Luận văn: Tính toán động học, động lực học và điều khiển máy CNC 3 trục song song

Luận văn thạc sĩ phân tích động học, động lực học và điều khiển máy CNC 3 trục cấu trúc song song. Kèm mô phỏng trên MATLAB và OpenGL.

• Tác giả: Vũ Trường Tam
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Thái
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Tính Toán Động Học, Động Lực Học Và Điều Khiển Máy CNC 3 Trục Cấu Trúc Động Học Song Song
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Máy CNC 3 Trục Cấu Trúc Song Song

Máy CNC 3 trục cấu trúc song song là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực gia công cơ khí hiện đại. Khác với cấu trúc truyền thống, máy phay CNC song song sử dụng hệ thống cánh tay song song để nâng cao độ chính xác và tốc độ gia công. Cấu trúc Orthoglide là một trong những kiến trúc song song trực giao phổ biến nhất, cho phép di chuyển chính xác theo ba trục X, Y, Z. Ưu điểm chính của robot song song là khả năng giảm quán tính, tăng độ cứng và cải thiện hiệu suất động lực học. Luận văn này tập trung vào phân tích chi tiết về điều khiển máy CNC với cấu trúc song song, từ tính toán động học đến mô phỏng thực tế trong quá trình gia công.

1.1. Lịch sử phát triển Cấu Trúc Động Học Song Song

Cấu trúc động học song song được phát triển từ những năm 1980 với mục đích cải thiện hiệu năng robot công nghiệp. Từ đó, cơ cấu song song đã được ứng dụng rộng rãi trong gia công CNC, đặc biệt là trong những tác vụ đòi hỏi độ chính xác cao. Các robot song song trực giao ngày nay là kết quả của nhiều năm nghiên cứu và phát triển công nghệ điều khiển hiện đại.

1.2. Ứng dụng trong Gia công Cơ khí

Máy phay CNC 3 trục sử dụng cấu trúc song parallel đã cải thiện đáng kể năng suất gia công và độ chính xác bề mặt. Dụng cụ gia công được điều khiển tự động thông qua hệ thống điều khiển PLC và bộ điều khiển NCK tiên tiến. Điều này giúp giảm sai số trong quá trình tính toán đường dụng cụ và tối ưu hóa quỹ đạo gia công.

II. Phân tích Động Học của Máy CNC Song Song

Phân tích động học là bước quan trọng trong thiết kế và điều khiển máy CNC 3 trục cấu trúc song song. Bài toán động học thuận xác định vị trí của đầu công cụ dựa trên các góc khớp, trong khi bài toán động học ngược tính toán các góc khớp cần thiết để đạt vị trí mong muốn. Ma trận Jacobian đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi giữa không gian khớp và không gian tác vụ. Mô phỏng động học bằng OpenGL và các công cụ CAD/CAM giúp nhà kỹ sư có thể kiểm tra miễn làm việc (workspace) của máy trước khi sản xuất.

2.1. Bài Toán Động Học Thuận và Ngược

Bài toán động học thuận bắt đầu bằng cách mô tả cấu trúc máy và thiết lập hệ trục tọa độ cho từng khớp. Động học ngược sử dụng các phương trình toán học phức tạp để giải quyết vị trí khớp từ vị trí mong muốn. Các phương pháp giải tích và phương pháp số học đều được áp dụng để tìm ra nghiệm tối ưu cho hệ thống robot song song.

2.2. Tính Toán Jacobian và Vận tốc

Ma trận Jacobian là công cụ toán học mạnh mẽ để phân tích vận tốc góc và vận tốc tuyến tính của các cánh tay robot. Tính toán gia tốc trong tâm các cánh tay yêu cầu đạo hàm cấp hai của phương trình Jacobian. Những tính toán này là cơ sở để thiết lập phương trình vi phân của hệ máy CNC 3 trục.

III. Động Lực Học và Điều Khiển Máy CNC

Động lực học của máy CNC cấu trúc song song được phân tích thông qua phương trình Lagrange, một phương pháp toàn năng trong cơ học lý thuyết. Phương trình vi phân của máy được xây dựng dựa trên thông số động lực học được trích xuất từ mô hình CAD trong SolidWorks. Bộ điều khiển chính bao gồm bộ NCK chịu trách nhiệm xử lý lệnh gia công, giao diện MMI để tương tác người dùng, và hệ thống PLC để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Điều khiển PD (tỷ lệ - đạo hàm) được áp dụng để điều khiển vị trí các khớp với độ chính xác cao.

