Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay tt

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

Hà Thanh Hải

MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
GIA CÔNG PHAY
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội - 2020


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Phan Bùi Khôi
2. PGS.TS. Hoàng Vĩnh Sinh

Phản biện 1: PGS.TS. Trần Đức Tăng
Phản biện 2: PGS.TS. Tạ Khánh Lâm
Phản biện 3: PGS.TS. Vũ Lê Huy

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Vào hồi.…giờ….. ngày…. tháng….. năm……

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
CỦA LUẬN ÁN
1. Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải. Khảo sát động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động
cho robot gia công cơ khí. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc, Tập
2. Động lực học – máy và robot, Đà Nẵng 3-5.08.2015, trang 407-418.
2. Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải. Động lực học robot trong quá trình gia công cơ khí.
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc, Tập 2. Động lực học –máy và
robot, Đà Nẵng 3-5.08.2015, trang 419-427
3. Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải. Force analysis of a robot in machining process.
National Conference on Machines and Mechanics 2015, Ho Chi Minh City, 30.101.11.2015, trang 346-359.
4. Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải, Hoàng Vĩnh Sinh. Xác định phản lực tại các khớp
robot khi gia công cơ khí. Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học toàn quốc lần
thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, 7-8.10.2016, trang 478-483.
5. Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải, Hoàng Vĩnh Sinh. Điều khiển động lực học ngược
robot tác hợp khi gia công phay. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc
lần thứ X, Tập 1. Động lực học và Điều khiển Cơ học máy, Hà Nội 8-9.12.2017,
trang 352-361.
6. Hà Thanh Hải, Đỗ Thị Kim Liên, Phan Bùi Khôi. Thiết kế quỹ đạo và mô phỏng
hoạt động của robot tác hợp gia công tạo hình bề mặt cong phức tạp. Tuyển tập
công trình khoa học Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Kỷ niệm 40 năm thành
lập Viện Cơ học, Hà Nội 09/04/2019, Tập 2. Động lực học và Điều khiển, Cơ học
Máy, Cơ học Thủy khí, trang 211-219.
7. Hà Thanh Hải, Hoàng Vĩnh Sinh, Hà Huy Hưng, Phan Bùi Khôi. Điều khiển trong
không gian thao tác robot gia công tạo hình bề mặt phức tạp. Tuyển tập công trình
khoa học Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ
học, Hà Nội 09.04.2019.

8. Ha Thanh Hai. Effect of cutting forces on the form-shaping motion in robotic milling.
American Journal of Engineering Research, vol. 8, Issue 7, 2019, pp. 176-185
9. Ha Thanh Hai. Kinematic Modelling of a Robot in Form-shaping Milling Complex
Surfaces. European Journal of Engineering Research and Science vol.4.11 no.11,
November 2019, pp. 26-31.
10. Ha Thanh Hai. Inverse dynamic analysis of miling machining robot: application
in calibration of cutting force. Vietnam Journal of Science and Technology 57 (6)
(2019), pp 773-787.
11. Phan Bui Khoi, Ha Thanh Hai, Hoang Vinh Sinh. Dynamic analysis of robot in
machining. International Journal of Mechanical and Production Engineering
Research and Development (IJMPERD), Vol. 10, Issue 1, Feb 2020, pp. 223–236
12. Khoi Bui Phan, Hai Thanh Ha, Sinh Vinh Hoang. Eliminating the effect of
uncertainties of cutting forces by fuzzy controller for robots in milling process.
Applied siences Journal, under review.



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Robot công nghiệp đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong gia
công cơ bởi những lợi ích lớn về mặt kinh tế và kỹ thuật.
Ưu điểm của robot là với cấu trúc dạng chuỗi gồm nhiều khâu,
khớp, nhiều bậc tự do, làm cho robot có khả năng linh hoạt cao hơn,
không gian gia công lớn hơn so các máy công cụ thông thường. Robot
có thể gia công được những bề mặt có cấu trúc không gian phức tạp
khác nhau chỉ bằng một số rất ít nguyên công. Robot có khả năng gia
công được các bề mặt với yêu cầu về độ chính xác tương đối từ thấp
đến cao đối với các loại vật liệu khác nhau.
Tuy nhiên, bên cạnh các ưu thế, còn những thách thức, những vấn
đề khó khăn cần tập trung nghiên cứu và giải quyết để có thể nâng cao

