BÀI TIỂU LUẬN môn học tính toán thiết kế robot đề tài tính toán thiết kế robot hàn hồ quang

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BÀI TIỂU LUẬN Mơn học : Tính tốn thiết kế Robot ĐỀ TÀI : Tính tốn thiết kế Robot hàn hồ quang Giảng viên hướng dẫn Nhóm sinh viên thực : Nhóm NGUYỄN HUY HỒNG PHẠM TIẾN LONG LÊ ĐỨC NGUYÊN Hà nội, ngày 8/6/2015 GVHD : PGS.TS Phan Bùi Khơi Lời mở đầu Có thể nói Robot mang tới cho sống người sống mới, cách trải nghiệm sống 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 khuôn khổ mơn học Tính tốn thiết kế Robot với đề tài tài thiết kế Robot hàn đường cong mặt phẳng với kích thước cho trước, 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 công nghiệp Với bố cục gồm hai phần : 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 Tính tốn thiết kế Robot hàn hồ quang Bao gồm bước thiết kế việc mơ để kiểm chứng tính đắn q 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 công 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 Nhóm Sinh viên thực MỤC LỤC Lời mở đầu MỤC LỤC .3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Lịch sử hình thành phát triển Robot 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 toạ độ (Coordinate frames) .9 1.2.4 Trường công tác robot (Workspace or Range of motion) .10 1.2.5 Cấu trúc Robot công nghiệp 10 1.2.6 Phân loại Robot công nghiệp 12 1.3 Các ứng dụng Robot 12 CHƯƠNG II TÍNH TỐN THIẾT KẾ ROBOT HÀN HỒ QUANG 13 2.1 Phân tích lựa chọn cấu trúc 13 2.1.1 Số bậc tự cần thiết ? 13 2.1.2 Các phương án thiết kế 15 2.1.3 Lựa chọn cấu trúc thiết kế 16 2.2 Bài toán động học 18 2.2.1 Tham số động học 18 2.2.2 Cơ sở lý thuyết 19 2.2.3 Giải toán cụ thể Sơ đồ động học: 23 2.3 Bài toán tĩnh học 32 2.3.1 Cơ sở lý thuyết 33 2.3.2 Giải toán cụ thể 34 2.4 Tính tốn động lực học 36 2.4.1 Tham số động lực học Robot 36 2.4.2 Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động Robot dạng thức 37 2.4.3 Thiết lập phương trình Lagrange II dạng ma trận 38 2.5 Thiết kế hệ dẫn động Robot 41 Giớith 2.5.1.Tính tốn hệ 2.5.2.Chọn động c 2.5.3.Thiết kế tr 2.5.9 Kiểm nghiệm 2.6 Thiết kế hệ thống điều khiển 2.6.1 Chọn luật 2.6.2 Mô b CHƯƠNG III KẾT LUẬN  Những kết có  Định hướng phát tr Tài liệu tham khảo GVHD : PGS.TS Phan Bùi Khôi Bảng phân công nhiệm vụ STT Nhóm Sinh viên thực 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 cơng 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 công 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; Ý 1973 GVHD : PGS.TS Phan Bùi Khơi 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 Cơng ty Mỹ Cincinnati đưa loại robot điều khiển máy vi tính, gọi robot T3 (The Tomorrow Tool: Cơng cụ tương lai) Robot nầy 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 Một vài số liệu số lượng robot sản xuất vài nước công nghiệp phát triển sau: Nước SX Nhật Mỹ Đức Ý Pháp Anh Hàn Quốc Mỹ nước phát minh Robot nước phát triển cao lĩnh vực nghiên cứu chế tạo sử dụng lại Nhật Bản Nhóm Sinh viên thực 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 cơng 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 thơng qua chương trình chuyển động thay đổi để hoàn 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 hoàn thành chức vận động điều