BÁO CÁO ĐỒ ÁN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT THIẾT KẾ ROBOT SƠN TƯỜNG

Dựa trên đặc điểm của vệt sơn ta có yêu cầu về hướng và vị trí của khâu thao tác. Yêu cầu về hướng: Để lớp sơn đều trên toàn bộ vệt sơn, khâu thao tác có hướng sao cho đầu phun luôn luôn vuông góc với mặt tường cần sơn. Yêu cầu về vị trí: Để đảm bảo bề rộng của vệt sơn thì khâu thao tác có vi trí sao cho đầu phun luôn cách mặt tường một khoảng cố định.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC

BÁO CÁO KT LẬP TRÌNH ROBOT CN

ĐỀ TÀI: Tính toán, lập trình robot Harmo

Nguyễn Duy Khánh 20132064 CĐT02 58

Bảng phân công nhiệm vụ

+ Tổng hợp làm thuyết minh báo cáo

90%3

Nguyễn Tiến Dũng

20125059 + Bài toán động lực

học

+Thiết kế hệ thống điều khiển

+ Tổng hợp làm thuyết minh báo cáo

90%

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay khoa học kỹ thuật đang phát triển rất nhanh, mang lại nhữnglợi ích cho con người về tất cả những lĩnh vực trong cuộc sống Để nângcao đời sống nhân dân và hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới,Đảng và nhà nước ta đã đề ra những mục tiêu đưa đất nước đi lên thànhmột nước công nghiệp hóa hiện đại hóa Để thực hiện điều đó thì một trongnhững ngành cần quan tâm phát triển nhất đó là ngành cơ khí nói chung và

cơ điện tử nói riêng vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra cácthiết bị công cụ ( máy móc, robot ) của mọi ngành kinh tế

Muốn thực hiện việc phát triển ngành cơ khí cần đẩy mạnh đào tạo độingũ cán bộ kĩ thuật có trình độ chuyên môn đáp ứng yêu cầu của công nghệtiên tiến, công nghệ tự động hóa theo dây chuyền sản xuất Đóng góp vào

sự phát triển nhanh chóng của nền khoa học công nghiệp, tự động hóa đóngvai trò vô cùng quan trọng Vì vậy công nghệ tự động hóa được đầu tư vàphát triển một cách mạnh mẽ

Trong công nghiệp hiện nay nói chung, việc máy móc tự động dầnthay thế con người đang trở thành xu thế tât yếu Nhằm tạo ra một hệ thốngđiều khiển cho robot công nghiệp phục vụ công việc và nghiên cứu và đưavào thực tiễn giúp nâng cao năng suất lao động Chúng em đã thiết kế hệthống điều khiển cho robot sơn tường.Trong khi làm bài không tránh khỏinhững sai sót Rất mong được những đóng góp của các thầy và các bạn đểchúng em sửa chữa, khắc phục và làm tốt hơn trong những lần sau

Cuối cùng chúng em xin trân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của

