Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay282

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hà Thanh Hải MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT GIA CÔNG PHAY Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phan Bùi Khơi PGS.TS Hồng 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 bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi 30 phút ngày 31 tháng 03 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải Khảo sát động học thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot gia cơng khí Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học tồn quốc, Tập Động lực học – máy robot, Đà Nẵng 3-5.08.2015, trang 407-418 Phan Bùi Khôi, Hà Thanh Hải Động lực học robot q trình gia cơng khí Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học tồn quốc, Tập Động lực học –máy robot, Đà Nẵng 3-5.08.2015, trang 419-427 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 Phan Bùi Khơi, Hà Thanh Hải, Hồng Vĩnh Sinh Xác định phản lực khớp robot gia cơng khí Tuyển tập cơng trình Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ Cơ kỹ thuật Tự động hóa, 7-8.10.2016, trang 478-483 Phan Bùi Khơi, Hà Thanh Hải, Hồng Vĩnh Sinh Điều khiển động lực học ngược robot tác hợp gia cơng phay Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Tập Động lực học Điều khiển Cơ học máy, Hà Nội 8-9.12.2017, trang 352-361 Hà Thanh Hải, Đỗ Thị Kim Liên, Phan Bùi Khôi Thiết kế quỹ đạo mô hoạt động robot tác hợp gia cơng tạo hình bề mặt cong phức tạp Tuyển tập cơng 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 Động lực học Điều khiển, Cơ học Máy, Cơ học Thủy khí, trang 211-219 Hà Thanh Hải, Hồng Vĩnh Sinh, Hà Huy Hưng, Phan Bùi Khơi Điều khiển không gian thao tác robot gia công tạo hình bề mặt phức tạp Tuyển tập cơng 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 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 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, 2020, 10.5, 1685 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Robot công nghiệp nghiên cứu ứng dụng gia công lợi ích lớn mặt kinh tế kỹ thuật Ưu điểm robot với cấu trúc dạng chuỗi gồm nhiều khâu, khớp, nhiều bậc tự do, làm cho robot có khả linh hoạt cao hơn, khơng gian gia công lớn so máy công cụ thông thường Robot gia cơng bề mặt có cấu trúc không gian phức tạp khác số ngun cơng Robot có khả gia công bề mặt với yêu cầu độ xác tương đối từ thấp đến cao loại vật liệu khác Tuy nhiên, bên cạnh ưu thế, thách thức, vấn đề khó khăn cần tập trung nghiên cứu giải để nâng cao khả ứng dụng gia cơng khí robot Khó khăn lớn việc đảm bảo độ xác tuyệt đối gia cơng robot Khó khăn với cấu trúc nhiều bậc tự dạng chuỗi nhiều bậc tự dẫn đến khó khăn việc tính tốn điều khiển để robot thực gia cơng bề mặt phức tạp Trong nhiệm vụ công nghệ cần thực để đảm bảo gia công phay robot, ngồi nhiệm vụ tính tốn xác định chế độ cắt tham số công nghệ phù hợp, cần thực nhiệm vụ tính tốn thiết kế quĩ đạo cho robot để đảm bảo chuyển động tạo hình Cần thiết kế điều khiển đảm bảo việc điều khiển khâu khớp robot chuyển động xác q trình gia cơng, cho giảm thiểu ảnh hưởng lực cắt, yếu tố bất định gia cơng Đã có nhiều nghiên cứu động học, động lực học điều khiển robot cho ứng dụng khác nhau, nhiên việc giải vấn đề để ứng dụng gia công phay robot cần tiếp tục nghiên cứu giải Luận án chọn đề tài: “Mơ hình hóa động lực học điều khiển robot gia công phay” đề tiếp tục giải vấn đề Mục tiêu nghiên cứu - Đưa phương pháp thiết kế quĩ đạo chuyển động đảm bảo động học tạo hình thực gia công phay robot - Thiết lập mơ hình tốn học cho phép khảo sát tính tốn động lực học robot cách thuật lợi hiệu - Xây dựng giải thuật tính tốn điều khiển robot để khắc phục loại trừ yếu tố bất định mơ hình động lực học robot gia công phay Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết với tính tốn, mô số - Nghiên cứu lý thuyết ứng dụng gia cơng khí robot, khảo sát động lực học robot gia cơng khí, phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot gia công phay tạo hình bề mặt, thuật tốn điều khiển robot gia cơng phay - Phương pháp tính tốn, thiếp lập, giải thuật để giải hệ phương trình động học, động lực học nhờ máy tính Giải thuật tính tốn, hiệu chỉnh lực cắt sai lệch lực cắt Giải thuật tính tốn, điều khiển chuyển động robot gia công phay - Phương pháp mô số cho phép đánh giá kết tính tốn lý thuyết Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: cung cấp sở lý thuyết tính toán thiết kế quĩ đạo chuyển động cho robot gia cơng tạo hình bề mặt phức tạp Cung cấp sở tính tốn, lựa chọn, thiết kế điều khiển robot gia cơng phay Ngồi cịn cung cấp sở lý thuyết cho việc tính tốn mơ men, phản lực khớp, lực tác động khâu để tính tốn, thiết kế, chế tạo robot đáp ứng u cầu gia cơng khí - Ý nghĩa thực tiễn: Các chương trình lập, phương pháp điều khiển cho phép ứng dụng để xây dựng điều khiển cho robot Kết tính tốn phản lực tác động vào khâu, khớp robot q trình gia cơng cung cấp sở cho việc tính tốn, thiết kế, chế tạo robot cơng nghiệp gia cơng khí Những đóng góp luận án - Xây dựng mơ hình tốn học robot gia cơng cho phép khảo sát tính tốn động lực học cách thuật lợi hiệu - Xây dựng phương pháp tính tốn thiết kế quĩ đạo chuyển động đảm bảo động học tạo hình thực gia công phay robot - Xây dựng giải thuật tính tốn điều khiển robot để khắc phục loại trừ yếu tố bất định mơ hình động lực học robot thực trình phay Cấu trúc nội dung luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan gia cơng khí robot công nghiệp 1.1.1 Sự phát triển gia cơng khí robot cơng nghiệp - Robot cơng nghiệp dùng nhiều ứng dụng phổ biến hàn, sơn, vận chuyển, lắp ráp, phục vụ cho máy CNC - Việc ứng dụng gia công khí robot cơng nghiệp nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ giới, đặc biệt nước công nghiệp phát triển - Ứng dụng gia công cắt gọt kim loại robot thách thức lớn, có nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải để làm tăng độ xác gia công cho robot 1.1.2 Ưu việc gia cơng khí robot Do có cấu trúc nhiều bậc tự dạng chuỗi, nên robot có khả linh hoạt gia công, không gian gia công robot rộng, cho phép robot gia công chi tiết lớn có bề mặt phức tạp với số ngun cơng Robot có khả thực nhiều thao tác nhiều ứng dụng khác lúc Lợi giá thành đầu tư robot giá gia cơng sản phẩm việc đầu tư cho máy CNC trục có giá cao gấp khoảng lần robot bậc tự Giá gia cơng robot giảm đến 30% so với phương pháp gia công thông thường 1.1.3 Những vấn đề gia cơng khí robot cơng nghiệp Robot có nhiều khâu khớp, chuyển động dao cắt chuyển động tổng hợp nhiều khâu nên việc tính toán động học, động lực học để đảm bảo chuyển động gia cơng tạo hình khó khăn, phức tạp Việc xác định xác thành phần phương trình động lực học gặp nhiều khó khăn, đặc biệt lực cắt, lực cắt thay đổi giá trị hướng Độ cứng vững robot thấp, nên dễ bị dao động tác dụng lực cắt, gây ảnh hưởng độ xác Khó khăn việc xây dựng mơ hình động lực học, với yếu tố bất định dẫn đến khó khăn việc tính tốn điều khiển robot gia cơng xác 1.2 Cơ sở động học, động lực học tạo hình gia công phay 1.3 Cơ sở động lực học gia công phay robot 1.3.1 Sự cần thiết khảo sát động lực học robot gia cơng 1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát robot (1.38) M(q)q + ψ (q,q) + G(q) + Q = U Việc tính tốn trình bày cụ thể chương 3, nêu phương trình