Trong Chương 3 đã xây dựng được mối quan hệ giữa sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác và các sai số của tất cả tham số hình học và động học của khâu, khớp robot.
Việc tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố sai số hình học và động học đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác của robot là cần thiết và có ý nghĩa. Thông qua đó ta có thể dự đoán trước được rằng với mỗi bộ giá trị sai số của các tham số hình học đã được xác định tương ứng với dung sai khi chế tạo các khâu, khớp ta sẽ xác định được mức độ sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác, nhờ vậy ta có thể dự đoán được độ chính xác của robot. Từ đó, ngay trong quá trình thiết kế các khâu, khớp của robot, việc lựa chọn dung sai chế tạo, cấp chính xác của chúng sao cho vừa có lợi về mặt kinh tế (vì có thể phân bổ dung sai, cấp chính xác chế tạo một cách hài hòa giữa các khâu, khớp để hạ giá thành khi chế tạo chúng) mà vẫn bảo bảo yêu cầu kỹ thuật. Để làm rõ hơn vấn đề này, trong Chương này sẽ lựa chọn mô hình robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở cụ thể ứng dụng hàn điểm trên hệ thống hàn thân xe ô tô và mô hình robot hàn hồ quang ứng dụng trong hàn hai ống dẫn khí giao nhau, giả thiết đã xác định được giá trị sai số hình học, động học, ta sẽ xác định được giá trị sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác. Kết quả tính toán được minh họa bằng đồ thị và mô phỏng động.
4.1 Giải thuật và chương trình tính toán sai lệch vị trí và hướng
Sử dụng ngôn ngữ MAPLE 14 để xây dựng chương trình tự động tính các ma trận truyền D-H, tự động thiết lập hệ phương trình động học, tính toán sai lệch vị trí và hướng của đầu súng hàn.
Chương trình được viết để đọc file dữ liệu, các hàm và thủ tục lần lượt được gọi tới khi thực hiện chương trình. DT_ER.txt - khai báo dữ liệu cấu trúc và dữ liệu sai số của các tham số hình học của robot, EQT.txt - tự động thiết lập phương trình động học, START.txt - xác định trạng thái ban đầu, RUN_FW.txt - tính toán sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác và các thư viện, chương trình con khác. Các chương trình được lưu dạng file hoặc được biên dịch thành thư viện. Và MAIN_ERR.mv - chương trình chính được lập trong MAPLE 14 để thiết lập, gọi các thư viện, các chương trình con. Kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của sai số được lưu dưới dạng số và đồ thị.
Lưu đồ giải thuật tính toán sai lệch vị trí và hướng của robot như hình sau:
Hình 4-1: Lưu đồ giải thuật tính sai lệch vị trí và hướng của robot Nhập dữ liệu (cấu trúc, sai
số, quỹ đạo khảo sát)
Thiết lập PTĐH: f(p)=g(q,s)
Xác định trạng thái ban đầu, giải PTĐH khi không có sai số theo
quỹ đạo khảo sát
Tính toán sai lệch:
1 1
Tq Ts
p
p Rq p Rs
J J
dr dq
J J J J
dp ds
Xuất kết quả tính toán (số, đồ thị, mô phỏng động)
Bắt đầu
Kết thúc Có muốn khảo sát
nữa không Có
Không
4.2 Khảo sát sai số trong robot hàn điểm
4.2.1 Thiết lập mô hình khảo sát
Chọn mô hình khảo sát là một robot hàn điểm có cấu trúc nối tiếp chuỗi hở gồm 6 khớp quay trên dây truyền hàn thân xe ô tô. Sơ đồ mô tả cơ hệ robot và đối tượng hàn được như hình sau:
Hình 4-2: Mô hình robot hàn thân xe và quỹ đạo các điểm hàn
Như kết quả ở Chương 3, ta có phương trình biểu diễn mối quan hệ sai lệch vị trí và hướng với tất cả các sai số của các tham số hình học, động học như sau:
1 1
Tq Ts
p M
p Rq p Rs
J J
dr dq
de Jde
J J J J
dp ds
(3.55)
Với mô hình robot chọn khảo sát, ta có:
1 2 ... 6T
q q q q (4.1)
1 2 ... 18 T 1 1 1 ... 6 6 6T
s s s s d a d a (4.2)
4.2.2 Kết quả khảo sát
Tiến hành khảo sát ảnh hưởng của sai số hình học, động học ở một số trường hợp khác nhau. Sử dụng tham số D-H cụ thể cho mô hình robot khảo sát đã trình bày ở Chương 2, ta có kết quả khảo sát khi cho giá trị sai số hình học, động học như sau:
Trường hợp 1 ta khảo sát sai số ở một số tham số bất kỳ, hay khảo sát sai số tại mỗi khâu, khớp - trường hợp 2, 3 và trong trường hợp 4 là xét tất cả các sai số tổng hợp ở các khâu, khớp. Dưới đây là kết quả của từng trường hợp:
Trường hợp 1: Cho các sai số của các tham số:
0 0
1 1 0,017 , 2 0,01 , 4 0,006 , 4 1,5 0,027
d rad da mm dd mm d rad. Dữ
liệu sai số sẽ được tạo thành file dạng *.txt, chương trình sẽ tự động đọc dữ liệu để khảo sát ảnh hưởng của sai số hình học, động học tới sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
Kết quả sai lệch vị trí tổng cộng lớn nhất trong trường hợp này là: 0,0238m = 23,8mm.
