Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ và tải trọng tới độ chính xác lặp của robot staubli 6 bậc tự do

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội - Họ tên tác giả luận văn Trần văn diện Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ tảI trọng tới độ xác lặp robot staubli bậc tự Chuyên ngành: điện tử Luận văn thạc sĩ khoa học Cơ điện tử Ng­êi h­íng dÉn khoa häc: Ts ngun träng doanh Hà nội năm 2013 Mục lục Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chương 1- tổng quan robot công nghiệp 10 1.1 Lịch sử phát triển ứng dụng Rôbôt công nghiệp (IR) 10 1.1.1 Sơ lược trình phát triển robot công nghiệp 10 1.1.2 Sử dụng robot công nghiệp sản xuất 1.1.3 Lịch sử phát triển robot công nghiệp Việt Nam 11 12 1.2 Các khái niệm định nghĩa Rôbôt công nghiệp (IR) 15 1.2.1 Định nghĩa rôbôt công nghiƯp…………………………………………… 15 1.2.2 BËc tù cđa r«b«t………………………………………………………… 16 1.2.3 Hệ toạ độ rôbôt 16 1.2.4 Trường công tác robot 18 1.3 Cấu trúc robot công nghiệp 18 1.3.1 Các thành phần robot c«ng nghiƯp …………………………… 18 1.3.2 KÕt cÊu cđa tay máy18 1.4 Phân loại Robot công nghiệp 19 1.4.1 Phân loại theo kết cấu 24 1.4.2 Phân loại theo hệ thống truyền động 24 1.4.3 Phân loại theo ứng dụng 24 1.4.4 Phân loại theo cách thức đặc trưng phương pháp điều khiển 25 1.5 Hệ thống chia liều thuốc tiêm Theodorico Robot Staubli-TX40 1.5.1 Giới thiƯu vỊ hƯ thèng chia liỊu tù ®éng Theodorico………………… 25 1.5.3 Bộ điều khiển, phần mềm thiết bị dạy robot TX40 30 1.5.2 Cấu trúc robot TX40 27 1.5.4 Các ma trận biến đổi robot TX40 31 Chương 2- nguyên lý đo độ xác lặp robot35 2.1 Giới thiệu 35 2.2 Khái niệm độ xác, độ xác lặp độ phân giải 36 2.3 Các tiêu đánh giá chất lượng robot theo ISO 9238 39 2.4 Các phương pháp đánh giá độ xác lặp 40 2.5 Chọn phương pháp đo 43 2.7 Xác định vị trí tương quan 49 2.6 Chọ phương án bố trí cảm biến hệ thống đo 45 Chương 3- thiết kế hệ thống đo 52 3.1 Nguyên lý hệ thèng ®o……………………………………………… …52 3.2 ThiÕt kÕ hƯ thèng ®o……………………………………………………… 52 3.2.1 Thiết kế card ADC 52 3.2.2 Phầm mềm điều khiển thu thập liệu 56 3.3 Cảm biến 58 3.3.1 Phân loại cảm biến 58 3.3.2 Các thông số đặc trưng cảm biến 59 3.3.3 Cảm biến sử dụng hệ thống đo 3.4 Hiệu chuẩn cảm biến (Calibration) 60 61 Chương 4- đánh giá độ xác lặp robot tx40 63 4.1 Tiêu chuẩn đánh giá xử lý kết 4.1.1 Tiêu chuẩn đánh giá 63 63 4.1.2 Các bước đo xử lý kết đo 64 4.2 Kết đo nhận xét67 4.2.1 ảnh hưởng tốc độ tới độ xác lặp robot 67 4.2.2 ảnh hưởng tốc độ tải trọng tới độ xác lặp robot 69 Kết luận kiến nghị 72 Tài liệu tham khảo 74 Lời cam đoan Tên Trần Văn Diện, học viên lớp cao học 11BCĐT.KH Sau gần năm học tập, nghiên cứu Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, hướng dẫn giúp đỡ thầy cô giáo, đặc biệt giúp đỡ giáo viên hướng dẫn tốt nghiệp TS Nguyễn Trọng Doanh, đà đến cuối chặng đường để kết thúc khóa học Với Đề tài Luận văn tốt nghiệp là: Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ tải trọng tới độ xác lặp robot Staubli-TX40 Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn TS Nguyễn Trọng Doanh Các số liệu nội dung luận văn trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Tác giả luận văn Trần văn diện Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1: Các hệ tọa độ suy rộng Robot Hình 1.2: Quy tắc bàn tay phải Hình 1.3: Biểu diễn trường công tác Robot Hình 1.4: Các thành phần hệ thống Robot Hình 1.5: Robot kiểu tọa độ Đề Hình 1.6: Robot kiểu tọa độ trụ Hình 1.7: Robot kiểu tọa độ cầu Hình 1.8: Robot TX40- hÃng Staubli hoạt động theo hệ tọa độ góc Hình 1.9: Robot kiểu SCARA Hình 1.10: HƯ thèng chia liỊu tù ®éng Theodorico cđa Comecer H×nh 1.11: Robot TX40 bng chia liỊu H×nh 1.12 Kích thước thân robot TX40 Hình 1.13 Cấu trúc kích thước cổ tay robot TX40 Hình 1.14 Sơ đồ khớp không gian làm việc robot Staubli-TX40 Hình 1.15 Bộ điều khiển CS8C Hình 1.16 Sơ đồ giao tiếp phần mềm điều khiển hệ thống Hình 1.17 Thiết bị dạy robot SP1 Staubli Hình 1.18 Sơ đồ động học robot Staubli-TX40 Hình 2.1 Sai số định vị định hướng robot công nghiệp Hình 2.3 Cơ cấu thích nghi robot lắp ráp HI-T-Hand Expert-2 Hình 2.4 Tương quan độ xác độ xác lặp Hình 2.5 Hệ thống đo Brethe Hình 2.6 Hệ thống xác định sai số góc Brethe Hình 2.7 Hệ thống đo camera Koseki Hình 2.8 Phương pháp đo Shiakolas dùng cảm biến lực, đầu đo tiếp xúc Hình 2.9 Phương án sử dụng cảm biến (3-2-1) Hình 3.1 Sơ đồ khối Card ADC Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối ADC Hình 3.3 Khối vi xử lý trung tâm dsPic 4012 Hình 3.4 Khối giao tiếp máy tính RS232 Hình 3.5 Khối nguồn Hình 3.6: Sơ đồ mạch in card ADC Hình 3.7 Card ADC 12bits Hình 3.8 Sơ đồ thuật toán đọc gửi tín hiệu Card ADC Hình 3.9 Thuật toán thu thập xử lý liệu C# Hình 3.10: Giao diện hệ thống đo độ xác lặp Hình 3.11: Cảm biến điện từ không tiếp xúc LD701 2/5 mm Hình 3.12: Thiết bị đo dịch chuyển Micro Digimax Head Mitoyo Hình 3.13: Đường đặc tính cảm biến LD701 Hình 3.14: Giá đỡ hệ thống cảm biến Hình 3.15: Bảng liệu hệ thống đo thu kênh Hình 4.1 Lắp đặt định vị hệ thống đo Hình 4.2 Vị trí định vị đo độ xác lặp Hình 4.3 Giao diện phần mềm điều khiển robot TX40 Hình 4.4 Bảng xử lý kết đo Hình 4.5 Bảng kết đo giá trị độ xác lặp tải 0g vận tốc 5% Hình 4.6 Sai số định vị theo phương X,Y,Z robot không mang tải Hình 4.7 Độ xác lặp robot không mang tải Hình 4.8 Bảng giá trị độ xác lặp theo tốc độ tải trọng Hình 4.9 Đồ thị độ xác lặp theo vận tốc tải trọng Phần mở đầu Lý chọn đề tài Độ xác lặp robot tiêu quan trọng cho việc lựa chọn robot ứng dụng cụ thể Chỉ tiêu cung cấp nhà sản xuất không nêu rõ điều kiện đạt tải trọng, tốc độ, nhiệt độDo trình sử dụng để nâng cao hiệu làm việc cần thực đánh giá ảnh hưởng tải trọng tốc độ tới độ xác lặp robot, từ đưa điều kiện làm việc tối ưu cho hệ thống Kết đề tài cho sản phẩm điện tử đặc trưng phù hợp với lĩnh vực nghiên cứu công tác thân Lịch sử nghiên cứu Đà có nghiên cứu độ xác lặp robot mô hình học cụ Tuy nhiên nghiên cứu chưa thực robot công nghiệp cụ thể hoạt động đánh giá ảnh hưởng điều kiện làm việc tới độ xác lặp chúng Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng phạm vi nghiên cứu - Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan robot công nghiệp ứng dụng robot công nghiệp Các phương pháp đo độ xác