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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2020

i


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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Phan Bùi Khôi
2. PGS.TS. Hoàng Vĩnh Sinh

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn sự chỉ dạy, sự tạo điều kiện
giúp đỡ quí báu của các quí thầy cô Bộ môn Gia công vật liệu và Dụng cụ công nghiệp,
Bộ môn Cơ học ứng dụng, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nơi
nghiên cứu sinh đã được học tập và nghiên cứu trong quá trình hoàn thành luận án.
Tiếp đến, nghiên cứu sinh xin cảm ơn các nhà khoa học, các bạn bè, đồng nghiệp
đã giúp đỡ, chỉ bảo, đóng góp ý kiến cho nghiên cứu sinh để nghiên cứu sinh hoàn
thành luận án của mình.
Luận án sẽ không thể hoàn thành nếu không có sự chỉ dạy, hướng dẫn tận tình, quý
giá của các thầy hướng dẫn. Sự hướng dẫn không biết mệt mỏi của các thầy đã giúp
nghiên cứu sinh vượt qua nhiều khó khăn, nhiều giới hạn để có thể hoàn thành luận
án. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phan Bùi Khôi,
PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh đã dành nhiều công sức hướng dẫn nghiên cứu sinh trong
suốt quá trình nghiên cứu.
Nghiên cứu sinh cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, đồng nghiệp
Trường Cao đẳng công trình đô thị, đã động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ
nghiên cứu trong quá trình nghiên cứu.
Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin dành sự biết ơn tới vợ, các con, bố, mẹ, những
người thân trong gia đình về sự động viên, sự chia sẻ, hi sinh lớn lao để nghiên cứu
sinh hoàn thành luận án.
Hà Nội, ngày
tháng năm 2020
NGHIÊN CỨU SINH

Hà Thanh Hải

ii


MỤC LỤC

2.2 Cơ sở thực hiện động học tạo hình của robot trong gia công ................... 28
2.2.1 Đặc trưng hình học của dụng cụ ......................................................... 28
2.2.2 Đặc trưng hình học của bề mặt gia công ............................................ 28
2.2.3 Phương pháp tam diện trùng theo ....................................................... 28
2.3 Động học và thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot .............................. 29
2.3.1 Động học robot gia công cơ khí ......................................................... 29
2.3.2 Giải bài toán động học ........................................................................ 33
iii


2.3.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu thao tác công nghệ ....... 36
2.4 Khảo sát một số bài toán cụ thể ................................................................ 39
Kết luận chương 2 ............................................................................................ 56
CHƯƠNG 3. ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG ........................................ 57
3.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot ............................ 57
3.1.1 Ma trận khối lượng suy rộng của hệ robot- bàn máy ......................... 58
3.1.2 Lực suy rộng của lực Coriolis và lực ly tâm ...................................... 59
3.1.3 Lực suy rộng của các lực có thế tác dụng lên robot ........................... 59
3.1.4 Lực suy rộng của của các lực không thế............................................. 59
3.1.5 Lực suy rộng của các lực dẫn động .................................................... 61
3.2 Các mô hính tính lực cắt ........................................................................... 63
3.3 Bài toán động lực học hệ robot – bàn máy khi gia công cơ khí ................ 66
3.4 Bài toán xác định phản lực liên kết tại các khớp ...................................... 67
3.5 Bài toán hiệu chỉnh tính toán lực cắt trong quá trình hệ robot – bàn máy
thực hiện gia công phay ........................................................................................ 68
3.6 Khảo sát một số bài toán cụ thể ................................................................ 70
Kết luận chương 3 ............................................................................................ 97
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN ROBOT TRONG GIA CÔNG............................................................. 99
4.1 Điều khiển hệ robot – bàn máy trong gia công cơ .................................. 100
4.1.1 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot khi gia công phay ..................... 100

v/ph
mm/rg
mm/vg
mm/ph
mm
mm
mm
độ

Fdttb

Tốc độ cắt chính
Đường kính dao phay
Số vòng quay của dao
Lượng chạy dao răng
Lượng chạy dao vòng
Lượng chạy dao phút
Chiều sâu cắt
Chiều sâu phay
Chiều rộng phay
Góc tiếp xúc
Số răng của dao phay
Chiều dày cắt
Chiều dày cắt nhỏ nhất
Chiều dày cắt lớn nhất
Chiều dày cắt trung bình
Góc tiếp xúc tức thời
Chiều rộng cắt
Góc nghiêng lưỡi cắt chính
góc nâng của lưỡi cắt chính


