MỤC LỤC
PHÂN CHIA CÔNG VIỆC……………………………….................................................................……2
LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................................3
MỤC LỤC............................................................................................................................................4
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ROBOT.........................................................................5
1.1. SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT....................................................................6
1.2. ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG SẢN XUẤT:........................................................7
1.3. CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP:................................................8
1.3.1. Định nghĩa robot công nghiệp:...................................................................................................8
1.3.2. Bậc tự do của robot (DOF: Degrees Of Freedom):....................................................................9
1.3.3. Hệ toạ độ (Coordinate frames):..................................................................................................9
1.3.4. Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion):.................................................10
1.4. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP:..................................................................11
1.4.1. Các thành phần chính của robot công nghiệp:.........................................................................11
1.4.2. Kết cấu của tay máy:................................................................................................................12
1.5. PHÂN LOẠI ROBOT CÔNG NGHIỆP:........................................................................................12
1.5.1. Phân loại theo kết cấu:.............................................................................................................12
1.5.2. Phân loại theo hệ thống truyền động:.......................................................................................12
1.5.3. Phân loại theo ứng dụng:..........................................................................................................13
1.5.4. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển:.....................................13
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ CẤU ROBOT ỨNG DỤNG ĐỂ THÁO KHUÔN SẢN PHẨM NHỰA..,,14
2.1. Phân tích và lựa trọn cấu trúc......................................................................................................14
2.1.1. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác..........................................................................................14
2.1.2. Xác định đặc trưng kỹ thuật......................................................................................................16
2.1.3. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế.....................................................................................16
2.2. Thiết kế mô hình 3D.....................................................................................................................17
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG........................................................................19
3.1.Thiết lập hệ tọa độ khảo sát và hệ phương trình động học..........................................................19
3.1.1. Thiết lập hệ tọa độ khảo sát và bảng lập bảng D – H...............................................................19
3.1.2. Tính toán các ma trận truyền....................................................................................................21
3.1.3. Hệ phương trình động học Robot..............................................................................................21
3.2. Bài toán động học thuận Robot....................................................................................................23
3.21. Xác định vị trí và vận tốc của khâu thao tác cuối.......................................................................23
3.2.2 Mô phỏng và vẽ quy đạo chuyển động bằng Maple và Matlab..................................................24
3.3. Bài toán động học ngược.............................................................................................................27
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH..................................................................................31
4.1. Hệ phương trình cân bằng lực tác dụng lên các khâu của robot.................................................31
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC......................................................................................34
5.1. Cấu trúc động lực học..................................................................................................................34
5.2. Phương trình động lực học của Robot.........................................................................................34
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG............................................................................................38
6.1 Một số hệ dẫn động thường dùng.................................................................................................38
6.2. Thiết kế hệ dẫn động....................................................................................................................40
6.2.1. Khớp 1.......................................................................................................................................40
6.2.2. Khớp 2.......................................................................................................................................41
6.2.3. Khớp 3.......................................................................................................................................41
6.3. Chọn động cơ phù hợp................................................................................................................42
6.4. Tính chọn hộp giảm tốc................................................................................................................43
6.4.1. Các thông số bộ truyền bánh răng cho khớp ).........................................................................43
6.4.2. Chọn vật liệu.............................................................................................................................44
6.5. Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền.................................................................................................45
6.5.1. Xác định ứng suất cho phép.....................................................................................................45
6.5.2. Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng............................................................................................50
6.5.3. Thiết kế 3D và kiểm bền trên phần mềm SolidWorks...............................................................52
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN............................................................................55
7.1. Chọn luật điều khiển....................................................................................................................55
7.2. Thiết kế mô hình điều khiển.........................................................................................................57
7.2.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển........................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................60
KẾT LUẬN .........................................................................................................................................60
LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay thì vấn đề tự động hóa có vai trò đặc biệt quan trọng. Nhằm nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao năng suất lao động, yêu cầu cần có là hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao, robot công nghiệp, đặc biệt là những tay máy robot là bộ phận quan trọng để tạo ra những hệ thống đó.
