Để các dây cáp không bị rối trong khi quấn dây thì nhóm thiết kế một bộ cuốn dây cáp như hình 3.13 trên đó có kèm theo một cảm biến loadcell dùng để đo lực căng của dây cáp khi đầu công
Bộ dẫn hướng gồm:
- Một thanh vít me đường kính 20 (mm), bước 5
- Hai thanh dẫn hướng đường kính 16(mm)
- Bộ gá đai ốc vít me, đai ốc thanh dẫn
- Loadcell (100kg) Bước vít me:
l ≥ =
Trong đó:
V: vận tốc lớn nhất khi chạy không tải (mm/ph) (v = 0.5 cm/s)
N: số vòng quay của động cơ (vg/ph)
L= tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài đai ốc, ổ bi
=660+70=730mm
Kiểu ổ bi là lắp chặt ở cả hai đầu -> f = 21,9
Chọn tốc độ quay cho động cơ khoảng 80% so với tốc độ quay giới hạn nên ta có: n=80%. Nmax = 80%. 4500 = 3600 vòng/ph. => Bán kính trục vít : dr = = 8.76 (mm) ≈ 10 (mm) n. 2 . 10−7 = f
Hình 3.13: Bộ dẫn hướng cáp thiết kế
Hình 3.14: Chi tiết gá đai ốc trên thiết kế 3.5.3. Bộ truyền đai răng
Thanh vít me có bước răng1 = 5 , bước trên trên tang cuốn cáp2 = 5 nên ta chọn tỉ số truyền k = 1.
Chiều rộng dây đai:
Trong đó:
m: modun
P: công suất trên bánh đai chủ động
N: số vòng quay trên bánh chủ động
Tra theo tiêu chuẩn bảng chiều rộng răng [2] ứng với m = 1.5 ta chọn chiều rộng đai b = 16 (mm)
Ứng với bề rộng răng b = 16 ta chọn được số răng cần thiết của pulley 30 < Z < 40 (răng) 1 A = 4 100 =1 4 x[L- (38 + 38) + √L − (38 + 38)2 − 8(38 + 38)2] L = 380 (mm)
L: Chiều dài đai
3.5.4. Thiết kế khung
Robot cable ứng dụng trong xây dưng cần có không gian hoạt động lớn để dễ dàng di chuyển đến vị trí mong muốn mà không bị vướng mắc với các vật thể khác trong quá trình điều khiển. Ròng rọc được bố trí ở trên cao ở bốn điểm ở bốn phía, 4 điểm này tạo thành 1 hình tứ giác. Để tạo nên không gian này, chúng ta cần thiết kế 4 trụ để đưa ròng rọc lên cao, đáp ứng yêu cầu trên.
Trong thiết kế này, robot dùng để in vữa bê tông có kích thước dao động từ 150- 200mm, để robot hoạt động trong không gian 3.5x5x2.8 (m) như hình 2.15.
Hình 3.16: Mô hình trên thiết kế
3.6. Phân tích ứng suất và biến dạng của cơ cấu
⃗⃗⃗⃗
⃗=1
Chiếu (1) lên trục y, ta có:
P= T1*cos(90 − ) + T2*cos(90 − ) + T3*cos(90 − ) + T4*cos(90 − ) ( , , , : góc giữa T và mặt phẳng xOz)
Vì phản lực P trên đầu công tác sẽ phân bố ra lực căng dây của bốn trụ. Để đảm bảo trụ bền ta tính phản lực tác dụng lên một trụ duy nhất.
P = T1*cos(90 − ) => T1 =
Vậy khi tiến về 0 thì cos(90 − ) sẽ tiến về 0 và T1 tiến tới ∞
Vậy lực căng dây lớn nhất là lực cắt đứt nhỏ nhất trên dây cáp là 2,8kN=2800N Thông số vật liệu làm trụ, tính toán ứng suất
Sử dụng thép ống vuông 90x90x1.2 mm Sử dụng thép hộp 100x60x1.2 mm
Hình 3.17: Chuyển vị của khung robot
3.7. Tính toán lựa chọn vít tải
Để trộn và đẩy vật liệu (vữa bê tông) xuống một cách đều đặn trong quá trình đầu công tác di chuyển với quỹ đạo được lập trình sẵn phù hợp với nhu cầu của người sử thì cần phải có một cơ cấu đẩy vật liệu từ bồn chứa xuống đầu phun ra. Trong đồ án này nhóm sử dụng trục vít tải để đẩy vật liệu ra do cơ cấu dễ tháo lắp và lực đẩy mạnh như hình 3.18.
