Phân tích động học và mô phỏng số cơ cấu chấp hành song song 3rps

1 Lời nói đầu Robot ngày sử dụng nhiều ngành kỹ thuật Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật Robot công nghiệp nhằm nâng cao suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lợng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Trong thập niên gần đây, ngời ta đặc biệt ý tới việc ứng dụng Robot có cấu trúc song song vào thực tế tính u việt loại Robot Vì việc tính toán động học có nghĩa quan trọng công tác thiết kế Nớc ta thời công nghiệp hoá đại hoá kinh tế Đòi hỏi cố gắng nỗ lực tất ngành, lĩnh vực để phát huy nội lực sở tảng sẵn có tiếp thu tiến khoa học giới Đồ án nghiên cứu đề tài: Phân tích động học mô cấu chấp hành song song 3RPS đồ án gồm có chơng: Chơng 1: Giới thiệu nét khái quát Robot, cụ thể cấu chấp hành song song 3RPS nh định nghĩa, phân loại, u nhợc điểm, xu hớng phát triển Chơng 2: Trình bày sở lý thuyết phân tích động học cấu chấp hành song song nh ma trận côsin hớng, ma trận quay bản, vận tốc góc vật rắn Chơng 3: Phân tích động học cấu chấp hành song song: áp dụng sở lý thuyết động lực học hệ nhiều vật phân tích động học cấu chấp hành song song 3RPS cho trờng hợp tổng quát phần mềm Maple Chơng 4: Các kết tính toán mô Do thời gian kiến thức có hạn nên tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đợc đóng góp ý kiến thầy môn Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Phong Điền đà tận tình bảo, hớng dẫn em hoàn thành đồ án xin cảm ơn thầy môn Cơ học ứng dụng đà giúp đỡ cho nhận xét quí báu để đồ án đợc hoàn thiện phong phú Hà nội Ngày 20 tháng 05 năm 2008 Chơng Tổng quan cấu không gian cã cÊu tróc song song 1.1 Giíi thiƯu chung 1.1.1 Lịch sử phát triển Về kỹ thuật, robot đợc định nghĩa cấu chấp hành đa chức tái lập trình, đợc thiết kế dới hình thức khác với ngời Hình 1.1 minh họa thành phần tay máy công nghiệp hình 1.2 minh họa cấu trúc động học tổng quát tay máy công nghiệp Thuật ngữ robot xuất vào năm 1923, nhng phát triển robot công nghiệp bắt đầu vào cuối năm 1940 Robot công nghiệp ban đầu đợc dùng để chuyển tải loại vật liệu nguy hiểm, đợc dùng thám hiểm không gian, sau đợc dùng tự động hoá linh hoạt Cuối năm 1940, cấu chấp hành - phụ xuất để chuyển tải vật liệu phóng xạ Cơ cấu đợc ngời hớng dẫn thao tác, có cấu phụ chép chuyển động cấu vị trí xa Sự hồi tiếp lực phối hợp để công nhân nhận biết tín hiệu tải cấu phụ Vào cuối năm 1950, cấu lập trình bắt đầu xuất đợc cải tiến liên tục Đặc tính quan trọng robot công nghiệp phối hợp điều khiển dựa máy tính vi xử lý với cảm biến hồi tiếp để đạt đợc khả lập trình đa chức Vào năm 1960, cấu đặc biệt có tính mô giác quan ngời, chúng có khả thực công đoạn lắp ráp đơn giản Trong năm 80 robot công nghiệp đà có bớc phát triển mạnh mẽ, yêu cầu cao tự động hoá linh hoạt kinh tế thám hiểu không gian công nghiệp ôtô Vào đầu năm 90, nhiều công ty Bắc Mỹ, Châu Âu, Nhật đà sử dụng rộng rÃi robot nhiều lĩnh vực công nghiệp Trong năm gần robot công nghiệp chủ yếu đợc dùng cho thao tác lặp lại nhiều lần môi trờng nguy hiểm Các thao tác lặp lại nhiều lần bao gồm chuyển tải vật t, xếp dỡ chi tiết máy, lắp ráp phận thành cụm máy Các ứng dụng môi trờng nguy hiểm bao gồm chuyển tải vật liệu phòng xạ, thám hiểm không gian đáy biển, hàn điểm, sơn phun Ngoài ra, robot đợc dùng xây dựng, trang thiết bị bay di chuyển không ngời lái địa hình phức tạp, máy khai thác mỏ, cụm gia công thông minh Trong năm gần đây, xu hớng chế tạo robot giải phÉu y khoa, gióp viƯc nhµ, gióp ngêi tµn tËt Mặc dù có nhiều nỗ lực để phát triển robot thông minh, nhng loại robot mô nhiều chức ngời hạn chế định, đòi hỏi phát triển công nghiệp trí tụê nhân tạo Một số hình ảnh minh hoạ: Hinh 1.1: ứng dụng Robốt song song phẫu thuật