Tính toán động học động lực học trung tâm phay CNC 5 trục ảo kiểu hexapod

..

NGUYỄN TIẾN THỊNH

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

KS. NGUYỄN TIẾN THỊNH

CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC TRUNG TÂM PHAY
CNC 5 TRỤC ẢO KIỂU HEXAPOD

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

KHOÁ: 2012B

Hà Nội – 9/2014

i


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

KS. NGUYỄN TIẾN THỊNH
TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC TRUNG TÂM PHAY

CNC 5 TRỤC ẢO KIỂU HEXAPOD

CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS TẠ KHÁNH LÂM

TS. NGUYỄN HỒNG THÁI

Hà Nội – 9/2014

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tên em là Nguyễn Tiến Thịnh, học viên cao học khóa 2012B.CĐT.KH chuyên
ngành Cơ Điện Tử. Sau 2 năm học tập, nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội, được sự giúp đỡ của các thày cô giáo, đặc biệt là PGS.TS Tạ Khánh Lâm
và TS. Nguyễn Hồng Thái, em đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ.
Em xin cam đoan đề tài luận văn “Tính tốn động học, động lực học trung
tâm phay CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân em
dưới dự hướng dẫn của PGS.TS Tạ Khánh Lâm và TS. Nguyễn Hồng Thái và chỉ
tham khảo các tài liệu được liệt kê. Em không sao chép cơng trình của cá nhân khác
dưới bất kỳ hình thức nào. Nếu có, em xin hồn thành chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2014

Người cam đoan

Nguyễn Tiến Thịnh

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài " Tính tốn động học, động lực học trung
tâm phay CNC 5 trục ảo kiểu Hexapod ", em đã đạt được một số kết quả nhất
định: Tìm hiểu được cấu trúc máy song song kiểu hexapod trong gia cơng cơ khí,
tính toán động học, động lực học và điều khiển, thực hiện mô phỏng gia công trên
OpenGL.
Em xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của PGS.TS Tạ Khánh Lâm, TS.Nguyễn
Hồng Thái và các thầy cô trong bộ môn đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho
em hoàn thành đề tài này. Tuy nhiên, với kinh nghiệm thực tế cịn hạn chế nên luận
văn khơng thể tránh được những thiếu sót và chưa thể hồn thiện như mong đợi,
kính mong q thầy cơ đóng góp những ý kiến để đề tài được hoàn thành tốt hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Học viên

Nguyễn Tiến Thịnh

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iv
MỤC LỤC .................................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .............................................. vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................... xi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................... 1
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ....................................................... 2
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ................................. 2
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN ............................................... 2
Chương 1 .................................................................................................................... 3
TỔNG QUAN VỀ TRUNG TÂM PHAY CNC 5 TRỤC ẢO KIỂU HEXAPOD .... 3
1.1 MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC HỞ TRUYỀN THỐNG . 3
1.2 CÁC MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC SONG SONG ....... 6
1.2.1 Sự phát triển của máy có cấu trúc chuỗi động học song song ....................... 6
1.2.2 Sự phát triển của máy công cụ CNC có cấu trúc chuỗi động học song song 9
1.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CƠ CẤU SONG SONG ...................................... 12
1.4 NHỮNG NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ VỀ MÁY CNC CĨ CẤU
TRÚC ĐỘNG HỌC SONG SONG ...................................................................... 13
1.5 TÍNH ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT KHÔNG GIAN
TRÊN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC ...................................................................... 14
1.5.1 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu cầu ..................................... 16
1.5.2 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu bằng ................................... 16
1.5.3 Tính đường dụng cụ với dao phay ngón đầu xuyến ................................. 17
1.5.4 Định hướng trục dụng cụ trong hệ tọa độ phôi ........................................ 18
1.5.5 Xây dựng các hệ quy chiếu trong trung tâm phay CNC 5 trục ................ 21
1.5.6 Hệ quy chiếu lực cắt trong gia công CNC 5 trục ..................................... 23
1.6 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU ......................................... 27

