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

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2020

i


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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Phan Bùi Khôi
2. PGS.TS. Hoàng Vĩnh Sinh

Hà Nội – 2020
ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án “Mô hình hóa động lực
học và điều khiển robot gia công phay” do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập
thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi và PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh. Các
kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố
trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào!
Hà Nội,
thán
năm 2020
ngày
g
Người hướng dẫn
Khoa học 1

Người hướng dẫn
Khoa học 2

Nghiên cứu sinh

PGS.TS Phan Bùi Khôi

PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh

Hà Thanh Hải

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn sự chỉ dạy, sự tạo điều kiện giúp
đỡ quí báu của các quí thầy cô Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp, Bộ
môn Cơ học ứng dụng, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nơi nghiên
cứu sinh đã được học tập và nghiên cứu trong quá trình hoàn thành luận án.
Tiếp đến, nghiên cứu sinh xin cảm ơn các nhà khoa học, các bạn bè, đồng nghiệp
đã giúp đỡ, chỉ bảo, đóng góp ý kiến cho nghiên cứu sinh để nghiên cứu sinh hoàn
thành luận án của mình.
Luận án sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự chỉ dạy, hướng dẫn tận tình,
quý giá của các thầy hướng dẫn. Sự hướng dẫn không biết mệt mỏi của các thầy đã
giúp nghiên cứu sinh vượt qua nhiều khó khăn, nhiều giới hạn để có thể hoàn thành
luận án. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phan Bùi Khôi,
PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh đã dành nhiều công sức hướng dẫn nghiên cứu sinh trong
suốt quá trình nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, đồng nghiệp
Trường Cao đẳng công trình đô thị, đã động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ
nghiên cứu trong quá trình nghiên cứu.
Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin dành sự biết ơn tới vợ, các con, bố, mẹ, những
người thân trong gia đình về sự động viên, sự chia sẻ, hi sinh lớn lao để nghiên cứu
sinh hoàn thành luận án.

Hà Nội, ngày
tháng năm 2020
NGHIÊN CỨU SINH

Hà Thanh Hải

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................... ii
MỤC LỤC............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ......................................................... xi
MỞ ĐẦU..............................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU...............................6
1.1 Tổng quan gia công cơ khí trên robot công nghiệp.....................................6
1.1.1 Sự phát triển của gia công cơ khí trên robot công nghiệp.....................6
1.1.2 Ưu thế của việc gia công cơ khí trên robot........................................... 7
1.1.3 Những vấn đề gia công cơ khí trên robot công nghiệp.........................9
1.2 Cơ sở động học, động lực học tạo hình khi gia công phay........................10
1.2.1 Cơ sở động học phay tạo hình bề mặt chi tiết..................................... 10
1.2.2 Các thông số động học quá trình cắt khi phay.................................... 10
1.2.3 Tổng quan về lực cắt và các phương pháp xác định lực cắt khi phay. 14
1.2.3.1 Tổng quan các mô hình xác định lực cắt khi phay.......................15
1.2.3.2 Các thành phần của lực cắt trong gia công phay..........................15
1.3 Cơ sở động lực học gia công phay trên robot............................................ 20
1.3.1 Sự cần thiết khảo sát động lực học robot gia công.............................20
1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát của robot.................................. 20
1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học robot khi gia công...............21
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................................................ 21
1.5 Các vấn đề nghiên cứu trong luận án........................................................ 23
Kết luận chương 1........................................................................................... 24

CHƯƠNG 2. ĐỘNG HỌC TẠO HÌNH CỦA ROBOT TRONG GIA CÔNG CƠ KHÍ 26

2.1 Cơ sở động học gia công tạo hình bề mặt.................................................. 26
2.1.1 Cơ sở động học tạo hình các bề mặt tự do của dụng cụ......................26
2.1.2 Phương pháp tạo hình bề mặt tự do.................................................... 28
2.2 Cơ sở thực hiện động học tạo hình của robot trong gia công....................28
2.2.1 Đặc trưng hình học của dụng cụ......................................................... 28
2.2.2 Đặc trưng hình học của bề mặt gia công............................................ 28
2.2.3 Phương pháp tam diện trùng theo....................................................... 28
2.3 Động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot...............................29
2.3.1 Động học robot gia công cơ khí......................................................... 29
2.3.2 Giải bài toán động học....................................................................... 33
iii


2.3.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu thao tác công nghệ ....... 36
2.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể ................................................................
39
Kết luận chương 2 ............................................................................................
56
CHƯƠNG 3. ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG........................................
57
3.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot ............................
57
3.1.1 Ma trận khối lượng suy rộng của hệ robot- bàn máy .........................
58
3.1.2 Lực suy rộng của lực Coriolis và lực ly tâm ......................................
59
3.1.3 Lực suy rộng của các lực có thế tác dụng lên robot ...........................
59

3.1.4 Lực suy rộng của của các lực không thế.............................................
59
3.1.5 Lực suy rộng của các lực dẫn động ....................................................
61
3.2 Các mô hính tính lực cắt ...........................................................................
63
3.3 Bài toán động lực học hệ robot – bàn máy khi gia công cơ khí ................
66
3.4 Bài toán xác định phản lực liên kết tại các khớp ......................................
67
3.5
Bài toán hiệu chỉnh tính toán lực cắt trong quá trình hệ robot – bàn máy
thực hiện gia công phay ........................................................................................
68
3.6 Khảo sát một số bài toán cụ thể ................................................................
70
Kết luận chương 3 ............................................................................................
97
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN ROBOT TRONG GIA CÔNG.............................................................
99
4.1 Điều khiển hệ robot – bàn máy trong gia công cơ ..................................
100
4.1.1 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot khi gia công phay .....................
100
4.1.2 Điều khiển động lực học ngược + PD trong không gian khớp cho hệ
robot - bàn máy ...............................................................................................
102
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 ..............................................................
104

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 ................................................
105
4.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển động lực học ngược + PD + Hiệu chuẩn tính
toán lực cắt ......................................................................................................
105
4.2.2 Thuật toán hiệu chuẩn tính toán lực cắt ............................................
106
4.3 Điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy trong gia công cơ .....................
106
4.3.1 Cơ sở về điều khiển mờ ....................................................................
107
4.3.2 Bộ điều khiển mờ cho gia công phay ...............................................
108
4.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể ..............................................................
112
Kết luận chương 4 ..........................................................................................
133
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO..................................................................
135
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.............................
137
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................
138
PHỤ LỤC..................................................................................................................................................................
1

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
v
D
n
Sz
Sv
Sph
h0
h
B
Z
a
amin
amax
atb
i

b

Fdt
Nz
fi

Diễn giải
Tốc độ cắt chính
Đường kính dao phay
Số vòng quay của dao
Lượng chạy dao răng

Lượng chạy dao vòng
Lượng chạy dao phút
Chiều sâu cắt
Chiều sâu phay
Chiều rộng phay
Góc tiếp xúc
Số răng của dao phay
Chiều dày cắt
Chiều dày cắt nhỏ nhất
Chiều dày cắt lớn nhất
Chiều dày cắt trung bình
Góc tiếp xúc tức thời
Chiều rộng cắt
Góc nghiêng lưỡi cắt chính
góc nâng của lưỡi cắt chính
Diện tích khi phay

