Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ THỊ THU THỦY NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO ROBOT CHUỖI THEO NHÓM CẤU TRÚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ THÁI NGUYÊN – 2021 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP LÊ THỊ THU THỦY NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO ROBOT CHUỖI THEO NHĨM CẤU TRÚC Ngành: K t uật C Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Người ướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Thành Long THÁI NGUYÊN – 2021 i LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hồn thành luận án, tác giả ln nhận quan tâm, bảo, tạo điều kiện thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên giúp đỡ, động viên gia đình, người thân, đồng nghiệp Đặc biệt, tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc PGS.TS Phạm Thành Long tận tình bảo hướng dẫn tác giả suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả xin cảm ơn thầy cô giáo Khoa Cơ khí - Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, thầy mơn Cơ điện tử đóng góp ý kiến tạo điều kiện giúp đỡ tác giả nhiều Cuối cùng, xin cảm ơn tất người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả suốt khoá học NGHIÊN CỨU SINH Lê Thị Thu Thủy ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án ―Nghiên cứu tính tốn xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc‖ tơi tự thực đồng thực hướng dẫn PGS TS Phạm Thành Long Để hồn thành luận án này, tơi sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo mà không dùng tài liệu khác Khơng có chép, gian lận kết cơng trình nghiên cứu khác Các số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 20 tháng năm 2021 Tác giả Lê Thị Thu Thủy iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ DUNG SAI CHO ROBOT 1.1 Sai số nguồn gây sai số 1.2 Các cơng trình nghiên cứu nước .16 1.2.1 Các cơng trình nghiên cứu nước .16 1.2.2.1 Những nghiên cứu thiết kế dung sai phương diện định tính………………………………………………………………………………… 18 1.2.2.2 Những nghiên cứu thiết kế dung sai phương diện định lượng 19 1.2.2.3 Thiết kế dung sai theo kinh nghiệm ……………………………… 21 1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước 17 1.3 Những vấn đề tồn 21 1.4 Hướng nghiên cứu luận án 23 1.4.1 Giả thuyết khoa học luận án 25 1.4.2 Nội dung luận án 26 1.4.3 Kết nghiên cứu luận án 31 C ng 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ GIỮA DUNG SAI KHÂU, KHE HỞ KHỚP VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT .34 2.1 Xây dựng mơ hình tốn thiết kế dung sai cho robot độc lập 34 2.1.1 Cơ sở xây dựng mơ hình tốn 34 2.1.1.1 Phương pháp mơ tả độ xác khâu cuối - Hình cầu giới hạn sai số cho phép ……………………………………………………………… ……………34 2.1.1.2 Mơ hình tốn tổng qt …………………………………………… 35 2.1.1.3 Giải toán động học theo phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (Generalized Reduced Gradient - GRG) …………………………………………… 42 2.1.2 Xây dựng mơ hình tốn cho robot 6DOF 47 2.1.3 Xây dựng mơ hình toán cho robot chuỗi 5DOF .55 2.1.4 Xây dựng mơ hình tốn cho robot SCARA 4DOF 60 2.2 Xây dựng mơ hình toán thiết kế dung sai cho robot nhóm cấu trúc động học 65 2.2.1 Một số khái niệm 65 2.2.1.1 Hai robot đồng dạng ……………………………………………… 66 2.2.1.2 Tỉ số đồng dạng kích thước ……………………………………….