Chương 2 .................................................................................................................. 28
PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC TRUNG TÂM PHAY CNC 5 TRỤC ẢO KIỂU
HEXAPOD ............................................................................................................... 28
2.1 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY ................................................. 28
2.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ .................................. 31
2.2.1 Giải bài tốn động học ngược .................................................................. 35
2.2.2 Phương pháp điều khiển bài toán động học ngược trong gia cơng cơ khí35
2.2.3 Thuật tốn điều khiển động học trong gia công các bề mặt phức tạp ...... 37
2.2.4 Ví dụ áp dụng ........................................................................................... 41
2.3 BÀI TOÁN VẬN TỐC ................................................................................... 51
2.3.1 Vận tốc dài và vận tốc góc của giá di động ............................................. 51
2.3.2 Ma trận jacobi .......................................................................................... 56
v


2.3.3 Vận tốc góc các chân................................................................................ 59
2.3.4 Vận tốc trọng tâm của từng chân ............................................................. 60
2.4 VÍ DỤ ÁP DỤNG ........................................................................................... 61
Chương 3 .................................................................................................................. 64
BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ................................................................................ 64
3.1 BÀI TOÁN GIA TỐC .................................................................................... 64
3.2 XÁC ĐỊNH GIA TỐC VÀ GIA TỐC GÓC CỦA KHÂU THAO TÁC ....... 65
3.3 GIA TỐC TRỌNG TÂM CÁC KHÂU .......................................................... 65
3.4 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC THEO PHƯƠNG PHÁP NEWTONEULER .................................................................................................................. 66
3.4.1 Xét cho từng nhánh chân.......................................................................... 66
3.4.2 Xét riêng khâu 2 của nhánh chân thứ i ..................................................... 70
3.5 Ví dụ áp dụng .................................................................................................. 71
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 81
I. Về mặt lý thuyết ............................................................................................. 81
II. Về mặt thực tiễn ........................................................................................... 81

III. Các đề xuất phát triển hoàn thiện kết quả nghiên cứu của luận văn ........... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 82
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 84
PHỤ LỤC A: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG MATLAB ................................. 84
1 Hàm tính tốn độ biến thiên chiều dài chân ................................................... 84
3. Hàm tính tốn và vẽ đồ thị độ biến thiên vận tốc góc ................................... 87
3 Tính tốn gia tốc góc các chân tại điểm tạo hình CCi ................................... 89
4 Tính tốn vận tốc dài từng chân tại điểm tạo hình CCi ................................. 91
5 Tính tốn vận tốc trọng tâm từng chân tại điểm tạo hình CCi ....................... 93
6 Tính tốn gia tốc trọng tâm từng chân tại điểm tạo hình CCi ........................ 97
PHỤ LỤC B: CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG TRÊN VISUAL C SỬ DỤNG
THƯ VIỆN OPENGL ......................................................................................... 104
1 Chương trình đọc file dữ liệu đầu vào dạng .txt .......................................... 104
2 Chương trình tính tốn đưa ra thơng số điều khiển ..................................... 105
3 Chương trình mơ phỏng ............................................................................... 111
PHỤ LỤC C: THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC TỪ SOLIDWORKS ................ 116

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu
CNC

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

Aj

Tọa độ khớp cầu thứ j trên giá cố định ( j  1  6 ).

Bji

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

ϑu

Hệ quy chiếu gốc máy RBSS: ϑu{OXYZ}

B

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

ϑ0
ϑ2
ϑd

Hệ

quy

chiếu

đặt

tại

tâm

giá

cố

định

của

RBSS

ϑ0{SRBXRBYRBZRB}
Hệ quy chiếu đặt tại tâm giá di động của RBSS: ϑ2{PUVW}
Hệ quy chiếu đặt tại điểm định vị dụng cụ chọn trên dụng cụ:
ϑd{CLTuvw}

dji

Chiều dài chân thứ j tại thời điểm thứ i

R

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

r

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

aj

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

bj

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

AjBji

Chiều dài chân thứ j tại thời điểm thứ i ( j  1  6 ).

