Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự do chuỗi động hở

Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn không chép tài liệu sử dụng (ngoại trừ tài liệu tham khảo kiến thức tài liệu học tập nghiên cứu đƣợc phép sử dụng) Nội dung nghiên cứu bao gồm: Tổng quan robot hàn, Tính toán thiết kế khâu, Mô hoạt động tay máy robot OpenGL Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tác giả Trần Duy Thúy Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU …………………………4 DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 12 1.1 CẤU TẠO CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 12 1.2 Tay máy robot 13 CHƢƠNG II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC KHÂU 19 2.1Tính toán trục 19 2.2 Tính toán trục 30 2.3 Tính toán trục 42 2.3 Tính toán trục 53 2.4 Tính toán trục 66 2.5 Tính toán trục 80 CHƢƠNG III – MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG TAY MÁY ROBOT BẰNG LẬP TRÌNH MFC SỬ DỤNG THƢ VIỆN OPENGL 94 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ OPENGL 94 3.1.1 OpenGL 94 3.1.2 Đặc điểm OpenGL 95 3.2 GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VISUAL C++ VÀ ỨNG DỤNG MFC …………………………………………………………………….…….96 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở 3.3 MÔ PHỎNG BÀI TOÁN CẦN THỰC HIỆN 97 3.3.1 Cách tạo Project MFC để mô hoạt động 97 3.3.2 Khởi tạo thiết lập gói thƣ viện OpenGL 103 3.3.3 Tạo hàm 105 3.3.4 Thiết kế mô hình đối tƣợng 3D SolidWorks 126 3.3.5 Chạy mô sau hoàn thành 129 KẾT LUẬN 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU FMS Flexoble Manufacturing Systems CIM Computer Integrated Manufacturing n Tốc độ t Thời gian v Vận tốc G Tải trọng F Trọng lực L Cánh tay đòn T Mô men Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Cấu hình robot công nghiệp………………………… … 13 Hình 1.2: Kết cấu tay máy robot…… ………………………………… 13 Hình 1.3: Tay máy robot kết cấu song song…………………… ……… 14 Hình 1.4: Tay máy robot hàn có cấu trúc nối tiếp……………………… 15 Hình 1.5: Ba chuyển động tịnh tiến ba chuyển động quay tay máy 18 robot…………………………………………………………………… Hình 2.1: Thiết kế khâu - Mỏ hàn…………………………………… 19 Hình 2.2: Đặc trƣng hình học khâu 6……………………………… 20 Hình 2.3: Đồ thị đặc tính tải khớp 6…………………………………… 22 Hình 2.4: Hình ảnh hộp giảm tốc……………………………………… 25 Hình 2.5: Kết cấu hộp giảm tốc………………………………………… 27 Hình 2.6: Động trục 6………………………………………………… 29 Hình 27: Kích thƣớc động trục 6…………………………………… 30 Hình 2.8: Thiết kế lắp ghép khâu 5…………………………………… 30 Hình 2.9: Đặc trƣng hình học khâu 5…………………………………… 31 Hình 2.10: Lắp ghép khâu 6……………………………………… 31 Hình 2.11: Động trục 5……………………………………………… 32 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở Hình 2.12: Kết cấu hộp giảm tốc trục 5………………………………… 34 Hình 2.13: Động trục 5……………………………………………… 37 Hình 2.14: Kích thƣớc động trục 5…………………………………… 39 Hình 2.15: Thiết kế lắp ghép khâu 4………………………………… 41 Hình 2.16: Thiết kế lắp ghép khâu 4-6……………………………… 42 Hình 2-17: Đặc trƣng hình học cụm lắp ghép khâu 4-6………………… 42 Hình 2.18: Hộp giảm tốc trục 4………………………………………… 43 Hình 2.19: Kết cấu hộp giảm tốc trục 4………………………………… 43 Hình 2.20: Động dẫn động trục 4…………………………………… 49 Hình 2.21: Kích thƣớc động dẫn động trục 4………………………… 50 Hình 2.22: Thiết kế khâu 3……………………………………………… 52 Hình 2.23:Đặc trƣng hình học khâu 3…………………………………… 53 Hình 2.24:Thiết kế lắp ghép cụm khâu 3+4+5+6……………………… 53 Hình 2.25: Đặc trƣng hình học cụm khâu 3+4+5+6…………………… 54 Hình 2.26: Hộp giảm