Mô hình hóa động lực học và điều khiển robot gia công phay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hà Thanh Hải MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT GIA CÔNG PHAY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2020 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hà Thanh Hải MƠ HÌNH HĨA ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT GIA CƠNG PHAY Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Phan Bùi Khôi PGS.TS Hoàng Vĩnh Sinh Hà Nội – 2020 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất nội dung luận án “Mơ hình hóa động lực học điều khiển robot gia công phay” thực hướng dẫn tập thể cán hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi PGS.TS Hồng Vĩnh Sinh Các kết nêu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố cơng trình nghiên cứu nào! Hà Nội, thán năm 2020 ngày g Người hướng dẫn Khoa học Người hướng dẫn Khoa học Nghiên cứu sinh PGS.TS Phan Bùi Khơi PGS.TS Hồng Vĩnh Sinh Hà Thanh Hải i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn dạy, tạo điều kiện giúp đỡ quí báu quí thầy cô Bộ môn Gia công vật liệu Dụng cụ công nghiệp, Bộ môn Cơ học ứng dụng, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nơi nghiên cứu sinh học tập nghiên cứu q trình hồn thành luận án Tiếp đến, nghiên cứu sinh xin cảm ơn nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, bảo, đóng góp ý kiến cho nghiên cứu sinh để nghiên cứu sinh hồn thành luận án Luận án khơng thể hồn thành khơng có dạy, hướng dẫn tận tình, quý giá thầy hướng dẫn Sự hướng dẫn mệt mỏi thầy giúp nghiên cứu sinh vượt qua nhiều khó khăn, nhiều giới hạn để hồn thành luận án Nghiên cứu sinh xin bày tỏ cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Phan Bùi Khơi, PGS.TS Hồng Vĩnh Sinh dành nhiều công sức hướng dẫn nghiên cứu sinh suốt trình nghiên cứu Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, đồng nghiệp Trường Cao đẳng cơng trình thị, động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện giúp đỡ nghiên cứu trình nghiên cứu Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin dành biết ơn tới vợ, con, bố, mẹ, người thân gia đình động viên, chia sẻ, hi sinh lớn lao để nghiên cứu sinh hoàn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2020 NGHIÊN CỨU SINH Hà Thanh Hải ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .6 1.1 Tổng quan gia cơng khí robot cơng nghiệp 1.1.1 Sự phát triển gia công khí robot cơng nghiệp 1.1.2 Ưu việc gia cơng khí robot 1.1.3 Những vấn đề gia cơng khí robot cơng nghiệp .9 1.2 Cơ sở động học, động lực học tạo hình gia cơng phay 10 1.2.1 Cơ sở động học phay tạo hình bề mặt chi tiết 10 1.2.2 Các thông số động học trình cắt phay 10 1.2.3 Tổng quan lực cắt phương pháp xác định lực cắt phay 14 1.2.3.1 Tổng quan mơ hình xác định lực cắt phay .15 1.2.3.2 Các thành phần lực cắt gia công phay 15 1.3 Cơ sở động lực học gia công phay robot 20 1.3.1 Sự cần thiết khảo sát động lực học robot gia công 20 1.3.2 Phương trình động lực học tổng quát robot 20 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học robot gia cơng .21 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước mơ hình hóa động lực học điều khiển robot gia