P

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

sji

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

2

bj

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

0

R2

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

0

ij

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

0

v2

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

0

2

v Bji

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

0

~

2

Tốn tử sóng của vận tốc góc 0 2

0

~
v2

Tốn tử sóng của vận tốc dài 0 v 2

0

R 2

Ma trận đạo hàm của ma trận quay 0 R 2

~s
ji

0

Tốn tử sóng của véc tơ s ji

1

R2


m1 ji

m 2 ji

0

Ma trận nghịch đảo của ma trận quay R 2
Véc tơ vị trí trọng tâm trên của chân thứ j tại thời điểm thứ i
Véc tơ vị trí trọng tâm dưới của chân thứ j tại thời điểm thứ i

v M1 ji

Vận tốc dài trọng tâm trên của chân thứ j tại thời điểm thứ i

v M 2 ji

Vận tốc dài trọng tâm dưới của chân thứ j tại thời điểm thứ i

0

2

a Bji
0

 ji

a M1 ji

Gia tốc góc của hệ quy chiếu ϑ 2 so với hệ quy chiếu ϑ 0 cố định.
Gia tốc dài của điểm Bj tại thời điểm thứ i ( j  1  6 ).
Gia tốc góc của chân thứ j tại thời điểm thứ i( j  1  6 ).
Gia tốc dài trọng tâm trên của chân thứ j tại thời điểm thứ i.
viii

a M 2 ji

Gia tốc dài trọng tâm dưới của chân thứ j tại thời điểm thứ i.

d j0

Chiều dài chân thứ j tại vị trí “0” ban đầu.

dmax

Giới hạn hành trình trượt lớn nhất có thế của mỗi chân

dmin

Giới hạn hành trình trượt nhỏ nhất có thể của mỗi chân.

CL 0

Tọa độ tâm dao tại vị trí “0” ban đầu.

H

Tọa độ theo trục z của giá cố định ϑ 1 so với giá cố định ϑ 0

lc

Khoảng cách từ tâm bán cầu dao so với hệ quy chiếu động ϑ 2

T

CL i

Điểm định vị dụng cụ tại thời điểm thứ i

CCi

Điểm tạo hình trên phơi tại thời điểm thứ i

T

0


rAj

Véc tơ định vị điểm Aj trong hệ quy chiếu ϑ 0


rOSRB

Véc tơ vị trí của điểm SRB trong hệ quy chiếu ϑ 0


rBji

Là véc tơ định vị điểm Bji trong hệ quy chiếu ϑ 0

T


td0

Là véc tơ chỉ phương của trục dụng cụ tại vị trí “0” ban đầu

P


t di

Véc tơ hướng trục dụng cụ trên phôi tại thời điểm thứ i.

T


t di

Véc tơ hướng trục dụng cụ tại thời điểm thứ i.

0





Góc giữa hướng trục dụng cụ T t di và hướng trục dụng cụ trên


phôi P tdi

Mk i ,  i 


rCL0



Ma trận quay một góc  quanh k
Tọa độ của điểm tạo hình

T

CL 0

tại vị trí “0” ban đầu.

gi

Khoảng dịch chuyển từ vị trí CL0 đến vị trí CLi

Q

Ma trận quay cơ bản.
ix


j

f Aj

Lực liên kết tại khớp Aj

f Bji

Lực liên kết tại khớp Bji tại thời điểm thứ i

m1 j g

Trọng lực khớp trượt trên

m2j g

Trọng lực khớp trượt dưới

j

M Aj

Mô men tác dụng lên nhánh Aj tại thời điểm thứ i

j

L Aj

Tổng mô men động lượng của hai khâu 1 j và 2 j (nối với nhau bởi

j

j1 ji , j1 ji

khớp trượt) tác dụng lên A j
Các ma trận quán tính tĩnh

x


DANH MỤC CÁC BẢNG
Nội dung

Trang

Bảng 2.1 Tính chọn góc điều khiển hướng trục của RBSS

28

Bảng 2.2 Bảng thơng số kích thước động học

33

Bảng 3.1 Dữ liệu cắt [22]

