Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí: Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay

Mô hình toán học của hệ robot, bàn máy có cấu trúc dạng chuỗi nối tiếp, cấu trúc tác hợp dùng cho gia công cơ, làm cơ sở tính toán các bài toán áp dụng trong gia công một cách thuật lợi và hiệu quả.

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

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Mô hình hóa động lực học

và điều khiển robot gia công phay” do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi và PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào!

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Người hướng dẫn

Khoa học 1

PGS.TS Phan Bùi Khôi

Người hướng dẫn Khoa học 2

PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh

Nghiên cứu sinh

Hà Thanh Hải

đã giúp đỡ, chỉ bảo, đóng góp ý kiến cho nghiên cứu sinh để nghiên cứu sinh hoàn thành 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 đã giúp nghiên cứu sinh vượt qua nhiều khó khăn, nhiều giới hạn để có thể hoàn thành luận

án Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phan Bùi Khôi, PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh đã dành nhiều công sức hướng dẫn nghiên cứu sinh trong suốt quá trình nghiên cứu

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

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

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

NGHIÊN CỨU SINH

Hà Thanh Hải

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 KHÍ 26

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

atb Chiều dày cắt trung bình

Nz Số răng đồng thời tham gia cắt ở một lớp cắt

yp Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của lượng chạy dao

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

qp Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của D đến Ft

St Góc vào dao độ

 Chu kỳ chuyển động của răng

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

trục cho răng thứ i cắt

N

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

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

i-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

θi Góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục x’i

(x’i// xi)

độ, rad

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

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

i-1Ci Ma trận côsin chỉ hướng của hệ tọa độ Oixiyizi đối với hệ

tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1

i-1ri Vector biểu diễn vị trí tọa độ của gốc Oi trong hệ tọa độ O

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

0Ai Ma trận biểu diễn vị trí và hướng cho hệ tọa độ Oixiyizi

trong hệ tọa độ cơ sở O0x0y0z0

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

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

m/s

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

m/s2

Jq Ma trận Jacobian của hàm f với biến q

Jp Ma trận Jacobian của hàm f với biến p

J Đạo hàm ma trận Jacobian Jp theo thời gian t

Hj Hành trình lớn nhất robot có thể thực hiện theo phương j mm

vr Vận tốc tương đối của dụng cụ đối với đối tượng gia công m/s

L Tổng chiều dài gia công ứng với hành trình Lj mm

t_ Thời gian gia công ứng với một hành trình Lj s

Hj Khoảng di chuyển bàn máy cần thực hiện theo phương j mm

0

Ci

A 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

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

M(q) Ma trận khối lượng suy rộng

vCi Vận tốc của khối tâm của khâu i trong hệ tọa độ O0x0y0z0 m/s

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

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

vector tọa độ khớp

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

đạo hàm của các tọa độ khớp

ci

ci

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

hệ tọa độ khối tâm khâu i

(q, q)

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

tính ly tâm tác dụng lên robot

(k,l;j) Ký hiệu Christofel 3 chỉ số loại 1

 

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

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

qj

U Vector lực suy rộng của các lực dẫn động

Fr Vector lực tác dụng tương hỗ của Fc lên đối tượng công

Qc Vector lực suy rộng của Fc và Mc

Qr Vector lực suy rộng của Fr và Mr

0

1E

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

độ cơ sở O0x0y0z0 theo chuỗi động học cấu trúc robot

mm

1T

J 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 0

2E

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

O0x0y0z0 theo chuỗi động học bàn máy robot

J2T Ma trận Jacobian tịnh tiến của gốc OE theo chuỗi động học

bàn máy robot

PD Tỷ lệ - vi phân

PID Tỷ lệ - vi phân – tích phân

u Luật điều khiển servo cho robot tác hợp

mm/s

mm/s2

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

K Ma trận đường chéo các hệ số tỉ lệ

D

K Ma trận đường chéo các hệ số vi phân

pd Vector tọa độ thao tác đặt (mong muốn) của dụng cụ cắt m d

p Vector vận tốc đặt (mong muốn) của dụng cụ cắt m/s

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Tính các lực thành phần lực Fx, Fy, Fz 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 Các 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

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

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 (yi = ei,ei, ui; 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

Hình 4.34 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ với sai lệch quỹ đạo ban đầu 132

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 ưu điểm 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 công được các chi tiết có bề mặt hình học phức tạp, kích thước lớn, với số nguyên công tối thiểu và

