Thiết kế robot Fanuc Irmate 200ib 4 bậc tự do

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ Bộ mơn : CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MƠN HỌC MÔN HỌC THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP Sinh viên : Đỗ Trung Anh Mssv:k175520114069 Lê Nhật Hoàng Mssv: k175520114086 Lớp : K53.CĐT 02 Giáo viên hướng dẫn : Dương Quốc Khánh Thái Nguyên - 2020 TRƯỜNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT ĐHKTCN NAM KHOA ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự - Hạnh phúc Bộ môn Cơ điện tử ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP Sinh viên: ĐỖ TRUNG ANH LÊ NHẬT HOÀNG Mssv:k175520114069 Mssv:k175520114086 Lớp: 53CDT02 Tên đề tài: Thiết kế robot Fanuc Irmate 200ib bậc tự TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN DƯƠNG QUỐC KHÁNH NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 20 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 20 GIÁO VIÊN CHẤM (Ký ghi rõ họ tên) LỜI NÓI ĐẦU Ngày robot dùng rộng rãi nhà máy, ứng dụng nhiều ngành khoa học cơng nghệ ví dụ kỹ thuật hàn, kỹ thuật gia công khí, khoa học vũ trụ, đại dương 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 qt định nghĩa robot theo cách nhìn học chuỗi động khâu ghép với khớp nối, hoạt động linh hoạt nhờ hệ dẫn động Các cấu tác động hoạt động phối hợp với để thực công việc phức tạp điều khiển củamột phận có cấu tạo máy tính, cịn gọi điều khiển PC -based 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 tốn tốn phức tạp Nó giúp đưa kết nhanh xác Chương trình Maple phần mềm tính tốn mạnh phổ biến giúp giải nhiều loại toán như: Bài tốn phân tích, thống kê, tốn học, tốn nhiệt, tốn điện kỹ thuật…Ngồi cịn ngơn ngữ lập trình thơng dịch mạnh giúp cho người kỹ sư tính tốn tốn học quen thuộc nhanh chóng dễ dàng CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU ROBOT FANUC LR MATE 200IB 1.1.1Giới 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 ln thơi 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 đôi sử dụng động servo nhận biết lực tác động lên khâu cuối Rô bô Rôbốt, Rô-bốt (tiếng Anh: Robot) loại máy thực công việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình Robot dùng nhiều cơng việc y tế, giáo dục, dịch vụ, vũ trụ, … đa số sử dụng ngành công nghiệp (khoảng 80%) Về mặt kỹ thuật, Robot công 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 vấp 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 1.1.2Cấu 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 1.1.3 Ứng dụng Robot Robot sử dụng nhiều lĩnh vực sản xuất đời sống người, robot cơng nghiệp đóng vai trị quan trọng sử dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp như: - 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 HÌNH 1.1: Robot Fanuc hàn 200i HÌNH 1.2: Robot chế tạo khí 10 () 350 150 90 () 250 () 450 () 80 Giải phương trình excel B1: Nhập liệu cần cho tốn ngược - Kích thước khâu cho trước - Tọa độ px, py, pz, nz, sz tìm tốn thuận ( bậc tự nên ta chọn tọa độ tương ứng với phương trình, ẩn cần tìm ) - Khởi tạo biến, ẩn cần tìm q1,q2,q3,q4 giá trị khởi tạo - Khởi tạo giá trị a11, a14, a24,a34 B2: Khởi tạo tính giá trị L=L1+L2+L3+L4 tương ứng với phương trình: B3: Ta