Điều khiển cánh tay robot

1.1. Tổng quan về thiết kế và phát triển sản phẩm 1.1.1. Khái niệm Có nhiều định nghĩa khác nhau về “Thiết kế và phát triển sản phẩm”, tuy nhiên, chúng đều thể hiện được một số đặc điểm như trong định nghĩa sau, 1 “Thiết kế và phát triển sản phẩm là tập hợp các hoạt động bắt đầu bằng việc nhận thức cơ hội thị trường dành cho sản phẩm, kết thúc bằng việc sản xuất, bán và phân phối sản phẩm đến cho khách hàng” Định nghĩa trên chỉ ra ba đặc điểm cơ bản của thiết kế và phát triển sản phẩm. a. Nhận thức cơ hội thị trường Trong kinh doanh, sản xuất sản phẩm luôn luôn có những cơ hội mới điều quan trọng là doanh nghiệp, các nhà sản xuất đó có nhận thấy và nắm bắt kịp thời hay không. Nhận thấy và nắm bắt được những cơ hội đó sẽ tạo điều kiện để các doanh nghiệp, các nhà sản xuất mở ra các hướng kinh doanh mới, sản xuất các sản phẩm mới phù hợp với xu hướng của thị trường. b. Sản xuất sản phẩm Sau khi nhận thức được những cơ hội thị trường, những nhu cầu của người tiêu dùng, các nhà sản xuất tiến hành việc thiết kế và sản xuất sản phẩm để phục vụ nhu cầu khách hàng. c. Phân phối sản phẩm Phân phối sản phẩm là quá trình đưa sản phẩm từ nhà sản xuất đến người tiêu dùng bằng nhiều phương thức khác nhau như thông qua các kênh phân phối, các đại lý bán lẻ, các hình thức quảng cáo….Nhằm mục đích tiêu thụ được nhiều sản phẩm nhất, mang lại lợi nhuận cho các nhà sản xuất.

Mục Lục Đặt vấn đề Sự phát triển vũ bão công nghệ thông tin ngày nay, nhiều lĩnh vực khí tận dụng phát triển để tạo nhảy vọt, có robot công nghiệp Robot công nghiệp xương sống ngành Cơ điện tử, dó có nhiều sản phẩm robot công nghiệp ứng dụng công nghiệp Robot thiết bị điển hình mức độ tích hợp coi tế bào hệ thống tự dộng linh hoạt Trên quan điểm hệ thống điều khiển số nhiều trục đồng thời, hiểu biết robot công nghiệp với phần tử khác máy công cụ điều khiển số, trung tâm gia công… Loại robot xuất thường xuyên dây chuyền sản xuất tự động robot kiểu tay máy Sự xuất robot giúp giải phóng sức lao động người khỏi công việc vất vả độc hại, giúp nâng cao suất lao động, chất lượng sản phẩm, qua giúp giảm chi phí sản xuất, giảm giá thành sản phẩm, tạo tính cạnh tranh cho sản phẩm gia công thị trường Chính vậy, việc nghiên cứu, sản xuất, cải tiến robot tay máy nhiệm vụ vô quan trọng khó khăn, đòi hỏi đầu tư nhiều thời gian,công sức tiền bạc Robot kiểu tay máy có đặc điểm chung kết cấu dó khâu nối với khớp để hình thành chuổi động học hở tính từ thân đến phần công tác Các khớp dung phổ biến khớp trượt khớp quay, tùy theo số lượng cách bố trí khớp mà tạo kiểu tay máy khác Vì xét robot kiểu tay máy đặt toán: động học robot, động lực học robot Đây bước sở ban đầu quan trọng trước thiết kế robot nói chung robot kiểu tay máy nói riêng Nhận thức điều chúng em chọn đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Siemens NX mô động học động lực học robot Scorbot ER4U làm đồ án tốt nghiệp Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hải Nam, thầy Tạ Đức Hải, thầy môn định hướng giúp đỡ chúng em nhiệt tình trình làm đồ án Mục đích đề tài Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Siemens NX mô động học động lực học robot Scorbot ER4U nhằm nghiên cứu tầm quan trọng toán động học động lực học robot, đối tượng thực tế, bản, phổ biến Hiểu biết động học động lực học Scorbot ER4U giúp có nhìn trực quan rõ ràng động học động lực học robot