GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
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 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 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
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…
PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN CẤU TRÚC VÀ THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT
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…
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 tiếp xúc cần mài.
Robot đảm bảo yêu cầu về vị trí như sau:
Vị trí xa nhất theo trục x là 110 (cm)
Vị trí xa nhất theo trục y là 30 (cm)
Tịnh tiến theo trục z là 20 (cm) 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.
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.
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.
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:
Ta sẽ chọn 1 bộ số thỏa mãn yêu cầu trên:
Giới hạn các biến khớp:
Các đặc trung kỹ thuật:
THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
Khảo sát động học thuận
Theo quy tắc DH, ta có ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất là:
1 sin os os in os in
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:
Nhân các ma trân với nhau ta có được:
Tọa độ điểm tác động cuối E:
Vận tốc điểm tác động cuối:
Vận tốc khâu thao tác: 1 2
Ứng dụng matlab vẽ đồ thị
Tọa độ điểm E là: (code matlab) a1=0.7; a2=0.5; d1=0.9; for t=0:0.01:20 %khai bao q q1=pi*t/10.0; q2=pi*t/10.0; q12=pi*t/5.0; d3=0.47+0.1*t;
%khai bao toa do rE xE*cos(q1)+a2*cos(q12); yE*sin(q1)+a2*sin(q12); zEd3; plot3(xE,yE,zE,'.'); hold on; grid on; end
Vận tốc điểm E là: (code matlab) a1=0.7; a2=0.5; d1=0.9; t=linspace(0,60,100);
%khai bao q q1=pi.*t/10.0; q2=pi.*t/10.0; q12=pi.*t/5.0;
%khai bao q_dot q1_dot=pi/10.0; q2_dot=pi/10.0; q12_dot=pi/5.0; d3_dot=0.1;
%van toc diem tac dong cuoi E VxE=-a1.*q1_dot.*sin(q1)-a2.*q12_dot.*sin(q12); plot(t,VxE,'r'); hold on;
VyE=-a1.*q1_dot.*cos(q1)-a2.*q12_dot.*cos(q12); plot(t,VyE,'b'); hold on;
VzE=0.1+0.*t; plot(t,VzE,'g'); hold on; plot(t,VxE,'r',t,VyE,'b',t,VzE,'g'); legend('VxE','VyE','VzE');
Khảo sát động học ngược
(Xác định bằng phương pháp 3 góc Cardan)
Cho tọa độ khâu cuối E:
Giải hệ phương trình đại số tuyến tính:
2 2 2 tan 2(sin ,cos ) tan 2(sin ,cos ) a a
Vậy ta đã xác định được các góc của từng khớp thông qua phương pháp Cardan.
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 clc m=pi/180; d10; for q1=-80*m:pi/18:80*m for q2=-150*m:pi/18:150*m for q3G0:1:670 xp0*cos(q1)+500*cos(q1+q2); yp0*sin(q1)+500*sin(q1+q2); zq3; plot3(x,y,z,'m.'); hold on; end end end grid on; xlabel('truc X'); ylabel('truc Y'); zlabel('truc Z');
Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo mục đích ứng dụng của Robot 25 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH 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.
