Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Mô hình hoá cơ hệ tay máy song song và xây dựng trung tâm gia công trên

máy phay CNC 5 trục ảo

Modeling of parallel manipulator system and building of machining center on

the CNC-5 axis milling machine

Lê Hoài Quốc*, Nguyễn Minh Thạnh

#

* Sở Khoa học và Công nghệ TP. Hồ Chí Minh

# Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh

Email: quoclehoai@tphcm.gov.vn, minhthanhnguyen@vnn.vn

Tóm tắt Bài báo đề xuất cơ sở tính toán và xác định các thông

số động học, động lực học và mô hình hoá phục vụ

cho điều khiển tay máy song song Stewart-Gough

Platform (Hexapod), trong đó đã giải quyết mối quan

hệ vận tốc, gia tốc giữa tấm chuyển động với các chân

trong các ứng dụng; quan hệ giữa ngoại lực tác động

trên tấm chuyển động với lực tác động trên các chân

của cơ hệ.

Dựa trên cơ sở đó, một cơ hệ tay máy robot song song

sáu chân (Hexapod) dựa trên nguyên lý Gough –

Stewart Platform được xây dựng cho mục đích hình

thành một trung tâm gia công trên máy phay CNC 5

trục ảo. Bàn máy (mang phôi) được vận hành bởi

Hexapod có các chân được điều khiển bởi động cơ

tuyến tính.

Hệ thống Hexapod-CNC đã được sử dụng để gia công

các mẫu kim loại. Hệ thống có các thông số kỹ thuật:

không gian hoạt động (X/Y/Z): 440/440/380mm, ±28o

quanh trục A/B; số vòng quay trục chính 0:5000

vòng/phút; độ chính xác định vị: ±0,035m, độ chính

xác lặp lại: ±0,15m. Hệ thống có bộ điều khiển tích

hợp PC-based với phần mềm điều khiển hoạt động gia

công tạo hình theo chuẩn IEA (G&M code) tương

thích với các phần mềm CAD/CAM chuẩn.

Abstract This paper studies on the basis of computation and

determining the parameters of kinematic, dynamics

and modeling for the control parallel manipulator in

the form Stewart-Gough Platform (Hexapod), which

resolved relations velocity, acceleration between the

moving platform with the legs in the application; and

relationship between external forces acting on the

moving platform with forces on the legs of the

system.

On that basis, a system of parallel robot manipulator

system with six legs (hexapod) based on the principle

Gough - Stewart Platform is built for the purpose of

forming a machining center on the CNC-5 axis

milling machine on the virtual. Table (the pleura) is

operated by the hexapod has the legs are driven by

linear motors.

Hexapod-CNC system used for processing the metal

form. The system has the specifications: Workspace

(X/Y/Z): 440/440/380mm, ± 28º around the axis A/B;

0:5000rpm spindle revolutions/min; accuracy

positioning: ± 0.035m, repeat accuracy specified: ±

0.15m. The system controller with integrated PC-

based control software the processing of visual

standard IEA (G&M code) compatible with

CAD/CAM standards.

1. Phần mở đầu Tay máy song song là một cấu trúc gồm nhiều chuỗi

động kín với một nhóm các trục và cơ cấu tác động

cuối mắc song song nhau. Do hình thành từ những

chuỗi động kín (closed–loop mechanism) gồm nhiều

chuỗi động nối tiếp (serial kinematics chains) cùng

nối với khâu chấp hành (moving platform) và nền

(base) như vậy sẽ làm tăng độ cứng vững cao, tốc độ

tác động cao, độ chính xác cao và tải trọng lớn hơn

hẳn các loại tay máy nối tiếp [1-13].

Qua tổng hợp những tài liệu đã công bố các kết quả

nghiên cứu và triển khai trong nước hiện nay về robot

song song [14], có thể thấy chưa có đơn vị nào giải

quyết những vấn đề rất cơ bản và quan trọng trong

tính toán thiết kế hệ thống, xác định các thông số cấu

trúc và động học tối ưu cho hệ thống, trong mối liên

quan đến các vấn đề gia công tạo hình, nơi cần sự

điều khiển hoạt động phối hợp của các trục (6 trục)

tạo chuyển động cho bàn máy (hoặc dụng cụ cắt).

