III. NGHIấN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT RE THEO KIỂU PCMM CƠ CẤU CHUỖI.
3.2. Thiết kế robot RE-
3.2..1. Phõn tớch kết cấu
Trong cỏc phần trờn ta đó nghiờn cứu một phương ỏn kết cấu của robot RE-01, chỳng đó thể hiện được cỏc ưu điểm với yờu cầu kỹ thuật về sự linh họat, mềm dẻo của một thiết bị đo. Tuy nhiờn với sơ đồ kết cấu của phương ỏn 1 vẫn cũn tồn tại những hạn chế kỹ thuật cần được nghiờn cứu cải tiến. Ở đõy ta tỡm hiểu một giải phỏp khỏc về kết cấu nhằm khắc phục
pantograph cú thể đạt được những yờu cầu đặt ra. Đõy là một kết cấu thể hiện nhiều ưu điểm và đó được lựa chọn cho rất nhiều cỏc kết cấu tay mỏy. Chớnh vỡ vậy ta sẽ chọn phương ỏn kết cấu thứ hai này cho Robot RE-02
3.2.2. Thiết kế cơ cấu dạng pantograph
Trong những cơ cấu robot cụng nghiệp, cơ cấu tay mỏy, người mỏy tựy theo quan hệ kớch thước hỡnh học giữa cỏc khõu và giỏ trị tọa độ suy rộng qimin, qimax cuả cỏc khớp động mà khụng gian hoạt động của chỳng chiếm những vựng nhỏ khỏc nhau. Bờn cạnh những yếu tố về kết cấu hỡnh động học chỳng ta cần xột đến nhiều yếu tố khỏc nữa như động lực học, cõn bằng và ổn định của cơ cấu. Qua phõn tớch và nghiờn cứu cỏc cơ cấu tay mỏy phỏng sinh của nhiều hóng khỏc nhau trờn thế giới ta thấy được tớnh ưu viết nổi bật của cơ cấu bỡnh hành pantograph khi dựng làm cơ cấu tay mỏy phỏng sinh. Vỡ vậy loại cơ cấu này ngày càng được dựng rộng rói trong cỏc loại tay mỏy khỏc nhau.
Với những ưu điểm được khẳng định qua sự lựa chọn của rất nhiều cơ cấu tay mỏy trờn thế giới, nờn ở đõy ta đi sõu vào nghiờn cứu cơ cấu bỡnh hành pantogrph này nhằm tỡm ra được một kết cấu phự hợp và tối ưu cho nhiệm vụ thiết kế RE-02
Cơ cấu tay mỏy dựng patograph thể hiện nhiều ưu điểm như:
- Nguồn động lực được bố trớ gắn với thõn nhưng vẫn đảm bảo chuyển động độc lập của cỏc khõu chấp hành
- Đảm bảo đơn giản về kết cấu, linh họat và nhỏ gọn về kớch thước - Dễ dàng giữ cõn bằng ở cỏc vị trớ khỏc nhau và tiờu hao ớt năng lượng - Cỏc khõu đều chuyển động trong cựng mặt phẳng nờn cỏc bài toỏn độc
Qua phõn tớch về cấu tạo và động học ta nhận thấy với kết cấu như hỡnh 3.4 thỡ ngoài những ưu điểm chung kể trờn nú cũn cú thờm một tớnh chất nữa là dễ điều khiển. Tớnh chất này xuất phỏt từ đặc điểm là bài toỏn động học ngược ở đõy là bài toỏn phẳng và cú thể điều khiển chuyển dịch của bàn kẹp theo cỏc trục tọa độ bằng một hệ trục tọa độ suy rộng của khớp động. Vị trớ và hướng di chuyển của bàn kẹp là sự kết hợp chuyển động tịnh tiến đơn giản của hai con trượt. Miền làm việc của kết cấu này khỏ rộng và phụ thuộc vào khoảng dịch chuyển của hai con trượt cũng như hệ số khuyếch đại của sơđồ mà ta sẽ xột cụ thể trong cỏc phần tiếp theo.