Tọa độ các điểm đi qua: (250,500,430); (250,500,300); (250,450,300)
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 gian tương ứng là: 2s, 4s, 2s. Để thỏa mãn điều kiện về quỹ đạo và vận tốc, ta thiết lập quan hệ ( ) x x t là đa thức bậc 3: x a 0 a t a t 1 2 2 a t 3 3
S – Tọa độ ban đầu ở thời gian t=0;
(0) v – Vận tốc ban đầu tại thời gian t=0;
( ) v f – Vận tốc tại điểm cuối;
Chiếu các điều kiện biên lên phương z, ta sẽ có diều kiện:
(0) z – Tọa độ của đầu dao theo phương z tại thời điểm ban đầu; z (0) v – Vận tốc đầu dao theo phương z tại thời điểm ban đầu; ( ) z f – Tọa độ đầu dao theo phương z tại thời điểm cuối; z ( ) v f – Tọa độ đầu dao theo phương z tại thời điểm cuối;
Giải phương trình trên tìm a a a a 0 , , , 1 2 3 :
Khi thiết kế z z t ( ) Phương trình đường thẳng: a a a b a b a b a x x y y z z x x y y z z
Tìm được các thông số cho PT: z ( ) t a 0 a t 1 a 2 t 2 a 3 t 3
Ta có được phương trình quỹ đạo giai đoạn 1(A – B):
Dữ liệu đầu vào: Trong giai đoạn 2: di chuyển theo đường tròn từ B quay 1 vòng quanh tâm I trong t 3 4( ) s : (250,500,300)B , (250,450,300)I , bán kính 50( )
Xác định phương trình bậc 3: s t ( ) a s 0 a t a t s 1 s 2 2 a t s 3 3 R t ( ) Hay:
Giải phương trình tính được a a a a 0 , , , 1 2 3 :
Phương trình quỹ đạo đường tròn dạng tham số:
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
Ta cũng có được phương trình quỹ đạo giai đoạn 3 (B – A):
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 1 theo thời gian Đồ thị quỹ đạo q 1 theo thời gian Đồ thị quỹ đạo q 2 theo thời gian Đồ thị quỹ đạo q 2 theo thời gian Đồ thị quỹ đạo q 3 theo thời gian 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
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ta có hệ phương trình cân bằng lực:
Dạng ma trận trong hệ tọa độ cơ sở:
F F F F là lực do khâu i-1 tác dụng lên khâu i ở khớp thứ i trong hệ tọa độ cơ sở.
0 Mi,i-1 = M x M y M z T là mô men do khâu i-1 tác dụng lên khâu i ở khớp thứ i trong hệ tọa độ cơ sở.
P i là trọng lực của khâu i trong hệ tọa độ cơ sở.
1 i r i = 0 Ri 1 i i r i là vector có gốc là O0 nối với Oi trong hệ tọa độ cơ sở.
0 Ri = 0 R1 1R2… i-1 Ri là ma trận quay biến đổi từ hệ tọa độ 0 đến hệ tọa độ thứ i
là vector có gốc Oi-1 nối với Oi trong hệ tọa độ khâu i.
0 i r ci = 0 A i i r ci là vector có gốc O nối với C trong hệ tọa độ cơ sở
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 i i r i 1 và vị trí trọng tâm các khâu i i r ci được xác định:
Vector gia tốc trọng trường và lực các khâu biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở:
Ta tính được các vertor 0 r i i 1 , 0 r ci i sau đó thiết lập các ma trận đối xứng lệnh 0 r i i 1 , 0 r ci i từ các vector này:
Biểu diễn 0 3 0 3 r 2 , r c 3 trong tọa độ cơ sở:
Các ma trận đối xứng lệnh là:
Ta có phương trình cân bằng:
Tương tự ta tính được ma trận đối xứng lệnh:
Hệ phương trình cân bằng:
Ta tính được ma trận đối xứng lệnh:
Hệ phương trình cân bằng:
Chọn quy luật chuyển động của các khâu là: q t 1 ( )= q t 2 ( )= 10 t và 3 0.67( ) d Max m
GIẢI BÀI TOÁN CỤ THỂ
Động lực học Robot nghiên cứu chuyển động của Robot dưới tác dụng của lực và
(hoặc) momen điều khiển (lực điều khiển) để thực hiện thao tác theo mục đích công nghệ hoặc phục vụ.Đầu ra của bài toán phục vụ đắc lực cho bài toán điều khiển sau này.Giải bài toán động lực học gồm giải động lực học thuận và động lực học ngược.