Phân tích những công trình nghiên cứu ngoài nước có

liên quan [14], những vấn đề mang tính thực tiễn cao

nằm ở các phương pháp tính toán cấu trúc tối ưu, mô

hình động lực học có tính đến ma sát và độ cứng vững

của hệ thống, độ chính xác và xử lý thời gian thực cho

mô hình bài toán động lực học ngược, nhận dạng

chính xác các thông số của mô hình và kiến trúc điều

khiển xấp xỉ trên cơ sở kết hợp hai mô hình điều

khiển gồm điều khiển feedback và điều khiển

feedforward với bộ lặp giúp giảm thiểu ảnh hưởng

của nhiễu là những vấn đề cần phải được quan tâm

giải quyết.

Trên cơ sở những phân tích nêu trên, công trình này

thực hiện cơ bản việc xây dựng được cơ hệ tay máy

song song Stewart-Gough Platform (Hexapod) phục

vụ gia công cắt gọt – hướng tới xây dựng một trung

tâm gia công trên máy phay CNC 5 trục ảo [14].

200

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Nội dung bài báo gồm việc tính toán động học, động

lực học cơ cấu, lực quán tính và lực ứng dụng

(applied force), mô phỏng động lực học, mô phỏng

quá trình gia công, xây dựng phần mềm đọc và biên

dịch lệnh điều khiển và cuối cùng là ứng dụng chúng

trên hệ thống Hexapod + CNC 5 trục ảo.

2. Phân tích động học cơ cấu Bài toán xác định các thông số động học phục vụ cho

điều khiển bao gồm việc xác định mối quan hệ vận

tốc, gia tốc giữa tấm chuyển động với các chân trong

trường hợp ứng dụng.

Để thực hiện điều đó, các thông số động học của cơ

cấu song song (xem hình H.1) được xác định như sau:

các đỉnh của tấm dịch chuyển được định nghĩa bởi sáu

vector tứng ứng hệ tọa độ dịch chuyển (P), và bệ được

gắn với hệ tọa độ cố định (B). Ngoài ra, một hệ tọa độ

C(xi, yi, zi) được gắn với mỗi chân (thứ i) và gốc tọa

độ định vị tại điểm Bi của dẫn động i, trục zi được xác

định từ điểm Bi đến Pi, trục yi song song tích đường

chéo của hai vectơ đơn vị được định nghĩa dọc theo

trục zi và trục z, và trục xi được xác định bằng qui tắc

bàn tay phải.

H. 1 Cơ cấu song song

Ma trận xoay được xác định bởi các phép quay góc

(roll-pitch-yaw) của khâu ra được xác định:

0

0

0

0 0 0 1

c c c s s s c c s c s s

s c s s s c c s s c c sR

s c s c c

(1)

với c = cos , s = sin .

Vận tốc góc của tấm dịch chuyển được xác định:

. . .

, , ;

T

p

(2)

và gia tốc góc của tấm dịch chuyển là:

. .. .. ..

, , ;

T

(3)

Theo đó, vị trí, vận tốc và gia tốc của các chân nhận

được từ vị trí, vận tốc và gia tốc của tấm dịch chuyển.

2.1 Phân tích vị trí

Phương trình vectơ vòng trên mỗi chân có thể viết

như sau:

bi + Lisi = p + pi; i = 1,...,6 (4)

trong đó:

bi = [bxi, byi, bzi]T là vectơ vị trí của điểm Bi trong

hệ tọa độ B;

pi = [pxi, pyi, pzi]T là vectơ vị trí của điểm Pi trong

hệ tọa độ P;

Li là chiều dài của chân thứ i;

si là vectơ đểm từ Bi tới Pi;

p = [px, py, pz]T là vectơ vị trí của tâm khâu ra;

Từ (4), ta có:

si = (p + pi – bi)/Li (5)

trong đó:

Li = || p + pi – bi || (6)

H. 2 Góc Euler của một chân

Giả sử, mỗi chân được nối với nền bằng khớp Các

đăng, góc hướng của nó có mối quan hệ đến nền

thuận tiện có thể mô tả bởi hai góc Euler. Hệ tọa độ

(xem hình H.2) được định vị tại chân thứ i có thể đưa

ra bởi góc i quanh trục zi trong hệ (x’i, y’i, z’i) và một

góc quay khác là i quanh trục y’i. Theo định nghĩa

này, ma trận quay BRi (ma trận quay của khâu trong hệ

tọa độ i đối với hệ tọa độ B) của chân thứ i có thể viết:

0

i i i i i

B

i i i i i i

i i

c c s c s

s c c s s

s c

R

(7)

với c = cos , s = sin .

