TIỂU LUẬN môn học TÍNH TOÁN THIẾT kế ROBOT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ -*** - TIỂU LUẬN MƠN HỌC TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD : PGS TS Phan Bùi Khôi : ThS Nguyễn Văn Quyền Sinh viên thực : Phan Thanh Châu - 20175844 Nguyễn Bảo Vỹ - 20175927 Nguyễn Thành Công - 20150441 Lớp : NUT16 Hà Nội 2021 THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHÓM 10 LỜI MỞ ĐẦU Do việc sử dụng tay máy hay cịn gọi Robot cơng nghiệp vào sản xuất ưa chuộng chúng đáp ứng yêu cầu Như biết Robot có nhiều ưu điểm đặc biệt chất lượng độ xác, ngồi cịn phải kể đến hiệu kinh tế cao Có thể làm việc môi trường độc hại mà người làm được, công việc yêu cầu cẩn thận không nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng tinh tế địi hỏi trình độ thợ bậc cao, quan trọng Robot không bị căng thẳng người nên làm việc ngày Xuất phát từ yêu cầu đó, tay máy Robot đời để đảm bảo tự động hóa q trình chế tạo, làm việc Hơn thế, Robot đời giúp người làm việc môi trường độc hại mà người tiếp xúc trực tiếp Cụ thể nhóm định lựa chọn đề tài “Tính tốn thiết kế Robot ứng dụng sơn tường” nhóm tin tưởng với kết có từ việc tìm hiểu tính tốn thiết kế Robot tập lớn bước đệm quan trọng cho việc làm quen ,tính tốn thiết kế loại robot tương lai cho sinh viên Giúp Sinh viên có kiến thức tổng quan robot , biết cách thiết kế, tính tốn lập trình theo modun Robot hồn chỉnh có chức định Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy PGS.TS Phan Bùi Khôi Cảm ơn thầy đóng góp qua giảng hướng dẫn q trình hồn thành tập lớn Những góp ý, sửa chữa thầy giúp chúng em tự tin cách thức tiếp cận cơng nghiệp Mặc dù có chuẩn bị kiến thức chúng em đề cập đến thuyết minh thiếu THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHĨM 10 sót Em mong có bổ sung, sửa chữa để thuyết minh hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn chúc Thầy sức khỏe! MỤC LỤC CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC Phân tích mục đích ứng dụng robot .6 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác a Phân tích yêu cầu vị trí .7 b Phân tích yêu cầu vị trí .8 c Yêu cầu hướng khâu thao tác Xác định đặc trưng kỹ thuật a Số bậc tự cần thiết b Vùng làm việc với tới Robot .8 c Yêu cầu tải trọng Các phương án thiết kế cấu trúc Robot, khớp đưa phương án .9 Thông số kỹ thuật: robot thiết kế, đối tượng hệ thống thao tác .10 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MƠ HÌNH ROBOT………………………….11 Thiết kế 3D 11 Lập vẽ 2D .12 Lập hồ sơ kỹ thuật 12 THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHĨM 10 Xác định thơng số đặc trưng hình học – khối lượng………………… 13 CHƯƠNG : BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT………………………….14 Đặt hệ trục tọa độ thiết lập bảng thông số tuân theo Denavit – Hartenberg.14 Bài toán động học thuận Robot 16 a Tính ma trận D - H .16 b Xác định hướng khâu thao tác 17 c Xác định tọa độ điểm thao tác vận tốc dài điểm thao tác 18 d Vận tốc góc gia tốc góc khâu 18 Bai toán động học ngược 19 a Động học ngược vị trí 19 b Động học ngược vận tốc gia tốc 19 Thiết kế quỹ đạo chuyển động 20 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH YÊU CẦU LỰC/MOMEN ĐỘNG CƠ LỚN NHẤT .23 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC 24 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot……………………25 a Tính ma trận khối lượng .26 b Tính lực quán tính Coriolis 31 c Lực quán tính li tâm 32 d Lực suy rộng lực không 32 THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHÓM 10 Động lực học ngược 33 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ DẪN ĐỘNG ROBOT .33 Thiết kế hệ dẫn động cho khâu 33 Chọn động .41 Tính chọn hộp giảm tốc 43 Thiết kế 3D kiểm nghiệm bền khâu robot 45 CHƯƠNG 7 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN…………………… Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mơ hình điều khiển .46 Mơ Matlab .42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 KẾT LUẬN54 THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHÓM 10 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC Phân tích mục đích ứng dụng Robot Robot ngày sử dụng nhiều cơng việc gia cơng khí Chúng dùng để thực tự động công việc thủ công Robot thực tốt thao tác lặp lặp lại, gia công hàng loạt chi tiết với thao tác , giải phóng người khỏi cơng việc nhàm chán Trong gia cơng khắc chi tiết địi hỏi độ xác tập trung cao độ cơng nhân q trình làm việc, điều dường khơng thể lĩnh vực mà Robot thay người để tăng suất Robot sơn tường có nhiều ứng dụng đời sống, mục đích robot sơn tường theo