MỤC LỤC
MỤC LỤC..............................................................................................................................................................3
1. Phân tích lựa chọn cấu trúc...........................................................................................................................4
1.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot...............................................................................................................4
1.2. Phân tích yêu cầu kĩ thuật khâu thao tác........................................................................................................4
1.3. Xác định đặc trưng kĩ thuật.............................................................................................................................5
1.4. Các phương án thiết kế cấu trúc Robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện.....6
1.5.Thông số kỹ thuật: Robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác...............................................................10
2. Thiết kế 3D mô hình Robot............................................................................................................................11
2.1 Thiêt kế mô hình 3D.......................................................................................................................................11
2.2. Lập bản vẽ 2D. ............................................................................................................................................12
2.3. Lập hồ sơ kĩ thuật.........................................................................................................................................14
2.4. Xác định các thông số đặc trưng hình học, khối lượng................................................................................14
3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động.....................................................................................................................15
3.1. Khảo sát động học thuận..............................................................................................................................15
3.2. Khảo sát động học ngược............................................................................................................................18
3.3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot theo mục đích ứng dụng............................................................19
4. Phân tích trạng thái tĩnh học Robot.............................................................................................................27
5. Tính toán động lực học.................................................................................................................................29
5.1 Tính biểu thức thế năng:................................................................................................................................36
5.2 Thiết lập phương trình động lực học..............................................................................................................37
6.Thiết kế hệ dẫn động......................................................................................................................................38
6.1. Thiết kế hệ dẫn động cho khâu 2..................................................................................................................38
6.2. Tính toán chọn động cơ khâu 2....................................................................................................................38
6.3. Tính toán bộ truyền đai thang cho khâu 2....................................................................................................40
6.4.Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền các khâu của Robot..................................................................................42
7. Thiết kế hệ thống điều khiển........................................................................................................................44
7.1. Tổng quan....................................................................................................................................................44
7.2 Mô hình bộ điều khiển...................................................................................................................................46
7.3. Mô phỏng và kết quả....................................................................................................................................49
KẾT LUẬN..........................................................................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................................52
Nội dung 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.
1. Phân tích lựa chọn cấu trúc.
1.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot.
Robot được ứng dụng trong công việc vận chuyển chi tiết đúc từ máy công nghệ sang vị trí tháo khuôn. Nhằm giảm thiểu rủi ro lao động nhất là trong điều kiện làm việc độc hại như khi thực hiện đúc các chi tiết, giúp đỡ con người những công việc nặng nhọc. Ngoài ra việc sử dụng robot giúp thúc đẩy quá trình tự động hóa và bán tự động hóa qua đó giúp ổn định sản phẩm đầu ra và nâng cao năng suất lao động.
1.2. Phân tích yêu cầu kĩ thuật khâu thao tác.
a) Đối tượng thao tác, dạng thao tác.
Đối tượng thao tác: chi tiết đúc dạng trụ tròn.
- Kích thước 150x200 (mm)
- Khối lượng m= 28 kg
Dạng thao tác: gắp vật, chỉ quan tâm đến các vị trí khi gắp và thả đối tượng (điểm-điểm)
d) Yêu cầu về vận tốc gia tốc khi thao tác.
Vận tốc, gia tốc phù hợp sao cho thỏa mãn thời gian yêu cầu khi thực hiện thao tác. Mỗi chu trình làm việc khoảng từ 5-7 (s), cần sự ổn định và chính xác, không thay đổi đột ngột dẫn đến rơi đối tượng.
e) Yêu cầu về không gian thao tác.
Không gian thao tác cần phải bao quát được vị trí gắp chi tiết (Phôi đúc) và vị trí tháo khuôn. Không gian thao tác phụ thuộc vào chiều dài các khâu và độ linh hoạt của các khớp.
1.3. Xác định đặc trưng kĩ thuật.
a) Số bậc tự do cần thiết.
Để thực hiện gắp chi tiết đúc từ máy công nghệ đến vị trí tháo phôi cần ít nhất Robot 2 bậc tự do. Nhưng để có thể linh hoạt đồng thời đáp ứng yêu cầu bài toán. Lựa chọn Robot 3 bậc tự do.
c) Yêu cầu về tải trọng.
Đối tượng có khối lượng trong phạm vi an toàn của Robot, đảm bảo độ cứng vững, độ bền uốn khi đưa chi tiết ra xa.