thầy Phan Bùi Khôi đã giúp em học được rất nhiều điều và hoàn thành

môn học này

Hà Nội, ngày 25/12/2016

Nhóm 9

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ROBOT 6

1 Khái niệm vê Robot công nghiệp 6

2 Phân loại Robot công nghiệp 6

2.1 Phân loại theo kết cấu 6

2.2 Phân loại theo điều khiển 6

2.3 Phân loại theo ứng dụng 7

3 Ứng dụng của Robot công nghiệp 7

PHẦN II PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ROBOT 10

1 Phân tích đối tượng cần sơn 10

1.1.Đối tượng sơn 10

1.2.Công nghệ sơn 10

2 Các phương pháp sơn tường 10

2.1.Phương pháp sơn sử dụng con lăn 10

2.2.Phương pháp sơn sử dụng đầu phun 10

3 Lựa chọn thiết kế Robot 11

3.1.Yêu cầu về hướng và vị trí 11

3.2 Phân tích lựa chọn số bậc tự do 11

3.3.Đề xuất các phương án thiết kế 12

PHẦN III GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC 15

1 Động học thuận 15

2 Động học ngược (Inverse Kinematics) 21

PHẦN IV TÍNH TOÁN LỰC 22

1 Bài toán 22

2 Phương trình khảo sát 22

3 Tính toán cụ thể 23

3.1 Xét khâu 3 24

3.2 Xét khâu 2 26

3.3 Xét khâu 1 28

PHẦN V TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 31

1 Động lực học thuận 31

1.1 Xây dựng các tham số động lực học 31

1.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 34

2 Động lực học ngược 39

CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 43

1 Thiết kế cơ cấu động học 43

2.Tính toán lựa chọn trục vít me bi 43

2.1 Vít me – đai ốc bi 43

2.2.Thông số đầu vào: 44

2.3 Tính toán lực dọc trục 45

2.4 Tính toán tốc độ vòng trung bình của động cơ 48

2.5 Chế độ làm việc của máy với các trục 48

2.6 Tính toán tải trọng động Ca 49

2.7 Chọn bán kính trục vít 50

2.8 Chọn vít me bi 51

2.9 Kiểm tra sơ bộ 53

2.10 Tính tải trọng tới hạn của trục vít 54

3.Tính toán lựa chọn ổ bi 55

3.1.Kiểm nghiệm độ bền với trục Z0 60

3.2 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z1 61

3.3 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z2 62

4 Tính chọn động cơ 64

4.1 Thông số kỹ thuật 64

4.2.Tính chọn động cơ 64

5 Tính chọn ray dẫn hướng 66

5.1.Ray dẫn hướng (linear guide) 66

5.2 Tiến trình tính toán 68

PHẦN VI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 73

1 Cơ sở lí thuyết 73

2 Mô phỏng trên phần mềm Matlab 76

2.1 Mô hình Robot 76

2.2 Khối tín hiệu đặt 78

2.3 Bộ điều khiển PD 79

2.4 Khối Lực/Mô-men điều khiển 81

2.5 Khối sai số e của q và q 81

2.6 Các khối hiển thị kết quả 82

Tài liệu tham khảo 87

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1 Khái niệm vê Robot công nghiệp

Theo Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất:

Robot công nghiệp là tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình

và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành cácnhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu,chi tiết, sản phẩm, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác

Theo định nghĩa của GHOST 25686-85 như sau:

Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, bao gồm cơcấu chấp hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và hệ thốngđiều khiển theo chương trình, có thể lập trình linh hoạt để thực hiện cácthao tác trong quá trình sản xuất

Vậy ta có thể định nghĩa tổng quát như sau:

Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, được tíchhợp từ nhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm:

- Cơ cấu chấp hành

- Hệ thống dẫn động

- Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt

- Hệ thống thông tin giám sát

Nhờ vậy robot công nghiệp có khả năng thao tác tự động linh hoạt, bắtchước được các chức năng lao động công nghiệp của con người

2 Phân loại Robot công nghiệp

Ở thời điểm hiện nay, nền công nghiệp phát triển với tốc độ chóngmặt, vì vậy chúng ta có thể dễ dàng nhận ra sự hiện diện của Robot đặc biệt

là ở những nước phát triển

Trong công nghiệp hiện nay chúng ta có thể phân loại Robot công nghiệpnhư sau:

2.1 Phân loại theo kết cấu.

Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân Robot thành các loại:

đề các, trụ, cầu, Sacara, kiểu tay người, robot nối tiếp hoặc song song vàcác dạng khác nữa

2.2 Phân loại theo điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển robot: Điều khiển hở và Điều khiển kín

ü Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ

thủy lực, khí nén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ vớixung điều khiển Kiểu này đơn giản nhưng cho độ chính xác thấp

ü Điều khiển kín: (điều khiển kiểu servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị

trí để tăng độ chính xác điều khiển Có hai kiểu điều khiển servo:Điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour)

 Kiểu điều khiển điểm-điểm: phần công tác dịch chuyển từ điểm

này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ không cao Kiểuđiều khiển này thường được dùng trên các Robot hàn điểm, vậnchuyển, tán đinh và bắn đinh

 Điều khiển contour: đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo

quỹ đạo bất kì, với tốc điều khiển được Có thể gặp kiểu điềukhiển này trên các Robot hàn hồ quang và phun sơn

2.3 Phân loại theo ứng dụng

Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của Robot Ví dụ, có Robotcông nghiệp, Robot dùng trong nghiên cứu khoa học, Robot dùng trong kĩthuật vũ trụ, Robot dùng trong lĩnh vực quân sự

3 Ứng dụng của Robot công nghiệp

Trên thế giới:

Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiềutrong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năngsuất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nângcao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện laođộng, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thôngminh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt

Có thể kể đến một số ứng dụng điển hình của robot trên thế giới như:Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB 660 FlexPalletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker Các robot này có thểgắp lần lượt các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và đặt nó vào thùng gồm 20hộp một cách chính xác

Robot dùng trong công nghệ ép phun nhựa: IRB 6650 của hãng ABB

có thể thao tác nhanh, dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở vị trí táchkhuôn, giám sát, làm sạch, điều khiển chất lượng dựa trên camera

Tại Việt Nam:

Nước ta ứng dụng của robot công nghiệp rất đa đạng, tùy vào nhữngnghành, công việc khác nhau mà ta có thể áp dụng những robot côngnghiệp riêng biệt Dưới đây là một số nghành trong hệ thống sản xuất mà

Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường baogồm nhiều công việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làm việc khá nặng

nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập

Trong những năm gần đây thì việc áp dụng các loại robot vào dâychuyền sản xuất ngày càng phổ biến Ví dụ như các loại robot hàn, robotphun sơn, hay các robot lắp ráp Nhiều công việc đòi hỏi độ chính xác cao

vì vậy robot được sử dụng một cách phổ biến Trong các môi trường côngviệc độc hại, người ta sử dụng robot để thay cho con người

Dưới đây là một số hình ảnh robot ứng dụng trong công nghiệp và đờisống:

Hình 1.1 Robot hàn trong dây chuyền sản xuất ôtô

Hình 1.2 Robot lắp ráp trong dây chuyền sản xuất ôtô

PHẦN II PHÂN TÍCH CẤU TRÚC ROBOT

1 Phân tích đối tượng cần sơn

1.1.Đối tượng sơn

 Đối tượng được đề cập ở đây là

tường phẳng Sau khi hoàn

thiện thi công xây dựng, đợi

cho tường khô người ta mới

tiến hành sơn

 Để lớp sơn bám chặt vào tường,

bề mặt tường được làm sạch bởi

 Chiều dày lớp sơn dao động trong khoảng 0,4mm đến 0,6mm

2 Các phương pháp sơn tường

Hai phương pháp sơn được sử dụng phổ biến hiện nay:

2.1.Phương pháp sơn sử dụng con lăn

 Ưu điểm: Kết cấu của con lăn

đơn giản và giá thành rẻ

 Nhược điểm: Vệt sơn không đều

Do đầu lăn tiếp xúc với tường

nên sinh ra ngoại lực tác dụng

lên robot, nếu tường không

phẳng việc lập trình cho robot

đúng vị trí sẽ khó khăn Việc cấp

sơn cho đầu lăn khó khăn Hình 2.2 Phương pháp lăn sơn tay

2.2.Phương pháp sơn sử dụng đầu phun

 Ưu điểm: Lớp sơn đều, chiều dày lớp

sơn thay đổi được nhờ điều chỉnh lưu

lượng sơn, do đầu sơn không tiếp xúc

với tường nên cũng giảm được ngoại

lực tác dụng lên robot Cấp sơn dễ

dàng nhờ hệ thống cấp sơn tự động

Năng xuất phương pháp này cao hơn

sử dụng con lăn

 Nhược điểm: do đầu phun tạo ra các

phần tử sơn nhỏ, bay vào môi trường

nên gây ô nhiễm xung quanh chỗ làm

việc, kết cấu phức tạp, giá thành cao

hơn so với phương pháp sơn sử dụng

con lăn Hình 2.3 Đầu phun sơn

3 Lựa chọn thiết kế Robot

Sau khi phân tích đối tượng ở trên

chúng em đi tới việc lựa chọn phương pháp

sơn tường sử dụng đầu phun - cấp sơn tự

động nhờ những ưu điểm của phương pháp

này vượt trội hơn so với phương pháp sơn

3.1.Yêu cầu về hướng và vị trí

Dựa trên đặc điểm của vệt sơn ta có yêu cầu về hướng và vị trí củakhâu thao tác

Yêu cầu về hướng: Để lớp sơn đều trên toàn bộ vệt sơn, khâu thao tác

có hướng sao cho đầu phun luôn luôn vuông góc với mặt tường cần sơn

3.3.Đề xuất các phương án thiết kế

+ Phương án 1: T-T-R + Phương án 2: R-R-R

+ Phương án 3: T-T-T + Phương án 4: T-R-R

Hình 2.5 Các phương án thiết kế Robot

Với kết cấu 4, 5, 6 bậc tự do, Robot sẽ trở nên linh hoạt hơn, sự dichuyển của Robot sẽ nhịp nhàng hơn nhưng đồng thời việc tính toán và

thiết kế cũng phức tạp hơn do đó chi phí cho Robot là rất lớn Các phương

án đề xuất ở trên đều khả thi, đơn giản và tiết kiệm chi phí Tuy nhiên tathấy rằng các phương án 1, 2, 4 việc điều khiển để khâu thao tác đạt đượchướng và vị trí khó, khó khăn đó được khắc phục ở phương án 3 Phương

án 3 có kết cấu đơn giản, linh hoạt trong không gian 3 chiều, đảm bảo yêucầu về hướng và vị trí của khâu thao tác, qua đó đảm bảo được yêu cầu kỹthuật của vệt sơn

PHẦN III GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

1 Động học thuận

a Cơ sở lý thuyết động học

Theo quy tắc Denavit-Hartenberg ta đã xây dựng được các hệ tọa độ

và bảng tham số DH Tiếp theo, tiến hành thiết lập các ma trận chuyểnDH

Để tìm vị trí và hướng của khâu thao tác ta tính

(2.3)

Nhân lần lượt các ma trận theo thứ tự trên ta có:

Như ta đã biết:0An=

0 (0)

n T

Vector cột tọa độ điểm định vị r

3

 : Là toán tử sóng của Vector vận tốc góc của khâu 3Với: 0 3

x y z

Vậy 0 3

000

Và dễ dàng suy ra được Gia tốc góc của khâu thao tác là:

2

1

3 (0) 2

2 2

1

(2.7)

(2.8)

d drE

dt

d d

Giới thiệu qua về phần mềm Maple:

Maple Soft là phần mềm tính toán của công ty Waterloo Maple Inc.một công ty của Canada được thành lập từ năm 1981

Maple là phần mềm có thể mạnh về tính toán chữ, ngôn ngữ rõ ràngtrong sáng, gần với ngôn người Trong phần lớn tiểu luận, em sẽ dùng phầnmềm Maple Version17 để tính toán và mô phỏng đưa kết quả bằng đồ thị

Cho quy luật chuyển động của các khâu

Mô phỏng số bằng đồ thị:

2 Động học ngược (Inverse Kinematics)

Nhiệm vụ của bài toán động học ngược là tìm các biến khớp với điềukiện tọa độ và hướng khâu thao tác đã biết Cụ thể trong bài toán này, bàitoán động học ngược có nhiệm vụ tìm q q q1, 2, 3 với điều kiện x ,y z E E, E đã

2 Phương trình khảo sát

Ta sẽ tách từng khâu, xem xét các lực và momen tác dụng lên khâu đó,thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học

Hình 3.1 Lực và momen tác dụng lên khâu i

Từ điều kiện cân bằng tĩnh học của khâu i:

(3.1) 0

0,0,2

F M

a r

T

T c

a r

R

T

T

T c

l r

R

F 

046.62840

0 1,0

F 

0345.5676629.7676

PHẦN V TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

Bài toán động lực học robot là một phần rất quan trọng trong việc tính toán và thiết kế robot, đầu ra của bài toán phục vụ đắc lực cho các bước tính toán điều khiển sau này Động lực học robot được chia ra làm hai bài toán là động lực học thuận và động lực học ngược.

Bảng 4 1 Thông số động học Denavit Hartenberg

10

00

d d A

Hình 4 2 Mô hình động lực học của robot

Từ mô hình động lực học Hình 4.2, ta suy ra bảng các tham số động lực học:

Bảng 4 2 Tham số động lực học của robot

Khâu Vị trí trọng tâm Khối

I là moment quán tính của khâu thứ i đối với trục Oz của chính khâu đó

1.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot

Phương trình vi phân chuyển động của robot có dạng:

M q C   q G  Q UTrong đó:

M là ma trận khối lượng suy rộng

C là ma trận quá tính li tâm Coriolis

G là lực suy rộng lực có thế tác dụng vào robot

Q là lực suy rộng đặc trưng cho các ngoại lực không thế tác dụngvào robot

U là lực suy rộng các lực và moment điều khiển

độ gốc của khâu, nên thành phần quay trong ma trận biến đổi sẽ có dạng đường chéo chính bằng 1

1 1

Từ các ma trận trên ta tính được ma trận chuyển từ hệ tọa độ gắn với khâu cố định sang hệ tọa độ gắn với trọng tâm mỗi khâu

ci i ci

A  A A

1 0

Từ đây suy ra tọa độ trọng tâm của các khâu trong hệ tọa độ cố định:

0 1

0121

c

l r

22

c

a d

c

l d

r J

Để tính các ma trận Jacobi quay tương đối, trước tiên ta cần tìm vậntốc góc sóng tương đối ii của mỗi khâu trong hệ tọa độ khâu đó theocông thức quen biết:

0 0

i T

i R i R i

   (4.7)Sau đó suy ra vận tốc góc ii theo công thức:

[3,2]

[1,3]

[2,1]

i i

i i

i i i i

I I I

I I I

Tính ma trận khối lượng suy rộng M:

0

m g

m g m g G

Do robot sơn tường sử dụng vòi phun tự động nên coi như tại đầu vòiphun không có ngoại lực tác dụng Vì vậy khi giải bài toán động lực họcchúng ta bỏ qua lực không thế - ma trận Q

1.2.5 Phương trình vi phân hoàn chỉnh

Sau khi tính toán được các ma trận cần thiết, chúng ta đưa đếnphương trình vi phân chuyển động hoàn chỉnh của robot như sau:

Áp dụng hệ phương trình động học ngược (sử dụng phần mềm matlab) ta

tìm được giá trị các biến khớp tại 4 điểm của quỹ đạo:

Trong bài toán này ta khảo sát quỹ đạo Robot di chuyển từ điểm 2 đếnđiểm 3 theo quỹ đạo bậc 3 đáp ứng về mặt tốc độ trong không gian khớp.

3( )

12 200 12 1.6 2( )

t q