Đơn vị
m/ph
mm
v/ph
mm/rg
mm/vg
mm/ph
mm
mm
mm
độ
mm
mm

mm
độ
mm
độ
độ
2

mm

F tb

Số răng đồng thời tham gia cắt ở một lớp cắt
Diện tích cắt do răng thứ i cắt ra
Diện tích cắt trung bình khi phay

F
Ft
Fr
Fz
Fx
Fy
pi
q
Mz
yp
xp
qp

Lực cắt tổng
Lực tiếp tuyến (lực vòng)

Lực hướng tâm (lực hướng kính)
Lực chiều trục (lực theo phương z)
Lực nằm ngang (lực theo phương x)
Lực thẳng (lực theo phương y)
Lực tiếp tuyến tác dụng lên răng thứ i
2
lực cắt đơn vị
N/mm
Mô men xoắn khi cắt của dao
Nmm
Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của lượng chạy dao
Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của chiều sâu phay to đến lực cắt F t
Số mũ chỉ sự ảnh hưởng của D đến Ft

dt

v

2

mm

2

mm
N
N
N
N
N

N
N


St
Ex

a(t)
as(t)
ad(t)
R
i

Góc vào dao
Góc dao ra
chiều dày của phoi cắt
chiều dày tĩnh do dao chuyển động
chiều dày động do dao rung động
Bán kính của dao phay
Góc vị trí của răng thứ i tham gia cắt

Chu kỳ chuyển động của răng
Góc xoắn (góc nghiêng của cạnh cắt dao)
Góc giữa 2 răng kề nhau
Ftra,i
Vector biểu diễn lực cắt, tiếp tuyến, hướng tâm và hướng
trục cho răng thứ i cắt
Ft,i
Lực tiếp tuyến do răng i cắt
Fr,i

Lực hướng tâm do răng i cắt
Fa,i
Lực chiều trục do răng i cắt
Kc
Vector hệ số hệ số lực cắt tiếp tuyến, hướng tâm và hướng
trục cho mô hình lực tuyến tính
Ktc
Hệ số lực cắt tiếp tuyến cho mô hình lực tuyến tính
Hệ số lực cắt hướng tâm cho mô hình lực tuyến tính
Krc
Kac
Hệ số lực cắt chiều trục cho mô hình lực tuyến tính
Ke
Vector hệ số hệ số lực cắt của răng theo các phương tiếp
tuyến, hướng kính và hướng trục đối với mô hình lực cắt
tuyến tính
Kte
Hệ số lực cắt của răng theo các phương tiếp tuyến với mô
hình lực tuyến tính
Kre
Hệ số lực cắt của răng theo các phương hướng kính với mô
hình lực tuyến tính
Kae
Hệ số lực cắt của răng theo các phương hướng trục với mô
hình lực tuyến tính
Kt
hệ số lực cắt theo hướng tiếp tuyến cho mô hình lực phi
tuyến
Kr
hệ số lực cắt theo hướng tâm cho mô hình lực phi tuyến

hệ số lực cắt theo hướng trục cho mô hình lực phi tuyến
Ka
Fxyz,tool
Vector biểu diễn lực cắt theo phương x, y, z
Ti( i)
Ma trận chuyển đổi hệ trục từ hệ trục tra sang hệ trục xyz
(z)
Góc lệch hướng tâm
Góc hợp bởi lực dFri với trục của dao
Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, biểu diễn vị trí và
i-1Ai
hướng của tọa độ Oixiyizi trong hệ tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1
T
Ma trận chuyển vị của ma trân A
A
vi

độ
độ
mm
mm
mm
mm
độ
độ
độ
N
N
N
N

2

N/mm
2
N/mm
2
N/mm
N/mm

N/mm
N/mm
N/mm
2

N/mm

2

N/mm
2
N/mm
N
độ
độ


θi
di
ai

i

cij
i-1Ci

r

i-1 i

0

Ai

Ci
ri
f(q,p)
p
q
qi
p
q
p
q

Jq
Jp
J 1q
J1

Góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục x’i

(x’i// xi)
Khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gốc tọa
độ Oi-1 chuyển đến Hi-1, giao điểm của trục xi và trục zi-1
Khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục xi để Hi-1
chuyến đến gốc tọa độ Oi
Góc quay quanh trục xi sao cho trục z’i-1 (z’i-1// zi-1) chuyển
đến trục zi
Phần tử ở hàng thứ i và cột thứ j của ma trận
Ma trận côsin chỉ hướng của hệ tọa độ Oixiyizi đối với hệ
tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1
Vector biểu diễn vị trí tọa độ của gốc Oi trong hệ tọa độ Oi1xi-1yi-1zi-1
Ma trận biểu diễn vị trí và hướng cho hệ tọa độ Oixiyizi
trong hệ tọa độ cơ sở O0x0y0z0
Ma trận côsin chỉ hướng của hệ tọa độ Oixiyizi đối với hệ
tọa độ cơ sở O0x0y0z0
Vector biểu diễn vị trí tọa độ của gốc Oi trong hệ tọa độ
O0x0y0z0
Hệ phương trình động học dạng ma trận
Vector định vị tọa độ thao tác của dụng cụ cắt
Vector tọa độ khớp
Vị trí của khớp i của robot
Vector vận tốc của dụng cụ cắt
Vector vận tốc tại các khớp của robot

độ, rad

Vector gia tốc của dụng cụ cắt

m/s
2

rad/s ,
2
m/s

Vector gia tốc ở các khớp của robot

mm
mm
độ, rad

mm

m
rad, m
rad, m
m/s
rad/s,
m/s
2

Ma trận Jacobian của hàm f với biến q
Ma trận Jacobian của hàm f với biến p
Ma trận nghịch đảo của ma trận Jq
Ma trận nghịch đảo của ma trận Jp

p

J

q

Đạo hàm ma trận Jacobian Jq theo thời gian t

p

Đạo hàm ma trận Jacobian Jp theo thời gian t
Hành trình lớn nhất robot có thể thực hiện theo phương j

J
Hj
vr
L

Vận tốc tương đối của dụng cụ đối với đối tượng gia công
Tổng chiều dài gia công ứng với hành trình Lj
vii

mm
m/s
mm


t_
Hj
t
0

A Ci

Ci

C

i

CT
i

rCi
M(q)
mi
vCi
i

ω
i

JTi
JRi
ci

ci

(q, q)

(k,l;j)

Gq
gj

U

g
i

Q
Fc
Mc

Thời gian gia công ứng với một hành trình Lj
Khoảng di chuyển bàn máy cần thực hiện theo phương j
Thời gian gia công
Ma trận biểu diễn vị trí và hướng của khâu i (hệ tọa độ
Cixciycizci) (i = 1,2,…,n) trong hệ tọa độ cơ sở O0x0y0z0
Ma trận cosin chỉ hướng của khâu i đối với hệ tọa độ cơ sở
O0x0y0z0
Ma trận đạo hàm của ma trận Ci
Ma trận chuyển vị của ma trận Ci
Vector xác định vị trí khối tâm khâu i trong hệ tọa độ cơ
sở O0x0y0z0
Ma trận khối lượng suy rộng
Khối lượng khâu i
Vận tốc của khối tâm của khâu i trong hệ tọa độ O0x0y0z0
Vận tốc góc của khâu thứ i của robot trong hệ tọa độ
O0x0y0z0
Toán tử sóng của vector vận tốc góc thứ i
Ma trận Jacobi của vector tọa độ khối tâm khâu i theo
vector tọa độ khớp
Ma trận Jacobi của vector vận tốc góc khâu i theo vector
đạo hàm của các tọa độ khớp
Ten xơ quán tính khâu i đối với khối tâm Ci biểu diễn trong
hệ tọa độ khối tâm khâu i

