Về giải thuật điều khiển hình động học máy PSK trong gia công bề mặt phức tạp

Về giải thuật điều khiển hình động học máy PSK trong gia công bề mặt phức tạp Về giải thuật điều khiển hình động học máy PSK trong gia công bề mặt phức tạp Về giải thuật điều khiển hình động học máy PSK trong gia công bề mặt phức tạp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

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

NGUYỄN HỒNG THÁI

VỀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HÌNH ĐỘNG HỌC MÁY PSK

TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI 2011

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

NGUYỄN HỒNG THÁI

VỀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HÌNH ĐỘNG HỌC MÁY PSK

TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS PHAN VĂN ĐỒNG

HÀ NỘI 2011

Chuyên ngành : Thiết bị & hệ thống ĐKTĐ

Mã số : 62.52.60.10

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các kết quả nghiên cứu và số liệu tính toán được trình bày trong luận án là do tôi thực hiện trong quá trình làm luận án của mình, không sao chép ở bất cứ tài liệu nào

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hồng Thái

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được trân trọng cảm ơn PGS.TS Phan Văn Đồng là thầy

hướng dẫn khoa học của tôi đã nhiệt tình chỉ bảo, định hướng khoa học và hướng dẫn tôi từ khi tốt nghiệp đại học, Thạc sĩ cũng như trong suốt quá trình tôi làm luận án Tiến sĩ và viết luận án

Tôi xin cảm ơn tập thể cán bộ giảng viên trong Bộ môn Cơ sở thiết kế máy &

Rô bốt, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, đã tạo điều kiện về mặt thời gian cũng như đóng góp những ý kiến trong quá trình tôi làm luận án

Tôi xin cảm ơn các cán bộ Vụ Đại học và sau Đại học- Bộ Giáo dục và Đào tạo, Ban lãnh đạo và cán bộ phụ trách nghiên cứu sinh Viện Đào tạo sau Đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà nội đã tạo điều kiện thuận lợi và hướng dẫn nhiệt tình các thủ tục cần thiết trong suốt quá trình tôi làm luận án và bảo vệ luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy phản biện đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu để tôi hoàn thành tốt luận án của mình

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hồng Thái

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu viết tắt v

Danh mục các bảng x Danh mục các hình vẽ và đồ thị xi

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP

TRÊN MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC VÀ ỨNG DỤNG

RÔ BỐT SONG SONG TRONG GIA CÔNG

9

1.1 Đường dụng cụ trong gia công bề mặt phức tạp trên máy phay CNC nhiều

trục

9

1.1.1 Bề mặt chi tiết gia công và phương trình biểu diễn bề mặt 9

1.1.2 Đường dụng cụ và các thông số đường dụng cụ 11

1.1.5 Hiện tượng cắt lẹm và va chạm cục bộ 15

1.2 Máy phay CNC 5 trục 18 1.2.1 Lịch sử phát triển 18 1.2.2 Tổng quan nghiên cứu về máy phay CNC 5 trục và sai số trong quá