Hình 1.2: Rôbốt song song dây truyền sản xuất Hình 1.3: Cơ cấu Gough – Stewart –type øng dơng m¸y CNC Stewart – Stewart –type øng dơng m¸y CNCtype øng dơng máy CNC Hình 1.4: ứng dụng Robốt song song làm bệ đỡ RADA Những hiệp hội nghiên cứu Robot giới đà đợc hình thành nh: - RIA – Stewart –type øng dơng m¸y CNC Robotic Industries association cña Hoa Kú - AFRI - Association Francaise de Robottica Industriale cđa Ph¸p - BRA - British Robot association cña Anh - JIRA - Japan Industial Robot association Nhật Bản + Năm 1976 máy công cụ CNC sư dơng Microcomputer ®êi + Trong giai đoạn năm 80 90 với phát vị b·o cđa Khoa häcKü tht - C«ng nghƯ, quy mô sản xuất nghiên cứu khoa học, giới đợc thừa hởng nhiều thành nó, đặc biệt tin học làm thay đổi chất lợng trang thiết bị tổ chức điều hành sản xuất ®êi sèng nh: - ThiÕt kÕ víi sù trỵ gióp máy tính - CAD (Computer Aided Design) - Sản xuất với trợ giúp máy tính - CAM (Computer Aided Manufacture) - HƯ thèng s¶n xt mỊm, linh hoạt - FMS (Flexible Manufacture Syterm) - Sản xuất tích hợp máy tính - CIM (Computer Integrated Manufacture) - Sản xuất lúc - JIT (Just time) - Điều hành - Quản lý chất lợng toàn diện - TQM (Total Quanlity Management) - Sản xuất với chất lợng toàn cầu - WCM (World Class Manufacture) + Những năm cđa thÕ kû XXI, Robot ®ang bíc sang thÕ hƯ Từ Robot điều khiển theo kiểu thao tác (Manual input) đến kiểu Dẫn Dạy, điều khiển gọi chung điều khiển có chơng trình dẫn đờng Robot kiểu thờng đợc gọi Robot khéo léo (Robot Habilis) Tiếp theo đến Robot có trình điều khiển thích nghi - thông minh, Robot cã trÝ kh«n (Robot Spiens) + Sù tiÕn bé Khoa học - Kỹ thuật - Công nghiệp gần nh thuộc lĩnh vực Cơ học - Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Máy tính - Tin học - Sinh vật học đợc thể phát triển Robot Những ứng dụng Robot Y học kể nh Robot phẫu thuật thay quan hoạt động ngời, để mô loại sinh vật + Những kết tiến Khoa học - Kỹ thuật - Sản xuất năm 1970 đà hình thành khoa học Robotics Cơ - Điện tử (Menchatronics) Từ bắt đầu việc đào tạo chuyên gia kỹ thuật thuộc lĩnh vực Robot Cơ - Điện tử 1.1.2 Phân loại chung Robot Robot phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự động học, hệ thống truyền động, dạng hình học chi tiết gia công, đặt tính chuyển động - Phân loại theo số bậc tự do: Sơ đồ phân loại Robot thờng dùng theo số bậc tự Một cách lý tởng cấu chấp hành phải có bậc tự để xử lý đối tợng cách tự không gian chiều Theo quan điểm này, Robot đa có bậc tự Robot thiếu có bậc tự do, Robot có thêm bậc tự để di chuyển qua hớng chớng ngại vật không gian hẹp Mặt khác, số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp ráp chi tiết mặt phẳng có Robot bậc tự đủ - Phân loại theo cấu trúc động học: Robot đợc gọi Robot nối tiếp cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng hở, Robot song song có chuỗi vòng kín Robot lai có vòng kín vòng hở - Phân loại theo hệ thống truyền động: Có hệ thống truyền động phổ biến điện, thuỷ lực khí nén đợc dùng cho Robot Hầu hết cấu chấp hành sử dụng động bớc động trợ động DC, chúng tơng đối dễ điều khiển Tuy nhiên, cần tốc độ tác động lắp khâu trớc thông qua hộp giảm tốc, dịch chuyển khâu mặt động học độc lập với khâu khác, cấu chấp hành nối tiếp quy ớc Mặt khác, khớp đợc truyền động trực tiếp tác động hộp giảm tốc, cấu đợc gọi cấu chấp hành truyền động trực tiếp Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động nhỏ hơn, làm giảm quán tính cấu chấp hành Tuy nhiên, độ lệch khớp bánh hộp giảm tốc gây sai số vị trí phận tác động Kỹ thuật truyền động trực tiếp khắc phục đợc vấn đề bánh tăng tốc cho cấu chấp hành Tuy nhiên, động truyền động trực tiếp tơng đối lớn nặng Do đó, chúng thờng đợc dùng để truyền động khớp thứ cấu chấp hành, động lắp