đề tài tính toán thiết kế mô hình robot fíng dụng gắp chi tiết đúc từ máy công nghệ đưa ra vị trí tháo khuôn

Nền khoa học kỹ thuật ngày căng phát triển mạnh mẽ dẫn tới thay đổi lớn trong sản xuất.Sựthay đổilựclượngsảnxuấttrongmọingành nghề,sựthaythếhoạtđộngchân tay của con người bằng máy móc, r

Chúng ta đang sống trong thời đại nền công nghiệp 4.0 - nền công nghiệp sản xuấthàngloạtvớisựtrợgiúpcủa robot,máytựđộngdướisựđiềukhiểncủa máytính Nền khoa học kỹ thuật ngày căng phát triển mạnh mẽ dẫn tới thay đổi lớn trong sản xuất.Sựthay đổilựclượngsảnxuấttrongmọingành nghề,sựthaythếhoạtđộngchân tay của con người bằng máy móc, robot.

Robot có được vị trí như vậy là nhờ chúng có những ưu điểm đặc biệt về chất lượng, độchinhxácvà tínhkinhtế.Robotcóthểlàmviệckhôngbịảnhhưởngbởinhữngyếu tố chủ quan, khách quan như có thể làm việc không biết mệt mỏi, làm việc trong môi trườngônhiễm,độchại,làmviệc nơicónhiệtđộ/ápsuấtcao,làmviệc nơinguy hiểm,

… không những vậy nhờ những thiết kế cơ khí chính xác và những thuật toán điều khiển mà robot có khả năng làm những công việc yêu cầu độ cẩn thận, tinh tế, làmv i ệ c c h í n h x á c k h ô n g c ó s ự n h ầ m l ẫ n n h ư c o n n g ư ờ i

Tay máy Robotđ ã cómặt trongsảnxuấttừnhiềunăm trước,ngày nay taymáyRobot đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ những ưu điểm mà tay máy Robot đó và đúc kết lại trong quá trình sản xuất làm việc, tay máy có những tính năng mà con ngườikhôngthểcóđược,khảnănglàmviệcổnđịnh,cóthểlàmviệctrongmôitrường độc hại, v.v…Do đó việc đầu tư nghiên cfíu, chế tạo ra những tay máy Robot phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiện tại và tương lai.

Ngàynayviệcdùngrobotfíngdụngtrongngànhcôngnghiệpcơkhínặnglàmộttrong những nhu cầu rất cần thiết , việc di chuyển một cách khéo léo và chính xác là điều khó khăn đối với con người, chính vì thế mà việc nghiên cfíu chế tạo ra một thiết bị như cánh tay robot để làm được việc đó có ý nghĩa rất lớn.

Việc tìm hiểunghiên cfíuRobot trong khuônkhổ mônhọcTính toán thiết kế robotsẽ

làcơsở đểchúng emtính toán,thiếtkế cũng nhưđiềukhiển cácloại Robottrong công nghiệp phục vụ sản xuất Cụ thể, ở đây chúng em chọn đề tài tính toán, thiết kế mô hình Robot fíng dụng gắp chi tiết đúc từ máy công nghệ đưa ra vị trí tháo khuôn.

Trong ngành công nghiệp sản xuất cơ khí nặng, Công nghệ Đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu Đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệukim loại.Việc gắp chitiết đúc từ máy côngnghệ đưa ra vịtrítháo khuônlà những công việc lặp đi lặp lại rất đơn giản và nhàm chán, nếu sfí dụng công nhân trực tiếp làmviệc này thìnăng suấtđạt được khôngcao, đồngthời gây căng thẳngmệtmỏi, ảnh hưởng đến chất lượng và tiến độcông việc Ngoài ra việc áp dụng khoa họccông nghệ sfí dụng robot thay thế con người trong công việc này đang là xu thế, robot làm việc không biết mệt mỏi, không bị ảnh hưởng bởi tâm lí và ít bị tác động bởi môi trường, năng suất cao, độ chính xác tin cậy cao, tính ra giá trị lợi nhuận thu về thì sfí dụng robot rẻ hơnlao độngconngườirất nhiều Dovậy, nhóm chúngem quyết định sẽ thiết

Dạng thao tác: Khâu tác động cuối cùng để gắp chi tiết đúc là hệ thống kẹp chi tiết và nhấc lên vuông góc với bề mặt chfía chi tiết đúc và di chuyển theo chiều tịnh tiến.

2.2 Yêucầuvềvịtrí:

Các chi tiết đúc khi được sản xuất từ máy công nghệ nằm trên một băng chuyền, khâu tác động cuối của robot phải đưa đến đúng vị trí để tháo khuôn.

2.3 Yêucầuvềhướngcủakhâuthaotác:

Hướng của khâu thao tác không thể tuỳ ý mà phải phù hợp với hướng định trước của chi tiết đúc được sản xuất ra từ máy công nghệ trên băng chuyền Hướng của khâu tác động cuối nằm trên mặt phẳng song song với mặt đất XoYo, định hướng bằng các góc quay quanh trục Zo.