Vector lực suy rộng của các lực quán tính Coriolis và quán
tính ly tâm tác dụng lên robot
Ký hiệu Christofel 3 chỉ số loại 1
Vector lực suy rộng ứng với các lực bảo toàn (lực có thế)
Lực suy rộng của các lực bảo toàn ứng với tọa độ suy rộng
qj
Vector lực suy rộng của các lực dẫn động
Thế năng của cả hệ robot
Gia tốc trọng trường
Lực dẫn động ứng với khớp i là khớp tịnh tiến và là ngẫu
lực ứng với khớp quay
Vector lực suy rộng của các lực không thế (lực cắt, các lực
ngoài không thế…)
Vector lực cắt
Vector mô men cắt
viii

s
mm
s

mm

kg
m/s
rad/s
rad/s

J
2

m/s

N
N


Fr
Mc
Qc
Qr
0

r

1E

J

1T

0

r
2E

J2T

PD
PID

u
e
e
e
qd

Vector lực tác dụng tương hỗ của Fc lên đối tượng công
N
nghệ
Vector mô men tác dụng tương hỗ của Mc lên đối tượng
Nm
công nghệ
Vector lực suy rộng của Fc và Mc
Vector lực suy rộng của Fr và Mr
Vector xác định vị trí gốc OE (điểm cắt) ở trong hệ trục tọa
mm
độ cơ sở O0x0y0z0 theo chuỗi động học cấu trúc robot
Ma trận Jacobian tịnh tiến của dụng cụ cắt biểu diễn trong
hệ tọa độ cơ sở O0x0y0z0 theo chuỗi động học cấu trúc robot
Vector xác định vị trí gốc OE ở trong hệ trục tọa độ cơ sở
O0x0y0z0 theo chuỗi động học bàn máy robot
Ma trận Jacobian tịnh tiến của gốc OE theo chuỗi động học
bàn máy robot
Tỷ lệ - vi phân
Tỷ lệ - vi phân – tích phân
Luật điều khiển servo cho robot tác hợp
Vector sai lệch vị trí
rad, mm
Vector sai lệch vận tốc
rad/s,

mm/s
2
Vector sai lệch gia tốc
rad/s ,
2

mm/s
rad
rad/s

KD

Vector tọa độ khớp đặt (mong muốn)
Vector vận tốc tại các khớp đặt (mong muốn) của robot
Ma trận đường chéo các hệ số tỉ lệ
Ma trận đường chéo các hệ số vi phân

pd

Vector tọa độ thao tác đặt (mong muốn) của dụng cụ cắt

m

pd

Vector vận tốc đặt (mong muốn) của dụng cụ cắt
Âm lớn
Âm nhỏ
Zero
Dương nhỏ

Dương Lớn
Hàm thuộc của sai số vị trí khớp i

m/s

qd
KP

AL
AN
Z
DN
DL
(e i )
(e i )
(u i )

Hàm thuộc của sai số vận tốc khớp i
Hàm thuộc lượng điều chỉnh lực/mô men dẫn động của
khớp i

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang

Bảng 1.1 Tính các lực thành phần lực Fx, Fy, Fz theo lực tiếp tuyến Ft [22].......16
Bảng 2.1 Thông số động học của robot và dụng cụ............................................ 30
Bảng 2.2 Thông số động học của bàn máy......................................................... 32

Bảng 2.3 Tọa độ lưới điểm xác định bề mặt chi tiết........................................... 36
Bảng 2.4 Đường dụng cụ được biểu diễn dưới dạng số...................................... 37
Bảng 2.5 Biểu diễn thông số động học robot theo chuỗi robot - dụng cụ...........40
Bảng 2.6 Thông số động học theo chuỗi bàn máy - dụng cụ..............................40
Bảng 2.7 Giá trị thông số động học của robot.................................................... 44
Bảng 2.8 Giá trị thông số của đối tượng gia công và bàn máy...........................44
Bảng 2.9 Giá trị thông số dụng cụ và quá trình công nghệ [95] [97]...............44
Bảng 2.10 Thông số động học của bàn máy....................................................... 48
Bảng 2.11. Giá trị thông số của đối tượng gia công và bàn máy.........................50
Bảng 2.12 Giá trị thông số dụng cụ và điều kiện gia công [98]..........................50
Bảng 2.13 Các ký hiệu khâu, các hệ tọa độ và thông số động học của robot- dụng cụ
....................................................................................................................................52
Bảng 2.14 Các ký hiệu khâu, các hệ tọa độ và thông số động học của bàn máy - đồ gá .. 52

Bảng 2.15 Giá trị thông số động học của robot................................................... 54
Bảng 2.16 Giá trị thông số của bàn máy............................................................. 54
Bảng 2.17 Giá trị thông số dụng cụ và quá trình công nghệ [98], [24]...............54
Bảng 3.1 Thông số động lực học của hệ robot – bàn máy..................................71
Bảng 3.2 Thông số chi tiết, thông số công nghệ cho hai trường hợp..................82
Bảng 3.3 Thông số động lực học của robot........................................................ 86
Bảng 3.4 Các hệ số lực cắt khi phay [24]........................................................... 86
Bảng 3.5 Các thông số động học mở rộng của robot.......................................... 90
Bảng 4.1 Biểu diễn các miền con vật lý, tập mờ và giá trị ngôn ngữ của tín hiệu vào ra .. 109

Bảng 4.2 Hệ luật cho bộ điều khiển mờ............................................................110
Bảng 4.3 Miền giá trị vật lý của các tín hiệu vào ra..........................................124
Bảng 4.4 Giá trị thông số của đối tượng gia công và bàn máy.........................127
Bảng 4.5 Giá trị thông số dụng cụ và quá trình công nghệ...............................127
Bảng 4.6 Hệ số lực cắt trong gia công phay..................................................... 127

x


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang

Hình 1.1 Ứng dụng robot có cấu trúc nối tiếp trong gia công cơ khí....................8
Hình 1.2 Các loại dao phay hay sử dụng để gia công phay các bề mặt trên robot [21]
....................................................................................................................................10
Hình 1.3 Hướng tiến dao khi phay cả thuận và nghịch....................................... 11
Hình 1.4 Thông số động học khi phay................................................................ 11
Hình 1.5 Góc tiếp xúc khi phay [22].................................................................. 12
Hình 1.6 Chiều dày cắt, chiều rộng khi phay [22].............................................. 13
Hình 1.7 Thành phần lực cắt phay bằng dao phay mặt đầu và dao phay ngón. . .16
Hình 1.8 Mô hình tính lực của dao phay ngón khi phay [24] [26]...................17
Hình 2.1 Các chuyển động tạo hình bề mặt chi tiết............................................ 27
Hình 2.2 Tam diện trùng theo............................................................................. 29
Hình 2.3 Mô hình cấu trúc động học robot gia công cơ.....................................29
Hình 2.4 Mô hình cấu trúc động học của hệ robot - bàn máy gia công phay thân bơm. 39
Hình 2.5 Hành trình dụng cụ cần di chuyển dọc theo phương j để gia công......43
Hình 2.6 Thân giữa bơm thủy lực 1 được gia công bằng robot..........................43
Hình 2.7 Dao phay ngón dùng cho robot gia công phay..................................... 44
Hình 2.8 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khớp của robot ứng với trường hợp bàn máy cố định. 45
Hình 2.9 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khớp của robot ứng với trường hợp bàn máy di động. 46
Hình 2.10 Mô hình robot ứng dụng phay bề mặt cánh tuabin............................47
Hình 2.11 Biểu diễn lưới điểm của bề mặt cánh tuabin...................................... 49
Hình 2.12 Biểu diễn một quy luật dịch chuyển giữa dao và cánh tua bin...........50
Hình 2.13 Dao phay ngón đầu cầu [98].............................................................. 50
Hình 2.14 Chuyển động của các khớp của robot khi phay bề mặt cánh tuabin .. 51
Hình 2.15 Mô hình động học robot ứng dụng phay bề mặt chi tiết....................51

