NGHIÊN cứu THIẾT kế và CHẾ tạo mô HÌNH ROBOT cắt PLASMA có cấu TRÚC GANTRY

HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT CẮT PLASMA
CÓ CẤU TRÚC GANTRY
Trần Văn Châu1, Đặng Văn Thức1, Mai Ngọc Anh1, Lê Đình Thắng2
1

2

Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân sự
Email:
Cục Đo lường, Bộ Tổng tham mưu, Bộ Quốc phòng

TÓM TẮT:
Bài báo này trình bày về việc phát triển một mô
hình robot được chế tạo và thử nghiệm trong các
hình robot cắt linh hoạt liên quan đến thiết kế 3D,
điều kiện thực tế để kiểm tra khả năng vận hành
mô phỏng Matlab và chế tạo mô hình thực. Mô
của hệ thống. Mô hình được sử dụng nhằm phục
hình robot này được thiết kế theo cấu trúc động
vụ dạy học trong nhà trường.
học TTT, thường ứng dụng cho cắt Plasma. Mô
Từ khóa: robot cắt, cấu trúc gantry, thiết kế 3D, mô phỏng Matlab.
1. GIỚI THIỆU
Trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện nay, nhiều
loại robot cắt đã được chế tạo và sử dụng rộng rãi
cho sản xuất trên thế giới. Các robot này sử dụng
các nguồn nhiên liệu khác nhau để cắt vật liệu
như: sử dụng công nghệ laser [1], dùng tia nước

[2], dùng sóng siêu âm [3] và dùng plasma [4].
Các robot cắt tia laser sử dụng chùm tia laser tập
trung để làm nóng vật liệu trong vùng cắt cho phép
tạo ra các đường cắt đa dạng và sắc nét [5].
Robot cắt bằng tia nước sử dụng một dòng nước
có áp suất cao để cắt kim loại mà không cần nhiệt
và không gây tiếng ồn, nhưng vẫn tạo ra các
đường cắt sắc nét và sạch [6]. Robot cắt siêu âm
sử dụng năng lượng siêu âm từ đầu dò áp điện để
cắt vật liệu mềm [7]. Robot cắt plasma sử dụng
đầu cắt Plasma với tốc độ rất cao để cắt kim loại
có độ dày đến 20 cm ở nhiệt độ rất cao [8].
Do sự phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao của
đường cắt, người ta thường sử dụng các tay máy
nhiều bậc tự do (DOF) để cắt kim loại. Ngược lại,
khi không yêu cầu cắt phức tạp mà yêu cầu an
toàn cao, người ta thường sử dụng robot cắt có
cấu trúc khung giàn khi cắt bằng tia nước và cắt
bằng plasma. Lợi ích nổi bật của robot cắt plasma
là chi phí thấp, tốc độ cắt vừa phải và thời gian
chuẩn bị ngắn [9].

người sử dụng thay thế phần đầu cắt một cách dễ
dàng và nhanh chóng.
Trong điều kiện công nghiệp chưa phát triển
cao của Việt Nam, các robot cắt khung giàn
thường được lựa chọn để sản xuất và chế tạo
nhằm đạt được hiệu quả kinh tế tốt với giá cả
cạnh tranh.
Trong các trường dạy nghề và kỹ thuật, các kỹ

thuật viên cơ khí phải thành thạo việc vận hành
nhiều máy móc khác nhau trong đó có các robot
cắt. Vì lý do đó, nhóm nghiên cứu đã xây dựng
một chương trình mô phỏng và một mô hình robot
cắt kiểu khung giàn. Chương trình mô phỏng và
mô hình robot có thể phục vụ các nhiệm vụ cơ bản
của giáo dục đào tạo.
Trong các phần tiếp theo, chúng tôi giới thiệu
cấu trúc cơ khí của robot; tính toán các thông số
động học; chương trình mô phỏng và thực nghiệm
trên mô hình robot thực tế.
2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Kết cấu cơ khí của mô hình robot cắt được thể
hiện như trên Hình 1. Khung cơ khí của robot bao
gồm ba phần chính liên quan đến 3 trục chuyển
động X, Y và Z tạo ra mô hình động học với 3 bậc
tự do (DOF).

Các hệ thống robot khung giàn thường hoạt
động trong các không gian làm việc dạng hình hộp
với cấu trúc cơ khí vững chắc và ổn định [10]. Các
robot cắt plasma có cấu trúc khung giàn cho phép

Trang 267


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Các trục chuyển động X, Y (Hình 2, 3) được

thiết kế dạng chi tiết hộp thép vuông, trên được
lắp các thanh dẫn hướng cũng như trục vít me bi.
Đối với cấu trúc dạng khung giàn kết cấu như trên
đảm bảo sự đơn giản, tiện lợi trong việc lắp ghép
thay thế mà vẫn đủ cứng vững trong các điều kiện
làm việc thực tế. Chiều dài lần lượt của các trục X,
Y tương ứng là 450 và 600 mm.