cánh tay máy, cách giải toán động học động lực học robot Đồng thời sử dụng phần mềm Siemens NX mô giúp hiểu thêm công cụ hỗ trợ, nâng cao kiến thức phần mềm, qua hỗ trợ trình học tập, nghiên cứu, làm việc sau Phạm vi đề tài Scorbot Er4u tay máy robot linh hoạt đáng tin cậy hoạt động hệ thống CIM, phục vụ cho trình sản xuất công nghiệp phục vụ cho giáo dục người máy công nghiệp Scorbot er4u gắn mặt bàn đường trượt(trục thứ 7) Trong trường hợp hệ thống CIM phòng thí nghiệm, Scorbot dược gắn đường chạy điều khiển Tốc độ robot chậm lặp lại làm cho phù hợp cho hai hoạt động độc lập sử dụng tích hợp ứng dụng workcell tự động robot hàn, máy tầm nhìn, máy CNC hoạt động chăm sóc FMS khác Robot hỗ trợ phần mềm lập trình điều khiển robot SCORBASE Tùy chọn phần mềm đồ họa 3D Robocell cho phép sinh viên thiết kế, tạo điều khiển mô workcell công nghiệp, cung cấp mô động thiết bị robot workcell vị trí giảng dạy thực thi chương trình Các robot thiết kế phép quan sát phận khí làm việc đảm bảo môi trường an toàn cho người dung ( học tập, nghiên cứu lập trình sản xuất) Trong hệ thống CIM phòng thí nghiệm, Scorbot er4u đảm nhiệm thao tác di chuyển phôi chi tiết trạm gia công tiện, gia công phay trạm với khay chứa chạy dây chuyền vòng hệ thống lớn Trong hệ thống CIM phòng thí nghiệm, Scorbot Er4u đảm nhiệm tao tác di chuyển phôi chi tiết trạm gia công tiện, gia công phay trạm với khay chứa chạy dây chuyền vòng hệ thống lớn Nội dung đồ án gồm chương: CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU MÁY 1.1 1.2 Mô động học cấu máy Mô động lực học cấu máy CHƯƠNG II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT SCORBOT ER4U 2.1 Cấu tạo robot Scorbot ER4U 2.2 Nguyên lý hoạt động robot Scorbot ER4U CHƯƠNG III MÔ HÌNH HÓA ROBOT SCORBOT ER4U TRÊN PHẦN MỀM SIEMENS NX 3.1 Mô hình hóa robot SCORBOT ER4U 3.2 Mô trình lắp ráp robot SCORBOT ER4U CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SCORBOT ER4U TRÊN PHẦN MỀM SIEMEN NX 4.1 Mô động học hoạt động robot Scorbot ER4U 4.2 Mô động lực học hoạt động robot Scorbot ER4U CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU MÁY Mô động học mô động lực học cấu máy mô chuyển động cấu máy dựa thông số đầu vào biết trước, từ đưa thông số mong muốn Mô động học động lực học cấu máy kiểu phân tích phổ biến kỹ thuật, cho phép nhà thiết kế kiểm soát chuyển động cấu máy, xác định thông số cần thiết vị trí, vận tốc, gia tốc (động học) hay phản lực liên kết, mối quan hệ lực, momen, lượng… với thông số chuyển động (động lực học) Trên sở kết mô phỏng, nhà thiết kế điều chỉnh hình dạng, kích thước, vật liệu… để tối ưu hóa cấu thiết kế quỹ đạo di chuyển robot để phù hợp với yêu cầu kỹ thuật đặt Theo quan điểm động học, tay máy (robot công nghiệp) biểu diễn chuỗi động học hở, gồm khâu liên kết với khớp Một đầu của chuỗi gắn lên thân , đầu nối với phần công tác Thao tác trình làm việc đòi hỏi phần công tác phải định vị định hướng xác không gian Vì vậy, việc mô động học giúp giải toán: - Căn vào biến khớp để xác định vùng làm việc phần công tác mô tả chuyển động phần công tác vùng làm việc ( Bài toán thuận) - Xác định biến khớp để đảm bảo chuyển động cho trước phần công tác (Bài toán ngược) Mô động lực học giải toán: - Khảo sát, thử nghiệm trình làm việc cấu máy mà dùng cấu máy thật - Phân tích, tính toán, kết cấu cấu máy - Phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển tay máy Để mô