Hình 2.16 Chi tiết gia công và quy luật dịch chuyển dao khi phay.....................54
Hình 2.17 Dụng cụ gia công dao phay ngón đầu cầu [98].................................. 54
Hình 2.18 Quy luật chuyển động của dụng cụ khi gia công phay.......................55
Hình 2.19 Quy luật chuyển động của các khớp robot khi gia công phay............55
Hình 3.1 Hệ robot, bàn máy có n + m bậc tự do thực hiện gia công cơ..............58
Hình 3.2 Lực, mô men cắt, tương hỗ tác dụng lên dụng cụ và đối tượng gia công
............................................................................................................................ 60
Hình 3.3 Mô hình lực cắt do răng cắt thứ i gây ra trên phân tố đĩa.....................63
Hình 3.4 Góc tiếp xúc gia công phay [103]........................................................ 64
Hình 3.5 Mô hình lực cắt của các loại dao phay ngón đầu cầu khi phay............65
Hình 3.6 Mô hình cấu trúc của hệ robot – bàn máy gia công cơ........................ 70
Hình 3.7 Lực cắt trong quá trình robot gia công phay bề mặt chi tiết.................75
Hình 3.8 Dao phay ngón dùng cho robot gia công cơ, hệ tọa độ dụng cụ..........75
Hình 3.9 Mô men dẫn động tại các khớp của robot khi bàn máy cố định...........76
Hình 3.10 Mô men dẫn động tại các khớp khi bàn máy di động........................76
xi


Hình 3.11 Chi tiết và quỹ đạo đường chạy dao................................................... 77
Hình 3.12 Quy luật chuyển động của dao trên đường dụng cụ C.......................77
Hình 3.13 Các lực cắt......................................................................................... 77
Hình 3.14 Mô men dẫn động tại các khớp của robot.......................................... 78
Hình 3.15 Quy luật chuyển động của các khâu.................................................. 78
Hình 3.16 Chi tiết gia công và đường chạy dao.................................................. 79
Hình 3.17 Đường cong tạo hình......................................................................... 80
Hình 3.18 Tọa độ thao tác................................................................................. 80
Hình 3.19 Tọa độ khớp....................................................................................... 80
Hình 3.20 Vận tốc khâu...................................................................................... 80
Hình 3.21 Lực cắt gia công................................................................................ 80
Hình 3.22 Lực dẫn động..................................................................................... 81

Hình 3.23 Chi tiết gia công và đường chạy dao.................................................. 82
Hình 3.24 Đường cong tạo hình......................................................................... 83
Hình 3.25 Tọa độ thao tác.................................................................................. 83
Hình 3.26 Tọa độ khớp....................................................................................... 83
Hình 3.27 Vận tốc khâu...................................................................................... 83
Hình 3.28 Lực cắt khi gia công.......................................................................... 83
Hình 3.29 Mô men dẫn động tại các khớp.......................................................... 84
Hình 3.30 Mô hình cấu trúc của hệ robot – bàn máy gia công phay...................85
Hình 3.31 Chi tiết gia công mẫu khuôn đúc 2 và quy luật đường chạy dao........85
Hình 3.32 Lực cắt gia công phay........................................................................ 86
Hình 3.33 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khâu của robot.......................................... 87
Hình 3.34 Momen dẫn động tại các khớp của robot........................................... 88
Hình 3.35 Quy luật chuyển động của các khâu (vị trí) từ tích phân phương trình chuyển động .. 88

Hình 3.36 Mô hình cấu trúc của hệ robot – bàn máy gia công cơ....................... 89
Hình 3.37 Quỹ đạo chuyển động của mũi dao.................................................... 91
Hình 3.38 Vị trí các khâu của robot theo t.......................................................... 91
Hình 3.39 Vận tốc các khâu theo t...................................................................... 91
Hình 3.40 Gia tốc các khâu theo t...................................................................... 91
Hình 3.41 Mô men dẫn động các khâu của robot............................................... 92
Hình 3.42 Phản lực liên kết tại khớp 2 theo phương z0...................................... 92
Hình 3.43 Mô hình và sơ đồ động học của robot gia công khí...........................93
Hình 3.44 Biểu diễn các lực cắt được hiệu chỉnh............................................... 95
Hình 3.45 Sai số lực cắt...................................................................................... 97
Hình 4.1 Cấu trúc hệ robot, bàn máy n + m bậc tự do thực hiện gia công cơ...100
Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển trong không gian khớp............................101
Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển trong không gian thao tác........................102
Hình 4.4 Mô hình điều khiển động lực học ngược kết + PD trong không gian khớp
cho hệ robot – bàn máy.........................................................................................104
xii

Hình 4.5 Mô hình điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD
trong không gian thao tác cho hệ robot – bàn máy................................................105
Hình 4.6 Mô hình bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD có
tích hợp khối điều chỉnh lực cắt lực cắt khi gia công trong không gian khớp.......105
Hình 4.7 Đồ thị hàm thuộc F(x) có mức chuyển đổi tuyến tính................................. 107
Hình 4.8. Hàm liên thuộc của các sai số vị trí, vận tốc và lượng điều chỉnh mô men
dẫn động khớp yi (yi = ei, ei , ui; i =1,…,n+m).......................................................110
Hình 4.9 Mô hình bộ điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy trong gia công cơ
.......................................................................................................................... 112
Hình 4.10 Mô hình vật lý và động học hệ robot – bàn máy..............................112
Hình 4.11 Mô hình bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD
.......................................................................................................................... 113
Hình 4.12 Khối điều khiển vòng ngoài PD.......................................................113
Hình 4.13 Khối động lực học ngược................................................................113
Hình 4.14 Khối tích phân phương trình vi phân chuyển động..........................114
Hình 4.15 Chi tiết và quĩ đạo gia công.............................................................114
Hình 4.16 Kết quả mô phỏng điều khiển gia công phay mặt phẳng hình vành
khuyên của chi tiết thân đế, khi lực cắt không đổi trong quá trình gia công..........115
Hình 4.17 Kết quả mô phỏng điều khiển gia công phay thân giữa bơm thủy lực 1
khi có sai lệch lực cắt trong quá trình gia công.....................................................117
Hình 4.18 Mô hình vật lý và động học hệ robot – bàn máy..............................117
Hình 4.19 Mô hình bộ điều khiển PD trong không gian thao tác.....................118
Hình 4.20 Kết quả điều khiển trong không gian thao tác.................................119
Hình 4.21 Kết quả mô phỏng...........................................................................122
Hình 4.22 Mô hình hệ robot – bàn máy 8 bậc tự do gia công phay..................122
Hình 4.23 Mô hình bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD
.......................................................................................................................... 124
Hình 4.24 Biểu diễn mô hình tổng thể bộ điều khiển mờ.................................125

