ĐỀ XUẤT DỰ ÁN VÀ THỰC HIỆN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT ỨNG DỤNG CẤP THÁO PHÔI VÀ CHI TIẾT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀĐỀ XUẤT DỰ ÁN VÀ THỰC HIỆN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT ỨNG DỤNG CẤP THÁO PHÔI VÀ... Hiện tại robot ở nước ta chủyếu phục vụ trong các khu công nghiệp nhữn

PHÂN TÍCH YÊU CẦU KỸ THUẬT VÀ CHỌN LỰA MÔ HÌNH ROBOT

Mô hình đề xuất

Do đối tượng đã chọn không yêu cầu về hướng thao tác nên số bậc tự do cần thiết để robot hoàn thành nhiệm vụ là 3. b.Các yêu cầu để hoàn thành nhiệm vụ

 Tải trọng: Robot gắp được phôi có khối lượng 100 g.

 Độ chính xác vị trí: Robot cần đặt phôi và đúng vị trí của khuôn sao cho phôi phải thẳng và không bị lệch và cập kênh. c.Mô hình đề xuất

Do yêu cầu phôi có dang tròn nên không yêu câu về hướng nên nhóm chọn cấu trúc robot 3 bậc tự do như hình dưới:

Hình 1 3 Mô hình robot đề xuất

• Ưu điểm có tốc độ nhanh, kết cấu đơn giản, dễ tính toán.

• Nhược điểm kết cấu khá cồng kềnh

THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D

Thiết kế 3D

Hình 2 1 Bản vẽ khâu 0 và khâu 1

Hình 2 2 Bản vẽ khâu 2 và khâu 3

- Khối lượng các khâu: m1= 20.262 (kg); m2.504 (kg); m3 5.758(kg)

Bản vẽ 2D

THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG

Bài toán động học

Robot có 3 bậc tự do, gồm một bậc quay và hai bậc tịnh tiến, cho phép nó quay và dịch chuyển trong không gian ba chiều Các tham số động học của hệ này được biểu diễn bằng hệ tọa độ Denavit-Hartenberg (DH), như hình sau, nhằm xác định mối liên hệ giữa các liên kết và trục quay của từng khối Việc sử dụng tham số DH giúp xây dựng ma trận biến đổi giữa các liên kết, từ đó hình thành mô hình động học tổng thể và cho phép tính toán vị trí cùng hướng của đầu robot ở mọi trạng thái, đồng thời tối ưu hóa điều khiển và lập trình chuyển động.

Hình 3 1 Gắn hệ tọa độ D-H

+ Cho quy luật chuyển động của các khâu

Bảng 3 1 Thông số DH của robot 3 bậc tự do trên:

3.2.1 Khảo sát động học thuận

+ Ma trận Denavit-Hartenberg tổng quát: i i i i i i i i i i i i i i i 1 i i i i cos cos sin sin sin a cos sin cos cos sin cos a sin

+ Thay các giá trị của bảng D-H vào ma trận trên, ta được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H cho từng khâu như sau:

 Ma trận mô tả vị trí và hướng của hệ trục tọa độ 1 đối với hệ trục tọa độ 0:

 Ma trận mô tả vị trí và hướng của hệ trục tọa độ 2 đối với hệ trục tọa độ 1:

 Ma trận mô tả vị trí và hướng của hệ trục tọa độ 3 đối với hệ trục tọa độ 2:

+ Từ các ma trận trên, ta tính được các ma trận biểu diễn vị trí và hướng của các khâu đối với hệ tọa độ cố định 0 là:

1 3 cos( ) sin( ) 0 d sin( ) sin( ) cos( ) 0 d cos( )

Như vậy ma trận biểu diễn hướng của khâu thao tác là

 Ma trận biểu diễn vị trí điểm tác động cuối:

 Vận tốc góc khâu thao tác:

 Gia tốc điểm tác động cuối:

3 sin( ).d cos( ).d 2cos( ) d sin( )d a cos( ).d sin( ).d 2sin( ) d cos( )d d

 Vận tốc góc các khâu:

3.1.2 Bài toán động học ngược

 Vị trí điểm tác động cuối:

 Giá trị của các biến khớp:

1.13.2 Xây dựng quỹ đạo chuyển động

3.2.1 Mô phỏng điểm tác động cuối

 Quỹ đạo điểm tác động cuối theo các phương

 Vận tốc điểm tác động cuối:

