Tính toán sai số điều khiển hình động học của trung tâm phay CNC năm

Luận Văn Thạc Sỹ

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

VŨ VĂN CƢỜNG

“ Tính toán sai số điều khiển hình động học
của trung tâm phay CNC năm trục kiểu PSK”

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Cơ điện tử

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. NGUYỄN HỒNG THÁI

Hà Nội – Năm 2013

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

i


Luận Văn Thạc Sỹ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và chƣa đƣợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ trong việc

thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn
đều đã đƣợc ghi rõ nguồn gốc .

Tác giả luận văn
Vũ Văn Cƣờng

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

ii


Luận Văn Thạc Sỹ

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy TS. Nguyễn Hồng Thái - Viện Cơ Khí, Trƣờng Đại học
Bách Khoa Hà nội đã tạo điều kiện, hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiệt tình trong suốt quá
trình nghiên cứu và viết luận văn cũng nhƣ hoàn tất các thủ tục bảo vệ luận văn của mình.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Viện Cơ Khí, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà
nội và tất cả các tác giả mà tôi đã sử dụng sách làm tài liệu tham khảo để viết luận văn, tên
các tài liệu tham khảo đã đƣợc ghi trong phần cuối luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các anh, chị em và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ, đóng góp
ý kiến để tôi hoàn thành luận văn này.

Tác giả luận văn
Vũ Văn Cƣờng

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

iii


Luận Văn Thạc Sỹ

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC ..................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................... x
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................1
2. Mục đích đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu của luận văn ......................................2
2.1 Mục đích nghiên cứu ......................................................................................2
2.2 Phạm vi nghiên cứu của luận văn ...................................................................2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn .......................................................2
4. Nội dung của luận văn .........................................................................................3
5. Phƣơng pháp nghiên cứu .....................................................................................3
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC MÁY CNC NHIỀU TRỤC THẾ HỆ MỚI PSK ................ 4
1.1 Tổng quan về sai số trong các máy CNC ..........................................................4
1.2 Tổng quan từ lịch sử đến tƣơng lai của máy công cụ động học song song [9] .6
1.2.1 Tổng quan về máy có cấu trúc động học song song....................................6
1.2.2 Lịch sử phát triển .........................................................................................9

1.2.3 Phân loại máy động học song song ...........................................................12
1.2.4 Ƣu và nhƣợc điểm máy động học song song ............................................14
1.2.5 Đặc điểm của máy có cấu trúc động học song song..................................15
1.2.6 Máy phay động học song song 3 trục ........................................................22
HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

iv


Luận Văn Thạc Sỹ

1.2.7 Máy phay động học song song 5 trục ........................................................24
1.2.8 Máy động học song song trong thực tiễn ..................................................28
1.2.9 Kết luận .....................................................................................................30
1.3 Sai số trong các máy có cấu trúc động học song song ....................................30
1.4 Kiểu máy nghiên cứu .......................................................................................32
1.5 Một số nghiên cứu trƣớc đây về sai số trong máy CNC, PKM, PSK .............33
CHƢƠNG 2
SAI SỐ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA CÁC KHỚP ĐIỀU KHIỂN .............................. 35
2.1 Đặt hệ qui chiếu và nguyên tắc điều khiển ......................................................35
2.1.1 Đặt hệ quy chiếu ........................................................................................35
2.1.2 Nguyên tắc điều khiển ...............................................................................36
2.2 Xác định các thông số điều khiển ....................................................................36
2.3 Xác định sai số điểm định vị............................................................................44
2.4 Xác định sai số định hƣớng .............................................................................47
2.5 Xác định quy luật sai số ...................................................................................48
2.6 Xác định sai số do độ cứng vững của modul RBSS ........................................48
CHƢƠNG 3

KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VỚI MỘT SỐ BỀ MẶT PHỨC TẠP TRONG KHÔNG
GIAN ......................................................................................................................... 63
3.1 Thông số kích thƣớc động học của máy ..........................................................63
3.2 Sai số của các thông số điều khiển ..................................................................63
3.4 Kết quả tính toán cho các bề mặt khác nhau ...................................................66
3.4.1 Tính đƣờng dụng cụ gia công bề mặt với quy luật đồng tâm và Acsimet 66
3.4.2 Tính đƣờng dụng cụ gia công mảnh bề mặt có phƣơng trình tham số......70
3.4.3 Tính đƣờng dụng cụ gia công mặt xoắn vít...............................................75
3.4.4 Tính toán đƣờng dụng cụ gia công bề mặt yên ngựa ................................79
3.3.5 Tính đƣờng dụng cụ gia công mặt Elipxôít ...............................................82
3.4.6 Tính đƣờng dụng cụ gia công mặt Parabol enlipic ...................................84
HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

v


Luận Văn Thạc Sỹ

3.5 Nhận xét ...........................................................................................................87
3.6 Kết luận ............................................................................................................87
3.7 Khả năng ứng dụng ..........................................................................................87
3.8 Một số vấn đề và hƣớng phát triển ..................................................................88

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

vi

Luận Văn Thạc Sỹ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký hiệu

Nội dung, ý nghĩa

( )

: Quỹ tích các điểm CLi (đƣờng dụng cụ).