Hình 1. Thiết kế chung của gantry robot

Giá lắp trục X
trên con trượt
Ray

trư
Vít me bi và đai ốc
Ổ đỡ hai đầu vít me
Khớp nối

Servo

Hình 2. Cụm trục Y

Bốn chân đế cũng được làm từ hộp thép vuông
cùng có chiều dài 700 mm để tạo ra không gian
làm việc quy mô nhỏ dạng lập phương. Các chân
được hàn bích để lắp bu lông cố định với nền,
đảm bảo sự chắc chắn và cứng vững trong quá
trình robot thực thi các nhiệm vụ.
So với các loại mô hình robot đã được chế tạo

ở Việt Nam [11, 12], mô hình robot này có kích
thước nhỏ gọn hơn nhiều, điều này cho phép mô
hình được vận chuyển dễ dàng phục vụ cho các
phòng thí nghiệm.

Giá lắp trục Z

Hình 3. Cụm trục X

Servo
Khớp nối
Vít me bi
Ray trượt

Ba trục XYZ được điều khiển bởi ba động cơ
servo tách biệt thông qua hệ thống truyền động
bao gồm các vít me và thanh dẫn hướng dẫn. Việc
sử dụng động cơ servo và các vít me giúp cho
việc điều khiển và truyền động các trục được dễ
dàng và chuyển động trơn tru.
3. LẬP TRÌNH HỆ ĐIỀU KHIỂN
3.1. Cấu trúc động học
Robot cắt này là một loại gantry robot với 3 bậc
tự do có cấu trúc động học TTT (Tịnh tiến – Tịnh
tiến – Tịnh tiến) tương ứng với 3 trục XYZ.

Trục chuyển tiếp

Mỏ cắt plasma
Giá lắp đầu công tác

Hình 4. Cụm trục Z

Trang 268

Cụm trục Z (Hình 4) có cấu trúc khác với cụm
trục X, Y bởi vì nhiệm vụ của nó là mang đầu công
tác và chỉ dịch chuyển trước khi gia công. Nói
cách khác, trong suốt thời gian gia công, tọa độ
theo trục Z là không đổi. Chính vì vậy việc thiết kế
và chế tạo cụm trục Z được ưu tiên đặc tính dễ
dàng thay thế các đầu công tác. Ngoài ra, trên trục
Z có thể được tích hợp bộ điều khiển chiều cao
đầu công tác THC (Torch Height Controller).

Thông qua một hệ thống điều khiển, ba trục có
thể hoạt động một cách đồng bộ để điều khiển đầu
cắt theo một quỹ đạo cho trước. Hệ thống sử dụng
các cảm biến phản hồi vị trí (encoder) để kiểm
soát vị trí của đầu cắt đi theo quỹ đạo yêu cầu.


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

0
1
0
0

T01

Các thông số cơ khí của robot cắt được minh
họa trên Hình 5. Cấu trúc động học và các hệ tọa
độ được thể hiện trên Hình 6.
Kích thước làm việc của 3 trục X, Y, Z tương
ứng là l1, l2, l3.

0 d1
0 0
1 0
0 1

(1)

1
0
0
0

0 0
0 d2
1 0
0 1

(2)

0 0
0 0
1 d3

0 1

(3)

0
1
0
0

T12

1
0
0
0

T23

Hình 5. Các tham số kích thước

1
0
0
0

0
1
0
0

Trong đó T01, T 12, T23 là các ma trận biến đổi
thuần nhất giữa các hệ tọa độ lân cận theo thứ tự
như sau: từ hệ tọa độ {X0Y0Z0} sang hệ tọa độ
{X1Y1Z1}, từ hệ tọa độ {X1Y1Z1} sang hệ tọa độ
{X2Y2Z2}, và từ hệ tọa độ {X2Y2Z2} sang hệ tọa độ
{X3Y3Z3}.
Từ các biểu thức (1), (2), (3), ta có thể tính ma
trận thuần nhất từ hệ tọa độ gốc {X0Y0Z0} đến hệ
tọa độ đầu công tác {X3Y3Z3} như sau:

Hình 6. Các hệ tọa độ

Các thông số động học Denavit-Hartenberg (DH) của robot cắt được liệt kê trong Bảng 1:
Bảng 1. Các thông số D-H
Khớp
θi
bi
αi
ai
1
90
0
0
d1
2
-90
0
0
d2
3