3.1. Thiết Lập Phương Trình Động Lực Học

Phương trình Lagrange cho máy CNC song parallel được thiết lập bằng cách tính hàm Lagrange từ năng lượng động học và thế năng. Các ràng buộc của hệ thống được tích hợp để tạo ra hệ phương trình vi phân chính xác. Các đạo hàm của phương trình Lagrange cung cấp thông số động lực học cần thiết cho mô phỏng MATLAB Simulink.

3.2. Cấu Trúc và Chức Năng Hệ Thống Điều Khiển

Bộ điều khiển CNC được chia thành phần cứng (hardware) và phần mềm (software). Phần cứng gồm bộ NCK, MMI và PLC. Phần mềm xử lý các lệnh G-code để tạo quỹ đạo dụng cụ gia công. Điều khiển sử dụng thuật toán PD để đảm bảo lực truyền động theo đúng yêu cầu.

IV. Mô Phỏng và Ứng Dụng Thực Tế

Mô phỏng gia công trên phần mềm OpenGL cho phép trực quan hóa toàn bộ quá trình gia công CNC 3 trục với dụng cụ phay khác nhau. Mô phỏng điều khiển bằng MATLAB Simulink cung cấp kết quả động lực học chi tiết, bao gồm lực cắt, mô-men xoắn khớp và gia tốc thực tế. Các thông số động học được trích từ cơ sở dữ liệu và xác thực thông qua thí nghiệm số. Thuật toán nội suy G-code được phát triển để chuyển đổi các tệp CAM thành lệnh máy CNC có thể thực hiện. Kết quả cho thấy hệ thống song song vượt trội hơn cơ cấu truyền thống về tốc độ, độ chính xác và hiệu suất năng lượng.

4.1. Mô Phỏng Gia Công Trên OpenGL

Mô phỏng 3D sử dụng OpenGL cho phép hiển thị miễn làm việc của máy phay CNC và kiểm tra xung đột có thể xảy ra. Dụng cụ gia công được biểu diễn với kích thước học chính xác, bao gồm đao phay, đao đầu bằng và đao đầu xuyến. Tính đường dụng cụ được tính toán để bề mặt không gian được gia công đúng yêu cầu.

4.2. Kết Quả Mô Phỏng Động Lực Học

Mô phỏng MATLAB Simulink cung cấp kết quả định lượng về lực cắt, gia tốc và quỹ đạo chuyển động. Bảng thông số kết quả được so sánh với thí nghiệm thực tế để xác thực độ chính xác của mô hình. Hệ số lực cắt được xác định bằng cách tối ưu hóa dựa trên kinh nghiệm gia công, cho phép dự báo lực với độ chính xác cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TONG QUAN, VE co CÁC SONG SONG CỔ CẤU TRÚC TRỰC GIÁO 1.1 LICH SU PHAT TRIBN CẤU TRUC DONG HOC SONG SONG, 1.2 UNG DUNG ROBOT SONG SON 1.3 ROBOT SONG SONG UNG DUNG TRONG GIA CONG.4 ROBOT SONG SONG TRUC GIAO.1 Máy phay ƠNC 3 trục sử dụng cấu tric trac giao.3 Cơ câu song song trực giao 1.3 Một sô mô bình robot co sie dmg cau trie song song trực giao.5 CAL TRUC VA 80 DO BONG HOC CƠ CAU TAY MAY TRUC GIAO.6 TINH BUONG DUNG CU TRONG GIA CONG BE MAT KHONG GIAN TRE! MAY PHAY CNC 3 TRỤC.1 Tính đường dụng cụ với đạo phay 1.2 Tính đường dụng cụ với đao đầu bằng 1.3 Tỉnh đường sàng ccụ với đao đâu xuyến.4 Vi dụ áp đụng. M tong 2 PHẪN TÍCH ĐỘNG TIỌC - - 3.1 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ NGƯỢC.1 Mỏ tả câu trúc mắy.2 Dặt hệ trụo toa độ 18 3.3 Hải toán động học ngược - eos Dl 2.2 PITAN TICH JACOBRAN, - e DF 2.1 Cơ sở tỉnh toàn Jacobean - - - ¬. Xác định ma trận Jacobean.Tf A 3 CUA ROBOT 34 - eos 4 2.2 Phương pháp tình học - m.3 Phương pháp giải tích 3.4 Tỉnh toán miễn làm v 3.5 Thuật toán xác định miễn biên 2.4 MÔ PHONG DONG IOC BANG VC VA OPENGL .5 BÀI TOÁN VẬN TỐC.1 Vận tốc góc các cảnh ta) 2.2 Vân tốc trong tâm các cảnh tay.6 BÀI TOÁN GIÁ TỐC 56 2.1 Giá tốc túc các cánh lay - - $6 iv DANH MUG CAC BANG Bảng 1.1 Trích ngang cơ sở dữ liệu 15 Bang 2.1 Bang thông số động học.2 Câu trúc của f1o đứ liệu - 42 Bang 3.1 Kích thước bình học của các loại dụng cụ được mô phóng.2 Các hệ số lực cất được xác định cho dụng cụ phay đầu bằng [9].3 Các giá trị lực cắt lớn nhất trong mồ phóng: vã trong thínghệ 8ì 73 Bâng 3.4 Bảng thông số đông lực học 24 Băng 3.5 Bảng trích ngang quỹ dạo mỏ phỏng lực.3 Kết quả mô phóng át 5D).

