Tính toán bù sai số điểm cuối trên robot công nghiệp

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TÍNH TỐN BÙ SAI SỐ ĐIỂM CUỐI TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP Nghành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số: 60.52.01.03 Học viên: PHẠM THÀNH ĐỨC Người HD khoa học: TS PHẠM THÀNH LONG THÁI NGUYÊN - 2012 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! Xác nhận sở đào tạo LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Phạm Thành Đức Nơi công tác: Công ty TNHH MTV Cơ điện vật liệu nổ 31-TCCNQP-BQP Tên đề tài: Tính tốn bù sai số điểm cuối robot công nghiệp Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: 62 52 04 01 Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân Các số liệu, kết có luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, ngày tháng Học viên Phạm Thành Đức năm 2012 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực đề tài, tác giả nhận quan tâm lớn nhà trường, khoa khí, thầy cô giáo trường Đại Học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên bạn lớp Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa đào tạo Sau đại học, thầy cô giáo tham gia giảng dạy tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến TS Phạm Thành Long tập thể cán giảng viên Bộ môn Cơ điện tử cho dẫn quý báu để hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp thày giáo thuộc khoa khí đồng nghiệp Công ty Cơ điện vật liệu nổ 31 tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả tháo gỡ khó khăn thời gian làm luận văn Mặc dù cố gắng song kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên chắn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong muốn nhận dẫn từ thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện có ý nghĩa thực tiễn Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC Mục Nội dung Trang - Trang phụ bìa luận văn - Xác nhận sở đào tạo - Lời cam đoan - Lời cảm ơn - Mục lục - Danh mục thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt - Danh mục bảng biểu 10 - Danh mục hình vẽ đồ thị 11 MỞ ĐẦU 13 1- Tính cấp thiết đề tài 13 2- Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu 13 3- Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 14 4- Phương pháp công cụ nghiên cứu 15 5- Nội dung luận văn 15 CHƯƠNG - CÁC SAI SỐ THƯỜNG GẶP TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP Sai số ảnh hưởng đến q trình làm việc robot 16 1.1.1 Các nguyên nhân gây sai số điểm cuối thường gặp robot 16 1.1.2 Phát đánh giá sai số robot công nghiệp 17 Những phương pháp loại trừ ảnh hưởng sai số 17 1.2.1 Các phương pháp thụ động 17 1.2.2 Các phương pháp chủ động 19 1.1 1.2 1.2.2.1 Các phương pháp học 19 1.2.2.2 Các phương pháp sở điều khiển 21 1.3 So sánh tính hiệu phương pháp 21 1.4 Một số nghiên cứu liên quan đến bù sai số robot giới 22 1.5 Hướng nghiên cứu đề tài 25 Kết luận chương 25 CHƯƠNG – BÙ SAI SỐ TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Giới thiệu tốn 27 2.2 Mơ hình tính tốn thành phần sai số khâu cuối 28 Mơ hình lý thuyết FEM 28 2.2.1.1 Mơ hình robot mềm khâu 29 2.2.1.2 Mơ hình tay máy tổng qt 35 2.2.1 Mơ hình thí nghiệm xử lí ảnh 35 Phương pháp điểm sinh bù sai lệch điểm cuối 35 2.3.1 Xây dựng mơ hình toán từ hệ thực 36 2.3.2 Giải thuật bù sai số Online 37 Những hạn chế phương pháp 38 Kết luận chương 39 2.2.2 2.3 2.4 CHƯƠNG – TÍNH TỐN BÙ SAI SỐ ĐIỂM CUỐI Hệ phương trình động học đặc trưng robot 40 3.1.1 Phân tích tốn 40 3.1.2 Quy tắc DH 41 Phương trình vịng kín tốn động học ngược thứ 42 3.2.1 Sơ lược giải