Tính toán thiết kế robot trong ứng dụng hàn di động

MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 6 1.1. Lịch sử hình thành và phát triển Robot 6 1.2. Một số định nghĩa và phân loại Robot công nghiệp 7 1.2.1, Định nghĩa Robot Công nghiệp 7 1.2.2. Bậc tự do của robot 8 1.2.3. Hệ tọa độ 8 1.2.4. Vùng làm việc của robot 9 1.2.5. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 10 1.2.6. Phân loại robot công nghiệp 11 1.3. Các ứng dụng của robot 12 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT HÀN DI ĐỘNG 14 2.1. Phân tích lựa chọn cấu trúc 14 2.1.1, Phân tích mục đích ứng dụng robot 14 2.1.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác 14 2.1.3. Xác định các đặc trưng kĩ thuật, các phương án thiết kế cấu trúc robot 15 2.2.Bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển động 20 2.3. Bài toán động học 23 2.3.1. Cơ sở lý thuyết 23 2.3.2. Giải bài toán cụ thể 27 2.4. Bài toán tĩnh học 34 2.4.1, Cơ sở lý thuyết 34 2.4.2. Tính toán 35 2.5. Bài toán động lực học 37 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CHO ROBOT 42 3.1. Giới thiệu một số hệ dẫn động hay dùng trong robot công nghiệp 42 3.2. Chọn động cơ cho khớp quay 44 3.2.1, Thông số đầu vào 44 3.2.2. Tính toán động học 45 3.2.3. Chọn động cơ 46 3.2.4. Công suất trên các trục 46 3.2.5. Tốc độ quay trên các trục 47 3.2.6. Momen trên các trục 47 3.3. Thiết kế bộ truyền bánh răng 47 3.3.1. Sơ đồ bộ giảm tốc sử dụng bộ truyền bánh răng 47 3.3.2. Chọn vật liệu làm bánh răng 48 3.3.3. Xác định ứng suất cho phép 48 3.3.4. Ứng suất cho phép khi quá tải 51 3.3.5. Xác định khoảng các trục 51 3.3.6. Xác định thông số ăn khớp 52 3.3.7. Xác định hệ số dịch chỉnh 52 3.3.8. Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc 52 3.3.9. Xác định độ bền uốn 54 3.3.10. Kiểm nghiệm độ bền uốn 55 3.3.11. Kiểm nghiệm về quá tải 56 3.3.12. Tổng kết bộ truyền bánh răng 56 3.4. Tính toán thiết kế khớp nối 57 3.4.1. Thông số đầu vào 57 3.4.2. Chọn khớp nối 58 3.5. Tính toán thiết kế trục 59 3.5.1. Chọn vật liệu 59 3.5.2. Tính sơ bộ đường kính trục 59 3.5.3. Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực 59 3.5.4. Xác định trị số và chiều dài của các chi tiết quay lên trục 59 3.5.5. Xác định đường kính và chiều dài các đoạn trục 60 3.5.6. Kiểm nghiệm về độ bền của then 61 3.5.7. Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi 61 3.5.8. Kiểm tra độ bền tĩnh 63 3.5.9. Kiểm nghiệm độ cứng xoắn 64 3.6.Chọn ổ bi cho trục II 64 3.6.1. Chọn loại ổ 64 3.6.2.Kích thước ổ lăn 64 3.7. Kiểm nghiệm bền các khâu 65 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 67 4.1. Giới thiệu bộ điều khiển PID 67 4.2. Các thông số đầu vào và đầu ra 69 4.3.Thiết kế bộ điều khiển PD cho Robot 69 4.4. Kết quả thu được của bài toán điều khiển 71 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Hệ tọa độ suy rộng của Robot 9 Hình 2: Quy tắc bàn tay phải 10 Hình 3: Modun điều khiển 12 Hình 4: Hướng của khâu thao tác 16 Hình 5: Cơ cấu tọa độ Đecac 17 Hình 6: Cơ cấu tọa đoạ trụ 17 Hình 7: Cơ cấu tọa độ cầu 17 Hình 8: Không gian thao tác của robot 19 Hình 9: Mô hình 3D robot 19 Hình 10: Quỹ đạo chuyển động trong giai đoạn di chuyển nhah 20 Hình 11: Vận tốc giai đoạn di chuyển nhanh 21 Hình 12: Quỹ đạo đường hàn 21 Hình 13: Vận tốc hàn 22 Hình 14: quỹ đạo chuyển động nhấc mỏ hàn 22 Hình 15: Vận tốc giai đoạn nhấc mỏ hàn 23 Hình 16: Hệ tọa độ robo 27 Hình 17: Đặt lực tĩnh học 34 Hình 18: Lực dẫn động các khớp 40 Hình 19: Bộ truyền bánh răng trụ 41 Hình 20: Bộ truyền bánh răng hành tinh 42 Hình 21: Bộ truyền bánh răng song song 42 Hình 22: Thông số động cơ 44 Hình 23: Sơ đồ bộ truyền bánh răng