1.4. Các phương án thiết kế cấu trúc Robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện.
a) Phương án 1: Cấu hình Robot RRR.
Robot 3 bậc tự do quay theo trục Z. Sử dụng cơ cấu tay kẹp để gắp chi tiết từ vị trí phôi đúc đến vị trí tháo khuôn. Việc sử dụng cơ cấu RRR có ưu điểm là không gian thao tác rộng, di chuyển linh hoạt, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trên toàn không gian làm việc. Thế nhưng đối với cấu hình Robot này cũng có những nhược điểm nhất định như khó khăn trong việc tính toán và thiết kế, lực kẹp khó vuông góc với chi tiết, khi gắp những chi tiết có dạng trụ tròn như phôi đúc đã chọn thì dễ xảy ra hiện tượng rơi hoặc gắp trượt.
b) Phương án 2: Cấu trúc Robot TRR.
Robot 3 bậc tự do gồm 1 bậc tịnh tiến và 2 khớp quay. Khâu 1 tịnh tiến theo trụ Z, khâu 2 và khâu 3 quay quanh trục Z. Đối với phương án cấu trúc này thì có những ưu điểm là dễ dàng thực hiện với đối với đối tượng nằm trên mặt phẳng, kết cấu đơn giản linh hoạt.
d) Phương án 4: Cấu trúc Robot RRT. (lựa chọn cấu trúc này)
Robot RRT hay còn tên gọi khác là Robot Scara gồm 3 khâu với khâu 1,2 quay quanh trục Z, khâu 3 tịnh tiến theo trục z. Sử dụng cơ cấu tay gắp để gắp vật. Với việc sử dụng cấu trúc này thì có những ưu điểm là kết cấu đơn giản, có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đông đều trên toàn không gian làm việc, linh động, lực kẹp vuông góc với chi tiết giúp tăng độ cứng vững khi vận chuyển chi tiết. Đới với trường hợp gắp chi tiết từ máy công nghệ đến vị trí tháo phôi thì cấu trúc này có thể thực hiện dễ dàng và nhanh chóng thao tác gặp vật.
1.5. Thông số kỹ thuật: Robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác.
Robot gắp chi tiết đúc 3 bậc tự do gồm 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến.
Đối tượng gắp: Khuôn đúc vỏ máy bơm
Nguồn động lực: động cơ điện
2. Thiết kế 3D mô hình Robot.
2.1 Thiêt kế mô hình 3D.
Mô hình 3D được thiết kế trên phần mềm Solidwork:
Khâu 0: Đế (Thân Robot)
Khâu 1: (Cánh tay 1)
Khâu 2: (Cánh tay 2)
Khâu 3: (Tay gắp)
2.3. Lập hồ sơ kĩ thuật.
Như các bản vẽ thiết kế
2.4. Xác định các thông số đặc trưng hình học, khối lượng.
Robot sử dụng vật liệu là thép C45. Sử dụng phần mềm Solidwork tính toán được khối lượng và tenxơ quán tính của từng khâu.
- Khối lượng khâu 0: 148,7 (kg) , l0 = 1 (m)
- Khối lượng khâu 1: 48 (kg), l1 = 0,2 (m)
- Khối lượng khâu 2: 122 (kg), l2 = 0,6 (m)
- Khối lượng khâu 3: 43 (kg), l3 = 0,45 (m)
3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động.
3.1. Khảo sát động học thuận
Ta có bảng DH của Robot như bảng dưới.
3.2. Khảo sát động học ngược
Động học ngược giải quyết bài toán xác định các biến khớp khi biết vị trí tay Robot. Tính toán theo phương pháp giải thích, từ ma trận tọa độ khâu cuối có:
px2 = a12. C12 + a22. C122 + 2. a1. a2. C1. C12
py2 = a12. S12 + a22. S122 + 2. a1. a2. S1. S12
Từ đó tính được góc 02
02= atan2(Sin(02) , Cos 02) )
Tương tự, tính được:
01= atan2(Sin(01) , Cos 01) )
d3 = - pz +1.2
3.3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot theo mục đích ứng dụng.
a) 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 của các điểm A,B,C,D lần lượt là:
A( 0,700, 1000); B (0, 900, 750); C ( 800, 600, 1000); D ( 800, 600, 750).
Đơn vị: mm : Gốc tọa độ được đặt tại chân khâu 0.
