Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúcPHÂN TÍCH YÊU CẦU VỀ VỊ TRÍ Robot nằm ở một vị trí cố định Phôi có thể dịch chuyển được Phôi phải nằm trong vùng hoạt động của robot PHÂN TÍCH Y
Trang 2TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT ỨNG
DỤNG TRONG GIA CÔNG PHAY BỀ MẶT PHẲNG
SINH VIÊN THỰC HIỆN HOÀNG THANH TÙNG 20187509
PHẠM QUỐC ĐẠT NGUYỄN XUÂN TÙNG GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN PGS.TS PHAN BÙI KHÔI
TS NGUYỄN VĂN QUYỀN
Trang 3MỤC LỤC
1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc
2 Thiết kế 3D mô hình robot
3 Thiết kế quĩ đạo chuyển động
Trang 4Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc
1.2 Phân tích yêu cầu kĩ thuật thao
tác a Yêu cầu đối tượng thao tác
Đối tượng thao tác
Mặt phẳng nằm ngang
Dạng thao tác
Dao phay luôn vuông góc với mặt phẳng
của phôi trong suốt quá trình gia công
Trang 5Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc
PHÂN TÍCH YÊU CẦU VỀ VỊ
TRÍ Robot nằm ở một vị trí cố định
Phôi có thể dịch chuyển được
Phôi phải nằm trong vùng hoạt động của robot
PHÂN TÍCH YÊU CẦU VỀ HƯỚNG CỦA KHÂU
THAO TÁC
Dao phay có phương thẳng đứng , vuông góc với bàn
máy và mặt phẳng phôi trong suốt quá trình gia công
Trang 6Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc
PHÂN TÍCH YÊU CẦU VỀ VẬN TỐC , GIA TỐC KHI THAO TÁC
Chuyển động của dao phay có vận tốc không đổi gia tốc bằng 0
Vận tốc và gia tốc có thể lựa chọn tùy thuộc vào vật liệu làm phôi , loại dao gia công và bề mặt gia công
PHÂN TÍCH YÊU CẦU VỀ KHÔNG GIAN THAO TÁC
Trang 7Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc
1.3 PHÂN TÍCH YÊU CẦU VỀ KHÔNG GIAN THAO TÁC
a Số bậc tự do cần thiết
Để thực hiện yêu cầu bài toán phay mặt phẳng trong không gian thì cơ cấu robot cần ít nhất 2 bậc tự do cho việc di
chuyển
Để đảm bảo hướng của sản phẩn, hạn chế di chuyển của sản phẩm ta cần thêm một bậc tự do nữa
Phải có ít nhất 3 bậc tự do cho mô hình thiết kế
B Yêu cầu về tải trọng
Chưa có dữ liệu
C Vùng làm việc có thể với tới của robot
Chưa có dữ liệu
Trang 8Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc
- Robot chiếm diện tích sử dụng ít.
- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo.
- Dễ kiểm soát khi thao tác
❖ Nhược điểm:
- Không tận dụng được tối đa không gian làm việc của robot
- Không đảm bảo tính liên tục khi gia công phay
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 8
Trang 9Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc
- Khả năng linh hoạt cao.
- Dễ dàng thực hiện thao tác khi gia công ❖ Nhược điểm:
- Độ chính xác phụ thuộc vào chuyển động của trục tịnh tiến
Trang 10Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc
- Khả năng linh hoạt tốt
- Tay máy có độ cứng vững cao.
- Tận dụng được không gian làm việc một các tối đa ❖ Nhược điểm:
- Thiết bị khó chế tạo đo cần độ chính xác cao
- Diện tích chiếm dụng bề mặt robot lớn
Trang 11Lựa chọn phương án thiết kế
Để gia công phay mặt phẳng, ta cần robot phải bao
quát được tất cả các điểm ở trên mặt phẳng, khâu cuối
chứa dao phải luôn vuông góc với bàn máy Để đáp ứng
được yêu cầu ta cần phải thiết kế robot 3 bậc tự do
Kết luận: Dựa trên các phân tích về mô hình đề xuất,
nhóm đã nhận thấy mô hình cấu trúc robot TTT là phù
hợp với yêu cầu Mô hình cấu trúc robot ba bậc tịnh tiến
được lựa chọn cho các bước tính toán tiếp theo
Trang 12Phần 2: Thiết kế 3D mô hình robot
2.1 Thiết kế 3D
Trang 13Phần 2: Thiết kế 3D mô hình robot
2.2 Lập bản vẽ 2D
Kích thước khâu đế
Trang 14Phần 2: Thiết kế 3D mô hình robot
Kích thước khâu 1
Trang 15Phần 2: Thiết kế 3D mô hình robot
Kích thước khâu 2
Trang 16Phần 2: Thiết kế 3D mô hình robot
Kích thước khâu 3
Trang 17THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO
CHUYỂN ĐỘNG
Trang 18Khảo sát động học thuận
• Bài toán thuận về vị trí:
- Các toạ độ khớp đã biết:
Trang 19Khảo sát động học thuận
Khâu
123
Trang 21Khảo sát động học thuận
Tính vận tốc góc trong hệ cố định
Do cả ba khớp đều
là khớp tịnh tiến
Trang 22THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
Chọn quy luật chuyển động của các biến khớp trong thời gian 1s, với quy luật
Trang 23KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC NGƯỢC
Khảo sát bài toán động học ngược
Mục đích: Xác định các toạ độ khớp khi đã biết trước vị trí của điểm
cuối thao tác và hướng của khâu thao tác
Trang 25Thiết kế quỹ đạo chuyển động
Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo quy luật hàm bậc 3
- Điểm đầu M(x0; y0; z0).