N
N
N
N
N
N
N
N/mm2
Nmm

v
D
n
Sz
Sv
Sph
h0
h
B

Z
a
amin
amax
atb
i
b



Fr,i
Fa,i
Kc
Ktc
Krc
Kac
Ke

Kte
Kre
Kae
Kt
Kr
Ka
Fxyz,tool
Ti(i)
(z)

i-1
Ai
AT

Góc vào dao
Góc dao ra
chiều dày của phoi cắt
chiều dày tĩnh do dao chuyển động
chiều dày động do dao rung động
Bán kính của dao phay
Góc vị trí của răng thứ i tham gia cắt
Chu kỳ chuyển động của răng

hướng của tọa độ Oixiyizi trong hệ tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1
Ma trận chuyển vị của ma trân A
vi

độ
độ
mm
mm
mm
mm
độ
độ
độ
N
N
N
N

N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm

N/mm
N/mm
N/mm
N/mm2
N/mm2
N/mm2
N

Góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục x’i
(x’i// xi)
Khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gốc tọa
độ Oi-1 chuyển đến Hi-1, giao điểm của trục xi và trục zi-1
Khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục xi để Hi-1
chuyến đến gốc tọa độ Oi
Góc quay quanh trục xi sao cho trục z’i-1 (z’i-1// zi-1) chuyển
đến trục zi
Phần tử ở hàng thứ i và cột thứ j của ma trận
Ma trận côsin chỉ hướng của hệ tọa độ Oixiyizi đối với hệ
tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1
Vector biểu diễn vị trí tọa độ của gốc Oi trong hệ tọa độ Oi1xi-1yi-1zi-1
Ma trận biểu diễn vị trí và hướng cho hệ tọa độ Oixiyizi
trong hệ tọa độ cơ sở O0x0y0z0
Ma trận côsin chỉ hướng của hệ tọa độ Oixiyizi đối với hệ
tọa độ cơ sở O0x0y0z0
Vector biểu diễn vị trí tọa độ của gốc Oi trong hệ tọa độ
O0x0y0z0
Hệ phương trình động học dạng ma trận
Vector định vị tọa độ thao tác của dụng cụ cắt
Vector tọa độ khớp
Vị trí của khớp i của robot
Vector vận tốc của dụng cụ cắt
Vector vận tốc tại các khớp của robot

p
q

Vector gia tốc của dụng cụ cắt
Vector gia tốc ở các khớp của robot

độ, rad
mm
mm
độ, rad

mm

m
rad, m
rad, m
m/s
rad/s,
m/s
m/s2
rad/s2,
m/s2

mm
m/s
mm


Ci

Thời gian gia công ứng với một hành trình Lj
Khoảng di chuyển bàn máy cần thực hiện theo phương j
Thời gian gia công
Ma trận biểu diễn vị trí và hướng của khâu i (hệ tọa độ
Cixciycizci) (i = 1,2,…,n) trong hệ tọa độ cơ sở O0x0y0z0
Ma trận cosin chỉ hướng của khâu i đối với hệ tọa độ cơ sở

i
ωi

JTi
JRi
ci

ci

 (q, q)

(k,l;j)