0
d3
0
0
Trong đó:
+ θi là góc quay quanh trục Z(i-1) để xoay trục
X(i-1) đến trục X(i);
+ αi là góc quay quanh trục X(i) để trục
Z(i-1) quay đến trục Z(i);
+ bi là khoảng cách tịnh tiến dọc trục Z(i-1) để di
chuyển trục X(i-1) đến trục X(i);
+ ai là khoảng cách tịnh tiến dọc trục X(i) để di
chuyển trục Z(i-1) đến trục Z(i);
Dựa vào bảng thông số D-H, ma trận chuyển
đổi thuần nhất được xây dựng như sau:

T03

T01 T12 T23

(4)

T03

0
1
0
0

(5)

1
0
0
0

0 d1
0 d2
1 d3
0 1

Đầu cắt được ký hiệu là EE. Vị trí của EE được
xác định từ công thức (5) bởi các biểu thức sau:
xEE

d1

yEE

d2

zEE

d3

(6)

Cũng từ công thức (5), ta xác định được
hướng của đầu cắt EE không thay đổi trong suốt
quá trình làm việc.

3.2. Lập trình quỹ đạo
3.2.1. Lập trình quỹ đạo bậc 3
Robot cắt thường đòi hỏi những điểm cho
trước mà đầu cắt phải đi qua để thực hiện nhiệm
vụ cắt. Do đó, hệ thống điều khiển tự động lập kế
hoạch một quỹ đạo để kết nối chúng với nhau.
Quỹ đạo có chứa một luật thời gian cho chuyển
động với vận tốc khác nhau ở các điểm trên quỹ
đạo cắt. Theo lý thuyết [13], phương trình quỹ đạo
cắt giữa 2 điểm (i) và (i+1) được tính như sau:
s(t )

k0

k1 t

k2 t 2

k3 t 3

(7)

Trang 269


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Trong đó k0, k1, k2, và k3 là các hệ số được xác
định như sau:

s(ti )

k0

s '(ti )

k2 ti2

k1 ti

k1

k3 ti3
2
i

2k2 ti

3k3 t

s(ti 1 )

k0

k1 ti

s '(ti 1 )

k1

2k2 ti

(9)

s '0

k2 ti2 1

1

k3 ti3 1

3k3 ti2 1

1

(8)

s0

(10)

sf

(11)

s 'f

Từ các công thức (8) đến (11) ta có thể rút ra
một biểu thức ma trận như sau:

ti2
ti3
2ti
3ti2
ti2 1 ti3 1
2ti 1 3ti2 1

1 ti
0 1
1 ti 1
0 1

k0
k1
k2
k3

s0
s '0
sf
s 'f

(12)

ti2
ti3
2ti
3ti2
ti2 1 ti3 1

2ti 1 3ti2 1

1 ti
0 1
1 ti 1
0 1

1

s0
s '0
sf
s 'f

(13)

Trong đó s0, s’0, sf, và s’f là các vị trí và vận tốc
của các điểm trên quỹ đạo cắt.
Trong bài toán lập trình quỹ đạo không giật,
người ta quan tâm đến cả biến số gia tốc tại các
điểm quỹ đạo. Lúc đó công thức tính quỹ đạo giữa
2 điểm (i) và (i+1) được tính như sau:
k0

k1 t

k2 t 2

k3 t 3

k4 t 4

k5 t 5

(14)

Trong đó k0, k1, k2, k3, k4 và k5 là các hệ số
được xác định như sau:
s(ti )

k0

k1 ti

s '(ti )

k1

2k2 ti

s ''(ti )

2k2

k2 ti2

k3 ti3

3k3 ti2

2
i

6k3 ti

s(ti 1 )

k0

k1 ti

s '(ti 1 )

k1

2k2 ti

s ''(ti 1 )

2k2

k4 ti4

4k4 ti3

k4 t
1

5k5 ti4 1

20k5 ti3 1

5k5 ti4

(16)
(17)

20k5 t
4
i 1

1

k5 ti5 (15)

3
i

12k4 t

5
i 1

k5 t

(18)
(19)
(20)

Bằng cách tương tự như đã nêu ở công thức

(12), ma trận hệ số có thể xác định như sau:

Trang 270

0 1
0 0

ti4
4ti3
3
i 1
2
i 1

4t
12t

ti5
5ti4
4
i 1
3
i 1

5t
20t

1

s0

s '0
s ''0
sf
s 'f
s ''f

(21)

