Tính toán động học và mô phỏng chuyển động robot hàn hồ quang cho chi tiết lớn dạng ống

Trường đại học bách khoa Hà Nội Khoa khí – Bộ môn học ứng dụng Đồ án môn học: Tính toán động học mô chuyển động robot hàn hồ quang cho chi tiết lớn dạng ống Giảng viên : TS Phan Bùi Khôi Sinh viên Lớp : Nguyễn Trung Tuấn : KSTN – Cơ ĐT K50 Hà Nội 12 - 2009 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Mục lục Lựa chọn cấu trúc, xây dựng mô hình Nhu cầu thực tế: Mô hình, mục đích: Thiết kế mô hình 3D Thiết kế khâu robot Mô hình 3D tổng thể Mô hình động học Tính toán động học 3.1 Thiết lập phương trình động học robot Xây dựng hệ tọa độ: .9 Xác định tham số động học: 10 Dây chuyền động học ma trận truyền: 10 3.2 Lập trình tính toán động học robot 12 Phần mềm ứng dụng: 12 Thuật toán chương trình: 12 Lập trình quỹ đạo: 13 Thiết kế quỹ đạo: 15 3.3 Mô động học robot 16 Lập trình: 16 Chương trình mô phỏng: 17 Tài liệu tham khảo: 18 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Lựa chọn cấu trúc, xây dựng mô hình Nhu cầu thực tế: Việc sử dụng tay máy robot phục vụ công nghiệp phổ biến từ nhiều năm trước giới chất lượng suất đạt Nhưng bắt đầu, việc sử dụng hạn chế giá thành việc điều khiển Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, hạn chế phần khắc phục, tay máy robot thể vai trò ngày lớn Trong tương lai, tay máy công nhân nhà máy, xí nghiệp, tránh cho người khỏi môi trường làm việc độc hại Lượng robot công nghiệp bán hàng năm lớn, chủ yếu từ nước: Nhật, Đức, Mỹ, Trong nước ta nay, nhu cầu sử dụng robot bắt đầu tăng sở sản xuất đủ khả trang bị cho sở vật chất đại Nhiều nơi sử dụng robot thay cho sức lao động người, phần lớn robot hàn lắp ráp Các viện trường đại học có nhiều nghiên cứu thành công đủ khả chế tạo tay máy phục vụ cho công nghiệp Điều cho thấy xuất công nghiệp robot tương lai Mô hình, mục đích: Bài tiểu luận trình bày robot hàn hồ quang phục vụ hàn chi tiết lớn, cụ thể chi tiết dạng trụ, gá bàn quay ngang thực chuyển động quay để thao tác toàn bề mặt chi tiết Để đảm bảo yêu cầu mình, robot cần có khả đưa đầu hàn tới vị trí khoảng không gian thao tác bề mặt vật, điều yêu cầu bậc tự Đồng thời tiếp cận bề mặt chi tiết theo hướng vuông góc di chuyển tiếp tuyến với đường hàn, yêu cầu cần bậc tự (một bậc tự để quay vuông góc với bề mặt hàn bậc tự để xoay mũi hàn tiếp tuyến với đường hàn) Như để thực hiện, cần bậc tự Trừ bậc tự góc quay chi tiết, robot yêu cầu có bậc tự Trong trường hợp này, ta sử dụng robot hàn bậc tự vì:     Đề phòng trường hợp bó kẹt khớp Tận dụng hàn đường hàn nhỏ, chi tiết không cần thực chuyển động quay, làm giảm sai số quán tính chi tiết lớn, khó điều khiển theo quy luật phức tạp Có thể mở rộng để trở thành robot hàn CNC cho dạng chi tiết mà cần thay đổi luật diều khiển Đồng thời thêm nhiệm vụ khác nhiệm vụ hàn Các robot hàn hồ quang thị trường robot bậc tự Ta dễ dàng đặt mua không trực tiếp sản xuất khách hàng dễ dàng chọn lựa đặt mua Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn q5 Mô hình robot hình 1.1: q4 q3 q6 q2 q1 Hình 1.1 Thiết kế mô hình 3D Thiết kế khâu robot Việc thiết kế mô hình 3D thực phần mềm AutoCAD Các thông số khâu cho hình vẽ 2.1 tới 2.6 hình 2.1: Khâu Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn hình 2.2: Khâu hình 2.3: Khâu Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn hình 2.4: Khâu hình 2.5: Khâu hình 2.6: Khâu Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Mô hình 3D tổng thể Mô hình tổng thể sau lắp ráp khâu hình 2.7 Kiểm tra sơ chuyển động quay khâu kích thước phù hợp, không phát sinh lỗi Hình 2.7: Lắp ghép 3D Hình 2.8 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Mô hình động học Từ kích thước đo thiết kế, ta xác định sơ đồ động học robot hình 2.9 1m 0.7 m 0.2 m 0.1 m 1m 0.3 m 0.25 m 1.2 m Hình 2.9 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Tính toán động học 3.1 Thiết lập phương trình động học robot Xây dựng hệ tọa độ: Các hệ tọa độ gắn lên khâu xác định hình 3.1 x4 x’3 q x5 q5 x3 z3 z4 x’2 q3 x2 z2 x6 q6 x’5 z5 = z6 z1 q2 z0 x’1 x1 x0 q1 x’1 hình 3.1 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Xác định tham số động học: Các tham số động học denavit-hatenberg xác định bảng 3.1 Khâu θi di αi-1 ai-1 q1 1.2 π/2 0.3 q2 0.25 q3 -0.1 π/2 0.2 q4 -π/2 q5 π/2 q6 0.7 0 bảng 3.1 Dây chuyền động học ma trận truyền: Các ma trận truyền ma trận trạng thái xác định từ bảng tham số động học DH Các ma trận DH xác định từ biến khớp: cos(q1 ) sin( q1 ) 0.3cos( q1 )  cos(q2 )  sin( q2 ) cos( q2 )   sin(q )  cos(q ) 0.3sin( q )   sin(q ) cos(q ) sin( q )  1  2   T0  T1      1.2 0.25      0 0      cos(q3 )  sin(q ) T23      0 sin( q3 ) cos( q3 )  sin(q4 )  cos(q4 )    cos( q3 ) sin( q3 )  sin(q4 )  cos( q4 )  T34    0.1  1 1    0  0 1  cos(q5 ) sin( q5 )   cos(q6 )  sin( q6 ) 0   sin(q )  cos(q )   sin(q ) cos(q ) 0  5 6    T4  T5     0 0.7      0 1 0    Ma trận T06 xác định qua phép nhân ma trận trên:  a11 a 6 T0  T0 T1 T2 T3 T4 T5   21  a31  0 a12 a22 a32 a13 a23 a33 x y  z  1 10 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Vị trí khâu cuối cho ma trận đích:  a11*  * a * T6   21 *  a31  0 a12* a13* * a22 * a23 * a32 * a33 0 x*   y*  z*   1 Phương trình động học robot rút từ điều kiện: T6*  T6 Cân băng phần tử hai ma trận ta có:  x*  x  *  y y  z *  z  *  a11  a11 * a23  a23  * a32  a32 (3.1) Hệ phương trình 3.1 xác định phương trình với 12 tham biến: x, y, z, rotx, roty, rotz, q1, q2, q3, q4, q5, q6 Trong toán động học thuận, x, y, z, rotx, roty, rotz ẩn số, biến khớp cho trước Còn toán động học ngược, biến khớp ẩn số, x, y, z, rotx, roty, rotz cho biết trước Hệ hệ phương trình ẩn số, giải Nhưng hệ phi tuyến nên ta cần giải phương pháp số Trong trường hợp gộp bậc tự quay chi tiết vào robot để tạo thành robot bậc tự hình 3.2, gây dư dẫn động không ứng dụng vào trường hợp muốn điều khiển nguyên robot vào ứng dụng khác y7 y6 x7 x6 z7 z6 y0 z0 z0 y0 x0 x0 Hình 3.2 11 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn 3.2 Lập trình tính toán động học robot Phần mềm ứng dụng: Việc tính toán động học dựa sử dụng phềm mềm Maple Trong giới hạn tiểu luận này, ta thực tính động học thuận động học ngược vị trí Thuật toán chương trình: Tiến trình thực lập trình: Các module lập trình xác đinh hình 3.3 DH(θ,d,a,α) A: ma trận hệ số DH Lập phương trình động học DHFunc1(A) Thành lập hàm DH Ti, i+1 Thành lập hàm DH T06 X=[x,y,z, rotx,roty,rotz] DHFunc2(X) MakeEquation(A) Thành