đồ gá đơn giản Robot có khả năng gia công cơ khí với nhiều thao tác khác nhau cùng lúc, từ đơn giản đến phức tạp, đáp ứng được những yêu cầu về độ chính xác tương đối từ thấp đến cao đối với các loại vật liệu khác nhau Sử dụng robot công nghiệp trong gia công có ưu thế về kinh tế hơn so với gia công bằng các máy 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 ứng dụng gia công cơ của robot Cấu trúc nhiều khâu, khớp cho robot khả năng thao tác linh hoạt như đã nêu nhưng đồng thời lại là khó khăn trong việc mô hình hóa động học, động lực học và điều khiển robot Các biểu thức xác định các đại lượng động học, động lực học trong phương trình vi phân chuyển động của robot thường cồng kềnh, đồ sộ Quá trình gia công cơ khí có nhiều yếu tố khó xác định đầy đủ và chính xác, chẳng hạn các nhiễu có thể xuất hiện bất thường Đặc biệt lực cắt sinh ra trong quá trình gia công là yếu tố bất định và có ảnh hưởng lớn đến việc xác định lực điều khiển dựa trên mô hình động lực Các quá trình công nghệ gia công cơ khí thường yêu cầu cao về độ chính xác, đặc biệt khi phay tạo hình các chi tiết có bề mặt phức tạp càng đòi hỏi khắt khe về độ chính xác của chuyển động tạo hình Để giải quyết những vấn đề này, đã có nhiều hướng nghiên cứu nhằm cải thiện, nâng cao độ chính xác gia công của robot

Trong các nhiệm vụ cần thực hiện để đảm bảo robot gia công cơ khí, bên cạnh nhiệm 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 trong việc 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 quĩ đạo 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

hệ thống robot để xác định mối quan hệ giữa chuyển động gia công của dụng cụ với chuyển động và các lực dẫn động tại các khớp, với các lực cắt sinh ra trong quá trình gia 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 bộ điều khiển áp dụng cho robot có thể là các bộ điều khiển truyền thống như bộ điều khiển PD, PID, bộ điều khiển động học ngược, hoặc các bộ điều khiển hiện đại như

bộ điều khiển logic mờ, bộ điều khiển đại số gia tử, bộ điều khiển mạng nơ ron Đối với các ứng dụng của robot công nghiệp như vận chuyển, lắp ráp, sơn, hàn,…việc ứng dụng các bộ điều khiển truyền thống có thể đáp ứng được yêu cầu do trong mô hình động lực học của robot không có thành phần lực cắt bất định, và không có nhiễu của quá 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 xác định các đại lượng động lực học chính xác, điều này là khó khăn, đặc biệt là xác định chính xác lực cắt như đã nêu trên Như vậy việc thiết kế bộ điều khiển cho robot gia công cơ là một khó khăn lớn, áp dụng các bộ điều khiển truyền thống hoặc các bộ điều khiển hiện đại cần đưa ra giải pháp khắc phục sự bất định của các đại lượng trong phương trình động lực học và nhiễu khi gia công Hơn nữa, để thực hiện 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 điều khiển của robot cho các ứng dụng khác nhau, tuy nhiên việc giải quyết các vấn đề này 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 trong gia 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 tổng quát, xây dựng các giải thuật điều khiển và thiết kế mô hình các bộ điều khiển với những giải pháp khắc phục được tính bất định của các đại lượng trong phương trình động lực học, thiết kế quĩ đạo chuyển động tạo hình, khảo sát phân tích lực của robot 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

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 lực học robot khi gia công cơ, phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot gia công 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 hệ phương trình động học, động lực học nhờ máy tính Giải thuật tính toán, hiệu chỉnh lực điều khiển theo sự ảnh hưởng của lực cắt, sai lệch của lực cắt, giải thuật tính toán, 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 hệ robot, bàn máy có cấu trúc nối tiếp gia công tạo hình các bề mặt từ đơn giản đến 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

Việc thêm các bậc tự do chuyển động ở bàn máy giúp mở rộng không gian làm việc của robot, giúp robot gia công được các chi tiết có kích thước lớn, có các bề mặt phức tạp với số nguyên công tối thiểu Ngoài ra, các bậc tự do của bàn máy có thể 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 tổng quát 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 giải thuật

mô hình hóa động lực học và điều khiển cho phép khắc phục tính bất định của lực cắt trong quá trình gia công

- Giải thuật điều 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 lượng động 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 của luận 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

cơ khí, đặc biệt là gia công phay; phân tích những ưu thế, những khó khăn, tồn tại của việc 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 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 quá trình gia công phay Phân tích và làm rõ các vấn đề của bài toán động lực học của robot gia công phay Cuối cùng, chương 1 trình bày tổng quan, khảo sát, phân tích những công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về thực trạng, xu hướng, mức độ, tồn tại của các vấn đề đã và đang được giải quyết trong việc áp dụng robot vào gia công cơ khí, từ đó luận án lựa 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 gia công cơ, thiết lập mô hình động học tổng quát, thành lập và giải các bài toán động học 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 robot gia công tạo hình bề mặt chi tiết Áp dụng các kết quả của bài toán động học khảo sát một số trường hợp gia công cụ thể Các chương trình tính toán, mô phỏng cũng được xây dựng để tính toán và hiển thị các kết quả tính toán Kết quả của việc giải bài toán động học của robot một mặt giúp xây 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 toán động lực học, mặt khác đưa ra cơ sở đánh giá sai số gia công khi có lực tác động của quá trình cắt