trình gia công

18

1.3.1 Định nghĩa 19 1.3.2 RBSS ứng dụng trong ngành máy công cụ 20

1.4 Một số kết quả nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước gia công

BMPT trên máy phay CNC nhiều trục và RBSS

33

1.4.1 Các kết quả nghiên cứu về gia công BMPT trên máy phay CNC

nhiều trục

33

Chương 2 ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG

BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC

39

2.1.1 Thuật toán nội suy quy luật xoắn ốc 40

2.1.4 Thuật toán nội suy quy luật song song một chiều 47

2.1.6 Ví dụ áp dụng 50 2.2 Tính định vị vị trí và định hướng trục dụng cụ 51

va chạm

2.4 Tính chiều cao nhấp nhô hình học 71

2.5 Thuật toán tính đường dụng cụ trên máy phay CNC nhiều trục 85

3.1.4 Xây dựng phần mềm mô phỏng số quá trình gia công trên máy phay

3.2.1 Xác định sai số định vị điểm điều khiển tạo hình trên dụng cụ của

máy phay CNC 5 trục kiểu TTRR-T

101

3.2.2 Xác định sai số định vị điểm điều khiển tạo hình trên dụng cụ của

máy phay CNC 5 trục kiểu TT-TRR

104

3.2.3 Xác định sai số định vị điểm điều khiển tạo hình trên dụng cụ của

máy phay CNC 5 trục kiểu TTR-TR

106

3.5 Khảo sát sai số định vị và định hướng trục dụng cụ 110

Chương 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HÌNH ĐỘNG HỌC

MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC PSK TRONG GIA CÔNG

116

BỀ MẶT PHỨC TẠP

4.1 Giới thiệu 118 4.2 Thiết lập phương trình động học xác định thông số điều khiển máy PSK

(Hexapod – CNC 3 trục) khi modul RBSS Hexapod mang đầu dao trục

4.2.2 Phương pháp và thuật toán điều khiển 124

4.2.3 Thuật toán 1 điều khiển máy CNC nhiều trục PSK (Hexapod - CNC

3 trục) khi modul RBSS Hexapod mang đầu dao trục nhính

127

4.2.4 Thuật toán 2 điều khiển máy CNC nhiều trục PSK (Hexapod - CNC

3 trục) khi modul RBSS Hexapod mang đầu dao trục nhính

130

4.2.5 Xác định thông số điều khiển máy phay CNC nhiều trục kiểu PSK

(Hexapod - CNC 3 trục ) trục theo thuật toán 3

134

4.3 Thiết lập phương trình động học xác định thông số điều khiển máy PSK

(Hexapod – CNC 3 trục) khi modul RBSS Hexapod làm bàn máy mang

phôi

136

4.4 Thiết lập phương trình động học xác định thông số điều khiển máy PSK

(Hexaglide- CNC 3 trục) khi modul RBSS Hexaglide mang đầu dao trục

Tài liệu tham khảo 161

Phụ lục 2 Một số đoạn mã code chính chương trình phần mềm 202

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa

DBB : Double ball bar

xác CNC 3 trục

RBSS theo phương trục z

h(j,j+1)i : Khoảng cách giữa hai chân kế tiếp của modul RBSS

tọa độ trục chính

tdc

của modul RBSS Hexapod

của modul RBSS

mặt gia công

di

gắn trên dụng cụ tại thời điểm điều khiển

0

di

gắn trên phôi tại điểm thứ i

γDDji : Góc định hướng của khớp cầu liên kết với giá di động

γCDmax : Góc giới hạn đỉnh nón của khớp cầu trên giá di động

γDDmax : Góc định hướng của khớp cầu trên giá cố định

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Trích ngang CSDL tính đường dụng cụ với dao phay ngón

đầu cầu gia công bề mặt tham số cho dưới dạng APT

59

Bảng 2.2: Trích ngang CSDL tính đường dụng cụ với dao phay ngón

đầu bằng gia công bề mặt tham số cho dưới dạng APT

60

Bảng 2.3: Trích ngang CSDL tính đường dụng cụ với dao phay ngón

đầu xuyến gia công bề mặt tham số cho dưới dạng APT

Bảng 2.6: Cấu trúc file CSDL sau khi kiểm tra đường dụng cụ 70

Bảng 3.1: Trích ngang CSDL tính đường dụng cụ với dao phay ngón

đầu bằng bề mặt tham số cho dưới dạng APT

110

Bảng 3.2: Sai số góc với giả thiết là hằng số và tuyến tính theo chiều

tăng hoặc giảm gia số

111

Bảng 4.1: Tính chọn góc điều khiển hướng thực của modul BRSS

Hexapod mang đầu dao trục chính

126

Bảng 4.2: Tính chọn điều khiển giữa hai modul BRSS Hexapod và

Bảng 4.3: Xác định gia số điều khiển modul CNC 3 trục đưa vị trí điểm

133

Bảng 4.5: Các thông số động học modul Hexaglide và modul CNC 3

trục

152

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.4 Thông số đường dụng cụ 12

Hình 1.7 Nội suy lưới quỹ đạo điểm tạo hình trực tiếp từ phương trình

Hình 1.12 Hiệu chỉnh định hướng dụng cụ nhằm giảm chiều cao nhấp

Hình 1.15 Máy Triomaxx, của hãng Fooke, Đức 21

Hình 1.20 Trung tâm gia công PM-600 của hãng Okuma, Nhật 22

Hình 1.23 Máy Linapod III của Đại học Stuttgart, Đức 23

Hình 1.29 Trung tâm gia công CNC 3 trục của viên nghiên cứu LOLA,

Belgrade

24

Hình 1.31 Phân loại RBSS không gian hoạt động 25

Hình 1.34 Các RBSS có 6 bậc tự do đối xứng đủ 31

mặt gia công

40

Hình 2.3 Thuật toán nội suy quy luật xoắn ốc kiểu song song cách đều 41

Hình 2.5 Thuật toán nội suy quy luật song song cách đều 44

Hình 2.9 Thuật toán nội suy quy luật song song một chiều 48

Hình 2.11 Các ví dụ áp dụng về các quy luật quét dụng cụ 50

Hình 2.13 Thông số hình học, chọn điểm định vị và véc tơ đơn vị trục

dụng cụ

52

Hình 2.18 Quy luật xoắn ốc song song và véc tơ pháp tuyến bề mặt 58

Hình 2.19 Hướng trục dụng cụ và véc tơ pháp tuyến bề mặt gia côngđối

58

Hình 2.20 Đường dụng cụ với dao đầu dao phay ngón đầu cầu R =

ốc song song

59

Hình 2.21 Hướng trục dụng cụ và véc tơ pháp tuyến bề mặt gia công

đối với dao phay ngón đầu bằng D = 5mm, góc nghiêng β =

60

Hình 2.22 Đường dụng cụ với dao đầu bằng D = 5mm, góc nghiêng β =

61

Hình.2.23 Hướng trục dụng cụ và véc tơ pháp tuyến bề mặt gia công

đối với dao phay ngón đầu xuyến D = 6mm, r = 2mm, góc

Hình 2.26 Va chạm phía trong đường tâm dụng cụ 64

Hình 2.27 Sơ đồ tính va chạm 65 Hình 2.28 Miền giới hạn điểm kiểm tra va chạm 66

Hình 2.31 Chiều cao nhấp nhô với dao phay ngón đầu cầu trong trường

Hình 2.33 Bán kính cắt hiệu dụng đối với dao đầu xuyến 79

Hình 2.34 Chiều cao nhấp nhô với dao phay ngón đầu cầu trong trường

Hình 2.38 Sơ đồ thuật toán tính bước tiến ngang theo chiều cao nhấp

84

Hình 2.39 Sơ đồ thuật toán tổng quát tính đường dụng cụ 86

Hình 3.1 Ba kiểu máy phay CNC 5 trục chuỗi động hở phổ biến 89

Hình 3.2 Đặt hệ trục tọa độ tổng quát cho các kiểu máy phay CNC 5

trục

91

Hình 3.6 Các kết quả mô phỏng số 99

Hình 3.8 Modul quay BC hoặc AC của máy phay CNC 5 trục 103

Hình 3.10 Kết cấu máy phay CNC 5 trục kiểu TT-TRR trong thực tế 105

Hình 3.12 Kết cấu máy phay CNC 5 trục kiểu TTR-TR trong thực tế 107

Hình 3.13 Đường dụng cụ gia công bề mặt tham số 111 Hình 3.14 Sai số vị trí điểm định vị gia công trong máy phay CNC 5

trục kiểu TTRR-T

112

Hình 3.15 Sai số điểm định vị dụng cụ kiểu máy phay CNC 5 trục kiểu

máy TT-TRR khi gia công cả mặt

112

Hình 3.16 Sai số vị trí điểm định vị gia công trong máy phay CNC 5

trục kiểu TTR-TR

113

Hình 4.1 Các máy phay có cấu trúc động học song song kết hợp chuỗi

hở (PSK)