lập phương trình động học NewtonRaphson (ff,q0) Inverse(ff,q0,x) Động học ngược vị trí ff=MakeEquation(A) Patch=Vector [xt, yt,zt, rotxt,rotyt,rotzt] InverseKinematic (patch,ff,q0) join.txt VeDoThi (“join.txt”,i) Hình 3.3 Chú giải:  DH(θ,d,a,α): Hàm tính ma trận DH cho hai khâu liên tiếp Ti i 1 , đầu vào tham số khâu tham số khớp  DHFunc1(A): Hàm trả ma trận DH T06 khâu thao tác so với khâu Đầu bảng tham số động học DH dạng ma trận  DHFunc2(X): Hàm trả ma trận T6* xác định vị trí khâu thao tác so với khâu Đầu vào vector X = [x, ,y, z, rotx, roty, rotz]  MakeEquation(A): Trả hệ phương trình động học robot, lấy từ cân phần tử hai ma trận DHFunc1 DHFunc2 A ma trận tham số động học DH 12 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn  Inverse(ff,q0,x): Giải toán động học ngược vị trí Đầu vào ff: vector phương trình động học (ff= MakeEquation(A)), q0: lân cận nghiệm (q0=[q1, , q2, q3, q4, q5, q6]), x: vị trí khâu cuối (X = [x, ,y, z, rotx, roty, rotz]) Giải phương pháp số dùng hàm newtonraphson  InverseKinematic(patch,ff,q0): Giải toán động học ngược cho quỹ đạo Đầu vào patch vector phương trinh x, ,y, z, rotx, roty, rotz theo t q0 điều kiện biên t=0 Hàm trả file join.txt chứa giá trị float dạng ma trận n hàng cột giá trị biến khớp  VeDoThi("join.txt”,i): Vẽ đồ thị để kiểm tra kết quả, i số tứ tự biến khớp muốn vẽ (qi) Chương trình tính toán cụ thể nộp kèm theo báo cáo Lập trình quỹ đạo: Công nghệ hàn: Mũi hàn nằm mặt phẳng tiếp xúc với đường hàn, nghiêng góc 25o so với phương pháp tuyến mặt hàn (hình 3.4) Vì đường hàn lớn, mũi hàn đưa qua lại tạo thành đường hàn zich zắc hình 3.4 mũi hàn khâu 250 Quỹ đạo hàn khâu (mũi hàn) Đường hàn y 75o hình 3.4: công nghệ hàn chuyển động lắc đầu hàn x z hình 3.5: Mũi hàn 13 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Thiết kế mũi hàn: Mũi hàn lắp lệch so với trục khớp để dẫn dây hàn ống dẫn khí trơ Đầu hàn thiết kế nghiêng góc 75o, mũi hàn nằm trục khớp hình 3.5 Như vậy, trính hàn, quỹ đạo hàn thiết kế cho trục z thẳng góc với mặt phẳng hàn, trục x tiếp tuyến hướng theo chiều hàn Đảm bảo công nghệ hàn Mũi hàn gằn với motor phụ tạo chuyển động lắc hàn, sinh di chuyển qua lại đầu mũi hàn Chuyển động tạo đường hàn zich zắc hình 3.2 Lập trình quỹ đạo hàn: Quỹ đạo hàn cho dạng giải tích, tính thông qua phương trình đường hàn cho tọa độ trụ Phương trình quỹ đạo đường hàn cho dạng tọa độ trụ: φ = φ(p) y = y(p) (p biến số Có thể khử p để có phương trình dạng φ = φ(y)) Từ hình 3.6, quỹ đạo hàn (x, y, z, rotx, roty, rotz) xác định theo công thức:  x = - r.sin(φ)  y=-y rotx =  z = r.cos(φ)  rotx = z1  roty = Pi – φ  rotz = atan2(r.dφ,dy) z0 (r bán kính vật hàn) đường hàn φ O2 roty rotz z z2 x0 x O1 x2 O0 y0=y1 Quay hệ tọa độ theo góc cacdang: {Oxyz}0 hình 3.6 x0 y1 z2 → {Oxyz}1 → {Oxyz}2 → {Oxyz} rotx roty rotz 14 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Thiết kế quỹ đạo: Trong tiểu luận này, robot mô thực hai đường hàn (hình 3.7):  Đường hàn 1: Có quỹ đạo hình sin bề mặt vật hàn, kích thước đường hàn lớn, yêu cầu chuyển động mâm cặp mang chi tiết hàn Robot hàn giới hạn bậc tự    sin( t )  y  0.1t   Đường hàn 2: Cũng có quỹ đạo hình sin, kích thước nhỏ Để tăng