MỤC LỤC
MỤC LỤC…………………………………………………………………........................…..1
CHƯỚNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC………….…......................……2
1. Phân tích mục đích ứng dụng robot…………………………………............…...…..2
2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác……………………………………..............…....2
2.1. Đối tượng thao tác và dạng thao tác…………………………………..…............……2
2.2. Phân tích yêu cầu về vị trí…………………………………………………............……3
2.3. Yêu cầu về hướng của khâu thao tác…………………………………............……....3
2.4. Yêu cầu về vận tốc và gia tốc khi thao tác………………….………..........………….4
2.5. Yêu cầu về không gian thao tác………………………………………...........………...4
3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật…………………………………….…..............…….5
3.1. Số bậc tự do cần thiết…………………………………………………..........……….…5
3.2. Vùng làm việc có thể với tới của robot………………………………............……..….6
3.3. Yêu cầu về tải trọng………………………………………………………..........……….6
3.4 .Robot dạng PPP – Khối lập phương chữ nhật………………………............….…….6
3.5. Robot dạng PRP – Khối trụ………………………………………………...........….…..6
3.6. Robot dạng RRR………………………………………………………….........….……..6
3.7. Phân tích chọn phương án thực hiện………………………………………….............6
4. Thông số kỹ thuật: Robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác……….....…7
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT…………………………....................…..8
1. Thiết kế 3D……………………………………………………………....................…...…8
2. Lập bản vẽ 2D…………………………………………………………...................……..8
3. Xác định các thống số đặc trưng hình học khối lượng……………….….......…..10
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG………………….........................12
1. Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược………………….......….…12
1.1. Khảo sát động học thuận…………………………………………………….........…..15
1.2. Khảo sát động học ngược robot………………………………………….…..........…16
2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot……………………………......….....…...16
2.1. Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động của robot………………………...........….17
2.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo không gian thao tác…………….......…....…..23
2.3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo không gian khớp………………….......….......23
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC…………………………………….....................25
1. Động lực học thuận……………………………………………………..............…..…25
2. Tính toán lực…………………………………………………………….…...................30
2.1. Phân tích trạng thái tĩnh cho robot -tính toán lực và momen tại các khớp…….....31
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ DẪN ĐỘNG ROBOT…………………………..............….......33
1. Tính toán thiết kế hệ dẫn động khâu 1………………………………...........…...…33
1.1. Tính toán động cơ khâu 1………………………………………………….....…....…33
1.2. Tính toán bộ truyền đai……………………………………………………......….......35
2. Kiểm bền các khâu của robot…………………………………………….............….37
2.1. Khâu 1………………………………………………………………………...….......…37
2.2. Khâu 2…………………………………………………………………………........…..38
2.3. Khâu 3…………………………………………………………………………..........…38
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN………………………....................39
1. Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển…………..........….39
1.1. Điều khiển phản hồi và điều khiển vòng kín:……………………………….........…40
1.2. Thiết kế bộ điều khiển PD………………………………………………..….....…..…41
2. Mô phỏng bằng matlab…………………………………………………...............…...42
KẾT LUẬN………………………………………………………………..….......................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………......................….49
CHƯỚNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC
1. Phân tích mục đích ứng dụng robot
Robot bốc xếp hàng là một dạng máy móc vận hành tự động, thay thế cho con người trong khâu nâng chuyển sắp xếp thành phẩm. Để thực hiện nhiệm vụ sắp xếp thành phẩm thì robot bốc xếp hàng phải kết hợp chặt chẽ với các thiết bị khác trong hệ thống sản xuất tự động. Mô hình thể hiện các thành phần cơ bản và quy trình hoạt động của hệ thống bốc xếp thành phẩm tự động bằng robot bốc xếp hàng được minh họa như hình 1.5. Trong mô hình này sản phẩm (1) được băng tải (2) vận chuyển đến vị trí bốc xếp của robot (3). Robot (3) gắp sản phẩm sắp xếp lên pallet (5). Sau khi pallet được sắp đầy sản phẩm thì nó được đẩy đến vị trí (6) để vận chuyển đến nơi lưu trữ, khi đó pallet trống được chuẩn bị sẵn ở vị trí (4) được đưa vào vị trí (5) để thực hiện tiếp tục quá trình sắp xếp sản phẩm. Quy trình này được thực hiện liên tục trong quá trình hoạt động của nhà máy.
2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác
2.1. Đối tượng thao tác và dạng thao tác
- Bốc xếp thành phẩm dạng túi như hình 1.2, khối lượng 1kg, hình dạng thành phẩm sau khi xếp như hình 1.3
2.3. Yêu cầu về hướng của khâu thao tác
- Hướng của khâu thao tác không thể tuỳ ý mà phải phù hợp với hướng định trước của sản phẩm được sản xuất ra từ máy công nghệ trên băng chuyền. Hướng của khâu tác động cuối nằm trên mặt phẳng song song với mặt đất XoYo, định hướng bằng các góc quay quanh trục Zo.
2.4. Yêu cầu về vận tốc và gia tốc khi thao tác
- Gia tốc cực đại của khâu tác động cuối. Tính theo chu kỳ thời gian là 0.31s/2kg.
- Tốc độ tối đa:
+ Khâu 1: .
+ Khâu 2: : 667 °/s
+ Khâu 3: 2780 mm/s
2.5. Yêu cầu về không gian thao tác
- Tầm với của robot là 1m.
- Chiều cao của hệ thống là 0.8m.
3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật
3.1. Số bậc tự do cần thiết
- Để đáp ứng được yêu cầu vận chuyển hàng hóa như trên thì chỉ cần 2 bậc tự do thì có thể hoàn thành được công việc. Nhưng để tăng thêm tính linh hoạt cho robot chọn robot có 3 bậc tự do.
3.3. Yêu cầu về tải trọng.
- Robot có tải trọng tối đa là 3kg.
+ Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích chọn phương án thực hiện.
3.4 .Robot dạng PPP – Khối lập phương chữ nhật
Với cấu trúc 3 khâu được nối động với nhau bằng 3 khớp tịnh tiến, nên tay máy có khả năng chuyển động theo hướng của 3 trục tọa độ Ox, Oy, Oz. Không gian làm việc của robot có dạng là một khối chữ nhật có các cạnh là x, y, z.
3.5. Robot dạng PRP – Khối trụ
Gồm 3 khớp được nối với nhau bởi 3 khớp động theo trình tự: Khớp tịnh tiến – khớp quay – khớp tịnh tiến. Không gian làm việc của tay máy là một hình trụ thẳng đứng.
4. Thông số kỹ thuật: Robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác.
Số khâu điều khiển : 3
Tầm với (chiều dài cánh tay) : 1000 mm ( 500 mm + 500 mm)
Trục quay khớp 1 : ± 144°
Trục quay khớp 2 : 40 - 140°
Hành trình trục z khớp 3 : 400 mm
Tốc độ tối đa:
Khâu 1 : 450 °/s
Khâu 2 : 667 °/s
Khâu 3 : 1120 mm/s
Tốc độ tổng hợp ( điểm làm việc ) : 11480 mm/s
Chu kỳ thời gian ( với tải 2kg ) : 0,31s
Tải trọng tối đa : 5kg
Độ chính xác lặp :
X-Y : ± 0,01 mm
Trục z khâu 3 : ± 0,01 mm
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT
1. Thiết kế 3D
Mô hình robo 3D như hình 2.1.
3. Xác định các thống số đặc trưng hình học khối lượng
Xác định các thống số đặc trưng hình học khối lượng như hình 2.3.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
1. Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược
1.1. Khảo sát động học thuận
- Sơ đồ robot Scara:
Sơ đồ robot Scara như hình 3.1.
