Slide kỹ thuật robot nguyễn hoàng long, 120 trang

Giáo viên: Nguyễn Hồng Long Đơn vị: Bộ mơn Robot đặc biệt & CĐT, Khoa Hàng không vũ trụ CHƯƠNG MỞ ĐẦU Ø Giới thiệu Ø Mục đích, yêu cầu, vị trí mơn học - Mục đích: Trang bị cho Học viên, Sinh viên nắm bắt kiến thức Robot kỹ thuật Robot qua xây dựng tảng kỹ thuật cần thiết cho hoạt động công tác sau bạn HV,SV - Yêu cầu: HV,SV phải nắm bắt khái niệm bản, mảng kiến thức học, khí qua vận dụng nghiên cứu kết cấu khí tay máy, phương pháp nghiên cứu đông học động lực học tay máy, mảng kiến thức điều khiển hiểu nắm bắt hướng ứng dụng Robot sống ngày - Vị trí mơn học: Là môn học học thuật nghiên cứu chuyên ngành Cơ điện tử (cốt lõi xương sống nghành) CHƯƠNG MỞ ĐẦU ØPhương pháp học tập, nghiên cứu môn học - Học nắm bắt giảng kết hợp nghiên cứu giáo trình, tài liệu - Học lý thuyết kết hợp vận dụng làm tập, nghiên cứu thực hành cụ thể có điều kiện ØPhương pháp đánh giá mơn học - Theo lên lớp - Theo thời hạn hoàn thành tập giao - Hình thức đánh giá thi: Thi vấn đáp Tổng quan chương trình môn học Ø Lý thuyết: 36 tiết Mở đầu Cơ sở động học, động lực học vật rắn Động học thuận Robot công nghiệp Động học ngược Robot công nghiệp Động lực học Robot công nghiệp Lập trình quỹ đạo Điều khiển robot Hệ thống điều khiển Robot Cơ sở thiết kế robot Ø Bài tập: 09 tiết – Bài tập động học tay máy – Bài tập động lực học tay máy – Bài tập lập trình quỹ đạo Ø Tiểu luận, tập lớn Ø Giáo trình, tài liệu tham khảo Cơ sở robot công nghiệp Nguyễn Văn Khang, Chu Anh Mỳ NXB GD năm 2011 Kỹ thuật Robot Đào Văn Hiệp NXB KH&KT 2003,2004 Robot công nghiệp Phạm Đăng Phước Modeling and control of Robot manipulator Lorenzo Sciavicco and Bruno Siciliano Lịch sử Robotics — Robot thuật ngữ người lao công hệ ngôn ngữ X-la-vơ Chẳng hạn — — — — — — tiếng Nga, Robota có nghĩa lao động, công việc – Năm 1921, nhà viết kịch người Séc Karl Capek viết kịch mang tên Rossum's Universal Robots, từ Robot tên loại máy tự động tiêu diệt ông chủ chiếm lĩnh giới Loại máy giống người, có khả làm việc gấp đơi người, có suy nghĩ có cảm giác Þ1921 coi mốc đời thuật nhữ Robot, mà sau trở thành phổ biến khắp giới Năm 1926, thuật ngữ Robot lần lên phim ảnh Đức, phim mang tên Metropolis – Năm 1939, Robot Elutoo chó Sporko triển lãm hội chợ New Yook – Năm 1948, trước nhu cầu tự động hóa ngày lớn dây chuyền sản xuất lắp ráp công nghiệp, số loại tay máy nghiên cứu chế tạo thử nghiệm phịng thí nghiệm Mỹ, châu Âu số nước khác Năm 1968, Mosher công ty General Eletric (Mỹ) chế tạo Robot chân, sử dụng lượng động xăng Các chân dẫn động nhờ xi lanh thủy lực, điều khiển tay – Năm 1952 máy CNC giới đời Viện công nghệ Massachusetts, Mỹ, theo nguyên tắc điều khiển số, hoạt động theo chương trình máy tính CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT VÀ ROBOT HỌC (ROBOTICS) — Robotics: - Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu robot