động học động lực học cấu máy, cụ thể tay máy ( robot công nghiệp), phải nắm lý thuyết về: - Bậc tự tọa độ suy rộng - Động học - Động lực học 1.1 Bậc tự tọa độ suy rộng 1.1.1 Bậc tự (DOF: degrees of freedom) Robot công nghiệp loại thiết bị tự động nhiều công dụng Cơ cấu tay máy chúng phải cấu tạo cho bàn kẹp giữ vật theo hướng định di chuyển dễ dàng vùng làm việc Muốn cấu tay máy phải đạt số bậc tự chuyển động Thông thường khâu tay máy ghép nối với khớp động Có thể tính số bậc tự theo công thức thông dụng “Nguyên lý máy”: W = 6n − ∑ ipi i =1 Trong đó: n: số khâu động pi : số khớp loại i Đối với cấu có khâu nối với khớp quay tịnh tiến (khớp động loại 5) số bậc tự số khâu động Đối với cấu hở, số bậc tự tổng số bậc tự khớp động Để định vị định hướng khâu chấp hành cuối cách tùy ý không gian chiều, Robot cần có bậc tự do, bậc tự để định vị bậc tự để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, xếp…có thể yêu cầu số bậc tự Các robot hàn, sơn…thường yêu cầu bậc tự Trong số trường hợp cần khéo léo, linh hoạt cần phải tối ưu hóa quỹ đạo,…người ta dùng robot với số bậc tự lớn Hình 1.1 Hình dạng điển hình phận robot công nghiệp 1.1.2 Tọa độ suy rộng Các cấu hình khác cấu tay máy thời điểm xác định độ dịch chuyển góc độ dịch chuyển dài khớp động khớp tịnh tiến Các độ dịch chuyển tức thời đó, so với giá trị ban đầu lấy làm mốc tính toán gọi tọa độ suy rộng (generalized joint coordinates) nhiều tài liệu robot công nghiệp Ở gọi chúng giá trị biến khớp (joint variable) Hình 1.2 Các tọa độ suy rộng Robot Trong trường hợp chung ta gọi qi, i=1,…,n biến khớp cấu tay máy biểu thị qi = δ iθi + (1 − δ i ) Si Với δi = δi = θi (1.2) khớp quay khớp tịnh tiến độ dịch góc khớp quay Si độ dịch chuyển khớp tịnh tiến khớp tịnh tiến 1.1.3 Vùng làm việc Vùng làm việc robot khoảng không gian mà thao tác Hình 1.3 Vùng làm việc công tác Loại hình cấu tay máy có ưu điểm sau • Có thể bố trí nguồn động lực gắn với thân tay máy đảm bảo chuyển động độc lập khâu chấp hành • Đảm bảo đơn giản kết cấu, linh hoạt cấu trúc nhỏ gọn kích thước • Dễ dàng giữ cân vị trí khác tiêu hao lượng • Dễ tính toán điều khiển thực dễ dàng chuyển dịch trượt riêng rẽ toán động học đưa toán phẳng 1.2 Động học Động học nhánh học cổ điển, có mục đích mô tả chuyển động điểm, vật thể hệ vật bỏ qua nguyên nhân dẫn đến chuyển động Động học robot nghiên cứu chuyển động khâu robot phương diện hình học, không quan tâm đến lực momen gây chuyển động Động học robot toán quan trọng phục vụ tính toán thiết kế robot Nhiệm vụ chủ yếu toán động học thuận xác định vị trí hướng bàn kẹp dạng hàm biến khớp Vị trí khâu không gian xác định vị trí điểm định vị hướng khâu hệ quy chiếu chọn Điểm định vị điểm xác định khâu, thông thường động lực học ta hay lấy khối tâm khâu làm điểm định vị Hướng khâu xác định mà trận cosin hướng tọa độ suy rộng xác định vị trí vật rắn quay quanh điểm Các phương pháp ma trận 4x4 cá phương pháp mà trận 3x3 hay sử dụng phân tích động học robot Hai phương pháp ma trận 4x4 phổ biến phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg phương pháp ma trận Craig Trong báo cáo trình bày áp dụng phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg để tính toán động học robot Động tay kẹp Phôi gắp Tấm nối bánh tay kẹp Bộ phận tay kẹp Đáy vai robot Ốp lưng robot Ốp trục robot Ốp bạc cố định trục Vỏ vai robot Má kẹp Bộ phận tay kẹp Bộ phận tay kẹp Bộ phận tay kẹp