FINAL PROJECT PROJECT OF MECHANICAL DESIGN research, design and simulation robot

HO CHI MINH UNIVERSITY TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING FINAL PROJECT PROJECT OF MECHANICAL DESIGN Research, Design and Simulation Robot Scara Advisor: Thầy Tưởng Phước Thọ Student: Trần Nguyễn MSSV: 19146601 Student: Nguyễn Văn Thái MSSV: 19146119 Student: Nguyễn Thị Linh Trang MSSV: 19146079 Tp Hồ Chí Minh, 12/2021 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 1.1 Robot robot công nghiệp 1.1.1.Vài nét lịch sử phát triển robot robot công nghiệp 1.1.2.Robot công nghệ cao 1.1.3.Định nghĩa robot công nghiệp 1.2 Các phương pháp điều khiển robot CHƯƠNG II: MÔ TẢ VÀ PHÂN TÍCH CHI TIẾT ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .5 2.1 Thiết kế khí robot 2.1.1 Thiết kế khí cấu hình tay máy robot thông số kỹ thuật 2.1.2 Thiết kế tính tốn truyền động (động cơ, hộp số) 2.1.3 Bản vẽ lắp, vẽ chi tiết 2.2 Bài toán động học tay máy robot .6 2.2.1 Tính tốn tốn động học thuận, nghịch 2.2.2 Tính tốn tốn động học vận tốc 2.2.3 Tính tốn tốn động lực học 2.2.4 Phân tích khơng gian hoạt động tay máy .6 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG TAY MÁY ROBOT BẰNG PHẦN MỀM MATLAB VÀ SIMMECHANIC KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO .9 MỞ ĐẦU Chúng ta sống thời đại công nghiệp 4.0 - nên công nghiệp sản xuất hàng loạt với trợ giúp robot, máy tự động điều khiển máy tính Nên khoa học kỹ thuật ngày phát triển mạnh mẽ dẫn tới thay đổi lớn sản xuất Sự thay đổi lực lượng sản xuất ngành nghề, thay hoạt động chân tay người máy móc, robot Robot có vị trí nhờ chúng có ưu điểm đặc biệt chất lượng, độ xác tính kinh tế Robot làm việc khơng bị ảnh hưởng yếu tổ chủ quan, khách quan làm việc mệt mỏi, làm việc mơi trường nhiễm, độc hại, làm việc có nhiệt độ/áp suất cao, làm việc nơi hiểm, nhờ thiết kế xác thuật tốn điều khiến mà robot có khả làm công việc yêu cầu độ cần thận, tinh tế, làm việc xác khơng có nhầm lẫn người Tay máy Robot có mặt sản xuất từ nhiều năm trước, ngày tay máy Robot dùng nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ ưu điểm mà tay máy Robot đúc kết lại q trình sản xuất làm việc, tay máy có tính mà người khơng thể có được, khả làm việc ổn định, làm việc mơi trường độc hại, vv Do việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo tay máy Robot phục vụ cho công tự động hóa sản xuất cần thiết cho tương lai Ngày việc dùng robot ứng dụng ngành cơng nghiệp khí nặng nhu cầu cần thiết, việc di chuyển cách khéo léo xác điều khó khăn người, mà việc nghiên cứu chế tạo thiết bị cánh tay robot để làm việc có ý nghĩa lớn Việc tìm hiểu nghiên cứu Robot khn khổ môn học.Robotics trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thầy Tưởng Phước Thọ phụ trách, sở, tảng vững để chúng em nghiên cứu, thiết kế tính tốn điều khiển loại robot hay ngồi cơng nghiệp phục vụ sản xuất đời sống người Trong tiểu luận cuối kỳ môn học Robotics, cụ thể chúng em chọn loại tay máy Scara để phát triển đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, tính tốn mô tay máy” CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 1.1 Robot robot công nghiệp 1.1.1 Vài nét lịch sử phát