 Gia tốc điểm tác động cuối:

 Quỹ đạo điểm tác động cuối

3.2.3 Quỹ đạo làm việc theo quy luật vận tốc hình thang

+ Giai đoạn 1: Vận tốc tăng từ 0 đến giá trị ổn định làm việc, gia tốc a1 = a0

+ Giai đoạn 2: Vận tốc không đổi trong quá trình làm việc, gia tốc a2 =0

+ Giai đoạn 3: Vận tốc tăng từ 0 đến giá trị ổn định làm việc, gia tốc a1 = a0

Hình 3 2 Đồ thị độ dời dịch chuyển

Hình 3 3 Đồ thị vận tốc

TĨNH HỌC ROBOT

Tổng quan

Bài toán tĩnh học Robot có nội dung như sau: Cho lực tác dụng vào khâu thao tác tại điểm E gồm vector lực F, và momen M F F x F y F z  T ,

M M M M  tính lực (mômen) dẫn động tại các khớp đảm bảo Robot cân bằng tĩnh ( bỏ qua ma sát).

Ta sẽ tách từng khâu, xem xét các lực và momen tác dụng lên khâu đó, thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học.

Hình 4 1 Lực và momen tác dụng lên khâu i

Từ điều kiện cân bằng tĩnh học của khâu i:

Ta viết được hệ phương trình cân bằng lực khâu i trong hệ tọa độ cơ sở như sau:

0 F i  1, i : Lực khâu thứ i tác dụng lên khâu i+1 biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở

0 M i  1 i : Momen khâu thứ i tác dụng lên khâu i+1 biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở

P i : trọng lực tác dụng lên khâu i

Áp dụng vào mô hình

Hình 4 2 Phân tích lực và momen

 Các ma trận đối xứng lệch

 Thay các ma trận trên vào phương trình ta được

 Thay thông số ta được

 Các ma trận đối xứng lệch

 Thay các ma trận trên vào phương trình ta được

 Các ma trận đối xứng lệch

 Thay các ma trận trên vào phương trình ta được

+ Khối lượng các khâu: m1= 20.262 (kg); m2.504 (kg); m3 = 5.758(kg) d10 mm, l2y0.56 mm l30 mm

Ta tính được lực và momen tại các khớp:

Lực động cơ dẫn động khâu 1 lớn nhất là 0 F 1,0  0 F 1,0z 85.24(N)

ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

Tính ma trận khối lượng M

5.1.1 Các ma trận Jacobi tịnh tiến và Jacobi quay

Gọi lc2 và lc3 lần lượt là khoảng cách từ các gốc tọa độ O0, O1, O2 đến khối tâm của từng khâu 1, 2 và 3 Gọi C_j^i là tọa độ trọng tâm của khâu thứ j trên hệ Ri, với i xác định hệ tham chiếu Ri đang xét và j = 1, 2, 3 Việc xác định lc2, lc3 và tọa độ C_j^i cho phép mô tả vị trí và phân bổ trọng lượng của từng khâu trong từng hệ Ri, từ đó phục vụ các bước phân tích vị trí, tối ưu hóa liên kết và mô hình động học của cả hệ.

+ Các tọa độ và vận tốc góc các khâu:

5.1.2 Tính tenxo quán tính các khâu của robot

Ma trận tenxơ quán tính của hai khâu 1, 2 và 3 được xác định với trục gắn vào khối tâm sao cho trục này song song với hệ trục của khâu và tương ứng với hệ quán tính chính Việc thiết lập trục gắn vào khối tâm như vậy cho phép biểu diễn quán tính tổng thể của hệ một cách nhất quán trong hệ quán tính chính, thuận tiện cho phân tích động lực học và thiết kế cơ cấu.