CLi

: Điểm định vị dụng cụ trên đƣờng dụng cụ (  ) trong hệ tọa độ υP.

T

: Điểm định vị trên đƣờng dụng cụ.

CL

υ0

: Hệ tọa độ gốc máy cố định.

υB

: Hệ tọa độ đặt tại tâm bàn máy.

υP

: Hệ tọa độ gốc phôi.

υRB
P
t di

: Hệ tọa độ cố định tại tâm ORB.
: Véc tơ đơn vị chỉ hƣớng trục dụng cụ tạo điểm CLi trên (  ) xét trong hệ
tọa độ υP.

T


t di

: Véc tơ đơn vị chỉ hƣớng trục dụng cụ trên đầu trục chính.

B

: Khớp quay quanh trục y.

C

: Khớp quay quanh trục z.

∆B

: Sai số của khớp quay quanh trục y.

∆C

: Sai số của khớp quay quanh trục z.

∆di

: Các sai số của các khớp tịnh tiến (i = 1÷3).

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

vii


Luận Văn Thạc Sỹ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NC

: Numerical Control.

CNC

: Computer Numerical Control.

PSK

: Parallel Serial Kinematic.

PKM

: Parallel Kinematic Machine.

RBSS

: Robot song song.

ĐHSS

: Động học song song.

BMPT

: Bề mặt phức tạp.

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

viii


Luận Văn Thạc Sỹ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Ƣu và nhƣợc điểm của máy động học song song. ..................................... 14

Bảng 1.2 Các loại lỗi trong PKM .............................................................................. 18
Bảng 3.1 Thông số kích thƣớc động học của máy .................................................... 63
Bảng 3.2 Các đƣờng biểu diễn sai số ........................................................................ 64
Bảng 3.3a Trích ngang cơ sở dữ liệu tính đƣờng dụng cụ với quy luật Acsimet bề
mặt đẳng tham số cho dƣới dạng số hóa. .................................................................. 66
Bảng 3.3b Trích ngang cơ sở dữ liệu tính đƣờng dụng cụ với quy luật Acsimet bề
mặt đẳng tham số cho dƣới dạng số hóa. .................................................................. 69
Bảng 3.3c Trích ngang cơ sở dữ liệu tính đƣờng dụng cụ theo quy luật ziczac bề
mặt đẳng tham số cho dƣới dạng số hóa. .................................................................. 72
Bảng 3.4 Trích ngang cơ sở dữ liệu tính đƣờng dụng cụ theo quy luật xoáy ốc bề
mặt đẳng tham số cho dƣới dạng số hóa. .................................................................. 74
Bảng 3.5a Trích ngang cơ sở dữ liệu gia công gia công mặt xoắn vít bề mặt đẳng
tham số cho dƣới dạng số hóa. .................................................................................. 76
Bảng 3.5b Trích ngang cơ sở dữ liệu gia công theo quy luật đồng tâm bề mặt đẳng
tham số cho dƣới dạng số hóa. .................................................................................. 78
Bảng 3.6 Trích ngang cơ sở dữ liệu gia công bề mặt yên ngựa bề mặt đẳng tham số
cho dƣới dạng số hóa. ............................................................................................... 80
Bảng 3.7 Trích ngang cơ sở dữ liệu gia công mặt Elipxôít bề mặt đẳng tham số cho
dƣới dạng số hóa. ...................................................................................................... 83
Bảng 3.8 Trích ngang cơ sở dữ liệu gia công mặt Parabol enlipic bề mặt đẳng tham
số cho dƣới dạng số hóa. ........................................................................................... 85