Cột thứ ba của phương trình (7) thể hiện vectơ si:

i i

i i i

i

c s

s s s

c

(8)

Giải phương trình (8) theo i và i ta tìm được:

c = szi;

2 2

; (0 );i xi yi

s s s (9)

x

xi xi’

y

yi yi’

zi zi

’

z

i

i

Bi

Pi

P3 Pi

P1

B5 B6

B1 B1

Bi B3

B4

P6 P5

P4

Li

P

p

bi

pi

Khớp Các đăng

Khớp lăng trụ

Khớp cầu

Z

O x

y zi

xi yi

201

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

si = syi / si;

ci = sxi / si;

trong đó sxi, syi, szi là thành phần x, y và z của si.

Từ phương trình (5) và (9) chúng ta xác định được

hướng và góc Euler của chân thứ i trong hệ tọa độ

dịch chuyển liên quan.

Tiếp theo, chúng ta tiến hành khảo sát trên từng chân

của cơ cấu song song. Quan sát trên hình H.3, trên

mỗi chân bao gồm một xy lanh (khâu 1) và một piston

(khâu 2). Chúng ta đặt e1 là khoảng cách từ Bi đến tâm

của xy lanh, và e2 là khoảng cách từ Pi đến tâm của

piston của chân thứ i. Như vậy, tâm khối lượng của xy

lanh và piston là:

r1i = bi + e1si; (10)

r2i = bi + (Li – e2)si; (11)

trong đó rji vectơ vị trí của vật thể (mass) của khâu

thứ j trong chân thứ i, (j = 1, 2) và (i = 1,...,6).

H. 3 Các thông số xác định trên chân thứ i của cơ cấu

2.2 Phân tích vận tốc

Vận tốc của tâm khớp cầu, Pi, được tìm thấy bằng

cách đạo hàm theo thời gian vế phải của phương trình

(4):

;pi p p iv v p (12)

trong đó:

vpi là vận tốc của tâm khớp cầu Pi;

vp là vận tốc của (khối lượng) tâm khâu ra P của

tấm dịch chuyển;

vji là vận tốc của vật thể (mass) của khâu thứ j

trong chân thứ i;

p là vận tốc góc của tấm dịch chuyển;

g là vectơ trọng lực;

mi là khối lượng của khâu i;

mp là khối lượng của tấm dịch chuyển;

Từ phương trình (12), ta tiến hành biến đổi vpi trong

hệ tọa độ của chân thứ i:

;i i

B pipi R vv (13)

trong đó , , ,, ,

i i i

pi x pi y pi z

i

pi v v vv là vận tốc

của Bi thể hiện trong hệ tọa độ của chân thứ i, và

;T

i

i B

BR R

Vận tốc của Pi cũng có thể thể hiện theo dạng của vận

tốc góc của chân thứ i bằng cách đạo hàm theo thời

gian vế trái của phương trình (4):

;i i i

i i i i i

i

pi s L sv L (14)

trong đó i là vận tốc góc của chân thứ i;

Dot multiplying (.) bên trong phương trình (14) theo isi:

, ;i

i

pi zL v (15)

Khi đó, chân thứ i sẽ không quay dọc trục của nó,

0T

i is .

Cross multiplying () bên trong phương trình (14)

theo isi:

,

,

1 1;

0

i

pi y

i i i i

i i pi pi x

i i

v

s v vL L

(16)

Từ phương trình (15) chúng ta xác định được vận tốc

tuyến tính của piston quan hệ đến xy lanh, trong khi

đó phương trình (16) xác định được vận tốc góc của

chân thứ i. Vận tốc tuyến tính iL và vận tốc góc i

i

đã được xác định, vì vậy vận tốc của tâm của xy lanh

và piston sẽ được tìm thấy bằng cách lấy vi phân

phương trình (10) và (11):

,

1

1 1 ,;

0

i

pi x

i i i i

i i i pi y

i

ve

v e s vL

(17)

và

2 ,.

