lực học ngược + PD + Hiệu chuẩn tính toán lực cắt 105

4.2.2 Thuật toán hiệu chuẩn tính toán lực cắt 106

4.3 Điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy trong gia công cơ 106

4.3.1 Cơ sở về điều khiển mờ 107

4.3.2 Bộ điều khiển mờ cho gia công phay 108

4.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể 112

Kết luận chương 4 133

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 135

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 137

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 138

PHỤ LỤC 1

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Số răng đồng thời tham gia cắt ở một lớp cắt

Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của lượng chạy dao

Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của chiều sâu phay to đến lực cắt Ft

Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của D đến Ft

St Góc vào dao độ

Chu kỳ chuyển động của răng

Góc xoắn (góc nghiêng của cạnh cắt dao) độ

Ftra,i Vector biểu diễn lực cắt, tiếp tuyến, hướng tâm và hướng N

trục cho răng thứ i cắt

Kc Vector hệ số hệ số lực cắt tiếp tuyến, hướng tâm và hướng

trục cho mô hình lực tuyến tính

Ktc Hệ số lực cắt tiếp tuyến cho mô hình lực tuyến tính N/mm2

Krc Hệ số lực cắt hướng tâm cho mô hình lực tuyến tính N/mm2

Kac Hệ số lực cắt chiều trục cho mô hình lực tuyến tính N/mm2

Ke Vector hệ số hệ số lực cắt của răng theo các phương tiếp N/mm

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

Kr hệ số lực cắt theo hướng tâm cho mô hình lực phi tuyến N/mm2

Ka hệ số lực cắt theo hướng trục cho mô hình lực phi tuyến N/mm2

Fxyz,tool Vector biểu diễn lực cắt theo phương x, y, z N

Ti( i) Ma trận chuyển đổi hệ trục từ hệ trục tra sang hệ trục xyz

Góc hợp bởi lực dFri với trục của dao đội-1Ai Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, biểu diễn vị trí và

hướng của tọa độ Oixiyizi trong hệ tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1

AT Ma trận chuyển vị của ma trân A

vi

Khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gốc tọa mm

độ Oi-1 chuyển đến Hi-1, giao điểm của trục xi và trục zi-1

Khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục xi để Hi-1 mmchuyến đến gốc tọa độ Oi

Góc quay quanh trục xi sao cho trục z’i-1 (z’i-1// zi-1) chuyển độ, radđến trục zi

Phần tử ở hàng thứ i và cột thứ j của ma trận

Ma trận côsin chỉ hướng của hệ tọa độ Oixiyizi đối với hệ

tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1

Vector biểu diễn vị trí tọa độ của gốc Oi trong hệ tọa độ O

i-1xi-1yi-1zi-1

Ma trận biểu diễn vị trí và hướng cho hệ tọa độ Oixiyizi

trong hệ tọa độ cơ sở O0x0y0z0

Ma trận côsin chỉ hướng của hệ tọa độ Oixiyizi đối với hệ

tọa độ cơ sở O0x0y0z0

Vector biểu diễn vị trí tọa độ của gốc Oi trong hệ tọa độ mm

O0x0y0z0

Hệ phương trình động học dạng ma trận

Vector định vị tọa độ thao tác của dụng cụ cắt m

Vector vận tốc tại các khớp của robot rad/s,

m/s

Vector gia tốc ở các khớp của robot rad/s2,

m/s2

Ma trận Jacobian của hàm f với biến q

Ma trận Jacobian của hàm f với biến p

Ma trận nghịch đảo của ma trận Jq

Ma trận nghịch đảo của ma trận Jp

Đạo hàm ma trận Jacobian Jq theo thời gian t

Đạo hàm ma trận Jacobian Jp theo thời gian t

Hành trình lớn nhất robot có thể thực hiện theo phương j mmVận tốc tương đối của dụng cụ đối với đối tượng gia công m/sTổng chiều dài gia công ứng với hành trình Lj mm

Ma trận biểu diễn vị trí và hướng của khâu i (hệ tọa độ

Cixciycizci) (i = 1,2,…,n) trong hệ tọa độ cơ sở O0x0y0z0

Ma trận cosin chỉ hướng của khâu i đối với hệ tọa độ cơ sở

Ma trận khối lượng suy rộng

Vận tốc của khối tâm của khâu i trong hệ tọa độ O0x0y0z0 m/sVận tốc góc của khâu thứ i của robot trong hệ tọa độ rad/s

O0x0y0z0

Toán tử sóng của vector vận tốc góc thứ i rad/s

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

vector tọa độ khớp

Ma trận Jacobi của vector vận tốc góc khâu i theo vector

đạo hàm của các tọa độ khớp

Ten xơ quán tính khâu i đối với khối tâm Ci biểu diễn trong

hệ tọa độ khối tâm khâu i

Vector lực suy rộng của các lực quán tính Coriolis và quán

tính ly tâm tác dụng lên robot

Ký hiệu Christofel 3 chỉ số loại 1

Vector lực suy rộng ứng với các lực bảo toàn (lực có thế)

Lực suy rộng của các lực bảo toàn ứng với tọa độ suy rộng

qj

Vector lực suy rộng của các lực dẫn động

Vector lực suy rộng của Fc và Mc

Vector lực suy rộng của Fr và Mr

Vector xác định vị trí gốc OE (điểm cắt) ở trong hệ trục tọa mm

độ cơ sở O0x0y0z0 theo chuỗi động học cấu trúc robot

Ma trận Jacobian tịnh tiến của dụng cụ cắt biểu diễn trong

hệ tọa độ cơ sở O0x0y0z0 theo chuỗi động học cấu trúc robot

Vector xác định vị trí gốc OE ở trong hệ trục tọa độ cơ sở

O0x0y0z0 theo chuỗi động học bàn máy robot

Ma trận Jacobian tịnh tiến của gốc OE theo chuỗi động học

bàn máy robot

Tỷ lệ - vi phân

Tỷ lệ - vi phân – tích phân

Luật điều khiển servo cho robot tác hợp

mm/s

,mm/s2

Vector vận tốc tại các khớp đặt (mong muốn) của robot rad/s

Ma trận đường chéo các hệ số tỉ lệ

Ma trận đường chéo các hệ số vi phân

Vector tọa độ thao tác đặt (mong muốn) của dụng cụ cắt mVector vận tốc đặt (mong muốn) của dụng cụ cắt m/s

Hàm thuộc của sai số vị trí khớp i

Hàm thuộc của sai số vận tốc khớp i

Hàm thuộc lượng điều chỉnh lực/mô men dẫn động của

khớp i

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Tính các lực thành phần lực F , Fx , Fy z theo lực tiếp tuyến Ft [22] 16

Bảng 2.1 Thông số động học của robot và dụng cụ 30

Bảng 2.2 Thông số động học của bàn máy 32

Bảng 2.3 Tọa độ lưới điểm xác định bề mặt chi tiết 36

Bảng 2.4 Đường dụng cụ được biểu diễn dưới dạng số 37

Bảng 2.5 Biểu diễn thông số động học robot theo chuỗi robot - dụng cụ 40

Bảng 2.6 Thông số động học theo chuỗi bàn máy - dụng cụ 40

Bảng 2.7 Giá trị thông số động học của robot 44

Bảng 2.8 Giá trị thông số của đối tượng gia công và bàn máy 44

Bảng 2.9 Giá trị thông số dụng cụ và quá trình công nghệ [95] [97] 44

Bảng 2.10 Thông số động học của bàn máy 48

Bảng 2.11 Giá trị thông số của đối tượng gia công và bàn máy 50

Bảng 2.12 Giá trị thông số dụng cụ và điều kiện gia công [98] 50

Bảng 2.13 C ác ký hiệu khâu, các hệ tọa độ và thông số động học của robot- dụng cụ 52

Bảng 2.14 Các ký hiệu khâu, các hệ tọa độ và thông số động học của bàn máy - đồ gá 52

Bảng 2.15 Giá trị thông số động học của robot 54

Bảng 2.16 Giá trị thông số của bàn máy 54

Bảng 2.17 Giá trị thông số dụng cụ và quá trình công nghệ [98], [24] 54

Bảng 3.1 Thông số động lực học của hệ robot – bàn máy 71

Bảng 3.2 Thông số chi tiết, thông số công nghệ cho hai trường hợp 82

Bảng 3.3 Thông số động lực học của robot 86

Bảng 3.4 Các hệ số lực cắt khi phay [24] 86

Bảng 3.5 Các thông số động học mở rộng của robot 90

Bảng 4.1 Biểu diễn các miền con vật lý, tập mờ và giá trị ngôn ngữ của tín hiệu vào ra 109

Bảng 4.2 Hệ luật cho bộ điều khiển mờ 110

Bảng 4.3 Miền giá trị vật lý của các tín hiệu vào ra 124

Bảng 4.4 Giá trị thông số của đối tượng gia công và bàn máy 127

Bảng 4.5 Giá trị thông số dụng cụ và quá trình công nghệ 127

Bảng 4.6 Hệ số lực cắt trong gia công phay 127

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Ứng dụng robot có cấu trúc nối tiếp trong gia công cơ khí 8

Hình 1.2 Các loại dao phay hay sử dụng để gia công phay các bề mặt trên robot [21] 10

Hình 1.3 Hướng tiến dao khi phay cả thuận và nghịch 11

Hình 1.4 Thông số động học khi phay 11

Hình 1.5 Góc tiếp xúc khi phay [22] 12

Hình 1.6 Chiều dày cắt, chiều rộng khi phay [22] 13

Hình 1.7 Thành phần lực cắt phay bằng dao phay mặt đầu và dao phay ngón 16

Hình 1.8 Mô hình tính lực của dao phay ngón khi phay [24] [26] 17

Hình 2.1 Các chuyển động tạo hình bề mặt chi tiết 27

Hình 2.2 Tam diện trùng theo 29

Hình 2.3 Mô hình cấu trúc động học robot gia công cơ 29

Hình 2.4 Mô hình cấu trúc động học của hệ robot - bàn máy gia công phay thân bơm 39 Hình 2.5 Hành trình dụng cụ cần di chuyển dọc theo phương j để gia công 43

