TIỂU LUẬN HỌC PHẦN THIẾT KẾ ROBOT

MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR: INDUSTRIAL ROBOT) ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG SẢN XUẤT CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 3.1 Định nghĩa robot công nghiệp 3.2 Bậc tự robot (DOF: Degrees Of Freedom) .7 3.3 Hệ toạ độ (Coordinate frames) .8 3.4 Trường công tác robot (Workspace or Range of motion) CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 10 4.1 Các thành phần robot công nghiệp 10 4.2 Kết cấu tay máy 11 PHÂN LOẠI ROBOT CÔNG NGHIỆP 12 5.1 Phân loại theo kết cấu 12 5.2 Phân loại theo hệ thống truyền động 12 5.3 Phân loại theo ứng dụng .12 5.4 Phân loại theo cách thức đặc trưng phương pháp điều khiển 12 CHƯƠNG II PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC .14 PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH ỨNG DỤNG ROBOT 14 PHÂN TÍCH YÊU CẦU KỸ THUẬT THAO TÁC 14 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT 16 CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CẤU TRÚC ROBOT, CẤU TRÚC CÁC KHÂU KHỚP, PHÂN TÍCH LỰA TRỌN PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN 17 CHƯƠNG III THIẾT KẾ 3D MƠ HÌNH ROBOT 18 MƠ HÌNH 3D ROBOT .18 BẢN VẼ 2D 18 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 19 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC THUẬN 19 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC NGƯỢC 22 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT THEO MỤC ĐÍCH ỨNG DỤNG .23 3.1 Thiết kế quỹ đạo theo không gian khớp .23 CHƯƠNG V KHẢO SÁT TĨNH HỌC: TÍNH GIÁ TRỊ LỰC/MOMEN TẠI CÁC KHỚP ĐỂ ROBOT CÂN BẰNG TĨNH 31 CHƯƠNG VI BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 34 CHƯƠNG VII THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT 38 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG KHÔNG GIAN KHỚP 38 MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK 40 CHƯƠNG VIII THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT 44 KIỂM BỀN KHÂU 44 CHƯƠNG IX KẾT LUẬN .46 CHƯƠNG X TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 LỜI NÓI ĐẦU Trong nghiệp cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa có vai trị đặc biệt quan trọng Nhằm nâng cao nâng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao suất lao động đặt hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao Robot cơng nghiệp, đặc biệt tay máy robot bô phận quan trọng để tạo hệ thống Tay máy Robot có mặt sản xuất từ nhiều năm trước, ngày tay máy Robot dùng nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ ưu điểm mà tay máy Robot đúc kết lại q trình sản xuất làm việc, tay máy có tính mà người khơng thể có được, khả làm việc ổn định, làm việc mơi trường độc hại… Do việc đầu tư nghiêc cứu, chế tạo loại tay máy Robot phục vụ cho cơng tự động hóa sản xuất cần thiết cho tương lai Môn học thiết kế robot giúp chúng em làm quen tìm hiểu kĩ với vấn đề cốt lõi robot có ích cho chúng em sau Qua chúng em tìm hiểu sâu tìm hiểu cách tiếp cận giải vấn đề môn học Đồng thời qua làm báo cáo hình thành thêm kĩ làm việc,lập kế hoạch,viết báo cáo……rất có ích cho sau Trong q trình làm báo cáo có nhiều vấn đề đặt mà phạm vi khả em cịn hạn chế chưa giải triệt để được, em mong cô bảo hướng dẫn thêm Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực hiện: Đỗ Quang Văn CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP SƠ LƯỢC QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR: INDUSTRIAL ROBOT) Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa cơng việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots Karel Capek, vào năm 1921 Trong kịch nầy, Rossum trai ông ta chế tạo máy gần giống với người để phục vụ người Có lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật cấu, máy móc bắt chước hoạt động bắp người Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo loại máy tự động vạn gọi “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho loại thiết bị có dáng dấp vài chức tay người điều khiển tự động để thực số thao tác sản xuất Về mặt kỹ thuật, robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool) Các cấu điều khiển từ xa (hay thiết bị kiểu chủ-tớ) phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ Người thao tác tách biệt khỏi khu vực phóng xạ tường có vài cửa quan sát để nhìn thấy cơng việc bên Các cấu điều khiển từ xa thay cho cánh tay người thao tác; gồm có kẹp bên (tớ) hai tay cầm bên (chủ) Cả hai, tay cầm kẹp, nối với cấu sáu bậc tự để tạo vị trí hướng tuỳ ý Tay cầm kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển kẹp theo chuyển động tay cầm Vào khoảng năm 1949, máy công cụ điều khiển số đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công chi tiết ngành chế tạo máy bay Những robot thực chất nối kết khâu khí cấu điều khiển từ xa với khả lập trình máy cơng cụ điều khiển số Một Robot Công nghiệp chế tạo Robot Versatran công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian nầy Mỹ xuất loại robot Unimate (1900) dùng kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh (1967), Thụy Điển Nhật (1968) theo quyền Mỹ, CHLB Đức (1971), Pháp (1972), Ý (1973) Tính làm việc robot ngày nâng cao, khả nhận biết xử lý Năm 1967 trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) chế tạo mẫu robot hoạt động theo mơ hình “mắt-tay”, có khả nhận biết định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa loại robot điều khiển máy vi tính, gọi robot T3 (The Tomorrow Tool: Cơng cụ tương lai) Robot nầy nâng vật có khối lượng đến 40 KG Có thể nói, Robot tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chương trình số kỹ thuật chế tạo cảm biến, công nghệ lập trình phát triển trí khơn nhân tạo, hệ chuyên gia… Trong năm sau nầy, việc nâng cao tính hoạt động robot khơng ngừng phát triển Các robot trang bị thêm loại cảm biến khác để nhận biết môi trường chung quanh, với thành tựu to lớn lĩnh vực Tin học - Điện tử tạo hệ robot với nhiều tính đăc biệt, Số lượng robot ngày gia tăng, giá thành ngày giảm Nhờ vậy, robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất đại Một vài số liệu số lượng robot sản xuất vài nước công nghiệp phát triển sau: Bảng 1: số lượng sản xuất robot nước công nghiệp Nước SX Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998 Nhật 66.118 29.756 67000 Mỹ 4.237 7.634 11000 Đức 5.845 5.125 8.600 Ý 2.500 2.408 4000 Pháp 1.448 1.197 2000 Anh 510 1086 1500 Hàn Quốc 1000 1200 ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG SẢN XUẤT Từ đời robot công nghiệp áp dụng nhiều lĩnh vực góc độ thay sức người Nhờ dây chuyền sản xuất tổ chức lại, suất hiệu sản xuất tăng lên rõ rệt Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao suất dây chuyền cơng nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt mục tiêu nhờ vào khả to lớn robot : làm việc mệt mỏi, dễ dàng chuyển nghề cách thành thạo, chịu phóng xạ môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” từ trường “nghe” siêu âm Robot dùng thay người trường hợp thực công việc không nặng nhọc đơn điệu, dễ gây mệt mõi, nhầm lẫn Trong ngành khí, robot sử dụng nhiều công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm Ngày xuất nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm máy CNC với Robot công nghiệp, dây chuyền đạt mức tự động hố cao, mức độ linh hoạt cao máy robot điều khiển hệ thống chương trình Ngồi phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot sử dụng việc khai thác thềm lục địa đại dương, y học, sử dụng quốc phòng, chinh phục vũ trụ, công nghiệp nguyên tử, lĩnh vực xã hội Rõ ràng khả làm việc robot số điều kiện vượt khả người; phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao suất lao động, giảm nhẹ cho người công việc nặng nhọc độc hại Nhược điểm lớn robot chưa linh hoạt người, dây chuyền tự động, có robot bị hỏng làm ngừng hoạt động dây chuyền, robot hoạt động giám sát người CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 3.1 Định nghĩa robot công nghiệp Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục toạ độ; có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo hành trình thay đổi chương trình hố nhằm thực nhiệm vụ cơng nghệ khác Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America): Robot tay máy vạn lặp lại chương trình thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng thơng qua chương trình chuyển động thay đổi để hoàn thành nhiệm vụ khác Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp máy tự động, đặt cố định di động được, liên kết tay máy hệ thống điều khiển theo chương trình, lập trình lại để hồn thành chức vận động điều khiển q trình sản xuất Có thể nói Robot cơng nghiệp máy tự động linh hoạt thay phần toàn hoạt động bắp hoạt động trí tuệ người nhiều khả thích nghi khác Robot cơng nghiệp có khả chương trình hố linh hoạt nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự chúng Robot công nghiệp trang bị bàn tay máy cấu chấp hành, giải nhiệm vụ xác định trình cơng nghệ : trực tiếp tham gia thực ngun cơng (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy ) phục vụ q trình cơng nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá ) với thao tác cầm nắm, vận chuyển trao đổi đối tượng với trạm công nghệ, hệ thống máy tự động linh hoạt, gọi “Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh thao tác đơn giản nhiệm vụ sản xuất thay đổi 3.2 Bậc tự robot (DOF: Degrees Of Freedom) Bậc tự số khả chuyển động cấu (chuyển động quay tịnh tiến) Để dịch chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành robot phải đạt số bậc tự Nói chung hệ robot cấu hở, bậc tự tính theo cơng thức: w  6n  ipi i1 Ở đây: n - Số khâu động; pi - Số khớp loại i (i = 1, 2, ,5 : Số bậc tự bị hạn chế) Đối với cấu có khâu nối với khớp quay tịnh tiến (khớp động loại 5) số bậc tự với số khâu động Đối với cấu hở, số bậc tự tổng số bậc tự khớp động Để định vị định hướng khâu chấp hành cuối cách tuỳ ý không gian chiều robot cần có bậc tự do, bậc tự để định vị bậc tự để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, xếp yêu cầu số bậc tự Các robot hàn, sơn thường yêu cầu bậc tự Trong số trường hợp cần khéo léo, linh hoạt cần phải tối ưu hoá quỹ đạo người ta dùng robot với số bậc tự lớn 3.3 Hệ toạ độ (Coordinate frames) Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với qua khớp (joints), tạo thành xích động học xuất phát từ khâu (base) đứng yên Hệ toạ độ gắn với khâu gọi hệ toạ độ (hay hệ toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với khâu động gọi hệ toạ độ suy rộng Trong thời điểm hoạt động, toạ độ suy rộng xác định cấu hình robot chuyển dịch dài chuyển dịch góc khớp tịnh tiến khớp quay Các toạ độ suy rộng gọi biến khớp (Hình 1.1) Các hệ toạ độ gắn khâu robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út áp út vào lịng bàn tay, x ngón : cái, trỏ theo phương vng góc nhau, chọn ngón phương chiều trục z, ngón trỏ phương, chiều trục x ngón biểu thị phương, chiều trục y (hình 1.2) Trong robot ta thường dùng chữ O số n để hệ toạ độ gắn 28 CHƯƠNG V KHẢO SÁT TĨNH HỌC: TÍNH GIÁ TRỊ LỰC/MOMEN TẠI CÁC KHỚP ĐỂ ROBOT CÂN BẰNG TĨNH Mục đích tốn tĩnh học: Kiểm tra trạng thái cân lực tác dụng từ bên với lực động robot sinh hay lực phanh, lực hãm động cơ; làm sở chọn sơ động robot có chuyển động nhỏ Robot gắp phôi => Coi lực momen phôi tác dụng lên robot Ta cần tính: , : lực, momen khâu tác dụng sang khâu , : lực, momen khâu tác dụng sang khâu , : lực, momen khâu tác dụng sang khâu - Hệ phương trình cân lực/momen hệ tọa độ khâu robot: ; =; = = = =  = = = =  = Tính : == = - Hệ phương trình cân lực/momen hệ tọa độ khâu robot: ; =; = = = =  = 29 = ==  = Tính : = - Hệ phương trình cân lực/momen hệ tọa độ khâu robot: ; =; = = = =  = = =  = Tính : = CHƯƠNG VI BÀI TỐN ĐỘNG LỰC HỌC Mục đích tốn động lực học: Cho mục đích thiết kế, điều khiển robot, tính tốn lực khớp momen góc khớp phát sinh trình chuyển động robot Phương trình vi phân chuyển động: 30 M(q) + C(q,) + G(q) + Q = - Ma trận khối lượng M M(q) = =  Ma trận Jacobi tịnh tiến khâu:  Khâu 1: A1 = ; 1Ac1 =  0Ac1 = 0A11Ac1 =  0rc1 =  JTc1 = (0rc1) =  M1 = = =  Khâu 2: A2 = ; 2Ac2 =  0Ac2 = 0A22Ac2 =  0rc2 =  JTc2 = (0rc2) =  M2 = = =  Khâu 3: A3 = ; 3Ac3 =  0Ac3 = 0A33Ac3 =  0rc3 =  JTc3 = (0rc3) =  M3 = = =  M = M1 + M2 + M3 M=+ M= - Ma trận Coriolis: C(q,) = Với = =  C(q,) = - Ma trận lực G(q):  Thế khâu 1: = g= g  Thế khâu 2: = g= g  Thế khâu 3: = g= g)  Thế Robot: + +  G(q) = = = 31 Vậy ta có phương trình vi phân chuyển động: M(q) + C(q,) + G(q) + Q = + 32 CHƯƠNG VII THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT Các hệ thống điều khiển nêu theo luật điều khiển PD Khi thiết kế hệ thống điều khiển ta bỏ qua động học cấu chấp hành, quán tính động Như chức điều khiển tạo momen cần thiết để truyền động khớp robot đảm bảo khớp robot ln bám theo vị trí đặt HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG KHÔNG GIAN KHỚP Tín hiệu đặt quỹ đạo bậc khớp tính tốn phần thiết kế quỹ đạo Hệ thống điều khiển phản hồi Luật điều khiển Hình 7.1.Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot với điều khiển PD 33 Ta thấy rằng, mức độ dương VL phụ thuộc vào Kp; mức độ âm V L phụ thuộc vào Kd Do tăng tốc độ hội tụ tăng giá trị Kd Nâng cao độ xác tinh hệ thống điều khiển đạt tăng hệ số Kp khâu 34 khuếch đại Tuy nhiên ,Kp Kd lớn làm giảm độ ổn định chất lượng trình độ độ điều chỉnh , thời gian độ tăng MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK Hình 7.2 Sơ đồ khối điều khiển PD 35 Hình 7.3 sơ đồ khối PD 36 Hình 7.4 sơ đồ khối robot 37 38 CHƯƠNG VIII THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT KIỂM BỀN KHÂU Sử dụng phần mềm Inventer để thiết kế mô tính ứng xuất cho khâu đặt lực 500N vị trí xa làm việc trạng thái nguy hiểm khâu Ta xác định ứng suất lớn chi tiết 42,28Mpa < 500Mpa vật liệu thép cacbon chi tiết đủ bền 39 Tính tốn chuyển vị cho thấy kết cấu bị chuyển vị lớn vị trí đặt lực 0,4253mm 40 CHƯƠNG IX KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu đồng thời giúp đỡ nhiệt tình thầy hướng dẫn, em hoàn thành đồ án Thông qua môn học giúp em hệ thống lại kiến thức học, đồng thời giúp em tìm hiểu thêm số kiến thức đặc biệt giúp em tìm hiểu sâu robot, lĩnh vực khơng cịn phát triển mạnh nước ta Trong đồ án giúp đỡ bạn bè, thầy cơ, tìm hiểu em làm số phần sau: thiết kế mơ hình robot Inventer theo ý tưởng mình, tính tốn động học thuận ngược, thiết lập phương trình động lực học robot, thiết lập quỹ đạo chuyển động không gian khớp không gian làm việc, thiết kế điều khiển phản hồi không gian khớp, mô Simulink không gian khớp Tuy làm qua giúp em hiểu thêm robot, để em phát triển sau Nhưng hạn chế hay chưa làm đồ án: cố gắng em cịn hạn chế như: chưa điều khiển xác không gian làm việc, thông số hiệu chỉnh chưa tối ưu để quỹ đạo bám tốt Những hạn chế , em cố gắng tiếp tục hoàn thiện vào đồ án Em xin chân thành cảm ơn! 41 CHƯƠNG X TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Bài giảng Robotics-PGS.TS.Phan Bùi Khôi 2.Động lực học hệ nhiều vật-GS.TSKH.Nguyễn Văn Khang Cơ sở Robot công nghiệp -GS.TSKH Nguyễn Văn Khang Điều khiển Robot công nghiệp – TS Nguyễn Mạnh Tiến Robot công nghiệp – GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc Phần help phần mềm Maple Phần help phần mềm Matlab 42 ... khiển , thiết bị dạy học, máy tính phần mềm lập trình nên coi thành phần hệ thống robot 10 Cánh tay robot (tay máy) kết cấu khí gồm khâu liên kết với khớp động để tạo nên chuyển động robot Nguồn... CHƯƠNG III THIẾT KẾ 3D MƠ HÌNH ROBOT 18 MƠ HÌNH 3D ROBOT .18 BẢN VẼ 2D 18 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 19 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC THUẬN 19 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC NGƯỢC... cơ, tìm hiểu em làm số phần sau: thiết kế mô hình robot Inventer theo ý tưởng mình, tính tốn động học thuận ngược, thiết lập phương trình động lực học robot, thiết lập quỹ đạo chuyển động không