- Thiết lập hệ toạ độ theo quy tắc Denavit Hartenberg:
Theo quy tắc Denavit-Hartenberg ta xây dựng được hệ toạ độ khảo sát như trên hình vẽ:
+ Theo quy tắc Denavit – Hartenberg ta xây dựng được hệ tọa độ khảo sát như trên hình vẽ:
+ Khâu 0: đế ta chọn hệ tọa độ XoYoZo có trục Zo chọn trùng với khớp quay 1, trục Xo chọn tùy ý sao cho phù hợp nhất như hình vẽ , trục Yo chọn theo quay tắc tam diện thuận.
+ Khâu 1: ta chọn hệ tọa độ X1Y1Z1 có trục Z1 trùng với khớp quay 2, trục X1 ta chọn theo hướng Zo x Z1, trục Y1 chọn theo quay tắc tam diện thuận.
+ Khâu 2: ta chọn hệ tọa độ X2Y2Z2 có trục Z2 trùng với khớp tịnh tiến 3, trục X2 chọn theo đường vuông góc chung Z1 và Z2, Y2 chọn theo quy tắc tam diện thuận.
1.2. Khảo sát động học ngược robot
Đã cho [xE yE zE ]
Tìm [q1 q2 q3 ]
Xét phương trình (3) ta có:
q3=zE -1 (4)
Bình phương 2 vế của 2 phương trình (1) và (2) trong hệ trên và cộng 2 vế của 2 phương trình lại ta thu được phương trình dưới/
Không gian làm việc của robot:
Ý tưởng: khởi tạo ra các điểm chuyển động cho các khâu (50 điểm),ta biết được giới hạn chuyển động của các khâu , ta thay vào nghiệm vừa tìm được và thu được kết quả như trên
Mô hình không gian làm việc như hình 3.2.
2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot
2.1. Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động của robot
Thiết kế quỹ đạo chuyển động là xây dựng quy luật chuyển động cho các khâu của robot đảm bảo thỏa mãn yêu cầu về vị trí, hướng, hoặc thỏa mãn cả vị trí và hướng của khâu thao tác trong không gian theo thời gian. Mục tiêu là tạo ra bộ tham số đầu vào cho hệ thống điều khiển chuyển động để đảm bảo Robot thực hiện theo quỹ đạo đã được lập trình.
Có hai kỹ thuật thiết kế quỹ đạo chính là:
- Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp.
- Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác.
Các thông số của Robot:
Chiều dài các khâu: a1=0,5 m, a2=0,5m,d=0,6m,d2=0,01m
2.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo không gian thao tác
Robot thực hiện lần lượt các thao tác đi qua các điểm : A B
Với tọa độ các điểm lần lượt là : A(0.8, 0, 0.5) ; B(0.8, 0, 0.3) ; C trùng với A ; D(-0.7, 0, 0.3) ; E(-0.7, 0,0.5)
Đơn vị : m : Gốc tọa độ đặt tại chân khâu 0
Xét thao tác từ điển B đến điểm C (t=1s)
Xét thao tác từ điển C đến điểm D (t=1s)
Xét thao tác từ điển D đến điểm E (t=1s)
2.3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo không gian khớp
Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp giúp hỗ trợ giải quyết bài toán về vị trí, vận tốc, gia tốc tại các khớp. Từ đó tìm ra quy luật chuyển động của các khớp, từ quy luật chuyển động tìm được, ta tính được các giá trị vận tốc, gia tốc lớn nhất, qua đó tìm được lực dẫn động tại các khớp. Ta có thể sử dụng thông số này để tính toán và lựa chọn động cơ nói rêng và bộ truyền động nói chung.
Xét tại thời điểm t=0s:
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC
1. Động lực học thuận
Để tính toán động lực học Robot, ta sẽ đi thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot . Phương Trình vi phân chuyển động của Robot được xây dựng theo phương trình Langrange loại 2 có dạng tổng quát như phương trình dưới.