…67 2.2.1.3 Tỉ số độ xác ……………………………………………… … 67 2.2.2 Bài toán số (trường hợp 2): Hai robot đồng dạng kích thước 69 iv 2.2.3 Bài toán số (trường hợp 3): Hai robot dạng cấu trúc không đồng dạng 72 CHƯƠNG 3: KIỂM TRA, HIỆU CHỈNH DUNG SAI – HỒN THIỆN Q TRÌNH THIẾT KẾ 77 3.1 Phần mềm kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai 78 3.2 Các chức phần mềm 83 3.2.1 Kiểm tra 83 3.2.2 Hiệu chỉnh 84 3.3 Các thao tác kết hiển thị phần mềm 87 3.3.1 Nhập liệu .87 3.3.2 Kết hiển thị 89 CHƯƠNG 4: PHÂN VÙNG ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG KHƠNG GIAN CƠNG TÁC .93 4.1 Tổng quan 93 4.1.1 Lý thực toán 93 4.1.2 Các phương pháp nghiên cứu giới 94 4.1.3 Nội dung tổng quát thực việc phân vùng độ xác 96 4.2 Quy trình thực 97 4.2.1 Xác định vùng không gian khảo sát 97 4.2.2 Đo sai số số điểm mẫu không gian khảo sát 98 4.2.3 Xử lý số liệu 100 4.2.4 Xây dựng hàm dạng 101 4.2.5 Phân vùng độ xác 102 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO MỘT SỐ ROBOT ĐIỂN HÌNH 104 5.1 Thiết kế dung sai cho robot độc lập 105 5.1.1 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi hai bậc tự 105 5.1.1.1 Xác định xấp xỉ đầu dung sai ………………………………… 105 5.1.1.2 Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai …………………………………… 106 5.1.2 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi sáu bậc tự 108 5.1.2.1 Xác định giá trị dung sai làm xấp xỉ đầu ………………………… 108 5.1.2.2 Kiểm tra hiệu chỉnh dung sai ………………………………… 110 5.2 Thiết kế dung sai dựa quan hệ nhóm cấu trúc 112 5.2.1 Trường hợp 1: Tính tốn robot B đồng dạng với A k=kr 112 5.2.2 Trường hợp 2: Tính tốn dung sai robot B‘ với B‘ A có k ≠ kr 113 5.3 Hiệu chỉnh dung sai kiểm tra phối hợp .123 5.4 Thực nghiệm phân vùng độ xác khơng gian cơng tác 127 5.4.1 Máy đo độ xác sơ đồ thí nghiệm .127 5.4.2 Nội suy sai số khâu cuối không gian công tác 129 5.4.3 Khảo sát kiểm chứng 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO .139 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 146 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải nội dung Đơn vị Lượng tịnh tiến dọc theo trục Ox mm αi Góc quay quanh trục Ox rad CIM Computer Intergrated Manufacturing - Hệ thống sản xuất tích hợp CMM Coordinate Measuring Machine - Máy đo tọa độ CNC Computerized Numerical Control - điều khiển máy tính D-H Quy tắc Denavit-Hartenberg di Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz DOE Design of Experiment - thiết kế theo thực nghiệm DOF Degree of freedom – Bậc tự mm δdi Sai số kích thước dài khâu i mm δqi Sai số kích thước góc khớp i rad k Tỉ số đồng dạng kích thước kr Tỉ số độ xác GA GRG Genetic Algorithm - thuật tốn di truyền Generalized Reduced Gradient - phương pháp Giảm Gradient tổng quát L Hàm tối ưu n Số bậc tự robot P Véc tơ vị trí hướng khâu thao tác q Véc tơ tham số động học qi Biến khớp thứ i rad r Bán kính hình cầu sai số cho phép mm vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Bảng thông số D-H robot 6DOF 50 Bảng 2: Bảng thông số D-H robot 5DOF 56 Bảng 3: Bảng thông số D-H robot SCARA 4DOF 61 Bảng 1: Bảng thống kê liệu chi tiết điểm rơi khảo sát lắp lẫn 90 Bảng 1: Bảng DH robot hai khâu 105 Bảng 2: Sự phân bổ dung sai biến khớp độ phân giải encoder tương ứng 106 Bảng 3: Kết tính dung sai kích thước khâu khớp robot hai bậc tự 108 Bảng 4: Thống kê bán kính sai số robot (C) cho 10 điểm khảo sát 120 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Robot chuỗi robot song song Hình 2: Một số ứng dụng điển hình robot cơng nghiệp Hình 1: Một số ứng dụng robot công nghiệp Hình 2: Một số robot cơng nghiệp điển hình Hình 3: Robot chuỗi (a) robot song song (b) 10 Hình 4: Ví dụ độ xác độ xác lặp 11 Hình 5: Các yếu tố động học gây sai số 13 Hình 6: Sai số khe hở mặt 14 Hình 7: Đường cong dung sai – chi phí 19 Hình 8: Bản vẽ chế tạo