3.2.3. Tớnh toỏn cơ cấu tay mỏy pantograph
1. Lựa chọn sơđồ
Với những phõn tớch về kết cấu tay mỏy pantograph ở trờn ta đi đến quyết định lựa chọn một mụ hỡnh kết cấu cho robot RE-02 theo sơ đồ như hỡnh 3.3.8
Hỡnh 3.3.8
Với mụ hỡnh kết cấu của robot RE như trờn ta cú thể xem như bao gồm 3 bộ phận chớnh đú là: thõn đế, cỏc cỏnh tay và đầu đo.
- Phõn thõn đế
Đõy là bộ phận đỡ của cơ cấu và làm chuẩn khi robot hoạt động do vậy nú cần phải chớnh xỏc đồng thời làm đối trọng của phần cỏnh tay. Trong phần thõn này cú một khớp quay quanh trục thẳng đứng vuụng gúc với mặt đế. Để ghi lại chuyển động quay này trục của khớp sẽ được gắn với một encoder đo gúc. Vựng làm việc của robot RE sẽ là phần trụ do miền làm việc hỡnh chữ nhật trong mặt phẳng yz vạch nờn khi quay quanh khớp quay của thõn.
Phần thõn robot được liờn kết với phần cỏnh tay bởi 2 khớp trượt E, C. Khớp E cú phương trượt nằm ngang dọc trục y và cú quan hệ với
. . m z ϕ E S. 1 eB z0 G 4 2 S C y 0 y 0 x G3 G2 d R G1 ψ D A b P M V Q
phương chuyển động ngang của điểm M theo một quan hệ của kớch thước cơ cấu. Tương tự khớp C cú một phương trượt thẳng đứng dọc trục z và quyết định đến chuyển động của điểm M theo phương z. Trong robot RE để xỏc định khoảng trượt của cỏc con trượt E và C ta dựng một bộ truyền bỏnh răng - thanh răng. Cỏc con trượt gắn liền với cỏc thanh răng. Khi thanh răng di chuyển sẽ làm quay bỏnh răng và quan hệ giữa hai chuyển động đú sẽ được tớnh qua bỏn kinh vũng lăn r1 của bỏnh răng. Giả sử gọi khoảng trượt của thanh răng là S ứng với gúc quay của bỏnh răng là ϕ(rad) thỡ khi đú ta cú quan hệ: S = rL. ϕ. Trong cụng thức này rL là hoàn toàn xỏc định qua kớch thước bộ truyền, do vậy S sẽ phụ thuộc vào ϕ, S = S(ϕ). Để xỏc định S ta phải xỏc định được gúc quay của bỏnh răng ϕ bằng cỏch gắn vào trục quay của bỏnh răng đú một encoder đo gúc.
- Bộ phõn cỏnh tay với cấu trỳc pantogarph
Trong phần này tõm điểm là cấu trỳc hỡnh bỡnh hành ABCD cú cỏc khớp quay tại cỏc gúc A, B, C, D. Ba điểm E, C, M thẳng hàng. Với những quan hệ hỡnh học nhất định của cơ cấu mà ta sẽ xột cụ thể trong phần sau thỡ khi cơ cấu hoạt động cỏc điểm đo vẫn luụn thẳng hàng. Bờn cạnh đú tựy thuộc vào tỷ lệ hỡnh học của hỡnh bỡnh hành ta sẽ xỏc định được vị trớ của điểm M khi biết vị trớ của cỏc con trượt E, C.
- Phần đầu đo
Đõy là bộ phận cuối cựng, nú chứa điểm tỏc động cuối là đầu đo của robot. Khõu này được nối với phần cỏnh tay bởi một khớp quay cú gắn encoder ghi lại chuyển động quay của đầu đo.
