Nghiên cứu tính toán thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang almega aii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG CHO ROBOT HÀN HỒ QUANG ALMEGA AII NGUYỄN THỊ BÍCH NGẦN THÁI NGUYÊN, 2011 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - NGUYỄN THỊ BÍCH NGẦN NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG CHO ROBOT HÀN HỒ QUANG ALMEGA AII CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS Phan Bùi Khơi Nguyễn Thị Bích Ngần KHOA ĐÀO TẠO SĐH Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN BGH TRƯỜNG ĐHKTCN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tự làm nghiên cứu, hướng dẫn PGS.TS Phan Bùi Khơi viện trưởng viện khí ĐHBK Hà Nội Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nêu phần tài liệu tham khảo Tôi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan Người cam đoan Tác giả Nguyễn Thị Bích Ngần Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU LỜI NĨI ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT Error! Bookmark not defined 1.1 Giới thiệu tổng quan Robot Error! Bookmark not defined 1.2 Robot công nghiệp ứng dụng Error! Bookmark not defined 1.3 Robot hàn hồ quang Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 11 TÍNH TỐN MƠ HÌNH Error! Bookmark not defined 2.1 Cơ sở tính tốn khảo sát Robot Error! Bookmark not defined 2.1.1 Biểu diễn điểm không gian Error! Bookmark not defined 2.1.2 Ma trận cosin hướng, ma trận quay Error! Bookmark not defined 2.1.3 Vị trí, hướng vật rắn Error! Bookmark not defined 2.1.4 Phép biến đổi tọa độ Error! Bookmark not defined 2.1.5 Phương pháp Denavit- Hartenberg (D-H) Error! Bookmark not defined 2.2 Thiết lập phƣơng trình động học robot Error! Bookmark not defined 2.2.1 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học Error! Bookmark not defined Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.2 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác Error! Bookmark not defined 2.2.3 Phương trình động học robot Error! Bookmark not defined 2.2.4 Bài tốn động học thuận vị trí robot Error! Bookmark not defined 2.2.5 Bài toán động học ngược vị trí robot Error! Bookmark not defined 2.3 Bài toán động học robot hàn Almega AII vật hàn cố định Error! Bookmark not defined 2.4 Động học robot hàn Almega AII vật hàn gắn đồ gá di động Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 48 THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ROBOT HÀN ALMEGA AII Error! Bookmark not defined 3.1 Thiết kế đồ gá di động Error! Bookmark not defined 3.1.1 Công dụng đồ gá Error! Bookmark not defined 3.1.2 Phân tích lựa chọn cấu trúc động học cho đồ gá Error! Bookmark not defined 3.1.3 Mẫu mơ hình đồ gá Error! Bookmark not defined 3.2 Tính tốn thiết kế truyền động Error! Bookmark not defined 3.2.1 Lựa chọn động Error! Bookmark not defined 3.2.2 Tính tốn truyền cho đồ gá Error! Bookmark not defined 3.2.3 Tính chọn ổ Error! Bookmark not defined 3.2.4 Phân tích lựa chọn phôi Error! Bookmark not defined 3.2.5 Phân tích cơng nghệ kết cấu chi tiết Error! Bookmark not defined Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2.6 Mơ hình vẽ lắp 3D bảng kê chi tiết đồ gá Error! Bookmark not defined 3.2.7 Kiểm nghiệm độ bền đồ gá phần mềm COSMOSWorks Error! Bookmark not defined 3.3 Mô hoạt động robot hàn Almega AII Error! Bookmark not defined 3.3.1 Phần mềm ứng dụng Error! Bookmark not defined 3.3.2 Chương trình mơ Error! Bookmark not