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

là việc xây dựng mô hình động lực học, thiết lập các phương trình vi phân chuyển động cho mô hình tổng quát của robot gia công cơ Việc tính toán các đại lượng động lực trong phương trình động lực học, đặc biệt đại lượng lực cắt bất định được khảo sát và trình bày một cách chi tiết Việc tìm ra các qui luật chuyển động động lực của robot giúp khảo sát và phân tích một cách chính xác những yếu tố tác động chính 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 mối tương quan với các thông số động học yêu cầu Trình bày đóng góp về một cách tiếp cận để tính các phản lực khớp động, cũng như đưa ra một số đóng góp mới trong việc tính toán, hiệu chỉnh lực điều khiển theo ảnh hưởng của lực cắt của quá trình gia công một cách gián tiếp, thông qua phương trình động lực học mà không cần dùng đến các phương tiện

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

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

để thực hiện 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 bao gồm bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD trong không gian khớp và không gian thao tác, bộ điều khiển động lực học ngược+ PD+ hiệu chuẩn lực cắt trong không gian khớp, bộ điều khiển mờ Các bộ điều khiển lần lượt giải quyết các vấn đề nhằm nâng cao hiệu quả, độ chính xác gia công của

hệ robot-bàn máy 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 di chuyển Kết quả khảo sát tính toán và mô phỏng bộ điều khiển bằng Simulink cho phép đánh giá qua hình ảnh trực quan

Cuối cùng là kết luận về những kết quả đạt được, những vấn đề cần nghiên cứu phát 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 công phay trên robot công nghiệp; phân tích những ưu thế, những khó khăn, tồn tại của việc áp dụng gia công cơ khí trên robot công nghiệp, những giải pháp để nâng cao khả 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 quá trình gia công phay Phân tích và làm rõ các vấn đề của bài toán động lực học robot gia 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 năng ứng dụng gia công phay trên robot Từ đó, trình bày các vấn đề nghiên cứu và giải quyết 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 những thập kỷ qua, cho các ứng dụng phổ biến như hàn, sơn, vận chuyển, lắp ráp, phục vụ cho các máy CNC, … Theo Hiệp hội Robot quốc tế, lượng sử dụng robot công nghiệp ngày càng tăng mạnh, thống kê năm 2018 cho thấy lượng tiêu thu robot công nghiệp trên thế giới 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 lượng robot dùng để gia công cơ khí (tiện, phay, mài, đánh bóng…) chiếm ít hơn 5% [1] Gần đây với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sự cạnh tranh gay gắt trong sản xuất sản phẩm, việc tăng tốc độ sản xuất và cải tiến sản phẩm, đòi hỏi cần phải phát triển những phương 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 tia nước, 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

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

án được 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 nối tiếp, có 6 bậc tự do là khoảng 0.01 mm [10] Đối với ứng dụng gia công cắt gọt các loại vật liệu cứng như nhôm hợp kim, thép, độ chính xác gia công của robot đạt được trong khoảng 0.3 mm [11] Với sự hỗ trợ của các thiết bị bù sai số trực tiếp độ chính xác gia công của robot có thể đạt được 2.45µm, độ nhám bề mặt có thể đạt 4.7

µm [12] Nghiên cứu ứng dụng robot gia công cắt gọt kim loại hay các loại vật liệu cứng 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 gia công 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 cho phép thực hiện nhiều thao tác công nghệ đồng thời khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp Với cấu trúc 6 bậc tự do, dạng chuỗi nối tiếp, robot có thể đạt đến tất cả các vị trí và các hướng trong không gian thao tác, nhờ đó robot có thể gia công được các chi tiết

có bề mặt hình học phức tạp, có nhiều hốc, nhiều ngóc ngách với đồ gá đơn giản và với một số rất ít nguyên công so với gia công trên các máy công cụ Ngoài việc linh hoạt trong gia công, robot còn thể hiện sự linh hoạt trong các mục đích sử dụng khác như sơn, hàn, lắp ráp… Không gian gia công rộng, độ linh hoạt cao do có nhiều bậc

