HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT CẮT PLASMA
CÓ CẤU TRÚC GANTRY
Trần Văn Châu1, Đặng Văn Thức1, Mai Ngọc Anh1, Lê Đình Thắng2
1

2

Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân sự
Email:
Cục Đo lường, Bộ Tổng tham mưu, Bộ Quốc phòng

TÓM TẮT:
Bài báo này trình bày về việc phát triển một mô
hình robot được chế tạo và thử nghiệm trong các
hình robot cắt linh hoạt liên quan đến thiết kế 3D,
điều kiện thực tế để kiểm tra khả năng vận hành
mô phỏng Matlab và chế tạo mô hình thực. Mô
của hệ thống. Mô hình được sử dụng nhằm phục
hình robot này được thiết kế theo cấu trúc động
vụ dạy học trong nhà trường.
học TTT, thường ứng dụng cho cắt Plasma. Mô
Từ khóa: robot cắt, cấu trúc gantry, thiết kế 3D, mô phỏng Matlab.
1. GIỚI THIỆU
Trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện nay, nhiều
loại robot cắt đã được chế tạo và sử dụng rộng rãi
cho sản xuất trên thế giới. Các robot này sử dụng
các nguồn nhiên liệu khác nhau để cắt vật liệu
như: sử dụng công nghệ laser [1], dùng tia nước

thuật viên cơ khí phải thành thạo việc vận hành
nhiều máy móc khác nhau trong đó có các robot
cắt. Vì lý do đó, nhóm nghiên cứu đã xây dựng
một chương trình mô phỏng và một mô hình robot
cắt kiểu khung giàn. Chương trình mô phỏng và
mô hình robot có thể phục vụ các nhiệm vụ cơ bản
của giáo dục đào tạo.
Trong các phần tiếp theo, chúng tôi giới thiệu
cấu trúc cơ khí của robot; tính toán các thông số
động học; chương trình mô phỏng và thực nghiệm
trên mô hình robot thực tế.
2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Kết cấu cơ khí của mô hình robot cắt được thể
hiện như trên Hình 1. Khung cơ khí của robot bao
gồm ba phần chính liên quan đến 3 trục chuyển
động X, Y và Z tạo ra mô hình động học với 3 bậc
tự do (DOF).

Các hệ thống robot khung giàn thường hoạt
động trong các không gian làm việc dạng hình hộp
với cấu trúc cơ khí vững chắc và ổn định [10]. Các
robot cắt plasma có cấu trúc khung giàn cho phép

Trang 267


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Các trục chuyển động X, Y (Hình 2, 3) được

ở Việt Nam [11, 12], mô hình robot này có kích
thước nhỏ gọn hơn nhiều, điều này cho phép mô
hình được vận chuyển dễ dàng phục vụ cho các
phòng thí nghiệm.

Giá lắp trục Z

Hình 3. Cụm trục X

Servo
Khớp nối
Vít me bi
Ray trượt

Ba trục XYZ được điều khiển bởi ba động cơ
servo tách biệt thông qua hệ thống truyền động
bao gồm các vít me và thanh dẫn hướng dẫn. Việc
sử dụng động cơ servo và các vít me giúp cho
việc điều khiển và truyền động các trục được dễ
dàng và chuyển động trơn tru.
3. LẬP TRÌNH HỆ ĐIỀU KHIỂN
3.1. Cấu trúc động học
Robot cắt này là một loại gantry robot với 3 bậc
tự do có cấu trúc động học TTT (Tịnh tiến – Tịnh
tiến – Tịnh tiến) tương ứng với 3 trục XYZ.

Trục chuyển tiếp

Mỏ cắt plasma
Giá lắp đầu công tác

T01

Các thông số cơ khí của robot cắt được minh
họa trên Hình 5. Cấu trúc động học và các hệ tọa
độ được thể hiện trên Hình 6.
Kích thước làm việc của 3 trục X, Y, Z tương
ứng là l1, l2, l3.