toán động học ngược robot 42 3.2.2 Phương pháp tối ưu giải toán động học ngược 44 Giải toán ngược với công cụ Solver MS office 47 3.3.1 Giới thiệu chung giải thuật phương pháp 47 3.3.2 Minh họa thao tác với cơng cụ Solver 50 Tính tốn biến dạng cấu trúc với phần mềm FEM 53 3.4.1 Xây dựng mơ hình liên tục với CAD 53 3.4.2 Giới thiệu phần mềm Cosmos Design Star 54 3.5 Điểm sinh toán động học ngược thứ hai 58 3.6 Kiểm tra liệu vịng trịn 58 3.7 Ví dụ tính tốn bù sai số biến dạng cho robot ba khâu phẳng 60 3.8 Tính tốn bù tinh sở lượt bù thơ 63 Sự giới hạn lần bù thứ 63 3.1 3.2 3.3 3.4 3.8.1 3.8.2 Nguyên tắc tính tốn điểm sinh lần bù thứ hai 64 3.8.3 Ví dụ bù sai số hai bước cho robot ba khâu phẳng 65 - KẾT LUẬN CHƯƠNG 74 - KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN 75 - DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC 76 GIẢ - TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÍ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT TT KÍ DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ HIỆU a( ) Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox Ai Ma trận truyền khâu (i-1) khâu (i) AT Transpose (A) αi Góc quay quanh trục ox Cijk Cos(qi + qj + qk) C Ma trận hệ số cản cấu trúc D Miền thỏa mãn ràng buộc vật lí khớp DH 10 di Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz 11 E Mô đun đàn hồi vật liệu 12 F Ma trận lực nút Approach (Véc tơ hướng tiếp cận vật thể bàn kẹp) 14 IR Industrial Robot 15 J Mơ men qn tính mặt cắt ngang 16 K Ma trận độ cứng cấu trúc 17 M Ma trận khối lượng cấu trúc 18 n( ) Normal (Véc tơ pháp tuyến mặt phẳng chứa s, a) 19 n Số bậc tự robot 20 PCx Chuyển vị điểm C theo phương trục x 21 PCy Chuyển vị điểm C theo phương trục y 22 qi Biến khớp thứ (i) 23 qi’ Vận tốc (dài/góc) khớp thứ (i) 24 qi” Gia tốc (dài/góc) khớp (i) 25 RPY Roll-Pitch-Yaw s( ) (mm) (rad) Denavit-Hartenbeg 13 FEM Phương pháp phần tử hữu hạn 26 ĐƠN VỊ Sliding (Véc tơ hướng đóng mở bàn kẹp) (mm) 27 S ijk Sin(qi + qj + qk) 28 Phương trình động học thuận 29 Tn i −1 Ti 30 U” 31 u Biểu diễn hệ quy chiếu (i) hệ quy chiếu (i-1) Véc tơ gia tốc nút Véc tơ chuyển vị nút 10 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU KÍ HIỆU 3.1 NỘI DUNG BẢNG BIỂU Ý nghĩa thuật ngữ công cụ Solver giao diện TRANG 48 chương trình 3.2 Ý nghĩa tùy chọn Option công cụ Solver 49 3.3 So sánh kết bù sai số bước sai số không bù 73 71 Dấu (-) thể toạ độ tâm bàn kẹp sau bù có trị số lớn so với tọa độ điểm mong muốn Bước bù tinh: Vì sau bù lần 1, tâm bàn kẹp có sai số so với điểm mong muốn là: δx = 0,00092 (mm) δy = -0,00196 (mm) Để bù lại lượng sai số đó, ta cộng thêm lượng δx, δy vào toạ độ điểm C bước bù thơ (hình 3.29) Vậy toạ độ điểm E theo lý thuyết điểm sinh để thực bước bù tinh sau: XE = XC + δx = 416,34779 + 0,00092 = 416,34871 (mm) YE = YC + δy = 452,59622 - 0,00196 = 452,59426 (mm) Đưa toạ độ XE, YE vào giải toán động học ngược lần thứ 2, ta tìm góc khớp hình (3.32) Hình 3.32: Kết giải tốn động học ngược lần thứ hai Dựng lại cấu cánh tay với góc khớp θ1=30,07161o; θ2=24,90020o; θ3=10,28527 o vừa tìm Tọa độ tâm bàn kẹp (điểm E) thực tế, chưa chịu lực hình (3.33): 72 Hình 3.33: Tọa độ tâm bàn kẹp sau bước bù tinh Chuyển sang môi trường COSMOS, thực bước từ 1÷4 Biểu đồ phân tích chuyển vị đưa sau: Hình 3.34: Biểu đồ chuyển vị theo phương x sau bước bù tinh Hình 3.35: Biểu đồ chuyển vị theo phương y sau bước bù tinh 73 Nhìn hình (3.34), (3.35) ta thấy: Chuyển vị tâm bàn kẹp theo phương x là: Ux = 0,60516 (mm) Chuyển vị tâm bàn kẹp theo phương