khiển q trình sản xuất Có thể nói Robot công nghiệp máy tự động linh hoạt thay phần toàn hoạt động bắp hoạt động trí tuệ người 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 trình công 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 hoá” 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 ipi i1 Ở đây: n - Số khâu động; pi - Số khớp loại i (i = 1, 2, ,5 : Số bậc tự bị 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 Để định vị định hướng khâu chấp hành cuối cách tuỳ ý không gian chiều robot cần có bậc tự do, bậc tự để định vị bậc tự để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, xếp yêu cầu số bậc tự Các robot hàn, sơn thường yêu cầu bậc tự Trong số trường hợp cần khéo léo, linh hoạt cần phải tối ưu hoá quỹ đạo người ta dùng robot với số bậc tự lớn 1.2.3 Hệ toạ độ (Coordinate frames) Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với qua khớp (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 Do đó, biết tính chất động lực học hệ thống robot, ta tiến hành thiết kế điều khiển PD-Bù trọng lực cho robot không gian thao tác Bước 1: Ta thiết kế quỹ đạo cho robot Xây dựng quy luật cho robot chuyển động đường trịn đường kính R=0.15(m), tọa độ trọng tâm C(xC,yC) Khâu cuối Robot chuyển ngược chiều kim đồng hồ di chuyển với quỹ đạo cung cong biến đổi hàm bậc 3, thời gian t=[t0; te ],vị trí đầu-cuối φ=[ φ0, φe] vận tốc đầu cuối [ω0, ωe] y R x xE R cos( (t)) xC yE Rsin( (t)) yC zE 0.135 Từ điều kiện đầu-cuối vận tốc khoảng thời gian [t0,te] ta có hệ phương trình: a at at a 2a t a at at e e Đưa hệ phương trình dạng ma trận để thuận tiện cho việc tính tốn lập trình sau này: Tg t Sau tìm hệ số, ta tìm biểu thức vận tốc gia tốc đặt điểm tác động cuối E xE d R sin( ) yE R cos( ) d xE d yE zEd d R[ sin( ) R[cos( ) cos( ) sin( ) ] 2 ] Bước 2: Cấu trúc sơ đồ điều khiển x q d å F' Kin(q) Mx(q) q J(q) Kv Kp V (q, q) G(q) xd - å å xd Bước 3: Mô khối điều khiển Simulink Một số kết đạt được: Hình 2.15 Đồ thị quỹ đạo đặt xEd quỹ đạo thực xE Hình 2.16 Đồ thị quỹ đạo đặt yEd quỹ đạo thực Hình 2.17 Đồ thị quỹ đạo đặt zEd quỹ đạo thực zE Hình 2.18 Đồ thị sai số quỹ đạo theo phương x-y-z 2.6.2 Mô Matlab Sumulink - SimMechanics Bằng việc mơ ngồi việc kiểm chứng tính đắn q trình thiết kế tính tốn hệ thống điều khiển cịn mang lại cho nhìn trực quan thao tác Robot Do giới trang bị nhiều công cụ hỗ trợ việc mô bao gồm phần mềm hãng nỗi tiếng chế tạo Robot ( KUKA, MITSUBISHI) hãng phần mềm tuý thiết kế khí tính tốn (MATLAB, CATIA, SOLIDWORKS) có tác vụ riêng biệt tích hợp kèm phần mềm cung cấp Song song với việc học tập nhóm sinh viên có hội tiếp cận với cơng cụ SimMechanics ứng dụng hay tích hợp phần mềm thiết kế 3D Sumulink Matlab Qua việc mô công cụ giúp cho sinh viên hiểu rõ mối quan hệ Cơ khí – điều khiển tự động Các bước mô : Trước bước vào việc mô SimMechanics cần có xml file để nhúng vào mơi trường MATLAB cơng cụ SimMechanics link Solidworks Hình 2.19 Sơ đồ khối Robot Bước : Xây dựng tín hiệu đặt Tín hiệu đặt tín hiệu mong muốn người lập trình dùng để điều khiển Robot Các tín hiệu đặt đặt khớp tuỳ theo mức độ xác mà đặt mức độ tối ưu tốn Tín hiệu đặt toán đặt khớp quay Robot (vị trí, tốc độ góc gia tốc góc khớp) Nó xác định việc thu kết