5. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.2.5 Đặc điểm của máy có cấu trúc động học song song
a) Thiết kế của máy động học song song
Một trong những đặc điểm của các máy động học song song là truyền dẫn phi tuyến của các chuyển động và các lực, từ không gian làm việc vào không gian tác động cuối. Những đặc điểm truyền dẫn bị ảnh hƣởng bởi liên kết động học của cơ cấu, cấu hình hình học của nó.
Nó cũng đƣợc hiểu rằng các hiệu suất sẽ đạt đƣợc bởi bất kỳ máy phụ thuộc vào: - Cấu trúc liên kết của máy.
- Kích thƣớc của các thành phần của máy.
Điều này đặc biệt đúng đối với vòng kín là rất nhạy cảm với cả hai yếu tố. Khi chúng ta thiết kế một máy động học song song (PKM) để hiệu suất tốt nhất của nó nên phù hợp với các yêu cầu, cả hai khía cạnh phải đƣợc cân nhắc:
- Tổng hợp tôpô tức là việc tìm kiếm các thỏa mãn ràng buộc của các khớp, các liên kết mà sẽ mô tả động học nói chung của cấu trúc.
- Tổng hợp kích thƣớc tức là việc xác định các kích thƣớc thích hợp của cơ cấu. Tổng hợp các tay máy song song là một lĩnh vực mở (rất hạn chế số lƣợng bài báo đối với vấn đề này) và nhiệm vụ chính cho sự phát triển của máy động học song song trong thực tế.
Các vấn đề gây ra bằng cách sử dụng cấu trúc song song trong lĩnh vực máy công cụ đã chỉ ra rằng các nhà thiết kế có một sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế vòng mở, nhƣng không có kinh nghiệm trong vòng kín và chỉ tập trung vào sự phát triển của các thành phần cơ khí cơ bản trên máy của họ và đã gần nhƣ hoàn toàn bị bỏ quên phần phân tích.
Tổng hợp tôpô là một vấn đề rất phức tạp cho các máy song song đối lập với máy vòng lặp mở mà số lƣợng của những sự kết hợp động học có thể là tƣơng đối giảm. Cơ cấu song song, PKM, rất nhạy cảm với kích thƣớc. Một ví dụ cổ điển đƣợc đƣa ra trong [10] bằng cách thay đổi bán kính của bàn máy Stewart-Gough 10% chúng ta có thể thay đổi độ cứng tối thiểu trên không gian làm việc của nó 700%.
HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái 16 Theo [10] không có bất kỳ phƣơng pháp tổng hợp kích thƣớc hiện có là thích hợp cho cơ cấu song song, cái mà thƣờng có một số lƣợng lớn các thông số thiết kế. Hơn nữa những phƣơng pháp này dẫn đến một giải pháp duy nhất: Trong trƣờng hợp máy động học song song thƣờng sẽ không là một giải pháp đơn nhất để thiết kế một vấn đề và chỉ cung cấp một giải pháp thiết kế là không thực tế. Khó khăn chính xuất phát từ các tiêu chí cần phải đƣợc xem xét: Một số chúng là đối kháng nhau (không gian làm việc và độ chính xác, một robot rất chính xác thƣờng sẽ có một không gian làm việc nhỏ và ngƣợc lại), hoặc không liên tục (không có điểm kỳ dị trong không gian làm việc), vv.
Vì vậy một phƣơng pháp thiết kế không nên chỉ cung cấp một giải pháp duy nhất, nhƣng nếu có thể, tất cả các giải pháp thiết kế có thể, hoặc ít nhất, một xấp xỉ của các thiết lập của tất cả các giải pháp thiết kế. Với thiết kế tối ƣu (cũng bao gồm tổng hợp tôpô và tổng hợp kích thƣớc) vấn đề quan trọng cho sự phát triển hiệu quả PKM, một số vấn đề thú vị có thể đƣợc giải quyết, nhƣ tối ƣu hóa:
- Động học PKM (không gian làm việc, độ chính xác, tối đa chuyển động của các khớp thụ động, sự khéo léo, khả năng tiếp cận, mô hình chuyển động, lỗi động học). - Động lực PKM (PKM gia tốc tối đa, PKM tốc độ tối đa, quán tính, các khối tâm). - PKM linh hoạt (độ cứng PKM và tần số tự nhiên PKM).