117

Hình 4.5 Đặt hệ trục tọa độ cho modul RBSS Hexapod mang đầu dao

trục chính

122

Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán tính thông số điều khiển động học máy PSK

(Hexapod – CNC 3 trục) theo thuật toán 1

130

Hình 4.8 Sơ đồ thuật toán tính thông số điều khiển động học máy PSK

(Hexapod – CNC 3 trục) theo thuật toán 2

135

Hình 4.9 Sơ đồ thuật toán xác định thông số điều khiển máy

PSK(Hexapod- CNC 3 trục) theo thuật toán 3

137

Hình 4.12 Thuật toán tính thông số điều khiển máy CNC nhiều trục

PSK (Hexapod- CNC 3 trục) trong trường hợp modul

142

Hexapod ứng dụng làm bàn máy mang phôi

Hình 4.13 Đặt hệ trục tọa độ cho máy PSK kiểu (Hexaglide- CNC 3

trục) khi modul Hexaglide mang đầu dao trục chính

144

Hình 4.14 Hình nón giới hạn khớp cầu liên kết với giá cố định 146 Hình 4.15 Hình nón giới hạn khớp cầu liên kết với giá di động 147

Hình 4.17 Sơ đồ thuật toán kiểm tra ràng buộc hình học của máy Phay

CNC nhiều trục kiểu PSK

149

Hình 4.20 Thông số động học của máy CNC nhiều trục PSK khi modul

RBSS mang đầu dao trục chính

151

Hình 4.21 Thông số động học của máy khi modul RBSS Hexaglide

mang đầu dao trục chính

152

Hình 4.23 Đồ thị xác định thông số điều khiển động học máy PSK

Hexapod – CNC 3 trục mang đầu dao trục chính theo thuật

toán 1

154

Hình 4.24 Hình phóng to đồ thị xác định thông số điều khiển máy PSK

Hexapod – CNC 3 trục mang đầu dao trục chính theo thuật toán 1

154

Hình 4.25 Đồ thị xác định thông số điều khiển động học máy PSK Hexapod

– CNC 3 trục mang đầu dao trục chính theo thuật toán 2 và 3

155

Hình 4.26 Phóng to đồ thị xác định thông số điều khiển động học máy PSK

Hexapod – CNC 3 trục mang đầu dao trục chính theo giải thuật 2

và 3

155

PHẦN MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN

Các chi tiết máy có bề mặt phức tạp (BMPT) rất đa dạng và phong phú, từ vật liệu đến kích thước, độ chính xác v.v…ví dụ cánh tua bin, các bộ khuôn mẫu phức tạp đang được sử dụng rộng rãi trong sinh hoạt, công nghiệp cho đến an ninh quốc phòng Trong quá trình phát triển, trước những đòi hỏi của xã hội cũng như tốc độ phát triển sản xuất của công nghiệp ngày càng cao, dẫn đến công nghệ tạo hình các BMPT, đặc biệt là công nghệ gia công các BMPT có những phát triển tiến bộ đáng kể, ban đầu được chế tạo thủ công, đến cơ khí hóa nhờ các kiểu chép hình với sự phát triển của cơ khí chính xác, điện, điện tử, điều khiển và công nghệ thông tin Công nghệ gia công cắt gọt đã có một bước tiến vượt bậc từ máy phay CNC 3 trục đến sự ra đời những

gia công BMPT một cách dễ dàng với tốc độ quay của trục chính lên tới 30.000 vòng/phút, vận tốc cắt 600m/phút [68, 95, 133] Công nghệ gia công CNC 5 trục được xem là công nghệ gia công tiên tiến Cho đến nay công nghệ này vẫn chưa được phổ biến rộng rãi và được chuyển giao có điều kiện

Quãng những năm 1980 trở lại đây rất nhiều các công trình nghiên cứu khác nhau

về máy CNC 5 trục đã được công bố trên các tạp chí uy tín như:

- Máy phay CNC 5 trục và đường dụng cụ trong gia công CNC 5 trục [29, 47, 57-61,

118, 132, 140]

Kinematic) lai giữa chuỗi động hở truyền thống và Rôbốt song song (RBSS) [30, 31,

63, 117, 139, 144, 152]

Từ năm 1990 bắt đầu xuất hiện các máy phay có cấu trúc (ĐHSS) từ 3 bậc tự do đến 6 bậc tự do ví dụ như máy Octahedral Hexapod của hãng Ingersoll (Mỹ) [96] với cấu trúc này cho phép điều khiển linh hoạt hơn và tăng độ cứng vững

Từ năm 2004 ra đời các máy thế hệ mới PSK kết hợp giữa động học hở CNC 3 trục và động học kín với các modul RBSS có từ 3 đến 6 bậc tự do Nhiều công trình nghiên cứu hệ thống này về tính chất, đặc điểm cũng như động học, động lực học và điều khiển [54, 56, 71, 96, 110] Tuy nhiên, mã nguồn phần mềm điều khiển và mã

Về máy phay có cấu trúc ĐHSS Hexapod ở Việt nam cũng đã có hai mô hình đầu Hexapod, một ở Viện Cơ và một ở Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh [25-27], nhưng chưa có thông báo về ứng dụng gia công các BMPT, hầu hết mới chỉ thí nghiệm gia công đẳng hướng 3 trục các chi tiết đơn giản với vật liệu gỗ, gần đây nhất

có đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Rôbốt song song (Gough-stewart platform)

sử dụng trong hệ thống thiết bị tạo chuyển động phức hợp, hình thành trung tâm gia công chế tạo 5 trục ảo”, mã số: KC.03.16/06-10 thời gian thực hiện (1/2009 đến