đặt đế Nói chung, động đợc lắp đặt đế để truyền động khớp thứ hai khớp thứ thông qua đai kim loại khâu đẩy Một số cấu chấp hành sử dụng cánh bánh răng, xích ®Üa ®Ĩ chun ®éng c¸c khíp Khi sư dơng hƯ thống truyền động cho cấu chấp hành qua nhiều khớp, độ dịch chuyển phụ thuộc lẫn Các cấu chấp hành kiểu gọi vòng kín - Phân loại theo dạng theo dạng hình học không gian làm việc: Không gian làm việc cấu chấp hành đợc xác định thể tích không gian đầu tác động với tới Nói chung, thờng sử dụng hai định nghĩa không gian làm việc Thứ không gian với tới, thể tích không gian cấu với tới điểm theo chiều Thứ hai không gian linh hoạt, thể tích không gian cấu tác động với tới điểm theo chiều Không phần không gian với tới Mặc dù điều kiện cần nhng nhiều cấu chấp hành nối tiếp đợc thiết kế với khâu đầu dài khâu lại, khâu đợc dùng chủ yếu để thao tác vị trí khâu lại đợc dùng để điều khiển hớng đầu tác dụng Vì lý khâu đầu đợc gọi cánh tay khâu lại đợc gọi cổ tay, trừ cấu chấp hành có bậc tự lớn 6, cánh tay thờng có bậc tự do, cæ tay cã - bËc tù Bộ cổ tay thờng đợc thiết kế với trục khớp cắt điểm chung gọi tâm cổ tay, cánh tay có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo bên làm việc khác đợc gọi vùng không gian làm việc Không gian nhà sản xuất Robot cung cấp thờng đợc xác định theo không gian làm việc Tay máy đợc gọi Robot cầu khớp đầu khớp quay khác khớp thứ khớp lăng trụ (Hình 1.5a), vị trí tâm cổ tay Robot cầu tập hợp toạ độ cầu liên quan với biến khớp nối Do đó, không gian làm việc Robot cầu đợc giới hạn theo khối cầu đồng tâm Tay máy đợc gọi Robot quay khớp khớp quay, không gian làm việc Robot làm việc phức tạp thờng có tiếp diện hình xuyến, nhiều Robot công nghiệp loại Robot quay (Hình1.5) Tay máy đợc gọi Robot trụ khớp thứ khớp thứ Robot Cartersian (Hình 1.5 e) đợc thay thÕ b»ng khíp quay b)Tay m¸y CYLINICAL a)Tay m¸y POLAR c)Tay m¸y REVOLUTE d)Tay m¸y SCARA e)Tay m¸y CARTERSIAN Hình 1.5: Mô hình số tay máy thông dụng 1.1.3 Mét sè øng dơng cđa Robot c«ng nghiƯp Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lợng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động, điều kiện xuất phát từ u điểm Robot là: - Robot thực quy trình thao tác hợp lý thợ lành nghề cách ổn định suốt thời gian làm việc Vì Robot góp phần nâng cao chất lợng tăng khả cạnh tranh sản phẩm Robot thay đổi công việc để thích nghi với biến đổi mẫu mÃ, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu thị trờng cạnh tranh - Khả giảm giá thành sản phẩm ứng dụng Robot giảm đợc đáng kể chi phí cho ngời lao động - Việc áp dụng Robot làm tăng suất dây truyền công nghệ, nh tăng nhịp độ khẩn trơng dây truyền sản xuất, không thay ngời Robot ngời thợ không theo kịp chóng mệt mỏi - ứng dụng Robot cải thiện điều kiện lao động Đó u điểm bật mà cần phải quan tâm thực tế có nhiều nơi ngời lao động phải làm việc môi trờng bụi bặm, ẩm ớt, nóng lực ồn mức cho phép nhiều lần, chí làm việc môi trờng độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ ngời, dễ xảy tai nạn Một lĩnh vực ứng dụng Robot công nghiệp kỹ nghệ đúc, thờng xởng đúc môi trờng làm việc nóng bức, độc hại, chất lợng sản phẩm lại phụ thuộc nhiều vào thao tác, nên việc ứng dụng Robot công nghiệp vào trình đúc hiệu - Các trình hàn nhiệt luyện thờng bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, nhiệt độ cao Do nhanh chóng ứng dụng kỹ thuật công nghiệp, đợc sử dụng phổ biến tự động hoá trình hàn đặc biệt kỹ thuật ôtô - Robot đợc dùng gia công lắp ráp thờng ngời ta sử dụng Robot chủ yếu vào việc tháo lắp phôi sản phẩm cho máy gia công cho bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động 1.2 Phân loại cấu chấp hành song song 1.2.1 Giới thiệu chung Xuất phát từ nhu cầu khả linh hoạt sản xuất, cấu Robot