Về giải thuật điều khiển hình động học máy PSK trong gia công bề mặt phức tạp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỒNG THÁI VỀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HÌNH ĐỘNG HỌC MÁY PSK TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỒNG THÁI VỀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HÌNH ĐỘNG HỌC MÁY PSK TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP Chuyên ngành : Thiết bị & hệ thống ĐKTĐ Mã số : 62.52.60.10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS PHAN VĂN ĐỒNG HÀ NỘI 2011 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Các kết nghiên cứu số liệu tính tốn trình bày luận án tơi thực q trình làm luận án mình, khơng chép tài liệu Nghiên cứu sinh Nguyễn Hồng Thái LỜI CẢM ƠN Lời xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Phan Văn Đồng thầy hướng dẫn khoa học tơi nhiệt tình bảo, định hướng khoa học hướng dẫn từ tốt nghiệp đại học, Thạc sĩ suốt q trình tơi làm luận án Tiến sĩ viết luận án Tôi xin cảm ơn tập thể cán giảng viên Bộ môn Cơ sở thiết kế máy & Rô bốt, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, tạo điều kiện mặt thời gian đóng góp ý kiến q trình tơi làm luận án Tôi xin cảm ơn cán Vụ Đại học sau Đại học- Bộ Giáo dục Đào tạo, Ban lãnh đạo cán phụ trách nghiên cứu sinh Viện Đào tạo sau Đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà nội tạo điều kiện thuận lợi hướng dẫn nhiệt tình thủ tục cần thiết suốt q trình tơi làm luận án bảo vệ luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Thầy phản biện cho ý kiến đóng góp q báu để tơi hồn thành tốt luận án Nghiên cứu sinh Nguyễn Hồng Thái i MỤC LỤC Nội dung trang Danh mục ký hiệu viết tắt v Danh mục bảng x Danh mục hình vẽ đồ thị xi PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án Mục đích đối tượng, phạm vi nghiên cứu luận án 2.1 Mục đích nghiên cứu luận án 2.2 Phạm vi nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 3.1 Ý nghĩa khoa học luận án 3.2 Ý nghĩa thực tiễn luận án Nội dung luận án 5 Phương pháp nghiên cứu Chương TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC VÀ ỨNG DỤNG RÔ BỐT SONG SONG TRONG GIA CƠNG 1.1 Đường dụng cụ gia cơng bề mặt phức tạp máy phay CNC nhiều trục 1.1.1 Bề mặt chi tiết gia công phương trình biểu diễn bề mặt 1.1.2 Đường dụng cụ thông số đường dụng cụ 11 1.1.3 Các loại dao phay ngón 13 1.1.4 Các phương pháp sinh đường dụng cụ lưới quỹ đạo điểm tạo hình 14 1.1.5 Hiện tượng cắt lẹm va chạm cục 15 1.2 Máy phay CNC trục 18 1.2.1 Lịch sử phát triển 18 1.2.2 Tổng quan nghiên cứu máy phay CNC trục sai số q 18 trình gia cơng ii 1.3 Ứng dụng RBSS gia công BMPT 19 1.3.1 Định nghĩa 19 1.3.2 RBSS ứng dụng ngành máy công cụ 20 1.3.3 Phân loại RBSS 25 1.3.4 Cấu trúc cấu RBSS 26 1.3.5 Miền làm việc RBSS 31 1.4 Một số kết nghiên cứu công bố ngồi nước gia cơng 33 BMPT máy phay CNC nhiều trục RBSS 1.4.1 Các kết nghiên cứu gia công BMPT máy phay CNC 33 nhiều trục 1.4.2 Các kết nghiên cứu RBSS 35 1.5 Kết luận hướng nghiên cứu luận án 35 Chương ĐƯỜNG DỤNG CỤ TRONG GIA