Tổng quan luận án

Gia công cơ khí bằng robot công nghiệp có cấu trúc nối tiếp nhiều bậc tự do là một hướng phát triển có tiềm năng lớn trong ngành chế tạo máy nhờ tính linh hoạt cao, không gian làm việc rộng và chi phí đầu tư thấp hơn so với các máy công cụ CNC truyền thống. Tuy nhiên, việc ứng dụng robot vào gia công cắt gọt kim loại, đặc biệt là gia công phay các bề mặt cong phức tạp, đang đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Do cấu trúc chuỗi động học hở gồm nhiều khâu và khớp quay, độ cứng vững của robot thấp hơn nhiều so với máy công cụ, dẫn đến biến dạng và dao động lớn dưới tác dụng của tải trọng cắt. Lực cắt sinh ra trong quá trình phay là một đại lượng phi tuyến, thay đổi liên tục theo thời gian, phụ thuộc vào chiều sâu cắt, lượng chạy dao, góc tiếp xúc của các răng cắt và tính chất cơ lý của vật liệu. Sự bất định và biến thiên của lực cắt gây khó khăn lớn cho việc thiết lập mô hình động lực học chính xác cũng như xác định các lực dẫn động điều khiển tại các khớp. Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí của tác giả Hà Thanh Hải tập trung giải quyết khoảng trống này thông qua việc xây dựng mô hình toán học tổng quát, phát triển giải thuật thiết kế quỹ đạo tạo hình, khảo sát phản lực khớp động và đề xuất các giải pháp điều khiển thích nghi nhằm khắc phục ảnh hưởng của tính bất định lực cắt.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

  1. Mục tiêu chung: Xây dựng phương pháp tính toán động lực học và điều khiển hệ robot phục vụ gia công cơ khí, trọng tâm là gia công phay tạo hình các bề mặt cong phức tạp.
  2. Các mục tiêu cụ thể:
    • Xây dựng phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động bảo đảm động học tạo hình khi thực hiện quá trình phay bằng robot.
    • Thiết lập mô hình toán học cho phép khảo sát và tính toán động lực học robot một cách thuận lợi, phục vụ lập trình tự động trên máy tính.
    • Xây dựng giải thuật tính toán và điều khiển robot nhằm khắc phục hoặc loại trừ các yếu tố bất định trong mô hình động lực học khi gia công phay.
    • Đề xuất phương pháp tính toán phản lực tại các khớp động làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế kết cấu khâu khớp và hệ thống dẫn động của robot gia công.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Robot công nghiệp có cấu trúc chuỗi nối tiếp $n$ bậc tự do kết hợp với bàn máy mang phôi có $m$ bậc tự do (hệ robot – bàn máy, bao gồm cả mô hình bàn máy cố định và bàn máy di động).
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát động học, động lực học và thuật toán điều khiển bám quỹ đạo tạo hình cho hệ robot – bàn máy trong gia công phay; xây dựng các thuật toán và chương trình mô phỏng số trên máy tính để kiểm chứng, đánh giá kết quả tính toán lý thuyết.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tình hình nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng robot công nghiệp trong gia công cơ khí đã có sự gia tăng đáng kể. Theo số liệu thống kê của Hiệp hội Robot Quốc tế (IFR) được luận án trích dẫn, lượng tiêu thụ robot công nghiệp trên thế giới giai đoạn 2015–2017 tăng thêm khoảng 310.000 đơn vị mỗi năm. Mặc dù ứng dụng gia công cắt gọt (tiện, phay, mài, đánh bóng) chỉ chiếm dưới 5% tổng lượng robot công nghiệp (vận chuyển và hàn chiếm 78,7%), nhưng từ năm 2011 đến năm 2012, lượng robot sử dụng cho mài và phay đã tăng 41%. Nhiều chương trình nghiên cứu lớn trên thế giới đã được triển khai, điển hình là dự án COMET do Ủy ban châu Âu đồng tài trợ với sự tham gia của Delcam và 13 trung tâm nghiên cứu tại 8 quốc gia.

