Luận văn thạc sĩ: Tính toán động học và động lực học trung tâm phay CNC 5 trục Hexapod

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính toán động học, động lực học trung tâm phay CNC 5 trục kiểu Hexapod. Phân tích bài toán động học ngược và ma trận Jacobi.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Thịnh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Tạ Khánh Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Tính Toán Động Học, Động Lực Học Trung Tâm Phay CNC 5 Trục Ảo Kiểu Hexapod
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Máy Phay CNC 5 Trục Kiểu Hexapod

Máy phay CNC 5 trục kiểu Hexapod là một hệ thống gia công tiên tiến với cấu trúc chuỗi động học song song độc đáo. Khác với máy CNC truyền thống có cấu trúc chuỗi động học hở, Hexapod sử dụng 6 chân song song để điều khiển chuyển động của bàn công cụ. Công nghệ này mang lại những ưu điểm vượt trội như độ cứng cao, độ chính xác tốt, và khả năng chịu lực lớn. Cấu trúc này đặc biệt thích hợp cho các công việc gia công các bề mặt phức tạp và các chi tiết có hình dạng tự do. Sự phát triển của Hexapod CNC đã mở ra hướng mới trong lĩnh vực gia công chính xác, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm.

1.1. Đặc Điểm Cấu Trúc Chuỗi Động Học Song Song

Cấu trúc chuỗi động học song song của Hexapod bao gồm 6 chân động kết nối giữa giá cố định và giá di động. Mỗi chân được điều khiển bởi một động cơ servo độc lập, cho phép điều chỉnh độ dài thay đổi liên tục. Cơ chế này tạo ra 6 bậc tự do cho bàn công cụ, cho phép thực hiện các chuyển động phức tạp trong không gian 3D cùng với 3 bậc tự do quay. Ưu điểm chính là độ cứng nhất quán ở mọi vị trí làm việc.

1.2. Sự Phát Triển Và Ứng Dụng Hiện Đại

Máy phay CNC 5 trục Hexapod được phát triển từ những năm 2000 và ngày càng trở nên phổ biến trong công nghiệp gia công. Các ứng dụng chính bao gồm gia công khuôn mẫu, chế tạo linh kiện hàng không, và sản xuất các chi tiết có độ phức tạp cao. Công nghệ tính toán động học động lực học cho phép tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động và giảm thiểu sai số vị trí.

II. Phân Tích Động Học Trung Tâm Phay Hexapod

Phân tích động học là bước quan trọng trong thiết kế và điều khiển máy phay CNC 5 trục kiểu Hexapod. Quá trình này bao gồm thiết lập phương trình động học vị trí và giải bài toán động học ngược. Mục đích chính là xác định vị trí của từng khớp cầu trên giá di động dựa vào tọa độ công cụ trong không gian làm việc. Hệ quy chiếu động được thiết lập tại tâm giá di động để tính toán các vectơ vị trí và hướng trục dụng cụ. Qua đó, ta có thể kiểm soát chính xác quỹ đạo công cụ và đảm bảo chất lượng bề mặt gia công.

2.1. Thiết Lập Phương Trình Động Học Vị Trí

Phương trình động học vị trí liên hệ giữa tọa độ khớp cầu trên giá cố định và giá di động với vị trí điểm định vị dụng cụ. Sử dụng ma trận quay và vectơ định vị, ta có thể tính toán chiều dài của mỗi chân tại bất kỳ vị trí nào trong không gian. Phương trình này là cơ sở để xây dựng hệ thống điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất làm việc.

2.2. Giải Bài Toán Động Học Ngược

Bài toán động học ngược là quá trình xác định vị trí và định hướng dụng cụ từ tọa độ khớp cầu cho trước. Phương pháp này rất quan trọng trong gia công các bề mặt phức tạp vì cho phép chuyển đổi quỹ đạo CAM thành lệnh điều khiển từng chân. Sử dụng ma trận Jacobi, ta tính toán vận tốc góc và vận tốc dài của dụng cụ.