công phay 21 1.5 Các vấn đề nghiên cứu luận án 23 Kết luận chương 24 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC TẠO HÌNH CỦA ROBOT TRONG GIA CƠNG CƠ KHÍ 26 2.1 Cơ sở động học gia cơng tạo hình bề mặt 26 2.1.1 Cơ sở động học tạo hình bề mặt tự dụng cụ 26 2.1.2 Phương pháp tạo hình bề mặt tự 28 2.2 Cơ sở thực động học tạo hình robot gia cơng 28 2.2.1 Đặc trưng hình học dụng cụ 28 2.2.2 Đặc trưng hình học bề mặt gia cơng 28 2.2.3 Phương pháp tam diện trùng theo 28 2.3 Động học thiết kế quỹ đạo chuyển động robot .29 2.3.1 Động học robot gia cơng khí 29 2.3.2 Giải toán động học 33 iii 2.3.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo yêu cầu thao tác công nghệ 36 2.4 Khảo sát số toán cụ thể 39 Kết luận chương 56 CHƯƠNG ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG 57 3.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot 57 3.1.1 Ma trận khối lượng suy rộng hệ robot- bàn máy 58 3.1.2 Lực suy rộng lực Coriolis lực ly tâm 59 3.1.3 Lực suy rộng lực tác dụng lên robot 59 3.1.4 Lực suy rộng của lực không 59 3.1.5 Lực suy rộng lực dẫn động 61 3.2 Các mơ hính tính lực cắt 63 3.3 Bài toán động lực học hệ robot – bàn máy gia cơng khí 66 3.4 Bài toán xác định phản lực liên kết khớp 67 3.5 Bài tốn hiệu chỉnh tính tốn lực cắt trình hệ robot – bàn máy thực gia công phay 68 3.6 Khảo sát số toán cụ thể 70 Kết luận chương 97 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TRONG GIA CÔNG 99 4.1 Điều khiển hệ robot – bàn máy gia công 100 4.1.1 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot gia công phay 100 4.1.2 Điều khiển động lực học ngược + PD không gian khớp cho hệ robot - bàn máy 102 4.1.3 Điều khiển động lực học ngược kết hợp với vòng ngồi PD khơng gian thao tác cho hệ robot - bàn máy 104 4.2 Điều khiển hệ robot - bàn máy không gian khớp dựa động lực học ngược + PD + Hiệu chuẩn tính tốn lực cắt 105 4.2.1 Cấu trúc điều khiển động lực học ngược + PD + Hiệu chuẩn tính tốn lực cắt 105 4.2.2 Thuật tốn hiệu chuẩn tính tốn lực cắt 106 4.3 Điều khiển mờ cho hệ robot – bàn máy gia công 106 4.3.1 Cơ sở điều khiển mờ 107 4.3.2 Bộ điều khiển mờ cho gia công phay 108 4.4 Khảo sát số toán cụ thể 112 Kết luận chương 133 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 137 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 PHỤ LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu v D n Sz Sv Sph h0 h B Z a amin amax atb i b Fdt Nz fi Diễn giải Tốc độ cắt Đường kính dao phay Số vòng quay dao Lượng chạy dao Lượng chạy dao vòng Lượng chạy dao phút Chiều sâu cắt Chiều sâu phay Chiều rộng phay Góc tiếp xúc Số dao phay Chiều dày cắt Chiều dày cắt nhỏ Chiều dày cắt lớn Chiều dày cắt trung bình Góc tiếp xúc tức thời Chiều rộng cắt Góc nghiêng lưỡi cắt góc nâng lưỡi cắt Diện tích phay Đơn vị m/ph mm v/ph mm/rg mm/vg mm/ph mm mm mm độ mm mm mm độ mm độ độ mm F tb Số đồng thời tham gia cắt lớp cắt Diện tích cắt thứ i cắt Diện tích cắt trung bình phay F Ft Fr Fz Fx Fy pi q Mz yp xp qp Lực cắt tổng Lực tiếp tuyến (lực vòng) Lực hướng tâm (lực hướng kính) Lực chiều trục (lực theo phương z) Lực nằm ngang (lực theo phương x) Lực thẳng (lực theo phương y) Lực tiếp tuyến tác dụng lên thứ i lực cắt đơn