Báo cáo này trình bày việc phân tích động học cho đối tượng robot hàn công nghiệp đang được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất ở các nhà máy. Dựa trên việc thiết lập phương trình động học, các tác giả sẽ giải quyết hai bài toán quan trọng nhất trong động học robot: động học thuận và ngược. Cùng với việc thiết kế mô hình 3D robot trên Solidworks, kết hợp với thư viện Simmechanics/Simulink của Matlab để mô phỏng hoạt động của robot.
CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Công nghệ hàn nổ bimêtal làm bạc trƣợt Việt Nam 4.1 Hàn nổ bimêtal thép + hợp kim nhôm làm bạc trựơt Việt Nam - Lớp thép thép C08s, - Hợp kim chịu mòn AlSn9-1 đúc thành thỏi - Thuốc nổ sử dụng amônit 6B - Sau hàn nổ, phôi băng kiểm tra, tiếp tục ủ khuếch tán cán nóng tinh chỉnh - Bimêtal cán đạt kích thước chiều dày tổng cộng cần thiết, tiến hành ủ khử ứng suất cải thiện chất lượng mối hàn 4.2 Hàn nổ bimêtal thép + hợp kim đồng làm bạc trựơt Việt Nam - Tấm kim loại thép C08s, - Hợp kim chịu mòn BCuAl5 - Thuốc nổ sử dụng amônit 6B TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.A.Deribas, Vật lý biến cứng hàn nổ, NXB khoa họ ,1987 [2] Crossland A.B.Cave I.A, The Explosive propertie s of Ammonitium Nitorat, Fuel Oil Mixtures ,1998 [3] Gelman A.C, Chudnovsky A.D, txemakhovich V.D, Harina I.L, Hàn nổ thép,NXB chế tạo máy,1978 TÍNH TỐN VÀ MÔ PHỎNG 3D ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN FANUC BẬC TỰ DO KS NGUYỄN ĐỨC SANG, TS HOÀNG MẠNH CƢỜNG Bộ mơn Cơ điện tử, Viện Cơ khí, Trường ĐH Hàng Hải Việt Nam Tóm tắt: Báo cáo trình bày việc ph n tích động học cho đối tượng robot hàn công nghiệp sử dụng rộng rãi thực tế sản xuất nhà máy Dựa việc thiết lập phương trình động học, tác giả giải hai toán quan trọng động học robot: động học thuận ngược Cùng với việc thiết kế mơ hình 3D robot Solidworks, kết hợp với thư viện Simmechanics/Simulink Matlab để mô hoạt động robot Mở đầu Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, robot trở thành ứng dụng quan trọng sống Robot thay người làm công việc từ đơn giản mang tính lặp lại đến việc địi hỏi xác cao Các nhà máy lớn giới Toyota, Mercedes Benz, Honda, đưa robot vào tham gia sản xuất, đặt biệt hệ thống robot hàn khung xe Trong ngành khí chế tạo Mĩ, có khoảng 90% ngun cơng ngun cơng hàn Những lợi ích lớn robot hàn tự động có độ xác suất cao Các robot tạo mối hàn y vật hàn kích thước quy cách Chuyển động mỏ hàn tự động hóa giảm nguy mắc lỗi thao tác, giảm phế phẩm khối lượng công việc phải làm lại Robot làm việc nhanh mà cịn hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu nhiều so với thiết bị hàn tay, đồng thời giúp người người tránh khỏi tác hại hàn tiếp xúc với xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc Ở nước ta nay, robot hàn robot nhập với giá thành chi phí bảo dưỡng cao, nên việc tiến tới làm chủ công nghệ, chế tạo robot nước nhiệm vụ cấp Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 60 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 bách Trong báo cáo này, tác giả trình bày việc thiết kế mơ hình, tính tốn mơ động học cho robot hàn Fanuc S900W Hình Robot hàn Fanuc Cơ sở lý thuyết tính tốn động học robot Động học robot toán quan trọng bắt tay vào nghiên cứu robot, làm sở cho toán động lực học điều khiển sau Đối với robot hàn công nghiệp, động học robot nghiên cứu mối quan hệ chuyển động đầu hàn (khâu thao tác) chuyển động khớp (chuyển động tạo động điện đặt khớp) Mối quan hệ thể qua phương