MỤC LỤC
MỤC LỤC..............................................................................................................3
PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ......................................................................................4
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC...................................... 5
1.1. Mục đích, ứng dụng của robot.......................................................................5
1.2. Yêu cầu thiết kế..............................................................................................5
1.3. Mô tả trạng thái của đối tượng cần gắp.........................................................5
1.4. Kích thước vật cần gắp..................................................................................6
1.5. Thông số của chi tiết khi nằm trên máy đúc...................................................6
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT...................................................7
2.1. Phân tích chuyển động của đối tượng thao tác:............................................7
2.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác:..............................................................7
2.3. Các phương án thiết kế robot:.......................................................................8
CHƯƠNG 3. XÁC ĐỊNH VÙNG LÀM VIỆC CỦA ROBOT..................................11
3.1. Khảo sát không gian thao tác........................................................................11
3.2. Sơ đồ động học, tham số hóa mô hình robot...............................................12
CHƯƠNG 4. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÀ HÀNH TRÌNH KHÂU.....................13
4.1. Các chuyển động cần thiết của chi tiết.........................................................13
4.2. Chiều dài khâu 2, 3.......................................................................................13
4.3. Hành trình của các khâu 1, 2, 3....................................................................15
4.3.1. Hành trình khâu 1......................................................................................15
4.3.2. Giới hạn góc quét cho khâu 2....................................................................15
4.3.3. Giới hạn góc quét cho khâu 3....................................................................16
4.4. Vùng làm việc của robot................................................................................17
CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG..........................................18
5.1. Khảo sát bài toán động học thuận................................................................18
5.1.1. Vị trí, hướng của khâu thao tác..................................................................20
5.1.2. Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối:...........................................................21
5.1.3. Vận tốc góc, gia tốc góc của khâu thao tác................................................22
5.2. Khảo sát bài toán động học ngược...............................................................23
5.3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot......................................................26
5.3.1. Thông số đầu vào.......................................................................................27
5.3.2. Phương trình quỹ đạo chuyển động..........................................................27
CHƯƠNG 6. KHẢO SÁT BÀI TOÁN TĨNH HỌC................................................33
6.1. Các thông số đầu vào...................................................................................33
6.2. Xác định ma trận chỉ hướng ........................................................................ 34
6.3. Biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở:..................................................................34
6.4. Tính toán hệ lực ở các khâu.........................................................................36
6.4.1. Hệ lực tác dụng lên khâu 3........................................................................36
6.4.2. Hệ lực tác dụng lên khâu 2........................................................................37
6.4.3. Hệ lực tác dụng lên khâu 1........................................................................38
CHƯƠNG 7. ĐỘNG LỰC HỌC...........................................................................39
7.1. Ma trận khối lượng........................................................................................39
7.1.1. Tensor quán tính:.......................................................................................39
7.1.2. Jacobi tịnh tiến...........................................................................................39
7.1.2. Jacobi quay................................................................................................40
7.1.2. Ma trận khối lượng.....................................................................................41
7.2. Lực coriolis....................................................................................................43
7.3. Thế năng.......................................................................................................44
7.4. Lực suy rộng không thế................................................................................44
CHƯƠNG 8. THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ...............................................45
CHƯƠNG 9. TÍNH ỨNG SUẤT VÀ KIỂM TRA ĐỘ BỀN CÁC KHÂU............... 46
CHƯƠNG 10. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN............................................48
KẾT LUẬN............................................................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................53
Chương 1. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC
1.1. Mục đích, ứng dụng của robot
Mục đích là thiết kế robot gắp nắp chai từ băng chuyền cao sang băng chuyền thấp như hình:
1.3. Mô tả trạng thái của đối tượng cần gắp
- Hai băng chuyền nằm song song với nhau
- Trước lúc gắp náp chai: Nắp chai nằm trên băng tải trên, hướng thẳng đứng, nằm vuông góc với băng tải, không bị xộc xệch như hình trên.
- Sau khi đưa đến vị trí chai, tay ngàm sẽ tịnh tiến hướng xuống và lắp nắp chai .
- Tại thời điểm khâu thao tác gắp nắp chai, 2 băng tải đều đứng yên.
1.4. Kích thước vật cần gắp
- Nắp chai nước giặt làm bằng nhựa HDPE hình chóp cụt, đường kính khoảng 30mm - 50mm cao 50mm
- Trọng lương : 15g
1.5. Thông số của nắp và chai khi băng tải
Chi tiết nằm trênmặt băng tải
a. Nắp:
- Chiều cao so với mặt đất: 700 mm
- Nằm chính giữa băng tải
b. Chai:
- Chiều cao so với mặt đất: 400 mm
- Nằm chính giữa băng tải
Chương 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT
2.1. Phân tích chuyển động của đối tượng thao tác:
Ba chuyển động cần thiết :1 tịn tiến để nhấc nắp lên, 2 di chuyển nắp đến vị trí chai, 3 tịnh tiến nắp xuống chai.