G q
gj
U

g
i
Q
Fc
Mc

s
mm
s

mm

kg


N
N


KP

Vector lực tác dụng tương hỗ của Fc lên đối tượng công
N
nghệ
Vector mô men tác dụng tương hỗ của Mc lên đối tượng
Nm
công nghệ
Vector lực suy rộng của Fc và Mc
Vector lực suy rộng của Fr và Mr
Vector xác định vị trí gốc OE (điểm cắt) ở trong hệ trục tọa
mm
độ cơ sở O0x0y0z0 theo chuỗi động học cấu trúc robot
Ma trận Jacobian tịnh tiến của dụng cụ cắt biểu diễn trong
hệ tọa độ cơ sở O0x0y0z0 theo chuỗi động học cấu trúc robot
Vector xác định vị trí gốc OE ở trong hệ trục tọa độ cơ sở
O0x0y0z0 theo chuỗi động học bàn máy robot
Ma trận Jacobian tịnh tiến của gốc OE theo chuỗi động học
bàn máy robot
Tỷ lệ - vi phân
Tỷ lệ - vi phân – tích phân
Luật điều khiển servo cho robot tác hợp
Vector sai lệch vị trí
rad, mm
Vector sai lệch vận tốc


r2E

J2T
PD
PID
u
e
e

e
qd
qd

pd

AL
AN
Z
DN
DL
(ei )

Âm lớn
Âm nhỏ
Zero
Dương nhỏ
Dương Lớn
Hàm thuộc của sai số vị trí khớp i


Bảng 2.13 Các ký hiệu khâu, các hệ tọa độ và thông số động học của robot- dụng cụ .... 52
Bảng 2.14 Các ký hiệu khâu, các hệ tọa độ và thông số động học của bàn máy - đồ gá.. 52
Bảng 2.15 Giá trị thông số động học của robot ................................................... 54
Bảng 2.16 Giá trị thông số của bàn máy.............................................................. 54
Bảng 2.17 Giá trị thông số dụng cụ và quá trình công nghệ [98], [24] ............... 54
Bảng 3.1 Thông số động lực học của hệ robot – bàn máy .................................. 71
Bảng 3.2 Thông số chi tiết, thông số công nghệ cho hai trường hợp .................. 82
Bảng 3.3 Thông số động lực học của robot ......................................................... 86
Bảng 3.4 Các hệ số lực cắt khi phay [24] ........................................................... 86
Bảng 3.5 Các thông số động học mở rộng của robot........................................... 90
Bảng 4.1 Biểu diễn các miền con vật lý, tập mờ và giá trị ngôn ngữ của tín hiệu vào ra .. 109
Bảng 4.2 Hệ luật cho bộ điều khiển mờ ............................................................ 110
Bảng 4.3 Miền giá trị vật lý của các tín hiệu vào ra .......................................... 124
Bảng 4.4 Giá trị thông số của đối tượng gia công và bàn máy.......................... 127
Bảng 4.5 Giá trị thông số dụng cụ và quá trình công nghệ ............................... 127
Bảng 4.6 Hệ số lực cắt trong gia công phay ...................................................... 127

x


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1 Ứng dụng robot có cấu trúc nối tiếp trong gia công cơ khí.................... 8
Hình 1.2 Các loại dao phay hay sử dụng để gia công phay các bề mặt trên robot [21].... 10
Hình 1.3 Hướng tiến dao khi phay cả thuận và nghịch ....................................... 11
Hình 1.4 Thông số động học khi phay ................................................................ 11
Hình 1.5 Góc tiếp xúc khi phay [22] ................................................................... 12
Hình 1.6 Chiều dày cắt, chiều rộng khi phay [22] .............................................. 13
Hình 1.7 Thành phần lực cắt phay bằng dao phay mặt đầu và dao phay ngón ... 16
Hình 1.8 Mô hình tính lực của dao phay ngón khi phay [24]  [26] .................. 17