III. Tính Toán Vận Tốc Và Gia Tốc Trong Hệ Động Lực Học

Tính toán vận tốc và gia tốc là những yếu tố then chốt trong động lực học máy phay CNC 5 trục Hexapod. Quá trình này bao gồm xác định vận tốc dài và vận tốc góc của giá di động, cũng như gia tốc tương ứng của mỗi chân. Ma trận Jacobi được sử dụng để liên hệ vận tốc khớp với vận tốc dụng cụ. Việc tính toán chính xác gia tốc động lực giúp tối ưu hóa hồi đáp của hệ điều khiển servo, đảm bảo quỹ đạo chuyển động mượt mà và giảm thiểu rung động máy. Các tham số này cũng là cơ sở cho điều chỉnh độ lợi của bộ điều khiển PID.

3.1. Vận Tốc Dài Và Vận Tốc Góc

Vận tốc dài của giá di động được tính từ đạo hàm thời gian của vectơ vị trí, còn vận tốc góc tính từ đạo hàm của ma trận quay. Các đại lượng này phụ thuộc vào tốc độ thay đổi chiều dài của từng chân. Sử dụng phương pháp vi phân số, ta có thể tính toán liên tục các giá trị vận tốc trong quá trình gia công.

3.2. Ma Trận Jacobi Và Ứng Dụng

Ma trận Jacobi là công cụ toán học quan trọng để chuyển đổi vận tốc giữa các hệ quy chiếu. Trong Hexapod, ma trận này liên hệ vận tốc khớp cầu với vận tốc dụng cụ. Định thức Jacobi cho biết điều kiện kỳ dị của cơ cấu, giúp xác định vùng làm việc an toàn. Ứng dụng của ma trận này tối ưu hóa điều khiển động học trong gia công các chi tiết phức tạp.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Máy phay CNC 5 trục kiểu Hexapod đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện đại. Các ứng dụng nổi bật bao gồm gia công khuôn mẫu nhựa, chế tạo linh kiện hàng không vũ trụ, và sản xuất các bề mặt tự do. Việc tối ưu hóa thuật toán điều khiển động học cho phép giảm thời gian gia công lên đến 30% và cải thiện độ chính xác bề mặt. Hướng phát triển tương lai tập trung vào tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự đoán sai số và tự điều chỉnh, cũng như phát triển công nghệ điều khiển thích ứng cho các bề mặt phức tạp hơn.

4.1. Các Ứng Dụng Thực Tiễn Hiện Nay

Ứng dụng chính của Hexapod bao gồm gia công khuôn mẫu với độ phức tạp cao, chế tạo linh kiện hàng không yêu cầu độ chính xác nghiêm ngặt, và sản xuất các chi tiết y tế có hình dạng tự do. Các nhà máy tiên tiến ở Đức, Nhật, và Mỹ đã triển khai hàng chục máy Hexapod CNC để nâng cao năng suất và chất lượng. Công nghệ điều khiển động học động lực cho phép giải quyết những thách thức gia công mà máy CNC truyền thống không thể.

4.2. Hướng Phát Triển Và Cải Tiến

Hướng phát triển tương lai tập trung vào tích hợp hệ thống cảm biến thông minh để theo dõi lực cắt và tự điều chỉnh tham số gia công. Công nghệ machine learning sẽ được ứng dụng để dự đoán sai số vị trí và tối ưu hóa quỹ đạo dụng cụ. Ngoài ra, phát triển các vật liệu kết cấu mới sẽ tăng độ cứng và giảm khối lượng máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

„ BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẢO TẠO ` TRUONG DAI UOC BÁCH KHOA HÀ NỘI HNIHIL NAIL NBANON KS. NGUYEN O39 ‘HNYON NHã1H TÍNH TOÁN ĐỌNG HỌC, DỌNG LỰC HQC TRUNG TÂM PHAV CNC 5 TRUC AO KIỂU HEXAPOD. LL NIG LUẬN VĂN THẠC SĨ KIIOA HỌC CÔNG NGHỆ CO ĐIỆN TỪ ‘YOHN delet Hà Nội — 9/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ING DAI HOC BACH KHOA HA KS. NGUYÊN TIÊN THỊNH ‘TINH.