Robotics, có nguyên tắc bản: Robot không xúc phạm người không gây tổn hại cho người Hoạt động robot phải tuân theo quy tắc người đặt Các quy tắc không vi phạm nguyên tắc thứ Một robot cần phải bảo vệ sống cuả mình, khơng vi phạm ngun tắc trước Từ có số định nghĩa Robot sau: — Định nghĩa 1: (McKerrow 1986) Robot loại máy móc khí lập trình để thực số cơng việc đó, tương tự định nghĩa máy tính PC thiết bị điện tử lập trình để thực thi nhiệm vụ cụ thể — Định nghĩa 2:(Schlussel 1985) Robot tay máy đa chức năng, khả trình (có thể lập trình tái lập trình) thiết kế để vận chuyển nguyên nhiên vật liệu, phôi, chi tiết gia công; Robot thiết bị đặc thù lập trình chuyển động đa dạng để thực nhiệm vụ CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT VÀ ROBOT HỌC (ROBOTICS) — Định nghĩa 3:(Ben Zion 1999) Tay máy cấu thường dạng chuỗi hở, khâu nối tiếp di chuyển tương nhằm mục đích gắp di chuyển đối tượng theo số bậc tự định ⇒ Robot đối tượng máy móc lập trình điều khiển, có chức nhiệm vụ, tái lập trình, điều khiển tự động điều khiển tay, ⇒ Lĩnh vực khoa học, lấy đối tượng nghiên cứu hệ thống Robot (nghiên cứu thiết kế, chế tạo, điều khiển, ứng dụng robot ) gọi Robot học (Robotics) Ngắn gọn hơn, Brady (1985) định nghĩa Robot học nối kết thông minh tri giác hành động (của máy móc) Hay nói ngắn gọn: Robotics ngành khoa học, có nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot ứng dụng chúng lĩnh vực hoạt động khác xã hội loài người, nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng dân sinh Robot học khoa học liên ngành bao gồm: - Thiết kế, chế tạo, điều khiển lập trình Robot - Sử dụng Robot - Nghiên cứu công nghệ điều khiển, cảm biến, thuật tốn điều khiển - Ứng dụng cơng nghệ điều khiển thuật toán để thiết kế Robot KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA ROBOT 3.1 Kết cấu robot KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA ROBOT 3.1 Một số kết cấu thường gặp robot 3.1.1 Kết cấu song song: KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA ROBOT 3.1 Một số kết cấu thường gặp robot 3.1.1 Kết cấu nối tiếp.(Tay máy) • Tay máy kiểu tọa độ Đề Tay máy kiểu tọa độ đề các, gọi kiểu chữ nhật, dùng khớp trượt Vùng làm việc tay máy có dạng hình hộp chữ nhật Tay máy kiểu có độ cứng vững cao, độ xác đảm bảo đồng toàn vùng làm việc, khéo léo Vì vậy, tay máy kiểu đề hay dùng vận chuyển lắp ráp 2.2 Phân tích chức năng, nhiệm vụ Robot thiết kế - Các dịch chuyển - Các tri giác - Các tri thức (kỹ nhận thức) - Chất lượng thực nhiệm vụ - Mức linh hoạt - Năng suất - Dụng cụ - Đối tượng tác động - Thiết bị ngoại vi - Ràng buộc hình học (kích thước, hình dáng) - Ràng buộc chức - Ràng buộc chi phí Phân tích nhiệm vụ Robot Các tính chất hình học Các chuyển động dụng cụ Các chuyển động dụng học đối tượng Robot đối tượng (không có sensor) cụ đối tượng (có sensor) tác động - Di chuyển - Thuộc tính bề mặt (nhám, - Lắp vào