Với robot sử dụng trong gia công cắt gọt, các sai số ở các phần tử cấu tạo nên robot sẽ làm cho quỹ đạo đầu dụng cụ cắt gọt di chuyển khơng đúng vị trí, hướng, tốc độ dịch chuyển dao... so mong muốn của lệnh điều khiển được tạo ra bởi các chương trình CAM, điều này sẽ dẫn đến bề mặt gia công bị sai lệch về kích thước, tăng độ nhám bề mặt, sai lệch về hình dạng, sai lệch quan hệ hình học (độ vng góc, độ phẳng, độ trụ...) so với dung sai cho phép, làm tăng phế phẩm, hiệu quả kinh tế kém.
Hình 1-10 mơ tả sử dụng robot có gắn dụng cụ gia công để phay bề mặt cánh tuabin thuỷ lực gồm có 1 - cánh tay robot, 2 - chi tiết gia công và 3 - là đồ gá mang chi tiết gia
Quỹ đạo công nghệ mong muốn Quỹ đạo thực tế của khâu thao tác
công. Ta mong muốn và đưa ra lệnh điều khiển robot để dẫn dụng cụ gia công phay sao cho ln vng góc với bề mặt gia cơng tại mỗi vị trí gia cơng, nhưng vì có sai lệch nên vị trí và hướng của dụng cụ gia cơng khơng cịn đúng như mong muốn. Điều này sẽ dẫn đến năng suất gia công, chất lượng bề mặt gia công cũng không được tốt và làm cho dụng cụ cắt gọt nhanh bị mịn, hỏng.
Hình 1-10: Sai số trong robot gây sai lệch vị trí và hướng của dụng cụ cắt gọt trong robot gia công.
Tương tự, đối với các robot lắp ráp, đặc biệt là lắp ráp linh kiện điện tử, các robot tháo và cấp hàng, robot đóng hộp... các sai số tồn tại trong các phần tử cấu tạo robot gây ra sự sai lệch vị trí và hướng của dụng cụ thao tác, làm cho năng suất và chất lượng của các quá trình này giảm, kém hiệu quả thẩm trí có thể làm hư hỏng đối tượng cơng nghệ. Ví dụ như khi sử dụng robot lắp ráp để gắn chíp vào bản mạch, nếu vị trí và hướng của khâu thao tác trên dụng cụ thao tác bị sai lệch do các sai số gây ra, nên các chân của chip không đúng với vị trí các lỗ chân trên bản mạch làm cho các chân của chíp hoặc bản mạch bị hỏng, gây phế phẩm. Hoặc khi ta sử dụng robot để cấp phôi và gắp chi tiết sau khi gia công trên các máy CNC trong dây chuyền sản xuất tự động, mặc dù cơ cấu tay kẹp gắn trên cánh tay robot được thiết kế có tính chất tự lựa ở các má kẹp để kẹp phôi được chắc chắn, tuy nhiên do trong quá trình chế tạo robot lúc đầu có nhiều sai số lớn hoặc sau một thời gian làm việc, các khâu, khớp bị mòn nhiều mà robot chưa được hiệu chuẩn (calibration) dẫn đến sai lệch vị trí và hướng của bàn tay kẹp, làm cho việc kẹp phôi hoặc chi tiết sau khi gia cơng khơng được chắc chắn nên có thể làm rơi phôi hoặc chi tiết, gây hư hỏng sản phẩm...).
Do sai số ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của một robot công nghiệp nên các nghiên cứu về lĩnh vực sai số và độ chính xác của robot đã được nhiều tác giả quan tâm và đã có nhiều cơng trình đã được cơng bố. Dưới đây tác giả trình bày một số cơng trình cơng bố mà tác giả thu thập được.
