Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng mài tròn trong

LỜI NÓI ĐẦU 4

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 5

ĐỀ XUẤT DỰ ÁN VÀ THỰC HIỆN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT ỨNG DỤNG MÀI TRÒN TRONG 6

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 6

1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆM 6

1.1.1 Định nghĩa về Robot công nghiệp 6

1.1.2 Ứng dụng của Robot trong công nghiệp 7

1.2 PHÂN LOẠI ROBOT 10

1.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động 10

1.2.2 Phân loại theo thế hệ 11

1.2.3 Các phân loại Robot khác 12

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN CẤU TRÚC VÀ THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT 13

2.1 PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH, ỨNG DỤNG CỦA ROBOT 13

2.2 PHÂN TÍCH YÊU CẦU KỸ THUẬT THAO TÁC 13

2.2.1 Đối tượng thao tác, dạng thao tác 13

2.2.2 Phân tích yêu cầu về vị trí 14

2.2.3 Yêu cầu về hướng của khâu thao tác và không gian thao tác 14

2.2.4 Yêu cầu về vận tốc, gia tốc 14

2.3 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT 15

2.3.1 Số bậc tự do cần thiết 15

2.3.2 Vùng làm việc có thể với tới của robot 15

2.3.3 Yêu cầu về tải trọng 15

2.4 CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CẤU TRÚC ROBOT, LỰA CHỌN CẤU TRÚC CÁC KHÂU KHỚP 15

2.5 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D ROBOT 17

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 18

3.1 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC THUẬN, KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC NGƯỢC 18

3.1.1 Khảo sát động học thuận 18

3.1.2 Ứng dụng matlab vẽ đồ thị 20

3.1.3 Khảo sát động học ngược 23

3.1.4 Không gian làm việc 24

3.1.5 Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo mục đích ứng dụng của Robot 25 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH CỦA ROBOT 34

CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CHO ROBOT 51

6.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ DẪN ĐỘNG HAY DÙNG TRONG ROBOT CÔNG NGHIỆP 51

6.2 THIẾT KẾ CHO KHÂU 1 VÀ KHÂU 2 55

6.3 THIẾT KẾ CHO KHÂU 3 57

6.3.1 Tính toán, thiết kế bộ truyền vít me - đai ốc: 57

6.3.2 Chọn động cơ cho khâu 3 62

6.4 SOLIDWORK SIMULATION – MÔ PHỎNG ỨNG XUẤT KIỂM NGHIỆM KẾT CẤU 63

CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 67

7.1 CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH HỢP, THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN 67

7.2 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 70

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới là những tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa sản xuất Một trong những thành tựu nổi bật của quá trình tự động hóa là những cánh tay Robot Những Robot từ đơn giản đến phức tạp, đã đóng góp rất nhiều trong việc thay thế con người ở môi trường làm việc cường độ cao, độc hại và đòi hỏi độ chính xác cao.

Để có thể phát triển và ứng dụng Robot rộng rãi trong sản xuất, bên cạnh những kiến thức về điện, điện tử,…thì việc nghiên cứu và tính toán động học, tính toán thiết kế và điều khiển Robot là một yếu tố rất quan trọng làm cơ sở nền tảng cho việc chế tạo Robot.

Trong bài tập lớn môn học Tính Toán Thiết Kế Robot ứng dụng mục đích cho công nghệ gia công mài tròn trong, nhóm chúng em chia thành các chương:

Chương I: Trình bày tổng quan về Robot.

Chương II: Phân tích, lựa chọn cấu trúc và thiết kế 3D mô hình Robot Chương III: Thiết kế quỹ đạo chuyển động.

Chương IV: Phân tích trạng thái tĩnh của Robot Chương V: Tính toán động lực học.

Chương VI: Thiết kế hệ thống dẫn động Chương VII: thiết kế hệ thống điều khiển.

Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới PGS TS Phan Bùi Khôi và ThS Nguyễn Văn Quyền, cảm ơn Thầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi học Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp nhóm tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị của nhóm hoặc cũng có thể kiến thức nhóm mang đến trong bài tiểu luận này con sai sót và chưa đúng Nhóm rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa để bài làm được hoàn thiện.

Chúng em chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khoẻ!

