MỤC LỤC

MỤC LỤC...1

LỜI NÓI ĐẦU.. 2

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ.. 3

Chương 1. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC.. 4

1.1 Phân tích mục đích ứng dụng: 4

1.2 Phân tích yêu cầu kĩ thuật thao tác. 4

1.3 Xác định đặc trưng kĩ thuật 7

1.4 Phân tích và lựa chọn cấu trúc. 7

1.5 Thông số kĩ thuật 11

Chương 2. THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT. 12

2.1 Thiết kế 3D.. 12

Chương 3. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG.. 14

3.1 Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược. 14

3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động. 19

Chương 4. PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNHP. 24

4.1 Tính toán tĩnh học cho các khâu. 24

Chương 5. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC.. 32

5.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 32

5.2 Tính động học ngược. 37

Chương 6. THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG.. 38

6.1 Thiết kế hệ dẫn động. 38

6.2 Kiểm nghiệm bền cho hệ dẫn động. 46

6.3 Chọn động cơ và khớp nối 49

6.4 Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền của các khâu của robot. 52

Chương 7. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.. 58

7.1 Chọn quy luật điều khiển. 58

7.2 Mô phỏng Matlab. 60

KẾT LUẬN.. 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 63

LỜI NÓI ĐẦU

   Có thể nói rằng Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, một cách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn. Những hãng Robot(RB) từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày một khẳng định sự hiện diện của RB là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phía trước. Nó xuất hiện ở tất cả các linh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày một đa dạng.

   Trong khuôn khổ môn học Tính toán thiết kế Robot với đề tài tài nhóm tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán và thiết kế các loại Robot công nghiệp. Điều đó sẽ cung cấp các quá trình cơ bản để có thể xác định cách có thể một sản phẩm Robot được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống.

   Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới: PGS. TS…………, cảm ơn thầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi học. Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp nhóm tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị của nhóm hoặc cũng có thể kiến thức nhóm mang đến trong bài tiểu luận này còn sai sót và chưa đúng. Nhóm rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa đó, chúng em chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khoẻ !

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

Chương 1. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC

1.1 Phân tích mục đích ứng dụng

Thông thường phay mặt được sử dụng để tạo mặt phẳng và đường biên dạng trên chi tiết hoàn thiện và có khả năng tạo ra chất lượng hoàn thiện cao hơn các quy trình phay khác. 

1.2 Phân tích yêu cầu kĩ thuật thao tác

a) Đối tượng thao tác, dạng thao tác:

- Đối tượng thao tác: Các chi tiết cần được làm nhẵn, bóng bề mặt

- Hình dạng đối tượng thao tác: Phôi có dạng hình hộp

+ Kích thước phôi: 150x100x50 (mm)

- Phôi nằm trong mặt phẳng nằm ngang được gá trên bàn gia công

b) Phân tích yêu cầu về vị trí:

Vị trí phôi nằm trong vùng làm việc của robot

c) Yêu cầu về hướng khâu thao tác:

- Lựa chọn loại dao phay: Để phay mặt phẳng có thể dung dao phay:

+ Dao phay trụ

+ Dao phay mặt đầu

d) Yều cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác:

Chuyển động của dao phay có vận tốc không đổi, gia tốc bằng không. Vận tốc và gia tốc cụ thể phụ thuộc vào vật liệu phôi, loại dao cắt và hình dạng rãnh gia công.

1.3 Xác định đặc trưng kĩ thuật

a) Số bậc tự do cần thiết:

Cần tối thiểu 2 bậc tự do để robot bao quát mặt phẳng thao tác, 1 bậc tự do để điều chỉnh độ cao trong không gian nên robot cần tối thiểu là 3 bậc tự do.

b) Vùng làm việc:

Vùng làm việc của robot phải bao quát được mặt phẳng thao tác

1.5 Thông số kĩ thuật

- Robot phay mặt phẳng

- 3 bậc tự do

- Nguồn cấp : Động cơ điện

- Hành trình:

+ Khâu 1: Tịnh tiến 800 mm

+ Khâu 2: Tịnh tiến 300 mm

+ Khâu 3: Tịnh tiến 500 mm

- Thông số khối lượng:

+ Khâu 0: 185,6kg

+ Khâu 1: 25,24 kg

Chương 2. THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT

2.1Thiết kế 3D

a) Khâu đế:

b) Khâu 1:

d) Khâu 3:

Chương 3. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG

3.1 Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược

a) Khảo sát động học thuận:

* Ma trận D-H của khâu 1:

* Ma trận D-H của khâu 3:

* Vị trí khâu tác động cuối:

* Hướng khâu tác động cuối:

b) Khảo sát động học ngược:

Bài toán động học ngược là bài toán cho biết trước vị trí điểm thao tác và hướng của

khâu thao tác. Yêu cầu xác định các tọa độ khớp của khâu 1 và khâu 2 gồm các bước:

- Bước 1: cho quy luật chuyển động của điểm tác động cuối E ( Đầu phay của Robot ).