1.4 Một số nghiên cứu về sai số và độ chính xác của robot
Như ở trên đã trình bày, độ chính xác là mức độ sai lệch giữa quỹ đạo công nghệ mong muốn và quỹ đạo thực tế của khâu thao tác mà robot đạt được. Sự sai lệch này là nguyên nhân gây ra bởi sự sai khác giữa tham số hình học của robot đã được chế tạo so với mơ hình tốn được dùng trong trong bộ điều khiển của nó. Việc nghiên cứu, tìm hiểu về các nguyên nhân gây sai số ảnh hướng đến đặc tính làm việc của robot là hết sức quan trọng và cần thiết để tạo cơ sở cho việc khảo sát sự ảnh hưởng của các sai số đến đặc tính làm việc
Sai lệch hướng
Sai lệch vị trí 1
2
của robot trong quá trình thiết kế robot cũng như trong quá trình hiệu chuẩn lại robot, nhằm đánh giá, bù sai số để làm cho đặc tính làm việc của robot được nâng lên. Có nhiều cơng trình nghiên cứu đã đưa ra phương pháp khác nhau để xác định giá trị sai số của các tham số hình học, phi hình học nhằm xác định giá trị thực các tham số động học và cấp nhật vào các chương trình tính tốn và điều khiển để điều khiển robot đạt độ chính xác cao hơn.
Các nghiên cứu về robot tập trung chủ yếu về kết cấu, động học, động lực học, điều khiển, thiết kế quỹ đạo, cảm biến và xử lý tín hiệu, tích hợp và ứng dụng robot trong các lĩnh vực khác nhau và các nghiên cứu về sai số, độ chính xác và hiệu chuẩn robot. Đã có nhiều kết quả cơng bố quốc tế nghiên cứu về sai số, về độ chính xác của robot, tuy nhiên có những bí quyết riêng nên không được công bố bởi bản quyền của các hãng cũng như của những chương trình nghiên cứu. Qua nghiên cứu các tài liệu đã được công bố mà tác giả thu thập được, dưới đây trình bày gộp lại một số cơng trình nghiên cứu trên thế giới liên quan tới độ chính xác, sai số, cách nâng cao độ chính xác của robot trong những năm gầy đây mà tác giả được biết như sau:
- Trong các cơng trình nghiên cứu đã cơng bố [10, 13-17, 19, 21, 28], các tác giả trình bày kết quả nghiên cứu về độ chính xác robot và đề xuất phương pháp hiệu chuẩn sai số động học cho robot. Các nghiên cứu dựa trên 4 tham số động học D-H với lập luận rằng vị trí và hướng của khâu thao tác của robot là hàm số phụ thuộc và các tham số D-H của mỗi khớp, khi các tham số động học này có sự sai lệch do chế tạo và lắp ráp sẽ làm cho vị trí và hướng của robot bị sai lệch so với vị trí mong muốn. Các tác giả đều thiết lập mơ hình sai số cho từng khớp và cho cả robot, dựa trên mơ hình cấu trúc động học, theo phương pháp lấy vi phân ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H với giả thiết rằng các tham số D-H là độc lập, khả vi và vi phân của các tham số D-H là giá trị sai số tương ứng của chúng, các sai số này sẽ gây ra dịch chuyển vi phân tịnh tiến theo ba trục và quay quanh ba trục tọa độ Đề các của khâu thao tác. Tuy nhiên, khi thiết lập mơ hình hóa sai số biểu diễn mối quan hệ giữa sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác với các sai số của khâu, khớp đã bỏ đi thứ hạng sai số bậc cao (từ bậc hai trở đi).
- Trong một vài nghiên cứu khác: [27, 28], các tác giả đã đưa ra mơ hình sai số của các khớp quay và khớp trượt mà hai trục song song hoặc gần song song có thêm vào bốn tham số động học D-H một tham số thứ 5 đó là góc quay β quanh trục y vì cho rằng khi hai trục liền kề nhau song song hoặc gần song song có một sai lệch nhỏ sẽ làm cho vị trí đường vng góc chung sẽ thay đổi nhiều, do đó khoảng cách d trong bộ tham số D-H đo dọc trục khớp giữa hai đường vuông góc chung của hai khớp kế tiếp nhau sẽ bị thay đổi. Nếu hai trục là khơng song song, góc xoắn β được gán là 0, nếu hai trục là song song, khoảng cách d được gán là 0.
