Mô hình hóa và điều khiển robot 6 bậc tự do ứng dụng trong hàn tự động

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Mơ hình hóa điều khiển robot bậc tự ứng dụng hàn tự động” tơi thực hướng dẫn tận tình PGS.TS Phan Bùi Khôi Các số liệu kết trình bày luận văn tơi phát triển chưa cơng bố tài liệu Hà Nội, Ngày tháng năm 2013 Học viên thực Nguyễn Văn Trường MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I 11 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG 11 1.1 Giới thiệu robot 11 1.1.1 Robot roboctis .11 1.1.2 Robot công nghiệp 13 1.1.3 Phân loại robot 17 1.2 Robot hàn tự động 20 1.2.1 Hệ thống hàn tự động .20 1.2.2 Phân loại robot hàn 21 1.2.3 Đặc điểm khai thác sử dụng robot hàn .22 1.3 Cấu trúc, nguyên lý, thiết kế robot hàn tự động 23 1.3.1 Các yêu cầu, chức robot hàn .23 1.3.2 Cấu trúc robot hàn .23 1.3.3 Nguyên lý thiết kế tổng thể robot hàn 25 1.4 Tóm tắt chương 33 CHƯƠNG 34 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN 34 2.1 Cơ sở lý thuyết .34 2.1.1 Phương pháp ma trận truyền Denavit-Hartenberg 34 2.1.2 Phương pháp tam diện trùng theo 37 2.1.3 Thiết lập phương trình động học robot 39 2.2 Khảo sát động học robot hàn 41 2.2.1 Thiết lập phương trình động học robot hàn .41 2.2.2 Động học thuận robot hàn .45 2.2.3 Động học ngược robot hàn 48 2.2.4 Các phương pháp giải toán động học ngược robot hàn 49 2.3 Chương trình tự động tính tốn mô robot hàn 57 2.3.1 Chương trình tính tốn động học robot hàn .57 2.3.2 Chương trình mô hoạt động robot 60 2.4 Tóm tắt chương 64 CHƯƠNG 65 KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN 65 3.1 Cơ sở lý thuyết .65 3.1.1 Phương pháp Lagrange II 65 3.1.2 Phương pháp Newton-Euler .69 3.2 Động lực học robot hàn theo phương pháp Lagrange II 72 3.2.1 Sơ đồ động lực học robot 72 3.2.2 Thiết lập tham số động lực học robot hàn 74 3.2.3 Hệ phương trình động lực 78 3.3 Khảo sát toán động lực học robot 80 3.3.1 Bài toán động lực học thuận 80 3.3.2 Bài toán động lực học ngược 84 3.4 Tổng kết chương 87 CHƯƠNG 88 TÍNH TỐN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT HÀN 88 4.1 Khái quát điều khiển tay máy .88 4.2 Điều khiển phản hồi với điều khiển PD .88 4.2.1 Luật điều khiển 88 4.2.2 Mô kết Matlab 92 4.2.3 Phân tích kết điều khiển 95 4.3 Điều khiển moment tính tốn với điều khiển PID 96 4.3.1 Nội dung phương pháp .96 4.3.2 Bộ điều khiển PID 98 4.3.3 Mô điều khiển Matlab Simulink/Simmechanics 100 4.4 Tổng kết chương 105 KẾT LUẬN 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 108 k DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tỷ số truyền truyền bánh sóng Z1 Số bánh sóng Z2 Số bánh trụ i-1 Ma trận Denavit-Hartenberg địa phương Hi Dn Ma trận cho biết vị trí hướng khâu thao tác hệ quy chiếu cố định O fi fi fi  fi Tam diện gắn vào mỗi điểm đường hàn Ok k k k Trạng thái mỏ hàn mỡi vị trí thao tác RBCN Robot cơng nghiệp An Ma trận cosin hướng f(p,q) Phương trình động học robot J Ma trận Jacobian M(q) Ma trận khối lượng suy rộng robot T Động robot  Thế robot (q) Momen động C Ma trận ly tâm – Coriolis Fi,i-1 Mi,i-1 Lực ngẫu lực liên kết vật rắn thứ i-1 tác dụng lên vật rắn thứ i Fi+1,i Mi+1,i Lực ngẫu lực liên kết vật rắn thứ i tác dụng lên vật rắn thứ i+1 