ngày phát triển đa dạng phong phú Trong thập niên gần đây, cấu chấp hành cấu trúc song song đợc Gough Whitehall nghiên cứu năm 1962 ý ứng dụng cấu chấp hành cấu trúc song song đà đợc khởi động Stewart, vào năm 1965 ông ngời cho đời buồng tập lái máy bay dựa cấu trúc song song Hiện cấu song song đợc sử dơng réng r·i nhiỊu lÜnh vùc Lo¹i cấu chấp hành song song điển hình gồm có bàn máy động đợc nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay gọi sè ch©n, thêng sè ch©n b»ng sè bËc tù do, đợc điều khiển nguồn phát động đặt giá cố định đợc chân Chính lý mà cấu song song gọi Robot có bệ Do tính u việt cấu chấp hành song song nên ngày thu hút đợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu đồng thời đợc ứng dụng ngày rộng rÃi nhiều lĩnh vực: + Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị xác + Ngành Cơ khí: Máy gia công khí xác, máy công cụ CNC + Ngành Bu viễn thông: Giá đỡ ăngten, vệ tinh địa tĩnh + Ngành Chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô + Ngành Quân sự: Robot song song đợc dùng làm bệ đỡ ổn định đợc đặt tầu thuỷ, xe, máy bay, chiến xa tàu ngầm Để giữ cân cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho thiết bị đo laser, bệ ổn định cho phóng tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến a Một số u điểm cấu chấp hành song song Nhìn chung, tất loại Robot có cấu trúc song song có nhiều u điểm đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực, mô hình máy bay, khung đỡ kiến trúc khớp nối điều chỉnh, máy khai thác mỏ - Khả chịu đợc tải cao Các thành phần cấu tạo nhỏ nên khối lợng thành phần nhỏ - Độ cứng vững cao kết cấu hình học chúng - Tất lực tác động đồng thời đợc chia sẻ cho tất chân - Cấu trúc động học cách đặc biệt khớp liên kết cho phép chuyển tất lực tác dụng thành lực kéo/nén chân - Có thể thực đợc thao tác phức tạp hoạt động với độ xác cao, với cấu trúc song song, sai sè chØ phơ thc vµo sai sè dọc trục cụm cấu chân riêng lẻ sai số không bị tích luỹ - Có thĨ thiÕt kÕ ë c¸c kÝch thíc kh¸c - Đơn giản hoá cấu mày giảm số lợng phần tử chân khớp nối đợc thiết kế sẵn thành cụm chi tiết tiêu chuẩn - Cung cấp khả di động cao trình làm việc có khối lợng kích thớc nhỏ gọn - Các cấu chấp hành định vị - Tầm hoạt động cđa Robot c¬ cÊu song song rÊt réng tõ viƯc lắp ráp chi tiết cực nhỏ tới chuyển động thực chức phức tạp, đòi hỏi độ xác cao nh: Phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp 10 - Các Robot song song làm việc không cần bệ đỡ di chuyển tới nơi môi trờng sản xuất Chúng làm việc thuyền treo trần, tờng - Giá thành cấu chấp hành song song ứng dụng gia công khí so với máy CNC có tính tơng đơng b Nhợc điểm Tuy nhiên, cấu chấp hành song song có nhợc điểm định so sánh với Robot chuỗi nh: - Không gian làm việc nhỏ khó thiết kế - Việc giải toán động học, động lực học phức tạp - Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) không gian c Xu hớng phát triển cấu chấp hành song song Ngày nay, xu hớng sản xuất máy mô bay với số bậc tự máy gia công sử dụng cấu chấp hành song song ngày phát triển Tuy nhiên chúng sản phẩm mang nhiều tính nghiên cứu khoa học thực tiễn Hiện nay, xu hớng sản xuất máy với cấu trúc lai với số trục Mặt khác, không nhắc đến Robot Haxapod với chân thay đổi chiều dài Đây sản phẩm hÃng FANUC Robotics số hÃng khác nghiên cứu phát triển Vì vậy, đà hình thành nhiều trung tâm viện nghiên cứu cấu chấp hành song song: Tên trờng Queens Stewart –type øng dơng m¸y CNC Canada Tuchemrut - §øc Stuttgart Tokyo – Stewart –type øng dơng m¸y CNC Nhật Columbia Maryland Tên sản phẩm Robot song song øng dơng Y häc Hexanum Linapod Hexact Nghiªn cøu vỊ ®iỊu khiĨn Robot song song Chuyªn vỊ Robot phÉu tht Các loại Hexapod Bảng 1.1 Máy phay trục Máy phay trơc M¸y phay trơc