Hình 2.6 Thân giữa bơm thủy lực 1 được gia công bằng robot 43

Hình 2.7 Dao phay ngón dùng cho robot gia công phay 44

Hình 2.8 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khớp của robot ứng với trường hợp bàn máy cố định. 45 Hình 2.9 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khớp của robot ứng với trường hợp bàn máy di động. 46 Hình 2.10 Mô hình robot ứng dụng phay bề mặt cánh tuabin 47

Hình 2.11 Biểu diễn lưới điểm của bề mặt cánh tuabin 49

Hình 2.12 Biểu diễn một quy luật dịch chuyển giữa dao và cánh tua bin 50

Hình 2.13 Dao phay ngón đầu cầu [98] 50

Hình 2.14 Chuyển động của các khớp của robot khi phay bề mặt cánh tuabin 51

Hình 2.15 Mô hình động học robot ứng dụng phay bề mặt chi tiết 51

Hình 2.16 Chi tiết gia công và quy luật dịch chuyển dao khi phay 54

Hình 2.17 Dụng cụ gia công dao phay ngón đầu cầu [98] 54

Hình 2.18 Quy luật chuyển động của dụng cụ khi gia công phay 55

Hình 2.19 Quy luật chuyển động của các khớp robot khi gia công phay 55

Hình 3.1 Hệ robot, bàn máy có n + m bậc tự do thực hiện gia công cơ 58

Hình 3.2 Lực, mô men cắt, tương hỗ tác dụng lên dụng cụ và đối tượng gia công 60

Hình 3.3 Mô hình lực cắt do răng cắt thứ i gây ra trên phân tố đĩa 63

Hình 3.4 Góc tiếp xúc gia công phay [103] 64

Hình 3.5 Mô hình lực cắt của các loại dao phay ngón đầu cầu khi phay 65

Hình 3.6 Mô hình cấu trúc của hệ robot – bàn máy gia công cơ 70

Hình 3.7 Lực cắt trong quá trình robot gia công phay bề mặt chi tiết 75

Hình 3.8 Dao phay ngón dùng cho robot gia công cơ, hệ tọa độ dụng cụ 75

Hình 3.9 Mô men dẫn động tại các khớp của robot khi bàn máy cố định 76

Hình 3.10 Mô men dẫn động tại các khớp khi bàn máy di động 76

Hình 3.11 Chi tiết và quỹ đạo đường chạy dao 77

Hình 3.12 Quy luật chuyển động của dao trên đường dụng cụ C 77

Hình 3.13 Các lực cắt 77

Hình 3.14 Mô men dẫn động tại các khớp của robot 78

Hình 3.15 Quy luật chuyển động của các khâu 78

Hình 3.16 Chi tiết gia công và đường chạy dao 79

Hình 3.17 Đường cong tạo hình 80

Hình 3.18 Tọa độ thao tác 80

Hình 3.19 Tọa độ khớp 80

Hình 3.20 Vận tốc khâu 80

Hình 3.21 Lực cắt gia công 80

Hình 3.22 Lực dẫn động 81

Hình 3.23 Chi tiết gia công và đường chạy dao 82

Hình 3.24 Đường cong tạo hình 83

Hình 3.25 Tọa độ thao tác 83

Hình 3.26 Tọa độ khớp 83

Hình 3.27 Vận tốc khâu 83

Hình 3.28 Lực cắt khi gia công 83

Hình 3.29 Mô men dẫn động tại các khớp 84

Hình 3.30 Mô hình cấu trúc của hệ robot – bàn máy gia công phay 85

Hình 3.31 Chi tiết gia công mẫu khuôn đúc 2 và quy luật đường chạy dao 85

Hình 3.32 Lực cắt gia công phay 86

Hình 3.33 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khâu của robot 87

Hình 3.34 Momen dẫn động tại các khớp của robot 88

Hình 3.35 Quy luật chuyển động của các khâu (vị trí) từ tích phân phương trình chuyển động 88

Hình 3.36 Mô hình cấu trúc của hệ robot – bàn máy gia công cơ 89

Hình 3.37 Quỹ đạo chuyển động của mũi dao 91

Hình 3.38 Vị trí các khâu của robot theo t 91

Hình 3.39 Vận tốc các khâu theo t 91

Hình 3.40 Gia tốc các khâu theo t 91

Hình 3.41 Mô men dẫn động các khâu của robot 92

Hình 3.42 Phản lực liên kết tại khớp 2 theo phương z0 92

Hình 3.43 Mô hình và sơ đồ động học của robot gia công khí 93

Hình 3.44 Biểu diễn các lực cắt được hiệu chỉnh 95

Hình 3.45 Sai số lực cắt 97

Hình 4.1 Cấu trúc hệ robot, bàn máy n + m bậc tự do thực hiện gia công cơ 100

Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển trong không gian khớp 101

Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển trong không gian thao tác 102

Hình 4.4 Mô hình điều khiển động lực học ngược kết + PD trong không gian khớp cho hệ robot – bàn máy 104

xii

Hình 4.5 Mô hình điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD

trong không gian thao tác cho hệ robot – bàn máy 105

Hình 4.6 Mô hình bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD có tích hợp khối điều chỉnh lực cắt lực cắt khi gia công trong không gian khớp 105

Hình 4.7 Đồ thị hàm thuộc F (x) có mức chuyển đổi tuyến tính 107

Hình 4.8 Hàm liên thuộc của các sai số vị trí, vận tốc và lượng điều chỉnh mô men dẫn động khớp yi (y = ei i , e i , u i; i =1,…,n+m) 110

Hình 4.9 Mô hình bộ điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy trong gia công cơ 112

Hình 4.10 Mô hình vật lý và động học hệ robot – bàn máy 112

Hình 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 113

Hình 4.13 Khối động lực học ngược 113

Hình 4.14 Khối tích phân phương trình vi phân chuyển động 114

Hình 4.15 Chi tiết và quĩ đạo gia công 114

Hình 4.16 Kết quả mô phỏng điều khiển gia công phay mặt phẳng hình vành khuyên của chi tiết thân đế, khi lực cắt không đổi trong quá trình gia công 115

Hình 4.17 Kết quả mô phỏng điều khiển gia công phay thân giữa bơm thủy lực 1 khi có sai lệch lực cắt trong quá trình gia công 117

Hình 4.18 Mô hình vật lý và động học hệ robot – bàn máy 117

Hình 4.19 Mô hình bộ điều khiển PD trong không gian thao tác 118

Hình 4.20 Kết quả điều khiển trong không gian thao tác 119

Hình 4.21 Kết quả mô phỏng 122

Hình 4.22 Mô hình hệ robot – bàn máy 8 bậc tự do gia công phay 122

Hình 4.23 Mô hình bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD 124

Hình 4.24 Biểu diễn mô hình tổng thể bộ điều khiển mờ 125

Hình 4.25 Biểu diễn cấu trúc khối điều khiển mờ vòng kép 126

Hình 4.26 Chi tiết và đường dụng cụ gia công 126

Hình 4.27 Dao phay ngón dùng cho robot gia công phay 126

Hình 4.28 Lực cắt tương ứng với với hai cách tính và lựa chọn các hệ số lực cắt 128

Hình 4.29 Sai lệch tọa độ khớp của bộ điều khiển PD1, PD2 129

Hình 4.30 Sai lệch giữa quỹ đạo thao tác với quỹ đạo đặt là đường dụng cụ của bộ điều khiển PD1, PD2 129

Hình 4.31 Sai lệch tọa độ khớp của các bộ điều khiển PD1, PD2, Fuzzy 130

Hình 4.32 Sai lệch giữa quỹ đạo thao tác với quỹ đạo đặt là đường dụng cụ của bộ điều khiển PD1, PD2, FZ 131

Hình 4.33 Quỹ đạo của điểm cắt của dụng cụ trong hệ tọa độ thao tác 131

xiii

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Robot đang ngày càng được ứng dụng nhiều trong gia công cơ khí do có nhiều ưuđiểm về kỹ thuật và kinh tế Robot có nhiều bậc tự do, cấu trúc nhiều khâu, khớp,cho khả năng chuyển động thao tác linh hoạt, không gian gia công lớn, gia côngđược các chi tiết có bề mặt hình học phức tạp, kích thước lớn, với số nguyên côngtối thiểu và đồ gá đơn giản Robot có khả năng gia công cơ khí với nhiều thao táckhác nhau cùng lúc, từ đơn giản đến phức tạp, đáp ứng được những yêu cầu về độchính xác tương đối từ thấp đến cao đối với các loại vật liệu khác nhau Sử dụngrobot công nghiệp trong gia công có ưu thế về kinh tế hơn so với gia công bằng cácmáy công cụ như giảm chi phí sản xuất, đầu tư và tăng năng suất lao động

Bên cạnh những lợi ích lớn về mặt kỹ thuật và kinh tế, còn có nhiều khó khăn,thách thức cần nghiên cứu và giải quyết để có thể nâng cao khả năng, hiệu quả ứngdụng gia công cơ của robot Cấu trúc nhiều khâu, khớp cho robot khả năng thao táclinh hoạt như đã nêu nhưng đồng thời lại là khó khăn trong việc mô hình hóa độnghọc, động lực học và điều khiển robot Các biểu thức xác định các đại lượng độnghọc, động lực học trong phương trình vi phân chuyển động của robot thường cồngkềnh, đồ sộ Quá trình gia công cơ khí có nhiều yếu tố khó xác định đầy đủ và chínhxác, chẳng hạn các nhiễu có thể xuất hiện bất thường Đặc biệt lực cắt sinh ra trongquá trình gia công là yếu tố bất định và có ảnh hưởng lớn đến việc xác định lực điềukhiển dựa trên mô hình động lực Các quá trình công nghệ gia công cơ khí thườngyêu cầu cao về độ chính xác, đặc biệt khi phay tạo hình các chi tiết có bề mặt phứctạp càng đòi hỏi khắt khe về độ chính xác của chuyển động tạo hình Để giải quyếtnhững vấn đề này, đã có nhiều hướng nghiên cứu nhằm cải thiện, nâng cao độ chínhxác gia công của robot

Trong các nhiệm vụ cần thực hiện để đảm bảo robot gia công cơ khí, bên cạnhnhiệm vụ tính toán xác định chế độ cắt, xác định các tham số công nghệ phù hợp, chế

