Tính toán bù sai số điểm cuối trên robot công nghiệp

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TÍNH TOÁN 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 2 Xác nhận của cơ sở đào tạo 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Phạm Thành Đức Nơi công tác: Công ty TNHH MTV Cơ điện và vật liệu nổ 31-TCCNQP-BQP Tên đề tài: Tính toán bù sai số điểm cuối trên robot công nghiệp. Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy. Mã số: 62 52 04 01 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012 Học viên Phạm Thành Đức 4 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của nhà trường, khoa cơ khí, các thầy cô giáo trường Đại Học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Phạm Thành Long và tập thể cán bộ giảng viên Bộ môn Cơ điện tử đã cho những chỉ dẫn quý báu để hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp của các thày giáo thuộc khoa cơ khí và các đồng nghiệp tại Công ty Cơ điện và vật liệu nổ 31 đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả tháo gỡ những khó khăn trong thời gian làm luận văn. Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận được những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn! 5 MỤC LỤC Mục N ội dung Trang - Trang phụ bìa luận văn 1 - Xác nhận của cơ sở đào tạo 2 - Lời cam đoan 3 - Lời cảm ơn 4 - Mục lục 5 - Danh mục các thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt 8 - Danh mục các bảng biểu 10 - Danh mục các hình vẽ đồ thị 11 MỞ ĐẦU 13 1- Tính cấp thiết của đề tài 13 2- Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 13 3- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 14 4- Phương pháp và công cụ nghiên cứu 15 5- Nội dung luận văn 15 CHƯƠNG 1 - CÁC SAI SỐ THƯỜNG GẶP TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sai số và ảnh hưởng của nó đến quá trình làm việc của robot 16 1.1.1 Các nguyên nhân gây sai số điểm cuối thường gặp trên robot 16 1.1.2 Phát hiện và đánh giá sai số trên robot công nghiệp 17 1.2 Những phương pháp loại trừ ảnh hưởng của sai số 17 1.2.1 Các phương pháp thụ động 17 1.2.2 Các phương pháp chủ động 19 1.2.2.1 Các phương pháp cơ học 19 1.2.2.2 Các phương pháp trên cơ sở điều khiển 21 1.3 So sánh tính hiệu quả của các phương pháp 21 1.4 Một số nghiên cứu liên quan đến bù sai số robot trên thế giới 22 1.5 Hướng nghiên cứu của đề tài 25 Kết luận chương 1 25 6 CHƯƠNG 2 – BÙ SAI SỐ TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Giới thiệu bài toán 27 2.2 Mô hình tính toán các thành phần sai số của khâu cuối 28 2.2.1 Mô hình lý thuyết FEM 28 2.2.1.1 Mô hình của robot mềm một khâu 29 2.2.1.2 Mô hình của tay máy tổng quát 35 2.2.2 Mô hình thí nghiệm bằng xử lí ảnh 35 2.3 Phương pháp điểm sinh bù sai lệch điểm cuối 35 2.3.1 Xây dựng mô hình toán từ hệ thực 36 2.3.2 Giải thuật bù sai số Online 37 2.4 Những hạn chế của phương pháp 38 Kết luận chương 2 39 CHƯƠNG 3 – TÍNH TOÁN BÙ SAI SỐ ĐIỂM CUỐI 3.1 Hệ phương trình động học đặc trưng của robot 40 3.1.1 Phân tích bài toán 40 3.1.2 Quy tắc DH 41 3.2 Phương trình vòng kín và bài toán động học ngược thứ nhất 42 3.2.1 Sơ lược về giải bài toán động học ngược trên robot 42 3.2.2 Phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược 44 3.3 Giải bài toán ngược với công cụ Solver của MS office 47 3.3.1 Giới thiệu chung về giải thuật và phương pháp 47 3.3.2 Minh họa các thao tác chính với công cụ Solver 50 3.4 Tính toán biến dạng của cấu trúc với phần mềm FEM 53 3.4.1 Xây dựng mô hình liên tục với CAD 53 3.4.2 Giới thiệu