Trong khuôn khổ môn học Đồ án Hệ thống Cơ điện tử với đề tài tài thiết kếRobot Gắp vật theo đường thăng trên mặt phẳng với kích thước cho trước, em tintưởng rằng với những kết quả có đượ
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC
Phần I: Giới thiệu về tính ứng dụng của robot trong công nghiệp và cuộc sống 1.1 Giới thiệu
Thuật ngữ“Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là“Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool) Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác, nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm.
Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số.
Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai) Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG. Định nghĩa theo từ điển New World College
“Robot là một kết cấu cơ khí có hình dạng bất kì, được xây dựng để thực hiện những công việc bằng tay của con người”.
Các định nghĩa sau này bao gồm các cánh tay cơ khí, các máy móc điều khiển số, các máy móc di chuyển theo kiểu bước đi và mô phỏng hình dáng con người. Các robot công nghiệp ngày này chỉ thực hiện một phần công việc của con người. Các robot ban đầu thường được gọi là các tay máy (Manipulator). Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản Định nghĩa này mang tính khái quát nhất của tất cả các định nghĩa được sử dụng Nó bao gồm tất cá các thiết bị tay máy và có thể xem khi định nghĩa một robot sau này.
“Robot là một máy, cơ cấu thường gồm một số bộ phận phân đoạn được nối với phân đoạn khác bằng khớp quay hay khớp trượt nhằm mục đích để gắp hay di chuyển các đối tượng, thường có một số bậc tự do Nó có thể điều khiển bởi một nguồn kích hoạt, một hệ thống điện tử có thể lập trình được hay một hệ thống logic nào đó”. Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp)
“Robot là một cơ cấu chuyển đội tự động có thể chương trình hóa, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên sườn các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất (chi tiết, dụng cụ gá lắp.v.v.) theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.” Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Hoa Kì
“Robot là một tay máy có nhiều chức năng có thể lập trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, các phần tử, linh kiện, các dụng cụ và thiết bị đặc biệt thông qua việc thay đổi các chương trình hoạt động đã được lập để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau.” Định nghĩa theo hiệp hội robot Anh
“Robot công nghiệp là một thiết bị có thể được lập trình lại, được thiết kế để thực hiện hai nhiệm vụ cầm nắm và vận chuyển các phần tử, linh kiện, các dụng cụ hoặc các công cụ chế tạo đặc biệt thông qua việc thay đổi các chương trình hoạt động đã được thiết lập để thực hiện các tác vụ gia công khác nhau.” Định nghĩa GOST (Nga)
“Robot là một máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự con người.”
Như vậy, qua các định nghĩa trên, ta có thể hiểu đơn giản robot công nghiệp là một loại thiết bị được thiết kế và chế tạo để phục vụ một số hoạt động trong quá trình sản xuất, thông qua các chương trình được thiết lập sẵn, và có thể thay đổi tùy vào mục đích sử dụng.
1.2 Robot gắp vật là gì, các loại robot gắp vật chủ yếu.
Robot gắp vật chịu trách nhiệm tăng tốc quá trình nhặt các bộ phận hoặc vật phẩm Và đặt các bộ phận đó ở các vị trí khác nhau đã được lập trình từ trước. Nhờ robot gắp vật, doanh nghiệp đã tăng tốc độ sản xuất một cách rõ rệt Đồng thời, chúng còn giúp người lao động xử lý các công việc lặp đi lặp lại để họ tập trung vào những công việc phức tạp hơn.
Các loại robot gắp vật phổ biến
Có một số loại robot gắp vật phổ biến bao gồm:
- Cánh tay robot, khớp nối
Nhắc đến robot gắp vật phổ biến nhất hiện nay, thì chắc chắn ta không thể bỏ qua cánh tay robot công nghiệp Cánh tay robot thường có 4,…., 6, trục tương ứng với mỗi chức năng và nhiệm vụ làm việc khác nhau.
Robot Delta được thiết kế tính năng gắp vật theo nhóm Không chỉ thế, Delta còn có thể đặt sản phẩm vào đúng mẫu lắp ráp theo như đã lập trình trước một cách vô cùng chính xác Do đó, robot này giúp doanh nghiệp sản xuất cải thiện hiệu suất của nó rất nhiều Cho tới thời điểm hiện tại, robot Delta được nâng cấp rất hiện đại khi chúng tích hợp công nghệ thị giác tiên tiến Chúng có thể phân biệt các hình dạng, màu sắc và kích thước khác nhau Hầu hết robot Delta là cánh tay robot 4 trục và 6 trục Cùng với một khung chắc chắn để nâng đỡ các động cơ nặng Ngoài ra, còn có nhiều thanh liên kết nối với khung và khớp tay robot giúp chúng hoạt động linh hoạt và nhanh chóng.