nhẵn, mịn, trơn, ) - Đợi - Tháo - Dạng bề mặt - Dừng - Tránh - Khoảng cách tương tác - Tiến đến - Di chuyển theo - Các vật, đối tượng thành phần - Tiếp xúc - Gắp - Lực, mô men tác dụng - Nhả kẹp - Chèn vào - - - Rút - Lượng hóa tham số Lượng hóa tham số Hình học Động học Động lực - Các hệ tọa độ, - Vận tốc - Các lực, mô chuyển động men quĩ đạo - Lực tác dụng - Không gian công - Gia tốc vào khâu công tác - Thời gian - Bậc tự tối - Dạng chuyển động tác - Khối lượng thiểu thành phần - Hướng chuyển động thích hợp - Sai lệch cho phép - Các liên kết học - Chi tiết hóa tham số: Tiêu chí Tải trọng Đặc trưng - Khối lượng, mơ men qn tính Robot cụm, khối - Các ngoại lực (mô men) tác dụng lên khâu công tác - Các lực, mô men tác dụng lên trục (các trục theo nghĩa bậc tự do) - Đặc trưng tải trọng (tĩnh, động, chu kỳ, ngẫu nhiên, ) - Các khả dịch chuyển khâu công tác theo yêu cầu nhiệm vụ Bậc tự - Số bậc tự cấu lắp thêm (VD: bàn quay) - Hình dáng kích thước đối tượng Dụng cụ, đối tượng - Loại dụng cụ (tay kẹp, mũi khoan, ) thao tác - Tương tác (lắp ráp) với Robot - Các thay đổi trạng thái trình thao tác (chẳng hạn từ kẹp dao chuyển sang gia công) - Khả tiếp cận đối tượng thao tác Đặc tính nhiệm vụ - Các sai lệch (VD: Dung sai chi tiết gia công) - Gá kẹp, định vị - Vận tốc, gia tốc Chi tiết hóa tham số: Tiêu Chí Đặc trưng - Độ xác vị trí Độ xác - Sai số lặp lại - Độ xác quĩ đạo - Điều khiển điểm - điểm Điều khiển quĩ đạo - Điều khiển đường (biên dạng) - Nội suy đồng thời - Các tham số định lượng (tiếng ồn, rung, nhiệt độ, ) Các điều kiện môi trường - Các tham số khơng định lượng - Chi phí sản xuất, phát triển sản phẩm - Chi phí thời gian phân phối sản phẩm - Chất lượng Chỉ tiêu kinh tế - Năng lực sản xuất (sản lượng, hiệu quả, chu kỳ sản xuất, ) - Dạng sản phẩm cung ứng cho khách hàng (Robot đơn chiếc, dây chuyền sản xuất có Robot, tổ hợp sản xuất, ) - Cài đặt, lắp đặt - Lập trình (online, offline) Sửa chữa, bảo dưỡng - Dịch vụ từ xa - Nhiệm vụ chu kỳ bảo dưỡng - Khả đổi lẫn chi tiết, cụm chi tiết - Khả tích hợp với nhóm thiết bị sản xuất CIM (tích hợp logic, tích hợp hình học) Tính linh hoạt - Xử lý lỗi, chẩn đốn hỏng hóc - Phối hợp hoạt động với thiết bị phối ghép Robot khác 2.3 Thiết kế hệ thống bước thiết kế Robot Chi tiết hóa phân cấp dạng module Như gồm giai đoạn thiết kế sau: -Ý niệm thiết kế -Thiết kế tối ưu kết cấu; phận cấu thành có để ý đến quan hệ với yếu tố khác -Thiết kế chi tiết Robot Các bước - Lựa chọn cấu trúc động học (I) Thiết kế ý tưởng (ý niệm) Robot Kết - Cấu trúc động học - Ước lượng tham số khâu, khớp - Mơ hình động học (các tham số DH chẳng hạn) - Lựa chọn nguyên lý dẫn, truyền động - Cấu trúc cụm dẫn động khớp - Lựa chọn phần tử dẫn, truyền động - Các liệu hình học, cơng suất, tỷ số truyền, đầu ra, đầu vào, lắp ghép, phần tử chọn (II) Thiết kế tối ưu kết cấu Robot Các bước Tiêu chí tối ưu - Số bậc tự tối