72

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

74

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

76

Bảng 3.4 Bảng trích ngang quỹ đạo mơ phỏng lực

77

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Máy CNC 3 trục của hãng MAKINO Nhật Bản [14] ................................. 4
Hình 1.2 Trung tâm phay CNC 5 trục DMU 50 của Okuma [14] ............................. 5
Hình 1.3 Rạp chiếu phim được đề xuất bởi J.E Gwinnet [3] ..................................... 6
Hình 1.4 Cơ cấu Gough platform thử độ mịn lốp máy bay [14] .............................. 7
Hình 1.5 Cơ cấu mơ phỏng bay của Cappel [14] ....................................................... 7
Hình 1.6 Robot song song được ứng dụng trong mổ nội soi [14] ............................. 8
Hình 1.7 RBSS ứng dụng trong dây truyền phân loại đóng gói bánh quy của hãng
Demaurrex [7]............................................................................................................. 8
Hình 1.8 Máy phay Variax của Gridding & Lewis [14] ............................................ 9
Hình 1.9 Cấu trúc trực giao IRCCyN [6]................................................................. 10
Hình 1.10 Máy song song – DOF [7] ...................................................................... 10
Hình 1.11 Robot song song 6 bậc tự do Hexaglide, Đức [14] ................................. 11
Hình 1.13 Robot Delta của hãng Hitachi Seiki ........................................................ 11
Hình 1.12 Máy Hexa của hãng Toyoda Nhật Bản ................................................... 11
Hình 1.14 Máy PM-600 của hãng Okuma, Nhật [14] ............................................. 12
Hình 1.15 Mối quan hệ giữa dụng cụ và phôi [7] .................................................... 14
Hình 1.16 Thơng số hình học chọn điểm định vị và vectơ đơn vị trục dụng cụ ...... 15
Hình 1.17 Quỹ tích điểm định vị dụng cụ ( ) đối với dao phay ngón đầu cầu [1] .. 16
Hình 1.18 Quỹ tích điểm định vị dụng cụ ( ) đối với dao phay ngón đầu bằng [1] 17
xi


Hình 1.19 Quỹ tích điểm định vị dụng cụ đối với dao phay ngón đầu xuyến [1] ... 18

Hình 1.20. Định hướng dụng cụ trong hệ tọa độ điểm cắt CCi [1] .......................... 19
Hình 1.22 Dụng cụ cắt được điều khiển nghiêng bởi hai trục quay ........................ 21
Hình 1.21 Sơ đồ tính đường dụng cụ trong gia cơng 5 trục đối với dao phay ngón
đầu bằng .................................................................................................................... 21
Hình 1.23 Miền giới hạn vùng dụng cụ ................................................................... 23
Hình 1.24 Mơ hình cắt lớp của phần thân trụ dao phay đầu cầu ............................. 25
Hình 1.25 Độ dày phoi trong hệ quy chiếu điểm cắt ............................................... 27
Hình 2.1 Robot Delta của hãng Hitachi Seiki .......................................................... 28
Hình 2.2 Robot song song 6 bậc tự do Hexaglide, Đức [14] ................................... 29
Hình 2.3 Máy CNC 5 trục ảo PM-600 của hãng Okuma, Nhật [14] ....................... 29
Hình 2.4 Máy công cụ hexapod phát triển tại trường đại học U.A.E [13] .............. 30
Hình 2.5 Mơ tả sơ đồ nguyên lý và đặt hệ quy chiếu .............................................. 31
Hình 2.6: Thiết kế kết cấu sơ bộ của robot .............................................................. 33
Hình 2.7 Sơ đồ véc tơ vòng của một chân ............................................................... 34
Hình 2.8 Độ xoắn của tam diện động trên đường cong gia cơng ........................... 37
Hình 2.9 Điều khiển hướng trục dụng cụ ................................................................ 38
Hình 2.10 Tịnh tiến giá di động từ vị trí CL0 đến CLi ............................................. 41
Hình 2.11 Mơ tả vị trí các khớp và hệ trục tọa độ trên giá di động và giá cố định . 42
Hình 2.12: Quỹ đạo điểm tạo hình, đường dụng cụ và trường vectơ hướng trục
dụng cụ ..................................................................................................................... 44
Hình 2.13 Cấu trúc mơ phỏng trên OpenGL ........................................................... 46
Hình 2.14 Giao diện chính ....................................................................................... 48
Hình 2.15 Load file dữ liệu đầu vào ........................................................................ 48
Hình 2.16 Bảng menu điều khiển mơ phỏng ........................................................... 49
Hình 2.17 Chọn chế độ hiển thị ............................................................................... 49
Hình 2.18 Kết quả mô phỏng độ biến thiên chiều dài chân ..................................... 50
Hình 2.19 Trọng tâm khâu 1 và 2 của chân thứ j..................................................... 60
Hình 2.20 Độ biến thiên vận tốc dài từng chân ....................................................... 62
Hình 2.21 Độ biến thiên vận tốc góc các chân ........................................................ 62
Hình 2.22 Độ biến thiên vận tốc trọng tâm 1 từng chân .......................................... 63