khả năng ứng dụng gia công cơ khí trên robot. Khó khăn lớn nhất là
việc đảm bảo độ chính xác tuyệt đối gia công của robot. Khó khăn tiếp
theo là với cấu trúc nhiều bậc tự do dạng chuỗi nhiều bậc tự do cũng
dẫn đến sự khó khăn trong việc tính toán và điều khiển để robot thực
hiện gia công các bề mặt phức tạp.
Trong các nhiệm vụ công nghệ cần thực hiện để đảm bảo gia công
phay trên robot, ngoài nhiệm vụ tính toán xác định chế độ cắt và các
tham số công nghệ phù hợp, cần thực hiện nhiệm vụ tính toán thiết kế
quĩ đạo cho robot để đảm bảo chuyển động tạo hình. Cần thiết kế các
bộ điều khiển đảm bảo việc điều khiển các khâu khớp của robot
chuyển động chính xác quá trình gia công, sao cho giảm thiểu ảnh
hưởng của lực cắt, các yếu tố bất định khi gia công.
Đã có nhiều nghiên cứu về động học, động lực học và điều khiển
của robot cho các ứng dụng khác nhau, tuy nhiên việc giải quyết các
vấn đề này để ứng dụng gia công phay trên robot vẫn cần tiếp tục
nghiên cứu và giải quyết. Luận án chọn đề tài:
“Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay”
đề tiếp tục giải quyết các vấn đề trên.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đưa ra phương pháp thiết kế quĩ đạo chuyển động đảm bảo động
học tạo hình khi thực hiện gia công phay trên robot.
- Thiết lập mô hình toán học cho phép khảo sát tính toán động lực
học robot một cách thuật lợi và hiệu quả.
1


- Xây dựng những giải thuật tính toán và điều khiển robot để khắc
phục hoặc loại trừ các yếu tố bất định trong mô hình động lực học của
robot khi gia công phay.
3. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý
thuyết với tính toán, mô phỏng số.
- Nghiên cứu lý thuyết về ứng dụng gia công cơ khí trên robot, khảo
sát động lực học robot khi gia công cơ khí, phương pháp thiết kế quỹ
đạo chuyển động cho robot gia công phay tạo hình bề mặt, các thuật
toán điều khiển robot khi gia công phay.
- Phương pháp tính toán, thiếp lập, giải thuật để giải các hê phương
trình động học, động lực học nhờ máy tính. Giải thuật tính toán, hiệu
chỉnh lực cắt và sai lệch lực cắt. Giải thuật tính toán, điều khiển chuyển
động robot gia công phay.
- Phương pháp mô phỏng số cho phép đánh giá các kết quả tính
toán lý thuyết.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: cung cấp cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế quĩ
đạo chuyển động cho robot gia công tạo hình các bề mặt phức tạp.
Cung cấp cơ sở tính toán, lựa chọn, thiết kế các bộ điều khiển robot
gia công phay. Ngoài ra còn cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tính
toán mô men, phản lực tại các khớp, lực tác động của các khâu để tính
toán, thiết kế, chế tạo robot đáp ứng yêu cầu gia công cơ khí.
- Ý nghĩa thực tiễn: Các chương trình được lập, các phương pháp
điều khiển cho phép ứng dụng để xây dựng bộ điều khiển cho robot.
Kết quả tính toán các phản lực tác động vào các khâu, khớp của robot
trong quá trình gia công cung cấp cơ sở cho việc tính toán, thiết kế,
chế tạo robot công nghiệp gia công cơ khí.
5. Những đóng góp mới của luận án
- Xây dựng mô hình toán học của robot gia công cơ cho phép khảo
sát tính toán động lực học một cách thuật lợi và hiệu quả.
- Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế quĩ đạo chuyển động
đảm bảo động học tạo hình khi thực hiện gia công phay bằng robot.
- Xây dựng những giải thuật tính toán và điều khiển robot để khắc

phục hoặc loại trừ các yếu tố bất định trong mô hình động lực học của
robot khi thực hiện quá trình phay.
6. Cấu trúc của nội dung luận án
2


1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Tổng quan gia công cơ khí trên robot công nghiệp
1.1.1 Sự phát triển của gia công cơ khí trên robot công nghiệp
- Robot công nghiệp đã được dùng trong nhiều ứng dụng phổ biến
như hàn, sơn, vận chuyển, lắp ráp, phục vụ cho các máy CNC.
- Việc ứng dụng gia công cơ khí trên robot công nghiệp đã và đang
được nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ trên thế giới, đặc biệt ở những
nước công nghiệp phát triển.
- Ứng dụng gia công cắt gọt kim loại trên robot vẫn đang là một
thách thức lớn, và có nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải quyết để làm
tăng độ chính xác gia công cho robot
1.1.2 Ưu thế của việc gia công cơ khí trên robot
Do có cấu trúc nhiều bậc tự do dạng chuỗi, nên robot có khả năng
linh hoạt trong gia công, không gian gia công của robot rộng, cho phép
robot gia công được chi tiết lớn có các bề mặt phức tạp với số ít nguyên
công. Robot có khả năng thực hiện nhiều thao tác trong nhiều ứng
dụng khác nhau cùng lúc. Lợi thế về giá thành đầu tư robot và giá gia
công sản phẩm đó là việc đầu tư cho một máy CNC 4 trục có giá cao
gấp khoảng 8 lần một robot 6 bậc tự do. Giá gia công trên robot có thể
giảm đến 30% so với các phương pháp gia công thông thường.
1.1.3 Những vấn đề gia công cơ khí trên robot công nghiệp
Robot có nhiều khâu khớp, chuyển động của dao cắt là chuyển động
tổng hợp của nhiều khâu nên việc tính toán động học, động lực học để
đảm bảo chuyển động gia công tạo hình khó khăn, phức tạp... Việc xác