5.1 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC THUẬN
5.1.1 Xác định các thông số động học
Tìm tọa độ khối tâm của khâu so với hệ quy chiếu cố định.
1 cos sin 0 cos sin cos 0 sin / 2
1 cos sin 0 ( / 2).cos 2 cos sin cos 0 ( / 2).sin
1 cos( ) sin( ) 0 cos cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin sin( ) / 2
0 0 cos( ) sin( ) 0 cos ( / 2).cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin ( / 2).sin( )
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC THUẬN
5.1.1 Xác định các thông số động học
Tìm tọa độ khối tâm của khâu so với hệ quy chiếu cố định.
1 cos sin 0 cos sin cos 0 sin / 2
1 cos sin 0 ( / 2).cos 2 cos sin cos 0 ( / 2).sin
1 cos( ) sin( ) 0 cos cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin sin( ) / 2
0 0 cos( ) sin( ) 0 cos ( / 2).cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin ( / 2).sin( )
3 cos( ) sin( ) 0 cos cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin sin( ) 0
1 3 3 cos( ) sin( ) 0 cos cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin sin( )
Xác định ma trận Jacobi tịnh tiến ở khối tâm:
.sin ( / 2).sin( ) ( / 2).sin( ) 0 cos ( / 2).cos( ) ( / 2).cos( ) 0
Xác định vận tốc góc các khâu:
Xác định ma trận Jacobi quay:
Xác định Tenxo quán tính: (giả sử thanh dẹt, với độ dày nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng)
5.1.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của Robot
M q( )là: ma trận khối lượng suy rộng.
G q( )là: ma trận đặc trưng cho các lực có thế tác dụng vào robot
Qlà: ma trận đặc trưng cho các ngoại lực không thế tác dụng vào robot.
Ulà: ma trận các lực và moment điều khiển.
Xác định ma trận khối lượng suy rộng M q ( ):
Tk i Tk Rk k Ck k Rk k
- Xác định được từng ma trận khối lượng suy rộng cho từng khâu:
- Ma trận khối lượng của cả hệ là:
Xác định ma trận lực quán tính Coriolis và quán tính li tâm.
Thay vào bài toán ta tìm được:
1 r C 2 r C 3 r C 1 1 2 1 3 1 3 23 m gz m gz m gz m gd m gd m g d d l
lên ta sẽ có được:
(giả thiết khâu thao tác cuối E chịu tác dụng của ngoài lực F 3 và momen M 3 ).
- Xác định các thành phần;
Ta xác định được phương trình vi phân chuyển động:
Sơ đồ động học Khối lượng: mi ,i=1…n Ten-xơ quán tính: I’i
ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC
Lưu đồ thuật toán động lực học:
Bài toán động lực học ngược:
Trạng thái chuyển động của robot, vị trí, vận tốc, gia tốc đã biết, cần xác định: Lực / momen điều khiển:
Dựa vào vị trí, vận tốc, gia tốc đã biết ở phần 3.2 biến thiên theo thời gian, ta sử dụng matlab simulink để tìm được lực / momen điều khiển robot.
Hình 5.2.1 Mô hình simulink tính động học ngược.
Tích phân ĐLH thuận Giải hệ ĐLH ngược q, dq, ddq U
Hình 5.2.2 Momen điều kiển khâu 1 theo thời gian t.
Hình 5.2.3 Momen điều kiển khâu 2 theo thời gian t.
Hình 5.2.4 Lực điều kiển khâu 3 theo thời gian t.
THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CHO ROBOT
GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ DẪN ĐỘNG HAY DÙNG TRONG ROBOT CÔNG NGHIỆP
Có rất nhiều loại hộp giảm tốc được sử dụng trong thiết kế robot công nghiệp,phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, mục đích ứng dụng của robot ta có thể chọn một hộp giảm tốc phù hợp Dưới đây là các hộp giảm tốc thông dụng trong thiết kế robot và đặc điểm ứng dụng cơ bản của chúng. a) Hộp giảm tốc bánh răng trụ.
