Thiết kế robot hàn 5 bậc tự do

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGIỆP KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN: CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN MINH PHƯỢNG Sinh viên: NGUYỄN PHƯƠNG NAM HOÀNG THỊ LIÊN Lớp: K54CĐT 03 Giáo viên hướng dẫn: ThS NGÔ VĂN AN THÁI NGUYÊN-2021 TRƯỜNG ĐHKTCN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ Độc lập – Tự – Hạnh phúc ĐỒ ÁN MÔN HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP Sinh viên: Nguyên Minh Phượng MSSV:K185520114143 Nguyễn Phương Nam MSSV:K185520114138 Hoàng Thị Liên MSSV:K185520114220 Lớp:54CDT03 Ngành: Cơ điện tử Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Ngày giao đề: Ngày hoàn thành: Tên đề tài: Thiết kế robot Hàn bậc tự Nội dung thuyết minh tính tốn I Tổng quan đề tài II Động học robot III Thiết kế quỹ đạo IV Mơ Các vẽ, chương trình đồ thị Chương trình giải tốn động học thuận, động học ngược Chương trình mơ động học TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký ghi rõ họ tên) GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Thái Nguyên, ngày tháng năm 20 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM Thái Nguyên, ngày tháng năm 20 GIÁO VIÊN CHẤM (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án cơng trình nghiên cứu riêng nhóm tác giả hướng dẫn thầy Ngơ Văn An Những nhận định nêu đồ án kết từ nghiên cứu trực tiếp, nghiêm túc, độc lập thân nhóm tác giả dựa sở tìm kiếm, hiểu biết nghiên cứu tài liệu khoa học công bố Đồ án giúp đảm bảo tính khách quan, trung thực khoa học Các số liệu kết nghiên cứu đưa đồ án trung thực không chép hay sử dụng kết đề tài nghiên cứu tương tự Nếu phát có chép kết nghiên cứu đề đề tài khác chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm LỜI CẢM ƠN Với kiến thức học sau thời gian tìm hiểu với giúp đỡ tận tình thầy giáo, với đóng gớp, trao đổi xây dựng bạn bè nhóm em hoàn thành nhiệm vụ giao Lời em xin bày tỏ long biết ơn sâu sắc đến ban lãnh đạo Trường Đại học kỹ thuật cơng nghiệp Thái Ngun, khoa Cơ khí, thầy môn Cơ điện tử tạo điều kiện tối đa cho em hồn thành đồ án mơn học Đặc biệt nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn ThS NGÔ VĂN AN tận tình giúp đỡ, hướng dẫn chúng em hồn thiện đồ án Song với hiểu biết, kinh nghiệm cịn hạn chế nên nhóm chúng em khơng tránh khỏi sai sót, mong thầy, bỏ qua Đồng thời kỹ sử dụng phần mềm hỗ trợ chưa thành thạo, em mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy, để chúng em học thêm nhiều kinh nghiệm hoàn thành tốt đồ án tới Em xin chân thành cảm ơn! LỜI NÓI ĐẦU Từ lâu, người ko xa lạ với từ “Robot” Bởi lẽ, Robot xuất nhiều sống chúng tavaf chưa tận mắt chứng kiến Robot hoạt động đươc xem qua phương tiện thơng tin đại chúng Có thể thấy Robot vào lĩnh vực đời sống người Vậy Robot ứng dụng nào? Có thể nói, Robot ứng dụng phong phú đời sống người, trường học nông nghiệp Đặc biệt công ngiệp, Robot đươc sử dụng rộng rãi để làm số công việc: vận chuyển nguyên vật liệu, sản phẩm, máy móc hay làm công việc nặng nhọc, môi trường làm việc có nhietj độ cao, độc hại… Đầu tiên, Robot dùng số ngành công nghiệp kỹ thuật cao công nghiệp xe hơi, công ngiệp máy bay… để làm công việc hàn thân xe, phun sơn… Những Robot tay máy mô người, tay