Thiết kế tối ƣu là vấn đề mở và thực tế. Rất ít bài báo có thể đƣợc tìm thấy trong lĩnh vực này. Trong khi các công cụ và các phƣơng pháp phân tích hiệu suất cũng đã đƣợc thành lập, ƣớc tính của một cấu hình tối ƣu cho một ứng dụng đƣợc đƣa ra phải đƣợc tự động, để có thể đƣợc thành lập các khả năng về khái niệm trong các điều kiện của việc tính modul và sự cấu hình lại đƣợc.
b) Độ cứng của máy động học song song
Độ cứng của các máy động học song song ảnh hƣởng chủ yếu bởi sự tổng hợp động hình học và độ cứng của các thành phần. Một trong những mục tiêu trong quá trình tổng hợp động hình học nên đƣợc chuyển đổi đồng nhất của các lực, từ khớp đến không gian tác động cuối để có thể thu đƣợc đồng nhất độ cứng trên tất cả các
HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái 17 không gian làm việc. Các khớp là những thành phần quan trọng của PKM với sự chú ý tới độ cứng.
Máy động học song song đòi hỏi khớp có cặp động học cao với biên độ tƣơng đối lớn chuyển động động học, đồng nhất độ cứng qua chuyển động và rất thƣờng xuyên, có khả năng truyền tải tƣơng đối cao. Do sự phát triển các cặp động học cao hơn với 2 đến 4 bậc tự do là một vấn đề chính. Cho bất kỳ các khớp cơ khí, các khớp này phải có ma sát thấp, không có trễ và phải có một khe hở rất nhỏ. Tuy nhiên, ngoài các khớp phải thiết kế để nó có thể đặt thêm các cảm biến để đo lƣờng một phần hoặc toàn bộ biên độ chuyển động của các khớp, điều đó là quan trọng cho các bài toán động học ngƣợc.
Khi chúng ta so sánh PKM với máy công cụ động học nối tiếp, có hai điều phải đƣợc xem xét. Đầu tiên là hệ trục chính, tay cầm, dụng cụ là yếu tố quan trọng nhất trong việc tuân thủ giữa dụng cụ và không gian làm việc [11]. Vì độ cứng động học không đồng nhất của tay máy đƣợc sắp xếp nối tiếp giảm của máy và hệ trục, tay cầm, dụng cụ. Thứ hai, một độ cứng phi tuyến trên không gian làm việc cũng có thể đƣợc quan sát trên nhiều máy động học nối tiếp, ví dụ ở đầu khớp nối ba, nơi có độ cứng phụ thuộc vào định hƣớng của trục quay.
Bên cạnh những đặc tính độ cứng tĩnh, độ cứng động có tầm quan trọng lớn đối với tải trọng cao và sự dẫn động động lực học nhƣ tăng tốc độ điều chỉnh và giật.
So sánh chức năng đáp ứng tần số và phân tích phƣơng thức của PKM khác nhau, nói chung sự rung động của chân chiếm ƣu thế nhƣng với biên độ thấp và chuyển giai đoạn, do có ảnh hƣởng thấp trên sự ổn định của quá trình cắt. Mặt khác, sự dao động trong chân nghiêm trọng có thể ảnh hƣởng đến động lực học truyền động nếu chúng cùng với sự kiểm soát truyền động.
c) Độ chính xác của máy động học song song
Lý thuyết máy động học song song nên có độ chính xác cao do các vòng động học khép kín và không có lỗi đặc tính tích lũy. Mặc dù hơn 15 năm trôi qua kể từ khi máy công cụ động học đầu tiên đƣợc giới thiệu, chúng không đƣợc chấp nhận rộng rãi trong ngành công nghiệp. Từ sự khởi đầu xuất hiện của chúng, nó trở nên rõ
HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái 18 ràng rằng việc thực hiện các khả năng lý thuyết của chúng trong thực tế đƣa ra nhiều vấn đề mới. Độ chính xác của máy công cụ động học song song đã trở thành một trong những điểm yếu của chúng.
Sự khác nhau giữa lý thuyết và thực tế sẽ đƣợc chỉ ra dƣới đây:
Đối với việc kiểm soát và điều tra lý thuyết nói chung là một mô hình đơn giản dựa trên một số các giả định đƣợc sử dụng. Các giả định nhƣ sau:
- Khớp đều có một điểm trung tâm cho tất cả các độ quay tự do. - Các trung tâm này đƣợc biết chính xác.
- Các cơ cấu truyền động tuyến tính di chuyển chỉ với một bậc tự do và truyền qua chính xác thông qua các khớp trung tâm.
- Chiều dài chân có thể đạt tới mà không có lỗi.
- Tải trọng trong và ngoài không ảnh hƣởng đến các tay máy.
