Tính toán thông số điều khiển động học và mô phỏng quá trình gia công trên máy phay CNC 5 trục PSK kiểu trực giao tích hợp modul quay BC

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

HỒNG THỊ LOAN

TÍNH TỐN THƠNG SỐ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC VÀ
MƠ PHỎNG Q TRÌNH GIA CƠNG TRÊN MÁY PHAY CNC 5
TRỤC PSK KIỂU TRỰC GIAO TÍCH HỢP MO DUL QUAY BC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội – Năm 2013


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

HỒNG THỊ LOAN

TÍNH TỐN THƠNG SỐ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC VÀ
MƠ PHỎNG Q TRÌNH GIA CƠNG TRÊN MÁY PHAY CNC 5
TRỤC PSK KIỂU TRỰC GIAO TÍCH HỢP MO DUL QUAY BC

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1. TS. Nguyễn Hồng Thái

Hà Nội – Năm 2013


Luận văn Thạc sỹ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và những kết quả thực nghiệm được nghiên cứu
trong luận văn là hoàn toàn thực tế khách quan. Những kết quả tương tự chưa từng
được sử dụng để bảo vệ một học vị nào.
Tác giả luận văn

Hoàng Thị Loan

Học viên: Hoàng Thị Loan

i


Luận văn Thạc sỹ

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn thày TS Nguyễn Hồng Thái – Trung tâm đào tạo và nghiên
cứu phát triển công nghệ CNC (BK-CNC), Viện Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà nội đã tạo
điều kiện, hướng dẫn và giúp đỡ rất tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và viết luận văn
cũng như hoàn tất các thủ tục bảo vệ luận văn của mình.
Tơi xin trân trọng cảm ơn các thày cơ trong Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa
Hà nội cung cấp cho tôi những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian tơi được học và q
trình thực hiện luận văn.

Tôi xin cảm ơn các thày cô trường Cao đẳng Công nghiệp Nam Định và các bạn đồng
nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ, đóng góp ý kiến để hồn thành luận văn.

Tác giả luận văn

Hoàng Thị Loan

Học viên: Hoàng Thị Loan

ii


Luận văn Thạc sỹ

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ......................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................ vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC KIỂU PSK ............ 3
VÀ GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP ......................................................................... 3
1.1 Tổng quan về máy phay CNC nhiều trục kiểu PSK ................................................ 3
1.1.1 Lịch sử phát triển máy CNC nhiều trục có cấu trúc ĐHSS kết hợp với CĐH
.......................................................................................................................................... 3
1.1.2 Rơ bốt song song có cấu trúc trực giao ................................................................. 6
1.2 Tổng quan về gia công bề mặt phức tạp ................................................................... 7
1.2.1 Các chi tiết có bề mặt phức tạp .............................................................................. 8

1.2.2 Đường dụng cụ trong gia công các bề mặt phức tạp ........................................... 10
1.2.3 Hình dáng đường dụng cụ và phương tiến cắt ................................................... 13
1.2.4 Hiện tượng va chạm trong q trình gia cơng ..................................................... 15
1.2.5. Các loại dao trong gia công các bề mặt phức tạp trong không gian .................. 17
1.2.6 Kiểu đường dụng cụ phủ lên bề mặt gia cơng ..................................................... 18
1.3 Thuật tốn sinh quỹ đạo điểm tạo hình CCi ........................................................... 18
1.3.1 Quy luật xốy ốc .................................................................................................. 19
1.3.2 Quy luật song song cách đều ............................................................................... 21
1.3.3 Quy luật Ziczac .................................................................................................... 23
1.4 Tính đường dụng cụ và định hướng dụng cụ ......................................................... 25
1.5 Lập trình trên Matlab 2009 tính đường dụng cụ .................................................... 28
1.6. Kết luận................................................................................................................... 32
Học viên: Hoàng Thị Loan

iii


Luận văn Thạc sỹ

Chương 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐIỀU
KHIỂN ĐỘNG HỌC MÁY PHAY CNC 5 TRỤC KIỂU PSK.................................. 33
2.1 Mô tả cấu trúc máy .................................................................................................. 33
2.2 Đặt hệ trục tọa độ .................................................................................................... 34
2.3 Các kí hiệu ............................................................................................................... 34
2.4 Nguyên tắc điều khiển............................................................................................. 35
2.5 Phương trình động học ............................................................................................ 35
Chương 3 THIẾT KẾ KẾT CẤU MÁY ....................................................................... 51
3.1 Cơ sở thiết kế ........................................................................................................... 51
3.2 Thiết kế modul RBSS ............................................................................................. 51
3.3 Thiết kế modul modul quay BC.............................................................................. 56