 Phân tích lựa chọn cấu trúc  Thiết kế quỹ đạo chuyển

ĐỀ XUẤT DỰ ÁN VÀ THỰC HIỆN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT ỨNG DỤNG MÀI TRÒN TRONGCHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG

NGHIỆP 1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆM

Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch.

1.1.1 Định nghĩa về Robot công nghiệp

Viện Nghiên cứu robot Hoa Kỳ đưa ra một định nghĩa về robot như sau: “Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng” (Schlussel, 1985).

Định nghĩa robot còn được Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn như sau: “Robot công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người”.

Định nghĩa của M.P.Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà mở rộng ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người như là suy nghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểm của vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý Theo Artobolevski I.I., Vorobiov M.V và các nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối SEV trước đây thì phát biểu rằng:

“Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”.

theo chương trình” Đặc điểm này của robot được thực hiện nhờ sự ra đời của những bộ vi xử lý (microprocessors) và các vi mạch tích hợp chuyên dùng được là “chip” trong những năm 70.

M ột số nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực robot của Nhật Bản đưa ra những định nghĩa về robot dưới dạng những yêu cầu như sau:

- Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot công nghiệp phải thoả mãn yếu tố sau:

 Có khả năng thay đổi chuyển động.

 Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác  Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao.

 Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động.

 Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài.

- Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải có các đặc điểm sau:

 Có khả năng thay đổi chuyển động.

 Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ)  Có tính vạn năng.

 Có những đặc điểm của người và máy.

1.1.2 Ứng dụng của Robot trong công nghiệp

a) Trên thế giới:

Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt.

Có thể kể đến một số ứng dụng điển hình của robot trên thế giới như:  Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB

660 Flex Palletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker Các robot này có thể gắp lần lượt các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và đặt nó vào thùng gồm 20 hộp một cách chính xác.

 Robot dùng trong công nghệ ép phun nhựa: IRB 6650 của hãng

ABB có thể thao tác nhanh, dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở vị trí tách khuôn, giám sát, làm sạch, điều khiển chất lượng dựa trên camera

b) Tại Việt Nam:

Nước ta ứng dụng của robot công nghiệp rất đa đạng, tùy vào những nghành, công việc khác nhau mà ta có thể áp dụng những robot công nghiệp riêng biệt Dưới đây là một số nghành trong hệ thống sản xuất mà áp dụng robot công nghiệp.

 Công nghiệp đúc: robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào

khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát.

 Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường

bao gồm nhiều công việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làm việc khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập.

Trong những năm gần đây thì việc áp dụng các loại robot vào dây chuyền sản xuất ngày càng phổ biến Ví dụ như các loại robot hàn, robot phun sơn, hay các robot lắp ráp Nhiều công việc đòi hỏi độ chính xác cao vì vậy robot được sử dụng một cách phổ biến Trong các môi trường công việc độc hại, người ta sử dụng robot để thay cho con người.

Hình ảnh làm việc của Robot trong hàn và dây chuyền sản xuất lắm ráp

1.2 PHÂN LOẠI ROBOT

1.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động

Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối tượng thao tác được cho trước trong không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị.

 Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot): robot loại này có ba bậc

chuyển động cơ b ản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc.

 Robot toạ độ trụ (cylindrical robot): ba bậc chuyển động cơ b ản

gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay.

gồm một trục tịnh tiến và hai trục quay.

 Robot khớp bản lề (articular robot): ba bậc chuyển động cơ b ản

gồm ba trục quay, bao gồm cả kiểu robot SCARA.

1.2.2 Phân loại theo thế hệ

Robot từ lúc ra đời đến giờ đã chải qua 5 giai đoạn hình thành và phát triển như hiện tại

Robot thế hệ thứ nhất: sử dụng cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành

trình và điều khiển bằng vòng hở.

Robot thế hệ thứ hai: điều khiển bằng vòng kín, tự đưa ra quyết định lựa

chọn chương trình phù hợp nhờ vào từ phản hồi từ cảm biến và lập trình được.

Robot thế hệ thứ ba: điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu

nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh (Vision systems - Camera) và có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau.