DANH MUG CAC BANG Bảng 1.1 Trích ngang cơ sở dữ liệu 15 Bang 2.1 Bang thông số động học.2 Câu trúc của f1o đứ liệu - 42 Bang 3.1 Kích thước bình học của các loại dụng cụ được mô phóng.2 Các hệ số lực cất được xác định cho dụng cụ phay đầu bằng [9].3 Các giá trị lực cắt lớn nhất trong mồ phóng: vã trong thínghệ 8ì 73 Bâng 3.4 Bảng thông số đông lực học 24 Băng 3.5 Bảng trích ngang quỹ dạo mỏ phỏng lực.3 Kết quả mô phóng át 5D). DANH MUC Ki HIEU Ký hiệu Noi dung, ý nghĩa 10,(xyz) Hệ tọa độ quy chiêu gốc may (hé 1) v,(Puvw) Hệ tọa độ đông gắn tại tâm của cụm trục chính (hệ 2) eu? Điểm định vị trên dung cu. oR, Ma tran quay bién doi tự hệ tọa độ ¡ vẻ hệ ¡-l 4,,08,,8,.9, Các thông số điều khiển (=1, 2, 3). ay Chiều đải các đoạn A,H, (i=1, 2, 3).

Lb Chiêu đải các cảnh tay A\B,, B,C, (=I, 2, 3) Chiều dai dao, Vée to don vi ctia vée to AH, (i=1, 2, 3) 'Véc tơ đơn vị các trục Ox, Oy, Oz 'Vận tốc góc các cánh tay A,B,, B,C,@=I, 2, 3) Vée to don vị của các vec tơ 4.B,,B,C, Van toc trong tam cac canh tay A,B, B,C, (i=1, 2, 3). Gia tộc góc các cánh lay A,B,, B,C, (i=1, 2, 3). Gia tốc trọng tâm các cánh tay A.B,, B,C, (=1, 2, 3) 'Vée tơ gia tốc trọng trường.2 Gia tốc trong tâm cáo cánh tay 56 2.7 CAC KEP Qua AP DUNG TREN MATLAR $7 Chương 3 „61 DONG LUC HOCVA DIEU KHIEN -61 3.1 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRINH DONG LUC HOC 61 3.1 Phương trình đông lựo học Lagrange 61 3.2 Các thông số động lực học.3 Ham Lagrange otia hé.4 Phương trình rằng buộc.5 Các đạo hàm của phương trình Laprange.6 Hệ phương trinh vì phân của máy - - - er) 3.1 Cơ sở đữ liệu dẫu vào 3.2 Thông số động học.ccoccsccce ong 4 HE THONG BIEU KHIẾN 4.1 CAU TRUC PHAN CỨNG CUA BO DIEU KHIEN CNC 4.1 Chức năng của bộ điều khiển cốt lõi NCK.2 Chức năng của bộ giao điện MMI 4.3 Cầu húc và chức năng của bộ điều khiển logic PLC 4.2 CAU TRUC PHAN MEM 4.3 CAU TRUC GCODE.4 XAY DUNG BO DIEU KHL 4.1 Giới thiệu về điền khiển 1L. HƯỚNG PHÁT TIÊN TAI LIEU THAM KHAO ©.

