TÍNH TOÁN ĐỘNG học, ĐỘNG lực học máy PHAY CNC 5 TRỤC ảo KIỂU HEXAPOD

NGUY
ỄN

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

KS. NGUYỄN TIẾN THỊNH

CHUYÊ
N
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MÁY PHAY CNC
5 TRỤC ẢO KIỂU HEXAPOD

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ

KHOÁ:
Hà Nội – 9/2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

i
KS. NGUYỄN TIẾN THỊNH

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MÁY PHAY CNC


LỜI CAM ĐOAN
Tên em là Nguyễn Tiến Thịnh, học viên cao học khóa 2012B.CĐT.KH chuyên

ngành Cơ Điện Tử. Sau 2 năm học tập, nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội, được sự giúp đỡ của các thày cô giáo, đặc biệt là PGS.TS Tạ Khánh Lâm
và TS. Nguyễn Hồng Thái, em đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ.
Em xin cam đoan đề tài luận văn “Tính toán động học, động lực học phay
CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod” là công trình nghiên cứu của cá nhân em dưới dự
hướng dẫn của PGS.TS Tạ Khánh Lâm và TS. Nguyễn Hồng Thái và chỉ tham khảo
các tài liệu được liệt kê. Em không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất
kỳ hình thức nào. Nếu có, em xin hoàn thành chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2014

Người cam đoan

Nguyễn Tiến Thịnh

ii


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài " Tính toán động học, động lực học phay
CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod ", em đã đạt được một số kết quả nhất định: Tìm
hiểu được cấu trúc máy song song kiểu hexapod trong gia công cơ khí, tính toán
động học, động lực học và điều khiển, thực hiện mô phỏng gia công trên OpenGL.
Em xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của PGS.TS Tạ Khánh Lâm, TS.Nguyễn
Hồng Thái và các thầy cô trong bộ môn đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho
em hoàn thành đề tài này. Tuy nhiên, với kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên luận

văn không thể tránh được những thiếu sót và chưa thể hoàn thiện như mong đợi,
kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến để đề tài được hoàn thành tốt hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Học viên

Nguyễn Tiến Thịnh

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................iii
MỤC LỤC...................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT.................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG.....................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ..........................................................vii
MỞ ĐẦU......................................................................................................................1
1. ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................1
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.........................................................2
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI..................................2
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN.................................................2
Chương 1.......................................................................................................................3
TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 5 TRỤC ẢO ..............................................................3
KIỂU HEXAPOD.........................................................................................................3
1.1 MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC HỞ TRUYỀN THỐNG. .4
1.2 CÁC MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC SONG SONG........7
1.2.1 Sự phát triển của máy có cấu trúc chuỗi động học song song........................7
1.2.2 Sự phát triển của máy công cụ CNC có cấu trúc chuỗi động học song song
.................................................................................................................................10

1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CƠ CẤU SONG SONG........................................14
1.4 NHỮNG NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ VỀ MÁY CNC CÓ CẤU
TRÚC ĐỘNG HỌC SONG SONG........................................................................15
1.5 TÍNH ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT KHÔNG GIAN
TRÊN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC........................................................................16
1.6 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU .........................................29
Chương 2.....................................................................................................................30
PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC MÁY CNC 5 TRỤC ẢO KIỂU HAXAPOD................30
2.1 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY..................................................30
2.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ....................................33
2.3 BÀI TOÁN VẬN TỐC.....................................................................................53
2.4 VÍ DỤ ÁP DỤNG.............................................................................................64
Chương 3.....................................................................................................................67
BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC.................................................................................67
3.1 BÀI TOÁN GIA TỐC......................................................................................67
3.2 XÁC ĐỊNH GIA TỐC VÀ GIA TỐC GÓC CỦA KHÂU THAO TÁC........68
3.3 GIA TỐC TRỌNG TÂM CÁC KHÂU...........................................................68
3.4 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG PHÁP NEWTONEULER....................................................................................................................69
3.5 Ví dụ áp dụng....................................................................................................74
KẾT LUẬN.................................................................................................................84
PHỤ LỤC...................................................................................................................87
iv


PHỤ LỤC A: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MATLAB..................................87
PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TRÊN VISUAL C SỬ DỤNG
THƯ VIỆN OPENGL...........................................................................................107
PHỤ LỤC C: THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC TỪ SOLIDWORKS.................119
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

v


Ký hiệu
CNC

Nội dung, ý nghĩa
Computer numerical controlled_Điều khiển số bằng máy tính

Aj

Tọa độ khớp cầu thứ j trên giá cố định ( j = 1 − 6 ).

