Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay

Nội dung tài liệu: Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hà Thanh Hải MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT GIA CÔNG PHAY Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2020
2. Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Phan Bùi Khôi 2. PGS.TS. Hoàng Vĩnh Sinh Phản biện 1: PGS.TS. Trần Đức Tăng Phản biện 2: PGS.TS. Tạ Khánh Lâm Phản biện 3: PGS.TS. Vũ Lê Huy Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi. giờ ngày . tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải. Khảo sát động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot gia công cơ khí. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc, Tập 2. Động lực học – máy và robot, Đà Nẵng 3-5.08.2015, trang 407-418. 2. Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải. Động lực học robot trong quá trình gia công cơ khí. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc, Tập 2. Động lực học –máy và robot, Đà Nẵng 3-5.08.2015, trang 419-427 3. Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải. Force analysis of a robot in machining process. National Conference on Machines and Mechanics 2015, Ho Chi Minh City, 30.10- 1.11.2015, trang 346-359. 4. Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải, Hoàng Vĩnh Sinh. Xác định phản lực tại các khớp robot khi gia công cơ khí. Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, 7-8.10.2016, trang 478-483. 5. Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải, Hoàng Vĩnh Sinh. Điều khiển động lực học ngược robot tác hợp khi gia công phay. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Tập 1. Động lực học và Điều khiển Cơ học máy, Hà Nội 8-9.12.2017, trang 352-361. 6. Hà Thanh Hải, Đỗ Thị Kim Liên, Phan Bùi Khôi. Thiết kế quỹ đạo và mô phỏng hoạt động của robot tác hợp gia công tạo hình bề mặt cong phức tạp. Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, Hà Nội 09/04/2019, Tập 2. Động lực học và Điều khiển, Cơ học Máy, Cơ học Thủy khí, trang 211-219. 7. Hà Thanh Hải, Hoàng Vĩnh Sinh, Hà Huy Hưng, Phan Bùi Khôi. Điều khiển trong không gian thao tác robot gia công tạo hình bề mặt phức tạp. Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, Hà Nội 09.04.2019. 8. Ha Thanh Hai. Effect of cutting forces on the form-shaping motion in robotic milling. American Journal of Engineering Research, vol. 8, Issue 7, 2019, pp. 176-185 9. Ha Thanh Hai. Kinematic Modelling of a Robot in Form-shaping Milling Complex Surfaces. European Journal of Engineering Research and Science vol.4.11 no.11, November 2019, pp. 26-31. 10. Ha Thanh Hai. Inverse dynamic analysis of miling machining robot: application in calibration of cutting force. Vietnam Journal of Science and Technology 57 (6) (2019), pp 773-787. 11. Phan Bui Khoi, Ha Thanh Hai, Hoang Vinh Sinh. Dynamic analysis of robot in machining. International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development (IJMPERD), Vol. 10, Issue 1, Feb 2020, pp. 223–236 12. Khoi Bui Phan, Hai Thanh Ha, Sinh Vinh Hoang. Eliminating the effect of uncertainties of cutting forces by fuzzy controller for robots in milling process. Applied siences Journal, under review.
4. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Robot công nghiệp đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong gia công cơ bởi những lợi ích lớn về mặt kinh tế và kỹ thuật. Ưu điểm của robot là với cấu trúc dạng chuỗi gồm nhiều khâu, khớp, nhiều bậc tự do, làm cho robot có khả năng linh hoạt cao hơn, không gian gia công lớn hơn so các máy công cụ thông thường. Robot có thể gia công được những bề mặt có cấu trúc không gian phức tạp khác nhau chỉ bằng một số rất ít nguyên công. Robot có khả năng gia công được các bề mặt với yêu cầu về độ chính xác tương đối từ thấp đến cao đối với các loại vật liệu khác nhau. Tuy nhiên, bên cạnh các ưu thế, còn những thách thức, những vấn đề khó khăn cần tập trung nghiên cứu và giải quyết để có thể nâng cao khả năng ứng dụng gia công cơ khí trên robot. Khó khăn lớn nhất là việc đảm bảo độ chính xác tuyệt đối gia công của robot. Khó khăn tiếp theo là với cấu trúc nhiều bậc tự do dạng chuỗi nhiều bậc tự do cũng dẫn đến sự khó khăn trong việc tính toán và điều khiển để robot thực hiện gia công các bề mặt phức tạp. Trong các nhiệm vụ công nghệ cần thực hiện để đảm bảo gia công phay