2 2 2 ,

,

( )1

( ) ( ) ;

i

i pi x

i i i i i

i i i i i i i pi y

i i

i pi z

L e v

v L e s L s L e vL

L v

(18)

2.3 Phân tích gia tốc

Gia tốc của điểm Pi được tìm thấy bằng cách đạo hàm

theo thời gian phương trình (12):

;p ppi p p i iv v p p (19)

Thể hiện piv trong hệ tọa độ của chân thứ i:

;i i

pi B piv R v (20)

Gia tốc của điểm Pi cũng có thể thể hiện theo dạng gia

tốc gốc của chân thứ i bằng cách đạo hàm theo thời

gian phương trình (14):

2 ;i i i i i i i i i

pi i i i i i i i i i i i iv L s s s L sL L (21)

Dot multiplying (.) bên trong phương trình (21) theo isi:

2 2 2

, , ,/ ;i i i i i

ii pi i i pi z pi x pi y iL v v v v LL (22)

e1

x

y

z

O

Pi

Bi

Li

e1

e2

m1g

m2g r2i

r1i

202

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Khi đó, chân thứ i sẽ không quay dọc trục của nó,

, 0i

i z . Cross multiplying () bên trong phương

trình (21) theo isi:

.

1 2 ii i i i

i i pi i

i i

s vL L

L

, , ,

, , ,2

21

2 ;

0

i i i

i pi y pi z pi y

i i i

i pi x pi z pi x

i

L v v v

L v v vL

(23)

Từ phương trình (22) chúng ta xác định được gia tốc

tuyến tính của piston quan hệ đến xy lanh, trong khi

đó phương trình (23) xác định được vận tốc góc của

chân thứ i. Gia tốc tuyến tính iL và vận tốc góc i

i

đã được xác định, vì vậy gia tốc của tâm của xy lanh

và piston sẽ được tìm thấy bằng cách lấy vi phân

phương trình (17) và (18):

1 1 1

i i i i i i

i i i i i iv e s e s

, , ,

1

, , ,2

2 2

, ,

2

2 ;

i i i

i pi x pi z pi x

i i i

i pi y pi z pi x

i i i

pi x pi y

L v v ve

L v v vL

v v

(24)

và

2 2 2

( ) ( ) 2i i i i i i i i i

i i i i i i i i i i i i iv L s L e s L e s L s

2 , 2 , ,

2 , 2 , ,2

2 2 2

, 2 , ,

( ) 21

( ) 2

i i i

i i pi x pi z pi x

i i i

i i pi y pi z pi y

i i i i

i pi z pi x pi y

L L e v e v v

L L e v e v vL

L v e v v

(25)

3. Lực quán tính và lực ứng dụng Giả sử lực hấp dẫn là lực duy nhất tác dụng lên tay

máy. Tổng vectơ của lực (wrench) ứng dụng và lực

quán tính được dùng tại tâm khối lượng của tấm dịch

chuyển là:

ˆˆ ;

ˆ

e p p pp

B Bp

c p p p p pp

f m g m vfF

n I In

(26)

Trong đó fe và ne là lực mở rộng và momen mở rộng

được dùng tại tâm khối lượng của tấm dịch chuyển,

và B B P P

p P p BI R I R là ma trận quán tính của

tấm dịch chuyển đặt lên tâm của tấm dịch chuyển và

được thể hiện trong hệ tọa độ cố định B.