để nêu toán 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học robot gia công Lực cắt yếu tố ảnh hưởng quan trọng phương trình động lực robot Độ xác tính tốn lực cắt sinh q trình gia cơng ảnh hưởng khả điều khiển chuyển động thao tác robot Lực cắt sinh q trình gia cơng, phụ thuộc nhiều yếu tố vật liệu, chế độ cắt, thông số hình học lớp cắt, điều kiện gia cơng,… Ngồi ra, lực cắt tác dụng vào khâu thao tác cuối chuỗi động học nhiều khâu nên việc tính tốn, biểu diễn lực cắt phương trình vi phân chuyển động robot phức tạp 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước mơ hình hóa động lực học điều khiển robot gia cơng phay Có nhiều cơng trình khác ngồi nước cơng bố nghiên cứu nâng cao độ xác để ứng dụng gia cơng khí robot Tuy nhiên, chưa có cơng trình nghiên cứu trình bày tổng quát, đầy đủ, rõ ràng chi tiết việc khảo sát động lực học điều khiển cho hệ robot – bàn máy có n + m bậc tự gia cơng phay Việc thành lập mơ hình động lực học cho hệ robot – bàn máy gia cơng phay lập trình máy tính chưa trình bày đầy đủ cơng trình cơng bố Trong cơng trình công bố, việc áp dụng điều khiển logic mờ cho robot gia cơng phay tạo hình chưa trình bày đầy đủ cho mơ hình robot có nhiều bậc tự Vẫn vấn đề cần giải liên quan đến thiết kế quĩ đạo chuyển động cho robot gia cơng tạo hình, liên quan đến việc kiểm soát khắc phục ảnh hưởng biến đổi lực cắt đến độ xác gia cơng Đây vấn luận án đặt để nghiên cứu giải 1.5 Các vấn đề nghiên cứu luận án Kết luận chương Chương trình bày tổng quan vấn đề bao gồm: Lợi ích, khó khăn việc ứng dụng gia cơng khí robot Các vấn đề cần nghiên cứu để nâng cao khả năng, hiệu gia công robot Tổng quan công trình nghiên cứu ngồi nước đưa vấn đề cần nghiên cứu luận án CHƯƠNG ĐỘNG HỌC TẠO HÌNH CỦA ROBOT TRONG GIA CƠNG CƠ KHÍ Nội dung chương bao gồm sở lý thuyết động học tạo hình gia cơng khí robot, xây dựng mơ hình động học, thiếp lập phương trình động học, thiết kế quỹ đạo chuyển động giải toán động học cho hệ robot bàn máy tổng quát có n + m bậc tự thực q trình gia cơng phay 2.1 Cơ sở động học gia cơng tạo hình bề mặt 2.1.1 Cơ sở động học tạo hình bề mặt tự dụng cụ 2.1.2 Phương pháp tạo hình bề mặt tự 2.2 Cơ sở thực động học tạo hình robot gia cơng 2.2.1 Đặc trưng hình học dụng cụ Bề mặt dụng cụ đặc trưng hệ trục OExEyEzE 2.2.2 Đặc trưng hình học bề mặt gia cơng Bề mặt gia công thời điểm gia công đặc trưng hệ trục Ofixfiyfixfi 2.2.3 Phương pháp tam diện trùng theo Điều kiện để thực trình gia cơng tạo hình bề mặt đối tượng cơng nghệ thời điểm gia công OExEyEzE ≡ Ofixfiyfixfi 2.3 Động học thiết kế quỹ đạo chuyển động robot 2.3.1 Động học robot gia cơng khí Hình 2.3 Mơ hình cấu trúc động học robot gia cơng khí Mơ hình động học hệ robot – bàn máy gia cơng cho hình 2.3 Áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg, tọa độ suy rộng, tam diện trùng theo, phương pháp ma trận truyền biến đổi tọa độ nhất, thiết lập hệ phương trình động học gồm n + m phương trình (2.12) f(X) = f(q,p) = 0; f = [f1 ,f , , f n+ m ] T (2.12) q – vector tọa độ khớp (2.15) q = [ q1 ,q , ,q n+ m ] Vector tọa độ định vị dụng cụ cắt theo yêu cầu công nghệ: T p = [ p1 , p , , p s ] , s ≤ (2.17) 2.3.2 Giải toán động học Bài toán động học thuận: xác định p, p, p biết q,q,q từ (2.12) Bài toán động học ngược: xác định q,q,q biết p, p, p 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 số toán cụ thể Bài toán 2.1: Khảo sát động học thiết kế quỹ đạo chuyển động cho hệ robot - bàn máy có bậc tự do, gia cơng phay bề mặt thân bơm thủy lực làm thép C40 có độ cứng 235 HB hình 2.4 Hình 2.4 Mơ hình cấu trúc động học hệ robot –bàn máy gia cơng Phương trình động học (2.12) xét cho trường