Trục cổ tay Trục tay kẹp Bộ phận tay kẹp Bảng 2.2 Bảng chi tiết mô hình hóa 3.2 Mô trình lắp ráp robot Scorbot Er4u 3.2.1 Môi trường lắp ráp NX 10 ( Assemblies) Để mở click File -> New; Hộp thoại New hiển thị Click Assembly Template Click OK cửa sổ hiển thị Ngoài hộp thoại Add Component xuất Hình 3.9 Hộp thoại Add Component Thêm vào phận bản: Để thêm vào phận bản, click Open Part hộp thoại Add Component Duyệt đến vị trí lưu file cần lắp ghép Trong hộp thoại Add Component chọn Positioning -> chọn Absolute Origin Placement Dưới Setting chọn Reference Set -> Entire Part Click OK để tạo mặt gốc tọa độ Thêm vào phận thứ 2: Để thêm vào phận thứ 2, click Assemblies -> Component -> Add Ribbon; hộp thoại Add Component hiển thị Trên Add Component click Open Part Duyệt tới file cần lắp ghép Dưới Placement chọn Positioning -> By Constraint Dưới Setting chọn Reference Set -> Entire Part Click OK hộp thoại Assembly Constraints hiển thị Sau thêm phận vào môi trường lắp ráp, bạn phải áp dụng liên kết chúng Bằng cách áp dụng liên kết, bạn thiết lập mối quan hệ rang buộc chi tiết Cụ thể: • Touch Align: Sử dụng liên kết làm cho mặt đồng phẳng, tiếp xúc hay đồng trục với • Concentric: Sử dụng liên kết làm cho tâm đường tròn trùng • • • • • Ngoài đường tròn nằm mặt phẳng Distance: Liên kết ràng buộc khoảng cách đối tượng Fix: Cố định vị trí chi tiết chọn Parallel: Liên kết làm cho dối tượng chọn song song với Perpendicular: Liên kết làm cho dối tượng vuông góc với Fit: Liên kết ghép mặt trụ vào với Lưu ý chúng phải có bán kính • Bond: Liên kết làm cho phận lựa chọn ngàm cứng vào với để chúng di chuyển • Center: Liên kết định vị trí phần chọn trung tâm mặt phẳng phận • Angle: Áp dụng cho góc phận • Align/Lock: Căn lề trục mặt hình trụ khóa xoay 3.2.2 Quá trình lắp ráp robot Scorbot ER4U Quá trình lắp ghép robot Scobot ER4U tiến hành theo thứ tự: Lắp ghép tay kẹp Lắp ghép robot Lắp ghép robot vào bàn máy Hình 3.9 Lắp ghép tay kẹp Hình 3.10 Lắp ghép robot hoàn chỉnh Hình 3.11 Lắp ghép robot vào bàn máy CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SCORBOT ER4U TRÊN PHẦN MỀM SIEMEN NX 4.1 Mô động học hoạt động robot Scorbot ER4U 4.1.1 Thiết kế quỹ đạo cho robot Scorbot ER4U Từ việc tính toán trường hợp tổng quát chương I, ta áp dụng vào toán thực tế với thông số đầu vào sau: = 125, = 228, = 228, = Tọa độ điểm công tác E thời điểm t xác định T(s) 12 14 16 20 23 25 29 31 x -5 -5 -5 -4,62 214,038 311,559 303,306 -5,074 -5,196 -4,896 118,126 y z 33 41 119,231 -2,12 Hình 4.1 Mô hình robot Scorbot ER4U dạng khâu khớp Sau có tọa độ khâu công tác thời điểm t xác định, ta tìm biến khớp nhờ Matlab Code matlab để tìm biến khớp: function [theta1,theta2,theta3,theta4]=DongHocNguoc(px,y,pz) d1=125; a2=228; a3=228;a4=240; theta1=atan2d(y,px); theta234=-90; d=sqrt(px^2+y^2); xd=d*cosd(theta1); yd=d*sind(theta1); r4=(d-a4*cosd(theta234)); z4=pz-a4*sind(theta234); s=sqrt((z4-d1)^2+r4^2); theta3=-acosd((s^2-a2^2-a3^2)/(2*a2*a3)); beta=atan2d(a3*sind(-theta3),a2+a3*cosd(theta3)); alpha=atan2d(z4-d1,r4); theta2=alpha+beta; theta4=theta234-theta2-theta3; end Sau tìm biến khớp , ta tiến hành mô động học cho robot Scorbot ER4U 4.1.2 Mô động học robot Scorbot ER4U phần mềm Siemens NX Sau thiết kế 3D tiến hành lắp ráp, ta chuyển sang môi trường mô chuyển động Từ môi trường Assemblies, click Application -> chọn Motion vào môi trường mô Hình 4.1 Giao diện