Thiết kế robot

Luận Văn: Thiết kế robot

Nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế Robot có sơ đồ nh hình vẽ để di chuyển một vật hình trụ rỗng bằng đồng có khối lợng m = 20 kg từ vị trí A đến vị trí B.

109

Nội dung thiết kế Chơng I: Giới thiệu tổng quan về Robót

Chơng II: Chọn sơ đồ nguyên lý và kết cấu của Robot

Chơng III : Chọn sơ đồ và tính toán hệ thống truyền động cơ khí để quay thân

Robot một góc θ.

Chơng IV : Chọn sơ đồ và tính toán hệ truyền dẫn thuỷ lực theo phơng Z và đẩy

tay máy theo phơng R trong hệ toạ độ trụ M (r, θ, z).

Chơng V: Chọn sơ đồ và tính toán hệ truyền động khí nén để điều khiển kẹp

nhà tay máy.

Chơng VI : Tính lực momen quán tính các khâu của tay máy.

Chơng VII : Lập và giải bài toán thuận nghịch để tính vị trí và chuyển vị của tay

Chơng VIII: Thiết kế hệ thống điều khiển.

Trớc những năm 1945, ngời Đức phát minh ra máy điều khiển từ xa mang tên: Teleoprater để thực hiện phóng tên lửa từ Đức sang Anh Lần đầu tiên Robot xuất hiện trong thực tế.

Do Robot có thể thay thế con ngời hoạt động trong nhiều lĩnh vực khác nhau Đặc biệt có các đặc điểm nổi bật nh: Đơn giản hoá các dây chuyền phức tạp Dễ dàng thay đổi chơng trình làm việc Có khả năng tạo ra các dây chuyền tự động hoá hoàn toàn Giá thành đầu t thấp, giảm thời gian sản xuất, hiệu quả kinh tế cao Do đó nó đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác của đời sống xã hội nh: Văn phòng, sinh hoạt, công nghiệp, khai thác đại dơng, thám hiểm vũ trụ

Trong công nghiệp Robot có ba hớng ứng dụng chủ yếu là: Thay thế con ngời làm việc ở những nơi nguy hiểm, độc hại Cơ khí hoá các công việc nặng nhọc, phục vụ máy móc và làm những công việc đơn điệu, buồn tẻ Tự động từng phần hoặc toàn phần quá trình sản xuất Ngoài ra Robot còn đợc ứng dụng rộng rãi trong khai thác biển, lắp đặt đờng dây, thiết bị dới đáy biển.

Với những u việt trên Robot đã có những bớc tiến đáng kể Đến năm 1950 Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điểu khiển Đã xuất hiện những cơ cấu điều phối mới và sensor nh: meami-Cumputer Tiếp sau đó là các thế hệ Robot của các nớc nh Mĩ (UNIMATE) năm 1961, Nga (YM1) năm 1968 Năm 1969, Nhật đầu t 6,3 triệu Mĩ kim vào Robot Chỉ sau 15 năm Nhật đã cho ra đời 3000 Robot Unimate Từ 1971 đến 1974 cả thế giới đổ xô vào nghiên cứu Robot nh: A, Pháp (1974), Đức, Thuỵ Sỹ Theo thống kê năm 2000 cả thế giới đã có khoảng 200 công ty sản xuất Robot Trong đó Nhật chiếm 80 công ty, Tây Âu khoản 90, Mĩ 30.

II Khái niệm về Robot.

1 Định nghĩa cơ bản.

a Tay máy.

Tay máy là một thiết bị kỹ thuật dùng để lặp lại một số chức năng thay ời Nó đợc điều khiển bằng nhiều loại khác nhau nh: tay gạt khớp tỳ, rơle, chơng trình điều khiển số và các loại chơng trình khác

ng-b Máy điều khiển từ xa Teleoperater.–

Là thiết bị có sự điều khiển từ xa của con ngời để thực hiện một số công việc nhất định từ nơi này sang nơi khác Thiết bị tự động làm việc theo một chơng trình có suy nghĩ và t duy của con ngời để thực hiện một số công việc không có tham gia của con ngời Tuy nhiên mỗi quốc gia định nghĩa Robot theo một cách khác nhau nhng bản chất giông nhau.

*Theo ngời Pháp: Robot là cơ cấu chuyển đổi tự động có chơng trình hoá có khả năng định vị định hớng, di chuyển vật chất.

* Theo ngời Nga: Robot là một máy tự động.