- Điểm cuối N(xe; ye; ze).
- Thời điểm bắt đầu, kết thúc t0, te
Phương trình đường
thẳng trong không gian
Trang 26Thiết kế quỹ đạo chuyển động
Vì quỹ đạo biến đổi theo hàm bậc 3 nên giả sử phương trình chuyển động theo phương x(t) có
dạng:
Vận tốc chuyển động theo phương x sẽ có
dạng
Tại thời điểm ban đầu
Tại thời điểm kết thúc
Trang 27Thiết kế quỹ đạo chuyển động
Kết hợp giải hệ 2 phương trình (1) và (2) ta thu được kết quả
Trang 28Thiết kế quỹ đạo chuyển động
Thiết kế quỹ đạo biến đổi theo quy luật vận tốc hình
Trang 29Thiết kế quỹ đạo chuyển động
theo quy luật vận tốc
hình thang với (T=t-t0)
Trang 30Thiết kế quỹ đạo chuyển động
Các tham số có
được
Trang 31Thiết kế quỹ đạo chuyển động
Quỹ đạo chuyển động của chu trình phay mặt phẳng.
Trang 32Thiết kế quỹ đạo chuyển động
Đồ thị toạ độ x,y,z
trong quá trình thao tác
Đồ thị vận tốc Vx,Vy,Vz trong quá trình thao tác Đồ thị gia tốc
Ax,Ay,Az trong quá
Trang 33PHÂN TÍCH
TRẠNG THÁI TĨNH
Trang 34Phân tích trạng thái tĩnh
Lực tác dụng lên khâu I tại tại từ khâu i-1Momen lực tác dụng lên khâu i tại từ khâu i-1Lực tác dụng lên khâu i tại từ khâu i+1
Momen lực tác dụng lên khâu i tại từ khâu i+1Vector có gốc tại , mút tại
Vector co gốc tại , mút tại
Trang 36Áp dụng vào mô hình TTT
coi các khâu là thanh phẳng đồng chất, vị trí tương đối của gốc hệ toạ độ
và vị trí trọng tâm của các khâu
❖ Xác định các ma trận cosin chỉ hướng
được xác định như sau
Trang 37Áp dụng vào mô hình TTT
❖ Xác định vị trí tương đối của gốc hệ toạ độ
❖ Xác định vị trí trọng tâm các khâu
Trang 38Hệ lực khâu 3
hệ phương trình cân bằng trong hệ toạ độ khâu 3
Vector gia tốc trọng trường trong hệ toạ độ khâu 3
Ma trận đối xứng lệch của các ma trận
Trang 39Khâu 3
Trọng lực của khâu 3 trong hệ toạ độ khâu 3
Thay số vào hệ phương trình cân bằng khâu 3
Trang 40Hệ lực khâu 2
Vector gia tốc trọng trường trong hệ tọa độ khâu 2
Ma trận đối xứng lệch của các ma trận
Trang 41Khâu 2
Chuyển lực và mô men từ hệ tọa độ khâu 3 sang hệ tọa độ khâu 2
Trọng lực của khâu 2 trong hệ tọa độ khâu 2
Trang 42Khâu 2
Trang 43Hệ lực khâu 1
Vector gia tốc trọng trường trong hệ tọa độ khâu 1
Các ma trận đối xứng lệch
Trang 44Khâu 1
Chuyển lực và mô men từ hệ tọa độ khâu 2 sang hệ tọa độ khâu 1
Trang 45Khâu 1
hệ phương trình cân bằng trong hệ tọa độ khâu 1
Trang 46ĐỘNG LỰC
HỌC
Trang 47Cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết
- Động lực học robot là quá trình nghiên cứu chuyển động của robot dưới tác dụng của các lực hoặc momen điều khiển (gọi chung là lực điều khiển)
để thực hiện thao tác theo mục đích công nghệ hoặc phục vụ).
- Động lực học thuận robot (dyrect dynamics): Là bài toán khảo sát các đại lượng đặc trưng cho chuyển động dưới tác dụng của lực đã xác định.