Bji

Tọa độ khớp cầu thứ j trên giá di động tại thời điểm thứ i

ϑu

Hệ quy chiếu gốc máy RBSS: ϑu{OXYZ}

ϑB

Hệ quy chiếu gốc phôi của RBSS: ϑB{OBMXBMYBMZBM}
Hệ

ϑ0

quy

chiếu

đặt

tại

tâm

giá

cố

định

của

RBSS

ϑ0{SRBXRBYRBZRB}

ϑ2

Hệ quy chiếu đặt tại tâm giá di động của RBSS: ϑ2{PUVW}
Hệ quy chiếu đặt tại điểm định vị dụng cụ chọn trên dụng cụ:

ϑd

ϑd{CLTuvw}

dji

Chiều dài chân thứ j tại thời điểm thứ i

R

Bán kính đường tròn đi qua các khớp trên giá cố định

r

Bán kính đường tròn đi qua các khớp trên giá di động

aj

Tọa độ của khớp cầu thứ j trên giá cố định ( j = 1 − 6 ).

bj

Tọa độ của khớp cầu thứ j trên giá di động so với gốc tọa độ

AjBji

Chiều dài chân thứ j tại thời điểm thứ i ( j = 1 − 6 ).

P

Tọa độ của gốc P đặt tại tâm giá di động so với gốc tọa độ

sji

Véc tơ chỉ hướng của của chân thứ j tại thời điểm i ( j = 1 − 6 ).

2

bj

Tọa độ của khớp cầu thứ j so với hệ quy chiếu động

0

R2

Ma trận quay chuyển từ hệ quy chiếu ϑ 2 về hệ quy chiếu ϑ 0

0

ωij

Vận tốc góc của khâu thứ j tại thời điểm thứ i ( j = 1 − 6 ).

0

v2

Vận tốc dài của hệ quy chiếu ϑ 2 so với hệ quy chiếu ϑ 0 cố định.

0

ω2

v Bji

Vận tốc góc của hệ quy chiều động ϑ 2 so với hệ quy chiếu ϑ 0 cố
định.
Vận tốc dài của khớp cầu thứ j trên giá di động tại thời điểm thứ i(
j = 1 − 6 ).

0

~
ω
2

Toán tử sóng của vận tốc góc 0 ω 2

0

~v
2

Toán tử sóng của vận tốc dài 0 v 2

0

R 2

Ma trận đạo hàm của ma trận quay 0 R 2

~s
ji
0

−1

R2


m1 ji

m 2 ji
v M1 ji

Toán tử sóng của véc tơ s ji
Ma trận nghịch đảo của ma trận quay 0 R 2

vi

Véc tơ vị trí trọng tâm trên của chân thứ j tại thời điểm thứ i
Véc tơ vị trí trọng tâm dưới của chân thứ j tại thời điểm thứ i
Vận tốc dài trọng tâm trên của chân thứ j tại thời điểm thứ i


DANH MỤC CÁC BẢNG
Nội dung

Trang

Bảng 2.1 Tính chọn góc điều khiển hướng thực của RBSS

28

Bảng 2.2 Bảng thông số kích thước động học

33

Bảng 3.1 Dữ liệu cắt [22]

72

Bảng 3.2 Các giá trị lực cắt lớn nhất trong mô phỏng và trong

74

thí nghiệm của dao đầu cầu trong phay CNC 5 trục
Bảng 3.3 Bảng thông số động lực học