độ bôi trơn, làm mát, …còn cần thực hiện các nhiệm vụ quan trọng và khó khăn trongviệc tính toán động học, động lực học và điều khiển robot gia công Đầu tiên là nhiệm

vụ mô hình hóa động học hệ robot, dựa trên mô hình động học tính toán thiết kế quĩđạo cho robot đảm bảo chuyển động tạo hình của dụng cụ trên bề mặt chi tiết gia công,đáp ứng các yêu cầu gia công Tiếp đến là nhiệm vụ mô hình hóa động lực học hệthống robot để xác định mối quan hệ giữa chuyển động gia công của dụng cụ vớichuyển động và các lực dẫn động tại các khớp, với các lực cắt sinh ra trong quá trìnhgia công của robot Từ các mô hình toán học cần xây dựng các giải thuật, thiết kế các

bộ điều khiển để điều khiển robot thực hiện chính xác các thao tác công nghệ Các bộđiều khiển áp dụng cho robot có thể là các bộ điều khiển truyền thống như bộ điềukhiển PD, PID, bộ điều khiển động học ngược, hoặc các bộ điều khiển hiện đại như bộđiều khiển logic mờ, bộ điều khiển đại số gia tử, bộ điều khiển mạng nơ ron Đối vớicác ứng dụng của robot công nghiệp như vận chuyển, lắp ráp, sơn, hàn,…việc ứngdụng các bộ điều khiển truyền thống có thể đáp ứng được yêu cầu do trong mô hìnhđộng lực học của robot không có thành phần lực cắt bất định, và không có nhiễu củaquá trình gia công Đối với robot gia công cơ, để áp dụng các bộ điều khiển truyền

thống cần phải đảm bảo mô hình động lực học chính xác, tức là phải đảm bảo xácđịnh các đại lượng động lực học chính xác, điều này là khó khăn, đặc biệt là xácđịnh chính xác lực cắt như đã nêu trên Như vậy việc thiết kế bộ điều khiển chorobot gia công cơ là một khó khăn lớn, áp dụng các bộ điều khiển truyền thống hoặccác bộ điều khiển hiện đại cần đưa ra giải pháp khắc phục sự bất định của các đạilượng trong phương trình động lực học và nhiễu khi gia công Hơn nữa, để thựchiện được các nhiệm vụ đã nêu, cần xây dựng các giải thuật, chương trình tính toán,

mô phỏng để giải quyết và kiểm nghiệm các kết quả của các bài toán

Trong và ngoài nước, đã có nhiều nghiên cứu về động học, động lực học và điềukhiển của robot cho các ứng dụng khác nhau, tuy nhiên việc giải quyết các vấn đềnày để ứng dụng robot vào gia công cơ vẫn cần tiếp tục nghiên cứu và giải quyết Vì

vậy luận án chọn đề tài: “Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công

phay” Luận án nghiên cứu và giải quyết các vấn đề khó khăn và thách thức đã nêu

ở trên Đó là giải quyết về bản chất cơ học và điều khiển cho hệ thống robot tronggia công cơ góp, phần giải quyết việc nâng cao khả năng gia công của robot Luận

án thực hiện việc xây dựng mô hình toán học cho hệ thống robot gia công cơ tổngquát, xây dựng các giải thuật điều khiển và thiết kế mô hình các bộ điều khiển vớinhững giải pháp khắc phục được tính bất định của các đại lượng trong phương trìnhđộng lực học, thiết kế quĩ đạo chuyển động tạo hình, khảo sát phân tích lực củarobot trong gia công phay

2 Mục đích, đối tương, phạm vi nghiên cứu

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm các robot công nghiệp có cấu trúc dạng chuỗi, có nhiều bậc tự do, ứng dụng trong gia công tạo hình bề mặt chi tiết.Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Động học, động lực học và điều khiển robot có cấu trúc dạng chuỗi gia công tạo hình

- Các thuật toán, chương trình mô phỏng số để đánh giá, khảo sát các kết quả nghiên cứu lý thuyết

2

3 Phương pháp nghiên cứu

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

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

- Phương pháp tính toán, thiếp lập mô hình toán học, giải thuật để giải các hệphương trình động học, động lực học nhờ máy tính Giải thuật tính toán, hiệu chỉnhlực điều khiển theo sự ảnh hưởng của lực cắt, sai lệch của lực cắt, giải thuật tínhtoán, điều khiển cho robot trong gia công tạo hình dưới tác dụng của lực cắt

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

4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: cung cấp cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế quĩ đạo cho hệrobot, bàn máy có cấu trúc nối tiếp gia công tạo hình các bề mặt từ đơn giản đếnphức tạp Cung cấp cơ sở tính toán, lựa chọn, thiết kế các bộ điều khiển robot giacông phay Ngoài ra còn cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tính toán mô men, phảnlực tại các khớp, lực tác động của các khâu để tính toán, thiết kế, chế tạo robot đápứng yêu cầu gia công cơ khí

- Ý nghĩa thực tiễn:

Các chương trình được lập, các phương pháp điều khiển cho phép ứng dụng đểxây dựng bộ điều khiển cho robot Kết quả tính toán các phản lực tác động vào cáckhâu, 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

Việc thêm các bậc tự do chuyển động ở bàn máy giúp mở rộng không gian làmviệc của robot, giúp robot gia công được các chi tiết có kích thước lớn, có các bềmặt phức tạp với số nguyên công tối thiểu Ngoài ra, các bậc tự do của bàn máy cóthể sử dụng để bù sai số cho robot trong quá trình gia công

5 Những đóng góp mới của luận án

- Xây dựng mô hình toán học của hệ robot - bàn máy có cấu trúc dạng chuỗi tổngquát dùng cho gia công cơ khí, làm cơ sở cho việc khảo sát, tính toán các bài toán

áp dụng trong gia công 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 cho robot gia công các chi tiết từ đơn giản đến phức tạp

- Xây dựng các chương trình và thuật toán khảo sát ảnh hưởng của lực cắt đến chuyển động tạo hình, phân tích phản lực động lực tại các khớp

- Phương pháp xây dựng bộ điều khiển hiệu chỉnh lực dẫn động dựa trên giảithuật mô hình hóa động lực học và điều khiển cho phép khắc phục tính bất định củalực cắt trong quá trình gia công

- Giải thuật điều khiển dựa trên logic mờ cho phép khắc phục đồng thời các yếu

tố bất định về lực cắt, nhiễu, các sai số hoặc tính không đầy đủ về một số đại lượngđộng lực trong quá trình điều khiển robot đảm bảo chuyển động tạo hình

- Các thuật toán và chương trình cho phép tính toán, mô phỏng số, nhận được kết quả nhanh, với sự so sánh đảm bảo độ tin cậy.

6 Cấu trúc của nội dung luận án

Phần mở đầu luận án trình bày về tính cấp thiết, mục đích, đối tượng, phạm vi,phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, những đóng góp mới củaluận án Phần nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương

Chương 1 trình bày tổng quan về ứng dụng robot công nghiệp trong gia công cơkhí, đặc biệt là gia công phay; phân tích những ưu thế, những khó khăn, tồn tại củaviệc áp dụng robot công nghiệp khi gia công cơ khí, những giải pháp để nâng cao

độ chính xác của robot trong gia công cơ khí Tiếp theo, chương 1 bày cơ sở độnglực học quá trình gia công bao gồm các yếu tố chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt,tổng quan về tính toán lực cắt trong quá trình gia công phay Phân tích và làm rõcác vấn đề của bài toán động lực học của robot gia công phay Cuối cùng, chương 1trình bày tổng quan, khảo sát, phân tích những công trình nghiên cứu của các tác giảtrong và ngoài nước về thực trạng, xu hướng, mức độ, tồn tại của các vấn đề đã vàđang được giải quyết trong việc áp dụng robot vào gia công cơ khí, từ đó luận ánlựa chọn hướng nghiên cứu, vấn đề nghiên cứu

Chương 2 luận án trình bày cơ sở lý thuyết động học tạo hình của robot trong giacông cơ, thiết lập mô hình động học tổng quát, thành lập và giải các bài toán độnghọc của robot, tìm ra mối quan hệ chuyển động động học của các điểm, đường trên

bề mặt gia công với các khâu khớp của robot Tính toán, thiết kế quỹ đạo cho robotgia công tạo hình bề mặt chi tiết Áp dụng các kết quả của bài toán động học khảosát một số trường hợp gia công cụ thể Các chương trình tính toán, mô phỏng cũngđược xây dựng để tính toán và hiển thị các kết quả tính toán Kết quả của việc giảibài toán động học của robot một mặt giúp xây dựng cơ sở dữ liệu để tính toán thiết

kế quĩ đạo gia công các bề mặt, một mặt làm cơ sở để tính toán và giải bài toánđộng lực học, mặt khác đưa ra cơ sở đánh giá sai số gia công khi có lực tác độngcủa quá trình cắt

Chương 3 trình bày một trong những trọng tâm nghiên cứu của luận án, đó làviệc xây dựng mô hình động lực học, thiết lập các phương trình vi phân chuyểnđộng cho mô hình tổng quát của robot gia công cơ Việc tính toán các đại lượngđộng lực trong phương trình động lực học, đặc biệt đại lượng lực cắt bất định đượckhảo sát và trình bày một cách chi tiết Việc tìm ra các qui luật chuyển động độnglực của robot giúp khảo sát và phân tích một cách chính xác những yếu tố tác độngchính dẫn đến sai số của robot, giúp tìm được qui luật biến đổi của các lực gia công,các lực tác dụng tại khớp, các lực dẫn động tại các khâu, khớp của robot trong mốitương quan với các thông số động học yêu cầu Trình bày đóng góp về một cáchtiếp cận để tính các phản lực khớp động, cũng như đưa ra một số đóng góp mớitrong việc tính toán, hiệu chỉnh lực điều khiển theo ảnh hưởng của lực cắt của quátrình gia công một cách gián tiếp, thông qua phương trình động lực học mà khôngcần dùng đến các phương tiện đo trực tiếp lực cắt tại đầu dao Một số trường hợp ápdụng cụ thể cho mô hình

4

robot gia công phay trên thực tế được tiến hành để làm rõ, kiểm chứng các kết quảnghiên cứu lý thuyết Các chương trình tính toán và mô phỏng số được viết để thựchiện quá trình tính toán và hiển thị các kết quả.