Trong quá trình tìm hiểu và thiết kế nhóm nhận thấy cơ cấu vít tải khá thích hợp với nhu cầu được đặt ra ở trên
Một số ưu điểm của vít tải: Cấu tạo đơn giản, dễ gia công Giá thành không cao
Kích thước bao ngang nhỏ
Ít tổn thất vật liệu trong quá trình hoạt động An toàn trong làm việc và bảo dương Một số nhược điểm có thể chấp nhận được: Năng suất không được cao
Sự mài mòn mạnh của cánh vít tải với thành
Với yêu cầu đặt ra là năng suất làm việc của máy Q = 100kg/h
≈ 0.28.
3
√
Với các thông số: Q: Năng suất làm việc
K: Hệ số phụ thuộc vật liệu (vật liệu trung bình) n: số vòng quay của vít tải
∶ ℎệ ố ệ ℎ ò
∶ ℎệ ố ó ủ á ℎ í
Hình 3.18: Vít tải trên thiết kế
3.8. Thiết kế đầu công tác
Để đẩy ra vật liệu ra đều đặn theo thời gian thì phần đầu công tác phải được thiết kế một cách hợp lí, với tải trọng trung bình để làm căng tám sợi cáp khi di chuyển tránh trường hợp một trong tám sợi dây bị võng khi di chuyển như hình 3.19.
Với những yêu cầu trên nhóm đã thiết kế phần đầu công tác gồm một số chi tiết: Vít tải là chi tiết quan trong phần đầu công tác vì nó trực tiếp trộn và đẩy vật liệu xuống ra đầu in
Thùng chứa vật liệu phải có kích thước đủ lớn để chứa được lượng vật liệu với năng suất được đề ra trước đó
Khung đầu công tác liên kết với tám sợi cáp để điều khiển Động cơ DC
Đồ gá động cơ chống rung lắc cho động khi phần đầu công tác di chuyển
Hình 3.19: Bệ công tác trên thiết kế
Nhóm dùng vật liệu là sắt ống vuông 40x40 mạ kẽm, sơn chống rỉ, hàn thành khung kích thước 500x500.
Đầu nối cáp sử dụng móc Inox chống rỉ, có đường kính 30mm như hình 3.20.
Hình 3.20: Đầu nối cáp ở đầu công tác
3.9. Lựa chọn cáp thép và ròng rọc
3.9.1. Lựa chọn cáp
+ Đặc điểm
Với không gian làm việc với kích thước 4x3.5x2(m) quãng đường duy chuyển lớn nhất của của đầu công tác tính từ ròng rọc là: 7m
Tổng chiều dài dây cần thiết là: 14m. Chọn chiều dài dây là 20m. Cáp được cuộn vào tang đường kính 100mm.
Nâng vật, di chuyển vữa bê tông.
Chọn cáp thép inox chống rỉ, cáp mềm và có hệ số an toàn là 5.5 (do nâng vật).
+ Tính toán tiết diện cáp
Chúng ta có lực căng dây tối đa: F = 10m = 500 (N)
Ftt = Flt x 5,5 (hệ số an toàn)
= 500 x 5.5 = 2750 (N) = 2,75 (kN)
Suy ra chọn dây có đường kính 4 mm có lực kéo đứt nhỏ nhất là 6 KN làm bằng vật liệu thép chống rỉ gồm 6 bó mỗi bó 7 sợi và lõi bố. (6x7FC).
Hình 3.21: Cáp không gỉ đường kính D = 4mm
3.9.2. Chọn ròng rọc
Được tạo thành bởi một bánh xe được gia công có khe rãnh và một sợi dây cáp. Dây được lắp vừa vặn trên các rãnh của bánh xe. Một phần của sợi dây cáp được gắn liền với tải.
Ròng rọc cho phép di chuyển tải lên, xuống, hoặc nghiêng, sử dụng tốt trong việc di chuyển các đối tượng khó tiếp cận địa điểm, với việc bánh xe được gia công có khe rãnh giúp cho dây cáp không bị tuông ra khi di chuyển giúp công tác di chuyển những vật nặng dễ dàng hơn.
Với lực kéo của tải tác dụng lớn nhất lên ròng rọc là F = 1000N, chúng ta lựa chọn ròng rọc có sẵn trên thị trường như hình 3.22.
Hình 3.22: Ròng rọc định hướng dây.
3.10. Tính số bậc tự do cho kết cấu robot
Trong chuỗi động học kín của các robot song song hình thành các vòng (Loop). Người ta đã chứng minh được rằng mối quan hệ giữa số vòng độc lập L, số khâu N và số khớp J, số chuyển động trùng giữa hai khớp kề nhau và số bậc tự do Dof của robot như sau:
Dof(n j 1)f i f p
Với: là thông số động học của cơ cấu.
n là số khâu của cơ cấu.
j là số khớp của cơ cấu.
fi là số khớp có khả năng di chuyển được.
f p là số chuyển động trùng nhau giữa hai khớp liền nhau.