máy bao gồm nhiều khâu liên kết với khớp Các khâu chyển động tương làm thay đổi tầm với robot Thông thường Robot đặt cố định chỗ thao tác khả tầm với chúng Cùng với phát triển khoa học, tin học ứng dụng ngày trở nên quan trọng Máy tính sử dụng cơng cụ thay người việc tính tốn toán phức tạp, đưa kết nhanh xác Được hướng dẫn bảo tận tình thầy: Ngơ Văn An, nhóm em lựa chọn đề tài “ Thiết kế Robot Hàn bậc tự do” Sinh viên thực Hoàng Thị Liên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP I Tổng quan Robot công nghiệp Lịch sử phát triển Robot Các khái niệm định nghĩa Robot công nghiệp 10 Cấu trúc Robot công nghiệp 12 Phân loại Robot công nghiệp 13 Ứng dụng Robot công nghiệp sản xuất 14 II Mục đích nghiên cứu 17 Đối tượng nghiên cứu Robto Hàn bậc tự 17 Phạm vi ngiên cứu 17 Tổng quan Robot Hàn 17 Thông số ảnh hưởng robot 18 Ứng dụng Robot Hàn 18 Chức Robot Hàn 18 Một số hình ảnh Robot Hàn 18 Chương 2: ĐỘNG HỌC ROBOT 21 I Xây dựng mô hình động học cho Robot 21 Cơ sở xây dựng mơ hình động học robot công nghiệp 21 Các phương pháp giải toán động học ngược 24 Xây dựng mơ hình động học thuận cho robot Hàn 25 Xây dựng mơ hình động học ngược cho Robot hàn 32 Chương 3: NỘI SUY QUỸ ĐẠO KHÔNG GIAN KHỚP 38 I Cơ sở lý thuyết 38 II Nội suy quỹ đạo 39 III Tính tốn 40 Chương 4: THIẾT KẾ ROBOT 53 I Phần mềm sử dụng 53 II Giới thiệu phần mềm SolidWorks 53 III Mô kết cấu cho Robot Hàn 54 Nhìn tổng quan Robot 54 Thiết kế chi tiết 54 KẾT LUẬN CHUNG 59 PHỤ LỤC 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP I Tổng quan Robot công nghiệp Lịch sử phát triển Robot Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec có nghĩa cơng việc tạp dịch kịch Karel Capek Robot nhắc đến tiểu thuyết khoa học viễn tưởng I Robot nhà văn Nga Isaac Asimov xuất năm 1950 Về mặt kỹ thuật, Robot cơng nghiệp ngày có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật: Cơ cấu điều khiển từ xa (trong chiến tranh giới thứ II) máy công cụ điều khiển số NC đáp ứng gia công chi tiết máy bay (1949) Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) đặt tên cho dáng vấp vài chức tay người để thực số thao tác sản xuất Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) - xuất Mỹ công ty AMF(American Manchine and Foundry company) quảng cáo mô tả thiết bị mang dáng dấp có số chức tay người điều khiển tự động để thực số thao tác sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran Quá trình phát triển IR tóm tắt sau : • Từ năm 50 Mỹ xuất viện nghiên cứu • Đến đầu năm 60 xuất sản phẩm tên Versatran cơng ty AMF • Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu chế tạo IR theo quyền Mỹ từ năm 1967 • Ở nước Tây Âu khác : Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển từ năm 70 • Châu Á có Nhật bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968 Đến giới có khoảng 20 cơng ty sản xuất IR số có 80 cơng ty Nhật, 90 công ty nước Tây Âu, 30 công ty Mỹ số công ty Nga, Tiệp… Theo chủng loại, mức độ điều khiển, khả nhận biết thông tin cuả tay máy - người máy sản xuất giới phân loại IR thành hệ sau: Thế hệ : Thế hệ có điều khiển theo chu trình dạng chương trình cứng khơng có khả nhận biết thông tin Thế hệ : Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu trình dạng chương trình mềm bước đầu đả