triển robot robot công nghiệp Trở lịch sử trình phát triển ngành cơng nghiệp thấy phát triển công nghiệp trải qua bốn giai đoạn chính, từ máy móc đơn giản máy móc tinh vi, thơng minh phức tạp Hình 1.1: Dịng thời gian biểu diễn q trình phát triển robot Giai đoạn I: Diễn vào khoảng cuối kỉ 18 đầu kỉ 19 Cuộc cách mạng công nghiệp bắt đầu phát triển sản xuất hàng hóa ngành cơng nghiệp dệt Sau đó, thƣơng mại phát triển thuận lợi cho đời kênh đào giao thông đƣờng sắt Động nƣớc đƣa đến gia tăng suất lao động đột biến Sự phát triển máy móc hai thập kỉ đầu kỉ 19 đưa đến chế tạo máy móc phục vụ cho ngành sản xuất khác Giai đoạn II: Bắt đầu khoảng thập kỉ 1850 kéo dài đến đầu thập kỉ 1900 Giai đoạn III: Giai đoạn IV: Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ sản xuất công nghiệp, máy tự động có bùng nổ số lượng chất lượng Có thể kể đến máy cơng cụ, trung tâm gia công CNC, hệ thống Open CIM…trong đó, robot cơng nghiệp thành phần khơng thể thiếu với vai trò phần tử hệ thống đứng độc lập quy trình sản xuất Trải qua thời gian ngắn hình thành phát triển, ưu điểm vượt trội tính hiệu quả, hiệu suất mà chúng mang lại, robot thành phần quan trọng hầu hết lĩnh vực: đời sống xã hội, nghiên cứu khoa học, y học, hàng khơng vũ trụ, thám hiểm…trong đó, chiếm đa số robot phục vụ công nghiệp - gọi robot công nghiệp (Industrial Robot) 1.1.2 Robot công nghệ cao 1.1.3 Định nghĩa robot công nghiệp Robot công nghiệp robot dùng sản xuất cơng nghiệp Chúng lập trình sẵn để tự động di chuyển, làm việc hai nhiều trục liên kết với Robot công nghiệp robot chuỗi, robot song song, robot cố định hay robot di động…Chiếm đại đa số robot chuỗi năm sáu bậc tự do, robot song song ba, bốn sáu chân Với ứng dụng đa dạng phong phú, chúng không giúp thay người công nhân công đoạn lặp lại nhàm chán, mơi trường độc hại, nguy hiểm mà chúng cịn có khả hoạt động nhiệm vụ đòi hỏi tính linh hoạt xác cao mà người khó thực Với ưu điểm đó, robot cơng nghiệp ngày có vai trị quan trọng 1.2 Các phương pháp điều khiển robot Cánh tay Robot hiểu gồm nối ghép với qua khớp nối di chuyển không gian Vì để xác định vị trí khâu tác động cuối khơng gian phải biết hướng, tọa độ tay máy khơng gian Vì cách ta phải gắn hệ trục tọa độ lên tay máy để tính tốn xác định vị trí, hướng khâu tác động cuối tay máy không gian CHƯƠNG II: MƠ TẢ VÀ PHÂN TÍCH CHI TIẾT ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2.1 Thiết kế khí robot 2.1.1 Thiết kế khí cấu hình tay máy robot Hình 2.1: Bản phác thảo 2D thiết kế tay máy robot Hình 2.2: Bản mơ 3D thiết kế tay máy robot Scara Solidworks (đang hoàn hoàn thiện) 2.1.2 Thiết kế tính tốn truyền động (động cơ, hộp số) 2.1.3 Bản vẽ lắp, vẽ chi tiết 2.2 Bài toán động học tay máy robot Thiết lập bảng thơng số Denavit – Hartenberg Hình 2.2: Phân tích cấu tạo tay máy theo phương pháp Denavit – Hartenberg i θi (°) αi (°) di (m) (m) θ1 0° l0 l1 θ2 180° l2 0° 0° d3 Bảng 2.3: Bảng thông số Denavit – Hartenberg theo cấu tạo robot 2.2.1 Tính tốn tốn động học thuận Để xác định tham số động học biểu diễn vị trí khâu tác động cuối, biết biến khớp robot Scara, ta tính ma trận biến đổi đồng từ số liệu bảng D-H sau: Từ ma trận biến đổi đồng tính, tọa