MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...............1
MỤC LỤC..............2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT............ 3
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của robot .........3
1.2. Ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp........... 3
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU............ 5
2.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot........... 5
2.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác............. 5
2.3. Xác định các đặc trưng kĩ thuật của Robot........... 6
2.4. Các phương án thiết kế và chọn lựa.............7
CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT.. .........13
3.1. Đặt hệ trục tọa độ và thiết lập bảng thông số tuân theo Denavit - Hartenberg ...........13
3.2. Bài toán động học thuận Robot...........14
3.2.1. Tính các ma trận D-H...........14
3.2.2. Xác định hướng của khâu thao tác.............15
3.2.3. Xác định tọa độ điểm thao tác và vận tốc dài của điểm thao tác...........16
3.2.3. Xác định vận tốc góc các khâu so với hệ cơ sở...........17
3.2.4. Mô phỏng động học thuận.............19
3.3 Bai toán động học ngược............22
3.3.1. Động học ngược vị trí...............22
3.3.2. Động học ngược vận tốc và gia tốc............23
3.4. Thiết kế quỹ đạo chuyển động..............24
3.4.1. Lý thuyết..............24
3.4.2. Bài toán cụ thể..............26
CHƯƠNG 4: BÀI TOÁN TĨNH HỌC............. 29
4.1. Cơ sở lý thuyết ..........29
4.2. Tính toán vào mô hình robot.................31
4.2.1. Tính lực và momen ở khâu 3.......... 31
4.2.2 Tính lực và momen ở khâu 2. ............32
4.2.3. Tính lực và momen ở khâu 1..............34
CHƯƠNG 5: BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT............ 37
5.1. Lý thuyết...................37
5.2. Bài toán động lực học thuận............. 37
5.2.1. Xây dựng cấu trúc động lực học..............38
5.2.2. Tính các thành phần của phương trình Lagrange loại 2........... 39
5.3. .Bài toán động lực học ngược. ............54
CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT............... 55
6.1. Thiết kế hệ dẫn động cho khâu 2............ 55
6.2. Chọn động cơ..........55
6.3. Tính toán bộ truyền dai ..............56
6.4. Kiểm nghiệm độ bền của các khâu và cả Robot ............63
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ROBOT............. 66
7.1. Điều khiển phản hồi và điều khiển vòng kín.............. 66
7.2. Bộ điều khiển PD...............67
7.3. Đáp ứng của hệ.............69
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............76
LỜI MỞ ĐẦU
Nền khoa học kĩ thuật này nay đang phát triển rất mạnh mẽ, dẫn tới những thay đổi lớn lao trong sản xuất. Đó là sự thay đổi lực lượng sản xuất trong mọi ngành nghề bằng việc thay sức lao động của con người bằng máy móc, nhằm đảm bảo tăng năng suất lao động, sản lượng cũng như chất lượng sản phẩm. Do đó việc sử dụng các tay máy hay còn gọi là Robot công nghiệp vào trong sản xuất đang rất được ưa chuộng bởi vì chúng đáp ứng được các yêu cầu trên. Như chúng ta đã biết Robot có rất nhiều ưu điểm đặc biệt là chất lượng và độ chính xác, ngoài ra còn phải kể đến hiệu quả kinh tế cao. Có thể làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được, các công việc yêu cầu cẩn thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng tinh tế đòi hỏi trình độ của thợ bậc cao, và quan trọng là Robot không bị căng thẳng như con người nên có thể làm việc cả ngày.
Trong khuôn khổ môn học Lập trình mô phỏng robot và các hệ cơ điện tử với đề tài tài “Đề xuất dự án tính toán thiết kế Robot ứng dụng trong công nghệ hàn”, nhóm tin tưởng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán cũng như thiết kế Robot trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệm quan trọng cho việc làm quen, tính toán thiết kế một loại robot trong tương lai cho sinh viên . Giúp Sinh viên có những kiến thức tổng quan nhất về robot , biết cách thiết kế, tính toán và lập trình theo modun một Robot hoàn chỉnh có chức năng nhất định.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy: PGS.TS ……………. Cảm ơn thầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình hoàn thành bài tập lớn. Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ giúp chúng em tự tin hơn trong cách thức tiếp cận nền công nghiệp hiện nay. Mặc dù đã có sự chuẩn bị nhưng những kiến thức chúng em đề cập đến trong bài thuyết minh này còn thiếu sót. Em rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa để bài thuyết minh hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khỏe!