trên robot, ngoài nhiệm vụ tính toán xác định chế độ cắt và các tham số công nghệ phù hợp, cần thực hiện nhiệm vụ tính toán thiết kế quĩ đạo cho robot để đảm bảo chuyển động tạo hình. Cần thiết kế các bộ điều khiển đảm bảo việc điều khiển các khâu khớp của robot chuyển động chính xác quá trình gia công, sao cho giảm thiểu ảnh hưởng của lực cắt, các yếu tố bất định khi gia công. Đã có nhiều nghiên cứu về động học, động lực học và điều khiển của robot cho các ứng dụng khác nhau, tuy nhiên việc giải quyết các vấn đề này để ứng dụng gia công phay trên robot vẫn cần tiếp tục nghiên cứu và giải quyết. Luận án chọn đề tài: “Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay” đề tiếp tục giải quyết các vấn đề trên. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Đưa ra phương pháp thiết kế quĩ đạo chuyển động đảm bảo động học tạo hình khi thực hiện gia công phay trên robot. - Thiết lập mô hình toán học cho phép khảo sát tính toán động lực học robot một cách thuật lợi và hiệu quả. 1
5. - Xây dựng những giải thuật tính toán và điều khiển robot để khắc phục hoặc loại trừ các yếu tố bất định trong mô hình động lực học của robot khi gia công phay. 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với tính toán, mô phỏng số. - Nghiên cứu lý thuyết về ứng dụng gia công cơ khí trên robot, khảo sát động lực học robot khi gia công cơ khí, phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot gia công phay tạo hình bề mặt, các thuật toán điều khiển robot khi gia công phay. - Phương pháp tính toán, thiếp lập, giải thuật để giải các hê phương trình động học, động lực học nhờ máy tính. Giải thuật tính toán, hiệu chỉnh lực cắt và sai lệch lực cắt. Giải thuật tính toán, điều khiển chuyển động robot gia công phay. - Phương pháp mô phỏng số cho phép đánh giá các kết quả tính toán lý thuyết. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: cung cấp cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế quĩ đạo chuyển động cho robot gia công tạo hình các bề mặt phức tạp. Cung cấp cơ sở tính toán, lựa chọn, thiết kế các bộ điều khiển robot gia công phay. Ngoài ra còn cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tính toán mô men, phản lực tại các khớp, lực tác động của các khâu để tính toán, thiết kế, chế tạo robot đáp ứng yêu cầu gia công cơ khí. - Ý nghĩa thực tiễn: Các chương trình được lập, các phương pháp điều khiển cho phép ứng dụng để xây dựng bộ điều khiển cho robot. Kết quả tính toán các phản lực tác động vào các khâu, khớp của robot trong quá trình gia công cung cấp cơ sở cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo robot công nghiệp gia công cơ khí. 5. Những đóng góp mới của luận án - Xây dựng mô hình toán học của robot gia công cơ cho phép khảo sát tính toán động lực học một cách thuật lợi và hiệu quả. - Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế quĩ đạo chuyển động đảm bảo động học tạo hình khi thực hiện gia công phay bằng robot. - Xây dựng những giải thuật tính toán và điều khiển robot để khắc phục hoặc loại trừ các yếu tố bất định trong mô hình động lực học của robot khi thực hiện quá trình phay. 6. Cấu trúc của nội dung luận án 2
6. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan gia công cơ khí trên robot công nghiệp 1.1.1 Sự phát triển của gia công cơ khí trên robot công nghiệp - Robot công nghiệp đã được dùng trong nhiều ứng dụng phổ biến như hàn, sơn, vận chuyển, lắp ráp, phục vụ cho các máy CNC. - Việc ứng dụng gia công cơ khí trên robot công nghiệp đã và đang được nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ trên thế giới, đặc biệt ở những nước công nghiệp phát triển. - Ứng dụng gia công cắt gọt kim loại trên robot vẫn đang là một thách thức lớn, và có nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải quyết để làm tăng độ chính xác gia công cho robot 1.1.2 Ưu thế của việc gia công cơ khí trên robot Do có cấu trúc nhiều bậc tự do dạng chuỗi, nên robot có khả năng linh hoạt trong gia công, không gian gia công của robot rộng, cho phép robot gia công được chi tiết lớn có các bề mặt phức tạp với số ít nguyên công. Robot có khả năng thực hiện nhiều thao tác trong nhiều ứng dụng khác nhau cùng lúc. Lợi thế về giá thành đầu tư robot và giá gia công sản phẩm đó là việc đầu tư cho một máy CNC 4 trục có giá cao gấp khoảng 8 lần một robot 6 bậc tự do. Giá gia công trên robot có thể giảm đến 30% so với các phương pháp gia công thông thường. 