CÔNG BỀ MẶT PHỨC TẠP TRÊN MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC 2.1 Thuật tốn sinh quỹ đạo điểm tạo hình 39 39 2.1.1 Thuật toán nội suy quy luật xoắn ốc 40 2.1.2 Thuật toán nội suy quy luật song song 43 2.1.3 Thuật tốn nội suy quy luật hình tia 46 2.1.4 Thuật toán nội suy quy luật song song chiều 47 2.1.5 Thuật toán nội suy quy luật ziczac 48 2.1.6 Ví dụ áp dụng 50 2.2 Tính định vị vị trí định hướng trục dụng cụ 51 2.2.1 Tính điểm định vị dụng cụ 51 2.2.2 Định hướng trục dụng cụ hệ tọa độ phôi 55 2.2.3 Các ví dụ áp dụng 57 2.3 Tính va chạm thân dụng cụ bề mặt gia công 62 2.3.1 Điều kiện tránh va chạm 63 2.3.2 Xác định giới hạn vùng kiểm tra va chạm lân cận điểm CLi 67 2.3.3 Thuật toán kiểm tra va chạm hiệu chỉnh hướng trục dụng cụ tránh 67 iii va chạm 2.4 Tính chiều cao nhấp nhơ hình học 71 2.4.1 Xây dựng biểu thức xác định d(h) h(d) 73 2.4.2 Sơ đồ thuật tốn tính chiều cao nhấp nhô h(h) hiệu chỉnh d(h) 83 2.5 Thuật tốn tính đường dụng cụ máy phay CNC nhiều trục 85 2.6 Kết luận 87 Chương 88 XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐIỀU KHIỂN VÀ SAI SỐ ĐỊNH VỊ, ĐỊNH HƯỚNG TRỤC DỤNG CỤ TRONG MÁY PHAY CNC TRỤC 3.1 Thiết lập phương trình hình động học 90 3.1.1 Tính thơng số điều khiển máy phay CNC trục kiểu TTRR-T 93 3.1.2 Tính thơng số điều khiển máy phay CNC trục kiểu TT-TRR 94 3.1.3 Tính thơng số điều khiển máy phay CNC trục kiểu TTR-TR 96 3.1.4 Xây dựng phần mềm mô số q trình gia cơng máy phay 99 CNC trục 3.2 Xác định sai số định vị định hướng trục dụng cụ máy phay CNC 100 trục 3.2.1 Xác định sai số định vị điểm điều khiển tạo hình dụng cụ 101 máy phay CNC trục kiểu TTRR-T 3.2.2 Xác định sai số định vị điểm điều khiển tạo hình dụng cụ 104 máy phay CNC trục kiểu TT-TRR 3.2.3 Xác định sai số định vị điểm điều khiển tạo hình dụng cụ 106 máy phay CNC trục kiểu TTR-TR 3.4 Xác định sai số định hướng trục dụng cụ máy phay CNC trục 108 3.5 Khảo sát sai số định vị định hướng trục dụng cụ 110 3.6 Kết luận đánh giá 114 Chương 116 THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN HÌNH ĐỘNG HỌC MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC PSK TRONG GIA CÔNG iv BỀ MẶT PHỨC TẠP 4.1 Giới thiệu 118 4.2 Thiết lập phương trình động học xác định thơng số điều khiển máy PSK 121 (Hexapod – CNC trục) modul RBSS Hexapod mang đầu dao trục 4.2.1 Thiết lập phương trình xác định thơng số điều khiển modul RBSS 121 Hexapod 4.2.2 Phương pháp thuật toán điều khiển 124 4.2.3 Thuật toán điều khiển máy CNC nhiều trục PSK (Hexapod - CNC 127 trục) modul RBSS Hexapod mang đầu dao trục nhính 4.2.4 Thuật toán điều khiển máy CNC nhiều trục PSK (Hexapod - CNC 130 trục) modul RBSS Hexapod mang đầu dao trục nhính 4.2.5 Xác định thơng số điều khiển máy phay CNC nhiều trục kiểu PSK 134 (Hexapod - CNC trục ) trục theo thuật tốn 4.3 Thiết lập phương trình động học xác định thông số điều khiển máy PSK 136 (Hexapod – CNC trục) modul RBSS Hexapod làm bàn máy mang phơi 4.4 Thiết lập phương trình động học xác định thông số điều khiển máy PSK 141 (Hexaglide- CNC