2 Yêu cầu đối với kết cấu của Robot

Để thực hiện chức năng theo định nghĩa của Robot thì Robot có các yêu cầu sau:

- Phải có hệ thống điều khiển lập trình đợc hoặc kết hợp với máy tính có trí tuệ Điều khiển một hoặc một nhóm Robot.

- Cơ cấu chấp hành có thể bằng thuỷ lực, khí nén để thực hiện so cơ cấu điều khiển phát ra

- Phải có cảm biến liên hệ giữa cơ cấu chấp hành về trung tâm điều khiển.

III Các thế hệ robot.1 Thế hệ một.

Robot làm việc theo chơng trình cứng định sẵn của những năm 60 chơng

một sử dụng chơng trình số Robot nhớ và có khả năng thực hiện chơng trình trong chu kỳ nhất định.

Thế hệ một có các loại UNIMATE, UNIMATION, YM –1.

2 Thế hệ 2 (1960 - 1970).

Đợc gắn một số cảm biến để thực hiện một số chức năng đơn giản của con ngời do đó thu nhận thông tin nhiều hơn, gắn vào tay Robot có các cảm biến hình thành một mối liên hệ phản hồi về trung tâm điều khiển.

Các đặc điểm của Robot thế hệ này là.- Hệ điều khiển có sử dụng máy tính

- Sau khi nhận thông tin Robot có khả năng phân tích để tự thích nghi với môi ờng.

tr Chơng trình dùng cho Robot thế hệ 2 bao gồm cả phơng án dự tính trớc khi gặp các trờng hợp do cảm biến báo về.

Có các loại Robot tiêu biến của thế hệ hai: UNIMATE – 2 (Mĩ), YHUBCPCAL (Nga), XUMAT (Nhật).

3 Thế hệ 3 (1980 - 1990).

Robot thế hệ 3 có các giác quan hoàn hảo hơn thế hệ 2 có các khả năng nghe nhìn, nhận biết và tích luỹ kinh nghiệm có khả năng thông tin cao hơn và có trí thông minh và có khả năng tự hành động, có hoạt tính và độ chính xác vị trí cao hơn.

Đặc điểm: Năng lực thu nhận nhiều loại thông tin có khả năng phân tích

phán xét và tự thích nghi với môi trờng khi điều kiện làm việc thay đổi thì Robot tự thay đổi thích nghi và có Robot có khối lợng từ 40 – 60 kg.

4 Robot thế hệ sau năm 1990.

Đợc gọi là Robot có trí tuệ có khả năng thông tin cao hơn có hiệu quả thu nạp thông tin cao hơn, có chơng trình hoá cao hơn và đợc trang bị nhiều cảm biến hơn.

Không gian hoạt động tăng đặc tính động học và động lực học đều tăng độ chính xác cao hơn.

* So sánh tay ngời và Robot

(2)

- Khả năng mang vác tay ngời m = 10kg- Tay ngời mang vật m = 1kg

- Tay Robot mang vật 40 – 50kg.

* Khả năng di chuyển tốc độ+ 1 tay máy

+ 2 Robot

+ 3 Tự động hoá khác

IV Phân loại Robot1 Phân loại theo giá trị sử dụng

a Nghiên cứu khoa học

- Nghiên cứu vũ trụ.- Nghiên cứu đại dơng- Nghiên cứu lòng đất.

b Robot công nghiệp

- Luyện kim- Đúc

- Hàn.

2t

2 Theo mức độ vạn năng:

a Robot vạn năng

Là loại Robot làm rất nhiều việc có nhiều bậc tự do điều chỉnh chiều dài tay máy – chức năng Loại này có thế thay đổi công việc có khả năng thay đổi chơng trình.

b.Robot chuyên dùng.

Là loại Robot dùng trong một số công việc thờng có 1-3 bậc tự do và làm theo chơng trình thực hiện theo một số nguyên công đơn giản.

c Robot chuyên môn hoá.

Chỉ làm một việc và chỉ có một hoặc hai bậc tự do và ứng dụng hạn chế trong điều kiện và không gian nhất định.

Điều khiển chương trỡnh

Điều khiển chương trỡnh bằng mỏy tớnh cú cảm biến

Điều khiển bằng PC tương thớch

hoàn toàn

theo đường

Điều khiển tổ hợp theo

Theo giỏ trị

Mức độ vạn năng

Theo sức nõng

Theo hệ ĐK

3 Phân loại theo các thông số về động học.

a Phân loại theo số bậc tự do: Thông thờng có từ 2 đến 6 bậc tự do.b Theo thông số hình học: Làm việc theo toạ độ đề các trụ, cầu.c Theo khả năng tải.