Hình 3.11 Chi tiết và quỹ đạo đường chạy dao ................................................... 77
Hình 3.12 Quy luật chuyển động của dao trên đường dụng cụ C ....................... 77
Hình 3.13 Các lực cắt .......................................................................................... 77
Hình 3.14 Mô men dẫn động tại các khớp của robot .......................................... 78
Hình 3.15 Quy luật chuyển động của các khâu ................................................... 78
Hình 3.16 Chi tiết gia công và đường chạy dao .................................................. 79
Hình 3.17 Đường cong tạo hình .......................................................................... 80
Hình 3.18 Tọa độ thao tác .................................................................................. 80
Hình 3.19 Tọa độ khớp ........................................................................................ 80
Hình 3.20 Vận tốc khâu ....................................................................................... 80
Hình 3.21 Lực cắt gia công ................................................................................. 80
Hình 3.22 Lực dẫn động ...................................................................................... 81
Hình 3.23 Chi tiết gia công và đường chạy dao ................................................. 82
Hình 3.24 Đường cong tạo hình ......................................................................... 83
Hình 3.25 Tọa độ thao tác .................................................................................. 83
Hình 3.26 Tọa độ khớp ....................................................................................... 83
Hình 3.27 Vận tốc khâu ...................................................................................... 83
Hình 3.28 Lực cắt khi gia công ........................................................................... 83
Hình 3.29 Mô men dẫn động tại các khớp .......................................................... 84
Hình 3.30 Mô hình cấu trúc của hệ robot – bàn máy gia công phay................... 85
Hình 3.31 Chi tiết gia công mẫu khuôn đúc 2 và quy luật đường chạy dao ....... 85
Hình 3.32 Lực cắt gia công phay......................................................................... 86
Hình 3.33 Vị trí, vận tốc, gia tốc các khâu của robot .......................................... 87
Hình 3.34 Momen dẫn động tại các khớp của robot ........................................... 88
Hình 3.35 Quy luật chuyển động của các khâu (vị trí) từ tích phân phương trình chuyển động .. 88
Hình 3.36 Mô hình cấu trúc của hệ robot – bàn máy gia công cơ ...................... 89
Hình 3.37 Quỹ đạo chuyển động của mũi dao .................................................... 91
Hình 3.38 Vị trí các khâu của robot theo t .......................................................... 91

khuyên của chi tiết thân đế, khi lực cắt không đổi trong quá trình gia công ......... 115
Hình 4.17 Kết quả mô phỏng điều khiển gia công phay thân giữa bơm thủy lực 1
khi có sai lệch lực cắt trong quá trình gia công ...................................................... 117
Hình 4.18 Mô hình vật lý và động học hệ robot – bàn máy .............................. 117
Hình 4.19 Mô hình bộ điều khiển PD trong không gian thao tác ..................... 118
Hình 4.20 Kết quả điều khiển trong không gian thao tác .................................. 119
Hình 4.21 Kết quả mô phỏng ............................................................................ 122
Hình 4.22 Mô hình hệ robot – bàn máy 8 bậc tự do gia công phay ................. 122
Hình 4.23 Mô hình bộ điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngoài PD .... 124
Hình 4.24 Biểu diễn mô hình tổng thể bộ điều khiển mờ. ................................ 125
Hình 4.25 Biểu diễn cấu trúc khối điều khiển mờ vòng kép. ............................ 126
Hình 4.26 Chi tiết và đường dụng cụ gia công.................................................. 126
Hình 4.27 Dao phay ngón dùng cho robot gia công phay ................................. 126
Hình 4.28 Lực cắt tương ứng với với hai cách tính và lựa chọn các hệ số lực cắt.... 128
Hình 4.29 Sai lệch tọa độ khớp của bộ điều khiển PD1, PD2 ........................... 129
Hình 4.30 Sai lệch giữa quỹ đạo thao tác với quỹ đạo đặt là đường dụng cụ của bộ
điều khiển PD1, PD2 ............................................................................................. 129
Hình 4.31 Sai lệch tọa độ khớp của các bộ điều khiển PD1, PD2, Fuzzy ........ 130
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 ...................................................................................... 131
Hình 4.33 Quỹ đạo của điểm cắt của dụng cụ trong hệ tọa độ thao tác ............ 131
Hình 4.34 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ với sai lệch quỹ đạo ban đầu. 132

xiii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Robot đang ngày càng được ứng dụng nhiều trong gia công cơ khí do có nhiều ưu
điểm về kỹ thuật và kinh tế. Robot có nhiều bậc tự do, cấu trúc nhiều khâu, khớp, cho