Tổng vectơ của lực mở rộng và quán tính được dùng

tại tâm khối lượng của xy lanh và piston thể hiện

trong hệ tọa độ khâu i được đưa ra:

1 1 11

1

1 11

ˆˆ ;

ˆ

i

i B i iii

i i i i i i

i i i i ii

m R g m vfF

I In

(27)

2 2 22

2

2 22

ˆˆ ;

ˆ

i

i B i iii

i i i i i i

i i i i ii

m R g m vfF

I In

(28)

trong đó: kIi: ma trận quán tính của khâu i trên tâm khối

lượng của nó và thể hiện trong hệ tọa độ k;

fi: kết quả lực (loại trừ lực dẫn động) đặt tại tâm

khối lượng của khâu thứ i;

f*i: lực quán tính đặt tại tâm khối lượng của khâu

thứ i, *

i i if m v ;

*ˆ :i i if f f ;ˆ

jif : kết quả lực ứng dụng và lực

quán tính đặt tại tâm khối lượng của khâu thứ j

của chân thứ i;

fp: kết quả lực đặt tại tâm khối lượng của tấm dịch

chuyển;

f*p: lực quán tính đặt tại tâm khối lượng của tấm

dịch chuyển, *

p p pf m v ;

*ˆ :p p pf f f : kết quả lực ứng dụng và lực quán

tính tâm khối lượng của tấm dịch chuyển;

ni: kết quả momen (loại trừ momen xoắn dẫn

động) đặt tại tâm khối lượng của khâu i;

n*i: momen quán tính đặt tại tâm khối lượng của

khâu thứ i, * i i i i i

i i i i i in I I ;

*ˆ :i i in n n : kết quả momen ứng dụng và

momen quán tính tâm khối lượng khâu thứ i;

np: kết quả momen đặt tại tâm khối lượng của tấm

dịch chuyển;

n*p: momen quán tính đặt tại tâm khối lượng của

tấm dịch chuyển, *

p p p p p pn I I ;

*ˆ :p p pn n n : kết quả momen ứng dụng và

momen quán tính tâm khối lượng của tấm dịch

chuyển;

ˆjin : kết quả momen ứng dụng và momen quán

tính đặt tại tâm khối lượng của khâu thứ j của chân

thứ i;

q: vectơ của chiều dài chân dẫn động, q = [L1, L2,

L3, L4, L5, L6]T;

Điều này cho thấy tính đối xứng của hệ tọa độ

được chọn, ma trận quán tính của tấm dịch chuyển và

sáu chân tất cả là ma trận chéo.

4. Mô phỏng động lực học cơ cấu 4.1 Động lực học cơ cấu

Để thiết kế một hệ thống có chức năng hoạt động cao,

đề xuất một phương pháp điều khiển hệ thống là một

việc hết sức cần thiết. Tuy nhiên để điều khiển tốt một

thống Stewart-Gough Platform là rất phức tạp, bởi vì

trong hệ thống động lực học tồn tại tính chất phi tuyến

cao và động học phức tạp. Trường hợp tổng quát,

203

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

phương trình động lực học [8] của cơ hệ Stewart-

Gough Platform được viết như sau:

( ) ( , ) ( )T

gH q q C q q q q J (29)

trong đó:

( )H q là ma trận momen quán tính (n × n), và

( )H q là ma trận đối xứng và xác định dương với

mọi 6

q R ;

( , )C q q là vectơ thể hiện các lực quán tính ty tâm

và Coriolis;

( )g q là vectơ (n × 1) thể hiện momen xoắn tạo

ra bởi trọng lượng của cơ hệ và là vectơ (n×1)

thể hiện momen xoắn tại điểm thuộc khâu tác

động cuối (tạo bởi lực tác động).

q = [xp, yp, zp, x, y, z]T

;

Các thông số trong phương trình động lực học được

xác định trong [8].

4.2 Chương trình tính toán và mô phỏng động học

và động lực học

Thuật toán và chương trình tính toán, mô phỏng được

thực hiện bởi gói phần mềm Matlab dựa trên phân

tích động lực học cơ cấu ở phần trên. Chương trình

tính toán mô phỏng được thực hiện theo ba bước:

Bước 1: Định nghĩa các thông số động học và những

biểu thức toán học xác định những ràng buộc của cơ

cấu song song bằng chương trình tối ưu hóa. Những

thông số đưa ra nhằm ước lượng chiều dài của các

chân và minh họa cơ cấu song song bằng hình ảnh

phối cảnh.

