PowerPoint Presentation TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ ROBOT CÔNG NGHIỆP Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội 2020 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 2Bộ môn Kỹ thuật[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ ROBOT CƠNG NGHIỆP Bộ môn: Kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội - 2020 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering MỤC TIÊU CỦA HỌC PHẦN ➢ Nắm kiến thức robot công nghiệp; ➢ Hiểu nguyên tắc hình thành ý tưởng - thiết kế - triển khai - vận hành hệ thống robot sản xuất cơng nghiệp; ➢ Có khả thiết kế khí, tính tốn động học thuận, nghịch cho tay máy cơng nghiệp Nắm phương pháp tính toán động lực học robot; ➢ Nắm nguyên lý điều khiển, vận hành robot ➢ Có khả mơ chuyển động robot theo quỹ đạo có sẵn Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering NỘI DUNG MÔN HỌC ➢ Chương 1: Tổng quan robot công nghiệp ➢ Chương 2: Cơ sở động học động lực học vật rắn ➢ Chương 3: Động học thuận robot công nghiệp ➢ Chương 4: Động học ngược robot công nghiệp ➢ Chương 5: Động lực học robot công nghiệp ➢ Chương 6: Điều khiển robot, sở thiết kế robot Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering NỘI DUNG CHƯƠNG I Chương Tổng quan robot công nghiệp 1.1 Lịch sử phát triển robot 1.2 Các đặc tính robot cơng nghiệp 1.3 Xu hướng phát triển robot công nghiệp Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 Lịch sử phát triển robot 1.1.1 Định nghĩa robot ➢ Định nghĩa: Robot đối tượng máy móc lập trình điều khiển, có chức nhiệm vụ, tái lập trình, điều khiển tự động điều khiển tay… ➢ Robotics (Robot học): môn khoa học liên ngành bao gồm: + Thiết kế, chế tạo, điều khiển lập trình robot + Sử dụng robot + Nghiên cứu công nghệ điều khiển, cảm biến thuật toán điều khiển + Ứng dụng công nghệ điều khiển thuật tốn để thiết kế robot Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 Lịch sử phát triển robot 1.1.2 Lịch sử phát triển robot ➢ Năm 1927 thuật ngữ người máy “Robotrix” lần xuất phim ảnh diễn xuất nữ diễn viên người Đức Brigitte Helm ➢ Năm 1942, nhà văn chuyên viết đề tài khoa học viễn tưởng Issaac Asimov đưa đề xuất nguyên tắc Robot ➢ Năm 1948, Norbert Wiener đưa nguyên lý điều khiển học làm tảng cho robot thực tế ➢ Năm 1956, Robot thương mại công ty Unimation sản xuất dựa phát minh Devol ➢ Năm 1973, Robot công nghiệp bậc tự đời với tên gọi Kuka robot nhóm Kuka robot group chế tạo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 Lịch sử phát triển robot Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 Lịch sử phát triển robot Robot Versatran Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering Robot công nghiệp sơ khai 1.1 Lịch sử phát triển robot Robot công nghiệp ABB Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.2 Các đặc tính robot công nghiệp 1.2.1 Tổng quan kỹ thuật robot cơng nghiệp Robot cơng nghiệp hiểu thiết bị tự động linh hoạt, thực chức lao động công nghiệp người hệ thống điều khiển theo chương trình lập trình sẵn Vì vậy, robot cơng nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao suất lao động giảm nhẹ cho người công việc nặng nhọc, độc hại giám sát người Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 10 6.1 Bài tốn lập quỹ đạo chuyển động • 6.1.1 Thiết kế quỹ đạo khơng gian khớp: • Chuyển động tay máy thường mô tả vùng làm việc điểm nút (gồm điểm đầu, điểm cuối, có số điểm trung gian) thời gian chuyển động Vì vậy, để thiết kế quỹ đạo khơng gian khớp phải giải tốn ngược động học để