thiểu, mức linh hoạt cao, cứng vững, - Tối ưu tham số khâu, khớp - Không gian công tác tối đa - Thời gian chuyển động tối thiểu - Tối ưu tham số động học - Gia tốc khớp tối thiểu - Mô men đủ lớn - Chọn động cơ, truyền, ổ, khớp nối - Độ bền, tuổi thọ cao - Sinh nhiệt - Nhẹ, tính cơng nghệ cao, chịu mài mòn tốt, độ cứng cao - Chọn vật liệu - Tính kinh tế cao - Tính cơng nghệ cao, nhẹ, chi tiết, cụm chi tiết, phải - Kích thước trục, bạc, gối đỡ, gia công chế tạo (III) Thiết kế chi tiết Robot Các bước Kết - Thiết kế chi tiết - Các vẽ chi tiết - Bản vẽ lắp, bảng kê, dẫn lắp, - Lắp ráp cụm chỉnh - Các vẽ mạch điện, sơ đồ nối dây, - Thiết kế hệ thống điện, điện tử bảng kê linh kiện - Xây dựng tài liệu - Hướng dẫn vận hành, dẫn cần thiết -Thiết kế robot cần thiết phải có hỗ trợ phần mềm Được chia làm loại sau: + Nhóm trợ giúp vẽ vẽ Hầu hết tất vẽ kể khí, điện tử, thực máy tính Các cơng cụ giảm phần lớn gánh nặng cho người thiết kế từ khâu biểu diễn đường nét, xây dựng kích thước, lắp ráp, + Nhóm trợ giúp mơ hình hóa, phân tích, mơ động học, động lực học + Nhóm trợ giúp phân tích độ bền tính tốn thiết kế khác + Nhóm tạo lập mơi trường trợ giúp lập trình điều khiển Robot 2.4 Đánh giá thiết kế -Đánh giá thiết kế đóng vai trị quan trọng q trình thiết kế sản phẩm Cần thường xuyên phân tích, đối chiếu, so sánh đánh giá thông tin thường xuyên sản phẩm từ phía khách hàng nhà sản xuất -Phương pháp dùng phổ biến: ma trận QFD(Quality Functional Deplayment) -QFD phương pháp phát triển chất lượng thiết kế nhằm thoả mãn khách hàng, đưa toàn nhu cầu khách hàng vào thiết kế sản phẩm QFD phương thức bảo đảm chất lượng thiết kế giai đoạn thiết kế sản phẩm Thực phân tích QFD nhằm ba mục tiêu sau: - Xem xét, xếp theo mức độ ưu tiên yêu cầu, mong muốn khách hàng - Chuyển toàn yêu cầu, mong muốn vào đặc trưng, mô tả kỹ thuật, tiêu kỹ thuật, yêu cầu thiết kế cụm, khối, chi tiết - Chế tạo phân phối sản phẩm, dịch vụ chất lượng, thoả mãn khách hàng Ma trận QFD Quy trình thực hiện: Bước 1: Xác định yêu cầu sản phẩm (đánh giá từ phía người sử dụng, từ phía đơn hàng) Bước 2: Chuẩn hóa yêu cầu Bước 3: Người sử dụng đánh giá trọng số yêu cầu (wi) Bước 4: Người sử dụng đánh giá sản phẩm loại (cạnh tranh) Bước 5: Chỉ tiêu kỹ thuật Bước 6: Xác định hướng nâng cấp tiêu kỹ thuật Bước 7: Xây dựng ma trận quan hệ Bước 8: Mức độ khó khăn thay đổi tiêu kỹ thuật Bước 9: Phân tích tiêu kỹ thuật Bước 10: Mục tiêu cụ thể tiêu kỹ thuật Bước 11: Ma trận quan hệ tiêu kỹ thuật Bước 12: Mức quan trọng tiêu kỹ thuật Thiết kế cấu trúc động học Áp dụng tay máy Người ta phân biệt: cánh tay cổ tay -Cánh tay: tập hợp khâu, khớp dẫn động có nhiệm vụ trợ giúp di chuyển cổ tay, bàn tay hay khâu công tác; -Cổ tay: tập hợp khớp cánh tay bàn tay, nhờ khớp bàn tay xoay khơng gian công tác Cơ cấu Robot Đề các: gồm khớp tịnh tiến -Tay máy Đề có độ cứng vững cao, cấu trúc hay sử dụng để thiết