76

Bảng 3.4 Bảng trích ngang quỹ đạo mô phỏng lực

77

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

vii


MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Quá trình công nghiệp hóa đang là mục tiêu phát triển của nhiều quốc gia trên
thế giới, các sản phẩm công nghiệp ngày nay yêu cầu đạt độ chính xác và độ bóng

cao, các chi tiết ngày càng tinh xảo và phức tạp. Chính vì vậy mà các máy công cụ
điều khiển số hay còn gọi là máy CNC ngày càng được hiện đại hóa và được sử
dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Máy CNC được phát triển bắt đầu từ những năm
1940 và trở nên phổ biến từ những năm 1970, ban đầu từ máy 2, 2 ½ , 3, 4, 5 trục,
thông thường các máy này có cấu trúc động học hở truyền thống. Tuy nhiên đến
đầu những năm 1990 ngành công nghiệp cũng như an ninh quốc phòng đòi hỏi cần
tạo ra những sản phẩm có bề mặt phức tạp, có độ chính xác cao đòi hỏi ngày càng
phải phát triển và hoản thiện các máy CNC thế hệ mới có tính linh động cao hơn
bên cạnh các máy CNC chuỗi động học hở truyền thống. Từ năm 1990 bắt đầu phát
triển các máy có cấu trúc động học song song nhằm tăng tính linh hoạt của máy
công cụ trong quá trình gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp. Các máy công cụ
này được gọi là các máy có trục ảo và được ứng dụng trong việc chế tạo các máy
phay CNC cao tốc sử dụng cho những loại bề mặt phức tạp. Cho đến nay hầu hết
các máy này đã được thương mại hóa ở Mỹ, Nhật Bản và được dùng trong gia công
các sản phẩm có độ chính xác cao, ngoài ra cấu trúc máy song song còn được ứng
dụng trong nhiều nghành công nghiệp khác như trong nghành công nghiệp hàng
không, trong y học… Những năm gần đây nhiều nước cũng đã tiến hành nghiên cứu
và phát triển kiểu cấu trúc máy này, điều đó được thể hiện qua các công trình
nghiên cứu đăng trên các tạp chí uy tín trên thế giới. Như vậy có thể nói đây là mẫu
máy CNC mới nhất hiện nay. Do đó em chọn đề tài nghiên cứu: “Tính toán động
học, động lực học phay CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod” để thực hiện luận văn của
mình.

1


2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
- Phân tích lựa chọn kết cấu máy, thiết kế cơ cấu máy CNC 5 trục ảo kiểu
hexapod.
- Phân tích động học máy CNC 5 trục ảo hiểu hexapod, thiết lập thuật toán điều

khiển vị trí đầu trục chính.
- Thiết lập phương trình động lực học, xây dựng hệ thống điều khiển máy.
- Xây dựng phần mềm mô phỏng quá trình gia công bề mặt cong phức tạp của
máy CNC 5 trục ảo kiểu hexapod.
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Luận văn nghiên cứu cấu trúc và thuật toán điều khiển cho máy CNC 5 trục ảo
kiểu hexapod trong gia công bề mặt phức tạp, các kết quả nghiên cứu nhằm đưa ra
kết cấu hợp lý và thuật toán điều khiển cho máy CNC 5 trục ảo kiểu hexapod. Các
nghiên cứu của luận văn là cơ sở cho việc nghiên cứu chế tạo các máy CNC cấu
trúc song song ở Việt Nam.
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Luận văn được trình bày trong 81 trang A4 và 35 trang phụ lục với 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về máy CNC 5 trục ảo kiểu hexapod, ưu nhược điểm của
máy có cấu trúc chuỗi động học hở và máy có cấu trúc động học song song.
Chương 2: Phân tích lựa chọn kết cấu máy, phân tích động học động học thuận,
tính toán và đưa ra thuật toán điều khiển bài toán động học ngược trong gia công
cơ khí.
Chương 3: Thiết lập phương trình động lực học, giải bài toán động lực học, xây
dựng hệ thống điều khiển máy.
Luận văn kết thúc với ba phụ lục:
Phụ lục A: Các chương trình MATLAB tính toán mô phỏng các đặc tính
động học của biến khớp.
Phụ lục B: Chương trình phần mềm gia công bề mặt phức tạp.
Phụ lục C: Thông số động lực học từ Solidworks.

