1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch.
1.1.1 Định nghĩa về Robot công nghiệp
Viện Nghiên cứu robot Hoa Kỳ đưa ra một định nghĩa về robot như sau: “Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng” (Schlussel, 1985).
Định nghĩa robot còn được Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn như sau: “Robot công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người”.
“Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”.
Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên ở đặc điểm “điều khiển theo chương trình”. Đặc điểm này của robot được thực hiện nhờ sự ra đời của những bộ vi xử lý (microprocessors) và các vi mạch tích hợp chuyên dùng được là “chip” trong những năm 70.
- Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot công nghiệp phải thoả mãn yếu tố sau:
+ Có khả năng thay đổi chuyển động.
+ Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác.
+ Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao.
+ Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động.
+ Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài.
- Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải có các đặc điểm sau:
+ Có khả năng thay đổi chuyển động.
+ Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ).
+ Có tính vạn năng.
+ Có những đặc điểm của người và máy.
1.1.2 Ứng dụng của Robot trong công nghiệp
a) Trên thế giới:
Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt.
b) Tại Việt Nam:
Nước ta ứng dụng của robot công nghiệp rất đa đạng, tùy vào những nghành, công việc khác nhau mà ta có thể áp dụng những robot công nghiệp riêng biệt. Dưới đây là một số nghành trong hệ thống sản xuất mà áp dụng robot công nghiệp.
+ Công nghiệp đúc: robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát.
+ Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làm việc khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập.
1.2 PHÂN LOẠI ROBOT
1.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động
Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối tượng thao tác được cho trước trong không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị.
* Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot): robot loại này có ba bậc chuyển động cơ b ản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc.
* Robot toạ độ trụ (cylindrical robot): ba bậc chuyển động cơ b ản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay.
* Robot khớp bản lề (articular robot): ba bậc chuyển động cơ b ản gồm ba trục quay, bao gồm cả kiểu robot SCARA.
1.2.3 Các phân loại Robot khác
Robot gắp - đặt, robot đường dẫn liên tục, robot dung nguồn cấp điện, robot dung nguồn khí nén, Robot dùng nguồn thủy lực…
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN CẤU TRÚC VÀ THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT
2.1 PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH, ỨNG DỤNG CỦA ROBOT
Mục đích của robot là nhằm góp phần nâng cao năng suất của dây truyền sản xuất, giảm thiểu sai số do con người gây ra, đồng thời robot còn có thể hoạt động trong môi trường có điều kiện không thuận lợi. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào khả năng của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, làm việc với độ chính xác cao, làm việc theo chu trình lặp đi lặp lại…
2.2 PHÂN TÍCH YÊU CẦU KỸ THUẬT THAO TÁC
2.2.1. Đối tượng thao tác, dạng thao tác
a) Đối tượng thao tác:
Các ngôi sao trên bầu trời
b) Dạng thao tác:
Để có thể quan sát được 1 ngôi sao cụ thể ta cần thao tác hướng của kính thiên văn hướng đến vị trí ngôi sao và chuyển động quay 1 vòng /ngày giống với quỹ đạo quay của trái đất để có thể bắt được ảnh,quỹ đạo của ngôi sao trong 1 ngày.
2.2.2 Yêu cầu về hướng của khâu thao tác và không gian thao tác
Cần 1 trục hướng về phía ngôi sao cần quan sát một trục di chuyển tự do theo chiều quay trái đất
2.2.3 Yêu cầu về vận tốc, gia tốc
Do có thể quan sát trong môi trường ngoài trời nên cần đảm bảo vận tốc ổn định khi cần đổi ngôi sao quan sát vẫn có thể đáp ứng nhanh.