LOAN BONG HOC, DONG LUC HOC TRUNG TAM PHAY NC 5 TRUC AO KIRU HEXAPOD NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỀN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TẠ KHÁNH LÂM T§. NGUYÊN HỎNG THÁI Hà Nội — 9/2014 1 LỜI CAM ĐOAN Tên em là Nguyễn Tiến Thịnh, học viên cao học khóa 2012B.KH chuyên ngánh Cơ Điện Tử. Sau 2 năm học tập, nghiên cửu tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, được sự giúp đỡ của các thày có giáo, đặc biệt là PGS.TS Tạ Khánh Lam và TS. Nguyễn Hằng Thái, cm đã hoàn thành xơng luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Em xin cam doan dé tai luận văn “Tính toán động học, động lực học trung tâm phay CNC 5 trục ảo kiểu Iexapod” là công trinh nghiên cửu của cá nhân em đưới dự hướng dẫn của PGS.TS Tạ Khánh Lâm và TS.

Nguyễn Hồng Thái và chỉ tham khảo các tải liệu được liệt kê. Em không sao chép công trình của cả nhân khác đưới bắt kỳ hình thức nào. Nếu có, em xin hoàn thành chịn trách nhiệm. là Nội ngày tháng năm 2014 Người cam đoạn Nguyễn Tiên Thịnh ih Gia tốc đài trọng tâm đưới của chân thứ j tại thời điểm thử ¡ Chiều dài chân thứ j tại vị trí “0” ban dâu.

Giới hạn hành trình trượt lớa nhất có thế của mỗi chân Giới hạn bành trình trượt nhỏ nhất có thể của mỗi chân. Tọa độ lâm dao tại vị tri “0” ban đầu. Toa độ theo trục z của giá cố định Ÿ¡ so với giá có định 8; Khoảng cách từ tâm bản cầu đao số với hệ quy chiêu động 8; Điểm đính vị đụng cụ tại thời điểm thứ ¡ Pid tao hình trên phối tại thời điểm thứ š Vé tơ định vị điểm A; trong hệ quy chiêu #y Vắc tơ vị trí của điểm Sng trong hệ quy chiếu 8a La véc tơ định vị điểm Hạ trong hé quy chiéu $y Là véc tơ chỉ phương của trục dụng cu tại vị trí “9” ban đâu. Véc tơ hướng trục đụng cụ trên phôi tại thời điểm thứ i.

Vée le hưởng trục dụng cụ lại thời điểm Hhử ï Góc giữa hướng trục dụng cụ „vả hướng trục dụng cụ trên phôi "ấu, MỘC ,õ,} Ma tran quay một góc ö quanh K Tọa độ của điểm tạo hình T cu, tại vị trí “” ban đầu. Khoảng dịch chuyén bir vi tt Clg dén vi tri CL; Ma tran quay co ban. ix MỤC LỤC TỎI CAM ĐOAN. - iti LOI CAM ON, - - - iv MUCLUC.