thẳng 46 Hình 24:Cấu tạo động cơ 55 Hình 25: Thông số động cơ 56 Hình 26: Sơ đồ trong hộp giảm tốc 57 Hình 27: Ứng suất trên khâu 2 64 Hình 28:Ứng suất trên khâu 3 64 Hình 29: Mô hình bộ điều khiển PID 65 Hình 30: Đáp ứng của hệ dao động 65 Hình 31: Phương pháp ZieglerNichols thứ 2 66 Hình 32: Chu kì dao động 67 Hình 33: Bộ điều khiển PD cho robot 68 Hình 34: Khối điều khiển PD 68 Hình 35: Khối phương trình vi phân 68 Hình 36: Kết quả điều khiển khớp 1 69 Hình 37: Kết quả điều khiển khớp 2 69 Hình 38: Kết quả điều khiển khớp 3 70 LỜI MỞ ĐẦU Có thể nói rằng Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc sống mới, một cách trải nghiệm cuộc sống và đôi khi còn là người bạn. Những hãng Robot(RB) từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày một khẳng định sự hiện diện của RB là phần không thiếu trong cuộc sống hiện nay và tương lai của phía trước. Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học vĩ mô cho tới vi mô và ngày một đa dạng. Trong khuôn khổ môn học Tính toán thiết kế Robot với đề tài tài tính toán thiết kế robot trong ứng dụng hàn di động, nhóm tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán và thiết kế các loại Robot công nghiệp. Với bố cục gồm hai phần chính : 1,Tổng quan về Robot Phần này sẽ là cái nhìn sơ qua về Robot bao gồm lịch sử phát triển, phân loại và ứng dụng hiện nay giúp chúng ta hình dung tính quan trọng cũng như sự hữu dụng của nó tới cuộc sống. 2,Tính toán thiết kế Robot trong ứng dụng hàn di động Bao gồm các bước thiết kế cho đến việc mô phỏng để kiểm chứng tính đúng đắn của quá trình thiết kế sẽ cung cấp các quá trình cơ bản để có thể xác định cách có thể một sản phẩm Robot được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống. Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới PGS. TS. Phan Bùi Khôi, cảm ơn Thầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi học. Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp nhóm tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị của nhóm hoặc cũng có thể kiến thức nhóm mang đến trong bài tiểu luận này con sai sót và chưa đúng. Nhóm rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa đó, chúng em chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khoẻ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1. Lịch sử hình thành và phát triển Robot Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch nầy, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất. Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC Numerically Controlled machine tool). Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủtớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của Tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm. Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian nầy ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate ư1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô.

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BÀI TẬP LỚN Mơn học : Tính tốn thiết kế Robot ĐỀ TÀI : Tính tốn thiết kế robot ứng dụng hàn di động Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi Sinh viên thực hiện: Nhóm 10 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Lịch sử hình thành phát triển Robot .6 1.2 Một số định nghĩa phân loại Robot công nghiệp 1.2.1, Định nghĩa Robot Công nghiệp 1.2.2 Bậc tự robot .8 1.2.3 Hệ tọa độ .8 1.2.4 Vùng làm việc robot .9 1.2.5 Cấu trúc robot công nghiệp 10 1.2.6 Phân loại robot công nghiệp .11 1.3 Các ứng dụng robot .12 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ROBOT HÀN DI ĐỘNG .14 2.1 Phân tích lựa chọn cấu trúc 14 2.1.1, Phân tích mục đích ứng dụng robot 14 