defined 3.3.3 Giao diện chương trình ứng dụng Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH Stt Ký hiệu Mô tả D-H Denavit and Hartenberg Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox αi Góc quay quanh trục ox di Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz θi Góc quay quanh trục oz qi Biến khớp thứ (i) Ai Ma trận truyền khâu (i-1) khâu (i) rot Góc quay Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Hình số Nội dung Hình 1.1 Robot hàn Allmega AII Hình 1.2 VD Robot hàn chi tiết có chiều dài lớn Hình 1.3 VD Robot hàn chi tiết có biên dạng phức tạp 10 Hình 2.1 Robot hàn Allmega AII 11 Hình 2.2 Hệ quy chiếu cố định 12 Hình 2.3 Hai hệ quy chiếu chung gốc 12 Hình 2.4 Hai hệ quy chiếu liên hệ với góc α 14 Hình 2.5 Vị trí vật khơng gian chiều 15 Hình 2.6 Phương pháp góc Euler 16 10 Hình 2.7 Phương pháp góc Cardan 17 11 Hình 2.8 12 Hình 2.9 13 Hình 2.10 Quỹ đạo hàn 33 14 Hình 2.11 Gắn hệ tọa độ cho robot 36 15 Hình 2.12 VD1 Robot có giá cố định, đồ gá di chuyển tịnh tiến 39 16 Hình 2.13 VD2 Robot có giá cố định, đồ gá chuyển động quay 44 17 Hình 3.1 Mơ hình đồ gá 49 18 Hình 3.2 Robot song song 49 19 Hình 3.3 Mơ hình động học 50 20 Hình 3.4 Các hình chiếu mơ hình đồ gá 51 21 Hình 3.5 Tính chọn động 52 22 Hình 3.6 Bánh đai lớn 54 23 Hình 3.7 Bánh đai nhỏ 54 24 Hình 3.8 Ổ đỡ 55 Trang Vector định vị điểm P thuộc vật rắn khơng gian chiều Phương pháp Denavit- Hartenberg Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 22 Trục dài 25 Hình 3.9 56 26 Hình 3.10 Trục ngắn 56 27 Hình 3.11 Chi tiết mâm đỡ (bàn động 1) 57 28 Hình 3.12 Chi tiết dạng bạc 57 29 Hình 3.13 Bản vẽ lắp 3D 58 30 Hình 3.14 Giao diện phần mềm COSMOSWorks 59 31 Hình 3.15 Chuyển vị bàn động 61 32 Hình 3.16 Ứng suất bàn động 61 33 Hình 3.17 Sức căng bàn động 62 34 Hình 3.18 Ứng suất trục 62 35 Hình 3.19 Sức căng trục 63 36 Hình 3.20 Chuyển vị trục 63 37 Hình 3.21 Ứng suất bàn động (mâm quay) 64 38 Hình 3.22 Sức căng bàn động (mâm quay) 64 39 Hình 3.23 Chuyển vị bàn động (mâm quay) 65 40 Hình 3.24 Mơ hình đồ gá mơi trường SolidWorks 67 41 Hình 3.25 42 Hình 3.26 43 Hình 3.27 44 Hình 3.28 Giao diện chọn file “du lieu mo phong robot 72 45 Hình 3.29 Giao diện chọn file “du lieu cau truc robot” 72 Tùy chọn hiệu chỉnh file định dạng *.STL Giao diện mô robot hàn chi tiết với chiều dài đường hàn lớn Giao diện mô robot chi tiết với quỹ đạo hàn đường cong khơng gian Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 68 70 71 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Stt Bảng số Nội dung Trang Bảng 3.1 So sánh robot chuỗi robot song song 49 Bảng 3.2 Bảng phân phối tỷ số truyền 53 Bảng 3.3 Bảng kê chi tiết 58 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.15 Chuyển vị bàn động Hình 3.16 Ứng suất bàn động Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 75 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.17 Sức căng bàn động Hình 3.18 Ứng suất trục Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 76 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.19 Sức căng trục Hình 3.20 Chuyển vị trục Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 77 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.21 Ứng suất bàn động (mâm quay ) Hình 3.22 Sức căng bàn động (mâm quay ) Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 78 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.23 Chuyển vị bàn động (mâm quay ) 3.3 Mô hoạt động robot hàn