Tính toán và thiết kế mô hình robot ứng dụng trong gia công bề mặt phẳng

Nội dung đề tài trình bày đầy đủ các vấn đề cần tính toán và thiết kế mô hình robot ứng dụng trong gia công bề mặt phẳng. Vui lòng liên hệ email linhnh.ptgmail.com để có đầy đủ dữ liệu. File bạn nhận được sẽ gồm file 3D, các bản vẽ 2D, code tính toán động học, động lực học, code tính lực tĩnh học, thiết kế bộ đièu khiển PID.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ HỌC ỨNG DỤNG - - TÍNH TỐN THIẾT KẾ ROBOT Đề tài: Tính tốn thiết kế mơ hình robot ứng dụng gia công phay bề mặt phẳng Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Phan Bùi Khơi Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm Nguyễn Văn Hội - 20161763 Nguyễn Phương Linh - 20162437 Nguyễn Hoàng Linh - 20162429 Mã lớp học: 115841 Hà Nội, 2020 Lời mở đầu Hiện khoa học kỹ thuật phát triển nhanh, mang lại lợi ích cho người tất lĩnh vực sống Để nâng cao đời sống nhân dân hòa nhập với phát triển chung giới, Đảng nhà nước ta đề mục tiêu đưa đất nước lên thành nước cơng nghiệp hóa, đại hóa Để thực mục tiêu ngành cần quan tâm phát triển ngành khí nói chung ngành điện tử nói riêng đóng vai trị quan trọng việc sản xuất thiết bị cơng cụ (máy móc, robot ) ngành kinh tế Muốn thực việc phát triển ngành khí cần đẩy mạnh đào tạo đội ngũ cán kĩ thuật có trình độ chun mơn đáp ứng yêu cầu công nghệ tiên tiến, công nghệ tự động hóa theo dây chuyền sản xuất Đóng góp vào phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghiệp, tự động hóa đóng vai trị vơ quan trọng Vì cơng nghệ tự động hóa cần phải đầu tư phát triển mạnh mẽ Trong cơng nghiệp nói chung, việc máy móc tự động dần thay người trở thành xu tất yếu Nhằm tạo hệ thống điều khiển cho robot công nghiệp phục vụ công việc nghiên cứu đưa vào thực tiễn giúp nâng cao suất lao động Nội dung đề tài nhóm thiết kế mơ hình robot ứng dụng gia cơng phay mặt phẳng Bài tiểu luận nhóm trình bày vấn đề đến việc lựa chọn cấu trúc robot, thiết kế mơ hình 3D, xây dựng tốn động học, thiết kế quỹ đạo, tính tốn tĩnh học, tính tốn động lực học xây dựng hệ thống điều khiển cho robot Trong thực đề tài khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận đóng góp Thầy bạn để nhóm sửa chữa khắc phục Cuối nhóm sinh viên xin trân thành cảm ơn bảo tận tình Thầy - PGS TS Phan Bùi Khơi giúp nhóm em học nhiều điều giúp em hồn thành tốt đề tài mơn học Xin trân trọng cảm ơn! Nhóm sinh viên thực Nhóm Bảng phân cơng nhiệm vụ STT Họ tên MSSV Nhiệm vụ Mức độ hoàn thành Xếp loại Nguyễn Hoàng Linh - Khảo sát động học thuận, động học ngược - Tính tốn tĩnh học 20162429 - Tính tốn động lực học - Tính tốn tĩnh học - Tổng hợp, viết báo cáo 100% A Nguyễn Văn Hội - Thiết kế quỹ đạo chuyển động - Thiết kế hệ thống 20161763 điều khiển - Thiết kế mơ hình 3D 100% A - Phân tích lựa chọn cấu trúc - Tính tốn tĩnh học Nguyễn Phương Linh 20162437 - Thiết kế hệ dẫn (Nhóm trưởng) động - Kiểm nghiệm độ bền 100% A Đánh giá Mục lục Chương 1: Phân tích lựa chọn cấu trúc 1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot 1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác 1.3 Xác định đặc trưng kỹ thuật 1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc khâu khớp, phân tích, chọn lựa phương án thực Chương 2: Thiết kế 3D mơ hình robot 12 2.1 Thiết kế 3D 12 2.2 Lập vẽ 2D 12 Chương 3: Thiết kế quỹ đạo chuyển động 15 3.1 Khảo sát động học thuận, động học ngược 15 3.1.1 Khảo sát động học thuận 15 3.1.2 Khảo sát động học ngược 21 3.