- Robot đa trục dùng vít me hoặc dây đai
Robot đa trục còn được gọi là robot Gantry Nó đi kèm với ba khớp lăng trụ và trục trùng với tọa độ Cartesian Chúng dễ lập trình, dễ sử dụng và có không gian làm việc hình khối Do tốc độ cao, chúng là một trong những robot chọn và đặt công nghiệp nổi tiếng nhất, ứng dụng trong dây truyền cánh tay robot mang tính tự động hóa cao.
Lựa chọn mô hình hoá cấu trúc robot
BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT
2.1 Bài toán động học thuận robot
Với không gian làm việc là 600x800x400(mm) l10mm=0,19m, l (0mm=0,28m, l2 3"0mm=0,20m.
Hình 21: Tọa độ các khớp Bảng 1: Bảng tham số động học Craig của robot
Trong đó:q 1 , q , q 2 là các biến khớp l 1 ,l ,l 2 3 là chiều dài khâu 1, 2, 3 xo yo zo z1 x1 z2 z3 q 2 q 3 l 1 l 2 q 1 l 3 x2 x3
Các ma trận Craig địa phương:
Các ma trận Craig toàn cục:
Toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu đối với khâu:
Toạ độ vị trí điểm thao tác E trong hệ quy chiếu cố định:
Cho trước các quy luật chuyển động của các khâu, vẽ đồ thị quỹ đạo, vận tốc, gia tốc điểm thao tác robot
Chọn quy luật chuyển động của các khâu:
Toạ độ điểm E theo biến t là:
Vận tốc của điểm thao tác cuối Đạo hàm theo thời gian t toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được vận tốc điểm thao tác E
Gia tốc của điểm thao tác cuối: Đạo hàm theo thời gian t vận tốc điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được gia tốc điểm thao tác E
Từ các ma trận Craig ta có các ma trận cô sin chỉ hướng của các khâu so với hệ quy chiếu cố định:
Vận tốc góc điểm thao tác cuối E: Đồ thị gia tốc, vận tốc và quỹ đạo chuyển động:
Hình 22: Đồ thị quỹ đạo điểm E
Hình 23: Đồ thị vận tốc điểm E
Hình 24: Đồ thị gia tốc điểm E 2.2 Thiết lập phương trình quỹ đạo theo yêu cầu
Hình 25: Thiết lạp quỹ đạo robot Thiết lập phương trình quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu:
Phương trình dạng tham số của đường thẳng AB:
Xét thời gian ta có:
Với điểm A(400,300,100), B(250,550,300) thay vào (1) ta có:
Giả sử điểm thao tác của robot chuyển động thắng đều trên đoạn thẳng AB với vận tốc v = 0.02[m/s] Trong đó đường thẳng AB có điểm A(400,300,100),0
Quãng đường khâu thao tác di chuyển là:
Phương trình chuyển động của điểm E: (3).
Quỹ đạo chuyển động của điểm E trên đoạn AB:
2.3 Bài toán động học ngược robot
Tọa độ điểm thao tác E phụ thuộc vào các tọa độ suy rộng trong hệ quy chiếu cố định có dạng:
Phương trình xác định vị trí E trên đoạn AB:
Tính toán nghiệm đầu: Tại vị trí A(400,300,100) thay vào phương trình (3) ta có:
Mối quan hệ điểm thao tác E trong không gian khớp và không gian thao tác:
Trong phương trình trên ta đã biết, ,đã biết từ phương trình quỹ đạo tìm, Đạo hàm phương trình (5) theo thời gian:
Ta có biểu thức xác định vecto vận tốc suy rộng:
(5) Tiếp tục đạo hàm phương trình (5) theo thời gian ta được:
Ta có biểu thức xác định vecto gia tốc suy rộng:
Giải phương trình động học ta được quy luật chuyển động của các khâu như sau với đồ thị như sau:
Hình 26: Đồ thị các toạ độ suy rộng
Hình 27: Đồ thị toạ độ suy rộng q theo thời gian1
Hình 28: Đồ thị toạ độ suy rộng q theo thời gian2
Hình 29: Đồ thị toạ độ suy rộng q theo thời gian3
Hình 30: Đồ thị vận tốc suy rộng theo thời gian
Hình 31: Đồ thị gia tốc suy rộng theo thời gian
Hình 32: Cấu hình Robot hình1
Hình 33: Cấu hình Robot hình2
Hình 34: Cấu hình Robot hình3Bảng 2: Bảng thông số động học