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1. Lịch sử hình thành và 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 này, 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.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool).
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.
Một trong những Robot Công nghiệp đầu tiên được chế tạo là Robot Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate (1900) được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô.
1.2. Ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp
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.
Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội…
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU
2.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot.
Robot ngày càng được sử dụng nhiều trong các công việc gia công cơ khí. Chúng được dùng để thực hiện tự động các công việc thủ công. Robot thực hiện rất tốt các thao tác lặp đi lặp lại, gia công hàng loạt chi tiết với các thao tác như nhau , giải phóng con người khỏi các công việc nhàm chán đó.
2.2.1. Phân tích và lựa chọn cấu trúc
2.2.1.1. Phân tích mục đích ứng dụng của robot
Robot ngày càng được sử dụng nhiều trong các công việc gia công cơ khí. Chúng được dùng để thực hiện tự động các công việc thủ công. Robot thực hiện rất tốt các thao tác lặp đi lặp lại, gia công hàng loạt chi tiết với các thao tác như nhau , giải phóng con người khỏi các công việc nhàm chán đó. Trong gia công hàn cũng vậy một quá trình hàn gồm nhiều thao tác lặp đi lặp lại trên những chi tiết giống nhau sẽ thích hợp để tự động hóa.
2.2.1.2. Phân tích yêu cầu kĩ thuật thao tác
a) Đối tượng thao tác :
- Dạng thao tác là hàn 2 chi tiết giáp mối bằng kim loại kích cỡ ( xxx)
- Chi tiết được định vị, gá kẹp cố định trên bàn gia công sao cho 2 mối hàn cần gia công song song với mặt phẳng ngang.
- Bút hàn được gắn vào khâu cuối của robot, robot sẽ đưa bút hàn chạy theo vị trí phôi cần hàn.
d) Yêu cầu vận tốc gia tốc khi thao tác
e) Yêu cầu về khâu thao tác: Không gian thoáng đãng không gò bó đảm bảo an toàn lao động trong khi thao tác
2.2.1.3. Xác định thông số đặc trưng kĩ thuật
a) Số bậc tự do cần thiết ít nhất 3 bậc tự do: 2 bậc để xác định tọa độ điểm trong mặt phẳng, 1 bậc để xác định chiều cao trong không gian, giữ khoảng cách từ đầu 2 bậc để xác định tọa độ điểm trong mặt phẳng, 1 bậc để xác định chiều cao trong không gian, giữ khoảng cách từ đầu
b) Vùng làm việc có thể với tới của robot: Khâu cuối cùng của robot phải đảm bảo chạm tới vật cần thao tác
c) Yêu cầu về tải trọng: Không có
2.2.2. Các phương án thiết kế cấu trúc robot
Các phương án thiết kế Robot đề xuất:
a) Phương án 1: Robot 2 bậc tự do
b) Phương án 2: Robot 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến
d) Phương án 4: Robot 3 bậc tự do, 2 chuyển động quay và 1 tịnh tiến
- Ưu điểm : Robot hoạt động khá linh hoạt, thao tác tốt, dễ tiến hành gia công và tính toán, phù hợp với yêu cầu.
- Nhược điểm: Vùng hoạt động chưa rộng.
2.2. Thiết kế mô hình 3D
2.2.1. Kích thước vật gia công
Với 2 miếng kim loại cỡ 100x80x10 mm
Bảng khối lượng các khâu trong robot.
2.2.2. Không gian làm việc của Robot
Giới hạn làm việc của các biến khớp trong khoảng -110 đến 1100
CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT
3.1. Đặt hệ trục tọa độ và thiết lập bảng thông số tuân theo Denavit - Hartenberg
Đối với các Robot công nghiệp, Denavit – Hartenberg (1995) đã đưa ra cách chọn các hệ trục tọa độ có gốc tại khớp thứi như sau:
- Trục zi-1 được chọn dọc theo trục của khớp động thứ i.
- Trục xi-1 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của hai trục zi-2 và zi-1, hướng đi từ trục zi-2 sang zi-1. Nếu trục zi-1 cắt trục zi-2 thì hướng của trục xi-1
được chọn tùy ý, miễn là vuông góc với zi-1. Khi hai trục zi-1 và zi-2 song song với nhau, trục xi-1 chọn hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được.
