BÁO CÁO ĐỒ ÁN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT THIẾT KẾ ROBOT CẤP PHÔI MÁY DẬP

Robot được thiết kế nhằm mục đích cấp phôi cho máy dập tấm chi tiết dạng nhỏ. Với mục đích sử dụng như trên robot sẽ thực hiện việc cấp phôi từ bộ phận tập trung phôi đến máy dập. Phôi dập là chi tiết dạng tấm. Hình dạng của chi tiết có thể chia thành 2 dạng: + dạng 1: hình dạng chi tiết ảnh hưởng đến hướng cấp phôi. + dạng 2: hình dạng chi tiết không ảnh hưởng đến hướng cấp phôi. Với dạng đối tượng thao tác như thế này ta sử dụng dạng thao tác của khâu cuối là dung hút chân không.

LỜI MỞ ĐẦU 2

Nội dung 3

A Quy trình làm việc 3

B Phân tích và lựa chọn cấu trúc 3

C Bài toán động học 6

I Các hệ trục tọa độ và bảng DH 6

II Lựa chọn kích thước 9

III Không gian làm việc 9

IV Xây dựng quy luật chuyển động 10

D Bài toán tĩnh học 18

1 Khâu 3 18

2 Khâu 2 19

3 Khâu 1 21

E Bài toán động lực học 22

1 Tính ma trận M 22

2 Tính ma trận C – Lực quán tính Coriolis và quán tính li tâm 27

3 Tính ma trận G 29

4 Tính lực suy rộng Q 30

5 Kết quả 30

F Tính chọn động cơ – Thiết kế bộ truyền động 31

1 Chọn động cơ 31

2 Tính chọn hộp giảm tốc 34

3 Thiết kế bộ truyền 37

G THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 40

1 Bộ điều khiển PID 40

2 Lựa chọn phương pháp điều khiển cho robot 42

3 Sử dụng Simechanics Liên kết matlab và soliworks mô phỏngchuyển động robot 42

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc sử dụng robot không còn là điều quá mới Ở các nướcphát triển, robot rất phổ biến Robot được nghiên cứu, chế tạo, phát triển đểphục vụ con người về mọi mặt trong sản xuất và cả cuộc sống thường ngàyvới nhiều chủng loại và kiểu dáng phong phú và đa dạng Công nghệ về robottrên thế giới đã rất phát triển nhưng con người không chỉ dừng lại ở đó màvẫn đẩy mạnh phát triển hơn nữa, mục đích là để một ngày nào đó robot cóthể thay thế hoàn toàn sức lao động cho con người

Việt Nam là một nước đang phát triển, đang trên con đường trở thànhmột nước công nghiệp tiên tiến Tuy lĩnh vực về robot ra đời muộn nhưngngười Việt Nam luôn cố gắng chăm chỉ tìm tòi, nghiên cứu, phát triển để cóthể bắt kịp với các nước trên thế giới

Bảng phân công nhiệm vụS

Trọng Khánh

- Phân tíchlựa chọn cấu trúc

- Thiết kế dẫn động robot:

Tính chọn động

cơ và hộp giảm tốc

80%

Duy Khánh

20132064

- Xây dựng môhình 3D

- Tính toán tĩnhhọc

- Thiết kế điềukhiển

80%

Đình Mạnh

- Tính toán động học thuận, ngược

- Tính toán tĩnh học

- Tính toán động lực học

80%

CHƯƠNG1 Phân tích yêu cầu kĩ thuật và chọn lựa mô hình robot 1.1 Phân tích yêu cầu bài toán

Robot được thiết kế nhằm mục đích cấp phôi cho máy dập tấm chi tiết dạngnhỏ.

Với mục đích sử dụng như trên robot sẽ thực hiện việc cấp phôi từ bộ phậntập trung phôi đến máy dập

Phôi dập là chi tiết dạng tấm Hình dạng của chi tiết có thể chia thành 2dạng:

+ dạng 1: hình dạng chi tiết ảnh hưởng đến hướng cấp phôi

+ dạng 2: hình dạng chi tiết không ảnh hưởng đến hướng cấp phôi

Với dạng đối tượng thao tác như thế này ta sử dụng dạng thao tác của khâucuối là dung hút chân không

a Chọn đối tượng thao tác

 Tấm mỏng hình tròn, dày 1mm

 Đường kính 200mm

 Vật liệu chế tạo là nhôm dạng tấm được cắt thành hình như trên

 Khối lượng ≤100 g

Hình 1.1 Phôi và các kích thước của phôi

b Vị trí tương quan của máy dập, phôi, băng tải và robot

Vị trí cấp phôi: phôi được xếp trên băng tải và được đưa tới vị trí gắp nhưhình

Máy dập và vị trí cấp phôi được sắp xếp trên đường thẳng các kích thướcnhư hình:

Hình 1.2 Vị trí bố trí trong dây chuyền sản xuất

Vị trí của robot sẽ được đặt ngay trước vị trí cấp phôi Vị trí của robot, vị trí cấp phôi, và máy dập tạo thành một tam giác vuông.

c.Yêu cầu về hướng của khâu thao tác

Hướng của khâu thao tác phụ thuộc vào yêu cầu hướng của chi tiết cầndập :

 Trường hợp hình dạng chi tiết không yêu cầu về hướng ( chi tiết dạngtấm hình tròn) thì khâu cuối sẽ không cần yêu cầu về hướng

 Trường hợp hình dạng chi tiết yêu cầu về hướng ( hình vuông hoặchình chữ nhật)

Khâu cuối cần yêu cầu về hướng

Với yêu cầu đã nêu ở trên thì robot cần tối thiểu là 3 bậc tự do Việc lựachọn số bậc tự phụ thuộc vào việc yêu cầu về hướng của khâu thao tác

1.2 Mô hình đề xuất

a Số bậc tự do

Do đối tượng đã chọn không yêu cầu về hướng thao tác nên số bậc tự do cầnthiết để robot hoàn thành nhiệm vụ là 3

b.Các yêu cầu để hoàn thành nhiệm vụ

 Tải trọng: Robot gắp được phôi có khối lượng 100 g.

 Độ chính xác vị trí: Robot cần đặt phôi và đúng vị trí của khuôn sao

cho phôi phải thẳng và không bị lệch và cập kênh

c.Mô hình đề xuất

Do yêu cầu phôi có dang tròn nên không yêu câu về hướng nên nhóm chọncấu trúc robot 3 bậc tự do như hình dưới:

Hình 1.3 Mô hình robot đề xuất

• Ưu điểm có tốc độ nhanh, kết cấu đơn giản, dễ tính toán

• Nhược điểm kết cấu khá cồng kềnh

CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

2.1 Các hệ trục tọa độ và bảng DH

Robot có 3 bậc tự do, 1 khả năng quay và 2 khả năng tịnh tiến Các tham

số động học được biểu diễn bởi các hệ tọa độ Denavit-Hartenberg như hìnhsau:

Hình 2.1 Gắn hệ tọa độ D-HBảng thông số DH của robot 3 bậc tự do trên:

+ Từ các ma trận trên, ta tính được các ma trận biểu diễn vị trí và hướng

của các khâu đối với hệ tọa độ cố định 0 là:

sin( ).d cos( ).d 2cos( ) d sin( )d

a cos( ).d sin( ).d 2sin( ) d cos( )d

1

0 0

1

0 0

1

0 0

1

 =02

=

0 3

0010

1

cos

EY d





2.3 Xây dựng quỹ đạo chuyển động

2.3.1 Mô phỏng không gian thao tác trên maple

2.3.2 Mô phỏng điểm tác động cuối

+ Cho quy luật chuyển động của các khâu

Nhóm 12 Trang 15

 Vận tốc điểm tác động cuối:

 Gia tốc điểm tác động cuối:

 Quỹ đào điểm tác động cuối

2.3.3 Quỹ đạo làm việc theo quy luật vận tốc hình thang

+ Giai đoạn 1: Vận tốc tăng từ 0 đến giá trị ổn định làm việc, gia tốc a1 = a0 = 1

a( ) t  a  1( / ) m s

Đồ thị độ dời dịch chuyển

Đồ thị vận tốc

Hình 3.1 Lực và momen tác dụng lên khâu i

Từ điều kiện cân bằng tĩnh học của khâu i:

(3.1) 0

3.2 Áp dụng vào mô hình

Hinh 2.2 Phân tích lực và momen

Với điều kiện đầu :

0 4,3 0 4,3

0,0,10000,0,500

T T

F M

2l

T 0

 

T 0

T 0

M l sin( ).(m g m g F ) sin( ).l m g

2M

3,2

F 

001057.58

784.07.cos784.07.sin500

784.07.cos784.07.sin500

CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

 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.