Bước 2: Tiến hành khảo sát bài toán động lực học cơ

cấu khi cho biết vị trí tức thời của điểm tác động cuối

cũng như các thông số khác (vận tốc, lực, moment tác

động) thì kết quả chiều dài, vận tốc và lực tác động

của các chân sẽ được xác định.

Bước 3: Mô phỏng chuyển động của cơ cấu từ điểm

hiện tại đến điểm đích cho trước. Các thông số như

vận tốc, lực tác động lên các chân được cập nhật liên

tục theo sự thay đổi vị trí của tấm dịch chuyển (xem

hình H.4).

H. 4 Mô phỏng chuyển động của cơ cấu song song

Các kết quả phân tích động lực học được thể hiện dựa

trên phương trình Lagrange loại II. Động lực học cơ

hệ tay máy song song – Hexapod dưới tác động của

lực công tác đã được mô phỏng đầy đủ. Chuyển động

của cơ cấu song song từ điểm hiện tại đến điểm đích

cho trước được mô tả bằng hình ảnh trực quan. Các

thông số như vận tốc và lực tác động lên các chân sẽ

được cập nhật liên tục theo sự thay đổi vị trí của tấm

dịch chuyển.

5. Mô phỏng quá trình gia công của cơ hệ Kết quả mô phỏng quá trình gia công được thực hiện

trên phần mềm Solidworks giúp chúng ta có sự liên

tưởng một cách trực quan về quá trình gia công trên

máy phay CNC 5 trục có mang Hexapod. Ở đây trung

tâm gia công gồm có hai bộ phận chính là: máy phay

và Hexapod.

Giả sử phôi dùng để gia công có hình dạng như hình

H.5, với chiều dài 300 mm, chiều rộng 180 mm, chiều

cao 50 mm.

Để thuận tiện cho quá trình ràng buộc mô phỏng,

chúng ta tiến hành gia công bề mặt lượn sóng với

những đường gân song song với phương gia công

cách nhau 10 mm bằng với đường kính dụng cụ cắt là

dao phay ngón, trụ.

H. 5 Mẫu phôi

Sau khi đã chuẩn bị phôi được ràng buộc cố định phôi

lên bàn máy như hình H.6.

H. 6 Phôi được giá trên bàn máy

Tiếp theo ta tiến hành ràng buộc dao với phôi. Dụng

cụ cắt ở đây sử dụng là dao phay ngón, nên trong quá

trình gia công trục dao luôn vuông góc với bề mặt gia

công tại vị trí tiếp xúc giữa dao và phôi. Để khi gia

công dao luôn vuông góc với bề mặt gia công giống

như trong thực tế chúng ta tạo một tam giác đều ngay

trên mặt đầu của dao và tâm tam giác trùng với tâm

dao. Sau đó chúng ta ràng buộc ba đỉnh của tam giác

với bề mặt gia công và gán tiếp xúc của cán dao với

gân đã tạo trên bề mặt phôi, như vậy là quá trình ràng

buộc dao với phôi đã hoàn tất.

Trong trường hợp này, chỉ dịch chuyển bàn máy theo

một phương nhất định là có thể gia công được phôi

204

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

này. Nên chúng ta ràng buộc cho mặt bên của phôi

song song với một mặt cố định (ở đây chọn mặt trước

của máy phay).

Để ghi lại quá trình mô phỏng gia công bề mặt, nhấp

con trỏ vào Motion Study ở cuối màn hình, sau đó gán

động cơ và điều khiển giản đồ thời gian để được phim

mô phỏng theo mong muốn (xem hình H.7).

H. 7 Mô phỏng quá trình gia công bề mặt

6. Thiết kế phần mềm đọc và biên dịch

các lệnh điều khiển trên máy phay

CNC 5 trục ở dạng mã lệnh G&M

code Sản phẩm kết quả là phần mềm chuyên dụng đã được

kiểm nghiệm qua thực tế đọc trực tiếp chương trình

gia công từ phần mềm chuyên dùng cho máy phay 5

trục PowerMill hoặc DelCAM đang được sử dụng cho

máy phay 5 trục HAAS để gia công trên máy phay 5

trục ảo – trên cơ sở robot song song (Hexapod). Mã

nguồn của chương trình phần mềm được cho trong

[14]. Giao diện của phần mềm điều khiển được trình

bày như hình H.8.