Chương 4 trình bày việc thiết kế các bộ điều khiển cho hệ robot-bàn máy baogồm bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD trong không giankhớp và không gian thao tác, bộ điều khiển động lực học ngược+ PD+ hiệu chuẩnlực cắt trong không gian khớp, bộ điều khiển mờ Các bộ điều khiển lần lượt giảiquyết các vấn đề nhằm nâng cao hiệu quả, độ chính xác gia công của hệ robot-bànmáy Các bài toán áp dụng các bộ điều khiển được thực hiện cho mô hình hệ robot –bàn máy gồm robot có 6 bậc tự do mang dụng cụ cắt và bàn máy cố định hoặc dichuyển Kết quả khảo sát tính toán và mô phỏng bộ điều khiển bằng Simulink chophép đánh giá qua hình ảnh trực quan

Cuối cùng là kết luận về những kết quả đạt được, những vấn đề cần nghiên cứuphát triển tiếp

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 1 trình bày tổng quan về ứng dụng gia công cơ khí, đặc biệt là gia côngphay trên robot công nghiệp; phân tích những ưu thế, những khó khăn, tồn tại củaviệc áp dụng gia công cơ khí trên robot công nghiệp, những giải pháp để nâng caokhả năng ứng dụng gia công cơ khí trên robot

Tiếp theo, chương 1 bày cơ sở động lực học quá trình gia công bao gồm các yếu

tố chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt, tổng quan về tính toán lực cắt trong quátrình gia công phay Phân tích và làm rõ các vấn đề của bài toán động lực học robotgia công phay

Cuối cùng, chương 1 trình bày tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước

có liên quan, đưa ra những nhận xét khái quát về các vấn đề khoa học mà công trình

đã công bố, những vấn đề đã và đang cần tiếp tục giải quyết để nâng cao khả năngứng dụng gia công phay trên robot Từ đó, trình bày các vấn đề nghiên cứu và giảiquyết của luận án

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 có cấu trúc nối tiếp đã đạt được những thành tựu lớn trong nhữngthập kỷ qua, cho các ứng dụng phổ biến như hàn, sơn, vận chuyển, lắp ráp, phục vụ chocác máy CNC, … Theo Hiệp hội Robot quốc tế, lượng sử dụng robot công nghiệp ngàycàng tăng mạnh, thống kê năm 2018 cho thấy lượng tiêu thu robot công nghiệp trên thếgiới từ năm 2015 đến năm 2017 tăng thêm khoảng 310,000 đơn vị robot mỗi năm.Robot công nghiệp được sử dụng để vận chuyển và hàn chiếm 78,7%, trong khi lượngrobot dùng để gia công cơ khí (tiện, phay, mài, đánh bóng…) chiếm ít hơn 5% [1] Gầnđây với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sự cạnh tranh gay gắt trong sản xuất sảnphẩm, việc tăng tốc độ sản xuất và cải tiến sản phẩm, đòi hỏi cần phải phát triển nhữngphương pháp, những hình thức gia công mới Một trong những hình thức gia công mới

có tiềm năng lớn đó là gia công trên robot công nghiệp

[2] Từ năm 2011 - 2012 lượng dùng robot nghiệp trên thế giới để gia công mài và phay đã tăng lên 41% [1]

Việc ứng dụng robot gia công cơ khí (tiện, phay, mài, đánh bóng, mài, cắt bằng tianước, tia laser…) đã và đang được nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới,đặc biệt ở những nước công nghiệp phát triển [2] [7] Một trong những dự án lớn vềnghiên cứu áp dụng gia công cơ khí trên robot hiện nay là COMET, đây là một dự ánđược đồng tài trợ bởi Ủy ban châu Âu, thuộc chương trình khôi phục kinh tế châu Âu,với sự kết hợp của công ty Delcam và 13 trung tâm nghiên cứu trên 8 nước châu Âu[8], [9] Hiện nay, độ chính xác vị trí lặp lại của các robot công nghiệp có cấu trúc nốitiếp, có 6 bậc tự do là khoảng 0.01 mm [10] Đối với ứng dụng gia công cắt gọt các loạivật liệu cứng như nhôm hợp kim, thép, độ chính xác gia công của robot đạt được trongkhoảng 0.3 mm [11] Với sự hỗ trợ của các thiết bị bù sai số trực tiếp độ chính xác giacông của robot có thể đạt được 2.45µm, độ nhám bề mặt có thể đạt 4.7

6

µm [12] Nghiên cứu ứng dụng robot gia công cắt gọt kim loại hay các loại vật liệucứng vẫn đang là một thách thức lớn, và có nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải quyết

để làm tăng độ chính xác và khả năng gia công cho robot

1.1.2 Ưu thế của việc gia công cơ khí trên robot

Ứng dụng gia công trên robot sẽ phát huy được tính linh hoạt, không gian giacông rộng và giá thành rẻ hơn so với máy CNC Nhờ cấu trúc nhiều bậc tự do, robot

dễ dàng thực hiện các chuyển động không gian phức tạp để khâu thao tác đạt được

vị trí và hướng theo yêu cầu công nghệ Robot có thể được lập trình linh hoạt chophép thực hiện nhiều thao tác công nghệ đồng thời khác nhau, từ đơn giản đến phứctạp Với cấu trúc 6 bậc tự do, dạng chuỗi nối tiếp, robot có thể đạt đến tất cả các vịtrí và các hướng trong không gian thao tác, nhờ đó robot có thể gia công được cácchi tiết có bề mặt hình học phức tạp, có nhiều hốc, nhiều ngóc ngách với đồ gá đơngiản và với một số rất ít nguyên công so với gia công trên các máy công cụ Ngoàiviệc linh hoạt trong gia công, robot còn thể hiện sự linh hoạt trong các mục đích sửdụng khác như sơn, hàn, lắp ráp… Không gian gia công rộng, độ linh hoạt cao do cónhiều bậc tự do được liên kết với nhau theo dạng chuỗi cho phép robot có thể giacông các chi tiết có kích thước lớn, thậm chí rất lớn, chỉ bằng một hoặc một số ítnguyên công Không gian gia công của robot lên đến 7,5 m3, thậm chí khi đặt robottrên ray dẫn hướng, chuyển hướng không gian gia công có thể lên đến 20 m3 hoặclớn hơn [2] Việc áp dụng gia công trên robot công nghiệp thể hiện ưu thế về kinh tếhơn so với gia công trên các máy công cụ, theo COMET tính toán lợi thế giá thànhlên đến 30% [9] Ngoài ra, giá đầu tư cho một máy CNC có trên 4 trục là hơn500,000 €, trong khi giá của một robot công nghiệp 6 trục với tải 10kg là khoảng50,000 € [8] Một ưu điểm nữa của việc sử dụng robot trong gia công cơ là dễ tái lậpcấu hình, có thể gia công với nhiều loại dụng cụ, dễ gá lắp

Việc gia công các công đoạn cuối, tạo mẫu, có thể được thực hiện bởi các côngnhân làm bằng tay, dựa trên kỹ năng và kinh nghiệm của họ, nhưng việc thực hiệnnày dẫn đến giá thành cao, tốn thời gian, dùng nhiều sức lao động và dễ xảy ra saihỏng Trong khi đó robot công nghiệp với sự linh hoạt, không gian gia công lớn,cộng với kĩ thuật gia công tốc độ cao sử dụng cho gia công các công đoạn cuối vàtạo mẫu không những làm tăng độ chính xác, tăng năng suất, giảm giá thành các sảnphẩm gia công, mà còn có thể gia công được những chi tiết phức tạp, yêu cầu cao

mà công nhân không thể thực hiện được

Nhờ những ưu thế trên, robot đã và đang được tăng khả năng ứng dụng để gia côngcác sản phẩm đa dạng, phong phú, từ đơn giản đến phức tạp, từ yêu cầu chính xác vừaphải đến độ chính xác cao Đầu tiên, đối với gia công các công giai đoạn cuối, robotcông nghiệp được sử dụng để khoan, ta rô, vát mép, cắt tỉa và mài ba via của các chitiết như ba via các bánh răng sau khi phay răng, xọc răng, ba via của chi tiết hàn, ba viacủa các vật đúc, phay hoặc mài tạo đường viền cho các chi tiết (Hình1.1a,b,c) Trong

công nghệ tạo mẫu, robot công nghiệp phay tạo hình hiệu quả cao từ vật liệu phi kimloại như gỗ, nhựa, xốp, đến các vật liệu kim loại có độ cứng thấp như nhôm, đồng, đặcbiệt là những mẫu có kích thước lớn và hình dạng phức tạp (Hình 1.1d) Trong công

nghiệp hàng không, robot được sử dụng để khoan, phay rãnh các chi tiết nhôm có kíchthước lớn, cắt tỉa các chi tiết làm từ sợi các bon (Hình 1.1e) Ngoài ra, robot côngnghiệp còn ứng dụng cho gia công cắt bằng tia nước hoặc tia

laser đối 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, tổ chứcđang tập trung nghiên cứu phát triển đó là ứng dụng gia công phay bề mặt các loạivật liệu có độ cứng vừa đến cao như nhôm hợp kim, thép trên robot công nghiệp(đặc biệt là robot cấu trúc nối tiếp) (Hình 1.1f).

a Robot đang bắn đinh tán vỏ máy bay [13] b Robot đang gia công hoàn thiện bánh răng [14]

c Robot IRB6660 mài chi tiết thép [15] d Robot Solutions đang gia công mẫu [16]

e Robot IRB6660 phay chi tiết nhôm [17] f Robot phay thép [18]

Hình 1.1 Ứng dụng robot có cấu trúc nối tiếp trong gia công cơ khí

Bên cạnh những lợi thế to lớn đã nêu trên, thì việc ứng dụng gia công cơ khí, đặcbiệt là gia công phay trên robot công nghiệp, vẫn tồn tại những vấn đề, những tháchthức lớn, cần nhiều công sức và thời gian nghiên cứu và giải quyết

