MỤC LỤC
MỤC LỤC……………………………………………………………………………….…………………….…..…5
LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………..………………………………….……………………......6
CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN CẤU TRÚC VÀ THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT..……….….….7
1.1. PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH ỨNG DỤNG CỦA ROBOT.…………………….…………………….……….....7
1.2. PHÂN TÍCH YÊU CẦU KỸ THUẬT THAO TÁC..…………………….…………………….…………...….7
1.3. XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT.…………………….…………………….…………………..............7
1.4. CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CẤU TRÚC ROBOT, LỰA CHỌN CẤU TRÚC CÁC KHÂU KHỚP......8
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT..…………………….…………………….…………………....9
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG..…………………….…………………….…………….9
3.1. KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC THUẬN, ĐỘNG HỌC NGƯỢC.…………………….…………………..…..…14
3.2. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG TRONG KHÔNG GIAN THAO TÁC………………........…….20
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH CỦA ROBOT..…………………...................................….22
4.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.…………………….…………………….…………………….……………..…..…….22
4.2. BÀI TOÁN THỰC TẾ …………………….…………………….…………………….…………..…….…….23
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC..…………………….…………………….……….….……...….27
5.1. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC.…………………….…………………….……….….….…….27
5.2. ĐỘNG LỰC HỌC THUẬN..…………………….…………………….…………………….…….…..….….28
5.3. ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC..…………………….…………………….…………………….……...…...….34
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CHO ROBOT..…………………….………………….……...…….37
6.1. THIẾT KẾ CHO KHÂU 3.…………………….…………………….…………………….……….…..…..….37
6.2. THIẾT KẾ CHO KHÂU 2 VÀ KHÂU 1.…………………….…………………….……………....…...…….42
6.3. MÔ PHỎNG 3D VÀ KIỂM NGHIỆM BỀN CÁC KHÂU ROBOT………………………………......….….37
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN..…………………….…………………….…….…...…....46
7.1. CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH HỢP, THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN …………………...…..….46
7.2. MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB..…………………….…………………….………..…..….….48
KẾT LUẬN………………………………………………...………....…......................................................….50
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………....................................................…..…..….51
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới là những tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa sản xuất. Một trong những thành tựu nổi bật của quá trình tự động hóa là những cánh tay Robot. Những Robot từ đơn giản đến phức tạp, đã đóng góp rất nhiều trong việc thay thế con người ở môi trường làm việc cường độ cao, độc hại và đòi hỏi độ chính xác cao.
Để có thể phát triển và ứng dụng Robot rộng rãi trong sản xuất, bên cạnh những kiến thức về điện, điện tử,…thì việc nghiên cứu và tính toán động học, tính toán thiết kế và điều khiển Robot là một yếu tố rất quan trọng làm cơ sở nền tảng cho việc chế tạo Robot.
Trong đồ án môn học Tính Toán Thiết Kế Robot với đề xuất “Tính toán, thiết ế robot uất ứng dụng viết chữ” nhóm chúng em chia thành các chương:
Chương I: Trình bày tổng quan về Robot.
Chương II: Phân tích, lựa chọn cấu trúc và thiết kế 3D mô hình Robot.
Chương III: Thiết kế quỹ đạo chuyển động.
Chương IV: Phân tích trạng thái tĩnh của Robot.
Chương V: Tính toán động lực học.
Chương VI: Thiết kế hệ thống dẫn động.
Chương VII: Thiết kế hệ thống điều khiển.
Nhóm xin 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 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 con sai sót và chưa đúng. Nhóm rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa để bài làm được hoàn thiện.
Chúng em chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khoẻ!
CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN CẤU TRÚC VÀ THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT
1.1. PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH ỨNG DỤNG CỦA ROBOT
Mục đích của robot là nhằm góp phần nâng cao năng suất của dây truyền sản xuất, giảm công sức lao động của con người, đồng thời robot còn có thể hoạt động trong môi trường có điều kiện không thuận lợi. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào khả năng của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, làm việc với độ chính xác cao, làm việc theo chu trình lặp đi lặp lại…
1.2. PHÂN TÍCH YÊU CẦU KỸ THUẬT THAO TÁC
1.2.1. Đối tượng thao tác, dạng thao tác
a. Đối tượng thao tác:
Bút (kích thước 145x10x10 (mm))
b. Dạng thao tác
Khâu thao tác dùng bulông để kẹp chặt bút
1.2.2. Phân tích yêu cầu về vị trí
Robot cần đảm bảo yêu cầu về vị trí như sau:
- Vị trí xa nhất theo phương của trục X là 200 (mm)
- Vị trí xa nhất theo phương của trục Y là 300 (mm)
- Vị trí xa nhất theo phương của trục Z là 300 (mm)
1.2.3. Yêu cầu về hướng của khâu thao tác và không gian thao tác
Phương của khâu thao tác phải trùng với phương của lỗ bắt bulông.
1.2.4. Yêu cầu về vận tốc và gia tốc
Quá trình đưa bulông vào nắp máy yêu cầu vận tốc không đổi.
1.3. XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT
1.3.1. Số bậc tự do cần thiết
Yêu cầu của robot là làm việc được trong không gian nên cần có 3 bậc tự do chuyển động. Và để Robot có thể viết chữ theo phương của trục Z thì khâu thao tác phải luôn hướng dọc theo trục của khớp nối, vì vậy bậc tự do cuối cùng phải là bậc tịnh tiến.
1.3.3. Yêu cầu về tải trọng
Không yêu cầu về tải trọng do khối lượng của bút không đáng kể, chỉ cần chống được rung lắc cho Robot trong quá trình gia công.
1.4. CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CẤU TRÚC ROBOT, LỰA CHỌN CẤU TRÚC CÁC KHÂU KHỚP
Như đã đề cập phía trên, để Robot hoạt động trong không 3 chiều thì ta cần ít nhất 3 bậc tự do. Và phương của lỗ bắt bulông trùng với phương của trục Z (trong hệ toạ độ Oxyz) nên ta chọn khâu tác động cuối là khâu tịnh tiến. Như vậy 2 khâu còn lại phải chuyển động được trong mặt phẳng xOy nên a chọn 2 khớp quay (có trục Z của 2 khớp quay vuông góc với mặ phẳng xOy).
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT
2.1 THIẾT KẾ 3D
Các đặc trung kỹ thuật như bảng 2.1 và 2.2.
Hình tổng thể toàn bộ robot như hình dưới.
Mô hình gồm các khâu nhưu sau:
a. Khâu 1:
- Hình 3D khâu 1
- Bản vẽ 2D khâu 1
b. Khâu 2:
- Hình 3D khâu 2 :
- Bản vẽ 2D khâu 2
d. Khâu 0
- Hình 3D khâu 0
- Bản vẽ 2D khâu 0
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
3.1. KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC THUẬN, ĐỘNG HỌC NGƯỢC
3.1.1. Khảo sát động học thuận
Như hình dưới.
Bảng D-H: Như bảng dưới.
Vận tốc góc từng khâu: T là ma trận chuyển vị
3.1.2. Khảo sát động học ngược
Tọa độ khâu cuối E:
Ứng dụng matlab vẽ đồ thị
3.2. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG TRONG KHÔNG GIAN THAO TÁC
Thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot đi từ điểm A (xA, yA, zA) đến điểm B (xB, yB, zB) trông khoảng thời gian tf = 1 (s).
Để thỏa mãn điều kiện về quỹ đạo và vận tốc, ta thiết lập quan hệ x = x(t).
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH CỦA ROBOT
4.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Xét khâu thứ i:
- Lực do khâu i-1 tác dụng lên khâu i khớp thứ i trong hệ toạ độ cơ sở.
- M omen do khâu i-1 tác dụng lên khâu i ở khớp thứ i trong hệ toạ độ cơ sở.
- Trọng lực của khâu thứ i trong hệ toạ độ cơ sở.
- Vector có gốc O0 nối với Oi trong hệ toạ độ cơ sở.