định chính xác các thành phần trong phương trình động lực học gặp
nhiều khó khăn, đặc biệt là lực cắt, do lực cắt luôn thay đổi về giá trị và
hướng. Độ cứng vững của robot thấp, nên dễ bị dao động dưới tác dụng
của lực cắt, gây ảnh hưởng độ chính xác. Khó khăn trong việc xây dựng
mô hình động lực học, với các yếu tố bất định dẫn đến khó khăn trong
việc tính toán điều khiển robot gia công chính xác
1.2 Cơ sở động học, động lực học tạo hình khi gia công phay
1.3 Cơ sở động lực học gia công phay trên robot
1.3.1 Sự cần thiết khảo sát động lực học robot gia công
1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát của robot
M(q)q   (q,q)  G(q)  Q  U
(1.38)
Việc tính toán sẽ trình bày cụ thể trong chương 3, ở đây chỉ nêu ra
phương trình để nêu ra bài toán.
3


1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học robot khi gia công
Lực cắt là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng trong phương trình
động lực của robot. Độ chính xác tính toán lực cắt sinh ra trong quá
trình gia công ảnh hưởng khả năng điều khiển chuyển động thao tác
của robot. Lực cắt sinh ra trong quá trình gia công, phụ thuộc nhiều
yếu tố như vật liệu, chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt, điều kiện gia
công,… Ngoài ra, lực cắt tác dụng vào khâu thao tác ở cuối chuỗi động
học nhiều khâu nên việc tính toán, biểu diễn lực cắt trong phương trình
vi phân chuyển động của robot là phức tạp
1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mô
hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay
Có rất nhiều các công trình khác nhau ở trong và ngoài nước ở đã
công bố nghiên cứu nâng cao độ chính xác để ứng dụng gia công cơ

khí trên robot. Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu nào trình bày
tổng quát, đầy đủ, rõ ràng và chi tiết về việc khảo sát động lực học và
điều khiển cho hệ robot – bàn máy có n + m bậc tự do gia công phay.
Việc thành lập mô hình động lực học cho hệ robot – bàn máy gia công
phay bằng lập trình trên máy tính chưa được trình bày đầy đủ trong
các công trình đã công bố. Trong các công trình công bố, việc áp dụng
bộ điều khiển logic mờ cho robot gia công phay tạo hình chưa được
trình bày đầy đủ cho mô hình robot có nhiều bậc tự do. Vẫn còn những
vấn đề cần giải quyết liên quan đến thiết kế quĩ đạo chuyển động cho
robot gia công tạo hình, liên quan đến việc kiểm soát và khắc phục ảnh
hưởng của sự biến đổi của lực cắt đến độ chính xác gia công. Đây cũng
là những vấn để mà luận án đặt ra để nghiên cứu và giải quyết.
1.5 Các vấn đề nghiên cứu trong luận án
Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan các vấn đề bao gồm: Lợi ích, khó
khăn của việc ứng dụng gia công cơ khí trên robot. Các vấn đề cần đã
và đang được nghiên cứu để nâng cao khả năng, hiệu quả gia công trên
robot. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước và
đưa ra các vấn đề cần nghiên cứu của luận án.

4


2 CHƯƠNG 2. ĐỘNG HỌC TẠO HÌNH CỦA ROBOT TRONG
GIA CÔNG CƠ KHÍ
Nội dung chương bao gồm cơ sở lý thuyết động học tạo hình gia
công cơ khí trên robot, xây dựng mô hình động học, thiếp lập phương
trình động học, thiết kế quỹ đạo chuyển động và giải các bài toán
động học cho hệ robot bàn máy tổng quát có n + m bậc tự do thực hiện
quá trình gia công phay.