Tay máy robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm về trước, ngày nay tay máy robot đã dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong sản xuất. Xuất phát từ những ưu điểm mà tay máy và hiệu quả của nó đem lại trong quá trình sản xuất, tay máy có những tính năng mà con người không thể có được, khả năng làm việc ổn định, có thể làm trong môi trường độc hại,… Do đó việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo ra những tay máy robot phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiện tại và tương lại.
Môn học Tính toán và thiết kế Robot dưới sự hướng dẫn của thầy: PGS.TS…………… và ThS……………. đã giúp chúng em bước đầu làm quen với những vấn đề cơ bản nhất khi thiết kế robot và sẽ là bước đệm phát triển cho sau này.
Trong quá trình học tập môn Tính toán và thiết kế Robot có còn nhiều vấn đề thiếu sót, em rất mông được thầy chỉ bảo và hướng dẫn thêm.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Nhóm sinh viên thực hiện
1./………………..
2./………………..
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1. Sơ lược quá trình phát triển của robot
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch nầy, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người.
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số.
Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian nầy ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate ư1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô.
Trong những năm sau nầy, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt, Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như bảng 1.
1.2. Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất.
Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như : làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” được cả từ trường và “nghe” được cả siêu âm ... Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mõi, nhầm lẫn.
1.3. Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp.
1.3.1. Định nghĩa robot công nghiệp:
- Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp):
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp . . . theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
- Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America):
Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
- Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga):
Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
Có thể nói Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau.
1.3.2. Bậc tự do của robot (DOF: Degrees Of Freedom):
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do.
n : số khâu động;
pi : số khớp loại i (i = 1, 2,...,5 : Số bậc tự do bị hạn chế).
Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng. Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp... có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn. Các robot hàn, sơn... thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo... người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6.
1.3.3. Hệ toạ độ (Coordinate frames):
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp (Hình 1.1).
Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu thứ n. Như vậy hệ toạ độ cơ bản (Hệ toạ độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu là O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2,..., On-1, Hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On.
1.4. Cấu trúc cơ bản cảu robot công nghiệp
1.4.1. Các thành phần chính của robot công nghiệp:
Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như : cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển , thiết bị dạy học, máy tính ... các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành phần của hệ thống robot.
Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng các khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot.
Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bước), các hệ thống xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động.
1.4.2. Kết cấu của tay máy:
Như đã nói trên, tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot. Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp . . .
Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:
+ Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarde, thông thường tạo nên các hình khối
+ Chuyển động xoay theo các trục x, y, z trong không gian.
+ Các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic).
1.5. Phân loại robot công nghiệp
Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể được phân loại theo các cách sau:
1.5.1. Phân loại theo kết cấu:
Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA như đã trình bày ở trên.
1.5.2. Phân loại theo hệ thống truyền động:
Có các dạng truyền động phổ biến là:
- Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC: Direct Current) hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động nầy dễ điều khiển, kết cấu gọn.
- Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.
1.5.4. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển:
- Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), robot điều khiển kín (hay điều khiển servo): sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ CẤU ROBOT ỨNG DỤNG ĐỂ THÁO KHUÔN SẢN PHẨM NHỰA
2.1. Phân tích và lựa trọn cấu trúc
2.1.1. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác
Để điều khiển robot, cần có bộ điều khiển cơ học và hệ thống máy tính kết hợp. Bộ điều khiển cơ học được tạo ra từ chuỗi liên kết tổ hợp khớp cơ. Các liên kết là các cơ cấu cứng và có 5 loại khớp cơ (hay còn gọi là trục robot) chính được sử dụng để kết cấu tay robot. Trục giao là các khớp tịnh tiến; quay và xoắn là các khớp quay. Hai trong số các khớp là tuyến tính, trong đó chuyển động tương đới giữa các liên kết là tịnh tiến. Ba là loại quay, trong đó chuyển động tương đối liên quan đến chuyển động quay giữa các liên kết.
Thao tác có thể được chia thành hai phần:
(1) Cánh tay và thân, thường bao gồm ba khớp nối với nhau bằng liên kết đơn.