- Tuy nhiên, những giả định này sẽ dễ dàng thất bại cho một máy công cụ thực sự do lỗi sản xuất và lắp ráp, lỗi động học trong cơ cấu truyền động và khớp, biến dạng đàn hồi do trọng lực, biến dạng nhiệt, độ chính xác của cảm biến hạn chế, lỗi điều khiển và những lỗi khác.
Tƣơng tự nhƣ máy công cụ nối tiếp động học, nhƣ chúng ta đã đề cập trƣớc khi sự chính xác của PKM bị ảnh hƣởng bởi nhiều lỗi, mà nói chung có thể đƣợc chia trên lỗi tĩnh hoặc lỗi bán tĩnh và lỗi động. Lỗi tĩnh và lỗi bán tĩnh không phụ thuộc vào các động lực và lực gia công, trong khi nguồn gốc của lỗi động trong các phƣơng pháp gia công. Tổng quan về các lỗi có ảnh hƣởng lớn nhất đến tính chính xác của các máy công cụ động học song song đƣợc đƣa ra trong bảng 1.2.
Bảng 1.2 Các loại lỗi trong PKM
Các lỗi tĩnh và bán tĩnh Các lỗi động
Các lỗi động học Lỗi từ những biến dạng đàn hồi
Lỗi sự biến đổi Lỗi từ rung động tự nhiên
Lỗi lực hấp dẫn Lỗi bộ truyền động
HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái 19 Trong cấu trúc song song, các lỗi của trục riêng lẻ đƣợc kết hợp, ví dụ một trục đơn lỗi sẽ gây ra lỗi trong tất cả các bậc tự do của cơ cấu chấp hành cuối. Vì vậy, các nguồn lỗi này là phức tạp hơn trong khi đó trong các máy nối tiếp đƣợc tách ra từ trục riêng lẻ [12].
Để đạt đƣợc độ chính xác cần thiết, chuyển đổi mô hình trong bộ điều khiển để phù hợp với cách chạy máy thực tế. Thông thƣờng phù hợp với mô hình chuyển đổi đƣợc thực hiện bằng sự hiệu chuẩn và bù.
Các chiến lƣợc khác nhau có đƣợc sử dụng:
+ Chiến lƣợc đầu tiên: Các thông số hình học đƣợc sử dụng trong mô hình chuyển đổi đƣợc xác định bởi hiệu chuẩn. Sự khác biệt chính giữa hiệu chuẩn của máy động học song song và hiệu chuẩn máy động học nối tiếp nằm trong số lƣợng lớn của các thông số hình học của máy động học song song.
Phƣơng pháp hiệu chuẩn của máy động học song song bao gồm đo vị trí và định hƣớng của các điểm dụng cụ trung tâm tại một số điểm trong vùng làm việc. Sau đó, các thông số hình học của động học đƣợc xác định bởi một tối ƣu hóa số.
Độ chính xác đạt đƣợc với tối ƣu hóa này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, phƣơng thức đo lƣờng đƣợc sử dụng để xác định vị trí của điểm tâm dụng cụ trong hiệu chuẩn đóng một vai trò quan trọng. Bởi vì khớp nối phi tuyến của tất cả các thông số đo một chiều, ví dụ nhƣ thành phần x của các vị trí dụng cụ hoặc khoảng giữa các điểm định vị dụng cụ và điểm cố định, có thể là đủ. Nhƣng nếu chúng ta biết vị trí và hƣớng của các điểm tâm dụng cụ trong các điểm đo lƣờng, độ chính xác cao hơn sẽ đạt đƣợc hiệu chuẩn.
Một yếu tố quan trọng là số lƣợng các điểm đo và yêu cầu các điểm đo đƣợc trải rộng trên toàn không gian làm việc. Càng nhiều điểm đo lƣờng đƣợc sử dụng, các thông số hình học thực có thể đƣợc xác định tốt hơn bằng phƣơng pháp trung bình. Có hai loại phƣơng pháp hiệu chuẩn :
Bên ngoài: Một thiết bị đo lƣờng bên ngoài đƣợc sử dụng để xác định (hoàn toàn hoặc một phần) vị trí thực sự của các điểm dụng cụ trung tâm cho các vị trí mong
HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái 20 muốn khác nhau của các điểm tâm dụng cụ là những gì. Sự khác biệt giữa vị trí đo và vị trí mong muốn đƣa ra một tín hiệu lỗi đƣợc sử dụng để hiệu chuẩn.
Tự hiệu chuẩn: PKM có thêm cảm biến đƣợc sử dụng cho việc hiệu chuẩn [13]. Phƣơng pháp đầu tiên là khó khăn và tẻ nhạt để sử dụng trong thực tế, nhƣng thƣờng cho kết quả tốt. Phƣơng pháp thứ hai là ít chính xác hơn, nhƣng dễ sử dụng và cũng có những lợi thế mà nó có thể đƣợc tự động hoàn toàn.