2.1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác 14 2.1.3 Xác định đặc trưng kĩ thuật, phương án thiết kế cấu trúc robot 15 2.2.Bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển động 20 2.3 Bài toán động học 23 2.3.1 Cơ sở lý thuyết 23 2.3.2 Giải toán cụ thể .27 2.4 Bài toán tĩnh học 34 2.4.1, Cơ sở lý thuyết 34 2.4.2 Tính toán .35 2.5 Bài toán động lực học 37 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG CHO ROBOT 42 3.1 Giới thiệu số hệ dẫn động hay dùng robot công nghiệp 42 3.2 Chọn động cho khớp quay 44 3.2.1, Thông số đầu vào 44 3.2.2 Tính tốn động học .45 3.2.3 Chọn động 46 3.2.4 Công suất trục 46 3.2.5 Tốc độ quay trục 47 3.2.6 Momen trục 47 3.3 Thiết kế truyền bánh .47 3.3.1 Sơ đồ giảm tốc sử dụng truyền bánh 47 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi 3.3.2 Chọn vật liệu làm bánh .48 3.3.3 Xác định ứng suất cho phép 48 3.3.4 Ứng suất cho phép tải 51 3.3.5 Xác định khoảng trục 51 3.3.6 Xác định thông số ăn khớp 52 3.3.7 Xác định hệ số dịch chỉnh 52 3.3.8 Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc .52 3.3.9 Xác định độ bền uốn 54 3.3.10 Kiểm nghiệm độ bền uốn 55 3.3.11 Kiểm nghiệm tải 56 3.3.12 Tổng kết truyền bánh 56 3.4 Tính toán thiết kế khớp nối 57 3.4.1 Thông số đầu vào 57 3.4.2 Chọn khớp nối .58 3.5 Tính tốn thiết kế trục 59 3.5.1 Chọn vật liệu .59 3.5.2 Tính sơ đường kính trục 59 3.5.3 Xác định khoảng cách gối đỡ điểm đặt lực 59 3.5.4 Xác định trị số chiều dài chi tiết quay lên trục 59 3.5.5 Xác định đường kính chiều dài đoạn trục .60 3.5.6 Kiểm nghiệm độ bền then .61 3.5.7 Kiểm nghiệm trục độ bền mỏi .61 3.5.8 Kiểm tra độ bền tĩnh 63 3.5.9 Kiểm nghiệm độ cứng xoắn 64 3.6.Chọn ổ bi cho trục II 64 3.6.1 Chọn loại ổ 64 3.6.2.Kích thước ổ lăn 64 3.7 Kiểm nghiệm bền khâu 65 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 67 4.1 Giới thiệu điều khiển PID .67 4.2 Các thông số đầu vào đầu 69 4.3.Thiết kế điều khiển PD cho Robot 69 4.4 Kết thu toán điều khiển 71 KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO .75 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Hệ tọa độ suy rộng Robot Hình 2: Quy tắc bàn tay phải 10 Hình 3: Modun điều khiển 12 Hình 4: Hướng khâu thao tác 16 Hình 5: Cơ cấu tọa độ Đecac 17 Hình 6: Cơ cấu tọa đoạ trụ 17 Hình 7: Cơ cấu tọa độ cầu 17 Hình 8: Khơng gian thao tác robot 19 Hình 9: Mơ hình 3D robot 19 Hình 10: Quỹ đạo chuyển động giai đoạn di chuyển nhah 20 Hình 11: Vận tốc giai đoạn di chuyển nhanh .21 Hình 12: Quỹ đạo đường hàn .21 Hình 13: Vận tốc hàn 22 Hình 14: quỹ đạo chuyển động nhấc mỏ hàn .22 Hình 15: Vận tốc giai đoạn nhấc mỏ hàn .23 Hình 16: Hệ tọa độ robo .27 Hình 17: Đặt lực tĩnh học .34 Hình 18: Lực dẫn động khớp 40 Hình 19: Bộ truyền bánh trụ 41 Hình 20: Bộ truyền bánh hành tinh 42 Hình 21: Bộ truyền bánh song song .42 Hình 22: Thơng số động 44 Hình 23: Sơ đồ truyền bánh thẳng 46 Hình 24:Cấu tạo động 55 Hình 25: Thơng số động 56 Hình 26: Sơ đồ hộp giảm tốc 57 Hình 27: Ứng suất khâu .64 Hình 28:Ứng suất khâu 64 Hình 29: Mơ hình điều khiển PID 65 Hình 30: Đáp ứng hệ dao động 65 Hình 31: Phương pháp Ziegler-Nichols thứ 66 Hình 32: Chu kì dao động 67 Hình 33: Bộ điều khiển PD cho robot 68 Hình 34: Khối điều khiển PD .68 Hình 35: Khối phương trình vi phân 68 Hình 36: Kết điều khiển khớp .69 Hình 37: Kết điều khiển khớp .69 Hình 38: Kết điều khiển khớp .70 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi LỜI MỞ ĐẦU Có thể nói Robot mang tới cho sống người sống mới, cách trải nghiệm sống đơi cịn người bạn Những hãng Robot(RB) từ nước tiếng giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày khẳng định diện RB phần không thiếu sống tương lai