Vị trí của hệ tọa độ khớp (Oxyz)i đối với hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 được xác định bởi bốn tham số Denavit- Hartenberg , di , ai .
3.2. Bài toán động học thuận Robot
Đối với bài toán động học thuận, vị trí, vận tốc, gia tốc các biến khớp xem như đã biết, cần tìm vị trí, vận tốc, gia tốc của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định.
Vị trí của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định được xác định bởi các tọa độ thao tác gồm các tọa độ định vị điểm tác động cuối và hướng của khâu thao tác.
3.2.1 Tính các ma trận D-H
Ma trận của phép biến đổi hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 sang hệ tọa độ (Oxyz)i kí hiệu là i-1Ai
Thay các giá trị trong bảng tham số Denavit - Hartenberg vào công thức 4.1 ta được các ma trận biến đổi Denavit - Hartenberg giữa các hệ trục tọa độ như sau:
+ Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H khâu 1 đối với khâu 0: 0A1
Ma trận 0 A3 cho ta biết hướng và vị trí của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định hay nói cách khác là vị trí của điểm tác động cuối và hướng của hệ tọa độ động gắn vào khâu tại điểm tác động cuối trong hệ tọa độ cố định. Vì thế nó còn được biểu diễn qua thông số các biến khớp ta tạm gọi là qi. Trong bài toán cụ thể thì nó là các khớp xoay θi, với i=1÷3. Khi đó, ma trận (*) được kí hiệu thành 0 A3 (q )
3.2.2. Xác định tọa độ điểm thao tác và vận tốc dài của điểm thao tác
Từ đó ta có phương trình động học ROBOT có dạng 0A3(q)=0An(t). Với n=3 vì cơ cấu Robot có 3 khâu động.
0A3(q)=0An(t)
3.2.3. Xác định vận tốc góc các khâu so với hệ cơ sở
a) Vận tốc góc khâu 1:
b) Vận tốc góc khâu 2:
c) Vận tốc góc khâu 3:
CHƯƠNG 4: BÀI TOÁN TĨNH HỌC
4.1. 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 véc tơ lực FE,3 và momen ME,3. Tính lực (và mômen) tác động vào các khớp để đảm bảo robot cân bằng tĩnh.
Chú ý:
+ các lực, mô men, các krii-1 , krici biểu diễn trong cùng hệ tọa độ (hệ tọa độ cơ sở hoặc hệ tọa độ khâu), ký hiệu bởi chữ số “k”.
+ Sử dụng ma trận D-H để chuyển đổi, tính toán giữa các hệ tọa độ.
4.2. Tính toán vào mô hình robot
- Ta có các số liệu :
+ Chiều dài các khâu a1 = 125 mm, a2 = 225 mm,
+ Khoảng cách các hệ tọa độ: d1 = 270 mm, d2 = 40 mm
+ Khối lượng các khâu động: m1= 4.44 kg, m2 = 6.3 kg, m3 = 1.57 kg (do đầu dao gắn chặt với khâu 3)
CHƯƠNG 5: BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT
5.1. Lý thuyết
Gồm hai bài toán:
- Bài toán động lực học thuận:
Dưới tác dụng của lực/momen điều khiển đã biết, tìm:
+ Các đại lượng đặc trưng về vị trí và hướng của khâu thao tác cùng với các đạo hàm của chúng (biểu diễn vận tốc, gia tốc dài, vận tốc góc, gia tốc góc).
5.2. Bài toán 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 Lagrange loại 2 dạng ma trận có dạng tổng quá.
Để thuận tiện cho tính toán ta dùng dạng ma trận của phương trình Lagrange loại 2
Các bước khảo sát phương trình Lagrange loại 2
6.3. Bài toán động lực học ngược
Cho trạng thái chuyển động của robot, vị trí, vận tốc, gia tốc đã biết, cần xác định :
+ Lực/momen điều khiển
Áp dụng kết quả của bài toán đông lực học thuận ta có phương trình động lực học ngược.
CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT
6.1.Thiết kế hệ dẫn động cho khâu 2
Khâu 2 có các thông số:
Môn men Max : M2=22.2 N.m
Tốc độ góc Max : w2=0.47 rad/s
6.2. Chọn động cơ
Ta có công suất động cơ tính toán :
Mặt khác ta có bảng chọn động cơ như bảng.