Các phép đo nói chung có thể là một bậc tự do, ví dụ nhƣ với một thanh hình cầu đôi trong 3 bậc tự do, ví dụ nhƣ với một hệ thống theo dõi laser hoặc thanh hình cầu đôi tam giác, cũng nhƣ trong 6 bậc tự do với một thiết bị đặc biệt dựa trên bộ cảm biến cảm ứng và máy đo mức lỏng.
+ Chiến lƣợc thứ hai: Đền bù lỗi không gian bằng phƣơng pháp của một ma trận ba chiều của lỗi đƣợc đo qua không gian làm việc, đƣợc đền bù trong bộ điều khiển [14].
+ Chiến lƣợc thứ ba: Chức năng đền bù của các lỗi dự đoán đƣợc, ví dụ sự võng do các lực trọng lực. Các lực chân đƣợc tính [15] hoặc đƣợc thiết lập bởi các động cơ hiện tại trong bộ điều khiển [14]. Kết quả biến dạng của các chuỗi động học sau đó đƣợc đền bù.
Trong PKM đƣợc thực tế nhận ra, nói chung là một sự kết hợp của các chiến lƣợc đã liệt kê ở trên đƣợc sử dụng. Biện pháp hiệu quả nhất chống lại các lỗi nhiệt là làm mát của những thành phần động học nhiệt hiệu quả.
Một khả năng khác để làm giảm các lỗi gây ra bởi những biến dạng nhiệt là đo lƣờng nhiệt độ của các thành phần và việc bồi thƣờng của sự biến dạng dẫn đến bằng cách sử dụng một mô hình nhiệt. Bởi vì sự chính xác hạn chế của mô hình nhiệt và số lƣợng cao của các bộ cảm biến nhiệt độ cần thiết, thủ tục này là hạn chế liên quan đến tính chính xác máy đạt đƣợc, đặc biệt là kể từ khi mô hình nhiệt cho các máy công cụ động học song song là rất phức tạp.
Theo [16] các lỗi định vị báo cáo trong trục Cartesian cho một số PKM 5 trục nằm trong phạm vi 10-20 µm, và đối với một số PKM 3 trục từ 10 đến 15 µm. Nhƣng nói chung hầu hết PKM đạt tới về độ chính xác làm việc ngày nay là 20-50 µm.
HVTH: Vũ Văn Cường GVHG: TS. Nguyễn Hồng Thái 21
d) Điều khiển chuyển động của các máy động học song song
Máy động học song song nói chung đƣợc lập trình trong không gian Cartesian tƣơng tự nhƣ máy liên kết nối tiếp truyền thống. Việc chuyển đổi từ không gian Cartesian tới không gian chung đƣợc tính trong bộ điều khiển tại mỗi chu kỳ nội suy. Trong máy động học song song gần đây nói chung (nhiều hơn 70%) hệ thống điều khiển kinh doanh đƣợc sử dụng [16]. Các chức năng chuyển đổi cụ thể hoặc là đƣợc thực hiện trên bo mạch vi xử lý bên ngoài hoặc trực tiếp trong đơn vị NC thông qua giao diện sản xuất ban đầu. Để máy an toàn và hiệu quả sử dụng bộ điều khiển có chức năng bổ sung, chẳng hạn nhƣ chức năng quan sát phía trƣớc trong không gian chung và giám sát các giới hạn không gian làm việc của tay máy song song, cũng nhƣ chức năng độ chính xác có liên quan nhƣ lỗi đền bù và hỗ trợ cho việc hiệu chuẩn của máy.
Việc kiểm soát bộ dẫn động của máy động học song song thƣờng đƣợc thực hiện trong không gian chung bởi bộ điều khiển trục độc lập đƣợc thiết kế tƣơng tự nhƣ các máy nối tiếp cổ điển nhiều tầng bộ điều khiển P/PI. Nó đã đƣợc quan sát thấy, trên vận tốc cao hơn, theo dõi các lỗi tăng mạnh, và trong trƣờng hợp đó nên đƣợc hạn chế vận tốc có lợi cho độ chính xác dẫn đƣờng tốt hơn. Những hạn chế này bị gây ra bởi sự truyền động phi tuyến vốn có của PKMs chẳng hạn nhƣ quán tính thay đổi và các hiệu ứng khớp nối của truyền động riêng lẻ. Độ phân giải hạn chế của những phản hồi vận tốc, đƣợc tính toán bằng sự khác biệt thời gian rời rạc từ các