phía trước Nó xuất tất lĩnh vực từ khoa học vĩ mô vi mô ngày đa dạng Trong khn khổ mơn học Tính tốn thiết kế Robot với đề tài tài tính tốn thiết kế robot ứng dụng hàn di động, nhóm tin tưởng với kết có từ việc tìm hiểu tính tốn tiểu luận bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều ý tưởng tương lai tính tốn thiết kế loại Robot cơng nghiệp Với bố cục gồm hai phần : 1,Tổng quan Robot Phần nhìn sơ qua Robot bao gồm lịch sử phát triển, phân loại ứng dụng giúp hình dung tính quan trọng hữu dụng tới sống 2,Tính tốn thiết kế Robot ứng dụng hàn di động Bao gồm bước thiết kế việc mơ để kiểm chứng tính đắn trình thiết kế cung cấp trình để xác định cách sản phẩm Robot đưa vào ứng dụng sống Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới PGS TS Phan Bùi Khơi, cảm ơn Thầy đóng góp qua giảng hướng dẫn trình trao đổi buổi học Những góp ý, sửa chữa thầy phần giúp nhóm tự tin cách thức tiếp cận với cơng nghiệp có chuẩn bị nhóm kiến thức nhóm mang đến tiểu luận sai sót chưa Nhóm mong có bổ sung, sửa chữa đó, chúng em chân thành cảm ơn chúc Thầy sức khoẻ ! Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Lịch sử hình thành phát triển Robot Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa cơng việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots Karel Capek, vào năm 1921 Trong kịch nầy, Rossum trai ông ta chế tạo máy gần giống với người để phục vụ người Có lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật cấu, máy móc bắt chước hoạt động bắp người Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ 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 cơng nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool) Các cấu điều khiển từ xa (hay thiết bị kiểu chủ-tớ) 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 cơng việc bên Các cấu điều khiển từ xa thay cho cánh tay người thao tác; gồm có kẹp bên (tớ) 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 thực chất nối kết khâu khí cấu điều khiển từ xa với khả lập trình máy cơng cụ điều khiển số Dưới điểm qua số thời điểm lịch sử phát triển người máy công nghiệp Một robot công nghiệp chế tạo robot Versatran công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian nầy Mỹ xuất loại robot Unimate ư1900 dùng kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh 1967, Thụy Điển Nhật 1968 theo quyền Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi Ý - 1973 Tính làm việc robot ngày nâng cao, khả nhận biết xử lý Năm 1967 trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) chế tạo mẫu robot hoạt động theo mơ hình “mắt-tay”, có khả nhận biết định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa loại robot điều khiển máy vi tính, gọi robot T3 (The Tomorrow Tool: Cơng cụ tương lai) Robot nâng vật có khối lượng đến 40 KG Có thể nói, Robot tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chương trình số kỹ thuật chế tạo cảm biến, công nghệ lập trình phát triển trí khơn nhân tạo, hệ chuyên gia… Trong năm sau nầy, việc nâng cao tính hoạt động robot khơng ngừng phát triển Các robot trang bị thêm loại cảm biến khác để nhận biết môi trường chung quanh, với thành tựu to lớn lĩnh vực Tin học - Điện tử tạo hệ robot với nhiều tính đăc biệt, Số lượng robot ngày gia tăng, giá thành ngày giảm Nhờ vậy, robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất đại 1.2 Một số định nghĩa phân loại Robot công nghiệp 1.2.1, Định nghĩa Robot Công nghiệp Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp):Robot công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục toạ độ; có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp theo hành trình thay đổi chương trình hố nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America):Robot tay máy vạn lặp lại chương trình thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng thông qua chương trình chuyển động thay đổi để hồn thành nhiệm vụ khác Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga):Robot công nghiệp máy tự động, đặt cố định di động được, liên kết tay máy hệ thống điều khiển theo chương trình, lập trình lại để hồn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất Có thể nói Robot cơng nghiệp máy tự động linh hoạt thay phần toàn hoạt động bắp hoạt động trí tuệ người Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi nhiều khả thích nghi khác Robot cơng nghiệp có khả chương trình hố linh hoạt nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự chúng Robot công nghiệp trang bị bàn tay máy cấu chấp hành, giải nhiệm vụ xác định q trình cơng nghệ : trực tiếp tham gia thực ngun cơng (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy ) phục vụ q trình cơng nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá ) với thao tác cầm nắm, vận chuyển trao đổi đối tượng với trạm công nghệ, hệ thống máy tự động linh hoạt, gọi “Hệ thống tự động linh hoạt robot hố” cho phép thích ứng nhanh thao tác đơn giản nhiệm vụ sản xuất thay đổi 1.2.2 Bậc tự robot Bậc tự số khả chuyển động cấu (chuyển động quay tịnh tiến) Để dịch chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành robot phải đạt số bậc tự Nói chung hệ robot cấu hở, bậc tự tính theo cơng thức: w = 6n Trong : Nn : số khâu động : số khớp loại i (i= 1,2,3,4,5 : số bậc tự hạn chế) Đối với cấu có khâu nối với khớp quay tịnh tiến (khớp động loại 5) số bậc tự với số khâu động Đối với cấu hở, số bậc tự tổng số bậc tự khớp động 1.2.3 Hệ tọa độ Hình 1: Hệ tọa độ suy rộng Robot Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với qua khớp Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi (joints), tạo thành xích động học xuất phát từ khâu (base) đứng yên Hệ toạ độ gắn với khâu gọi hệ toạ độ (hay hệ toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với khâu động gọi hệ toạ độ suy rộng Trong thời điểm hoạt động, toạ độ suy rộng xác định cấu hình robot chuyển dịch dài chuyển dịch góc khớp tịnh tiến khớp quay Các toạ độ suy rộng gọi biến khớp Các hệ toạ độ gắn khâu robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út áp út vào lịng bàn tay, x ngón : cái, trỏ theo phương vng góc nhau, chọn ngón phương chiều trục x, ngón trỏ phương, chiều trục y ngón biểu thị phương, chiều trục z Hình 2: Quy tắc bàn tay phải Trong robot ta thường dùng chữ O số n để hệ toạ độ gắn khâu thứ n Như hệ toạ độ (Hệ toạ độ gắn với khâu cố định) ký hiệu O0; hệ toạ độ gắn khâu trung gian tương ứng O1, O2, , On-1, Hệ toạ độ gắn khâu chấp hành cuối ký hiệu On 1.2.4 Vùng làm việc robot Vùng làm việc robot tồn thể tích qt khâu chấp hành cuối robot thực tất chuyển động Vùng làm việc bị ràng buộc thơng số hình học robot ràng buộc học khớp; ví dụ, khớp quay có chuyển động nhỏ góc 360⁰ Người ta thường dùng hai hình chiếu để mơ tả trường cơng tác robot Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi 1.2.5 Cấu trúc robot cơng nghiệp a Các thành phần robot công nghiệp Một robot công nghiệp thường bao gồm thành phần : cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, cảm biến, điều khiển , thiết bị dạy học, máy tính phần mềm lập trình nên coi thành phần hệ thống robot Cánh tay robot (tay máy) kết cấu khí gồm khâu liên kết với khớp động để tạo nên chuyển động robot Nguồn động lực động điện (một chiều động bước), hệ thống xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động Dụng cụ thao tác gắn khâu cuối