Thiết kế robot SCARA thực hiện lắp ráp sản phẩm

TRƯỜNG ĐHKTCN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ Độc lập – Tự – Hạnh phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP Sinh viên: Đồng Thị Thư MSSV:K175520114210 Nguyễn Văn Thời MSSV:K175520114121 Lớp:53CDT02 Ngành: Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Ngày giao đề: Ngày hoàn thành: Tên đề tài: Thiết kế robot SCARA thực lắp ráp sản phẩm phạm vi hình chữ nhật 400x500 mm Nội dung thuyết minh tính tốn I Tổng quan đề tài II Động học robot III Thiết kế quỹ đạo IV Mô V Tổng kết Các vẽ, chương trình đồ thị Chương trình giải tốn động học thuận, động học ngược Chương trình mơ động học TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Thái Nguyên, ngày tháng năm 20 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM Thái Nguyên, ngày tháng năm 20 GIÁO VIÊN CHẤM (Ký ghi rõ họ tên) LỜI NÓI ĐÂU Ngày robot dùng rộng rãi nhà máy, ứng dụng nhiềungành khoa học cơng nghệ ví dụ kỹ thuật hàn, kỹ thuật gia cơng khí,trong khoa học vũ trụ nhiều ngành khoa học khác Robot thay người làm việc điều kiện khắc nhiệt cơng việc địi hỏi độ xác cao.Trong tương lai robot ứng dụng rộng rãi đời sống hàng ngày Ở nước ta lĩnh vực robot nghiên cứu trường đại học viện nghiên cứu đặt nên móng cho phát triển ngành khoa học non trẻ Việt Nam.Trong công nghiệp Việt Nam, robot ứng dụng dây chuyền sản xuất nhà máy nhằm nâng cao suất, hiệu lao động chế tạo sản phẩm có độ xác cao Ta khái quát định nghĩa robot theo cách nhìn học chuỗi động, hoạt động linh hoạt nhờ hệ dẫn động Với đặc điểm cấu tạo hoạt động robot thường sử dụng hệ thống sản xuất linh hoạt dạng workcell (FMS-Flexoble Manufacturing Systems) hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM –Computer Integrated Manufacturing) Càng ngày dây chuyền sản xuất tự động có sử dụng robot thay dần dây chuyền sản xuất tự động với chương trình hoạt động “cứng” trước Cùng với phát triển khoa học, tin học ứng dụng ngày trở nên quan trọng Máy tính sử dụng cơng cụ thay người việc tính toán toán phức tạp, đưa kết nhanh xác Được hướng dẫn bảo tận tình thầy: Ngơ Ngọc Vũ, em lựa chọn đề tài: “THIẾT KẾ ROBOT SCARA thực lắp ráp sản phẩm phạm vi hình chữ nhật 400x500 mm” Xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn Bộ môn Cơ điện tử hướng dẫn tạo cho em định hướng trình thực đề tài Sinh viên thực Đồng Thị Thư CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Tổng quan Robot công nghiệp 1.1.1 Giới thiệu chung Robot Khái niệm Robot đời vào ngày 09/10/1922 NewYork, nhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen Kapek tưởng tượng cổ máy hoạt động cách tự động, niềm mơ ước người lúc Từ ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot thúc người Đến năm 1948, phịng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz chế tạo thành công tay máy đôi(master-slave manipulator) Đến năm 1954, Goertz chế tạo tay máy đơi sử dụng động servo nhận biết lực tác động lên khâu cuối.Rô bô Rôbốt, Rô-bốt (tiếng Anh: Robot) loại máy thực nhữngcơng việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình Robot dùng nhiều công việc y tế, giáo dục, dịch vụ, vũ trụ, đa số sử dụng ngành công nghiệp (khoảng 80%) Về mặt kỹ thuật, Robot cơng nghiệp ngày có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật: Cơ cấu điều khiển từ xa (trong chiến tranh giới thứ II) máy công cụ điều khiển số NC đáp ứng gia công chi tiết máy bay (1949).Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) đặt tên cho dáng dấp vài chức tay người để thực số thao tác sản xuất.Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) đặt tên cho dáng vấp vài chức tay người để thực số thao tác sản xuất 1.1.2 Cấu trúc chung Robot công nghiệp Một RBCN cấu thành hệ thống sau: + Tay máy (Manipulator) cấu khí gồm khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo chuyển động bản, cổ tay tạo lên khéo léo, linh hoạt vá bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng + Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho khâu tay máy Nguồn động lực cấu chấp hành động loại: điện, thủy lực, khí nén kết hợp chúng + Hệ thống cảm biến gồm sensor thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác Các robot cần hệ thống sensor để nhận biết trạng thái thân cấu robot sensor để nhận biết trạng thái môi trường + Hệ thống điều khiển (controller) thường máy tính để giám sát vá điều khiển hoạt động robot Một số loại robot ngày 1.1.3 Phân loại Robot a Phân loại theo kết cấu Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn: -Chuyển động thẳng theo hướng X, Y, Z không gian ba chiều thông thường tạo nên khối hình có góc cạnh, gọi Prismatic (P) - Chuyển động quay quanh trục X, Y, Z kí hiệu (R).Với ba bậc tự do, robot hoạt động trường công tác tùy thuộc tổ hợp P R ví dụ: + PPP trường công tác hộp chữ nhật lập phương + RPP trường công tác khối trụ + RRP trường công tác khối cầu + RRR trường công tác khối cầu b Phân loại theo hệ thống truyền động Các dạng phổ biến là: Hệ truyền động điện: Thường dùng động điện chiều (DC : Direct Current) động bước (step motor) Loại truyền động dễ điều khiển, kết cấu gọn.Hệ truyền động thuỷ lực: đạt cơng suất cao, đáp ứng điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn độ phi tuyến lớn khó xử lý điều khiển.Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ không cần dẫn ngược lại phải gắn liền với trung tâm tạo khí nén Hệ làm việc với cơng suất trung bình nhỏ, xác, thường thích hợp với robot hoạt động theo chương trình định san với thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP: Point To Point) c Phân loại theo ứng dụng Cách phân loại dựa vào ứng dụng robot Ví dụ, có robot cơng nghiệp, robot dùng nghiên cứu khoa học, robot dùng kỹ thuật vũ trụ, robot dùng quân d Phân loại theo cách thức đặc trưng phương pháp điều khiển Có kiểu điều khiển robot: điều khiển hở điều khiển kín: - Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động điện động thủy lực, khí nén ) mà qng đường góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu đơn giản, đạt độ xác thấp - Điều khiển kín (điều khiển kiểu servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ xác điều khiển Có kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm điều khiển theo đường (contour) 1.1.4 Ứng dụng Robot Robot sử dụng nhiều lĩnh vực sản xuất đời sống người.Trong điều kiện làm việc khắc nhiệt, khó khăn người robot cơng nghiệp đóng vai trị quan trọng sử dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp khác như: + Trong gia công khí: thường sử dụng máy hàn tự động, máy khoan, dây truyền lắp ráp + Trong dây truyền sản xuất: tham gia vào số dây truyền sản xuất gia cơng,phun sơn, gắp sản phẩm, đóng gói bao bì + Trong vận tải thường để bốc xếp hàng hóa Một số ứng dụng quan trọng robot công nghiệp: - Phục vụ máy CNC hệ thống tự động linh hoạt - Đúc - Lắp ráp, đóng gói - Phun, phủ - Tự động hàn - Đảm nhận thực cấp phôi phục vụ nguyên công dây chuyền sản xuất tự động - Chế tạo máy - Kiểm tra - Sơn -Y tế Ứng dụng sản xuất nông nghiệp Ứng dụng tin học Ứng dụng vũ trụ Ứng dụng tự động hóa 1.2 Tổng quan robot scara lắp ráp sản phẩm 1.2.1 Tổng quan robot scara lắp ráp sản phẩm Nhiệm vụ, yêu cầu đặt phải làm để thay người lắp ráp vật cách dễ dàng mà cần người trực tiếp tham gia vào cơng việc, mà mơi trường làm việc đòi hỏi linh hoạt cần số lượng sản phẩm lớn 1) Tay máy cấu khí gồm khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạo chuyển động bản, cổ tay tạo nên khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác đối tượng 2) Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho khâu cổ tay máy, động nguồn động lực cấu chấp hành 3) Hệ thống cảm biến gồm cảm biến thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác, robot cần hệ thống cảm biến để nhận biết trạng thái thân, cấu robot cảm biến để nhận biết trạng thái môi trường 4) Hệ thống điều khiển thường máy tính để giám sát điều khiển hoạt động robot 5) Tay máy phần sở định khả làm việc RBCN thiết bị đảm bảo cho robot khả làm việc 6) Ban đầu người ta chế tạo tay máy tay người, tay máy đa dạng nhiều loại khác xa tay người, nhiên sử dụng thuật ngữ vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay khớp để phận tay máy 1.2.2 Thông số ảnh hưởng robot Trong thiết kế tay robot người ta quan tâm đến thông số ảnh hưởng khả làm việc: 1) Tầm với vùng làm việc 2) Khả định vị, định hướng phần công tác 1.2.3 Một số hình ảnh robot scara lắp ráp sản phẩm 10 - Hai phương trình điều kiện qua : ui (ti 1 )  qi 1 - Hai phương trình điều kiện vận tốc : ui ' (ti 1 )  vi 1 ui (ti )  qi ui ' (ti )  vi * Thông thường cho trước vận tốc điểm làm việc ban đầu ui ' (ti 1 )  vi 1  Giải hệ phương trình ta giá trị ai,bi,ci,di để thay vào phương trình 3.3 Tính tốn Dùng kết tốn động học ngược chương 2,ta có: Bảng 3.1 Bảng kết động học ngược Bước 1: Xác định hệ số góc (vận tốc trung bình khoảng chuyển động + Cơng thức : 28 Hình 3.1 Vẽ phác họa quy ước tên thông số cho khớp q Ta tính từ K1 đến K7 Bảng 3.2 Bảng thơng số Ki Bước 2: Tìm hệ số góc chuyển tiếp điểm chốt: + Nếu + Nếu = Kc Từ bảng thông số Ki ta có giá trị dấu với Ki+1 vi = Kc giá trị tức Ki Tính từ đến : ta có bảng thơng số: 29 Bảng 3.3 Bảng thông số Kc Bước 3: Xác định hệ số cho đa thức nội suy dựa theo điều kiện qua điều kiện vận tốc  Sử dụng MATLAB giải toán >> plot ( t,u) : đồ thị >> hold on : giữ đồ thị trước vẽ tiếp vào >> grid on : chia lưới đồ thị >> plot ( t,u,’lineWidth’,2 ) : tăng độ nét dày cho đường đồ thị =2 Từ giá trị biến khớp tính tốn ta bắt đầu thực nội suy quỹ đạo *Nhập biến thời gian t khai báo phương trình bậc chưa thay t vào matlab t1=0 t2=1 t3=2 t4=3 t5=4 t6=5 t7=6 t8=7 A1=[t1.^3 0] A2=[t2.^3 0] A3=[t3.^3 0] A4=[t4.