3.4 Tổng thể máy ........................................................................................................... 57
Chương 4 MÔ PHỎNG Q TRÌNH GIA CƠNG CÁC BỀ MẶT PHỨC TẠP ..... 58
TRÊN MÁY CNC 5 TRỤC .......................................................................................... 58
4.1 Giao diện của phần mềm mô phỏng ....................................................................... 58
4.2 Mô phỏng gia công trên một số bề mặt .................................................................. 59
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 65
PHỤC LỤC ................................................................................................................... 68

Học viên: Hoàng Thị Loan

iv


Luận văn Thạc sỹ

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

Nội dung, ý nghĩa

( )

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

CAD

: Computer Aided Design.

CA

: Computer Aided Manufacturing.

CĐH

: Chuỗi động hở.

CNC

: Computer Numerical Control.

CLi

: Điểm định vị dụng cụ trên đường dụng cụ (  ) trong hệ tọa độ HP.

T

:Điểm định vị trên đường dụng cụ

M

CL

dmax

: Giới hạn trượt lớn nhất của khớp trượt dẫn động.

dmin

: Giới hạn trượt nhỏ nhất của khớp trượt dẫn động.

Bmax

: Giới hạn quay lớn nhất của khớp quay B

Bmin

: Giới hạn quay nhỏ nhất của khớp quay B

H0

: Hệ tọa độ gốc máy cố định.

HB

: Hệ tọa độ đặt tại tâm bàn máy.

HP

: Hệ tọa độ gốc phôi.

HRB

: Hệ tọa độ cố định tại tâm ORB.

PSK

: Parallel Serial Kinematic.

P

: Véc tơ đơn vị chỉ hướng trục dụng cụ tạo điểm CLi trên (  ) xét trong

t di

hệ tọa độ HP.
T


tdi

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

Học viên: Hồng Thị Loan

v


Luận văn Thạc sỹ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Trích ngang cơ sở dữ liệu đường dụng cụ kiểu hình tia với dao phay ngón
đầu cầu với gia cơng mặt cầu cho dưới dạng tham số APT ......................................... 60
Bảng 4.2: Trích ngang cơ sở dữ liệu đường dụng cụ kiểu đường xoắn ốc với dao phay
ngón đầu cầu gia cơng mặt yên ngựa cho dưới dạng tham số APT............................. 61
Bảng 4.3: Trích ngang cơ sở dữ liệu đường dụng cụ kiểu xoắn ốc song song với dao
phay ngón đầu cầu gia cơng mặt xoắn vít cho dưới dạng tham số APT ...................... 62
Bảng 4.4: Trích ngang cơ sở dữ liệu đường dụng cụ kiểu hình tia với dao phay ngón
đầu cầu gia cơng mặt xoắn vít cho dưới dạng tham số APT........................................ 63

Học viên: Hoàng Thị Loan

vi


Luận văn Thạc sỹ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Các mẫu máy CNC 5 trục có cấu trúc ĐHSS ................................................. 3
Hình 1.2 Các mẫu máy CNC 5 trục có cấu trúc kiểu PSK ............................................ 4
Hình 1.3 RBSS kiểu trực giao Isoglide .......................................................................... 7
Hình 1.4 RBSS kiểu trực giao Orthoglide ...................................................................... 7
Hình 1.5 Đường dụng cụ 5 trục gia cơng cánh tua bin .................................................. 8
Hình 1.6 Các chi tiết có bề mặt phức tạp ........................................................................ 8
Hình 1.7 Đường dụng cụ trong gia công các chi tiết phức tạp ...................................... 9
Hình 1.8 Gia cơng mặt phẳng bằng dao phay nghón đầu bằng trên máy 5 trục ......... 10
Hình 1.9 Các bề mặt cong trơn ..................................................................................... 11
Hình 1.10 Gia cơng bề mặt trên máy phay nhiều trục ................................................. 11
Hình 1.11 So sánh gia cơng mặt trụ bằng dao phay ngón đầu bằng trên máy 3 trục 5
trục ................................................................................................................................. 12
Hình 1.12 Gia cơng bề mặt cong có véc tơ pháp tuyến xoắn theo quỹ đạo tạo hình .. 12
Hình 1.13 Gia cơng mặt xoắn bằng dao phay ngón đầu bằng và dao đầu cầu ............ 13
Hình 1.14 Ba dạng đường phổ biến của đường dụng cụ .............................................. 13
Hình 1.15 Đường dụng cụ song song ........................................................................... 14
Hình 1.16 Đường dụng cụ theo kiểu zigzag ................................................................. 14
Hình 1.17 Đường dụng cụ tại các mặt vá ..................................................................... 15
Hình 1.18 Hướng tiến dao trong gia cơng nhiều trục ................................................... 15
Hình 1.19 Va chạm giữa dụng cụ và phần chi tiết cịn lại ........................................... 16
Hình 1.20 Va chạm giữa dao và các bộ phận máy ....................................................... 16
Hình 1.21 Tránh va chạm giữa dao và phần khác của chi tiết gia cơng ...................... 17