Thay thông số vào ta có ma trận khối lượng:

[ ( Ti T i Ti T Ri ci r Ri )] i

Tính thế năng

Tính lực suy rộng

+ Các ngoại lực tác dụng vào robot chỉ có lực F theo phương z khi robot nâng vật, như vậy:

+ Ta có lực suy rộng:

Tính lực Coriolit

+ Chương trình tính ma trận coriolit:

+ Gọi ma trận Coriolit có dạng:

Phương trình động lực học

+ Từ các phần tính được ở trên, vậy phương trình động lực học của robot là:

2 1 2 2 3 1 2 1 3 2 1 a a 1 m a a sin m (2a a a a )sin m a a sin 2 m sin ( a a a a )m sin

+ Thay các thông số robot của nhóm:

Khối lượng các khâu: m1= 20.262 (kg); m2.504 (kg); m3 = 5.758(kg) d100 mm, l2p0 mm l30 mm

Ta sẽ có phương trình động lực học đầy đủ

TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN ĐỘNG KHÂU 2

Chọn động cơ

Chọn khớp 3 để thiết kế bộ truyền động giúp tối ưu lực dẫn động khi ngoại lực tác dụng lớn nhất theo yêu cầu bài toán Tải cần nâng có khối lượng 0.1 kg, tương đương khoảng 1 N do trọng lực tác động Trong hệ thống này, khối lượng các khâu lần lượt là m1 = 30 kg, m2 = 10 kg và m3 = 1 kg, ảnh hưởng trực tiếp đến mô-men xoắn và lực tác động lên bộ truyền động Do đó việc sử dụng khớp 3 giúp phân phối và khuếch đại lực một cách hợp lý, đảm bảo hiệu suất truyền động đạt mức tối ưu khi tải tăng lên Các tham số này làm căn cứ để xác định thông số bánh răng, tỉ số truyền và mô-men xoắn cần thiết cho bộ truyền động.

Như vậy lực dẫn động lớn nhất là:

Công suất dẫn động của động cơ:

P M d 111.500.10  0.06(kw) Lựa chọn phương án truyền động thanh răng bánh răng để chuyển từ chuyển động quay của động cơ sang chuyển động tịnh tiến của khâu 2

Hình 6 1 Bộ truyền thanh răng bánh răng

Vận tốc chuyển động của thanh răng: d 3 0.5m / s

Chọn đường kính bánh răng d sb  20mm

Vận tốc góc của bánh răng: tr

Số vòng quay trong 1 phút:

Chọn động cơ có Pdc > P3=0.06 (kw)

Tra catalog động cơ servo, ta chọn động cơ có các thông số như sau:

 Ký hiệu: Servo HG-KR 13(B)

 Tốc độ quay trục chính định mức: n000 (v/ph)

 Tốc độ quay trục chính max: n`00 (v/ph)

Tính chọn hộp giảm tốc

Ta có vận tốc bánh răng sơ bộ: nbr00 v/ph

Vận tốc trục động cơ ndc000 v/ph

Tỉ số truyền hộp giảm tốc: dc 1 br n 3000 u 10 n 300

Để lựa chọn hộp giảm tốc cho động cơ, nên dùng hộp giảm tốc trục vít bánh vít Nhờ đó động cơ được nối qua hộp giảm tốc trục vít bánh vít và đầu trục thứ hai của hộp giảm tốc liên kết với thanh răng; thanh răng sau đó ăn khớp với bánh răng để tạo chuyển động cho khâu 3 Cấu tạo của hệ thống được thể hiện bằng sơ đồ dưới.

Hình 6 2 Sơ đồ hệ dẫn động

Hiệu suất chung của cơ cấu truyền, công suất trên trục động cơ:

 Chọn trục vít 2 mối ren hiệu suất   tv 0,8

 Hiệu suất khớp nối:   nt 1

 Hiệu suất từ động cơ đến khâu 3:

Như vậy, công suất thực tế động cơ có thể cung cấp: dc yc p p   0,1.0,69 0,069 p  0.06(kw)

Vậy động cơ được chọn thỏa mãn yêu cầu

Xác định mô men xoắn trên trục:

 Động cơ Trục I Trục II

Tỉ số truyền ukn=1 utv

Vận tốc trượt bánh vít:

Chọn vật liệu làm bánh vít là đồng thanh thiếc

Vật liệu làm trục vít là thép tôi cải thiện. Đường kính trục ra hộp giảm tốc sơ bộ:

 Đường kính trục vào hộp giảm tốc sơ bộ:

 Các thông số chọn hộp giảm tốc:

• Đường kính trục vào gần bằng trục động cơ d>5.4 mm

• Đường kính trục ra d2 > 11.4 mm

• Vật liệu làm bánh vít: đồng thanh thiếc

Thiết kế bộ truyền

 Mô men xoắn TD57 Nmm

 Chọn vật liệu làm bánh răng: thép

 Chiều dày vành răng sơ bộ: bw= 70 mm

 Số răng của bánh răng dbr 200

(Tra và tính theo sách Tính toán thiết kế máy (tập 1) Chọn bánh răng trụ răng thẳng theo tiêu chuẩn:

 Chiều dày vành răng: bpmm

 Đường kính lỗ trục: dlt(mm

Kết cấu bộ truyền động thanh răng bánh răng dẫn động cho khâu 3 được mô tả như hình bên dưới:

Hình 6 4 Bộ truyền bánh răng thanh răng b Tính thanh răng

Phần thanh răng được gia công trực tiếp lên khâu 2 của robot

  d3: quãng dịch chuyển lớn nhất của khâu 3

Kiểm nghiệm bền

Sử dụng phần mềm Solidwork tìm ứng suất và chuyển vị các khâu, ta được như sau:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PD

Xây dựng mô hình sử dụng Matlab Simulink và Simechnic

Hình 7 2 Khối quỹ đạo đặt

Hình 7 3 Khối động học ngược

 Khối bù phi tuyến (Controller_Nonlinear)

Hình 7 5 Khối bù phi tuyến

Hình 7 6 Mô hình Simechanic Robot

 So sánh và lấy tín hiệu

Hình 7 7 So sánh và lấy tín hiệu sai lệch

Kết quả mô phỏng

7.2.1 Các thông số đầu vào

 Khối lượng các khâu m10 kg, m2 kg, m3=1 kg

 Cho quỹ đạo chuyển động từ A(-0.450 , 0 , 0.880) đến B(-0.451 , 0.650 ,0.880)

Hình 7 8 Quỹ đạo mô phỏng

Hình 7 9 Sai lệch từng khâu

NHẬN XÉT: Kết quả mô phỏng có sai lệch do lý thuyết và thực tế có sai khác, hệ số K d , K p chưa tối ưu.

Hoàn thành tiểu luận Thiết kế robot với nội dung Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng cấp tháo phôi và chi tiết đã giúp em tổng hợp và khẳng định lại kiến thức về robot, đồng thời cho phép áp dụng và mở rộng hiểu biết thông qua các tính toán thiết kế, mô phỏng và phân tích hệ thống Bài làm cũng cung cấp nền tảng để nắm vững quy trình thiết kế và đánh giá hiệu năng của mô hình robot, từ đó hỗ trợ việc học sâu hơn về công nghệ robot Kết thúc tiểu luận, em đã hoàn thành các yêu cầu đề ra, gồm tính toán động học thuận ngược, thiết lập phương trình động lực học robot và xây dựng quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp và không gian làm việc, đảm bảo khả năng phân tích và điều khiển robot trong ứng dụng cấp tháo phôi và chi tiết.

Trong quá trình học tập, em đã bổ sung nhiều kỹ năng quan trọng như tìm kiếm thông tin, lọc và phân tích dữ liệu, đồng thời rèn luyện kỹ năng trình bày một báo cáo khoa học một cách rõ ràng và thuyết phục Em cũng mở rộng kiến thức về robot và nắm bắt tình hình phát triển hiện tại của xã hội, từ đó nâng cao khả năng nhìn nhận và phân tích các xu hướng công nghệ và xã hội Tuy nhiên bài tiểu luận vẫn còn một số nhược điểm như thông số chưa tối ưu và điều khiển chưa chính xác trong không gian làm việc Em hy vọng có thể sớm khắc phục các vấn đề còn tồn tại để nâng cao chất lượng nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Mặc dù đã cố gắng hoàn thiện tiểu luận, nhưng kiến thức còn hạn hẹp và thời gian có hạn khiến bài tiểu luận này vẫn còn nhiều sai sót Em mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy và các bạn để bài tiểu luận được hoàn thiện hơn Em chân thành cảm ơn PGS Phan Bùi Khôi vì sự giúp đỡ quý báu, và cảm ơn tất cả các bạn đã nhiệt tình hỗ trợ để em có thể hoàn thiện bài tiểu luận này Cuối cùng, em cảm ơn trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và môi trường tốt nhất để em tiếp cận môn học này.

Em xin chân thành cảm ơn!