THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG CƠ CẤU DELTA

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO CUỐI KỲ *** THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG CƠ CẤU DELTA MÃ MÔN HỌC: PRMD315529 GVHD (BM CĐT): ThS VÕ LÂM CHƯƠNG GVHD (BM CSTKM): TS.TRƯƠNG QUANG TRI Tp Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2020 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA DỰ ÁN HỌC KỲ I NĂM HỌC 2020-2021 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo robot song song dạng cấu delta STT HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN MÃ SỐ SINH VIÊN TỈ LỆ % HOÀN THÀNH Bùi Trọng Quý 18144281 100% Trần Hữu Long 18125040 100% Hà Công Hiệp 18146115 100% Ghi chú: - Tỷ lệ % = 100%: Mức độ phần trăm sinh viên tham gia - Trưởng nhóm: Bùi Trọng Quý SĐT: 0785 4797 44 Nhận xét giáo viên …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Ngày 26 tháng 01 năm 2021 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU A MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Tình hình nghiêm cứu nước 1.2 Tình hình nghiêm cứu nước TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊM CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH VÙNG LÀM VIỆC, CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ THIẾT KẾ Các phương pháp thiết kế truyền động cho Robot 1.1 Xác định vùng làm việc 1.2 Phương án 1.3 Phương án 1.4 Lựa chọn phương án chuyển động tối ưu 1.5 Mơ mơ hình hóa Robot 1.6 Lựa chọn cấu truyền động cho Robot 1.7 Tính tốn chọn động thơng số truyền 1.8 Xét bền cho Robot DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Xét vùng I b phương án Bảng 2: Xét vùng II f : phương án Bảng 3: Xét vùng III b phương án Bảng 4: Xét vùng II e phương án Bảng 5: Xét vùng II ephương án Bảng 6: Xét vùng III b phương án Bảng Ý nghĩa thông số hình học robot Delta DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT EPFL (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne ) LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Robot Delta (hay cịn gọi robot song song) nói riêng robot cơng nghiệp nói chung sử dụng ngày nhiều nhà máy, dây chuyền sản xuất tự động để thay người Chúng dùng cho ứng dụng gắp thả tốc độ cao lắp ráp, phân loại sản phẩm với độ xác tuyệt đối… Với nhu cầu tiết kiệm vật liệu chi phí q trình thiết kế chế tạo đảm bảo khả làm việc robot độ cứng độ bền Với tính ưu việt cao, robot song song ngày thu hút nhiều nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng rộng rãi loại robot nhiều lĩnh vực Chính lý tơi định chọn đề tài cho luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu chế tạo mơ hình robot song song” ứng dụng dây chuyền sản xuất dùng để vận chuyển sản phẩm dây chuyền Bài báo trình bày q trình nghiên cứu, tính tốn thiết kế, ứng dụng phương pháp tối ưu hóa hình học để tái thiết kế phần cánh tay robot song song Sản phẩm thiết kế lại có khối lượng nhẹ hơn, tốn vật liệu đảm bảo đặc tính khí khả làm việc yêu cầu đề Mục đích đề tài Đề tài nhằm nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot song song nhằm ứng dụng vào dây chuyển sản xuất Qua đó, ta phát triển thành sản phẩm ứng dụng gia công tạo hình, lắp ghép vận chuyển sản phẩm trình sản xuất Phạm vi nội dung nghiên cứu Đề tài thực với nội dung chủ yếu sau: - Nghiên cứu tổng quan robot song song - Nghiên cứu lý thuyết giải toán động học robot song song - Nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình khí robot song song Nghiên cứu lựa chọn chế tạo mạch điện sử dụng để điều khiển robot - Nghiên cứu thuật toán điều khiển xây dựng chương trình điều khiển vị trí robot song song Đề tài giới hạn việc nghiên cứu robot Delta, điều khiển theo vị trí, sở điều khiển theo quỹ đạo Phương pháp nghiên cứu Đề tài kết hợp nghiên cứu phương pháp