Almega AII 3.3.1 Phần mềm ứng dụng Cơ cấu mô hì nh hệ robot đồ gá thể hiện dễ dàng với việc vẽ phần mềm CATIA , AutoCad, Machinecal Desktop hoặc phần mềm SolidWorks, là phần mềm k há phổ biến việc vẽ kỹ thuật Trong những phần mềm này ta có thể thực hiện vẽ chi tiết các bộ phận , việc vẽ hình SolidWorks hay AutoCad tùy thuộc vào khả hay thói quen của mỡi người , nhiên phần mềm có nhược điểm tí nh trực quan và thể hiện quá trì nh làm việc của cấu không rõ Ta cần phải mô chuyển động cấu để quan sát trạng thái làm việc kiểm nghiệm tính đắn việc tính tốn lý thuyết hệ Sau tính tốn động học thiết kế đồ gá cho hệ robot, để đảm bảo đồ gá hoạt động được, sau tiến hành chế tạo, trước hết cần phải xây dựng chương trình mơ q trình hoạt động hệ robot theo quỹ đạo tính tốn điều cần thiết hay nói cách khác kiểm nghiệm lý thuyết xem có sai sót Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 79 http://www.lrc-tnu.edu.vn khơng có sai sót hậu kinh tế lớn Vậy để mô hoạt động hệ robot tác giả dùng phần mềm mơ Visual C++ 2008 có nhiều ưu điểm so với cũ, phần mềm có ưu điểm có tính trực quan cao thể tồn q trình làm việc cấu, kiểm nghiệm tính đắn việc tính tốn lý thuyết hệ Phần mềm mô Visual C++ dùng để thực việc mô mơ hình chủn đợ ng cho hệ robot máy tính Mơ hì nh hệ robot SolidWorks hay AutoCad sẽ được chuyển vào thành đối tượng Visual C ++ Việc chuyển đổi tương quan môi trường làm việc của hai phần mềm SolidWorks và AutoCad là khá dễ dàng vì từ phiên bản SolidWorks 2005 trở lên đã hỗ trợ cho việc chuyển đổi môi trường AutoCad - SolidWorks Từ mô hì nh đã dựng sẵn SolidWorks hay AutoCad ta có nhiều cách để xuất hình ảnh sang mơi trường Visual C++ gồm cách sau: - Với việc số hóa đối tượng 3D AutoCAD , ta dựng lại đối tượng môi trường OPENGL việc sử dụng thư viện Object ARX, tiện ích cho phép chuyển mô hì nh 3D về dạng file *.bdf, chương trì nh Visual C ++ ta sẽ xây dựng các phương thức để đọc file này và chuyển thành đối tượng mô hì nh chương trì nh mô phỏng bằng cách sử dụng thư viện OpenGL (Open GL giao diện phần mềm với phần cứng đồ hoạ) - Trong môi trường SolidWorks ta xuất f ile mô phỏng chi tiết sang dạng *.STL Cũng tương tự cách dùng file *.bdf ta cũng phải xây dựng phương thức để đọc file *.STL này và thực hiện vẽ lại mô hì nh bằng cách sử dụng thư viện OpenGL Với phương pháp này ta có thể điều chỉ nh được độ mịn chi tiết thông qua tùy chọn ghi file Trong nội dung luận văn tác giả dùng phương pháp để thực việc sử dụng đối tượng môi trường SolidWorks Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 80 http://www.lrc-tnu.edu.vn Sau đưa đối tượng hình vẽ sang định dạng chương trình mơ Visual C++ ta dùng thư viện mở OpenGL để thực việc mơ hình hóa hệ robot Khi dựng mơ hình hệ robot ta tiến hành truyền chuyển động cho cấu cho hệ robot cách đọc file liệu quỹ đạo cho trước tính tốn chương trình tính tốn Maple hãng Mapsoft 3.3.2 Chƣơng trình mơ Trong mơi trường phần mềm solidWorks ta cố gắng vẽ đối tượng có gốc tọa độ trùng với gốc tọa độ vật chọn theo bảng Denavit Hình 3.24 Mơ hình đồ gá mơi trường SolidWorks Ngoài SolidWorks cung cấp cho chức chuyển dịch hệ tọa độ vị trí mong muốn chi tiết - Xuất đối tượng SolidWorks sang file định dạng *.STL: Sau hoàn thành vẽ chi tiết khâu, đặt hệ tọa độ Oxy khớp chi tiết ta save chi tiết sang file định dạng *.STL Trong có số tùy chọn sau: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 81 