Về mặt kinh tế và kỹ thuật, các công trình được điểm lại chỉ ra rằng chi phí đầu tư cho một máy CNC từ 4 trục trở lên thường vượt quá 500.000 €, trong khi một robot công nghiệp 6 trục tải trọng 10 kg có giá khoảng 50.000 €. Không gian làm việc của robot đạt từ 7,5 $\text{m}^3$ đến hơn 20 $\text{m}^3$ khi kết hợp ray dẫn hướng, mang lại lợi thế giảm chi phí sản xuất lên tới 30%. Tuy nhiên, độ chính xác lặp lại của robot 6 bậc tự do thông thường đạt khoảng 0,05–0,1 mm, và khi cắt gọt các vật liệu kim loại cứng như nhôm hợp kim hay thép, độ chính xác chỉ đạt khoảng 0,2–0,5 mm (khi có thiết bị bù sai số trực tiếp có thể đạt 2,45 µm và độ nhám 4,5 µm).

Về mô hình hóa lực cắt trong gia công phay, các công trình của Altintas, Budak, Lee, Engin, Ko cùng nhiều tác giả khác đã phân loại các phương pháp xác định lực cắt thành ba nhóm chính:

  • Nhóm 1: Tính toán theo công thức giải tích lý thuyết dựa trên cơ học biến dạng và cơ chế tạo phoi.
  • Nhóm 2: Tính toán theo các công thức thực nghiệm được tổng hợp trong sổ tay công nghệ chế tạo máy dựa trên quy hoạch thực nghiệm.
  • Nhóm 3: Xác định lực cắt thông qua đo lường trực tiếp bằng cảm biến lực áp điện hoặc điện trở dán trong quá trình cắt.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Mặc dù đã có các công trình nghiên cứu về động học, động lực học và điều khiển robot, việc xây dựng một mô hình toán học tổng quát, khép kín và có thể tự động hóa lập trình cho hệ robot – bàn máy có $n+m$ bậc tự do thực hiện gia công phay vẫn chưa được trình bày đầy đủ. Đặc biệt, việc thiếu vắng giải pháp hiệu chuẩn gián tiếp lực cắt thông qua mô hình động lực học kết hợp cảm biến khớp (không cần gắn cảm biến lực đắt tiền tại đầu dao) và việc thiết kế bộ điều khiển logic mờ nhiều bậc tự do nhằm triệt tiêu ảnh hưởng của lực cắt bất định là các vấn đề trọng tâm mà luận án hướng tới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng các hệ thống lý thuyết và công cụ phân tích sau:

  • Lý thuyết động học cơ cấu: Sử dụng phương pháp ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-Hartenberg (D-H) để mô tả vị trí và hướng của các khâu khớp. Áp dụng phương pháp tam diện trùng theo (Moving Trihedron) để thiết lập điều kiện tạo hình bề mặt: đồng nhất tam diện dụng cụ $O_Ex_Ey_Ez_E$ gắn tại điểm cắt với tam diện chi tiết $O_{fj}x_{fj}y_{fj}z_{fj}$ gắn trên đường chạy dao tại mọi thời điểm tiếp xúc.
  • Lý thuyết động lực học hệ nhiều vật: Sử dụng phương trình vi phân chuyển động Lagrange loại 2 dạng ma trận để mô tả hệ robot – bàn máy có cấu trúc chuỗi nối tiếp:

$$M(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + G(q) = U + Q$$

Trong đó, $M(q)$ là ma trận khối lượng suy rộng, $C(q,\dot{q})$ là ma trận biểu diễn lực quán tính Coriolis và ly tâm (xác định qua ký hiệu Christoffel 3 chỉ số loại 1), $G(q)$ là vector lực trọng trường suy rộng, $U$ là vector lực/mô men dẫn động tại các khớp, và $Q$ là vector lực suy rộng của các lực không thế (bao gồm lực cắt $F_c$, mô men cắt $M_c$ và các lực tương hỗ $F_r, M_r$).

