Động lực học và điều khiển robot ứng dụng trong gia công bằng tia laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lâm Văn Hiển ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG BẰNG TIA LASER Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS TS Phan Bùi Khôi Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi hồn thành hướng dẫn bảo tận tình thầy giáo hướng dẫn Phan Bùi Khôi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà nội, ngày 30 tháng 03 năm 2018 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN GIA CÔNG BẰNG TIA LASER 11 1.1 Các ứng dụng Robot gia công tia laser 11 1.1.1 Tổng quan robot công nghiệp 11 1.1.2 Ứng dụng robot sản xuất công nghiệp 12 1.1.3 Ứng dụng robot gia công tia laser 15 1.2 Cơ sở khảo sát động học robot gia công tia laser 18 1.2.1 Cấu trúc động học cấu chấp hành 18 1.2.2 Các hệ toạ độ robot 20 1.2.3 Các ma trận truyền biến đổi toạ độ DenavitHartenberg 21 1.2.4 Đặc trưng hình học đối tượng thao tác 24 1.3 Tính tốn động học robot 26 1.3.1 Phương pháp tam diện trùng theo xác định điều kiện thao tác 26 1.3.2 Bài toán động học thuận vị trí robot 27 1.3.3 Bài toán thuận vận tốc gia tốc 29 1.3.4 Bài tốn động học ngược vị trí robot 29 1.3.5 Bài toán động học ngược vận tốc, gia tốc robot 31 CHƯƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG BẰNG TIA LASER 33 2.1 Động 33 a Tính tensor quán tính 33 b Tính 𝐽𝐽𝑇𝑇𝑠𝑠 39 c Tính J Ri 44 2.2 Thế robot 48 2.3 Phương trình vi phân chuyển động robot dạng ma trận 48 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CỦA ROBOT KHI GIA CÔNG 50 3.1 Các phương pháp điều khiển robot 50 3.1.1 Điều khiển không gian khớp 50 3.1.2 Điều khiển không gian thao tác 51 3.1.3 Các luật điều khiển robot 51 3.2 Thiết kế điều khiển robot 53 3.2.1 Luật điều khiển 53 3.2.2 Ổn định hệ thống 54 3.2.3 Mô hình điều khiển 55 3.3 Kết tính tốn động lực học điều khiển 58 3.3.1 Các tham số tính tốn 58 3.4 Các kết tính tốn mơ 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 Kết luận 74 Kiến nghị 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Robot cơng nghiệp dây chuyền sản xuất tơ 11 Hình Robot xưởng đúc 12 Hình Robot hàn 13 Hình Robot xưởng lắp ráp tơ 14 Hình Robot scara xếp kẹo vào hộp 14 Hình Khoan laser bề mặt vật liệu 16 Hình Cắt laser bề mặt inox 17 Hình Khắc laser bề mặt kim loại 17 Hình Ứng dụng hàn laser cho bánh trục 18 Hình 10: Mơ hình robot bậc tự 19 Hình 11: Các hệ toạ độ mơ hình robot 20 Hình 12 Các biên dạng đối tượng gia cơng, tam diện trùng theo 25 Hình 13 Khâu 34 Hình 14 Khâu 35 Hình 15 Khâu 36 Hình 16 Khâu 37 Hình 17 Khâu 38 Hình 18 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển khơng gian khớp 51 Hình 19 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển không gian thao tác 51 Hình 20 Sơ đồ điều khiển PD 52 Hình 21 Sơ đồ điều khiển robot với điều khiển PD + Phản hồi động lực học ngược 52 Hình 22 Sơ đồ điều khiển PID 53 Hình 24 Mơ hình cấu trúc điều khiển PD + lực 56 Hình 25 Các khối vị trí, vận tốc, gia tốc đặt 56 Hình 26 Khối PD 57 Hình 27 Khối điều khiển 57 Hình 28 Khối Robot 58 Hình 29 Biên dạng gia công hệ tọa độ xác định 59 Hình 30 Vị trí khâu 60 Hình 31 Vị trí khâu 61 Hình 32 Vị trí khâu 61 Hình 33 Vị trí khâu 62 Hình 34 Vị trí khâu 62 Hình 35 Vị trí khâu 63 Hình 36.Vận tốc khâu 63 Hình 37 Vận tốc khâu 64 Hình 38 Vận tốc khâu 64 Hình 39 Vận tốc khâu 65 Hình 40 Vận tốc khâu 65 Hình 41 Vận tốc khâu 66 Hình 42.Gia tốc khâu 66 Hình 43 Gia tốc khâu 67 Hình 44 Gia tốc khâu 67 