Hình 1.22 Các loại dao phay ngón trong gia cơng các bề mặt phức tạp ..................... 17
Hình 1.23 Kiểu dáng đường dụng cụ ............................................................................ 18
Hình 1.24 Quy luật xoắn ốc song song ......................................................................... 20
Hình 1.25 Quy luật xoắn ốc song song cách đều ......................................................... 22
Hình 1.26 Quy luật zigzag ............................................................................................ 24
Học viên: Hồng Thị Loan

vii


Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.27 Sơ đồ tính đường dụng cụ gia công bề mặt không gian bằng dao đầu cầu 26
Hình 1.28 Biểu đồ phụ thuộc vận tốc cắt, góc nghiêng, vận tốc trục chính của dao đầu
cầu với R = 10 mm ........................................................................................................ 27
Hình 1.29 Sơ đồ khối tính đường dụng cụ và định hướng dụng cụ............................. 28
Hình 1.30 Giao diện modul phần mềm tính đường dụng cụ........................................ 29
Hình 1.31 Bề mặt cánh mỏng trong khơng gian .......................................................... 30
Hình 1.32 Đường dụng cụ đẳng tham số theo quy luật Ziczac với gia số................... 30
u = 0.02, v = 0.02, có góc nghiêng dụng cụ  =  và góc lật dụng cụ  =  ... 30
Hình 1.33 Trường véc tơ định hướng trục dụng cụ...................................................... 31
Hình 1.34 Bề mặt tham số bậc 3 ................................................................................... 31
Hình 1.35 Trường véc tơ định hướng trục dụng cụ khi gia công bề mặt bậc 3........... 32
Hình 2.1 Kiểu máy nghiên cứu ..................................................................................... 33
Hình 2.2 Các loại dao phay ngón .................................................................................. 34
Hình 2.3 Các phép quay định hướng ............................................................................ 37
Hình 2.4 Modul RBSS .................................................................................................. 39
Hình 2.5 Xét trên mặt phẳng XoOZo ........................................................................... 40
Hình 2.6 Xét trên mặt phẳng Y0OZ0 ............................................................................. 41
Hình 2.7 Xét trên mặt phẳng YoOZo ........................................................................... 42

Hình 2.8 Nhánh tạo chuyển động tính tiến theo trục x ................................................ 44
Hình 2.9 Nhánh tạo chuyển động tịnh tiến theo trục y ................................................ 45
Hình 2.10 Nhánh tạo chuyển động tịnh tiến theo trục z............................................... 46
Hình 2.11 Giải thuật xác định thơng số điều khiển ...................................................... 49
Hình 3.1 Đế máy ........................................................................................................... 51
Hình 3.2 Bàn máy .......................................................................................................... 52
Hình 3.3 Khung máy ..................................................................................................... 53
Hình 3.4 Cụm dẫn động ................................................................................................ 54
Hình 3.5 Tay biên .......................................................................................................... 54
Hình 3.6 Cụm hình bình hành ....................................................................................... 55
Hình 3.7 Cụm cánh tay và cẳng tay .............................................................................. 55
Học viên: Hoàng Thị Loan

viii


Luận văn Thạc sỹ

Hình 3.8 Cụm giá di động ............................................................................................. 56
Hình 3.9. Modul quay BC ............................................................................................. 57
Hình 3.10 Tổng thể máy................................................................................................ 57
Hình 4.1 Giao diện phần mềm mơ phỏng..................................................................... 58
Hình 4.2 Đường dụng cụ hình tia gia cơng mặt cầu..................................................... 60
Hình 4.3 Gia cơng bề mặt n ngựa với kiểu đường dụng cụ xoắn ốc ....................... 61
Hình 4.4 Đường dụng cụ gia công mặt yên ngựa kiểu song song cách đều................ 62