Hình 6.1 Hộp giảm tốc bánh răng trụ
Hộp giảm tốc bắng răng trụ có hiệu suất truyền không cao,có tỉ số kích thước trên tỉ số truyền lớn, độ chính xác không cao, tỉ số truyền thấp, trong các robot có yêu cầu kết cấu nhỏ, độ chính xác cao thường không sử dụng Tuy nhiên với ưu điểm kết cấu cơ khí đơn giản, giá thành rẻ và phổ biến trên thị trường có khả năng làm b) Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh
Hình 6.2 Bộ truyền hành tinh
Bộ truyền hành tinh bao gồm các báng răng trung tâm,cần mang trục,các bánh vệ tinh Bộ truyền hành tinh có nhiều ưu điểm như kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, độ chính xác cao, hiệu suất cao, quán tính nhỏ, tùy vào kết cấu mà có dải tỷ số truyền từ một tới hàng trăm lần. c) Bộ truyền bánh răng sóng
Hình 6.3 Bộ truyền bánh răng sóng
Bộ truyền bánh răng sóng có nhiều ưu điểm như độ chính xác cơ khí lặp lại cao momen xoắn truyền lớn, hệ số giảm tốc cao từ 50:1 cho tới 320:1, kết cấu đồng trục Loại bộ truyền này có kết cấu phức tạp, khó chế tạo nên giá thành cao tuy nhiên vẫn được ứng dụng rộng. d) Bộ truyền bánh răng con lăn (Bộ truyền với ăn khớp Cycloid)
Hình 6.4 Bộ truyền bánh răng Cycloid răng này vào thực tế còn nhiều hạn chế do nhiều phức tạp trong việc xây dựng biên dạng Cycloid và hiệu suất bộ truyền chưa cao do chưa khắc phục đượcma sát trượt hình thành trong quá trình làm việc. e) Truyền động thanh răng bánh răng
Hình 6.5 Bộ truyền thanh răng bánh răng
Bộ truyền này có ưu điểm: đảm bảo độ chính xác truyền động vì không có sự trượt,tỉ số truyền ổn định, có thể sắp đặt vị trí tương đối theo ý muốn linh hoạt, kích thước nhỏ gọn, làm việc trong phạm vi công suất, tốc độ và tỉ só truyền khá rộng Tuy nhiên bộ truyền này có nhược điểm: không thực hiện được tỉ số truyền vô cấp, không có khả năng tự bảo vệ an toàn khi quá tải, có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn. f) Truyền động vít me đai ốc bi
Hình 6.6 Bộ truyền vít me đai ốc bi
Vít me – đai ốc bi: là một hệ thống truyền động, được gia công chính xác để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế bu lông – đai ốc Khu vực tiếp xúc giữa trục vít và đai ốc là một dải bi bằng thép để biến ma sát trượt thành ma sát lắn, qua đó giúp chuyển động một cách trơn tru và chính xác hơn, hoạt động liên tục bền bỉ trong thời gian dài.
Hoạt động: Khu vực tiếp xúc giữa vít me bi và đai ốc có một đườn rãnh (rãnh me) được lấp đầy bởi những viên bi thép Khi trục vít xoay, những viên bi lăn tròn trong mối ren của trục vít và đai ốc Điều này nhằm giảm ma sát của chúng Bởi vì các viên bi cuối cùng sẽ rơi ra ngoài, nên đai ốc có một đường ống dẫn về (đường hồi bi) để hứng những viên bi không bị rơi khỏi rãnh của trục vít và đưa chúng trở lại phần đầu của đường bi ở phía cuối của đai ốc Lực đẩy của đai ốc nhẹ nhàng nhờ chuyển động lăn của những viên bi cuộn tròn.