8

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

Cấu trúc robot nhiều khâu, các khâu về phía cuối chuỗi động và khâu thao tác củarobot có chuyển động được tổng hợp từ nhiều chuyển động thành phần Để thực hiệnđược các chuyển động không gian phức tạp của khâu thao tác thì robot cần ít nhất 5,

6 bậc tự do Với cấu trúc nhiều khớp quay, ít nhất là 3 khớp quay thì mới đảm bảo khâuthao tác có hướng tùy ý khi thực hiện thao tác Thông thường phổ biến robot có nhiềuhơn 3 khớp quay bởi khớp quay làm cho cấu trúc robot gọn hơn khớp tịnh tiến Bởinhiều khâu khớp, việc tổng hợp chuyển động của khâu thao tác vì thế khó khăn, cácbiểu thức tính toán vận tốc góc, gia tốc góc thường rất đồ sộ Các phương trình độnghọc, động lực học cồng kềnh, phức tạp, khó khăn trong việc thành lập cũng như tìm lờigiải, khó có thể thực hiện tính toán bằng tay nếu không được lập trình tự động

Yếu tố khó xác định chính xác trong phương trình động lực của robot chính là lựccắt sinh ra khi dụng cụ cắt tác dụng lên chi tiết gia công Lực cắt phụ thuộc nhiềuyếu tố như vật liệu, tốc độ cắt, chiều dày lớp cắt, chiều sâu cắt,… Thông thườngviệc xác định lực cắt được thực hiện theo công thức thực nghiệm trong các sổ tay kỹthuật, nhưng sẽ có sai số không nhỏ dẫn đến sai lệch dẫn động và điều khiển chuyểnđộng của robot

Với cấu trúc dạng chuỗi, độ cứng vững của robot thấp hơn so với các máy công

cụ, máy CNC, nên dưới tác dụng của lực cắt có thể dẫn đến sai lệch lớn do biếndạng và dao động trong quá trình gia công Đặc biệt do sự không đồng nhất về vậtliệu, chiều sâu cắt, lưỡi cắt gồm các răng cắt hoặc cạnh cắt không liên tục nên lựccắt thường xuyên biến đổi dẫn đến xuất hiện dao động làm ảnh hưởng độ chính xácgia công [8], [19], [20] Kể cả trường hợp nếu giá trị lực cắt được cho là không thayđổi thì chiều và hướng của véc tơ lực cắt cùng luôn thay đổi trong quá trình dụng cụcắt chuyển động gia công tạo hình theo đường dụng cụ trên bề mặt chi tiết

Ngoài ra, việc giải quyết các thuật toán tính toán trong chương trình gia công củarobot để có áp dụng thuận lợi cũng là một khó khăn Chương trình gia công cần tínhđến khả năng gia công phù hợp với hệ thống động học, động lực học và điều khiển củarobot để tránh các va chạm, tránh cắt lẹm, tránh các điểm kỳ dị, đảm bảo vùng giacông, các tư thế gia công trong không gian thao tác của robot…[11] Để xây dựngđược chương trình gia công cho robot thì cần nghiên cứu nhiều bài toán, tìm cácgiải thuật tính toán cho phép lập trình thuận lợi để giải quyết các bài toán về độnghọc, động lực học, nội suy quỹ đạo chuyển động thao tác, điều khiển… Với robot,các bài toán đó phức tạp hơn nhiều so với máy CNC, do cấu trúc động học của robotphức tạp hơn các máy CNC Nghiên cứu các giải thuật để giải các bài toán đó làm

cơ sở hướng tới tạo được các phần mềm gia công hiệu quả để áp dụng cho robot vẫn

là hướng nghiên cứu mở

Tuy có những khó khăn, thách thức như trên nhưng bởi những ưu thế và tiềmnăng lớn nên việc áp dụng robot trong gia công cơ khí đã và đang được tập trungnghiên cứu, ứng dụng rộng rãi

Luận án nghiên cứu và giải quyết những vần đề trong các vấn đề đã nêu trên Đó làviệc khảo sát động học đưa ra phương pháp thiết kế quĩ đạo gia công tạo hình các bềmặt chi tiết, đặc biệt các các chi tiết có hình dạng bề mặt phức tạp, cung cấp cơ sở choviệc tạo ra các chương trình gia công cho robot Phương pháp thiết lập các phươngtrình vi phân chuyển động cho hệ robot - bàn máy có cấu trúc dạng chuỗi tổng quát,cho phép khảo sát thuận lợi các bài toán động lực học của robot trong gia công cơ

Xây dựng các thuật toán điều khiển nhằm khắc phục các đại lượng, yếu tố bất địnhtrong phương trình động lực học như việc hiệu chỉnh lực điều khiển nhằm giảmthiểu, loại trừ tác động thay đổi của lực cắt trong gia công, góp phần làm tăng độchính xác gia công của robot.

Để ứng dụng gia công cơ, đặc biệt là gia công phay trên robot, cần khảo sát độnghọc và động lực học của quá trình cắt, làm cơ sở cho việc tính toán giải quyết cácbài toán động học, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot khi gia công tạo hình bềmặt Việc khảo sát, lựa chọn các mô hình tính toán lực cắt, một mặt làm cơ sở đểtính toán lực suy rộng của lực cắt trong phương trình động lực học, mặt khác khảosát ảnh hưởng của tính bất định của lực cắt đến chuyển động của robot khi gia công

để từ đó tìm phương pháp nhằm giảm thiểu, loại trừ ảnh hưởng của tính bất định củalực cắt trong gia công, làm tăng độ chính xác và hiệu quả gia công trên robot

1.2 Cơ sở động học, động lực học tạo hình khi gia công phay1.2.1 Cơ sở động học phay tạo hình bề mặt chi tiết

Để gia công phay tạo hình bề mặt chi tiết, thì bề mặt dụng cụ và bề mặt gia côngcủa chi tiết chuyển động tương đối với nhau theo một quy luật nhất định và bóc đilượng dư gia công, để tạo thành bề mặt chi tiết có hình dáng và kích thước đúng vớiyêu cầu kỹ thuật Trong suốt quá trình gia công phay phần lưỡi cắt của dụng cụ luôntiếp xúc với bề mặt chi tiết Quỹ đạo chuyển động tương đối của mỗi điểm trên lưỡicắt đối với bề mặt gia công là kết quả chuyển động tổng hợp do dụng cụ phay và chitiết được thực hiện trên hệ robot – bàn máy

1.2.2 Các thông số động học quá trình cắt khi phay

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

ngón đầu cầu, d Dao phay ngón đầu côn cầu, e Dao phay mặt đầuDụng cụ để gia công phay các bề mặt không gian của chi tiết trên hệ robot – bànmáy là các loại dao phay ngón Tùy thuộc vào hình dáng hình học của bề mặt cần giacông phay mà chọn loại dao có hình dáng hình học phù hợp để khi gia công đảm bảolấy đi lượng dư phù hợp, chất lượng bề mặt tốt nhất và năng suất cao nhất Dụng cụthường được sử dụng để gia công phay các bề mặt không gian trên hệ robot - bàn máy

là dao phay ngón đầu phẳng, dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn, dao phay ngón

10

đầu cầu, dao phay ngón đầu côn cầu và dao phay mặt đầu… Trên Hình 1.2 biểu diễncác loại dao phay hay sử dụng để gia công phay các bề mặt trên hệ robot – bàn máy.Các chuyển động cơ bản trong quá trình phay, do sự phối hợp giữa hai chuyểnđộng là chuyển động chính (chuyển động quay tròn của dao) và chuyển động chạydao (chuyển động tương đối giữa dao với chi tiết), mà có hai dạng phay là phaythuận và phay nghịch Khi phay thuận chuyển động chính và chuyển động chạy daocùng chiều nhau, Hình 1.3, Hình 1.4a Khi phay nghịch chuyển động chính vàchuyển động chạy dao ngược chiều nhau Hình 1.3, Hình 1.4b.

Hình 1.3 Hướng tiến dao khi phay cả thuận và nghịch

D – đường kính dao phay, (mm)

n – số vòng quay của dao, (v/ph)

R – góc lượn bán kính mũi dao, (mm)

Tốc độ của chuyển động chạy dao (m/ph)

Lượng chạy dao phút Sph: lượng dịch chuyển

bề mặt gia công theo phương của chuyển động

(m/ph)

Sph = Sz.Z.n

- Chiều sâu cắt h 0 (mm),

(1.5)tương đối giữa lưỡi cắt của dao vàchạy dao, sau thời gian một phút,

(1.6)

Chiều sâu cắt là khoảng cách giữa bề mặt chưa gia công và đã gia công, Hình 1.4

b Thông số hình học lớp cắt khi phay, [22]

- Chiều sâu phay h (mm)

Chiều sâu phay là kích thước kim loại được cắt đo theo phương vuông góc với trụcdao phay, Hình 1.4

- Chiều rộng phay B (mm),

Chiều rộng phay B là kích thước lớp kim loại được cắt đo theo phương song songvới trục dao, Hình 1.4

- Góc tiếp xúc ,

Góc tiếp xúc là góc ở tâm của dao chắn cung tiếp xúc l giữa dao và chi tiết, Hình 1.5

- Số răng đồng thời tham cắt N z

Số răng đồng thời tham cắt là số răng của dao phay nằm trong cung tiếp xúc ψ, Hình 1.5

Đối với dao phay mặt đầu:

12

Trong quá trình phay, chiều dày cắt khi phay luôn biến đổi từ khi lưỡi cắt củamột răng bắt đầu tham gia cắt đến khi ra khỏi vùng cắt a biến đổi từ amax đến aminhoặc từ amin đến amax tùy theo phương pháp phay thuận hay phay nghịch.

Phay bằng dao phay mặt đầu:

Từ nh 1.6, khi dao dịch chuyển tịnh tiến với bề mặt gia công một lượng Sz thìquỹ đạo của lưỡi cắt chuyển dịch từ vị trí 1 đến vị trí 2 và lưỡi dao cắt đi một lớpkim loại có chiều dày aM Chiều dày cắt aM thay đổi theo i

aM = Sz.sin cos i

Ở đây i –góctiếp xúc tức thời

Chiều dày cắt nhỏ nhất khi i

Chiều rộng cắt: chiều dài lưỡi cắt chính tham gia cắt đo theo mặt đáy.