Robot thế hệ thứ tư: có khả năng tự động lựa chọn chương trình hoạt

động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến và bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biên không được xác định trước Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot.

Robot thế hệ thứ năm: Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân

tạo (artificially intelligent robot) rất ưu việt, thay thế được nhiều hành động và xử lý như con người thông qua quá trình tự học…

1.2.3 Các phân loại Robot khác

Robot gắp – đặt, Robot đường dẫn liên tục, Robot dung nguồn cấp điện, Robot dung nguồn khí nén, Robot dùng nguồn thủy lực…

THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT 2.1 PHÂN TÍCH MỤC ĐÍCH, ỨNG DỤNG CỦA ROBOT

Mục đích của robot là nhằm góp phần nâng cao năng suất của dây truyền sản xuất, giảm thiểu sai số do con người gây ra, đồng thời robot còn có thể hoạt động trong môi trường có điều kiện không thuận lợi Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào khả năng của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, làm việc với độ chính xác cao, làm việc theo chu trình lặp đi lặp lại…

2.2 PHÂN TÍCH YÊU CẦU KỸ THUẬT THAO TÁC

2.2.1 Đối tượng thao tác, dạng thao tác

a) Đối tượng thao tác: Chi tiết hình trụ

Robot được ứng dụng trong mài tròn trong , có khả năng gia công các lỗ tròn.

b) Dạng thao tác

Để mài tròn đối tượng thao tác đã nêu ở trên có hai kiểu thao tác:  Cả chi tiết và dụng cụ mài cùng quay tròn

 Chi tiết đứng yên còn dụng cụ quay tròn

Ở đây, nhóm thiết kế robot với kiểu thao tác là dụng cụ quay tròn còn chi tiết đứng yên gá trên bàn gá phôi.

2.2.2 Phân tích yêu cầu về vị trí

Robot thao tác trong không gian với điểm thao tác tiếp xúc với bề mặt

2.2.3 Yêu cầu về hướng của khâu thao tác và không gian thao tác

Ngoài việc điểm tác động cuối của robot có vùng làm việc qua viền bao bên ngoài của chi tiết (cụ thể là viền bao của trụ trong) thì hướng của đầu mài có thể tịnh tiến dọc trục của trụ.

2.2.4 Yêu cầu về vận tốc, gia tốc

Nhanh chóng đạt được vận tốc ổn định trong suốt quá trình gia công.

2.3 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG KỸ THUẬT

2.3.1 Số bậc tự do cần thiết

Yêu cầu của robot là làm việc được trong không gian nên cần có 3 bậc tự do chuyển động Và để robot có thể gia công mài tròn được thì khâu thao tác phải luôn đảm bảo hướng dọc theo trục của khớp nối, vì vậy bậc tự do cuối cùng phải là bậc tự do tịnh tiến.

2.3.2 Vùng làm việc có thể với tới của robot

Yêu cầu khâu thao tác của robot có thể với tới và thực hiện được gia công chi tiết trong vùng gá đặt.

2.3.3 Yêu cầu về tải trọng

Đảm bảo mang vác được dụng cụ mài dễ dàng, ổn định Chống được rung lắc cho robot trong quá trình gia công khỏi ngoại lực tác dụng.

2.4 CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CẤU TRÚC ROBOT, LỰA CHỌN CẤU TRÚC CÁC KHÂU KHỚP

 Phương án 1: không gian thao tác hình trụ

 Phương án 2: không gian thao tác hình cầu

 Phương án 3: không gian thao tác Decac

Khi thiết kế robot 4 bậc tự do thì robot có thể hoạt động trong không gian và có thể định hướng được khâu thao tác, nhưng yêu cầu của bài toán là gia công mặt tròn không yêu cầu góc nghiêng của dao so với bề mặt chi tiết

dàng hơn khi khâu tác động cuối là khâu tịnh tiến ( trùng với phương z trong hệ trục tọa độ không gian Oxyz) Khi tách khâu cuối ra thì robot phải chuyển động được trong mặt phẳng xOy nên ta chọn 2 khớp xoay ( có trục z của 2 khớp xoay vuông góc với mặt phẳng xOy).

 Vậy nhóm quyết định chọn 3 bậc tự do là thích hợp nhất.