T : Động năng của hệ Robot
Õ : Thế năng của hệ Robot
Q* : Vecto lực suy rộng không thế
I=1 :Với n là số bậc tự do (n=3)
Với mô hình robot SCARA 3 bậc tự do như trên , ta có :
+ Ixx , Iyy , Izz : Các mô men quán tính trung tâm theo các trục x,y,z tương ứng
+ Mdc,rdc,Jdc : Khối lượng , tọa độ động cơ ( trong hệ tương đối) và momen quán tính động cơ
* Tính động năng cho robot :
Xét biểu thức lagrange ta cần tính toán:
- Tính toán với robot Scara:
+ Tính ma trân M(q):
Các thành phần của ma trận M(q):
Các thành phần còn lại của ma trận M(q) đều bằng 0.
Nhận thấy cách thành phần của ma trận M(q) chỉ liên quan đến biến khớp.
Các phần tử còn lại nhận giá trị bằng 0.
+ Tính biểu thức thế năng:
m : Khối lượng khâu.
G : Gia tốc trọng trường.
ri: Vecto trọng tâm khâu I trong hệ tọa độ cố định
Ta có phương trình động lực học của Robot Scara như dưới.
2. Tính toán lực
2.1. Phân tích trạng thái tĩnh cho robot -tính toán lực và momen tại các khớp
Các thông số đầu vào của robot:
Momen ngoại lực bằng 0
Khối lượng các khâu:
m1 = 10 kg, m2= 8.5 kg, m3= 0.5 kg
Ta có các lực dẫn động và momen dẫn động cho các khớp là
0M0,1Z = 0; 0M1,2Z = 0; 0F2,3Z = FZ – 25 (N)
Vậy ở trạng thái tĩnh cần có lực đẫn động tại khớp nối khâu 2 và khâu 3.
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ DẪN ĐỘNG ROBOT
1. Tính toán thiết kế hệ dẫn động khâu 1
1.1. Tính toán động cơ khâu 1
Giải bài toán động lực học ngược ta có mhuw hình dưới.
Quỹ đạo chuyển động của robot là dạng đa thức hỗn hợp và sử dụng quỹ đạo có quy luật vận tốc hình thang. Đồ thị vẫn tốc góc và có dạng hình thang với tốc độ ban đầu bằng 0 và gia tốc góc là hằng số ở cả giai đoạn khởi động và hãm.
Thay số ta được: 4,67Nm
Vì tỉ số truyền là nên momen xoắn ở động cơ là 0,52Nm
Chọn loại động cơ AC servo motor MCS06C41
+ Tốc độ quay định mức 4050 v/ph > 675 v/ph (thỏa mãn)
+ Công suất định mức 0,31 kW > 36,75W (thỏa mãn)
+ Momen định mức 0.6 Nm > 0,52 Nm (thỏa mãn)
+ Momen quán tính 0,14 kg𝑐𝑚2
+ Khối lượng 2,3kg
1.2. Tính toán bộ truyền đai
Chọn loại đai: “moulded” với lý do: giá thành không đắt, có bước ngắn, thường dùng trong việc truyền công suất, với khoảng cách giữa hai tâm nhỏ hơn một mét
Chọn dạng đai và bước đai
Với chiều rộng đai tối đa là 10 mm, hệ số chiều rộng lấy bằng 6,89 theo bảng.
Từ công suất này kết hợp với tốc độ quay động cơ = 675 𝑣/𝑝.., xác định được bước đai T5 có bước 5 mm
Chọn số răng nhỏ nhất đối với ròng rọc để không bị quá tải
Chọn số răng ăn khớp nhỏ hơn 16
Chọn = 45, = 15
2. Kiểm bền các khâu của robot
2.1. Khâu 1
- Ứng suất khâu 1:
Đặt lực là 150N
Đủ bền: 580 < 370490 N/mm2
- Chuyển vị khâu 1:
2.3. Khâu 3
- Ứng suất khâu 3:
Ứng suất khâu 3 như hình 6.7.