2


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 5 TRỤC ẢO

KIỂU HEXAPOD

3


Chương này trình bày tổng quan về các máy CNC 5 trục ảo có cấu trúc động
học song song và lịch sử phát triển của các loại máy này. Ngoài ra trong chương
này còn trình bày về cơ sở lý thuyết tính toán đường dụng cụ trong gia công CNC 5
trục, mục đích để làm cơ sở cho việc tính toán ở chương 2 và các dữ liệu phục vụ
cho bài toán mô phỏng.
1.1 MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC HỞ TRUYỀN THỐNG
CNC là thuật ngữ viết tắt của “Computer numerical controlled” có nghĩa là máy
gia công điều khiển số với sự hỗ trợ của máy tính. Ban đầu các máy này chỉ là
những máy NC sử dụng công nghệ điều khiển số với sự hỗ trợ của mạch bán dẫn,
loại máy này được phát triển từ cuối thập niên 40 đầu thập niên 50 của thế kỷ trước
được lập trình với mã lệnh tích hợp gọi chung là G-code.
Năm 1952, Tại phòng thí nghiệm công nghệ MIT (Mỹ) đã nghiên cứu và chế
tạo thành công máy phay đứng với hệ điều khiển được thiết lập bằng các phần tử
bán dẫn. Đây được coi là máy NC đầu tiên có tính chất tiền đề cho sự phát triển của
các máy CNC sau này.
Từ những năm 1963 cùng với sự phát triển của máy tính IBM các máy CNC
đầu tiên sử dụng công nghệ số với sự hỗ trợ của máy tính ra đời. Đến năm 1984 với
sự phát triển của công nghệ đồ họa trong kĩ thuật số việc tích hợp công cụ cho quá
trình thiết kế và gia công trở nên dễ dàng hơn rất nhiều và được phát triển thành
CAD-CAM-CNC tức là quá trình gia công dựa trên bản vẽ CAD, mô phỏng quá
trình gia công bằng CAM rồi xuất mã G-code đưa tới máy gia công CNC.
Ngày nay, máy CNC đã trở nên phổ biến ở trên toàn thế giới, rất nhiều quốc gia
đã nghiên cứu và tham gia sản xuất cung ứng loại máy công cụ này vì vậy máy
CNC trở nên đa dạng về chủng loại, kiểu dáng, hoàn thiện về mặt công nghệ, độ
chính xác và độ ổn định ngày càng được nâng cao. Các máy CNC ngày nay được

nhiều hãng trang bị các hệ thống tự động như hệ thống thay dao tự động, hệ thống
tự gom phoi và các hệ thống gá đặt thông minh khác, vì vậy các máy CNC ngày
càng trở nên tiện ích và thông minh hơn.
4


Máy CNC ngày nay được chế tạo chủ yếu ở 2 dạng chính: đó là loại máy CNC
có cấu trúc động học hở và loại máy CNC có cấu trúc động học kín. Máy có cấu
trúc động học hở hay còn gọi là kiểu cấu trúc dạng nối tiếp được trang bị các hệ
thống điều khiển hiện đại điển hình là các máy phay CNC 3 trục, CNC 5 trục, ngoài
ra ngày nay còn có những loại máy CNC 9 trục kiểu nối tiếp hay những loại máy
CNC đa năng tích hợp cả phay và tiện. Tuy nhiên, trên thế giới hiện nay vẫn chủ
yếu sử dụng các máy CNC 3 trục và 5 trục có chuỗi động học hở, sau đây là một số
đặc điểm của 2 loại máy này:
Máy gia công CNC 3 trục với 3 chuyển động tịnh tiến X, Y, Z, các loại máy
này được nâng cấp từ các máy gia công cơ truyền thống tích hợp thêm bộ phận điều
khiển số. Các máy này chỉ có thể gia công được những bề mặt một phía và sự thay
đổi của pháp tuyến bề mặt gia công không lớn. Tuy nhiên các máy này lại được sử
dụng với số lượng lớn vì các chi tiết thông thường sử dụng nhiều trong công nghiệp,
hơn nữa loại máy này có hệ thống điều khiển đơn giản, độ ổn định cao và giá thành
không quá cao đáp ứng được chất lượng và hiệu quả kinh tế.

Hình 1.1 Máy CNC 3 trục của hãng MAKINO Nhật Bản [14]

5


Máy CNC 5 trục bao gồm 3 chuyển động tịnh tiến X, Y, Z và 2 chuyển động
quay, nhờ vậy mà máy có khả năng định vị và gia công bất kỳ điểm cắt nào trên bề
mặt gia công. Những loại máy này có khả năng gia công những bề mặt có pháp

tuyến thay đổi tương đối lớn, khả năng chuyển động tương đối giữa dụng cụ và phôi
khá linh hoạt vì vậy có thể tạo ra nhiều sản phẩm phức tạp cho chất lượng độ chính
xác và độ bóng cao.