  • Lý thuyết quá trình cắt gọt và mô hình lực cắt: Xây dựng mô hình lực cắt tức thời cho các loại dụng cụ phay (dao phay mặt đầu, dao phay ngón đầu phẳng, dao phay ngón đầu cầu, dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn, dao phay ngón đầu côn cầu). Lực cắt phân tố tác dụng lên vi phân lưỡi cắt xoắn ốc $i$ được phân tích trong hệ trục $tar$ (tiếp tuyến, hướng tâm, chiều trục) và chuyển đổi sang hệ trục $xyz$ của dụng cụ:

$$dF_{vi} = K_{vc} a_i(\theta_i, \kappa) db + K_{ve} dS \quad (v = t, r, a)$$

Các thông số $K_{tc}, K_{rc}, K_{ac}$ và $K_{te}, K_{re}, K_{ae}$ lần lượt là các hệ số cắt gọt và hệ số ma sát lưỡi cắt theo các phương tiếp tuyến, hướng kính và chiều trục.

Đại lượng công nghệ Ký hiệu Đơn vị Công thức xác định cơ bản
Tốc độ cắt chính $v_c$ m/ph $v_c = \frac{\pi D n}{1000}$
Lượng chạy dao phút $S_{ph}$ mm/ph $S_{ph} = S_z Z n$
Chiều dày cắt tức thời $a_i(\psi_i)$ mm $a_i = S_z \sin \psi_i$
Chiều dày cắt lớn nhất $a_{max}$ mm $a_{max} = S_z$ (tại $\psi_i = 90^\circ$)
Diện tích cắt tức thời $F_{dt}$ $\text{mm}^2$ $F_{dt} = \sum_{i=1}^{N_z} a_i b_i$
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết giải tích và tính toán mô phỏng số. Phương pháp giải tích dùng để thiết lập hệ phương trình phi tuyến; thuật toán Newton-Raphson được sử dụng để giải bài toán động học ngược về vị trí; ma trận Jacobian $J_q, J_p$ được sử dụng để giải bài toán vận tốc và gia tốc. Các thuật toán điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD, thuật toán hiệu chuẩn lực cắt và bộ điều khiển logic mờ được xây dựng và mô phỏng trên môi trường MATLAB/Simulink.
  • Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Dữ liệu hình học chi tiết thực tế bao gồm thân giữa bơm thủy lực, bề mặt cánh tuabin (mô tả dưới dạng lưới điểm số), mẫu khuôn đúc và mặt phẳng vành khuyên của thân đế; kết hợp với các thông số vật liệu, dụng cụ cắt và chế độ cắt thu thập từ các nghiên cứu thực nghiệm được trích dẫn.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học và thực tiễn của việc ứng dụng robot công nghiệp trong gia công cơ khí, tập trung vào nguyên công phay. Tác giả phân tích các ưu thế của robot như không gian làm việc lớn (lên tới 7,5 $\text{m}^3$ hoặc hơn 20 $\text{m}^3$ trên ray), độ linh hoạt với 6 bậc tự do cho phép gia công các bề mặt phức tạp với số lượng nguyên công gá đặt tối thiểu, và chi phí đầu tư thấp hơn so với máy CNC. Đồng thời, chương chỉ rõ các thách thức kỹ thuật: cấu trúc chuỗi động học hở dẫn đến phương trình vi phân chuyển động phức tạp, đồ sộ; độ cứng vững thấp dễ phát sinh rung động; lực cắt biến đổi liên tục mang tính ngẫu nhiên và bất định.

Chương trình bày chi tiết các thông số động học của quá trình cắt (tốc độ cắt $v$, lượng chạy dao răng $S_z$, lượng chạy dao phút $S_{ph}$, chiều sâu phay $h$, chiều rộng phay $B$, góc tiếp xúc $\psi$) và thông số hình học lớp cắt. Các thành phần lực cắt trong phay mặt đầu và phay bằng dao phay ngón được phân tích gồm lực tiếp tuyến $F_t$, lực hướng tâm $F_r$, lực chiều trục $F_z$, lực nằm ngang $F_x$ và lực thẳng đứng $F_y$. Bảng quan hệ gần đúng giữa các thành phần lực được trình bày cụ thể theo phương pháp phay thuận, phay nghịch, phay đối xứng và không đối xứng. Từ việc tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước, chương xác định các nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm của luận án đối với hệ robot – bàn máy có $n+m$ bậc tự do.