Học viên: Hoàng Thị Loan

ix

Luận văn Thạc sỹ

MỞ ĐẦU
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong sản xuất cơng nghiệp hiện đại trở nên phổ biến và đóng vai trị quan trọng
trong gia cơng các sản phẩm có độ chính xác cao. Ngày nay trước sự phát triển của
ngành công nghiệp thế giới dẫn đến một xu hướng tất yếu đó là sự đổi mới và phát
triển các trang thiết bị phục vụ sản xuất, trong đó có máy công cụ điều khiển số CNC
(Computer Numerical Control). Cùng với sự phát triển của máy CNC có cấu trúc
động học hở truyền thống, bắt đầu từ những năm 1990 bắt đầu xuất hiện các máy
CNC có cấu trúc động học song song cho đến những năm 2004 thì phát triển những
máy CNC kiểu lai giữa cấu trúc động học hở và kín, đó là sự kết hợp giữa một máy
CNC và một robot song song loại máy này được gọi là kiểu máy PSK (Parallel Serial
Kenematic). Đây là kiểu máy CNC mới nhất hiện nay và được nghiên cứu chủ yếu
trong các phịng thí nghiệm của các trung tâm nghiên cứu ở các nước có trình độ khoa
học cao như: Mỹ, Nga, Nhật, Trung Quốc v.v... Để cập nhật theo xu thế phát triển đó
luận văn nghiên cứu về động học của máy CNC 5 trục kiểu PSK với 3 trục chuyển
động tịnh tiến là robot song song và 2 trục quay là modul quay BC.
II. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
• Ý nghĩa khoa học
1. Luận văn nghiên cứu về động học máy phay CNC 5 trục kiểu PSK, đây là
một thế hệ máy CNC mới nhất hiện nay do đó luận văn mang tính thời sự
và mới.
2. Các kết quả nghiên cứu động học về kiểu máy này sẽ là tiền đề cho các
nghiên cứu tiếp theo về động lực học, điều khiển để tiến đến thiết kế loại
máy này.
3. Thuật tốn điều khiển các thơng số động học của máy có thể mở rộng ứng
dụng bằng cách thêm các điều kiện ràng buộc để điều khiển tác hợp 2 robot
chứa động học hở trong gia cơng.

• Ý nghĩa thực tiễn

Học viên: Hồng Thị Loan

1


Luận văn Thạc sỹ

1. Với modul phần mềm mô phỏng q trình gia cơng các bề mặt phức tạp trên
máy phay CNC 5 trục kiểu PSK có thể được ứng dụng trong giảng dạy môn
học robot công nghiệp và gia công bề mặt trên máy CNC nhiều trục.
2. Cập nhật thế hệ máy mới trong sản xuất cũng như gia cơng cơ khí chính xác
III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Dựa trên cơ sở lý thuyết tạo hình (chuyển động cắt gọt tương đối giữa phôi và
dụng cụ) tiến hành thiết lập cơ sở dữ liệu gia công và chọn kết cấu máy phù hợp.
Trong đó đầu trục chính định vị dụng cụ bởi modul robot song song còn bàn quay BC
định hướng dụng cụ. Từ đó thiết lập thuật tốn tính tốn mơ phỏng và lập trình để
kiểm tra cũng như hiệu chỉnh thuật toán.
IV. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn được trình bày trong 67 trang và chia thành 4 chương cụ thể như sau:
Chương 1. Trình bày các vấn đề về:
+ Tổng quan về máy CNC nhiều trục kiểu lai giữa động học hở truyền
thống kết hợp với song song
+ Tổng quan về gia công bề mặt phức tạp trên máy CNC nhiều trục
+ Tính tốn đường dụng cụ làm cơ sở cho dữ liệu cho bài tốn mơ
phỏng ở chương 4.
Chương 2. Thiết lập phương trình động học điều khiển q trình gia cơng tác hợp
2 modul robot song song và modul bàn quay BC
Chương 3. Thiết kế sơ bộ về kết cấu máy làm cơ sở dữ liệu về kết cấu cho bài