Kết quả chi tiết được trình bày trong phần Phụ lục.
Sử dụng kết quả tính toán đưa vào chương trình phần mềm mà luận án tự thiết lập để để mô phỏng động được thể hiện như hình sau đây:
Hình 4-3: Mô phỏng kiểm tra sai lệch của khâu thao tác do sai số a – khi không có sai số, b - khi có sai
Trường hợp 2: Khảo sát với các sai số của khâu 1:
1 0,0022 , 1 0,029 , 1 0,05 , 1 0,0005
dq rad da mm dd mm d rad
Kết quả sai lệch vị trí tổng cộng lớn nhất trong trường hợp này là: 0,00544m = 5,44mm.
Trường hợp 3: Khảo sát với các sai số của khâu 2, ta cũng giữ nguyên giá trị sai lệch như trong khâu 1:
2 0,0022 , 2 0,029 , 2 0,05 , 2 0,0005
dq rad da mm dd mm d rad
Kết quả sai lệch vị trí tổng cộng lớn nhất trong trường hợp này là: 0,00530m = 5,3mm.
Trường hợp 4: Khảo sát với các sai số của khâu 3, ta cũng giữ nguyên giá trị sai lệch như trong khâu 1:
3 0,0022 , 3 0,029 , 3 0,05 , 3 0,0005
dq rad da mm dd mm d rad
Kết quả sai lệch vị trí tổng cộng lớn nhất trong trường hợp này là: 0,0036m = 3,6mm.
Trường hợp 5: Khảo sát với các sai số của khâu 4, ta cũng giữ nguyên giá trị sai lệch như trong khâu 1:
4 0,0022 , 4 0,029 , 4 0,05 , 4 0,0005
dq rad da mm dd mm d rad
Kết quả sai lệch vị trí tổng cộng lớn nhất trong trường hợp này là: 0,00141m = 1,41mm.
Trường hợp 6: Khảo sát với các sai số của khâu 5, ta cũng giữ nguyên giá trị sai lệch như trong khâu 1:
5 0,0022 , 5 0,029 , 5 0,05 , 5 0,0005
dq rad da mm dd mm d rad
Kết quả sai lệch vị trí tổng cộng lớn nhất trong trường hợp này là: 0,00134m = 1,34mm.
Trường hợp 7: Khảo sát với các sai số của khâu 6, ta cũng giữ nguyên giá trị sai lệch như trong khâu 1:
6 0,0022 , 6 0,029 , 6 0,05 , 6 0,0005
dq rad da mm dd mm d rad
Kết quả sai lệch vị trí tổng cộng lớn nhất trong trường hợp này là: 0,00101m = 1,01mm.
Trường hợp 8: trong trường hợp này ta xét tất cả các sai số của các tham số hình học, động học được cho như trong bảng sau:
Bảng 4-1: Giá trị sai số hình học, động học của robot
khâu 1 2 3 4 5 6
da (mm) 0.029 -0.056 -0.008 0.002 -0.018 -0.008
dd (mm) 0.05 0.09 -0.012 -0.03 0.002 0.065
dα (rad) -0.0005 0.0001 0.0030 -0.002 0.001 0.0002
dq (rad) -0.0022 0.002 0.0031 0.005 0.0034 0.004
Kết quả sai lệch vị trí tổng cộng lớn nhất trong trường hợp này là: 0,01338m = 13,38mm.
Kết quả số liệu chi tiết và đồ thị sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác của từng trường hợp khảo sát được trình bày trong phần Phụ lục của luận án.