phần mềm Cosmos Design Star 54 3.5 Điểm sinh và bài toán động học ngược thứ hai 58 3.6 Kiểm tra dữ liệu vòng tròn 58 3.7 Ví dụ tính toán bù sai số biến dạng cho robot ba khâu phẳng 60 3.8 Tính toán bù tinh trên cơ sở lượt bù thô 63 3.8.1 Sự giới hạn của lần bù thứ nhất 63 7 3.8.2 Nguyên tắc tính toán 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 3 74 - KẾT LUẬN CỦA LUẬN VĂN 75 - DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁ C GIẢ 76 - TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 8 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÍ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT TT KÍ HIỆU DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ ĐƠN V Ị 1 a ( ) Approach (Véc tơ hướng tiếp cận vật thể của bàn kẹp) 2 a i Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox (mm) 3 A i Ma trận truyền giữa khâu (i-1) và khâu (i) 4 A T Transpose (A) 5 i α Góc quay quanh trục ox (rad) 6 ijk C Cos(q i + q j + q k ) 7 C Ma trận hệ số cản của cấu trúc 8 D Miền thỏa mãn các ràng buộc vật lí của các khớp 9 DH Denavit-Hartenbeg 10 d i Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz (mm) 11 E Mô đun đàn hồi của vật liệu 12 F Ma trận lực nút 13 FEM Phương pháp phần tử hữu hạn 14 IR Industrial Robot 15 J Mô men quán tính mặt cắt ngang của thanh 16 K Ma trận độ cứng cấu trúc 17 M Ma trận khối lượng cấu trúc 18 n ( ) Normal. (Véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng chứa s, a) 19 n Số bậc tự do của robot 20 P Cx Chuyển vị của điểm C theo phương trục x 21 P Cy Chuyển vị của điểm C theo phương trục y 22 q i Biến khớp thứ (i) 23 q i ’ Vận tốc (dài/góc) khớp thứ (i) 24 q i ” Gia tốc (dài/góc) khớp (i) 25 RPY Roll-Pitch-Yaw 26 s ( ) Sliding. (Véc tơ hướng đóng mở bàn kẹp) 9 27 ijk S Sin(q i + q j + q k ) 28 n T 0 Phương trình động học thuận 29 i i T 1− Biểu diễn của hệ quy chiếu (i) trong hệ quy chiếu (i-1) 30 U” Véc tơ gia tốc nút 31 u Véc tơ chuyển vị nút 10 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU KÍ HIỆU NỘI DUNG BẢNG BIỂU TRANG 3.1 Ý nghĩa các thuật ngữ của công cụ Solver trên giao diện chương trình 48 3.2 Ý nghĩa các tùy chọn trong Option của công cụ Solver 49 3.3 So sánh kết quả bù sai số 2 bước và sai số không bù 73 [...]... Các sai số thường gặp trên robot công nghiệp - Chương 2: Bù sai số trên robot công nghiệp - Chương 3: Tính toán bù sai số điểm cuối 16 CHƯƠNG 1: CÁC SAI SỐ THƯỜNG GẶP TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sai số và ảnh hưởng của nó đến quá trình làm việc của robot Khi robot không hoàn thành được tác vụ của nó theo lập trình bằng các thông số điều khiển thông thường thì nguyên nhân tương ứng được gọi là sai số. .. quá trị số cho phép mà không thể hiệu chỉnh được cấu trúc là khi cần sử dụng các biện pháp chủ động về điều khiển Điểm mấu chốt của việc bù là phải tính toán định lượng được các thành phần sai số theo từng phương tại các điểm khác nhau trong vùng làm việc, trong thực hành bù sai số thuận tiện nhất vẫn là một mô hình tính toán sai số thay vì phải đo bằng thiết bị đo Trên thực tế các công trình về bù cũng... trình tính toán lời giải bài toán động học ngược do chênh lệch hệ số giữa biểu thức mô tả vị trí và định hướng trong hệ phương trình động học thuận; - Sai số tại các điểm trung gian của quỹ đạo do chọn mật độ điểm chốt hoặc quy luật đường nội suy không thích hợp; Các nguyên nhân kể trên gây ra hai loại sai số phổ biến trên robot công nghiệp là sai số độ chính xác và sai số độ chính xác lặp lại, trong... tạp 2.2 