ứng dụng trong gia công BMPT

Về phần mềm CAD/CAM thương mại tạo ra đường dụng cụ, dẫn dụng cụ và định hướng dụng cụ trong quá trình dụng cụ quét bao hình lên bề mặt gia công, theo tác giả Mahadevan [111] hầu hết các phần mềm CAM thương mại, modul 5 trục đều có cơ sở

là công nghệ phay hốc ba bậc tự do Bởi vì, rất nhiều hệ thống CAM như CAM, CAMAX, AlphaCAM và Pro Manufacture khi sử dụng modul phần mềm 5 trục thường bị giới hạn bởi 3 bậc tự do, hai trục còn lại được xác định bởi người dùng Khi

Master-sử dụng các gói phần mềm này, người Master-sử dụng kiêm luôn việc vạch kế hoạch điều khiển, lựa chọn chế độ cắt, phân tích, lựa chọn dụng cụ Do đó đến nay các phần mềm CAM thương mại vẫn hạn chế trong việc can thiệp tổng thể đòi hỏi người dùng phải có nhiều kỹ năng, kinh nghiệm và mất nhiều công sức khi gia công chi tiết có BMPT Ví

dụ như cánh tua bin [58], người dùng phải hiệu chỉnh liên tục đường dụng cụ bằng cách sửa lại chương trình dưới dạng mã G-code hoặc sửa lại đường dụng cụ cho từng mặt hoặc điều chỉnh góc nghiêng của dụng cụ cho phù hợp, việc làm đó lặp đi lặp lại một cách thụ động và không trực quan Vì vậy, việc tính toán đường dụng cụ cho máy phay CNC nhiều trục đến nay vẫn là cần thiết và đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Các phần mềm CAD/CAM là kết quả nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm của những công trình đã và đang nghiên cứu về quá trình động học giữa dụng

cụ và phôi để ngày càng hoàn thiện và thông minh hơn Vấn đề này sẽ được phân tích

kỹ trong chương 1 và được trình bày trong chương 2 của luận án Bản chất của nó là tạo ra những đường dụng cụ định vị và định hướng trục dụng cụ trong quá trình gia công Tuy nghiên, nghiên cứu vấn đề này ở trong nước mới đang ở giai đoạn tiếp cận, hội nhập và thiên về ứng dụng là chính, các nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm còn ít, chỉ tạo ra đường dụng cụ cho quá trình phay CNC 3 trục [17] trong gia công tinh bề mặt không gian (BMKG)

Về mặt kinh tế hàng năm các doanh nghiệp trong nước, các trường đại học, các Viện nghiên cứu của Việt Nam phải bỏ ra hàng trục triệu USD để nhập khẩu phần mềm cũng như các máy gia công nhiều trục nhằm đổi mới công nghệ phù hợp với xu thế hội nhập và phát triển kinh tế hiện nay, đặc biệt là tại thời điểm hiện tại khi mà trình độ sản xuất cơ khí trong nước còn thấp so với khu vực [6] Trong tương lai con

số này sẽ còn tăng lên, do việc siết chặt luật bản quyền cũng như đòi hỏi ngày càng cao về công nghệ và độ phức tạp của các bề mặt sản phẩm gia công nhằm đáp ứng nhu cầu của thực tiễn

Qua phân tích nêu trên, cho thấy việc nghiên cứu lý thuyết tính toán đường dụng

cụ (định vị và định hướng) trục dụng cụ trong gia công cắt gọt CNC nhiều trục là cần thiết cũng như việc nghiên cứu giải thuật điều khiển hình động học cho máy phay CNC nhiều trục thế hệ mới PSK có cấu trúc động học lai giữa chuỗi động hở và chuỗi động kín trong gia công BMPT là cần thiết và cấp bách, phục vụ cho nhiệm vụ phát triển đổi mới công nghệ đáp ứng tình hình phát triển hội nhập kinh tế ở Việt Nam

2 MỤC ĐÍCH ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

2.1 Đề tài nghiên cứu của luận án gồm 3 mục đích

Trên cơ sở phân tích ở trên đặt ra cho luận án các nhiệm vụ nghiên cứu:

Thứ nhất, xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL) điều khiển hình động học giữa phôi và dụng

cụ (CAM) cho quá trình gia công tinh trên các máy phay CNC 5 trục và nhiều trục Thứ hai, thiết lập biểu thức tính toán thông số điều khiển hình động học và xác định sai số điểm định vị, định hướng dụng cụ ảnh hưởng bởi kết cấu hai trục quay của máy phay CNC 5 trục

Thứ ba, đề xuất các thuật toán và tính toán thông số điều khiển cho máy phay CNC thế

hệ mới PSK nhiều trục có cấu trúc động học kiểu lai giữa chuỗi động hở CNC 3 trục

và RBSS

2.2 Phạm vi nghiên cứu của luận án

- Về nghiên cứu quá trình tạo hình các BMPT trong nguyên công gia công tinh với các BMPT cho dưới dạng phương trình tham số và các loại dao phay dạng tròn xoay kiểu ngón

- Về nghiên cứu xác định thông số điều khiển và xác định sai số định vị máy phay CNC 5 trục tập trung vào nghiên giải quyết bài toán động học từ đó suy diễn các biểu thức toán tính sai số định vị, định hướng trục dụng cụ ảnh hướng bởi kết cấu hai trục quay của máy phay CNC 5 trục