gia công của robot. Từ các mô hình toán học cần xây dựng các giải thuật, thiết kế các
bộ điều khiển để điều khiển robot thực hiện chính xác các thao tác công nghệ. Các bộ
điều khiển áp dụng cho robot có thể là các bộ điều khiển truyền thống như bộ điều
khiển PD, PID, bộ điều khiển động học ngược, hoặc các bộ điều khiển hiện đại như
bộ điều khiển logic mờ, bộ điều khiển đại số gia tử, bộ điều khiển mạng nơ ron. Đối
với các ứng dụng của robot công nghiệp như vận chuyển, lắp ráp, sơn, hàn,…việc
ứng dụng các bộ điều khiển truyền thống có thể đáp ứng được yêu cầu do trong mô
hình động lực học của robot không có thành phần lực cắt bất định, và không có nhiễu
của quá trình gia công. Đối với robot gia công cơ, để áp dụng các bộ điều khiển truyền
1


thống cần phải đảm bảo mô hình động lực học chính xác, tức là phải đảm bảo xác
định các đại lượng động lực học chính xác, điều này là khó khăn, đặc biệt là xác định
chính xác lực cắt như đã nêu trên. Như vậy việc thiết kế bộ điều khiển cho robot gia
công cơ là một khó khăn lớn, áp dụng các bộ điều khiển truyền thống hoặc các bộ
điều khiển hiện đại cần đưa ra giải pháp khắc phục sự bất định của các đại lượng
trong phương trình động lực học và nhiễu khi gia công. Hơn nữa, để thực hiện được
các nhiệm vụ đã nêu, cần xây dựng các giải thuật, chương trình tính toán, mô phỏng
để giải quyết và kiểm nghiệm các kết quả của các bài toán.
Trong và ngoài nước, 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 robot vào gia công cơ vẫn cần tiếp tục nghiên cứu và giải quyết. Vì
vậy luận án chọn đề tài: “Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công
phay”. Luận án nghiên cứu và giải quyết các vấn đề khó khăn và thách thức đã nêu
ở trên. Đó là giải quyết về bản chất cơ học và điều khiển cho hệ thống robot trong gia
công cơ góp, phần giải quyết việc nâng cao khả năng gia công của robot. Luận án
thực hiện việc xây dựng mô hình toán học cho hệ thống robot gia công cơ tổng quát,
xây dựng các giải thuật điều khiển và thiết kế mô hình các bộ điều khiển với những
giải pháp khắc phục được tính bất định của các đại lượng trong phương trình động

mô phỏng số.
- Nghiên cứu lý thuyết về ứng dụng robot trong gia công cơ, khảo sát động lực học
robot khi gia công cơ, phương pháp thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot gia công
tạo hình bề mặt khi phay, các thuật toán điều khiển robot khi gia công phay.
- Phương pháp tính toán, thiếp lập mô hình toán học, giải thuật để giải các hệ
phương trình động học, động lực học nhờ máy tính. Giải thuật tính toán, hiệu chỉnh
lực điều khiển theo sự ảnh hưởng của lực cắt, sai lệch của lực cắt, giải thuật tính toán,
điều khiển cho robot trong gia công tạo hình dưới tác dụng của lực cắt.
- Phương pháp mô phỏng số cho phép đánh giá các kết quả tính toán lý thuyết.

4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: cung cấp cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế quĩ đạo cho hệ robot,
bàn máy có cấu trúc nối tiếp gia công tạo hình các bề mặt từ đơn giản đến 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.
Việc thêm các bậc tự do chuyển động ở bàn máy giúp mở rộng không gian làm
việc của robot, giúp robot gia công được các chi tiết có kích thước lớn, có các bề mặt
phức tạp với số nguyên công tối thiểu. Ngoài ra, các bậc tự do của bàn máy có thể sử
dụng để bù sai số cho robot trong quá trình gia công.