hợp bàn máy cố định n = 6, bàn máy di động n= m = Dùng dao pháy ngón đầu trụ làm vật liệu P6M5, số xoắn 4, đường kính dao 20mm, chiều dài dao 104mm Chế độ cắt gia công: vc = 61.14 m/ph, Sr = 0.1 mm/răng; h0 = 2.2 mm Quy luật dịch chuyển dao đối tượng gia cơng hình 2.6b CHƯƠNG ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG Chương trình bày việc khảo sát động lực học cho mơ hình hệ robot tổng qt có n + m bậc tự ứng dụng gia cơng khí Đồng thời áp dụng phương trình động lực hệ robot – bàn máy, đưa 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 robot Phương trình vi phân chuyển động hệ robot – bàn máy: (3.2) M(q)q + ψ (q,q) + G(q) + Q = U Ở đây: M(q) = n+ m ∑ (J i=1 T Ti mi JTi + i JTRi ci Θci i JRi ) ψ ( q,q) = [ψ 1,ψ , ,ψ T n+ m ] , ψj= (3.3) n ∑ ( k, l; j)q q , k l (3.6) k,l= T G ( q) = [ g1 ,g2 , ,g n+ m ] , g j = ∂Π / ∂q j Q = J TTc , JTRc [Fc , M c ] + J TTr , J TRr [Fr , M r ] = J T R (3.8) (3.18) Vector (Fc,Mc) lực cắt, mô men dụng cụ cắt, ngược lại vector (Fr ,Mr ) lực, mô men tương hỗ (Fc,Mc) đối tượng công nghệ T U = [U1,U , , U n + m ] , U i = τ i (3.19) Ở τ i lực dẫn động khớp, với khớp tịnh tiến τi lực, mô men với khớp quay 3.2 Các mơ hình lực cắt 3.3 Bài toán động lực học hệ robot – bàn máy gia cơng khí Bước 1: Mơ hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy, xác định 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 : Bài toán động lực học hỗn hợp 3.4 Bài toán xác định phản lực liên kết khớp Bước 1: Mơ hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy, xác định tham số động lực học Bước 2: Xác định vị trí khớp hướng cần xác định phản lực liên kết Bước 3: Giả thiết giải phóng liên kết đưa vào bậc tự giả định 10 Bước 4: Ký hiệu tọa độ suy rộng ứng với bậc tự giả định, thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động Bước 5: Dẫn điều kiện ràng buộc phụ chuyển động ứng với bậc tự giả định Bước 6: Giải toán động lực học với điều kiện ràng buộc phụ kể 3.5 Bài toán hiệu chỉnh lực cắt xác định lực cắt trình hệ robot - bàn máy thực gia công phay Bước 1: Mơ hình hóa cấu trúc động lực học hệ robot – bàn máy, xác định động lực học Bước 2: Thiết lập phương trình động học robot Bước 3: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot Bước 4: Giải toán động lực thuận Bước 5: Giải toán động học ngược Bước 6: Hiệu chuẩn tính lực cắt gia cơng tạo hình bề mặt Bước 7: Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động robot có kể đến sai lệch lực cắt (3.66) M(q)q + C(q,q) + G(q) + Q + ∆Q = U Bước 8: Xác định lực cắt sai lệch lực cắt 3.6 Khảo sát số toán cụ thể Bài toán 3.1: Hệ robot – bàn máy có bậc tự do, phay bề mặt chi tiết hình 2.4 Phương trình động lực học (3.2) xét cho trường hợp bàn máy cố định n = 6, m = 0, bàn máy di động n = m = a Khảo sát động lực học ngược cho hệ robot gia công phay thân bơm thủy lực Gia công theo đường dích dắc Hình 3.9 Mơ men dẫn động khớp robot bàn máy cố định Hình 3.10 Mơ men dẫn động khớp bàn máy di động Dùng dao pháy ngón, chế độ cắt, quy luật dịch chuyển dao đối tượng gia cơng phay tốn 2.1 Giá trị lực cắt theo 11 phương x, y, z: Fx=780N; Fy =720N; Fz=580N b Khảo sát động lực học cho hệ robot gia công phay thân bơm thủy lực Gia công theo đường dụng cụ đường cong Hình 3.11 Hình 3.13 Trên hình 3.11 quỹ đạo đường chạy dao C f phay Hình 3.13 biểu diễn lực cắt tính từ cơng thức thực nghiệm Kết tính tốn mơ phỏng: Hình 3.14 Mơ men dẫn động khớp robot Hình 3.15 Quy luật chuyển động khâu Hình 3.14 Hình 3.15 c Khảo sát động lực học ngược cho hệ robot gia công phay thân bơm thủy lực Gia cơng theo đường trịn Kết tính tốn mơ phay theo đường dụng cụ Cf đường trịn bán kính 0,09m Lực cắt đường màu đỏ biểu thị giá trị trung bình khơng có sai lệch, Lực cắt đường màu xanh xét đến sai lệch rung động Hình 3.21 Lực cắt gia công 12 Đường màu đỏ không sai lệch lực cắt, Đường màu xanh có sai lệc lực cắt Hình 3.22 Lực dẫn động: Từ hình 3.22 cho thấy lực dẫn động khớp hệ robot gần dụng cụ chịu ảnh hưởng sai lệch lực cắt d Khảo sát động lực học ngược cho hệ robot gia công phay bề mặt mẫu đúc trượt làm liệu Ti 6AL4 V Hình 3.23 Chi tiết gia cơng đường chạy dao Dùng dao phay ngón đường kính 12.7 mm, hai lưỡi cắt, giới hạn giới góc cắt từ θ st=0 đến θst= π Một chu trình phay theo đường dụng cụ Cf nửa đường trịn bán kính 40mm Kết tính tốn mơ Màu đỏ cho trường hợp 1; Màu xanh cho trường hợp Hình 3.28 Lực cắt gia công 13 Màu đỏ cho trường hợp 1; Màu xanh cho trường hợp Hình 3.29 Mơ men dẫn động khớp Từ hình 3.29 cho thấy lực dẫn động khớp phụ thuộc vào lực cắt e Khảo sát động lực học ngược, động lực học thuận cho hệ robot phay bề mặt khuôn mẫu đúc làm vật liệu Ti AL4V 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 = mm, gia công phay thuận bề mặt với đường dụng cụ đường trịn bán kính 90mm Kết tính tốn mơ 10 10 2000 0.5 0 -2000 -1 -0.5 -4000 M3(Nm) M2(Nm) M1(Nm) -6000 -2 -1 -8000 -1.5 -3 0.5 1.5 2.5 3.5 -10000 0.5 1.5 t(s) 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 t(s) t(s) 50 5000 50 -50 M4(Nm) M6(Nm) M5(Nm) -100 -150 -50 -200 -250 -300 -5000 0.5 1.5 t(s) 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 -100 0.5 1.5 2.5 t(s) t(s) Hình 3.34 Mơ men dẫn động khớp robot 14 3.5 0.8 qd2 1.9 0.6 qr2 qd1 qr1 1.8 0.4 2.5 0.2 q2(rad) q1(rad) 1.6 q3(rad) 1.7 1.5 -0.2 -0.4 1.4 -0.6 1.3 qd3 qr3 -0.8 1.5 1.2 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 t(s) t(s) t(s) 1.5 -0.5 -1.5 q6(rad) q5(rad) q4(rad) 0.5 -1 -2 -0.5 -2.5 -1 -3 qr4 0.5 1.5 2.5 3.5 qr6 qr5 -1.5 -3.5 qd6 qd5 qd4 0.5 t(s) 1.5 2.5 3.5 0.5 1.5 2.5 3.5 t(s) t(s) Hình 3.35 Quy luật chuyển động khâu (vị trí) từ tích phân phương trình chuyển động Các kết giải toán động lực học cho thấy độ xác chuyển động tạo hình độ xác gia cơng chịu ảnh hưởng lực cắt Bài tốn 3.2: Hệ robot – bàn máy có bậc tự do, phay bề mặt chi tiết hình 2.4 Xác định phản lực liên kết động khớp 2, theo phương thẳng Phương trình động lực học (3.2), bàn máy cố định n = 6, bàn máy di động n = m = Khảo sát trình phay với hành trình nửa đường trịn bán kính r = 73mm, v = 25mm/s, Ft = 400N; Fr=100N; Fz=300N Kết tính tốn mơ Hình 3.41 Hình 3.42 Các đồ thị hình 3.41 mơ men dẫn động khâu robot Đồ thị hình 3.42 diễn phản lực liên kết cần tìm Nhìn vào đồ thị hình 3.42 thấy phản lực khớp động khớp đường cong trơn thay đổi theo thời gian từ giá trị -2050N đến 2050N cho hành trình phay 15 Bài tốn 3.3: Hệ robot – bàn máy có bậc tự do, phay bề mặt chi tiết hình 2.4 Phương trình động lực học (3.2), (3.66), bàn máy cố định n = 6, m = , bàn máy di động n = m = a Hiệu chỉnh lực cắt qua thông tin điều khiển, hệ robot thực phay thân bơm thủy lực 3.1.b Kết tính tốn mơ phỏng: Hình 3.44 Biểu diễn lực cắt hiệu chỉnh b Hiệu chuẩn tìm sai lệch lực cắt nhờ thông tin điều khiển, gia công phay thân bơm thủy lực tốn 3.1c Kết tính tốn mơ phỏng: Hình 3.45 Sai số lực cắt Phương pháp hiệu chỉnh tính lực cắt dựa vào thông tin điều khiển cung cấp cho độ tin cậy cao khắc phục sai lệch lực cắt tính theo cơng thức thực nghiệm Kết luận chương Xây dựng mô hình động lực học để khảo sát tốn động học, xác định phản lực liên kết khớp động, hiệu chỉnh lực điều khiển theo ảnh hưởng biến đổi lực cắt qua phương trình vi phân chuyển động robot, nhằm nâng cao độ xác gia cơng Kết chương trình lập trình tính tốn mơ số tốn động lực học ngược hiệu chỉnh lực điều khiển theo ảnh hưởng lực cắt làm sở để thiết kế điều khiển chương 16 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TRONG GIA CƠNG Trong chương trình bày điều khiển PD + lực không gian khớp, không gian thao tác điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy n + m bậc tự Điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy khắc phục đại lượng chưa xác định xác lực cắt, lực ma sát… phương trình động lực học, giúp nâng cao hiệu quả, độ xác gia công 4.1 Điều khiển hệ robot – bàn máy gia công 4.1.1 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot gia công phay 4.1.2 Điều khiển động lực học ngược + PD không gian khớp cho hệ robot - bàn máy Hình 4.4 Mơ hình điều khiển động lực ngược +PD không gian khớp Chọn hệ luật điều khiển có dạng: U = M(q)u + ψ (q,q) + G(q) + Q u = q d + K De + K p e (4.11) K P = diag {KP1 , k P2 , ,k P(n +m) } ;KPi > 0,i =1,2, ,n + m (4.12) K D = diag {k D1 ,k D2 , ,k D(n +m) };K Di > 0,i =1, 2, ,n + m (4.13) (4.9) e = q d − q,e = qd − q,e = qd − q (4.14) 4.1.3 Điều khiển động lực học ngược kết hợp với vịng ngồi PD không gian thao tác cho hệ robot - bàn máy Chọn hệ luật điều khiển có dạng: U = M( q )J −q 1J p u p + ψ( q, q ) − M( q )J q− 1J q q + M( q )J q− 1Jp p + G( q ) + Q ( q ) (4.22) u p = pp + K D ep + K p ep (4.24) K P = diag {k p1 ,k p2 , , kpn } (4.25) K D = diag {kD1 ,kD2 , , kDn } (4.26) 17 (4.27) ep = pd − p,e p = p d − p,e p = p d − p Hình 4.5 Mơ hình điều khiển động lực ngược +PD không gian thao tác 4.2 Điều khiển hệ robot - bàn máy không gian khớp dựa động lực học ngược + PD + Hiệu chuẩn tính tốn lực cắt 4.2.1 Cấu trúc điều khiển động lực học ngược + PD + Hiệu chuẩn tính tốn lực cắt 4.2.2 Thuật tốn hiệu chuẩn tính tốn lực cắt 4.3 Điều khiển mờ hệ robot – bàn máy gia công 4.3.1 Cơ sở điều khiển mờ 4.3.2 Bộ điều khiển mờ cho gia cơng phay Bước 1: Chọn tín hiệu đầu vào, cho điều khiển mờ T e = [ e1 ,e2 , ,en+ m ] ,d e = e = [ e1 ,e2 , ,en + m ] u = [ u 1, u , , u n+ m ] T T (4.40) (4.41) Bước 2: Mờ hóa liệu tín hiệu vào, cho điều khiển mờ Hình 4.8 Mơ tả hàm thuộc sai số, vị trí, vận tốc Miền giá trị vật lý tín hiệu vào, (ei, ei , ui; i=1, ,n+m) chia thành miền nhỏ (Xj, j=1 5) Năm miền vật lý nhỏ xác định tập mờ (Fj, j=1 5) Năm tập mờ biểu diễn giá 18 Sai số vị trí e(t) trị ngôn 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 biểu diễn hình 4.8 Bước 3: Xây dựng luật điều khiển cho điều khiển mờ Bảng 4.2 Hệ luật cho điều khiển mờ Sai số vận tốc e(t) Lượng điều AL AN Z DN DL chỉnh u(t) AL DL DL DL DN Z AN DL DN DN Z AN Z DL DN Z AN AL DN DN Z AN AN AL DL Z AN AL AL AL Từ bảng 4.2 ta thiết lập hệ luật hợp thành (4.49): R1 : Nếu e(t) AL ė (t) AL u(t) DL … (4.49) R25: Nếu e(t) DL ė (t) DL u(t) AL Bước 4: Thiết lập thiết bị hợp thành cho điều khiển mờ Tổng hợp giá trị đầu tức tập hợp tập mờ đơn lẻ đầu thành tập mờ chung theo quy tắc Max-min Bước 5: Giải mờ Xác định giá trị rõ từ tập mờ, dùng phương pháp trọng tâm 4.4 Khảo sát số toán cụ thể Bài toán 4.1: Thiết kế điều khiển động lực ngược + PD không gian khớp cho hệ robot – bàn máy có bậc tự do, thực gia cơng phay tạo hình bề mặt chi tiết hình 2.4 a Mơ điều khiển trình phay mặt phẳng hình vành khuyên thân đế, có lực cắt khơng đổi phay Hình 4.15 Chi tiết quĩ đạo gia cơng 19 Chọn giá trị KP, K D sau: K P = diag {9000, ,9000} , K D = diag {180, ,180} (4.64) Dùng dao pháy ngón đầu trụ, chế độ cắt tốn 3.1a,b Kết tính tốn mơ Hình 4.16 Kết mơ điều khiển phay, lực cắt không đổi Từ kết điều khiển cho thấy thời gian độ 0.2s, sai số vị trí khớp 10-4 rad b Mơ điều khiển phay bề mặt thân bơm thủy lực 1, phay có lực cắt tính tốn sai lệch so với thực tế 20% Chọn giá trị KP, K D sau: K P = diag {6400, ,6400} , K D = diag {160, ,160} (4.66) Kết tính tốn mơ Hình 4.17 Kết mô điều khiển phay, lực cắt sai lệch 20% Từ kết điều khiển cho thấy có sai lệch đáng kể vị trí thực vị trí đặt khớp, nguyên nhân gia công sai lệch lực cắt tính tốn với lực thực 20% Bài toán 4.2: Thiết kế điều khiển động lực ngược + PD không gian thao tác cho hệ robot – bàn máy có bậc tự do, gia cơng phay mặt phẳng hình vành khuyên thân đế hình 2.4 20 Chọn giá trị KP, K D sau: K P = diag {6400, ,6400} , K D = diag {160, ,160} (4.78) Kết tính tốn mơ Vị trí đặt; Vị trí thực; Sai số Hình 4.20 Kết điều khiển khơng gian thao tác Từ kết điều khiển cho thấy thời gian độ 0.4s, độ xác 10-4 rad, 10-5 m Bài toán 4.3: Thiết kế điều khiển động lực ngược + PD có tích hợp khối hiệu chỉnh lực cắt không gian khớp cho hệ robot – bàn máy có bậc tự do, thực gia cơng phay tạo hình bề mặt thân bơm thủy lực (hình 2.4), phay có lực cắt tính tốn sai lệch so với thực tế 20% Chọn giá trị KP, K D sau: K P = diag {6400, ,6400} , K D = diag {160, ,160} (4.82) Kết tính tốn mơ Vị trí đặt; Vị trí thực; Sai số Hình 4.21 Kết mơ điều khiển, có kh ối bù có sai lệch giá trị lực cắt 20% 21 Từ kết điều khiển cho thấy thời gian độ dưới 0,1s, cho độ xác 0.0001 độ, 0.00001m Bài toán 4.4: Xét hệ robot – bàn máy có bậc tự trình bày toán 2.1, 3.1 Thiết kế điều khiển mờ so sánh kết với điều khiển động lực học ngược kết hợp vịng ngồi PD không gian khớp kể đến ảnh hưởng lực cắt, để điều khiển hệ robot - bàn máy thực gia cơng phay tạo hình bề mặt chi tiết mẫu đúc thân bơm thủy lực2 làm vật liệu Ti6Al4V Bảng 4.3 Miền giá trị vật lý biến vào Khâu ei ui ei [-0.001,0.001] (rad) [-0.001,0.001] (rad) [-0.006,0.006] (rad) [-0.009,0.009] (rad) [-0.008,0.008] (rad) [-0.008,0.008] (rad) [-0.001,0.001] (m) [-0.001,0.001] (m) [-0.5,0.5] (rad/s) [-2.4,2.4] (rad/s) [-2.5,2.5] (rad/s) [-12.0,12.0] (rad/s) [-7.0,7.0] (rad/s) [-10.0,10.0] (rad/s) [-0.2,0.2] (m/s) [-0.5,0.5] (m/s) [-18,000,18,000] (Nm) [-44,000,44,000] (Nm) [-42,000,42,000] (Nm) [-18,000,18,000] (Nm) [-9800,9800] (Nm) [-5200,5200] (Nm) [-4700,4700] (N) [-3100,3100] (N) Chọn hệ số K P, K D cho điều khiển động lực học ngược + PD: K P = diag {22500,22500,22500,22500,16900, ,16900} (4.99) K D = diag {300,300,300,300, 260, 260, 260, 260} (4.100) Kết mô điều khiển mờ 10 10 ErrPD2 ErrPD1 -1 0.5 1.5 ErrPD1 -2 -2 ErrFZ 0 -1 ErrPD2 ErrPD2 -1 -0.005 ErrFZ Errq3(rad) Errq2(rad) Errq1(rad) -0.5 ErrPD1 0.5 -3 -3 Errq4(rad) -3 0.5 1.5 ErrFZ 0.5 ErrPD2 ErrFZ Errq7(m) -0.01 1.5 0.5 1.5 ErrFZ -5 10 ErrPD1 ErrPD2 ErrFZ -5 0.5 t(s) t(s) -5 ErrFZ 0.5 1.5 ErrPD2 ErrPD1 ErrPD2 -0.02 -2 ErrPD1 Errq6(rad) 10 15 10 ErrPD2 ErrFZ -5 0.01 ErrPD1 0.5 t(s) -3 1.5 t(s) 0.5 1.5 t(s) Hình 4.31 Sai lệch tọa độ khớp điều khiển PD1, PD2, Fuzzy 10 -4 Position error between calculated tool path and simulation path: 1-PD1 2-PD2 3-FZ ErrPD1 ErrPD2 path rr E Tool path position errors (m) Errq5(rad) ErrPD1 -0.02 -0.025 t(s) 10 1.5 t(s) t(s) 10 -0.01 -0.015 Errq8(m) 10 0 0.5 1.5 t(s) Hình 4.32 Sai lệch quỹ đạo thao tác với quỹ đạo đặt đường dụng cụ điều khiển PD1, PD2, FZ 22 qd1, q1 qd3, q3 2.5 12 qd1 q2 Errq2 10 2.5 1.5 0.5 qd2,q2 (rad) q1 Errq1 0.5 1.5 0 0.5 1.5 1.5 Errq4 q3 Errq3 0.5 q4 -2 qd3 -1 t(s) qd4 -0.5 -0.5 0.5 qd4, q4 (rad) qd1 qd3, q3 (rad) qd1, q1 (rad) qd4, q4 qd2, q2 3.5 0.5 1.5 -4 0.5 1.5 t(s) t(s) t(s) qd8, q8 qd5, q5 qd6, q6 0.6 qd6, q6 qd5 q5 0.5 Errq5 4 0.4 qd6 -1 q6 Errq6 0.5 1.5 t(s) 2 qd6 q6 0.3 0.2 0.1 Errq6 0 -2 qd6, q6 (rad) qd6, q6 (rad) qd5, q5 (rad) qd8, q8 (m) 3 -0.1 0.5 1.5 t(s) 0.5 1.5 t(s) 0.5 1.5 t(s) Hình 4.34 Kết mơ điều khiển mờ với sai lệch quỹ đạo ban đầu Kết nhận cho thấy với giả thiết lực cắt tính xác điều khiển động lực học ngược kết hợp vịng ngồi PD điều khiển mờ cho kết điều khiển xác Thực tế khó xác định xác lực cắt, có sai lệch kết điều khiển Như hình 4.31, 4.32 độ xác điều khiển mờ cịn tốt điều khiển rõ động lực học ngược kết hợp vịng ngồi PD giả thiết lực cắt tính xác Kết luận chương Trong chương trình bày việc thiết kế điều khiển động lực học ngược kết hợp với vịng ngồi PD có tích hợp khối bù lực cắt cho hệ robot - bàn máy không gian khớp không gian thao tác Chương thiết kế điều khiển mờ để khắc phục giảm thiểu ảnh hưởng yếu tố bất định, giúp nâng cao độ xác cho robot gia cơng gia cơng KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận: Luận án hoàn thành đầy đủ nội dung nghiên cứu có kết đóng góp sau: Phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động cho hệ robot - bàn máy có n+m bậc tự gia công phay bề mặt cong phức tạp Xây dựng mơ hình động lực học, thiết lập phương trình vi phân chuyển động giải toán động lực học phương pháp số cho hệ robot - bàn máy có n+m bậc tự gia cơng phay Phương pháp tính tốn, hiệu chỉnh lực điều khiển theo ảnh hưởng lực cắt phay qua phương trình vi phân chuyển động hệ robot bàn máy trình bày giúp tăng độ xác gia cơng, làm sở thiết kế điều khiển chuyển động cho robot dựa mơ hình động lực 23 Phương pháp xác định phản lực liên kết động khớp động robot qua phương trình động lực học hệ robot – bàn máy phay Phương pháp thiết kế điều khiển động lực học ngược kết hợp với vịng ngồi PD khơng gian khớp có khối bù lực cắt lực cắt biến đổi không gia thao tác cho hệ robot – bàn máy có n + m bậc tự gia cơng phay Phương pháp thiết kế điều khiển mờ để điều khiển chuyển động robot phay giúp nâng cao độ xác gia cơng, thời gian tính tốn nhanh khắc phục yếu tố không xác hay khơng xác thay đổi lực cắt q trình gia cơng Hướng cơng việc, hướng nghiên cứu tiếp theo: Ứng dụng kết nghiên cứu vào thực tế gia công hệ robot-bàn máy Thông qua gia công thử nghiệm, triển khai đánh giá kết nghiên cứu đề tài Từ cải thiện, hiệu chỉnh tính tốn lý thuyết để đảm bảo khả gia cơng thực tế cho robot Hoàn thiện giải thuật, chương trình thành gói chương trình để triển khai ứng dụng thuận lợi Tiến hành thực nghiệm, đo đạc tính tốn, đánh giá khảo sát ảnh hưởng chế độ cắt, thơng số cắt đến độ xác gia công robot với điều khiển thiết kế Nghiên cứu phương pháp, thuật toán điều khiển bàn máy bù sai số gia công gián tiếp trực tiếp Phát triển hướng nghiên cứu động lực học điều khiển hệ robot – bàn máy gia cơng phay có khảo sát đầy đủ q trình gia cơng biến dạng, ảnh hưởng ma sát khớp Nghiên cứu động lực học điều khiển robot gia cơng phay có kể đến ảnh hưởng biến dạng đàn hồi khâu khớp, ảnh hưởng dao động đến độ cứng vững hệ thống độ xác gia cơng Nghiên cứu kết hợp lý thuyết điều khiển đại thông minh, thuật toán tối ưu điều khiển đại số gia tử, điều khiển mạng nơ ron, thuật toán tiến hóa để tích hợp điều khiển có nhiều tính thơng minh hồn thiện, giúp cho robot có khả tự điều chỉnh nâng cao độ xác q trình gia cơng 24 ... học, động lực học tạo hình gia công phay 1.3 Cơ sở động lực học gia công phay robot 1.3.1 Sự cần thiết khảo sát động lực học robot gia cơng 1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát robot (1.38)... Ofixfiyfixfi 2.3 Động học thiết kế quỹ đạo chuyển động robot 2.3.1 Động học robot gia cơng khí Hình 2.3 Mơ hình cấu trúc động học robot gia cơng khí Mơ hình động học hệ robot – bàn máy gia cơng cho hình. .. bàn máy gia công 4.1.1 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot gia công phay 4.1.2 Điều khiển động lực học ngược + PD không gian khớp cho hệ robot - bàn máy Hình 4.4 Mơ hình điều khiển động lực ngược