Thiết kế quỹ đạo dạng đa thức bậc 3:
q= a0 + a1t + a2t2 + a3t3
Xét thao tác từ điểm B C (t=3s).
Đồ thị vị trí, vận tốc, gia tốc của Robot trên đoạn BC như sau:
+ Đồ thị vị trí: Như hình dưới
+ Đồ thị vận tốc: Như hình dưới
+ Đồ thị gia tốc: Như hình dưới
b) Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong 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:
Xét tại thời điểm t=6s:
Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho từng khâu. Chọn phương án dịch chuyển các khâu sao cho các tọa độ khớp qk(k= 1,..n). là đa thức bậc 3 của thời gian.
4. Phân tích trạng thái tĩnh học Robot.
Ta có hệ phương trình cần bằng lực tác dụng lên tất cả các khâu của robot như dưới.
5. Tính toán động lực học.
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 dưới.
T : động năng của hệ Robot
II: 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
Nhận thấy cách thành phần của ma trận M(q) chỉ liên quan đến biến khớp , ta tập trung quan tâm đến đạo hàm biến khớp , xây dựng ma trận quán tính.
* Tính biểu thức thế năng:
m : khối lượng khâu.
G : gia tốc trọng trường.
* Thiết lập phương trình động lực học:
Ta có phương trình động lực học của Robot Scara như dưới.
6. Thiết kế hệ dẫn động.
6.1. Thiết kế hệ dẫn động cho khâu 2.
Robot thiết kế là Robot scara 3 bậc tự do, 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến.
Lựa chọn truyền động bằng bộ truyền đai thang và vít me đai ốc. Chọn khâu 2 để tính toán lựa chọn hệ dẫn động.
Đối với khâu 2 thực hiện chuyển động quay quanh trục nối với khớp 1, lựa chọn động cơ dẫn động qua bộ truyền đai thang để truyền chuyển động từ trục động cơ sang trục khớp quay.
6.2. Tính toán chọn động cơ khâu 2.
Giải bài toán động lực học tính và vẽ đồ thị trên matlab, ta có được lực dẫn động tại các khâu 2.
Momen xoắn dẫn động tại khâu 2 max: T2max= 12,3 Nm.
Chọn tỷ số truyền u=3
Tđc2 max = 4,1 Nm
Chọn tốc độ tối đa của khâu 2 là 5 vòng/s = 300 vòng/phút.
Tốc độ động cơ khâu 2 :
nđc2 = n2 . u = 300.3 = 900 vòng/ phút.
Công suất động cơ:
Pđc2 = 386,41 (w)
Dựa vào công suất ở chọn động cơ SV-MH08-OR7G-2A-1000 của hãng INVT.
Kiểm tra thông số động cơ:
+ Công suất định mức: Pđm= 0,75 (kw) > Pyc = 0,38641 (kw)
+ Cường độ định mức: Iđm = 4,5 (A)
+ Momen xoắn max: Tmax = 7,2 > 4,1 (thỏa mãn)
+ Tốc độ định mức: nđm = 3000 vòng/phút.
6.3. Tính toán bộ truyền đai thang cho khâu 2
Lựa chọnvà sử dụng đai thang thường.
Tỷ lệ br/h = 1,4.
Dựa vào số vòng quay :
+ n1= 900 vòng/ phút.
+ P = 0,38641 (kw)
Chọn đai thang loại A.
Từ đai thang loại A ta có các thông số như bảng.
+ Tiết diện ngang nhỏ: bt = 11 (mm).
+ Tiết diện ngang nhỏ: b = 13 (mm).
+ Chiều cao đai: h = 8 (mm).
+ Diện tích đai: S = 81 (mm2).
* Tính lại tỉ số truyền:
Thay số được: u = 3,087.
* Tính khoảng cách giữa 2 trục a:
0,55 (d1+d2) + h≤ a (d1+d2)
236,25 ≤ a ≤ 830.
6.4. Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền các khâu của Robot.
a) Khâu 1:
Chọn hệ số an toàn s=2;
Khâu 1 chịu lực 1900 (N)
Lực tác động nên khâu 1:
F= Fnl.k= 1900.2= 3800(N).
Chuyển vị max : 0,3162 (mm)
b) Khâu 2:
Chọn hệ số an toàn s=2;
Khâu 2 chịu lực 710 (N)
Lực tác động nên khâu 2:
F= Fnl.k= 710.2= 1420(N).