H Hee DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIỆT TẤT. DANH MỤC CÁC BẰNG. cu eeeeieroer DANH MỤC CÁC HINH VE VA BO THI MO BAU. MỤC DÍCHNGIIÊN CỨU CỦA DẺ TẢI.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIẾK CŨA ĐỀ TÀI. NOI DUNG NGHIEN CUU CUA LUẬN VĂN TONG QUAN VE TRUNG TAM PHAY CNC 5 TRỤC ÁO KIỂU HEXATOD.1 MAY CNC CO CÂU TRÚC CHUỖI ĐỘNG HỌC HỞ TRUYỂN THONG .2 CÁC MÁY ƠNC CÓ CÁU TRÚC CHUỎI ĐÔNG HOC SONG SONG 1.1 Sự phát triển của máy có câu trúc chuối động học song song.2 Sụ phát triển của máy công cụ CNC có cầu trúc chuỗi động học song sone 2 1.3 UU NHUOC DIEM CUA CO CAU SONG SONG 1.4 NHŨNG NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỘ VẺ MÁY CNC CO cae TRÚC ĐỘNG HỌC SONG SONG.5 TÍNH ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIÁ CÔNG BÊ MẶT KHÔNG GIAN TREN MAY PHAY CNC 5S TRỤC 1.1 Tinh đường đụng cụ với đao phay ngón đâu cầu.2 Tỉnh đường dụng cụ với đao phay ngón dâu bất - - 1.3 Tính đường đụng eu với đao phay ngón đân xuyên 7 1.4 Định hướng trục dụng cụ trong hệ tọa độ phôi 18 1.5 Xây đựng các hệ quy chiều trong trung tâm phay CNC 5 trụo.6 Hệ quy chiều lực cất trong gia công CNC 5 trục.6 KÉT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CUU 37 Chương 2.28 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC TRUNG TÂM PHAY HEKAPOD 28 2.1 PHAN TICH LUA CHON KAT CAU MAY.3 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH DỘNG HỌC VỊ TRÍ - - 31 2.1 Giải bai toán động học ngược.35 "Phương pháp điều khiến bài toán đồng học ngược rong gia công cơ khi35 3 Thuật toán điều khiển động học trong gia công các bể mặt phức tạp.4 Vi dụ áp dụng.3 BAI TOAN VAN TOC - - 51 2.1 Van ide dai và vận lốc góc gỗn giá di động - 31 2.2 Ma tran jacobi - - 56 DANH MỤC CAC KY HIEU VA TU VIET TAT Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa Compoter nurnerical controiled. Diễu khiển sẻ bằng máy tính 'Tọa độ khớp câu thử j trên giả cổ định (j=1 6), ‘Toa độ khớp cầu thử j trên giá di động tại thời điểm thei Hệ quy chiéu gdc may RBSS: 9,{OXYZ} Hé quy chiéu géc phéi ctia RSS: 95 {OsmXaarVau/no} Hệ quy chiếu đặt tai tâm gid cổ định cia RBSS So {Spe Xre YeaZep} & Tis quy chiều đặt tại tâm gia di dang cla RBSS: 4, {PUVW} Hệ quy chiếu đặt tại điểm định vị dụng cụ chọn trên dung cụ. SafCT Taw} Chiêu dài chân thứ j tại thời điểm thứ ¡ Bán kính đường tròn di qua các khớp trên giá có định Bán kính đường tròn đi qua oác khớp trên giá đi động, ‘Toa độ của khớp câu thứ j trên giả cố định (j—1 6).

‘Toa độ của khớp câu thứ j trên giả di động so với gốc tọa độ Chiều dài chân thứ j tại thời điểm thử ¡ (j=1—6). Tọa độ gủa gốc P dặt tại tâm giá di dộng so với góc tọa độ 'Vắc tơ chỉ hướng của của chân thứ j tại thời điểm i (j- 1-6). Tọa dé của khớp câu thứ j so với hệ quy chiếu dông, Ma trận quay chuyên từ hệ quy chiều 9; về hẻ quy chiếu 9 ¢ vii Vận tốc góc của khâu thứ j tại thời điểm thứ ¡ (j~ 1—6) 'Vận tốc đài của hệ quy chiếu 9; so với hệ quy chiều 9¿ cổ định. 8 'Vận tốc góc của hệ quy chiêu động 8; so với hệ quy chiếu 9 ạ cổ ©, định Vận tốc đi của khớp câu thứj trên giá đi động tại thời điểm thứ Yas i(j-1-6).

Toán tử sóng của vận tổo góc "ø, Toản tử sóng của vận tốc đại ˆv, Ma tran đạo hàm của ma trận quay "R, Toán tử sóng của véc lơ s„ Ma trận nghịch đảo của ma trận quay ˆ., 'Véc tơ vị trí trọng tâm trên của chân thứ j tai thời điểm thứ¡ Véc to vi tri trọng tâm dưới của chân tu j tại thời điểm thứi 'Vận lộc dài trạng lâm trên của chân thủ j lại thời điểm thứ ¡ 'Vận tộc đài trọng tâm đưới của chân thứ j tại thời diễm thử¡ Gia tốc góc của hệ quy chiếu 9; sơ với hè quy chiếu 8a có dịnh. Gia tốc dài của diễm H; tại thoi diem thứi(j=1 6} Gia tốc góc của chân thử j tại thời điểm thử (j=1 6). Gia tốc đài trọng tâm trên của chân thứ j tại thời điểm the i viii 3.3 Vận tốc góc các chân. 4 Vận tốc trong tâm của từng chân 2.4 VỈ DỤ ÁP DỤNG.