Để thỏa mãn điều kiện công suất chọn động cơ : DS-42RP7750243600-125K
Từ đó có :
Pdc=P1 =14.4 w và ndc= n1 =24.5 vòng/phút
6.3. Tính toán bộ truyền dai
Có công suất động cơ : P1=14,4 W
Tốc động quay động cơ : n1 =24.5 vòng/phút
Tốc độ quay khâu 2 : n2=4,5 vòng/phút
Tỉ số truyền : u = 6
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
Đường kính vòng chia của các bánh đai:
d1= m.z1= 24 mm, d2=m.z2=144 mm
* Chọn ổ bi đỡ chặn:
Hệ số khả năng làm việc tính theo công thức 11.1 TKHDĐCK.
+ V: hệ số kể đến vòng nào quay, ở đây ta chọn vòng trong quay V=1.
+ kt: hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ, kt = 1.
+ kđ: hệ số kể đến đặc tính tải trọng. dựa vào bảng 11.3 TTTKHDĐCK do tải trọng tĩnh va đạp nhẹ nên ta chọn kđ= 1
+ X,Y: hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục. Với ổ bi đỡ chặn một dãy có góc tiếp xúc α = 26o (đối với kiểu 46000) có X= 0,41, Y= 0,87.
Dựa vào bảng P2.12 TKHDĐCK ta chọn ổ bi đỡ chặn một dãy cỡ trung hẹp, kí hiệu ổ 1000900 có: C= 2,62 kN.
6.4. Kiểm nghiệm độ bền của các khâu và cả Robot
Chọn vật liệu thép cacbon có khối lượng riêng , có ứng suất cho phép
Dưới đây là ứng suất, chuyển vị của từng khâu sau khi đặt lực:
- Khâu 3 : Gắn cố định với đầu thao tác có gắn dao có khối lượng =0.35 kg suy ra chịu lực: P =3.5N
- Khâu 2 : Chịu lực P = 15.7N
- Kiểm nghiệm độ bền cả kết cấu Robot.
Từ mô phỏng ta thấy các ứng suất lớn nhất trên các khâu đều nhỏ hơn ứng suất cho phép rất nhiều nên Robot có thể đảm bảo độ bền, đồng thời chuyển vị cũng nhỏ, không đáng kể so với kích thước của Robot.
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
7.1. 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.
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 5.1. Theo đó, tín hiệu phản hồi được sử dụng để tính toán sai lệch giữa vị trí e và sai lệch vận tốc ev
7.2. Bộ điều khiển PD
Ở đây ta chọn các hệ số trên để đáp ứng của hệ là đáp ứng tới hạn.
Mô phỏng trên simulink.
7.3. Đáp ứng của hệ
Đáp ứng về góc quay và vị trí tại các khớp của robot lần lượt tại khớp 1, khớp 2, khớp 3 được mô phỏng như sau (đường màu đỏ là tín hiệu đặt, đường màu xanh là tín hiệu thực)
Đáp ứng về vị trí các khâu được mô phỏng như các hình dưới.
KẾT LUẬN
Trên đây là toàn bộ phần báo cáo của nhóm chúng em về đề tài “Đề xuất dự án tính toán thiết kế Robot ứng dụng trong công nghệ hàn”. Nhóm đã đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế cho mô hình robot với đối tượng gia công là các chi tiết kim loại nhỏ có bề mặt phẳng được gá đặt, định vị trên bề mặt nằm ngang.
Trên cơ sở đối tượng và mô hình robot đã lựa chọn, nhóm đã thực hiện đầy đủ các bước: Phân tích lựa chọn cấu trúc, giải bài toán động học, giải bài toán tĩnh học, tính toán động lực học, thiết kế hệ dẫn động, kiểm bền các khâu, khớp và thiết kế hệ thống điều khiển cho robot. Bên cạnh đó có ứng dụng phần mềm Maple, Matlab, Soldwork trong việc hỗ trợ giải các bài toán trên. Từ đó đã tính toán thiết kế mẫu Robot đáp ứng được yêu cầu đặt ra ở mức cơ bản.
Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện, dù đã được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy: PGS.TS ……………., nhưng do hạn chế về kiến thức, 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"