mong muốn từ toán động học ngược, động lực học ngược Xây dựng tín hiệu đặt việc lấy kết từ liệu Maple load vào Matlab khối from workspace với liệu load từ m file bảng tg = [ma tran thoi gian thuc]; g1 = [ma tran goc quay gian]; tdg1 = [ma tran toc thoi gian]; gt1 = [ma tran gia toc thoi gian]; dulieu1.time = tg; dulieu1.signals.values [g1,tdg1,gt1]; dulieu1.signals.dimensions =3; Bước : Xây dựng điều khiển PD Khối PD xây dựng dựa tiến hiệu đặt tín hiệu phàn hồi để qua điều chỉnh đưa tới khớp với sai lệch bé Hình 2.20 Sơ đồ điều khiển PD Bước : Xây dựng khối để định vị khâu thao tác Để đo đạc vị trí thuộc tính thời điểm hoạt động khâu thao tác Robot ta cần phải đặt cảm biến lên khâu Đó với sở lý thuyết vậy, với Matlab trang bị khối Body sensor để giúp dễ dàng có điều với XY Graph Hình 2.21 Khối định vị khâu thao tác Bước : Chạy kết Hình 2.22 Sơ đồ tổng quát Với ví dụ đường cong trịn nằm phạm vi kích thước gia cơng (30x40) cho ta đường cong hình Do tính tốn có việc làm trịn số việc thiết lập khoảng thời gian rời rạc việc định hình Robot chưa chặt chẽ nên kết cịn có độ xác chưa thực cao mong đợi Nếu có hỗ trợ máy móc thời gian tìm hiểu, nhóm tin khơng phải vấn đề q khó Hình 2.23 Biểu diễn quỹ đạo khâu thao tác GVHD : PGS.TS Phan Bùi Khôi CHƯƠNG III KẾT LUẬN  Những kết có Dựa phần mềm đa MATLAB MAPLE xây dựng chương trình tính tốn động học ngược, động lực học ngược điều khiển trượt Robot chuyển động dựa phép tốn Tìm mối liên hệ biến khớp vị trí toạ độ điểm cuối từ xây dựng quỹ đạo chuyển động thích hợp Xây dựng tốn điều khiển mơ quỹ đạo chuyển động khâu thao tác đáp ứng tín hiệu đặt mong muốn với cơng cụ SimulinkSimMechanics tích hợp Matlab  Định hướng phát triển tương lai Các kết có bước đệm cho tư thiết kế Robot ý tưởng nhóm tương lai cho sản phẩm Robot hàn hoàn thiện thực tế ngồi ứng dụng vào cơng việc hoạ với mong muốn cho Robot viết chữ hay vẽ tranh Nhóm Sinh viên thực 95 Tài liệu tham khảo [1] PGS.TS Phan Bùi Khơi, Bài giảng Tính tốn thiết kế robot, ĐH Bách khoa Hà nội [2] PGS.TS Phan Bùi Khôi, Bài giảng Robotics (2009), ĐH Bách khoa Hà nội [3] GS.TSKH Nguyễn Văn Khang, Cơ sở Robot công nghiệp [4] GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp [5] GS TSKH Nguyễn Văn Khang, Động lực học hệ nhiều vật [6] TS Nguyễn Quang Hoàng, Cơ sở mát lab Simulink [7] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tụ động [8] ThS Trương Quốc Bảo, Bài giảng Ngơn ngữ lập trình Maple, ĐH Cần Thơ [9] Hossein Sadegh Lafmejani, Hassan Zarabadipour, Modeling, Simulation and Position Control of 3DOF Articulated Manipulator (3, September 2014) Các website, forum trực tuyến www.mathworks.com, www.dientuvietnam.net, http://codientu.org [10] ... từ khoa học vĩ mô vi mô ngày đa dạng Trong khn khổ mơn học Tính tốn thiết kế Robot với đề tài tài thiết kế Robot hàn đường cong mặt phẳng với kích thước cho trước, nhóm tin tưởng với kết có từ... dung tính quan trọng hữu dụng tới sống Tính tốn thiết kế Robot hàn hồ quang 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. .. bảo tính linh hoạt Hình 2.4 Ưu điểm phương án thiết kế so với phương án khác Mơ hình 3D sơ Robot thiết kế sau Hình 2.5 Mơ hình 3D sơ Robot thiết kế sau 2.2 Bài toán động học 2.2.1 Tham số động học