- Bước 2: xác định quy luật chuyển động của các khâu.

- Bước 3: vẽ đồ thì biểu diễn quy luật chuyển động của các khâu.

3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

Trong bài tập lớn này em xin chọn dao phay mặt đầu có đường kính f =50 mm có chế độ cắt là:

- Vận tốc dao: n_max =3000 vòng/phút

- Độ sâu cắt t_max =5mm

Từ thông số độ sâu cắt t, đường kính D và vật liệu dao cắt là thép gió. (Tra bảng 3-35 sách Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 2). Ta tra được bước tiến dao khi cắt:

- S=0.08(mm/vòng) với nmax =3000 (vòng/phút) => S=4(mm/s)

- Chọn bước tiến dao khi không cắt Smax =10(mm/s)

Ta tính được:

- Lực cắt Pz=22(N)

- Lực hướng tâm: Py= 13(N) (Là lực tác dụng lên phương z: Fz )

- Lực dọc trục : Px =10 (N) (Là lực tác dụng lên phương x: Fx)

a) Thiết kế quỹ đạo biến đổi theo quy luật hàm bậc 3:

* Các dữ liệu đầu vào:

- Điểm đầu M(x0; y0; z0)

- Điểm cuối N(xe; ye; ze)

- Thời điểm bắt đầu, kết thúc t0, te

b) Thiết kế quỹ đạo biến đổi theo quy luật vân tốc hình thang:

* Các thông số đầu vào:

- Điểm đầu M(x0; y0; z0)

- Điểm cuối N(xe; ye; ze)

- Thời điểm bắt đầu, kết thúc t0, te

- Vận tốc tối đa Vmax = Smax = 10 (mm)

Chương 4. PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH

4.1 Tính toán tĩnh học cho các khâu

a) Xét khâu 3:

b) Xét khâu 2:

c) Xét khâu 1:

+ Khối lượng các khâu:

m₁= 25.24 (kg); m₂=44.4 (kg); m₃ = 2.5(kg)

a₁=0.48 m,        a₂=0.7m      a3=0.11m

Chương 5. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

5.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot

a) Cơ sở lý thuyết:

Động lực học robot nghiên cứu chuyển động của robot dưới tác dụng của lực và (hoặc)

momen điều khiển (gọi chung là lực điều khiển) để thực hiện thao tác theo mục đích công nghệ hoặc phục vụ.

Động lực học thuận (dyrect dynamics): khảo sát tính toán các đại lượng đặc trưng cho chuyển

Vị trí mỗi vật rắn Bi ở trong hệ quy chiếu cố định được xác định bởi vector xác định vị trí khối tâm và ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn:

rCi = rCi(q), Ri = Ri(q) (4.1)

Trong đó: I: là ma trận tenxo quán tính của vật rắn thứ i đối với khối tâm Ci của nó ở trong hệ quy chiếu cố định.

Áp dụng bảng thông số DH:

5.2 Tính động học ngược

Từ phương trình vi phân chuyển động, ta có được phương trình động học ngược như bên dưới.

Chương 6. THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG

Các khâu của robot đều chuyển động tịnh tiến, để đạt độ chính xác cao ta chọn bộ truyền vitme - đai ốc bi cho hệ dẫn động.

6.1 Thiết kế hệ dẫn động

- Thông số đầu vào:

- Vật liệu: thép AISI-A2.

- Tiêu chuẩn: JIS

- Vận tốc phay: V = 10 mm/s.

- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0,2g =1,96 m/s2.

- Thời gian hoạt động: 2 đến 3 năm

→ thiết kế với Lt = 17520h (2năm x 365ngày x 24giờ)

- Hệ số ma sát trượt bề mặt: μ = 0,1.

- Tốc độ vòng động cơ: Nmax = 750vg/ph.

- Độ chính xác vị trí (không tải): ±0,03/1000mm

- Độ chính xác lặp : ±0,005mm

* Bước vít me:

Khi khâu 1 chạy với vận tốc v1=10 (mm/s)=600 (mm/phút)

Điều kiện làm việc: làm việc êm.