1.1.3 Những vấn đề gia công cơ khí trên robot công nghiệp Robot có nhiều khâu khớp, chuyển động của dao cắt là chuyển động tổng hợp của nhiều khâu nên việc tính toán động học, động lực học để đảm bảo chuyển động gia công tạo hình khó khăn, phức tạp Việc xác định chính xác các thành phần trong phương trình động lực học gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là lực cắt, do lực cắt luôn thay đổi về giá trị và hướng. Độ cứng vững của robot thấp, nên dễ bị dao động dưới tác dụng của lực cắt, gây ảnh hưởng độ chính xác. Khó khăn trong việc xây dựng mô hình động lực học, với các yếu tố bất định dẫn đến khó khăn trong việc tính toán điều khiển robot gia công chính xác 1.2 Cơ sở động học, động lực học tạo hình khi gia công phay 1.3 Cơ sở động lực học gia công phay trên robot 1.3.1 Sự cần thiết khảo sát động lực học robot gia công 1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát của robot M(q)q  (q,q) G(q) Q U (1.38) Việc tính toán sẽ trình bày cụ thể trong chương 3, ở đây chỉ nêu ra phương trình để nêu ra bài toán. 3
7. 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học robot khi gia công Lực cắt là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng trong phương trình động lực của robot. Độ chính xác tính toán lực cắt sinh ra trong quá trình gia công ảnh hưởng khả năng điều khiển chuyển động thao tác của robot. Lực cắt sinh ra trong quá trình gia công, phụ thuộc nhiều yếu tố như vật liệu, chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt, điều kiện gia công, Ngoài ra, lực cắt tác dụng vào khâu thao tác ở cuối chuỗi động học nhiều khâu nên việc tính toán, biểu diễn lực cắt trong phương trình vi phân chuyển động của robot là phức tạp 1.4 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay Có rất nhiều các công trình khác nhau ở trong và ngoài nước ở đã công bố nghiên cứu nâng cao độ chính xác để ứng dụng gia công cơ khí trên robot. Tuy nhiên, chưa có công trình nghiên cứu nào trình bày tổng quát, đầy đủ, rõ ràng và chi tiết về việc khảo sát động lực học và điều khiển cho hệ robot – bàn máy có n + m bậc tự do gia công phay. Việc thành lập mô hình động lực học cho hệ robot – bàn máy gia công phay bằng lập trình trên máy tính chưa được trình bày đầy đủ trong các công trình đã công bố. Trong các công trình công bố, việc áp dụng bộ điều khiển logic mờ cho robot gia công phay tạo hình chưa được trình bày đầy đủ cho mô hình robot có nhiều bậc tự do. Vẫn còn những vấn đề cần giải quyết liên quan đến thiết kế quĩ đạo chuyển động cho robot gia công tạo hình, liên quan đến việc kiểm soát và khắc phục ảnh hưởng của sự biến đổi của lực cắt đến độ chính xác gia công. Đây cũng là những vấn để mà luận án đặt ra để nghiên cứu và giải quyết. 1.5 Các vấn đề nghiên cứu trong luận án Kết luận chương 1 Chương 1 đã trình bày tổng quan các vấn đề bao gồm: Lợi ích, khó khăn của việc ứng dụng gia công cơ khí trên robot. Các vấn đề cần đã và đang được nghiên cứu để nâng cao khả năng, hiệu quả gia công trên robot. Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước và đưa ra các vấn đề cần nghiên cứu của luận án. 4
8. 2 CHƯƠNG 2. ĐỘNG HỌC TẠO HÌNH CỦA ROBOT TRONG GIA CÔNG CƠ KHÍ Nội dung chương bao gồm cơ sở lý thuyết động học tạo hình gia công cơ khí trên robot, xây dựng mô hình động học, thiếp lập phương trình động học, thiết kế quỹ đạo chuyển động và giải các bài toán động học cho hệ robot bàn máy tổng quát có n + m bậc tự do thực hiện quá trình gia công phay. 2.1 Cơ sở động học gia công tạo hình bề mặt 2.1.1 Cơ sở động học tạo hình các bề mặt tự do của dụng cụ 2.1.2 Phương pháp tạo hình bề mặt tự do 2.2 Cơ sở thực hiện động học tạo hình của robot trong gia công 2.2.1 Đặc trưng hình học của dụng cụ Bề mặt dụng cụ tại được đặc trưng bởi hệ trục OExEyEzE 2.2.2 Đặc trưng hình học của bề mặt gia công Bề mặt gia công tại mỗi thời điểm gia công được đặc trưng bởi hệ trục Ofixfiyfixfi. 2.2.3 Phương pháp tam diện trùng theo Điều kiện để thực hiện quá trình gia công tạo hình bề mặt đối tượng công nghệ tại mỗi thời điểm gia công có OExEyEzE  Ofixfiyfixfi 2.3 Động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot 2.3.1 Động học robot gia công cơ khí Hình 2.3 Mô hình cấu trúc động học robot gia công cơ khí Mô hình động học hệ robot – bàn máy gia công được cho như hình 2.3. Áp dụng các phương pháp Denavit-Hartenberg, tọa độ suy rộng, tam diện trùng theo, phương pháp ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất, thiết lập được hệ phương trình động học gồm n + m phương trình như (2.12). 5