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

ix


Luận Văn Thạc Sỹ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Phát minh sáng chế về máy CNC 5 trục ảo ................................................. 7
Hình 1.2 Ảnh chụp của máy CNC phay nhôm cao tốc có động học song song ......... 8
Hình 1.3 a) Loại cơ cấu song song “Hexapod”; b) Thử nghiệm lốp xe của Gough .. 9
Hình 1.4 Bản đăng ký phát minh sáng chế của robot Delta. ..................................... 10
Hình 1.5 Bản đăng ký phát minh sáng chế của Robot động học song song Tricept 3
bậc tự do. ................................................................................................................... 11
Hình 1.6 Phƣơng pháp thiết kế hệ thống của PKM .................................................. 13
Hình 1.7 Trung tâm gia công động học song song SKM 400 (Nguồn Starragheckert)
................................................................................................................................... 23
Hình 1.8 Trung tâm gia công động học song song GENIUS 500............................. 23
Hình 1.9 Máy công cụ cấu trúc song song COSMO CENTER PM- 600 ................. 24
Hình 1.10 Trung tâm gia công cấu trúc song song ................................................... 25
Hình 1.11 ECOSPEED F HT trung tâm gia công 5 trục với đầu gia công động học
song song Sprint Z3 .................................................................................................. 26
Hình 1.12 Sprint Z3 đầu công cụ động học song song ............................................. 28
Hình 1.13 Máy phay CNC 5 trục VERNE của hãng Fatronik .................................. 31
Hình 1. 14 Cơ cấu robot song song ogthorlide ......................................................... 32
Hình 2. 1 Đặt hệ trục tọa độ ...................................................................................... 35
Hình 2. 2 Modul quay định hƣớng BC ..................................................................... 37
Hình 2. 3 Modul RBSS ............................................................................................. 39
Hình 2. 4 Mặt phẳng XOZ ........................................................................................ 40
Hình 2. 5 Mặt phẳng YOZ (a) ................................................................................... 41
Hình 2. 6 Mặt phẳng YOZ (b)................................................................................... 42
HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

x

Luận Văn Thạc Sỹ

Hình 2. 7 Mô hình thay thế chuyển vị uốn của một khâu ......................................... 49
Hình 2. 8 Giản đồ cụm chân thứ nhất của Modul RBSS .......................................... 52
Hình 2. 9 Giản đồ cụm chân thứ hai của Modul RBSS ............................................ 55
Hình 2. 10 Giản đồ cụm chân thứ ba của Modul RBSS ........................................... 59
Hình 3.1a Giao diện phần mềm Matlab-GUI............................................................ 64
Hình 3.1b Các tiện ích trên các thanh công cụ ......................................................... 65
Hình 3.2a Tính đƣờng dụng cụ với quy luật đồng tâm, có bƣớc offset = 5 mm với
dao đầu bằng đƣờng kính D = 6mm, có góc nghiêng dụng cụ  = 250, góc lật dụng
cụ  = 50 .................................................................................................................... 66
Hình 3.2b Tính đƣờng dụng cụ với quy luật Acsimet, có bƣớc a = 4 mm với dao đầu
xuyến đƣờng kính D = 6mm, bán kính xuyến r = 3 mm, có góc nghiêng dụng cụ =
150, góc lật dụng cụ  = 50......................................................................................... 68
Hình 3.3a Tính đƣờng dụng cụ theo quy luật ziczac có bƣớc tiến ngang du = 0.02
bƣớc tiến dọc dv = 0.02 với dao phay đầu xuyến có đƣờng kính D = 6mm, bán kính
xuyến r = 3mm, góc có góc nghiêng dụng cụ = 250, góc lật dụng cụ  = 50. ......... 71
Hình 3.3b Đồ thị biểu diễn sai số theo qui luật Ziczac ............................................. 71
Hình 3.3c Tính đƣờng dụng cụ theo quy luật xoáy ốc đều có bƣớc tiến ngang du =
0.02 bƣớc tiến dọc dv = 0.02 với dao phay đầu xuyến có đƣờng kính D = 10mm,
bán kính xuyến r = 3mm, góc có góc nghiêng dụng cụ = 50, góc lật dụng cụ  =
150. ............................................................................................................................ 73
Hình 3.4a Tính đƣờng dụng cụ với quy luật xoắn ốc Acsimet có bƣớc a = 5mm, với
dao phay đầu bằng có đƣờng kính D = 6 mm có góc nghiêng dụng cụ = 250, góc lật
dụng cụ  = 50. .......................................................................................................... 75
Hình 3.4b Tính đƣờng dụng cụ theo quy luật đồng tâm có bƣớc 5mm với dụng cụ
đầu xuyến có đƣờng kính dụng cụ D = 12mm, bán kính xuyến r = 4 mm có nghiêng
dụng cụ  = 50, góc lật dụng cụ  = 250. ................................................................... 77