- Ma trận quay biến đổi đến hệ toạ độ 0 đến hệ toạ độ i.
- Vector có gốc Oi-1 nối với Oi trong hệ toạ độ khâu i.
- Vector có gốc O0 nối với Ci trong hệ toạ độ cơ sở.
- Vector có gốc Oi nối với Ci trong hệ toạ độ khâu i.
4.2 BÀI TOÁN THỰC TẾ
- Xét câu 3:
- Xét khâu 2:
- Xét khâu 1:
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
5.1. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
Lưu đồ thuật toán động lực học thể hiện như swo đồ dưới.
5.2. ĐỘNG LỰC HỌC THUẬN
a. Xác định các thông số động học
Toạ độ khối tâm so với hệ quy chiếu cố định.
b. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho Robot
M(q) : ma trận khối lượng suy rộng.
G(q) : ma trận đặc trưng cho các lực có thế tác dụng vào robot
Q : ma trận đặc trưng cho các ngoai lực không thế tác dụng vào Robot
U : ma trận các lực và moment điều khiển.
Ma trận khối lượng suy rộng M(q):
Chiếu lên trục Z với gốc thế năng tại gốc khâu 0 có chiều hướng lên.
Giả thiết khâu thao tác cuối E chịu tác dụng của ngoại lực F3 và momen M3.
5.3. ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC
Bài toán động lực học ngược:
Trạng thái chuyển động của robot, vị trí, vận tốc, gia tốc đã biết, cần xác định:
Lực / momen điều khiển:
Dựa vào vị trí, vận tốc, gia tốc đã biết ở phần 3.2 biến thiên theo thời gian, ta sử dụng matlab simulink để tìm được lực / momen điều khiển robot.
Ta được kết quả như hình dưới.
CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CHO ROBOT
6.1 THIẾT KẾ CHO KHÂU 3
Khâu 3 chuyển động tịnh tiến, để đạt độ chính xác cao ta chọn bộ truyền vít me - đai ốc bi cho hệ dẫn động. Tính toán, thiết kế bộ truyền vít me - đai ốc cho khâu 3. Từ đó tiến hành chọn động cơ.
6.1.1. Tính toán thiết kế bộ truyền vítme-đai ốc
6.1.1.1. Chọn vật liệu
- Vít: nhiệt luyện từ thép tôi 40CrMn
- Đai ốc: để giảm ma sát và mòn ren sử dụng đai ốc được chế tạo từ đồng thanh nhôm - sắt (ƂpAҖ 9-4)
6.1.1.2. Tính toán thiết kế
a. Đường kính trung bình ren
Fa : lực dọc trục = 105(N) (giá trị lớn nhất xác định trong bài toán tĩnh học.
d1 ≥ 1,4 (mm). Chọn d1 = 16mm.
b. Chọn thông số của vítme và đai ốc :
Đường kính bi: db = (0.08÷0.15) d1
=> Chọn db = 2(mm)
Bước vít p = db + (1÷5) = 2+ 2=4 (mm)
=> Chọn p =4 (mm)
Bán kính rãnh lăn : r1 = (0,51÷0,53) db = 0,51.2 = 1,02 (mm)
β : góc tiếp xúc (chọn góc 45o để độ cứng dọc và khả năng tải của vít tăng)
Đường kính vòng tròn qua các tâm bi:
Dtb = d1+ 2.(r1 - c) = 18,01 (mm)
Đường kính trong của ren đai ốc:
D1 = Dtb + 2(r1 - c) = 20,02 (mm)
Chiều cao làm việc của ren:
h1 = (0.3÷0.35) db = 0,33.2= 0,66 (mm) => Chọn h1= 1 (mm)
Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D
d = d1+ 2.h1 = 18 (mm)
D = D1- 2.h1 = 16,02 (mm)
Khe hở hướng tâm:
Δ = D1-(2db+d1) = 20,02-(2.2+16) = 0,02mm
Với hệ số ma sát lăn ft = 0,005
Tính kiểm nghiệm về độ bền:
Tải trọng riêng dọc trục: qa = 0,54
Với λ = 0,8: hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi.