2.4 CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CẤU TRÚC ROBOT, LỰA CHỌN CẤU TRÚC CÁC KHỚP
a) Phương án 1: Có1 bậc tự do gồm 2 khâu quay
b) Phương án 2: Có 2 bậc tự do gồm 1 khâu quay 1 khâu tịnh tiến
c) Phương án 3: Gồm 2 bậc tự do gồm 2 khâu quay
Với đề bài này nhóm em quyết định phương án 3 robot có 2 bậc tự do
vì chỉ với 2 bậc tự do ta có thể đáp ứng yêu cầu về hướng của khâu cuối trong không gian khâu 1 quay đáp ứng yêu cầu về góc hướng về phía bắc khâu 2 quay đáp ứng yêu cầu hướng của ngôi sao theo chu kì quay 1 ngày của Trái Đất.
2.5 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D ROBOT
* Các đặc trưng hình học của robot:
Robot chỉ có yêu cầu về hướng thao tác:
Sẽ chọn 1 bộ số thỏa mãn yêu cầu trên: d1 = 600; d2 = 300; d3=600
* Các đặc trung kỹ thuật: Thể hiện như bảng.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
3.1 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC THUẬT, KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC NGƯỢC
3.1.1 Khảo sát động học thuận
Bảng DH: Như bảng dưới.
Lần lượt thay các hàng của bảng thông số động học vào ma trận trên ta được các ma trận truyền tương ứng với các khâu dưới.
- Hướng của hệ tọa độ khâu thao tác:
- Tọa độ điểm tác động cuối E:
- Vận tốc điểm tác động cuối:
- Gia tốc điểm tác động cuối:
- Vận tốc khâu thao tác:
3.1.3 Không gian làm việc
Với kích thước khâu đã được xác định từ trước và giới hạn các khớp ta xác định không gian làm việc của Robot như sau:
3.1.4 Ứng dụng matlab vẽ đồ thị
Mô hình robot kính thiên văn trong báo cáo này được thiết kế để làm việc trong không gian với chuyển động liên tục trên đường dịch chuyển, các điều kiện công nghệ như vận tốc mài xác định trước. Do đó phương pháp thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác sẽ được lựa chọn
q1 = 360v
q2 = 360v
Thiết kế quỹ đạo là đa thức bậc 3.
Tại t=0:
Tại t=3 (s):
=> Mô hình quỹ đạo:
Code matlab.
Vị trí, vận tốc, gia tốc x
Vị trí, vận tốc, gia tốc z
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH CỦA ROBOT
4.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Xét khâu thứ i:
orici = 0Ri irici: vector có gốc O0 nối với Ci trong hệ tọa độ cơ sở.
irici: vector có gốc Oi nối với Ci trong hệ tọa độ khâu i
4.2. GIẢI BÀI TOÁN CỤ THÊ
Lực tác dụng từ robot lên đối tượng công nghệ F, M:
Coi các khâu là thanh đồng chất tiết diện ngang không đáng kể.
Vị trí tương đối của hệ tọa độ irii-1 và vị trí trọng tâm các khâu irici được ác định như phương trình dưới.
a) Khâu 2:
Biểu diễn 0r21, 0r2c2 trong toa dô co sỏ:
0R22 ; 0R22
b) Khâu 1:
0R11 ; 0R11
CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
Động lực học Robot nghiên cứu chuyển động của Robot dưới tác dụng của lực và (hoặc) momen điều khiển (lực điều khiển) để thực hiện thao tác theo mục đích công nghệ hoặc phục vụ.Đầu ra của bài toán phục vụ đắc lực cho bài toán điều khiển sau này.Giải bài toán động lực học gồm giải động lực học thuận và động lực học ngược.
5.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC THUẬT
5.1.1 Xác định các thông số động học
- Tìm tọa độ khối tâm của khâu so với hệ quy chiếu cố định
0A1 ; 0Ac1=0A1. 1Ac1 ; 0A2 ; 0Ac2=0A2. 1Ac2
- Xác định ma trận Jacobi tịnh tiến ở khối tâm:
- Xác dinh vân tốc góc các khâu:
- Xác dinh Tenxo quán tính:
5.1.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của Robot
M (q) : ma trận khối lượng suy rộng.
