Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí với đề tài "Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay" (mã số: 9520103) do nghiên cứu sinh Hà Thanh Hải thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phan Bùi Khôi và PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (năm 2020).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Ứng dụng robot công nghiệp trong gia công cơ khí (đặc biệt là gia công phay) mang lại nhiều ưu điểm về không gian làm việc rộng, tính linh hoạt cao và chi phí đầu tư thấp hơn so với các trung tâm gia công CNC nhiều trục. Tuy nhiên, việc áp dụng robot công nghiệp vào gia công phay cắt gọt kim loại gặp phải nhiều rào cản kỹ thuật:

  1. Kết cấu chuỗi động học hở gồm nhiều khâu khớp nối tiếp dẫn đến độ cứng vững tổng thể thấp hơn máy công cụ truyền thống, dễ phát sinh biến dạng và rung động khi chịu tải trọng cắt.
  2. Lực cắt trong quá trình phay là đại lượng phi tuyến, thay đổi liên tục theo thời gian và mang tính bất định cao do sự không đồng nhất của vật liệu, thông số lớp cắt thay đổi và quá trình cắt gián đoạn của các răng dao.
  3. Các phương trình động học và động lực học của hệ nhiều vật cồng kềnh, phức tạp, gây khó khăn cho việc tính toán thời gian thực và thiết kế thuật toán điều khiển chính xác.
  4. Thiếu vắng một mô hình toán học tổng quát hoàn chỉnh cho hệ phối hợp chuyển động gồm robot mang dụng cụ và bàn máy mang phôi có $n + m$ bậc tự do.

Mục tiêu nghiên cứu

  • Mục tiêu chung: Xây dựng phương pháp tính toán động lực học và điều khiển hệ robot - bàn máy phục vụ gia công cơ khí, trọng tâm là phay tạo hình các bề mặt cong phức tạp.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Xây dựng phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động bảo đảm các yêu cầu động học tạo hình khi phay bằng robot.
    2. Thiết lập mô hình toán học tổng quát cho phép khảo sát, tính toán động học và động lực học hệ robot - bàn máy một cách thuận lợi và hiệu quả.
    3. Đề xuất giải thuật tính toán và điều khiển robot nhằm khắc phục, loại trừ các yếu tố bất định trong mô hình động lực học (đặc biệt là sự bất định của lực cắt).
    4. Xây dựng phương pháp xác định phản lực liên kết tại các khớp động làm cơ sở tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí và hệ thống dẫn động của robot gia công.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các robot công nghiệp có cấu trúc dạng chuỗi nối tiếp nhiều bậc tự do kết hợp với bàn máy, ứng dụng trong gia công tạo hình bề mặt chi tiết cơ khí.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Động học, động lực học và thuật toán điều khiển cho hệ robot dạng chuỗi ($n$ bậc tự do) phối hợp cùng bàn máy ($m$ bậc tự do).
    • Xây dựng thuật toán, chương trình tính toán và mô phỏng số (Matlab/Simulink) để khảo sát, kiểm nghiệm các kết quả lý thuyết.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng kết số liệu từ Hiệp hội Robot Quốc tế (IFR) năm 2018, chỉ ra rằng giai đoạn 2015–2017 lượng robot công nghiệp tiêu thụ toàn cầu tăng khoảng 310.000 đơn vị/năm. Trong đó, robot phục vụ vận chuyển và hàn chiếm 78,7%, còn robot dùng trong gia công cơ khí (tiện, phay, mài, đánh bóng) chiếm dưới 5%. Tuy nhiên, nhu cầu ứng dụng robot gia công mài và phay đã tăng 41% trong giai đoạn 2011–2012.

Về mặt kinh tế và kỹ thuật, dự án nghiên cứu COMET (do Ủy ban châu Âu đồng tài trợ cùng công ty Delcam và 13 trung tâm nghiên cứu tại 8 quốc gia châu Âu) chỉ ra việc sử dụng robot giúp giảm chi phí sản xuất đến 30%. Một trung tâm gia công CNC trên 4 trục có giá thành trên 500.000 €, trong khi một robot công nghiệp 6 trục tải trọng 10 kg có chi phí khoảng 50.000 €. Về độ chính xác, robot 6 bậc tự do nối tiếp có độ lặp lại vị trí khoảng 0,1 mm; khi gia công cắt gọt vật liệu cứng như hợp kim nhôm hoặc thép, độ chính xác đạt trong khoảng 0,1–1,5 mm; khi có thiết bị bù sai số trực tiếp có thể đạt 2,45 µm và độ nhám bề mặt đạt 4,5 µm. Không gian làm việc của robot đạt từ 7,5 m³ đến hơn 20 m³ khi đặt trên hệ thống ray dẫn hướng.