tốc trục 3………………………………………… 54 Hình 2.27: Kích thƣớc hộp giảm tốc trục 3……………………………… 55 Hình 2.28: Kích thƣớc động trục 3…………………………………… 56 Hình 2.29: Hình ảnh động trục 3…………………………………… 60 Hình 2.30: Thiết kế khâu 2……………………………………………… 61 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở Hình 2.31: Đặc trƣng hình học khâu 2………………………………… 65 Hình 2.32: Lắp ghép cụm khâu (2+3+4+5+6)………………………… 65 Hình 2.33: Đặc trƣng hình học cụm khâu (2+3+4+5+6)………………… 66 Hình 2.34: Hộp giảm tốc trục 2………………………………………… 67 Hình 2.35: Kích thƣớc hộp giảm tốc trục 2……………………………… 67 Hình 2.36: Kích thƣớc động trục 2…………………………………… 68 Hình 2.37: Hình ảnh động trục 2…………………………………… 71 Hình 2.38: Thiết kế khâu 1……………………………………………… 74 Hình 2.39: Đặc trƣng hình học khâu 1………………………………… 75 Hình 2.40: Thiết kế cụm khâu lắp ghép (1+2+3+4+5+6)……………… 79 Hình 2.41: Đặc trƣng hình học cụm khâu (1+2+3+4+5+6)…………… 79 Hình 2.42: Hộp giảm tốc trục 1………………………………………… 80 Hình 2.43: Kích thƣớc hộp giảm tốc trục 1……………………………… 81 Hình 2.44: Kích thƣớc động trục 1…………………………………… 81 Hình 2.45: Hình ảnh động trục 1…………………………………… 82 Hình 3.13: Ví dụ mô bình 3D vẽ Solidwork……………………… 125 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng chế độ làm việc khâu 6…………………………………………… 20 Sơ đồ động học khâu 6…………………………………………………… 21 Đồ thị đặc tính tải khớp 6……………………………………………… 23 Động dẫn động trục ……………………………………………… 26 Đặc trƣng hình học lắp ghép khâu 6…………………………… 29 Bảng chế độ làm việc khâu 5……………………………………… 32 Đồ thị đặc tính tải khâu 5……………………………………………… 33 Thông số hộp giảm tốc khâu 5………………………………………… 34 Động dẫn động trục ……………………………………………… 35 Bảng chế độ làm việc khâu 4……………………………………… 38 Đồ thị đặc tính tải khâu 4……………………………………………… 41 Thông số hộp giảm tốc khâu 4………………………………………… 44 Động dẫn động trục ……………………………………………… 47 Bảng chế độ làm việc khâu 3……………………………………… 49 Đồ thị đặc tính tải khâu 3……………………………………………… 52 Thông số hộp giảm tốc khâu 3………………………………………… 55 Động dẫn động trục 3………………………………………………… 57 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở Bảng chế độ làm việc khâu ……………………………………… 58 Đồ thị đặc tính tải khâu 2………………………………………………… 60 Thông số hộp giảm tốc khâu 2…………………………………………… 64 Động dẫn động trục 2………………………………………………… 69 Bảng chế độ làm việc khâu 1……………………………………… 71 Đồ thị đặc tính tải khâu 1………………………………………………… 86 Thông số hộp giảm tốc khâu 1…………………………………………… 88 Động dẫn động trục 1………………………………………………… 92 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Tay máy phận quan trọng robot định đến độ cứng vững, độ xác hoạt động tải trọng có ích robot Việc nghiên cứu thiết kế tay máy robot cách tối ƣu góp phần nâng cao tiêu kỹ thuật cho robot Từ trƣớc đến nhiều đề tài nghiên cứu robot sử dụng tay máy có sẵn mà không sâu tính toán thiết kế cách đầy đủ, khoa học Để tiến tới chế tạo robot mang thƣơng iệu Việt Nam trƣớc hết phải hoàn chỉnh đƣợc thiết kế tay máy hệ thống điều khiển Trƣớc nhu cầu nhƣ chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở” Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn: Thiết kế kết cấu khí mô hoạt động robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở nhằm làm chủ thiết kế để tiến tới triển khai chế tạo Việt nam thay cho nhập Phạm vi nghiên cứu: + Tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở Nội dung nghiên cứu: - Tính toán chọn truyền động cho khớp - Tính toán chọn động cho khâu - Thiết kế khâu, khớp - Mô hoạt động tay máy robot 10 