Qua phân tích và tính toán thì robot song song Cable ta có được các số liệu như sau:
- Không có chuyển động trùng nhau giữa hai khớp liền kề nên f p = 0. - C ó tổng cộng 10 khâu (8 khâu khâu tịnh tiến cho mỗi dây cáp, 1 khâu trên bệ công tác và 1 trên khung) nên n=10. - C ó tổng số 16 khớp (8 khớp cầu trên bệ công
tác là điểm mắc dây cáp lên, 8 khớp còn lại trên ròng rọc xoay) nên j=16.
- Có tổng số khớp có thể di chuyển được là 48 (mỗi khớp cầu trên bệ công tác có 3 khả năng chuyển động tổng có 8 khớp cầu x3, trên ròng rọc có thể chuyển động 2 trục
xoay và 1 tịnh tiến như vậy có 8 khớp x3 trên ròng rọc) nên
Dof = 6(10 - 16 - 1) + 48 = 6
fi =48.
Vậy ta có số bậc tự do của cơ cấu robot được chọn là 6 bậc tự do gồm 3 bậc tự do tịnh tiến và 3 bậc tự do xoay.
3.11. Động học robot
Sau khi đã tính toán được thông số động cơ cần thiết cũng như là thiết kế phần cơ khí cho phù hợp cấu hình đã đặt ra. Tiếp theo là tính toán động học cho robot song song Cable. Đối với bài toán động học robot, phân tích vị trí của đầu công tác là bài toán quan trọng nhất. Có 2 loại bài toán phân tích vị trí đó là bài toán thuận và bài toán nghịch. Bài toán thuận xác định vị trí và hướng của đầu công tác khi biết được chiều dài của các dây. Bài toán nghịch tính toán tìm ra chiều dài dây hợp lý khi biết được vị trí chuyển động của đầu công tác. Đối với robot cấu hình nối tiếp việc tìm ra bài toán thuận tương đối đơn giản nhưng việc tính toán bài toán nghịch thì lại khá phức tạp hơn. Ngược lại, đối với robot cấu hình song song nói chung và robot Cable nói riêng việc tìm ra bài toán nghịch lại đơn giản hơn nhưng bài toán thuận lại rất phức tạp. Trong đồ án này việc tính toán tìm ra bài toán thuận vẫn chưa giải quyết được cho nên nhóm chỉ trình bài về cách tính toán tìm ra bài toán nghịch nhằm giải quyết vấn đề điều khiển của robot.
3.11.1. Động học nghịch robot với mô hình tiêu chuẩn cápTrong mô hình chuẩn, người ta cho rằng các cáp là đường thẳng và lực căng dây luôn trong giới hạn cho phép. Hơn nữa, nó được giả định rằng cả hai vector⃗⃗⃗⃗⃗ Trong mô hình chuẩn, người ta cho rằng các cáp là đường thẳng và lực căng dây luôn trong giới hạn cho phép. Hơn nữa, nó được giả định rằng cả hai vector⃗⃗⃗⃗⃗
à ⃗⃗⃗⃗
không phụ thuộc vào tư thế của đầu công tác, ví dụ: ảnh hưởng của ròng rọc dẫn hướng
hoặc các yếu tố cố định trên nền tảng này có thể được bỏ qua. Áp dụng một vòng lặp vector, ta có phương trình vector sau:
Hình 3.23: Động học nghịch robot từ điểm A của trụ đến điểm B của đầu công tác
⃗⃗
=
Trong đó:
Vector ⃗⃗ biểu thị vector của cáp trong hệ tọa độ toàn cục O
R là ma trận góc xoay lần lượt theo phương x, y, z =
Vector⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ biểu thị tọa độ tam P của khung công tác trong hệ tọa độ toàn
cục O
Vectơ⃗⃗⃗⃗⃗ biểu thị các vị trí tương đối của các đỉnh của đầu công tác Bi trên
nền tảng khung công tác được đưa ra trong tọa độ tham chiếu Op của khung công tác.
Vectơ vị trí ⃗⃗⃗⃗ biểu thị các điểm gắn Ai vào khung ở tọa độ toàn cục O Từ công thức (2.9) ta có thể tính được độ dài các dây
cáp:
= √ ⃗⃗⃗2
3.11.2. Động học nghịch cáp với mô hình phi tiêu chuẩn cáp
Mô hình robot cáp tiêu chuẩn đã được thảo luận chi tiết ở chương trên. Áp dụng động học tương ứng để điều khiển khả năng hoạt động của robot. Tuy nhiên, những thao tác khác biệt của robot như điều khiển với khả năng đáp ứng nhanh, di chuyển đến những điểm ở ranh giới không gian hoạt động hoặc mô hình robot lớn làm sai lệch đáng kể so với mô hình động học tiêu chuẩn. Sự khác biệt bao gồm sai số về vị trí, không đủ độ cứng, độ rung và cáp chùng. Do đó nền tảng động học nghịch robot với mô hình tiêu chuẩn cáp không phù hợp trong thực tế điều khiển. Vì vậy chúng ta phải xem xét một vài điều kiện đã bỏ qua trong mô hình động học tiêu chuẩn.