môi trường Motion Hình 4.2 Các lệnh môi trường Motion Tại Motion Navigator click đối tượng cần mô phỏng, nhấn chuột phải chọn New Simulation Hộp thoại Environment xuất Hình Tạo Hình 4.3 Hộp thoại Environment 4.4 môi trường Motion chuyển động Tại hộp thoại Environment xuất lựa chọn: Kinematics Dynamics Kinematics Mô động học, không quan tâm đến nguyên nhân gây chuyển động tải trọng, lực, momen mà xét đến vận tốc, gia tốc… Dynamics Mô động lực học, qua tâm đến nguyên nhân gây chuyển động Các đối tượng chuyển động khâu (link), khớp( joint ), điều kiện… liệt kê bảng Motion Simulation Để mô động học robot, ta cần thực bước: - Thiết lập tính chất môi trường mô phỏng; - Tạo khâu; - Tạo khớp ràng buộc khác - Áp dụng motion driver - Tạo solution - Phân tích (giải) solution - Hậu xử lý kết 4.1.2.1 Tạo khâu (Link) Trên công cụ chọn biểu tượng Link mục Setup, hộp thoại Link xuất Chọn đối tượng, tên khâu -> click OK để tạo khâu Hình 4.5 Hộp thoại Link 4.1.2.2 Tạo khớp Trên công cụ chọn biểu tượng Joint , hộp thoại Joint xuất Tạo khớp cách chọn Type ( Kiểu khớp), chọn Link, điểm đặt, vector, đổi tên khớp Click Ok để tạo khớp Hình 4.6 Hộp thoại Joint 4.1.2.3 Tạo Drivers cho Khớp Tạo driver cho khớp đặt điều kiện để khớp hoạt động Để tạo Drivers, công cụ ta chọn biểu tượng , hộp thoại Driver xuất Chọn đối tượng cần tạo driver Chọn kiểu Driver, số Constant, hàm số Function Chọn tên driver Click Ok Hình 4.7 Hộp thoại driver 4.1.2.4 Tạo Solution Sau tạo Link, Joint, Driver ta cần tạo Solution để mô chuyển động Click vào đối tượng chuyển động ( Motion) Motion Navigation, chuột phải chọn New Simulation Hộp thoại Solution xuất Trong hộp thoại Solution ta chọn thời gian chuyển động, bước chuyển động (Step) khoảng thời gian đó, hướng độ lớn gia tốc trọng trường ta chọn thẻ Dynamics, tên Solution Click Ok Hình 4.8 Hộp thoại Solution 4.1.2.5 Giải Solution Các đối tượng chuyển động, joint driver biến đổi thành hệ phương trình vi phân toán học, sau hệ giải để xác định đại lượng cần thiết Các đại lượng bao gồm chuyển vị, vận tốc gia tốc đối tượng chuyển động joint phản lực joint Mỗi thành phần xác định vật thể chuyển động tách riêng ta viết phương trình động lực học (mô tả lực gia tốc) phương trình động học (mô tả vị trí vận tốc) theo trục tịnh tiến trục quay Các phương trình tạo thành hệ phương trình mô tả chuyển động Số lượng ẩn số hệ phương trình giảm xuống cách thêm ràng buộc Sau ràng buộc tạo ra, bậc tự hệ giảm xuống lớn Nếu bậc tự hệ lớn 0, hệ giải cách thêm điều kiện đầu lấy tích phân phương trình theo thời gian Nếu bậc tự hệ 0, hệ phương trình hệ động học Còn ngược lại, hệ phương trình hệ động lực học Sau giải hệ phương trình, tìm đại lượng sau đây: − − − − − − Vận tốc tịnh tiến Vận tốc quay Tọa độ trọng tâm Góc định hướng Ngoại lực Phản lực khớp liên kết (Ràng buộc) Quá trình giải hệ phương trình phần mềm Siemen NX tính toán đưa kết ta mong muốn Để giải Solution, ta chọn biểu tượng công cụ click vào Solve with OK hộp thoại Solution Sau giải xong ta chọn Animation để xem trình chuyển động Scorbot ER4U xem đồ thị vị trí, vận tốc, gia tốc cách click vào Animation chọn Graphing Hộp thoại Graph xuất Ta xem đồ thị vị trí, vận tốc, gia tốc bất khì khâu khớp ta muốn Click OK Hộp thoại Viewport xuất Chọn Creat New Windows đồ thị ta yêu cầu Hình 4.9 Hộp thoại Graph VIẾT KHÔNG ỔN THỨ HAI CẢ HAI EM LÊN GẶP THẦY ĐỂ CHỐT PHƯƠNG ÁN VIẾT THUYẾT MINH