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động robot 21 3.2.1 Thiết kế quỹ đạo 22 3.2.2 Tính tốn mơ quỹ đạo chuyển động robot 24 Chương 4: Phân tích trạng thái tĩnh 29 Chương 5: Tính tốn động lực học 37 5.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot 37 5.2 Tính tốn động lực học ngược 40 Chương 6: Thiết kế hệ thống dẫn động 41 6.1 Thiết kế hệ thống dẫn động 41 6.3 Chọn động phù hợp 47 6.4 Tính chọn hộp giảm tốc 48 6.5 Thiết kế 3D kiểm nghiệm bền khâu Robot 48 Chương Thiết kế hệ thống điều khiển 54 7.1 Cơ sở lý thuyết 54 7.2 Mô MATLAB 56 Chương 8: Kết luận 61 Danh mục hình ảnh Hình 1: Một số loại mặt phẳng gia công khí Hình 2: Không gian thao tác robot TTT Hình 3: Cấu trúc robot RRT Hình 4: Cấu trúc robot RTT 10 Hình 5: Cấu trúc robot TTT 10 Hình 1: Mơ hình robot gia công mặt phẳng 12 Hình 2: Kích thước khâu đế 12 Hình 3: Kích thước khâu 13 Hình 4: Kích thước khâu 13 Hình 5: Kích thước khâu 14 Hình 1: Quy ước đặt hệ trục toạ độ theo phương pháp Danevit-Hatenberg .16 Hình 2: Các trục robot xác định theo quy tắc D-H 17 Hình 3: Đồ thị quỹ đạo x, y, z điểm cuối tác động 20 Hình 4: Đồ thị quỹ đạo 3D điểm cuối tác động 20 Hình 5: Kích thước phơi cần gia cơng 22 Hình 6: Quỹ đạo chuyển động chu trình phay mặt phẳng 27 Hình 7: Đồ thị toạ độ x, y, z suốt chu trình 27 Hình 8: Đồ thị vận tốc Vx, Vy, Vz suốt trình 28 Hình 9: Đồ thị Ax, Ay, Az suốt trình 28 Hình 1: Kết cấu ổ đỡ 41 Hình 2: Catalog vít me bi hãng TBI 44 Hình 3: Ổ bi đỡ dãy d=12-22 44 Hình 4: Catalog ổ bi 45 Hình 5: Sơ đồ lực dọc trục 45 Hình 6: Bảng thông số động 48 Hình 7: Bảng thơng số khớp nối 48 Hình 8: Ứng suất khâu đế 50 Hình 9: Ứng suất khâu 50 Hình 10: Ứng suất khâu 51 Hình 11: Ứng suất khâu 51 Hình 12: Chuyển vị khâu đế 52 Hình 13: Chuyển vị khâu 52 Hình 14: Chuyển vị khâu 53 Hình 15: Chuyển vị khâu 53 Hình 1: Sơ đồ khối điều khiển Robot 56 Hình 2: Mơ hình hoá Robot Matlab & Simulink 57 Hình 3: Sơ đồ khối điều khiển PD 57 Hình 4: Sơ đồ bên khối lực điều khiển 58 Hình 5: Sơ đồ khối Robot 58 Hình 6: Sơ đồ khối Scope 59 Hình 7: Đồ thị đáp ứng hệ toạ độ điểm thao tác E 59 Hình 8: Sơ đồ vận tốc điểm thao tác 60 Danh mục bảng Bảng 1: Các tham số động học Denavit - Hatenberg 17 Bảng 2: Bảng tham số động học Denavit - Hatenberg cho robot TTT 17 Bảng 3: Toạ độ điểm trình gia công 23 Bảng 4: Thời gian gia cơng cho q trình 24 Bảng 5: Các thông số kỹ thuật vật liệu 49 Chương 1: Phân tích lựa chọn cấu trúc 1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot Robot ngày ứng dụng nhiều gia cơng khí có nhiều ưu điểm kỹ thuật kinh tế Số bậc tự do, cấu trúc khâu khớp nhiều khả chuyển động thao tác robot linh hoạt Robot cơng nghiệp có cấu trúc nối tiếp đạt nhiều