vị N/mm Mô men xoắn cắt dao Nmm Số mũ ảnh hưởng lượng chạy dao Số mũ ảnh hưởng chiều sâu phay to đến lực cắt F t Số mũ ảnh hưởng D đến Ft dt v mm mm N N N N N N N St Ex a(t) as(t) ad(t) R i Góc vào dao Góc dao chiều dày phoi cắt chiều dày tĩnh dao chuyển động chiều dày động dao rung động Bán kính dao phay Góc vị trí thứ i tham gia cắt Chu kỳ chuyển động Góc xoắn (góc nghiêng cạnh cắt dao) Góc kề Ftra,i Vector biểu diễn lực cắt, tiếp tuyến, hướng tâm hướng trục cho thứ i cắt Ft,i Lực tiếp tuyến i cắt Fr,i Lực hướng tâm i cắt Fa,i Lực chiều trục i cắt Kc Vector hệ số hệ số lực cắt tiếp tuyến, hướng tâm hướng trục cho mơ hình lực tuyến tính Ktc Hệ số lực cắt tiếp tuyến cho mơ hình lực tuyến tính Hệ số lực cắt hướng tâm cho mơ hình lực tuyến tính Krc Kac Hệ số lực cắt chiều trục cho mơ hình lực tuyến tính Ke Vector hệ số hệ số lực cắt theo phương tiếp tuyến, hướng kính hướng trục mơ hình lực cắt tuyến tính Kte Hệ số lực cắt theo phương tiếp tuyến với mơ hình lực tuyến tính Kre Hệ số lực cắt theo phương hướng kính với mơ hình lực tuyến tính Kae Hệ số lực cắt theo phương hướng trục với mơ hình lực tuyến tính Kt hệ số lực cắt theo hướng tiếp tuyến cho mô hình lực phi tuyến Kr hệ số lực cắt theo hướng tâm cho mơ hình lực phi tuyến hệ số lực cắt theo hướng trục cho mơ hình lực phi tuyến Ka Fxyz,tool Vector biểu diễn lực cắt theo phương x, y, z Ti( i) Ma trận chuyển đổi hệ trục từ hệ trục tra sang hệ trục xyz (z) Góc lệch hướng tâm Góc hợp lực dFri với trục dao Ma trận biến đổi tọa độ nhất, biểu diễn vị trí i-1Ai hướng tọa độ Oixiyizi hệ tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1 T Ma trận chuyển vị ma trân A A vi độ độ mm mm mm mm độ độ độ N N N N N/mm N/mm N/mm N/mm N/mm N/mm N/mm N/mm N/mm N/mm N độ độ θi di i cij i-1Ci r i-1 i Ai Ci ri f(q,p) p q qi p q p q Jq Jp J 1q J1 Góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục x’i (x’i// xi) Khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gốc tọa độ Oi-1 chuyển đến Hi-1, giao điểm trục xi trục zi-1 Khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục xi để Hi-1 chuyến đến gốc tọa độ Oi Góc quay quanh trục xi cho trục z’i-1 (z’i-1// zi-1) chuyển đến trục zi Phần tử hàng thứ i cột thứ j ma trận Ma trận côsin hướng hệ tọa độ Oixiyizi hệ tọa độ Oi-1xi-1yi-1zi-1 Vector biểu diễn vị trí tọa độ gốc Oi hệ tọa độ Oi1xi-1yi-1zi-1 Ma trận biểu diễn vị trí hướng cho hệ tọa độ Oixiyizi hệ tọa độ sở O0x0y0z0 Ma trận côsin hướng hệ tọa độ Oixiyizi hệ tọa độ sở O0x0y0z0 Vector biểu diễn vị trí tọa độ gốc Oi hệ tọa độ O0x0y0z0 Hệ phương trình động học dạng ma trận Vector định vị tọa độ thao tác dụng cụ cắt Vector tọa độ khớp Vị trí khớp i robot Vector vận tốc dụng cụ cắt Vector vận tốc khớp robot độ, rad Vector gia tốc dụng cụ cắt m/s rad/s , m/s Vector gia tốc khớp robot mm mm độ, rad mm m rad, m rad, m m/s rad/s, m/s Ma trận Jacobian hàm f với biến q Ma trận Jacobian hàm f với biến p Ma trận nghịch đảo ma trận Jq Ma trận nghịch đảo ma trận Jp p J q Đạo hàm ma trận Jacobian Jq theo thời gian t p Đạo hàm ma trận Jacobian Jp theo thời gian t Hành trình lớn robot thực theo phương j J Hj vr L Vận tốc tương đối dụng cụ đối tượng gia công Tổng chiều dài gia