Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC KIỂU PSK VÀ GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP ơ 1.1 Tổng quan về máy phay CNC nhiều trục kiểu PSK 1.1 Lịch sử phát triển máy CNC nhiều trục có cấu trúc ĐHSS kết hợp với CĐH Theo tài liệu [1] trước năm 1990 đã có nhiều công trình nghiên cứu về máy công cụ điều khiển số cấu trúc động học song song (PKMT - Parallel Kinematic Machine Tool) nhưng hầu hết đều không thành công, do chi phí cho điều khiển quá cao. Sau năm 1990 máy tính trở nên phổ biến và giá thành cũng giảm đi, thế hệ máy này tiếp tục được nghiên cứu phát triển và máy PKMT đầu tiên trên thế giới có tên gọi Octahedral Hexapod được sản xuất bởi hãng Ingersoll vào năm 1990 [2, 3].1 Các mẫu máy CNC 5 trục có cấu trúc ĐHSS Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của máy PKM là có miền làm việc nhỏ trong khi kích thước máy là lớn. Trong những năm 2003 – 2004 trở lại đây, để cải thiện nhược điểm đó đã có nhiều nghiên cứu kết hợp giữa chuỗi động học hở và song song PSK Học viên: Hoàng Thị Loan 3 Luận văn Thạc sỹ (Parallel Serial Kinematic) từ lý thuyết đến thực nghiệm. Ngoài ra, các hãng chế tạo máy công cụ cũng nghiên cứu và đã cho ra đời một số mẫu máy CNC kiểu PSK.
Dưới đây là một số các mẫu máy PSK đã được chế tạo thử nghiệm và thương mại: Hình 1.2 Các mẫu máy CNC 5 trục có cấu trúc kiểu PSK Như vậy, có thể nói máy CNC kiểu PSK là thế hệ máy mới nhất hiện nay và đây là hướng nghiên cứu mang tính thời sự ở trong nước và trên thế giới. Học viên: Hoàng Thị Loan 4 Luận văn Thạc sỹ Trong những năm đầu của thế kỷ XXI trở lại đây nghiên cứu về thế hệ máy PSK được các nhà nghiên cứu quan tâm và tập trung vào các vấn đề phân tích động học, miền làm việc, động lực học, thiết kế kết cấu, điều khiển v. Với những kết quả nghiên cứu đạt được cho thấy rằng PSK là một thế hệ máy mới đầy tiềm năng phát triển và ứng dụng trong gia công cơ khí. Dưới đây là một số nghiên cứu đã được công bố về lĩnh vực này: Tháng 5/2003, Dan Zhang (Canada)và các đồng nghiệp đã đưa ra một phương pháp mới để phân tích động học các máy có cấu trúc động học song song [4].
Phương pháp này được áp dụng vào cơ cấu máy Tripod dựa trên cơ sở máy PKMS – là mẫu máy thử nghiệm được nhóm tác giả nghiên cứu tại Viện công nghệ sản xuất tích hợp thuộc Hội đồng nghiên cứu Quốc gia Canada. Kết quả cho thấy phương pháp hữu ích trong việc đánh giá các ứng xử động học của các máy có cấu trúc ĐHSS. Đến tháng 8/2003 thừa kế kết quả nghiên cứu trên, nhóm tác giả đã công bố nghiên cứu về “Tối ưu hóa quỹ đạo dụng cụ bằng thuật toán phát sinh” [5]. Trong đó sử dụng mẫu thí nghiệm có đầu trục chính được điều khiển bởi modul RBSS Tripod.
Nhóm tác giả Jeng – Shyong Chen (Trung Quốc) năm 2003 đã công bố nghiên cứu về một cơ cấu máy mới với 3 mẫu là Cartesian-Guided Tripod, Cartesian-Guided Pentapod, Cartesian-Guided Hexapod [6]. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy tính chính xác khi gia công tỉ lệ với vết tiếp xúc, độ cứng vững, cao hơn so với các máy CNC thông thường. Tại hội nghị quốc tế về kỹ thuật lần thứ 3 được tổ chức tại Đan Mạch tháng 10/2008 D.Glavonjic [7] và các đồng nghiệp đã trình bày nghiên cứu về “Máy phay mini 3 trục có cấu trúc động học song song phục vụ trong giảng dạy”. Máy này được phát triển dựa trên cơ sở cơ cấu máy CNC 3 bậc tự do, các tác giả đã đưa ra cấu trúc, kiểu dáng cũng như là chương trình điều khiển máy.