(2) Cổ tay, gồm hai hoặc ba khớp nhỏ gọn. Phần này để gắn các bộ phận gia công hoặc thiết bị để gắp thả sản phẩm.
Cánh tay và thân có chức năng di chuyển và định vị vị trí trong không gian làm việc của robot. Cổ tay sẽ thực hiện thao tác chính xác.
Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của chúng như:
- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay,…để định vị, kẹp chặt sản phẩm trong quá trình di chuyển. Khối lượng m của sản phẩm phải bé hơn khối lượng M của cánh tay robot (m<- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dạng vùng mà phần công tác có thể với tới. Sản phẩm cần được di chuyển phải nằm trong tầm với của robot: khoảng cách từ tâm vị trí của robot tới sản phẩm (D) bé hơn chiều dài cánh tay (L) của robot (L>D).
- Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác. Để định vị và định hướng phần công tác một cách tùy ý trong không gian 3 chiều cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị vị trí, 3 bậc tự do để định hướng.
2.1.3. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế
Dưới đây là một số cấu trúc robot đề ra
Dựa vào yêu cầu kỹ thuật nhóm chúng em lên ý tưởng robot dự kiến thiết kế sẽ là robot 3 bậc tự do RRR là tốt nhất, tất cả các khớp quay cho phép Robot hoạt động linh hoạt hơn, tạo ra các quỹ đạo chuyển động là đường bậc nhất, hai và ba trong không gian, có xác định hướng.
Dự kiến thiết kế tay gắp khuôn đúc là hệ thống hút và nhấc lên vuông góc với bề mặt khuôn đúc và xoay 900 theo chiều Oy.
2.2. Thiết kế mô hình 3D
Dựa trên sự phân tính, lựa trọn cấu trúc và các đặc trưng kỹ thuật của robot, ta đưa ra thiết kế mô hình robot trên phần mềm Solidworks như sau:
Trong đó với các 4 khâu như hình.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
3.1. Thiết lập hệ tọa độ khảo sát và hệ phương trình động học
3.1.1. Thiết lập hệ tọa độ khảo sát và bảng lập bảng D – H
- Quy ước hệ tọa độ theo Denavit - Hartenberg:
Denavit – Hartenberg (1955) đã quy ước hệ tọa độ Decard gắn vào mỗi khâu của một tay máy Robot như sau:
+ Trục được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1). Hướng của phép quay và phép tịnh tiến được chọn tùy ý.
+ Trục được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp động thứ i và (i+ 1), hướng từ khớp động thứ i tới trục ( i+1).
+ Trục được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Từ quy tắc trên ta xây dựng các tọa độ khảo sát (Hình 2.6).
Từ quy ước trên, áp dụng cho robot RRR, chọn hệ tọa độ như trong hình 2.6. Từ đó ta lập bảng D – H cho robot như bảng 2
Thông số tính toán và thiết kế:
+ Khâu 1: a1 = 500 mm
+ Khâu 2: a2 = 400 mm
+ Khâu 3: a3 = 200 mm
3.1.3. Hệ phương trình động học Robot
- Lập ma trận mô tả hướng và vị trí của khâu thao tác (End-effector, viết tắt EF) theo cấu trúc động học
- Thiết lập ma trận trạng thái theo khâu thao tác theo tọa độ thao tác
- Phương trình động học Robot:
+ Phương trình động học dạng dạng ma trận
+ Từ phương trình động học ma trận, có thể suy ra hệ phương trình động học độc lập của Robot như phương trình dưới.
3.2. Bài toán động học thuận Robot
Trong bài toán động học thuận, các biến khớp xem như đã biết, yêu cầu phải tìm vị trí của các khâu tác động cuối đối với hệ tọa độ cố định.