kế loại Robot gia công, chẳng hạn: tay máy cắt kim loại tia nước, tay máy cắt kim loại dùng tia laser, -Dùng nơi cần tải trọng lớn; không gian làm việc lớn -Ưu điểm: Dễ thiết kế; tính tốn động học -Nhược điểm: Không gian công tác nằm "bên trong" Robot - Các đồ gá cho ứng dụng thường phải đặt phía "trong" vùng dịch chuyển khớp -Kích thước Robot giới hạn kích cỡ vị trí đồ gá, tầm hoạt động sensor Cơ cấu Robot Articulated - Gồm khớp quay, giúp robot linh hoạt khâu cơng tác tham gia vào vùng bị giới hạn, giảm thiểu ảnh hưởng kết cấu khâu công tác Cơ cấu Robot Scara Gồm hai khớp quay có trục quay song song hướng theo phương thẳng đứng khớp tịnh tiến di chuyển khâu cuối lên xuống theo phương thẳng đứng -Ưu điểm: Các động dẫn động khớp quay gá trực tiếp giá - Có thể chế tạo Robot có khối lượng khơng lớn, độ xác điều khiển cao, tốc độ di chuyển khớp cao Robot Scara hay sử dụng lắp ráp, kiểm tra sản phẩm tích hợp dây chuyền công nghiệp Cơ cấu Robot cầu Cơ cấu Robot trụ Tính chọn cơng suất dẫn động động Qui trình tính chọn động cơ: -Mơ hình hóa sơ đồ cấu dựa mơ hình vật lý - Phân tích xác định rõ yêu cầu làm việc cấu Khâu công tác chuyển động với vận tốc phải đạt bao nhiêu, khoảng thời gian Ước lượng tính tốn xác gia tốc, tải trọng, ma sát, - Tính tốn lực tác dụng (tải), lực ma sát, mô men qn tính hệ - Tính tốn mơmen tối thiểu động sinh để thực yêu cầu làm việc kể Nghĩa xác định nguồn động lực tối thiểu để thắng tải, ma sát, quán tính hệ thống dẫn động, truyền động cơng tác - Dựa vào đường đặc tính mơ men - vận tốc góc loại động để chọn động phù hợp Các bước tính tốn cụ thể sau: - Tính tốn mơ men ma sát gây ra: TF - Từ mơ hình hệ xác định mơmen qn tính tương đương hệ: J Σ = ΣJ i (i = 1, 2, ) [kg m ] - Tính gần gia tốc góc để hệ từ đứng yên sang trạng thái chuyển động theo yêu cầu: ω1 − ω ε= [m / s ] t - Tính mơ men quán tính gây ra, tác dụng lên trục động cơ, cản trở chuyển động trục động cơ: Tε = ε J Σ [N m] - Tính mơmen tải tác dụng lên trục động TL -Tổng mơmen tính toán: TT = TL + Tε + TF [N m ] - Để đảm bảo an toàn người ta đưa vào hệ số Ks , chọn khoảng 1,5 đến 2, mômen động phải tối thiểu là: TM = K S TT [N m] - Từ giá trị tính được, vào đường đặc tính mơmen - vận tốc góc động cơ, ta chọn động phù hợp ... kiểu điều khiển robot hàn hồ quang, phun sơn 4.3 Phân loại theo ứng dụng - Robot công nghiệp: - Robot thám hiểm: - Robot quân sự: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ROBOT CÔNG NGHIỆP – Lĩnh vực Robot liên kết,... VỀ ROBOT VÀ ROBOT HỌC (ROBOTICS) — Robotics: - Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu robot Robotics, có ngun tắc bản: Robot khơng xúc phạm người không gây tổn hại cho người Hoạt động robot. .. xi-1 chọn dọc theo đường vng góc chung hai trục zi-2 zi-1, hướng từ trục zi2 sang trục zi-1 Nếu trục zi-1 cắt trục zi-2 hướng trục xi-1 chọn tùy ý miễn vng góc với trục zi-1 Khi hai trục zi-2