- Nghiên cứu của Hongliang Cui và Zhenqi Zhu [23], thuộc Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Viện cơng nghệ Stevens, Hoboken, NJ, Mỹ, năm 2006, mơ hình sai số được thiết lập bằng cách sử dụng phương pháp D-H để thiết lập phương trình động học biểu diễn vị trí và hướng của khâu thao tác rồi lấy vi phân các phương trình động học với tất cả các tham số hình học của robot rồi từ đó rút ra hàm phụ thuộc vi phân dịch chuyển vị trí và hướng của khâu thao tác với các thành phần vi phân các tham số hình học – chính là giá trị sai số của các tham số đó. Nghiên cứu này đưa ra mơ hình sai số để phân tích sai số cho một robot công nghiệp cấu trúc "TAU".
- Cũng sử dụng phương pháp lấy vi phân các tham số hình học từ phương trình động học, trong [30], Kathleen English và nhóm tác giả thuộc khoa Kỹ thuật cơ khí và hàng khơng, Đại học Carleton, Canada và Viện nghiên cứu về tự động hóa, Leoben,
Austria đã đưa ra mơ hình sai số cho một robot 6 bậc tự do. Mơ hình sai số này chỉ biểu diễn mối quan hệ sai lệch về vị trí với các sai số, chưa biểu diễn sai lệch về hướng với các sai số.
- Trong các nghiên cứu [8], [31] các tác giả không sử dụng phương pháp D-H mà sử dụng phương pháp tọa độ suy rộng để thiết lập ma trận truyền biểu diễn vị trí và hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định. Mơ hình sai số được thiết lập bằng cách nhân thêm vào chuỗi ma trận truyền biểu diễn vị trí và hướng của khâu thao tác các ma trận biến đổi thuần nhất của 6 sai số (ba tịnh tiến theo ba trục và 3 quay quanh ba trục). Từ đó sẽ thiết lập ra mối quan hệ giữa sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác phụ thuộc vào các sai số trong từng khâu, khớp.
- Nhiều nghiên cứu công bố cũng chỉ ra rằng ảnh hưởng của sai số hình học, động học lớn hơn nhiều so với sai số phi hình học: khoảng hơn 95% [19, 20]. Các nguồn sai số về cơ bản là sự thay đổi kích thước và hình dạng hình học của các chi tiết máy và vì thế mà được xem như là sai số hình học, động học có tính hệ thống. 75% sai số ban đầu của một máy mới là do chế tạo và lắp ráp, sai số hình học, động học của các chi tiết máy trực tiếp ảnh hưởng đến vi trí đầu dụng cụ thao tác bởi các sai số hình dạng và kích thước của các khâu, khớp. Các sai số chủ yếu đến từ sai lệch trong q trình chế tạo và lắp ráp, khơng đồng tâm của các trục máy, sai số vị trí và độ thẳng của mỗi trục, sai số động phẳng, sai số chiều dài khâu, sai số góc bao gồm các góc roll, pitch, yaw, sai số độ vng góc, sai số độ song song... các sai số tăng lên do độ mòn, biến dạng đài hồi, tải trọng, độ mềm của nền móng [30]. Trong hai nhóm sai số trên, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng nhóm nguyên nhân sai số hình học là chủ yếu. Trong [20], Chunhe Gong và các tác giả cũng cho thấy rằng sau khi hiệu chuẩn sai số hình học thì sai lệch vị trí khâu thao tác giảm từ 1,059 mm thành 0,126 mm và sau khi hiệu chuẩn cả các yếu tố sai số phi hình học (sai số độ mềm của khớp và giãn nở nhiệt) thì sai lệch vị trí khâu thao tác giảm xuống cịn 0,11 mm, có nghĩa là khoảng 95% là do ảnh hưởng của các yếu tố sai số hình học, động học trên tổng sai số, ảnh hưởng của các yếu tố phi hình học là rất ít.
1.5 Hướng nghiên cứu của đề tài
Qua tìm hiểu một số cơng trình nghiên cứu đã được công bố trước đây mà tác giả thu thập được về vấn đề sai số trong robot tác giả thấy rằng:
- Về nguyên nhân gây sai số là do sự sai khác giữa tham số thực của robot được chế tạo so với tham số trong mơ hình tốn của chính nó.