robot, dụng cụ robot có nhiều kiểu khác như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng công cụ làm việc mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot thao tác cần thiết theo yêu cầu trình làm việc, sau robot tự lặp lại động tác dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học) Các phần mềm để lập trình chương trình điều khiển robot cài đặt máy tính, dùng điều khiển robot thơng qua điều khiển (Controller) Bộ điều khiển gọi Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), thường kết nối với máy tính Một mođun điều khiển cịn có cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái thân, xác định vị trí đối tượng làm việc dị tìm khác; điều khiển băng tải cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 10 Hình 3: Modun điều khiển Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi Tra bảng ta có: 67mm Chọn : 3.5.4 Xác định trị số chiều dài chi tiết quay lên trục Lực vòng: Lực hướng tâm: Mô men uốn chuyển động robot: 400Nm Ta có hệ phương trình Giải hệ phương trình ta được: 3.5.5 Xác định đường kính chiều dài đoạn trục Trong đó:  - mơ men uốn tổng, mơ men tương đương, đường kính trục tiết diện j trục  - mô men uốn mặt phẳng y0z z0x tiết diện thứ j  - ứng suất cho phép chế tạo trục, tra bảng ta có 53(Mpa) Tiết diện 2-0: Chọn 3.5.6 Kiểm nghiệm độ bền then Kiểm tra độ bền then theo côn thức: Trong đó:  d: đường kính trục lắp then  b: chiểu rộng then  h: chiều cao then  chiều sâu rãnh then trục  : chiều sâu rãnh then lỗ Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 53 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi T- mô men xoắn trục - chiều dài then []- ứng suất dập cho phép với điều kiện tải trọng tĩnh ta có []=150(Mpa) []- ứng suất cắt cho phép, thép C45 điều kiện va đập nhẹ lấy []=40(Mpa) Tra bảng với ta có: b=12; h=8; 5; Tại vị trí lắp bánh răng: => chọn      Then thỏa mãn điều kiện bền 3.5.7 Kiểm nghiệm trục độ bền mỏi Kết cấu trục đảm bảo dược độ bền mỏi nếu: Trong đó:  [s]- hệ số an toàn cho phép: [s]=2.5  hế số an toàn xét riêng ứng suất pháp hệ số an toàn xét riêng ứng suất tiếp tiết diện j: Trong đó:  - giới hạn mỏi uốn mỏi xoắn ứng với chu kì đối xứng  Với thép C45 có : =151.73(Mpa) Tra bảng ta có hệ số kể đến ảnh hưởng trị số ứng suất trung bình đến độ bền mỏi:  Các trục hộp giảm tốc quay, ứng suất uốn thay đổi theo chu kì đối xứng nên: Tiết diện nguy hiểm trục II tiết diện lắp bánh Ta có cơng thức:  Trục quay có chiều ứng suất xoắn thay đổi theo chu kì đối xứng đó: Trục có rãnh then vị trí bánh răng: Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 54 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi  - hệ số xác định theo cơng thức: Trong đó:  - hệ số tập trung ứng suất trạng thái bề mặt, phụ thuộc vào phương pháp gia công độ nhẵn bề mặt với yêu cầu trục gia công máy tiện, taojcacs tiết diện nguy hiểm yêu cầu đạt , ta chọn  hệ số tăng bề mặt trục, dùng phương pháp thấm cacbon có  hệ số tập trung ứng suất thực tế uốn xoắn tra bảng ta có:  hệ số kích thước, kể đến ảnh hưởng tiết diện trục đến giới hạn mỏi, tra bảng ta có Do ta có: Từ kết tính tốn ta có: thỏa mãn điều kiện bền mỏi 3.5.8 Kiểm tra độ bền tĩnh Để đề phòng khả bị biến dạng dẻo qua lớn phá hỏng tải đột ngột cần tiến hành kiểm nghiệm trục độ bền tĩnh Cơng thức kiểm nghiệm có dạng: Trong đó: Tại đoạn trục tiết diện (2-0):   Thỏa mãn độ bền tĩnh 3.5.9 Kiểm nghiệm độ cứng xoắn Kiểm nghiệm độ cứng xoắn đoạn trục có rãnh then theo cơng thức: Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 55 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi Trong đó:  G- mơ dun đàn hồi trượt, với thép có G=8.104(Mpa)  J0 – mơ men qn