bese Chương 3 - - BÀI TOÁN DÔNG LỰC HỌC.1 BÀI TOÁN GIÁ TÓC 3.2 XÁC DỊNH GIÁ TÓC VÀ GIÁ TỐC GÓC CỦA KHẨU THÁO TÁI 3.3 GIA TOC TRONG TAM CAC KHAU.4 PLIAN TICH DONG LUC HOC THEO PIIUGNG PILAP NEWTON- EULER.41 Xét cho từng nhánh chân 66 3.2 Xá rông khâu 2 của nhánh chân thi H testes 3.5 Vi dụ áp dung. - 7 KET LI HH tha rrrrerariirdrerrererieoraeae. 1 Về mặt lý thuyết - - - 81 1. Về mặt thục tiễn 81 TIL, Các dễ xuất phát triển hoàn thiện kết qua nghién ctu eda iudn vin.

81 TÀI LIỆU THAM KHẢO. - PHU LUC A: CHUONG TRINH MO PHONG MATLAB, 84 1 Hảm tính toán độ biển thiên chiều đải chân. Hàm tính toán và vẽ đồ thị độ biên đuên vận tốc góc. - 7 3 Tính toán gia tốc gắc các chân tại điểm tạo hình CƠi - 89 4 Tính toán van tốc đài từng chân tại diễm tao hình CƠI.

8 5 Tính toán vận tắc trọng tâm từng chân tại điểm tạo hình CCi. - 93 6 Tỉnh toán gia tốc trọng tân từng chân tại điểm tạo hình CCi 7 PHỤ 1ỤC R: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHÒNG TRÊN VISUAI C SỬ DỤNG. THƯ VIỆN OPENGL "—.104 † Chương trình doe file dit du dau vào ào đmg txL 104 2 Chương trinh tính toán đưa ra thông số điều khiển. LOS 3 Chương trình mô phông.

PHU LUC C: THONG 80 BONG LUC HOC TU SOLIDWORKS 116 vi 3.3 Vận tốc góc các chân. 4 Vận tốc trong tâm của từng chân 2.4 VỈ DỤ ÁP DỤNG. bese Chương 3 - - BÀI TOÁN DÔNG LỰC HỌC.1 BÀI TOÁN GIÁ TÓC 3.2 XÁC DỊNH GIÁ TÓC VÀ GIÁ TỐC GÓC CỦA KHẨU THÁO TÁI 3.3 GIA TOC TRONG TAM CAC KHAU.4 PLIAN TICH DONG LUC HOC THEO PIIUGNG PILAP NEWTON- EULER.41 Xét cho từng nhánh chân 66 3.2 Xá rông khâu 2 của nhánh chân thi H testes 3.5 Vi dụ áp dung. - 7 KET LI HH tha rrrrerariirdrerrererieoraeae.

1 Về mặt lý thuyết - - - 81 1. Về mặt thục tiễn 81 TIL, Các dễ xuất phát triển hoàn thiện kết qua nghién ctu eda iudn vin. 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO. - PHU LUC A: CHUONG TRINH MO PHONG MATLAB, 84 1 Hảm tính toán độ biển thiên chiều đải chân.

Hàm tính toán và vẽ đồ thị độ biên đuên vận tốc góc. - 7 3 Tính toán gia tốc gắc các chân tại điểm tạo hình CƠi - 89 4 Tính toán van tốc đài từng chân tại diễm tao hình CƠI. 8 5 Tính toán vận tắc trọng tâm từng chân tại điểm tạo hình CCi. - 93 6 Tỉnh toán gia tốc trọng tân từng chân tại điểm tạo hình CCi 7 PHỤ 1ỤC R: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHÒNG TRÊN VISUAI C SỬ DỤNG.

THƯ VIỆN OPENGL "—.104 † Chương trình doe file dit du dau vào ào đmg txL 104 2 Chương trinh tính toán đưa ra thông số điều khiển. LOS 3 Chương trình mô phông. PHU LUC C: THONG 80 BONG LUC HOC TU SOLIDWORKS 116 vi DANH MỤC CAC KY HIEU VA TU VIET TAT Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa Compoter nurnerical controiled.