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Quá trình thiết kế Robot 26 Bảng 1.2 Thông số làm việc Robot hàn 29 Bảng 2.1 Các tham số xác định trạng thái đường gia công hệ tọa độ chi tiết 38 Bảng 2.2 Bảng tham số D-H robot hàn 41 Bảng 2.3 Thông số robot hàn 42 Bảng 2.4 Giới hạn góc robot hàn 42 Bảng 3.1 Bảng tham số động lực học khâu 65 Bảng 3.2 Bảng tham số động lực học khâu robot hàn 74 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Vở kịch Rossum’s Universal Robots .11 Hình 1.2 Robot Asimo Nhật Bản 12 Hình 1.3 Robot Big Dog Hoa Kỳ 12 Hình 1.4 Robot công nghiệp Kuka Đức 12 Hình 1.5 Hình 1.5 Robot Tosy Việt Nam .12 Hình 1.6 Các thành phần điện tử 13 Hình 1.7 Robot cơng nghiệp ABB Thụy Điển 14 Hình 1.8 Sản lượng robot công nghiệp giới .14 Hình 1.9 Các lĩnh vực robot công nghiệp sử dụng .15 Hình 1.10 Cấu trúc chung RBCN 15 Hình 1.11 Cánh tay, cổ tay RBCN 16 Hình 1.12 Mơ hình hệ thống robot 16 Hình 1.13 Cấu trúc robot hàn OTC AX21 17 Hình 1.14 Robot kiểu toạ độ Đề 17 Hình 1.15 Robot kiểu toạ độ trụ 17 Hình 1.16 Robot kiểu toạ độ cầu 17 Hình 1.17 Robot hoạt động theo tọa độ góc 17 Hình 1.18 Robot kiểu SCARA 17 Hình 1.19 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở 19 Hình 1.20 Sơ đồ điều khiển robot theo vịng kín 19 Hình 1.21 Hệ thống robot hàn hồ quang ABB .20 Hình 1.22 Nguồn hàn cho robot hàn hồ quang 20 Hình 1.23 Súng hàn .20 Hình 1.24 Bộ làm súng hàn 21 Hình 1.25 Bộ cấp dây hàn .21 Hình 1.26 Robot hàn hồ quang 21 Hình 1.27 Robot hàn điểm Presto 21 Hình 1.28 Robot hàn ma sát 22 Hình 1.29 Robot hàn lớp thuốc bảo vệ 22 Hình 1.30 Sơ đồ động học robot hàn .22 Hình 1.31 Robot cấu vai người .24 Hình 1.32 Cơ cấu cổ tay 24 Hình 1.33 Sơ đồ hệ thống Robot 24 Hình 1.34 Đế Robot .27 Hình 1.35 Khâu 27 Hình 1.36 Khâu 27 Hình 1.37 Khâu 27 Hình 1.38 Khâu 27 Hình 1.39 Khâu 27 Hình 1.40 Khâu 27 Hình 1.41 Mơ hình Robot hàn 6DOF 28 Hình 1.42 Cấu tạo hộp giảm tốc bánh sóng 31 Hình 1.43 Cổ tay Robot Scorbot hai bậc tự 32 Hình 1.44 Cơ cấu cổ tay với ba trục đồng quy .32 Hình 2.1 Biểu diễn thơng số Denavit – Hartenberg khớp quay .35 Hình 2.2 Robot n khâu 36 Hình 2.3 Mối hàn thực robot hàn 37 Hình 2.4 Sơ đồ hệ tọa độ D-H .41 Hình 2.5 Vị trí tâm cổ tay 50 Hình 2.6 Lưu đồ thuật tốn giải toán động học ngược 53 Hình 2.7 Quỹ đạo khâu thao tác Robot 54 Hình 2.8 Kết toán động học ngược 54 Hình 2.9 Sơ đồ thuật toán Newton-Raphson 56 Hình 2.10 Giao diện chương trình tính tốn 58 Hình 2.11 Thủ tục giải hệ phương trình phi tuyến 58 Hình 2.12 Kết tính tốn thu 59 Hình 2.13 Modul lập trình .59 Hình 2.14 Giao diện chương trình Simulator khởi động .61 Hình 2.15 Simulator cho phép tùy chỉnh hiển thị 61 Hình 2.16 Các chức Simulator 62 Hình 2.17 Giao diện chương trình đưa robot vào 62 Hình 2.18 Tùy chỉnh đặc tính robot Simulator 62 Hình 2.19 Mơ hoạt động robot 63 Hình 2.20 Robot vẽ hình xoắn ốc 63 Hình 3.1 Mơ hình vật rắn thứ i tách riêng 69 Hình 3.2 Mơ hình động lực học robot 72 Hình 3.3 Vị trí trọng tâm khâu 73 Hình 3.4 Bộ tham số động lực học khâu 73 Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán Runge-Kuttan 81 Hình 3.6 Đồ thị góc quay khớp 82 Hình 3.7 Đồ thị góc quay (rad) khớp 83 Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán giải toán động lực học