phận tay máy 22 Hình 9: Quy trình tổng quát thiết kế dung sai robot 27 Hình 10: Sơ đồ giải toán xác định dung sai cho robot 29 Hình 11: Sơ đồ giải tốn xác định dung sai cho nhóm robot 29 Hình 12: Robot khơng gian làm việc robot 31 Hình 1: Mơ tả độ xác định vị khâu cuối cho phép 34 Hình 2: Di chuyển cho phép khâu cuối mặt cầu sai số cho phép 37 Hình 3: Sơ đồ thuật toán tổng quát xác định dung sai sơ 41 Hình 4: Robot chuỗi sáu bậc tự dùng công nghiệp 48 Hình 5: Mơ hình động học robot sáu bậc tự điển hình 6DOF 49 Hình 6: Khảo sát số điểm mặt cầu sai số cho phép 52 Hình 7: Sơ đồ thuật tốn xác định dung sai sơ cho robot 6DOF 54 Hình 8: Robot SCORBOT 5DOF 55 Hình 9: Mơ hình động học robot chuỗi 5DOF 56 Hình 10: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ cho robot 5DOF 60 Hình 11: Robot SCARA 4DOF 61 Hình 12: Mơ hình động học robot SCARA 4DOF 61 Hình 13: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ cho robot SCARA 64 Hình 14: Sơ đồ động học robot chuỗi bậc tự 66 Hình 15: Minh họa hai robot đồng dạng 67 Hình 16: Mơ tả sai số cho phép robot A robot B 68 Hình 17: Mối quan hệ tương quan tỉ số độ xác tỉ số kích thước 69 Hình 18: Sử dụng robot trung gian trường hợp k ≠ kr 70 Hình 19: Hai robot dạng kết cấu 73 Hình 20: Sử dụng robot trung gian C trường hợp hai robot dạng kết cấu không đồng dạng 73 viii Hình 1: Minh họa 3D với tất điểm nằm giới hạn cầu cho phép 84 Hình 2: Minh họa 3D với lượng điểm nằm giới hạn cầu cho phépCần hiệu chỉnh 85 Hình 3: Sơ đồ kiểm tra hiệu chỉnh dung sai kiểm tra phối hợp 85 Hình 4: Số lượng điểm tỉ lệ phần trăm khơng đạt u cầu độ xác kiểm tra lắp lẫn 89 Hình 5: Mô kết kiểm tra lắp lẫn vị trí với bán kính cầu r = 0,5mm 91 Hình 1: Minh họa hệ thống theo dõi laser sử dụng để đo sai số vị trí robot 96 Hình 2: Khơng gian khảo sát dạng lăng trụ tam giác với sáu nút 98 Hình 3: Ảnh hưởng điểm lấy mẫu đến điểm khảo sát qua hàm dạng 99 Hình 1: Sơ đồ động robot chuỗi hai bậc tự 105 Hình 2: Giao diện phần mềm kiểm tra thuận cho robot bậc tự 107 Hình 3: Chạy chương trình lắp lẫn robot hai bậc tự 107 Hình 4: Mô 14 641 trường hợp lắp lẫn nằm hình trịn sai số cho phép 108 Hình 5: Robot chuỗi sáu bậc tự 109 Hình 6: Giải tốn tìm dung sai cho robot 6DOF 110 Hình 7: Kết kiểm tra dung sai khâu cuối phần mềm tính tốn 111 Hình 8: Kết kiểm tra điểm rơi với hình cầu khống chế sai số bán kính 1mm 111 Hình 9: Kết kiểm tra độ xác khâu cuối B 113 Hình 10: Kết mô kiểm tra robot B 113 Hình 11: Kiểm tra độ xác lắp lẫn 115 Hình 12: Các điểm cuối biểu diễn mặt cầu sai số (B’) 115 Hình 13: Kết kiểm tra độ xác lắp lẫn hồn tồn 117 Hình 14: Điểm chạm khâu cuối biểu diễn mặt cầu sai số 117 Hình 15: Kết khảo sát bán kính sai số điểm robot (C) 119 Hình 16: Kiểm tra dung sai thiết kế robot D vị trí 122 Hình 17: Kiểm tra dung sai thiết kế robot D vị trí 122 Hình 18: Đáp ứng vị trí D lấy A làm mẫu 123 Hình 19: Kết tính chưa sử dụng Autofix 124 ... ? ?Nghiên cứu tính tốn xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc? ?? cho khóa học nghiên cứu sinh Mục đ c nghiên cứu Xác định dung sai kích thước khâu khe hở khớp (joint clearance) theo yêu... cầu cho trước độ xác robot Trong đó, việc tính tốn hồn tồn dung sai cho robot tính tốn dung sai cho robot dựa robot mẫu có dạng cấu trúc tác giả thực P ng p áp p ạm vi nghiên cứu - Phương pháp nghiên. .. tác giả suốt khoá học NGHIÊN CỨU SINH Lê Thị Thu Thủy ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án ? ?Nghiên cứu tính tốn xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc? ?? tự thực đồng thực