lặp robot Phương pháp thiết kế thi công hệ thống đo lường thu thập liệu dùng cho nghiên cứu độ xác lặp Đánh giá ảnh hưởng tốc độ tải trọng đến độ xác lặp robot cụ thể từ lựa chọn điều kiện làm việc tối ưu cho hệ thống - Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hệ thống đo độ xác lặp từ đánh giá ảnh hưởng tốc độ tải trọng đến độ xác lặp robot - Đối tượng nghiên cứu: Độ xác lặp robot c«ng nghiƯp Staubli TX40 dïng hƯ thèng chia liỊu thuốc tiêm Trung tâm Máy gia tốc- Bệnh viện TƯQĐ 108 Tóm tắt cô đọng luận điểm đóng góp tác giả: - Tìm hiểu tổng quan robot công nghiệp ứng dụng robot công nghiệp - Tìm hiểu cấu trúc, ®éng häc vµ ®iỊu khiĨn cđa robot TX40 - ViƯt Nam Tìm hiểu phương pháp đánh giá độ xác lặp Nghiên cứu phương pháp đo chọn hệ thống đo phù hợp Xây dựng hoàn thiện hệ thống đo, card thu thập liệu phần mềm thu thập liệu chuyên dụng cho nghiên cứu độ xác lặp Đánh giá ảnh hưởng tốc độ tải trọng tới độ xác lặp robot TX40 dựa vào kết đo thực nghiệm lựa chọn điều kiện làm việc tối ưu cho robot Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp thực nghiệm Xây dựng hệ thống đo độ xác cho robot thực đo robot làm việc điều kiện khác Tính toán xử lý kết dựa theo tiêu chuẩn ISO9238 Đánh giá dựa vào kết tính toán tiêu kỹ thuật nhà sản xuất Chương - tổNG QUAN Về RÔBÔT CÔNG NGHIệP 1.1 Lịch sử phát triển ứng dụng robot công nghiệp (IR : Industrial Robot) 1.1.1 Sơ lược trình phát triển robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” xuÊt ph¸t tõ tiÕng Sec (Czech) “Robota” cã nghÜa công việc tạp, dịch kịch Rossums Universal Robots Karel Capek, vào năm 1921 Trong kịch này, Rossum trai ông ta đà chế tạo máy gần giống với người ®Ĩ phơc vơ ng­êi Cã lÏ ®ã lµ mét gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật cấu, máy móc bắt chước hoạt động bắp người Đầu thập kỷ 60, c«ng ty Mü AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo loại máy tự động vạn gọi Người máy công nghiệp (Industrial Robot) Ngày người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho loại thiết bị có dáng dấp vài chức tay người điều khiển tự động để thực số thao tác sản xuất Về mặt kỹ thuật, robot công nghiệp ngµy nay, cã nguån gèc tõ hai lÜnh vùc kü thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) máy công cụ ®iỊu khiĨn sè (NC - Numerically Controlled machine tool) C¸c cấu điều khiển từ xa (hay thiết bị kiểu chủ-tớ) đà phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ Người thao tác tách biệt khỏi khu vực phóng xạ tường có vài cửa quan sát để nhìn thấy công việc bên Các cấu điều khiển từ xa thay thÕ cho c¸nh tay cđa ng­êi thao t¸c; nã gåm cã mét bé kĐp ë bªn (tí) hai tay cầm bên (chủ) Cả hai, tay cầm kẹp, nối với cấu sáu bậc tự để tạo vị trí hướng tuỳ ý tay cầm kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển kẹp theo chuyển động tay cầm Vào khoảng năm 1949, máy công cụ điều khiển số đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công chi tiết ngành chế tạo máy bay Những robot 10 Kết luận kiến nghị Với mục đích nghiên cứu đề tài nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ tải trọng tới độ xác lặp rôbôt công nghiệp