5.1.2. Chọn động cơ cho khâu 3
Số vòng quay lớn nhất của bộ truyền vít me - đai ốc: n = 1500 vg/ph
Công suất khâu 3: P3 = 0,1008.100π = 31,67 W
6.2 THIẾT KẾ CHO KHÂU 2 VÀ KHÂU 1
Vận tốc góc khâu 1 có giá trị cực đại: ω1max= 0,3142 (rad/s)
Vận tốc góc khâu 2 có giá trị cực đại: ω2max= 0,6283(rad/s)
=>Chọn tốc độ quay của khớp: n1 = 10 vg/ph, n2 = 10vg/ph,n3=10vg/ph. Do kết cấu của robot lựa chọn hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳng tỉ số truyền u = 4
Ta có:
max = 27,5 (Nm)
max = 66,87 (Nm)
P2 max = 42,01(W)
P1 max = 80,07(W)
6.4 MÔ PHỎNG 3D VÀ KIỂM NGHIỆM BỀN CÁC KHÂU ROBOT
Dùng phần mềm Solidwork để tiến hành kiểm nghiệm bền cho Robot
Kiểm nghiệm các khâu với vật liệu thép AISI 1045S:
- Khối lượng riêng: D = 7850 (kg/m3)
- Module đàn hồi: E = 2,05.1011 (N/m2)
- Giới hạn bền: σb = 530 (MPa
Ta đc kết quả như sau:
- Ứng suất tác dụng lên khâu đế:
- Ứng suất tác dụng lên khâu 1:
- Ứng suất tác dụng lên khâu 2:
- Ứng suất tác dụng lên khâu 3:
Nhận xét:
Điểm tập trung ứng suất lớn nhất là ở vùng khớp nối giữa khâu 1 và khâu 2 : σmax = 24,86 < [σb] = 530 MPa
= > Kết cấu đủ bền khi làm việc .
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
7.1 CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH HỢP, THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
Ở những phần trước ta đã tiến hành 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 đúng các chuyển động mong muốn.
Xuất phát trực tiếp từ hệ phương trình vi phân chuyển động đã được nghiên cứu trong phần động lực học robot. Phương pháp điều khiển áp dụng là phương pháp điều khiển lực (momen).
Chúng ta phải xét xem cấu trúc của bộ điều khiển như thế nào thì có thể đáp ứng mục tiêu thiết kế. Trước 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 Kv, Kp là các ma trận đường chéo vuông cấp n (n là tham số động học của mô hình robot), ở mô hình robot này n=3.
Theo lý thuyết về dao động kỹ thuật, đây là phương trình dao động tự do có cản, ứng xử với hệ thống phụ thuộc vào hệ số và . Trong đó mục tiêu của chúng ta là đưa ra đáp ứng của hệ càng sát với giá trị mong muốn càng tốt, khoảng thời gian đạt được đáp ứng càng nhanh càng tốt. Giá trị và được tím ra bằng cách thử nghiệm trên mô hình simulink để đảm bảo yêu cầu.
Từ nội dung trên ta có thể xây dựng được sơ đồ khối của mô hình hệ thống như hình dưới.
Từ sơ đồ trên có thể nhận thấy rằng chúng ta đang điều khiển hệ thống trong không gian khớp theo thời gian. Tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi đều tương ứng với từng khớp (vị trí, vận tốc, gia tốc).
7.2 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển như hình dưới.
Thông số đầu vào (quỹ đạo):
Khối điều khiển :
Khối tín hiệu ra:
Ta được kết quả như sau:
+ Quỹ đạo và vận tốc khâu 1:
+ Quỹ đạo và vận tốc khâu 2:
+ Quỹ đạo và vận tốc khâu 3:
Nhận xét:
Bộ điều khiển đã dáp ứng được yêu cầu đề ra
Thời gian đáp ứng, bám quỹ đạo rất tốt( dưới 1s). .
KẾT LUẬN
Trên đây là phần báo cáo của nhóm về đề tài “Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng viết chữ”.
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
1./………………
2./………………
3./………………
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"