Hình 4.25 Biểu diễn cấu trúc khối điều khiển mờ vòng kép.............................126
Hình 4.26 Chi tiết và đường dụng cụ gia công.................................................126
Hình 4.27 Dao phay ngón dùng cho robot gia công phay.................................126
Hình 4.28 Lực cắt tương ứng với với hai cách tính và lựa chọn các hệ số lực cắt
.......................................................................................................................... 128
Hình 4.29 Sai lệch tọa độ khớp của bộ điều khiển PD1, PD2..........................129
Hình 4.30 Sai lệch giữa quỹ đạo thao tác với quỹ đạo đặt là đường dụng cụ của bộ
điều khiển PD1, PD2............................................................................................129
Hình 4.31 Sai lệch tọa độ khớp của các bộ điều khiển PD1, PD2, Fuzzy.........130
Hình 4.32 Sai lệch giữa quỹ đạo thao tác với quỹ đạo đặt là đường dụng cụ của bộ
điều khiển PD1, PD2, FZ.....................................................................................131
Hình 4.33 Quỹ đạo của điểm cắt của dụng cụ trong hệ tọa độ thao tác............131
Hình 4.34 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ với sai lệch quỹ đạo ban đầu. 132


xiii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Robot đang ngày càng được ứng dụng nhiều trong gia công cơ khí do có nhiều ưu
điểm về kỹ thuật và kinh tế. Robot có nhiều bậc tự do, cấu trúc nhiều khâu, khớp,
cho khả năng chuyển động thao tác linh hoạt, không gian gia công lớn, gia công
được các chi tiết có bề mặt hình học phức tạp, kích thước lớn, với số nguyên công
tối thiểu và đồ gá đơn giản. Robot có khả năng gia công cơ khí với nhiều thao tác
khác nhau cùng lúc, từ đơn giản đến phức tạp, đáp ứng được những yêu cầu về độ
chính xác tương đối từ thấp đến cao đối với các loại vật liệu khác nhau. Sử dụng
robot công nghiệp trong gia công có ưu thế về kinh tế hơn so với gia công bằng các
máy công cụ như giảm chi phí sản xuất, đầu tư và tăng năng suất lao động.
Bên cạnh những lợi ích lớn về mặt kỹ thuật và kinh tế, còn có nhiều khó khăn,

thách thức cần nghiên cứu và giải quyết để có thể nâng cao khả năng, hiệu quả ứng
dụng gia công cơ của robot. Cấu trúc nhiều khâu, khớp cho robot khả năng thao tác
linh hoạt như đã nêu nhưng đồng thời lại là khó khăn trong việc mô hình hóa động
học, động lực học và điều khiển robot. Các biểu thức xác định các đại lượng động
học, động lực học trong phương trình vi phân chuyển động của robot thường cồng
kềnh, đồ sộ. Quá trình gia công cơ khí có nhiều yếu tố khó xác định đầy đủ và chính
xác, chẳng hạn các nhiễu có thể xuất hiện bất thường. Đặc biệt lực cắt sinh ra trong
quá trình gia công là yếu tố bất định và có ảnh hưởng lớn đến việc xác định lực điều
khiển dựa trên mô hình động lực. Các quá trình công nghệ gia công cơ khí thường
yêu cầu cao về độ chính xác, đặc biệt khi phay tạo hình các chi tiết có bề mặt phức
tạp càng đòi hỏi khắt khe về độ chính xác của chuyển động tạo hình. Để giải quyết
những vấn đề này, đã có nhiều hướng nghiên cứu nhằm cải thiện, nâng cao độ chính
xác gia công của robot.
Trong các nhiệm vụ cần thực hiện để đảm bảo robot gia công cơ khí, bên cạnh
nhiệm vụ tính toán xác định chế độ cắt, xác định các tham số công nghệ phù hợp, chế
độ bôi trơn, làm mát, …còn cần thực hiện các nhiệm vụ quan trọng và khó khăn trong
việc tính toán động học, động lực học và điều khiển robot gia công. Đầu tiên là nhiệm
vụ mô hình hóa động học hệ robot, dựa trên mô hình động học tính toán thiết kế quĩ
đạo cho robot đảm bảo chuyển động tạo hình của dụng cụ trên bề mặt chi tiết gia công,
đáp ứng các yêu cầu gia công. Tiếp đến là nhiệm vụ mô hình hóa động lực học hệ thống
robot để xác định mối quan hệ giữa chuyển động gia công của dụng cụ với chuyển
động và các lực dẫn động tại các khớp, với các lực cắt sinh ra trong quá trình gia công
của robot. Từ các mô hình toán học cần xây dựng các giải thuật, thiết kế các bộ điều
khiển để điều khiển robot thực hiện chính xác các thao tác công nghệ. Các bộ điều
khiển áp dụng cho robot có thể là các bộ điều khiển truyền thống như bộ điều khiển
PD, PID, bộ điều khiển động học ngược, hoặc các bộ điều khiển hiện đại như bộ điều
khiển logic mờ, bộ điều khiển đại số gia tử, bộ điều khiển mạng nơ ron. Đối với các
ứng dụng của robot công nghiệp như vận chuyển, lắp ráp, sơn, hàn,…việc ứng dụng
các bộ điều khiển truyền thống có thể đáp ứng được yêu cầu do trong mô hình động lực
học của robot không có thành phần lực cắt bất định, và không có nhiễu của quá trình

gia công. Đối với robot gia công cơ, để áp dụng các bộ điều khiển truyền
1


thống cần phải đảm bảo mô hình động lực học chính xác, tức là phải đảm bảo xác
định các đại lượng động lực học chính xác, điều này là khó khăn, đặc biệt là xác
định chính xác lực cắt như đã nêu trên. Như vậy việc thiết kế bộ điều khiển cho
robot gia công cơ là một khó khăn lớn, áp dụng các bộ điều khiển truyền thống hoặc
các bộ điều khiển hiện đại cần đưa ra giải pháp khắc phục sự bất định của các đại
lượng trong phương trình động lực học và nhiễu khi gia công. Hơn nữa, để thực
hiện được các nhiệm vụ đã nêu, cần xây dựng các giải thuật, chương trình tính toán,
mô phỏng để giải quyết và kiểm nghiệm các kết quả của các bài toán.
Trong và ngoài nước, 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 robot vào gia công cơ vẫn cần tiếp tục nghiên cứu và giải quyết. Vì
vậy luận án chọn đề tài: “Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công
phay”. Luận án nghiên cứu và giải quyết các vấn đề khó khăn và thách thức đã nêu
ở trên. Đó là giải quyết về bản chất cơ học và điều khiển cho hệ thống robot trong
gia công cơ góp, phần giải quyết việc nâng cao khả năng gia công của robot. Luận
án thực hiện việc xây dựng mô hình toán học cho hệ thống robot gia công cơ tổng
quát, xây dựng các giải thuật điều khiển và thiết kế mô hình các bộ điều khiển với
những giải pháp khắc phục được tính bất định của các đại lượng trong phương trình
động lực học, thiết kế quĩ đạo chuyển động tạo hình, khảo sát phân tích lực của
robot trong gia công phay.

2. Mục đích, đối tương, phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích
Mục đích chung:
Phương pháp tính toán động lực học và điều khiển robot gia công cơ, đặc biệt là
phay tạo hình bề mặt cong phức tạp của các chi tiết.