THUAT TOAN NOI SUY CODE D. THÔNG SỐ BONG LUC HOC TU SOLID WORKS. CAC HAM TRONG M6 PHONG DIEU KHIEN. BAN VE THE HIEN CAC THONG SO DONG HOC MAY.2 Gia tốc trong tâm cáo cánh tay 56 2.7 CAC KEP Qua AP DUNG TREN MATLAR $7 Chương 3 „61 DONG LUC HOCVA DIEU KHIEN -61 3.1 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRINH DONG LUC HOC 61 3.1 Phương trình đông lựo học Lagrange 61 3.2 Các thông số động lực học.3 Ham Lagrange otia hé.4 Phương trình rằng buộc.5 Các đạo hàm của phương trình Laprange.6 Hệ phương trinh vì phân của máy - - - er) 3.1 Cơ sở đữ liệu dẫu vào 3.2 Thông số động học.ccoccsccce ong 4 HE THONG BIEU KHIẾN 4.1 CAU TRUC PHAN CỨNG CUA BO DIEU KHIEN CNC 4.1 Chức năng của bộ điều khiển cốt lõi NCK.2 Chức năng của bộ giao điện MMI 4.3 Cầu húc và chức năng của bộ điều khiển logic PLC 4.2 CAU TRUC PHAN MEM 4.3 CAU TRUC GCODE.4 XAY DUNG BO DIEU KHL 4.1 Giới thiệu về điền khiển 1L.

HƯỚNG PHÁT TIÊN TAI LIEU THAM KHAO ©. THUAT TOAN NOI SUY CODE D. THÔNG SỐ BONG LUC HOC TU SOLID WORKS. CAC HAM TRONG M6 PHONG DIEU KHIEN.

BAN VE THE HIEN CAC THONG SO DONG HOC MAY.8 Lực truyền đông theo hộ điền khiển PD 3 99 THình Đ.1 Thôngsố động luc hoc cum cing lay Tình Đ.2 Thông sô động lực học cụm cảnh tay.3 Thông sô động lực học cụm con trượt.4 thông số động lực học cụm trục chính. 112 DANH MUC Ki HIEU Ký hiệu Noi dung, ý nghĩa 10,(xyz) Hệ tọa độ quy chiêu gốc may (hé 1) v,(Puvw) Hệ tọa độ đông gắn tại tâm của cụm trục chính (hệ 2) eu? Điểm định vị trên dung cu. oR, Ma tran quay bién doi tự hệ tọa độ ¡ vẻ hệ ¡-l 4,,08,,8,.9, Các thông số điều khiển (=1, 2, 3). ay Chiều đải các đoạn A,H, (i=1, 2, 3).

Lb Chiêu đải các cảnh tay A\B,, B,C, (=I, 2, 3) Chiều dai dao, Vée to don vi ctia vée to AH, (i=1, 2, 3) 'Véc tơ đơn vị các trục Ox, Oy, Oz 'Vận tốc góc các cánh tay A,B,, B,C,@=I, 2, 3) Vée to don vị của các vec tơ 4.B,,B,C, Van toc trong tam cac canh tay A,B, B,C, (i=1, 2, 3). Gia tộc góc các cánh lay A,B,, B,C, (i=1, 2, 3). Gia tốc trọng tâm các cánh tay A.B,, B,C, (=1, 2, 3) 'Vée tơ gia tốc trọng trường. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các mẫu máy CNC 5 trục có cầu trúc kiểu PKM [T].2 Robot Line-Placer ota hing Demaurex ding 48 đóng gói bánh quy [20] Whe inh 1.3 SurgiScope dang van hành tai tht vién Surgical Robotics [20] Trinh 1.4 Robot IRB 340 MexPicker ctia hing ABB Flexible Automation [20] Tình 1.8 Robot song sơng 6 bậc tự do Hexaglide, Đức [1 1] Hinh 1.6 May phay 3D- CCCNC [15 SÀ CN UV Hin 1.7 May CNC 3 truc IRCCYN [2] inh 1.8 Mé binh phat trién boi IRCCyN [21] ¬ Tinh 1.9 Tang quan mô hình phải triển bởi TRCCyN [21] Tình 1.18 Cầu trúc trực giao Orientatiom C-P-U PKM,vn DI THìmh 1.11 Eebot DOF ISOGLIDE3 |18|.12 Máy song song-DOF [10] 1Hỉnh 1.13 Robot trục giao PMK của đại học Califormia.14 Cầu trắc 3-7R trực giao-T [16] Tình 1.15 Cầu trúc 3-7 trực giao-2 [1ó|.16 Cầu trúc 3-DOF trực giao.17 Cau tric may IRCCyN [2] A1inh 1.18 Tỉnh đường đựng oụ với dao phay ngón đầu cầu Hình 1.19 Tỉnh đường đụng cụ với dao phay ngón đâu bang.20 Dudng đụng cụ gia công tình với dao dầu xuyên.21 Dường đụng cụ với đao phay ngón đầu cầu.32 Kết cầu máy nghiên cứu.1 Mô tâ cầu trúc thấy Hinh 2.3 Hệ tọa độ động trên cụm trục chỉnh, THìmh 2.4 Xét mặt YOZ trong cụm tay1 Winh 2.5 Xét mit XO7.