3.21. Xác định vị trí và vận tốc của khâu thao tác cuối
- Xây dựng quỹ đạo chuyển động của biến khớp
- Vận tốc tại điểm tác động cuối E
- Vân tốc góc khâu thao tác
3.2.2 Mô phỏng và vẽ quy đạo chuyển động bằng Maple và Matlab
- Chương trình Matlab vị trí điểm thao tác cuối E
- Đồ thị vị trí điểm tác động cuối E
- Đồ thị vận tốc của khâu thao tác cuối E
- Chương trình Matlab vẽ đồ thị khâu tác động cuối
3.3. Bài toán động học ngược
- Vị trí các khâu thao tác xem như đã biết, yêu cầu tìm giá trị các biến khớp ứng với các vị trí cho trước.
- Để giải bài toán này, ta sử dụng phương tình động học robot: . Giải phương trình này tìm được vị trí các biến khớp tương ứng với quỹ đạo chuyển động được chọn.
- Chương trình Maple giải bài toán động học ngược
- Đồ thị khớp thao tác q1, q2, q3
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH
4.1. Hệ phương trình cân bằng lực tác dụng lên các khâu của robot
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 moment ME,3. Tính lực (và moment) tác động vào các khớp để đảm bảo robot cân bằng tĩnh.
- Từ điều kiên cân bằng: (i=1,…,n)
- Hệ phương trình cân bằng lực tác dụng lên các khâu của Robot dạng ma trận:
Khi tính toán, việc tính toán được thực hiện trên các hệ tọa độ khâu hoặc hệ tọa độ cơ sở.
Ta sẽ tính lực và moment dẫn động tại các khớp theo phương pháp truy hồi, dựa vào các phương trình cân bằng lực nêu trên
- Xét khâu tác động cuối:
Giả thiết các khâu của Robot đồng nhất hay trọng tâm của các khâu nằm ở chính giữa. Bằng cách đặt các ngoại lực tác dụng vào khâu cuối ta có ngoại lực tác đụng tại điểm E.
- Xét khâu 2:
- Xét khâu 1:
Mdc1(max) = 27,37 (N.cm) tại q2 = 1,57 rad; q3 = -1,41 rad
Mdc2(max) = 25,91 (N.cm) tại q1 = 8,64 rad; q2 = 1,57 rad; q3 = 6,11 rad
Mdc3(max) = 6,08 (N.cm) tại q1 = 2,36 rad; q2 = 0,79 rad; q3 = 0,78 rad
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
5.1. Cấu trúc động lực học
- Các thanh đồng chất tiết diện ngang không đáng kể nên có thể coi khối lượng m1, m2, m3 tập trung ở chính giữa các thanh.
- Thiết lập phương trình động học tổng quát của Robot có dạng như dưới.
5.2. Phương trình động lực học của Robot
Đặt các hệ tọa độ động tại các tâm C1, C2, C3 với quy ước tịnh tiến hệ tọa độ i về phía tâm. Tensor quán tính của các khâu đối với hệ tọa độ suy rộng được cho trong bảng 3.
Lực quán tính Coriolis có dạng như phương trình dưới.
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG
6.1 Một số hệ dẫn động thường dùng
Có nhiều hộp giảm tốc được sử dụng trong thiết kế robot công nghiệp, phụ thuộc vào yêu cầu kĩ thuật, mục đích ứng dụng của robot ta có thể chọn được loại hộp giảm tốc phù hợp. Dưới đây là một số hộp giảm tốc thông dụng.
a. Hộp giảm tốc bánh răng trụ:
Hộp giảm tốc bánh răng trụ có đặc điểm sau:
+ Hiệu suất truyền không cao
+ Tỉ số kích thước trên tỉ số truyền lớn
+ Độ chính xác không cao
+ Tỉ số truyền thấp
+ Kết cấu cơ khí đơn giản
+ Giá thành rẻ, phổ biến trên thị trường
+ Khả năng làm việc với phạm vi vận tốc và tải trọng rộng.
b. Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh
Bộ truyền bánh răng hành tinh bao gồm các bánh răng trung tâm, cần mang trục, các bánh vệ tinh. Bộ truyền bánh răng hành tinh có nhiều ưu điểm như:
+ Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn
+ Độ chính xác cao
+ Hiệu suất cao
+ Quán tính nhỏ
+ Dải tỷ số truyền lớn (từ 1 cho tới hàng trăm lần)
c. Hộp giảm tốc bánh răng sóng;
Bộ truyền bánh răng sóng được sử dụng rộng rãi cho robot với những ưu, nhược điểm như sau:
+ Độ chính xác cơ khí lặp lại cao
+ Momen xoắn truyền lớn
+ Hệ số giảm tốc cao từ 50:1 cho tới 320:1
+ Kết cấu đồng trục
+ Kết cấu phức tạp, khó chế tạo
+ Giá thành cao
6.2. Thiết kế hệ dẫn động
Với những ưu nhược điểm của các bộ truyền kể trên, trong đề tài bài tập lớn này chúng em lựa chọn loại hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng cho tất cả các khớp.
Hệ dẫn động thiết kế bao gồm 1 động cơ AC nối với hộp giảm tốc cấp bánh răng trụ răng thẳng qua 1 khớp nối, hộp giảm tốc nối với trục của khớp qua khớp nối.
6.2.1. Khớp 1
a. Số vòng quay trên trục công tác:
Số vòng quay lớn nhất của khớp 1 là n1 = 3,4, ta lấy 4 vòng/phút.
b. Số vòng quay trên trục động cơ:
Ta có ysb = 20 vòng/phút
c. Công suất làm việc:
Momen lớn nhất xác định từ phương trình momen theo thời gian đã xác định từ phần phân tích trạng thái tĩnh với M1 = 367,675 N.m
Ta có: Plv1 = 0,15kW
6.2.2. Khớp 2
a. Số vòng quay trên trục công tác:
Số vòng quay lớn nhất của khớp 2 là: n2 = 2,7, ta lấy 3 vòng/phút.
c. Công suất làm việc
Momen lớn nhất xác định từ phương trình momen theo thời gian đã xác định từ phần phân tích trạng thái tĩnh với M2 = 231,455 N.m
Ta có: Plv2 = 0,075kW
6.2.3. Khớp 3
a. Số vòng quay trên trục công tác:
Số vòng quay lớn nhất của khớp 2 là: n3 = 2 vòng/phút.
c. Công suất làm việc
Momen lớn nhất xác định từ phương trình momen theo thời gian đã xác định từ phần phân tích trạng thái tĩnh với M3 = 42,245 N.m
Ta có: Plv3 = 0,09kW
6.3. Chọn động cơ phù hợp
Dựa vào kết quả đã tính ở phần 6.1, ta có bảng dưới.
Tra bảng chọn động cơ của hãng Schneider ta chọn được động cơ BCH0601 (thông số có ở hình dưới) đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về số vòng quay, công suất động cơ của cả 3 khâu.
6.4. Tính chọn hộp giảm tốc
6.4.1. Các thông số bộ truyền bánh răng cho khớp
Bảng tổng kết phần chọn động học như vảng dưới.
6.4.2. Chọn vật liệu
Vì hộp giảm tốc chịu công suất trung bình nên ta chỉ cần chọn vật liệu nhóm I (HB<350). Để tăng khả năng chạy mòn ta nên chọn vật liệu bánh nhỏ có độ rắng lớn hơn bánh lớn từ 10÷15 HB.
6.5. Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền
6.5.1. Xác định ứng suất cho phép
* Thông số yêu cầu:
+ Trên trục chủ động:
Công suất P1 = 0,097 kW
Momen xoắn T1 = 81175 Nmm
Tốc độ trục quay n1 = 20 vòng/phút
Tỉ số truyền u = 5
+ Xác định khoảng cách trục:
Chọn theo dãy 1 tiêu chuẩn SEV229-75 trang 99: aw =80 mm
+ Xác định thông số ăn khớp:
Mô đun: m = (0,01…0,02)aw = (0,8….1,6)
Tra theo dãy 1 bảng 6.8/99 [1]:
+ Xác định số răng: m = 1,25 mm
+ Xác định số răng:
Z2 = 21,33
Z2 = u.Z1 = 5.21,33 = 106,65
=> Chọn Z1 = 22 và Z2 = 107
+ Xác định góc ăn khớp : αw
Thay số ta được: cos αw= 0,85 => αw = 18,190
6.5.3. Thiết kế 3D và kiểm bền trên phần mềm SolidWorks
Các khâu được thiết kế 3D bằng phần mềm Solidworks và kiểm nghiệm đối với từng khâu, với kết quả mô phỏng sau:
a. Khâu 1
Kiểm tra bền khâu 1 trên Solidworks
b. Khâu 2:
Kiểm tra bền khâu 2 trên Solidworks
c. Khâu 3:
Từ kết quả mô phỏng ta thấy ứng suất lớn nhất trên các khâu đều nhỏ hơn giới hạn chảy của thép nên Robot đủ bền.