tính độc cực, với chi tiết trịn đường kính d, J0 =  l- chiều dài đoạn trục tính  Với :  h- chiều sâu rãnh then  - hệ số 0.5 có rãnh then Góc xoắn cho phép lấy []=0030’ Thực kiểm nghiệm cho trục II hộp giảm tố Tiết diện 2-0 có then nên kiểm nghiệm theo công thức: l=55mm; h=5mm => k= 0.084[] Thỏa mãn độ cững xoắn 3.6.Chọn ổ bi cho trục II 3.6.1 Chọn loại ổ Trục II không đối xững với động lắp bánh thẳng, chịu lực dọc trục nên ta chọn ổ bi đỡ chặt, góc tiếp xúc Chọn cấp xác ổ lăn 3.6.2.Kích thước ổ lăn Lực tác dụng lên ổ lăn: Ta chọn ổ bi đỡ chặn 36211 cỡ nhẹ đường kính 55: Tra theo bảng ta có thơng số ổ lăn: kí hiệu ổ d(mm) D(mm) b=T(mm) r(mm) 36211 40 100 21 2.5 1.2 Kiểm nghiệm ổ theo khả tải động: Với ổ bi đỡ chặn:  V- hệ số kể đến vòng quay, vịng quay V=1 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 56 C(kN) 39.4 (kN) 34.9 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi  Kt -hệ số kể đến ảnh hưởng nhiệt độ, Kt=1 nhiệt dộ 1050  Kđ -hệ số kể đến đặc tính tải trọng dọc trục, Tra bảng có Kd=1 Ta có: Tra bảng ta có: X=1;Y=0 Nên ta có: Chỉ cần kiểm nghiệm với ổ bi chịu tải trọng lớn Với m bậc đường cong mỏi, ổ bi có m=3; Ta chọn: Lh =12000h  L=60n Lh10-6=60.12000.20.10-6=14.4(triệu vòng quay) => thỏa mãn Kiểm nghiệm theo khả tải tĩnh: Với: - khả tải tĩnh ổ: Qt tải trọng tĩnh quy ước: Tra bảng ta có  => THỎA MÃN 3.7 Kiểm nghiệm bền khâu Vật liệu thép hợp kim 4340 có Mơ ứng suất uốn xuất khâu: Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 57 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi Hình 27: Ứng suất khâu Hình 28:Ứng suất khâu  Các khâu đủ bền Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 58 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 4.1 Giới thiệu điều khiển PID PID viết tắt từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân), Derivative( đạo hàm ) giải thuật dùng nhiều ứng dụng điều khiển tự động với yêu cầu xác, nhanh, ổn định Hình 29: Mơ hình điều khiển PID Mục tiêu điều khiển PID: - Triệu tiêu sai số xác lập - Giảm thời gian xác lập độ vọt lố - Hạn chế dao động Hình 30: Đáp ứng hệ dao động Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 59 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi Cấu trúc điều khiển PID:  Khâu khuếch đại tỉ lệ Kp:Khi Kp tăng sai số xác lập giảm,vọt lố tăng,thời gian lên nhanh  Khâu tích phân tỉ lệ Ki: Khi Ki tăng sai lệch tĩnh giảm,thời gian đáp ứng chậm  Khâu vi phân tỉ lệ Kd: Khi Kd tăng vọt lố giảm,thời gian đáp ứng nhanh,bớt nhấp nhô,dao động Điều khiển PID mô tả mơ hình vào � � de  t  � U  t   KP � e t   � e    d  TD � TI dt � � Trong đó:  e(t) tín hiệu đầu vào  u(t) tín hiệu đầu  KP hệ số khuếch đại  TI số tích phân  TD số vi phân Từ mơ hình vào ta có hàm truyền đạt điều khiển PID � � R  s  KP � 1  TDs � � TIs � Phương pháp xác định tham số điều khiển PID: Phương pháp Ziegler - Nichols thứ hai: Phương pháp áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng mực chất lỏng bồn chứa, vị trí hệ thống truyền động dùng động cơ… Đáp ứng độ hệ hở đối tượng tăng đến vô Phương pháp thực sau: Hình 31: Phương pháp Ziegler-Nichols thứ Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 60 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi Thay điều khiển PID hệ kín khuếch đại Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tơi hạn kth để hệ kín chế độ biên giới ổn định, tức h(t) có dạng dao động điều hòa Xác định chu kỳ Tth dao động Hình 32: Chu kì dao động 4.2 Các thơng số đầu vào đầu Để điều khiển robot đáp ứng điều kiện quỹ đạo vận tốc trình bày phần thiết kế quỹ đạo tọa độ biến khớp robot phải bám theo tọa độ biến khớp tính tốn phần động học ngược