Tác giả phân loại các nghiên cứu trong và ngoài nước thành các nhóm chính:

  • Mô hình động học và quỹ đạo: Các nghiên cứu ứng dụng phương pháp Denavit-Hartenberg, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, và các thuật toán nội suy quỹ đạo gia công bề mặt phức tạp.
  • Mô hình hóa lực cắt khi phay: Gồm 3 nhóm tiếp cận: (1) Công thức giải tích lý thuyết; (2) Công thức thực nghiệm; (3) Phương pháp đo trực tiếp bằng cảm biến áp điện hoặc điện trở dán. Các mô hình lực cắt phân tố đĩa cho dao phay ngón đầu phẳng, đầu cầu, đầu côn cầu của Altintas và cộng sự.
  • Thuật toán điều khiển: Các bộ điều khiển phản hồi truyền thống (PD, PID, động lực học ngược) và các bộ điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, logic mờ, mạng nơ-ron).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Các công trình đã công bố chưa xây dựng một cách đầy đủ và chi tiết mô hình toán học tổng quát cho hệ robot – bàn máy có $n + m$ bậc tự do phục vụ gia công phay; việc thành lập tự động mô hình động lực học bằng lập trình còn hạn chế; việc ứng dụng bộ điều khiển logic mờ vòng kép để xử lý đồng thời tính bất định của lực cắt, nhiễu và sai số thông số cho robot nhiều bậc tự do chưa được khảo sát hoàn chỉnh; chưa có giải pháp hiệu chỉnh lực cắt gián tiếp thông qua phương trình động lực học mà không phụ thuộc vào cảm biến đo lực trực tiếp tại đầu dao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H): Sử dụng 4 tham số động học $(\theta_i, d_i, a_i, \alpha_i)$ để thiết lập các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất $^{i-1}A_i$, biểu diễn quan hệ vị trí và hướng giữa các khâu khớp cho chuỗi robot mang dụng cụ ($^0A_{1E}$) và chuỗi bàn máy mang chi tiết ($^0A_{2E}$).
  • Phương pháp tam diện trùng theo: Thiết lập hệ tọa độ tam diện dụng cụ $O_E x_E y_E z_E$ tại điểm cắt (trục $z_E$ là pháp tuyến bề mặt lưỡi cắt, $x_E$ là tiếp tuyến lưỡi cắt) và hệ tọa độ tam diện chi tiết $O_{fj} x_{fj} y_{fj} z_{fj}$ tại các điểm trên đường dụng cụ (trục $z_{fj}$ là pháp tuyến bề mặt gia công, $x_{fj}$ là tiếp tuyến đường dụng cụ). Điều kiện tạo hình bề mặt là hai tam diện này trùng nhau tại mỗi điểm tiếp xúc dọc theo quỹ đạo gia công.
  • Phương trình động lực học hệ nhiều vật dạng Lagrange loại 2: $$M(q)\ddot{q} + C(q, \dot{q})\dot{q} + G(q) = U + Q$$ Trong đó:
    • $q, \dot{q}, \ddot{q} \in \mathbb{R}^{n+m}$: Vector tọa độ, vận tốc và gia tốc khớp.
    • $M(q)$: Ma trận khối lượng suy rộng, xác định từ ma trận Jacobi tịnh tiến $J_{Ti}$, ma trận Jacobi quay $J_{Ri}$, khối lượng $m_i$ và tensor quán tính $I_{ci}^{ci}$ của từng khâu.
    • $C(q, \dot{q})$: Vector lực quán tính Coriolis và ly tâm, xác định qua các ký hiệu Christoffel loại 1: $$\Gamma(k,l;j) = \frac{1}{2}\left(\frac{\partial m_{kj}}{\partial q_l} + \frac{\partial m_{lj}}{\partial q_k} - \frac{\partial m_{kl}}{\partial q_j}\right)$$
    • $G(q)$: Vector lực suy rộng của các lực bảo toàn (thế năng $\Pi$).
    • $U$: Vector lực/mô men dẫn động tại các khớp.
    • $Q = Q_c + Q_r$: Vector lực suy rộng của các lực không thế (lực cắt $F_c$, mô men cắt $M_c$ và các lực tương hỗ $F_r, M_r$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp giải tích và giải thuật số: Xây dựng hệ phương trình phi tuyến $f(q, p) = 0$ cho bài toán động học; giải bài toán động học ngược vị trí bằng phương pháp lặp Newton-Raphson; giải bài toán vận tốc và gia tốc khớp thông qua ma trận Jacobian $J_q, J_p$ và đạo hàm bậc nhất của chúng ($\dot{J}_q, \dot{J}_p$).
  • Mô hình tính toán lực cắt phay: Áp dụng mô hình lực cắt phân tố đĩa cho dao phay ngón. Vector lực cắt phân tố $dF_{Ri} = [dF_{ti}, dF_{ri}, dF_{ai}]^T$ trong hệ tọa độ tiếp tuyến - hướng tâm - chiều trục ($tar$) được tính theo hệ số lực cắt cắt gọt ($K_{tc}, K_{rc}, K_{ac}$) và hệ số lực cắt cạnh ($K_{te}, K_{re}, K_{ae}$): $$dF_{vi} = K_{vc} a_i(\phi_i, \kappa) db + K_{ve} dS \quad (v = t, r, a)$$ Ma trận chuyển đổi $^{xyz}C_{tar}$ được sử dụng để chuyển đổi lực cắt phân tố sang hệ tọa độ Descartes của dụng cụ.
  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập thuật toán và mô hình mô phỏng trên nền tảng Matlab/Simulink nhằm kiểm chứng các bộ điều khiển động lực học ngược, bộ điều khiển PD và bộ điều khiển logic mờ.