Tiếp theo đó, vào tháng 12/2008, nhóm nghiên cứu tiếp tục công bố thêm các kết quả nghiên cứu về cấu trúc máy và chương trình hệ thống điều khiển dựa trên hệ điều hành Linux mở rộng với phần mềm EMC2 [8]. Sau đó vào tháng 6/2009 các tác giả đã đi sâu vào giải pháp thiết lập cấu hình máy [9]. Tuy mẫu máy được đưa ra có tính kinh tế nhưng Học viên: Hoàng Thị Loan 5 Luận văn Thạc sỹ mẫu máy này sử dụng hệ điều hành Linux không phổ biến với đại đa số các nước đang sử dụng hệ điều hành Window. Năm 2009, Daniel Kanaan [10] (Pháp) cùng các cộng sự đã công bố nghiên cứu của họ về mẫu máy CNC 5 trục kiểu PSK có tên gọi là VERNE.
Máy này gồm 2 modul đó là modul robot song song 3 bậc tự do và modul bàn quay BC 2 bậc tự do. Nghiên cứu đã tập trung vào giải bài toán động học thuận và nghịch của máy VERNE. Một số các nghiên cứu khác đã công bố như [6, 11-15] cũng đề cập tới thế hệ máy SPK này. Có thể thấy các tác giả của các nghiên cứu trên đã ít nhiều đề cập tới một xu hướng phát triển thế hệ PSK mới.
Tuy nhiên, các nghiên cứu đó chỉ đưa ra một số vấn đề cụ thể mà vẫn chưa giải quyết triệt để các vấn đề đặt ra cho thế hệ máy mới này, như miền không gian hoạt động, đường dụng cụ, tốc độ gia công cũng như là khả năng gia công v.2 Rô bốt song song có cấu trúc trực giao Cơ cấu song song nói chung rất đa dạng và phong phú về mặt cấu trúc, kết cấu, kích thước và không gian hoạt động. So với các cấu trúc động học khác, cấu trúc động học song song có nhiều đặc điểm nổi trội hơn [1, 4, 6] như: + Độ cững vững cao, dẫn đến tốc độ gia công cao và độ chính xác cao hơn, do đó cấu trúc này thường được dùng làm máy phay CNC cao tốc. + Sự linh hoạt trong thiết kế của cấu trúc động học song song giúp đưa ra nhiều kiểu máy phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, xin trình bày một số nghiên cứu về nhóm cấu trúc cơ cấu song song có giá di động mang đầu trục chính di chuyển tịnh tiến theo ba trục tọa độ của hệ quy chiếu gốc được gọi RBSS có cấu trúc trực giao Orthoglide.
Ngoài những ưu điểm chung của cấu trúc động học song song, cấu trúc RBSS Orthoglide còn có thiết kế đẳng hướng giúp cung cấp một miền không gian làm việc liên tục, phân bố vận tốc đồng đều trong miền làm việc và ổn định. Dưới đây là một số kết cấu robot song song trực giao đã được nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm. Học viên: Hoàng Thị Loan 6 Luận văn Thạc sỹ Hình 1.3 RBSS kiểu trực giao Isoglide Hình 1.4 RBSS kiểu trực giao Orthoglide 1.2 Tổng quan về gia công bề mặt phức tạp Theo tác giả Mahadevan [16] hầu hết các phần mềm CAM thương mại, gói 5 trục đều có cơ sở là công nghệ phay hốc ba bậc tự do. Bởi vì, rất nhiều hệ thống CAM như Master-CAM, CAMAX, AlphaCAM và Pro Mmanufacture khi sử dụng gói phần mềm 5 trục thường bị giới hạn bởi 3 bậc tự do, hai trục còn lại được xác định bởi người dùng.