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

xi


Luận Văn Thạc Sỹ

Hình 3.5a Đƣờng dụng cụ theo quy luật offset đồng tâm có bƣớc đồng tâm =5 mm
với dao đầu cầu bán kính R= 6mm, có góc nghiêng dụng cụ = 250 góc lật dụng cụ
 = 50 ......................................................................................................................... 79
Hình 3.5b Đồ thị biểu diễn sai số bề mặt yên ngựa .................................................. 80
Hình 3.6a Đƣờng dụng cụ với kiểu Elip đồng tâm có bƣớc offset 2mm, dụng cụ là
dao đầu cầu bán kính R = 3mm góc nghiêng dụng cụ  = 250 góc lật dụng cụ  = 50.
................................................................................................................................... 82
Hình 3.6b Đồ thị biểu diễn sai số bề mặt Elipxoit .................................................... 83
Hình 3.7 Đƣờng dụng cụ với quy luật Acsimet có bƣớc a = 0.5mm với dao đầu cầu
bán kính R=1 mm có góc nghiêng dụng cụ  = 50 góc lật dụng cụ  = 150.............. 85

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

xii


Luận Văn Thạc Sỹ

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Sai số của sản phẩm gia công trên máy CNC 5 trục, các bề mặt phức tạp phụ thuộc
vào ba vấn đề chính:
Thứ nhất: Phụ thuộc vào quá trình tính toán quy luật đƣờng dẫn dụng cụ (đƣờng
dụng cụ) trong quá trình này thƣờng phụ thuộc vào các vấn đề sau:
+ Sai số tính toán (bƣớc tiến cắt và bƣớc giữa các đƣờng dụng cụ) gây ra sai số hình
học và độ nhấp nhô bề mặt).
+ Sai số do cắt lẹm va chạm dụng cụ.
+ Sai số bề mặt do góc nghiêng, góc lật dụng cụ v.v…
Các sai số này có thể khắc phục đƣợc thông qua các thuật toán.
Thứ hai: Sai số do máy, vấn đề này gây ra bởi sai số phần cứng (phần cơ khí của
máy) các sai số này thƣờng đƣợc xác định bởi nhà sản xuất và sai số do hệ điều
hành, sai số này do chƣơng trình điều khiển đƣợc viết và nạp vào phần cứng của hệ
điều khiển, ngoài ra phụ thuộc vào thiết bị phần cứng của hệ điều khiển.
Thứ ba: Sai số phụ thuộc vào yếu tố ngẫu nhiên nhƣ, rung động, mòn dụng cụ v.v.
Đây là những yếu tố khó có thể kiểm soát đƣợc.
Với những nguyên nhân gây ra sai số đã đề cập ở trên thì sai số do máy là vấn đề
quan trọng nhất dẫn đến sai số quá trình gia công và phụ thuộc vào sai số động học
và động lực học của máy, các sai số này phụ thuộc lẫn nhau trong quá trình gia
công.
Nhƣ vây, sai số của máy là vấn đề quan trọng nhất đang đƣợc nhiều nhà khoa học
cũng nhƣ các hãng sản xuất và đây cũng là vấn đề khó khăn nhất. Để nghiên cứu
ảnh hƣởng của sai số điểm định vị và định hƣớng trục dụng cụ khi gia công các bề
mặt phức tạp trên máy CNC 5 trục kiểu PSK (Parallel Serial Kinematic). Luận văn
chọn một đối tƣợng cụ thể của máy CNC 5 trục kiểu PSK là máy kết hợp giữa
modul robot song song và modul quay BC trên bàn máy.

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

1


Luận Văn Thạc Sỹ

2. Mục đích đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu của luận văn
2.1 Mục đích nghiên cứu
Trên cơ sở phân tích ở trên đặt ra cho luận văn các nhiệm vụ nghiên cứu:
Thứ nhất, xác định sai số điều khiển hình động học trong gia công CNC 5 trục đối
tƣợng cụ thể là máy phay CNC 5 trục kiểu mới PSK (Orthoglide- Rotate BC).
Thứ hai, tính toán độ cứng vững của modul song song 3 trục.
2.2 Phạm vi nghiên cứu của luận văn
- Tìm hiểu về quá trình tạo hình gia công các BMPT trong gia công CNC 5 trục.
- Tìm hiểu về các yếu tố ảnh hƣởng tới sai số trong gia công CNC 5 trục.
- Tính toán sai số điều khiển hình động học của máy phay CNC 5 trục kiểu mới
PSK (Orthoglide- Rotate BC).
- Tính toán độ cứng vững của modul song song 3 trục kiểu trực giao.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
1. Đây là mẫu máy mới nhất hiện nay đang đƣợc nhiều nhà khoa học trên thế giới
nghiên cứu và đối tƣợng nghiên cứu cụ thể (Orthoglide- Rotate BC) chƣa đƣợc
đăng tại bất kỳ tạp chí uy tín nào.
2. Với việc nghiên cứu tính toán sai số động học ảnh hƣởng đến sai số điểm định vị
và véc tơ định hƣớng trục dụng cụ tạo cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo mẫu máy mới
này.
3. Các kết quả nghiên cứu về độ cững vững là cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc thiết
kế mẫu máy này.
4. Các phần mềm thể hiện kết quả nghiên cứu của luận văn có thể đƣợc sử dụng
trong đào tạo, nghiên cứu chuyên môn sâu tiếp theo cũng nhƣ ứng dụng trong khảo
sát, thiết kế kích thƣớc động học cho các máy phay CNC nhiều trục kiểu PSK.