- Về đề xuất các thuật toán xác định thông số điều khiển hình động học máy phay CNC nhiều trục thế hệ mới PSK, luận án luận án tập trung vào việc đề xuất các thuật toán điều khiển hình động học của máy PSK trong quá trình tạo chuyển động phức hợp giữa dụng cụ và phôi trong gia công các BMPT

3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN

1 Với việc nghiên cứu CSDL đường dụng cụ trong gia công các BMPT luận án đã đưa ra các thuật toán cụ thể để tính đường dụng cụ định vị, định hướng định hướng trục dụng cụ trong quá trình dụng cụ quét lên bề mặt gia công khi cho đến nay chưa thể tiếp cận được mã nguồn các phần mềm CAM Kết quả này có thể được sử dụng trong việc viết modul 5 trục của phần mềm CAM ở Việt Nam

2 Khi nghiên cứu sai số định vị và định hướng trục dụng cụ ảnh hưởng bởi kết cấu 2 hai trục quay trong máy phay CNC 5 trục luận án đã đưa ra các khuyến cáo cho người thiết kế và sử dụng nhằm hạn chế sai số của máy phay CNC 5 trục

3 Các thuật toán xác định thông số điều khiển hình động học của máy PSK được đề xuất bởi luận án nhằm tránh được hiện tượng xoắn của giá di động modul RBSS khi gia công các BMPT trường véc tơ định hướng trục dụng có thể là trường véc tơ xoắn Các thuật toán này có ưu điểm là xác định được bộ nghiệm một cách dẽ dàng đối với

cơ hệ dư dẫn động 4 bậc tự do Đây cũng là đóng góp của luận án khi mà chưa tiếp cận được mã nguồn mở của các phần mềm điều khiển hệ thống này

4 Các phần mềm thể hiện kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng được trong đào tạo, nghiên cứu chuyên môn sâu tiếp theo cũng như ứng dụng trong khảo sát thiết

kế động học các máy phay CNC nhiều trục

4 NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN

Luận án được trình bày trong 4 chương, nội dung chính được tóm tắt cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về gia công BMPT và những ứng dụng của RBSS trong ngành máy công cụ Trong chương này tác giả phân tích, tổng hợp những kết quả nghiên cứu trước đây về sinh đường dụng cụ gia công BMPT trên máy phay CNC nhiều trục, cũng như những kết quả nghiên cứu về RBSS và máy phay nhiều trục PSK ứng dụng trong gia công các BMPT của các công trình đã công bố trong nước và quốc tế Từ đó kết luận đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Chương 2: Tính toán sinh đường dụng cụ trong gia công BMPT trên máy phay CNC nhiều trục Chương này tập trung vào các nội dung cụ thể sau:

+ Các thuật toán tính toán sinh lưới quỹ đạo điểm tạo hình (ξ)

dao phay ngón cơ bản

+ Thuật toán tránh cắt lẹm và va chạm cục bộ giữa thân dụng cụ với bề mặt gia công cũng như hiệu chỉnh hướng trục dụng cụ tránh cắt lẹm Từ đó đưa ra sơ đồ tổng quát tính toán sinh đường dụng cụ và định hướng trục dụng cụ trong gia công BMPT

Các kết quả nghiên cứu này là cơ sở lý luận và CSDL phục vụ cho nội dung nghiên cứu ở chương 3 và chương 4

Chương 3: Trình bày các kết quả nghiên cứu hình động học máy phay CNC 5 trục Trên cơ sở phân tích động học tác giả chỉ ra yếu tố quan trọng dẫn đến sai số định vị dụng cụ gặp phải khi gia công BMPT và đưa ra những kiến nghị cũng như khuyến cáo cho người sử dụng máy, thiết kế máy phay CNC 5 trục và định hướng cho nghiên cứu

ở chương 4 tiếp theo của luận án nhằm khắc phục những nhược điểm của máy phay CNC 5 trục

Chương 4: Luận án đề xuất thuật toán tính toán thông số điều khiển hình động học cho các máy CNC nhiều trục kiểu PSK theo cách đơn giản nghiêng lắc trục chính + tịnh tiến để điều khiển dụng cụ trong gia công các BMPT nhằm tránh hiện tượng va chạm giữa các chân của modul RBSS Các kết quả nghiên cứu lý thuyết được lập trình tính toàn trên phần mềm Matlab

Các nội dung nghiên cứu được tổng quát theo sơ đồ khối như sau:

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Bài toán sinh đường dụng cụ gia công BMPT được nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết hình động học của vật rắn và hệ nhiều vật cũng như các kiến thức cơ sở về gia công bóc tách vật liệu kết hợp lập trình phần mềm tính toán, mô phỏng số xây dựng CSDL gia công

Định hướng nghiên cứu

Chương 1

Giải thuật điều khiển hình động học máy PSK thế hệ mới

Mô phỏng số quá trình gia công các bề mặt xây dựng ở chương 2

- Kết luận chung

- Đề xuất nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện nghiên

cứu

Hiệu chỉnh hướng dụng cụ

Phân tích, bàn luận các kết quả nghiên cứu trước đây về:

- Kiến thức cơ sở sinh đường dụng cụ tạo hình các BMPT trên máy CNC nhiều trục

- Động học quá trình gia công CNC 5 trục và các vấn đề liên quan đến sai số

- RBSS và ứng dụng của RBSS trong ngành máy công cụ

- Sinh đường dụng cụ trong gia công BMPT

- Xác định sai số định vị và định hướng trục dụng cụ trong gia

công BMPT trên máy phay CNC 5 trục do sai số góc của hai

- Nghiên cứu sai số định vị và định hướng của dụng cụ do sai số động học bởi 2 trục quay được nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết về hệ nhiều vật chuỗi động học hở và lý thuyết về gia công tạo hình để thiết lập các biểu thức toán tính toán sai số định vị và định hướng dụng cụ, trên cơ sở đó viết phần mềm tạo dữ liệu và mô phỏng

