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 Tổng quan gia công cơ khí trên robot công nghiệp 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. 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. 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. 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.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 nguyên công.
Không gian gia công của robot lên đến 7,5 m3, thậm chí khi đặt robot trên ray dẫn hướng, chuyển hướng không gian gia công có thể lên đến 20 m3 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.
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. 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. Ngoài ra, robot công nghiệp còn ứng dụng cho gia công cắt bằng tia nước hoặc tia 7 luan an 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.
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.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].