y là: Uy = - 0,45466 (mm) Tọa độ tâm bàn kẹp sau bước bù tinh có chịu tải trọng là: Px = XE + Ux = 416,34872 + 0,60516 = 416,95388 (mm) Py = YE + Uy= 452,59425 - 0,45466 = 452,13959 (mm) Sai lệch vị trí so với điểm A mong muốn sau bù tinh δx = [416,95393 - 416,95388] = 0,00005 (mm) δy = [452,13956 - 452,13959] = -0,00003 (mm) Dấu (-) thể tọa độ tâm bàn kẹp sau bù có giá trị lớn tọa độ điểm mong muốn Thực bước tiến hành đây, khảo sát tư khác cánh tay Robot tương ứng với vị trí khác tâm bàn kẹp Kết sai số vị trí tâm bàn kẹp qua hai bước bù thống kê bảng (3.3) Bảng 3.3: So sánh kết bù sai số hai bước sai số không bù 74 KẾT LUẬN CHƯƠNG Xuất phát từ ý tưởng bù lại biến dạng ảnh hưởng tải trọng lên tay robot cần tính tốn định lượng biến dạng này, tác giả tìm hiểu lý thuyết chuyển vị phương pháp FEM từ xác định biến dạng cấu trúc phức tạp robot theo phương riêng biệt Kết đảm bảo tính khách quan bám sát thuộc tính thực tay robot kết cấu xây dựng xác CAD, thuộc tính vật liệu gán trực tiếp lên phần mơ hình liên tục, mơ tả xác mối quan hệ lắp ghép phần nhúng mô hình liên tục vào mơi trường Cosmos, tải trọng xác định xác phương chiều Cùng với khả tính tốn vượt trội máy tính, kết chuyển vị nhanh chóng nhận robot thay đổi thế, lợi tạo thuận lợi lớn để bắt đầu toán thứ hai bù sai số theo hai bước bù thô bù tinh Vận dụng phương pháp số để giải toán động học ngược thứ thứ hai phần mềm Excel rút ngắn đáng kể việc lấy lời giải, độ xác lời giải khẳng định qua thử nghiệm lời giải tốn động học ngược vào phương trình vịng kín matlab Tồn số liệu nguồn gốc hình thành tương ứng làm rõ ràng, phương pháp tính tốn logic chặt chẽ thực phần mềm chun dụng ln đảm bảo tính khách quan chứng minh hiệu thuật toán bù tác giả đề xuất 75 KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN Trong khuynh hướng chung vận hành robot với tốc độ ngày lớn, ảnh hưởng ngoại lực tới biến dạng cấu trúc không nhỏ, để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật độ xác vận hành, robot thiết kế cần xem xét tỉ lệ độ dài/độ mảnh khâu theo vận tốc lớn để bù sai số biến dạng đàn hồi Với robot có vận hành với tốc độ lớn tải trọng lớn cần can thiệp vào số liệu mạch chuyển vị để bù lại sai số biến dạng đàn hồi gây ra, mơ hình tính tốn giới thiệu luận văn sử dụng trường hợp Luận văn xem xét biến dạng cấu trúc trạng thái dừng, vận dụng việc liên tiếp để xác định lượng bù sai số cho điểm chốt quỹ đạo khơng gian sau nội suy xấp xỉ đa thức bậc thấp để xác định tồn quỹ đạo khơng gian khớp Tuy nhiên, có điều kiện cần xem xét cấu trúc trạng thái động tất điểm thuộc quỹ đạo 76 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ TT TÊN CƠNG TRÌNH, BÀI BÁO Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy, Phạm Thành Đức, Tính tốn bù sai số vị trí định hướng robot cơng nghiệp ảnh hưởng tải trọng, Tạp chí KHCN trường ĐH kỹ thuật, số 81, tr 81 – 85 Phạm Thành Long, Nguyễn Văn Tùng, Phạm Thành Đức, Điều khiển động học Robot có xét đến biến dạng đàn hồi theo chế bù kép, Tạp chí khí Việt Nam, số tháng 8/2012, tr 31 – 34 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Phạm Thành Long, Vũ Đức Vương, Nâng cao độ xác vị trí hướng toán động học ngược robot, tạp chí khí Việt Nam, số 3, tháng 3/ 2012 Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy, Phạm Thành Đức, Tính tốn bù sai số vị trí định hướng robot công nghiệp ảnh hưởng tải trọng, Tạp chí KHCN trường ĐH kỹ thuật, số 81, tr 81 – 85 Dương Minh Tuấn, Nguyễn Xn Tồn, Phương pháp tính tốn sai lệch hình dáng robot công nghiệp điều kiện