Hình 2.23 Độ biến thiên vận tốc trọng tâm 2 từng chân .......................................... 63
Hình 3.1 Các lực tác dụng lên khớp liên kết của chân thứ j .................................... 67
Hình 3.2 Lực tác dụng lên khớp trượt trong của khâu thứ j .................................... 71
Hình 3.3 Mơ hình hình học của một vi phân lưỡi cắt .............................................. 72
Hình 3.4 Hình dạng lưỡi cắt theo các hướng nhìn dọc trục, tuyếp tuyến và pháp
tuyến ......................................................................................................................... 73
Hình 3.5 Các hệ số lực cắt được xác định theo chiều sâu cắt cho dao đầu cầu 50%
phay thuận [24]. (Ký hiệu: các giá trị hệ số được xác định (chấm nhỏ), giá trị hệ số
trung bình (chấm lớn), đường nối ziczắc (nét đậm), đường cong xấp xỉ bậc 4 (nét
mảnh). Đường chấm gạch thẳng đứng biểu diễn vùng phân cách giữa phần đầu cầu
và phần thân trụ) ....................................................................................................... 75
xii


Hình 3.6 So sánh kết quả mơ phỏng (nét đứt) với lực cắt đo đạc trích dẫn từ tài liệu
[24] (nét liền) của dụng cụ phay đầu cầu với phay ngược 50% chiều sâu cắt b  4
(mm), lượng chạy dụng cụ f t  0,08 (mm/răng)) ..................................................... 76
Hình 3.7 Độ biến thiên gia tốc dài từng chân .......................................................... 78
Hình 3.8 Độ biến thiên gia tốc góc các chân ........................................................... 79
Hình 3.9 Độ biến thiên gia tốc trọng tâm 1 của từng chân ...................................... 79
Hình 3.10 Độ biến thiên gia tốc trọng tâm 2 từng chân .......................................... 80
Hình 3.11 Độ biến thiên lực điều khiển từng chân .................................................. 80
Hình C.1 Thơng số động lực học cụm khung đế ................................................... 116
Hình C.2 Thông số động lực học cụm giá di động ................................................ 116
Hình C.3 Thơng số động lực học khớp chân trên .................................................. 117
Hình C.4 Thơng số động lực học khớp chân dưới................................................. 117

xiii

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

1

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

2

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TRUNG TÂM PHAY CNC 5 TRỤC ẢO
KIỂU HEXAPOD
Chương này trình bày tổng quan về các trung tâm phay CNC 5 trục ảo có cấu
trúc động học song song và lịch sử phát triển của các loại máy này. Ngồi ra trong
chương này cịn trình bày về cơ sở lý thuyết tính tốn đường dụng cụ trong gia cơng
CNC 5 trục, mục đích để làm cơ sở cho việc tính tốn ở chương 2 và các dữ liệu
phục vụ cho bài tốn mơ phỏng.
1.1 MÁY CNC CĨ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC HỞ TRUYỀN THỐNG
CNC là thuật ngữ viết tắt của “Computer numerical controlled” có nghĩa là máy
gia công điều khiển số với sự hỗ trợ của máy tính. Ban đầu các máy này chỉ là
những máy NC sử dụng công nghệ điều khiển số với sự hỗ trợ của mạch bán dẫn,
loại máy này được phát triển từ cuối thập niên 40 đầu thập niên 50 của thế kỷ trước
được lập trình với mã lệnh tích hợp gọi chung là G-code.
Năm 1952, Tại phịng thí nghiệm công nghệ MIT (Mỹ) đã nghiên cứu và chế
tạo thành công máy phay đứng với hệ điều khiển được thiết lập bằng các phần tử
bán dẫn. Đây được coi là máy NC đầu tiên có tính chất tiền đề cho sự phát triển của
các máy CNC sau này.
Từ những năm 1963 cùng với sự phát triển của máy tính IBM các máy CNC
đầu tiên sử dụng công nghệ số với sự hỗ trợ của máy tính ra đời. Đến năm 1984 với
sự phát triển của công nghệ đồ họa trong kĩ thuật số việc tích hợp cơng cụ cho q
trình thiết kế và gia công trở nên dễ dàng hơn rất nhiều và được phát triển thành
CAD-CAM-CNC tức là quá trình gia cơng dựa trên bản vẽ CAD, mơ phỏng q
trình gia cơng bằng CAM rồi xuất mã G-code đưa tới máy gia công CNC.
Ngày nay, máy CNC đã trở nên phổ biến ở trên toàn thế giới, rất nhiều quốc gia
đã nghiên cứu và tham gia sản xuất cung ứng loại máy cơng cụ này vì vậy máy
CNC trở nên đa dạng về chủng loại, kiểu dáng, hoàn thiện về mặt công nghệ, độ
3