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
7.1. Chọn luật điều khiển
Ở các phần trước nhóm đã tính toán, xác định quy luật biến thiên của các biến khớp theo thời gian, tương ứng với quỹ đạo công tác của robot theo yêu cầu. Phần này sẽ trình bày việc điều khiển robot sao cho chúng có thể thực hiện được đúng các chuyển động mong muốn.
Phương pháp điều khiển tuyến tính chỉ thích hợp với các hệ điều khiển được mô hình hóa bởi các phương trình vi phân tuyến tính. Tuy nhiên trong phần Động lực học robot chúng ta đã nhận thấy, hệ phương trình động lực của chúng ta là các phương trình vi phân phi tuyến, do vậy các biện pháp xấp xỉ sẽ được sử dụng để phù hợp với yêu cầu của bài toán điều khiển tuyến tính.
Vấn đề cốt lõi của việc thiết kế bộ điều khiển robot là làm thế nào để bảo đảm rằng bộ điều khiển được thiết kế sẽ đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc cho trước. Tiêu chí cơ bản quan trọng nhất là hệ phải bảo đảm ổn định. Nghĩa là đảm bảo thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh và sai số quỹ đạo đủ nhỏ theo yêu cầu đặt ra cho dù hệ có phải chịu tác động của một số nhiễu trong suốt quá trình làm việc.
Trong đó vế trái của phương trình là mô hình với các tham số của robot, vế phải là momen mà bộ đều khiển tác động lên robot. Momen này được sinh ra từ bộ điều khiển với giá trị thỏa mãn yêu cầu đã nêu ở trên.
Chúng ta phải xét xem cấu trúc của bộ điều khiển như thế nào thì có thể đáp ứng mục tiêu thiết kế. trược hết chúng ta chia bộ điều khiển thành hai phần: một phần dựa trên mô hình và một phần dựa trên phản hồi.
Và các hệ số Kp, Kd là các ma trận đường chéo vuông cấp n (n là số tham số động học của mô hình robot), phần sau chúng ta sẽ xem xét chi tiết việc chọn các hệ số Kp, Kd này theo các điều kiện ràng buộc và mục tiêu bài toán.
Từ nội dung trên ta có thể xây dựng được sơ đồ khối của mô hình hệ thống như 7.1.
7.2. Thiết kế mô hình điều khiển
7.2.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển
Sơ đồ hệ thống điều khiển được thiết kế trên phần mềm Matlab & Simulink như hình 7.2.
Sơ đồ trên bao gồm:
a. Hệ thống (System)
- Robot: Là hàm Matlab
- Hai khối tích phân:
b. Khối điều khiển Controller
c. Khối quỹ đạo:
- Khối hàm Matlab quỹ đạo
- Tách quỹ đao:
KẾT LUẬN
Những kết quả đã đạt được qua bài báo cáo này:
- Phân tích và lựa chọn cấu trúc robot
- Thiết kế mô hình 3D, lập bản vẽ 2D cho robot
- Thiết kế quỹ đạo chuyển động, giải các bài toán động học thuận-ngược
- Phân tích trạng thái tĩnh, tính lực/momen các khâu khớp
-Tính toán động lực học, viết PTVPCĐ cho robot
- Thiết kế hệ dẫn động, chọn động cơ, kiểm nghiệm bền
Thiết kế sơ đồ hệ thống điều khiển, mô phỏng kết quả làm việc.
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"