Thành phần lực cắt Phay không đối xứng (Phay thuận) Phay không đối xứng (Phay nghịch) Phay đối xứng
Lực nằm ngang $F_x$ $(0,3 \div 0,4) F_t$ $(0,6 \div 0,8) F_t$ $(0,2 \div 0,3) F_t$
Lực thẳng đứng $F_y$ $(0,85 \div 0,95) F_t$ $(0,6 \div 0,7) F_t$ $(0,9 \div 1,0) F_t$
Lực chiều trục $F_z$ $(0,5 \div 0,55) F_t$ $(0,5 \div 0,55) F_t$ $(0,5 \div 0,55) F_t$

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

Chương 2 thiết lập cơ sở lý thuyết động học tạo hình bề mặt và xây dựng phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động cho hệ robot – bàn máy có $n+m$ bậc tự do. Dựa trên phương pháp tam diện trùng theo, chuyển động tạo hình được xem là sự trùng khớp liên tục giữa tam diện dụng cụ $O_Ex_Ey_Ez_E$ và tam diện chi tiết $O_{fj}x_{fj}y_{fj}z_{fj}$ tại các điểm tiếp xúc trên đường chạy dao. Vị trí và hướng của dụng cụ cắt trong hệ tọa độ cơ sở $O_0x_0y_0z_0$ được thiết lập qua chuỗi động học của robot:

$$^0A_{1E} = \left( \prod_{i=1}^n {^{i-1}A_i(q_i)} \right) {^nA_E}$$

Vị trí và hướng của đối tượng gia công trên bàn máy được xác định qua chuỗi động học bàn máy:

$$^0A_{2E} = {^0A_{0'}} \left( \prod_{j=1}^m {^{n+j-1}A_{n+j}(q_{n+j})} \right) {^dA_E(p)}$$

Từ điều kiện khép kín vòng động học, phương trình ma trận tổng quát được thành lập:

$$^dA_E(p) = {^dA_E(q)} \iff f(q,p) = 0$$

Bài toán động học thuận và ngược được giải quyết chi tiết. Bài toán động học ngược về vị trí được giải bằng phương pháp lặp Newton-Raphson. Quan hệ vận tốc và gia tốc giữa không gian khớp và không gian thao tác được dẫn xuất qua ma trận Jacobian $J_q, J_p$:

$$\dot{q} = -J_q^{-1} J_p \dot{p}$$

$$\ddot{q} = -J_q^{-1} \left( \dot{J}_q \dot{q} + J_p \ddot{p} + \dot{J}_p \dot{p} \right)$$

Chương áp dụng giải thuật khảo sát cho các trường hợp gia công cụ thể: gia công thân giữa bơm thủy lực (khảo sát và so sánh chuyển động khớp giữa bàn máy cố định và bàn máy di động), gia công phay bề mặt cánh tuabin biểu diễn dưới dạng lưới điểm không gian, và phay bề mặt cong bằng dao phay ngón đầu cầu.

CHƯƠNG 3. ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG

Chương 3 trình bày việc thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho hệ robot – bàn máy có $n+m$ bậc tự do dưới tác dụng của tải trọng cắt gọt. Ma trận khối lượng suy rộng $M(q)$ của hệ được thiết lập từ động năng các khâu:

$$M(q) = \sum_{i=1}^{n+m} \left( m_i J_{Ti}^T J_{Ti} + J_{Ri}^T C_i I_{Ci} C_i^T J_{Ri} \right)$$

Trong đó $J_{Ti}$ và $J_{Ri}$ lần lượt là các ma trận Jacobian tịnh tiến và quay của khối tâm khâu $i$; $I_{Ci}$ là ten-xơ quán tính của khâu $i$. Vector lực quán tính Coriolis và ly tâm $C(q,\dot{q})$ được tính toán chính xác thông qua ký hiệu Christoffel loại 1:

$$c_{kj} = \sum_{l=1}^{n+m} \left( \frac{1}{2} \left[ \frac{\partial m_{kj}}{\partial q_l} + \frac{\partial m_{lj}}{\partial q_k} - \frac{\partial m_{kl}}{\partial q_j} \right] \right) \dot{q}_l$$