trong cum tay 2.6 Xi trại XOY rong cụm lay 3 "Hình 2.7 Sơ dỗ tông quát máy.8 Xét Jacobean déi voi cum tay 1 1Hình 2.9 Xét Jacobean déi voi cum tay 2 Tinh 2.10 Xét Jacobean đối với cụm tay 3 Tình 2.11 Các bước dựng 21) Tình 2.12 Khôi solid sau khi cxiruở.13 Khí solid sau khi dựng cả 3 củưn. wee ST inh 2.14 Miễn làm việc xây đựng bang pl omg nhấp ‘hind hoo - 38 Tỉnh 2.15 Thuật loán xác định min: làm việc - - 43 'Hình 2.16 Minh họa thuật toán im miễn bao - - AA Hình 2.17 Thuật toán tìm miễn bao. Tre soeSs Hinh 2.19 Miễn làm việc của máy - .đ6 i làm việc tại z=-445mm (trái) và z= 46 Tiình 2.1 Giao điện phần mẻm.22 Load ñls đữ liệu dầu vào.34 Chọn góc phôi vũ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các mẫu máy CNC 5 trục có cầu trúc kiểu PKM [T].2 Robot Line-Placer ota hing Demaurex ding 48 đóng gói bánh quy [20] Whe inh 1.3 SurgiScope dang van hành tai tht vién Surgical Robotics [20] Trinh 1.4 Robot IRB 340 MexPicker ctia hing ABB Flexible Automation [20] Tình 1.8 Robot song sơng 6 bậc tự do Hexaglide, Đức [1 1] Hinh 1.6 May phay 3D- CCCNC [15 SÀ CN UV Hin 1.7 May CNC 3 truc IRCCYN [2] inh 1.8 Mé binh phat trién boi IRCCyN [21] ¬ Tinh 1.9 Tang quan mô hình phải triển bởi TRCCyN [21] Tình 1.18 Cầu trúc trực giao Orientatiom C-P-U PKM,vn DI THìmh 1.11 Eebot DOF ISOGLIDE3 |18|.12 Máy song song-DOF [10] 1Hỉnh 1.13 Robot trục giao PMK của đại học Califormia.14 Cầu trắc 3-7R trực giao-T [16] Tình 1.15 Cầu trúc 3-7 trực giao-2 [1ó|.16 Cầu trúc 3-DOF trực giao.17 Cau tric may IRCCyN [2] A1inh 1.18 Tỉnh đường đựng oụ với dao phay ngón đầu cầu Hình 1.19 Tỉnh đường đụng cụ với dao phay ngón đâu bang.20 Dudng đụng cụ gia công tình với dao dầu xuyên.21 Dường đụng cụ với đao phay ngón đầu cầu.32 Kết cầu máy nghiên cứu.1 Mô tâ cầu trúc thấy Hinh 2.3 Hệ tọa độ động trên cụm trục chỉnh, THìmh 2.4 Xét mặt YOZ trong cụm tay1 Winh 2.5 Xét mit XO7. trong cum tay 2.6 Xi trại XOY rong cụm lay 3 "Hình 2.7 Sơ dỗ tông quát máy.8 Xét Jacobean déi voi cum tay 1 1Hình 2.9 Xét Jacobean déi voi cum tay 2 Tinh 2.10 Xét Jacobean đối với cụm tay 3 Tình 2.11 Các bước dựng 21) Tình 2.12 Khôi solid sau khi cxiruở.13 Khí solid sau khi dựng cả 3 củưn.

wee ST inh 2.14 Miễn làm việc xây đựng bang pl omg nhấp ‘hind hoo - 38 Tỉnh 2.15 Thuật loán xác định min: làm việc - - 43 'Hình 2.16 Minh họa thuật toán im miễn bao - - AA Hình 2.17 Thuật toán tìm miễn bao. Tre soeSs Hinh 2.19 Miễn làm việc của máy - .đ6 i làm việc tại z=-445mm (trái) và z= 46 Tiình 2.1 Giao điện phần mẻm.