0 d1
0 0
1 0
0 1

(1)

1
0
0
0

0 0
0 d2
1 0
0 1

(2)

0 0
0 0
1 d3

Trong đó T01, T 12, T23 là các ma trận biến đổi
thuần nhất giữa các hệ tọa độ lân cận theo thứ tự
như sau: từ hệ tọa độ {X0Y0Z0} sang hệ tọa độ
{X1Y1Z1}, từ hệ tọa độ {X1Y1Z1} sang hệ tọa độ
{X2Y2Z2}, và từ hệ tọa độ {X2Y2Z2} sang hệ tọa độ
{X3Y3Z3}.
Từ các biểu thức (1), (2), (3), ta có thể tính ma
trận thuần nhất từ hệ tọa độ gốc {X0Y0Z0} đến hệ
tọa độ đầu công tác {X3Y3Z3} như sau:

Hình 6. Các hệ tọa độ

Các thông số động học Denavit-Hartenberg (DH) của robot cắt được liệt kê trong Bảng 1:
Bảng 1. Các thông số D-H
Khớp
θi
bi
αi
ai
1
90
0
0
d1
2
-90
0
0
d2
3


1
0
0
0

0 d1
0 d2
1 d3
0 1

Đầu cắt được ký hiệu là EE. Vị trí của EE được
xác định từ công thức (5) bởi các biểu thức sau:
xEE

d1

yEE

d2

zEE

d3

(6)

Cũng từ công thức (5), ta xác định được
hướng của đầu cắt EE không thay đổi trong suốt
quá trình làm việc.

s(ti )

k0

s '(ti )

k2 ti2

k1 ti

k1

k3 ti3
2
i

2k2 ti

3k3 t

s(ti 1 )

k0

k1 ti

s '(ti 1 )

k1



ti2
ti3
2ti
3ti2
ti2 1 ti3 1
2ti 1 3ti2 1

1 ti
0 1
1 ti 1
0 1

k0
k1
k2
k3

s0
s '0
sf
s 'f

(12)

ti2
ti3
2ti
3ti2
ti2 1 ti3 1

k4 t 4

k5 t 5

(14)

Trong đó k0, k1, k2, k3, k4 và k5 là các hệ số
được xác định như sau:
s(ti )

k0

k1 ti

s '(ti )

k1

2k2 ti

s ''(ti )

2k2

k2 ti2

k3 ti3

3k3 ti2


20k5 ti3 1

5k5 ti4

(16)
(17)

20k5 t
4
i 1

1

k5 ti5 (15)

3
i

12k4 t

5
i 1

k5 t

(18)
(19)
(20)

Bằng cách tương tự như đã nêu ở công thức

s '0
s ''0
sf
s 'f
s ''f

(21)

Trong đó s0, s’0, s’’0, sf, s’f và s’’f là các vị trí,
vận tốc và gia tốc của các điểm trên quỹ đạo cắt.
Dựa vào các giá trị động học cho trước, hệ
thống sẽ tự động lập trình quỹ đạo giữa các điểm
lân cận và kết nối chúng thành một quỹ đạo cắt
tổng thể.
Chương trình mô phỏng máy tính được lập
trình trên phần mềm Matlab. Sơ đồ hệ thống điều
khiển được thể hiện trên Hình 7. Quỹ đạo di
chuyển của đầu cắt được mô phỏng trên một cửa
sổ lập trình.

s0 ,s'0
Quỹ đạo
sf ,s'f 
bậc 3

3.2.2. Lập trình quỹ đạo không giật

s(t )

1 ti


Mô phỏng
robot cắt
Hiển thị
quỹ đạo

Hình 7. Sơ đồ hệ thống mô phỏng

Trong sơ đồ hệ thống mô phỏng có 2 bộ lập
trình quỹ đạo: lập trình quỹ đạo bậc 3 và lập trình
quỹ đạo bậc 5. Căn cứ vào các tham số đầu vào,
chương trình sẽ chọn bộ lập trình quỹ đạo phù
hợp.
Hình 8 mô tả một tình huống sử dụng bộ lập
trình quỹ đạo bậc 3 để cắt theo một đường thẳng.
Hình 9 biểu diễn một tình huống sử dụng bộ
lập trình quỹ đạo bậc 5 để cắt theo một đường
tròn.