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu

  • Dữ liệu thông số hình học và chế độ cắt: Vận tốc cắt $v$, số vòng quay $n$, lượng chạy dao răng $S_z$, lượng chạy dao phút $S_{ph}$, chiều sâu cắt $h_0$, chiều sâu phay $h$, chiều rộng phay $B$, góc tiếp xúc $\psi$, số răng dao $Z$.
  • Dữ liệu hình học chi tiết gia công thử nghiệm: Mặt phẳng hình vành khuyên của chi tiết thân đế, thân giữa bơm thủy lực 1, bề mặt cánh tuabin dạng lưới điểm số, và mẫu khuôn đúc 2.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết gia công cắt gọt trên robot công nghiệp, phân tích các dạng chuyển động tạo hình (phay thuận, phay nghịch) và các thông số hình học lớp cắt.

Tốc độ cắt chính $v_c$ cho các loại dao phay được xác định:

  • Dao phay ngón đầu phẳng và dao phay mặt đầu: $v_c = \frac{\pi D n}{1000}$ (m/ph)
  • Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn bán kính $R$: $v_c = \frac{\pi (D - 2R) n}{1000}$ (m/ph)
  • Dao phay ngón đầu cầu: $v_c = \frac{\pi D_0 n}{1000}$ (m/ph)

Số răng đồng thời tham gia cắt khi phay mặt đầu: $N_z = \frac{\psi Z}{360^\circ}$. Chiều dày cắt tức thời thay đổi theo góc tiếp xúc tức thời $\psi_i$: $a_M = S_z \sin\psi_i$. Chiều dày cắt trung bình khi phay đối xứng: $a_{tb} = \frac{2 S_z h}{D} \sin\psi$.