: ma trận Coriolis.
G(q) : ma trận đặc trưng cho các lực có thế tác dụng vào robot
Q : ma trận đặc trưng cho các ngoại lực không thế tác dụng vào robot.
U : ma trận các lực và moment điều khiển.
- Xác định ma trận khối lượng suy rộng M (q) :
- Xác định ma trận lực quán tính Coriolis và quán tính li tâm:
- Xác định ma trận G(q) :
- Xác định ma trận Q:
5.2 ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC
Lưu đồ thuật toán động lực học:
Sơ đồ lưu đồ thuật toán động lực học như hình 5.3
Dựa vào vị trí, vận tốc, gia tốc đã biết ở phần 3.2 biến thiên theo thời gian, ta sử dụng matlab simulink để tìm được lực / momen điều khiển robot.
Mô hình simulink tính động học ngược như hình 5.4.
CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CHO ROBOT
6.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ DẪN ĐỘNG HAY DÙNG TRONG ROBOT CÔNG NGHIỆP
Có rất nhiều loại hộp giảm tốc được sử dụng trong thiết kế robot công nghiệp,phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, mục đích ứng dụng của robot ta có thể chọn một hộp giảm tốc phù hợp. Dưới đây là các hộp giảm tốc thông dụng trong thiết kế robot và đặc điểm ứng dụng cơ bản của chúng.
a) Hộp giảm tốc bánh răng trụ
Hộp giảm tốc bắng răng trụ có hiệu suất truyền không cao,có tỉ số kích thước trên tỉ số truyền lớn, độ chính xác không cao, tỉ số truyền thấp, trong các robot có yêu cầu kết cấu nhỏ, độ chính xác cao thường không sử dụng. Tuy nhiên với ưu điểm kết cấu cơ khí đơn giản, giá thành rẻ và phổ biến trên thị trường có khả năng làm việc với phạm vi vận tốc và tải trọng rộng nên bộ truyền bánh răng trụ vẫn được dùng phổ biến cho các tay máy công nghiệp.
b) Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh
Bộ truyền hành tinh bao gồm các báng răng trung tâm,cần mang trục,các bánh vệ tinh. Bộ truyền hành tinh có nhiều ưu điểm như kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, độ chính xác cao, hiệu suất cao, quán tính nhỏ, tùy vào kết cấu mà có dải tỷ số truyền từ một tới hàng trăm lần.
d) Bộ truyền bánh răng con lăn (Bộ truyền với ăn khớp Cycloid)
Bộ truyền với ăn khớp Cycloid có nhiều ưu điểm nhưu phù hợp với các bài toán đặt ra cho hệ dẫn động có kích thước nhỏ, tỷ số truyền lớn (có thể từ 6 đến 65), kích thước nhỏ gọn… Tuy nhiên việc ứng dụng bộ truyền bánh răng này vào thực tế còn nhiều hạn chế do nhiều phức tạp trong việc xây dựng biên dạng Cycloid và hiệu suất bộ truyền chưa cao do chưa khắc phục đượcma sát trượt hình thành trong quá trình làm việc.
f) Truyền động vít me đai ốc bi.
Vít me - đai ốc bi: là một hệ thống truyền động, được gia công chính xác để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế bu lông -đai ốc. Khu vực tiếp xúc giữa trục vít và đai ốc là một dải bi bằng thép để biến ma sát trượt thành ma sát lắn, qua đó giúp chuyển động một cách trơn tru và chính xác hơn, hoạt động liên tục bền bỉ trong thời gian dài.
