Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử Tự động thiết kế quỹ đạo và điều khiển Robot Scara ứng dụng trong gia công cơ khí.

1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 CHƯƠNG 1 6 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 6 1.1. Tên đề tài 6 1.2. Tính cấp thiết của đề tài 6 1.3. Mục đích của đề tài 6 1.4. Nội dung của đề tài 6 1.5. Kết quả cần đạt được 7 1.6. So sánh với máy CNC 3 trục 7 CHƯƠNG 2 8 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ MÃ LỆNH G DÙNG TRONG GIA CÔNG CNC 8 2.1. Sơ lược quá trình phát triển 8 2.2. Những ứng dụng điển hình của Robot 9 2.3. Một số khái niệm về Robot 10 2.4. Phân loại Robot công nghiệp 12 2.5. Cấu tạo của Robot Scara 4 khâu 14 2.6. Tìm hiểu về các mã lệnh G trong gia công CNC 17 CHƯƠNG 3 20 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 20 3.1 Tính toán động học 20 2 3.1.1 Phương pháp Denavit – Hartenberg 20 3.1.2. Bài toán thuận 21 3.1.3. Không gian làm việc của Robot 23 3.1.4. Bài toán ngược 26 3.2 Động lực học Robot 29 3.2.1. Cơ học và các vấn đề động lực học Robot 29 3.2.2. Phương trình động lực học Robot 30 3.3. Ứng dụng Matlab để lập phương trình động lực học Robot Scara 37 3.3.1. Gắn hệ quy chiếu lên các khâu 37 3.4. Phân tích lực cắt khi phay mặt đầu 48 3.5 Thiết kế bộ điều khiển Robot theo phương pháp Lyapunov 50 CHƯƠNG 4 53 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 53 4.1. Thiết kế quỹ đạo và quá trình đọc file .NC 53 4.1.1 Thiết kế quỹ đạo 53 4.1.2. Mô tả hoạt động 53 4.1.3. Quá trình đọc file .NC 54 4.1.4. Các nguyên công được thực hiện trong quá trình gia công 55 4.1.5. Kiểm tra kết quả 58 4.2. Mô phỏng Robot Scara bằng Matlab Simulink 61 4.2.1. Giới thiệu Matlab Simulink: 61 4.2.2. Mô phỏng Robot Scara 62 CHƯƠNG 5 68 3 KẾT LUẬN CHUNG 68 5.1. Một số kết quả chính trong đồ án 68 5.2. Một số vấn đề có thể tiếp tục mở rộng nghiên cứu 69 Phụ Lục 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 4 LỜI NÓI ĐẦU Đặc trưng của sản phẩm công nghệ hiện đại là tính chất linh hoạt hóa để đáp ứng sự biến động thường xuyên của thị trường cạnh tranh. Cơ điện tử nói chung và Robot nói riêng tạo ra sự chuyển biến về chất với tư duy mới trong tổ chức sản xuất và trong bản thân sản phẩm tạo ra. Trước đây người ta coi robot là phương tiện để tiết kiệm chi phí lao đông. Ngày nay Robot có vai trò quan trọng hơn trong sản xuất, chúng là một phần của kế hoạch cạnh tranh toàn cầu. Robot có vai trò và ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Tuy nhiên trên thực tế Robot mới được sử dụng vào các việc như hàn, gắp và di chuyển vật, Việc thiết kế chương trình điều khiển Robot tự động gia công cơ khí là cần thiết giúp giảm bớt được các khâu và giảm được thời gian trong quá trình gia công. Hoàn thành đồ án này phần lớn là nhờ sự hướng dẫn, chỉ bảo của cô giáo TS. Đinh Thị Thanh Huyền, các thầy giáo bộ môn Kỹ Thuật Máy cùng các bạn trong nhóm đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này. Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn đồ án này của chúng em không tránh khỏi những sai sót. Kính mong nhận được sự đánh giá đóng góp của quý thầy cô và các bạn để giúp đỡ chúng em hoàn thiện hơn trong các nghiên cứu sau này. Hà nội ngày 5 tháng 5 năm 2014 Sinh viên thực hiện Chúng em xin chân thành cả ơn! 5 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Kí hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 a i Chiều dài khâu theo trục Ox 2 α i Góc quay quanh truc Ox 3 d i Chiều dài khâu theo truc Oz 4 θ i Góc quay quanh trục Oz 5 n Số bậc tự do của Robot 6 DH Denavit Hartemberg 7 q i Biến khớp thứ i 8   Vận tốc biến khớp i 9    Gia tốc biến khớp thứ i 10 i sq i sin(q ) 11 i cq i cos(q ) 6 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1. Tên đề tài Tự động thiết kế quỹ đạo và điều khiển Robot Scara ứng dụng trong gia công cơ khí. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Robot được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Mục đích sử dụng trong các dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và hiệu quả sản xuất từ đó giảm giá thành sản phẩm nâng cao khả năng cạnh tranh. Robot có vai trò và ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Tuy nhiên trên thực tế Robot mới được sử dụng vào các việc như hàn, gắp và di chuyển vật, Việc thiết kế và sử dụng Robot trong gia công cơ khí là cần thiết giúp giảm bớt được các khâu và giảm được thời gian trong quá trình gia công. 1.3. Mục đích của đề tài Đề tài thực hiện việc thiết kế chương trình điều khiển Robot Scara tự động gia công cơ khí. Các chương trình gia công được lưu trong file .NC. Các chương trình gia công này được biên dịch để đưa ra quỹ đạo cần di chuyển tương ứng của Robot. 1.4. Nội dung của đề tài - Tìm hiểu về các mã lệnh G trong gia công CNC. - Tìm hiểu về bài toán động học thuận và ngược của robot Scara. - Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot Scara bằng cách biên dịch quỹ đạo dao trong file .nc xuất ra từ các phần mềm CAM. - Lập phương trình động lực học cho robot Scara. - Mô phỏng điều khiển robot Scara đi theo quỹ đạo vừa thiết lập. Kiểm tra sai số giữa quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo thực tế. 7 - Kết luận. 1.5. Kết quả cần đạt được Tìm hiểu về Robot và ứng dụng của nó trong quá trình gia công cơ khí. Đọc được file .NC xuất ra khi mô phỏng quá trình gia công trên phần mềm Mastercam, từ đó thực hiện giải bài toán ngược để tính toán ra các giá trị q tại các khớp để thiết kế quỹ đạo và sử dụng Matlab simulink để tiến hành mô phỏng, điều khiển Robot khi thực hiện gia công chi tiết như một máy CNC. 1.6. So sánh với máy CNC 3 trục Việc sử dụng Robot Scara trong gia công cơ khí có cấu tạo đơn giản, khối lượng nhỏ, thuận tiện và linh hoạt hơn so với một máy CNC 3 trục. Ngoài ra việc sử dụng Robot vào việc gia công cơ khí còn có thể tích hợp được rất nhiều khâu, Robot có thể vừa làm công việc gắp phôi, di chuyển phôi và thực hiện gia công khi ta thay dao thích hợp vào bàn tay kẹp,… từ đó tiết kiệm được rất nhiều công đoạn cũng như thời gian sản xuất, và làm tăng năng suất của quá trình sản xuất, giảm được chi phí khi gia công… Và tùy vào đặc điểm của từng loại Robot mà có thể thiết kế gia công được như các máy CNC 4 trục và 5 trục. Tuy nhiên, để so sánh với một máy CNC 3 trục chuyên sử dụng trong quá trình gia công cơ khí thì nó vẫn còn rất nhiều mặt hạn chế như chỉ gia công được những chi tiết đơn giản, có kích thước và khối lượng không lớn, hạn chế trong các khâu thay giao hay bù chiều dài và đường kính dao trong quá trình gia công, Robot cũng không có chức năng bật tưới nguội trong quá trình gia công, cho nên khi sử dụng Robot trong gia công cơ khí cần lắp thêm bộ phận có thể bật nước tưới nguội… 8 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ MÃ LỆNH G DÙNG TRONG GIA CÔNG CNC 2.1. Sơ lược quá trình phát triển 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. Những Robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển. Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất Năm 1962, Robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors; và năm 1976 cánh tay Robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả. Từ những năm 80 nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành 9 giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy Robot công nghiệp đã có một vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại. 2.2. Những ứng dụng điển hình của Robot - Ứng dụng trong công nghệ hàn: Hình 2.1 Hệ thống Robot hàn vỏ ô tô - Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn. - Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng. Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này, và Robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn. 10 2.3. Một số khái niệm về Robot - Viện nghiên cứu Robot Hoa Kỳ đưa ra một định nghĩa về Robot như sau: “Robot là 1 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 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”. Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên ở đặc điểm “điều khiển 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. - 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; [...]