Hình 45 Gia tốc khâu 68 Hình 46 Gia tốc khâu 68 Hình 47 Gia tốc khâu 69 Hình 48 Lực dẫn động khớp 70 Hình 49 Đồ thị góc qua Khâu 71 Hình 50 Đồ thị dịch chuyển Khâu 71 Hình 51 Đồ thị góc quay Khâu 72 Hình 52 Đồ thị góc quay Khâu 72 Hình 53 Đồ thị góc quay Khâu 73 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Bảng thông số động học DH Robot 21 Bảng Bảng tham số động lực học khối lượng tensor quán tính 38 Bảng Giá trị tham số động học DH Robot 58 Bảng Các tham số động học hệ hệ tọa độ trung gian 59 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thời kỳ cơng nghiệp hố, đại hố nay, ứng dụng robot cơng nghiệp ngày trở nên phát triển phổ biến Con người dần thay phương thức lao động thủ cơng máy móc đại, robot ngày chiếm ưu việc thay người để làm cơng việc khó khăn phức tạp Việc phát triển robot hướng tất yếu cơng nghệ chìa khố của công nghiệp đại nay, giai đoạn phát triển cơng nghiệp 4.0 Chính lý trên, việc nghiên cứu, ứng dụng mơ hình robot thực tiễn đề tài hay thực tiễn Đó lý để chọn đề tài điều khiển ứng dụng robot gia cơng tia laser Mục đích nghiên cứu Là học viên ngành Cơ điện tử, thân muốn nghiên cứu, điều khiển robot lĩnh vực gia công sản phẩm công nghiệp với mục tiêu xác đạt hiệu suất cao hoạt động sản xuất kinh doanh Với ứng dụng robot gia cơng khí ngày nhiều nay, việc sử dựng công nghệ laser kết hợp với robot gia công công nghiệp ngày trở nên phổ biến Do đó, để hiểu sâu ứng dụng robot gia công, lựa chọn nghiên cứu ứng dụng robot gia công tia laser Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ngày nay, sản xuất công nghiệp loại hình gia cơng tia laze ngày phổ biến Đây phương pháp gia cơng có nhiều ưu điểm Thông thường máy gia công tia laze có ba trục, ba bậc tự do, kể máy CNC ba trục có hạn chế khả gia công biên dạng phức tạp đối tượng có cấu trúc khơng gian Người ta ứng dụng robot gia công tia laze Với robot ba bậc tự có hạn chế khả chuyển động thao tác máy ba trục Các robot sáu bậc tự cho khả linh hoạt chuyển động thao tác Nếu không kể đến hạn chế cấu trúc khâu, khớp nói robot sáu bậc tự cho phép đạt vị trí hướng tùy ý đầu laze gia công Tuy cấu trúc sáu bậc tự phức tạp Xét q trình gia cơng tia laze, u cầu định vị đầu gia công bao gồm định vị mũi gia công hướng chùm tia laze, tức hướng trục đầu laze Với vị trí mũi gia cơng hướng trục đầu laze xác định tùy ý robot thực gia cơng biên dạng đối tượng không gian Robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở năm khâu năm bậc tự cho khả định vị đầu laze Chính vậy, phạm vi đề tài tập trung nghiên cứu việc xây dựng mô hình robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở năm khâu năm bậc tự do, ứng dụng việc tạo robot gia công tia laze Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu thông qua tài liệu chuyên ngành, sách, báo ứng dụng cơng nghệ robot Trên sở lựa chọn mơ hình ứng dụng laser sở cấu mơ hình robot Tiếp theo, thực khảo sát chuyển động robot động học, động lực học, áp dụng luật điều khiển để mơ phỏng, tính tốn Q trình khảo sát có sử dụng công cụ hỗ trợ phần mềm Solidwork, AutoCad, phần mềm Maple, phần mềm mô điều khiển Matlab Simulink Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Bài luận văn hồn thành tài liệu tham khảo dùng để tiếp tục nghiên cứu toán động học, động lực học điều khiển robot nói chung điều khiển robot gia cơng khí tia laser nói riêng Các kết tính tốn, kết mơ phỏng, chương trình giải thuật luận văn cho phép tiếp tục áp dụng để nghiên cứu thực tiễn để triển