Phay bằng dao phay mặt đầu, Hình 1.6:

- góc nâng của lưỡi cắt chính, (độ)

- Diện tích cắt khi phay bằng dao phay mặt đầu, (mm 2 )

Tùy theo kết cấu dao, kích thước lớp cắt mà trong cung tiếp xúc có Nz răng đồngthời tham gia cắt thì tổng diện tích mặt cắt ngang lớp cắt do Nz răng tạo ra được tínhbằng công thức sau:

F f = a bi S B cos

i 1 i 1 i 1Với fi diện tích cắt do răng thứ i tham gia cắt:

1.2.3 Tổng quan về lực cắt và các phương pháp xác định lực cắt khi phay

Cắt gọt kim loại là một quá trình phức tạp có các hiện tượng vật lý sinh ra trongquá trình trình cắt như lực cắt, biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo, tỏa nhiệt…Các yếu

tố ảnh hưởng đến cơ sở vật lý của quá trình cắt như vật liệu gia công, vật liệu làmdao, thông số hình học phần cắt của dụng cụ, chế độ cắt,… Các hiện tượng vật lýtrong quá trình cắt ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt chi tiết và năng suất gia công

Lý thuyết về động lực học quá trình gia công cắt gọt được trình bày trong các tàiliệu chuyên ngành, ở đây chỉ trình bày những mô hình lực cắt, chế độ cắt có liênquan đến việc áp dụng cho robot trong gia công phay

Lực cắt là lực sinh ra trong quá trình cắt, các lực này tác dụng lên phôi và dụng

cụ cắt Việc xác định lực cắt có ý nghĩa rất lớn trong gia công nói chung và gia côngbằng robot nói riêng, vì lực cắt ảnh hưởng đến qui luật chuyển động, mô men, lựctại các khớp của robot, xác định được lực cắt có thể xác định được độ bền, độ cứngvững của robot, của dao và đồ gá

Để khảo sát động lực học của robot trong quá trình gia công, cần phải tính toánđược các lực tác động vào dao cắt, hay còn gọi là lực cắt sinh ra trong quá trình gia

14

công Việc tính toán lực cắt cho các máy công cụ đã được trình bày trong các tàiliệu nguyên lý cắt, sổ tay công nghệ chế tạo máy

Trong gia công, dao cắt có thể gá lên robot, hoặc gá trên bệ dao ngoài robot(trường hợp này phôi được gá trên robot) Việc gá dao trên robot hoặc không phụthuộc vào khối lượng của bộ dẫn động và gá dao, cũng như khối lượng phôi và hìnhthức gia công

Quá trình gia công có nhiều yếu tố động lực, phi tuyến, ngẫu nhiên Lực cắt thayđổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vật liệu gia công, vật liệu dao cắt, chế độ cắt,thông số hình học lớp cắt, thông số hình học của dao, điều kiện gia công, kiểu phoivv… Vì thế việc tính chính xác lực cắt là một vấn đề khó khăn, phức tạp

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

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

Nhóm thứ nhất, tính lực cắt theo công thức lý thuyết (công thức này được xâydựng dựa trên các tiên đề toán học, vật lý học và cơ học biến dạng rồi dùng phươngpháp diễn giải để mô tả cơ chế tác động cơ lý của quá trình tạo phoi, từ đó rút racông thức tính lực cắt dưới dạng biểu thức giải tích [23]) Kết quả tính toán lực cắttheo công thức lý thuyết có độ chính xác không cao vì khi xây dựng công thứcngười ta phải đơn giản hóa các điều kiện biên của bài toán

Nhóm thứ hai lực cắt được tính theo các công thức thực nghiệm (công thức đượcxây dựng bằng thực nghiệm dựa trên lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm kết hợpvới xử lý số liệu, theo phương pháp thống kê để rút ra công thức tính lực [23]) Cáccông thức thực nghiệm phần 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 việctính toán, và được sử dụng rộng rãi trong ngành gia công chế tạo Tuy nhiên côngthức thực nghiệm không mang tính tổng quát mà chỉ có giá trị tương ứng với cácđiều kiện công nghệ cụ thể Vì thế kết quả tính toán lực cắt theo các công thức thựcnghiệm với các điều kiện công nghệ khác nhau cho độ chính xác không cao vàthường dùng để tham khảo

Nhóm thứ ba, việc tính toán lực cắt dựa vào việc đo trực tiếp hoặc gián tiếp cáclực cắt trong quá trình gia công thông qua các cảm biến và tín hiệu điều khiển Độchính xác của lực cắt phụ thuộc vào độ chính xác của các cảm biến, đặc biệt là hệthống đo theo phương pháp sử dụng các điện trở dán và hiệu ứng áp điện được dùngphổ biến Giá trị lực cắt thông thường là ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian giacông và các điều kiện cắt

- Các phương pháp tính toán lực cắt trong quá trình gia công khá đa dạng, gồmcác cách tiếp cận phân tích và mô hình hóa lực cắt khác nhau Có nhiều mô hình lựccắt khác nhau, nhưng có thể tổng quan thành 2 loại mô hình lực cắt: mô hình lực cắtxem dao là vật rắn tuyệt đối cứng, mô hình lực cắt xem dao là đàn hồi [11]

Dưới đây trình bày khái quát về các thành phần của lực cắt trong gia công phay.Các mô hình tính toán lực cắt cụ thể theo các phương pháp khác nhau được trìnhbày trong Chương 3

1.2.3.2 Các thành phần của lực cắt trong gia công phay

Lực cắt F sinh ra khi gia công phay nhằm chống lại lực biến dạng và ma sát tác dụng lên dao Lực cắt F có phương, trị số và điểm đặt luôn biến đổi trong quá trình

cắt do các yếu tố cắt luôn biến đổi Khi tính toán, ta coi điểm đặt lực F nằm ở giữa phần lưỡi cắt chính tham gia cắt.

a Mô hình tính lực cắt khi phay bằng các loại dao phay ngón đầu phẳng và dao phay mặt đầu

Các thành phần lực cắt và lực tác dụng tương hỗ của lực cắt lên dao và đối tượnggia công có điểm đặt lực tại điểm cắt giữa dao và đối tượng gia công, các lực nàycùng phương, nhưng ngược chiều và cùng độ lớn Trị số và phương của các thànhphần lực cắt ở từng thời điểm khác nhau trong góc tiếp xúc là không như nhau Lựccắt tổng hợp F tác dụng lên răng dao được phân thành các thành phần [22]:

a Phay đối xứng b Phay không đối xứng

Hình 1.7 Thành phần lực cắt phay bằng dao phay mặt đầu và dao phay ngón

F Fxy Fz Fr Ft Fz Fx Fy Fz (1.16)Trong đó:

Ft – lực tiếp tuyến (lực vòng) chiếm phần lớn lực cắt F và dùng để tính công suất của máy…

Fr – lực hướng tâm (lực hướng kính)

Fz – lực chiều trục

Fx – lực nằm ngang

Fy – lực có phương vuông góc với lực Fx

Xác định gần đúng quan hệ giữa các lực thành phần lực Fx, Fy, Fz với lực tiếp tuyến khi phay bằng dao phay mặt đầu được thể hiện ở bảng sau

Bảng 1.1 Tính các lực thành phần lực Fx, Fy, Fz theo lực tiếp tuyến Ft[22]

Fx (0,3 0,4)Ft (0,6 0,8)Ft (0,2 0,30)Ft

Fy (0,85 0,95)Ft (0,6 0,7)Ft (0,9 1,0)Ft

Fz (0,5 0,55)Ft (0,5 0,55)Ft (0,5 0,55)Ft

* Xác định lực tiếp tuyến tức thời F t [22]

Trong quá trình gia công, lực cắt tác dụng lên mỗi răng dao luôn thay đổi, phụthuộc vào sự thay đổi diện tích cắt Tại mỗi thời điểm xác định được các thành phầnlực cắt tức thời tác dụng lên mỗi răng dao tham gia cắt trong cung tiếp xúc , thì sẽxác định được tổng các lực thành phần tức thời đó tác dụng lên toàn thân dao

Lực cắt tiếp tuyến do Z răng cùng tham gia cắt:

pti - lực tiếp tuyến tác dụng lên răng thứ i:

)

q C C.am

C - hệ số phụ thuộc góc xoắn của răng

C - hệ số phụ thuộc vào vật liệu gia công và thông số góc trước của dao

ai - chiều dày cắt do răng thứ i cắt ra

m - số mũ, phụ thuộc vào tính chất của vật liệu gia công, độ mòn của dao và điềukiện cắt.

dfi a dbi

i

dbi – chiều rộng cắt phân tố dfi

(1.20)

b. Mô hình tính lực cắt khi phay bằng các loại dao phay ngón [24] [28]

Vector biểu diễn lực cắt do Z răng đồng thời tham gia cắt trong hệ trục xyz

3x1

Trong đó:

Fu – lực cắt thành phần theo phương u (u = x,y,z) do Z răng tham gia cắt

F Z F , u x, y, z

u ui

i 1

(1.22)Fui - lực cắt thành phần theo phương u (u = x,y,z), tác dụng lên răng thứ i của lưỡi cắt

xyzCtar – ma trận biểu diễn hướng của hệ trục tar trong hệ trục xyz

cos i sin sin sin cos

dF K vca ( , ) db K vedS, v t, r, a

Ở đây

Ktc, Krc, Kac - hệ số lực cắt tiếp tuyến, hướng tâm và hướng trục

Kte, Kre, Kae - lần lượt là các hệ số lực cắt của răng theo các phương tiếp tuyến, hướng kính và hướng trục

dS - chiều dài phân tố của lưỡi cắt i của một đoạn cắt cạnh xoắn ốc có thể được đưa ra như sau

db - chiều dài cắt theo hướng dọc theo vận tốc cắt

ai( i, ) – chiều dày cắt do phần tố lưỡi cắt i thực hiện gia công

+ Phần dao phay hình nón đoạn OM (0 < z MZ)