H. 8 Giao diện của phần mềm điều khiển 5.2

7. Hệ thống máy phay CNC 5 trục ảo với

Robot song song - Hexapod Trên hình H.9 giới thiệu cấu trúc và hệ thống điều

khiển toàn máy. Để đưa hệ thống vào sử dụng, mốt số

vấn đề đã được thực hiện: xây dựng quy trình thử

nghiệm từng phần các hoạt động chức năng và thử

nghiệm phối hợp các chức năng trên máy, kết nối máy

phay CNC 5 trục hiện có, thiết kế chế tạo bổ sung đồ

gá thử nghiệm, Xây dựng phần mềm điều khiển gia

công kết hợp với PC, xây dựng quy trình thử nghiệm

robot song song – Hexapod trên cơ sở tham chiếu với

máy phay CNC 5 trục đã được thực hiện.

Quá trình thử nghiệm chức năng hoạt động tạo hình

các bề mặt phức tạp của hệ thống và đối chiếu kết quả

về khả năng gia công tạo hình bề mặt phức tạp với sản

phẩm gia công (cùng một chương trình xuất ra từ

phần mềm DELCAM) trên máy phay 5 trục đã được

thực hiện ở Trung tâm NEPTECH thuộc Sở Khoa học

và công nghệ TP. HCM và Trung tâm nghiên cứu và

triển khai công nghệ cao – ĐHBK Hà Nội. Kết quả

gia công thử nghiệm [14] cho thấy Hệ thống có các

thông số kỹ thuật: không gian hoạt động (X/Y/Z):

440/440/380mm, ±28o quanh trục A/B; số vòng quay

trục chính 0:5000 vòng/phút; độ chính xác định vị:

±0,035m, độ chính xác lặp lại: ±0,15m.

H. 9 Cấu trúc chung của hệ thống máy CNC 5 trục ảo

RBSS - Hexapod

Kết quả sản phẩm mẫu đã gia công trên hệ thống máy

CNC 5 trục ảo RBSS – Hexapod (hình H.10):

H. 10 Sản phẩm gia công thử nghiệm tháng 8/2010 trên

máy phay 5 trục ảo – RBSS – Hexapod

8. Kết luận Các kết quả nghiên cứu trình bày ở trên về tính toán

xác định và mô hình hoá các thông số động học và

động lực học phục vụ cho điều khiển bao gồm mối

quan hệ vận tốc, gia tốc giữa tấm chuyển động với các

205

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

chân trong trường hợp ứng dụng; quan hệ giữa ngoại

lực tác động trên tấm chuyển.

Trên cơ sở này, một robot song song Stewart-Gough

Platform đã được thiết kế, chế tạo và đưa vào vận

hành kết hợp với máy phay CNC 5 trục. Trong đó

chuyển động của bàn máy (mang phôi) được vận hành

và điều khiển bởi 6 chân (Hexapod) có gắn các động

cơ tuyến tính tạo chuyển động trực tiếp. Hệ thống có

bộ điều khiển tích hợp PC-based với phần mềm điều

khiển hoạt động gia công tạo hình theo chuẩn IEA

(G&M code) tương thích với các phần mềm

CAD/CAM chuẩn đã được thực hiện và kiểm nghiệm

kết quả qua quá trình gia công thực tế.

Hệ thống

Các kết quả này là cơ sở toán học để xây dựng hệ

thống, cho phép chủ động trong thiết kế và công nghệ

chế tạo robot song song có 6 chuỗi động, hướng tới

xây dựng trung tâm gia công trên máy phay 5 trục ảo.

Tài liệu tham khảo [1] Tsai, L. W., The Jacobian Analysis of a Parallel

Manipulator Using Reciprocal Screws, Proc. of

the 6th International Symposium on Recent

Advances in Robot Kinematics, Salzburg,

Austria, Kluwer Academic Dordrecht, pp. 327–

336. 1998.

[2] L.W. Tsai, Solving the inverse dynamics of a

Stewart-Gough manipulator by the principle of

virtual work, ASME Journal of Mechanical

Design 122, No. 1, pp. 3-9, 2000.