tự do được liên kết với nhau theo dạng chuỗi cho phép robot có thể gia công các chi tiết có kích thước lớn, thậm chí rất lớn, chỉ bằng một hoặc một số ít nguyên công Không gian gia công của robot lên đến 7,5 m3, thậm chí khi đặt robot trên ray dẫn hướng, chuyển hướng không gian gia công có thể lên đến 20 m3 hoặc lớn hơn [2] Việc áp dụng gia công trên robot công nghiệp thể hiện ưu thế về kinh tế hơn so với gia công trên các máy công cụ, theo COMET tính toán lợi thế giá thành lên đến 30% [9] Ngoài ra, giá đầu tư cho một máy CNC có trên 4 trục là hơn 500,000 €, trong khi giá của một robot công nghiệp 6 trục với tải 10kg là khoảng 50,000 € [8] Một ưu điểm nữa của việc sử dụng robot trong gia công cơ là dễ tái lập cấu 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 công nhân làm bằng tay, dựa trên kỹ năng và kinh nghiệm của họ, nhưng việc thực hiện này dẫn đến giá thành cao, tốn thời gian, dùng nhiều sức lao động và dễ xảy ra sai hỏng 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 và tạo mẫu không những làm tăng độ chính xác, tăng năng suất, giảm giá thành các sản phẩm 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 công các sản phẩm đa dạng, phong phú, từ đơn giản đến phức tạp, từ yêu cầu chính xác vừa phải đến độ chính xác cao Đầu tiên, đối với gia công các công giai đoạn cuối, robot công nghiệp được sử dụng để khoan, ta rô, vát mép, cắt tỉa và mài ba via của các chi tiết như ba via các bánh răng sau khi phay răng, xọc răng, ba via của chi tiết hàn, ba via của các vật đúc, phay hoặc mài tạo đường viền cho các chi tiết (Hình

1.1a,b,c) Trong công nghệ tạo mẫu, robot công nghiệp phay tạo hình hiệu quả cao từ

vật liệu phi kim loại như gỗ, nhựa, xốp, đến các vật liệu kim loại có độ cứng thấp như nhôm, đồng, đặc biệt 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 kích thước lớn, cắt tỉa các chi tiết làm từ sợi các bon (Hình 1.1e) Ngoài ra, robot công nghiệp 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 chức đang tập trung nghiên cứu phát triển đó là ứng dụng gia công phay bề mặt các loại vật 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, đặc biệt là gia công phay trên robot công nghiệp, vẫn tồn tại những vấn đề, những thách thức lớn, cần nhiều công sức và thời gian nghiên cứu và giải quyết

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 của robot có chuyển động được tổng hợp từ nhiều chuyển động thành phần Để thực hiện được 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 khâu thao tác có hướng tùy ý khi thực hiện thao tác Thông thường phổ biến robot có nhiều hơn 3 khớp quay bởi khớp quay làm cho cấu trúc robot gọn hơn khớp tịnh tiến Bởi nhiều khâu khớp, việc tổng hợp chuyển động của khâu thao tác vì thế khó khăn, các biểu thức tính toán vận tốc góc, gia tốc góc thường rất đồ sộ Các phương trình động học, động lực học cồng kềnh, phức tạp, khó khăn trong việc thành lập cũng như tìm lời giải, 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 lực cắt sinh ra khi dụng cụ cắt tác dụng lên chi tiết gia công Lực cắt phụ thuộc nhiều yếu

tố như vật liệu, tốc độ cắt, chiều dày lớp cắt, chiều sâu cắt,… Thông thường việc xác định lực cắt được thực hiện theo công thức thực nghiệm trong các sổ tay kỹ thuật, nhưng sẽ có sai số không nhỏ dẫn đến sai lệch dẫn động và điều khiển chuyển động 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 biến dạng

và dao động trong quá trình gia công Đặc biệt do sự không đồng nhất về vật liệu, chiều sâu cắt, lưỡi cắt gồm các răng cắt hoặc cạnh cắt không liên tục nên lực cắt thường xuyên biến đổi dẫn đến xuất hiện dao động làm ảnh hưởng độ chính xác gia công [8], [19], [20] Kể cả trường hợp nếu giá trị lực cắt được cho là không thay đổi thì chiều và hướng của véc tơ lực cắt cùng luôn thay đổi trong quá trình dụng cụ cắt 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 của robot để có áp dụng thuận lợi cũng là một khó khăn Chương trình gia công cần tính đến khả năng gia công phù hợp với hệ thống động học, động lực học và điều khiển của robot để tránh các va chạm, tránh cắt lẹm, tránh các điểm kỳ dị, đảm bảo vùng gia công, các tư thế gia công trong không gian thao tác của robot…[11] Để xây dựng được chương trình gia công cho robot thì cần nghiên cứu nhiều bài toán, tìm các giải thuật tính toán cho phép lập trình thuận lợi để giải quyết các bài toán về động học, 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 robot phức 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 tiềm năng lớn nên việc áp dụng robot trong gia công cơ khí đã và đang được tập trung nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi

Luận án nghiên cứu và giải quyết những vần đề trong các vấn đề đã nêu trên Đó

là việc khảo sát động học đưa ra phương pháp thiết kế quĩ đạo gia công tạo hình các

bề mặt chi tiết, đặc biệt các các chi tiết có hình dạng bề mặt phức tạp, cung cấp cơ sở cho việc tạo ra các chương trình gia công cho robot Phương pháp thiết lập các phương trình 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 định trong phương trình động lực học như việc hiệu chỉnh lực điều khiển nhằm giảm thiểu, loại trừ tác động thay đổi của lực cắt trong gia công, góp phần làm tăng độ chính xác gia công của robot

