MỤC LỤC

MỤC LỤC….1

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ.. 2

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

8.1. Vận tốc lớn nhất và momen lớn nhất trên trục động cơ…45

8.2. Công suất cần thiết trên trục động cơ…45

CHƯƠNG 9. TÍNH ỨNG SUẤT VÀ KIỂM TRA ĐỘ BỀN CÁC KHÂU.. 46

9.1. Ứng suất trên khâu 2…..46

9.2. Ứng suất trên khâu 1…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 chi tiết từ máy công cụ sang băng chuyền để đưa ra vị trí tháo phôi như hình.

1.2. Yêu cầu thiết kế

- Yêu cầu đặt ra là thiết kế robot để hỗ trợ việc gắp chi tiết từ máy công cụ, cụ thể ở đây là máy đúc áp lực ra băng chuyền để đưa ra vị trí tháo khuôn.

- Trong giới hạn của dự án là gắp thả vật có dạng tấm, mảnh. Robot cần phải đảm bảo gắp thả đúng vị trí và hướng của đối tượng cần gắp.

1.3. Mô tả trạng thái của đối tượng cần gắp

- Máy đúc và băng chuyền nằm song song với nhau

- Trước lúc gắp vật: Vật nằm trong má động của máy đúc, hướng thẳng đứng, nằm vuông góc với bề mặt má động, không bị xộc xệch như hình trên.

1.5. Thông số của chi tiết khi nằm trên máy đúc

Chi tiết nằm trên má động của máy đúc sau khi gia công, ta xét phần khuôn của chi tiết nằm trên má động:

- Chiều cao so với mặt đất: 1600mm

- Khuôn chứa vật sâu: 10mm

Chương 2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT

2.1 Phân tích chuyển động của đối tượng thao tác

-  Chuyển động cần thiết để đưa chi tiết ra vị chí tháo khuôn: 2 chuyển động tịnh tiến từ 0 tới A để rút chi tiết ra khỏi má động và A – O1 thả chi tiết xuống băng chuyền.

2.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác

a. Trạng thái của đối tượng cần gắp

- Băng chuyền đặt song song với máy đúc

- Trước lúc gắp vật: vật nằm trong má động của máy đúc, hướng của phôi thừa hình trụ nằm ngang, vuông góc với má động (Ox)

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 O đến A: chuyển động tịnh tiến  theo trục Ox, rút chi tiết ra khỏi má động.

=> Vậy ta sẽ cần tối thiểu 4 chuyển động độc lập (4 bậc tự do)

2.3 Các phương án thiết kế robot

- Dự định thiết kế tay gắp chi tiết đúc 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.

Để gắp được vật và di chuyển vật từ máy đúc sang băng chuyền vận chuyển thì ta cần phải ít nhất sử dụng 3 khớp quay. Nhưng đối với trường hợp này nếu chỉ sử dụng 3 khớp quay thì ta thấy robot lúc gắp vật sẽ không đảm bảo được việc vật được đưa ra khỏi má động của máy đúc đúng theo yêu cầu đặt ra, bởi vì chi tiết sẽ được đưa ra khỏi má động theo phương vuông góc với mặt má động dẫn tới nếu chỉ sử dụng 2 khâu quay sẽ không đảm bảo được chuyển động tịnh tiến khi gắp vật.

Với mô hình này:

- Khớp 1 tịnh tiến sẽ đảm bảo được chuyển động tịnh tiến theo phương y khi đưa vật ra khỏi má động.

- Khớp quay 2 và 3 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.

Chương 3.XÁC ĐỊNH VÙNG LÀM VIỆC CỦA ROBOT

3.1. Khảo sát không gian thao tác

Kích thước giữa lỗ khuôn chi tiết và băng chuyền: a = 2130 mm;      b = 500 mm

3.2. Sơ đồ động học, tham số hóa mô hình robot

Sơ đồ động học, tham số hóa mô hình robot như hình dười.

Chương 4. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÀ HÀNH TRÌNH 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 2, 3

- Khoảng cách tới vị trí xa nhất để gắp trong mặp phẳng Oxy là: 1356mm

- Khoảng cách tới vị trí gần nhất thả vật trong mặt phẳng Oxy là: 700 mm ở đây ta xét khâu 2 khi thả vật có phương trùng với

Từ đó ta chọn chiều dài các khâu lần lượt là:  a2 = 700 (mm);a3 = 738 (mm)

4.3. Hành trình của các khâu 1, 2, 3

4.3.1. Hành trình khâu 1

Vì máy đúc và băng chuyền đặt song song với nhau nên ta chọn vị trí đặt robot là vị trí O cách băng cuyền và máy đúc như hình vẽ.

Khoảng cách giữa má động và má tĩnh của máy đúc là: 1100 mm, mà chi tiết cần dịch chuyển tịnh tiến một khoảng b = 300mm( từ A tới B)  theo phương y, nên ta cần chọn hành trình của khâu 1: 300 < d < 1100, để khâu 2 và 3 không cần dịch chuyển, và đảm bảo được kích thước a, b tương ứng với không gian thao tác giữa má động và băng chuyền, nên ta sẽ chọn hành trình có thể đạt được của khâu tịnh tiến 1 là 700mm

4.3.3. Giới hạn góc quét cho khâu 3

Khi khâu 2 ở vị trí ON, khâu thao tác gắp vật, phương của khâu 3 và 4 sẽ trùng phương Ox

Khi khâu 2 ở vị trí OM, khâu thao tác thả vật, phương của khâu 3 và 4 sẽ trùng phương Oy

Nên góc quét cần thiết để đạt được yêu cầu sẽ là  như hình vẽ
MF là khâu 3 khi  thả vật khi khâu 2 quay 1 góc ,

Gọi NF’ là khâu 3 khi thả vật  khi khâu 2 không quay để ta xét trong hệ tọa độ ENF’

4.4. Vùng làm việc của robot

Thông số các khâu:

- Chiều dài các khâu

a₂ = 700 (mm) ; a₃ = 738; l = 400

- Hành trình của các khâu:

700°   d₁        0  

150°  -20°    -30°

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 .