Nội dung của chương này là một phần mở rộng của mô hình chuẩn để hợp lý hơn trong thực tế. Cụ thể trong chương này chúng ta chỉ tính toán phần thiết hụt cáp do ròng rọc và bỏ qua sự võng dây vì khối lượng đầu công tác lớn (khoảng 100kg) và đường kính dây không đáng kể (3mm) nên ta xem như dây là đường thẳng.
Trên thực tế, cáp có giới hạn độ cứng và uốn cong do đó cáp dc dẫn hướng trên các bề mặt cong thường được thực hiện bằng ròng rọc. Vì vậy biến đổi động học phải tìm cách đưa chiều dài dây dưới dạng cong của cáp tại các điểm neo.
Hình 3.24: (a) góc chắn cung tạo bởi dây cáp (b) góc tạo bởi ròng rọc và mặt phẳng Oxy
Trong mô hình cáp chuẩn, hạn chế đơn giản xuất phát từ giả định của 1 điểm cố định cho đến cuối cáp (điểm mắc trên đầu công tác). Trong mô hình ròng rọc, các điểm bị hạn chế trong mô hình chuẩn sẽ được giải quyết khi ta xem xét thêm biên dạng hình horn torus với bán kính lớn như hình 3.24 .
Các thông số và tọa độ khung dùng để xác định chính xác các chuyển động và hình học của một ròng rọc. Kết quả này thì giữ đúng đối với tất cả các chân trong robot. Các chuyển động của ròng rọc được nhận ra bởi 2 bậc tự do của điểm C ảo nơi cáp rời khỏi ròng rọc. Khớp quay đầu tiên thẳng hàng với trục z của khung. Khớp thứ 2 là của chính ròng rọc và nó ban đầu được thẳng hàng với trục y. Tâm của khớp quay thứ 2 là điểm M.
Sử dụng các kết quả từ phần mô hình robot căn bản, ta có thể lấy được các phương trình động học của chiều dài dây như sau: đầu tiên, ta phải tính toán vector đến điểm B đối với khung KA, nơi khưng KA sẽ là khung gốc và khung tham chiếu cho vector. Chúng ta có:
=( + − )
Hình 3.25: Động học nghịch robot từ điểm giao ròng rọc A đến điểm M của đầu công tác
Trong đó = [ ] là vector từ điểm A đến điểm B trong khung KA và là vector từ điểm B đến tâm điểm tham
chiếu trên đầu công tác. Sau đó, ta phải xem xét các mặt phẳng xác định bởi trục z của khung và điểm b mà được thể
hiện trong hình 3.25. Chiều dài cáp điều chỉnh có tính đến cáp quấn quanh ròng rọc, ta được:
l =+
trong đó là góc ở tâm bị chắn bởi dây cáp, là bán kính ròng rọc, và là chiều dài dây cáp từ điểm C đến điểm B. Xét 2 tam giác vuông như tình 3.9, ta có:
2
+
Với
hệ thống trụ phối hợp. Do đó chiều dài cáp được viết lại như sau
Với động học robot phát triển này, ta cần góc và có thể được xem xét như sau: xét tứ giác BCMN, ta thấy 2 góĉ và̂ là 2 góc vuông. Do đó, tổng 2 góc1 + 2ở điểm M bằng góc − 2 tại điểm B. Sử dụng công thức lượng giác, ta có:
= 1 + 2
Ta có thể giảm thời gian tính toán bằng cách sử dụng định lý arccos thay vào công thức (2.15) như sau:
=
= arctan
Góc quay thứ nhất của ròng rọc là góc hợp bởi truc là khung KA thì đơn giản được tính bằng công thức:
=
Do đó, ta nhận được kết quả chiều dài l từ việc kết hợp các phương trình trên:
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
4.1. Tổng quan các thiết bị điện của hệ thống
Cấu trúc của hệ thống điều khiển robot và các thiết bị phần cứng được chỉ ra như trong hình 4.1. Một máy tính chạy trên nền Windows được sử dụng như là bộ điều khiển chính. Các thiết bị khác như bộ thu phát Wi-fi, động cơ, PLC, Driver …
Sơ đồ tổng quát:
Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan các thiết bị của hệ thống
Bộ điều khiển robot song song cấu thành từ các bộ phận như máy tính bao gồm