6.2 THIẾT KẾ CHO KHÂU 1 VÀ KHÂU 2
Khâu 1, khâu 2 chuyển động quay: chọn cơ cấu dẫn động cho mỗi khâu bao gồm 2 bộ truyền là bộ truyền bánh răng trục vít và bộ truyền đai bởi vì :
+ Bộ truyền trục vít có tỷ số truyền cao lớn đảm bảo yêu cầu công nghệ
+ Bộ truyền đai có độ chính xác cao khả năng đáp ứng thiết kế linh hoạt
Momen khâu 2: Mm2 = 47,12 )N.m)
=> M2 = 0,25 )N.m)
Chọn động cơ bước mã HSTM57-0.9-S-56-4-2.8 của MISUMI thoả mãn điều kiện tính toán
Momen khâu 1: Mm1 = 3,37 )N.m)
=> Chon dông cơ như khâu 2
-> Chọn ổ bi C-SE6805ZZ của MISUMI
Do momen và các thành phần lực nhỏ hơn khâu 2 để đảm bảo độ cứng vững và tính thẩm mỹ
=> Chọn trục khâu 1 là 25 mm và sử dụng động cơ, ổ bi giống khâu 2.
CHƯƠNG 7 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
6.1 CHỌN LUẬT ĐIỀU KHIÊN
Ở chương này, nhóm sẽ trình bày về hệ thống điều khiển cho robot đã được thiết kế và tính toán ở các phần trên. Bài toán điều khiển là bài toán rất quan trọng, một hệ thống nếu được thiết kế tốt sẽ giúp cho quá trình làm việc của robot có hiệu quả và độ chính xác cao.
Có nhiều phương pháp điều khiển từ cổ điển đến hiện đại để áp dụng cho robot, nhưng trong khuôn khổ báo cáo này nhóm đề xuất áp dụng phương pháp điều khiển dựa trên mô hình động lực học đã được nêu ở chương 2. Đây là phương pháp điều khiển đơn giản nhưng mang lại hiệu quả tương đối tốt cho hệ thống.
Mô hình điều khiển PD + Lực như hình 7.1.
7.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRÊN MATLAB - SIMULINK
- Sơ đồ mô phỏng trên matlab - Simulink .
- Giải thích các khối trong sơ đồ:
* Phía bên tay trái là khối tín hiệu đặt trong đó:
q1, q2 : vị trí đặt khâu 1,2 dq1, dq2 là vận tốc đặt khâu 1,2 ddq1,ddq2 là gia tốc đặt khâu 1,2
* Khối tiếp theo là phần điều khiển chứ các hằng số và thuật toán điều khiển như hình dưới,
* Ngay sau khối điều khiển là cơ cấu chấp hành hay nói một cách tổng quát chính là đối tượng điều khiển là robot của chúng ta
* Trong khối điều khiển, bao gồm hai thành phần là điều khiển thành phần PD và khối điều lực phi tuyến
* Trong khối chấp hành ta có:
Khối chấp hành có các thành phần tích phân phương trình vi phân như hình 7.10.
7.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
- Đồ thị so sánh giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra:
+ Vị trí khâu 1
+ Vận tốc khâu 1
+ Vị trí khâu 2
+ Vận tốc khâu 2
- Đồ thị sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra.
7.4 MÔ PHỎNG VỚI SIMULINK
Mô hình Simulink điều khiển robot như hình 7.20.
Ta giữ nguyên các khối điều khiển mà thay khối cơ cấu chấp hành bằng các khối Simspace
- Khối Simspace
- Khối quỹ đạo tracking star và khối vị trí vận tốc,gia tốc đặt
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Trịnh Chất - Lê văn Uyển, “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1, tập 2”, 2006.
[2]. T.T.Hùng, “Sưc bền vật liệu”, 2006.
[3]. Động cơ và ổ bi MISUMI https://vn.misumi-ec.com/?lisid=lisid_VN2020
[4]. EQ mount
https://astrobackyard.com/equatorial-telescope-mount/ https://www.youtube.com/watch?v=bJgoZh5V96M&t=1077s
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ TIỂU LUẬN"