9. T f(X) = f(q,p) = 0; f  f1 ,f 2 , ,f n m  (2.12) q – vector tọa độ khớp q  q1 ,q 2 , ,q n m  (2.15) Vector tọa độ định vị dụng cụ cắt theo yêu cầu công nghệ: T p  p1 ,p 2 , ,p s  , s 6 (2.17) 2.3.2 Giải bài toán động học Bài toán động học thuận: xác định p,p,p khi biết q,q,q từ (2.12) Bài toán động học ngược: xác định khi biết từ (2.12) 2.3.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu thao tác công nghệ Bước 1: thiết kế quỹ đạo hình học: Bước 2: Thiết kế quỹ đạo động học: 2.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể Bài toán 2.1: Khảo sát động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động cho hệ robot - bàn máy có 8 bậc tự do, gia công phay bề mặt thân giữa bơm thủy lực làm bằng thép C40 có độ cứng 235 HB hình 2.4 Hình 2.4 Mô hình cấu trúc động học của hệ robot –bàn máy gia công Phương trình động học (2.12) xét cho 2 trường hợp khi bàn máy cố định n = 6, khi bàn máy di động thì n= 6 và m = 2 Dùng dao pháy ngón đầu trụ làm bằng vật liệu P6M5, số răng xoắn 4, đường kính dao 20mm, chiều dài dao 104mm Chế độ cắt khi gia công: vc = 61,14 m/ph, Sr = 0,1 mm/răng; h0 = 2,2 mm Quy luật dịch chuyển giữa dao và đối tượng gia công hình 2.6b 6
10. a. b. Hình 2.6 Thân giữa bơm thủy lực gia công bằng robot Kết quả tính toán và mô phỏng Hình 2.8 và hình 2.9 đều biểu diễn 3 đoạn khác nhau (1,2,3) ứng với hai hành trình cắt và một hành trình chuyển tiếp Hình 2.8 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khâu của robot ứng với trường hợp bàn máy cố định. Hình 2.9 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khâu của robot ứng với trường hợp bàn máy di động. 7
11. Bài toán 2.2: Khảo sát động học ngược và thiết kế quỹ đạo chuyển động cho hệ robot – bàn máy có 7 bậc tự do gia công phay tạo hình bề mặt cong cánh tuabin bằng thép C40 có độ cứng 235 HB hình 2.10 Hình 2.10 Mô hình robot ứng dụng phay bề mặt cánh tuabin Phương trình động học (2.12) có n = 6 và m = 1 Dùng dao pháy ngón đầu cầu của hãng Lamina Technogies để gia công, số răng xoắn 2, đường kính dao 10mm, chiều dài dao 72 mm Chế độ cắt khi gia công: vc = 80m/ph, Sr = 0,1 mm/răng; h0 = 0,3 mm Quy luật dịch chuyển giữa dao và đối tượng gia công hình 2.12 Hình 2.12 Biểu diễn một quy luật dịch chuyển giữa dao và cánh tua bin Kết quả tính toán và mô phỏng Hình 2.14 Chuyển động của các khớp của robot khi phay bề mặt cánh tuabin 8
12. Bài toán 2.3: Khảo sát động học ngược, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho hệ robot – bàn máy có 6 bậc tự do gia công phay tạo hình bề mặt chi tiết khuôn mẫu đúc bằng vật liệu Ti6AL4V hình 2.15 Hình 2.15 Mô hình động học robot ứng dụng phay bề mặt chi tiết Phương trình động học (2.12) có n= 6 và m = 0 Dùng dao pháy ngón đầu cầu để gia công, số răng xoắn 2, đường kính dao 8mm, chiều dài dao 63 mm Chế độ cắt khi gia công: n = 4000vg/ph, Sr = 0,1 mm/răng; h0 = 0,2 mm Bề mặt gia công đườn tròn với bán kính r = 50mm Hình 2.18 Quy luật chuyển động của dụng cụ khi gia công phay Hình 2.19 Quy luật chuyển động của các khớp robot khi gia công phay Kết luận chương 2 Chương 2 đã xây dựng được mô hình động học, khảo sát bài toán động học và áp dụng được phương pháp tam diện trùng theo trong việc thiết kế quỹ đạo chuyển động cho hệ robot - bàn máy n + m bậc tự do thực thiện gia công phay tạo hình bề mặt theo yêu cầu công nghệ. Kết quả của việc thiết kế quỹ đạo chuyện động và giải bài toán động học cho hệ robot – bàn máy làm cơ sở cho khảo sát động học và điều khiển. 9
13. 3 CHƯƠNG 3. ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG Chương này trình bày việc khảo sát động lực học cho mô hình hệ robot tổng quát có n + m bậc tự do ứng dụng trong gia công cơ khí. Đồng thời áp dụng phương trình động lực của hệ robot – bàn máy, đưa ra phương pháp xác định, hiệu chỉnh lực cắt. Đưa thêm phương pháp xác định phản lực liên kết qua phương trình động lực học. 3.