tốn mơ phỏng file*.stl
Chương 4. Trình bày modul phần mềm mơ phỏng q trình gia công các bề mặt
phức tạp trên máy phay CNC nhiều trục của PSK.
V. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu về tính tốn, lập trình mơ phỏng động học quá trình tạo hình
trên máy CNC nhiều trục kiểu PSK chưa đề cập đến động lực học và các yếu tố cơng
nghệ khác.

Học viên: Hồng Thị Loan

2


Luận văn Thạc sỹ

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC KIỂU PSK
VÀ GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP
ơ

1.1 Tổng quan về máy phay CNC nhiều trục kiểu PSK
1.1.1 Lịch sử phát triển máy CNC nhiều trục có cấu trúc ĐHSS kết hợp với
CĐH
Theo tài liệu [1] trước năm 1990 đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về máy công
cụ điều khiển số cấu trúc động học song song (PKMT - Parallel Kinematic Machine
Tool) nhưng hầu hết đều không thành cơng, do chi phí cho điều khiển q cao. Sau
năm 1990 máy tính trở nên phổ biến và giá thành cũng giảm đi, thế hệ máy này tiếp
tục được nghiên cứu phát triển và máy PKMT đầu tiên trên thế giới có tên gọi
Octahedral Hexapod được sản xuất bởi hãng Ingersoll vào năm 1990 [2, 3].

Hình 1.1 Các mẫu máy CNC 5 trục có cấu trúc ĐHSS

Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của máy PKM là có miền làm việc nhỏ trong khi
kích thước máy là lớn. Trong những năm 2003 – 2004 trở lại đây, để cải thiện nhược
điểm đó đã có nhiều nghiên cứu kết hợp giữa chuỗi động học hở và song song PSK
Học viên: Hoàng Thị Loan

3


Luận văn Thạc sỹ

(Parallel Serial Kinematic) từ lý thuyết đến thực nghiệm. Ngồi ra, các hãng chế tạo
máy cơng cụ cũng nghiên cứu và đã cho ra đời một số mẫu máy CNC kiểu PSK.
Dưới đây là một số các mẫu máy PSK đã được chế tạo thử nghiệm và thương mại:

Hình 1.2 Các mẫu máy CNC 5 trục có cấu trúc kiểu PSK

Như vậy, có thể nói máy CNC kiểu PSK là thế hệ máy mới nhất hiện nay và đây
là hướng nghiên cứu mang tính thời sự ở trong nước và trên thế giới.

Học viên: Hoàng Thị Loan

4


Luận văn Thạc sỹ

Trong những năm đầu của thế kỷ XXI trở lại đây nghiên cứu về thế hệ máy PSK
được các nhà nghiên cứu quan tâm và tập trung vào các vấn đề phân tích động học,