Khi sử dụng các gói phần mềm này, người sử dụng kiêm luôn việc vạch kế hoạch điều khiển lựa chọn chế độ cắt, phân tích, lựa chọn dụng cụ. Do đó đến nay các phần mềm CAM thương mại vẫn hạn chế trong việc can thiệp tổng thể đòi hỏi người dùng phải có nhiều kỹ năng, kinh nghiệm và mất nhiều công sức. Khi gia công chi tiết có bề mặt phức tạp ví dụ như cánh tua bin (hình 1.5) [17], người dùng phải hiệu chỉnh liên tục đường dụng cụ bằng cách sửa lại mã G-code hoặc sửa lại đường dụng cụ cho từng mặt hoặc điều chỉnh góc nghiêng của dụng cụ cho phù hợp, việc làm đó lặp đi lặp lại một cách thụ động và không trực quan. Vì vậy, việc tính toán đường dụng cụ cho máy 5 trục đến nay vẫn là cần thiết và đang được nhiều nhà Học viên: Hoàng Thị Loan 7 Luận văn Thạc sỹ nghiên cứu quan tâm.
Trong tài liệu này tác giả đưa ra một thuật toán tính đường dụng cụ cho máy 5 trục dựa vào điểm tiếp xúc đối với dao phay ngón đầu cầu.5 Đường dụng cụ 5 trục gia công cánh tua bin 1.1 Các chi tiết có bề mặt phức tạp Các chi tiết máy có những bề mặt từ đơn giản cho đến phức tạp ở hình 1.6 dưới đây khi các bề mặt kiến tạo lên những bề mặt chi tiết phức tạp cánh tua bin hình 1.6b, hay trục đùn của vít tải dầu hình 1.6d với những công dụng khác nhau mà dạng bề mặt chi tiết có dạng phức tạp khác nhau. Qua đó cho thấy đối với máy 3 trục không thể gia công các bề mặt phức tạp do không đủ bậc tự do khi gia công các chi tiết này.6 Các chi tiết có bề mặt phức tạp Học viên: Hoàng Thị Loan 8 Luận văn Thạc sỹ Trước khi có máy CNC 5 trục thì các bề mặt phức tạp được gia công bằng phương pháp chép hình. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ CNC 5 trục và 6 trục cho phép không những chỉ dẫn dụng cụ theo đường dụng cụ mà còn điều khiển hướng của dụng cụ để tạo vận tốc cắt trong quá trình gia công các bề mặt phức tạp hình 1.7 dưới đây là ví dụ điển hình.7 Đường dụng cụ trong gia công các chi tiết phức tạp Học viên: Hoàng Thị Loan 9 Luận văn Thạc sỹ 1.2 Đường dụng cụ trong gia công các bề mặt phức tạp Khi gia công các bề mặt phức tạp trong không gian bằng máy phay CNC nhiều trục (5 hoặc 6 trục) thì đường dụng cụ có những điểm khác với 3 trục, ngoài việc định vị dụng cụ nó còn định hướng dụng cụ tùy theo độ phức tạp của bề mặt gia công và hình dạng hình học của dao. Dưới đây tà lần lượt xét các ví dụ: Ví dụ 1: Trên hình 1.8 xét chi tiết gia công có bề mặt là các mặt phẳng khác nhau được gia công bằng giao phay ngón đầu bằng, ta thấy chi tiết được gia công có mặt phẳng gia công là các mặt phẳng đơn giản nhưng nếu gia công trên máy 3 trục thì việc thiết kế đồ gá rất phức tạp mới có thể gia công được.
Tuy nhiên đối với máy 5 trục thì việc thay đổi hướng của trục dao là hoàn toàn gia công được.8 Gia công mặt phẳng bằng dao phay nghón đầu bằng trên máy 5 trục Ví dụ 2: Hãy xét bề mặt cong trơn trên hình 1.9a các véc tơ pháp tuyến biến đổi theo bề mặt cong.