gán giá trị a11, a14, a24, a34 B4: Sử dụng Solve tìm nghiệm  Các bước làm chi tiết : - Khởi tạo liệu : - Khai báo tọa độ px, py pz,nx 20 - Tính giá trị L1, L2, L3, L4, L5 L - Thiết lập solve : 21 Sau giải điểm từ P1 đến P8 thu kết biến đầu bảng sau: 22 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 A1 200 250 250 250 250 250 300 500 A24 400 400 400 500 500 300 300 300 A3 300 300 200 200 400 300 300 200 A11 L Q1 Q2 Q3 Q4 0 0 0 0 2.84E-05 5.83E-05 8.47E-21 3.61E-19 3.02E-22 3.96E-24 4.16E-20 1.07E-25 1.1071 1.0121 1.0121 1.1071 1.1071 0.8760 0.7853 0.5404 -1.8143 -1.7050 -1.9782 -1.5845 -1.0556 -2.1815 -1.9432 -1.4989 2.4695 2.3702 3.3406 1.9959 1.9381 2.7306 2.5670 1.8990 -2.2812 -2.2221 -1.9331 -1.9822 -2.4533 -2.1197 -2.1946 -1.9803 Bảng 2.2 Bảng thể kết giá trị đầu qi Kết Luận: Sau giải toán động học ngược thu biến khớp qua vị trí cụ thể yêu cầu kĩ thuật giao Từ kết toán sở cho đầu vào tốn điều khiển 2.3 Kết Luận Sau hồn thành hai toán động học thuận động học ngược cho Robot Fanuc lr mate 200ib từ việc cho biến khớp qi để tìm hướng vị trí tay kẹp không gian làm việc từ hướng vị trí tay kẹp, tìm biến khớp qi thỏa mãn yêu cầu toán cho robot Nhờ phần mềm thơng dụng hữu ích như: Matlab, Excel giúp dễ dàng giải toán cách thuận lợi việc vị trí điểm tác động cuối hướng khâu cuối 23 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO Quỹ đạo vấn đề chung điều khiển robot, để hồn thành nhiệm vụ cụ thể trước hết phần cơng tác phải di chuyển theo quỹ đạo xác định Nói cách khác, quỹ đạo yếu tố để mô tả hoạt động robot Việc thiết kế quỹ đạo cung cấp liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển nên sở trực tiếp cho việc điều khiển Thuật ngữ quỹ đạo chuyển động hay gọi tắt quỹ đạo bao gồm yếu tố hình học đường dịch chuyển lẫn yếu tố thời gian thực chuyển động vận tốc, gia tốc Vì tốn thiết kế quỹ đạo liên quan đến vấn đề động học động lực học Các yếu tố đầu vào toán bao gồm đường dịch chuyển điều kiện ràng buộc động học động lực học Các yếu tố đầu quỹ đạo phần cơng tác Nói chung, mơ tả xác đường dịch chuyển khó khăn Người ta giảm bớt tham số cách quy định điểm biên vùng hoạt động, thêm điểm trung gian mà đường phải qua, sau xấp xỉ (nội suy) đường đơn giản Tương tự vậy, yếu tố thời gian quỹ đạo xác định cho điểm mà thường quy định cho đoạn đường Chúng thường quy định giá trị giới hạn vận tốc cho phép, hay gia tốc cho phép, gán giá trị mặc định 24 Bài toán thiết kế quỹ đạo đặt không gian khớp lẫn vùng hoạt động Các ràng buộc đường dịch chuyển túy yếu tố hình học thường mô tả vùng hoạt động Ngược lại lực chuyển động hệ thống thường xuất phát từ khớp, nên việc điều khiển động dẫn động đòi hỏi xác định quy luật biến thiên theo thời gian biến khớp, việc thực không gian khớp 3.1 Thiết kế quỹ đạo không gian khớp Chuyển động tay máy thường mô tả vùng làm việc điểm nút (gồm điểm đầu, điểm cuối, có số điểm trung gian) thời gian chuyển động Vì vậy, để thiết kế quỹ đạo không gian khớp phải giải toán ngược động học (phần chương giải) để xác định giá trị biến khớp điểm nút Sau thiết lập hàm nội suy q(t) để mô tả quỹ đạo vừa nhận Thuật tốn thiết kế quỹ đạo khơng gian khớp u cầu:  Khơng địi hỏi tính tốn q nhiều  Vị trí, vận tốc, gia tốc