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.25 Tùy chọn hiệu chỉnh file định dạng *.STL Mục Output as phải để dạng file ASCII, tức thể đọc file ngôn ngữ người, ta xây dựng phương thức đọc file này, cịn để dạng file Binary dạng ngôn ngữ máy, ta đọc được, việc xây dựng phương thức đọc file dạng khó khăn Mục Unit: Để đơn vị trùng với đơn vị thiết kế vẽ chi tiết khâu đồ gá robot Mục Resolution nên để tùy chọn Custom để chỉnh độ mịn file *.STL Nhớ check ô: Do not translate STL output data to positive space, không việc xuất định dạng file không thực - Biên dịch file *.STL sang dạng file lưu trữ tọa độ đỉnh Trong file *.STL bên sau chuyển từ định dạng *.SLDPRT chứa phần tọa độ đỉnh cấu thành lên điểm hình vẽ chi tiết phần chữ biên dịch chương trình SolidWorks, mà Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 82 http://www.lrc-tnu.edu.vn phần chữ ta khơng cần cho việc đọc file liệu cần cho việc mơ phỏng, chí giảm hiệu chương trình Để giảm bớt thời gian tính tốn nhớ cho việc chạy chương trình mơ ta loại bỏ phần chữ chương trình tiện ích khác nhằm chuyển đổi file *.STL sang định dạng file không chứa phần chữ, chứa tọa độ cần thiết cho việc lấy liệu Như luận văn này, chương trình tiện ích chuyển đổi có tên XConvertSTL.exe 3.3.3 Giao diện chƣơng trình ứng dụng Chương trình mơ thực môi trường Visual C++ với ứng dụng thư viện hàm chuẩn MFC với ứng dụng Single Document Interface – giao diện tài liệu đơn (SDI) Ứng dụng SDI ứng dụng tài liệu làm việc với kiểu tài liệu thời điểm Khi tạo ứng dụng SDI, lớp tạo cho ứng dụng SDI gồm lớp bản:  Lớp dẫn xuất CframeView: lớp khung cửa sổ, chứa công cụ, menu, cuộn đối tượng nhìn thấy thời điểm  Lớp dẫn xuất CDocument: chứa tài liệu, xây dựng liệu lớp nhận tài liệu vào từ Cview truyền thông tin hiển thị sang CView  Lớp dẫn xuất CwinApp: Tạo tất thành phần khác ứng dụng, lớp nhận thông báo kiện sau truyền thơng báo tới lớp Cview CframeView  Lớp dẫn xuất Cview trình bày hiển thị tài liệu Dựa vào lớp sở ta xây dựng ứng dụng cho mô chuyển động, ta xây dựng hàm phục vụ với mục đích cụ thể Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 83 http://www.lrc-tnu.edu.vn Giao diện mơ Hình 3.26 Giao diện mô robot hàn chi tiết với chiều dài đường hàn lớn Hình 3.26 giao diện chương trình mơ tả ứng dụng chương trình Visual C++ mô hoạt động hệ thống robot, đồ gá di động hàn chi tiết với kích thước đường hàn lớn khoảng 450mm Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 84 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.27 Giao diện mô robot hàn hai chi tiết với quỹ đạo hàn đường cong không gian Thao tác với giao diện sau: - Khởi tạo chương trình việc nháy chuột vào biểu tượng chương trình mở biểu tượng chương trình - Chọn cấu trúc robot để mơ Vì chương trình định dạng cho phép mô lớp loại robot chọn cấu trúc robot đồ gá để mô Cách chọn sau từ cửa sổ “Untitled-aa” chương trình chọn file “du lieu mo phong robot” cửa sổ file du lieu mo phong robot lên cho phép chọn đường dẫn để mở file lưu liệu mô cấu trúc robot (chọn robot_2) ấn open hình 3.28, sau chọn chọn file liệu liên quan đến trình công nghệ để mô vào cửa sổ “Untitled-aa” chương trình chọn file “du lieu cau truc robot” cửa sổ file du lieu mo phong robot lên cho phép chọn đường dẫn để mở file lưu liệu cấu trúc robot (chọn Moi han_2) ấn open hình 3.29 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 85 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.28 Giao diện