trình: (0.1) x f (q) Trong đó: + x trạng thái khâu thao tác, bao gồm ba thành phần vị trí ba thành phần độc lập hướng so với hệ tọa độ cố định; x [xE yE zE ux vy w z ]T + q veto chứa giá trị biến khớp ( góc quay- ứng với khớp quay, độ dịch chuyển dài- ứng với khớp tịnh tiến); q [q1 q2 q n ]T , với n số khớp robot Dựa sở phương trình động học (1.1), ta cần giải hai toán: Động học thuận: Cho trước giá trị biến khớp q, cần tìm chuyển động khâu thao tác Bài toán nhằm kiểm tra hoạt động khớp đưa phạm vi vùng làm việc robot Động học ngược: Cho trước chuyển động khâu thao tác x, cần tìm chuyển động khớp q Đây toán quan trọng nghiên cứu robot Thực tế sản xuất yêu cầu khâu thao tác phải chuyển động theo quy luật cho trước để đáp ứng mục đích cơng nghệ Việc giải tốn động học ngược cho phép ta tìm chuyển động khớp liệu đầu vào để điều khiển động Hiện nay, để thiết lập phương trình động học robot (1.1) sử dụng nhiều phương pháp như: phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg, ma trận Craig, ma trận cosin hướng, ma trận Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng; nhiên, phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg thuận tiện sử dụng rộng rãi dễ dàng lập trình tổng quát cho loại robot công nghiệp Bản chất robot cơng nghiệp chuỗi động học, gồm có khâu nối với qua khớp (các khớp dẫn động động cơ, thường động điện chiều) Ý tưởng phương pháp Denavit-Hartenberg (DH) khớp i robot đặt hệ toạ độ i chuyển động với khâu i Mối quan hệ hai hệ tọa độ liền đặc trưng Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 61 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 thông số khớp Khi biết mối quan hệ hệ tọa độ trung gian ta tìm mối quan hệ hệ tọa độ gắn với khâu thao tác (đầu hàn) hệ tọa độ cố định gắn với khâu đế Ma trận DH địa phương, ký hiệu H ii 1 , ma trận chuyển tọa độ điểm từ hệ i (Oixiyizi) hệ i-1 (Oi-1xi-1yi-1zi-1) cho công thức: H ii 1 cos qi cos i sin qi sin i sin qi cos qi sin qi cos i cos qi sin i cos qi sin qi sin i cos i di 0 (0.2) tham số có ý nghĩa sau: + qi góc quay trục xi-1 đến trục xi quanh trục zi-1 + di đoạn dịch trục xi-1 đến trục xi dọc trục zi-1 + đoạn dịch trục zi-1 đến trục zi dọc trục xi-1 + i góc quay trục zi-1 đến trục zi quanh trục xi-1 Hình Các hệ tọa độ gắn lên khâu theo phương pháp DH Thông qua việc sử dụng liên tiếp hệ tọa độ, ma trận chuyển hệ tọa độ gắn vào khâu thao tác hệ tọa độ gắn vào đế robot có dạng: Hdauhan H10 q1 H12 q2 Hnn1 qn H0n q de (0.3) R q p q H0n q có dạng , hệ tọa độ cố định gắn với đế robot ký hiệu 0, hệ tọa độ tay gắn với khâu thao tác kí hiệu n; q vecto cột chứa tọa độ suy rộng; R q ma trận xác định hướng đầu hàn, có phần tử độc lập; p q vecto cột 1 xác định vị trí đầu hàn so với hệ cố định Như tìm ma trận H0n q dạng tường minh với tham số giá trị biến khớp kích thước động học robot, ta biết mối quan hệ chuyển động khâu thao tác chuyển động khớp Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 62 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Khảo sát động học robot hàn Fanuc bậc tự 3.1 Mơ hình động học Robot Fanuc S900W Mỹ chế tạo, có bậc tự chuyển động quay, dẫn động động điện Robot thay dụng cụ thao tác: dùng cho công việc nâng, gắp hàng hóa có cấu tay kẹp; ngun cơng hàn lắp đầu hàn tương ứng Hình Mơ hình động học robot Fanuc S900W hệ tọa độ đính kèm 3.2 Thiết lập phương trình động học Dựa hệ tọa độ đặt theo quy tắc DH hình 3, ta có bảng tham số động học cho robot: Khớp a d q 90 a1 q1 a2 q2 90 a3 q3 -90 