18

r(z) (z) , (z), (z) (z) ln(z cotg ) tg

0

OM

(z) = 0 - góc xoắn được coi là không

+ Phần dao phay hình đới cầu đoạn MN

đổi ở phần hình nón dao thường nhỏ (MZ < z NZ)

R+ Phần dao phay hình côn đoạn NS (NZ < z h)

đổ i

(Constant helix)

Đường dẫn không đổi(Constant Lead)

(1.34)

(1.35)

(1.36)

Với:

0 – góc xoắn không đổi

s - góc xoắn không đổi dọc theo rãnh xoẵn

arctg 2 Nr

(1.37)

Llead – đướng dẫn của rãnh xoắn của dao

Trong phương trình động lực học của robot lực cắt là thông số khó xác định vìlực cắt xuất hiện trong quá trình gia công Lực cắt phụ thuộc vào vật liệu gia công,loại dụng cụ cắt, thông số hình học của dụng cụ, chế độ cắt thông số hình học lớpcắt và điều kiện gia công, thiết bị gia công…[22] Với bài toán điều khiển robot thựchiện chuyển động tạo hình (nhiệm vụ trung tâm của việc ứng dụng gia công phaytrên) thì lực cắt là một trong các thành phần quan trọng trong phương trình vi phânchuyển động của robot Do đó việc nghiên cứu động lực học của quá trình cắt nóichung và tính toán xác định lực cắt nói riêng đã trình bày là một trong các nội dungquan trọng để thực hiện việc thành lập mô hình động lực và điều khiển robot tronggia công phay Đó là một trong các nội dung của luận án khi áp dụng phương phápđiều khiển ‘rõ’, phổ biến trong điều khiển robot

Mặt khác, qua nghiên cứu cho thấy những mặt khó khăn, hạn chế của các phươngpháp điều khiển dựa trên mô hình động lực của robot với việc tính toán lực cắt thiếuchính xác, luôn tồn tại yếu tố bất định như trên, đã tạo động lực để luận án thực hiệncác nghiên cứu nhằm tìm các giải pháp khắc phục ảnh hưởng của việc tính toán khôngchính xác lực cắt Đó là luận án đưa ra phương pháp hiệu chuẩn việc tính lực cắt dựatrên tín hiệu nhận được từ cảm biến của hệ thống điều khiển cùng với việc áp dụng

thuật toán động lực học ngược để đảm bảo cho robot gia công Tiếp theo, luận ánnghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển logic mờ để điều khiển chuyển động cho robotgia công nhằm giảm thiểu và loại trừ ảnh hưởng của tính bất định của lực cắt nângcao hiệu quả gia công cho robot.

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

Một trong những nhiệm vụ quan trọng của gia công cơ trên robot trong phải đảmbảo chuyển động tạo hình Quá trình gia công cơ là một quá trình động lực Việcxác định các lực cắt, quyết định việc xác định các lực suy rộng không thế trong môhình động lực học của robot Độ chính xác chuyển động của robot phụ thuộc vàocác lực dẫn động được điều khiển của các động cơ tại các khớp và các lực cắt sinh

ra trong quá trình gia công Độ chính xác chuyển động của robot lại quyết định độchính xác gia công Vì vậy, bài toán khảo sát động lực học của robot khi phay làmột trong những bài toán quan trọng nhất

Động lực học quá trình gia công cắt gọt là cơ sở cho quá trình tính toán, thiết kế, giacông, chế tạo và sử dụng robot gia công các chi tiết cơ khí Để robot gia công cắt gọtđược các chi tiết theo yêu cầu kỹ thuật thì dụng cụ cắt cần được điều khiển để thực hiệnchuyển động tạo hình trên đường dụng cụ, đảm bảo chính xác về vị trí, hướng, vận tốc,gia tốc giữa dụng cụ và chi tiết gia công Chuyển động tạo hình của dụng cụ là sự tổnghợp của nhiều chuyển động thành phần của các khâu, các khớp phải đảm bảo qui luậtchuyển động về vị trí, hướng, vận tốc, gia tốc theo đúng phương trình động học củarobot Chuyển động các khâu được thực hiện bởi mô men/lực dẫn động tại các khớp.Khi robot thực hiện gia công cơ, các ngoại lực sinh ra gồm lực cắt, lực ma sát, phản lựcliên kết khớp động Lực cắt sinh ra tác dụng lên dụng cụ cắt, phản lực liên kết khớpđộng tác dụng lên các khớp của khâu… Để dẫn động, điều khiển robot gia công chínhxác cần xác định được các lực cắt tác dụng lên robot và sự tương tác giữa dụng cụ cắtvới đối tượng gia công trong quá trình gia công

1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát của robot

Phương trình động lực học của robot khi gia công phay có dạng tổng quát như sau:

Trong đó:

M(q) - ma trận khối lượng suy rộng của robot

q, q, q - lần lượt là vector tọa độkhớp và vector đạo hàm cấp một, cấp hai của q

(q, q) - vector lực suy rộng của lực Coriolis và lực ly tâm

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

Q – vector lực suy rộng của của các lực không có thế 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 dẫn động

Để thành lập được phương trình vi phân chuyển động của robot ở trên, cần tính cácthông số động lực học, các đại lượng như tọa khối tâm của các khâu, ten xơ quán

20

tính của các khâu, động năng, thế năng, lực suy rộng của các lực có thế và các lựckhông có thế.

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

đo trên thực tế các khâu khớp của robot Ten xơ quán tính có thể xác định dựa trên

mô hình các khâu khớp trong các phần mềm thiết kế 3D như Autodesk Inventor,Solidwork, … Các thông số này có thể được hiệu chỉnh chính xác trên mô hình thựccủa robot

Riêng lực cắt sinh ra trong quá trình gia công là đại lượng luôn thay đổi, khó xácđịnh và ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của mô hình động lực học

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

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng đạt độ chính xác gia công của robot như khótính toán chính xác mô hình động học, động lực học, độ cứng vững của robot khôngcao, ảnh hưởng của lực tác động bên ngoài dễ gây ra dao động,… Các yếu tố đó dẫnđến sai số của mô hình động lực học, sai số của một số đại lượng trong phương trình

vi phân chuyển động của robot Điều đó cũng dẫn đến sai lệch chuyển động tạo hìnhcủa robot, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Mặc dù vậy, trong các yếu tố gâynên sai số của các đại lượng động học, động lực học thì các sai số của các thông sốhình học và các thông số động lực học như độ dài, kích thước góc, khối lượng, ten

xơ quán tính,… có thể loại bỏ hoặc giảm thiểu trong quá trình hiệu chuẩn robot [2],[7], [29]

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 năngđiều khiển chuyển động thao tác của robot Lực cắt phụ thuộc nhiều yếu tố như vậtliệu, tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều dày lớp cắt,… Khi các thông số này là hằng

số thì giá trị lực cắt có thể là hằng số, nhưng hướng của lực cắt thay đổi do hìnhdạng hình học bề mặt gia công phức tạp Ngoài ra, lực cắt tác dụng vào khâu thaotác ở cuối chuỗi động học nhiều khâu nên việc tính toán, biểu diễn lực suy rộng củalực cắt trong phương trình vi phân chuyển động của robot là phức tạp Thôngthường người ta xác định lực cắt nhờ công thức thực nghiệm trong các sổ tay kỹthuật, nhưng sẽ có sai số không nhỏ Để tăng độ chính xác khi xác định lực cắt trongphương trình vi phân chuyển động của robot, có thể sử dụng các cảm biến đo lực.Điều này có thể làm phức tạp hệ thống công nghệ, tăng giá thành sản phẩm,…Trong luận án này trình bày khảo sát bài toán động lực học khi kể đến sự thay đổicủa lực cắt trong quá trình gia công Như vậy, lực cắt là hàm của thời gian và đượctính toán ở mỗi thời điểm Ngoài ra, mặc dù được tính toán tại mỗi thời điểm nhưngtính toán theo công thức thực nghiệm luôn tồn tại sai số Phương pháp hiệu chỉnhlực điều khiển dựa trên tính toán lượng sai lệch của lực cắt trong quá trình gia công

mà không dùng thiết bị đo lực cắt được trình bày trong luận án

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

Nghiên cứu về động học, động lực học và điều khiển robot được viết ở các tài liệu[30][35] khá đầy đủ, nhưng các kết quả nghiên cứu chưa giải quyết các bài toán gia

công trên robot như chưa tính toán, thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot gia côngtạo hình bề mặt, chưa tính toán ảnh hưởng của lực cắt đến động lực học và điềukhiển robot gia công.

Nghiên cứu về động học, động lực học và điều khiển của robot tác hợp (hệ robot bàn máy) trong gia công cơ gồm có: nghiên cứu động học của robot với thiết kế quỹchuyển động cho robot, lập phương trình động học và giải bài toán động học cho hệrobot - bàn máy khi gia công cơ khí như mài bề mặt chi tiết [36] [39] Nghiên cứu độnglực học cho robot gồm lập phương trình vi phân và giải bài toán động lực học cho hệrobot - bàn máy trong gia công cơ khí như mài bề mặt chi tiết [37] [39] Nghiên cứuthiết kế bộ điều khiển PD trong không gian khớp và bộ điều khiển mờ để điều khiểnchuyển động của hệ robot - bàn máy khi gia công mài bề mặt chi tiết [37],

-[39] Các nghiên cứu ở đây chưa xét đến ảnh hưởng của phản lực khớp động, lực cắtđến động lực học và điều khiển robot

Nghiên cứu động lực học quá trình cắt trong gia công tạo hình bề mặt: xây dựng

mô hình tính lực cắt, thiết lập công thức tính lực cắt; ảnh hưởng của vật liệu giacông, vật liệu làm dụng cụ cắt, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt, điềukiện gia công đến lực cắt; ảnh hưởng của lực cắt đến công suất cắt, công cắt, nhiệtcắt, quy luật mài mòn của dụng cụ cắt [40] [43] Những nghiên cứu này chưa đề cập

về động học, động lực học và điều khiển robot trong gia công cơ khí

Các nghiên sử dụng mô hình lực cắt phay tĩnh và động của các máy phay công cụ,máy phay CNC cho robot gia công cơ khí được trình bày trong các tài liệu [19], [44][48] Do cấu trúc của robot khác với các máy công cụ và máy CNC, nên việc ápdụng các mô hình lực cắt của các máy này vào giải các bài toán gia công cho robotchưa tính đến các yếu tố đặc thù riêng liên quan đến cấu trúc của robot

- Nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác (khả năng lặp lại vị trí,hướng, độ chính xác và độ phân giải) gia công của robot [49]: sai số do môi trường; sai

số phụ thuộc bản thân robot gồm sai số hình học (sai số về độ dài các khâu, sai số lắpráp ), sai số phi hình học (sai số do biến dạng, do mòn…) và sai số hệ thống; sai số doquá trình gia công do các nguyên nhân làm thay đổi lực cắt [19], [44], [50]

Chưa có nghiên cứu nào ở đây viết về cách hiệu chỉnh lực điều khiển thông qua việctính lực cắt từ việc giải phương trình vi phân chuyển động của robot trong quá trìnhgia công cơ khí Các nguyên nhân chưa được làm rõ về phản lực của khớp động ảnhhưởng thế nào đến chuyển động của các khâu - khớp robot; sai lệch giữa lực cắt tínhtheo công thức thực nghiệm đầu vào và lực cắt ở đầu ra của phương trình động lựchọc khi gia công làm giảm độ chính xác của robot như thế nào

- Các nghiên cứu về các phương pháp nâng cao độ chính xác gia công của robot:Hiệu chuẩn (bù sai số) động học và động lực học qua mô hình động học và động lựchọc hay qua phần mềm của bộ điều khiển [49], [51] [55] Phương pháp bù sai số giántiếp là bù những sai lệch đã được dự liệu, được tính toán trước vào trong chương trìnhphần mềm gia công của robot [56] [62] Phương pháp pháp bù sai số trực tiếp tại thờiđiểm gia công là từ các thiết bị đo, xác định được sai số gia công, từ đó điều khiểnrobot bù trực tiếp sai số hoặc dùng các thiết bị bù sai số tức thời [8], [46], [63]

[71] Phương pháp tối ưu hóa các thông số cắt, quĩ đạo cắt, chiến lược gia công đểnâng cao độ chính xác gia công [20], [11], [72] [81] Phương pháp điều khiển đểnâng cao độ chính xác như điều khiển thích nghi, điều khiển trở kháng, điều khiển

mờ, điều khiển mạng nơ ron… [29], [74], [82] [88] Phương pháp thay đổi cấu trúc

22

robot để nâng cao độ cứng vững [89] Các nghiên cứu ở đây chưa trình bày về cáchxác định lực cắt, cũng như xác định các phản lực khớp động qua mô hình động lựchọc của robot, chưa có bù sai lệch giữa lực cắt tính theo công thức thực nghiệm từđầu vào, và đầu ra của mô hình động lực dựa trên việc giải phương trình động lựchọc hay qua bộ điều khiển để giúp nâng cao độ chính xác gia công cơ khí trên robot.

- Nghiên cứu sử dụng mô hình robot nối tiếp 6 bậc tự do, dao phay ngón răngxoắn tiến hành gia công phay Nghiên cứu về động học, động lực học và tác độngcủa lực cắt lên dụng cụ cắt do độ cứng của robot không cao làm các khớp bị biếndạng đàn hồi dẫn đến điểm cắt trên dụng cụ dịch chuyển sai lệch so với đường dụng

cụ, để gia công đạt được độ chính xác tiến hành hiệu chỉnh bù sai lệch Lực cắt được

xây dựng bằng cách chia dao cắt thành nhiều đĩa mỏng, lực cắt ở răng thứ i trên đĩa

mỏng e khi tham gia cắt gồm lực cắt tiếp tuyến, hướng kính, hướng trục được xácđịnh là hàm của hệ số cắt, chiều dày cắt và độ dày đĩa mỏng Bằng công cụ toán học

sẽ xác đinh lực cắt tổng theo phương x,y,z khi dao tham gia cắt [57] Nghiên cứu ởđây chưa đề cập đến dùng phương trình động lực học để tìm lực cắt và phản lực tạicác khớp động khi robot tiến hành gia công cơ khí Các lực nói trên là một trongnguyên nhân làm các khâu, khớp bị biến dạng đàn hồi dẫn đến vị trí cắt trên dụng cụ

bị sai lệch so với yêu cầu công nghệ

Qua tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước ở trên, nhận thấy có rất nhiềucác nghiên cứu khác nhau liên quan đến ứng dụng gia công cơ khí trên robot Tuynhiên, chưa có công trình nghiên cứu nào trình bày tổng quát, đầy đủ, rõ ràng và chitiết về việc mô hình hóa động lực học và điều khiển cho hệ robot - bàn máy có n +

m bậc tự do thực hiện gia công phay Việc thành lập mô hình động lực học củarobot gia công phay bằng lập trình trên máy tính chưa thấy được trình bày đầy đủtrong các công trình đã công bố Trong các công trình công bố, việc áp dụng bộ điềukhiển 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 quanđến thiết kế quĩ đạo chuyển động cho robot gia công tạo hình, liên quan đến việckiểm soát và khắc phục ảnh hưởng của sự biến đổi của lực cắt đến độ chính xác giacông Đây cũng là những vấn đề mà luận án đặt ra để nghiên cứu và giải quyết

1.5 Các vấn đề nghiên cứu trong luận án

Như đã trình bày ở trên, tuy đã và đang có những nghiên cứu liên quan đến robotgia công cơ Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả, khả năng ứng dụng gia công cơ khítrên robot, cải thiện độ chính xác gia công của robot thì vẫn còn nhiều vấn đề cầnquan tâm, nghiên cứu giải quyết, phát triển và hoàn thiện Từ kết luận ở cuối mụctổng quan các công trình nghiên cứu, những vấn đề cần phát triển cũng là nội dungnghiên cứu, giải quyết của luận án Cụ thể luận án có nội dung nghiên cứu các vấn

đề trình bày dưới đây

Luận án lựa chọn mô hình robot tổng quát và phù hợp dùng trong gia công phay

là hệ robot – bàn máy, robot cấu trúc dạng chuỗi có n bậc tự do, bàn máy có m bậc

tự do; robot mang dụng cụ và bàn máy mang chi tiết cùng phối hợp chuyển độngtheo chương trình để thực hiện quá trình gia công nhằm làm tăng khả năng gia công,

mở rộng không gian thao tác

Các nghiên cứu trong các bài toán ứng dụng trong luận án, có đối tượng nghiêncứu là các mô hình hệ robot – đồ gá (bàn máy) cố định, hệ robot-bàn máy di động(còn gọi là robot tác hợp MRM) Mô hình hệ robot - bàn máy cố định có đối tượnggia công được kẹp chặt trên bàn máy cố định, robot 6 bậc tự do là đủ đảm bảo đạtđược vị trí và hướng dụng cụ để thực hiện gia công phay tạo hình bề mặt từ đơngiản đến phức tạp Tuy nhiên, để mở rộng không gian thao tác của robot, hoặc lựachọn tư thế gia công thuận lợi, thì dùng mô hình hệ robot - bàn máy di động, vớirobot có 6 bậc tự do, bàn máy có một hoặc hai bậc tự do chuyển động Nhờ đó, hệrobot - bàn máy di động có thể gia công được những chi tiết lớn, có nhiều bề mặtphức tạp, giảm số nguyên công gá đặt Một cách tổng quát, gọi tên chung cho hệrobot – bàn máy cố định, hệ robot – bàn máy di động, là hệ robot-bàn máy, hệ robot,hoặc chỉ đơn giản là robot.

Luận án khảo sát động học robot gia công phay gồm việc xây dựng mô hình độnghọc, thiết lập các phương trình động học, đưa ra giải thuật và chương trình tính toánđộng học Phương pháp thiết kế thiết kế quỹ đạo hình học và thiết kế quỹ đạo độnghọc cho robot gia công phay tạo hình bề mặt các chi tiết từ đơn giản đến phức tạp.Luận án khảo sát động lực học robot gia công cơ bao gồm xây dựng mô hìnhđộng lực học, thiết lập phương trình vi phân chuyển động Đưa ra các thuật toán chophép lập trình trên máy tính để thiết lập mô hình động lực học cho robot gia công cơkhí một cách thuận lợi Đưa ra giải thuật và chương trình tính toán động lực học,xác định các đại lượng động lực học trong phương trình vi phân chuyển động Tínhphản lực tại khớp động, tính lực cắt và hiệu chỉnh lực điều khiển theo sự ảnh hưởngcủa lực cắt thông qua mô hình động lực học khi robot thực hiện quá trình phay.Luận án nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp với vòngngoài PD có khối bù và hiệu chỉnh tính toán lực cắt, mô hình hóa và mô phỏng bộđiều khiển trong không gian khớp và không gian thao tác, tính toán các lực dẫnđộng phù hợp để nâng cao độ chính xác điều khiển, nâng cao độ chính xác thao táccủa robot, nhằm đảm bảo việc gia công phay tạo hình các bề mặt chi tiết có hìnhdạng phức tạp

Luận án nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển logic mờ để điều khiển chuyển độngcho robot gia công nhằm giảm thiểu và loại trừ ảnh hưởng của các yếu tố bất địnhcủa các đại lượng trong phương trình động lực học như yếu tố bất định của lực cắt

để nâng cao hiệu quả, độ chính xác gia công cho robot

Kết luận chương 1

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

cơ, đặc biệt là gia công phay, làm rõ những ưu thế, những lợi ích, tiềm năng, ýnghĩa cấp thiết của việc nghiên cứu và ứng dụng robot trong gia công cơ Đồng thờicũng phân tích, chỉ ra những khó khăn, thách thức của việc áp dụng robot côngnghiệp trong gia công cơ, những giải pháp cần nghiên cứu để nâng cao khả năng ápdụng của robot trong gia công cơ

Các vấn đề liên quan đến cơ sở gia công cắt gọt của robot cũng được trình bày baogồm cơ sở động học, động lực học quá trình gia công phay Cơ sở động học gia côngcắt gọt bao gồm các yếu tố chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt được trình bày làm cơ

sở cho việc tính toán bài toán động học gia công tạo hình của robot ở các chương

24