chọn file “du lieu mo phong robot” Hình 3.29 Giao diện chọn file “du lieu cau truc robot” Để chạy chương trình ấn nút “Run”, ngừng chương trình ấn “pause” chạy chương trình giao diện giống hình 3.27, để đồ gá phải thực Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 86 http://www.lrc-tnu.edu.vn chuyển động quay, quay quanh trục y quay quanh trục z để đảm bảo robot hàn hết đường hàn, để chứng minh điều tác giả giới thiệu đoạn video mô hoạt động đồ gá robot sau: Video 1: Video 2: KẾT LUẬN CHUNG - Như luận văn đưa tính cấp thiết đề tài dùng đồ gá hàn robot hàn hàn chi tiết có chiều dài lớn, đặc biệt sản phẩm có biên dạng phức tạp, yêu cầu độ xác cao Khi hàn khơng phải thay đổi vị trí robot hàn tiết kiệm thời gian, cho suất hiệu quả kinh tế cao - Luận văn thiết kế đồ gá có khả chuyển động mở rộng khả công nghệ cho robot - Luận văn tính tốn động học cho hệ robot (đồ gá robot) + Đưa toán động học tổng quát robot hàn chi tiết có chiều dài lớn + Đưa toán động học tổng quát robot hàn chi tiết có biên dạng hàn phức tạp - Đã kiểm nghiệm bền đồ gá phần mềm SolidWorks - Đã chạy mô hàn số trường hợp phần mềm Visual C++ Luận văn thiết kế đồ gá mang chi tiết tăng khả công nghệ cho hệ robot, mở rộng khả công nghệ cho robot hàn hồ quang ALLMEGA AII hàn đường hàn dài, đường cong không gian phức tạp mà robot với tới thực Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 87 http://www.lrc-tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS.TS Đào Văn Hiệp Kỹ thuật robot GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc Robot giới công nghệ cao bạn PGS.TS Phan Bùi Khôi Bài giảng t ính tốn thiết kế robot Trường ĐHBKHN, 2010 Phan Bùi Khơi, Trần Minh Thúy, Bùi Văn Hạnh “Tính tốn động học robot hàn có di động” Tuyển tập cơng trình hội nghị học tồn quốc lần thứ VIII Hà Nội, ngày 6-7/12/2007 Nguyễn Trọng Hiệp Chi tiết máy tập 1,2 NXB Giáo dục, Hà Nội 2001 Trịnh Chất, Lê Văn Uyển “Tính tốn dẫn động khí tập 1,2 NXB Giáo dục, Hà Nội 2006 Đào Chi Lăng: Solidworks- COSMOSWorks Bản dịch từ Solidworks Tutorials Sciavicco L., Siciliano B, Modelling and Control of Robot Manipulators, Springer, London 2004 David G Ullman, The Mechanical Design Process, Mc Graw Hill 2003 10 Lung Wen Tsai Robot Analysis, The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators John Willey & Sons, New York/Toronto/ 505 pag 1999 11 John J Craig Introduction to Robotics, Mechanics and Control 3rd Edition, Pearson 400 pag 1989 12 Sicilianno B, Khatib O, Springer Hanbook of Robotics, SpringerVerlag Berlin Heidelberg 2008 13 Grote, Antonsson, Springer Hanbook of Mechanical Engineering, Springer 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 88 http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 89 http://www.lrc-tnu.edu.vn ... nghiên cứu tính tốn thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang ALMEGA AII Xuất phát từ lý em chọn thực luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài “ Nghiên cứu tính tốn thiết kế đồ gá di động cho robot. .. việc di chuyển robot hàn trình hàn, khơng thời gian, đảm bảo tính kinh tế cho suất, hiệu suất cao việc thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang Almega AII cần thiết Do đề tài có mục tiêu nghiên. .. defined 2.4 Động học robot hàn Almega AII vật hàn gắn đồ gá di động Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 48 THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ROBOT HÀN ALMEGA AII