2.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác:
a. Trạng thái của đối tượng cần gắp:
- Băng chuyền cao song song vs băng chuyền thấp
- Trước lúc gắp nắp chai: Nắp chai nằm trên băng tải trên, hướng của nắp chai hướng lên theo trục Oz
- Sau khi lắp: nắp chai nằm trên chai hướng trục Oz.
c. Chuyển động của khâu thao tác:
Gồm 3 giai đoạn:
Quỹ dạo chuyển động khâu thao tác là quỹ đạo nằm trong mặt phẳng ngang song song với mặt đất. (Oxy).
- Giai đoạn 1: Từ A đến B: chuyển động tịnh tiến theo trục Oz, gắp nắp chai khỏi băng tải.
- Giai đoạn 2: Từ B đến C: chuyển động trong mặt phẳng => cần ít nhất 2 chuyển động độc lập.
- Giai đoạn 3: Từ C đến D
chuyển động tịnh tiến theo trục Oz, lắp nắp chai vào chai
=> Vậy ta sẽ cần tối thiểu 3 chuyển động độc lập (3 bậc tự do)
2.3 Các phương án thiết kế robot:
Dự định thiết kế tay gắp nắp chai sẽ là cơ cấu kẹp.
Dựa vào yêu cầu kỹ thuật thao tác nhóm chúng em lên ý tưởng lựa chọn thiết kế robot theo các trường hợp sau:
- RTT: Khả năng tải trọng cao, nhưng do đặc thù công việc là vặn nắp chai, nên không cần thiết. Hơn nữa, dùng RTT độ chính xác không cao, cần thường xuyên bảo trì do ma sát trong quá trình làm việc lớn, cần nhiều dầu mỡ bôi trơn.
- RRR: Phạm vi làm việc lớn, phù hợp với các đối tượng có bề mặt cong dạng trụ hoặc hình cầu hơn so với mặt phẳng, điều khiển từng khớp khó. Ưu điểm là không cần phải bảo dưỡng quá thường xuyên.
Với mô hình này:
- Khớp 3 tịnh tiến sẽ đảm bảo được chuyển động tịnh tiến theo phương Oz khi nhấc nắp chai và lắp nắp chai.
- Khớp quay 1 và 2 sẽ đảm khâu thao tác sẽ quét được hết các điểm trong mặt phẳng thao tác (song song vớ mặt phẳng xOy).
- Khâu thao tác có thể quay để lựa và gắp vật.
Vậy sự phối hợp khớp 1,2,3 và khâu thao tác không chỉ giúp robot có thể với tới mọi điểm trong không gian làm việc mà còn đảm bảo về hướng gắp, lắp nắp chai cần thiết.
Chương 3. XÁC ĐỊNH VÙNG LÀM VIỆC CỦA ROBOT
3.1. Khảo sát không gian thao tác
Khoảng cách giữa nắp chai và chai theo Oy : 2000 mm
Khoảng cách giữa nắp chai và chai theo Oz : 150 mm
3.2. Sơ đồ động học, tham số hóa mô hình robot
- Sơ đồ động học: Như hình dưới.
- Bảng D-H: Như bảng dưới.
Chương 4. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CÁC KHÂU
4.1. Các chuyển động cần thiết của chi tiết
Quỹ đạo của chi tiết để di chuyển từ khuôn trong máy ra vị trí băng chuyền:
Hành trình của chi tiết là từ điểm A tới điểm C trong mặt phăng song song với mặt phẳng đáy, ta chia thành 2 chuyển động chính:
- Từ A tới B
- Từ B tới C
Với A là vị trí gắp vật và C là vị trí thả vật
4.2. Chiều dài khâu 1,2
Vì robot nằm ở không gian giữa 2 băng tải nên:
- Khoảng cách xa nhất để gắp trong mặp phẳng Oxy là: 1700 mm(vì chiều rộng băng tải là 600)
- Khoảng cách gần nhất để gắp trong mặp phẳng Oxy là: 300 mm(vì chiều rộng băng tải là 600)
- Khoảng cách gần nhất để vặn nắp chai trong mặt phẳng Oyz là: 150 mm
Vậy tổng chiều dài các khâu 1,2 mà robot có thể với tới phải lớn hơn vị trí xa nhất lúc gắp vật, thả vật và chiều dài khâu khi thu lại ngắn nhất phải bé hơn vị trí gần nhất khi thả vật.