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

2


Luận Văn Thạc Sỹ

4. Nội dung của luận văn
Nội dung của luận văn đƣợc trình bày 88 trang A4 và chia thành 3 chƣơng với nội
dung cụ thể nhƣ sau :
 Chƣơng 1: Tổng quan về các máy CNC nhiều trục thế hệ mới PSK.
 Chƣơng 2: Sai số hình động học của các khớp điều khiển.
 Chƣơng 3: Kết quả tính toán với một số bề mặt phức tạp trong không gian.
 Kết luận: Các kết quả đạt đƣợc và phƣơng hƣớng phát triển.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu sai số định vị và định hƣớng của dụng cụ do sai số điều khiển hình
động học bởi 3 trục tịnh tiến và 2 trục quay đƣợc nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết về
hệ nhiều vật chuỗi động học lai giữa chuỗi động học kín kết hợp với chuỗi động học
hở và lý thuyết về gia công tạo hình BMPT để thiết lập các biểu thức toán tính toán
sai số định vị và định hƣớng dụng cụ dựa trên bài toán điều khiển động học ngƣợc
theo quỹ đạo đƣờng dụng cụ.
- Việc tính toán độ cững vững của modul song song dựa trên việc nghiên cứu lý
thuyết tĩnh học của cơ cấu máy có chuỗi động học kín.
- Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn dựa trên mô hình toán học của hệ thống kết
hợp với lập trình mô phỏng để từ đó đƣa ra các kết luận của luận văn.

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

3


Luận Văn Thạc Sỹ

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC MÁY CNC NHIỀU TRỤC THẾ HỆ MỚI PSK
1.1 Tổng quan về sai số trong các máy CNC
Theo tài liệu [1] trong quá trình phát triển, trƣớc những đòi hỏi của xã hội cũng nhƣ
tốc độ phát triển sản xuất của công nghiệp ngày càng cao, dẫn đến công nghệ tạo
hình các bề mặt phức tạp (BMPT), đặc biệt là công nghệ gia công các BMPT có
những phát triển tiến bộ đáng kể, ban đầu đƣợc 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 tự động và công nghệ thông tin. Công nghệ gia công cắt gọt đã có một bƣớc
tiến vƣợt bậc từ máy phay CNC 2 ½ trục đến sự ra đời những máy 3, 3 ½, 4, 4 ½
trục và sau năm 1975 đã xuất hiện các máy CNC 5 trục cho phép 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. Công nghệ gia công CNC 5 trục đƣợc xem là công nghệ gia công
tiên tiến. Cho đến nay công nghệ này vẫn chƣa đƣợc phổ biến rộng rãi và đƣợc
chuyển giao có điều kiện.
Từ năm 1990 bắt đầu xuất hiện các máy phay có cấu trúc động học song song
(ĐHSS) từ 3 bậc tự do đến 6 bậc tự do ví dụ nhƣ máy Octahedral Hexapod của hãng
Ingersoll (Mỹ) 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 nhƣ động học, động lực học và

điều khiển.
Ở trong nƣớc, để phát triển, sản xuất phục vụ dân sinh đến an ninh quốc phòng,
làm chủ công nghệ gia công tiên tiến, gia công các bề mặt phức tạp BMPT đã và
đang đặt ra cấp bách. Cơ khí trong nƣớc đã khá quen thuộc với các máy phay CNC
3 trục, đã chế tạo một số khuôn mẫu, sản phẩm. Tuy nhiên, việc sử dụng máy phay
CNC 5 trục mới chỉ ở bƣớc đầu.
HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