Staubli-TX40, so sánh với kết nhà sản xuất đưa giải pháp nâng cao độ xác lặp Đề tài đà hoàn thành nội dung sau: - Tìm hiểu tổng quan tổng quan tình hình nghiên cứu, ứng dụng rôbôt giới Việt Nam Tìm hiểu hƯ thèng chia liỊu thc tiªm Theodorico sư dơng robot TX40 Trung tâm Máy gia tốc PET/CT- Bệnh viện TƯQĐ 108 tìm hiểu động lực học điều khiển rôbôt TX40 - Tìm hiểu phương pháp đánh giá độ xác lặp chọn phương án bố trí cảm biến hệ thống đo - Thiết kế lắp đặt hệ thống cảm biến đo, card thu thập liệu chuyên dụng phần mềm đo vị trí - Xây dựng công thức tính toán xác định sai số định vị sai số định hướng rôbôt TX40 - Đo độ xác lặp robot TX40 với điều kiện tốc độ tải khác Đánh giá ảnh hưởng yếu tố tới độ xác lặp rôbôt TX40 thực nghiệm, từ lựa chọn chế ®é lµm viƯc tèi ­u ®Ĩ robot cã ®é chÝnh xác lặp cao Khả ứng dụng phát triển đề tài: - Trên sở nghiên cứu giúp cho nhà thiết kế triển khai ứng dụng, dây chuyền tự động hoá có ứng dụng rôbôt TX40 với độ xác lặp đà kiểm chứng Lựa chọn kiện để vận hành robot tốc độ tải trọng để đạt độ xác lặp cao - Các cảm biến đà hiệu chuẩn card thu thập liệu thiết kế , đáp ứng khả đo cho rôbôt có độ xác lặp cao tới 0.02mm Với rôbôt có độ xác cao ta sử dụng card thu thập liệu cần phải trang bị cảm biến có độ phân giải cao 72 - Từ kết nghiên cứu tiếp tục phát triển đề tài theo hướng xây dựng phần mềm tự động đánh giá độ xác lặp rôbôt khác Để đo robot có độ xác cao sử dụng card ADC đà thiết kế Tuy nhiên cần sử dụng cảm biến có độ xác cao - Kết nghiên cứu khảo sát đề tài sở để lựa chọn robot với tốc độ tải trọng lớn giá trị để đạt độ xác lặp cao Nhưng tham khảo quan trọng cho kỹ sư làm việc liên quan đến phát triển hệ thống robot 73 Tài liệu tham khảo TiÕng ViƯt Ngun ThiƯn Phóc (2004), Robot c«ng nghiƯp - NXB Khoa Häc vµ Kü ThuËt, Hµ Néi Đào Văn Hiệp (2004), Kỹ thuật Robot - NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội Tạ Duy Liêm (2004), Robot hệ thống công nghệ Robot hoá - NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội Phạm Thượng Hàn (chủ biên), Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hòa (2005), Kĩ thuật đo lường đại lượng vật lí (2 tËp) - NXB Gi¸o Dơc Ngun Do·n ý (2003), Giáo trình Quy hoạch thực nghiệm - NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội Trần Văn Địch (2003), Nghiên cứu độ xác gia công thực nghiƯm NXB Khoa Häc vµ Kü Tht, Hµ Néi Trần Văn Địch, Trần Xuân Việt, Nguyễn Trọng Doanh, Lưu Văn Nhang (2001), Tự động hoá trình sản xuất - NXB Khoa Häc vµ Kü Tht, HN Ngun Trọng Doanh, Hoàng Đức Bằng, Lưu Văn Nhang, Nguyễn Anh Tuấn (2005), Nghiên cứu, thiết kế hệ thống đo độ xác lặp cho rôbôt công nghiệp, báo cáo kết đề tài cấp B 2004-28-112 Nguyễn Tiến Thọ, Nguyễn Thị Xuân Bảy, Nguyễn Thị Cẩm Tú (2001), Kỹ thuật đo lường kiểm tra chế tạo khÝ, NXB KH vµ KT, Hµ Néi 10 Phan Quèc Phô (chủ biên), Nguyễn Đức Chiến (2005), Giáo trình Cảm biÕn, NXB Khoa Häc vµ Kü ThuËt, Hµ Néi TiÕng Anh J.F.Brethe and al., “Experimental Results for Lula Repeatability Measures and Comparison with the Stochastic Elipsoid Approach”, Proceeding of International Conference on Robotics and Automation, 2004 