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở } else { return; } } void CMainFrame::OnRun2() //truc1quaynguoc { if (x==1) { CvanDoc *pDoc = GetDocument(); pDoc->m_Orbitan.clear();//xoa duong quy dao di m_t-=10; pDoc->x1 = m_t; pDoc->x1v = m_t; if (m_tm_Orbitan.clear();//xoa duong quy dao di m_t2+=5; pDoc->x3 = m_t2; if (m_t2>100) { m_t2=100; } UpdateAllViews(); } else { return; } } void CMainFrame::OnRun4() //truc2quaynguoc { if (x==1) 120 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở { CvanDoc *pDoc = GetDocument(); pDoc->m_Orbitan.clear();//xoa duong quy dao di m_t2-=5; pDoc->x3 = m_t2; if (m_t2m_Orbitan.clear();//xoa duong quy dao di m_t3+=5; pDoc->m_thetadia = m_t3; 121 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở UpdateAllViews(); } else { return; } } void CMainFrame::OnRun6()//truc3quaynguoc { if (x==1) { CvanDoc *pDoc = GetDocument(); pDoc->m_Orbitan.clear();//xoa duong quy dao di m_t3-=5; pDoc->m_thetadia = m_t3; UpdateAllViews(); } else { return; } } void CMainFrame::OnRun7() //START { 122 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở if (x==0) { SetTimer(1, 30, NULL); } else { return; } } void CMainFrame::OnRun8() //STOP { if (x==0) { CvanDoc *pDoc = GetDocument(); //pDoc->Stopmotor(0xff); KillTimer(1); } else { return; } } void CMainFrame::OnTimer(UINT nIDEvent) { 123 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở CvanDoc *pDoc = GetDocument(); switch(nIDEvent) { case 0: break; case 1: m_t4+=1; //Chuyen dong 1: truc1quay if (pDoc->tam1 < 60) { pDoc->tam1 += 2; pDoc->x1 += 2;//cua binh pDoc->x1v += 2;//cua khoi V } else //Chuyen dong 2: truc2quay if (pDoc->tam2 < 122.5) { pDoc->tam2 += 3; pDoc->x3 += 3; } if ((pDoc->x3 > 72.5) & (pDoc->x2 x2 += 3; //Chuyen dong 3:truc3quay 124 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở if ((pDoc->x2 >= 50) & (pDoc->tam3 > -60)) { pDoc->tam3 -= ; pDoc->x1v -= 2;// } //Chuyen dong 4:truc4quay if ((pDoc->tam3 < -10) & (pDoc->m_thetabinh < 360)) { pDoc->m_thetabinh += 1; pDoc->m_thetadia += 1; pDoc->m_thetapittong += 1; pDoc->Calculate(); } //Chuyen dong 5: truc5quay if (pDoc->m_thetabinh >= 360) pDoc->m_Orbitan.clear();//xoa duong quy dao if ((pDoc->m_thetabinh > 355) & (pDoc->tam4 < 60)) { pDoc->tam4 += 2; pDoc->x1v += 2;// } //Chuyen dong :truc6quay if ((pDoc->tam4 == 60) & (pDoc->x3 >0)) { 125 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở pDoc->x3 -= 3; pDoc->tam5 -=3; } if ((pDoc->tam5 < 0) & (pDoc->x1 > 0)) { pDoc->x1 -= 2; pDoc->x1v -= 2; } UpdateAllViews(); break; default:break; } } -Ngoài nhiều hàm liên quan, hỗ trợ khác nhƣng không trình bày hết đƣợc 3.3.4 Thiết kế mô hình đối tượng 3D SolidWorks Ở lựa chọn chƣơng trình vẽ 3D SolidWork, sau vẽ xong đối tƣợng cần thiết cho mô phỏng, tiến hành lƣu chúng lại dƣới dạng file *.STL Dƣới cách tiến hành Giả sử minh họa vẽ bình, sau vẽ xong bình (không trình bày cách vẽ), ta đƣợc nhƣ sau: 126 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở Hình 3.13: Ví dụ mô bình 3D vẽ Solidwork - Save file dƣới dạng file STL: chọn save as - Một bảng save as ra, thông số điền lựa chọn nhƣ sau:  File name: đặt tên file  Save as type: chọn STL(*.stl) Tiếp nhấn Option, bảng Option Chọn thông số nhƣ dƣới đây: Hình 3.14: Option save file dạng *.STL Output as: chọn ASCII 127 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở Một điều quan trọng tích vào ô: “Do not translate STL output data to positive space ” hệ tọa độ vẽ Solidworks