2.1 Cơ sở động học gia công tạo hình bề mặt
2.1.1 Cơ sở động học tạo hình các bề mặt tự do của dụng cụ
2.1.2 Phương pháp tạo hình bề mặt tự do
2.2 Cơ sở thực hiện động học tạo hình của robot trong gia công
2.2.1 Đặc trưng hình học của dụng cụ
Bề mặt dụng cụ tại được đặc trưng bởi hệ trục OExEyEzE
2.2.2 Đặc trưng hình học của bề mặt gia công
Bề mặt gia công tại mỗi thời điểm gia công được đặc trưng bởi hệ
trục Ofixfiyfixfi.
2.2.3 Phương pháp tam diện trùng theo
Điều kiện để thực hiện quá trình gia công tạo hình bề mặt đối tượng
công nghệ tại mỗi thời điểm gia công có OExEyEzE  Ofixfiyfixfi
2.3 Động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot
2.3.1 Động học robot gia công cơ khí

Hình 2.3 Mô hình cấu trúc động học robot gia công cơ khí

Mô hình động học hệ robot – bàn máy gia công được cho như hình
2.3. Áp dụng các phương pháp Denavit-Hartenberg, tọa độ suy rộng,
tam diện trùng theo, phương pháp ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần
nhất, thiết lập được hệ phương trình động học gồm n + m phương trình
như (2.12).
5


f(X) = f(q,p) = 0; f   f1 , f 2 ,..., f n  m 

T

(2.12)

q – vector tọa độ khớp
q   q1 ,q 2 ,...,q n  m 
(2.15)
Vector tọa độ định vị dụng cụ cắt theo yêu cầu công nghệ:

p   p1 , p 2 ,..., ps  , s  6
T

(2.17)

2.3.2 Giải bài toán động học
Bài toán động học thuận: xác định p, p, p khi biết q,q,q từ (2.12)
Bài toán động học ngược: xác định q,q,q khi biết p, p, p từ (2.12)

2.3.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu thao tác công nghệ
Bước 1: thiết kế quỹ đạo hình học:
Bước 2: Thiết kế quỹ đạo động học:
2.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể
Bài toán 2.1: Khảo sát động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động
cho hệ robot - bàn máy có 8 bậc tự do, gia công phay bề mặt thân giữa
bơm thủy lực làm bằng thép C40 có độ cứng 235 HB hình 2.4

Hình 2.4 Mô hình cấu trúc động học của hệ robot –bàn máy gia công

Phương trình động học (2.12) xét cho 2 trường hợp khi bàn máy cố
định n = 6, khi bàn máy di động thì n= 6 và m = 2
Dùng dao pháy ngón đầu trụ làm bằng vật liệu P6M5, số răng xoắn
4, đường kính dao 20mm, chiều dài dao 104mm
Chế độ cắt khi gia công: vc = 61,14 m/ph, Sr = 0,1 mm/răng; h0 = 2,2 mm

Quy luật dịch chuyển giữa dao và đối tượng gia công hình 2.6b

6


a.

b.

Hình 2.6 Thân giữa bơm thủy lực gia công bằng robot

Kết quả tính toán và mô phỏng
Hình 2.8 và hình 2.9 đều biểu diễn 3 đoạn khác nhau (1,2,3) ứng
với hai hành trình cắt và một hành trình chuyển tiếp

Hình 2.8 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khâu của robot ứng với trường hợp bàn
máy cố định.

Hình 2.9 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khâu của robot ứng với trường hợp
bàn máy di động.

7


Bài toán 2.2: Khảo sát động học ngược và thiết kế quỹ đạo chuyển
động cho hệ robot – bàn máy có 7 bậc tự do gia công phay tạo hình bề
mặt cong cánh tuabin bằng thép C40 có độ cứng 235 HB hình 2.10

Hình 2.10 Mô hình robot ứng dụng phay bề mặt cánh tuabin

Phương trình động học (2.12) có n = 6 và m = 1
Dùng dao pháy ngón đầu cầu của hãng Lamina Technogies để gia
công, số răng xoắn 2, đường kính dao 10mm, chiều dài dao 72 mm
Chế độ cắt khi gia công: vc = 80m/ph, Sr = 0,1 mm/răng; h0 = 0,3 mm
Quy luật dịch chuyển giữa dao và đối tượng gia công hình 2.12

Hình 2.12 Biểu diễn một quy luật dịch chuyển giữa dao và cánh tua bin

Kết quả tính toán và mô phỏng

Hình 2.14 Chuyển động của các khớp của robot khi phay
bề mặt cánh tuabin

8


Bài toán 2.3: Khảo sát động học ngược, thiết kế quỹ đạo chuyển
động cho hệ robot – bàn máy có 6 bậc tự do gia công phay tạo hình bề
mặt chi tiết khuôn mẫu đúc bằng vật liệu Ti6AL4V hình 2.15