độ điểm P cuối khâu tay gắp so với khung tọa độ gốc là: Px = l1 cosθ1 + l2 cos(θ1+ θ2) (1) Py = l1 sinθ1 + l2 sin(θ1+ θ2) (2) Pz = l0 + d3 (3) 2.2.2 Tính tốn tốn động học nghịch Với tốn động học nghịch, từ biết vị trí khâu tác động cuối robot, cần xác định giá trị biến độ dời góc quay khớp Trong toán này, áp dụng phương pháp đại số, dựa vào kích thước ban đầu tọa độ điểm cuối P, mục tiêu cần tính tốn giá trị θ1, θ2 d3 Từ phương trình (3) phần động học thuận, ta tính giá trị d3: d3 = Pz - l0 Từ phương trình (1) (2) trên, bình phương biểu thức vế, ta được: Px2 = [l1 cosθ1 + l2 cos(θ1+ θ2)]2 Py2 = [l1 sinθ1 + l2 sin(θ1+ θ2]2 Khai triển đẳng thức cộng vế tương ứng cặp phương trình ta có: Px2 + Py2 = (l1 cosθ1)2 + 2l1l2 cosθ1.cos(θ1+ θ2) + [l2 cos(θ1+ θ2)]2 + (l1 sinθ1)2 + 2l1l2 sinθ1.sin(θ1+ θ2) + [l2 sin(θ1+ θ2]2 Đặt nhân tử chung cặp số hạng tương ứng thu được: Px2 + Py2 = l12 (cos2θ1 + sin2θ1) + l22 [cos2(θ1+ θ2) + sin2(θ1+ θ2)] + 2l1l2 [cosθ1.cos(θ1+ θ2) + sinθ1sin(θ1+ θ2)] Áp dụng công thức lượng giác ta được: Px2 + Py2 = l12 + l22 + 2l1l2 cosθ2 Từ ta tính giá trị biến θ2: P x + P y 2−l 12−l 22 θ2 = cos l1 l2 -1 Để tìm θ1, ta khai triển cơng thức lượng giác sin tổng phương trình (1): Px = l1 cosθ1 + l2 cosθ1.cosθ2 - sinθ1.sinθ2 Đặt nhân tử chung ta được: Px = - sinθ2.sinθ1 + (l1 + l2 cosθ2).cosθ1 Đặt a = -sinθ2; b = l1 + l2 cosθ2; c = Px Khi đó, phương trình có dạng c = a.sinx + b.cosx, chia hai vế phương trình cho √ a2 +b 2: a 2 √a +b sinx+ Đặt cosσ = b √ a +b a √ a2 +b2 cosx= σ = cosσ sinx+ sinσ cosx= c √ a + b2 b √ a2 + b2 , phương trình trở thành: c √ a +b Áp dụng công thức lượng giác ta được: sin ⁡( x+ σ )= c √ a + b2 Như vậy, ta xác định giá trị góc quay θ1: −1 θ1=sin ¿ θ1=π −sin−1 ¿ Vậy với toán động học nghịch, từ biết vị trí khâu tác động cuối robot, cần xác định giá trị biến độ dời góc quay khớp Trong toán này, áp dụng phương pháp đại số, dựa vào kích thước ban đầu tọa độ điểm cuối P, ta tính tốn giá trị θ1, θ2 d3 2.2.3 Tính tốn tốn động học vận tốc 2.2.4 Tính tốn tốn động lực học 2.2.5 Phân tích khơng gian hoạt động tay máy 10 Kích thước ban đầu biến khớp giới hạn hoạt động khâu vận hành robot: l0= 210; θ1: ( −π π → ); 2 l1= 200; θ2: ( −3 π 3π → ); 2 l2= 150 d3: (120 →210) Code lập trình khơng gian hoạt động robot Scara phần mềm Matlab: Hình 3.1.1: Khơng gian hoạt động tay máy Scara – Góc nhìn từ xuống 11 Hình 3.1.2: Khơng gian hoạt động tay máy Scara – Góc nhìn isometric 12 CHƯƠNG III: MƠ PHỎNG TAY MÁY ROBOT BẰNG PHẦN MỀM MATLAB VÀ SIMMECHANIC 13 KẾT LUẬN 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 ... QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 1.1 Robot robot công nghiệp 1.1.1.Vài nét lịch sử phát triển robot robot công nghiệp 1.1.2 .Robot công nghệ cao 1.1.3.Định nghĩa robot. .. việc hai nhiều trục liên kết với Robot cơng nghiệp robot chuỗi, robot song song, robot cố định hay robot di động…Chiếm đại đa số robot chuỗi năm sáu bậc tự do, robot song song ba, bốn sáu chân... phục vụ công nghiệp - gọi robot công nghiệp (Industrial Robot) 1.1.2 Robot công nghệ cao 1.1.3 Định nghĩa robot công nghiệp Robot công nghiệp robot dùng sản xuất cơng nghiệp Chúng lập trình sẵn để