công ứng với hành trình Lj vii mm m/s mm t_ Hj t A Ci Ci C i CT i rCi M(q) mi vCi i ω i JTi JRi ci ci (q, q) (k,l;j) Gq gj U g i Q Fc Mc Thời gian gia cơng ứng với hành trình Lj Khoảng di chuyển bàn máy cần thực theo phương j Thời gian gia công Ma trận biểu diễn vị trí hướng khâu i (hệ tọa độ Cixciycizci) (i = 1,2,…,n) hệ tọa độ sở O0x0y0z0 Ma trận cosin hướng khâu i hệ tọa độ sở O0x0y0z0 Ma trận đạo hàm ma trận Ci Ma trận chuyển vị ma trận Ci Vector xác định vị trí khối tâm khâu i hệ tọa độ sở O0x0y0z0 Ma trận khối lượng suy rộng Khối lượng khâu i Vận tốc khối tâm khâu i hệ tọa độ O0x0y0z0 Vận tốc góc khâu thứ i robot hệ tọa độ O0x0y0z0 Tốn tử sóng vector vận tốc góc thứ i Ma trận Jacobi vector tọa độ khối tâm khâu i theo vector tọa độ khớp Ma trận Jacobi vector vận tốc góc khâu i theo vector đạo hàm tọa độ khớp Ten xơ quán tính khâu i khối tâm Ci biểu diễn hệ tọa độ khối tâm khâu i Vector lực suy rộng lực quán tính Coriolis quán tính ly tâm tác dụng lên robot Ký hiệu Christofel số loại Vector lực suy rộng ứng với lực bảo tồn (lực có thế) Lực suy rộng lực bảo toàn ứng với tọa độ suy rộng qj Vector lực suy rộng lực dẫn động Thế hệ robot Gia tốc trọng trường Lực dẫn động ứng với khớp i khớp tịnh tiến ngẫu lực ứng với khớp quay Vector lực suy rộng lực khơng (lực cắt, lực ngồi khơng thế…) Vector lực cắt Vector mô men cắt viii s mm s mm kg m/s rad/s rad/s J m/s N N PL1.8 Sơ đồ thuật giải toán điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngồi PD khơng gian thao tác Hình Sơ đồ thuật giải toán điều khiển động lực học ngược kết hợp vòng ngồi PD khơng gian thao tác PL1.9 Sơ đồ thuật giải toán điều khiển mờ a Sơ đồ thuật giải tốn điều khiển mờ Hình Sơ đồ thuật giải toán điều khiển mờ 10 PL2 Xác định thông số động học động lực hệ robot – bàn máy PL2.1 Các thông số động học hệ robot - bàn máy PL2.1.1 Các thông số động học đặc điểm kỹ thuật robot Robot thiết kế theo mẫu robot gia cơng khí hãng Asea Brown Boveri: Robot thiết kế theo mẫu robot IRB 6660205/1.9 a Bộ thơng số kích thước hình học robot Hình 10 Thơng số kích thước hình học robot b Đặc tính kỹ thuật robot Bảng Thơng số kỹ thuật robot Tầm với (m) 1,93 Khả Trọng tâm Số trục Độ lặp lại tải robot robot vị trí (kg) (mm) (mm) +15 375 0,01 205 Robot chịu thêm 500kg thân Khối lượng robot (kg) 2383 Bảng Thông số chuyển động Trục Phạm vi di chuyển làm việc 0 Trục 1: -180 đến + 180 0 Trục 2: -42 đến + 85 0 Trục 3: -20 đến + 120 0 Trục 2-3: 20 đến 160 0 Trục 4: -300 đến + 300 0 Trục 5: -120 đến + 120 0 Trục 6: -360 đến + 360 Mô men xoắn lớn khớp 4, 5, 11 Tốc độ làm việc tối đa trục 130 /s 130 /s 130 /s 150 /s 120 /s 190 /s Trục 4: Trục 5: Trục 6: 1177 Nm 1177 Nm 620 Nm Bảng Thông số kỹ thuật điện cho robot Điện áp, tần số Công suất robot 200 600 V, 50/60 Hz 3,8 kW Bảng Chú thích kích thước hình 10 Diễn giải kích thước Kích thước (A) Kích thước lên đến 750 mm (B) Phạm vi làm việc tối đa (C) Phạm vi làm việc tối đa c Phạm vi làm việc robot thao tác cơng nghệ Hình 11 Phạm vi làm việc robot thao tác công nghệ Bảng Phạm vi làm việc robot Số vị trí A B C D E F G H K Vị trí (mm) X 1193 575 751,5 632,2 793,3 1932,4 1579,6 1043,4 997,3 Z 1794,5 1903,2 1162,7 351,1 -37,9 