hình dạng phức tạp, hình dạng địi hỏi phức tạp có độ xác cao THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHĨM 10 Hình Minh họa sản phẩm robot Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác a Đối tượng thao tác, dạng thao tác - Nhiệm vụ robot sơn tường vẽ hình tường (tường có kích thước tối đa 1000 x 1000 mm) đó: - Đối tượng thao tác bề mặt tường phẳng Hình 2: Đối tượng thao tác - Dạng thao tác chuyển động theo cung cong thằng - Ta coi nhà đặt Robot tường để sơn vng góc tuyệt đối THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHĨM 10 Hình 3: Khâu thao tác b Phân tích yêu cầu vị trí - Phải di chuyển vị trí bề mặt tường phun sơn theo kích thước tường đề mục a c Yêu cầu hướng - Đối tượng mặt phẳng nên hướng thao tác hướng vng góc với bề mặt tường hướng cố định khơng thay đổi trình làm việc - Về vận tốc Robot phải đáp ứng phun sơn với vận tốc ổn định để q trình làm việc khơng bị gián đoạn Khơng có yêu cầu gia tốc Xác định đặc trưng kỹ thuật a Số bậc tự cần thiết Để đảm bảo đủ yêu cầu di chuyển theo đường thẳng đường cong mặt phẳng cần tối thiểu bậc tự Nếu robot có từ bậc tự lên chuyển động robot linh hoạt nhiên việc tính tốn thiết kế gặp nhiều khó khăn u cầu tốn thực khơng cần thiết Do đó, nhóm định lựa chọn robot bậc tự cho đề tài THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHĨM 10 b Vùng làm việc với tới robot Hình 4: Vùng làm việc với tới robot c Yêu cầu tải trọng - Tải trọng đầu phun sơn không nặng để đảm bảo khâu không bị uốn mức cho phép ảnh hưởng đến vị trí tương quan đầu phun sơn mặt tường 1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot Phương án 1: bậc tự (TRR) Hình 5: Robot bậc tự THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHÓM 10 - Ưu điểm: Chuyển động linh hoạt tối ưu có khớp quay - Nhược điểm: Khâu tịnh tiến cồng kềnh, tốn chi phí khơng gian thao tác Phương án 2: bậc tự (RRRR) - Hình 6: Robot bậc tự - Ưu điểm: Vùng hoạt động rộng, thiết kế gọn - Nhược điểm: Tính tốn phức tạp, chi phí cao khơng cần thiết Phương án 3: bậc tự (TT) Hình 7: Robot bậc tự - Ưu điểm: Chuyển động bao qt mặt phẳng, tính tốn dễ dàng - Nhược điểm: Độ dài khối lượng khâu lớn Sau phân tích ,trong cấu trúc đề xuất nhóm lựa chọn phương án thiết kế Robot với cấu trúc bậc tự (TT) gồm khớp tịnh tiến để chuyển động cho 10 THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG ❑ ❑ F 1,0= [ NHÓM 10 ][ ][ ] Fx 0 = = Fy 0 = 147 (N) 5.9,8+ 10.9,8 147 F z +m2 g+m1 g => Công suất cần để khiến cấu chuyển động là : • ❑ ❑ Pct = F q = F 1,0 v η η Trong : η=η1 η2 2.η kn : Hiệu suất truyền động Với η1=0,9: Hiệu suất truyền vitme đai ốc bi η2=0,99: Hiệu suất ổ lăn η kn=1: Hiệu suất khớp nối • ❑ 147.0 = > Pct = F q = ❑F 1,0 v = = 50 (W) 0.9 0,99 η η Cần chọn động có cơng suất lớn công suất cần thiết: => Pđc ≥ Pct = 50 W Tốc độ quay động là : Nct = v 60 10 p = 0.3 60 10 10 = 1800 ( vòng/phút ) => Nđc ≥ Nct = 1800 vịng/phút Nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động, giảm thiểu phát sinh nhiệt, đồng thời đảm bảo tốc độ cao tần suất làm việc thay đổi nhanh, liên tục, ta chọn động servo Dựa vào cơng suất tính tốn động cơ, theo catalog hãng Yaskawa ta chọn loại động servo thuộc dịng SGMJV-01A có cơng suất tối đa 100W tốc độ quay định mức 3000 vòng/phút 43 THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHĨM 10 Hình 18 Catalog động servo loại SGMJV hãng Yaskawa Chọn hộp giảm tốc 44 THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHÓM 10 Thiết kế 3D kiểm nghiệm bền khâu robot: Chọn vật liệu thép cacbon có khối lượng riêng , có ứng suất cho phép σ =42.5(kg/mm2 )=4,25 x108 (N/m2 ) Dưới ứng suất, chuyển vị khâu sau đặt lực: Khâu 3: Gắn đầu phun sơn khối lượng 0,2kg chịu lực hướng xuống P = N 45 THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHÓM 10 Khâu 2: Do chịu tác dụng đầu phun sơn khâu có khối lượng 10 + 0.2 = 10,2kg chịu lực hướng xuống P = 102N Khâu 1: P = (5 + 10 + 0,2).10 = 152N  Từ mô ta thấy ứng suất lớn khâu nhỏ ứng suất cho phép nhiều nên Robot đảm bảo độ bền, đồng thời chuyển vị nhỏ, không đáng kể so với kích thước Robot 46 THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG NHÓM 10  CHƯƠNG 7 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mơ hình điều khiển Mơ điều khiển sử dụng luật điều khiển PID: Ta có tốn cụ thể sau: sơn diện tích tường 1x1(m) theo quy trình sau: Ta lấy điểm tiêu biểu: A( 0,1000 ) ; B (1000,1000); C (0,800) Ta xét chuyển động từ A đến B từ B đến C (các chuyển động lại tương tự) - Khi từ A (0,1000) đến B (1000,1000) t=6,042s:   Khi 0≤t