Mục đích cụ thể:
- Phương pháp thiết kế quĩ đạo chuyển động đảm bảo động học tạo hình khi thực
hiện gia công phay bằng robot.
- Mô hình toán học cho phép khảo sát tính toán động lực học robot một cách
thuật lợi và hiệu quả.
- 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.
- Phương pháp tính các phản lực tại các khớp động làm cơ sở cho việc tính toán,
thiết kế, các khâu khớp, hệ thống dẫn động của robot cho mục đích gia công.
2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm các robot công nghiệp có cấu trúc
dạng chuỗi, có nhiều bậc tự do, ứng dụng trong gia công tạo hình bề mặt chi tiết.
Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm:
- Động học, động lực học và điều khiển robot có cấu trúc dạng chuỗi gia công
tạo hình.
- Các thuật toán, chương trình mô phỏng số để đánh giá, khảo sát các kết quả
nghiên cứu lý thuyết.
2


3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với tính toán, mô
phỏng số.
- Nghiên cứu lý thuyết về ứng dụng robot trong gia công cơ, khảo sát động lực
học robot khi gia công cơ, phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot gia
công tạo hình bề mặt khi phay, các thuật toán điều khiển robot khi gia công phay.
- Phương pháp tính toán, thiếp lập mô hình toán học, giải thuật để giải các hệ
phương trình động học, động lực học nhờ máy tính. Giải thuật tính toán, hiệu chỉnh
lực điều khiển theo sự ảnh hưởng của lực cắt, sai lệch của lực cắt, giải thuật tính
toán, điều khiển cho robot trong gia công tạo hình dưới tác dụng của lực cắt.

- Phương pháp mô phỏng số cho phép đánh giá các kết quả tính toán lý thuyết.

4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: cung cấp cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế quĩ đạo cho hệ
robot, bàn máy có cấu trúc nối tiếp gia công tạo hình các bề mặt từ đơn giản đến
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.
Việc thêm các bậc tự do chuyển động ở bàn máy giúp mở rộng không gian làm
việc của robot, giúp robot gia công được các chi tiết có kích thước lớn, có các bề
mặt phức tạp với số nguyên công tối thiểu. Ngoài ra, các bậc tự do của bàn máy có
thể sử dụng để bù sai số cho robot trong quá trình gia công.

5. Những đóng góp mới của luận án
- Xây dựng mô hình toán học của hệ robot - bàn máy có cấu trúc dạng chuỗi tổng
quát dùng cho gia công cơ khí, làm cơ sở cho việc khảo sát, tính toán các bài toán
áp dụng trong gia công 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 cho robot gia công các chi tiết từ đơn giản đến phức tạp.
- Xây dựng các chương trình và thuật toán khảo sát ảnh hưởng của lực cắt đến
chuyển động tạo hình, phân tích phản lực động lực tại các khớp.
- Phương pháp xây dựng bộ điều khiển hiệu chỉnh lực dẫn động dựa trên giải
thuật mô hình hóa động lực học và điều khiển cho phép khắc phục tính bất định của
lực cắt trong quá trình gia công.

- Giải thuật điều khiển dựa trên logic mờ cho phép khắc phục đồng thời các yếu
tố bất định về lực cắt, nhiễu, các sai số hoặc tính không đầy đủ về một số đại lượng
động lực trong quá trình điều khiển robot đảm bảo chuyển động tạo hình.
3


- Các thuật toán và chương trình cho phép tính toán, mô phỏng số, nhận được kết
quả nhanh, với sự so sánh đảm bảo độ tin cậy.

6. Cấu trúc của nội dung luận án
Phần mở đầu luận án trình bày về tính cấp thiết, mục đích, đối tượng, phạm vi,
phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, những đóng góp mới của
luận án. Phần nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương.
Chương 1 trình bày tổng quan về ứng dụng robot công nghiệp trong gia công cơ
khí, đặc biệt là gia công phay; phân tích những ưu thế, những khó khăn, tồn tại của
việc áp dụng robot công nghiệp khi gia công cơ khí, những giải pháp để nâng cao
độ chính xác của robot trong gia công cơ khí. Tiếp theo, chương 1 bày cơ sở động
lực học quá trình gia công bao gồm các yếu tố chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt,
tổng quan về tính toán lực cắt trong quá trình gia công phay. Phân tích và làm rõ các
vấn đề của bài toán động lực học của robot gia công phay. Cuối cùng, chương 1
trình bày tổng quan, khảo sát, phân tích những công trình nghiên cứu của các tác giả
trong và ngoài nước về thực trạng, xu hướng, mức độ, tồn tại của các vấn đề đã và
đang được giải quyết trong việc áp dụng robot vào gia công cơ khí, từ đó luận án
lựa chọn hướng nghiên cứu, vấn đề nghiên cứu.
Chương 2 luận án trình bày cơ sở lý thuyết động học tạo hình của robot trong gia
công cơ, thiết lập mô hình động học tổng quát, thành lập và giải các bài toán động
học của robot, tìm ra mối quan hệ chuyển động động học của các điểm, đường trên
bề mặt gia công với các khâu khớp của robot. Tính toán, thiết kế quỹ đạo cho robot
gia công tạo hình bề mặt chi tiết. Áp dụng các kết quả của bài toán động học khảo
sát một số trường hợp gia công cụ thể. Các chương trình tính toán, mô phỏng cũng

được xây dựng để tính toán và hiển thị các kết quả tính toán. Kết quả của việc giải
bài toán động học của robot một mặt giúp xây dựng cơ sở dữ liệu để tính toán thiết
kế quĩ đạo gia công các bề mặt, một mặt làm cơ sở để tính toán và giải bài toán
động lực học, mặt khác đưa ra cơ sở đánh giá sai số gia công khi có lực tác động
của quá trình cắt.
Chương 3 trình bày một trong những trọng tâm nghiên cứu của luận án, đó là
việc xây dựng mô hình động lực học, thiết lập các phương trình vi phân chuyển
động cho mô hình tổng quát của robot gia công cơ. Việc tính toán các đại lượng
động lực trong phương trình động lực học, đặc biệt đại lượng lực cắt bất định được
khảo sát và trình bày một cách chi tiết. Việc tìm ra các qui luật chuyển động động
lực của robot giúp khảo sát và phân tích một cách chính xác những yếu tố tác động
chính dẫn đến sai số của robot, giúp tìm được qui luật biến đổi của các lực gia công,
các lực tác dụng tại khớp, các lực dẫn động tại các khâu, khớp của robot trong mối
tương quan với các thông số động học yêu cầu. Trình bày đóng góp về một cách
tiếp cận để tính các phản lực khớp động, cũng như đưa ra một số đóng góp mới
trong việc tính toán, hiệu chỉnh lực điều khiển theo ảnh hưởng của lực cắt của quá
trình gia công một cách gián tiếp, thông qua phương trình động lực học mà không
cần dùng đến các phương tiện đo trực tiếp lực cắt tại đầu dao. Một số trường hợp áp
dụng cụ thể cho mô hình
4


robot gia công phay trên thực tế được tiến hành để làm rõ, kiểm chứng các kết quả
nghiên cứu lý thuyết. Các chương trình tính toán và mô phỏng số được viết để thực
hiện quá trình tính toán và hiển thị các kết quả.
Chương 4 trình bày việc thiết kế các bộ điều khiển cho hệ robot-bàn máy bao
gồm bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD trong không gian
khớp và không gian thao tác, bộ điều khiển động lực học ngược+ PD+ hiệu chuẩn
lực cắt trong không gian khớp, bộ điều khiển mờ. Các bộ điều khiển lần lượt giải
quyết các vấn đề nhằm nâng cao hiệu quả, độ chính xác gia công của hệ robot-bàn

máy. Các bài toán áp dụng các bộ điều khiển được thực hiện cho mô hình hệ robot –
bàn máy gồm robot có 6 bậc tự do mang dụng cụ cắt và bàn máy cố định hoặc di
chuyển. Kết quả khảo sát tính toán và mô phỏng bộ điều khiển bằng Simulink cho
phép đánh giá qua hình ảnh trực quan.
Cuối cùng là kết luận về những kết quả đạt được, những vấn đề cần nghiên cứu
phát triển tiếp.