Miền làm việc của robot là khoảng khụng gian mà điểm tỏc động cuối của tay mỏy cú thể thao tỏc được. Đối với robot RE-02 thỡ điểm tỏc động cuối chớnh là đầu dũ T. Như vậy miền làm việc của robot sẽ phụ thuộc vào độ linh họat cũng như kết cấu hợp lý của nú. Độ hỡnh hoạt ở đõy phụ thuộc vào số bậc tự do của cơ cấu robot, khi số bậc tự do càng lớn đồng nghĩa với sự linh hoạt càng cao nhưng đồng thời cũng kộo theo số khõu động tăng lờn, làm tăng độ phức tạp về kết cấu và chế tạo.
Với robot RE-02 đó cú sơ đồ lược ta sẽ tỡm và lựa chọn miền làm việc của nú.
- Trước tiờn ta xột miền làm việc của cơ cấu pantograph.
Như ta đó biết ở phần trờn, cơ cấu pantograph cú hệ số khuyếch đại theo chiều y và z trong mặt phẳng làm việc yz của nú là Ky và Kz. Nếu khoảng di trượt của hai con trượt E, C theo trục y và z là hai cạnh của một hỡnh chữ nhật cú độ dài Sy và Sz thỡ ta dễ dàng nhận thấy miền làm việc của cơ cấu là một miền hỡnh chữ nhật PQVR cú độ dài PQ = Ky. Sy và QV = Kz.Sz (hỡnh 3.3.9). Cũn nếu vỡ một lớ do nào đú giả sử như bị khống chế bởi kết cấu mà khoảng trượt của E và C khụng đi hết chiều dài cỏc cạnh hỡnh chữ nhật thỡ khi đú miền làm việc của cơ cấu sẽ là một miền chữ nhật bị khuyết gúc (hỡnh 3.3.10). Thật vậy:
Gọi vị trớ biờn của con trượt C là C0 và C1 ứng với vị trớ thấp nhất và cao nhất của con trượt C. Vị trớ biờn của con trượt E là E0 và E1 ứng với vị trớ cận phải và cận trỏi của con trượt E. Như vậy hành trỡnh của hai con trượt C và E sẽ là C0C1 = Sz và E0E1 = Sy.
- Khi E0 = C0 và BC + BE ≥C1E1 thỡ ta sẽ cú C0C1 và E0E1 là hai cạnh của một hỡnh chữ nhật. Ta chứng minh trong trường hợp này miền làm việc của
cơ cấu pantograph là hỡnh chữ nhật PQVR cú độ dài PQ = Ky.Sy và QV = Kz. Sz (hỡnh 3.5)
Xột vị trớ ban đầu của cỏc con trượt tại vị trớ biờn E0, C0. Khi đú ta dễ dàng nhận thấy điểm M cũng trựng với cỏc điểm E0, C0 và đú cũng chớnh là vị trớ biờn đầu tiờn R của miền làmviệc. Cố định con trượt C ở vị trớ C0, cho con trượt E di chuyển từ E0 đến E1 làm cho điểm tỏc động cuối M di chuyển từ R đến V dọc theo trục y (RV ≡ Oy và RV = Ky . Sy). Tiếp theo, cố định con trượt E ở vị trớ E1 và cho con trượt C di chuyển từ vị trớ C0 đến C1 khi đú điểm M sẽ di chuyển từ V đến Q (VQ // Oz và VQ = Kz.Sz). Cố định con trượt C ở vị trớ C1 đến C0, khi đú điểm M sẽ di chuyển từ P đến R (PR ≡ Oz và PR = Kz.Sz). Như vậy kết thỳc một chu kỡ di chuyển độc lập của cỏc con trượt E và C ta thu được giới hạn biờn miền làm việc PQVR của cơ cấu pantograph. Phối hợp chuyển động của cả hai con trượt thỡ điểm M sẽ quột hết toàn bộ miền làm việc PQVR. Khi chu kỳ của cỏc con trượt khộp kớn và gặp nhau tại một điểm chung E0≡ C0 thỡ ta thu được miền làm việc là miền chữ nhật PQVR. Sy y z V Q E0,C0 E1 C1 R P A D B Sz