thành tựu qua thập kỷ, lĩnh vực áp dụng sơn, hàn, lắp ráp…Theo Hiệp hội Robot quốc tế, số lượng robot sử dụng công nghiệp ngày tăng mạnh, theo thống kê năm 2018 cho thấy sản lượng robot tiêu thụ công nghiệp giới từ năm 2015 đến năm 2017 tăng thêm khoảng 310,000 đơn vị robot năm Số lượng robot ứng dụng gia công khí (tiện, phay, mài, …) chiếm khoảng 73,7% Quá trình ứng dụng robot gia cơng khí (tiện, phay, mài, đánh bóng, cắt…) nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Trong ngun cơng phay mặt phẳng nguyên công quan trọng gia cơng khí u cầu kỹ thuật bao gồm độ phẳng độ nhám bề mặt Tuy rằng, việc gia cơng thực máy phay CNC, giá đầu tư cho máy CNC tốn giá đầu tư cho robot công nghiệp Ưu điểm robot cơng nghiệp dễ thiết đặt cấu hình sử dụng, gia cơng với nhiều loại dụng cụ, dễ dàng gá lắp Việc gia công robot mang đến suất cao, giảm giá thành sản xuất, gia cơng xác u cầu kỹ thuật Với xu áp dụng tự động hóa vào trình sản xuất để cao suất hiệu kinh tế sản phẩm, nhóm em xin thực thiết kế robot phay mặt phẳng với mục đích thay máy phay truyền thống Robot sử dụng khâu trình tự động hóa sản xuất, giúp q trình sản xuất diễn liên tục, tiết kiệm thời gian chất lượng sản phẩm đảm bảo 1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác a Đối tượng thao tác, dạng thao tác - Đối tượng thao tác loại mặt phẳng cần gia cơng phơi Có thể mặt phẳng ngang, mặt phẳng song song – vuông góc, mặt bậc, mặt phẳng nghiêng Trong phạm vi học phần nhóm em xin lựa chọn gia cơng phay mặt phẳng nằm ngang - Dạng thao tác: Dao phay ln vng góc với mặt phẳng phơi suốt q trình gia cơng Phân tích u cầu vị trí - Vị trí phơi phải nằm vùng hoạt động robot Hình 1: Một số loại mặt phẳng gia cơng khí a, Mặt phẳng ngang b, Mặt phẳng vng góc – song song c, Mặt bậc d, Mặt phẳng nghiêng b Yêu cầu hướng khâu thao tác - Dao phay có phương thẳng đứng, vng góc với bàn máy mặt phẳng phơi suốt q trình gia cơng c Yêu cầu vận tốc, gia tốc thao tác - Chuyển động dao phay có vận tốc khơng đổi, gia tốc không - Vận tốc gia tốc lựa chọn tùy thuộc vào loại vật liệu làm phôi, loại dao gia công bề mặt gia công d Yêu cầu không gian thao tác Hình 2: Khơng gian thao tác robot TTT 1.3 Xác định đặc trưng kỹ thuật a Số bậc tự cần thiết - Để thực trình gia cơng phay khơng gian, robot tối thiếu cần bậc tự đủ để đáp ứng khả linh hoạt b Vùng làm việc với tới robot - Chưa có số liệu c Yêu cầu tải trọng 1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc khâu khớp, phân tích, chọn lựa phương án thực a Các phương án thiết kế Để gia công phay mặt phẳng, ta cần robot phải bao quát tất điểm mặt phẳng, khâu cuối chứa dao phải vng góc với bàn máy Để đáp ứng u cầu ta cần phải thiết kế robot bậc tự Phương án 1: ❖ Cấu trúc robot gồm khớp quay quanh trục Z khớp chuyển động tịnh tiến lên xuống theo chiều trục Z ❖ Ưu điểm: - Robot chiếm diện tích sử dụng - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo - Dễ kiểm sốt thao tác Hình 3: Cấu trúc robot RRT ❖ Nhược điểm: - Không tận dụng tối đa không gian làm việc robot - Không đảm bảo tính liên tục gia cơng phay Với mục tiêu