5


1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Chương 1 trình bày tổng quan về ứng dụng gia công cơ khí, đặc biệt là gia công
phay trên robot công nghiệp; phân tích những ưu thế, những khó khăn, tồn tại của
việc áp dụng gia công cơ khí trên robot công nghiệp, những giải pháp để nâng cao
khả năng ứng dụng gia công cơ khí trên robot.
Tiếp theo, chương 1 bày cơ sở động lực học quá trình gia công bao gồm các yếu
tố chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt, tổng quan về tính toán lực cắt trong quá
trình gia công phay. Phân tích và làm rõ các vấn đề của bài toán động lực học robot
gia công phay.
Cuối cùng, chương 1 trình bày tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước
có liên quan, đưa ra những nhận xét khái quát về các vấn đề khoa học mà công trình
đã công bố, những vấn đề đã và đang cần tiếp tục giải quyết để nâng cao khả năng
ứng dụng gia công phay trên robot. Từ đó, trình bày các vấn đề nghiên cứu và giải
quyết của luận án.

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 có cấu trúc nối tiếp đã đạt được những thành tựu lớn trong những
thập kỷ qua, cho các ứng dụng phổ biến như hàn, sơn, vận chuyển, lắp ráp, phục vụ cho
các máy CNC, … Theo Hiệp hội Robot quốc tế, lượng sử dụng robot công nghiệp ngày

càng tăng mạnh, thống kê năm 2018 cho thấy lượng tiêu thu robot công nghiệp trên thế
giới từ năm 2015 đến năm 2017 tăng thêm khoảng 310,000 đơn vị robot mỗi năm.
Robot công nghiệp được sử dụng để vận chuyển và hàn chiếm 78,7%, trong khi lượng
robot dùng để gia công cơ khí (tiện, phay, mài, đánh bóng…) chiếm ít hơn 5% [1]. Gần
đây với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sự cạnh tranh gay gắt trong sản xuất sản
phẩm, việc tăng tốc độ sản xuất và cải tiến sản phẩm, đòi hỏi cần phải phát triển những
phương pháp, những hình thức gia công mới. Một trong những hình thức gia công mới
có tiềm năng lớn đó là gia công trên robot công nghiệp
[2]. Từ năm 2011 - 2012 lượng dùng robot nghiệp trên thế giới để gia công mài và
phay đã tăng lên 41% [1].
Việc ứng dụng robot gia công cơ khí (tiện, phay, mài, đánh bóng, mài, cắt bằng tia
nước, tia laser…) đã và đang được nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới,
đặc biệt ở những nước công nghiệp phát triển [2] [7]. Một trong những dự án lớn về
nghiên cứu áp dụng gia công cơ khí trên robot hiện nay là COMET, đây là một dự án
được đồng tài trợ bởi Ủy ban châu Âu, thuộc chương trình khôi phục kinh tế châu Âu,
với sự kết hợp của công ty Delcam và 13 trung tâm nghiên cứu trên 8 nước châu Âu
[8], [9]. Hiện nay, độ chính xác vị trí lặp lại của các robot công nghiệp có cấu trúc nối
tiếp, có 6 bậc tự do là khoảng 0.01 mm [10]. Đối với ứng dụng gia công cắt gọt các loại
vật liệu cứng như nhôm hợp kim, thép, độ chính xác gia công của robot đạt được trong
khoảng 0.3 mm [11]. Với sự hỗ trợ của các thiết bị bù sai số trực tiếp độ chính xác gia
công của robot có thể đạt được 2.45µm, độ nhám bề mặt có thể đạt 4.7

6


µm [12]. Nghiên cứu ứng dụng robot gia công cắt gọt kim loại hay các loại vật liệu
cứng vẫn đang là một thách thức lớn, và có nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải quyết
để làm tăng độ chính xác và khả năng gia công cho robot.
1.1.2 Ưu thế của việc gia công cơ khí trên robot
Ứng dụng gia công trên robot sẽ phát huy được tính linh hoạt, không gian gia

công rộng và giá thành rẻ hơn so với máy CNC. Nhờ cấu trúc nhiều bậc tự do, robot
dễ dàng thực hiện các chuyển động không gian phức tạp để khâu thao tác đạt được
vị trí và hướng theo yêu cầu công nghệ. Robot có thể được lập trình linh hoạt cho
phép thực hiện nhiều thao tác công nghệ đồng thời khác nhau, từ đơn giản đến phức
tạp. Với cấu trúc 6 bậc tự do, dạng chuỗi nối tiếp, robot có thể đạt đến tất cả các vị
trí và các hướng trong không gian thao tác, nhờ đó robot có thể gia công được các
chi tiết có bề mặt hình học phức tạp, có nhiều hốc, nhiều ngóc ngách với đồ gá đơn
giản và với một số rất ít nguyên công so với gia công trên các máy công cụ. Ngoài
việc linh hoạt trong gia công, robot còn thể hiện sự linh hoạt trong các mục đích sử
dụng khác như sơn, hàn, lắp ráp… Không gian gia công rộng, độ linh hoạt cao do có
nhiều bậc tự do được liên kết với nhau theo dạng chuỗi cho phép robot có thể gia
công các chi tiết có kích thước lớn, thậm chí rất lớn, chỉ bằng một hoặc một số ít
3
nguyên công. Không gian gia công của robot lên đến 7,5 m , thậm chí khi đặt robot
3
trên ray dẫn hướng, chuyển hướng không gian gia công có thể lên đến 20 m hoặc
lớn hơn [2]. Việc áp dụng gia công trên robot công nghiệp thể hiện ưu thế về kinh tế
hơn so với gia công trên các máy công cụ, theo COMET tính toán lợi thế giá thành
lên đến 30% [9]. Ngoài ra, giá đầu tư cho một máy CNC có trên 4 trục là hơn
500,000 €, trong khi giá của một robot công nghiệp 6 trục với tải 10kg là khoảng
50,000 € [8]. Một ưu điểm nữa của việc sử dụng robot trong gia công cơ là dễ tái lập
cấu hình, có thể gia công với nhiều loại dụng cụ, dễ gá lắp.
Việc gia công các công đoạn cuối, tạo mẫu, có thể được thực hiện bởi các công
nhân làm bằng tay, dựa trên kỹ năng và kinh nghiệm của họ, nhưng việc thực hiện
này dẫn đến giá thành cao, tốn thời gian, dùng nhiều sức lao động và dễ xảy ra sai
hỏng. Trong khi đó robot công nghiệp với sự linh hoạt, không gian gia công lớn,
cộng với kĩ thuật gia công tốc độ cao sử dụng cho gia công các công đoạn cuối và
tạo mẫu không những làm tăng độ chính xác, tăng năng suất, giảm giá thành các sản
phẩm gia công, mà còn có thể gia công được những chi tiết phức tạp, yêu cầu cao
mà công nhân không thể thực hiện được.