có khả nhận biết thơng tin Thế hệ : Thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khơn, có khả nhận biết thơng tin bước đầu có số chức lý trí người Đối với tay máy cơng nghiệp có 250 loại, số có 40% loại tay máy có kiểu điều khiển đơn giản thuộc hệ thứ Sự xuất Robot gia tăng vai trò chúng sản xuất xã hội loài người làm xuất ngành khoa học ngành robot học (Robotic) Trên giới nhiều nước xuất viện nghiên cứu riêng Robot Ở Việt Nam, từ năm kỷ 80 có viện nghiên cứu robot Hình 1.1: Một số hình ảnh Robot hệ đầu u14= x14(1).*T14.^3+x14(2).*T14.^2+x14(3).*T14+x14(4); plot(T1,u1,'LineWidth',4) hold on plot(T2,u2,'LineWidth',4) hold on plot(T3,u3,'LineWidth',4) hold on plot(T4,u4,'LineWidth',4) hold on plot(T5,u5,'LineWidth',4) hold on plot(T6,u6,'LineWidth',4) hold on plot(T7,u7,'LineWidth',4) hold on plot(T8,u8,'LineWidth',4) hold on plot(T9,u9,'LineWidth',4) hold on plot(T10,u10,'LineWidth',4) hold on plot(T11,u11,'LineWidth',4) hold on 48 plot(T12,u12,'LineWidth',4) hold on plot(T13,u13,'LineWidth',4) hold on plot(T14,u14,'LineWidth',4) hold on • Thực lệnh run để vẽ đồ thị Hình 3.2: Đồ thị biến thiên khớp q1 theo thời gian 49 Hình 3.3: Đồ thị biến thiên khớp q2 theo thời gian Hình 3.4: Đồ thị biến thiên khớp q3 theo thời gian 50 Hình 3.5: Đồ thị biến thiên khớp q4 theo thời gian Hình 3.6: Đồ thị biến thiên khớp q5 theo thời gian 51 Kết luận Sau hồn thành tốn nội suy quỹ đạo khơng gian khớp cho robot Hàn, tìm phương trình mơ ta quỹ đạo chuyển động cách nhanh chóng hỗ trợ hữu hiệu phần mềm Matlap, từ xây dựng lên đồ thị chuyển động biến khớp với nhìn trực quan dễ hiểu Đánh giá khả trơn mịn khớp trình làm việc Robot thiết kế 52 Chương 4: THIẾT KẾ ROBOT I Phần mềm sử dụng Hiện có nhiều phần mềm thiết kế, giúp mơ 3D : Easy Rob, Solidworks, Mastercam NX,Autodesk Inventor Ở đây,chúng em sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để mô khâu, phận robot II Giới thiệu phần mềm SolidWorks Solidworks phần mềm phát triển hãng Dassault Systèmes Solidworks Corp, công ty Dassault Systèmes (Vélizy, Pháp) Solidworks biết đến từ phiên Solidworks 1998 du nhập vào nước ta với phiên 2003, chuyên thiết kế mơ hình 3D dựa cách tiếp cận thành phần-tham số để tạo mơ hình lắp ráp Hình 4.1: Giao diện làm việc SolidWorks Solidworks xây dựng mơ hình dựa cách tiếp cận thành phần-tham số để tạo mơ hình lắp ráp Các tham số có giá trị xác định hình dạng hình học mơ hình lắp ráp Thơng số thông số số, chẳng hạn độ dài đoạn thẳng đường kính vịng trịn, thơng số hình học, chẳng hạn tiếp 53 tuyến, song song, đồng tâm, ngang hay dọc, vv… Thông số số liên kết với thơng qua việc sử dụng mối quan hệ, đáp ứng theo ý định thiết kế III Mô kết cấu cho Robot Hàn Việc mơ cho ta nhìn tổng quan cấu trúc động học, nguyên lý làm việc robot Tiết kiệm thời gian, kinh phí, nguyên vật liệu, tránh trường hợp rủi ro, nguy hiểm điều kiện thực, chí làm khơng thể làm điều kiện thực, từ dễ dàng việc tính tốn, thiết kế Nhìn tổng quan Robot Hình 4.2: Mơ robot hàn Thiết kế chi tiết 54 Hình 4.3: Bệ đỡ khớp Hình 4.4: Khâu 55 Hình 4.5: Khâu Hình 4.6: Khâu 56 Hình 4-7: Khâu Hình 4-8: Khớp đầu hàn 57 Hình 4.9-a Hình 4.9-b Hình 4.9: Kết cấu tổng thể robot hàn vị trí khác (a, b) 58 KẾT LUẬN CHUNG Những đạt Qua thời gian tìm hiểu