Chuyển vị max : 0,1527 (mm)
7. Thiết kế hệ thống điều khiển
7.1. Tổng quan
Ở các phần trước nhóm đã 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 được đúng các chuyển động mong muốn. Phương pháp điều khiển tuyến tính chỉ thích hợp với các hệ điều khiển được mô hình hóa bởi các phương trình vi phân tuyến tính. Tuy nhiên trong phần Động lực học robot chúng ta đã nhận thấy, hệ phương trình động lực của chúng ta là các phương trình vi phân phi tuyến, do vậy các biện pháp xấp xỉ sẽ được sử dụng để phù hợp với yêu cầu của bài toán điều khiển tuyến tính.
Sử dụng luật điều khiển tỉ lệ vi phân (PD): Luật điều khiển tỉ lệ vi phân là kết hợp của luật điều khiển tỉ lệ và điều khiển vi phân.
KP : hệ số khuếch đại
TD = KD/Kp : hằng số thời gian vi phân.
Luật điều khiển PD đạt được độ tác động nhanh cao. Do có thành phần vi phân sẽ phản ứng với các nhiễu tần số có biên độ nhỏ, nên nó không làm giảm sai lệch tĩnh.
7.2 Mô hình bộ điều khiển
Biếu diễn mô hình tổng thể cấu trúc bộ điều khiển bằng Matlab/ Simulink và một số khối cấu thành như hình dưới,
Qua sơ đồ trên ta có:
1. Khối robot điều khiển; 2. Khối tín hiệu giá trị đầu vào; 3. Khối PD; 4. Khối tích lực điều khiển (tính động lực học ngược); 5. Khối so sánh đầu ra, đầu vào.
Mô phỏng robot bằng cách sử dụng phần Simscape Multibody, xuất mô hình từ SolidWorks sang Matlab. Có được các khớp quay được điều khiển bằng Revolute Joint 1 và Revolute Joint 2, còn khâu tịnh tiến dùng Prismatic Joint. Đầu vào của các Joint là Torque (Momen/ Lực) còn đầu ra là Vị trí (Position) và Vận tốc (Velocity).
+ Khối PD:
Khối điều khiển: Giá trị đầu ra là các momen/ Lực đồng thời là các đầu vào của các khớp của phần robot.
Khối so sánh: Đánh giá sai lệch vị trí và vận tốc của đầu ra (từ các khớp) và đầu vào (giá trị đầu).
7.3. Mô phỏng và kết quả
Từ biểu đồ So sánh vị trí, có thể thấy có sai số ở đầu vào nhưng qua bộ PD thì hệ thống đã ổn định hơn, và đường vị trí cũng trở nên trùng nhau.
Tương tự, biểu đồ so sánh vận tốc, sau khoảng 0,5s thì vận tốc đã trở nên ổn định hơn và chính xác hơn.
Vậy Robot được điều khiển với sai lệch tĩnh rất nhỏ. Robot điều khiển đúng với quỹ đọa mong muốn với độ chính xác cao.
KẾT LUẬN
Cấu trúc robot được thiết kế, khảo sát tính toán phù hợp yêu cầu định vị đa dạng đảm bảo yêu cầu thao tác của robot gắp phôi đúc.
Phương pháp thiết kế quỹ đạo cho phép xây dựng được phương trình linh hoạt, phục vụ cho thiết kế, lập trình di chuyển các khớp tùy theo yêu cầu.
Mô phỏng động học và bộ điều khiển cho hình ảnh trực quan, và khẳng định độ tin cậy của kết quả tính toán khảo sát.
Sau khi đề tài được thiết kế hoàn tất, do thời gian và trình độ giới hạn nên vẫn còn những hạn chế và thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn để bài tập được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Nhóm sinh viên thực hiện
1./………………
2./………………
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Trịnh Quang Vinh - Nguyễn Đăng Bình - Phạm Thành Long, Robot Công Nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội
[2]. Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập một, Nhà xuất bản giáo dục
[3]. Nguyễn Quang Hoàng, Matlab & Simulink cho kỹ sư, Nhà xuất bản bách khoa Hà nội
[4]. TS. Nguyễn Mạnh Tiến, Điều khiển Robot Công Nghiệp, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật
[5]. PGS. Phan Bùi Khôi, Slide bài giảng Robotics và Thiết kế Robot
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ TIỂU LUẬN"