ngược 85 Hình 3.9 Quỹ đạo chuyển động Robot 86 Hình 3.10 Góc quay moment đặt khớp .86 Hình 4.1 Hệ điều khiển tay máy phi tuyến 90 Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển Robot hàn với điều khiển PD .92 Hình 4.3 Quỹ đạo mong muốn 93 Hình 4.4 Đồ thị biến khớp đặt biến khớp sau điều khiển 94 Hình 4.5 Quỹ đạo khâu thao tác sau điều khiển .95 Hình 4.6 Phóng to quỹ đạo điều khiển 95 Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển dùng động lực học ngược với điều khiển PID 96 Hình 4.8 Bộ điều khiển PID 98 Hình 4.9 Mơ hình hệ thống điều khiển PID 99 Hình 4.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển 99 Hình 4.11 Quỹ đạo đặt góc khớp 102 Hình 4.12 Vận tốc đặt 102 Hình 4.13 Gia tốc đặt 103 Hình 4.14 Các thơng số khâu đế 103 Hình 4.15 Mơ hình khâu đế Simulink 104 Hình 4.16 Sai số góc khớp 104 LỜI MỞ ĐẦU Cơng nghiệp hóa đại hóa sản xuất chủ trương lớn đất nước ta Với xu chung giới, để đẩy mạnh nghiệp cơng nghiệp hóa đại hóa cần ưu tiên áp dụng tiến khoa học kỹ thuật vào đời sống sản xuất Trong việc ứng dụng cơng nghệ tự động hóa vào q trình sản xuất cơng nghiệp đóng vai trị quan trọng Đây địi hỏi cấp bách liên quan đến việc giải phóng người khỏi nặng nhọc, nhàm chán công việc (do lặp lặp lại thao tác cơng việc giản đơn đó), nguy hiểm môi trường lao động, lây lan bệnh hiểm nghèo sở y tế, ô nhiễm bụi bặm hầm mỏ, nguy hiểm duới đáy đại dương không gian vũ trụ… Trên giới, nước tiên tiến như: Hoa kỳ, Đức, Nhật… ứng dụng công nghệ hàn tự động Robot vào sản xuất công nghiệp Đặc biệt ngành công nghiệp sản suất ô tô Tuy nhiên, Việt Nam, việc triển khai ứng dụng cịn hạn chế Cơng việc hàn phải thực nhiều tay Với hàn đường thực tay có suất thấp yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến thao tác đầu mỏ hàn với môi trường khắc nghiệt khói nhiệt phát trình hàn Ứng dụng robot hàn tự động cho phép nâng cao chất lượng mối hàn tăng suất tiến tới thay lao động người công việc độc hại Khả robot hàn thực mối hàn phức tạp phụ thuộc vào khả chuyển động tương đối giữa mỏ hàn chi tiết hàn Có nhiều phương pháp để tạo khả chuyển động tương đối giữa mỏ hàn đối tượng hàn nhằm nâng cao khả thực mối hàn có hình dạng phức tạp Với phân tích trên, việc tìm hiểu đặc điểm thiết kế, tính tốn động lực học điều khiển robot hàn có ý nghĩa quan trọng việc khai thác, làm chủ tiến tới thiết kế, chế tạo robot hàn Với toán động học thiết lập mối quan hệ giữa biến khớp vị trí khâu thao tác Kết toán động học tham số đầu vào để khảo sát động lực học robot, phục vụ cho việc tính chọn cấu chấp hành, thiết kế xây dựng điều khiển Chính việc xây dựng mơ hình, tính tốn động học, động lực học, đưa thuật toán điều khiển cách xác yêu cầu quan trọng việc tính tốn thiết kế robot hàn Xuất phát từ những phân tích trên, tác giả luận văn lựa chọn đề tài: “Mơ hình hóa điều khiển robot bậc tự ứng dụng hàn tự động” nhằm chuẩn hóa modul thiết kế sản phẩm, hồn thiện từ thiết kế khí tới điều khiển Luận văn hướng tới việc tạo tài liệu chuẩn, quán thiết kế robot Luận văn tập trung phân tích đưa mơ hình robot hàn hồ quang; thiết kế, tối ưu hóa kết cấu khí ; Tính tốn, lựa chọn truyền dẫn động cho robot; tính tốn động học, động lực học; tính tốn, thiết kế điều khiển; mô robot