[3] C. I. Huang, C. F. Chang, M. Y. Yu, and L. C.

Fu, Sliding-Mode Tracking Control of the

Stewart Platform, Asian Control Conference,

pp. 561-568, 2004.

[4] Z. Geng, L. S. Haynes, J. D. Lee, and R. L.

Carroll, On the dynamics model and kinematics

analysis of a class of Stewart platform,

Robot.Autono. Syst., vol. 9, pp. 237–254, 1992.

[5] W. Q. D. Do and D. C. H. Yang, Inverse

dynamic analysis and simulation of a platform

type of robot, J. Robot. Syst., vol. 5, no. 3,

pp.209–227, 1998.

[6] B. Dasgupta and T. S. Mruthyunjaya, A

Newton– Euler formulation for the inverse

dynamics of the Stewart platform manipulator,

Mech. Mach.Theory, vol. 33, no. 8, pp. 1135–

1152, 1998.

[7] J.Wang and C. M. Gosselin, A new approach for

the dynamic analysis of parallel manipulators,

Multibody Syst. Dyn., vol. 2, pp. 317–334,1998.

[8] G. Lebret, K. Liu, and F. L. Lewis, Dynamic

analysis and control of a Stewart platform

manipulator, J. Robot. Syst., vol. 10, no. 5,

pp.629–655, 1993.

[9] Stewart D., A Platform with Six Degres of

Freedom. In: Pr. Inst. Mech. Eng. v.180, Pt.1,

15, pp. 371-386, 1965/1966.

[10] Kane, T. R., and Levinson, D. A., Dynamics:

Theory and Application, McGraw-Hill, New

York, N.Y, 1985.

[11] Nguyen Minh Thanh, Le Hoai Quoc, Victor

Glazunov, Constraints analysis, determination

twists inside singularity and parametrical

optimization of the parallel mechanisms by

means the theory of screws, Proc. of the 6th

Inter. Conference on Electrical Engineering,

Computing Science and Automatic Control,

IEEE 2009, Toluca, Mexico, pp. 89-95, 2009.

[12] Le Hoai Quoc, Nguyen Minh Thanh, Kinematic

Analysis, Modeling and Optimization of

Working Space of Parallel Mechanism with

Actuators Located on the Base, Proc. of the

2009 International Symposium on Mechanical

Engineering (ISME 2009), Hochiminh,

Vietnam, pp. 122-129, 2009.

[13] Lê Hoài Quốc, Kỹ thuật người máy, Tập I –

Robot công nghiệp, NXB Đại Học Quốc Gia TP.

Hồ Chí Minh, tái bản lần thứ nhất, 2005.

[14] Lê Hoài Quốc và các cộng sự, Nghiên cứu thiết

kế và chế tạo robot song song (Gough-Stewart

Platform) sử dụng trong hệ thống thiết bị tạo

chuyển động phức hợp, hình thành trung tâm

gia công chế tạo 5 trục ảo, m số C.0 -16/06-

10, Báo cáo tổng kết đề tài trọng điểm Nhà

nước, giai đoạn 2006-2010.

Le Hoai Quoc received PhD

in 1982 of the Institute of

Mathematics and Electronics

Moscow – Russia in the

Controls of Technical

Systems. He is an Associate

Professor. From 2006, he is

the Deputy Director of

Department of Science and Technology, People’s

Committee of HCM City; Head of National Key Lab.

of Robotics in the Vietnam National University,

HCM City; Invited Professor of HCM University of

Technology, VNU. From 2011, he is the President of

Saigon Hi-Tech Park.

His other professional activities are the Vice

Chairman of Vietnam Association of Robotics; Vice

Chairman of HCM City Association of Automation;

Member of Board of Vietnam National Program of

Mechanical Engineering and Automation KC.03/11-

15. Besides, he is the Member of Committee of

Vietnam National Program on Automation; Member

of National Committee of Professor’s Title on

Electrics – Electronics and Automation; Chairman of

HCM City Program of Industrial Technology and

Automation; Chairman of HCM City Program of

Industrial Robots. He co-authored two books and

published many papers on national and international

journals and conference proceedings.

206