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot Phương trình vi phân chuyển động của hệ robot – bàn máy: M(q)q  (q,q) G(q) Q U (3.2) Ở đây: nm T i T ci i (3.3) M(q)  JTi m i J Ti + J RiΘJ ci Ri i=1 n T q,q  ,  , ,  , (3.6)  1 2 n m   j k,l; j q k q l , k,l 1 T G q  g1 ,g 2 , ,g n m  , gjj  /  q (3.8) TTTTT QJ,JF,MJ,JF,MJR TcRc  c c TrRr  r r  (3.18) Vector (Fc,Mc) là lực cắt, mô men của dụng cụ cắt, ngược lại vector (Fr,Mr) lực, mô men tương hỗ (Fc,Mc) trên đối tượng công nghệ. T U  U1 ,U 2 , ,U n m  , Uii  (3.19) Ở đây i là lực dẫn động tại các khớp, với khớp tịnh tiến i là lực, là mô men với khớp quay. 3.2 Các mô hình lực cắt 3.3 Bài toán động lực học hệ robot – bàn máy khi gia công cơ khí Bước 1: Mô hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy, xác định các tham số động lực học. Bước 2: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động Bước 3: Bài toán động lực học thuận Bước 4: Bài toán động lực học ngược Bước 5 : Bài toán động lực học hỗn hợp 3.4 Bài toán xác định phản lực liên kết tại các khớp Bước 1: Mô hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy, xác định các tham số động lực học. Bước 2: Xác định vị trí khớp và hướng cần xác định phản lực liên kết. Bước 3: Giả thiết giải phóng liên kết và đưa vào bậc tự do giả định. 10
14. Bước 4: Ký hiệu tọa độ suy rộng ứng với bậc tự do giả định, thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động Bước 5: Dẫn ra điều kiện ràng buộc phụ về chuyển động ứng với bậc tự do giả định. Bước 6: Giải các bài toán động lực học với các điều kiện ràng buộc phụ kể trên 3.5 Bài toán hiệu chỉnh lực cắt và xác định lực cắt trong quá trình hệ robot - bàn máy thực hiện gia công phay Bước 1: Mô hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy, xác định các động lực học. Bước 2: Thiết lập phương trình động học của robot Bước 3: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot Bước 4: Giải bài toán động lực thuận Bước 5: Giải bài toán động học ngược Bước 6: Hiệu chuẩn tính lực cắt khi gia công tạo hình bề mặt Bước 7: Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của robot khi có kể đến sai lệch lực cắt M(q)q C(q,q) G(q) Q Q U (3.66) Bước 8: Xác định lực cắt và sai lệch lực cắt 3.6 Khảo sát một số bài toán cụ thể Bài toán 3.1: Cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, phay bề mặt chi tiết hình 2.4 Phương trình động lực học (3.2) xét cho 2 trường hợp khi bàn máy cố định n = 6, m = 0, khi bàn máy di động thì n = 6 và m = 2 a. Khảo sát động lực học ngược cho hệ robot gia công phay thân giữa bơm thủy lực 1. Gia công theo đường dích dắc Hình 3.9 Mô men dẫn động tại các Hình 3.10 Mô men dẫn động tại khớp của robot khi bàn máy cố định các khớp và bàn máy di động Dùng dao pháy ngón, chế độ cắt, quy luật dịch chuyển giữa dao và đối tượng gia công khi phay như bài toán 2.1. Giá trị lực cắt theo các 11
15. phương x, y, z: Fx=780N; Fy=720N; Fz=580N b. Khảo sát động lực học cho hệ robot gia công phay thân giữa bơm thủy lực 1. Gia công theo đường dụng cụ là đường cong Hình 3.11 Hình 3.13 Trên hình 3.11 chỉ ra quỹ đạo đường chạy dao Cf. trong khi phay. Hình 3.13 biểu diễn các lực cắt được tính từ công thức thực nghiệm. Kết quả tính toán và mô phỏng: Hình 3.14 Mô men dẫn động tại các khớp của robot. Hình 3.15 Quy luật chuyển động của các khâu Hình 3.14 Hình 3.15 c. Khảo sát động lực học ngược cho hệ robot gia công phay thân giữa bơm thủy lực 2. Gia công theo đường tròn Kết quả tính toán và mô phỏng khi phay theo đường dụng cụ Cf là đường tròn bán kính 0,09m, 1. lực cắt đường màu đỏ biểu thị giá trị trung bình không có sai lệch, 2. lực cắt đường màu xanh xét đến sai lệch do rung động. Hình 3.21 Lực cắt gia công 12
16. 1. đường màu đỏ không sai lệch lực cắt, 2. đường màu xanh có sai lệc lực cắt Hình 3.22 Lực dẫn động: Từ hình 3.22 cho thấy lực dẫn động tại các khớp của hệ robot càng gần dụng cụ càng chịu ảnh hưởng của sai lệch lực cắt hơn. d. Khảo sát động lực học ngược cho hệ robot gia công phay bề mặt mẫu đúc con trượt làm bằng liệu Ti6AL4V. Hình 3.23 Chi tiết gia công và đường chạy dao Dùng dao phay ngón đường kính 12.7 mm, hai lưỡi cắt, giới hạn giới góc cắt từ st=0 đến st= . Một chu trình phay theo đường dụng cụ Cf là nửa đường tròn bán kính 40mm Kết quả tính toán và mô phỏng 1. màu đỏ cho trường hợp 1; 2. màu xanh cho trường hợp 2 Hình 3.28 Lực cắt khi gia công 13
17. 1. màu đỏ cho trường hợp 1; 2. màu xanh cho trường hợp 2 Hình 3.29 Mô men dẫn động tại các khớp Từ hình 3.29 cho thấy lực dẫn động tại các khớp phụ thuộc vào lực cắt e. Khảo sát động lực học ngược, động lực học thuận cho hệ robot khi phay bề mặt khuôn mẫu đúc 2 làm bằng vật liệu Ti6AL4V Hình 3.31 Chi tiết gia công mẫu khuôn đúc, quy luật đường chạy dao Dùng dao phay ngón đầu cầu có đường kính D = 8 mm, gia công phay thuận bề mặt với đường dụng cụ là đường tròn bán kính 90mm. Kết quả tính toán và mô phỏng Hình 3.34 Mô men dẫn động tại các khớp của robot 14