... + Điều khiển kín: (điều khiển kiểu servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển Có hai kiểu điều khiển servo: Điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour) - Phân loại theo ứng dụng Dựa vào những ứng dụng của robot trong sản xuất ta có những loại robot sau: robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot dùng trong ngành dịch vụ, robot chuyển phôi Bên cạnh đó, robot công. .. liên kết Hình 2.2 Robot cấu trúc nối tiếp + Robot song song: là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được liên kết với ít nhất hai khâu khác 13 Hình 2.3 Robot cấu trúc song song - Phân loại theo phương pháp điều khiển Có 2 loại Robot là điều khiển hở và điều khiển kín + Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén), điều khiển loại này không sử dụng. .. thành tựu to lớn trong các lĩnh vực như điều khiển học, tin học và điện tử học mà các Robot có thêm nhiều tính năng đặc biệt Nhờ vậy mà các Robot công nghiệp đã có một vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, nhất là trong các dây chuyền sản xuất tự động linh hoạt (FMS) Do đó các nước đang đẩy mạnh việc sản xuất các Robot công nghiệp để ứng dụng vào các ngành công nghiệp, 12 đi đầu trong. .. nghiệp còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như trong môi trường độc hại, ngành nông nghiệp và ngành thực phẩm Robot Scara (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là có thể lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay Robot 14 Do chuyển động của robot Scara đơn giản, dễ dàng điều khiển nên nó được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp Tiêu biểu cho nhóm robot này ta nghiên cứu robot Scara. .. chế tạo Robot công nghiệp hiện nay đó là Nhật Bản, kế đến là Mỹ, Đức, Ý, Pháp, Anh và Hàn Quốc 2.4 Phân loại Robot công nghiệp - Phân loại theo kết cấu: Phân loại theo kết cấu gồm có Robot chuỗi và Robot song song + Robot chuỗi: là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và các khâu động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau Mỗi khâu động được liên kết hay nối động với... cứu robot Scara bốn bậc tự do Hình 2.4 Robot Scara 2.5 Cấu tạo của Robot Scara 4 khâu Robot Scara được cấu tạo bởi một chuỗi các thanh cứng liên kết với nhau bởi các khớp Robot Scara gồm 3 khớp chuyển động quay và một khớp chuyển động tịnh tiến Tùy vào vị trí của tay mà các thanh nối cũng như các khớp sẽ có vị trí khác nhau trong không gian và ngược lại 15 Hình 2.5 Mô hình Robot Scara 4 khâu (RRTR) -... phẳng X0Z Hình 3.4 Không gian làm việc theo mặt phẳng Y0Z 26 Hình 3.5 Không gian làm việc theo mặt phằng 0XYZ 3.1.4 Bài toán ngược 3.1.4.1 Thiết lập bài toán Bài toán động học ngược có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong lập trình và điều khiển chuyển động của Robot Trong thực tế thường phải điều khiển robot sao cho bàn tay kẹp của robot di chuyển tới các vị trí nhất định trong không gian thao tác, theo một... 16 + Bộ phận điều khiển: giữ vai trò quan trọng như là bộ não của con người Bộ điều khiển được dùng để điều khiển các hoạt động của Robot Bộ phận điều khiển được thực hiện thông qua một hệ thống chương trình điều khiển – mỗi chương trình đảm nhận một nhiệm vụ cụ thể Ví dụ một Robot Scara thật: Hình 2.6 Robot IX-NNN70□□ [H] 17 Thông số kỹ thuật: 2.6 Tìm hiểu về các mã lệnh G trong gia công CNC Một số... tạo của Robot thường có 3 bộ phận chủ yếu: + Tay máy + Bộ phận dẫn động + Bộ phận điều khiển Trong đó: + Tay máy: là bộ phận cơ khí quan trọng, đóng vai trò là 1 bộ phận chấp hành của Robot. Tay máy cấu tạo bởi các khâu và các khớp nhằm mô phỏng theo nguyên tắc hoạt động của bàn tay con người + Bộ phận dẫn động bao gồm: các động cơ (có thể là động cơ điện, khí nén hoặc thủy lực) để tạo nên chuyển động. .. toán ngược √ √ { Nhận xét: giải bài toán ngược bằng phương pháp giải tích đối với bài toán này dễ giải, đơn giản, ngắn gọn và ra được kết quả chính xác, tuy nhiên không thể tổng quát với mọi loại Robot 3.2 Động lực học Robot 3.2.1 Cơ học và các vấn đề động lực học Robot Hàm Lagrange của một hệ thống năng lượng được định nghĩa: L=K–P Trong đó: K là tổng động năng của hệ thống P là tổng thế năng K và