Ta có phương trình động lực học được viết dưới dạng:

M(q)q C(q,q)q G(q) Q U       

Ta sẽ đi tìm các ma trận M, C, G, Q

 Giả sử tất cả các khâu là các thanh mảnh, đồng chất Gọi Ci và lCi lần lượt là

trọng tâm và khoảng cách từ gốc tọa độ đến trọng tâm của khâu i theophương của khâu Đặt vào trọng tâm mỗi khâu một hệ tọa độ song song vớitọa độ gốc, ta được mô hình động lực học của robot như hình sau:

4.1 Tính ma trậnkhối lượng M

4.1.1 Các ma trận Jacobi tịnh tiến và Jacobi quay

+ Gọi lc2, lc3 lần lượt là khoảng cách từ gốc tọa độ O0, O1, O2 đến khối tâmcủa từng khâu 1, 2, 3 và gọi i C j là tọa độ trọng tâm của khâu thứ j trên hệ Ri + Các tọa độ và vận tốc góc các khâu:

1 cos(q ).d

2 1

1

- sin(q ).d 0 0 2

l +d 1

+d 2 1

+ Ma trận tenxơ quán tính của hai khâu 1, 2 và 3 với trục gắn vào khối tâmsong song với hệ trục của khâu cũng tương ứng là hệ quán tính chính:

1

 =

2 1

2 1

.d

0 012

2 2

.l

0 012

2 3

.

0 0 12

. T. Ci

T T

2 , 1

Khối lượng các khâu: m1= 20.262 (kg); m2=12.504 (kg); m3 = 5.758(kg)d1=1000 mm, l2=700 mm l3=120 mm

Ta sẽ có phương trình động lực học đầy đủ

CHƯƠNG 5: TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐỘNG KHÂU 2

Hình5.1 Bộ truyền thanh răng bánh răng

Vận tốc chuyển động của thanh răng: d3 0.5m / s

Chọn đường kính bánh răng dsb  20mm

Tỉ số truyền hộp giảm tốc:

dc 1 br

Hình: Sơ đồ hệ dẫn độngHiệu suất chung của cơ cấu truyền, công suất trên trục động cơ:

 Chọn trục vít 2 mối ren hiệu suất  tv 0,8

 Hiệu suất ổ lắn  ol 0,95

 Hiệu suất khớp nối:  nt 1

 Hiệu suất từ động cơ đến khâu 3:

tv .ol kn 0,8.0,95 1 0,69

     Như vậy, công suất thực tế động cơ có thể cung cấp:

p p   0,1.0,69 0,069 p  0.06(kw)Vậy động cơ được chọn thỏa mãn yêu cầu

Xác định mô men xoắn trên trục:

br



Độngcơ

Chọn vật liệu làm bánh vít là đồng thanh thiếc

Vật liệu làm trục vít là thép tôi cải thiện

Đường kính trục ra hộp giảm tốc sơ bộ:

w bd

b(0,3 0,5)d

 Chiều dày vành răng sơ bộ: bw= 70 mm

 Số răng của bánh răng

Hình: Bộ truyền bánh răng thanh răng

b Tính thanh răng

Phần thanh răng được gia công trực tiếp lên khâu 2 của robot

Số răng trên khâu 2:

3 2

 Khâu 1

Ứng suất :

Chuyển vị :

 Khâu 2

Ứng suất :

Chuyển vị :

Khâu 3

Ứng suất :

Chuyển vị

Nhóm 12 Trang 51

CHƯƠNG 6

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PD

7.1 Xây dựng mô hình sử dụng Matlab Simulink và Simechnic

 Khối bù phi tuyến (Controller_Nonlinear)

Hình 7.5 Khối bù phi tuyến

 Khối Robot dùng Simechanic

Hình 7.6 Mô hình Simechanic Robot

 So sánh và lấy tín hiệu

Hình 7.7 So sánh và lấy tín hiệu sai lệch

7.2 Kết quả mô phỏng

7.2.1 Các thông số đầu vào

 Khối lượng các khâu m1=30 kg, m2=10 kg, m3=1 kg

 Cho quỹ đạo chuyển động từ A(-0.450 , 0 , 0.880) đến B(-0.451 ,0.650 ,0.880)

 Hệ số PD: K v =600,K p=14

 Thời gian mô phỏng t=1 s

7.2.2 Kết quả mô phỏng

 Quỹ đạo

Hình 7.8 Quỹ đạo mô phỏng

 Sai lệch từng khâu