Hình 2.15 Mô hình động học robot ứng dụng phay bề mặt chi tiết

Phương trình động học (2.12) có n= 6 và m = 0
Dùng dao pháy ngón đầu cầu để gia công, số răng xoắn 2, đường
kính dao 8mm, chiều dài dao 63 mm
Chế độ cắt khi gia công: n = 4000vg/ph, Sr = 0,1 mm/răng; h0 = 0,2 mm
Bề mặt gia công đườn tròn với bán kính r = 50mm

Hình 2.18 Quy luật chuyển động của dụng cụ khi gia công phay

Hình 2.19 Quy luật chuyển động của các khớp robot khi gia công phay

Kết luận chương 2
Chương 2 đã xây dựng được mô hình động học, khảo sát bài toán
động học và áp dụng được phương pháp tam diện trùng theo trong việc
thiết kế quỹ đạo chuyển động cho hệ robot - bàn máy n + m bậc tự do
thực thiện gia công phay tạo hình bề mặt theo yêu cầu công nghệ. Kết
quả của việc thiết kế quỹ đạo chuyện động và giải bài toán động học
cho hệ robot – bàn máy làm cơ sở cho khảo sát động học và điều khiển.

9


3 CHƯƠNG 3. ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG
Chương này trình bày việc khảo sát động lực học cho mô hình hệ
robot tổng quát có n + m bậc tự do ứng dụng trong gia công cơ khí.
Đồng thời áp dụng phương trình động lực của hệ robot – bàn máy, đưa
ra phương pháp xác định, hiệu chỉnh lực cắt. Đưa thêm phương pháp
xác định phản lực liên kết qua phương trình động lực học.
3.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot
Phương trình vi phân chuyển động của hệ robot – bàn máy:
M(q)q   (q,q)  G(q)  Q  U
(3.2)
Ở đây:
n m

(3.3)
M(q)     J TTi mi J Ti + i J TRi ci Θci i J Ri  
 i=1


n

  q,q    1 ,  2 ,..,  n  m  ,  j    k,l; jq k q l ,

(3.6)

G  q    g1 ,g 2 ,..,g n  m  , g j   / q j

(3.8)

T

k,l 1

T

T
Q   J TTc , J TRc   Fc , M c    J Tr
, J TRr   Fr , M r   J T R

(3.18)

Vector (Fc,Mc) là lực cắt, mô men của dụng cụ cắt, ngược lại vector
(Fr,Mr) lực, mô men tương hỗ (Fc,Mc) trên đối tượng công nghệ.

U   U1 , U 2 ,.., U n  m  , U i  i
T

(3.19)

Ở đây i là lực dẫn động tại các khớp, với khớp tịnh tiến i là lực,
là mô men với khớp quay.
3.2 Các mô hình lực cắt
3.3 Bài toán động lực học hệ robot – bàn máy khi gia công cơ khí
Bước 1: Mô hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy,
xác định các tham số động lực học.
Bước 2: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động
Bước 3: Bài toán động lực học thuận
Bước 4: Bài toán động lực học ngược
Bước 5 : Bài toán động lực học hỗn hợp
3.4 Bài toán xác định phản lực liên kết tại các khớp
Bước 1: Mô hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy,
xác định các tham số động lực học.
Bước 2: Xác định vị trí khớp và hướng cần xác định phản lực liên kết.
Bước 3: Giả thiết giải phóng liên kết và đưa vào bậc tự do giả định.
10


Bước 4: Ký hiệu tọa độ suy rộng ứng với bậc tự do giả định, thiết
lập hệ phương trình vi phân chuyển động
Bước 5: Dẫn ra điều kiện ràng buộc phụ về chuyển động ứng với
bậc tự do giả định.
Bước 6: Giải các bài toán động lực học với các điều kiện ràng buộc
phụ kể trên
3.5 Bài toán hiệu chỉnh lực cắt và xác định lực cắt trong quá trình
hệ robot - bàn máy thực hiện gia công phay
Bước 1: Mô hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy,
xác định các động lực học.
Bước 2: Thiết lập phương trình động học của robot
Bước 3: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot

Bước 4: Giải bài toán động lực thuận
Bước 5: Giải bài toán động học ngược
Bước 6: Hiệu chuẩn tính lực cắt khi gia công tạo hình bề mặt
Bước 7: Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của robot
khi có kể đến sai lệch lực cắt
M(q)q  C(q,q)  G(q)  Q  Q  U
(3.66)
Bước 8: Xác định lực cắt và sai lệch lực cắt
3.6 Khảo sát một số bài toán cụ thể
Bài toán 3.1: Cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, phay bề mặt
chi tiết hình 2.4
Phương trình động lực học (3.2) xét cho 2 trường hợp khi bàn máy
cố định n = 6, m = 0, khi bàn máy di động thì n = 6 và m = 2
a. Khảo sát động lực học ngược cho hệ robot gia công phay thân
giữa bơm thủy lực 1. Gia công theo đường dích dắc