4


Luận Văn Thạc Sỹ

 Trong những năm gần đây, máy CNC đang đƣợc sử dụng rất rộng rãi hầu hết
trong các ngành cơ khí chế tạo [1]. Các máy này cho phép gia công những bề mặt
phức tạp với độ chính xác cao và hoàn toàn tự động. Tuy nhiên, trong quá trình gia
công trên các máy CNC, có rất nhiều nguyên nhân gây ra sai số và làm ảnh hƣởng
đến chất lƣợng bề mặt gia công. Những nguyên nhân này gây ra sự không tƣơng
thích giữa đầu trục chính và điểm gia công trên phôi [2], chúng có thể không là
hằng số hoặc thay đổi theo thời gian gia công. Bởi nhiều sai số có thể kể đến nhƣ:
+ Sai số động học và sai số hình học của các chi tiết máy.
+ Sai số do độ cứng vững của cấu trúc máy.
+ Sai số do biến dạng nhiệt.
+ Sai số do các lực tĩnh (trọng lƣợng đầu trục chính, phôi gia công, dụng cụ gia
công).
+ Sai số do lực cắt.
+ Sai số do lực quán tính khi tăng hoặc giảm tốc.
+ Sai số do ma sát hệ dẫn động.

+ Sai số do hệ thống điều khiển động cơ servo.
 Những sai số này có thể đƣợc chia làm hai loại: Sai số ngẫu nhiên và sai số hệ
thống. Sai số ngẫu nhiên thƣờng xuyên biến đổi theo thời gian và không theo một
quy luật nhất định nên việc mô hình hóa và tính quy luật bù trừ thƣờng rất khó
khăn. Trong khi đó, theo tài liệu số [3, 4], sai số hệ thống chiếm 70-80 % sai số tổng
thể, nó có thể mô tả dự báo dựa trên các mô hình toán học và tính toán quy luật bù
trừ. Những nguyên nhân sai số do cấu trúc động học của máy, biến dạng nhiệt, do
các lực tĩnh đều thuộc dạng này [5].
Có thể thấy sai số sau khi gia công một bề mặt trên máy CNC là do nhiều nguyên
nhân kết hợp gây nên, chúng có thể triệt tiêu, cộng hƣởng lẫn nhau và tạo ra sai số
tổng thể. Việc xác định từng nguyên nhân là cần thiết để có thể đánh giá, dự báo sai
HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

5


Luận Văn Thạc Sỹ

số tổng thể có thể xảy ra và qua đó đƣa ra những giải pháp thích hợp để hạn chế sai
số khi gia công trên máy CNC.
 So sánh sai số trong gia công trên máy CNC 3 trục và máy CNC 5 trục:
Thời gian gần đây, máy CNC năm trục đang ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi hơn
trong nhiều lĩnh vực gia công so với với máy ba trục [6, 7]. Tài liệu số [7] đã giải
thích sự thay đổi này là do những ƣu điểm mạnh hơn của máy CNC năm trục nhƣ:
Máy CNC năm trục có thêm hai trục quay, do đó có thể điều khiển hƣớng trục dụng
cụ, làm tăng tỷ lệ loại bỏ vật liệu, dẫn đến nâng cao độ chính xác gia công và làm
giảm thời gian gia công…Tuy nhiên, cũng theo tài liệu này, các máy CNC 5 trục lại
chƣa đạt đƣợc đến độ chính xác nhƣ máy ba trục tƣơng đƣơng khi gia công với lực

cắt lớn, nguyên nhân nằm ở độ cứng vững của máy năm trục so với ba trục.
 Để góp phần khắc phục sai số khi gia công trên máy CNC năm trục, những nghiên
cứu gần đây đều phát triển một mô hình dự báo và bù sai số theo nguyên tắc chung
nhƣ sau [8]:
Bƣớc 1: Sử dụng một mô hình toán học dự báo sai số của dụng cụ và phôi, kết
hợp với một phần mềm bù sai số.
Bƣớc 2: Các quỹ đạo cắt có tính đến bù sai số sẽ đƣợc sinh ra theo mỗi lần dự
báo sai số của mô hình trên và sinh ra mã để điều khiển các động cơ.
1.2 Tổng quan từ lịch sử đến tƣơng lai của máy công cụ động học song song [9]
1.2.1 Tổng quan về máy có cấu trúc động học song song
Cơ cấu chuỗi động học kín đã thu hút đƣợc sự chú ý của các viện nghiên cứu và
ngành công nghiệp do tiềm năng cao về lý thuyết động lực học của chúng, độ bền
và độ chính xác cao do cấu trúc chuỗi động học kín và không tích sai số.
Máy có cấu trúc động học song song thƣờng đƣợc gọi tên là hexapod, tay máy song
song cũng có thể đƣợc đặt tên là hexapod, bàn máy Stewart, bàn máy Gough, bàn
máy Stewart-Gough, một máy động học song song ( Parallel kinematic machine PKM) hoặc một robot song song .