^3 0] A5=[t5.^3 0] A6=[t6.^3 0] A7=[t7.^3 0] t1.^2 t1 1; t2.^3 t2.^2 t2 ; 3.*t1.^2 2.*t1 0; 3.*t2^2 2.*t2 t2.^2 t2 1; t3.^3 t3.^2 t3 ; 3.*t2.^2 2.*t2 0; 3.*t3^2 2.*t3 t3.^2 t3 1; t4.^3 t4.^2 t4 ; 3.*t3.^2 2.*t3 0; 3.*t4^2 2.*t4 t4.^2 t4 1; t5.^3 t5.^2 t5 ; 3.*t4.^2 2.*t4 0; 3.*t5^2 2.*t5 t5.^2 t5 1; t6.^3 t6.^2 t6 ; 3.*t5.^2 2.*t5 0; 3.*t6^2 2.*t6 t6.^2 t6 1; t7.^3 t7.^2 t7 ; 3.*t6.^2 2.*t6 0; 3.*t7^2 2.*t7 t7.^2 t7 1; t8.^3 t8.^2 t8 ; 3.*t7.^2 2.*t7 0; 3.*t8^2 2.*t8 30 *Nhập các biến qi hệ số chuyển tiếp góc %BIEN KHOP q1 B1=[2.40393;-1.6554;0;0] B2=[-1.6554;-1.2258;0;0.41327] B3=[-1.2258;0.03041;0.41327;0] B4=[0.03041;-0.1493;0;0] B5=[-0.1493;0.36994;0;0.28865] B6=[0.36994;1.6649;0;0] B7=[1.6649;1.27012;0;0] %BIEN KHOP q2 %B1=[-2.5192;2.62623;0;0] %B2=[2.62623;2.14321;0;-0.1557] %B3=[2.14321;1.33872;-0.1557;0] %B4=[1.33872;1.67934;0;0] %B5=[1.67934;0.81276;0;-0.4424] %B6=[0.81276;-0.9387;-0.4424;0] %B7=[-0.9387;-0.6309;0;0] %BIEN KHOP q3 %B1=[230;200;0;0] %B2=[200;230;0;25] %B3=[230;250;25;0] %B4=[250;230;0;0] %B5=[230;240;0;0] %B6=[240;230;0;0] %B7=[230;250;0;0] %BIEN KHOP q4 %B1=[0;0;0;0] %B2=[0;0;0;0] %B3=[0;0;0;0] %B4=[0;0;0;0] %B5=[0;0;0;0] %B6=[0;0;0;0] %B7=[0;0;0;0] X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 = = = = = = = inv(A1)*B1 inv(A2)*B2 inv(A3)*B3 inv(A4)*B4 inv(A5)*B5 inv(A6)*B6 inv(A7)*B7 T1 T2 T3 T4 T5 = = = = = 0:0.01:1 1:0.01:2 2:0.01:3 3:0.01:4 4:0.01:5 31 T6 = 5:0.01:6 T7 = 6:0.01:7 u1 u2 u3 u4 u5 u6 u7 = = = = = = = X1(1).*T1.^3 X2(1).*T2.^3 X3(1).*T3.^3 X4(1).*T4.^3 X5(1).*T5.^3 X6(1).*T6.^3 X7(1).*T7.^3 + + + + + + + X1(2).*T1.^2 X2(2).*T2.^2 X3(2).*T3.^2 X4(2).*T4.^2 X5(2).*T5.^2 X6(2).*T6.^2 X7(2).*T7.^2 + + + + + + + X1(3).*T1 X2(3).*T2 X3(3).*T3 X4(3).*T4 X5(3).*T5 X6(3).*T6 X7(3).*T7 plot(T1,u1,'LineWidth',3) hold on plot(T2,u2,'LineWidth',3) hold on plot(T3,u3,'LineWidth',3) hold on plot(T4,u4,'LineWidth',3) hold on plot(T5,u5,'LineWidth',3) hold on plot(T6,u6,'LineWidth',3) hold on plot(T7,u7,'LineWidth',3) hold on  Thực lệnh run để vẽ đồ thị Kết đồ thị biến khớp: 32 + + + + + + + X1(4) X2(4) X3(4) X4(4) X5(4) X6(4) X7(4) Hình 3.2 Sự thay đổi biến khớp q1 theo thời gian t Hình 3.3 Sự thay đổi biến khớp q2 theo thời gian t Hình 3.4 Sự thay đổi biến khớp q3 theo thời gian t 33 Hình 3.5 Sự thay đổi biến khớp q3 theo thời gian t CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ROBOT 4.1 Phần mềm sử dụng Hiện có nhiều phần mềm thiết kế, giúp mô 3D : Easy Rob, Solidworks, Mastercam NX,Autodesk Inventor Ở đây,chúng em sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để mô khâu, phận robot 4.2 Giới thiệu phần mềm Inventor Autodesk Inventor phần mềm xây dựng mơ hình 3D, thiết kế, hình mẫu kiểm tra ý tưởng sản phầm Inventor cịn tích hợp CAD cơng cụ giao tiếp thiết kế nhằm nâng cao suất làm việc CAD giảm thiếu phát sinh lỗi, tiết kiệm thời gian Những người sử dụng AutoCAD thừa hưởng nhiều lợi ích Inventor Inventor cấp mơi trường thiết kế phím tắt tương tự 34 với AutoCAD, hỗ trợ tập tin DWG, cho phép người dùng chuyển từ vẽ 2D hành sang xây dựng mơ hình 3D Inventor sử dụng phổ biến tạo nguyên mẫu kỹ thuật số, mẫu tạo từ vẽ 2D AutoCAD tích hợp liệu 3D, hình thành nên sản phẩm ảo Bằng cách này, kỹ sư thiết kế, AutoDesk Inventor cịn đưa cơng cụ tính khác nhằm nâng cao suất làm việc như: Integrated Data Management, Design Automation, Automatic Drawing Updates and Views, Automatic Bill of Materials,… Autodesk Inventor sử dụng để rút ngắn khoảng cách thiết kế, kỹ thuật sản xuất Inventor giúp cắt giảm chi phí sản xuất việc tạo nguyên mẫu thử nghiệm ảo, hạn chế lỗi lao động thủ công, tăng chu kỳ sản xuất đưa sản phẩm đến thị trường nhanh 4.3 Tiến hành mô robot SCARA 4.3.1 Thông số thiết kế robot SCARA Dùng vẽ chi tiết để miêu tả thông số robot SCARA a.Khâu 35 Hình 4.1 Thơng số khâu robot SCARA b.Khâu Hình 4.2 Thơng số khâu robot SCARA c.Khâu Hình 4.3 Thông số khâu robot SCARA 36 d.Khâu Hình 4.4 Thơng số khâu robot SCARA e.Tay kẹp Hình 4.5 Thơng số tay kẹp robot SCARA 37 4.3.2 Mơ robot SCARA a.Khâu Hình 4.6 Mô khâu robot SCARA b.Khâu Hình 4.7 Mơ khâu robot SCARA 38 c.Khâu Hình 4.8 Mơ khâu robot SCARA c.Khâu Hình 4.9 Mơ khâu robot SCARA e.Tay kẹp 39 Hình 4.10 Mơ bàn kẹp robot SCARA  Ghép khâu ta thu hình ảnh mơ Robot SCARA lắp ráp sản phẩm 40 Hình 4.11 Mơ robot SCARA KẾT LUẬN 41 Qua thời gian tìm hiểu nghiên cứu, chúng em hoàn thành yêu cầu thiết kế Robot SCARA lắp ráp sản phẩm bao gồm: Giới thiệu robot , giải toán động học thuận nghịch,mơ động học q trình làm việc Đây đồ án chúng em làm robot , chúng em tìm hiểu thêm thơng tin tổng quan robot công nghiệp thấy tầm quan trọng robot sống đại Cũng thông qua đồ án , chúng em học nhiều kỹ quan trọng : kỹ làm việc nhóm ,kỹ soạn thảo văn ,tính tốn, kỹ sử dụng phần mềm vẽ mô autocad,inventor kỹ cần thiết Đồ án hoàn thành yêu cầu thiết kế Robot làm việc di chuyển cánh tay theo quỹ đạo xác địnhh trước Xong bên cạnh đó, đồ án robot chúng em số yêu cầu chưa đầy đủ, phần tổng quan robot, loại kết cấu định hướng robot thiếu xót… trình độ tiếng anh nhóm em kém, tài liệu tiếng Việt hạn chế,… Rất mong có đóng góp ý kiến, hướng dẫn thêm thầy bạn để chúng em có thêm kinh nghiệm làm đồ án Nếu việc thiết kế robot di động làm nhiệm vụ lắp ráp sản phẩm thơng qua, nhóm em ứng dụng robot làm thêm nhiều nhiệm vụ khác gắp vật Cụ thể nhóm em bố trí thêm cảm biến để robot thơng minh hơn, tính tốn lại chi tiết khí động xác hơn, có khả làm nhiều công việc khác di chuyển linh hoạt Kỹ thuật đo lường điều khiển vô quan trọng tiếp tục phát triển để làm cánh tay robot cơng nghiệp có ứng dụng cao Chúng em xin cảm ơn thầy cô môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ Khí trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp- Đại học Thái Nguyên, người trang bị cho chúng em kiến thức quý báu để giúp chúng em hoàn thành đồ án 42 ... Sơn -Y tế Ứng dụng sản xuất nông nghiệp Ứng dụng tin học Ứng dụng vũ trụ Ứng dụng tự động hóa 1.2 Tổng quan robot scara lắp ráp sản phẩm 1.2.1 Tổng quan robot scara lắp ráp sản phẩm Nhiệm vụ, yêu... robot SCARA 38 c.Khâu Hình 4.8 Mơ khâu robot SCARA c.Khâu Hình 4.9 Mô khâu robot SCARA e.Tay kẹp 39 Hình 4.10 Mơ bàn kẹp robot SCARA  Ghép khâu ta thu hình ảnh mơ Robot SCARA lắp ráp sản phẩm. .. hành mô robot SCARA 4.3.1 Thông số thiết kế robot SCARA Dùng vẽ chi tiết để miêu tả thông số robot SCARA a.Khâu 35 Hình 4.1 Thơng số khâu robot SCARA b.Khâu Hình 4.2 Thơng số khâu robot SCARA c.Khâu