18. Hình 3.35 Quy luật chuyển động của các khâu (vị trí) từ tích phân phương trình chuyển động Các kết quả giải bài toán động lực học cho thấy độ chính xác của chuyển động tạo hình và do đó độ chính xác gia công chịu ảnh hưởng của lực cắt. Bài toán 3.2: Cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, phay bề mặt chi tiết hình 2.4. Xác định phản lực liên kết động tại khớp 2, theo phương thẳng. Phương trình động lực học (3.2), khi bàn máy cố định n = 6, khi bàn máy di động thì n = 6 và m = 2 Khảo sát quá trình phay với hành trình là một nửa đường tròn bán kính r = 73mm, v = 25mm/s, Ft:= 400N; Fr:=100N; Fz:=300N. Kết quả tính toán và mô phỏng Hình 3.41 Hình 3.42 Các đồ thị hình 3.41 là các mô men dẫn động các khâu của robot. Đồ thị trên hình 3.42 diễn phản lực liên kết cần tìm. Nhìn vào đồ thị hình 3.42 thấy phản lực khớp động tại khớp 2 là đường cong trơn thay đổi theo thời gian từ giá trị -2050N đến 2050N cho hành trình phay 15
19. Bài toán 3.3: Cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, phay bề mặt chi tiết hình 2.4. Phương trình động lực học (3.2), (3.66), khi bàn máy cố định n = 6, m = 0 , khi bàn máy di động thì n = 6 và m = 2 a Hiệu chỉnh lực cắt qua thông tin của bộ điều khiển, khi hệ robot thực hiện phay thân giữa bơm thủy lực như bài 3.1.b Kết quả tính toán mô phỏng:. Hình 3.44 Biểu diễn các lực cắt được hiệu chỉnh b. Hiệu chuẩn tìm sai lệch lực cắt nhờ các thông tin do bộ điều khiển, khi gia công phay thân giữa bơm thủy lực 2 ở bài toán 3.1c. Kết quả tính toán mô phỏng: Hình 3.45 Sai số lực cắt Phương pháp hiệu chỉnh tính lực cắt dựa vào thông tin do bộ điều khiển cung cấp cho độ tin cậy cao khắc phục được các sai lệch lực cắt khi tính theo công thức thực nghiệm Kết luận chương 3 Xây dựng được mô hình động lực học để khảo sát bài toán động học, xác định phản lực liên kết của khớp động, hiệu chỉnh lực điều khiển theo ảnh hưởng của sự biến đổi của lực cắt qua phương trình vi phân chuyển động của robot, nhằm nâng cao độ chính xác gia công. Kết quả của chương trình lập trình tính toán và mô phỏng số bài toán động lực học ngược và hiệu chỉnh lực điều khiển theo ảnh hường của lực cắt làm cơ sở để thiết kế bộ điều khiển ở chương 4. 16
20. 4 CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN ROBOT TRONG GIA CÔNG Trong chương này trình bày điều khiển PD + lực trong không gian khớp, không gian thao tác và điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy n + m bậc tự do. Điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy sẽ khắc phục những đại lượng chưa xác định được chính xác như lực cắt, lực ma sát trong phương trình động lực học, giúp nâng cao hiệu quả, độ chính xác gia công. 4.1 Điều khiển hệ robot – bàn máy trong gia công cơ 4.1.1 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot khi gia công phay 4.1.2 Điều khiển động lực học ngược + PD trong không gian khớp cho hệ robot - bàn máy Hình 4.4 Mô hình điều khiển động lực ngược +PD trong không gian khớp Chọn hệ luật điều khiển có dạng: U M(q)u  (q,q) G(q) Q (4.9) u qd K D e K p e (4.11) KP diag K P1 ,k P2 , ,k P(n m) ;K Pi 0,i 1,2, ,n m (4.12) KD diag k D1D2 ,k , ,k D(nm)  ;K Di 0,i 1,2, ,n m (4.13) e qddd q,e q q,e q q (4.14) 4.1.3 Điều khiển động lực học ngược kết hợp với vòng ngoài PD trong không gian thao tác cho hệ robot - bàn máy Chọn hệ luật điều khiển có dạng: 1 1 1 U MqJJu()(,)()()()q p p  qq MqJJqMqJJpGq q q q p Qq (4.22) up p p K D e p K p e p (4.24) KP diag k p1 ,k p2 , ,k pn  (4.25) KD diag k D1 ,k D2 , ,k Dn  (4.26) 17
21. ep p d p,e p p d p,e p p d p (4.27) Hình 4.5 Mô hình điều khiển động lực ngược +PD trong không gian thao tác 4.2 Điều khiển hệ robot - bàn máy trong không gian khớp dựa trên động lực học ngược + PD + Hiệu chuẩn tính toán lực cắt 4.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển động lực học ngược + PD + Hiệu chuẩn tính toán lực cắt 4.2.2 Thuật toán hiệu chuẩn tính toán lực cắt 4.3 Điều khiển mờ hệ robot – bàn máy trong gia công cơ 4.3.1 Cơ sở về điều khiển mờ 4.3.2 Bộ điều khiển mờ cho gia công phay Bước 1: Chọn tín hiệu đầu vào, ra cho bộ điều khiển mờ TT e  e1 ,e 2 , ,e n m ,de e  e 1 ,e 2 , ,e n m  (4.40) T u  u1 ,u 2 , ,u n m  (4.41) Bước 2: Mờ hóa dữ liệu tín hiệu vào, ra cho bộ điều khiển mờ Hình 4.8 Mô tả các hàm thuộc của các sai số, vị trí, vận tốc Miền giá trị vật lý của tín hiệu vào, ra (ei, ei , ui; i=1, ,n+m) được chia thành 5 miền nhỏ (Xj, j=1 5). 5 miền vật lý nhỏ được xác định bởi 5 tập mờ (Fj, j=1 5). 5 tập mờ được biểu diễn bằng 5 giá trị ngôn 18