+ Loại < 5kg

+ Loại từ 5 – 40 kg+ Loại > 40kg

4 Theo hệ thống năng lợng.

a Cơ cấu chấp hành chủ yếu là thuỷ lực (lực lớn)

b Cơ cấu chấp hành chủ yếu là khí nén (tác động nhanh)c Cơ cấu chấp hành chủ yếu là điện tử

d Tổ hợp thuỷ khí cơ điện từ.– –

5 Phân loại theo hệ truyền động.

a Hệ truyền động gián tiếp.

Có sử dụng bộ truyền trung gian nh xích, đai ốc, bánh răng, vít Hệ này tuy đơn giản, dễ sử dụng nhng có các nhợc điểm lớn sau:

+ Tính phi tuyến cao

+ Lực trễ lớn, tạo nên quán tính lớn

+ Kém chính xác, chóng mòn, hiệu suất thấp.

b Hệ truyền động trực tiếp.

Cơ cấu chấp hành đợc nối trực tiếp với nguồn lực Nó khắc phục đợc nhợc điểm của hệ truyền động gián tiếp nhng nó khó chế tạo và khó điều khiển tốc độ trên một dải rộng.

6 Phân loại theo hệ điều khiển

a Điều khiển theo chơng trình cứng.

Chơng trình điều khiển có thể là theo chu kỳ, số, NC Loại này đơn giản nhng không linh hoạt, chỉ phù hợp với những công việc nhất định và đơn giản.

b Theo chơng trình mềm.

Đợc điều khiển bằng máy tính PC Loại này dễ dàng thay đổi chơng trình, dễ dàng ghép nối cảm biến, có khả năng xử lý lợng thông tin cao Linh hoạt với nhiều hoạt động phức tạp Phù hợp cho các công việc vạn năng.

Chơng II.

Chọn sơ đồ nguyên lý và kết cấu Robot

Sơ đồ nguyên lý của Robot phải phù hợp với các yêu cầu sau:

* Thể hiện đầy đủ các chức năng, bộ phận của Robot và các đặc điểm của từng loại.

* Thân Robot có kết cấu phù hợp với chức năng làm việc của Robot Kết cấu đủ vững chắc để đảm bảo công suất làm việc của Robot bao gồm, sức nâng thân Robot và lực nâng chi tiết khi thao tác Lực và momen quán tính ở tay máy.

* Có hệ thống điều khiển.

* Hệ truyền động khí nến đối với truyền động kẹp nhả tay máy.

* Hệ truyền động thuỷ lực để truyền động theo phơng z và đẩy tay máy theo ơng r trong hệ toạ độ M (r, θ, z)

ph-* Sơ đồ hệ thống cơ khí đối với truyền động quay thân Robot.Phân tích với yêu cầu của đề bài:

* Robot làm việc trọng hệ toạ độ trụ M (r, θ, z) nên làm việc rất khoẻ nhng nhợc điểm là khó làm việc với những vị trí sát chân và tính cơ học không cao.

* Với cơ cấu truyền động nh sơ đồ đã cho, ta thấy rằng Robot có thể tham gia cùng lúc 2 chuyển động chính là chuyển động tịnh tiến đồng thời quay quanh trục z của thân Robot và chuyển động tịnh tiến đồng thời quay theo phơng r của tay máy để thực hiện việc gắp nhả vật từ vị trí A sang vị trí B.

* Thiết kế Robot nhấc vật nặng đòi hỏi độ cứng vững nhất định, hệ truyền động phải tạo ra áp lực đủ lớn để nâng và di rời vật Do đó khi thiết kế cần hợp lý hoá 1 số thông số kỹ thuật để đảm bảo yêu cầu của bài toán

I Sơ đồ nguyên lý.

13 12 11

4 Bánh răng côn 16 Van điều khiển

II Nguyên lý hoạt động của thân Robot

- Hệ truyền động quay thân Robot đợc thực hiện bởi hệ thống truyền dẫn cơ khí Thông qua hộp tốc độ (3) truyền dẫn chuyển dộng quay tự động cơ (1) đến thân Robot.

- Cơ cấu truyền dẫn thuỷ lực (5) đảm nhận chuyển động lên xuống của thân Robot theo phơng z và chuyển động di chuyển tiếp xúc với vật theo phơng r

12

12 1113

- Sau khi loại bỏ hơi nớc trong khí nén, khi tiếp tục đi vào van điều khiển (23) Tại đây khí đợc đẩy vào buồng trái của xilanh (7) để đẩy pitton đi ra.