THIẾT KẾ CHO KHÂU 1 VÀ KHÂU 2
Khâu 1, khâu 2 chuyển động quay: chọn dẫn động là hộp giảm tốc Chọn giải pháp bố trí động cơ nằm ngang
=> Để thuận cho việc truyền động tại các khớp quay động cơ bố trí nằm ngang mà trục của khớp theo phương thẳng đứng => chọn bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng
Vận tốc góc lớn nhất của khâu 1,khâu 2: { ω ω 1 2 max max ≈ ≈ 0.13 0.17 ( ( rad rad s s ) )
Hình 6.7 : Đồ thị giá trị vận tốc góc khâu 1
Hình 6.8 Đồ thị giá trị vận tốc góc khâu 2
=> Tốc độ quay lớn nhất của khớp: { n n 1 2 max max = = 30 30 π π ω ω 1 2max max = = 30 30 π π × × 0.13=1.24 0.17=1.62 ( (vg vg/ / ph ph) )
=>Chọn tốc độ quay của khớp: n1 = 10 vg/ph, n2 = 10vg/ph Do kết cấu của robot lựa chọn hộp giảm tốc bánh răng côn răng trụ răng thẳng tỉ số truyền u = 4
Công suất tại khớp: { P P 2 1 max max =M = M 2 1max max ω ω 2 1 max max 5.904 27 (W (W ) )
Hiệu suất của bộ truyền: η=η br η ol 2
Trong đó: Chọn η br =0.94 - hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng cấp 1 η ol =0.99- hiệu suất một cặp ổ lăn (0.99 – 0.995) η kn =1- hiệu suất của khớp nối
Công suất yêu cầu cho khâu 1: P yc1= P 1max η = 88.27 0.92 = 95.95 (W)
Công suất yêu cầu cho khâu 2: : P yc2= P 2 max η = 35.904 0.92 9.02(W)
Số vòng quay yêu cầu: { n n yc1 yc2 =u n =u n 1 2 =4.10= =4.20 40 vg vg / / ph ph
Lựa chọn động cơ thỏa mãn:
*Chọn động cơ cho khâu 1 thỏa mãn: { n P dc dc1 1 ≈ ≥ 40 95.95 vg/ W ph
*Chọn động cơ cho khâu 2 thỏa mãn: { n P dc dc2 2 ≈ ≥ 80 39.02 vg / W ph
THIẾT KẾ CHO KHÂU 3
Khâu 3 chuyển động tịnh tiến, để đạt độ chính xác cao ta chọn bộ truyền vít me - đai ốc bi cho hệ dẫn động Tính toán, thiết kế bộ truyền vít me - đai ốc cho khâu 3.
Vít: nhiệt luyện từ thép tôi 40CrMn Đai ốc: để giảm ma sát và mòn ren sử dụng đai ốc được chế tạo từ đồng thanh nhôm - sắt (ƂpAҖ 9-4)
2 Tính thiết kế: a, Đường kính trung bình của ren d 2 ≥ √ π Ψ H F Ψ a h [ q ]
Trong đó: Fa lực dọc trục, trường hợp này ta lấy Fa bằng giá trị lực lớn nhất đã xác định trong bài toán động lực học F 3 max = 216.56 N
Chọn Ψ H =1.5 hệ số chiều cao đai ốc nguyên.( chọn trong khoảng 1,2…2,5) Ψ h =0.5 hệ số chiều cao ren (sử dụng ren hình thang)
[ q ]=8 Mpa áp suất cho phép với thép - đồng thanh (8…10MPa) ¿> d 2 ≥ √ π Ψ 216.56 H Ψ h [ q ] =3.34 (mm)
Chọn d2 theo tiêu chuẩn: d 2=7 mm