22. ngữ (AL: âm lớn; AN: âm nhỏ; Z: zero; DN: dương nhỏ; DL: dương lớn). Chọn hàm thuộc dạng hình thang phải, tam giác, thang trái và được biểu diễn như hình 4.8 Bước 3: Xây dựng luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ Bảng 4.2 Hệ luật cho bộ điều khiển mờ Lượng Sai số vận tốc e(t) điều AL AN Z DN DL chỉnh u(t) AL DL DL DL DN Z trí ị AN DL DN DN Z AN v ố Z DL DN Z AN AL e(t) DN DN Z AN AN AL Sai s DL Z AN AL AL AL Từ bảng 4.2 ta thiết lập được một hệ luật hợp thành (4.49): R1: Nếu e(t) là AL và ė(t) là AL thì u(t) là DL hoặc (4.49) R25: Nếu e(t) là DL và ė(t) là DL thì u(t) là AL. Bước 4: Thiết lập thiết bị hợp thành cho bộ điều khiển mờ Tổng hợp giá trị đầu ra tức là tập hợp các tập mờ đơn lẻ ở đầu ra thành một tập mờ chung theo quy tắc Max-min. Bước 5: Giải mờ Xác định giá trị rõ từ tập mờ, ở đây dùng phương pháp trọng tâm 4.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể Bài toán 4.1: Hãy thiết kế bộ điều khiển động lực ngược + PD trong không gian khớp cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, thực hiện gia công phay tạo hình bề mặt chi tiết như hình 2.4. a. Mô phỏng điều khiển trong quá trình phay mặt phẳng hình vành khuyên của thân đế, có lực cắt không đổi khi phay Hình 4.15 Chi tiết và quĩ đạo gia công Chọn các giá trị KP, KD như sau: 19
23. KP diag 9000, ,9000 , KD diag 180, ,180 (4.64) Dùng dao pháy ngón đầu trụ, chế độ cắt như bài toán 3.1a,b Kết quả tính toán và mô phỏng Hình 4.16 Kết quả mô phỏng điều khiển phay, khi lực cắt không đổi Từ kết quả điều khiển cho thấy thời gian quá độ dưới 0.2s, sai số vị trí khớp là 10-4 rad b Mô phỏng điều khiển phay bề mặt thân giữa bơm thủy lực 1, khi phay có lực cắt tính toán sai lệch so với thực tế 20%. Chọn các giá trị KP, KD như sau: KP diag 6400, ,6400 , KD diag 160, ,160 (4.66) Kết quả tính toán và mô phỏng Hình 4.17 Kết quả mô phỏng điều khiển phay, khi lực cắt sai lệch 20% Từ kết quả điều khiển cho thấy có sai lệch đáng kể giữa vị trí thực và vị trí đặt của các khớp, nguyên nhân khi gia công sai lệch lực cắt tính toán với lực thực 20%. Bài toán 4.2: Hãy thiết kế bộ điều khiển động lực ngược + PD trong không gian thao tác cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, gia công phay mặt phẳng hình vành khuyên của thân đế như hình 2.4 Chọn các giá trị KP, KD như sau: 20
24. , (4.78) Kết quả tính toán và mô phỏng Vị trí đặt; Vị trí thực; Sai số Hình 4.20 Kết quả điều khiển trong không gian thao tác Từ kết quả điều khiển cho thấy thời gian quá độ dưới 0.4s, độ chính xác 10-4 rad, 10-5m Bài toán 4.3: Hãy thiết kế bộ điều khiển động lực ngược + PD có tích hợp khối hiệu chỉnh lực cắt trong không gian khớp cho hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do, thực hiện gia công phay tạo hình bề mặt thân K diag 6400, ,6400 K diag 160, ,160 giữa bơmP thủy lực 1 (hình 2.4) , khiD phay có lực cắt tính toán sai lệch so với thực tế 20%. Chọn các giá trị KP, KD như sau: , (4.82) Kết quả tính toán và mô phỏng Vị trí đặt; Vị trí thực; Sai số Hình 4.21 Kết quả mô phỏng điều khiển, khi có khối bù có sai lệch về giá trị lực cắt 20% 21
25. Từ kết quả điều khiển cho thấy thời gian quá độ dưới dưới 0,1s, và cho độ chính xác 0.0001 độ, và 0.00001m. Bài toán 4.4: Xét hệ robot – bàn máy có 8 bậc tự do như đã trình bày trong bài toán 2.1, 3.1. Hãy thiết kế bộ điều khiển mờ và so sánh kết quả với bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD trong không gian khớp khi kể đến ảnh hưởng của lực cắt, để điều khiển hệ robot - bàn máy thực hiện gia công phay tạo hình bề mặt chi tiết mẫu đúc thân bơm giữa thủy lực2 làm bằng vật liệu Ti6Al4V Bảng 4.3 Miền giá trị vật lý của các biến vào ra Khâu ei 푒̇i ui 1 [-0.0001,0.0001](rad) [-0.7,0.6](rad/s) [-10580,10580](Nm) 2 [-0.001,0.001](rad) [-0.06,0.06](rad/s) [ - 14900,14900](Nm) 3 [-0.001,0.001](rad) [-0.03,0.03](rad/s) [ - 7030,7030](Nm) 4 [-0.001,0.001](rad) [-0.02,0.02](rad/s) [ - 3800,3600](Nm) 5 [-0.001,0.001](rad) [-0.01,0.01] (rad/s) [ - 1100,1800](Nm) 6 [-0.0003,0.0001](rad) [-0.004,0.001](rad/s) [ - 1000,580](Nm) 7 [-0.001,0.001] (m) [-0.03,0.03] (m/s) [ - 1730,1730](N) 8 [-0.001,0.001] (m) [-0.02,0.02] (m/s) [ - 1139,1120](N) Chọn hệ số KP, KD cho bộ điều khiển động lực học ngược + PD: KP diag 22500,22500,22500,22500,16900, ,16900 (4.99) KD diag 300,300,300,300,260,260,260,260 (4.100) Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ Hình 4.31 Sai lệch tọa độ khớp của các bộ điều khiển PD1, PD2, Fuzzy Hình 4.32 Sai lệch giữa quỹ đạo thao tác với quỹ đạo đặt là đường dụng cụ của bộ điều khiển PD1, PD2, FZ 22