914,8 1833 2083,2 -60,4 12 Góc (°) Trục -42 -42 50 85 85 50 85 Trục -20 28 120 120 15 -20 -20 107,4 Robot thiết kế theo mẫu robot IRB 7600500/2.55 a Bộ thơng số kích thước hình học robot Hình 12 Thơng số kích thước hình học robot b Đặc tính kỹ thuật robot Bảng Thông số kỹ thuật robot Tầm với (m) Khả Trọng tâm Số trục Độ lặp lại Khối lượng tải robot robot vị trí robot (kg) (mm) (mm) (kg) 2,55 500 360 0,01 4229 Robot chịu thêm 55kg cánh tay, 550kg khung robot trục Bảng Thông số chuyển động Bảng Trục Phạm vi di chuyển làm việc 0 Trục 1: +180 đến -180 0 Trục 2: +85 đến - 60 0 Trục 3: +60 đến -180 0 Trục 4: +300 đến -300 0 Trục 5: +100 đến -100 0 Trục 6: +300 đến -300 Mô men xoắn lớn khớp 4, 5, Trục 4: 2990 Nm Trục 5: 2990 Nm Trục 6: 1354 Nm Tốc độ làm việc tối đa trục 75 /s 50 /s 55 /s 100 /s 100 /s 160 /s Bảng Thông số kỹ thuật điện cho robot Điện áp, tần số 200 600 V, 50/60 Hz Công suất robot 3,4 kW c Phạm vi làm việc robot thao tác công nghệ 13 Hình 13 Phạm vi làm việc robot thao tác cơng nghệ PL2.1.2 Các thơng số hình học bàn máy Hình 14 Các thơng số động học bàn máy phay thân bơm thủy lực Hình 15 Các thơng số động học bàn máy phay cánh tuabin 14 PL2.2 Các thông số động lực học hệ robot - bàn máy xác định qua phần mềm thiết kế Autodesk Inventor Professional Thông số động lực học robot thiết kế theo mẫu robot IRB 6660205/1.9 a Khâu robot Hình 16 Các thông số động lực học khâu robot b Khâu robot Hình 17 Các thơng số động lực học khâu robot c Khâu robot Hình 18 Các thơng số động lực học khâu robot 15 d Khâu robot Hình 19 Các thông số động lực học khâu robot e Khâu robot Hình 20 Các thơng số động lực học khâu robot f Khâu robot Hình 21 Các thơng số động lực học khâu robot 16 Thông số động lực học robot thiết kế theo mẫu robot IRB 7600500/2.55 a Khâu robot: Hình 22 Các thơng số động lực học khâu robot b Khâu robot: Hình 23 Các thơng số động lực học khâu robot c Khâu robot: Hình 24 Các thông số động lực học khâu robot 17 d Khâu robot: Hình 25 Các thơng số động lực học khâu robot e Khâu robot: Hình 26 Các thơng số động lực học khâu robot Thông số động lực học bàn máy a Bàn máy B (Khâu hệ robot - bàn máy) Hình 27 Các thơng số động lực học bàn máy B 18 b Bàn máy d (Khâu hệ robot - bàn máy) Hình 28 Các thơng số động lực học bàn máy D PL3 Bản vẽ chi tiết gia công Hình 29 Thân bơm thủy lực 19 Hình 30 Cánh tuabin Hình 31 Mẫu khn đúc 20 Hình 32 Mẫu khn đúc Hình 33 Thân bơm thủy lực 21 Hình 34 Mẫu đúc trượt Hình 35 Thân đế 22 Hình 36 Mẫu đúc thân bơm thủy lực 23 ... CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT TRONG GIA CÔNG 99 4.1 Điều khiển hệ robot – bàn máy gia công 100 4.1.1 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot gia công phay 100 4.1.2 Điều khiển động lực học ngược... thiết kế điều khiển để điều khiển robot thực xác thao tác công nghệ Các điều khiển áp dụng cho robot điều khiển truyền thống điều khiển PD, PID, điều khiển động học ngược, điều khiển đại điều khiển. .. trình động lực học tổng quát robot 20 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến động lực học robot gia công .21 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước mơ hình hóa động lực học điều khiển robot gia