Đang tải... (xem toàn văn)
Môn học tính toán thiết kế robot với mục đích nghiên cứu tính toán thiết kế robot 3 bậc tự do phục vụ cho gắp nhả vật sau khi đúc đảm chính xác về vị trí yêu cầu. Robot được điều khiển bởi các động cơ servo cho độ chính xác cao.
MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC ROBOT I/ Phân tích mục đích ứng dụng Robot: II/ Phân tích yêu cầu kĩ thuật thao tác: 2.1 Đối tượng thao tác, dạng thao tác: 2.2 Yêu cầu vị trí: 2.3 Yêu cầu hướng khâu thao tác: 2.4 Yêu cầu vận tốc, gia tốc thao tác: 2.5 Yêu cầu không gian thao tác: III/ Xác định đặc trưng kĩ thuật: 3.1 Số bậc tự cần thiết: 3.2 Vùng làm việc với tới Robot: 3.3 Yêu cầu tải trọng: IV/ Các phương án thiết kế cấu trúc Robot, cấu trúc khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện: 4.1 Các phương án thiết kế cấu trúc Robot: 4.2 Phân tích lựa chọn cấu trúc Robot: 5.1 Thiết kế 3D: 5.2 Các thông số đặc trưng hình học – khối lượng: CHƯƠNG II: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 10 I/ Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược: 10 1.1 Đặt hệ trục tọa độ theo Denavit – Hartenberg 10 1.2 Thiết lập bảng DH 11 1.3 Ma trận Denavit – Hartenberg 12 1.4 Bài toán động học thuận robot 13 1.5 Khảo sát toán động học ngược 19 II/ Xây dựng quy luật chuyển động thao tác robot 20 CHƯƠNG III: BÀI TOÁN TĨNH HỌC 27 CHƯƠNG IV: BÀI TỐN ĐỘNG LỰC HỌC 33 I/ Phương trình Lagrange dạng ma trận: ~1~ 33 II/ Thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot: 37 CHƯƠNG V: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CHO ROBOT 43 I/ Tính tốn hệ dẫn động: 44 1.1 Tính chọn động cho khớp 1: 45 II/ Tính tốn thiết kế truyền bánh 50 2.1 Xác định khoảng cách trục 50 2.2 Xác định thông số ăn khớp 51 III/ Kiểm nghiệm truyền bánh 52 3.1 Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc 52 3.2 Kiểm nghiệm độ bền uốn 53 IV/ Tính tốn thiết kế khớp nối: 56 4.1 Tính chọn khớp nối 56 4.2 Chọn khớp nối 56 V/ Tính tốn thiết kế trục: 57 5.1 Xác định lực sơ đồ đặt lực 57 5.2 Xác định đường kính trục 57 5.3 Kiểm nghiệm độ bền trục 58 VI/ Chọn ổ lăn: 62 VII/ Thiết kế 3D kiểm nghiệm bền khâu: 64 CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 68 I/ Điều khiển phản hồi điều khiển vòng kín: 68 II/ Thiết kế điều khiển PD 69 2.1 Bộ điều khiển PD không bù trọng lực: 69 2.2 Bài toán điều khiển 69 KẾT LUẬN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 ~2~ LỜI MỞ ĐẦU Chúng ta sống thời đại công nghiệp 4.0 - công nghiệp sản xuất hàng loạt với trợ giúp robot, máy tự động điều khiển máy tính Nền khoa học kỹ thuật ngày căng phát triển mạnh mẽ dẫn tới thay đổi lớn sản xuất Sự thay đổi lực lượng sản xuất ngành nghề, thay hoạt động chân tay người máy móc, robot Robot có vị trí nhờ chúng có ưu điểm đặc biệt chất lượng, độ chinh xác tính kinh tế Robot làm việc không bị ảnh hưởng yếu tố chủ quan, khách quan làm việc khơng biết mệt mỏi, làm việc môi trường ô nhiễm, độc hại, làm việc nơi có nhiệt độ/áp suất cao, làm việc nơi nguy hiểm, … nhờ thiết kế khí xác thuật tốn điều khiển mà robot có khả làm công việc yêu cầu độ cẩn thận, tinh tế, làm việc xác khơng có nhầm lẫn người Tay máy Robot có mặt sản xuất từ nhiều năm trước, ngày tay máy Robot dùng nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ ưu điểm mà tay máy Robot đúc kết lại trình sản xuất làm việc, tay máy có tính mà người khơng thể có được, khả làm việc ổn định, làm việc mơi trường độc hại, v.v…Do việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo tay máy Robot phục vụ cho cơng tự động hóa sản xuất cần thiết cho tương lai Ngày việc dùng robot ứng dụng ngành cơng nghiệp khí nặng nhu cầu cần thiết , việc di chuyển cách khéo léo xác điều khó khăn người, mà việc nghiên cứu chế tạo thiết bị cánh tay robot để làm việc có ý nghĩa lớn Việc tìm hiểu nghiên cứu Robot khn khổ mơn học Tính tốn thiết kế robot sở để chúng em tính tốn, thiết kế điều khiển loại Robot công nghiệp phục vụ sản xuất Cụ thể, chúng em chọn đề tài tính tốn, thiết kế mơ hình Robot ứng dụng gắp chi tiết đúc từ máy công nghệ đưa vị trí tháo khn ~3~ CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC ROBOT I/ Phân tích mục đích ứng dụng Robot: Trong ngành cơng nghiệp sản xuất khí nặng, Công nghệ Đúc công nghệ chế tạo sản phẩm phương pháp rót vật liệu dạng chảy lỏng vào khn để tạo sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu Đa phần công nghệ đúc thực với vật liệu kim loại Việc gắp chi tiết đúc từ máy cơng nghệ đưa vị trí tháo khuôn công việc lặp lặp lại đơn giản nhàm chán, sử dụng công nhân trực tiếp làm việc suất đạt không cao, đồng thời gây căng thẳng mệt mỏi, ảnh hưởng đến chất lượng tiến độ công việc Ngồi việc áp dụng khoa học cơng nghệ sử dụng robot thay người công việc xu thế, robot làm việc mệt mỏi, khơng bị ảnh hưởng tâm lí bị tác động môi trường, suất cao, độ xác tin cậy cao, tính giá trị lợi nhuận thu sử dụng robot rẻ lao động người nhiều Do vậy, nhóm chúng em định thiết kế mơ hình robot để ứng dụng việc gắp chi tiết đúc từ máy cơng nghệ đưa vị trí tháo khn II/ Phân tích yêu cầu kĩ thuật thao tác: 2.1 Đối tượng thao tác, dạng thao tác: Đối tượng thao tác chi tiết đúc sản xuất từ máy công nghệ Dạng thao tác: Khâu tác động cuối để gắp chi tiết đúc hệ thống kẹp chi tiết nhấc lên vng góc với bề mặt chứa chi tiết đúc di chuyển theo chiều tịnh tiến ~4~ 2.2 Yêu cầu vị trí: Các chi tiết đúc sản xuất từ máy công nghệ nằm băng chuyền, khâu tác động cuối robot phải đưa đến vị trí để tháo khn 2.3 Yêu cầu hướng khâu thao tác: Hướng khâu thao tác tuỳ ý mà phải phù hợp với hướng định trước chi tiết đúc sản xuất từ máy công nghệ băng chuyền Hướng khâu tác động cuối nằm mặt phẳng song song với mặt đất XoYo, định hướng góc quay quanh trục Zo 2.4 Yêu cầu vận tốc, gia tốc thao tác: Yêu cầu vận tốc: Mỗi chu kỳ làm việc khoảng 4-5 giây Yêu cầu gia tốc: Gia tốc robot không cao thay đổi đột ngột làm chi tiết đúc khỏi đầu kẹp khâu tác động cuối 2.5 Yêu cầu không gian thao tác: Băng chuyền có, băng chuyền rộng 500mm, cao 1000mm, nằm vng góc với Khơng gian thao tác yêu cầu robot cần phải bao quát chuyển để lấy từ chuyền đưa sang băng chuyền cách dễ dàng ( Ở băng truyền vị trí ban đầu chi tiết đúc vừa sản xuất từ máy Công nghệ, băng truyền vị trí đưa chi tiết đến để tháo khn) III/ Xác định đặc trưng kĩ thuật: 3.1 Số bậc tự cần thiết: Nhiệm vụ robot gắp chi tiết đúc đưa từ máy công nghệ nhận biết đưa vị trí để tháo khn cho vị trí u cầu Robot dự định thiết kế robot bậc tự RRT,RTT,TTT,TRT 3.2 Vùng làm việc với tới Robot: Là vị trí xa mà robot với tới, vị trí chi tiết đúc vị trí xa đưa từ máy công nghệ băng chuyền 3.3 Yêu cầu tải trọng: Trong thực tế, chi tiết đúc ta ước tính nặng trung bình khoảng 1kg/1chi tiết, lần Robot thao tác với chi tiết, tải trọng tác dụng lên Robot 4kg Ta lấy tải trọng tính tốn kg IV/ Các phương án thiết kế cấu trúc Robot, cấu trúc khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện: Dựa vào yêu cầu kỹ thuật thao tác nhóm chúng em lên ý tưởng Robot dự định thiết kế robot bậc tự RRT,RTT,TTT,TRT ~5~ Dự định thiết kế tay gắp chi tiết đúc hệ thống kẹp nhấc lên vng góc với bề mặt chứa chi tiết đúc di chuyển theo chiều tịnh tiến 4.1 Các phương án thiết kế cấu trúc Robot: Phương án Phương án ~6~ Phương án Phương án 4.2 Phân tích lựa chọn cấu trúc Robot: Như để robot hoạt động yêu cầu cần có bậc tự do: bậc để xác định tọa độ điểm mặt phẳng, bậc để xác định chiều cao không gian Sau phân tích ,trong cấu trúc đề xuất, ta thấy cấu trúc 2,3,4 linh hoạt có khâu tịnh tiến Tuy nhiên cấu trúc đơn giản, gọn Chính nhóm lựa chọn cấu trúc 1: Robot bậc tự RRT, gồm khâu quay để xác định vị trí chi tiết đúc mặt phẳng, khâu tịnh tiến để xác định độ cao chi tiết đúc Khớp khớp quay, dùng truyền bánh trụ thẳng Khớp khớp quay, dùng truyền bánh trụ thẳng Khớp khớp tịnh tiến, dùng xi lanh khí nén Hành Trình: Khâu 1: 0-90 độ Khâu 2: 0-90 đọ Khâu 3: 300mm ~7~ V/ Thiết kế mơ hình Robot: 5.1 Thiết kế 3D: Dựa phân tích phần trước, nhóm thiết kế mơ hình 3D phần mềm Solidworks 5.2 Các thơng số đặc trưng hình học – khối lượng: mm ~8~ CHƯƠNG II: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG I/ Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược: 1.1 Đặt hệ trục tọa độ theo Denavit – Hartenberg Đối với robot công nghiệp, Denavit – Hartenberg (1995) đưa cách chọn hệ trục tọa độ có gốc khớp thứ i sau: - Trục zi-1 chọn dọc theo trục khớp động thứ i - Trục xi-1 chọn dọc theo đường vng góc chung trục z i-2 zi-1, hướng từ trục zi-2 sang zi-1 Nếu trục zi-1 cắt trục zi-2 hướng trục xi-1 chọn tùy ý, miễn vng góc với zi-1 Khi trục zi-1 zi-2 song song với nhau, trục xi-1 chọn hướng theo pháp tuyến chung - Gốc tọa độ Oi-1 chọn giao điểm trục xi-1 trục zi-1 - Trục yi-1 chọn cho hệ (Oxyz)i-1 hệ quy chiếu thuận Chú ý: - Đối với hệ tọa độ (Oxyz)0 theo quy ước ta chọn trục z 0, trục x0 chưa có quy ước Ta chọn trục x chọn cách tùy ý, miễn x0 vng góc với z0 - Đối với hệ tọa độ (Oxyz)n, khơng có khớp n+1, nên theo quy ước ta không xác định trục zn Trục zn không xác định nhất, trục x n lại chọn theo pháp tuyến trục z n-1 Trong trường hợp này, khớp khớp quay ta chọn trục zn song song với trục zn-1 Ngồi ta chọn tùy ý cho hợp lý - Khi khớp thứ i khớp tịnh tiến, nguyên tắc