Để ứng dụng gia công cơ, đặc biệt là gia công phay trên robot, cần khảo sát động học và động lực học của quá trình cắt, làm cơ sở cho việc tính toán giải quyết các bài toán động học, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot khi gia công tạo hình bề mặt Việc khảo sát, lựa chọn các mô hình tính toán lực cắt, một mặt làm cơ sở để tính toán lực suy rộng của lực cắt trong phương trình động lực học, mặt khác khảo sát 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 của lực 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 phay 1.2.1 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 công của chi tiết chuyển động tương đối với nhau theo một quy luật nhất định và bóc đi lượng dư gia công, để tạo thành bề mặt chi tiết có hình dáng và kích thước đúng với yêu cầu kỹ thuật Trong suốt quá trình gia công phay phần lưỡi cắt của dụng cụ luôn tiếp xúc với bề mặt chi tiết Quỹ đạo chuyển động tương đối của mỗi điểm trên lưỡi cắt đối với bề mặt gia công là kết quả chuyển động tổng hợp do dụng cụ phay và chi tiết được thực hiện trên hệ robot – bàn máy

1.2.2 Các thông số động học quá trình cắt khi phay

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

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 đầu

Dụng cụ để gia công phay các bề mặt không gian của chi tiết trên hệ robot – bàn máy là các loại dao phay ngón Tùy thuộc vào hình dáng hình học của bề mặt cần gia công phay mà chọn loại dao có hình dáng hình học phù hợp để khi gia công đảm bảo lấy đi lượng dư phù hợp, chất lượng bề mặt tốt nhất và năng suất cao nhất Dụng cụ thường 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

đầu cầu, dao phay ngón đầu côn cầu và dao phay mặt đầu… Trên Hình 1.2 biểu diễn các 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 chuyển động là chuyển động chính (chuyển động quay tròn của dao) và chuyển động chạy dao (chuyển động tương đối giữa dao với chi tiết), mà có hai dạng phay là phay thuận

và phay nghịch Khi phay thuận chuyển động chính và chuyển động chạy dao cùng chiều nhau, Hình 1.3, Hình 1.4a Khi phay nghịch chuyển động chính và chuyển động chạy dao ngược chiều nhau Hình 1.3, Hình 1.4b

Hình 1.3 Hướng tiến dao khi phay cả thuận và nghịch

Dn v

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)

3

f ph

- Lượng chạy dao S

Lượng chạy dao răng Sz: lượng dịch chuyển tịnh tiến giữa dao với bề mặt gia công theo hướng tiến dao, sau khi dao quay được một góc răng, (mm/rg)

Lượng chạy dao vòng Sv: lượng dịch chuyển tịnh tiến giữa dao và bề mặt gia công theo hướng tiến dao, sau một vòng quay của chuyển động cắt chính, (mm/vg)

Lượng chạy dao phút Sph: lượng dịch chuyển tương đối giữa lưỡi cắt của dao và

bề mặt gia công theo phương của chuyển động chạy dao, sau thời gian một phút, (m/ph)

- Chiều sâu cắt h 0 (mm),

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 trục dao 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 song với 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

Hình 1.5 Góc tiếp xúc khi phay [22]

- 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:

z 0

.Z N

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

Chiều dày cắt a là khoảng cách giữa hai vị trí liên tiếp của quỹ đạo chuyển động của một điểm trên lưỡi cắt ứng với với lượng chạy dao Sz, đo theo phương vuông góc với lưỡi cắt, xem Hình 1.6 khi phay bằng dao phay mặt đầu

Trong quá trình phay, chiều dày cắt khi phay luôn biến đổi từ khi lưỡi cắt của một răng bắt đầu tham gia cắt đến khi ra khỏi vùng cắt a biến đổi từ amax đến amin hoặc 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 thì quỹ đạo của lưỡi cắt chuyển dịch từ vị trí 1 đến vị trí 2 và lưỡi dao cắt đi một lớp kim loại

có chiều dày aM Chiều dày cắt aM thay đổi theo i

Ở đây i – góc tiếp 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 đồng thời tham gia cắt thì tổng diện tích mặt cắt ngang lớp cắt do Nz răng tạo ra được tính bằng công thức sau:

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 trong quá 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 làm dao, thông số hình học phần cắt của dụng cụ, chế độ cắt,… Các hiện tượng vật lý trong 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 tài liệu chuyên ngành, ở đây chỉ trình bày những mô hình lực cắt, chế độ cắt có liên quan 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 công bằng robot nói riêng, vì lực cắt ảnh hưởng đến qui luật chuyển động, mô men, lực tại các khớp của robot, xác định được lực cắt có thể xác định được độ bền, độ cứng vững của robot, của dao và đồ gá

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

công Việc tính toán lực cắt cho các máy công cụ đã được trình bày trong các tài liệu 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 phụ thuộc vào khối lượng của bộ dẫn động và gá dao, cũng như khối lượng phôi và hình thức gia công