2.4 Yêucầuvềvậntốc,giatốckhithaotác:

Yêu cầu về gia tốc: Gia tốc của robot không được quá cao và thay đổi đột ngột có thể làm chi tiết đúc ra khỏi đầu kẹp của khâu tác động cuối.

2.5 Yêucầuvềkhônggianthaotác:

Băng chuyền đã có, mỗi băng chuyền rộng 500mm, cao 1000mm, nằm vuông góc với nhau Không gianthao tác yêu cầu của robotcầnphải bao quát được cả 2 bằng chuyển để có thể lấy từ bằng chuyền 1 đưa sang băng chuyền 2 một cách dễ dàng ( Ở đây băng truyền 1 chính là vị trí ban đầu của chi tiết đúc khi vừa được sản xuất từ máy Công nghệ, băng truyền 2 là vị trí mình đưa chi tiết đến để tháo khuôn)

Là vị trí xa nhất mà robot có thể với tới, đó sẽ là vị trí chi tiết đúc ở vị trí xa nhất khi được đưa ra từ máy công nghệ trên băng chuyền.

3.3 Yêucầuvềtảitrọng:

Trongthực tế,chitiếtđúc ta cóthể ước tính nặngtrung bình khoảng1kg/1chitiết,mỗi lầnRobot thao tác được với4 chitiết, như vậy tải trọng ngoài tác dụng lên Robotsẽ là 4kg Ta lấy tải trọng tính toán ngoài là 4 kg.

IV/ Các phương án thiết kế cấu trúc Robot, cấu trúc các khâukhớp, phân tích, chọn phương án thực hiện:

Dựa vào yêu cầu kỹ thuật thao tác nhóm chúng em lên ý tưởng Robot dự định thiết kế sẽ là robot 3bậc tự do RRT,RTT,TTT,TRT

Dự định thiết kế tay gắp chi tiết đúc sẽ là hệ thống kẹp và nhấc lên vuông góc với bề mặt chfía các chi tiết đúc và di chuyển theo chiều tịnh tiến.

4.1 CácphươngánthiếtkếcấutrúcRobot:

Khâu3:300mm

CHƯƠNGII:THIẾTKẾQUỸĐẠOCHUYỂNĐỘNG

I/Khảosátđộnghọcthuận, khảosátđộnghọcngược:1.1 ĐặthệtrụctọađộtheoDenavit–Hartenberg

Đối với các robot công nghiệp, Denavit – Hartenberg (1995) đã đưa ra cách chọn các hệ trục tọa độ có gốc tại khớp thfí i như sau:

- Trụczi-1đượcchọndọctheotrụccủakhớpđộngthfíi.

- Trục xi-1được chọn dọc theo đường vuông góc chung của 2 trục zi-2và zi-1, hướng đi từ trục zi-2sang zi-1 Nếu trục zi-1cắt trục zi-2thì hướng của trục xi-1đượcchọntùyý,miễnlàvuônggócvớizi-1.Khi2t r ụ c zi-1vàzi-2songsongvới nhau, trục xi-1có thể chọn hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được.

- GốctọađộOi-1đượcchọntạigiaođiểmcủatrụcxi-1vàtrụczi-1

- Trụcyi-1đượcchọnsaochohệ(Oxyz)i-1làhệquychiếuthuận Chú ý :

- Đối với hệ tọa độ (Oxyz)0theo quy ước trên ta mới chỉ chọn được trục z0, còn trục x0chưa có trong quy ước trên Ta có thể chọn trục x0được chọn một cách tùy ý, miễn là x0vuông góc với z0.

- Đối với hệ tọa độ (Oxyz)n, do không có khớp n+1, nên theo quy ước ta không xác định được trục zn Trục znkhông được xác định duy nhất, trong khi trục xnlại được chọn theo pháp tuyến của trục zn-1.Trong trường hợp này, nếu khớpl à k h ớ p q u a y t a c ó t h ể c h ọ n t r ụ c znsong song với trục zn-1.Ngoài ra ta có thể chọn tùy ý sao cho hợp lý.

- Khikhớpthfíilàkhớptịnhtiến,vềnguyêntắctacóthểchọntrụcz

i-1mộtcáchtùyý.Ngườitathườngchọntrụczi-1dọctheotrụccủakhớptịnhtiếnnày Từquytắctrêntaxâydựngđượccáchệtọađộnhưhìnhvẽ:

- ai:dịchchuyểndọctrụcđ ể điểmc h u y ể n đếnđiểm

- αi:gócquay quanh trụcs a o c h o t r ụ c ()trùngvớitrục

Hình2.2.CácthamsốD e n a v i t –Hartenberg

Nhưvậytừcáchệtọađộđãxâydựngởtrên,tacócácthamsốDHnhưsau:

Bảng2.1.CácthamsốDenavit–Hartenberg

sθi -cosαisinθi sinαisinθiaicosθi�

�sinθ cosαcosθ -sinαcosθ asinθ�

Ma trận được xác định bởi công thfíc (2.1) được gọi là ma trận Denavit – Hartenberg Nócho ta biết thôngtinvề vịtrícủakhâuthfíi của robot đốivới hệquy chiếu(Oxyz)