- Động lực học ngược robot (inverse dynamics): Là bài toán tính toán các lực dẫn động để robot thực hiện được chuyển động thao tác theo quy luật đã xác định.
Trang 48Thiết lập phương trình Lagrange loại II
Vị trí của vật rắn ở trong hệ quy chiếu cố định R0được xác định bởi
vector xác định vị trí khối tâm và ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn
Trang 49Thiết lập phương trình Lagrange loại II
Trang 50Thiết lập phương trình Lagrange loại II
Vận tốc dài của các khối tâm C
Ma trận Jacobi tịnh tiến tại khối tâm của các khâu lần lượt
Trang 51Thiết lập phương trình Lagrange loại II
Vì cơ hệ gồm 3 khâu tịnh tiến nên có ma trận Jacobi quay của các khâu lần lượt
Từ vận tốc tại khối tâm và vận tốc góc của vật vắn ta tính được ma trận các ma trận Jacobi
Vận tốc góc của các khâu lần lượt
Trang 52Thiết lập phương trình Lagrange loại II
Ma trận khối lương suy rộng M
Ma trận Coliolis ma trận M là ma trận gồm các phần tử đều là hằng số nên ma trận C sẽ là ma trận 0
Trang 53Thiết lập phương trình Lagrange loại II
Thế năng của hệ
Vector gia tốc trọng trường
Trang 54Thiết lập phương trình Lagrange loại II
-Ma trận quán tính Coriolis và quán tính ly tâm
- Trong đó
Trang 55Thiết lập phương trình Lagrange loại II
- Lực suy rộng không thế
Giả sử tác dụng lên điểm cuối thao tác là một vector lực
Công nguyên tố của lực
Tổng công nguyên tố của tất cả ngoại lực ứng với di chuyển ảo
Trang 56Thiết lập phương trình Lagrange loại II
- Lực/Mô men điều khiển
Ui là lực suy rộng ứng với toạ độ khớp qi của các lực dẫn động thành
phần τ i của các động cơ đặt tại khớp Đối với khớp tịnh tiến thì τi
chính là lực Fmi , đối với khớp quay thì τi là ngẫu lực có mô men là Mmi
Trang 57Thiết lập phương trình Lagrange loại II
Phương trình động lực học của robot
Trang 58ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC
Động lực học ngược
Từ phương trình vi phân chuyển động của robot, ta đưa được về
phương trình động lực học ngược như sau:
Trang 59THIẾT KẾ HỆ
DẪN ĐỘNG
Trang 60THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG
Các khâu của robot đều chuyển động tịnh tiến
Để đạt độ chính xác cao ta lựa chọn bộ truyền vít me – đai ốc bi cho hệ thống dẫn động
- Chọn kiểu lắp đặt ổ đỡ : 1 đầu lắp chặt – 1 đầu tùy chỉnh
- Bước vít me : chọn
Trang 61THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG
Chọn hệ dẫn động vít me đai ốc bi để biến chuyển động quay của động
cơ thành chuyển động tịnh tiến của khớp.
Kiểu lắp: Một đầu lắp chặt – Một đầu tùy chỉnh
Trang 63Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền các khâu
Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền các khâu
Sử dụng phần mềm Solidworks mô phỏng lực và momen tác động, chọn vật liệu các khâu là ASTM A36 STEEL, thu được
ứng suất và chuyển vị của các khâu.
Các bước thực hiện:
Bước 1: Lựa chọn vật liệu của từng khâu.
Bước 2: Thực hiện cố định khâu.
Bước 3: Chia lưới
Bước 4: Đặt tải trọng lên từng khâu.
Bước 5: Đọc kết quả về ứng suất, biến dạng và chuyển vị.
Kết luận: Các khâu đều đủ bền.
Trang 64THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN
Trang 65THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Phương trình động lực học
Chọn luật điều khiển
Tham số cuối cùng cần chọn
Trang 66THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Trang 67THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Trang 68THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Trang 69THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Trang 70THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Trang 71KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ HIỆU CHỈNH
Trang 72KHẢO SÁT , ĐÁNH GIÁ , HIỆU CHỈNH
Khảo sát độ chính xác: Robot đạt độ chính xác 95%, thời gian đáp ứng 0.75s
Đánh giá đặc tính kỹ thuật: Đảm bảo các đặc tính kỹ thuật về số bậc
tự do, yêu cầu kỹ thuật, độ cứng vững, kiểm nghiệm bền.
Robot đã cơ bản đáp ứng được bài toán đặt ra.
Hiệu chỉnh thiết kế: Thiết kế có thể được thay đổi, hiệu chỉnh và phát triển để hoàn thiện hơn.
Trang 73KẾT LUẬN
Trang 75THANK YOU !