miền làm việc, động lực học, thiết kế kết cấu, điều khiển v.v... Với những kết quả
nghiên cứu đạt được cho thấy rằng PSK là một thế hệ máy mới đầy tiềm năng phát
triển và ứng dụng trong gia cơng cơ khí. Dưới đây là một số nghiên cứu đã được công
bố về lĩnh vực này:
Tháng 5/2003, Dan Zhang (Canada)và các đồng nghiệp đã đưa ra một phương
pháp mới để phân tích động học các máy có cấu trúc động học song song [4]. Phương
pháp này được áp dụng vào cơ cấu máy Tripod dựa trên cơ sở máy PKMS – là mẫu
máy thử nghiệm được nhóm tác giả nghiên cứu tại Viện cơng nghệ sản xuất tích hợp
thuộc Hội đồng nghiên cứu Quốc gia Canada. Kết quả cho thấy phương pháp hữu ích
trong việc đánh giá các ứng xử động học của các máy có cấu trúc ĐHSS. Đến tháng
8/2003 thừa kế kết quả nghiên cứu trên, nhóm tác giả đã cơng bố nghiên cứu về “Tối
ưu hóa quỹ đạo dụng cụ bằng thuật tốn phát sinh” [5]. Trong đó sử dụng mẫu thí
nghiệm có đầu trục chính được điều khiển bởi modul RBSS Tripod.
Nhóm tác giả Jeng – Shyong Chen (Trung Quốc) năm 2003 đã công bố nghiên
cứu về một cơ cấu máy mới với 3 mẫu là Cartesian-Guided Tripod, Cartesian-Guided
Pentapod, Cartesian-Guided Hexapod [6]. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tính chính
xác khi gia cơng tỉ lệ với vết tiếp xúc, độ cứng vững, cao hơn so với các máy CNC
thông thường.
Tại hội nghị quốc tế về kỹ thuật lần thứ 3 được tổ chức tại Đan Mạch tháng
10/2008 D.Milutinovic và M.Glavonjic [7] và các đồng nghiệp đã trình bày nghiên
cứu về “Máy phay mini 3 trục có cấu trúc động học song song phục vụ trong giảng
dạy”. Máy này được phát triển dựa trên cơ sở cơ cấu máy CNC 3 bậc tự do, các tác
giả đã đưa ra cấu trúc, kiểu dáng cũng như là chương trình điều khiển máy. Tiếp theo
đó, vào tháng 12/2008, nhóm nghiên cứu tiếp tục công bố thêm các kết quả nghiên
cứu về cấu trúc máy và chương trình hệ thống điều khiển dựa trên hệ điều hành Linux
mở rộng với phần mềm EMC2 [8]. Sau đó vào tháng 6/2009 các tác giả đã đi sâu vào
giải pháp thiết lập cấu hình máy [9]. Tuy mẫu máy được đưa ra có tính kinh tế nhưng
Học viên: Hoàng Thị Loan

5

Luận văn Thạc sỹ

mẫu máy này sử dụng hệ điều hành Linux không phổ biến với đại đa số các nước
đang sử dụng hệ điều hành Window.
Năm 2009, Daniel Kanaan [10] (Pháp) cùng các cộng sự đã công bố nghiên cứu
của họ về mẫu máy CNC 5 trục kiểu PSK có tên gọi là VERNE. Máy này gồm 2
modul đó là modul robot song song 3 bậc tự do và modul bàn quay BC 2 bậc tự do.
Nghiên cứu đã tập trung vào giải bài toán động học thuận và nghịch của máy
VERNE.
Một số các nghiên cứu khác đã công bố như [6, 11-15] cũng đề cập tới thế hệ máy
SPK này. Có thể thấy các tác giả của các nghiên cứu trên đã ít nhiều đề cập tới một
xu hướng phát triển thế hệ PSK mới. Tuy nhiên, các nghiên cứu đó chỉ đưa ra một số
vấn đề cụ thể mà vẫn chưa giải quyết triệt để các vấn đề đặt ra cho thế hệ máy mới
này, như miền không gian hoạt động, đường dụng cụ, tốc độ gia công cũng như là
khả năng gia công v.v…
1.1.2 Rô bốt song song có cấu trúc trực giao
Cơ cấu song song nói chung rất đa dạng và phong phú về mặt cấu trúc, kết cấu,
kích thước và khơng gian hoạt động. So với các cấu trúc động học khác, cấu trúc
động học song song có nhiều đặc điểm nổi trội hơn [1, 4, 6] như:
+ Độ cững vững cao, dẫn đến tốc độ gia cơng cao và độ chính xác cao hơn, do đó
cấu trúc này thường được dùng làm máy phay CNC cao tốc.
+ Sự linh hoạt trong thiết kế của cấu trúc động học song song giúp đưa ra nhiều
kiểu máy phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, xin trình bày một số nghiên cứu về
nhóm cấu trúc cơ cấu song song có giá di động mang đầu trục chính di chuyển tịnh
tiến theo ba trục tọa độ của hệ quy chiếu gốc được gọi RBSS có cấu trúc trực giao
Orthoglide. Ngoài những ưu điểm chung của cấu trúc động học song song, cấu trúc
RBSS Orthoglide cịn có thiết kế đẳng hướng giúp cung cấp một miền không gian

làm việc liên tục, phân bố vận tốc đồng đều trong miền làm việc và ổn định.
Dưới đây là một số kết cấu robot song song trực giao đã được nghiên cứu và chế
tạo thử nghiệm.
Học viên: Hoàng Thị Loan

6


Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.3 RBSS kiểu trực giao Isoglide