tính xác, vật hàn không chuyển động, robot thực chuyển động để đầu mang que hàn di chuyển theo    sin( t ) quỹ đạo  y  0.1t  Đường hàn nhỏ (2) Đường hàn lớn (1) Hình 3.7 15 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn 3.3 Mô động học robot Lập trình: Chương trình mô động học robot lập trình Visual C môi trường đồ họa OpenGL Các modul lập trình cho hình 3.8 Xây dựng mô hình (Auto CAD) Xây dựng quỹ đạo (Maple) Khởi tạo OpenGL Xuất file STL Xuất file TXT Đọc file STL Lắp thành robot Đọc file TXT Lưu vào mảng Xây dựng giao diện, giao tiếp với người xử dụng Xây dựng timer Gán giá trị mảng cho biến khớp theo thời gian Hiển thị Hình 3.8 File chương trình nộp kèm theo báo cáo 16 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Chương trình mô phỏng: Để chạy chương trình, yêu cầu máy cần cài đặt Visual C++ 6.0 trở lên Để khởi động chương trình, chạy file: Sample.exe Giao diện chương trình hình 3.7 Hình 3.7 Các nút bấm giao diện chương trình: : Robot bắt đầu thực chu trình : Tạm dừng chương trình : Phóng to, thu nhỏ : Dịch chuyển hình : Quay hình Khi bấm nút , robot thực trình tới vật, hàn hai đường hàn quay trở vị trí ban đầu kết thúc 17 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Tài liệu tham khảo: [1] GS.TSKH Nguyễn Văn Khang Động lực học hệ nhiều vật – NXB Khoa học kỹ thuật 2007 [2] Phạm Công Ngô Tự học lập trình C++ 30 ngày - NXB Khoa học kỹ thuật [3] Jackie Neider, Tom Davis, Mason Woo OpenGL RedBook - Addison-Wesley Publishing Company [4] Unknown author OpenGL Tutorials for Windows using MFC [5] Maple help file [6] PGS TS Đinh Văn Phong Phương pháp tính dùng khí - NXB Khoa học kỹ thuật 18 [...]... dẫn động và không ứng dụng được vào trường hợp chỉ muốn điều khiển nguyên robot vào các ứng dụng khác y7 y6 x7 x6 z7 z6 y0 z0 z0 y0 x0 x0 Hình 3.2 11 Tính toán – mô phỏng robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn 3.2 Lập trình tính toán động học robot Phần mềm ứng dụng: Việc tính toán động học dựa trên sử dụng phềm mềm Maple Trong giới hạn của tiểu luận này, ta thực hiện tính động học thuận và động. .. nghệ hàn: Mũi hàn nằm trong mặt phẳng tiếp xúc với đường hàn, nghiêng một góc 25o so với phương pháp tuyến của mặt hàn (hình 3.4) Vì đường hàn lớn, mũi hàn được đưa qua lại tạo thành đường hàn zich zắc như hình 3.4 mũi hàn khâu 5 250 Quỹ đạo hàn khâu 6 (mũi hàn) Đường hàn y 75o hình 3.4: công nghệ hàn chuyển động lắc của đầu hàn x z hình 3.5: Mũi hàn 13 Tính toán – mô phỏng robot hàn hồ quang cho chi tiết. .. 3.7 15 Tính toán – mô phỏng robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn 3.3 Mô phỏng động học robot Lập trình: Chương trình mô phỏng động học robot được lập trình bằng Visual C trên môi trường đồ họa OpenGL Các modul lập trình cho như trong hình 3.8 Xây dựng mô hình (Auto CAD) Xây dựng quỹ đạo (Maple) Khởi tạo OpenGL Xuất file STL Xuất file TXT Đọc file STL Lắp thành robot Đọc file TXT Lưu vào mảng... nhỏ : Dịch chuyển hình : Quay hình Khi bấm nút , robot thực hiện quá trình đi tới vật, hàn hai đường hàn và quay trở về vị trí ban đầu khi kết thúc 17 Tính toán – mô phỏng robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Tài liệu tham khảo: [1] GS.TSKH Nguyễn Văn Khang Động lực