- Về dạng sai số ảnh hưởng tới độ chính xác của robot: các nghiên cứu chỉ ra rằng các yếu tố sai số chia thành hai nhóm:
Sai số của các tham số hình học, động học (một số tài liệu gọi chung là sai số hình học): độ dài của khâu, góc xoắn khâu, hướng của trục khớp.
Sai số của các yếu tố phi hình học: sai số trong bộ truyền bánh răng do bước răng hoặc profile của răng bị sai khi gia công, độ mềm của khớp, độ lệch tâm khớp, độ đảo của các ổ bi, khe hở bánh răng, biến dạng đàn hồi do tải trọng, giãn nở nhiệt là các nguyên nhân gây sai số phi hình học trong robot.
Trong đó, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng sai lệch vị trí và hướng do sai số hình học gây ra lớn hơn rất nhiều so với sai số phi hình học.
- Về phương pháp xây dựng mơ hình sai số: nhìn chung các cơng trình nghiên cứu sử dụng phương pháp phổ biến gồm hai phương pháp.
Phương pháp thứ nhất là dựa trên mơ hình cấu trúc động học, lấy vi phân trực tiếp từ ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất thực tế (khi có tính đến sai số) sẽ là tổng của ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất khi khơng có sai số và vi phân ma trận đó, sau đó sử dụng phương pháp ma trận truyền và các phép biến đổi toán học để xây dựng mơ hình sai số cho robot. Nếu sử dụng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H chỉ biểu diễn được 4 hoặc 5 khả năng chuyển động của khớp này so với khớp liền kề với nó, nếu sử dụng phương pháp tọa độ suy rộng biểu diễn cả 6 khả năng chuyển động của 2 khớp liên tiếp nhau. Phương pháp này là khá phổ biến do đơn giản nhưng lại bỏ qua thành phần sai số từ bậc 2 trở đi khi khai triển ma trận truyền.
Còn với phương pháp thứ hai, mơ hình sai số được thiết lập bằng cách lấy vi phân trực tiếp từ phương trình động học robot dựa trên khái niện chuyển động vi phân. Phương pháp cho phép biểu diễn được tất cả sai số hình học, động học của các khâu, khớp robot. Tuy nhiên trong các nghiên cứu đã được công bố mà tác giả thu thập được thì mơ hình sai số được xây dựng chỉ dừng lại ở mối quan hệ giữa sai số với sai lệch vị trí, chưa biểu diễn mối quan hệ sai lệch về hướng.
Để cho thuận tiện và nhất quán khi trình bày, tác giả gọi tên phương pháp thứ nhất là phương pháp vi phân ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất. Còn phương pháp thứ hai là phương pháp vi phân phương trình động học khi xây dựng mơ hình sai số cho robot.
- Về phương pháp xác định giá trị sai số của các khâu, khớp để đưa ra mơ hình động học chính xác nhất cho một robot đã được chế tạo cụ thể để nâng cao độ chính xác cho robot đó, các tác giả đều đưa ra các cách giải khác nhau nhưng chủ yếu là phương pháp giải tích và phương pháp số; cịn phương pháp hiện đại như Mạng nơ ron, giải thuật di truyền chưa có nhiều nghiên cứu cơng bố, nhất là các nghiên cứu ở trong nước.
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu đã được cơng bố như tác giả trình bày ở trên. Tuy nhiên, chưa có cơng trình nào trong nước được cơng bố đầy đủ, chi tiết và rõ ràng kết quả xây dựng mơ hình sai số robot công nghiệp; khảo sát sự ảnh hưởng của sai số của các khâu, khớp trung gian đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác và các đưa ra giải thuật, chương trình, giải thuật và cơng cụ hiện đại để tìm giá trị sai số của các khâu, khớp trung gian khi xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
Trên cơ sở tìm hiểu và phân tích các cơng trình đã được cơng bố, tác giả đề xuất các nội dung nghiên cứu của luận án như sau:
- Xây dựng và giải được bài toán động học robot. Kết quả bài toán động học sẽ cho ta mơ hình tốn của robot, làm cơ sở để thiết lập mơ hình sai số.