Vector lực suy rộng không thế $Q$ được xác định bằng cách chiếu lực cắt $F_c$, mô men cắt $M_c$ tác dụng lên dụng cụ và lực tương hỗ $F_r, M_r$ tác dụng lên bàn máy thông qua các ma trận Jacobian $J_{1T}, J_{1R}$ và $J_{2T}, J_{2R}$:

$$Q = J_{1T}^T F_c + J_{1R}^T M_c + J_{2T}^T F_r + J_{2R}^T M_r$$

Chương xây dựng bài toán xác định phản lực liên kết tại các khớp động, hỗ trợ đánh giá tải trọng tác dụng lên ổ đỡ và cơ cấu dẫn động. Đồng thời, tác giả đề xuất bài toán và giải thuật hiệu chuẩn gián tiếp lực cắt: từ sai lệch chuyển động đo được qua cảm biến khớp và mô hình động lực học ngược, hệ thống ước lượng lượng sai lệch lực cắt $\Delta F_c$ để hiệu chỉnh lực dẫn động $U$. Các tính toán mô phỏng số được thực hiện cho các bài toán phay thân giữa bơm thủy lực và phay chi tiết mẫu khuôn đúc 2, cung cấp các đồ thị biến thiên của vị trí, vận tốc, gia tốc, lực cắt và mô men dẫn động tại các khớp theo thời gian.

CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN ROBOT TRONG GIA CÔNG

Chương 4 tập trung thiết kế và đánh giá các cấu trúc điều khiển bám quỹ đạo cho hệ robot – bàn máy trong gia công phay nhằm khắc phục tính bất định của lực cắt và các sai số mô hình. Các bộ điều khiển được phát triển gồm:

  1. Bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD trong không gian khớp:

$$u = M(q) \left[ \ddot{q}_d + K_D (\dot{q}_d - \dot{q}) + K_P (q_d - q) \right] + C(q,\dot{q})\dot{q} + G(q) - Q$$

  1. Bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD trong không gian thao tác: chuyển đổi trực tiếp sai lệch vị trí và vận tốc thao tác của dụng cụ $e_p = p_d - p$ thành gia tốc bù trong không gian khớp.
  2. Bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp PD có tích hợp khối hiệu chuẩn tính toán lực cắt: sử dụng sai số bám quỹ đạo để cập nhật giá trị lực cắt thực tế, bù trừ thành phần lực cắt tính toán sai lệch vào vector lực suy rộng $Q$.
  3. Bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller) vòng kép: xây dựng hệ thống điều khiển mờ với tín hiệu vào là sai số vị trí $e$ và sai số vận tốc $\dot{e}$, tín hiệu ra là lượng điều chỉnh mô men dẫn động $u$. Hệ thống sử dụng 5 tập mờ ngôn ngữ: Âm lớn (AL), Âm nhỏ (AN), Không (Z), Dương nhỏ (DN), Dương lớn (DL) với các hàm liên thuộc dạng tam giác và hình thang.
$e$ \ $\dot{e}$ AL AN Z DN DL
AL AL AL AL AN Z
AN AL AL AN Z DN
Z AL AN Z DN DL
DN AN Z DN DL DL
DL Z DN DL DL DL

Chương tiến hành mô phỏng số trên MATLAB/Simulink cho nhiều trường hợp: phay mặt phẳng vành khuyên thân đế khi lực cắt không đổi, phay thân giữa bơm thủy lực khi có sai lệch lực cắt, và hệ robot – bàn máy 8 bậc tự do gia công bề mặt cong phức tạp. Kết quả so sánh giữa các bộ điều khiển PD thông thường (PD1, PD2) và bộ điều khiển mờ (Fuzzy) chứng minh rằng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển có hiệu chuẩn lực cắt duy trì được độ chính xác bám quỹ đạo cao, giảm thiểu triệt để sai lệch do biến thiên lực cắt gây ra.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự xác định các đóng góp mới về lý luận và thực tiễn như sau:

  • Về mặt lý luận:
    1. Xây dựng mô hình toán học động học và động lực học tổng quát cho hệ robot – bàn máy có cấu trúc dạng chuỗi nối tiếp $n+m$ bậc tự do dùng trong gia công cơ khí, làm cơ sở khảo sát thuận lợi các bài toán gia công phức tạp.
    2. Thiết lập phương pháp tính toán và thiết kế quỹ đạo chuyển động bảo đảm yêu cầu động học tạo hình dựa trên phương pháp tam diện trùng theo cho các bề mặt tự do và bề mặt dạng số.
    3. Đề xuất phương pháp và thuật toán xác định phản lực liên kết tại các khớp động của robot dưới tác dụng của tải trọng cắt gọt.
    4. Xây dựng giải thuật hiệu chuẩn gián tiếp lực cắt dựa trên mô hình động lực học và tín hiệu phản hồi từ cảm biến khớp, cho phép bù trừ sai lệch lực cắt mà không cần trang bị đầu đo lực trực tiếp tại dao.
    5. Thiết kế cấu trúc điều khiển logic mờ vòng kép cho hệ robot – bàn máy nhiều bậc tự do, cho phép khắc phục đồng thời tính bất định của lực cắt, nhiễu gia công và các sai lệch thông số động lực học.
  • Về mặt thực tiễn:
    • Xây dựng hệ thống thuật toán và chương trình tính toán, mô phỏng số trên máy tính, hỗ trợ việc thiết kế, kiểm chứng quỹ đạo và đánh giá chất lượng điều khiển trước khi gia công thực tế.
    • Cung cấp cơ sở tính toán tải trọng khâu khớp phục vụ tính toán, thiết kế và chế tạo robot chuyên dụng cho gia công cơ khí.
    • Đề xuất giải pháp mở rộng không gian gia công và bù sai số bằng việc kết hợp bàn máy di động với robot 6 bậc tự do, cho phép gia công chi tiết kích thước lớn với số lần gá đặt tối thiểu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Các kết quả nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của các giải thuật tính toán động học, động lực học và các bộ điều khiển được thực hiện thông qua tính toán lý thuyết và mô phỏng số trên phần mềm (Simulink), chưa được kiểm nghiệm thực nghiệm trực tiếp trên hệ thống robot phay vật lý.
  • Mô hình động lực học giả thiết các khâu của robot là vật rắn tuyệt đối, chưa tích hợp mô hình biến dạng đàn hồi của các khâu và độ mềm vững tiếp xúc tại các khớp dưới tải trọng cắt lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Ứng dụng các thuật toán và mô hình điều khiển đã thiết kế vào thực nghiệm trên hệ thống robot gia công phay thực tế để đối chứng và hoàn thiện.
  • Mở rộng mô hình động lực học có xét đến tính đàn hồi của các khâu khớp và hiện tượng rung động tự kích (chatter) trong quá trình cắt gọt tốc độ cao.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật cơ khí, Kỹ thuật cơ điện tử, Robot và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp thiết lập phương trình ma trận động học, động lực học hệ nhiều vật theo chuẩn Denavit-Hartenberg và Lagrange loại 2; thuật toán thiết kế quỹ đạo tạo hình bề mặt cong phức tạp.
  • Kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống gia công cơ khí bằng robot: Tham khảo cấu trúc thuật toán điều khiển động lực học ngược tích hợp khối hiệu chuẩn lực cắt gián tiếp và bộ điều khiển logic mờ vòng kép để nâng cao độ chính xác bám quỹ đạo khi gia công các chi tiết phức tạp như cánh tuabin, thân bơm, khuôn đúc.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc ứng dụng robot công nghiệp trong gia công phay lại có ưu thế về mặt kinh tế hơn so với máy CNC?
Trả lời: Theo các số liệu trích dẫn từ dự án COMET, chi phí đầu tư một máy CNC trên 4 trục là hơn 500.000 €, trong khi robot công nghiệp 6 trục tải trọng 10 kg có giá khoảng 50.000 €. Ứng dụng robot giúp giảm chi phí sản xuất lên tới 30%, đồng thời cung cấp không gian gia công rộng (từ 7,5 $\text{m}^3$ đến hơn 20 $\text{m}^3$ khi dùng ray) và khả năng gia công các chi tiết kích thước lớn, phức tạp với đồ gá đơn giản và số nguyên công tối thiểu.