Hình 1.4 RBSS kiểu trực giao Orthoglide

1.2 Tổng quan về gia công bề mặt phức tạp
Theo tác giả Mahadevan [16] hầu hết các phần mềm CAM thương mại, gói 5 trục
đều có cơ sở là cơng nghệ phay hốc ba bậc tự do. Bởi vì, rất nhiều hệ thống CAM
như Master-CAM, CAMAX, AlphaCAM và Pro Mmanufacture khi sử dụng gói phần
mềm 5 trục thường bị giới hạn bởi 3 bậc tự do, hai trục còn lại được xác định bởi
người dùng. Khi sử dụng các gói phần mềm này, người sử dụng kiêm luôn việc vạch
kế hoạch điều khiển lựa chọn chế độ cắt, phân tích, lựa chọn dụng cụ. Do đó đến nay
các phần mềm CAM thương mại vẫn hạn chế trong việc can thiệp tổng thể đòi hỏi
người dùng phải có nhiều kỹ năng, kinh nghiệm và mất nhiều cơng sức. Khi gia cơng
chi tiết có bề mặt phức tạp ví dụ như cánh tua bin (hình 1.5) [17], người dùng phải
hiệu chỉnh liên tục đường dụng cụ bằng cách sửa lại mã G-code hoặc sửa lại đường
dụng cụ cho từng mặt hoặc điều chỉnh góc nghiêng của dụng cụ cho phù hợp, việc
làm đó lặp đi lặp lại một cách thụ động và khơng trực quan. Vì vậy, việc tính tốn
đường dụng cụ cho máy 5 trục đến nay vẫn là cần thiết và đang được nhiều nhà

Học viên: Hoàng Thị Loan

7


Luận văn Thạc sỹ

nghiên cứu quan tâm. Trong tài liệu này tác giả đưa ra một thuật tốn tính đường dụng
cụ cho máy 5 trục dựa vào điểm tiếp xúc đối với dao phay ngón đầu cầu.

Hình 1.5 Đường dụng cụ 5 trục gia công cánh tua bin

1.2.1 Các chi tiết có bề mặt phức tạp
Các chi tiết máy có những bề mặt từ đơn giản cho đến phức tạp ở hình 1.6 dưới
đây khi các bề mặt kiến tạo lên những bề mặt chi tiết phức tạp cánh tua bin hình 1.6b,
hay trục đùn của vít tải dầu hình 1.6c hay hình 1.6d với những cơng dụng khác nhau
mà dạng bề mặt chi tiết có dạng phức tạp khác nhau. Qua đó cho thấy đối với máy 3
trục khơng thể gia công các bề mặt phức tạp do không đủ bậc tự do khi gia cơng các
chi tiết này.

Hình 1.6 Các chi tiết có bề mặt phức tạp

Học viên: Hoàng Thị Loan

8


Luận văn Thạc sỹ

Trước khi có máy CNC 5 trục thì các bề mặt phức tạp được gia cơng bằng
phương pháp chép hình. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ CNC 5 trục và 6

trục cho phép không những chỉ dẫn dụng cụ theo đường dụng cụ mà còn điều khiển
hướng của dụng cụ để tạo vận tốc cắt trong q trình gia cơng các bề mặt phức tạp
hình 1.7 dưới đây là ví dụ điển hình.

Hình 1.7 Đường dụng cụ trong gia công các chi tiết phức tạp

Học viên: Hoàng Thị Loan

9


Luận văn Thạc sỹ

1.2.2 Đường dụng cụ trong gia công các bề mặt phức tạp
Khi gia công các bề mặt phức tạp trong không gian bằng máy phay CNC nhiều
trục (5 hoặc 6 trục) thì đường dụng cụ có những điểm khác với 3 trục, ngoài việc
định vị dụng cụ nó cịn định hướng dụng cụ tùy theo độ phức tạp của bề mặt gia cơng
và hình dạng hình học của dao. Dưới đây tà lần lượt xét các ví dụ:
Ví dụ 1:
Trên hình 1.8 xét chi tiết gia cơng có bề mặt là các mặt phẳng khác nhau được gia
cơng bằng giao phay ngón đầu bằng, ta thấy chi tiết được gia cơng có mặt phẳng gia
cơng là các mặt phẳng đơn giản nhưng nếu gia công trên máy 3 trục thì việc thiết kế
đồ gá rất phức tạp mới có thể gia cơng được. Tuy nhiên đối với máy 5 trục thì việc
thay đổi hướng của trục dao là hồn tồn gia cơng được.