xác định giá trị biến khớp điểm nút Sau thiết lập hàm nội suy q(t) để mô tả quỹ đạo vừa nhận • Thuật tốn thiết kế quỹ đạo khơng gian khớp u cầu: • Khơng địi hỏi tính tốn q nhiều; • Vị trí, vận tốc, gia tốc khớp phải biểu diễn hàm liên tục; • Giảm thiểu hiệu ứng bất lợi, ví dụ quỹ đạo khơng trơn • Dạng dơn giản quỹ đạo chuyển động điểm - điểm, thêm điểm trung gian quỹ đạo có dạng chuyển động theo đường Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 56 6.1 Bài toán lập quỹ đạo chuyển động 6.1.2 Quỹ đạo khơng gian cơng tác: • Quỹ đạo khơng gian khớp mô tả diễn tiến theo thời gian biến khớp q(t), cho phần công tác di chuyển thẳng từ điểm đầu đến điểm cuối quỹ đạo qua điểm trung gian Thực tế thiết kế quỹ đạo khơng gian khớp khó đảm bảo chuyển động xác phần cơng tác ảnh hưởng phi tuyến việc chuyển đổi quan hệ động học từ không gian khớp sang không gian công tác Muốn cho phần công tác di chuyển theo lộ trình định khơng gian công tác cần thiết kế quỹ đạo trực tiếp khơng gian Quỹ đạo xác lập cách nội suy đường dịch chuyển qua điểm chốt xác lập giải tích hàm chuyển động Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 57 6.2 Điều khiển không gian công tác 6.2.1 Điều khiển không gian công tác Bài toán ngược giải mạch phản hồi Sơ đồ có hai nhược điểm bản: + Thứ hệ điều khiển phức tạp + Thứ hai hệ thống đo thường gắn lên các khớp, giám sát trực tiếp thông số khớp Muốn chuyển sang khơng gian cơng tác phải thực phép tính động học thuận, ngun nhân phát sinh sai số Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 58 6.2 Điều khiển không gian công tác 6.2.2 Điều khiển quỹ đạo gian khớp: Ở toán động học ngược giải trước để chuển thông số từ không gian công tác sang không gian khớp Xem lược đồ sau: • Mạch điều khiển nhận giá trị đặt biến khớp (có thể qua hệ số chuyển đổi đó) điều khiển khớp theo sát diễn tiến thời gian biến khớp Mạch điều khiển đơn giản song độ xác bị hạn chế đối tượng bị giám sát trực tiếp phần công tác lại nằm ngồi mạch điều khiển Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 59 6.3 Điều khiển lực kỹ thuật robot 6.3.1 Điều khiển lực kết hợp với vị trí Trong điều khiển vị trí ta nghiên cứu cho trường hợp tay máy di chuyển tự do, nhiên nhiều trường hợp tay máy chịu tải trọng lớn ràng buộc => Cần xét đến tốn điều khiển vị trí kết hợp điều khiển lực Điều khiển lực/vị trí giải vấn đề sau: - Điều khiển vị trí tay máy theo phương tồn liên kết lực tự nhiên - Điều khiển lực tay máy theo phương tồn liên kết vị trí tự nhiên - Kết hợp mơ hình điều khiển theo phương tương ứng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 60 6.3 Điều khiển lực kỹ thuật robot 6.3.2 Điều khiển lực hệ khối lượng-lò xo Trong thực tế hệ lò xo xuất nhiều cấu dẫn động robot Bài toán điều khiển vị trí khớp độc lập tay máy hoàn toàn giống với việc điều khiển vị trí khối lượng m – hệ khối lượng lị xo Bộ điều khiển lực hệ khối lượng-lò xo sau: Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 61 6.4 Cơ sở thiết kế robot 6.4.1 Sức nâng tay máy: • Đó khối lượng (kg) mà robot nâng (khơng kể tự trọng thân khâu thuộc cánh tay) điều kiện định, ví dụ tốc độ dịch chuyển cao tầm với lớn Nếu robot có nhiều tay tổng sức nâng tay phối hợp với nhau, thông số quan trọng với thông số vận chuyển lắp ráp…Các robot có sức nâng lớn thường dùng hệ truyền động điện thủy lực, khuynh hướng sử dụng động điện ngày tăng, truyền động khí nén thường áp dụng với tay máy đòi hỏi sức nâng 40(kg) Đối với số kiểu robot người ta cịn quan tâm đến lực mơ men lớn mà cánh