2. Nguyên nhân chính khiến việc điều khiển robot gia công phay khó khăn hơn so với robot hàn hoặc vận chuyển là gì?
Trả lời: Trong các ứng dụng vận chuyển, lắp ráp hay hàn, mô hình động lực học không chịu tác động của lực cắt bất định và các nhiễu ngẫu nhiên từ quá trình cắt gọt. Khi gia công phay, lực cắt tác dụng lên đầu dao là một đại lượng phi tuyến, thay đổi liên tục theo thời gian và điều kiện cắt, tác động trực tiếp vào phương trình vi phân chuyển động của hệ thống có độ cứng vững thấp, gây ra biến dạng và sai số bám quỹ đạo lớn.

3. Phương pháp tam diện trùng theo được luận án sử dụng nhằm mục đích gì trong bài toán động học?
Trả lời: Phương pháp tam diện trùng theo thiết lập điều kiện tạo hình bằng cách làm cho tam diện đặc trưng của dụng cụ cắt $O_Ex_Ey_Ez_E$ trùng khít với tam diện đặc trưng của bề mặt chi tiết $O_{fj}x_{fj}y_{fj}z_{fj}$ tại mọi điểm tiếp xúc trên đường chạy dao. Điều này cho phép thành lập hệ phương trình ma trận động học khép kín $^dA_E(p) = {^dA_E(q)}$ để xác định quan hệ chuyển động giữa các khớp robot và quỹ đạo không gian của dụng cụ.

4. Giải thuật hiệu chuẩn lực cắt gián tiếp đề xuất trong luận án hoạt động như thế nào?
Trả lời: Giải thuật hiệu chuẩn gián tiếp không sử dụng cảm biến đo lực trực tiếp gắn tại đầu dao. Thay vào đó, thuật toán dựa trên các thông số chuyển động thực tế (vị trí, vận tốc, gia tốc) đo được từ cảm biến khớp và mô hình động lực học ngược để ước lượng sai lệch giữa lực cắt thực tế với lực cắt tính toán lý thuyết, từ đó bù trừ trực tiếp vào tín hiệu lực dẫn động tại các khớp.

5. Vì sao luận án xây dựng mô hình hệ robot kết hợp với bàn máy di động ($n+m$ bậc tự do)?
Trả lời: Việc tích hợp thêm $m$ bậc tự do chuyển động ở bàn máy giúp mở rộng không gian làm việc của robot, cho phép robot lựa chọn tư thế gia công tối ưu tránh các điểm kỳ dị, gia công được các chi tiết kích thước lớn có bề mặt phức tạp với một lần gá đặt, đồng thời các bậc tự do của bàn máy có thể được sử dụng để điều khiển bù sai số động học trong quá trình cắt.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Hà Thanh Hải đã xây dựng hệ thống mô hình toán học tổng quát cho động học, động lực học và điều khiển hệ robot – bàn máy ($n+m$ bậc tự do) ứng dụng trong gia công phay. Nghiên cứu đã giải quyết được bài toán thiết kế quỹ đạo tạo hình bề mặt cong phức tạp bằng phương pháp tam diện trùng theo và xác định phản lực liên kết tại các khớp động. Các giải pháp điều khiển động lực học ngược kết hợp PD tích hợp khối hiệu chuẩn lực cắt gián tiếp và bộ điều khiển logic mờ vòng kép được chứng minh qua mô phỏng số là có khả năng thích nghi và triệt tiêu hiệu quả ảnh hưởng của tính bất định lực cắt. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và công cụ tính toán mô phỏng giá trị cho việc phát triển các hệ thống robot gia công cơ khí chính xác.