Hình 1.8 Gia cơng mặt phẳng bằng dao phay nghón đầu bằng trên máy 5 trục

Ví dụ 2:
Hãy xét bề mặt cong trơn trên hình 1.9a các véc tơ pháp tuyến biến đổi theo bề
mặt cong. Giả sử cắt trích 1 đường cong trên bề mặt hình 1.9a ta có đường cong với

các pháp tuyến ở hình 1.9b. Như đã phân tích ở trên ta thấy để gia cơng các bề mặt
này thì dao phải nghiêng 1 góc tối thiểu nào đó để đạt vận tốc cắt.

Học viên: Hoàng Thị Loan

10


Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.9 Các bề mặt cong trơn

Ví dụ 3:
Khi bề mặt gia công được ghép từ mặt trụ và mặt phẳng hình 1.10 hay bề mặt gia
cơng được ghép từ mặt cầu và mặt phẳng ta thấy các véc tơ pháp tuyến biến đổi theo
bề mặt.

Hình 1.10 Gia công bề mặt trên máy phay nhiều trục

Để nhận thấy sự khác nhau trong q trình gia cơng trên máy nhiều trục ta hãy xét
thêm ví dụ 4 sau đây là sự so sánh gia công mặt trụ giữa gia cơng 3 trục hình 1.11a và
máy 5 trục hình 1.11b ta thấy gia công được mặt trụ bằng dao đầu bằng thì đối với
máy CNC 3 trục vết dao nhiều hơn so với máy 5 trục rất nhiều điều đó cho thấy ảnh
hưởng đến năng suất gia cơng.

Học viên: Hoàng Thị Loan

11

Luận văn Thạc sỹ

Ví dụ 4:

Hình 1.11 So sánh gia cơng mặt trụ bằng dao phay ngón đầu bằng trên máy 3 trục 5 trục

Ví dụ 5:
Giả sử có một mặt cong trên hình 1.12 trên đó dao phay ngón đầu xuyến gia công
theo một đường trên mặt. trên đường cong này các véc tơ pháp tuyến bị xoắn theo
phương pháp tuyến của bề mặt. Như vậy trong quá trình điều khiển dẫn dao trục dao
bị lắc xoắn theo phương hợp với phương trục dao xoắn 1 góc nào đó. Để thấy rõ hơn
về vấn đề này ta xét thêm ví dụ 6 dưới đây.

Hình 1.12 Gia cơng bề mặt cong có véc tơ pháp tuyến xoắn theo quỹ đạo tạo hình

Học viên: Hồng Thị Loan

12


Luận văn Thạc sỹ

Ví dụ 6:
Để rõ hơn sự khác nhau giữa gia công 3 trục và nhiều trục ta hãy xét ví dụ ở hình
1.13 khi gia cơng mặt xoắn bằng dao phay ngón đầu cầu và đầu bằng cơn bằng
phương pháp bao hình.

Hình 1.13 Gia cơng mặt xoắn bằng dao phay ngón đầu bằng và dao đầu cầu

1.2.3 Hình dáng đường dụng cụ và phương tiến cắt

a) Đường dụng cụ
Cũng tương tự như đối với gia công các bề mặt trên máy 3 trục đường dụng cụ
trên máy nhiều trục cũng có kiểu dáng (song song, hình tia, zigzag hay xốy ốc). Tuy
nhiên có do đặc trưng của bề mặt trong khơng gian như đã phân tích ở trên mà đường
dụng cụ là các đường 3D phức tạp dưới đây là một số kiểu đường dụng cụ phổ biến.

Hình 1.14 Ba dạng đường phổ biến của đường dụng cụ

Học viên: Hoàng Thị Loan

13


Luận văn Thạc sỹ

Hình 1.15 Đường dụng cụ song song

Trong đó:
a,b - đường dụng cụ kiểu song song.
c - biểu diễn từng lớp cắt theo từng lớp.

Hình 1.16 Đường dụng cụ theo kiểu zigzag

- Đối với chỗ chuyển giao (mặt vá) giữa các bề mặt thường rất phức tạp đường
dụng cụ thường có dạng song song như hình 1.17 dưới đây

Học viên: Hoàng Thị Loan

14