Mô hình tính toán các thành phần sai số của khâu cuối Định danh và định lượng các thành phần sai số là bước quan trọng để bù sai số, phương pháp xác định sai số cần có tính tổng quát để áp dụng được trên các cấu trúc khác nhau, bên cạnh đó cần đưa ra được các thông tin đa dạng như biến dạng dài, biến dạng góc của tất cả các trục thuộc cấu trúc kể cả khâu cuối Với các yêu cầu như trên tác giả có... 1.4 Một số nghiên cứu liên quan đến bù sai số robot trên thế giới Những nghiên cứu liên quan đến bù sai số gồm các mô hình tay máy mềm một và nhiều khâu, các lý thuyết về dầm đàn hồi và các giải pháp về bù sau khi đã tính toán định lượng được sai số của cấu trúc, điển hình trong lĩnh vực này có thể kể tới một số công trình tiêu biểu như: Việc điều khiển cánh tay robot mềm được đề xuất bởi Cannon và Schmiz... thay vì phải đo bằng thiết bị đo Trên thực tế các công trình về bù cũng thường tính toán sai số theo mô hình toán học [2,12], đo kiểm chỉ nhằm xác nhận có tồn tại sai số trên thiết bị 1.2 Những phương pháp loại trừ ảnh hưởng của sai số Sau khi xác định chính xác robot có sai số vượt quá giới hạn cho phép do ảnh hưởng của sai số chế tạo hoặc các nguyên nhân cơ học khác như mòn, biến dạng đàn hồi có thể... của vấn đề này qua tổng kết nhiều công trình là thiếu một cách tính toán hiệu quả mà đơn giản vì tuy sử dụng thiết bị hiện đại song người sử dụng trực tiếp thường chỉ được đào tạo các kỹ năng vận hành tối thiểu Để hoàn thiện bức tranh chung về độ chính xác của robot công nghiệp, bên cạnh những công trình đã có không thể thiếu một nghiên cứu về tính toán bù sai số điểm cuối dưới ảnh hưởng của tải trọng... cách tiếp cận hợp lý cho giải pháp đạt độ chính xác của các tay máy đang được quan tâm nhiều hiện nay Xây dựng cơ sở tính toán định lượng các số liệu bù để đạt độ chính xác là mục tiêu của luận văn này 27 CHƯƠNG 2: BÙ SAI SỐ TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Giới thiệu bài toán Hầu hết các robot ngày nay chỉ có thể nâng được khoảng từ 1 đến 20 lần trọng lượng của chúng So sánh điều đó với cánh tay con người,... khách quan trên phần mềm phần tử hữu hạn với thông số thực của cấu trúc cho phép khẳng định kết quả tính toán là đúng đắn Về công cụ nghiên cứu đề tài sử dụng các phần mềm chuyên dụng quen thuộc như Matlab cho tính toán động học thuận, Cosmos design star cho tính toán phần tử hữu hạn, AutoCAD để xây dựng mô hình liên tục đầu vào cho tính toán phần tử hữu hạn, phương pháp GRG2 cho việc giải bài toán động... (2.29) Trong đó n là số nút của hệ, việc cộng các ma trận cần căn cứ theo số thứ tự của nút được định hình sẵn trên sơ đồ 2.2.2 Mô hình thí nghiệm bằng xử lý ảnh Mô hình này được trình bày trong [3], thông qua sử dụng các camera độ phân giải cao và một vài sensor lực có thể thu được kết quả phục vụ trực tiếp cho việc bù sai số của robot 2.3 Phương pháp điểm sinh bù sai lệch điểm cuối Về lý thuyết ma . Các sai số thường gặp trên robot công nghiệp. - Chương 2: Bù sai số trên robot công nghiệp. - Chương 3: Tính toán bù sai số điểm cuối. 16 CHƯƠNG 1: CÁC SAI SỐ THƯỜNG. Đức Nơi công tác: Công ty TNHH MTV Cơ điện và vật liệu nổ 31-TCCNQP-BQP Tên đề tài: Tính toán bù sai số điểm cuối trên robot công nghiệp. Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy. Mã số: 62 52. 15 CHƯƠNG 1 - CÁC SAI SỐ THƯỜNG GẶP TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sai số và ảnh hưởng của nó đến quá trình làm việc của robot 16 1.1.1 Các nguyên nhân gây sai số điểm cuối thường gặp trên robot 16 1.1.2