Lần lượt thay các hàng của bảng thông số động học vào ma trận trên ta được ma trận truyền tương ứng với các khâu.

5.1.1. Vị trí, 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

5.1.3. 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

5.2. Khảo sát bài toán động học ngược

Với bài toán động học ngược thì vị trí của khâu thao tác xem như đã biết, yêu cầu tìm giá trị của các biến khớp

- Giai đoạn 1: Chuyển động tịnh tiến từ A(điểm bắt đầu) tới B, khâu 2 và 3 đứng yên, chuyển động chính là của khâu 1 nên tọa độ các khâu 2 và 3 không thay đổi, ta xác định các góc của khâu 2 và 3 trong giai đoạn 1

- Giai đoạn 2: Chuyển động từ B tới C, tọa độ tại điểm B sẽ không đổi, ta tính tọa độ của các khâu khi tới điểm C (điểm kết thúc).

5.3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot

Yêu cầu bài toán là gắp thả 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 như hình: (O là gốc khi khâu thao tác tại B).

5.3.1. Thông số đầu vào

- Ta có tọa độ các điểm (theo Oxyz) cần đi qua là:

A (-1170,985,1600);      B (-1170,738,1600);     C (835,738,1600)        

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.

- Tọa độ các khâu tại B , t = 2s: giai đoạn từ A tới B chỉ thay đổi tọa độ theo phương y

5.3.2. Phương trình quỹ đạo chuyển động

* 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 B = 0

Chương 6.  KHẢO SÁT BÀI TOÁN TĨNH HỌC

6.1. Các thông số đầu vào

Khối lượng các khâu m₁, m₂, m₃, m₄:

6.4. Tính toán hệ lực ở các khâu

- Có trọng lực các khâu:

⁰P₁ = [0,-m₁g,0]                                 ⁰P₂ = [0,-m₂g,0]                                        ⁰P₃ = [0,-m₃g,0]                                                                         

Ta có hệ phương trình cân bằng lực tác dụng lên các khâu của robot trong hệ tọa độ 

Dựa vào hệ phương trình trên, ta tính được các giá trị của lực và momen tác dụng lên các khâu:

Chương 7. ĐỘNG LỰC HỌC

7.1. Ma trận khối lượng

7.4. Lực suy rộng không thế

Ta có lực không thế: ⁰F₃ =  [0; Fy; 0]

Momen ngoại lực :  ⁰M₃=  [0; My; 0]

Chương 8. THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ

Trong bài tập lớn này chúng em lựa chọn hộp giảm tốc bánh răng sóng 1 cấp cho tất cả các khớp vì hộp giảm tốc bánh răng sóng làm việc êm, độ chính xác và tỷ số truyền cao.

- Hệ dẫn động gồm 1 động cơ AC nối với hộp giảm tốc bánh răng sóng 1 cấp,hộp giảm tốc lại nối với trục của khớp thông qua khớp nối.

Từ đó ta chọn hiệu suất của hệ dẫn động là :

- Hiệu suất của bộ truyền bánh răng sóng : = 0,8

- Hiệu suất của bộ truyền ổ lăn : = 0,99

- Hiệu suất của khớp nối :  = 1

- Hiệu suất chung của bộ truyền là : = 0,78

- Tỷ số truyền u = 49

Ở đây thiết kế hệ thống dẫn động cho khớp 2.

8.1. Vận tốc góc lớn nhất và momen lớn nhất trên trục động cơ

Từ phương trình momen ta đã xác định được ở phần động lực học và vận tốc góc tính được ở phần động học. Sử dụng phần mềm matlab ta xác định được vận tốc góc lớn nhất và momen lớn nhất là:

M = 120,97 (N.m)

W = 1,1 (Rad/s)

Từ đó suy ra được công suất làm việc lớn nhất là : 133.07 (W)

8.2. Công suất cần thiết trên trục động cơ

Chọn số vòng quay trên trục công tác là : =10 vòng/ph

Số vòng quay sơ bộ của động cơ: 490 vòng/ph

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

- Giới hạn bền         6. (N/ )

- Giới hạn chảy       3,4. (N/ )

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 :

9.1. Ứng suất trên khâu 3

Ứng suất trên khâu 3 thể hiện như hình 8.1.

9.2. Ứng suất trên khâu 2

Ứng suất trên khâu 3 thể hiện như hình 8.2.

9.3. Ứng suất trên khâu 1

Từ kết quả mô phỏng ứng suất ta thấy ứng suất lớn nhất trên các khâu là : 5,767. (N/ )

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 3 bậc tự do:

* Mô hình hệ thống robot 3 bậc tự do:

* Khối chấp hành (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:

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)

Dùng làm đầu vào cho khối khớp. Tùy vào kiểu cài đặt mà nó có thể cho các dạng điều khiển Lực/Moment hoặc là dạng chuyển động (tọa độ, vận tốc, gia tốc)

* Quỹ đạo đặt và quỹ đạo bám:

- Quỹ đạo đặt và quỹ đạo bám q1:

- Quỹ đạo đặt và quỹ đạo bám q2:

KẾT LUẬN

   Trên đây là phần báo cáo của nhóm chúng em về đề tài “Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng gắp chi tiết đúc từ máy công nghệ đưa ra vị trí tháo khuôn”.

   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

                                                                              ………………

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 ĐỒ ÁN"