Quá trình gia công có nhiều yếu tố động lực, phi tuyến, ngẫu nhiên Lực cắt thay đổi 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 phoi vv… 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 xây dựng dựa trên các tiên đề toán học, vật lý học và cơ học biến dạng rồi dùng phương pháp diễn giải để mô tả cơ chế tác động cơ lý của quá trình tạo phoi, từ đó rút ra công thức tính lực cắt dưới dạng biểu thức giải tích [23]) Kết quả tính toán lực cắt theo công thức lý thuyết có độ chính xác không cao vì khi xây dựng công thức người ta phải đơn giản hóa các điều kiện biên của bài toán

Nhóm thứ hai lực cắt được tính theo các công thức thực nghiệm (công thức được xây dựng bằng thực nghiệm dựa trên lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm kết hợp với

xử lý số liệu, theo phương pháp thống kê để rút ra công thức tính lực [23]) Các công 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 việc tính toán,

và được sử dụng rộng rãi trong ngành gia công chế tạo Tuy nhiên công thức thực nghiệm không mang tính tổng quát mà chỉ có giá trị tương ứng với các điều kiện công nghệ cụ thể Vì thế kết quả tính toán lực cắt theo các công thức thực nghiệm với các điều kiện công nghệ khác nhau cho độ chính xác không cao và thường dùng để tham khảo

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

- Các phương pháp tính toán lực cắt trong quá trình gia công khá đa dạng, gồm các cách tiếp cận phân tích và mô hình hóa lực cắt khác nhau Có nhiều mô hình lực cắt khác nhau, nhưng có thể tổng quan thành 2 loại mô hình lực cắt: mô hình lực cắt xem 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 trình bày 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 tượng gia công có điểm đặt lực tại điểm cắt giữa dao và đối tượng gia công, các lực này cùng phương, nhưng ngược chiều và cùng độ lớn Trị số và phương của các thành phần lực cắt ở từng thời điểm khác nhau trong góc tiếp xúc  là không như nhau Lực cắt tổng hợp F tác dụng lên răng dao được phân thành các thành phần [22]:

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

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]

Các thành

phần lực Phay đối xứng Phay không đối xứng

Phay thuận Phay nghịch

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, phụ thuộc vào sự thay đổi diện tích cắt Tại mỗi thời điểm xác định được các thành phần lực cắt tức thời tác dụng lên mỗi răng dao tham gia cắt trong cung tiếp xúc , thì sẽ xác 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:

j2 j2 j1 j1

dpi - phân tố lực tiếp tuyến tác dụng lên phân tố diện tích cắt dfi của răng thứ i

qdv - lực cắt đơn vị phụ thuộc vật liệu gia công, chiều dày cắt và góc nghiêng của răng Vậy lực cắt đơn vị là một lượng thay đổi, qdv (N/mm2)

m

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 điều kiện cắt

i i i

dbi – chiều rộng cắt phân tố dfi

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

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

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

Trong đó:

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

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)

ln(z cotg ) tg(z)

z r s MN z

ln(1 ((z N ) / N ).tg tg

(N ) sin

((z N ) / N ).tg (N ) (z) (z)

(Constant helix)

(1.36) nếu (0)

Đường dẫn không đổi (Constant Lead) Với:

0 – góc xoắn không đổi

s - góc xoắn không đổi dọc theo rãnh xoẵn

r s

lead

2 Narctg

Llead – đướng dẫn của rãnh xoắn của dao

Trong phương trình động lực học của robot lực cắt là thông số khó xác định vì lực 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 lớp cắt và điều kiện gia công, thiết bị gia công…[22] Với bài toán điều khiển robot thực hiện chuyển động tạo hình (nhiệm vụ trung tâm của việc ứng dụng gia công phay trên) thì lực cắt là một trong các thành phần quan trọng trong phương trình vi phân chuyển động của robot Do đó việc nghiên cứu động lực học của quá trình cắt nói chung và tính toán xác định lực cắt nói riêng đã trình bày là một trong các nội dung quan trọng

để thực hiện việc thành lập mô hình động lực và điều khiển robot trong gia công phay

Đó là một trong các nội dung của luận án khi áp dụng phương pháp điều khiển ‘rõ’, phổ biến trong điều khiển robot

Mặt khác, qua nghiên cứu cho thấy những mặt khó khăn, hạn chế của các phương pháp điều khiển dựa trên mô hình động lực của robot với việc tính toán lực cắt thiếu chính xác, luôn tồn tại yếu tố bất định như trên, đã tạo động lực để luận án thực hiện các nghiên cứu nhằm tìm các giải pháp khắc phục ảnh hưởng của việc tính toán không chính xác lực cắt Đó là luận án đưa ra phương pháp hiệu chuẩn việc tính lực cắt dựa trên 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 án nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển logic mờ để điều khiển chuyển động cho robot gia công nhằm giảm thiểu và loại trừ ảnh hưởng của tính bất định của lực cắt nâng cao 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 đảm bảo chuyển động tạo hình Quá trình gia công cơ là một quá trình động lực Việc xác định các lực cắt, quyết định việc xác định các lực suy rộng không thế trong mô hình động lực học của robot Độ chính xác chuyển động của robot phụ thuộc vào các 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 độ chính xác gia công Vì vậy, bài toán khảo sát động lực học của robot khi phay là một trong những bài toán quan trọng nhất