Quan hệ thực nghiệm giữa các thành phần lực cắt $F_x, F_y, F_z$ với lực tiếp tuyến $F_t$ khi phay bằng dao phay mặt đầu được tác giả tổng hợp tại Bảng 1.1:

Thành phần lực Phay không đối xứng (Phay thuận) Phay không đối xứng (Phay nghịch) Phay đối xứng
$F_x$ $(0,3 \div 0,4) F_t$ $(0,6 \div 0,8) F_t$ $(0,2 \div 0,30) F_t$
$F_y$ $(0,85 \div 0,95) F_t$ $(0,6 \div 0,7) F_t$ $(0,9 \div 1,0) F_t$
$F_z$ $(0,5 \div 0,55) F_t$ $(0,5 \div 0,55) F_t$ $(0,5 \div 0,55) F_t$

Chương 1 kết luận về việc lựa chọn mô hình đối tượng nghiên cứu là hệ robot - bàn máy tổng quát có $n + m$ bậc tự do và xác định nhiệm vụ trọng tâm: thiết kế quỹ đạo tạo hình, mô hình hóa động lực học và thiết kế các bộ điều khiển thích ứng với tính bất định của lực cắt.

Chương 2: Động học tạo hình của robot trong gia công cơ khí

Chương 2 trình bày cơ sở động học tạo hình bề mặt tự do bằng phương pháp bao hình thông qua dãy các đường dụng cụ liên tiếp. Động học tạo hình tổng quát đòi hỏi 6 chuyển động thành phần (3 chuyển động tịnh tiến xác định vị trí điểm cắt và 3 chuyển động quay định hướng dụng cụ).

Phương trình động học ma trận tổng quát cho hệ robot ($n$ bậc tự do) và bàn máy ($m$ bậc tự do) được thiết lập theo chuỗi ma trận truyền Denavit-Hartenberg: $$^0A_1(q_1) , ^1A_2(q_2) \dots , ^{n-1}A_n(q_n) , ^nA_E = , ^0A_{0'} , ^{0'}A_{n+1}(q_{n+1}) \dots , ^{n+m-1}A_{n+m}(q_{n+m}) , ^dA_E(p)$$

Phương trình trên được quy về dạng hệ phương trình phi tuyến $f(q, p) = 0$. Các bài toán động học được giải quyết như sau:

  1. Bài toán động học thuận: Cho trước vector biến khớp $q, \dot{q}, \ddot{q}$, xác định vị trí, hướng, vận tốc $\dot{p}$ và gia tốc $\ddot{p}$ của dụng cụ trong hệ tọa độ đồ gá chi tiết $O_d x_d y_d z_d$.
  2. Bài toán động học ngược:
    • Vị trí: Cho trước vector tọa độ thao tác $p$, giải hệ phương trình $f(q, p) = 0$ tìm $q$ bằng thuật toán lặp Newton-Raphson.
    • Vận tốc: $\dot{q} = -J_q^{-1} J_p \dot{p}$.
    • Gia tốc: $\ddot{q} = -J_q^{-1} \left( J_p \ddot{p} + \dot{J}_p \dot{p} + \dot{J}_q \dot{q} \right)$, với $J_q = \frac{\partial f}{\partial q}$ và $J_p = \frac{\partial f}{\partial p}$.

Tác giả áp dụng thuật toán động học vào các bài toán gia công cụ thể:

  • Gia công thân giữa bơm thủy lực 1: Khảo sát chuyển động của các khớp robot 6 bậc tự do trong hai trường hợp: bàn máy cố định ($m=0$) và bàn máy di động ($m=1$).
  • Gia công bề mặt cánh tuabin: Thiết kế quỹ đạo chạy dao cho dao phay ngón đầu cầu dựa trên ma trận dữ liệu lưới điểm số bề mặt, xác định quy luật biến thiên vị trí, vận tốc và gia tốc của các khớp.

Chương 3: Động lực học robot trong gia công

Chương 3 xây dựng mô hình động lực học hoàn chỉnh cho hệ robot - bàn máy mang dụng cụ và phôi gia công. Tác giả thiết lập giải thuật lập trình tự động tính toán các thành phần trong phương trình vi phân chuyển động:

  • Ma trận khối lượng $M(q) = \sum_{i=1}^{n+m} \left( m_i J_{Ti}^T J_{Ti} + J_{Ri}^T C_i I_{ci}^{ci} C_i^T J_{Ri} \right)$.
  • Vector lực Coriolis và ly tâm $C(q, \dot{q})\dot{q}$, vector trọng trường $G(q)$.
  • Vector lực suy rộng không thế $Q$: Chuyển đổi lực cắt $F_c$ và mô men cắt $M_c$ tác dụng tại điểm cắt $O_E$ về không gian khớp thông qua các ma trận Jacobian tịnh tiến $J_{1T}, J_{2T}$: $$Q = J_{1T}^T F_c - J_{2T}^T F_r$$