Lực chống trượt:

+ Khớp 1 : Fa1= μ(m1 + m2 + m3)g = 70.76 N          

+ Khớp 2 : Fa2 = μ(m2 + m3)g = 68.3 N

+ Khớp 3 : Fa3= μ.m3.g = 2.45 N

a) Tính toán lực dọc trục:

Các thành phần trong các công thức:

- Hệ số ma sát: μ = 0,1.

- Khối lượng tổng cộng: m= m0+ m1+ m2 + m3=185,768+25,24+44,4+2,5 = 257,9 kg

Lực chống trượt không tải:

- Khâu 1: f1 = Fa1 = 70,76 N

- Khâu 2: f2 = Fa2 = 68,3 N

- Khâu 3: f3 = Fa3 = 2,45 N

* Theo khớp 2, khi chạy với V = 10mm/s:

+ Tăng tốc: F1 = μ(m23.g + F21 ) + m23.a + f2 = 0,1.(46,9.9,8 + 72,14) + 69,64.1,96 + 68,3 = 257,97 N

+ Chạy đều: F2 = μ(m23.g + F21 ) + f2 = 0,1.(46,9.9,8 + 72,14) + 68,3 = 123,4 N

+ Lực dọc trục lớn nhất : F2m= max(F1,F2) = 257,97 N

* Theo khớp 3, khi chạy với V = 10mm/s:

+ Tăng tốc: F1 = μ(m3.g + F32 ) + m3.a + f3

= 0,1.(2,5.9,8 + 46,9) + 2,5.1,96 + 2,45 = 14,49 N

+ Chạy đều: F2 = μ(m3.g + F32 ) + f3

c) Chiều dài trục vít me:

* Khâu 1:

Chiều dài trục vít-me: L1 = tổng chiều dài thoát = 800 (mm)

* Khâu 2:

Chiều dài trục vít-me: L2 = tổng chiều dài thoát = 300 (mm)

* Khâu 3:

Chiều dài trục vít-me: L3 = tổng chiều dài thoát = 500 (mm)

d) Chọn đường kính trục vít:

* Khâu 1:

- Kiểu ổ bi là cố định – di động → f = 15,1

- Tốc độ quay vòng của động cơ 750 rpm

- L₁ = 800.

* Khâu 3:

- Kiểu ổ bi là cố định - di động → f = 15,1

- Tốc độ quay vòng của động cơ 750 rpm

- L₃ = 500 .

e) Chọn series:

Từ độ cứng yêu cầu và các yếu tố:tải trọng,đường kính,chiều dài,kích cỡ ổ bi…, ta chọn được series trong catalog của hãng TBI phù hợp cho các khâu như sau: Loại trục vít me :

+ Khâu 1: TBI 32 bước 5, mã số: SUF03210-4 có thông số như hình dưới đây.

+ Khâu 2: TBI 32 bước 5, mã số: SUF03208-4 có thông số như hình dưới đây.

6.2 Kiểm nghiệm bền cho hệ dẫn động

a) Kiểm nghiệm trục vít

* Khâu 1:

+ Khả năng tải động :

Ca1 = 3421,5 (kgf) < [Ca] = 4805 (kgf)

* Khâu 2:

+ Khả năng tải động :

Ca2 = 2859,8 (kgf) < [Ca] = 4805 (kgf)

b) Kiểm nghiệm ổ bi đỡ:

* Kiểm nghiệm khả năng tải động của ổ:

* Tính L:

- Gọi Lh là tuổi thọ của s tính bằng giờ: chọn L_h = 20000h

-  n = 750 (vg/ph) là số vòng quay của trục vít

+ Kd : là hệ số kể đến đặc tính tải trọng. Va đập nhẹ: Kd = 1

+ X ,Y : là hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục

* Lực hướng tâm: vì khối lượng khâu tịnh tiến được đỡ chủ yếu bởi rãnh mang cá, khối lượng trục vít nhỏ nên coi như ổ bi đỡ chịu lực hướng tâm gần bằng 0: F_r0=F_r1  0

* Lực dọc trục do lực hướng tâm sinh ra trên các ổ:

=> Vậy hầu như chỉ có lực dọc trục tác động lên ổ

- Tải trọng quy ước trên ổ khâu 1 và 2 là:

Q₁ = Y.F_1m.K_t.K_d = 1.308,64.1.1 = 308,64 N

Q₂ = Y.F_2m.Kt.Kd = 1.257,97.1.1 = 257,97 N

Ta chỉ cần kiểm nghiệm ở ổ bi chịu lực lớn hơn, có tải trọng động quy ước: Q = Q₀ =308,64 (N)

6.3 Chọn động cơ và khớp nối

a) Chọn động cơ:

Tính cho các trục nằm ngang (chọn cho khâu 3)

* Các dữ liệu đầu vào:

- Bước vít me khâu 3: l₃ = 5 mm

- Đường kính trục vít khâu 3: d₃= 12 mm

Dựa vào mô men tĩnh và tốc độ quay lớn nhất, chọn loai đông cơ servo AM 820AB có công suất tối đa là 0,8 KW và tốc độ quay lớn nhất là 3000 vg/ph.

b) Chọn khớp nối:

* Khâu 3:

- Momen cần truyền lớn nhất khâu 3: M=0,542 Nm

- Đường kính trục động cơ, tra Section 7-Available Motor and Accessories của ALIAM ta được ddc=15mm

- Ta sử dụng khớp nối mềm để nối trục vít me với trục động cơ (do tải trung bình)

6.4 Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền của các khâu của robot.

* Các thông số đầu vào:

- Lực tác động lên điểm tác động cuối đã được tính ở phần thiết kế quỹ đạo:

F = [F_x F_Y F_Z] = [10 0 13]^T

- Khối lượng khâu 1: m1 = 25.24 (kg)

- Khối lượng khâu 2: m2 = 44.4 (kg)

- Khối lượng khâu 3: m3 = 2.5 (kg)

Chương 7. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

7.1 Chọn quy luật điều khiển

Ta có mô hình toán học của hệ thống là hệ phương trình vi phân động học.

Và các hệ số Kv, Kp là các ma trận đường chéo vuông cấp n (n là số tham số động học của mô hình robot). Ta tìm được biểu thức đặc trưng cho hệ điều khiển vòng kín robot:

Với:

Hệ phương trình trên bao gồm các phương trình độc lập, các ma trận Kv, Kp là các ma trận đường chéo, do vậy phương trình này có thể viết riêng cho từng khớp.

Theo lí thuyết về dao động kĩ thuật, khi nhìn vào phương trình trên ta có thể nhận xét đây là phương trình dao động tự do có cản, ứng xử của hệ thống phụ thuộc vào hệ số kv_i và kp_i. Trong đó mục tiêu của chúng ta là đưa đáp ứng của hệ càng sát với giá trị mong muốn càng tốt, khoảng thời gian đạt được đáp ứng càng nhanh càng tốt.

7.2 Mô phỏng Matlab

Sơ đồ mô phỏng trên Matlab.

Bên trong khối F.

KẾT LUẬN

   Sau hơn 1 tháng chúng em đã đặt được những kế quả trong bài như sau:

- Dựa trên các phần mềm đa năng MATLAB và MAPLE đã xây dựng các chương trình tính toán động học ngược, động lực học ngược và điều khiển trượt Robot chuyển động dựa trên một phép toán.

- Tìm được mối liên hệ giữa các biến khớp và vị trí toạ độ điểm cuối từ đó xây dựng ra được quỹ đạo chuyển động thích hợp.

- Xây dựng được bài toán điều khiển và mô phỏng quỹ đạo chuyển động khâu thao tác đáp ứng tín hiệu đặt mong muốn với công cụ Simulink-SimMechanics tích hợp trên Matlab.

   Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy: PGS.TS………… đã tận tình chỉ bản để chúng em goàn thiện đồ án này./

                                                           Hà nội, ngày … tháng … năm 20….

                                                        Nhớm sinh viên thực hiện

                                                    ………………

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. PGS. TS Phan Bùi Khôi: Lập trình mô phỏng hệ thống điều khiển trong Matlab

2. PGS. TS Nguyễn Quang Hoàng: Bài giảng robotic, 2018.

3. TS Nguyễn Thành Hùng: Bài giảng lập trình mô phỏng robot và các hệ cơ điện tử, 2018.

4. PGS. TS Trịnh Quang Vinh: Giáo trình Robot Công Nghiệp (NXB Khoa học và kỹ thuật), 2008.

6. GS.TS Nguyễn Đắc Lộc: Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 2 (NXB Khoa học và kĩ thuật)

7. PGS. TS Phan Bùi Khôi: Bài giảng Robotics

8. Các video trên Youtube về Matlab Simulink.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"