- Khi E0 ≠ C0 và BC + BE ≥ C1E1 thỡ ta sẽ cú tam giỏc OC0E0 vuụng tại O. Chứng minh tương tự phần trờn ta cũng cú miền làm việc của cơ cấu pantograph là hỡnh chữ nhật PQVR cú độ dài PQ = Ky. Sy và QV = KzSz
(hỡnh 3.6). Tuy nhiờn điểm R bõy giờ khụng cũn trựng với gốc O nữa mà nú cú toạ độ yR = │O.E0│.Ky, zR│O.C0 │.Kz
Hỡnh 3.3.11
Trong thực tế ta cũn thường gặp trường hợp khụng những E0 ≠C0 mà cũn xảy ra tỡnh huống giới hạn về cấu trỳc hỡnh học của cơ cấu như BC + BE ≤C1E1. Điều này làm cho hai con trượt khụng thể đồng thời cựng đạt đến được vị trớ biờn xa nhất E1 và C1, nghĩa là điểm tỏc động cuối M khụng thể với tới gúc xa nhất Q của hỡnh chữ nhật như trong cỏc trường hợp trờn. Phần gúc của miền làm việc bị khuyết đi sẽ cú dạng một hỡnh tam giỏc vuụng với cạnh huyền cong lừm. Độ dài của hai cạnh gúc vuụng cú độ lớn là tớch của hệ số khuyếch đại với khoảng di chuyển của hai con trượt C và E từ C1đến C2 và từ E2 đến E1 khi cơ cấu duỗi thẳng hoàn toàn (hỡnh 3.3.11). C2 là vị trớ của con trượt C khi cơ cấu duỗi thẳng và con trượt E ở vị trớ E1,
Sy E CC1 R C0 O E1 E0 Sz A B D M z y V P Q
tương tự E2 là vị trớ của con trượt E khi cơ cấu duỗi thẳng và con trượt C ở vị trớ C1
|QQ1| = KY.|E1E2| |QQ2| = KZ.|C1C2| |QQ2| = KZ.|C1C2|
Đây là tr−ờng hợp gặp phải của robot RE bởi vì các thanh tr−ợt cùng nằm trên một mặt phẳng nên nó sẽ bị giới hạn về khoảng tr−ợt, do vậy miền làm việc cũng có dạng nh− hình 3.3.11
Hình 3.3.12
Trong robot RE phần cánh tay có kết cấu pantograph còn đ−ợc liên kết với phần thân đế bằng hai khớp tr−ợt E, C và phần đầu đo tại điểm M bằng một khớp quay với trục quay song song với các trục quay của cơ cấu pantograph. Do vậy miền làm việc xét trong mặt phẳng yz của robot RE (P’Q’V’R’) sẽ là miền làm việc của cơ cấu pantograph (PQVR) nh−ng đ−ợc mở rộng thêm ra một khoảng bằng với chiều dài của đầu đo theo ph−ơng pháp tuyến (hình 3.3.12) C 1 z y C R V Q P Q 1 Q 2 M E C 0 O C 2 E 0 E 2 E 1
Hình 3.3.12
P’Q’V’R’ là miền làm việc của robot RE xét trong mặt phẳng yz chứa cơ cấu pantograph. Bên cạnh đó mặt phẳng này lại đ−ợc quay quanh một khớp bản lề của thân robot có đ−ờng trục Oz0 thẳng đứng. Do vậy miền làm
việc của robot RE sẽ là miền mặt Hỡnh 3.3.13
trụ rỗng do mặt P’Q’V’R’ quét nên khi quay quanh Oz0 (Hình 3.3.13). Để thiết kế robot RE ta lựa chọn sơ bộ miền làm việc của nó nh− sau: (hình 3.3.14) P’Q’ = 700 (mm); P’R’ = 1250 (mm) R’V’ = 1200 (mm); V’F’ = 500 (mm) R’G’ = 1300 (mm); R’H’ = 1400 (mm) O Z P Q V R Sz E Sy C T z M y P' Q'1 R' R V Q1 P n n
nn ph−ơng pháp tuyến đ−ờng biên
V'Q2 Q'2