Động lực học quá trình gia công cắt gọt là cơ sở cho quá trình tính toán, thiết kế, gia công, chế tạo và sử dụng robot gia công các chi tiết cơ khí Để robot gia công cắt gọt được các chi tiết theo yêu cầu kỹ thuật thì dụng cụ cắt cần được điều khiển để thực hiện chuyển 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 tổng hợp của nhiều chuyển động thành phần của các khâu, các khớp phải đảm bảo qui luật chuyển động về vị trí, hướng, vận tốc, gia tốc theo đúng phương trình động học của robot 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 lực liên kết khớp động Lực cắt sinh ra tác dụng lên dụng cụ cắt, phản lực liên kết khớp động tác dụng lên các khớp của khâu… Để dẫn động, điều khiển robot gia công chính xác cần xác định được các lực cắt tác dụng lên robot và

sự tương tác giữa dụng cụ cắt với 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 độ khớp 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 các thông số động lực học, các đại lượng như tọa khối tâm của các khâu, ten xơ quán

tính của các khâu, động năng, thế năng, lực suy rộng của các lực có thế và các lực không 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 thực của robot

Riêng lực cắt sinh ra trong quá trình gia công là đại lượng luôn thay đổi, khó xác định 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 khó tính toán chính xác mô hình động học, động lực học, độ cứng vững của robot không cao, ảnh hưởng của lực tác động bên ngoài dễ gây ra dao động,… Các yếu tố đó dẫn đến 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 hình của robot, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công Mặc dù vậy, trong các yếu tố gây nên sai số của các đại lượng động học, động lực học thì các sai số của các thông số hình 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 năng điều khiển chuyển động thao tác của robot Lực cắt phụ thuộc nhiều yếu tố như vật liệu, 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 hình dạng hình học bề mặt gia công phức tạp Ngoài ra, lực cắt tác dụng vào khâu thao tác ở cuối chuỗi động học nhiều khâu nên việc tính toán, biểu diễn lực suy rộng của lực cắt trong phương trình vi phân chuyển động của robot là phức tạp Thông thường người

ta xác định lực cắt nhờ công thức thực nghiệm trong các sổ tay kỹ thuật, nhưng sẽ có sai số không nhỏ Để tăng độ chính xác khi xác định lực cắt trong phương 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 đổi của lực cắt trong quá trình gia công Như vậy, lực cắt là hàm của thời gian và được tính toán ở mỗi thời điểm Ngoài ra, mặc dù được tính toán tại mỗi thời điểm nhưng tính toán theo công thức thực nghiệm luôn tồn tại sai số Phương pháp hiệu chỉnh lực 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 công tạo hình bề mặt, chưa tính toán ảnh hưởng của lực cắt đến động lực học và điều khiển 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 quỹ chuyển động cho robot, lập phương trình động học và giải bài toán động học cho hệ robot - bàn máy khi gia công cơ khí như mài bề mặt chi tiết [36]  [39] Nghiên cứu động lực học cho robot gồm lập phương trình vi phân và giải bài toán động lực học cho hệ robot - bàn máy trong gia công cơ khí như mài bề mặt chi tiết [37]  [39] Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PD trong không gian khớp và bộ điều khiển mờ để điều khiển chuyển 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 cắt đến 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 gia công, vật liệu làm dụng cụ cắt, chế độ cắt, thông số hình học của dụng cụ cắt, điều kiện gia công đến lực cắt; ảnh hưởng của lực cắt đến công suất cắt, công cắt, nhiệt cắt, 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 áp dụng các mô hình lực cắt của các máy này vào giải các bài toán gia công cho robot chưa 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 lắp ráp ), sai số phi hình học (sai số do biến dạng, do mòn…) và sai số hệ thống; sai

số do quá 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 việc tính lực cắt từ việc giải phương trình vi phân chuyển động của robot trong quá trình gia công cơ khí Các nguyên nhân chưa được làm rõ về phản lực của khớp động ảnh hưởng thế nào đến chuyển động của các khâu - khớp robot; sai lệch giữa lực cắt tính theo công thức thực nghiệm đầu vào và lực cắt ở đầu ra của phương trình động lực học 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 lực học hay qua phần mềm của bộ điều khiển [49], [51]  [55] Phương pháp bù sai số gián tiếp là bù những sai lệch đã được dự liệu, được tính toán trước vào trong chương trình phần mềm gia công của robot [56]  [62] Phương pháp pháp bù sai số trực tiếp tại thời điểm gia công là từ các thiết bị đo, xác định được sai số gia công, từ đó điều khiển robot 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 để nâng cao độ chính xác gia công [20], [11], [72]  [81] Phương pháp điều khiển để nâng 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