Matlab Simulink mơ q trình hoạt động VC++ kết hợp thư viện đồ họa Open GL Nội dung luận văn gồm phần: Chương Tổng quan robot hàn tự động Chương Khảo sát động học robot hàn Chương Khảo sát động lực học robot hàn Chương Tính tốn điều khiển cho robot hàn Tuy nỡ lực hồn thành kiểm tra tính tốn luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót hạn chế Rất mong nhận đánh giá, đóng góp q thầy bạn bè để giúp đỡ tơi hồn thiện nghiên cứu sau Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô bạn đồng mơn giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này, đặc biệt tận tình dạy, giúp đỡ PGS.TS Phan Bùi Khôi Tôi xin chân thành cảm ơn TÁC GIẢ Nguyễn Văn Trường 10 Hình 4.4 Đồ thị biến khớp đặt biến khớp sau điều khiển Quỹ đạo khâu công tác sau điều khiển: 94 Hình 4.5 Quỹ đạo khâu thao tác sau điều khiển Hình 4.6 Phóng to quỹ đạo điều khiển 4.2.3 Phân tích kết điều khiển Ưu điểm:  Chất lượng điều khiển đáp ứng yêu cầu xấp xỉ hệ phi tuyến kép thành hệ tuyến tính đơn  Thời gian ổn định < 0.3s  Sai số trạng thái xác lập nhỏ: 0.006%  Sai số vị trí lớn : 0.14mm  Sai số vị trí nhỏ nhất: 0.035mm  Sai số vị trí trung bình: 0.08mm 95  Bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu đề Nhược điểm:  Hệ thống có khối lượng thời gian tính tốn lớn,địi hỏi cao kỹ thuật lập trình  Do cần phải tính tốn trực tiếp ma trận quán tính M(q) thành phần coriolis, lực suy rộng có thế, khơng thế… nghĩa cần biết xác thơng số hệ thống  Các tham số điều khiển Kp,Kd cố định nên thống thay đồi điều khiển khơng đáp ứng u cầu thực tiễn Vì vậy, để khắc phục nên kết hợp điều khiển với điều khiển bền vững điều khiển thích nghi  Bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp điều khiển moment mà chưa kể đến yếu tố dịng điện, điện áp Chất lượng chưa thực tốt 4.3 Điều khiển moment tính tốn với điều khiển PID Sơ đồ điều khiển: LỆNH ĐIỀU KHIỂN Đi theo đường tròn, đường thẳng đường còng BỘ NỘI SUY Băm quỹ đạo, gán nhãn thời gian GIẢI ĐỘNG HỌC NGƯỢC Giải phương trình động học ngược, chọn nghiệm Tín hiệu ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC u BỘ ĐIỀU KHIỂN PID q,dq,ddq q BỘ VI PHÂN Tính dq, ddq Tín hiệu thực qt, dqt ROBOT Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển dùng động lực học ngược với điều khiển PID 4.3.1 Nội dung phương pháp Đầu tiên ta xem xét kết tổng qt phương pháp tuyến tính hóa xác cho đối tượng robot công nghiệp (tay máy) Kenneth Kreutz, 1989 Áp dụng lý thuyết RAC,NDT,OCS, GCT, Kenneth Kreutz đưa định nghĩa điều kiện cần đủ cho khả tuyến tính hóa xác lớp đối tượng robot cơng nghiệp 96 liên kết cứng (rigid link manipulator) Xét hệ thống robot có phương trình dạng: M(q)q y C(q,q) m h(q) M(q) ;q n ; h(q) c ; V Rm n ; M(q) Rn , q, q (4.16) J(q)q; J(q) c1 M(q)T 0; q (4.17) n (4.18) Khái niệm LEL: Hệ thống (4.16) tuyến tính hóa xác cục tách kênh (LEL) lân cận mở B m ( y ) khớp robot q phản hồi phi tuyến , thỏa mãn V y h( n ) với trạng thái m h ( y ) tồn lân cận mở q , B n (q ) h[ B n (q )] với mỗi u Bm ( y ) m Rm , q B n ( y ) q Tq n F (q, q, u) cho V, vận tốc liên kết với y , cho R n tồn h(q) Bm ( y ) u Định lý LEL: Điều kiện cần đủ để hệ thống (4.16) LEL y hình q n h ( y ) J (q ) rankJ (q ) Rm n h( n ) theo cấu toàn ánh, điều m