Nhờ những ưu thế trên, robot đã và đang được tăng khả năng ứng dụng để gia công
các sản phẩm đa dạng, phong phú, từ đơn giản đến phức tạp, từ yêu cầu chính xác vừa
phải đến độ chính xác cao. Đầu tiên, đối với gia công các công giai đoạn cuối, robot
công nghiệp được sử dụng để khoan, ta rô, vát mép, cắt tỉa và mài ba via của các chi
tiết như ba via các bánh răng sau khi phay răng, xọc răng, ba via của chi tiết hàn, ba via
của các vật đúc, phay hoặc mài tạo đường viền cho các chi tiết (Hình 1.1a,b,c). Trong
công nghệ tạo mẫu, robot công nghiệp phay tạo hình hiệu quả cao từ vật liệu phi kim
loại như gỗ, nhựa, xốp, đến các vật liệu kim loại có độ cứng thấp như nhôm, đồng, đặc
biệt là những mẫu có kích thước lớn và hình dạng phức tạp (Hình 1.1d). Trong công
nghiệp hàng không, robot được sử dụng để khoan, phay rãnh các chi tiết nhôm có kích
thước lớn, cắt tỉa các chi tiết làm từ sợi các bon (Hình 1.1e). Ngoài ra, robot công
nghiệp còn ứng dụng cho gia công cắt bằng tia nước hoặc tia
7


laser đối với những vật liệu có độ cứng cao như thép các bon, thép hợp kim [2], [3]
[7]. Ứng dụng quan trọng mà hiện nay các nhà khoa học, các công ty, tổ chức
đang tập trung nghiên cứu phát triển đó là ứng dụng gia công phay bề mặt các loại
vật liệu có độ cứng vừa đến cao như nhôm hợp kim, thép trên robot công nghiệp
(đặc biệt là robot cấu trúc nối tiếp) (Hình 1.1f).

a. Robot đang bắn đinh tán vỏ máy bay [13] b. Robot đang gia công hoàn thiện bánh răng [14]

c. Robot IRB6660 mài chi tiết thép [15]

d. Robot Solutions đang gia công mẫu [16]

e. Robot IRB6660 phay chi tiết nhôm [17]

f. Robot phay thép [18]

Hình 1.1 Ứng dụng robot có cấu trúc nối tiếp trong gia công cơ khí

Bên cạnh những lợi thế to lớn đã nêu trên, thì việc ứng dụng gia công cơ khí, đặc
biệt là gia công phay trên robot công nghiệp, vẫn tồn tại những vấn đề, những thách
thức lớn, cần nhiều công sức và thời gian nghiên cứu và giải quyết.
8


1.1.3 Những vấn đề gia công cơ khí trên robot công nghiệp
Cấu trúc robot nhiều khâu, các khâu về phía cuối chuỗi động và khâu thao tác của
robot có chuyển động được tổng hợp từ nhiều chuyển động thành phần. Để thực hiện
được các chuyển động không gian phức tạp của khâu thao tác thì robot cần ít nhất 5,
6 bậc tự do. Với cấu trúc nhiều khớp quay, ít nhất là 3 khớp quay thì mới đảm bảo khâu
thao tác có hướng tùy ý khi thực hiện thao tác. Thông thường phổ biến robot có nhiều
hơn 3 khớp quay bởi khớp quay làm cho cấu trúc robot gọn hơn khớp tịnh tiến. Bởi
nhiều khâu khớp, việc tổng hợp chuyển động của khâu thao tác vì thế khó khăn, các
biểu thức tính toán vận tốc góc, gia tốc góc thường rất đồ sộ. Các phương trình động
học, động lực học cồng kềnh, phức tạp, khó khăn trong việc thành lập cũng như tìm lời
giải, khó có thể thực hiện tính toán bằng tay nếu không được lập trình tự động.
Yếu tố khó xác định chính xác trong phương trình động lực của robot chính là
lực cắt sinh ra khi dụng cụ cắt tác dụng lên chi tiết gia công. Lực cắt phụ thuộc
nhiều yếu tố như vật liệu, tốc độ cắt, chiều dày lớp cắt, chiều sâu cắt,… Thông
thường việc xác định lực cắt được thực hiện theo công thức thực nghiệm trong các
sổ tay kỹ thuật, nhưng sẽ có sai số không nhỏ dẫn đến sai lệch dẫn động và điều
khiển chuyển động của robot.
Với cấu trúc dạng chuỗi, độ cứng vững của robot thấp hơn so với các máy công
cụ, máy CNC, nên dưới tác dụng của lực cắt có thể dẫn đến sai lệch lớn do biến
dạng và dao động trong quá trình gia công. Đặc biệt do sự không đồng nhất về vật
liệu, chiều sâu cắt, lưỡi cắt gồm các răng cắt hoặc cạnh cắt không liên tục nên lực

cắt thường xuyên biến đổi dẫn đến xuất hiện dao động làm ảnh hưởng độ chính xác
gia công [8], [19], [20]. Kể cả trường hợp nếu giá trị lực cắt được cho là không thay
đổi thì chiều và hướng của véc tơ lực cắt cùng luôn thay đổi trong quá trình dụng cụ
cắt chuyển động gia công tạo hình theo đường dụng cụ trên bề mặt chi tiết.
Ngoài ra, việc giải quyết các thuật toán tính toán trong chương trình gia công của
robot để có áp dụng thuận lợi cũng là một khó khăn. Chương trình gia công cần tính
đến khả năng gia công phù hợp với hệ thống động học, động lực học và điều khiển của
robot để tránh các va chạm, tránh cắt lẹm, tránh các điểm kỳ dị, đảm bảo vùng gia
công, các tư thế gia công trong không gian thao tác của robot…[11]. Để xây dựng
được chương trình gia công cho robot thì cần nghiên cứu nhiều bài toán, tìm các
giải thuật tính toán cho phép lập trình thuận lợi để giải quyết các bài toán về động
học, động lực học, nội suy quỹ đạo chuyển động thao tác, điều khiển…. Với robot,
các bài toán đó phức tạp hơn nhiều so với máy CNC, do cấu trúc động học của robot
phức tạp hơn các máy CNC. Nghiên cứu các giải thuật để giải các bài toán đó làm
cơ sở hướng tới tạo được các phần mềm gia công hiệu quả để áp dụng cho robot vẫn
là hướng nghiên cứu mở
Tuy có những khó khăn, thách thức như trên nhưng bởi những ưu thế và tiềm
năng lớn nên việc áp dụng robot trong gia công cơ khí đã và đang được tập trung
nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi.
Luận án nghiên cứu và giải quyết những vần đề trong các vấn đề đã nêu trên. Đó là
việc khảo sát động học đưa ra phương pháp thiết kế quĩ đạo gia công tạo hình các bề
mặt chi tiết, đặc biệt các các chi tiết có hình dạng bề mặt phức tạp, cung cấp cơ sở cho
việc tạo ra các chương trình gia công cho robot. Phương pháp thiết lập các phương
trình vi phân chuyển động cho hệ robot - bàn máy có cấu trúc dạng chuỗi tổng quát,
cho phép khảo sát thuận lợi các bài toán động lực học của robot trong gia công cơ.

9