khớp phải biểu diễn hàm liên tục  Giảm thiểu hiệu ứng bất lợi, ví dụ quỹ đạo khơng trơn 3.2 Thiết kế quỹ đạo bậc nội suy biến khớp q1 sau Từ kết chương giải toán động học ngược thu kết biến khớp 1, cho thời gian chuyển động điểm chốt có thời gian: 25 Thời gian(s) Q1 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 1.1071 1.0121 1.0121 1.1071 1.1071 0.8760 0.7853 0.5404 Bảng 3.1: Bảng thông số thời gian biến khớp q1 Ta có: V0 V1 -0.095 V2 V3 0.095 V4 V5 -0.2311 V6 -0.0907 V7 -0.2449 Bảng 3.2: Thông số vận tốc biến khớp q1 Tìm vận tốc trung bình điểm chốt: Ta có: q’ = sig () dấu với sig () q’=0 sig () khác dấu với sig () q Giá trị Q’01 Q’12 Q’23 Q’34 0.475 0.475 Q’45 Q’56 -0.1609 Q’67 0.1678 Bảng3.3 thông số q’ ( với q’ vận tốc trung bình điểm chốt ) Qua hai điểm chốt ta tạo đường cong đa thức bậc 3; qua điểm chốt ta cần phải tạo đường cong bậc Xét đoạn thứ nhất: U1 (t1 )  a  a1t1  a t12  a t13 t= 26 Trong τ thời gian thực tính giây, t biến trạng thái xác định tọa độ điểm thuộc đường cong Theo biểu thức biến trạng thái có giá trị t=0, ứng với điểm bắt đầu chuyển động khâu tác động cuối pi Trạng thái t =1 ứng với khâu tác động cuối chuyển động đến điểm cuối pi+1 quỹ đạo - Theo điều kiện chuyển vị: U1(t=0) = q1 (1) U1(t=1) = q2 (2) - Theo điều kiện vận tốc: U1’(t=0) =q1’ (3) U1’(t=1) =q2’ (4) Điểm xuất phát chọn vận tốc ban đầu không => q1’=0 Từ (1), (2), (3), (4) ta có hệ phương trình: Sau ta tiến hành mô số cho rôbôt  Đồ thị q1 theo thời gian : 27 Hình 3.2.1 Đồ thị biến khớp q1 (rad) Thiết kế quỹ đạo bậc nội suy biến khớp lại ta làm tương tự làm với biến khớp q1: 28 Hình 1.1: Bảng thơng số q chu kỳ Sau giải xong thu đồ thị chuyển vị biến khớp q1, q2, q3, q4 hình đây: Hình 3.2.2 Đồ thị biến khớp q2 (rad) 29 Hình 3.2.2 Đồ thị biến khớp q3 (rad) Hình 3.2.2 Đồ thị biến khớp q4 (rad) 30 Chương 4: Mô Robot 3.1 Phần mềm sử dụng Hiện có nhiều phần mềm thiết kế, giúp mô robot : Easy Rob, Solidworks, Mastercam NX Ở bọn e sử dụng phần mềm solidworks để mô khâu, phận robot 3.2 Giới thiệu phần mềm Soildworks Phần mềm Solidworks phần mềm chuyên thiết kế 3D hãng Dassault System phát hành dành cho xí nghiệp vừa nhỏ, đáp ứng hầu hết nhu cầu thiết kế khí Solidworks biết đến từ phiên Solidworks 1998 du nhập vào nước ta với phiên 2003 với phiên 2018 phần mềm phát triển đồ sộ thư viện khí phần mềm khơng dành cho xí nghiệp khí mà cịn dành cho ngành khác như: đường ống, kiến trúc, trang trí nội thất, mỹ thuật … 4.3 Tiến hành mơ robot Fanuc Irmate 200ib Hình 4.1 khâu 31 Hình 4.2 khâu Hình 4.3 khâu 32 Hình 4.4 khâu Hình 4.5 tay kẹp 33 4.6 hình robot sau ghép Assembly 34 ... lỗi cáp robot vận hành 1.2.3 Số bậc tự cần thiết Đề yêu cầu tính tốn thiết kế robot FANUC LR MATE 200IB 4bậc tự Ta lập luận : Để khâu thao tác di chuyển mạch điện tử u cầu phải có bậc tự cho việc... thất, mỹ thuật … 4. 3 Tiến hành mô robot Fanuc Irmate 200ib Hình 4. 1 khâu 31 Hình 4. 2 khâu Hình 4. 3 khâu 32 Hình 4. 4 khâu Hình 4. 5 tay kẹp 33 4. 6 hình robot sau ghép Assembly 34 ... trúc thiết kế Với kết cấu bậc tự do, Robot trở nên linh hoạt nhiên tính tốn thiết kế chế tạo phức tạp Để tiết kiệm mặt kinh tế vẫm đảm bảo yêu cầu toán đặt ra, ta lựa chọn phương án thiết kế Robot