a3 1000 (mm) và d3 150 (mm)
Từ đó ta chọn chiều dài các khâu lần lượt là:a1 =450 (mm), a2 = 700 (mm); d3 = 300 (mm)
4.4. Vùng làm việc của robot
Chiều dài các khâu:
a1 = 450 (mm)
a2 = 700 (mm)
d3 = 300 (mm)
d1 = 400 (mm)
Hành trình của các khâu:
180° > = -180°
180° > = -180°
300 > = d3 > = 0
Chương 5. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
5.1. Khảo sát bài toán động học thuận
Tính các ma trận truyền:
Theo quy tắc D-H ta có ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất như phương trình dưới.
Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu thao tác EE như dưới.
5.1.1. Vị trí, hướng của khâu thao tác
+ Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác so với hệ tọa độ gốc
+ Ma trận chỉ vị trí của khâu thao tác so với hệ tọa độ gốc.
Giải ra ta được bộ 3 góc Cardan chỉ hướng của khâu thao tác.
Và từ đây về sau khi nói về vị trí và hướng của robot ta chỉ cần quan tâm đến 6 thông số trên .
5.1.2. Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối:
Ma trận tọa độ điểm tác động cuối E:
- Vận tốc.
- Gia tốc.
5.1.3. Vận tốc góc, gia tốc góc của khâu thao tác
Vận tốc góc, gia tốc góc của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định
- Ma trận quay R:
- Gia tốc góc:
5.2. Khảo sát bài toán động học ngược
+ Giai đoạn 1: Chuyển động tịnh tiến từ điểm bắt đầu A( XA; YA; 0) tới B (XB; YB; 0), khâu 1 và 2 đứng yên, chuyển động chính là của khâu 3 nên tọa độ các khâu 1 và 2 không thay đổi, ta xác định các góc của khâu 1 và 2 trong giai đoạn 1
+ Giai đoạn 2: Chuyển động từ B (XB; YB, ZB)tới C(XC; YC; ZC), tọa độ tại điểm B sẽ không đổi, ta tính tọa độ điểm C.
+ Giai đoạn 3: Chuyển động từ C (XC; YC, ZC) tới D (XC; YC, ZC), tọa độ tại điểm C không thay đổi , khâu 1 và khâu 2 đứng yên.
5.3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot
Yêu cầu bài toán là gắp lắp vật không có yêu cầu gì thêm về vận tốc, gia tốc trên đường đi nên nhóm chọn thiết kế quỹ đạo điểm – điểm trong không gian khớp và quy luật chuyển động là hàm bậc 3 của thời gian.
Nhóm thiết quỹ đạo chuyển động theo A-B-C-D như hình
5.3.1. Thông số đầu vào
- Ta có tọa độ các điểm (theo Ox0y0z0) cần đi qua là:
A (-1000,0,250); B (-1000,0,400); C (1000,0,400);D (1000, 0, 100)
Dựa vào các thông số đã tính ở bài toàn động học ngược, ta xác định được tọa độ các biến khớp tại các điểm A, B, C, D
- Tọa độ các khâu (theo O1x1y1z1) tại A (vị trí đầu) tại t = 0.
- Tọa độ các khâu tại B, t = 2s: giai đoạn từ A tới B chỉ thay đổi tọa độ theo phương z.
- Tọa độ các khâu tại D, t = 2s: giai đoạn từ C tới D chỉ thay đổi tọa độ theo phương z.
5.3.2. Phương trình quỹ đạo chuyển động
a. Robot di chuyển từ vị trí (A) đến vị trí (B) trong thời gian 2s:
- Quỹ đạo chuyển động của các khớp:
Với vận tốc đầu tại A = 0, vận tốc cuối tại D = 0
- Phương trình quỹ đạo chuyển động của khâu 1:
- Phương trình khâu 1:
q1 = 2,484 rad
+ Phương trình quỹ đạo khâu 2:
q2 = 1,061 rad
b. Robot di chuyển từ vị trí (B) đến vị trí (C) trong thời gian 3s:
Tương tự ta có:
Hệ số phương trình khớp 1:
Hệ số phương trình khớp 2:
Hệ số phương trình khớp 3:
c. Robot di chuyển từ vị trí (C) đến vị trí (D) trong thời gian 2s:
- Quỹ đạo chuyển động của các khớp:
Với vận tốc đầu tại A = 0, vận tốc cuối tại D = 0
- Phương trình quỹ đạo chuyển động của khâu 1:
- Phương trình quỹ đạo khâu 2:
- Phương trình quỹ đạo khâu 3:
Chương 6. KHẢO SÁT BÀI TOÁN TĨNH HỌC
6.1. Cơ sở lý thuyết
- Cơ cấu gắn vào Robot bao gồm các khâu nối với nhau bởi các khớp. Trọng tâm được đặt vào trung điểm của từng khâu.