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Hình 8. Lập trình quỹ đạo bậc 3 cho quỹ đạo đường
thẳng

Hình 10. Mô hình robot dạng gantry thực tế

Cấu trúc của mô hình robot trên Hình 10 có các
kích thước đúng như bản thiết kế trên Hình 1. Các

TTCN tự viết trên Labview, một trong các phần
mềm đang được dùng phổ biến ở Việt Nam hện
nay.

Hình 11. Sơ đồ tổ chức trên bo mạch ARM STM32F4

Trang 271


HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Hình 12. Giao diện chương trình điều khiển

4.3. Kết quả thử nghiệm
Trong các thực nhiệm đầu tiên, mô hình robot
thực hiện nhiệm vụ vẽ một đường thẳng. Bộ điều
khiển sử dụng bộ lập trình quỹ đạo bậc 3 và kết
quả cuối cùng được thể hiện trên Hình 13.
Nhiệm vụ này được thực hiện nhiều lần để
kiểm tra độ lặp lại của quỹ đạo cắt. Ngoài ra,
nhóm nghiên cứu đã sử dụng bút dạ như một
công cụ ghi lại quỹ đạo chuyển động của đầu cắt.
Kết quả cho thấy đầu cắt đã tạo ra các đường
thẳng như nhau sau nhiều lần cắt.

Hình 14. Vẽ 4 đường thẳng để tạo ra hình thoi

Nhiệm vụ này được thực hiện với bộ lập trình
quỹ đạo bậc 3 và được lặp lại nhiều lần. Các kết

của mô hình này thường được dùng phổ biến trên
các robot cắt Plasma, cắt bằng tia laser,... Ưu
điểm của mô hình này là kích thước nhỏ gọn và
khả năng tháo lắp dễ dàng. Điều này thuận tiện
cho việc phục vụ trong môi trường đào tạo hoặc
các phòng thí nghiệm.
Mô hình robot đã được thử nghiệm trong các
điều kiện thực và cho các kết quả khá tốt. Tuy
nhiên, các kết quả cần được kiểm tra thêm với các
quỹ đạo phức tạp hơn.
LỜI CẢM ƠN
Nhóm tác giả xin cảm ơn Học viện KTQS và
Trung tâm Công nghệ đã tài trợ cho nghiên cứu
này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Moharana B., Rakesh G., Bashishth K. K.
(2014). Optimazation and design of a lasercutting machine using Delta robot.
International Journal of Engineering Trends
and Technology (IJETT), vol. 10, no. 44, pp.
176-179.
[2]. Richard K. M. C. (1989). Industrial robot
handbook. Springer-Verlag US, ISBN 978-14684-6608-9, pp. 267-283.

[3]. Dan W. and Adam W. (2014). Integrating
ultrasonic cutting with high accuracy robotic
automatic fiber placement for production
flexibility. Report of SAMPLE Tecch, Seatle
WA.
[4]. Kjellbelrg F. (2012). Plasma cutting with
robots. The Fine Focus Company

ABSTRACT:
This paper presents the development of a
cutting robot model including 3D design, Matlab
simulation and experimental modeling. This robot
model is designed based on a TTT kinematic
structure, which is usually used for plasma cutting.

The robot model is built and tested under realistic
conditions to examine the system's operability.
The model is useful for training in universities.

Keywords: cutting robot, gantry structure, 3D design, Matlab simulation

Trang 273