5. Những đóng góp mới của luận án
- Xây dựng mô hình toán học của hệ robot - bàn máy có cấu trúc dạng chuỗi tổng
quát dùng cho gia công cơ khí, làm cơ sở cho việc khảo sát, tính toán các bài toán áp

trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về thực trạng, xu hướng,
mức độ, tồn tại của các vấn đề đã và đang được giải quyết trong việc áp dụng
robot vào gia công cơ khí, từ đó luận án lựa chọn hướng nghiên cứu, vấn đề
nghiên cứu.
Chương 2 luận án trình bày cơ sở lý thuyết động học tạo hình của robot trong
gia công cơ, thiết lập mô hình động học tổng quát, thành lập và giải các bài
toán động học của robot, tìm ra mối quan hệ chuyển động động học của các
điểm, đường trên bề mặt gia công với các khâu khớp của robot. Tính toán, thiết
kế quỹ đạo cho robot gia công tạo hình bề mặt chi tiết. Áp dụng các kết quả của
bài toán động học khảo sát một số trường hợp gia công cụ thể. Các chương trình
tính toán, mô phỏng cũng được xây dựng để tính toán và hiển thị các kết quả
tính toán. Kết quả của việc giải bài toán động học của robot một mặt giúp xây
dựng cơ sở dữ liệu để tính toán thiết kế quĩ đạo gia công các bề mặt, một mặt
làm cơ sở để tính toán và giải bài toán động lực học, mặt khác đưa ra cơ sở
đánh giá sai số gia công khi có lực tác động của quá trình cắt.
Chương 3 trình bày một trong những trọng tâm nghiên cứu của luận án, đó
là việc xây dựng mô hình động lực học, thiết lập các phương trình vi phân
chuyển động cho mô hình tổng quát của robot gia công cơ. Việc tính toán các
đại lượng động lực trong phương trình động lực học, đặc biệt đại lượng lực cắt
bất định được khảo sát và trình bày một cách chi tiết. Việc tìm ra các qui luật
chuyển động động lực của robot giúp khảo sát và phân tích một cách chính xác
những yếu tố tác động chính dẫn đến sai số của robot, giúp tìm được qui luật
biến đổi của các lực gia công, các lực tác dụng tại khớp, các lực dẫn động tại
các khâu, khớp của robot trong mối tương quan với các thông số động học yêu
cầu. Trình bày đóng góp về một cách tiếp cận để tính các phản lực khớp động,
cũng như đưa ra một số đóng góp mới trong việc tính toán, hiệu chỉnh lực điều
khiển theo ảnh hưởng của lực cắt của quá trình gia công một cách gián tiếp,
thông qua phương trình động lực học mà không cần dùng đến các phương tiện
đo trực tiếp lực cắt tại đầu dao. Một số trường hợp áp dụng cụ thể cho mô hình
4

có liên quan, đưa ra những nhận xét khái quát về các vấn đề khoa học mà công trình
đã công bố, những vấn đề đã và đang cần tiếp tục giải quyết để nâng cao khả năng
ứng dụng gia công phay trên robot. Từ đó, trình bày các vấn đề nghiên cứu và giải
quyết của luận án.