- Bài toán đặt ra là: Giả thiết ngoại lực tác động vào khâu thao tác tại điểm E gồm vector lực FE.3 và momen ME.3. Tính lực và momen tác động vào các khớp để đảm bảo Robot cân bằng tĩnh.
+ Sử dụng ma trận D-H để chuyển đổi, tính toán giữa các hệ tọa độ:
6.2. Tính toán vào mô hình robot
6.2.1. Tính lực và momen quán tính ở khâu 3
Ma trận đối xứng lệch: Như phương trình dưới.
6.2.3. Tính lực và momen quán tính ở khâu 1.
- Biểu diễn:
Ma trận đối xứng lệch như phương trình dưới.
- Ta có các số liệu:
+ Chiều dài các khâu a1 = 450 mm, a2 = 700 mm,
+ Khoảng cách các hệ tọa độ: d1 = 300 mm, d3 = 400 mm
+ Khối lượng các khâu động: m1= 9,3 kg, m2 = 13,8 kg, m3 = 1,66 kg
+ Các thông số khác: g = 10 (g/m2)
CHƯƠNG 7. ĐỘNG LỰC HỌC
7.1. Ma trận khối lượng
7.1.1. Tensor quán tính:
7.1.2. Jacobi tịnh tiến
7.1.2.1. Khâu 1
Tương tự khâu 1, ta tính được ma trận jacobi tịnh tiến của khâu 2 và khâu 3.
7.1.2.2. Khâu 2
7.1.3. Ma trận khối lượng
Ma trận khối lượng như các phương trình dưới.
PHẦN 6. THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT
6.1 Thiết kế hệ dẫn động cho khâu 2.
Khâu 2 có các thông số :
Mômen Max : M2=58,72 N.m
Tốc độ góc Max w2 = 0,47rad/s
6.2. Chọn động cơ
Ta có công suất động cơ tính toán : P = 28,82 W
Để thỏa mãn điều kiện công suất chọn động cơ : DS-42RP7750127000-125K
Từ đó có:
Pdc = P1 = 28,83 và ndc = n1 = 43,9 vòng/phút
Tỉ số truyền của bộ truyền đai răng: u = 9,75=> Chọn tỉ số truyền: u = 10
6.3. Tính toán bộ truyền đai
Có công suất động cơ: P1 = 28,83 W
Tốc động quay động cơ: n1 = 43,9 vòng/phút
Tốc độ quay khâu 2: n2=4,5 vòng/phút
Tỉ số truyền: u = 10
a. Xác định các thông số cơ bản bộ truyền đai :
- Xác định modun và chiều rộng đai:
Chọn theo tiêu chuẩn Dựa vào bảng 4.27 giáo trình “thiết kế hệ dẫn động cơ khí”(TKHDĐCK) tập 1 ta có các thông số của đai như sau:
Modun m = 3 mm, bước đai : p = 9,42 mm
- Xác định thông số của bộ truyền (bảng 4.29 giáo trình TKHDĐCK tập 1) ta có :
Chọn số răng của bánh đai nhỏ : Z1 = 12
Số răng của bánh đai lớn : z2 = 120
Khoảng cách trục a được chọn theo điều kiện :
Chọn sơ bộ khoảng cách hai trục : a=220 mm
Đường kính vòng chia của các bánh đai:
d1= m.z1= 36 mm, d2=m.z2=360 mm
b. Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng
qm : khối lượng 1 mét đai có chiều rộng 1mm : qm=0,0032 kg/mm
Kd : hệ số tải trọng động: Kd=1
Suy ra q = 26,2 N/mm
- Lực vòng cho phép :
[q0] : lực vòng riêng cho phép : [q0]=5 N/mm
Cz : hệ số kể đến ảnh hưởng của số răng đồng thời ăn khớp: Cz=0.6
Cu : hệ số kể đến ảnh hưởng của truyền động tăng tốc: Cu=6
d. Tính toán sơ bộ trục
Chọn vật liệu chế tạo thép CT45 tôi cải thiện có =600 MPa, [ =12…20 MPa, ch=340 MPa
e. Tính toán chiều dài trục :
Từ đường kính trục d ta có thể xác định gần đúng chiều rộng ổ lăn b0 theo bảng 10.2 TTTKHTDĐCK tập 1: b0=8mm
K1=8 mm: khoảng cách từ mặt mút của chi tiết quay đến thành trong hộp.