biến hệ thành hệ khối lượng đơn vị với τ thành phần đầu vào α, β chọn:  = M (q)     = C ( q, q ) q + G ( q ) + Q Sau chọn α, β phương trình cịn lại là: q = ' Chúng ta lại tham số cuối cần chọn để thu hệ khối lượng đơn vị  ' = qd + Kv(qd − q) + Kp(qd − q) Trong giá trị đầu vào quy luật vị trí, quy luật vận tốc, quy luật gia tốc mong muốn tính tốn phần thiết kế quỹ đạo: qd (t )  qd (t ) q (t )  d Và hệ số Kv, Kp ma trận đường chéo vuông cấp n (n số tham số động học mơ hình robot), phần sau xem xét chi tiết việc chọn hệ số Kv, Kp theo điều kiện ràng buộc mục tiêu toán Ta tìm biểu thức đặc trưng cho hệ điều khiển vịng kín robot: E + KvE + KpE = Với:  E = qd − q   E = qd − q E = q − q d  Hệ phương trình bao gồm phương trình độc lập, ma trận Kv, Kp ma trận đường chéo, phương trình viết riêng cho khớp: ei + kvi ei + k pi ei = Theo lí thuyết dao động kĩ thuật, nhìn vào phương trình ta nhận xét phương trình dao động tự có cản, ứng xử hệ thống phụ thuộc vào hệ số kvi kpi Trong mục tiêu đưa đáp ứng hệ sát với giá trị mong muốn tốt, khoảng thời gian đạt đáp ứng nhanh tốt Do đó, giá trị nghiệm hướng tới trường hợp nghiệm kép, giá trị thực, trường hợp gọi trường hợp tới hạn kd = k p 55 Từ nội dung trình bày phía ta xây dựng sơ đồ khối mơ hình Robot sau: Mơ hình điều khiển robot PD+Force: M (q)q + C (q, q)q + G (q) + Q = U Hình 1: Sơ đồ khối điều khiển Robot Sơ đồ thực mơ tả phương trình động lực học Robot Các tín hiệu đầu vào qd , qd , qd tín hiệu vị trí, vận tốc gia tốc Qua khối để ghép lại thành phương trình động lực học Sau tín hiệu đầu vị trí vận tốc phản hồi để điều chỉnh cho phù hợp thông qua điều khiển xây dựng Từ sơ đồ nhận thấy điều khiển hệ thống không gian khớp theo thời gian Tín hiệu đặt tín hiệu phản hồi tương ứng với khớp (vị trí, vận tốc, gia tốc) 7.2 Mơ MATLAB Sau tính tốn, thiết lập phương trình, ma trận từ việc giải tốn động học thuận, động học ngược, phương trình vi phân chuyển động robot, nhóm thực xây dựng khối mơ hình Sử dụng phần mềm MATLAB & Simulink, để thực viết chương trình liệt kê phần phụ lục, khối mô hình như: khối Robot, khối chutrinh, khối TinhF, khối donghocnguoc khối Simulink 56 Hình 2: Mơ hình hố Robot Matlab & Simulink Hình 3: Sơ đồ khối điều khiển PD 57 Hình 4: Sơ đồ bên khối lực điều khiển Hình 5: Sơ đồ khối Robot 58 Hình 6: Sơ đồ khối Scope Hình 7: Đồ thị đáp ứng hệ toạ độ điểm thao tác E 59 Hình 8: Sơ đồ vận tốc điểm thao tác 60 Chương 8: Kết luận Qua tập lớn, nhóm hiểu rõ bước, quy trình để thiết kế sản phẩm robot ứng dụng hoạt động sản xuất công nghiệp Hiểu việc đặt toán, xác định đầu vào đầu ra, mục đích phần học học phần robotics để ứng dụng vào thiết kế cụ thể Mơ hình robot tính tốn thơng số kích thước, khối lượng, quỹ đạo chuyển động, tĩnh học, động lực học, hệ thống điều khiển…phù hợp với mục tiêu ứng dụng gia công mặt phẳng Tương lai hồn thiện thiết kế để triển khai sản phẩm thực tế Là bước để phục vụ cho đồ án tốt nghiệp sau Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến PSG TS Phan Bùi Khôi ThS Nguyễn Văn Quyền hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, giải