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

6


Luận Văn Thạc Sỹ

a)

b)

Hình 1.1 Phát minh sáng chế về máy CNC 5 trục ảo

a) Máy “Octahedral Hexapod” của hãng Ingersoll's;
b) Máy “Variax” của hãng Giddings & Lewis.
Các mẫu thử đầu tiên của máy phay CNC 5 trục ảo có cấu trúc động học song song
(PKM) đã đƣợc giới thiệu công chúng vào năm 1994 của công ty Ingersoll và
Ginddings & Lewis (hình 1.1 và hình 1.2). Trong thập kỷ qua, đã có hơn 100 mẫu
máy có cấu trúc động học song song khác nhau đã đƣợc chế tạo, chủ yếu là các mẫu
thử hoặc phục vụ cho mục đích nghiên cứu học tập.

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

7


Luận Văn Thạc Sỹ

a)

b)

Hình 1.2 Ảnh chụp của máy CNC phay nhôm cao tốc có động học song song

a) Máy “Octahedral Hexapod” của hãng Ingersoll;
b) Máy “Variax” của hãng Giddings & Lewis
Mặc dù đã hơn15 năm trôi qua kể từ giao dịch đầu tiên của máy công cụ động học
song song đã đƣợc giới thiệu, nhƣng chúng đã không đƣợc chấp nhận rộng rãi trong
ngành công nghiệp.

Có hai lý do cho điều đó: Đầu tiên, từ khi bắt đầu sự xuất hiện của chúng, điều
hiển nhiên rằng, việc thực hiện các khả năng lý thuyết của chúng trong thực tế đƣa
ra nhiều vấn đề mới.
Lý do thứ hai là các lập luận về tâm lý nhƣ:
- Thiếu tin tƣởng vào công nghệ tìm kiếm mới lạ.
- Sự miễn cƣỡng để là ngƣời đầu tiên đƣợc thử các công nghệ mới.
- Thiếu các tiêu chuẩn đƣợc chấp nhận để đánh giá, giá trị ngƣời sử dụng trong
những máy công cụ động học song song.

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

8


Luận Văn Thạc Sỹ

Ngoài ra còn có các ý kiến đánh không cao về công nghệ máy công cụ động học
song song. Các tuyên bố này cho rằng kém hơn so với máy có cấu trúc chuỗi động
học hở và thực tế không hữu dụng.
Để có một cái nhìn khách quan, tổng thể về thế hệ máy mới này, dƣới đây chúng ta
sẽ trình bày một số vấn đề.
1.2.2 Lịch sử phát triển
Trong lịch sử, cơ cấu song song (cấu trúc chuỗi động học kín) đã thu hút đƣợc sự
quan tâm chủ yếu của các nhà toán học khi họ đƣa ra vấn đề thú vị. Một số vấn đề
lý thuyết liên quan đến các loại cấu trúc của cơ cấu này đã đƣợc đề cập sớm nhất là
năm 1645 bởi Christopher Wren, sau đó vào năm 1813 bởi Cauchy và năm 1867
Lebesgue. Một trong những vấn đề lý thuyết chính trong lĩnh vực này là phân tích
điểm kỳ dị. Trong những năm 50 và 60 của thế kỷ trƣớc loại cơ cấu song song

"hexapod" (hình 1.3a), đã đƣợc sử dụng trong mô phỏng:
Máy thử lốp xe (hình 1.3b) và buồng giả lập tập lái máy bay.

Hình 1.3 a) Loại cơ cấu song song “Hexapod”; b) Thử nghiệm lốp xe của Gough

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

9


Luận Văn Thạc Sỹ

Thậm chí trong những năm 60 của thế kỷ trƣớc, áp dụng của các cấu trúc nhƣ là
máy công cụ đã đƣợc thảo luận, nhƣng bị từ chối vì thiếu công nghệ điều khiển.
Trong những năm 1980 cấu trúc động học song song thu hút sự quan tâm của cộng
đồng robot.
Cấu trúc robot động học song song thành công nhất là robot Delta (hình 1.4), đƣợc
thiết kế vào năm 1980 từ Giáo sƣ ReymondClavel (professor at EPFL - École
Polytechnique Federale de Lausanne) và robot Tricept (hình 1.5) đƣợc thiết kế và
xây dựng bởi Karl-Erik Neumann vào năm 1987.
Cả hai cấu trúc đã có một thành công thƣơng mại và bây giờ có thể đƣợc tìm thấy
trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau. Trong năm 1994 về công nghệ sản xuất
quốc tế triển lãm ở Chicago đã đƣợc giới thiệu công khai các mẫu máy đầu tiên của
máy công cụ động học song song Ingersoll và Ginddings &Lewis (hình 1.1 và hình
1.2). Máy này đƣợc thực hiện nhƣ bàn máy Gough và mục đích của họ là máy phay
CNC 5 trục (thƣờng đƣợc gọi là máy CNC 5 trục ảo).