Như  thơng số đầu vào tốn điều khiển tọa độ biến khớp (q 1m q2m) trình bày tốn động học ngược  thơng số đầu tốn điều khiển tọa độ biến khớp (q 1t q2t) thời điểm t 4.3.Thiết kế điều khiển PD cho Robot Cấu trúc điều khiển: Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 61 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi Hình 33: Bộ điều khiển PD cho robot Bộ điều khiển bao gồm khối - Khối điều khiển: Hình 34: Khối điều khiển PD - Khối đối tượng điều khiển Hình 35: Khối phương trình vi phân Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 62 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi 4.4 Kết thu tốn điều khiển Hình 36: Kết điều khiển khớp Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 63 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi Hình 37: Kết điều khiển khớp Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 64 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khơi Hình 38: Kết điều khiển khớp Dựa vào kết thu ta thấy điều khiển PD đáp ứng yêu cầu vị trí vận tốc Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 65 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi KẾT LUẬN Đây đề tài mang tính thực tế cao, mà công nghiệp ngày phát triển cạnh tranh không ngừng đòi hỏi suất chất lượng phải cải thiện nhờ dây chuyền máy móc đại thay lao động chân tay người Như mơn học chúng em tìm hiểu cách xây dựng mơ hình robot , từ thiết kế kết cấu đến lập trình điều khiển hoạt động Cơng việc hồn thành bao gồm sau:  Tổng quan ngành công nghiệp robot  Xây dựng kết cấu cho robot  Dựng mơ hình 3D  Chọn động  Lập trình điều khiển hoạt động  Tính tốn động học robot  Tính tốn động lực học  Thiết kế quỹ đạo chuyển động  Xây dựng điều khiển Matlab Qua đề tài chúng em biết cách vận dụng kiến thức chuyên môn đào tạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thời gian qua vào với thực tế sống với công nghiệp Không vậy,qua môn học chúng em học nhiều kĩ giải vấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo có ích cho sau này.Một lần chúng em,xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình PGS.TS Phan Bùi Khơi giúp chúng em hồn thành tập lớn cho môn học Do giới hạn thời gian kiến thức môn học này,chúng em giải số vấn đề việc thiết kế robot ngồi cịn nhiều vấn đề cần phải giải để có sản phẩm robot hồn thiện chúng em mong thầy/cơ góp ý để đề tài hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 66 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo trình, giảng: Trịnh Chất, Lê Văn Uyển:Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí Nhà xuất Giáo dục Việt Nam PGS.TS Phan Bùi Khôi, Bài giảng Tính tốn thiết kế robot, Trường ĐH Bách khoa Hà nội PGS.TS Phan Bùi Khôi:Slide giảng Robotics,Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, 2016 PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng : Cơ sở MATLAB SIMULINK GS TSKH Nguyễn Văn Khang, TS Chu Anh Mỹ Giáo trình Cơ sở robot cơng ngiệp Nguyễn Dỗn Phước:Lý thuyết điều khiển tự động NXB Khoa học kỹ thuật, 2005 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10 67 ... tới sống 2 ,Tính tốn thiết kế Robot ứng dụng hàn di động Bao gồm bước thiết kế việc mơ để kiểm chứng tính đắn trình thiết kế cung cấp q trình để xác định cách sản phẩm Robot đưa vào ứng dụng sống... mô vi mô ngày đa dạng Trong khn khổ mơn học Tính tốn thiết kế Robot với đề tài tài tính tốn thiết kế robot ứng dụng hàn di động, nhóm tin tưởng với kết có từ việc tìm hiểu tính tốn tiểu luận bước... 1.3 Các ứng dụng robot .12 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ROBOT HÀN DI ĐỘNG .14 2.1 Phân tích lựa chọn cấu trúc 14 2.1.1, Phân tích mục đích ứng dụng robot