Thông số Ký hiệu Ghi chú Động học thuận
0.20 mm Chiều dài khâu 3 Quy luật chuyển động của các khâu
Phương trình xác định vị trí E trên AB
THIẾT KẾ 3D ROBOT
Hình 35: Tổng quan về robot 3 khâu TRR
Hình 37: Bản vẽ tách khâu tịnh tiến
Hình 39: Bản vẽ tách khâu kết nối
Hình 41: Bản vẽ tách khâu thứ 2
Hình 43: Bản vẽ tách khâu 3
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT
4.1 Xác định các tham số động lực học
Bảng 3: Bảng mô tả vị trí trọng tâm, khối lượng, momen quán tính khối của từng khâu của robot
Vị trí trọng tâm so với tọa độ gắn trên khâu
Momen quán tính khối từng khâu
Xc Yc Zc Ixx Iyy Izz Ixy Ixz Iyz
Với Xc, Yc, Zc là tọa độ trọng tâm của khâu so với hệ tọa độ gắn liền với khâu đó Khâu tịnh tiến
Hình 44: Momen quán tính khối khâu tịnh tiến
Hình 45: Momen quán tính khối khâu 2 Khâu 3
Hình 46: Momen quán tính khối khâu 3
4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot
- Chọn các tọa độ suy rộng là
Các ma trận Craig địa phương:
Các ma trận Craig toàn cục:
Tọa độ khối tâm các khâu trong hệ quy chiếu gắn liền với khâu có dạng:
Từ đó ta có tọa độ khối tâm các khâu so với hệ quy chiếu cố định R0
Các ma trận Jacobi tinh tiến:
Từ các ma trận Craig ta có các ma trận cô sin chỉ hướng của các khâu so với hệ quy chiếu cố định:
Vận tốc góc các khâu:
Từ vận tốc góc các khâu ta tính được các ma trận Jacobi quay:
Thay các ma trận Jacobi tịnh tiến và Jacobi quay vào biểu thức:
- m 1 là khối lượng của khâu 1 được cân từ solidworks
- J Ti là ma trận Jacobi tịnh tiến
- J Ri là ma trận Jacobi quay
- A i là ma trận cosin chỉ hướng
- I i là ma trận quán tính khối
Ta nhận được ma trận khối lượng suy rộng của robot:
Thế năng của robot có dạng:
Từ biểu thức thế năng ta có:
Ma trận ly tâm và Coriolis được xác định theo công thức
Sử dụng phần mềm Maple ta tính được:
Sử dụng phương trình Lagrange loại II ta thiết lập được phương trình vi phân chuyển động của robot:
Trong đó: Các thành phần của ma trận , và đã được tính toán ở trên.
TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN ĐỘNG ROBOT
Bàn tày kẹp như đã nêu có nhiệm vụ gắp phôi và giữ phôi từ vị trí ban đầu đến vị trí các hộp chứa Bàn tay kẹp lựa chọn là bàn tay kẹp dạng xilanh khí nén loại thường mở tác động 2 chiều
Hình 47: Tay kẹp HFZ25Bảng 4: Thông số đầu vào tay kẹp HFZ25
F: Lực cần thiết để kẹp vật m: Khối lượng của vật g: gia tốc trọng trường
: Hệ số ma sát trượt a: Hệ số an toàn
Lực càn thiết để kẹp là:
5.2 Động cơ cho khớp quay thứ 3
- Khâu cuối: = mc 2+0.87 2,87 = (kg) (bao gồm tay kẹp, vật cần gắp, gá bàn tay kẹp)
- Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu cuối và bàn tay kẹp đến động cơ: d 3 4.3 N.m
Thông số động cơ khâu Nema 23 - 51mm Điện áp sử dụng: 24VDC
Hình 48: Động cơ step M1233031 5.3 Động cơ cho khớp quay thứ 2
- Khối lượng khâu cuối: = 2,87 kgmc
- Khối lượng khâu 2: =2.5 kg (theo tính toán của phần mềm Solidworks)m2
- Khối lượng động cơ: mdc= 620g
- Khoảng cách trọng tâm tổng khối lượng khâu 2,3, tay kẹp đến trục momen: d 234 ≤200(mm)
Như vậy tổng khối lượng khâu 2 và khâu cuối là: m 23 = m m 2 + c +m dc %00 2870 620 5990 + + = (g)=5,99 (kg)
Momen nhỏ nhất của động cơ khâu 2 là:
M 2 =m 23 × g × d 234 =5,99 × 10 0,20 11,98 × = (Nm) Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng M 2
Em lựa chọn động cơ Nema 23 - 76mm kết hợp bộ truyền bánh răng đai răng với tỷ số truyền 7:1
Như vậy với bộ truyền tỷ số truyền 7:1 thì momen xoắn của động cơ là:
Thông số động cơ Nema 23 – 76mm Điện áp sử dụng: 24VDC
Hình 49: Động cơ step M1233061 5.4 Động cơ cho khớp tịnh tiến
- Khối lượng khâu cuối: = 2870gmc
- Khối lượng khâu 2: %00g (theo tính toán của phần mềm Solidworks)m2
- Khối lượng động cơ mdc3= 620g
- Khối lượng động cơ mdc2= 1050g
- Khối lượng khâu liên kếtm lk= 2800g
Như vậy tổng khối lượng các khâu của robot là: m 231 =m 2 +m c + m dc 3 +m lk %00 2870 620 1050 2800 7040 + + + + = (g)=7,04(kg) Lực nhỏ nhất để kéo vật m là:
F 1 =m 231 ì g ì à=7,04 ì 10ì 0,12 8,448 = (Nm) à: hệ số ma sỏt tượt
Momen cần thiết của động cơ là:
M 1 =F 1 × k=8,448 ×1,25 10,56 = (Nm) k: hệ số an toàn = 1,25
Cần chọn loại động cơ có momen lớn hơn hoặc bằng M 1
Chọn động cơ Nema 34 - 150mm
Thông số động cơ Nema 34 – 150mm Điện áp sử dụng: 24VDC
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.
Trên đây là bản báo cáo Đồ án hệ thống cơ điện tử Thiết kế cánh tay robot 3 bậc tự do của em Đây là một đề tài có tính thực tế cao, trong thời đời công nghiệp ngày càng phát triển sự cạnh tranh không ngừng đòi hỏi năng suất và chất lượng phải được cải thiện nhờ dây chuyền máy móc hiện đại thay thế lao động thủ công của con người.
Như vậy trong đồ án môn học em đã được tìm hiểu được cách xây dựng một mô hình robot, từ tính toán thiết kế hệ thống cơ khí đến lập trình, mô phỏng hoạt động, thiết kế và tiến tới xây dựng mô hình thực tế
Mức độ hoàn thành bao gồm:
Bộ khung của thiết bị đã được thiết kế hoàn thiện.
Các chi tiết cơ khí đã được thiết kế hoàn chỉnh.
Giải các bài toán động học, động lực học
Vẽ đồ thị toạ độ suy rộng các khâu, cấu hình robot bằng phần mềm MatlabHoàn thiện thiết kế 3D Solidworks cho cánh tay robot
Cách bố trí động cơ và các chi tiết khác
Mô phỏng chuyển động, tháo lắp cánh tay robot bằng Solidworks
Xuất được các bản vẽ tách chi tiết cho từng khâu của robot
Bên cạnh đó cũng có một số hạn chế bao gồm:
- Việc tính toán thiết kế các thông số cần thiết của các chi tiết trong thiết bị.
- Khó khăn trong việc tìm các tài liệu liên quan, linh kiện phù hợp với thực tế.
- Thiết kế cơ khí và lập trình điều khiển chưa đồng bộ tốt gây tốn thời gian để điều chỉnh, chỉnh sửa không cần thiết.
Qua đề tài trên em đã biết cách vận dụng những kiến thức chuyên môn được đào tạo ở trường Đại học Thủy Lợi trong thời gian qua vào với thực tế cuộc sống nhất là với công nghiệp Không chỉ vậy qua đồ án này em cũng học được rất nhiều như kĩ năng làm việc, giải quyết vấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo rất có ích cho sau này Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Tiến Thịnh cùng các thầy cô trong bộ môn đã giúp em hoàn thành đề tài này.
Do giới hạn về thời gian, kiến thức, trong quá trình thực hiện đồ án này, em mới chỉ giải quyết một số vấn đề cơ bản trong việc thiết kế một robot ngoài ra còn rất nhiều vấn đề cần phải giải quyết để có một sản phẩm robot hoàn thiện vì vậy em rất mong quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài này hoàn thiện hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!
- Cải tiến mô hình hoạt động với tốc độ hợp lý hơn, tải trọng vật nâng lớn hơn và đảm bảo không gian hoạt động linh hoạt có thể di chuyển mọi ngóc ngách;
- Xây dựng giải thuật hoàn chỉnh hơn;
- Đảm bảo khả năng sang các hướng ổn định và giảm bớt tiếng ồn.
- Đưa vào những thiết bị có độ chính xác cao, phân loại phôi bằng nhiều phương pháp: xử lí ảnh, màu,….