Hình 1.2 Máy CNC 5 trục DMU 50 của Okuma [14]

6


Tuy nhiên ngày nay kĩ thuật công nghệ phát triển xuất hiện ngày càng nhiều
những tiết gia công có bề mặt gia công phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao, sự thay
đổi của pháp tuyến gia công lớn khi đó máy gia công CNC 3 trục, 5 trục hay 9 trục
trở nên khó thực hiện hoặc có khả năng gia công nhưng thời gian đáp ứng chậm, độ
chính xác và độ bóng không cao. Máy CNC có cấu trúc chuỗi động học kín hay còn
gọi là các máy CNC cấu trúc song song trở nên hữu dụng hơn và đáp ứng được
những chi tiết phức tạp như vậy.
1.2 CÁC MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC SONG SONG
1.2.1 Sự phát triển của máy có cấu trúc chuỗi động học song song
Chuỗi động học song song hay chuỗi động học kín bao gồm khâu chấp hành n
bậc tự do liên kết với giá cố định bởi ít nhất hai khớp phát động gọi là chuỗi động
học kín. Hay có thể định nghĩa một cách đơn giản hơn là máy có cấu trúc chuỗi
động học song song là cơ cấu có chuỗi động học kín có khâu chấp hành được liên
kết với giá cố định bởi các chuỗi động. Máy có cấu trúc chuỗi động học song song
ban đầu được nghiên cứu ở lĩnh vực công nghiệp mô phỏng bay và robot lắp ráp.
Năm 1928 J.E Gwinnett đã đăng ký bản quyền sáng chế một rạp chiếu phim có cơ
cấu trúc động học song song cầu [14].

7
Hình 1.3 Rạp chiếu phim được đề xuất bởi J.E Gwinnet [3]

Năm 1947 tiến sĩ Eric Gough là người đầu tiên phát minh ra có cấu hexapod
với giá đỡ sáu chân điều khiển bằng sáu khớp trượt cho phép định vị và định hướng
giá di động (Hình 1.1).
Từ đó có rất nhiều biến thể được chế tạo và áp dụng trong công nghiệp như
máy thử độ bền của lốp sử dụng để nghiên cứu thử nghiệm khả năng chịu tải trọng
của lốp máy bay khi hạ cánh.

Hình 1.4 Cơ cấu Gough platform thử độ mòn lốp máy bay [14]

8


Từ năm 1960 đến năm 1971 Cappel đã nghiên cứu và phát minh ra cơ cấu khác
mô phỏng bay và hãng Sicorki Aircaft mua bản quyền và xây dựng máy mô phỏng
bay sáu bậc tự do.

Hìnhnước
1.5 Cơ
cấu
phỏng
bay củacứu
Cappel
Cho đến nay nhiều
trên
thếmô
giới
đã nghiên
thành[14]
công Robot song

song như: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Đức, Ý, Italia, Hàn Quốc, Canada… và robot
song song được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống như:
+ Trong y học

Hình 1.6 Robot song song được ứng dụng trong mổ nội soi [14]

9


+ Trong các dây truyền sản xuất phân loại sản phẩm của hãng Demaurrex

Hình 1.7 RBSS ứng dụng trong dây truyền phân loại đóng gói bánh quy của
hãng Demaurrex [7]

1.2.2 Sự phát triển của máy công cụ CNC có cấu trúc chuỗi động
học song song
Do những ưu điểm của cấu trúc máy song song nên ngày càng thu hút được
nhiều nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng loại cấu trúc này và đặc biệt là ứng
dụng trong lĩnh vực máy công cụ. Từ những năm 1970 đã có rất nhiều công trình
nghiên cứu ứng dụng cấu trúc song song trong lĩnh vực máy công cụ nhưng hầu hết
không thành công do chi phí tính toán điều khiển các chân là quá cao. Gần đây giá
thành của máy tính giảm mạnh, nhiều công ty, các trung tâm nghiên cứu đã quay trở
lại tập trung nghiên cứu máy CNC có cấu trúc chuỗi động học song song. Năm
1990, công ty Ingersoll (Mỹ) đã giới thiệu và triển lãm máy công cụ có cấu trúc
động học song song đầu tiên là Octahedral Hexapod [14]. Năm 1994 tại triển lãm
máy công cụ IMTS ở Chicago, hãng Gridding & Lewis đã giới thiệu máy phay
CNC có cấu trúc chuỗi động học song song với tên gọi Variax ứng dụng phay nhôm
tốc độ cao:

10

Hình 1.8 Máy phay Variax của Gridding & Lewis [14]


Năm 1997 hãng Geodetic giới thiệu máy công cụ CNC kiểu hexapod. Gần
đây các hãng Hitachi, Seiki, Toyoda đã liên kết với các công ty của Mỹ và Anh để
cùng phát triển các máy công cụ có cấu trúc song song này.
Năm 2000-2003, tại Pháp 2 nhà nghiên cứu Wenger và Chablat đã đề xuất thiết
kế chế tạo IRCCyN [6]:

Hình 1.9 Cấu11
trúc trực giao IRCCyN [6]


Năm 2009 điều khiển tay máy song song 3-DOF trong hệ đề các do NSK, Nhật
Bản thiết kế.

Hình 1.10 Máy song song – DOF [7]

Như vậy các máy công cụ có cấu trúc động học song song vẫn là hướng nghiên
cứu được các nhà khoa học và các hãng quan tâm nghiên cứu cà ngày càng hoàn
thiện, cho ra các loại máy mới ngày càng ưu việt hơn. Dưới đây là một số máy
CNC có cấu trúc chuỗi động học kín được sản xuất bởi các hãng:

12
Hình 1.11 Robot song song 6 bậc tự do Hexaglide, Đức [14]


Hình 1.12 Máy Hexa của hãng Toyoda

Nhật Bản

Hình 1.13 Robot Delta của hãng Hitachi
Seiki

Hình 1.14 Máy PM-600 của hãng Okuma, Nhật [14]

13


1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CƠ CẤU SONG SONG
Chính vì máy có cấu trúc động học kín hay cấu trúc song song có nhiều ưu
điểm hơn so với các cấu trúc động học kiểu nối tiếp nên các máy này luôn được
quan tâm nghiên cứu ở các quốc gia trên thế giới. Việc ứng dụng cấu trúc máy song
song trong máy công cụ CNC có các ưu nhược điểm so với cấu trúc máy kiểu nối
tiếp như sau:
Ưu điểm:
+ Khả năng chịu tải cao: Do máy có cấu trúc động học kín, bàn máy di động
và đế cố định được liên kết với nhau bởi các khâu động, do đó cơ cấu có tính
ràng buộc tương hỗ cao. Vì vậy, mà kiểu cấu trúc này có khả năng chịu được
tải trọng cao hơn kết cấu nối tiếp có khối lượng tương đương.
+ Có khả năng thực hiện được các thao tác phức tạp với độ chính xác cao
+ Do các chân và khớp nối tương đối giống nhau nên được thiết kế sẵn thành
các cụm chi tiết tiêu chuẩn.

14


+ Cung cấp khả năng linh động cao trong quá trình làm việc.
+ Khả năng ứng dụng của robot cấu trúc song song rất rộng từ việc lắp ráp

