đề tài thiết kế mô hình Robot ứng dụng trong lắp ráp trên dây chuyền tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ *************** BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ ROBOT Giảng viên hướng dẫn: PGS Phan Bùi Khôi Sinh viên thực hiện: Họ tên MSSV Lớp Nguyễn Văn Chương 20170665 CK.CĐT.06 – K62 Đặng Bảo Kiên 20170795 CK.CĐT.06 – K62 Đào Trọng Thắng 20170901 CK.CĐT.06 – K62 Hà Nội, tháng năm 2021 Phân công thực đề tài tự đánh giá xếp loại nhóm Nhóm: 07 TT Mã số SV Họ tên Nhiệm vụ phân công 20170665 Nguyễn Văn - Thiết kế quỹ đạo Chương chuyển động - Thiết kế dẫn động Robot 20170795 Đặng Bảo Kiên - Phân tích lựa chọn cấu trúc - Thiết kế hệ thống điều khiển 20170901 Đào Trọng - Thiết kế 3D mơ Thắng hình robot - Phân tích trạng thái (tĩnh) yêu cầu lực momen lớn - Tính tốn động lực học Xếp loại Chữ ký Khá Chương Khá Kiên Khá Thắng Mục Lục Lời mở đầu CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC 1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot 1.2 Một số yêu cầu kĩ thuật thao tác 1.3 Xác định đặc trưng kĩ thuật 1.4Các phương án cấu trúc robot, cấu trúc khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực 1.5 Thông số kĩ thuật 13 CHƯƠNG THIẾT KẾ 3D MƠ HÌNH 14 CHƯƠNG THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 17 3.1 Khảo sát động học thuận, ngược 18 a động học thuận .18 b Động học ngược (Inverse Kinematics) 24 3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động robot .24 CHƯƠNG TĨNH HỌC 30 4.1 Bài toán .30 4.2 Phương trình khảo sát 30 4.3 Tính tốn cụ thể 31 CHƯƠNG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC 34 5.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot .34 5.2 Động lực học ngược .39 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT 42 6.1 Thiết kế cấu động học 42 6.2.Tính tốn lựa chọn trục vít me bi 42 6.2.1 Vít me – đai ốc bi 42 6.2.2.Thông số đầu vào: 43 6.2.3 Tính tốn lực dọc trục 44 6.2.4 Tính tốn tốc độ vịng trung bình động 46 6.2.5 Chế độ làm việc máy với trục 47 6.2.6 Tính toán tải trọng động Ca 47 6.2.7 Chọn bán kính trục vít 48 6.2.8 Chọn vít me bi 49 6.2.9 Kiểm tra sơ 51 6.3.Tính tốn lựa chọn ổ bi 52 6.3.1.Kiểm nghiệm độ bền với trục Z0 .58 6.3.2 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z1 60 6.3.3 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z2 .61 6.4 Tính chọn động 62 6.4.1 Thông số kỹ thuật 62 6.4.2.Tính chọn động 62 6.5 Tính chọn ray dẫn hướng .65 6.5.1.Ray dẫn hướng (linear guide) 65 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 74 7.1 Chọn luật điều khiển .74 7.2 Mô Matlab 75 Tài liệu tham khảo 87 Lời mở đầu Robot ngành kỹ thuật bao gồm thiết kế, chế tạo, vận hành, ứng dụng robot, hệ thống máy tính để điều khiển, phản hồi tín hiệu cảm biến, xử lý thơng tin chúng Nhữn công nghệ liên hệ với máy móc tự động dùng để thay người môi trường độc hại q trình sản xuất Robot cơng nghiệp lĩnh vực nghiên cứu phát triển mạnh giới nước ta, lĩnh vực mẻ Ngày trình sản xuất đại, hầu hết quy trình thực máy chuyên dùng Các phương pháp làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất sản phẩm cơng nghiệp phù hợp với đa số người tiêu dùng Đặc biệt cơng cơng nghiệp hóa đại hóa, nói Robot mang tới cho sống người sống mới, cách trải nghiệm sống đơi cịn người bạn Những hãng Robot từ nước tiếng giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày khẳng định diện Robot phần không thiếu sống tương lai phía trước Nó xuất tất lĩnh vực từ khoa học vĩ mô vi mô ngày đa dạng Trong khuôn khổ môn học Thiết kế Robot với đề tài thiết kế mơ hình Robot ứng dụng lắp ráp dây chuyền tự động, nhóm tin tưởng với kết có từ việc tìm hiểu tính tốn tiểu luận bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều ý tưởng tương lai tính tốn thiết kế loại Robot cơng nghiệp Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới PGS Phan Bùi Khôi ln tận tình giúp đỡ hướng dẫn chúng em trình trao đổi buổi học Những góp ý, sửa chữa thầy phần giúp nhóm tự tin cách thức tiếp cận với công nghiệp có chuẩn bị nhóm kiến thức nhóm mang đến tiểu luận sai sót chưa Nhóm mong có bổ sung, sửa chữa đó, chúng em chân thành cảm ơn chúc Thầy sức khoẻ! Chúng em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, tháng năm 2021 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC 1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot Robot loại máy thực công việc cách tự động điều khiển máy tính vi mạch điện tử lập trình Robot cơng nghiệp lập trình sẵn theo trình tự định sử dụng phục vụ công việc lắp ráp, sản xuất chế biến sả phẩm Robot hỗ trợ nhiều cho người Đặc biệt môi trường khắc nghiệt, độc hại nguy hiểm Robot cơng nghiệp có tính xác cao hiệu vượt trội so với sản xuất thủ công Theo Viện nghiên cứu robot Mỹ đề xuất: Robot công nghiệp tay máy vạn hoạt động theo chương trình lập trình lại để hoàn thành nâng cao hiệu hoàn thành nhiệm vụ khác công nghiệp, vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, sản phẩm, dụng cụ thiết bị chuyên dùng khác Theo định nghĩa GHOST 25686-85 sau: Robot công nghiệp máy, thiết bị cố định di động, bao gồm cấu chấp hành dạng tay máy có số bậc tự hoạt động hệ thống điều khiển theo chương trình, lập trình linh hoạt để thực thao tác trình sản xuất Vậy ta định nghĩa tổng quát sau: Robot công nghiệp máy, thiết bị cố định di động, tích hợp từ nhiều phận phận bao gồm: - Cơ cấu chấp hành - Hệ thống dẫn động - Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả lập trình linh hoạt - Hệ thống thông tin giám sát Nhờ robot cơng nghiệp có khả thao tác tự động linh hoạt, bắt chước chức lao động công nghiệp người Ứng dụng Robot công nghiệp Trên giới: Hiện giới, nhu cầu sử dụng robot ngày nhiều q trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao suất dây chuyền cơng nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, nâng cao khả cạnh tranh sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có khả thích ứng tốt thơng minh với cấu trúc đơn giản linh hoạt Có thể kể đến số ứng dụng điển hình robot giới như: Robot song song dùng phân loại đóng gói sản phẩm: IRB 660 Flex Palletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker Các robot gắp hộp vắc xin bại liệt từ băng tải đặt vào thùng gồm 20 hộp cách xác Robot dùng công nghệ ép phun nhựa: IRB 6650 hãng ABB thao tác nhanh, dễ dàng lấy sản phẩm khỏi khn vị trí tách khn, giám sát, làm sạch, điều khiển chất lượng dựa camera Tại Việt Nam: Nước ta ứng dụng robot công nghiệp đa đạng, tùy vào nghành, công việc khác mà ta áp dụng robot cơng nghiệp riêng biệt Dưới số nghành hệ thống sản xuất mà áp dụng robot công nghiệp Cơng nghiệp đúc: robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khn, cắt mép thừa, làm vật đúc làm tăng bền vật đúc cách phun cát Ngành gia cơng áp lực: q trình hàn nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc độc hại nhiệt độ cao, điều kiện làm việc nặng nề, dễ gây mệt mỏi phân xưởng rèn dập Trong năm gần việc áp dụng loại robot vào dây chuyền sản xuất ngày phổ biến Ví dụ loại robot hàn, robot phun sơn, hay robot lắp ráp Nhiều cơng việc địi hỏi độ xác cao robot sử dụng cách phổ biến Trong môi trường công việc độc hại, người ta sử dụng robot để thay cho người Ứng dụng đề tài thiết kế mơ hình robot lắp cánh quạt hệ thống lắp ráp cánh quạt tự động nhằm mục đích robot dùng để lắp cánh quạt đặt vào vị trí khn xác định sẵn để tiến hành lắp ráp thành quạt hoàn chỉnh đồng thời thay cho sức người Việc ứng dụng robot vào công việc cần độ chi tiết cao, xác tốc độ làm việc nhanh, liên tục, kéo dài,hạn chế tối đa xuất lỗi kĩ thuật,hiệu công việc tăng lên Từ đó, làm giảm chi phí, giảm thiểu sức lao động người Hình Một số loại quạt tản nhiệt 1.2 Một số yêu cầu kĩ thuật thao tác • Đối tượng thao tác, dạng thao tác Cánh quạt tản nhiệt • Yêu cầu vị trí Cánh quạt giữ cố định khn • Yêu cầu hướng khâu thao tác Để lắp cánh quạt xác hiệu khâu thao tác có hướng đầu gắp ln ln vng góc với bề mặt thao tác • u cầu khơng gian thao tác Robot lắp cánh quạt có mặt phẳng ngang với hướng gắp tùy ý không gian làm việc 1.5x1.5x1m Hình Cánh quạt tản nhiệt (đối tượng thao tác) 1.3 Xác định đặc trưng kĩ thuật Tính tốn thiết kế Robot lắp cánh quạt khơng gian làm việc 1.5x1.5x1m Do Robot làm việc không gian chiều nên số bậc tự tối thiểu 3: bậc tự để xác định tọa độ điểm mặt phẳng,1 bậc tụ để xác định chiều cao không gian Với kết cấu 4,5,6 bậc tự việc tính tốn trở lên phức tạp, giá thành cao, tính khả thi nhỏ so với kết cấu bậc tự => chọn kết cấu bậc tự 1.4Các phương án cấu trúc robot, cấu trúc khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực  Lựa chọn cấu robot  Cơ cấu T-T-T ưu điểm: kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, tận dụng tối đa không gian làm việc robot, tính liên tục cao, đảm bảo tốt độ xác thao tác, thích hợp thao tác với mặt phẳng nằm ngang nhược điểm: robot chiếm diện tích lớn Hình 5.21 Mơ hình 3D hệ thống 75 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 7.1 Chọn luật điều khiển Ở phần này, nhóm trình bày hệ thống điều khiển cho robot thiết kế tính tốn phần Bài toán điều khiển toán quan trọng, hệ thống thiết kế tốt giúp cho q trình làm việc robot có hiệu độ xác cao Có nhiều phương pháp điều khiển từ cổ điển đến áp dụng cho robot, khn khổ báo cáo nhóm đề xuất áp dụng phương pháp điều khiển dựa mơ hình động lực học nêu phần trước Đây phương pháp điều khiển đơn giản mang lại hiệu tương đối tốt cho hệ thống Ở nhóm sử dụng điều khiển PD + Lực học môn robotics với biểu thức sơ đồ điều khiển sau: 76 7.2 Mơ Matlab Hình 7.2 Mơ hình MATLAB SIMULINK Đây khối tín hiệu đặt Trong qd1, qd2,qd3 vị trí đặt khâu 1,2,3 dq1,dq2,dq3 vận tốc đặt khâu 1,2,3 ddq1,ddq2,ddq3 gia tốc đặt khâu 1,2,3 77 Hình 7.4 Khối điều khiển PD 78 Hình 7.5 Khối phương trình vi phân chuyển động 79 Hình 7.6 Khối biểu diễn đầu 80 Hình 7.7 Khối chấp hành robot Hình 7.8 Khối chấp hành có thành phần tích phân 81 Đồ thị tịnh tiến khâu Đồ thị tịnh tiến khâu 82 Đồ thị tịnh tiến khâu Đồ thị sai số biến khớp 83 Đồ thị sai số biến khớp Đồ thị sai số biến khớp 84 Vận tốc khâu Sai số vận tốc khâu 85 Vận tốc khâu Sai số vận tốc khâu 86 Vận tốc khâu Sai số vận tốc khâu 87 Đồ thị momen khớp 88 Tài liệu tham khảo Bài giảng “Thiết kế Robot”, PGS Phan Bùi Khôi Các Video giảng dạy Giảng viên Phan Bùi Khôi hệ thống lms.hust.edu.vn Sách “Ứng Dụng Solidworks Trong Thiết Kế Cơ Khí”, TS Nguyễn Hồng Thái Sách “ Điều khiển robot công nghiệp”,Nguyễn Mạnh Tiến “MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”,Nguyễn Phùng Quang Ngồi cịn nhiều video, tài liệu khác 89 ... lĩnh vực từ khoa học vĩ mô vi mô ngày đa dạng Trong khuôn khổ môn học Thiết kế Robot với đề tài thiết kế mơ hình Robot ứng dụng lắp ráp dây chuyền tự động, nhóm tin tưởng với kết có từ việc tìm hiểu... phổ biến Trong môi trường công việc độc hại, người ta sử dụng robot để thay cho người Ứng dụng đề tài thiết kế mơ hình robot lắp cánh quạt hệ thống lắp ráp cánh quạt tự động nhằm mục đích robot. .. CHƯƠNG THIẾT KẾ 3D MƠ HÌNH Mơ hình 3D cánh quạt Mơ hình 3D khn đựng cánh quạt 14 Mơ hình 3D sản phầm sau hồn tất q trình lắp gép Mơ hình 3D sơ robot TTT 15 Mơ hình 3D băng chuyền 16 CHƯƠNG THIẾT KẾ