đáp thắc mắc để nhóm em hồn thành tập lớn này! 61 Danh mục tài liệu tham khảo [1] Bài giảng Robotics, PGS TS Phan Bùi Khôi, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [2] Cơ sở Robot công nghiệp, GS TSKH Nguyễn Văn Khang, NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Robot công nghiệp, GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc, NXB Khoa học Kỹ thuật [4] Bài giảng Robotics, PGS TS Nguyễn Quang Hoàng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [5] Kỹ thuật Robot, GS TS Đào Văn Hiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật 62 Phụ lục Chương trình đoạn thẳng song song với trục x: function [f]= quydaobac3_x(A, B, T0, Te,t) x0 = A(1) ; y0 = A(2) ; z0 = A(3); xe = B(1) ; ye = B(2) ; ze = B(3); a1 = 0; a0 = x0; a2 = -(3*(x0-xe))/(T0^2-2*T0*Te+Te^2); a3 = -(2*(x0-xe))/(T0^3-3*T0^2*Te+3*T0*Te^2-Te^3); %pt x(t) Vx(t) ax(t) x = a0 +a1*(t-T0) +a2*(t-T0)^2 +a3*(t-T0)^3; Vx = a1 +2*a2*(t-T0)+3*a3*(t-T0)^2; ax = 2*a2 +6*a3*(t-T0); %pt y(t) Vy(t) ay(t) y = ((ye-y0)/(xe-x0))*(x-x0)+y0; Vy = Vx*(ye-y0)/(xe-x0); ay = ax*(ye-y0)/(xe-x0); %pt z(t) Vz(t) az(t) z = ((ze-z0)/(xe-x0))*(x-x0)+z0; Vz = Vx*(ze-z0)/(xe-x0); az = ax*(ze-z0)/(xe-x0); %ham E=[x;y;z]; vE=[Vx;Vy;Vz]; aE=[ax;ay;az]; f=[E;vE;aE]; Chương trình đoạn thẳng song song với trục y: function [f]= quydaobac3_y(A, B, T0, Te,t) x0 = A(1) ; y0 = A(2) ; z0 = A(3); xe = B(1) ; ye = B(2) ; ze = B(3); a1 = 0; a0 = y0; a2 = -(3*(y0-ye))/(T0^2-2*T0*Te+Te^2); a3 = -(2*(y0-ye))/(T0^3-3*T0^2*Te+3*T0*Te^2-Te^3); %pt y(t) Vy(t) ay(t) y = a0 +a1*(t-T0) +a2*(t-T0)^2 +a3*(t-T0)^3; Vy = a1 +2*a2*(t-T0)+3*a3*(t-T0)^2; ay = 2*a2 +6*a3*(t-T0); %pt x(t) Vx(t) ax(t) x = ((xe-x0)/(ye-y0))*(y-y0) +x0; Vx = Vy*(xe-x0)/(ye-y0); ax = ay*(xe-x0)/(ye-y0); %pt z(t) Vz(t) az(t) z = ((ze-z0)/(ye-y0))*(y-y0) +z0; 63 Vz = Vy*(ze-z0)/(ye-y0); az = ay*(ze-z0)/(ye-y0); %ham E=[x;y;z]; vE=[Vx;Vy;Vz]; f=[E;vE;aE]; aE=[ax;ay;az]; Chương trình đoạn thẳng song song với trục z: function [f]= quydaobac3_z(A, B, T0, Te,t) x0 = A(1) ; y0 = A(2) ; z0 = A(3); xe = B(1) ; ye = B(2) ; ze = B(3); a1 = 0; a0 = z0; a2 = -(3*(z0-ze))/(T0^2-2*T0*Te+Te^2); a3 = -(2*(z0-ze))/(T0^3-3*T0^2*Te+3*T0*Te^2-Te^3); %pt z(t) Vz(t) az(t) z = a0 +a1*(t-T0) +a2*(t-T0)^2 +a3*(t-T0)^3; Vz = a1 +2*a2*(t-T0)+3*a3*(t-T0)^2; az = 2*a2 +6*a3*(t-T0); %pt y(t) Vy(t) ay(t) y = ((ye-y0)/(ze-z0))*(z-z0)+y0; Vy = Vz*(ye-y0)/(ze-z0); ay = az*(ye-y0)/(ze-z0); %pt x(t) Vx(t) ax(t) x = ((xe-x0)/(ze-z0))*(z-z0)+x0; Vx = Vz*(xe-x0)/(ze-z0); ax = az*(xe-x0)/(ze-z0); %ham E=[x;y;z]; vE=[Vx;Vy;Vz]; aE=[ax;ay;az]; f=[E;vE;aE]; Chương trình cho đoạn thẳng có vận tốc biến đổi theo quy luật hình thang: function f = quydaothang(A, B, S, Vmax, T0, Te,t) x0 = A(1); y0 = A(2); z0 = A(3); xe = B(1); ye = B(2); ze = B(3); dau = (ze-z0)/abs(ze-z0); Ttra = (Te-T0-(abs(ze-z0)-2*S)/Vmax)/2; T1 = T0 + Ttra; T2 = Te - Ttra; a0 = z0; a1=0; a2 = dau*Vmax/(T1-T0); b1 = dau*Vmax; b0 = (ze - dau*S - b1*(T2-T0)); c2= dau*Vmax/(T2-Te); c1=-c2*(Te-T0); c0=ze-a1*(Te-T0)a2*(Te-T0)^2/2; %pt z(t) Vz(t) az(t) 64 if (T0