Từ những phương án thiết kế robot trên thì nhóm sẽ làm theo phương án 1: không gian thao tác hình trụ.

2.5 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D ROBOT

 Các đặc trưng hình học của robot

Từ yêu cầu về vị trí của robot ở trên ta có:

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 3.1 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC THUẬN, KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC NGƯỢC

3F Nx( ) 3F Nx( ) 3F Nx( ) 3M N mx( ) 3M N mx( ) 3M N mx( )

Lần lượt thay các hàng của bảng thông số động học vào ma trận trên ta được các ma trận truyền tương ứng với các khâu:

 Tọa độ điểm E là: (code matlab)

 Vận tốc điểm E là: (code matlab)

plot(t,VxE,'r',t,VyE,'b',t,VzE,'g');legend('VxE','VyE','VzE');

tan 2(sin ,cos ) tan 2(sin ,cos )

 Vậy ta đã xác định được các góc của từng khớp thông qua phương pháp Cardan.

3.1.4 Không gian làm việc

Với kích thước khâu đã được xác định từ trước và giới hạn các khớp ta xác định không gian làm việc của Robot như sau:

 Code không gian làm việc

3.1.5 Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo mục đích ứng dụng của Robot

Để khảo sát bài toán động học ngược cho robot, ta cần đưa vào quỹ đạo làm việc của điểm thao tác cuối Bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển

động cho robot là bài toán khá phức tạp, việc thiết kế phụ thuộc vào các tiêu chuẩn công nghệ của quá trình làm việc Trong khuôn khổ báo cáo này, các tiêu chuẩn của quá trình công nghệ như vận tốc mài, thời gian mài, kích thước chi tiết mài được lựa chọn chưa tham khảo cụ thể cũng như ngoài thực tế Các tiêu chuẩn được đưa ra nhằm mục đích kiểm tra cho quá trình thiết kế và mô hình hóa robot.

Mô hình robot mài trong báo cáo này được thiết kế để làm việc trong không gian với chuyển động liên tục trên đường dịch chuyển, các điều kiện công nghệ như vận tốc mài xác định trước Do đó phương pháp thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác sẽ được lựa chọn.

Thiết kế 3 quỹ đạo bậc 3 riêng biệt: quỹ đạo thẳng đi từ A đến B; quay một vòng quanh tâm I và quỹ đạo theo đường thẳng từ B về A Thời

Chiếu các điều kiện biên lên phương z,

 Dữ liệu đầu vào: Trong giai đoạn 2: di chuyển theo đường tròn từ B quay 1 vòng quanh tâm I trong t34( )s : (250,500,300)B , (250,450,300)I , bán kính

Tương tự như quỹ đạo đường thẳng A – B thì ta cũng có:

 Dữ kiện đầu vào: Trong giai đoạn 3: di chuyển theo đường thẳng từ B–A mất

Vậy từ đây ta thay ngược lại động lực học ngược để có được đồ thì các biến khớp theo thời gian:

Đồ thị quỹ đạo q theo thời gian1

Đồ thị quỹ đạo q theo thời gian1

Đồ thị quỹ đạo q theo thời gian2

Đồ thị quỹ đạo q theo thời gian2

Đồ thị quỹ đạo q theo thời gian3

Đồ thị quỹ đạo chuyển động trong mặt phẳng xOy của điểm tác động cuối E Mô phỏng quỹ đạo trên Matlab-simulink:

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH CỦA

F  FFF  là lực do khâu i-1 tác dụng lên khâu i ở khớp thứ i trong hệ tọa độ cơ sở.

 0Mi,i-1 = MxMyMzT là mô men do khâu i-1 tác dụng lên khâu i ở khớp thứ i trong hệ tọa độ cơ sở.

 là vector có gốc là O0 nối với Oi trong hệ tọa độ cơ sở.

 0Ri = 0R11R2…i-1Ri là ma trận quay biến đổi từ hệ tọa độ 0 đến hệ tọa độ thứ i

Lực tác dụng từ robot lên đối tượng công nghệ F, M:

Coi các khâu là thanh đồng chất tiết diện ngang không đáng kể Vị trí tương đối của hệ tọa độ 1

Tương tự ta tính được ma trận đối xứng lệnh: