Nghiên cứu động lực các tay máy công nghiệp chịu tương tác lực từ môi trường tt

BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ VŨ ĐỨC BÌNH NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC CÁC TAY MÁY CÔNG NGHIỆP CHỊU TƯƠNG TÁC LỰC TỪ MƠI TRƯỜNG Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Cơng Thương Người hướng dẫn khoa học: TS Phan Đăng Phong GS.TSKH Đỗ Sanh Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện Họp tại: Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Cơng Thương Tòa nhà trụ sở chính, số đường Phạm Văn Đồng, quận Cầu Giấy, thành phố Hà Nội Vào hồi… giờ, ngày… tháng…….năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Viện Nghiên cứu Cơ khí DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN [1] Đỗ Sanh, Phan Đăng Phong, Đỗ Đăng Khoa, Vũ Đức Bình (2013), “Xác định phản lực động lực khớp động tay máy công nghiệp”, Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí lần thứ III, Hà Nội 4/2013, Tr 1300-1307 [2] Phạm Thành Long, Vũ Đức Bình (2014), “Xác định đặc tính tham số phụ toán động học robot song song”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Hà Nội 5/2014, Tr 12-16 [3] Do Sanh, Phan Dang Phong, Do Dang Khoa, Vu Duc Binh (2015), “Motion Investigation of Planar Manipulators with a Flexible Arm”, APVC 2015, The 16th Asian Pacific Vibration Confenerence, November 24-26, 2015, Hanoi, Vietnam, pp 784-790 [4] Phạm Thành Long, Vũ Đức Bình (2016), “Về quan điểm điều khiển động lực học robot mềm”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Qn sự, Hà Nội 7/2014, Tr 84-91 [5] Vũ Đức Bình, Đỗ Đăng Khoa, Phan Đăng Phong, Đỗ Sanh (2016), “Động lực học tay máy có khe hở khớp động”, Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí-Động lực 2016, Hà Nội 10/2016, Tập2, Tr 234-240 [6] Đỗ Đăng Khoa, Phan Đăng Phong, Vũ Đức Bình, Đỗ Sanh (2017), “Xác định động lực khớp động chuỗi đóng”, Hội nghị Cơ học tồn quốc lần thứ X, Hà Nội 12/2017 [7] Vu Duc Binh, Do Dang Khoa, Phan Dang Phong, Do Sanh (2018), “Program Motion of Unloading Manipulators”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Hà Nội 10/2018, Tập 56, số [8] Vu Duc Binh, Do Dang Khoa, Phan Dang Phong, Do Sanh, “Analysys of Manipulator Dynamics In Interaction With Environment”, (Đã gửi Tạp chí Khoa học Công nghệ chờ đăng) MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong 40 năm qua, robot cơng nghiệp có bước phát triển tiến hóa mạnh mẽ, hướng nghiên cứu robot chuyển từ robot công nghiệp sang phát triển robot dịch vụ đưa robot hòa nhập vào nhu cầu xã hội lồi người Theo dự báo vòng 20 năm tới, người có nhu cầu sử dụng robot cá nhân cần máy tính robot với trí tuệ nhân tạo xem trụ cột công nghiệp 4.0 với nhà máy thông minh doanh nghiệp thông minh, nhiều ứng dụng lĩnh vực khác đời sống Tại Việt Nam, việc tự chủ nghiên cứu, ứng dụng, cải tiến phát triển tay máy công nghiệp phù hợp với phương thức sản xuất, đáp ứng yêu cầu phát sinh trình sản xuất chưa nhiều, đặc biệt nghiên cứu khoa học động lực, tương tác động lực với môi trường nhằm giải toán tối ưu thiết kế điều khiển, giúp nâng cao độ xác điều khiển, độ tin cậy độ bền tay máy cơng nghiệp Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu động lực tay máy công nghiệp chịu tương tác lực từ môi trường” nhằm nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố động lực tương tác với môi trường, ảnh hưởng khe hở khớp động đến sai số làm việc, từ đề xuất giải pháp cải thiện thiết kế, điều khiển giúp nâng cao độ tin cậy, độ bền độ xác tay máy cơng nghiệp đem lại hiệu cao Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng sở khoa học để khảo sát chuyển động tay máy robot công nghiệp, nghiên cứu tính chất động học, động lực học điều khiển cánh tay robot công nghiệp Thiết lập biểu thức xác định sai số, khảo sát ảnh hưởng sai số chuyển động đến độ xác tay máy, thiết lập phương trình động lực học để điều khiển tay máy robot công nghiệp theo yêu cầu Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Robot công nghiệp: Robot bốc xếp, robot hàn, robot vận chuyển dây chuyền sản xuất có cấu trúc chuỗi động học hở nửa hở nửa kín - Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu động học, vấn đề động lực học phản lực khớp động, vấn đề đàn hồi tay máy, vấn đề khe hở khớp động + Khảo sát toán điều khiển chuyển động chương trình tay máy robot cơng nghiệp khơng có tác động mơi trường có tác động mơi trường Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiểm chứng qua mô Trên sở đối tượng nghiên cứu, xây dựng mơ hình tay máy cơng nghiệp, từ xây dựng mơ hình tính tốn hệ, sử dụng phương pháp ma trận truyền phương trình Lagrange dạng ma trận dựa Nguyên lý Phù hợp để thành lập phương trình điều khiển Các tính tốn thực nhờ chương trình máy tính lập trình phần mềm Matlab; Maple Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án - Ý nghĩa khoa học: + Xây dựng mơ hình khảo sát hệ chịu liên kết tay máy cơng nghiệp; + Thiết lập hệ phương trình chuyển động tay máy công nghiệp tồn khe hở khớp; + Thiết lập hệ phương trình tính tốn sai lệch chuyển động chương trình khảo sát ảnh hưởng chúng đến độ xác hoạt động thực tay máy chịu tác động từ môi trường - Ý nghĩa thực tiễn: + Qua việc mơ hình hóa động lực học tay máy, mơ q trình làm việc, đề xuất phương pháp “tích phân đầu hệ” để tối giản toán động lực học hệ; + Kết mô phỏng, việc giải toán động lực học hệ ứng dụng việc nâng cao độ xác, độ bền tay máy ngồi thực tế Những đóng góp luận án - Đề xuất phương án mơ hình hóa tay máy với khớp quay có khe hở; - Đề xuất phương án mơ hình hóa tay máy có khâu đàn hồi phương pháp khối lượng thu gọn độ cứng tương đương; - Thiết lập biểu thức xác định sai số động học khe hở khớp, biến dạng đàn hồi; - Thiết lập phương trình động học tay nắm đàn hồi tay nắm có khối lượng khơng có khối lượng - Đề xuất mơ hình lực tương tác khâu thao tác môi trường trường hợp phụ thuộc vào vận tốc Bố cục luận án Luận án gồm phần mở đầu, kết luận chương nội dung: Chương 1: Tổng quan tay máy công nghiệp Chương 2: Cơ sở lý thuyết khảo sát động học, động lực học tay máy công nghiệp Chương 3: Khảo sát động lực học tay máy ảnh hưởng sai số chuyển động đến độ xác tay máy Chương 4: Điều khiển tay máy cơng nghiệp Chương1 TỔNG QUAN VỀ TAY MÁY CƠNG NGHIỆP Trong chương này, luận án trình bày nét tay máy robot công nghiệp, phân loại tay máy robot cơng nghiệp, phân tích tương tác robot với mơi trường làm việc, phân tích nguyên nhân gây sai số tay máy robot q trình làm việc, phân tích tổng hợp tình hình nghiên cứu nước ngồi nước có liên quan đến nội dung nghiên cứu luận án, tìm hiểu phương pháp điều khiển robot Từ phân tích nhu cầu thực tiễn, tác giả chọn đề tài nội dung, phương pháp nghiên cứu cho luận án Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY CÔNG NGHIỆP 2.1 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học tay máy phương pháp ma trận truyền Để khảo sát động học robot ta sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, phương pháp thường áp dụng phương pháp tọa độ suy rộng phương pháp Denavit-Hatenberg (phương pháp DH) Hiện với phát triển tin học, cơng cụ máy tính sử dụng rộng rãi, phương pháp ma trận có nhiều ưu điểm việc khảo sát vấn đề động học, động lực học hệ, có vấn đề động học, động lực học tay máy Theo hướng này, luận án đề xuất sử dụng phương pháp ma trận truyền việc triển khai phương trình Lagrange loại II để khảo sát hệ động lực [8],[9] Đây hướng nghiên cứu sinh khai thác để khảo sát toán động học, động lực học tay máy robot luận án 2.1.1 Khảo sát động học tay máy phẳng Phương pháp ma trận truyền dựa sở biểu diễn mối liên hệ khâu qua hệ thống ma trận xác định Xét chất điểm chuyển động phẳng có tọa độ hệ tọa độ Oxy x = a, y = b hình 2.1 Vị trí hệ tọa độ xác định so với hệ tọa độ 0O0x0y, ta có hệ thức: x  u  a cos  bsin y  v  a sin  b cos (2.1) 0 Đưa vào ma trận t, 0r, r với cos  � � t  �sin  � �0  sin  u � � cos  v� 1� � (2.2) r� �x y 1� � ; r   a b 1 0 T T Khi ta có: r = tr (2.3) Đưa vào hai ma trận tịnh tiến tu, tv ma trận quay t có dạng: u� 0� cos   sin  � � � � � � � � � tu  � �; t v  � v� ; t  � sin  cos  � � � � � � �0 � 0 1� 0 1� 1� � � � (2.4) r t t t r u v  Khi (2.3) viết : (2.5) Biểu thức (2.5) tính tọa độ điểm M hệ trục tọa độ cố định theo tọa độ điểm M hệ trục Oxy o T v  �0 x& y&M � � Ma trận vận tốc điểm M có dạng: M � M o T 0 & a  �& x& y& 0� M � Ma trận vận tốc điểm M có dạng: M � M 2.1.2 Khảo sát động học tay máy khơng gian Tính tương tự tốn tay máy phẳng, ta tính tọa độ, vận tốc, gia tốc điểm cho tốn khơng gian 2.2 Cơ sở lý thuyết khảo sát động lực học tay máy 2.2.1 Phương pháp sử dụng Nguyên lý D’Alembert Xét khâu thứ k hệ quy chiếu cố định thể hình 2.5 Theo Nguyên lý D’Alembert, ta xác định hệ phương trình tĩnh động có dạng: R  �(Fke + Fki + Fkqt )  M  �rk (F + F + F )  e k i k qt k (2.32) (2.33) Theo nguyên lý D’Alembert, để thiết lập phương trình động lực học tay máy robot, ta tiến hành tách khâu liên kết, xác định lực tác dụng lên khâu áp dụng phương trình (2.32) (2.33) để giải tốn động lực học Tuy nhiên, việc phải tách liên kết thiết lập phương trình tĩnh động cho khâu phương pháp cho lời giải tương đối cồng kềnh với hệ gồm nhiều khâu liên kết, ngày thường sử dụng toán xác định lực sau xác định chuyển động 2.2.2 Phương pháp sử dụng Phương trình Lagrange loại II 2.2.2.1 Hệ với tọa độ suy rộng đủ Vị trí vật Mk (hình 2.5) xác định: rCk  rCk ( qi ); Bk (qi ) (2.34) Động hệ nhiều vật tính theo cơng thức: N N T  0.5�mk vCk T vCk  0.5�k T I k k k 1 (2.35) r r � r T Qi  �Fk k ;(i  1, n) ; Q   Q1 Qn  � qi k 1 Lực suy rộng không thế: k 1 N Thế hệ:  (q1 , q2 , , qn ) d � T � T  Q0  �  dt � q& � q � q Phương trình chuyển động hệ có dạng: 2.2.2.2 Hệ với tọa độ dư * Phương trình Lagrange dạng nhân tử Trong trường hợp tọa độ suy rộng tồn hệ thức gọi liên kết, chúng có dạng: f (q1 , q2 , , qn )  (2.39) Trong trường hợp thường sử dụng phương trình Lagrange dạng nhân tử: f d � T � T Q �   T � dt � q& � q � q � q Với phương pháp gặp khó khăn kích thước xử lý toán tăng lên phải đưa vào yếu tố ma trận  chưa biết, đặc biệt số phương trình liên kết nhiều * Phương trình dạng ma trận Phương trình chuyển động hệ viết dạng: & &= Q + Q qt + R Aq (2.40) Với R phản lực liên kết, tương tác học lên hệ � π Q = Q - ; Q qt  Q qt1  Q qt � q Với Q0 - lực suy rộng lực hoạt động;  - năng; Qqt1, Qqt2 xác định dựa vào ma trận A theo công thức: T qt T Q qt1  � Q 1qt1 Q2qt Qnqt1 � � �; Qi  0.5q&�i Aq&; N Q qt  ��i Aq&* ; q&*   q&& q&& qi n qi  i 1 (2.41) Khảo sát trường hợp hệ điều khiển: Giả sử hệ điều khiển để thực chương trình dạng (2.39) Trong trường hợp (2.39) gọi liên kết điều khiển (điều khiển chương trình) Để hệ thực chương trình điều khiển tác động lên hệ lực, dựa vào lý thuyết trình bày trên, lực liên kết tức 11 Trong đó: OK= 2(l1 + l3); OL = l1 + l3 Tay máy có ba bậc tự với tọa độ q1, q2, q3 q1, q2 tương ứng góc quay khâu OA xy lanh, q3 đoạn dịch chuyển pit tông CB xy lanh AD Để sử dụng phương pháp ma trận truyền, ba đại lượng q1, q2, q3 tọa độ Lagrange, ta thêm vào ký hiệu sau: dq dq dq d 2q d 2q d 2q q4 � ; q5 � ; q6 � ; q7 � 21 ; q8 � 22 ; q9 � 23 dt dt dt dt dt dt (3.8) Để tính ma trận quán tính A, ta sử dụng phương pháp ma trận truyền [6, 7, 8, 23] ta thiết lập ma trận t1, t2, t3, t11, t21, t31, r1, r2, r3, r, P1, P2, P3, P Giá trị ma trận thể rõ trọng luận án Vị trí điểm đặt C 1, C2, C3 khâu OA, AD, BC tải trọng M (trọng tâm) xác định theo công thức: r01 = t1r1 ; r02 = t1t r2 ; r03 = t1t t3r3 ; r0 = t1t t 3r (3.10) Thế  có dạng sau:   r01T P1 + r02T P2 + r03T P3 + r0T P  c(l0  q ) 2  [m1c1  (m2  m3  m)l1 ]g sin q2   [m2 c2  m3 c3  ml3  (m3  m)q3 ]g sin(q1  q2 )  c(l0  q ) 2 (3.11) Do lực suy rộng Q(0) ma trận lực điều khiển có dạng: Q (0) �� �   b1q1 � � q1 �� � M1 � � �� �  � �   b2q2 �; U  � M2� � � q � � �F � � � �� �    b3q3 � � q3 �� � (3.12) 12 Trong b1, b2, b3 hệ số cản nhớt Phương trình quỹ đạo di chuyển viết: f �l1 sin q1  (l3  q3 )sin(q1  q2 )  2(l1 cos q1  (l3  q3 )cos(q1  q2 ))  2(l1  l2 )  (3.14) Từ ta tính ma trận D Các lực suy rộng lực quán tính Q(1), Q(2) ma trận cỡ (3x1) tính theo cơng thức sau: T Q (1)  � Q1(1) Q2(1) Q3(1) � � � (1) (1) T Q1  0.5q D1 Aq; Q2  0.5qT D2 Aq; Q3(1)  0.5q T D3 Aq Q (2)  D1 Aq1*  D2 Aq*2  D3 Aq*3 (3.19) Phương trình chuyển động tay máy có dạng: �� q7 � Q1(0) � � Q1(1) � � Q1(*) � �M1 �� �a11 a12 a13 �� D31 �� D � � � � � (0) � � (1) � � (*) � � �� 31 �� � Q2 � � Q2 � � Q2 � �M �� � ��a12 a22 a23 ��q8 � � ��� D D 32 32 � �� � � (0) � � (1) � � (*) � � � � �F � �� Q3 � � Q3 � � Q3 � � �a13 a23 a33 � �� �q9 � � �� (3.21) Hệ phương trình (3.21) với phương trình (3.14) cho lời giải tốn đặt hệ phương trình vi phân-đại số Kết mô số: Sử dụng phần mềm Maple để mô số mơ hình tay máy thực với số liệu sau: l1= 0.5m, l3=1m, m1=1 kg, m2=1 kg, m3=1 kg, m= 10 kg, b1=0.15 N.m.s, b2=0.15 N.m.s, b3=0.25 N.m.s, c1=0 m, c2=0 m, c3=0.5 m,c=350 N/m, J1=0.02 kgm2, J2=0.01 kgm2, J3=0.05 kgm2, g=10 m/s2, l0=0 m, M1=2.5 Nm, M2=1.5 Nm, F=5 N Các điều kiện đầu chọn sau: q1(0) = rad, q2(0) = rad, q3(0) = m, q4(0) = rad/s, q5(0) = rad/s, q6(0) = m/s 13 Nhìn vào đồ thị hình 3.7, ta nhận thấy rằng, với phương pháp mà luận án sử dụng đáp ứng yêu cầu toán, tính tốn thơng số tay máy vật M di chuyển theo quỹ đạo chuyển động mà toán yêu cầu (di chuyển dọc theo đường KL) 3.2 Thiết lập phương trình động lực tay máy có khe hở khớp động Xét mơ hình tay máy hình 3.12, mơ hình khảo sát khe hở vòng lăn hình 3.13 14 3.2.1 Phương trình chuyển động Tay máy mơ hình dạng hai khâu, vị trí chúng xác định nhờ tọa độ (1, , 2, u) Chuyển động tay máy bị ràng buộc hai điều kiện Đó hai vòng tròn ln tiếp xúc với (khoảng cách tâm luôn không đổi r – r2) lăn khơng trượt Hệ chịu hai phương trình liên kết dạng: f1 �u  ( r1  r2 )  f �r1  r2  (3.25) Để thiết lập phương trình chuyển động tay máy, ta sử dụng phương trình chuyển động dạng: & Q (1)  Q(2)  Q (3)  R Aq& (3.26) Trong A - ma trận qn tính, ma trận vng, khơng suy biến, cỡ (4x4), Q(1) - ma trận (4x1) - ma trận lực suy rộng khơng có thế, Q(2), Q(3) tính từ ma trận quán tính, R - ma trận lực suy rộng phản lực liên kết liên kết (3.25) Sử dụng phương pháp ma trận truyền, ta tính yếu tố ma trận qn tính Phương trình vi phân chuyển động tay máy có dạng sau: & & D(Q (1) + Q (2) - Q (3) ) DAq (3.37) Hệ phương trình (3.37) phương trình liên kết (3.25) mơ tả chuyển động tay máy Nói cách khác, từ phương trình với điều kiện đầu cho: 1 (t0 )  10 ,&1 (t0 )  &10 ; (t0 )  0 ,&(t0 )  &0 ; u (t0 )  u0 , u&(t0 )  u&0 , 2 (t0 )  20 , &2 (t0 )  &20 ; ta tính được: 1(t), (t), 2(t), u(t) 3.2.2 Phản lực Việc tồn khe hở khớp nối xảy va đập tiếp xúc hai khâu Hiện tượng xảy phản lực pháp tuyến điểm tiếp xúc không Khi tồn điều kiện đồng nghĩa với điều kiện Ru  Điều kiện đảm bảo hai khâu khơng rời nhau, tức tiếp xúc Để xác định phản lực tiếp xúc Ru theo (3.26), tọa độ, vận tốc gia tốc tính hàm theo thời gian phản lực Ru tính sau: 15 (1) ( 2) (3) & & & & & Ru  a13& (t )  a23 (t )  a34 (t )  Q3 (t )  Q3 (t )  Q3 (t ) Các kết thể qua việc tính với số liệu sau: M1 = M0 sint; M2 = M0 cost ; l1 = 1.25m ; l2 = 0.5m ; m =1kg ; m2 = 0.5kg ; J1 = J2 = 0.1 kgm2 ; r1 = 0.0025m ; r2 = 0.00245m ; g = 10m/s2; c2 = 0.2m; c1 = 0;  = 0.005m; M0 = -1Nm;  = 2rad/s Kết thể hình vẽ sau: Hình 3.15 đồ thị góc quay 1 vận tốc góc D1 trường hợp khơng có khe hở ) Hình 3.16 đồ thị góc quay  vận tốc góc D trường hợp khớp có khe hở hai khâu tiếp xúc với 16 Hình 3.17 đồ thị góc quay 2 vận tốc góc D2 trường hợp khớp có khe hở hai khâu nối tiếp khơng tiếp xúc với Hình 3.18 đồ thị diễn tả trạng thái phản lực Ru có khe hở tiếp xúc 3.3 Thiết lập hệ phương trình động học tay máy có tay nắm đàn hồi Khảo sát tay máy phẳng hình 3.19 Để thiết lập phương trình * & & chuyển động Aq  Q  Q  Q ta sử dụng phương pháp ma trận truyền để tính ma trận quán tính A thành phần phương trình Q, Q0, Q* [47],[48] Hệ xác định tọa độ suy rộng độc lập (, , u, y), với , , y thể hình vẽ, u = AC 3.3.1 Trường hợp bỏ qua khối lượng tay nắm Chọn hệ trục tọa độ O0x0y0, O0  O, trục O0x0 theo phương ngang, trục O0y0 theo phương đứng hướng lên Các hệ trục vật có gốc O0, A C, trục x hướng dọc đường trục thanh, trục y chọn vng góc với trục x theo quy tắc tam diện thuận với trục x hướng từ Đưa vào ký hiệu sau: q1 � ; q2 � ; q3 �u; q4 �y; � &�q&1; &�q&2 ; u&�q&3 ; y&�q&4 Theo [47] ma trận truyền có dạng sau: cos q1  sin q1 0� cos q2  sin q2 l1 � q3 � � � � � � � � � t1  � sin q1 cos q1 0� ; t2  � sin q2 cos q2 �; t3  � � � � � � � � � 0 0 0 � � � � � � l3 � ��  sin q1  cos q1 � � � � � �� � t4;  �  y� ; r  �� ; t11  �cos q1  sin q1 � (3.49) �; � � �� � � 0 � �� 0� � �  sin q2  cos q2 � 0 1� 0 0� � � � � � � � � t 21  �cos q2  sin q2 �; t31  � 0 �; t41  � 0 1� ; � � � � 0� 0 0� 0 0� � � � � � � 17 Theo [48] ta tính yếu tố ma trận quán tính A Thế hệ tính theo biểu thức:   mg[l1 sin q1  q3 sin(q1  q2 )  l3 sin(q1  q2 )  q4 cos(q1  q2 )]  0.5c1 q12  0.5c q22  0.5c3 ( q3  l )  0.5c4 q42 ; (3.56) Phương trình chuyển động tay máy viết sau: PT 1: M 10   q&1  c1q1  mg[l1 cos q1  (q3  l3 )cos(q1  q2 )  q4 sin( q1  q2 )]  ml1[(l3 +q3 ) sinq  q4 cos q2 ]q&& 1q &&  2m(l3  q3  l1 cos q2 ) q&& q3  m( q4  l1 sin q2 ) q1 q4  mL1[(l3  q3 )sin q2  q4 cos q2 ]q&22 &&  2m[l3  q3  l1 cos q2 ]q&& q3  2m ( q4 +l1 sin q2 )q2 q4 ; PT : M 20   q&2  c2 q2  mg[(l3  q3 )cos( q1  q2 )  q4 sin(q1  q2 )] &&  ml1[(l3  q3 )sin q2  q4 cos q2 ]q&12  2m(l3  q3 ) q&& 1q2  mq4 q1q4 &&  2m(l3  q3 ) q&& q3  mq4 q2 q4 ; PT 3: F0   q&3  mg sin(q1  q2 )  c3 ( q3  l ))  m(l3  q3  l1 cos q2 )q&12  2m(l3  q3 )q&& q2 (3.57) && &2  2mq&& 1q4  mq2 q4  m (l3  q3 ) q2 ; && PT : mg cos(q1  q2 )  c4 q4  m(q4  l1 sin q2 ) q&  mq4 q1 q2 &2 &&  2mq&& q3  mq4 q2  mq2 q3 Kết mô Sử dụng phần mềm Maple để mô với số liệu đầu vào sau m  kg ; M 10  0.2 Nm; M 20  0.5 Nm; F0  7.5 N; J1  kgm ; J  kgm ; c3  125 N / m; l1  0.3 m; l  0.15 m; l3  0.5 m;   0.01Nm/ s;   0.01Nm/ s;   0.05 Ns/ m; g  10 m/ s ; E  6,626.1010 N / m ; I  1,14197.10 8 m Điều kiện đầu vào: q1 (0)  0.0rad , q2 (0)  0.0rad , q3 (0)  0.0rad , q4 (0)  0.0rad , q&1 (0)  0.0rad / s, q&2 (0)  0.0rad / s, q&3 (0)  0.0, q&4 (0)  0.0rad / s Kết mơ thể hình đây: 18 Hình 3.22 Đồ thị góc quay tay nắm có đàn hồi Các đồ thị thể đoạn dịch chuyển u chuyển vị y đẩy CD, trường hợp khơng tính tới khối lượng vật nặng M Từ đồ thị cho thấy dao động CD điểm đầu D tương ứng với vật M trình di chuyển cấu tay máy, chu kỳ dao động vật nặng M ngắn nhiều so với CD 3.3.2 Trường hợp kể đến khối lượng tay nắm Trong trường hợp kể đến khối lượng tay nắm, ta thay khối lượng bổ sung vào khối lượng m với khối lượng bổ sung tính theo giả thiết động tương đương [52], ví dụ, trường hợp tay máy có dạng thẳng, mặt cắt ngang không đổi, hệ số qui đổi khối lượng (tương đương) tính theo cơng thức: x ( ) dx l3 �  l km   , (3.58) x chuyển vị điểm đặt tải điểm đặt Trong phân tố dx chịu tác dụng tĩnh tải: Từ hệ phương trình (3.57) xác định chuyển động tay máy ứng với điều kiện đầu : q1 (0)  q10 ; q2 (0)  q20 ; q3 (0)  q30 , q4 (0)  q 40 q&1 (0)  q&10 ; q&2 (0)  q&20 ; q&3 (0)  q&30 ; q&4 (0)  q&40 (3.61) Kết tích phân hệ phương trình (3.57) với điều kiện đầu (3.61) cho ta: q1(t), q2(t), q3(t), q4(t) (3.62) Kết mô 19 Sử dụng phần mềm Maple để mô với số liệu đầu vào sau: m  kg ; M 10  0.2 Nm; M 20  0.5 Nm; F0  7.5 N; J1  kgm ; J  kgm ; c3  125 N / m; l1  0.3 m; l  0.15m; l3  0.5m;   0.01Nm/ s;   0.01Nm/ s;   0.05 Ns/ m; g  10 m/ s ; E  6,626.1010 N / m ; I  1,14197.10 8 m ; m0  0.75kg Điều kiện đầu vào: q1 (0)  0.0rad , q2 (0)  0.0rad , q3 (0)  0.0rad , q4 (0)  0.0rad , q&1 (0)  0.0rad / s, q&2 (0)  0.0rad / s, q&3 (0)  0.0, q&4 (0)  0.0rad / s Hình 3.21 Đồ thị góc quay tay nắm khơng có đàn hổi Các đồ thị hình 3.21 thể đoạn dịch chuyển u chuyển vị y đẩy CD, trường hợp xét tới khối lượng vật nặng M Từ đồ thị cho thấy dao động CD điểm đầu D tương ứng với vật M qua trình di chuyển cấu tay máy, chu kỳ dao động vật nặng M ngắn nhiều so với CD 3.4 Khảo sát động lực tay máy tương tác với môi trường Tay máy robot dùng công việc bốc xếp để di chuyển vật từ vị trí đến vị trí định trước theo quỹ đạo mong muốn, toán giải theo phương pháp điều khiển chương trình, xem chương trình liên kết lý tưởng Tay máy sử dụng cơng việc khác gia cơng khí, lau chùi cửa kính, robot mát xa, y tế , Đối với loại toán nhiều trường hợp bỏ qua tương 20 tác môi trường Trong trường hợp tổng quát cần kể đến ảnh hưởng tương tác từ môi trường Đây toán phức tạp gặp phải toán chuyển động với liên kết không lý tưởng mà học chưa có phương pháp tổng quát để giải Trong phần này, luận án giải cho trường hợp riêng lực tương tác mô tả phụ thuộc vào vận tốc điểm tiếp xúc mà không phụ thuộc vào phản lực pháp tuyến điểm tiếp xúc 3.4.1 Xây dựng phương trình chuyển động tay máy có tương tác lực mơi trường 3.4.1.1 Phương trình chuyển động hệ với liên kết vật chất Khảo sát hệ vị trí xác định qua m tọa độ suy rộng, chuyển động bị ràng buộc r liên kết dạng: f (t , q1 , q2 , qm )  0;   1, r (3.73) Xét trường hợp liên kết (3.73) có tương tác với mơi trường qua phản lực liên kết Ttrong trường hợp liên kết (3.73) lý tưởng, phương trình chuyển động viết dạng ma trận [9, 58, 59] & D(Q + Q qt ) DAq& (3.74) & q& Trong đó: A - ma trận qn tính cỡ (mxm); - ma trận gia tốc suy rộng, cỡ (mx1); Q - ma trận cỡ (mx1) lực suy rộng lực gồm lực phát động, lực có thế, lực cản nhớt; Qqt - ma trận cỡ (mx1) tính từ ma trận quán tính A; D - ma trận hệ số biểu thức biểu diễn gia tốc theo gia tốc độc lập nhờ hệ phương trình liên kết (3.73), tức ma trận D cỡ ( x m) với  = m – r số gia tốc độc lập Trong trường hợp liên kết (3.73) thuộc loại không lý tưởng, phương trình (3.74) cần thay phương trình: & D(Q + Q qt + Q c ) DAq& (3.77) Trong Qc lực suy rộng lực cản từ môi trường tác động lên hệ, lực tiêu hao lượng hệ chuyển động (tiêu hao cơng), phụ thuộc vào tính chất vật lý mơi trường tiếp xúc Phương trình (3.77) với phương trình (3.73) mơ tả chuyển động hệ có tương tác (liên kết vật chất) với mơi trường 21 3.4.1.2 Xây dựng mơ hình mơ lực cản mơi trường Đại lượng Qc có tính chất cản chuyển động từ môi trường lên hệ, nên việc xây dựng lực Qc dựa yếu tố gây cản chuyển động Có hai yếu tố cản chuyển động Yếu tố thứ thành phần phản lực pháp tuyến (cản lún), yếu tố gây cản vùng tiếp xúc có biến dạng (vì tiêu hao công) yếu tố thứ hai thành phần phản lực tiếp tuyến (cản trượt) độ nhám (độ nhấp nhô bề mặt tiếp xúc), hay lực hấp dẫn phân tử bề mặt tiếp xúc) [10] Để viết phương trình chuyển động tay máy có chuyển động phù hợp với liên kết yêu cầu, ta sử dụng phương trình trình bày [9, 59, 60] &- D(Q + Q qt + Q c ) = DAq& m m � f �2 f �2 f �2 f & & && & q  q q  q  0 j j � � qi �q j i j � qj q j� t � t2 i 1 � i , j 1 � i 1 � m (3.88) Chuyển động hệ xem xét mô tả hệ phương trình (3.88) với điều kiện đầu cho Khảo sát động lực tay máy hình 3.24 Yêu cầu tay máy điểm cuối C piston phải di chuyển theo đường nghiêng KL có phương trình: y = ax – a(l1 + l3) (3.89) Kết mô phỏng: Số liệu đầu vào: l1 = 0,5 m; l2 = m; l3 = m; m1 = 1kg; m2 = 1kg; m3 = 1kg; c1 = 0; c2 = 0; c3 = 0,5; k = 650 N/m; J1 = kgm2; J2 = 0,1 kgm2; J3 = 0,1 kgm2; l0 = 0,1 m; M1 = 7,5 Nm; M2 = 0,5 Nm; F = 100 N; b1 = 0,1 Nms; b2 = 0,1 Nms; b3 = Ns/m; µ = 0,05 Ns/m ; α = Các điều kiện đầu chọn sau: 1 (0)  rad ; 2 (0)  rad; u (0)  m; &1 (0)  rad/s; &2 (0)  rad/s; u&(0)  0m / s 22 Hình 3.25 Đồ thị góc quay q1, q2 dịch chuyển q3 piston Hình 3.26 Đồ thị vận tốc góc D(q1), D(q2) vận tốc D(q3) Đồ thị hình 3.25 cho thấy dao động piston trình di chuyển cấu quanh vị trí cân Đồ thị hình 3.27 minh họa kết nhận qua thí dụ tay máy ba bậc tự qua đồ thị minh họa kết đáng ý: sai số quỹ đạo đạt sai lệch khoảng 10-7 Kết luận chương Luận án đề xuất phương pháp giải toán điều khiển cho tay máy robot khớp động chuỗi hở nửa kín nửa hở theo quỹ đạo cho trước dựa ý tưởng hệ cần thực “quỹ đạo di chuyển cho” tích phân đầu hệ Luận án đề xuất mơ hình lực cản từ mơi trường lên khâu thao tác tay máy Đối vấn đề khe hở khớp quan tâm không từ quan điểm độ bền mà quan trọng độ xác Trong luận án xây dựng mơ hình khảo sát hệ chịu liên kết mà việc thực liên kết đảm bảo điều kiện không xảy va đập Chương ĐIỀU KHIỂN CÁC TAY MÁY CÔNG NGHIỆP 23 Trong thực tế điều khiển tự động hóa khơng thể tránh khỏi sai số, điều khiển chương trình kết nhận với chương trình yêu cầu Trong sử dụng phương pháp từ luận án đề xuất điều giảm thiểu đáng kể buộc chương trình u cầu tích phân đầu hệ phương trình chuyển động Tuy nhiên, số lĩnh vực, ví dụ lĩnh vực y tế, yêu cầu cao nên cần thiết phải quan tâm đến vấn đề Một giải pháp cho tốn sử dụng phương pháp điều khiển trượt Đây phương pháp điều khiển biết đến giải pháp điều khiển đơn giản có độ tin cậy cao Phương trình điều khiển viết dạng ma trận sau: &+ V(q,q)+ & G(q) M = Aq& q&  q&1 q&2 q&3  ; M   M1 M T M  (4.12) T ; G  JF ; F  � F T F� y� �x Trong đó: Để thuận lợi cho việc sử dụng thuật toán điều khiển cho tay máy khâu quay cần đưa phương trình động lực (2.43) dạng (4.12) Mơ robot công cụ Matlab Simulink mô tả hình 4.5 Các thơng số mơ sau: Chiều dài khâu: l1 = 0.2 m; l2 = 0.2 m; l3 = 0.1 m; Vị trí khối tâm: c1 = 0.0635 m; c2 = 0.07475 m; c3 = 0.06067 m; Khối lượng khâu: m1 = 4.08 kg; m2 = 2.34 kg; m3 = 0.73 kg; Mô men quán tính: J1 = 0.031 kg.m2 ; J2 = 0.013 kg.m2 ; J3 = 0.0013 kg.m2 Mô men cản: b1 = N.m.s ; b2 = N.m.s ; b3 = N.m.s; Khối lượng tải m = kg; Gia tốc trọng trường g = 9.8 m/s2 Kết minh họa 24 Kết luận chương Luận án xây dựng mơ hình tay máy để tiến hành thử nghiệm với hai hệ thống điều khiển hệ thống điều khiển PD bù trọng lực hệ thống điều khiển trượt Kết thử nghiệm phân tích, so sánh chứng tỏ sử dụng hai hệ thống điều khiển kết (vị trí khâu thao tác cuối tay máy robot) đạt yêu cầu Tuy nhiên, với phương pháp điều khiển trượt việc bám quỹ đạo lý thuyết khâu diễn nhanh mượt nhiều so với phương pháp PD bù trọng lực 25 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận án khảo sát toán điều khiển tay máy thực chuyển động chương trình yêu cầu, khảo sát vấn đề động lực yêu cầu, sai số tính tốn, tác nghiệp (vấn đề khe hở, vấn đề đàn hồi tay nắm, vấn đề tương tác với môi trường,…) biện pháp khắc phục (một số phương pháp điều khiển,…) Về vấn đề động học robot, luận án sử dụng phương pháp ma trận truyền, sử dụng nguyên lý phù hợp…, xem “chương trình u cầu tích phân đầu hệ phương trình chuyển động tay máy” để xây dựng phương trình chuyển động cho tay máy robot điều khiển Kết kiểm chứng thông qua mơ số Chương trình tự động thiết lập giải tốn động học lập trình ngơn ngữ thơng dụng Luận án tính tốn phản lực khớp động động lực tác động lên hệ, chịu tác nhân q trình chuyển động điều kiện làm việc chúng bị thay đổi so với u cầu đề tính tốn thiết kế Vì việc xác định phản lực động lực có ý nghĩa khơng giúp cho q trình tính tốn thiết kế mà giúp kiểm sốt q trình vận hành Luận án đưa mơ hình khảo sát tay máy bốc xếp viết phương trình điều khiển chuyển động, sử dụng phần mềm để kiểm chứng Các khảo sát luận án tập trung vào vấn đề động lực điều khiển chương trình tay máy Một cố gắng tác giả khảo sát tốn thuộc liên kết khơng lý tưởng Trong thời kỳ cơng nghiệp 4.0 việc nghiên cứu, ứng dụng phát triển robot vào sản xuất việc làm có ý nghĩa thực tế lớn Một số kiến nghị Cần mở rộng nghiên cứu để điều khiển nhiều loại robot hơn, đặc biệt robot làm việc lĩnh vực kỹ thuật công nghệ để giúp nâng cao suất lao động Khảo sát toán ổn định hóa, tối ưu hóa chuyển động tay máy Mở rộng khảo sát động học động lực học tay máy không gian Cần nghiên cứu thực nghiệm để đưa nghiên cứu vào ứng dụng thực tế ... tay máy công nghiệp Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu sinh chọn đề tài Nghiên cứu động lực tay máy công nghiệp chịu tương tác lực từ môi trường nhằm nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố động lực tương. .. quan tay máy công nghiệp Chương 2: Cơ sở lý thuyết khảo sát động học, động lực học tay máy công nghiệp Chương 3: Khảo sát động lực học tay máy ảnh hưởng sai số chuyển động đến độ xác tay máy Chương... khiển tay máy công nghiệp Chương1 TỔNG QUAN VỀ TAY MÁY CÔNG NGHIỆP Trong chương này, luận án trình bày nét tay máy robot công nghiệp, phân loại tay máy robot công nghiệp, phân tích tương tác robot