các chi tiết nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp đòi hỏi
độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp…
Nhược điểm:
+ Khoảng không gian làm việc nhỏ hơn so với cấu trúc máy kiểu nối tiếp, do
đó kích thước máy lớn.
+ Do tính chất phức tạp của kết cấu nên kiểu cấu trúc này khó điều khiển hơn
kiểu cấu trúc nối tiếp.
+ Việc giải bài toán động học và động lực học phức tạp hơn rất nhiều so với
kiểu cấu trúc nối tiếp do xuất hiện các điểm kỳ dị trong miền làm việc.
1.4 NHỮNG NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ VỀ MÁY CNC CÓ CẤU
TRÚC ĐỘNG HỌC SONG SONG
Ở Việt Nam cấu trúc máy động học song song cũng được quan tâm nghiên cứu,
tuy nhiên điển hình nhất trong số đó là 2 mô hình nghiên cứu kiểu cấu trúc song
song Hexapod một ở Trường đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, một ở
Viện cơ học [15÷16]. Tuy nhiên những nghiên cứu này vẫn dựa trên phương hướng
tính toán theo cách truyền thống, việc giải các hệ phương trình động lực học trở nên
phức tạp và khó khăn. Mặt khác hầu hết những ứng dụng trên vẫn chưa đưa ra được
phương pháp dẫn tới lực điều khiển để có thể đi tới mô hình hóa trong thực tế.
Chính vì vậy việc chế tạo và đưa ra thuật toán điều khiển cho những hệ cấu trúc
song song nói chung và hệ máy công cụ CNC nói riêng còn rất hạn chế.
Qua những phân tích ở trên cho thấy việc nghiên cứu tính toán động học, động
lực học máy phay CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod là cần thiết cũng như việc nghiên
cứu mô phỏng quá trình điều khiển động lực học để xuất tín hiệu lực điều khiển là
quan trọng là tiền đề cho việc chế tạo thực tế và thương mại hóa sản phẩm trong
tương lai đáp ứng nhu cầu gia công các chi tiết công nghiệp ngày càng phức tạp
hiện nay.
15


1.5 TÍNH ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT KHÔNG GIAN

TRÊN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC
Giả thiết:
- Bề mặt gia công (ΣS) cho dưới dạng tham số S(u , v) .
- Quỹ đạo điểm tạo hình CCi trên bề mặt gia công (ΣS) được cho dưới dạng
tham số ξ(u(t),v(t)).
Nếu gọi:
 
- rCCi , rCLi : lần lượt là véc tơ định vị của điểm CCi trên (ΣS) và véc tơ định vị của
điểm CLi trên dụng cụ.


- n i : véc tơ phápHình
tuyến1.15
đơnMối
vị của
bề hệ
mặtgiữa
gia dụng
công tương
ứng với
quan
cụ và phôi
[7] điểm tạo hình
CCi
Xét trong trường hợp tồng quát hình 1.15

Vectơ xác định điểm định vị dụng cụ CLi trong hệ tọa độ phôi, trong trường
hợp tồng quát cho bởi phương trình:
r CLi = r CCi + A + B

16

(1.1)


Trong đó:
+ A = CCiK .n : Xác định vị trí tâm xoay K nằm trên phương pháp tuyến của bề
mặt gia công tại điểm tạo hình CLi thuộc

∑S

.

+ n và t tp , t n : Được xác định trong mục 1.5.4.
+ B = KCLi : Véc tơ xác định vị trí điểm định vị trên dụng cụ vectơ này phụ
thuộc vào việc chọn điểm định vị trên dụng cụ và phương của trục dụng cụ, hai
vecctơ A , B phụ thuộc cụ thể từng loại dao phay ngón hình 1.19 dưới đây điểm
định vị dụng cụ và vectơ đơn vị chỉ phương của trục dụng cụ được chọn trên 3
loại dao phay ngón cơ bản.

Hình 1.16 Thông số hình học chọn điểm định vị và vectơ đơn vị trục dụng cụ

1.5.1 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu cầu
Dao đầu cầu với việc chọn điểm định vị CLi tại tâm cầu hình 1.17.

17

Hình 1.17 Quỹ tích điểm định vị dụng cụ (
) đối với dao phay ngón đầu cầu [1]

Khi đó tâm xoay định hướng K ≡ CLi và A = R.n , B = 0 phương trình 1.1 được
viết lại như sau:
(1.2)

r CLi = r CCi + R.n

Phương trình 1.2 được viết dưới dạng đại số:1.5.2 Tính đường dụng
cụ với dao phay ngón đầu bằng
Đối với dao đầu bằng tọa độ điểm định vị dụng cụ CLi không những phụ thuộc
T

vào tọa độ điểm CCi mà còn phụ thuộc vào hướng của trục dụng cụ t d do đó tọa độ
của điểm CLi được cho bởi phương trình 1.3
Trong đó
CCiK =

Ddc
2. sin( β )

(1.4)

KCLi =

Ddc
. cot g ( β )
2

(1.5)

Khi đó phương trình 1.1 được đưa về hệ tọa độ gốc phôi Opxpypzp bởi phương

trình:

18