Từ đó cũng xác định được các thông số của ren: Đường kính ngoài: d = 8 mm
Bước ren: p = 2 mm Đường kính trong: d1 = 6 mm b, Chọn các thông số của vít và đai ốc
Kiểm tra điều kiện tự hãm γ < ρ=arctg cos f δ = cos 15 0.12 =7.08 °
( Với thép đồng thanh không thiếc f = 0.12, Ren hình thang => δ ° )
Chiều cao đai ốc và số vòng ren:
Từ d 2 và hệ số chiều cao Ψ H tính được chiều cao đai ốc:
3 Tính kiểm nghiệm về độ bền
- Kiểm tra độ bền theo ứng suất tương đương: σ td = √ σ 2 + 3 τ 2 = √ ( 4 π d F 3 1 max 2 ) 2 + 3 ( 0.2d T 1 3 ) 2 ≤ [ σ ]
F 3max ,T : lực dọc trục (N) và momen trên tiết diện nguy hiểm của vít
với vít làm từ vật liệu thép tôi 40CrMn xác định được: ch 690MPa
T g : Góc ma sát momen gối tì, để giảm bớt ma sát trên gối tì sử dụng vít với ngõng đứng ma sát lăn với 3max 0 0
T f F D d f t = 0.03: hệ số ma sát thay thế
D d : Đường kính ngoài và đường kính trong của ổ lăn
Tiến hành tính toán ổ lăn để lắp vào trục vít:
Do khâu 3 thẳng đứng, ta chọn ổ lăn kiểu ổ bi chặn - đỡ.
Chọn kích thước ổ lăn theo khả năng tải trong động (do số vòng quay của ổ lăn n>10vg/ph):
Khả năng tải trọng động: m
Q: Tải trọng đông quy ước, kN
L: Tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay
M: Bậc của đường cong mỏi, m = 3 (đối với ổ bi)
Gọi Lh = 6000h là tuổi thọ của ổ tính bằng giờ:
Vận tốc của khâu 3: v3 = 0.1 m/s = 100mm/s , trục vít có bước vít p = 2mm => số vòng quay n = 50 vg/s = 3000 vg/ph => 6 6
: Tải trong hướng tâm và tải trọng dọc trục, kN
X, Y: Hệ số tải trọng hướng tâm và tải trọng dọc trục k t : Hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ, k t = 1 k d : Hệ số kể đến đặc tính tải trọng, k d 1
Do góc tiếp xúc 90 nên F r 0,Y 1,F a F 3max 0.2156
Tải trọng quy ước Q = 0.1 kN
Khả năng tải trọng động: C d Q L m 0.1 1080 1.026 3
Chọn ổ theo điều kiện: d ol ngongtruc
Ở đây d ngongtruc d 8 mm (d là đường kính ngoài của trục vít, ta có thể tiến hành tiện trục vít để đảm bảo điều kiện d ol d ngongtruc
Sau khi chọn được ổ lăn
=> Trục vít đảm bảo điều kiện về độ bền
6.3.2 Chọn động cơ cho khâu 3
Lực dẫn động lớn nhất đã xác định được: F 3max 215.56
Momen lớn nhất trong quá trình dẫn động:
Số vòng quay lớn nhất của bộ truyền vít me - đai ốc: n = 3000 vg/ph
Lựa chọn động cơ thỏa mãn:
Dùng phần mềm Solid Work để tiến hành kiểm nghiệm bền cho Robot.