robot để nâng cao độ cứng vững [89] Các nghiên cứu ở đây chưa trình bày về cách xác định lực cắt, cũng như xác định các phản lực khớp động qua mô hình động lực học của robot, chưa có bù sai lệch giữa lực cắt tính theo công thức thực nghiệm từ đầu vào, và đầu ra của mô hình động lực dựa trên việc giải phương trình động lực học 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 răng xoắn tiến hành gia công phay Nghiên cứu về động học, động lực học và tác động của lực cắt lên dụng cụ cắt do độ cứng của robot không cao làm các khớp bị biến dạng 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 xác định 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 ở đây chưa đề cập đến dùng phương trình động lực học để tìm lực cắt và phản lực tại các khớp động khi robot tiến hành gia công cơ khí Các lực nói trên là một trong nguyên 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 nhiều các nghiên cứu khác nhau liên quan đến 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 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 của robot gia công phay bằng lập trình trên máy tính chưa thấy 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 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 robot gia công cơ Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả, khả năng ứng dụng gia công cơ khí trên robot, cải thiện độ chính xác gia công của robot thì vẫn còn nhiều vấn đề cần quan tâm, nghiên cứu giải quyết, phát triển và hoàn thiện Từ kết luận ở cuối mục tổng quan các công trình nghiên cứu, những vấn đề cần phát triển cũng là nội dung nghiên 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 động theo 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 nghiên cứu 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 tượng gia công được kẹp chặt trên bàn máy cố định, robot 6 bậc tự do là đủ đảm bảo đạt được vị trí và hướng dụng cụ để thực hiện gia công phay tạo hình bề mặt từ đơn giản đến phức tạp Tuy nhiên, để mở rộng không gian thao tác của robot, hoặc lựa chọn tư thế gia công thuận lợi, thì dùng mô hình hệ robot - bàn máy di động, với robot có 6 bậc tự do, bàn máy có một hoặc hai bậc tự do chuyển động Nhờ đó, hệ robot - bàn máy di động có thể gia công được những chi tiết lớn, có nhiều bề mặt phức tạp, giảm

số nguyên công gá đặt Một cách tổng quát, gọi tên chung cho hệ robot – 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 động học, thiết lập các phương trình động học, đưa ra giải thuật và chương trình tính toán động học Phương pháp thiết kế thiết kế quỹ đạo hình học và thiết kế quỹ đạo động học 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 hình động lực học, thiết lập phương trình vi phân chuyển động Đưa ra các thuật toán cho phép lập trình trên máy tính để thiết lập mô hình động lực học cho robot gia công cơ khí một cách thuận lợi Đưa ra giải thuật và chương trình tính toán động lực học, xác định các đại lượng động lực học trong phương trình vi phân chuyển động Tính phản lực tại khớp động, tính lực cắt và hiệu chỉnh lực điều khiển theo sự ảnh hưởng của 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 vòng ngoài PD có khối bù và hiệu chỉnh tính toán lực cắt, mô hình hóa và mô phỏng bộ điều khiển trong không gian khớp và không gian thao tác, tính toán các lực dẫn động phù hợp để nâng cao độ chính xác điều khiển, nâng cao độ chính xác thao tác của robot, nhằm đảm bảo việc gia công phay tạo hình các bề mặt chi tiết có hình dạng phức tạp

Luận án nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển logic mờ để điều khiển chuyển động cho robot gia công nhằm giảm thiểu và loại trừ ảnh hưởng của các yếu tố bất định của 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, ý nghĩa cấp thiết của việc nghiên cứu và ứng dụng robot trong gia công cơ Đồng thời cũng phân tích, chỉ ra những khó khăn, thách thức của việc áp dụng robot công nghiệp trong gia công cơ, những giải pháp cần nghiên cứu để nâng cao khả năng áp dụng của robot trong gia công cơ

Các vấn đề liên quan đến cơ sở gia công cắt gọt của robot cũng được trình bày bao gồm cơ sở động học, động lực học quá trình gia công phay Cơ sở động học gia công cắt 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

sau Cơ sở động lực học của quá trình phay được trình bày gồm tầm quan trọng, ý nghĩa, cơ sở của việc tính toán lực cắt, các yếu tố ảnh hưởng đến lực cắt khi phay Từ

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

Từ hướng nghiên cứu, Chương 1 thực hiện khảo sát tổng quan về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan, đưa ra những đánh giá, nhận xét khái quát về các vấn đề khoa học mà các công trình đã công bố, nêu bật những vấn đề đã

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

- bàn máy tổng quát, phù hợp với gia công cơ nói chung và gia công phay tạo hình bề mặt chi tiết nói riêng Chương cũng đã xác định được các vấn đề nghiên cứu của luận

án sẽ trình bày trong các chương tiếp theo, bao gồm mô hình hóa và giải quyết các bài toán động học, động lực học; thiết kế các bộ điều khiển cho hệ robot bàn máy trong gia công Kết luận của Chương cũng chính là những đóng góp của chương này