nghiên cứu, chúng em hoàn thành yêu cầu thiết kế Robot Hàn bao gồm: Giới thiệu robot, giải tốn động học thuận, động học nghịch, mơ động học q trình làm việc, thiế kế khí cho robot Đây đồ án chúng em làm robot, qua tìm hiểu thêm thông tin tổng quan Robot công nghiệp thấy tầm quan trọng, mức độ ảnh hưởng robot sống đại Dựa vào việc làm đồ án chúng em học quy trình thiết kế sản phẩm robot biết cách kết hợp kiến thức lý thuyết học lớp cộng với việc tra cứu tài liệu để giải tốn u cầu Cũng thơng qua đồ án này, chúng em học nhiều kỹ quan trọng như: kỹ làm việc nhóm, kỹ sử dụng phần mềm soạn thảo văn Word, phân mềm tính tốn Matlap, Excel, phần mềm vẽ mô Autocad, SolidWorks kỹ cần thiết Những mặt hạn chế Đồ án hoàn thành yêu cầu thiết kế Robot làm việc di chuyển cánh tay theo quỹ đạo xác địnhh trước Song bên cạnh đó, đồ án robot chúng em số yêu cầu chưa đầy đủ, phần tổng quan robot, loại kết cấu định hướng robot thiếu xót… trình độ tiếng anh nhóm cịn kém, tài liệu tiếng Việt cịn hạn chế,… Rất mong có đóng góp ý kiến, hướng dẫn thêm thầy bạn để chúng em có thêm kinh nghiệm làm đồ án Do có hạn chế mặt thời gian kiến thức, kinh nghiệm chưa nhiều đồ án chúng em làm nên không tránh khỏi chậm trễ sai sót 59 Chúng em mong nhận ý kiến, hướng dẫn thêm quý thầy cô bạn sinh viên đề tài để chúng em có thêm kiến thức kinh nghiệm cho đồ án Hướng phát triển Nếu việc thiết kế robot hàn vật thơng qua, nhóm em hồn thiện phần thiết kế khí để tăng độ cứng vững, ổn định cho robot, bố trí thêm cảm biến để robot thông minh hơn, điều khiển từ xa mà không cần nhiều giám sát người Kỹ thuật đo lường điều khiển vô quan trọng tiếp tục phát triển đồ án để làm cánh tay robot cơng nghiệp có ứng dụng cao sống Chúng em xin bày tỏ long biết ơn đến quý thầy cô mơn Cơ Điện Tử, khoa Cơ Khí trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp- Đại học Thái Nguyên, người trang bị cho chúng em kiến thức quý báu để giúp chúng em hoàn thành đồ án 60 PHỤ LỤC Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H) Một cách tổng quát tay máy coi có n khâu, khâu thứ i liên kết khớp (i) với khớp (i+1) hình vẽ Theo quy tắc D-H hệ tọa độ xác định theo quy ước sau: - Trục tọa độ zi trùng với trục quay khớp (i + 1), gốc trùng với chân đường vng góc chung trục quay khớp (i) trục quay khớp (i+1), trục x trùng với đường vng góc chung hướng từ trục (i-1) tới trục (i), trục y tự xác định theo quy tắc bàn tay phải - Trục tọa độ zi-1 trùng với trục quay khớp (i), trục x trùng phương đường vng góc chung trục (i-1) khớp (i), chiều dương hướng từ trục (i-1) tới khớp (i) Trục y tự xác định theo quy tắc bàn tay phải - Quy ước góc khoảng cách lược đồ sau: khoảng cách hai khớp theo phương đường vng góc chung di khoảng cách giao điểm hai đường vng góc chung với trục quay, tính theo phương đường vng góc chung i góc quay quanh trục xi để zi-1 đến trùng với zi i góc quay quanh trục zi-1 để xi-1 đến trùng với xi 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] John J.Craig, Introduction to Robotics-Mechanics and Control, 2005 [2] Bộ môn Cơ điện tử - Trường ĐHKT Công nghiệp, Bài giảng robot công nghiệp [3] Trịnh Quang Vinh, Nguyễn Đăng Bình, Phạm Thành Long, Robot Cơng nghiệp, NXB KHKT 2008 [4] Trần Quang Khánh, Giáo trình sở Matlap ứng dụng 62