Tương tự như vậy, ta có thể khảo sát với nhiều trường hợp khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của các loại sai số hình học, động học đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
Từ kết quả khảo sát ảnh hưởng của sai số hình học, động học của các khâu, khớp robot đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác ta có nhận xét sau:
- Chương trình khảo sát sai số đã được thiết lập có thể thực hiện dễ dàng, kết quả dùng để mô phỏng trực quan khẳng định thuật toán và chương trình có độ tin cậy, có thể áp dụng vào các mô hình robot có cấu trúc nối tiếp khác nhau để khảo sát sai số khi thiết kế chúng.
- Qua kết quả của một số ví dụ trên thấy rằng, như trong trường hợp 1, sai số của các tham số kích thước góc ảnh hưởng lớn hơn sai số kích thước dài, điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế, chỉ cần một sai lệch nhỏ về kích thước góc thì cũng gây ra sai lệch vị trí của khâu thao tác lớn.
- Như trong các trường hợp từ 2 đến 7, mặc dù giá trị sai số của các tham số khảo sát đều như nhau nhưng sai lệch của khâu thao tác giảm dần: ở những khâu, khớp càng gần với khâu “0” - giá robot thì ảnh hưởng của sai số đến sai lệch khâu thao tác càng lớn. Điều này là phù hợp với thực tế, khẳng định mô hình sai số đã xây dựng là đúng đắn, tin cậy.
- Ta có thể tiến hành khảo sát với nhiều trường hợp khác nhau để có những kết quả đầy đủ hơn. Chương trình khảo sát sai số cũng có thể áp dụng với nhiều mô hình cấu trúc robot nối tiếp chuỗi hở khác.
4.3 Khảo sát sai số trong robot hàn hồ quang
Với phương pháp đã trình bày, áp dụng khảo sát sai số vị trí của robot hàn hồ quang đã được chỉ ra ở chương 2.
Cho các tham số động học của robot: a1 = 209,38; d1 = 401,5; a2 = 580,3; d2 = 10, a3 = 132,89; d3 = 38,7; d4 = 61,5; d6 = 396,2 (đơn vị là mm) và qi (i=1,6) là các biến khớp.
Khảo sát bài toán động học khi không kể đến sai số hình học của robot đã nhận được các kết quả biểu diễn vị trí của mũi hàn như Hình 2-14 và Hình 2-15 trong Chương 2.
Giả thiết tồn tại sai lệch kích thước hình học của các khâu của robot như sau:
1 3 ; 2 4 ; 4 0,1 ; 4 5 ; 6 3
da mm da mm d rad dd mm dd mm.
Kết quả nhận được biểu diễn trên Hình 4-4 mô tả sự lệch của quỹ đạo điểm tác động cuối (mũi hàn).
Hình 4-4: Sai lệch về quỹ đạo điểm tác động cuối của robot
Hình 4-5 biểu diễn sai lệch về giá trị tọa độ điểm tác động cuối theo các phương x, y, z:
x) y) z) Hình 4-5: Sai lệch về quỹ đạo điểm tác động cuối của robot
4.4 Kết luận chương 4
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của sai số hình học, động học tới sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác được đưa ra ở dạng đồ thị hoặc ở dạng số liệu và được mô phỏng trực quan đảm bảo tính đúng đắn và độ tin cậy của thuật toán và chương trình. Với chương trình khảo sát ảnh hưởng của sai số đã được thiết lập trong luận án ta có thể thực hiện với số lượng tính toán đủ lớn để đánh giá ảnh hưởng sai số của từng tham số đến sai lệch vị trí và hướng khâu thao tác của robot.
Việc khảo sát ảnh hưởng của sai số đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác hết sức có ý nghĩa trong quá trình thiết kế một robot mới. Thông qua khảo sát ta có thể điều chỉnh ngay yêu cầu về dung sai chế tạo, lắp ráp các khâu, khớp robot và cũng có thể cân đối, phân bổ dung sai chế tạo ở các khâu, khớp sao cho hài hòa, dễ đạt dung sai khi chế tạo để hạ giá thành sản phẩm mà vẫn đảm bảo robot đạt độ chính xác cần thiết.
Với trường hợp ngược lại, khi xác định được giá trị sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot, việc tìm giá trị sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian của robot là bài toán khó vì số tham số cần xác định lớn hơn số phương trình được thiết lập.
m m m
s s
s
Đây là bài toán quan trọng để từ đó xác định các hiệu chỉnh để khử, giảm sai lệch cho robot. Đồng thời tạo điều kiện hiệu chỉnh các biến khớp trong điều khiển robot để thao tác đúng yêu cầu kỹ huật. Bài toán này sẽ được trình bày trong chương tiếp theo.