khai thiết kế chế tạo robot thật để gia cơng 10 Rad t (s) m Hình 30 Vị trí khâu t (s) Hình 31 Vị trí khâu 61 Rad Rad t (s) Hình 32 Vị trí khâu Rad t (s) Hình 33 Vị trí khâu 62 Rad t (s) Hình 34 Vị trí khâu rad/s 𝑞𝑞̇ 𝑞𝑞̇ 𝑞𝑞̇ t (s) 𝑞𝑞̇ 𝑞𝑞̇ 𝑞𝑞̇ 2𝑞𝑞̇ Hình 35.Vận tốc khâu 63 Rad/s t (s) m/s Hình 36 Vận tốc khâu t (s) Hình 37 Vận tốc khâu 64 rad/s t (s) rad/s Hình 38 Vận tốc khâu t (s) Hình 39 Vận tốc khâu 65 rad/s t (s) rad/s2 Hình 40 Vận tốc khâu 𝑞𝑞̈ t (s) 𝑞𝑞̈ 𝑞𝑞̈ 𝑞𝑞̈ 𝑞𝑞̈ Hình 41.Gia tốc khâu 66 Rad/s2 t (s) m/s2 Hình 42 Gia tốc khâu t (s) Hình 43 Gia tốc khâu 67 Rad/s2 t (s) Rad/s2 Hình 44 Gia tốc khâu t (s) Hình 45 Gia tốc khâu 68 Rad/s2 t (s) Hình 46 Gia tốc khâu Các hình từ hình 42 đến hình 46 biểu diễn quy luật chuyển động khâu nhận từ chương trình mơ điều khiển 69 Hình 47 Lực dẫn động khớp 70 rad/s t (s) t (s) Hình 48 Đồ thị góc qua Khâu m t (s) Hình 49 Đồ thị dịch chuyển Khâu 71 rad t (s) Hình 50 Đồ thị góc quay Khâu rad t (s) Hình 51 Đồ thị góc quay Khâu 72 rad t (s) Hình 52 Đồ thị góc quay Khâu Nhận xét: Qua đồ thị góc quay ứng với khớp robot, ta thấy robot điều khiển với sai lệch tĩnh nhỏ Robot điều khiển với quỹ đạo mong muốn với độ xác cao 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Cấu trúc robot nghiên cứu, khảo sát tính tốn phù hợp u cầu định vị đa dạng đảm bảo yêu cầu thao tác robot gia công tia laze Phương pháp thiết kế quỹ đạo cho phép xây dựng chương trình linh hoạt, phục vụ thiết kế, lập trình gia cơng biên dạng khác Mô số động học mô hoạt động điều khiển cho hình ảnh trực quan, khẳng định độ tin cậy kết tính tốn khảo sát Kết nghiên cứu tạo điều kiện sở cho việc triển khai nghiên cứu ứng dụng Kiến nghị Sau đề tài nghiên cứu hồn tất, vận dụng liệu luận văn làm sở để nghiên cứu ứng dụng vào nghiên cứu thực tiễn Để ứng dụng rộng rãi gia công giảng dạy cần tiếp tục nghiên cứu sâu nhằm mang lại hiệu cao tối ưu hoạt động robot 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Bùi Khôi (2009) Bài tốn động học điều khiển chuyển động chương trình robot tác hợp Tuyển tập cơng trình Hội nghị học toàn quốc kỷ niệm 30 năm Viện Cơ học Tạp chí học Tập 2, tr 317-323 [2] Phan Bui Khoi (2009) Calculation and simulation of the program motion of mechanisms of relative manipulation Journal of Science and Technology, Vietnam Aacademy of Science and Technology № 3, vol 47, pp 19-28 [3] Phan Bùi Khôi, Trần Minh Thúy, Bùi Văn Hạnh (2007) Tính tốn động học robot hàn có di động Tuyển tập cơng trình hội nghị học toàn quốc lần thứ VIII Tập 1, tr 280-293 [4] Phan Bùi Khôi (2009), Bài giảng Robotics, Trường đại học Bách Khoa Hà nội [5] Nguyễn Thiện Phúc (2002), Robot công nghiệp, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà nội, tr 96-133 [6] Nguyễn Mạnh Tiến (2007), Điều khiển Robot công nghiệp, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà nội, tr 59-99 75 ... khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN GIA CÔNG BẰNG TIA LASER 11 1.1 Các ứng dụng Robot gia công tia laser 11 1.1.1 Tổng quan robot công nghiệp 11 1.1.2 Ứng dụng robot. .. robot thật để gia cơng 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN GIA CƠNG BẰNG TIA LASER 1.1 Các ứng dụng Robot gia công tia laser 1.1.1 Tổng quan robot công nghiệp Theo Viện nghiên cứu robot Mỹ định nghĩa robot công. .. sách, báo ứng dụng cơng nghệ robot Trên sở lựa chọn mơ hình ứng dụng laser sở cấu mơ hình robot Tiếp theo, thực khảo sát chuyển động robot động học, động lực học, áp dụng luật điều khiển để mô