Kiểm nghiệm cho các khâu-với vật liệu nhôm o Khối lượng riêng: D = 2700(kg/m 3 ) o Modul đàn hồi: E = 69000 (N/mm 2 ) o Giới hạn bền: b ',574(Mpa)
Ta thu được kết quả kiểm nghiệm như sau:
Hình 6.4.1 Ứng suất tác dụng lên khâu 1
Hình 6.4.2 Ứng suất tác dụng lên khâu 2
Hình 6.4.3 Ứng suất tác dụng lên khâu 4
- Ứng suất lên cả robot:
Hình 6.4.4 Ứng suất tác dụng lên cả ROBOT. o Nhận thấy điểm có ứng suất tập trung lớn nhất tại khâu 2 = 11.38 Mpa
Kết cấu Robot đủ bền khi làm việc (mài tròn trong)
- Biện pháp tăng sức bền cho kết cấu: o Gia cố thêm vật liệu vào phần tập trung ứng xuất
SOLIDWORK SIMULATION – MÔ PHỎNG ỨNG XUẤT KIỂM NGHIỆM KẾT CẤU
7.1 CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH HỢP, THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN Ở những phần trước ta đã tiến hành tính toán, xác định quy luật biến thiên của các biến khớp theo thời gian, tương ứng với quỹ đạo công tác của robot theo yêu cầu Phần này sẽ trình bày việc điều khiển robot sao cho chúng có thể thực hiện đúng các chuyển động mong muốn.
Phương pháp điều khiển tuyến tính chỉ phù hợp với các hệ điều khiển được mô hình hóa bởi các phương trình vi phân tuyến tính Tuy nhiên trong phần động lực học robot chúng ta đã nhận thấy, hệ phương trình động lực của chúng ta là phương trình vi phân phi tuyến, do vậy các biện pháp xấp xỉ sẽ được sử dụng để phù hợp với yêu cầu của bài toán điều khiển tuyến tính.
Xuất phát trực tiếp từ hệ phương trình vi phân chuyển động đã được nghiên cứu trong phần động lực học robot Phương pháp điều khiển áp dụng là phương pháp điều khiển lực (momen).
Mục tiêu của bài toán điều khiển là làm sao cho robot bám theo quỹ đạo đã được thiết kế Các phần tử dẫn động làm việc theo cách nhận lệnh điều khiển và sinh ra lực (momen) Momen đầu sinh ra được sử dụng để tính toán momen mong muốn tiếp theo.
Vấn đề cốt lõi của việc thiết kế bộ điều khiển robot là làm thế nào để bảo đảm rằng bộ điều khiển được thiết kế sẽ đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc cho trước Tiêu chí cơ bản quan trọng nhất là hệ phải đảm bảo ổn định Nghĩa là đảm bảo thời gian quá độ, điều chỉnh và sai số quỹ đạo đủ nhỏ theo yêu cầu đặt ra cho dù hệ có phải chịu tác động của một số nhiễu trong suốt quá trình làm việc.
Trước hết ta có mô hình toán học của hệ thống đã được xây dựng từ các phần trước:
Trong đó, vế trái của phương trình là mô hình với các tham số của robot, vế phải là momen mà bộ điều khiển tác động lên robot Momen này được sinh ra từ bộ điều khiển với giá trị thỏa mãn yêu cầu đã nêu ở trên.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH HỢP, THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
Ở những phần trước ta đã tiến hành tính toán, xác định quy luật biến thiên của các biến khớp theo thời gian, tương ứng với quỹ đạo công tác của robot theo yêu cầu Phần này sẽ trình bày việc điều khiển robot sao cho chúng có thể thực hiện đúng các chuyển động mong muốn.
Phương pháp điều khiển tuyến tính chỉ phù hợp với các hệ điều khiển được mô hình hóa bởi các phương trình vi phân tuyến tính Tuy nhiên trong phần động lực học robot chúng ta đã nhận thấy, hệ phương trình động lực của chúng ta là phương trình vi phân phi tuyến, do vậy các biện pháp xấp xỉ sẽ được sử dụng để phù hợp với yêu cầu của bài toán điều khiển tuyến tính.
Xuất phát trực tiếp từ hệ phương trình vi phân chuyển động đã được nghiên cứu trong phần động lực học robot Phương pháp điều khiển áp dụng là phương pháp điều khiển lực (momen).
Mục tiêu của bài toán điều khiển là làm sao cho robot bám theo quỹ đạo đã được thiết kế Các phần tử dẫn động làm việc theo cách nhận lệnh điều khiển và sinh ra lực (momen) Momen đầu sinh ra được sử dụng để tính toán momen mong muốn tiếp theo.