trục) modul RBSS Hexaglide mang đầu dao trục 4.5 Các ràng buộc hình học hệ thống 145 4.6 Kết mô số 149 4.7 Kết luận 156 KẾT LUẬN CHUNG 157 Các đề xuất nghiên cứu 158 Danh mục cơng trình cơng bố luận án 159 Tài liệu tham khảo 161 Phụ lục Phần mềm kết tính tốn 180 v Phụ lục Một số đoạn mã code chương trình phần mềm 202 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa A, B, C : Thông số điều khiển trục quay máy phay CNC trục Aji : Tọa độ khớp cầu giá di động (j= 1÷6) i-1 : Ma trận biến đổi từ hệ tọa độ i i-1 Ai : Thông số động học máy phay CNC trục BMPT : Bề mặt phức tạp BMKG : Bề mặt không gian Bji : Tọa độ khớp cầu giá cố định (j= 1÷6) CAD : Computer Aided Design CAM : Computer Aided Manufacturing CNC : Computer Numerical Control T : Điểm chuẩn “0” định hướng dụng cụ modul RBSS r r r : Tam diện động điều khiển tạo hình P t di , k , T t d CLo CLi kTtd0 Ptdi T CLi : Điểm định vị dụng cụ thời điểm điều khiển thứ i CLi : Điểm định vị dụng cụ (cutter location) CCi : Điểm tiếp xúc dụng cụ bề mặt gia công CSDL : Cơ sở liệu D : Đường kính chân Rôbốt song song DBB : Double ball bar dji : Thông số điều modul RBSS dmax : Giới hạn hành trình trượt lớn chân Rơbốt dmin : Giới hạn hành trình trượt nhỏ chân Rơbốt dx, dy, dz : Các thông số điều khiển trục tịnh tiến modul khí xác CNC trục dxmin, dymin, dzmin : Lần lượt giới hạn hành trình trượt nhỏ trục vi x, y, z modul CNC trục dxmax, dymax, dzmax : Lần lượt giới hạn hành trình trượt lớn trục x, y, z modul CNC trục ĐHSS : Động học song song E : Số nhánh (chân) cấu RBSS gi : Khâu hạng i (có i khớp khâu) F : Bậc tự cấu ft : Bậc tự thừa H : Khoảng cách từ gốc tọa độ máy đến giá cố định modul RBSS theo phương trục z Hhc : Hành trình khớp trượt modul RBSS Hexaglide h : Chiều cao nhấp nhô hξ : Chiều cao nhấp nhô cho phép h(j,j+1)i : Khoảng cách hai chân modul RBSS IOM : Inverse Offset Method (phương pháp Offset ngược) l : Khoảng cách từ điểm định vị dụng cụ dụng cụ đến gốc tọa độ trục l tdc : Khoảng cách từ phần cuối lưỡi cắt tới đài dao lC : Chiều dài chân RBSS Hexaglide lu : Số khớp có bậc tự tương đối u m : Số khâu co cấu MLV : Miền làm việc M ( k , α) r : Ma trận quay quanh véc tơ k góc α PKM : Parallel Kinematic Machine PKMT : Parallel Kinematic Machine Tool PSK : Parallel-Serial Kinematic Piuiviwi : Hệ quy chiếu động gắn giá di động thời điểm điều khiển OXYZ : Hệ quy chiếu gốc đặt gốc máy ... 116 THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN HÌNH ĐỘNG HỌC MÁY PHAY CNC NHIỀU TRỤC PSK TRONG GIA CÔNG iv BỀ MẶT PHỨC TẠP 4.1 Giới thiệu 118 4.2 Thiết lập phương trình động học xác định thơng số điều khiển máy PSK. ..BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỒNG THÁI VỀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HÌNH ĐỘNG HỌC MÁY PSK TRONG GIA CƠNG BỀ MẶT PHỨC TẠP Chuyên ngành : Thiết bị & hệ thống ĐKTĐ... xuất thuật tốn xác định thơng số điều khiển hình động học máy phay CNC nhiều trục hệ PSK, luận án luận án tập trung vào việc đề xuất thuật tốn điều khiển hình động học máy PSK trình tạo chuyển động