lý thuyết thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết: o Tổng hợp tài liệu tính tốn động học thuận ngược robot Delta, từ xây dựng thuật toán giải toán động học thuận động học ngược o Tính tốn thiết kế mơ hình khí cho robot đảm bảo độ xác độ cứng vững cần thiết, đáp ứng nhu cầu điều khiển xác o Tìm hiểu phương pháp điều khiển, lựa chọn mạch điều khiển, xây dựng thuật tốn chương trình điều khiển - Nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo mơ hình thực nghiệm robot Delta điều khiển thực công việc yêu cầu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài mang nhiều ý nghĩa khoa học thực tiễn: - Tạo tiền đề cho việc chế tạo robot Delta ứng dụng vào thực tế: thiết bị gia công biên dạng bề mặt phức tạp, tạo biên dạng theo đường cong bất kỳ, robot lắp ráp sản phẩm hệ thống sản xuất linh hoạt, robot nâng chuyển… - Góp phần xây dựng mơ hình dạy học điều khiển tự động Robot công nghiệp trường Cao đẳng Đại học 10 A MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nước 1.1 Tình hình nghiêm cứu ngồi nước Robot song song sử dụng cấu Delta nhà khoa học nghiên cứu chế tạo phát triển từ giữ kỷ XX Đặc biệt nhà khoa học tiên phong việc nghiên cứu cấu robot là: Willard L Polard, Eric Gough, Stewart, Klaus Cappel, Reymind Cakavel Hình 1: Sơ đồ kết cấu Robot cấu Delta (từ sang chế Hoa Kỳ No 4,976,582) 11 Robot Delta lần đầu chế tạo vào tháng năm 1986 Reymond Clavel (giáo sư Đại học EPFL) nhóm ơng Vào đầu thập niên 80, chuyến thăm nhà máy chế biến sơ-cơ-la để tìm kiếm thao tác lao động liên tục lặp lặp lại cho việc áp dụng chế tạo robot, họ nhận thấy quy trình đóng gói sơ-cơ-la khởi đầu lý tưởng Reymond Clavel nảy ý tưởng độc đáo sử dụng cấu hình bình hành để tạo robot song song có ba bậc tự tịnh tiến bậc tự quay sáng chế Hoa Kỳ số 4,976,582 (hình 0) Tháng sau chuyến đi, họ cho nguyên mẫu Robot với hình dáng nhện với trọng lượng nhẹ tốc độ cao EPFL Hai năm sau đó, Robot Delta cơng nghiệp háo thương mại hóa tồn giới Năm 1999, tiến sĩ Clavel nhận giải thưởng Golden Robot Award tài trợ ABB Flexible Automation, để tôn vinh hoạt động sáng tạo ông robot song song Delta Ý tưởng thiết kế robot Delta sử dụng hình bình hành Các hình bình hành cho phép khâu trì hướng cố định tương ứng với khâu vào Việc sử dụng ba hình bình hành hồn tồn giữ chặt hướng bệ di động trì với ba bậc tự tịnh tiến Các khâu vào hình bình hành gắn với cánh tay quay khớp quay Các khớp quay tay quay truyền động theo cách: sử dụng động quay (DC AC servo), tác động tuyến tính Cuối cùng, cánh tay thứ tư dùng để truyền chuyển động quay từ đế đến khâu tác động cuối gắn dịch chuyển 12 Hình 21 Chuyển vị trục ren đế cố định  Từ kết mơ thấy ứng suất lớn trục 1,064.107 Pa nhỏ ứng suất cho phép 6,3.108 Pa chuyển vị lớn trục nhỏ 3,53.10−3 mm Đối với cánh tay L2 (Hình 22), lực từ trục ren nối phân tích truyền trực tiếp vào cánh tay L2 Vì có cánh tay L2 nên lực tác động vào cánh tay giảm nửa nên lực kéo đặt lên cánh tay 3,3 N Hình 22 Hai cánh tay L2 song song 36 Hình 23 ứng suất cánh tay L2 Hình 24 Chuyển vị cánh tay L2  Từ kết mô ta thấy đươc ứng suất lớn tìm 1,22.105 Pa nhỏ ứng suất cho phép 6,3 108 Pa chuyển vị nhỏ 2,18.10−4 mm 37 Từ (3) (4) có X b1 = 6,2 N, Y b 1= 5,04 Nta tính lực tác động lên trục ren nối cánh tay L2 cánh tay L1 N Hình 25 Trục ren nối hai cánh tay Hình 26 Ứng suất trục ren nối cánh tay 38 Hình 27 Chuyển vị trục ren nối cánh tay  Từ kết mơ ta tìm ứng suất lớn 2,2 107 Pa nhỏ ứng suất cho phép 6,3.108 Pa chuyển vị 5,2.10−3 mm Lực tác động vào cánh tay L1 lực tác động vào trục ren nối cánh tay phân tích 39 Hình 28 Cánh tay L1 Hình 29 Ứng suất cánh tay L1 40 Hình 30 Chuyển vị cánh tay L1  Từ kết mô ta thấy ứng suất lớn tìm 9,3.105 Pa nhỏ ứng suất cho phép 6,3 108 Pa chuyển vị nhỏ khoảng 6,6.10−3 