d4 q4 90 0 q5 0 d6 q6 0 Từ đây, thay vào (1.2) ta có ma trận DH địa phương: c1 s1 a1c1 c2 s2 a2 c2 c3 s c a s s s c2 a2 s2 1 1 H10 ; H12 ; H 32 0 0 0 0 0 0 0 0 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 s3 c3 0 a3c3 a3 s3 63 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 c4 s H 34 0 0 s4 1 c4 0 0 c5 s 0 ; H54 0 d4 1 0 s5 c5 0 0 ; 0 1 c6 s H 56 0 0 s6 c6 0 0 d6 1 (0.4) với ký hiệu: ci=cos(qi); si=sin(qi) Thay kết (1.4) vào (1.3) ta nhận ma trận thể mối quan hệ hệ tọa độ gắn vào khâu thao tác so với hệ tọa độ cố định gắn vào khâu đế u x vx w x p x u v w p y y y (0.5) H 60 H10 q1 H12 q2 H 56 q6 y u z vz w z p z 1 0 Từ (1.5) ta rút hệ phương trình động học robot ( gồm phương trình vị trí phương trình hướng): p x = c1 a1 + a c + a c 23 + d s 23 + d c 23 c s5 + s 23 c5 + d s1s s5 p y = s1 a1 + a c + a 3c 23 + d 4s 23 + d (c 23 c 4s5 + s 23c5 ) - d c1s 4s pz = a s + a 3s 23 - d c 23 + d s 23 c s5 - c 23 c5 (0.6) u x = c1 c 23 c c5 c6 - s s - s 23s5 c6 + s1 s c5 c + c 4s v y = s1 -c 23 c c5 c6 + s s + s 23s5 c - c1 -s c5 c6 + c 4s w z = s 23 c s5 - c 23 c5 cij cos(qi q j ); sij sin(qi q j ); 3.3 Động học thuận Từ hệ phương trình động học (1.6), cho trước kích thước khâu robot (i=1,2,3) di (i=4,6); giá trị biến khớp qi (i=1,2 ,6) ta dễ dàng tìm ma trận H 60 hệ phương trình đại số tuyến tính Ở đây, ta cho khớp chuyển động giới hạn quay cho phép động cơ, từ đưa vùng làm việc cho robot 3.4 Động học ngược Ở toán này, biết trước kích thước khâu robot ma trận H 60 , cần tìm chuyển động khớp, tức giá trị qi Việc giải toán phức tạp, liên quan đến việc giải hệ phương trình đại số phi tuyến Trên thực tế, có nhóm phương pháp hay sử dụng nhóm phương pháp giải tích nhóm phương pháp số Phương pháp giải tích có ưu điểm đưa biểu thức nghiệm dạng công thức giải tích, thuận tiện cho việc lấy làm liệu đầu vào cho toán điều khiển thời gian thực sau Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp giải tích khơng mang tính tổng qt phải tùy thuộc cụ thể cấu hình robot mà có cách giải khác Ngược lại, nhóm phương pháp số mang tính tổng qt cả, áp dụng cho loại robot công nghiệp Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm sử dụng vịng lặp q trình tính để đạt nghiệm có độ xác cho trước Các vịng lặp làm chậm q trình tính tốn gây sai số tích lũy cho tốn điều khiển sau này; đồng thời, khơng hội tụ chọn điều kiện đầu không hợp lý Ở báo cáo này, ta sử dụng phương pháp số Newton Raphson có hiệu chỉnh gia lượng cho hình để giải toán động học ngược robot hàn Fanuc Với N số điểm chia sai số ta đặt trước; q0 vecto giá trị biến khớp ta chọn trước làm điều kiện đầu; J ma trận jacobi Ta cần ý số điểm chia N lớn sai số ta chọn bé thời gian tính tốn lâu Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 64 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Hình Sơ đồ thuật tốn Newton Raphson có hiệu chỉnh gia lượng Trong toán động học ngược, ta đưa yêu cầu quỹ đạo chuyển động đầu hàn: Đầu hàn chuyển động theo đường thẳng Đầu hàn chuyển động theo đường tròn Đầu hàn chuyển động theo đường cong không gian Các kết chi tiết trình bày mục sau Mô 3D chuyển động robot hàn Fanuc bậc Hiện nay, tính tốn mô hoạt động hệ thống toán quan trọng bước trước bắt tay vào việc chế tạo sản xuất Nó cho phép ta quan sát hoạt động hệ thống, dự đốn tượng xảy mà khơng cần tiêu tốn nhiều chi phí Đối với mơ robot nay, có nhiều phương pháp từ đơn giản (phần mềm EASY ROB) đến phương pháp phức tạp việc kết hợp thiết kế (phần mềm CAD) với