Nội dung trọng tâm của chương gồm:

  1. Bài toán xác định phản lực liên kết tại các khớp động: Đưa ra phương pháp giải tích và giải thuật tính toán lực, mô men phản lực tác dụng lên từng khớp động trong quá trình cắt gọt, phục vụ bài toán kiểm nghiệm độ bền và độ cứng vững kết cấu.
  2. Thuật toán hiệu chỉnh gián tiếp lực cắt: Ước lượng sai lệch của lực cắt thực tế so với lực cắt tính toán lý thuyết thông qua sai lệch gia tốc và mô men khớp mà không cần gắn đầu đo lực trực tiếp tại trục chính.

Các kết quả tính toán số được thực hiện cho chi tiết thân giữa bơm thủy lực 1 và chi tiết mẫu khuôn đúc 2, cung cấp biểu đồ biến thiên mô men dẫn động các khớp, lực cắt 3 chiều và phản lực liên kết tại khớp theo thời gian gia công.

Chương 4: Điều khiển robot trong gia công

Chương 4 nghiên cứu và thiết kế các cấu trúc điều khiển chuyển động cho hệ robot - bàn máy gia công phay:

  1. Điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD trong không gian khớp: $$U = M(q)\left( \ddot{q}_d + K_D \dot{e} + K_P e \right) + C(q, \dot{q})\dot{q} + G(q) - Q$$ Trong đó $e = q_d - q$ là sai số vị trí khớp, $K_P, K_D$ là các ma trận đường chéo hệ số khuếch đại tỷ lệ và vi phân.
  2. Điều khiển động lực học ngược kết hợp PD trong không gian thao tác: Sử dụng sai lệch vị trí và vận tốc trực tiếp của đầu dao đối với phôi ($e_p = p_d - p$) để tính toán tín hiệu điều khiển.
  3. Điều khiển động lực học ngược + PD + Khối hiệu chuẩn lực cắt trong không gian khớp: Bổ sung khâu ước lượng và bù sai lệch lực cắt trực tuyến $\Delta Q_c$, nâng cao độ chính xác bám quỹ đạo khi chế độ cắt biến động bất thường.
  4. Bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC) cho hệ robot - bàn máy:
    • Xây dựng cấu trúc điều khiển mờ vòng kép nhằm loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố bất định (lực cắt phi tuyến, ma sát, nhiễu và sai số tham số mô hình).
    • Biến vào: Sai số vị trí $e_i$ và sai số vận tốc $\dot{e}_i$ của từng khớp $i$.
    • Biến ra: Lượng điều chỉnh mô men dẫn động $u_i$.
    • Các tập mờ và giá trị ngôn ngữ được thiết lập với 5 mức: 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.
    • Bảng hệ luật mờ gồm 25 luật điều khiển dạng: Nếu $e_i$ là $A$ và $\dot{e}_i$ là $B$ thì $u_i$ là $C$.

Kết quả mô phỏng trên Simulink:

  • Mô phỏng gia công phay mặt phẳng hình vành khuyên của chi tiết thân đế (lực cắt không đổi).
  • Mô phỏng phay thân giữa bơm thủy lực 1 khi có sai lệch lực cắt lớn.
  • Mô phỏng hệ robot - bàn máy 8 bậc tự do (robot 6 bậc tự do mang dụng cụ kết hợp bàn máy 2 bậc tự do mang chi tiết).
  • Kết quả so sánh sai lệch quỹ đạo giữa bộ điều khiển PD thông thường (PD1, PD2) và bộ điều khiển mờ (FZ) khẳng định bộ điều khiển mờ giữ sai lệch bám quỹ đạo trong giới hạn cho phép, triệt tiêu dao động do biến thiên lực cắt gây ra.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng mô hình toán học tổng quát: Thiết lập hệ phương trình động học và phương trình vi phân chuyển động dạng giải tích ma trận cho hệ robot - bàn máy có cấu trúc chuỗi nối tiếp tổng quát ($n + m$ bậc tự do) ứng dụng trong gia công cơ khí.
  2. Phương pháp thiết kế quỹ đạo tạo hình: Đề xuất phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động đảm bảo tiếp xúc hình học và định hướng dụng cụ theo nguyên lý tam diện trùng theo cho các bề mặt tự do phức tạp.
  3. Phương pháp xác định phản lực khớp: Xây dựng giải thuật xác định phản lực liên kết động lực học tại các khớp động trong quá trình chịu tải trọng cắt gọt.
  4. Giải thuật hiệu chỉnh lực cắt gián tiếp: Đề xuất giải thuật ước lượng và hiệu chỉnh ảnh hưởng của lực cắt thông qua mô hình động lực học ngược và tín hiệu cảm biến chuyển động, không đòi hỏi trang bị cảm biến đo lực nhiều thành phần đắt tiền tại đầu dao.
  5. Cấu trúc điều khiển mờ thích ứng: Thiết kế bộ điều khiển logic mờ vòng kép cho robot gia công cơ khí, giải quyết bài toán điều khiển bám quỹ đạo chính xác dưới tác động của lực cắt phi tuyến và các thành phần bất định trong mô hình.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng mô hình hệ robot kết hợp bàn máy nhiều bậc tự do ($n+m \ge 7$) trong công nghiệp để mở rộng không gian thao tác gia công các chi tiết khổ lớn, giảm số lần gá đặt và tận dụng các bậc tự do của bàn máy để bù trừ sai số chuyển động.
  • Áp dụng các thuật toán tự động hóa tính toán ma trận khối lượng và lực quán tính để tích hợp vào các bộ điều khiển thời gian thực cho robot công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Các kiểm chứng về thuật toán điều khiển, đáp ứng động lực học và độ chính xác bám quỹ đạo chủ yếu được thực hiện qua tính toán số và mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng (Matlab/Simulink), chưa tiến hành thực nghiệm cắt gọt trực tiếp trên mô hình robot vật lý thực tế mang đầu phay.
  • Mô hình động lực học xây dựng dựa trên giả thiết các khâu và khớp của robot là vật rắn tuyệt đối, chưa xét đến biến dạng đàn hồi phân bố của thân khâu và độ mềm dẻo của hộp giảm tốc tại các khớp khi chịu lực cắt lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Triển khai thực nghiệm cắt gọt phay trên hệ thống robot công nghiệp thực tế có trang bị đầu trục chính phay để đo đạc lực cắt, rung động và độ chính xác hình học bề mặt chi tiết sau gia công.
  • Nghiên cứu mô hình hóa động lực học có xét đến độ mềm dẻo của khớp và biến dạng đàn hồi của các khâu (động lực học vật thể đàn hồi).
  • Hoàn thiện phần mềm tính toán tự động hóa quỹ đạo gia công phay tích hợp trực tiếp với các định dạng dữ liệu CAD/CAM chuẩn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí, Cơ điện tử, Cơ học ứng dụng, Kỹ thuật robot và Điều khiển tự động. Các nội dung về phương pháp tam diện trùng theo (Chương 2) và phương pháp Lagrange loại 2 cho hệ nhiều vật (Chương 3) có giá trị cao trong nghiên cứu lý thuyết động lực học.
  • Kỹ sư thiết kế máy và hệ thống tự động hóa: Tham khảo phương pháp tính toán mô men động cơ dẫn động, xác định phản lực liên kết tại khớp để tính chọn kết cấu cơ khí, ổ bi, bộ truyền và động cơ servo cho robot gia công phay.
  • Nhà phát triển thuật toán điều khiển: Tham khảo cấu trúc bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp PD và bộ điều khiển logic mờ vòng kép (Chương 4) để ứng dụng xử lý các hệ thống phi tuyến có tải trọng ngoài bất định.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại lựa chọn mô hình hệ robot - bàn máy ($n + m$ bậc tự do) thay vì chỉ sử dụng robot 6 bậc tự do độc lập?