74 O.Felix OFFDILE and KINGSLEY UGWU “Evaluating the effect of speed and payload on robot฀ Robotic and Computer integrated manufacturing, Vol.8 No1, pp 27-33, 1991 P.S Shiakolas and al., “International Journal of Modelling and Simulation฀, Vol 22, No.3, 2002 Y.Koseki and al., “Precise Evaluation of Positioning Repeatability of MRCompative Manipulator inside MRI”, Proceeding of MICCAI -2004 Automated material handling, (1996), Amatrol, Inc 6.Vu Thieu (2003), A Statistical Program for Socio-Economic Analysis 75 Phụ lục 76 Bảng giá trị đo tính toán độ xác lặp tải 0g 77 Bảng giá trị đo tính toán độ xác lặp tải 500g 78 Bảng giá trị đo tính toán độ xác lặp t¶i 1000g 79 Code nhóng dsPic4012 cho card ADC #include #FUSES NOWDT #FUSES HS #FUSES PR //No Watch Dog Timer //High speed Osc (> 4mhz for PCM/PCH) (>10mhz for PCD) #FUSES NOCKSFSM //Primary Oscillator //Clock Switching is disabled, fail Safe clock #FUSES WPSB16 //Watch Dog Timer PreScalar B 1:16 #FUSES WPSA512 //Watch Dog Timer PreScalar A 1:512 #FUSES PUT64 //Power On Reset Timer value 64ms #FUSES NOBROWNOUT //No brownout reset #FUSES BORRES #FUSES LPOL_HIGH #FUSES HPOL_HIGH //High-Side Transistors Polarity is Active-High #FUSES NOPWMPIN //PWM outputs drive active state upon Reset #FUSES MCLR //Master Clear pin enabled #FUSES NOPROTECT //Code not protected from reading #FUSES NOWRT //Program memory not write protected #FUSES NOCOE //Device will reset into operational mode #FUSES NODEBUG #FUSES ICSP1 //No Debug mode for ICD //ICD uses PGC1/PGD1 pins #use delay(clock=8000000) #use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C13,rcv=PIN_C14,bits=8) 80 int ad[5],array_ad0[128],array_ad1[128],array_ad2[128],array_ad3[128],array_ad4[12 8],array_ad5[128]; long Acc_ad0,Acc_ad1,Acc_ad2,Acc_ad3,Acc_ad4,Acc_ad5; int ad0,ad1,ad2,ad3,ad4,ad5; int i1=0, count=0; #define MCP3208_CLK PIN_E8 #define MCP3208_DOUT PIN_F2 #define MCP3208_DIN PIN_F3 #define MCP3208_CS PIN_B2 unsigned char u_data ; void adc_init() { output_high(MCP3208_CS); } void write_adc_byte(BYTE data_byte, BYTE number_of_bits) { BYTE i; delay_us(2); for(i=0; i>1; delay_us(5); output_high(MCP3208_CLK); delay_us(5); } } BYTE read_adc_byte(BYTE number_of_bits) { BYTE i,data; data=0; for(i=0;i>8); putchar((ad3&0x0F0)>>4); putchar(ad3& 0x00F); putchar((ad4&0xF00)>>8); putchar((ad4&0x0F0)>>4); 85 putchar(ad4& 0x00F); putchar((ad5&0xF00)>>8); putchar((ad5&0x0F0)>>4); putchar(ad5& 0x00F); putchar(0xFF); u_data = 0; } count = 0; } } } 86 ... mang tải Hình 4.7 Độ xác lặp robot không mang tải Hình 4.8 Bảng giá trị độ xác lặp theo tốc độ tải trọng Hình 4.9 Đồ thị độ xác lặp theo vận tốc tải trọng Phần mở đầu Lý chọn đề tài Độ xác lặp robot. .. cho nghiên cứu độ xác lặp Đánh giá ảnh hưởng tốc độ tải trọng đến độ xác lặp robot cụ thể từ lựa chọn điều kiện làm việc tối ưu cho hệ thống - Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hệ thống đo độ xác lặp. .. dụng cho nghiên cứu độ xác lặp Đánh giá ảnh hưởng tốc độ tải trọng tới độ xác lặp robot TX40 dựa vào kết đo thực nghiệm lựa chọn điều kiện làm việc tối ưu cho robot Phương pháp nghiên cứu: Sử