- Chuyển động đi vào đợc thực hiện nhờ lò xo nén Khí thừa đợc thải.

Chơng III

Chọn sơ đồ và tính toán hệ thống truyền động cơ khí để quay thân robot

I Sơ đồ truyền dẫn quay thân robot

n ϕ4

1 Động cơ 3 Hộp giảm tốc

II Đặc điểm của thiết kế.

Điều khiển bằng hộp tốc độ rất chuẩn xác, tỉ số truyền lớn, có khả năng truyền lực tơng đối lớn, hiệu suất cao.

Tuy nhiên nó thiết kế cồng kềnh, tốn kém Khi hoạt động gây nên tiếng ồn lớn, chóng bị ăn mòn và có quán tính lớn.

III Tính toán truyền động.

Giả sử vòng quay động cơ N0 = 1440 vòng/ phút.Chọn hiệu số bánh răng lần lợt là:

Tỷ số truyền:

Số vòng quay của thân Robot N4 = N0.i =vòng/phút.Tốc độ góc:

10.14,3.2602 4

Mx Là mô men xoắn tác dụng lên trục động cơ ta có.

ηkhớp nối = 1ηổ trợt = 0.99η bánh răng côn = 0.94ηbánh răng = 0.95ηổ lăn = 0.995

Có Mms = G.f.d/2

G là trọng lợng phần quay chọn G = 1000NF : Hệ số ma sát quy ớc Chọn f = 0,025

d: đờng kinh phần quay Giả sử cánh tay máy dài 0,4m

1440.107,69550

7 Van an toàn8 Van điều khiển 9 Van tiết lu10.Xy lanh11 Cần piston.

2 Hoạt động.

21

Phản lực tác động:

Lực ma sát giữa piston và xilanh là:

11

+ Tải trọng định mức cánh tay Robot tại truyền động vào ra tay kẹp là F4 = 100 kg.

444

Giả thiết tổn hao dầu trên đờng vào ∆p =0,1 (kg/cm2)=> p03 = p3 - ∆p = 1,38 – 0,1 = 1,28 (kg/cm2)

III Tính chọn công suất đông cơ.

Lu lợng dầu chuyển qua khi cánh tay Robot làm việc)

Công suất động cơ cần chọn:

1 03 2

π

LD

II Sơ đồ khí nén và nguyên lý hoạt động

Hệ truyền động khí nén dùng sơ đồ khí nén một chiều (tác động đơn) có nguyên lý làm việc và cấu tạo nh hình vẽ:

1: Nguồn khí nén2: Lọc khí.

3: Điều chỉnh áp suất4: áp kế

5: Tách ẩm

6: Van điều khiển7: Cần piston8: Tay kẹp

III Tính toán hệ truyền động khí nén

Giả sử xilanh có các thông số quy ớc+ D = 4cm: Đờng kính trong của xilanh+ d = 1cm : Đờng kính cần xilanh+ P1 : áp suất do lực p1 tác dụng+ P1 : áp suất do lực p2 tác dụng

+ ΣF: Lực tác dụng do hệ thống gây raKhi đó ta có: ΣF = Pk +Pr +Pms +PL

Trong đó:

+ Pk : Lực do khí quyển tác dụng vào cần piston)

Ω1 Ω2

(Giả sử áp suất của nguồn khí pT = 50 (N/cm2)

+ Pms: Lực ma sát giữa Piston và thành xilanh Pms = f.π.D.b.p.n

Trong đó:

- f = 0,1 : Hệ số ma sát giữa piston và xilanh- D = 4cm : Đờng kính xilanh

- b = 0,1 cm : Bề rộng vòng gioăng cao su- n = 5 : số vòng gioăng

- p = 8N/cm2: áp lực vòng gioăng lên thành xilanh=> Pms = 0,1 3,14.4.0,1.5.8 ≈5(N)

+PL: Trọng lực

PL = m.g + ΣFt = 20.10+20 ≈220 (N)

=> ΣF = Pk + PT + Pms +PL = 7,85 + 125,67 + 5 + 220 = 358,52 (N)Ta có p1 = pm + ∆p = pm + 10%pm = 20 + 5 = 55 (N/cm2)

)14(4

II Tính toán thiết kế

Robot nâng vật hình trụ rỗng bằng đồng có khối lợng 20kg Lực kẹp vật phải thắng đợc trọng lực của vật cần nâng

=> 2T > mg Chọn hệ số an toàn = 1,5=> T = 150()

Để đảm bảo an toàn ta chọn F = 43 (N).