Hình 3.9 Mô men dẫn động tại các
khớp của robot khi bàn máy cố định

Hình 3.10 Mô men dẫn động tại
các khớp và bàn máy di động

Dùng dao pháy ngón, chế độ cắt, quy luật dịch chuyển giữa dao và
đối tượng gia công khi phay như bài toán 2.1. Giá trị lực cắt theo các
11


phương x, y, z: Fx=780N; Fy=720N; Fz=580N
b. Khảo sát động lực học cho hệ robot gia công phay thân giữa
bơm thủy lực 1. Gia công theo đường dụng cụ là đường cong

Hình 3.11
Hình 3.13
Trên hình 3.11 chỉ ra quỹ đạo đường chạy dao Cf. trong khi phay.
Hình 3.13 biểu diễn các lực cắt được tính từ công thức thực nghiệm.
Kết quả tính toán và mô phỏng: Hình 3.14 Mô men dẫn động tại
các khớp của robot. Hình 3.15 Quy luật chuyển động của các khâu

Hình 3.14

Hình 3.15

c. Khảo sát động lực học ngược cho hệ robot gia công phay thân
giữa bơm thủy lực 2. Gia công theo đường tròn
Kết quả tính toán và mô phỏng khi phay theo đường dụng cụ Cf là
đường tròn bán kính 0,09m,

1. lực cắt đường màu đỏ biểu thị giá trị trung bình không có sai lệch,
2. lực cắt đường màu xanh xét đến sai lệch do rung động.
Hình 3.21 Lực cắt gia công

12


1. đường màu đỏ không sai lệch lực cắt,
2. đường màu xanh có sai lệc lực cắt
Hình 3.22 Lực dẫn động:
Từ hình 3.22 cho thấy lực dẫn động tại các khớp của hệ robot càng
gần dụng cụ càng chịu ảnh hưởng của sai lệch lực cắt hơn.
d. Khảo sát động lực học ngược cho hệ robot gia công phay bề

mặt mẫu đúc con trượt làm bằng liệu Ti6AL4V.

Hình 3.23 Chi tiết gia công và đường chạy dao
Dùng dao phay ngón đường kính 12.7 mm, hai lưỡi cắt, giới hạn
giới góc cắt từ st=0 đến st=. Một chu trình phay theo đường dụng
cụ Cf là nửa đường tròn bán kính 40mm
Kết quả tính toán và mô phỏng

1. màu đỏ cho trường hợp 1; 2. màu xanh cho trường hợp 2
Hình 3.28 Lực cắt khi gia công

13


1. màu đỏ cho trường hợp 1; 2. màu xanh cho trường hợp 2
Hình 3.29 Mô men dẫn động tại các khớp

Từ hình 3.29 cho thấy lực dẫn động tại các khớp phụ thuộc vào lực
cắt
e. Khảo sát động lực học ngược, động lực học thuận cho hệ robot
khi phay bề mặt khuôn mẫu đúc 2 làm bằng vật liệu Ti6AL4V

Hình 3.31 Chi tiết gia công mẫu khuôn đúc, quy luật đường chạy dao

Dùng dao phay ngón đầu cầu có đường kính D = 8 mm, gia công phay
thuận bề mặt với đường dụng cụ là đường tròn bán kính 90mm.
Kết quả tính toán và mô phỏng

Hình 3.34 Mô men dẫn động tại các khớp của robot
14

Hình 3.35 Quy luật chuyển động của các khâu (vị trí) từ tích
phân phương trình chuyển động
Các kết quả giải bài toán động lực học cho thấy độ chính xác của
chuyển động tạo hình và do đó độ chính xác gia công chịu ảnh hưởng
của lực cắt.
Bài toán 3.2: Cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, phay bề mặt
chi tiết hình 2.4. Xác định phản lực liên kết động tại khớp 2, theo
phương thẳng.
Phương trình động lực học (3.2), khi bàn máy cố định n = 6, khi
bàn máy di động thì n = 6 và m = 2
Khảo sát quá trình phay với hành trình là một nửa đường tròn bán
kính r = 73mm, v = 25mm/s, Ft:= 400N; Fr:=100N; Fz:=300N.
Kết quả tính toán và mô phỏng

Hình 3.41

Hình 3.42

Các đồ thị hình 3.41 là các mô men dẫn động các khâu của robot.
Đồ thị trên hình 3.42 diễn phản lực liên kết cần tìm.
Nhìn vào đồ thị hình 3.42 thấy phản lực khớp động tại khớp 2 là
đường cong trơn thay đổi theo thời gian từ giá trị -2050N đến 2050N
cho hành trình phay
15


Bài toán 3.3: Cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, phay bề mặt
chi tiết hình 2.4.