ta chọn trục z i-1 cách tùy ý Người ta thường chọn trục zi-1 dọc theo trục khớp tịnh tiến Từ quy tắc ta xây dựng hệ tọa độ hình vẽ: ~9~ Hình 2.1 Hệ trục tọa độ robot 1.2 Thiết lập bảng DH Vị trí hệ tọa độ khớp (Oxyz)i hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 xác định bốn tham số Denavit- Hartenberg i , d i , , i sau: - i : góc quay quanh trục để trục trùng với trục () - d i : dịch chuyển tịnh tiến dọc trục để gốc tọa độ chuyển đến giao điểm trục trục - : dịch chuyển dọc trục để điểm chuyển đến điểm - i : góc quay quanh trục cho trục () trùng với trục Hình 2.2 Các tham số Denavit – Hartenberg Như từ hệ tọa độ xây dựng trên, ta có tham số DH sau: Bảng 2.1 Các tham số Denavit – Hartenberg ~ 10 ~ n1 =120 (v/p) số vòng quay trục I Vậy L = = = 7,2 ( triệu vòng quay ) Q tải trọng động quy ước Q ( X V Fr Y Fa ) Kt K d Xác định Trong đó: Fr , Fa tải trọng hướng tâm tải trọng dọc trục V hệ số kể đến vòng quay, vòng quay →V=1 o o Kt hệ số kể đến ảnh hưởng nhiệt độ Kt 1(t 100 ) K 1 hệ số kể đến đặc tính tải trọng Với va đập nhẹ: d X ,Y hệ số tải trọng hướng tâm dọc trục Lực hướng tâm ổ: F ,F Kết x10 x11 sử dụng tiếp cho phần tính ổ lăn: Fro = = 698,4(N) F r1 = = 840,3(N) Tải trọng quy ước ổ là: Q0 = ( XVFr0 + YFa0)ktkd = ( 1.1.698,4+ 0.0) = 768,2(N) Q1 = ( XVFr1 + YFa1)ktkd = ( 1.1.840,3 + 0.0) = 924(N) Ta cần kiểm nghiệm ổ lăn chịu lực lớn hơn, có tải trọng động quy ước Q = Q1= 924(N) Vậy => Cd = Q = 924 10-3 =1,78 < C Vậy ổ lăn chọn thỏa mãn khả tải động d Kiểm nghiệm khả tải tĩnh ổ theo công thức: Qt �C0 Kd Với ổ bi đỡ dãy →Xo=0,6 Kiểm nghiệm với ổ lăn chịu lực lớn hơn:Fr1= 4712,2(N) Qtb = 0,6.4712,2 = 2,823 kN < C0 Vậy ổ lăn chọn thỏa mãn khả tải tĩnh 6.2 Ổ lăn trục II a Chọn loại ổ lăn Do tính chất hoạt động linh hoạt theo phương cánh tay robot nên có lúc sinh lực dọc trục khớp (ví dụ chuyển động cắt tịnh tiến theo phương Z0 khâu sinh lực dọc trục lên khớp 3) Vậy ta chọn ổ bi đỡ-chặn dãy b Chọn kích thước ổ lăn Theo tính tốn phần kích thước trục, ta chọn ổ lăn có d=18(mm) Tra Catalog SKF ta thông số: Thông số d(mm) D(mm) B(mm) C(kN) C0(kN) Giá trị 18 50 20 17 19 Kiểm nghiệm khả tải tĩnh động tương tự ổ ta kết thỏa mãn VII/ Thiết kế 3D kiểm nghiệm bền khâu: ~ 63 ~ Hình 5.12 Mơ hình 3D mơi trường Solidwork Trên mơ hình Robot thiết kế mơi trường Solidwork sau phần kiểm nghiệm bền khâu KHÂU 1: Ứng suất khâu ~ 64 ~ Chuyển vị khâu KHÂU 2: Ứng suất khâu ~ 65 ~ Chuyển vị khâu KHÂU 3: Ứng suất khâu ~ 66 ~ Chuyển vị khâu ~ 67 ~ CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ROBOT I/ Điều khiển phản hồi điều khiển vòng kín: Khi xét tốn điều khiển cho tay máy cơng nghiệp đó, trước hết phải mơ hình hóa tay máy cấu - đối tượng điều khiển cảm biến (sensor) đặt khớp để giám sát trạng thái khớp cấu dẫn động (actuator) gá khớp để sinh lực (mô men) dẫn động khâu Nhờ sử dụng tín hiệu phản hồi, mơ men đầu thực tế kiểm sốt để tính tốn mơ men mong muốn Hình 6.1 mơ tả mối quan hệ quỹ đạo thiết kế kết chuyển động theo quỹ đạo mong muốn đó: Hình 6.