chuyển sang file *STL không bị dịch chuyển - Kết thu đƣợc file “robot.stl” - Tiến hành hoàn toàn tƣơng tự với khâu khác đối tƣợng Dƣới danh sách file STL tạo sau vẽ tất khâu (trong thƣ mục Model file) Hình 3.15: Các file dùng chương trình dạng *.STL 128 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở 3.3.5 Chạy mô sau hoàn thành Kết luận chƣơng III Trong chƣơng III tác giả thiết kế bảng điều khiển ảo từ mô đƣợc chuyển động khâu việc viết code chƣơng trình mô ngôn ngữ C# Thông qua việc mô chuyển động khâu thấy trực quan hoạt động robot chế độ dạy chế độ chạy tự động giúp cho việc chế tạo robot sau 129 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở 130 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở KẾT LUẬN Luận văn hoàn thành đƣợc nội dung sau: - Tổng quan robot công nghiệp, phân tích, lựa chọn dạng kết cấu cho việc thiết kế robot, đặc điểm loại tay máy robot, bậc tự ảnh hƣởng đến khả làm việc tay máy - Tính toán lựa chọn động hộp giảm tốc trục sở phân tích sơ đồ tải trọng yêu cầu vận tốc gia tốc làm việc robot Việc tính toán thực theo dẫn nhà thiết kế chế tạo robot hàng đầu giới – Hãng OTC Dai hen Nhật Bản; kết tính toán đảm bảo độ tin cậy cao dùng cho việc chế tạo tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở - Mô hoạt động tay máy OpenGL thông qua việc xây dựng thuật toán điều khiển chuyển động quay trục viết chƣơng trình mô ngôn ngữ C# Đây ngôn ngữ cấp cao, cho phép hiển thị tiếng Việt, giúp cho ngƣời đọc dễ hiểu dễ thao tác - Trong trình thiết kế tác giả sử dụng phần mềm thiết kế chuyên dụng Solidworks, vẽ 3D 2D trực quan dễ hiểu 131 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Trịnh Chất – TS Lê Văn Uyển - Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí - NXB Giáo dục – 2005 [2] Nguyễn Văn Khang - Cơ sở học kỹ thuật– NXB Đại học Quốc gia HN – 2005 [3] Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy - Cơ sở công nghệ chế tạo máy NXB Khoa học kỹ thuật – 2008 [4] Thái Thế Hùng - Sức bền vật liệu - NXB Khoa học kỹ thuật – 2003 [5] TS Phạm Đăng Phƣớc - Giáo trình Robot công nghiệp - NXBĐHBK Đà Nẵng [6] Catalogue phụ kiện: https://sdp-si.com/ [7] Trần Văn Địch, Đồ gá khí tự động hóa, NXB KHKT, Hà Nội 2005 [8] Lê Ngọc Thạnh, Lập trình window với MFC Microsoft Visual C++ 6.0, NXB Thống kê, 2004 [9] Mai Xuân Vũ, Sổ tay hướng dẫn lập trình PLC, NXB Trẻ, 2004 [10] Catalogue robot: http://www.daihen-usa.com/roboticsystems.php [11] John J.Craig - Introduction to RoboticsMechanic and Control, SBN:0-13123629-6 [12] Wesley L.Stone - Robotics and Automation Handbook, Western Carolina University – 2003 [13] Prof Oussama Khatib - Lectures Introduction to Robotics, Standford University – 2007 [14] John Sharp - MS Visual C# Step by Step 2008, Microsoft Corporation – 2008 132 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở [15] Sean James - 3D Graphics with XNA Game Studio 4.0, ISBN:978-1849690-04-1 133 ... thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở” Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận văn: Thiết kế kết cấu khí mô hoạt động. .. công nghiệp 1.2 Tay máy robot 1.2.1 Khái niệm Hình 1.2 Kết cấu tay máy robot 13 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở Thuật ngữ tay máy robot quan niệm... máy robot hàn hồ quang bậc tự chuỗi động hở Hình 2.7: Kích thước động trục 2.2 Tính toán trục Hình 2.8: Thiết kế lắp ghép khâu 30 Nghiên cứu thiết kế mô hoạt động tay máy robot hàn hồ quang bậc