Phương trình động lực học (3.2), (3.66), khi bàn máy cố định n =
6, m = 0 , khi bàn máy di động thì n = 6 và m = 2
a Hiệu chỉnh lực cắt qua thông tin của bộ điều khiển, khi hệ
robot thực hiện phay thân giữa bơm thủy lực như bài 3.1.b
Kết quả tính toán mô phỏng:.

Hình 3.44 Biểu diễn các lực cắt được hiệu chỉnh

b. Hiệu chuẩn tìm sai lệch lực cắt nhờ các thông tin do bộ điều
khiển, khi gia công phay thân giữa bơm thủy lực 2 ở bài toán 3.1c.
Kết quả tính toán mô phỏng:

Hình 3.45 Sai số lực cắt

Phương pháp hiệu chỉnh tính lực cắt dựa vào thông tin do bộ điều
khiển cung cấp cho độ tin cậy cao khắc phục được các sai lệch lực cắt
khi tính theo công thức thực nghiệm
Kết luận chương 3
Xây dựng được mô hình động lực học để khảo sát bài toán động
học, xác định phản lực liên kết của khớp động, hiệu chỉnh lực điều
khiển theo ảnh hưởng của sự biến đổi của lực cắt qua phương trình vi
phân chuyển động của robot, nhằm nâng cao độ chính xác gia công.
Kết quả của chương trình lập trình tính toán và mô phỏng số bài
toán động lực học ngược và hiệu chỉnh lực điều khiển theo ảnh hường
của lực cắt làm cơ sở để thiết kế bộ điều khiển ở chương 4.

16


4 CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN ROBOT TRONG GIA CÔNG

Trong chương này trình bày điều khiển PD + lực trong không gian
khớp, không gian thao tác và điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy n
+ m bậc tự do. Điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy sẽ khắc phục
những đại lượng chưa xác định được chính xác như lực cắt, lực ma
sát… trong phương trình động lực học, giúp nâng cao hiệu quả, độ
chính xác gia công.
4.1 Điều khiển hệ robot – bàn máy trong gia công cơ
4.1.1 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot khi gia công phay
4.1.2 Điều khiển động lực học ngược + PD trong không gian khớp
cho hệ robot - bàn máy

Hình 4.4 Mô hình điều khiển động lực ngược +PD trong không gian khớp

Chọn hệ luật điều khiển có dạng:
U  M(q)u   (q,q)  G(q)  Q

(4.9)

u  qd  K De  K pe

(4.11)

K P  diag K P1 , k P2 ,.., k P(n  m) ;K Pi  0,i  1, 2,..., n  m

(4.12)

K D  diag k D1 , k D2 ,.., k D(n  m) ;K Di  0,i  1, 2,...,n  m

(4.13)

e  q d  q,e  q d  q,e  q d  q
(4.14)
4.1.3 Điều khiển động lực học ngược kết hợp với vòng ngoài PD
trong không gian thao tác cho hệ robot - bàn máy
Chọn hệ luật điều khiển có dạng:
U  M( q )J q1J p u p  ( q ,q )  M( q )J q1J q q  M( q )J q1J p p  G( q )  Q  q  (4.22)

u p  pp  K D ep  K p ep

(4.24)

K P  diag k p1 , k p2 ,.., k pn 

(4.25)

K D  diag k D1 , k D2 ,.., k Dn 

(4.26)
17


e p  pd  p,e p  p d  p,e p  p d  p

(4.27)

Hình 4.5 Mô hình điều khiển động lực ngược +PD trong không gian thao tác

4.2 Điều khiển hệ robot - bàn máy trong không gian khớp dựa trên
động lực học ngược + PD + Hiệu chuẩn tính toán lực cắt
4.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển động lực học ngược + PD + Hiệu

chuẩn tính toán lực cắt
4.2.2 Thuật toán hiệu chuẩn tính toán lực cắt
4.3 Điều khiển mờ hệ robot – bàn máy trong gia công cơ
4.3.1 Cơ sở về điều khiển mờ
4.3.2 Bộ điều khiển mờ cho gia công phay
Bước 1: Chọn tín hiệu đầu vào, ra cho bộ điều khiển mờ

e   e1 ,e2 ,...,e n  m  ,d e  e  e1 ,e 2 ,...,e n  m 

(4.40)

u   u1 , u 2 ,.., u n  m 

(4.41)

T

T

T

Bước 2: Mờ hóa dữ liệu tín hiệu vào, ra cho bộ điều khiển mờ

Hình 4.8 Mô tả các hàm thuộc của các sai số, vị trí, vận tốc

Miền giá trị vật lý của tín hiệu vào, ra (ei, e i , ui; i=1,..,n+m) được
chia thành 5 miền nhỏ (Xj, j=1..5). 5 miền vật lý nhỏ được xác định
bởi 5 tập mờ (Fj, j=1..5). 5 tập mờ được biểu diễn bằng 5 giá trị ngôn
18