K2=10 mm: khoảng cách từ mặt mút đến thành trong của hộp.
f. Tính toán then nối trục với bánh đai
Điều kiện bền dập và điều kiện bền cắt có dạng sau đây :
ed=2T/[dlt(h-t1)] d]
tc= 2T/(dltb) [ c]
Thông số then :
- Chiều rộng then: b = 4mm
- Chiều cao then: h = 4mm
- Chiều dài then: l = 12mm
- Chiều sâu then trên trục: t = 2,5 mm
Chương 9. TÍNH ỨNG SUẤT VÀ KIỂM TRA ĐỘ BỀN KHÂU
Vật liệu được chọn thiết kế robot là thép hợp kim với các thông số như sau :
+ Khối lượng riêng: D = 7700kg/
+ Modul đàn hồi : E=2.1e11(N/ )
+ Hệ số possion : ε=0.28
Dựa vào các lực,momen tác dụng vào các khâu phần tĩnh học và sử dụng phần mềm solidwork ta được kết quả kiểm nghiệm như sau :
- Khâu 3 :
- Khâu 2 :
- Khâu 1 :
Từ kết quả mô phỏng ứng suất ta thấy ứng suất lớn nhất trên các khâu là: emaz= 4,5. 107(N/m2)
=> Các khâu của robot đủ bền
Chương 10. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Khi xét bài toán điều khiển cho một robot trong công nghiệp, trước hết chúng ta phải mô hình hóa và mô phỏng chuyển động robot đó.
Chúng ta luôn muốn điều khiển các khớp của robot bám theo đúng quỹ đạo đã thiết kế. Các phần tử dao động làm việc để nhận lệnh và sinh lực (momen). Do vậy phải sử dụng các hệ điều khiển để tính toán các lệnh phù hợp nhất cho các phần tử này sao cho chúng thực hiện các quy luật chuyển động mong muốn.
- Sơ đồ phản hồi điều khiển PD:
+ Mô hình hệ thống robot
+ Khối robot
Các khối cơ bản được sử dụng là:
+ Khối môi trường máy:
Dùng để thiết đặt môi trường cho Robot: Gia tốc trọng trường, chiều, chế độ phân tích, kiểu ràng buộc, dung sai…
+ Khối đất:
Xác định hệ tọa độ cơ sở cho cơ hệ, mà ở đây chính là của robot Scara 3 bậc tự do.
+ Khối Body:
Hình dáng 3D và màu sắc ban đầu của khối Body được giữ nguyên so với mô hình xuất sang từ Solidworks
+ Các khối khớp (Joint)
+ Quỹ đạo đặt và quỹ đạo bám q2
KẾT LUẬN
Trên đây là phần báo cáo của nhóm về đề tài “Thiết kế robot gắp nắp chai từ băng chuyền cao sang băng chuyền thấp”.
Trên cơ sở đối tượng và mô hình robot đã lựa chọn, nhóm đã thực hiện đầy đủ các bước được đề ra,cùng với sự hỗ trợ của các phần mềm Solidwork, MapleSoft, Matlab-Simulink, để giải các bài toán trên. Từ đó đã tính toán thiết kế hoàn thiện mẫu Robot ứng dụng.
Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện, dù đã được sự hướng dẫn chu đáo của thầy: PGS.TS ……………., nhưng do hạn chế về kiến thức và kỹ năng, nhóm không tránh khỏi những sai sót, rất mong sự đóng góp của các thầy để nhóm hoàn thiện hơn đề tài được giao.
Một lần nữa, nhóm xin chân thành cảm ơn thầy : PGS.TS …………….đã hướng dẫn nhóm thực hiện đề tài này.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Nhóm sinh viên thực hiện
1./ ……………….
2./ ……………….
3./ ……………….
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí.
2. Nguyễn Trọng Hiệp. Chi tiết máy (Nxb Giáo dục, 2006).
3. PGS. Phan Bùi Khôi. Slide bài giảng Robotics.
4. PGS. Phan Bùi Khôi. Slide bài giảng Tính toán thiết kế Robot.
5. PGS.TS Nguyễn Nhật Lệ - ThS.Nguyễn Văn Quyền. Giải bài toán tối ưu hóa và điều khiển tối ưu bằng phần mềm MapleSoft.
6. PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng. Matlab & Simulink cho kỹ sư.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ TIỂU LUẬN"