Hình 1.4 Bản đăng ký phát minh sáng chế của robot Delta.

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

10


Luận Văn Thạc Sỹ

Hình 1.5 Bản đăng ký phát minh sáng chế của Robot động học song song Tricept 3
bậc tự do.

Trong công nghiệp, tính độc đáo của sản phẩm đƣợc biết đến ít hơn nhiều so với
năng suất sản phẩm. Vì vậy, xây dựng một sản phẩm thành công đòi hỏi phải làm
việc theo nhóm, một quan hệ đối tác giữa các khách hàng tiềm năng, ngành công
nghiệp và các viện nghiên cứu. Thật không may, thực tế này đã đƣợc bỏ qua bởi
ngành công nghiệp. Các công ty, chẳng hạn nhƣ Giddings Lewis và Ingersoll, với
chuyên môn lâu đời trong gia công, đã quyết định đi một mình. Nhƣng họ đã không
thành công với các máy công cụ động học song song Octahedral Hexapod và Variax
của họ, ngay cả khi họ là những ngƣời đầu tiên cung cấp cho thị trƣờng. Họ chỉ đơn
giản là không thể cung cấp những hứa hẹn về độ chính xác cao. Bỏ qua các vấn đề
nhƣ giãn nở nhiệt, rung động và sự phức tạp của hệ thống là một số lý do. Nguồn
gốc của sự thất bại này là cách tiếp cận của công ty, không phải ứng dụng mà là
thúc đẩy sản phẩm. Dƣới đây (hình 1.6) là cấu trúc 6 chân của tƣơng lai đƣợc sử
dụng trong mô phỏng, chúng ta hãy biến nó thành một máy công cụ.
Những năm sau đó, nhiều mẫu mới của máy phay và các quá trình khác đã đƣợc
phát triển trong các viện nghiên cứu và các ngành công nghiệp, nhƣng chủ yếu là
HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

11


Luận Văn Thạc Sỹ

nhằm mục đích làm nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản của công nghệ mới này, thay
vì tiếp thị sản phẩm. Ngoài ra, một số lƣợng lớn bằng sáng chế liên quan đến máy
động học song song đã đƣợc áp dụng. Ngày nay, máy công cụ động học song song
phát triển từ từ nhƣng chắc chắn, đi vào thị trƣờng thƣơng mại và đã đáp ứng đƣợc
trong một số công việc cụ thể.
1.2.3 Phân loại máy động học song song
Tay máy song song là cơ cấu có cấu trúc động học kín trong đó các end-effector (cơ
cấu chấp hành cuối) (bàn máy di động) đƣợc kết nối với cơ sở (bàn máy cố định) ít
nhất hai chuỗi động học độc lập. Giữa các bàn máy cơ sở và khâu tác động cuối là
chuỗi nối tiếp (gọi là tay máy hoặc chân). Một tay máy song song đầy đủ là một cơ
chế vòng kín với một khâu tác động cuối n bậc tự do kết nối với cơ sở n chuỗi động
học độc lập, có nhiều nhất là hai liên kết và chúng đƣợc khởi động bằng một khớp
trƣợt độc nhất hoặc quay thong qua thiết bị truyền động.
Kết hợp tay máy song song đầy đủ và trục nối tiếp thêm gọi là hệ thống hybrid (lai
hoặc hỗn hợp). Một phƣơng pháp luận cho việc thiết kế hệ thống của cấu hình máy
động học song song khác nhau đƣợc đề xuất và nó đƣợc trình bày trong hình 1.6.
Ý tƣởng chính là chia thành các modul chức năng đơn giản. Các cấu trúc động học
cho thế hệ các khớp cơ bản đƣợc lựa chọn từ một danh sách các giải pháp đƣợc xác
định trƣớc. Một sự kết hợp, hợp lệ của các yếu tố cơ bản cũng nhƣ số lƣợng của bộ
truyền động sau đó liệt kê đối với các bậc tự do yêu cầu của khâu tác động cuối.
Các cấu hình hình học của các kết nối khớp cuối cùng đƣợc lựa chọn từ một danh
sách các giải pháp đƣợc xác định trƣớc. Cơ cấu song song có thể đƣợc phân loại
theo tính chất của chuyển động trong mặt phẳng, hình cầu và không gian. Phân loại

khác là theo bậc tự do của khâu tác động cuối.

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

12


Luận Văn Thạc Sỹ

Hình 1.6 Phƣơng pháp thiết kế hệ thống của PKM

HVTH: Vũ Văn Cường

GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái

13