Vấn đề cốt lõi của việc thiết kế bộ điều khiển robot là làm thế nào để bảo đảm rằng bộ điều khiển được thiết kế sẽ đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc cho trước Tiêu chí cơ bản quan trọng nhất là hệ phải đảm bảo ổn định Nghĩa là đảm bảo thời gian quá độ, điều chỉnh và sai số quỹ đạo đủ nhỏ theo yêu cầu đặt ra cho dù hệ có phải chịu tác động của một số nhiễu trong suốt quá trình làm việc.
Trước hết ta có mô hình toán học của hệ thống đã được xây dựng từ các phần trước:
Trong đó, vế trái của phương trình là mô hình với các tham số của robot, vế phải là momen mà bộ điều khiển tác động lên robot Momen này được sinh ra từ bộ điều khiển với giá trị thỏa mãn yêu cầu đã nêu ở trên.
Chúng ta phải xét xem cấu trúc của bộ điều khiển như thế nào thì có thể đáp ứng mục tiêu thiết kế Trước hết chúng ta chia bộ điều khiển thành hai phần: một phần dựa trên mô hình và một phần dựa trên phản hồi.
Trong đó , là các hàm được chọn lựa sao cho nếu với tư cách là đầu vào mới của hệ, thì hệ trở thành hệ khối lượng đơn vị.
Với cấu trúc này của quy luật điều khiển, phương trình của hệ trở thành:
Với mục tiêu biến hệ thành hệ khối lượng đơn vị với là thành phần đầu vào thì ,
Sau khi chọn được thì phương trình còn lại là: q u ,
Chúng ta còn lại tham số cuối cùng cần chọn để thu được hệ khối lượng đơn vị. ' d ( d ) ( d ) u q Kv q q Kp q q
Trong đó các giá trị đầu vào là quy luật vị trí, vận tốc, gia tốc mong muốn đã được tính toán trong phần thiết kế quỹ đạo.
Và các hệ số Kv, Kp là các ma trận đường chéo vuông cấp n (n là tham số động học của mô hình robot), ở mô hình robot này n=3.
Ta tìm được biểu thức đặc trưng cho hệ điều khiển vòng kín robot:
Hệ phương trình trên bao gồm các phương trình độc lập, các ma trận Kv, Kp là các ma trận đường chéo, do vậy phương trình này có thể viết riêng cho từng khớp: i i i i 0 e kv e kpe
Theo lý thuyết về dao động kỹ thuật, đây là phương trình dao động tự do có cản, ứng xử với hệ thống phụ thuộc vào hệ số kv i và kp i Trong đó mục tiêu của chúng ta là đưa ra đáp ứng của hệ càng sát với giá trị mong muốn càng tốt, khoảng thời gian đạt được đáp ứng càng nhanh càng tốt Giá trị kv i và kp i được tím ra bằng cách thử nghiệm trên mô hình simulink để đảm bảo yêu cầu.
Từ nội dung trên ta có thể xây dựng được sơ đồ khối của mô hình hệ thống như sau:
Hình 7.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cơ bản
Từ sơ đồ trên có thể nhận thấy rằng chúng ta đang điều khiển hệ thống trong không gian khớp theo thời gian Tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi đều tương ứng với từng khớp ( vị trí, vận tốc, gia tốc).
MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB
Sơ đồ khối hệ thống trên matlab
Hình 7.3 Sơ đồ khối đầu vào.
Hình 7.4 Sơ đồ khối PD Hình 7.5 Sơ đồ khối điều khiển.
Hình 7.6 Sơ đồ khối ROBOT.
Hình 7.7 Sơ đồ khối Tích phân.
Ta thu được kết quả:
Hình 7.13 Sơ đồ dq 2đ và dq 2
Hình 7.13 Sơ đồ dq 3đ và dq 3