Chơng VII

Lập và giải bài toán thuận nghịch–

để tích vị trí và chuyển vị của tay máyI Bài toán thuận

* Cho trớc khoảng dịch chuyển S (t), ϕ(t) Tính vị trí các khâu theo (x,y,z) theo t

1 Các bộ đề

Để thiết lập các phơng trình động học ta cần bổ sung thêm:

a Trong mỗi khâu của robot đặt 1 hệ trục toạ độ di động Oi (xiyizi)

* O1 (x1, y1, z1) = O (x,y,z)* O2 (x2, y2, z2)

* O3 (x3, y3, z3)Dịch chuyển:

+ ϕ quay theo trục Z

+ S2 di chuyển đi lên đi xuống quanh trục X+ S3 di chuyển đi ra vào quanh trục Y

Khi đó ta chọn trớc các kích thớc, vị trí ban đầu của các khâu nh sau: ϕ1 =

Cột 1: Mô tả vị trí cần nắmCột 2: Mô tả vị trí tiếp cận

Cột 3 : Mô tả vị trí vuông góc với A, BCột 4 : Toạ độ điểm P

Vị trí của Oi so với Oi-1 Với các bổ sung nh thế thì vị trí và hớng của khâu chấp hành so với hệ trục chuẩn đợc xác định bởi ma trận T nh sau:

T = A1A2A3 (khâu 1 O1, khâu 2O2, khâu 3O3)

3 phơng trình mô tả vị trị P:Px = - (h3 + S3)sinϕ

Py = (h3 + S3) cosϕ

Pz = h1 + h2 + S3

9 phơng trình mô tả hớng của P so với trục toạ độ O1 (X1, Y1, Z1)ax = cosϕ1

Thay các thông số ta trong bộ đề xác định đợc phơng trình tại vị trí ban đầu A:

cz = 1 cAz = 1

Thay các thông số ta trong bộ đề xác định đợc phơng trình tại vị trí ban đầu A:

Các phơng trình mô tả hớng của A:

- Hớng tiếp cận đối tợng =

- Hớng vuông góc (a,b) =

II Bài toán nghịch1 Đặt vấn đề

Thông thờng khi tính toán Robot ta biết trớc vị trí và quỹ đạo của điểm P Vị trí và quỹ đạo này xác định bởi yêu cầu công nghệ Vấn đề là: Phải xác định đ-

ϕϕ

2 Giả bài toán động học nghịch của Robot

Việc giải bài toán ngợc của Robot để tìm ra các thông số ngợc thực chất là giải các phơng trình động học thuận đã biết từ 12 phơng trình đại số về vị trí và h-ớng của vật đã tìm đợc ở bài toán thuận.

Khi đó ϕ1, S2, S3, là hằng số và các thông số khác.

ϕ

Một là: Điều khiển theo vị trí: Bàn tay Robot di chuyển theo từng vị trí, từng điểm nhất định nh ; hàn điểm, di chuyển theo vị trí nh lấy cấp phối

Hai là: Điều khiển theo chu kỳ: Hoạt động đợc lặp đi lặp lại theo chu kỳBa là: Điều khiển chu vi: Bàn tay Robot đi theo một quỹ đạo khép kín

Bốn là: Điều khiển hỗn hợp: kết hợp với 3 phơng án trên: vị trí, chu kỳ, chu vi.

II Các bộ phận của hệ thống điều khiển.

Bao gồm 4 bộ phận sau:- Bộ phận điều khiển- Bộ phận chấp hành- Bộ phận chơng trình- Bộ phận liên hệ ngợc

+ Định tính: VD chuyển động đi lên đi xuống theo xyz

+ Đới với hệ thống điều khiển phức tạp thì hiệu lệnh của chơng trình đợc ghi các bìa đục lỗ, băng từ đĩa CD

* Mã hoá các tín hiệu sang dạng tín hiệu thuận tiện cho điều khiển: VD chuyển đổi từ cơ số 10 sang cơ số 2, từ AD sang DA

* Phân phối các tín hiệu đã đợc mã hoá theo địa chỉ.

* Nhận tín hiệu liên hệ ngợc từ các cảm biến sau đó so sánh, đối chiếu với các tín hiệu chuẩn trong bộ nhớ nếu đủ chuẩn sẽ đọc các lệnh tiếp.