- Việc đề xuất các thuật toán điều khiển hình động học máy PSK được dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về máy có cấu trúc động học kín (RBSS) và lý thuyết tạo hình bề mặt Từ đó thiết lập các biểu thức tính toán thông số điều khiển các máy phay CNC nhiều trục kiểu PSK dư dẫn động và viết phần mềm tính toán

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC VÀ ỨNG DỤNG

RÔ BỐT SONG SONG TRONG GIA CÔNG 1.1 ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC

1.1.1 Bề mặt chi tiết gia công và phương trình biểu diễn bề mặt

Sự phát triển của ngành công nghiệp hàng không, đóng tàu, ô tô và công nghệ khuôn mẫu ngày càng được chuyên môn hóa, dẫn đến bề mặt chi tiết gia công ngày càng đòi hỏi có độ phức tạp cao như cánh tua bin, chân vịt tàu thủy, vỏ xe ô tô cũng như vỏ các thiết bị dân dụng như các chi tiết ở (hình 1.1)

b) Bề mặt phức tạp [164] a) Cánh tua bin [114]

Hình 1.1 Các chi tiết có BMPT

Bề mặt chi tiết gia công thường được tạo từ một mảnh mặt hoặc nhiều mảnh mặt ghép lại với nhau và được mô hình hóa dưới dạng phương trình toán học để khảo sát, nghiên cứu Trước khi xuất hiện các máy gia công kỹ thuật số, BMPT được gia công bằng các kiểu chép hình phức tạp (hình 1.2) Ngày nay, khi chế tạo các chi tiết máy chính xác sử dụng các loại máy điều khiển kỹ thuật số với sự trợ giúp của máy tính, gia công BMPT được thực hiện theo quy trình sau: từ bản vẽ chi tiết được thiết

kế trên các phần mềm CAD chuyển sang phần mềm CAM tạo ra CSDL đường dụng

cụ định vị và định hướng trục dụng cụ dẫn dụng cụ quét lên bề mặt gia công và tạo

ra các mã NC-code điều khiển quá trình gia công

Các mảnh mặt thường được cho dưới dạng toán học sau:

)v,u(yy

)v,u(xx

++

: là các véc tơ đơn vị của hệ trục tọa độ đề các

Trong công nghiệp, bề mặt chi tiết gia công thường được cho dưới dạng tham số, mặt Beziers hoặc mặt NURBS v.v…Tính chất cũng như các đặc điểm hình học của

Hình 1.2 Gia công BMPT bằng phương pháp chép hình [179]

11các bề mặt này được trình bày trong các tài liệu [1, 2, 7, 8, 10, 11, 13, 15, 24, 52, 121] Cơ sở toán học, tính toán, khảo sát quá trình gia công các BMPT, được trình bày cụ thể ở chương 2

1.1.2 Đường dụng cụ và các thông số đường dụng cụ

Đường dụng cụ là quỹ tích các điểm định vị dụng cụ và định hướng trục dụng cụ trong quá trình dẫn dụng cụ quét lên bề mặt gia công theo các quy luật khác nhau như ziczac, song song, đồng tâm v.v được mô tả ở (hình 2.1) Hình 1.3 là đường dụng cụ đẳng tham số kiểu ziczac gia công BMPT Gần đây tác giả Makhanov 2008 [157] còn đưa ra phương pháp sinh đường dụng cụ tối ưu khi gia công BMPT

Đường dụng cụ ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng bề mặt gia công như sai số hình học của bề mặt, chiều cao nhấp nhô hình học bề mặt gia công, thời gian gia công v.v Dưới đây là một số thông số cơ bản:

o Bước tiến cắt t: thực chất đường dụng cụ bao gồm các đoạn thẳng liên tiếp

nối với nhau, mỗi đoạn thẳng là một bước tiến t (hình 1.4) Do đó, thông số này ảnh hưởng đến sai số hình học của bề mặt gia công

o Bước tiến ngang d: bước tiếng ngang d là khoảng cách giữa hai đường tạo

hình liên tiếp, nó đặc trưng cho việc phủ đường dụng cụ lên bề mặt gia công thưa hay mau, do đó ảnh hưởng đến độ nhấp nhô bề mặt và thời gian gia công [116]

Hình 1.3 Đường dụng cụ đẳng tham số gia công cánh tua bin [58]

Đường dụng cụ

o Góc nghiêng β : dụng cụ nghiêng so với phương pháp tuyến của bề mặt gia

công tại điểm tạo hình để tạo vận tốc cắt

o Góc lật θ : dụng cụ xoay quanh phương véc tơ pháp tuyến của bề mặt gia công và cùng với góc nghiêng β để định vị dụng cụ

o Chiều cao nhấp nhô hình học: chiều cao nhấp nhô ảnh hưởng đến độ nhám

hình học bề mặt và là hàm phụ thuộc vào độ cong của bề mặt gia công và d [48, 142, 166, 176]

o Kiểu đường dụng cụ: tùy thuộc vào độ phức tạp khác nhau của bề mặt gia

công mà kiểu đường và mật độ phủ đường dụng cụ được chọn phù hợp Các

13kiểu đường dụng cụ phổ biến dùng trong các phần mềm CAD/CAM thương mại là ziczac, song song, hình tia, xoáy ốc, v.v được mô tả ở (hình 2.1) [59]