- Chuyển vị khâu 3:
Chuyển vị khâu 3 như hình 6.8.
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1. Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển
1.1. Điều khiển phản hồi và điều khiển vòng kín:
Khi xét bài toán điều khiển cho 1 tay máy công nghiệp nào đó, trước hết chúng ta sẽ phải mô hình hóa tay máy đó là 1 cơ cấu - đối tượng được điều khiển. trong đó các cảm biến (sensor) được đặt tại các khớp để giám sát trạng thái của các khớp và các cơ cấu dẫn động (actuator) được gá tại các khớp để sinh lực (mô men) dẫn động các khâu. Nhờ sử dụng tín hiệu phản hồi, mô men đầu ra thực tế sẽ được kiểm soát để tính toán mô men mong muốn.
Nhìn chung, cách duy nhất để xây dựng 1 hệ điều khiển có hiệu năng cao là phải sử dụng tín hiệu phản hồi như trên hình 6.1. Theo đó, tín hiệu phản hồi được sử dụng để tính toán sai lệch giữa vị trí e và sai lệch vận tốc ev
1.2. Thiết kế bộ điều khiển PD
Bộ điều khiển PD như hình 7.2.
2. Mô phỏng bằng matlab
Khối điều khiển robot có dạng:
Khối biểu diễn các khâu của robot như hình 7.3.
Mô hình 3D robot thể hiện như hình 7.7.
Đồ thị thể hiện vị trí của khớp 1, 2, 3.
Đồ thị thể hiện gia tốc của khớp 1, 2, 3.
KẾT LUẬN
Trên đây là toàn bộ kết quả nhóm em tính toán, thiết kế và mô phỏng mô hình robot scara, thông qua đó chúng em đã có thể hiểu hơn các phương pháp thiết kế robot, từ đó đề ra các luật điều khiển giúp cho việc tối ưu hóa trong quá trình sản xuât. Qua bài tập lớn này, chúng em đã nắm vững được các vấn đề sau:
Thành thạo trọng việc sử dụng các công cụ thiết kế 3D, đặc biệt là Solidworks để thiết kế các mô hình 3D.
Nắm vững các kiến thức cơ sở để áp dụng tính toán động học, thiết kế quỹ đạo, khảo sát bài toán tĩnh học, dộng lực học
Biết sử dụng chương trình phần mềm để mô phỏng robot trong quá trình làm việc từ đó xây dụng được chương trình mô phỏng bằng Matlab – simulink, ứng dụng Simulation trong phần mềm Solidworks.
Có thêm kinh nghiệm trong thiết kế mô phỏng các hệ cơ điện tử để phục vị cho công việc sau này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy: PGS.TS …………... và TS. ……..……. đã hướng dẫn chỉ bảo tận tình để giúp chúng em hoàn thành biều tiểu luận này, chúng em hy vọng sẽ nhận được những lời góp ý, nhận xét quý giá từ các thầy để bản báo cáo trở nên hoàn thiện hơn nữa.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Nhóm sinh viên thực hiện
………………….
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Phan Bùi Khôi: Slide môn học Robotic.
2. Nguyễn Văn Khang : Cơ học kỹ thuật. NXB Giáo dục, 2012.
3. Nguyễn Văn Khang : Động lực học hệ nhiều vật. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2007.
4. Nguyễn Văn Khang : Cơ sở robot công nghiệp. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2011.
5. Nguyễn Quang Hoàng : Cơ sở MATLAB và SIMULINK. Trường ĐH kinh doanh và công nghệ Hà Nội, 2013.
6. Nguyễn Doãn Phước:Lý thuyết điều khiển tự động. NXB Khoa học và kỹ thuật, 2009
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"