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 có cấu trúc nối tiếp đã đạt được những thành tựu lớn trong
những thập kỷ qua, cho các ứng dụng phổ biến như hàn, sơn, vận chuyển, lắp ráp,
phục vụ cho các máy CNC, … Theo Hiệp hội Robot quốc tế, lượng sử dụng robot
công nghiệp ngày càng tăng mạnh, thống kê năm 2018 cho thấy lượng tiêu thu robot
công nghiệp trên thế giới từ năm 2015 đến năm 2017 tăng thêm khoảng 310,000 đơn
vị robot mỗi năm. Robot công nghiệp được sử dụng để vận chuyển và hàn chiếm
78,7%, trong khi lượng robot dùng để gia công cơ khí (tiện, phay, mài, đánh bóng…)
chiếm ít hơn 5% [1]. Gần đây với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sự cạnh tranh
gay gắt trong sản xuất sản phẩm, việc tăng tốc độ sản xuất và cải tiến sản phẩm, đòi
hỏi cần phải phát triển những phương pháp, những hình thức gia công mới. Một trong
những hình thức gia công mới có tiềm năng lớn đó là gia công trên robot công nghiệp
[2]. Từ năm 2011 - 2012 lượng dùng robot nghiệp trên thế giới để gia công mài và
phay đã tăng lên 41% [1].
Việc ứng dụng robot gia công cơ khí (tiện, phay, mài, đánh bóng, mài, cắt bằng tia
nước, tia laser…) đã và đang được nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới,
đặc biệt ở những nước công nghiệp phát triển [2]  [7]. Một trong những dự án lớn
về nghiên cứu áp dụng gia công cơ khí trên robot hiện nay là COMET, đây là một dự
án được đồng tài trợ bởi Ủy ban châu Âu, thuộc chương trình khôi phục kinh tế châu
Âu, với sự kết hợp của công ty Delcam và 13 trung tâm nghiên cứu trên 8 nước châu
Âu [8], [9]. Hiện nay, độ chính xác vị trí lặp lại của các robot công nghiệp có cấu trúc
nối tiếp, có 6 bậc tự do là khoảng 0.01 mm [10]. Đối với ứng dụng gia công cắt gọt
các loại vật liệu cứng như nhôm hợp kim, thép, độ chính xác gia công của robot đạt
được trong khoảng 0.3 mm [11]. Với sự hỗ trợ của các thiết bị bù sai số trực tiếp độ

nhân làm bằng tay, dựa trên kỹ năng và kinh nghiệm của họ, nhưng việc thực hiện
này dẫn đến giá thành cao, tốn thời gian, dùng nhiều sức lao động và dễ xảy ra sai
hỏng. Trong khi đó robot công nghiệp với sự linh hoạt, không gian gia công lớn, cộng
với kĩ thuật gia công tốc độ cao sử dụng cho gia công các công đoạn cuối và tạo mẫu
không những làm tăng độ chính xác, tăng năng suất, giảm giá thành các sản phẩm gia
công, mà còn có thể gia công được những chi tiết phức tạp, yêu cầu cao mà công nhân
không thể thực hiện được.
Nhờ những ưu thế trên, robot đã và đang được tăng khả năng ứng dụng để gia công
các sản phẩm đa dạng, phong phú, từ đơn giản đến phức tạp, từ yêu cầu chính xác
vừa phải đến độ chính xác cao. Đầu tiên, đối với gia công các công giai đoạn cuối,
robot công nghiệp được sử dụng để khoan, ta rô, vát mép, cắt tỉa và mài ba via của
các chi tiết như ba via các bánh răng sau khi phay răng, xọc răng, ba via của chi tiết
hàn, ba via của các vật đúc, phay hoặc mài tạo đường viền cho các chi tiết (Hình
1.1a,b,c). Trong công nghệ tạo mẫu, robot công nghiệp phay tạo hình hiệu quả cao từ
vật liệu phi kim loại như gỗ, nhựa, xốp, đến các vật liệu kim loại có độ cứng thấp như
nhôm, đồng, đặc biệt là những mẫu có kích thước lớn và hình dạng phức tạp (Hình
1.1d). Trong công nghiệp hàng không, robot được sử dụng để khoan, phay rãnh các
chi tiết nhôm có kích thước lớn, cắt tỉa các chi tiết làm từ sợi các bon (Hình 1.1e).
Ngoài ra, robot công nghiệp còn ứng dụng cho gia công cắt bằng tia nước hoặc tia
7


laser đối với những vật liệu có độ cứng cao như thép các bon, thép hợp kim [2], [3]
 [7]. Ứng dụng quan trọng mà hiện nay các nhà khoa học, các công ty, tổ chức đang
tập trung nghiên cứu phát triển đó là ứng dụng gia công phay bề mặt các loại vật liệu
có độ cứng vừa đến cao như nhôm hợp kim, thép trên robot công nghiệp (đặc biệt là
robot cấu trúc nối tiếp) (Hình 1.1f).