Trong đó s0, s’0, s’’0, sf, s’f và s’’f là các vị trí,
vận tốc và gia tốc của các điểm trên quỹ đạo cắt.
Dựa vào các giá trị động học cho trước, hệ
thống sẽ tự động lập trình quỹ đạo giữa các điểm
lân cận và kết nối chúng thành một quỹ đạo cắt
tổng thể.
Chương trình mô phỏng máy tính được lập
trình trên phần mềm Matlab. Sơ đồ hệ thống điều
khiển được thể hiện trên Hình 7. Quỹ đạo di
chuyển của đầu cắt được mô phỏng trên một cửa
sổ lập trình.

s0 ,s'0
Quỹ đạo
sf ,s'f 
bậc 3

3.2.2. Lập trình quỹ đạo không giật

s(t )

1 ti

0 1

3.3. Mô phỏng hoạt động

Từ biểu thức (12), ta có thể tính các hệ số
bằng công thức sau:
k0
k1
k2
k3

k0
k1
k2
k3
k4
k5

Chọn
quỹ đạo

s0 ,s'0 ,s''0

sf ,s'f ,s''f 

Quỹ đạo
bậc 5

Bộ điều
khiển

Mô phỏng
robot cắt
Hiển thị
quỹ đạo

Hình 7. Sơ đồ hệ thống mô phỏng

Trong sơ đồ hệ thống mô phỏng có 2 bộ lập
trình quỹ đạo: lập trình quỹ đạo bậc 3 và lập trình
quỹ đạo bậc 5. Căn cứ vào các tham số đầu vào,
chương trình sẽ chọn bộ lập trình quỹ đạo phù
hợp.
Hình 8 mô tả một tình huống sử dụng bộ lập
trình quỹ đạo bậc 3 để cắt theo một đường thẳng.
Hình 9 biểu diễn một tình huống sử dụng bộ
lập trình quỹ đạo bậc 5 để cắt theo một đường
tròn.


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Hình 8. Lập trình quỹ đạo bậc 3 cho quỹ đạo đường
thẳng

Hình 10. Mô hình robot dạng gantry thực tế

Cấu trúc của mô hình robot trên Hình 10 có các
kích thước đúng như bản thiết kế trên Hình 1. Các

trục X và Y được chế tạo bằng các thanh thép
dạng hộp cho phép robot được tháo lắp dễ dàng
phục vụ cho di chuyển, lắp ghép trong phòng thí
nghiệm. Robot có thể mang được các đầu cắt
hoặc vật nặng lên đến 5 kg.
Hình 9. Lập trình quỹ đạo bậc 5 cho quỹ đạo đường
tròn

Trong phần tiếp theo, chương trình điều khiển
đã mô phỏng sẽ được áp dụng trên mô hình thật
để kiểm tra khả năng vận hành của hệ thống.
4. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
4.1. Mô hình cơ khí
Sau khi mô phỏng thành công, nhóm kỹ sư của
Trung tâm Công nghệ (TTCN) đã tiến hành chế
tạo mô hình robot và sử dụng chương trình điều
khiển đã mô phỏng với một số cải tiến cho phù
hợp với điều kiện thực tiễn. Cải tiến đáng kể nhất
là việc điều khiển quỹ đạo trục Z được tiến hành
trước tiên. Việc điều khiển trục X và Y được tiến
hành đồng thời. Như vậy đầu cắt làm việc chủ yếu
trên mặt phẳng.

4.2. Hệ thống điều khiển
Hệ điều khiển của mô hình robot được lập trình
trên bo mạch ARM STM32F4 và được tổ chức
như trên Hình 11.
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển này
được tổ chức giống như sơ đồ trên Hình 12.
Chương trình điều khiển được các kỹ sư của

TTCN tự viết trên Labview, một trong các phần
mềm đang được dùng phổ biến ở Việt Nam hện
nay.

Hình 11. Sơ đồ tổ chức trên bo mạch ARM STM32F4

Trang 271


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Hình 12. Giao diện chương trình điều khiển

4.3. Kết quả thử nghiệm
Trong các thực nhiệm đầu tiên, mô hình robot
thực hiện nhiệm vụ vẽ một đường thẳng. Bộ điều
khiển sử dụng bộ lập trình quỹ đạo bậc 3 và kết
quả cuối cùng được thể hiện trên Hình 13.
Nhiệm vụ này được thực hiện nhiều lần để
kiểm tra độ lặp lại của quỹ đạo cắt. Ngoài ra,
nhóm nghiên cứu đã sử dụng bút dạ như một
công cụ ghi lại quỹ đạo chuyển động của đầu cắt.
Kết quả cho thấy đầu cắt đã tạo ra các đường
thẳng như nhau sau nhiều lần cắt.