Sai số vị trí
e(t)

ngữ (AL: âm lớn; AN: âm nhỏ; Z: zero; DN: dương nhỏ; DL: dương
lớn).
Chọn hàm thuộc dạng hình thang phải, tam giác, thang trái và được
biểu diễn như hình 4.8
Bước 3: Xây dựng luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ
Bảng 4.2 Hệ luật cho bộ điều khiển mờ
Lượng
Sai số vận tốc e(t)
điều
AL
AN
Z
DN
DL
chỉnh u(t)
AL
DL
DL
DL
DN
Z
AN
DL
DN
DN
Z

AN
Z
DL
DN
Z
AN
AL
DN
DN
Z
AN
AN
AL
DL
Z
AN
AL
AL
AL
Từ bảng 4.2 ta thiết lập được một hệ luật hợp thành (4.49):
R1: Nếu e(t) là AL và ė (t) là AL thì u(t) là DL hoặc
…
(4.49)
R25: Nếu e(t) là DL và ė (t) là DL thì u(t) là AL.
Bước 4: Thiết lập thiết bị hợp thành cho bộ điều khiển mờ
Tổng hợp giá trị đầu ra tức là tập hợp các tập mờ đơn lẻ ở đầu ra
thành một tập mờ chung theo quy tắc Max-min.
Bước 5: Giải mờ
Xác định giá trị rõ từ tập mờ, ở đây dùng phương pháp trọng tâm
4.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể

Bài toán 4.1: Hãy thiết kế bộ điều khiển động lực ngược + PD
trong không gian khớp cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, thực
hiện gia công phay tạo hình bề mặt chi tiết như hình 2.4.
a. Mô phỏng điều khiển trong quá trình phay mặt phẳng hình
vành khuyên của thân đế, có lực cắt không đổi khi phay

Hình 4.15 Chi tiết và quĩ đạo gia công

Chọn các giá trị KP, KD như sau:
19


K P  diag 9000,...,9000 , K D  diag 180,...,180
(4.64)
Dùng dao pháy ngón đầu trụ, chế độ cắt như bài toán 3.1a,b
Kết quả tính toán và mô phỏng

Hình 4.16 Kết quả mô phỏng điều khiển phay, khi lực cắt không đổi

Từ kết quả điều khiển cho thấy thời gian quá độ dưới 0.2s, sai số
vị trí khớp là 10-4 rad

b Mô phỏng điều khiển phay bề mặt thân giữa bơm thủy lực 1,
khi phay có lực cắt tính toán sai lệch so với thực tế 20%.
Chọn các giá trị KP, KD như sau:
K P  diag 6400,...,6400 , K D  diag 160,...,160

(4.66)

Kết quả tính toán và mô phỏng

Hình 4.17 Kết quả mô phỏng điều khiển phay, khi lực cắt sai lệch 20%

Từ kết quả điều khiển cho thấy có sai lệch đáng kể giữa vị trí thực
và vị trí đặt của các khớp, nguyên nhân khi gia công sai lệch lực cắt
tính toán với lực thực 20%.
Bài toán 4.2: Hãy thiết kế bộ điều khiển động lực ngược + PD
trong không gian thao tác cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, gia
công phay mặt phẳng hình vành khuyên của thân đế như hình 2.4
Chọn các giá trị KP, KD như sau:
20


K P  diag 6400,...,6400 , K D  diag 160,...,160
Kết quả tính toán và mô phỏng

Vị trí đặt;

Vị trí thực;

(4.78)

Sai số

Hình 4.20 Kết quả điều khiển trong không gian thao tác

Từ kết quả điều khiển cho thấy thời gian quá độ dưới 0.4s, độ chính
xác 10-4 rad, 10-5m
Bài toán 4.3: Hãy thiết kế bộ điều khiển động lực ngược + PD có
tích hợp khối hiệu chỉnh lực cắt trong không gian khớp cho hệ robot –

bàn máy có 8 bậc tự do, thực hiện gia công phay tạo hình bề mặt thân
giữa bơm thủy lực 1 (hình 2.4), khi phay có lực cắt tính toán sai lệch
so với thực tế 20%.
Chọn các giá trị KP, KD như sau:
K P  diag 6400,...,6400 , K D  diag 160,...,160
(4.82)
Kết quả tính toán và mô phỏng

Vị trí đặt;

Vị trí thực;

Sai số

Hình 4.21 Kết quả mô phỏng điều khiển, khi có khối bù có sai lệch về
giá trị lực cắt 20%

21