học hệ nhiều vật – NXB Khoa học và kỹ thuật 2007 [2] Phạm Công Ngô Tự học lập trình C++ trong 30 ngày - NXB Khoa học và kỹ thuật... thước đường hàn lớn, yêu cầu sự chuyển động của mâm cặp mang chi tiết hàn Robot hàn được giới hạn 2 bậc tự    sin( t ) 2 5 do  y  0.1t   Đường hàn 2: Cũng có quỹ đạo hình sin, kích thước nhỏ Để tăng tính chính xác, vật hàn không chuyển động, robot sẽ thực hiện chuyển động để đầu mang que hàn di chuyển theo    sin( t ) 8 5 quỹ đạo  y  0.1t  Đường hàn nhỏ (2) Đường hàn lớn (1) Hình... phương trình động học robot, được lấy ra từ cân bằng các phần tử hai ma trận của DHFunc1 và DHFunc2 A là ma trận các tham số động học DH 12 Tính toán – mô phỏng robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn  Inverse(ff,q0,x): Giải bài toán động học ngược tại một vị trí Đầu vào ff: vector 6 phương trình động học (ff= MakeEquation(A)), q0: lân cận của nghiệm (q0=[q1, , q2, q3, q4, q5, q6]), x: vị trí... bán kính vật hàn) đường hàn φ O2 roty rotz z z2 x0 x O1 x2 O0 y0=y1 Quay hệ tọa độ theo các góc cacdang: {Oxyz}0 hình 3.6 x0 y1 z2 → {Oxyz}1 → {Oxyz}2 → {Oxyz} rotx roty rotz 14 Tính toán – mô phỏng robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Thiết kế quỹ đạo: Trong tiểu luận này, robot được mô phỏng thực hiện hai đường hàn (hình 3.7):  Đường hàn 1: Có quỹ đạo hình sin trên bề mặt vật hàn, kích thước... thước lớn Thiết kế mũi hàn: Mũi hàn được lắp lệch so với trục khớp 5 để dẫn dây hàn và ống dẫn khí trơ Đầu hàn thiết kế nghiêng góc 75o, mũi hàn nằm trên trục khớp 5 như hình 3.5 Như vậy, trong quá trính hàn, quỹ đạo hàn được thiết kế sao cho trục z thẳng góc với mặt phẳng hàn, trục x tiếp tuyến và hướng theo chi u hàn Đảm bảo công nghệ hàn Mũi hàn được gằn với 1 motor phụ tạo chuyển động lắc khi hàn, ... mảng cho các biến khớp theo thời gian Hiển thị Hình 3.8 File chương trình được nộp kèm theo báo cáo 16 Tính toán – mô phỏng robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Chương trình mô phỏng: Để chạy chương trình, yêu cầu máy cần cài đặt Visual C++ 6.0 trở lên Để khởi động chương trình, chạy file: Sample.exe Giao diện của chương trình như hình 3.7 Hình 3.7 Các nút bấm giao diện của chương trình: : Robot. .. sinh ra di chuyển qua lại của đầu mũi hàn Chuyển động này sẽ tạo ra đường hàn zich zắc như hình 3.2 Lập trình quỹ đạo hàn: Quỹ đạo hàn được cho dưới dạng giải tích, được tính thông qua phương trình của đường hàn cho trong tọa độ trụ Phương trình quỹ đạo của đường hàn cho dưới dạng tọa độ trụ: φ = φ(p) y = y(p) (p là biến số Có thể khử p để có phương trình dạng φ = φ(y)) Từ hình 3.6, quỹ đạo hàn (x, y, ... – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn hình 2.2: Khâu hình 2.3: Khâu Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn hình 2.4: Khâu hình 2.5: Khâu hình 2.6: Khâu Tính. .. z0 z0 y0 x0 x0 Hình 3.2 11 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn 3.2 Lập trình tính toán động học robot Phần mềm ứng dụng: Việc tính toán động học dựa sử dụng phềm mềm Maple... 0.1 m 1m 0.3 m 0.25 m 1.2 m Hình 2.9 Tính toán – mô robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn Tính toán động học 3.1 Thiết lập phương trình động học robot Xây dựng hệ tọa độ: Các hệ tọa