Hình 14. Vẽ 4 đường thẳng để tạo ra hình thoi

Nhiệm vụ này được thực hiện với bộ lập trình
quỹ đạo bậc 3 và được lặp lại nhiều lần. Các kết

quả đạt được cho thấy đầu cắt luôn tạo ra các
điểm khép kín mà điểm đầu và điểm cuối trùng
nhau.
Trong các thực nghiệm thứ 3, robot thực hiện
nhiều đường cắt thẳng để tạo ra một đường cong
khép kín xấp xỉ hình tròn. Kết quả được ghi lại như
trên Hình 15.
Nhiệm vụ thứ 3 này được thực hiện với bộ lập
trình quỹ đạo bậc 5. Kết quả lặp lại như nhau sau
nhiều lần thực hiện cho thấy sự ổn định của hệ
thống.

Hình 13. Vẽ đường thẳng

Trong các thực nghiệm thứ 2, robot thực hiện 4
đường cắt thẳng để tạo ra một hình thoi khép kín.
Kết quả được ghi lại bằng bút dạ được thể hiện
như trên Hình 14.
Hình 15. Vẽ nhiều đường thẳng để tạo đường gần tròn

Trang 272


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

5. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày các công việc thiết kế, mô
phỏng và chế tạo một mô hình robot cắt dạng
gantry với cấu trúc động học TTT. Cấu trúc gantry

của mô hình này thường được dùng phổ biến trên
các robot cắt Plasma, cắt bằng tia laser,... Ưu
điểm của mô hình này là kích thước nhỏ gọn và
khả năng tháo lắp dễ dàng. Điều này thuận tiện
cho việc phục vụ trong môi trường đào tạo hoặc
các phòng thí nghiệm.
Mô hình robot đã được thử nghiệm trong các
điều kiện thực và cho các kết quả khá tốt. Tuy
nhiên, các kết quả cần được kiểm tra thêm với các
quỹ đạo phức tạp hơn.
LỜI CẢM ƠN
Nhóm tác giả xin cảm ơn Học viện KTQS và
Trung tâm Công nghệ đã tài trợ cho nghiên cứu
này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Moharana B., Rakesh G., Bashishth K. K.
(2014). Optimazation and design of a lasercutting machine using Delta robot.
International Journal of Engineering Trends
and Technology (IJETT), vol. 10, no. 44, pp.
176-179.
[2]. Richard K. M. C. (1989). Industrial robot
handbook. Springer-Verlag US, ISBN 978-14684-6608-9, pp. 267-283.

[3]. Dan W. and Adam W. (2014). Integrating
ultrasonic cutting with high accuracy robotic
automatic fiber placement for production
flexibility. Report of SAMPLE Tecch, Seatle
WA.
[4]. Kjellbelrg F. (2012). Plasma cutting with
robots. The Fine Focus Company

[5]. Academy of laser dentistry. (2008)
Advantage and limitations of lasers. Report.
[6]. KMT. (2010). Water jet cutting: A technology
on the rise. Report of KMT GmbH.
[7]. Branson (2012). Advanced Ultrasonic
cutting systems. Report of Emerson.
[8]. MacArthur B. B. (1976) Plasma Processes
of cutting and welding. Report of Naval
Surface Warfare Center.
[9]. Paolo R., Alessandro T., Hermes G. (2002).
Mechatronic design of a 3-DOF parallel
translational
manipulator.
International
Conference on Robotics RAAD.
[10]. Parker (2004). Standard gantry robots.
Catalogue 192-700011N5/UK, Version 5.
[11]. Lê Hoài Quốc (2004). Nghiên cứu thiết kế
và chế tạo robot phục vụ sản xuất trong các
điều kiện môi trường độc hại và không an
toàn. ĐHQG TP HCM.
[12]. Phạm Anh Đức (2013). Nghiên cứu và chế
tạo mô hình robot song song. Luận văn
Thạc sĩ.
[13]. Sciavicco L. and Siciliano B. (2000).
Modelling and control of robot manipulators.
ISBN 978-1-4471-0449-0, pp. 185 - 212.

RESEARCH, DESIGN AND FABRICATION OF A PLASMA CUTTING
ROBOT MODEL WITH GANTRY STRUCTURE

ABSTRACT:
This paper presents the development of a
cutting robot model including 3D design, Matlab
simulation and experimental modeling. This robot
model is designed based on a TTT kinematic
structure, which is usually used for plasma cutting.

The robot model is built and tested under realistic
conditions to examine the system's operability.
The model is useful for training in universities.

Keywords: cutting robot, gantry structure, 3D design, Matlab simulation

Trang 273