tính tốn (Maple, MATLAB, ) lập trình giao diện (C, C MATLAB, ) Ưu điểm phương pháp phức tạp cho việc mô gần với thực tế nhất, đồng thời tạo tương tác phần cứng phần mềm thông qua chuẩn kết nối với máy tính Ở báo cáo này, tác giả thiết kế mô hình robot phần mềm CAD (ở SolidWorks) sau nhúng vào mơi trường MATLAB/Simulink thông qua thư viện Simmechanics MATLAB Việc giải hệ phương trình động học thực phương pháp Newton-Raphson triển khai MATLAB Kết tính toán làm đầu vào cho sơ đồ khối Simmechanics/Simulink 4.1 Các bước xây dựng chương trình mơ Quy trình mơ sơ đồ đây: Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 65 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 • Thiết kế mơ hình 3D Kiểm tra CAD• • • • • Simmechanics MATLAB Kết nối SolidWorks Simulink/MATLAB Mô hình hóa động khớp Lập trình giải động học ngược Dữ liệu đầu vào cho Simmechanics Hình Sơ đồ mơ hoạt động robot MATLAB/Simulink/Simmechanics Ở có khối chính: + Khối MATLAB Fuction: có nhiệm vụ giải tốn động học thuận, ngược + Khối Robot: Là mơ hình 3D từ SolidWorks chuyển sang môi trường MATLAB/ Simulink thông qua thư viện Simmechanics + Khối động (DC1-6), sensor: Các khối thư viện Simmechanics cung cấp để mô hình hóa động cảm biến (xác định chuyển động khâu thao tác) Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 66 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 4.2 ết mơ Hình Giao diện mơ Hình Kết mơ tốn động học thuận đưa vùng làm việc Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 67 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Hình ết mơ toán động học ngược: Chuyển động khâu thao tác chuyển động khớp Kết luận Như vậy, báo cáo giải trọn vẹn việc tính tốn mơ động học cho robot hàn Fanuc S900W Các nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mơ hình động lực học thiết kế điều khiển cho robot Từ đó, bắt tay vào việc thiết kế, chế tạo thực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.thegioicadcam.com/catia/75-mo-phong-robot-han-bang-catia [2] http://ngoclinh.net.vn/ro-bot-han-cac-khai-niem-va-ung-dung/a29577.html [3] http://www.weldtec.com.vn/chuyen-giao-cong-nghe/cong-nghe-robot-han.html [4] Đinh Văn Phong, Đỗ Sanh, Nguyễn Trọng Thuần, Đỗ Đăng Khoa, “ Tính tốn động học mô 3D rô bốt Gryphon”, Đại học Bách Khoa Hà Nội [5] Lung Twen Sai, “Robot Analysis, The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators”, John Willey & Sons, INC Pulisher, 1999 [6] Nguyễn Văn Khang, “Động lực học hệ nhiều vật”, NXB KHKT 2009 [7] Nguyễn Văn Khang- Chu Anh Mỳ, “Cơ sở robot công nghiệp”, NXB giáo dục Việt Nam 2011 [8] Nguyễn Thiện Phúc, “Robot cơng nghiệp”, NXB KHKT 2006 [9] Nguyễn Trung Tuấn, “Tính toán động học, động lực học điều khiển robot phương pháp ma trận Craig”, Đồ án tốt nghiệp ĐH BKHN 2010 [10] Fanuc.com/product Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 68 ... hình, tính tốn mơ động học cho robot hàn Fanuc S900W Hình Robot hàn Fanuc Cơ sở lý thuyết tính tốn động học robot Động học robot toán quan trọng bắt tay vào nghiên cứu robot, làm sở cho toán động. .. động khâu thao tác chuyển động khớp Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 62 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Khảo sát động học robot hàn Fanuc bậc tự 3.1 Mơ hình động học Robot. .. chuyển động đầu hàn: Đầu hàn chuyển động theo đường thẳng Đầu hàn chuyển động theo đường tròn Đầu hàn chuyển động theo đường cong không gian Các kết chi tiết trình bày mục sau Mô 3D chuyển động robot