mm Khối lượng cánh tay, đế di động, khớp cầu động 7,6 kg Kết mơ sau: 41 Hình 31 Tấm đế gá động Hình 32 ứng suất gá động Hình 33 Chuyển vị gá động  Từ kết mô ta thấy ứng suất lớn 3,5 105 Pa nhỏ ứng suất cho phép 2,75.107 Pa chuyển vị nhỏ khoảng 9,6.10−4 42 mm 43 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC DELTA 2.1 Chọn phương án sơ đồ động học để thiết kế robot delta Trong phạm vi luận án này, ta chọn sơ đồ động học hình 2.4a để thiết kế loại sơ đồ động học theo giống với nguyên ban đầu loại robot Delta nhất, với động quay quay gắn trực tiếp với cấu hình bình hành, hay nói cách khác ta sâu tì hiểu thiết kế loại robot Delta bậc tự với sơ đồ động học kết cấu hình 2.5 Hình 34 Sơ đồ động học kết cấu robot Delta bậc tự 44 2.2 Các thơng số robot delta Hình 35 Thơng số chiều dài góc đặc trưng robot Delta 2.3 Bài toán động học delta 2.3.1 Xác định vấn đề Căn vào yêu cầu thiết kế, robot đc thiết kế với bậc tự do, tầm với robot 600mm, tải trọng 0.5kg độ xác lặp lại 0.8 Robot thiết kế với mục đích phục vụ giáo dục, mơ hình thí nghiệm cấp phơi dây truyền CIM, cấp phôi cho máy gia công tự đọng máy phay CNC, máy tiện CNC, thực công việc hàn… Robot thiết kế phát triển để mô robot công nghiệp Các cấu trúc mở cách tay robot cho phép học sinh, sinh viên quan sát tìm hiểu nội chế hoạt động robot nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu động học, động lực học robot 45 2.3.2 Bài tốn động học thuận robot Delta Hình 36 Sơ đồ mơ tả ngun tắc xây dựng tốn động học thuận Hình 37 Các kích thước robot Delta Ở tốn ta có góc quay θ 1, θ2, θ3, ta cần tìm tọa độ E (x0, y0, z0) khâu chấp hành cuối Với: a 1= ( z −z )( y − y )−( z −z1 ) ( y 2− y1 ) ] d[ a 2= [ ( z −z ) x − ( z3 −z 1) x ] d b 1= [ ( w2−w1 ) ( y 3− y ) −( w 3−w )( y 2− y ) ] 2d b 2= ( w −w1 ) x 3−( w3−w1 ) x ] 2d [ 46 d= ( y 2− y ) x3 −( y 3− y ) x Ta ( a12+ a22 +1 ) z 2+2 [ a +a ( b 2− y )−z ] z+ [ b12 + ( b2 − y )2+ z 12−L P2 ]=0 Tọa độ tam chấp hành cưới nghiệm phương trình 2.5.3 Bài tốn động học ngược robot delta Hình 38 Nguyên lý xác định toán động học ngược Mặt giao khối cầu với mặt phẳng YZ đường tròn với tâm điểm E’1 bán kính E’1J1, với E’1 hình chiếu E1 lên mặt phẳng YZ Bây điểm J1 xác định giao điểm đường trịn có bán kính xác định với tâm E’ F1 Ta chọn giao điểm với giá trị tọa độ y ta biết J1, ta tính giá trị θ1 E’1 hình chiếu E1 theo phương x lên mặt phẳng Oyz, ta có tọa độ E1’ (0, y0 −e , z0) xác định Từ hệ phương trình ta xác định 2√ tọa độ điểm J1 (0, yJ1, zJ1) θ1=arctan ( zJ y F 1− y J ) 47 2.4 Mô động học robot delta Thực mô công thức động học thuận động học nghịch phần mềm MATLAB Với giá trị cho trước sau:\ e = 60; f = 90; re = 100.0; rf = 50.0; Bây xem kết đạt Động học nghịch STT Tọa độ bích di động Góc quay động (x, y, z) (θ1, θ2, θ3) (-45, 35, -50) (31.862, 18.176, -66.269) (37, -19, -60) (-33.240, -36.829, 29.793) 48 49 Động học thuận STT Góc quay động Tọa độ bích di động (θ1, θ2, θ3) (x, y, z) (31.862, 18.176, -66.269) (-45, 35, -50) (-33.240, -36.829, 29.793) (37, -19, -60) Sai số kết Matlab tính động học nghịch, góc theta có số thập phân Sang phần động học thuận rút gọn số thập phân 50 ... Nghiên cứu tổng quan robot song song - Nghiên cứu lý thuyết giải toán động học robot song song - Nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình khí robot song song Nghiên cứu lựa chọn chế tạo mạch điện sử dụng... nghiên cứu, thiết kế thiết bị loại phù hợp với yêu cầu sản xuất đặc thù nước Có thể nói, vấn đề thiết kế, chế tạo tay máy song song nước lạ Do đó, việc thiết kế chế tạo tay máy song song phục vụ... thông số robot delta Hình 35 Thơng số chiều dài góc đặc trưng robot Delta 2.3 Bài toán động học delta 2.3.1 Xác định vấn đề Căn vào yêu cầu thiết kế, robot đc thiết kế với bậc tự do, tầm với robot