Nhiệm vụ của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu thao tác, hay nói cách khác là vị trí điểm tác động cuối và hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định với điều kiện các biến khớp đã biết Ở đây ta sẽ xác định từ ma trận DH của khâu

thaotác 3 TínhcácmatrậnDH

Đặtcosq1=C1,sinq1=S1,cosq2=C2,sinq2=S2,cos(q1+q2)=C12,cos(q2+q3)=C23,

vàthaycácgiátrịtrongbảngthôngsốDHvàocôngthfíc(2.1)vàt a đượccácmatrận biến đổi DH giữa các hệ trục tọa độ như sau:

�cos(q1(t)+q2(t)) sin(q1(t)+q2(t))0 a2cos(q1(t)+q2(t))+a1cos(q1(t))�

�sin(q(t)+q(t))cos(q(t)+q(t)) 0 as i n ( q(t)+q( t))+as i n ( q(t))�

0A=0A.1A= � 121221211 �

0

(Oxyz)i+3bằng cách quay liên tiếp quanh các trục của hệ tọa độ động, cụ thể là:

- Quay(Oxyz)igócαq uan h trụcxi.Hệ(Oxyz)i(Oxyz)i+1

- Quay(Oxyz)i+1gócβquanhtrụcy

- Quay(Oxyz)i+2gócηquanhtrụczi+2.Hệ(Oxyz)i+2(Oxyz))i+3

MatrậnquayCardanbiểudiểnhướngcủahêtọađộđộng(Oxyz)i+3sovớihệtọađộ cố định (Oxyz)Ilà tích của ba ma trận quay thành phần cơ bản, được tính

R =�sinαsinβcosη+cosαsinη -sinαsinβsinη+cosαcosη -sinαcosβ� (2.7)

Toán tfí sóng của véc tơ vận tốc góc khâu i trong hệ tọa độ động (Oxyz)iđược tính theo công thfíc sau:

& ❹ (&&)2+a( &q&+&q&)C -aq&2S+aC&q&

Chocáchằngsố:d1=600mm,a1=500mm,a2=400mm,d2=10mm

❹y2 =a

2S2+a2S2+2aS a S

Thiếtkếquỹđạochuyểnđộnglàxâydựngquyluậtchuyểnđộngchocáckhâucủa robotđảmbảothỏamãnyêucầuvềvịtrí,hướng,hoặcthỏamãncả vịtrívàhướngcủa

Trongtrườnghợpchuyểnđộngtfiđiểmtớiđiểm,ngườitacóthểquantâmhoặckhông quan tâm đến việc khâu thao tác đi qua một số điểm trung gian Khi đó kỹ thuật thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp hay được sfí dụng Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp đòi hỏi phải xây dựng được các hàm phụ thuộc thời gian của các biến khớp và các đạo hàm bậc nhất, bậc hai của nó Qua đó mô tả được chuyển động cần thiếtcủa Robot.

a Đềbài

Đối với Robot,tachọnnội dung thiếtkế quỹ đạonhưsau: Chọnhai điểmA,B bất

gianlàm việctc.Yêu cầuxây dựng hàm phụthuộc thờigian củacác biếnkhớp và đạo

Tfi bốn hệ số trên ta thu được hàm phụ thuộc thời gian của các biến khớp dạng đa thfícbậc ba (2.13) Những giá trị đó là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển vị trí để truyển

Hình2.11.Đồthịvịtrí,vậntốcvàgiatốckhớp1theothờigian

Hình2.12 Đồthịvịtrí,vậntốcvàgiatốckhớp2theothờigian

Hình2.13 Đồthịvịtrí,vậntốcvàgiatốckhớp3theothờigian

2.3.Thiếtkếquỹđạotrongkhônggianthaotác Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác

Trong trường hợp chuyển động liên tục trên đường dịch chuyển, kỹ thuật thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác hay được sfí dụng.

Đối với Robot này,tachọn bài toánthiết kếquỹ đạo trong khônggian thao tác sao cho quỹ đạo của điểm tác động cuối là đường thẳng tfi điểm A đến điểm B (bất kì trong vùng làm việc)

Với điểm A có tọa độA(x0,y0,z0) và điểm B(xc,yc,zc), ta có phương trình đường thẳng trong không gian thao tác :

Đểtínhtoánđộnglựchọcrobot,tasẽđithiếtlậpphươngtrìnhviphânchuyển động của robot Phương trình vi phân chuyển động của robot được xây dựng theo phương trình Lagrange loại II dạng ma trận có dạng tổng quát như sau:

❹-a2S12(q&1+q&2)-a1S1q&1❹ &❹&&&❹ vC3=rC3=❹a2C1 2(q1+q2)+a1C1q1❹

TfiđótatínhđượccácmatrậnJacobitịnhtiếncủakhâui(JTi)vàJacobiquaycủa khâu i (JRi) theo công thfíc (4.4) như sau:

•MatrậnCoriolisC(q,q&)