26. Hình 4.34 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ với sai lệch quỹ đạo ban đầu Kết quả nhận được cho thấy với giả thiết lực cắt được tính chính xác thì bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD và bộ điều khiển mờ cho kết quả điều khiển chính xác. Thực tế khó xác định chính xác lực cắt, do đó sẽ có sai lệch kết quả điều khiển. Như chỉ ra trên các hình 4.31, 4.32 độ chính xác của bộ điều khiển mờ có thể còn tốt hơn bộ điều khiển rõ động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD ngay cả khi giả thiết lực cắt được tính chính xác Kết luận chương 4 Trong chương đã này đã trình bày việc thiết kế bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp với vòng ngoài PD có tích hợp khối bù lực cắt cho hệ robot - bàn máy trong không gian khớp và không gian thao tác. Chương đã thiết kế bộ điều khiển mờ để khắc phục và giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố bất định, giúp nâng cao độ chính xác cho robot gia công trong gia công. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 1. Kết luận: Luận án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung nghiên cứu và có những kết quả đóng góp sau: Phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động cho hệ robot - bàn máy có n+m bậc tự do gia công phay bề mặt cong phức tạp. Xây dựng mô hình động lực học, thiết lập phương trình vi phân chuyển động và giải bài toán động lực học bằng phương pháp số cho hệ robot - bàn máy có n+m bậc tự do khi gia công phay. Phương pháp tính toán, hiệu chỉnh lực điều khiển theo ảnh hưởng của lực cắt khi phay qua phương trình vi phân chuyển động của hệ robot bàn máy được trình bày giúp tăng độ chính xác gia công, và làm cơ sở thiết kế các bộ điều khiển chuyển động cho robot dựa trên mô hình động lực. 23
27. Phương pháp xác định phản lực liên kết động tại khớp động của robot qua phương trình động lực học của hệ robot – bàn máy khi phay. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp với vòng ngoài PD trong không gian khớp có khối bù lực cắt khi lực cắt biến đổi và trong không gia thao tác cho hệ robot – bàn máy có n + m bậc tự do khi gia công phay. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển chuyển động của robot khi phay giúp nâng cao độ chính xác gia công, thời gian tính toán nhanh hơn và khắc phục được những yếu tố không xác được hay không chính xác như sự thay đổi lực cắt trong quá trình gia công. 2. Hướng công việc, hướng nghiên cứu tiếp theo: 1. Ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tế gia công bằng hệ robot-bàn máy. Thông qua gia công thử nghiệm, triển khai và đánh giá các kết quả nghiên cứu của đề tài. Từ đó cải thiện, hiệu chỉnh các tính toán lý thuyết để đảm bảo khả năng gia công thực tế cho robot. 2. Hoàn thiện các giải thuật, chương trình thành các gói chương trình để triển khai ứng dụng thuận lợi. 3. Tiến hành thực nghiệm, đo đạc tính toán, đánh giá khảo sát ảnh hưởng của chế độ cắt, thông số cắt đến độ chính xác gia công của robot với các bộ điều khiển đã thiết kế. 4. Nghiên cứu phương pháp, các thuật toán điều khiển bàn máy bù các sai số gia công gián tiếp và trực tiếp. 5. Phát triển hướng nghiên cứu động lực học và điều khiển hệ robot – bàn máy gia công phay có khảo sát đầy đủ quá trình gia công biến dạng, ảnh hưởng ma sát của các khớp. 6. Nghiên cứu động lực học và điều khiển robot gia công phay có kể đến ảnh hưởng biến dạng đàn hồi của khâu khớp, ảnh hưởng của dao động đến độ cứng vững của hệ thống và độ chính xác gia công. 7. Nghiên cứu kết hợp các lý thuyết điều khiển hiện đại thông minh, các thuật toán tối ưu như điều khiển đại số gia tử, điều khiển mạng nơ ron, thuật toán tiến hóa để tích hợp được bộ điều khiển có nhiều tính năng thông minh và hoàn thiện, giúp cho robot có khả năng tự điều chỉnh nâng cao độ chính xác trong quá trình gia công. 24