Robot 6 bậc tự do dạng chuỗi nối tiếp đủ khả năng đạt được vị trí và hướng bất kỳ trong không gian làm việc. Tuy nhiên, khi gia công các chi tiết có kích thước lớn hoặc hình dạng hình học phức tạp, không gian thao tác của robot 6 bậc tự do bị hạn chế và dễ rơi vào các điểm kỳ dị. Việc bổ sung bàn máy có $m$ bậc tự do chuyển động giúp mở rộng không gian làm việc tổng thể (lên tới hơn 20 m³ khi có ray dẫn hướng), gia công được nhiều bề mặt phức tạp với số lần gá đặt tối thiểu, đồng thời cho phép sử dụng chuyển động của bàn máy để hỗ trợ tư thế gia công thuận lợi và bù sai số chuyển động cho robot.

2. Nguyên lý của phương pháp "tam diện trùng theo" trong thiết kế quỹ đạo chuyển động là gì?

Phương pháp tam diện trùng theo dựa trên việc gắn một hệ trục tọa độ Descartes thuận $O_E x_E y_E z_E$ (tam diện dụng cụ) tại điểm cắt trên lưỡi dao và một hệ trục tọa độ $O_{fj} x_{fj} y_{fj} z_{fj}$ (tam diện chi tiết) tại từng điểm trên đường quỹ đạo gia công của bề mặt chi tiết. Điều kiện để tạo hình chính xác bề mặt là tại mỗi thời điểm gia công, gốc và các trục tọa độ của hai tam diện này phải trùng khít nhau ($O_E \equiv O_{fj}$, trục $z$ trùng pháp tuyến bề mặt, trục $x$ trùng tiếp tuyến đường chạy dao), bảo đảm bề mặt dụng cụ tiếp xúc đúng điểm và đúng hướng theo yêu cầu công nghệ.

3. Thuật toán hiệu chuẩn tính toán lực cắt gián tiếp trong luận án hoạt động như thế nào?

Thay vì sử dụng các cảm biến đo lực nhiều thành phần gắn tại đầu dao (dễ làm giảm độ cứng vững kết cấu và tăng chi phí), thuật toán của luận án dựa trên phương trình động lực học ngược của hệ thống. Bằng cách đo đạc các thông số chuyển động thực tế (vị trí, vận tốc, gia tốc khớp từ encoder) và mô men dẫn động thực tế từ động cơ, hệ thống tính toán sai lệch giữa mô men thực tế và mô men lý thuyết, từ đó suy ra giá trị sai lệch của lực cắt $\Delta Q_c$ và tự động đưa tín hiệu bù vào vòng điều khiển.

4. Cấu trúc bộ điều khiển logic mờ trong Chương 4 được thiết lập với các thông số nào?

Bộ điều khiển mờ cho hệ robot - bàn máy được thiết kế theo cấu trúc vòng kép với 2 biến đầu vào là sai số vị trí khớp $e_i$ và sai số vận tốc khớp $\dot{e}_i$, biến đầu ra là lượng điều chỉnh mô men dẫn động $u_i$. Cả biến vào và biến ra đều được phân chia thành 5 tập mờ với các giá trị ngôn ngữ: Âm lớn (AL), Âm nhỏ (AN), Không (Z), Dương nhỏ (DN), Dương lớn (DL). Hệ luật mờ gồm 25 quy tắc hợp thành dạng Mamdani nhằm tự động điều chỉnh mô men bù trừ ảnh hưởng phi tuyến và tính bất định của quá trình cắt.

Kết luận

Luận án "Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay" của tác giả Hà Thanh Hải đã giải quyết một cách có hệ thống các bài toán từ động học tạo hình, mô hình hóa động lực học hệ nhiều vật đến thiết kế thuật toán điều khiển cho hệ robot - bàn máy $n + m$ bậc tự do. Công trình đóng góp phương pháp thiết kế quỹ đạo tam diện trùng theo, giải thuật tính toán phản lực liên kết khớp, phương pháp hiệu chỉnh lực cắt gián tiếp và cấu trúc điều khiển mờ vòng kép giúp khắc phục tính bất định của lực cắt khi phay. Các kết quả mô phỏng số trên Matlab/Simulink chứng minh tính khả thi của mô hình lý thuyết, cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho việc ứng dụng và phát triển robot công nghiệp trong lĩnh vực gia công cơ khí chính xác.