tay bàn tay tạo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 62 6.4 Cơ sở thiết kế robot 6.4.3 Vùng cơng tác: • Vùng cơng tác hay vùng làm việc diễn đạt khơng gian quanh robot, tập hợp điểm mà bàn kẹp hay dụng cụ bàn kẹp thỏa mãn đồng thời định vị định hướng điểm thuộc vùng Đơi người ta hiểu cần đạt định vị Khi nói đến vùng làm việc người ta nói đến hai yếu tố, hình dạng kích thước đặc trưng để mơ tả vùng Kích thước vùng làm việc khơng phụ thuộc vào kích thước khâu mà thứ tự chuyển động khâu • Một thông số khác liên quan đến vùng làm việc tầm với cánh tay, tầm với tăng mức độ ổn định gia tăng, đồng thời độ xác giảm • Vùng làm việc miền liên tục song lại chứa điểm mà khâu tác động sau vươn tới giới hạn kết cấu, thuật ngữ chuyên môn gọi điểm lỗ trống Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 63 6.4 Cơ sở thiết kế robot 6.4.4 Độ xác định vị: Độ xác định vị thể khả đối tượng đạt xác tới điểm đích Đó thông số quan trọng, ảnh hưởng đến thao tác xác phần cơng tác khả bám quỹ đạo Đối với thiết bị điều khiển số, độ xác định vị liên quan đến hai vấn đề, độ phân giải điều khiển độ xác lặp lại 6.1.5 Tốc độ dịch chuyển: Xét yếu tố suất người ta mong muốn tốc độ dịch chuyển nói chung cao tốt Tuy nhiên mặt có học, tốc độ cao dẫn đến vấn đề giảm tính ổn định, lực qn tính lớn, cấu ma sát mịn nhanh Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 64 6.4 Cơ sở thiết kế robot Xét mặt điều khiển với độ phân giải sẵn có điều khiển, tăng tốc độ dịch chuyển làm giảm độ xác định vị Vì vấn đề chọn tốc độ dịch chuyển hợp lí đặt thiết kế lựa chọn robot 6.4.6 Đặc tính điều khiển: • Robot sản phẩm điện tử nên khâu khớp cịn có não robot thiết bị điều khiển • Kiểu điều khiển: có hai kiểu điều khiển hay dùng cho RBCN điều khiển điểm - điểm điều khiển contuor Điều khiển điểm - điểm thường dùng cho robot hàn điểm, tán đinh, vận chuyển Điều khiển contuor dùng cho robot hàn đường, phun sơn, tạo mẫu… • Dung lượng nhớ: Bộ nhơ robot đại chia làm hai phần: • Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 65 6.4 Cơ sở thiết kế robot 6.4.7 Các bước cần thực thiết kế: Robot máy tự động khả trình, sản phẩm điển hình điện tử Về nguyên tắc thiết kế giống thiết kế máy • Phân tích q trình cơng nghệ để xác định khâu cần phải sử dụng robot, ý cơng đoạn có điều kiện lao động khắc nghiệt, công đoạn lặp lặp lại đơn điệu Sơ đánh giá hiệu sử dụng robot vào khâu • Nghiên cứu thông số kết cấu đối tượng dự định xử lí robot, hình dạng, khối lượng, trạng thái vật lí, phân bố khối lượng vật thể • Nghiên cứu điều kiện môi trường sử dụng robot nhiệt độ, bịu, rung động, khả gây cháy nổ • Xác định thơng số kĩ thuật robot theo u cầu cơng nghệ, từ tính tốn tiêu kinh tế kĩ thuật, lựa chọn tiêu kinh tế, kĩ thuật phù hợp Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 66 6.4 Cơ sở thiết kế robot • Phân chia kết cấu thành cụm cấu Xác định cụm có khả trùng với mơ đun có sẵn, cụm sử dụng thiết kế tương tự, cụm phải thiết kế chế tạo hoàn toàn Phân chia nhiệm vụ cho cụm chuyên nghành phù hợp • Tổ hợp hệ thống, thử nghiệm mơ hình Trong giai đoạn nên sử dụng kĩ thuật mơ phỏng, mơ hình hóa máy tính để giảm chi phí thời gian thử nghiệm • Chế thử, thử nghiệm robot phòng thiết kế sản xuất • Đánh giá kết cấu tính kĩ thuật, cơng nghệ chế tạo tính kinh tế Từ đề xuất biện pháp hồn thiện kết cấu công nghệ chế tạo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 67 6.4 Cơ sở thiết kế robot • Thuật tốn điều khiển điển hình Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 68