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

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

4


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

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

Hình 1.2 Trung tâm phay CNC 5 trục DMU 50 của Okuma [14]

Tuy nhiên ngày nay kĩ thuật công nghệ phát triển xuất hiện ngày càng nhiều
những tiết gia cơng có bề mặt gia cơng phức tạp địi hỏi độ chính xác cao, sự thay
đổi của pháp tuyến gia cơng lớn khi đó máy gia cơng CNC 3 trục, 5 trục hay 9 trục
trở nên khó thực hiện hoặc có khả năng gia cơng nhưng thời gian đáp ứng chậm, độ
5


chính xác và độ bóng khơng cao. Máy CNC có cấu trúc chuỗi động học kín hay cịn
gọi là các máy CNC cấu trúc song song trở nên hữu dụng hơn và đáp ứng được
những chi tiết phức tạp như vậy.
1.2 CÁC MÁY CNC CÓ CẤU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC SONG SONG
1.2.1 Sự phát triển của máy có cấu trúc chuỗi động học song song
Chuỗi động học song song hay chuỗi động học kín bao gồm khâu chấp hành n
bậc tự do liên kết với giá cố định bởi ít nhất hai khớp phát động gọi là chuỗi động
học kín. Hay có thể định nghĩa một cách đơn giản hơn là máy có cấu trúc chuỗi
động học song song là cơ cấu có chuỗi động học kín có khâu chấp hành được liên
kết với giá cố định bởi các chuỗi động. Máy có cấu trúc chuỗi động học song song
ban đầu được nghiên cứu ở lĩnh vực công nghiệp mô phỏng bay và robot lắp ráp.
Năm 1928 J.E Gwinnett đã đăng ký bản quyền sáng chế một rạp chiếu phim có cơ
cấu trúc động học song song cầu [14].

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

Năm 1947 tiến sĩ Eric Gough là người đầu tiên phát minh ra có cấu hexapod

với giá đỡ sáu chân điều khiển bằng sáu khớp trượt cho phép định vị và định hướng
giá di động (Hình 1.4).

6


Từ đó có rất nhiều biến thể được chế tạo và áp dụng trong công nghiệp như
máy thử độ bền của lốp sử dụng để nghiên cứu thử nghiệm khả năng chịu tải trọng
của lốp máy bay khi hạ cánh.

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

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

Hình 1.5 Cơ cấu mô phỏng bay của Cappel [14]

7


Cho đến nay nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu thành công Robot song
song như: Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Đức, Ý, Italia, Hàn Quốc, Canada… và robot
song song được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống như:
+ Trong y học

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

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

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

8


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

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

Năm 1997 hãng Geodetic giới thiệu máy công cụ CNC kiểu hexapod. Gần
đây các hãng Hitachi, Seiki, Toyoda đã liên kết với các công ty của Mỹ và Anh để
cùng phát triển các máy cơng cụ có cấu trúc song song này.

9

Năm 2000-2003, tại Pháp 2 nhà nghiên cứu Wenger và Chablat đã đề xuất thiết
kế chế tạo IRCCyN [6]:

Hình 1.9 Cấu trúc trực giao IRCCyN [6]

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

Hình 1.10 Máy song song – DOF [7]

10


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

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

Hình 1.12 Máy Hexa của hãng Toyoda
Nhật Bản

11

Hình 1.13 Robot Delta của hãng Hitachi
Seiki


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

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

12