a. Robot đang bắn đinh tán vỏ máy bay [13]


cắt sinh ra khi dụng cụ cắt tác dụng lên chi tiết gia công. Lực cắt phụ thuộc nhiều yếu
tố như vật liệu, tốc độ cắt, chiều dày lớp cắt, chiều sâu cắt,… Thông thường việc xác
định lực cắt được thực hiện theo công thức thực nghiệm trong các sổ tay kỹ thuật,
nhưng sẽ có sai số không nhỏ dẫn đến sai lệch dẫn động và điều khiển chuyển động
của robot.
Với cấu trúc dạng chuỗi, độ cứng vững của robot thấp hơn so với các máy công
cụ, máy CNC, nên dưới tác dụng của lực cắt có thể dẫn đến sai lệch lớn do biến dạng
và dao động trong quá trình gia công. Đặc biệt do sự không đồng nhất về vật liệu,
chiều sâu cắt, lưỡi cắt gồm các răng cắt hoặc cạnh cắt không liên tục nên lực cắt
thường xuyên biến đổi dẫn đến xuất hiện dao động làm ảnh hưởng độ chính xác gia
công [8], [19], [20]. Kể cả trường hợp nếu giá trị lực cắt được cho là không thay đổi
thì chiều và hướng của véc tơ lực cắt cùng luôn thay đổi trong quá trình dụng cụ cắt
chuyển động gia công tạo hình theo đường dụng cụ trên bề mặt chi tiết.
Ngoài ra, việc giải quyết các thuật toán tính toán trong chương trình gia công của
robot để có áp dụng thuận lợi cũng là một khó khăn. Chương trình gia công cần tính
đến khả năng gia công phù hợp với hệ thống động học, động lực học và điều khiển
của robot để tránh các va chạm, tránh cắt lẹm, tránh các điểm kỳ dị, đảm bảo vùng
gia công, các tư thế gia công trong không gian thao tác của robot…[11]. Để xây dựng
được chương trình gia công cho robot thì cần nghiên cứu nhiều bài toán, tìm các giải
thuật tính toán cho phép lập trình thuận lợi để giải quyết các bài toán về động học,
động lực học, nội suy quỹ đạo chuyển động thao tác, điều khiển…. Với robot, các bài
toán đó phức tạp hơn nhiều so với máy CNC, do cấu trúc động học của robot phức
tạp hơn các máy CNC. Nghiên cứu các giải thuật để giải các bài toán đó làm cơ sở
hướng tới tạo được các phần mềm gia công hiệu quả để áp dụng cho robot vẫn là
hướng nghiên cứu mở
Tuy có những khó khăn, thách thức như trên nhưng bởi những ưu thế và tiềm năng
lớn nên việc áp dụng robot trong gia công cơ khí đã và đang được tập trung nghiên
cứu, ứng dụng rộng rãi.
Luận án nghiên cứu và giải quyết những vần đề trong các vấn đề đã nêu trên. Đó
là việc khảo sát động học đưa ra phương pháp thiết kế quĩ đạo gia công tạo hình các


a.

b.

c.

d.

e.

Hình 1.2 Các loại dao phay hay sử dụng để gia công phay các bề mặt trên robot [21]
a. Dao phay ngón đầu phẳng, b. Dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn, c. Dao phay
ngón đầu cầu, d. Dao phay ngón đầu côn cầu, e. Dao phay mặt đầu

Dụng cụ để gia công phay các bề mặt không gian của chi tiết trên hệ robot – bàn
máy là các loại dao phay ngón. Tùy thuộc vào hình dáng hình học của bề mặt cần gia
công phay mà chọn loại dao có hình dáng hình học phù hợp để khi gia công đảm bảo
lấy đi lượng dư phù hợp, chất lượng bề mặt tốt nhất và năng suất cao nhất. Dụng cụ
thường được sử dụng để gia công phay các bề mặt không gian trên hệ robot - bàn máy
là dao phay ngón đầu phẳng, dao phay ngón đầu phẳng có góc lượn, dao phay ngón
10