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển robot q d t , quy luật vận tốc q&d t , quy luật Từ giá trị đầu vào quy luật vị trí & & t q gia tốc d mong muốn, điều khiển có nhiệm vụ tính tốn véc tơ lực (mô men) τ , nguồn động lực để hệ robot chuyển động với quy luật chuyển động q,q& Nhờ sensor, điều khiển đọc giá trị theo thời gian thực Toàn đường tín hiệu hình 6.1 gắn với véc tơ n chiều, với n số khớp robot Nhìn chung, cách để xây dựng hệ điều khiển có hiệu cao phải sử dụng tín hiệu phản hồi hình 6.1 Theo đó, tín hiệu phản hồi sử dụng để tính tốn sai lệch vị trí e sai lệch vận tốc ev e = qd - q e v = q&d - q d ~ 68 ~ Hệ điều khiển dựa vào sai lệch để điều chỉnh tín hiệu mơ men cho sai lệch e, ev giảm dần Hệ điều khiển có sử dụng tín hiệu phản hồi gọi hệ điều khiển mạch kín Trong dự án này, em sử dụng điều khiển PD II/ Thiết kế điều khiển PD 2.1 Bộ điều khiển PD không bù trọng lực: Hình 6.2 Mơ hình điều khiển robot: PD + Lực Trong có thành phần sau: & qd , q&d , q& d K p , Kv Là thành phần giá trị đặt biến khớp, tốc độ gia tốc biến khớp Là hệ số điều khiển PD & & & Trong mơ hình điều khiển ta có: u qd K P qd KV qd Cuối thành phần lực dẫn động robot tính bằng: U Mu C q, q& q& G q Q q 2.2 Bài toán điều khiển Ta thiết kế điều khiển cho khớp kết sau: ~ 69 ~ Hình 6.3 Mơ hình điều khiển Robot Simualink ~ 70 ~ Hình 6.4 Vị trí , vận tốc, gia tốc đặt khâu Hình 6.5 Khối PD Hình 6.6 Khối tính lực điều khiển ~ 71 ~ Hình 6.7 Khối Robot Hình 6.8 Điều kiện đầu ~ 72 ~ Hình 6.9 Đồ thị q1 đặt q1 thực tế Hình 6.10 Đồ thị q2 đặt q2 thực tế ~ 73 ~ Hình 6.11 Đồ thị q3 đặt q3 thực tế Hình 6.12 Đồ thị sai lệch dq1 đặt dq1 thực tế ~ 74 ~ Hình 6.13 Đồ thị dq2 đặt dq2 thực tế Hình 6.14 Đồ thị dq3 đặt dq3 thực tế ~ 75 ~ KẾT LUẬN Trên tồn kết nhóm em tính tốn, thiết kế mơ mơ hình robot gắp , thơng qua chúng em hiểu phương pháp thiết kế robot, từ đề luật điều khiển giúp cho việc tối ưu hóa q trình sản xt Qua tiểu luận này, chúng em nắm vững vấn đề sau: Thành thạo trọng việc sử dụng công cụ thiết kế 3D, đặc biệt Solidworks để thiết kế mơ hình 3D Nắm vững kiến thức sở để áp dụng tính tốn động học, thiết kế quỹ đạo, khảo sát toán tĩnh học, dộng lực học Biết sử dụng chương trình phần mềm để mơ robot q trình làm viecj từ xây dụng chương trình mơ Matlab – simulink, ứng dụng Simulation phần mềm Solidworks Thiết kế, tính tốn hệ dẫn động khí cho robot Có thêm kinh nghiệm thiết kế mô hệ điện tử để phục vị cho công việc sau Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi TS Nguyễn Văn Quyền hướng dẫn bảo tận tình để giúp chúng em hồn thành biều tiểu luận này, chúng em hy vọng nhận lời góp ý, nhận xét quý giá từ thầy để báo cáo trờ nên hồn thiện ~ 76 ~ TÀI LIỆU THAM KHẢO Phan Bùi Khôi: Slide môn học Robotic Nguyễn Văn Khang : Cơ học kỹ thuật NXB Giáo dục, 2012 Nguyễn Văn Khang : Động lực học hệ nhiều vật NXB Khoa học kỹ thuật, 2007 Nguyễn Văn Khang : Cơ sở robot công nghiệp NXB Khoa học kỹ thuật, 2011 Nguyễn Quang Hoàng : Cơ sở MATLAB SIMULINK Trường ĐH kinh doanh cơng nghệ Hà Nội, 2013 Nguyễn Dỗn Phước:Lý thuyết điều khiển tự động NXB Khoa học kỹ thuật, 2009 ~ 77 ~