chịu tải trọng, Tạp chí KHCN trường ĐH kỹ thuật, số 64, tr 51 – 55 Nguyễn Trọng Doanh, Thiết kế hệ thống đo độ xác lặp cho robot cơng nghiệp, Tạp chí KHCN trường ĐH kỹ thuật, số 64, tr 25 – 29 Nguyễn Doãn Phước, Nguyễn Văn Chí, Điều khiển bám ổn định ISS hệ Cơ điện tử mơ tả mơ hình Euler – Lagrange, Tạp chí KHCN trường ĐH kỹ thuật, số 81, tr 31 – 36 Võ Thu Hà, Nguyễn Phạm Thục Anh, Xây dựng thuật tốn điều khiển thích nghi dùng quan sát trượt cho robot có khớp nối mềm, Tạp chí KHCN trường ĐH kỹ thuật, số 81, tr 41 – 45 Nguyễn Văn Phái, Giải tốn kỹ thuật chương trình Ansys, NXB khoa học & kỹ thuật, Hà Nội 5/2006 Tiếng Anh Son Dao Duy, Romeo Marian, Modeling and optimization of precedence constrained production sequencing and scheluding using multi – object genetic algorithm, Proceeding of the World congress on Enggineering 2011 Vol II, WCE, july -8, 2011, London, UK James D Lee and Ben – Li Wang, Optimal control of a flexible robot arm, Computer and Structures Vol 29, No 3, pp 459 – 467 10 E Bayo, A finite element approach to control the end-point motion of a single-link flexible robot, J Robotic Systems (1) (1987) 63-75 78 11 E Bayo and H Moulin, An efficient computation of the inverse dynamics of flexible manipulators in the time domain, 1989 IEEE Conf on Robotics and Automation (1989) 710-715 12 E Bayo, R Movaghar and M Medus, Inverse dynamics of a single-link flexible robot: Analytical and experimental results, Internat J Robotics and Automation (3) (1988) 150-157 13 E Bayo, P Papadopoulus, J Stubbe and M.A Serna, Inverse dynamics and kinematics of a multi-link elastic robots: An iterative frequency domain approach, Internat J Robotics Research (6) (1989) 49-62 14 E Bayo and M.A Serna, Penalty formulation for the dynamic analysis of elastic mechanisms, J Mechanisms, Transmission and Automation in Design (1989) 321-327 15 S.K Biswas and R.D Klafter, Dynamic modeling and optima control of a flexible robotic manipulators, 1988 IEEE Internat Conf on Robotics and Automation, Vol (1988) pp 15-20 16 W.J Book, Modeling, design and control of flexible manipulators arms: Status and trends, NASA Conf on Space Telerobotics, Vol (1989) I 1-24 17 R.H Cannon Jr and E Schmitz, Initial experiments on the end-point control of a flexible one-link robot, Internat J Robotics Research 3(3) (1984) 62-75 18 I.A Castelazo and H Lee, Nonlinear manipulators, compensation for flexible J Dynamic Systems, Measurement and Control 112 (1988) 62-68 19 C Chevallereau and Y Aoustin, Non-linear control laws for a two flexiblelink robot: Comparison of applicability domains, 1992 IEEE Internat Conf on Robotics and Automation 2(1992) 748-753 20 A De Luca and B Siciliano, Joint-based control of a nonlinear model of a flexible arm, Proc of the American Control Conf Atlanta, 1988 21 D.S Kwon and W.J Book, An inverse dynamic method yielding flexible manipulator state trajectories, American Control Conf., San Diego, 79 California, 1990 22 S Lopez-Linares, R.F Jacobus, E Carrera and M.A Serna, dynamics based trajectory tracking for a non-link Inverse flexible arm, Computers in Engineering If, ASME Press (1991) 543-548 23 C Menq and J Chen, Dynamic modeling and payload-adaptive control of a flexible manipulator, 1988 IEEE Internat Conf Robotics and Automation, Vol (1988) pp 488-493 24 Yi Yue, Feng Gao, Xianchao Zhao, Relationship Among Input-Force, Payload, Stiffness, and Displacement of a 6-DOF Perpendicular Parallel Micromanipulator, Stony Brook, NY 11794-2300 80 81 82 83 84 85