1.1.3 Các loại dao phay ngón

Trong quá trình gia công tinh các BMPT dao phay ngón thường được sử dụng: dao đầu cầu (hình 1.6-a), đầu bằng (hình 1.6-b) và đầu xuyến (hình 1.6-c) hoặc dùng đầu côn của ba kiểu dụng cụ trên (hình 1.6-d, e, f) Trong thực tế còn sử dụng thêm các loại dao tổng quát như dao conic (hình 1.6-g) và dao đầu elip (hình 1.6-h) [159, 160] Việc tính đường dụng cụ cho mỗi dao là khác nhau, do đặc điểm hình học của dụng cụ và chọn điểm định vị trên dụng cụ cũng như phương pháp tiếp cận Định hướng trục dụng cụ tùy thuộc vào phương pháp hiệu chỉnh hướng, nhưng hầu hết vẫn tuân theo một quy tắc nhất định là hiệu chỉnh góc nghiêng β và góc lật θ Do đặc điểm hình học của dụng cụ mà mỗi loại dụng cụ có ưu nhược điểm khác nhau

14Dao đầu cầu lấy đi lượng dư tốt nhất, nhưng chất lượng bề mặt gia công không tốt

do vận tốc cắt tại các điểm trên phần lưỡi cắt có vận tốc cắt khác nhau và thay đổi theo bán kính của dụng cụ, ở vị trí đỉnh dụng cụ vận tốc cắt bằng không Đối với dao đầu bằng chất lượng bề mặt gia công tốt hơn, nhưng việc phủ đường dụng cụ rất mau dẫn đến giảm năng suất gia công Để dung hòa hai loại dụng cụ trên người

ta sử dụng dao phay ngón đầu xuyến

1.1.4 Các phương pháp sinh đường dụng cụ và lưới quỹ đạo điểm tạo hình

• Sinh đường dụng cụ

Hiên có ba phương pháp tạo ra đường dụng cụ phổ biến thường được sử dụng trong các phần mềm CAM thương mại là phương pháp đẳng tham số, đẳng phẳng, chiều cao nhấp nhô không đổi và được tạo theo các quy luật phủ đường dụng cụ ziczac,

vị trực tiếp [17] Ngoài ra, còn có phương pháp định vị dụng cụ đa điểm [36] v.v

• Sinh lưới quỹ đạo điểm tạo hình

pháp: phương pháp mặt phẳng song song, đẳng tham số, mặt phẳng chiếu (hình 1.8), phương pháp đảm bảo độ nhấp nhô đồng đều dựa trên thuật toán dò điểm trên mặt cong theo tọa độ tham số, ưu điểm của các phương pháp này là đơn giản và dễ dàng tính được các điểm tiếp xúc tạo hình Tuy nhiên, cũng có nhược điểm là khó khăn khi chọn nghiệm trong trường hợp tổng quát (ví dụ đối với kiểu đường dụng

cụ theo quy luật xoắn ốc acsimet)

Hình 1.7 Nội suy lưới quỹ đạo điểm tạo hình trực tiếp từ phương trình tham số[116]

15Gần đây tác giả Ming Che Ho [116] cũng đưa ra phương pháp nội suy tham số lưới điểm tạo hình theo phương trình tham số (hình 1.7) Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải vấn đề khó khăn khi bề mặt gia công là các phương trình bậc cao dẫn đến phương trình phi tuyến khó giải

1.1.5 Hiện tượng cắt lẹm và va chạm cục bộ

• Hiện tượng cắt lẹm

u

v Mặt phẳng tham số

Bề mặt thiết kế

3

123

Đường đẳng tham số Quỹ đạo điểm tạo hình (ξ)

a) Phương pháp đẳng tham số

∑ s ) (

b) Phương pháp mặt phẳng song song

Hình 1.8 Ba phương pháp phổ biến tạo sinh lưới tạo hình

trong gia công BMPT [59]

Một hiện tượng khác cũng cần phải được loại bỏ trong gia công BMPT đó là hiện

lớn hơn bán kính cong tại điểm tạo hình Để tránh hiện tượng cắt lẹm thì bán kính

Trong đó :

Để thỏa mãn bất phương trình (1.5) trong gia công CNC 5 trục và nhiều trục thường

có bán kính nhỏ hơn (hình 1.10) Vấn đề này được trình bày cụ thể trong (mục 2.3.3 ) của luận án

(ξ)(ξ)

ρ ρ

Phần bị cắt lẹm β

a) dao đầu bằng

nr

Hình 1.10 Hiệu chỉnh hướng dụng cụ tránh cắt lẹm

o Hiện tượng va chạm cục bộ

Vấn đề va chạm cục bộ giữa thân dụng cụ và bề mặt gia công cũng là một vấn đề cần được quan tâm Trong thực tế nếu có va chạm sẽ ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt gia công hoặc đôi khi còn làm gẫy dụng cụ Do đó cần kiểm tra hiện tượng này trong quá trình tính toán đường dụng cụ và định hướng trục dụng cụ Để tránh hiện tượng này cần phải hiệu chỉnh hướng trục dụng cụ (hình 1.11) là ví dụ minh họa va chạm giữa thân dụng cụ và phần còn lại của chi tiết gia công

o Ý nghĩa của việc hiệu chỉnh hướng dụng cụ

Như đã phân tích ở trên, việc hiệu chỉnh dụng cụ có một số ưu điểm sau:

+ Tránh được cắt lẹm nhờ việc giảm bán kính hiệu dụng

Hình 1.11 Tránh va chạm giữa thân dụng cụ và bề mặt chi tiết gia công [111]

j

nr

1 j

n r +

j

tr

1 dj

t +r

θ

d

h h’

Hình 1.12 Hiệu chỉnh định hướng dụng cụ nhằm giảm chiều cao

nhấp nhô hình học bề mặt

18+ Tránh va chạm cục bộ giữa thân dụng cụ và các phần còn lại của bề mặt gia công hoặc các phần khác của chi tiết gia công

+ Giảm chiều cao nhấp nhô bề mặt gia công nhờ đổi hướng trục dụng cụ (hình 1.12)

1.2 MÁY PHAY CNC 5 TRỤC

1.2.1 Lịch sử phát triển

Sau chiến tranh thế giới thứ hai các máy NC bắt đầu ra đời Ban đầu các máy này được điều khiển bởi chương trình viết dưới dạng băng giấy đục lỗ hoặc thẻ đục lỗ Trong những năm 1960 các máy NC được điều khiển bằng kỹ thuật số (CNC) dưới

trục vào những năm sau 1975 ra đời các máy phay CNC 5 trục, cho phép gia công các BMPT một cách dễ dàng Đến nay, các máy phay CNC cao tốc đã được phát triển và ứng dụng hầu hết trong công nghiệp Máy phay CNC 5 trục được phát triển trên cơ sở các máy CNC 3 trục với việc thêm 2 trục quay quanh 2 trục tọa độ của hệ quý chiếu gốc máy Tùy thuộc vào việc bố trí mà các trục quay được ký hiệu A, B hay C tương ứng với trục x, y, z của hệ quy chiếu gốc máy

1.2.2 Tổng quan nghiên cứu về máy phay CNC 5 trục và sai số trong quá trình gia công

Vào những năm 1980 trở lại đây rất nhiều công trình nghiên cứu khác nhau về máy

CNC 5 trục đã được công bố như:

- Tính toán, xác định sai số và tối ưu trong gia công CNC 5 trục [90, 126, 130, 143,

146, 149, 157, 165, 166, 178]

- Xác định phương pháp đo sai số của máy CNC 5 trục [149, 116]

- Phân tích động học, mô phỏng quá trình gia công [99, 138, 148, 167]

- Thiết kế hệ thống điều khiển và viết hệ điều hành [163, 171]

- Tối ưu quá trình cắt [157, 169]

19 Mỗi công trình nghiên cứu giải quyết một vấn đề cụ thể với các giả thiết lý tưởng hóa một số điều kiện ban đầu để dễ dàng khảo sát, phân tích cũng như đánh giá Cho đến nay đã cho ra đời những mẫu máy khác nhau, đa dạng về chủng loại, kích thước, ngày càng nhiều tính năng và thông minh hơn Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu để nâng cao độ chính xác, hoàn thiện về kết cấu, chương trình điều khiển và hệ thống CAM, điều

đó được thể hiện qua rất nhiều công trình mới đây nghiên cứu về lĩnh vực này được công bố trên các tạp chí uy tín

Về sai số trong trong quá trình gia công trên máy phay CNC 5 trục, có rất nhiều nguyên nhân gây ra sai số làm ảnh hưởng đến chất lượng của bề mặt gia công [118] các nguyên nhân phải kể đến như:

+ Sai số động học của máy và sai số hình học của các chi tiết máy

+ Sai số do biến dạng nhiệt sinh ra trong quá trình gia công

+ Sai số do rung động sinh ra trong quá trình gia công

+ Sai số do lực cắt sinh ra trong quá trình gia công

+ Sai số do ma sát trong các hệ dẫn động

+ Sai số điều khiển động cơ servo

+ Lực quán tính khi tăng hay giảm tốc

Trong số đó, ảnh hưởng nhiều nhất đến độ chính xác định vị và định hướng trục dụng cụ của cặp động học (phôi và dụng cụ) là sai số động học của máy và biến dạng nhiệt Những sai số do máy được chia ra làm 2 loại: sai số ngẫu nhiên và sai số

hệ thống Sai số hệ thống có thể mô tả hay dự báo dựa trên mô hình toán học, từ đó

có thể tính toán bù sai số Tuy nhiên, đối với sai số ngẫu nhiên thì việc mô hình hóa

và tính quy luật bù trừ là rất khó khăn Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, về sai số chỉ xét đến sai số định vị và định hướng trục dụng cụ ảnh hưởng bởi kết cấu hai trục quay của máy, được trình bày ở chương 3 của luận án

1.3 ỨNG DỤNG RBSS TRONG GIA CÔNG BMPT

1.3.1 Định nghĩa [96]

20RBSS là cơ cấu máy có chuỗi động học kín bao gồm khâu thao tác n bậc tự do liên kết với giá cố định bởi ít nhất một chuỗi động học kín và có ít nhất hai khớp phát động Các khớp phát động có thể điều khiển đồng thời bởi n khớp độc lập

Tuy nhiên, có thể định nghĩa một cách tổng quát: một cơ cấu song song là cơ cấu máy chuỗi động học kín có khâu thao tác được liên kết với giá cố định bởi một vài chuỗi động

1.3.2 RBSS ứng dụng trong ngành máy công cụ

Trong những ứng dụng của RBSS phải kể đến ứng dụng trong lĩnh vực máy công

cụ Theo các tác giả Helmi A Youssef và Hassan El-Hofy [76, trang 345-348], hay tài liệu [96] trong giai đoạn từ 1970 đến 1990, đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng RBSS trong lĩnh vực máy công cụ và các lĩnh vực khác nhưng đều không thành công, do chi phí tính toán điều khiển các chân là quá cao Gần đây, khi chi phí máy tính giảm mạnh, nhiều công ty cũng như các nhà nghiên cứu đã tiếp tục tiến hành phát triển ứng dụng RBSS trong lĩnh vực máy công cụ Năm 1990 công ty Ingersoll (Mỹ) đã giới thiệu và triển lãm máy công cụ đầu tiên có cấu trúc ĐHSS Octahedral Hexapod Năm 1994 máy phay có tên gọi Variax được giới thiệu bởi hãng Gidding & Lewis (hình 1.13) tại triển lãm máy công cụ IMTS ở Chicago, ứng dụng phay nhôm tốc độ cao

Hình 1.13 Máy phay Variax của hãng Gidding & Lewis tại IMTS năm 1994 [96] Năm 1997 hãng Geodetic cũng giới thiệu máy công cụ Hexapod Gần đây nhất năm

2006 các hãng Hitachi, Seiki, Toyoda đã liên kết với các công ty của Mỹ (Ingersoll,