(TIỂU LUẬN) báo cáo CUỐI kỳ THIẾT kế và CHẾ tạo ROBOT SONG SONG DẠNG cơ cấu DELTA

Lý do chọn đề tài Robot Delta hay còn gọi là robot song song nói riêng và robot côngnghiệp nói chung được sử dụng ngày càng nhiều trong các nhà máy, dâychuyền sản xuất tự động để thay th

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO CUỐI KỲ

-***

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT

SONG SONG DẠNG CƠ CẤU DELTA

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA DỰ ÁN

HỌC KỲ I NĂM HỌC 2020-2021 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo robot song song dạng cơ cấu delta

- Tỷ lệ % = 100%: Mức độ phần trăm của từng sinh viên tham gia

Nhận xét của giáo viên

………

………

………

Ngày 26 tháng 01 năm 2021

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

A. MỞ ĐẦU

1 TỔNG QUAN VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1 Tình hình nghiêm cứu ngoài nước

1.2 Tình hình nghiêm cứu trong nước

2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

5 PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊM CỨU

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

B. NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VÙNG LÀM VIỆC, CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ THIẾT KẾ

1. Các phương pháp thiết kế truyền động cho Robot

1.1 Xác định vùng làm việc

1.2 Phương án 1

1.3 Phương án 2

1.4 Lựa chọn phương án chuyển động tối ưu

1.5 Mô mô hình hóa Robot

1.6 Lựa chọn cơ cấu truyền động cho Robot

1.7 Tính toán chọn động cơ và thông số của bộ truyền

5

1.8 Xét bền cho Robot

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Robot Delta (hay còn gọi là robot song song) nói riêng và robot côngnghiệp nói chung được sử dụng ngày càng nhiều trong các nhà máy, dâychuyền sản xuất tự động để thay thế con người Chúng được dùng cho các ứngdụng gắp thả tốc độ cao như lắp ráp, phân loại sản phẩm với độ chính xác làtuyệt đối… Với nhu cầu tiết kiệm vật liệu và chi phí trong quá trình thiết kế vàchế tạo nhưng vẫn đảm bảo được các khả năng làm việc của robot như độ cứng

và độ bền

Với tính ưu việt cao, các robot song song ngày càng thu hút được nhiềunhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi các loại robot trong nhiều lĩnhvực

Chính vì lý do đó tôi quyết định chọn đề tài cho luận văn tốt nghiệp:

“Nghiên cứu và chế tạo mô hình robot song song” ứng dụng trong các dâychuyền sản xuất dùng để vận chuyển các sản phẩm trong dây chuyền

Bài báo trình bày về quá trình nghiên cứu, tính toán và thiết kế, cũng nhưứng dụng phương pháp tối ưu hóa hình học để tái thiết kế một phần của cánhtay robot song song Sản phẩm được thiết kế lại có khối lượng nhẹ hơn, tốn ítvật liệu hơn nhưng vẫn đảm bảo được đặc tính cơ khí và khả năng làm việcnhư yêu cầu được đề ra

3 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Đề tài được thực hiện với nội dung chủ yếu sau:

- Nghiên cứu tổng quan về robot song song.

- Nghiên cứu lý thuyết và giải bài toán động học của robot song song

- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình cơ khí của robot song song.Nghiên cứu lựa chọn và chế tạo các mạch điện sử dụng để điều khiển robot

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển và xây dựng chương trình điều khiển

vị trí đối với robot song song

Đề tài giới hạn ở việc nghiên cứu robot Delta, điều khiển theo vị trí, trên

cơ sở đó điều khiển theo quỹ đạo bất kỳ

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

o Tổng hợp tài liệu về tính toán động học thuận và ngược của robotDelta, từ đó xây dựng thuật toán giải bài toán động học thuận và động học ngược

o Tính toán thiết kế mô hình cơ khí cho robot đảm bảo độ chính xác

và độ cứng vững cần thiết, đáp ứng nhu cầu điều khiển chính xác

o Tìm hiểu các phương pháp điều khiển, lựa chọn mạch điều khiển, xây dựng thuật toán và chương trình điều khiển

- Nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo mô hình thực nghiệm robot Delta và điều khiển thực hiện các công việc yêu cầu

Đề tài mang nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

- Tạo tiền đề cho việc chế tạo các robot Delta ứng dụng vào thực tế: thiết

bị gia công các biên dạng bề mặt phức tạp, tạo biên dạng theo

9

đường cong bất kỳ, robot lắp ráp sản phẩm trong các hệ thống sản xuất linh hoạt, robot nâng chuyển….

- Góp phần xây dựng mô hình dạy học về điều khiển tự động đối với Robot công nghiệp tại các trường Cao đẳng và Đại học

A MỞ ĐẦU

ngoài nước

1.1 Tình hình nghiêm cứu ngoài nước

Robot song song sử dụng cơ cấu Delta được các nhà khoa học nghiên cứuchế tạo và phát triển từ giữ thế kỷ XX Đặc biệt là các nhà khoa học tiên phongtrong việc nghiên cứu cơ cấu robot là: Willard L Polard, Eric Gough, Stewart,Klaus Cappel, Reymind Cakavel

Hình 1: Sơ đồ kết cấu Robot cơ cấu Delta (từ bằng sang chế

của Hoa Kỳ No 4,976,582)

11

Robot Delta lần đầu được chế tạo vào tháng 1 năm 1986 bởi ReymondClavel (giáo sư của Đại học EPFL) và nhóm ông Vào đầu thập niên 80, trongmột chuyến thăm nhà máy chế biến sô-cô-la để tìm kiếm các thao tác lao độngliên tục lặp đi lặp lại cho việc áp dụng chế tạo robot, họ nhận thấy quy trìnhđóng gói sô-cô-la là một khởi đầu lý tưởng Reymond Clavel đã nảy ra một ýtưởng độc đáo là sử dụng cơ cấu hình bình hành để tạo ra một robot song song

có ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay ở bằng sáng chế Hoa Kỳ số

4,976,582 (hình 0) 6 Tháng sau chuyến đi, họ đã cho ra một nguyên mẫu

Robot với hình dáng như con nhện với trọng lượng nhẹ và tốc độ cao đầu tiêntại EPFL Hai năm sau đó, Robot Delta được công nghiệp háo và thương mạihóa trên toàn thế giới Năm 1999, tiến sĩ Clavel đã nhận được giải thưởngGolden Robot Award được tài trợ bởi ABB Flexible Automation, để tôn vinhnhững hoạt động sáng tạo của ông về robot song song Delta

Ý tưởng căn bản của thiết kế robot Delta là sử dụng các hình bình hành Cáchình bình hành cho phép khâu ra duy trì một hướng cố định tương ứng với khâu vào.Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng của bệ di động duy trì chỉ với

ba bậc tự do tịnh tiến Các khâu vào của 3 hình bình hành được gắn với các cánh tay quaybằng các khớp quay Các khớp quay của tay quay được truyền động theo 2 cách: hoặc sửdụng các động cơ quay (DC hoặc AC servo), hoặc bằng các bộ tác động tuyến tính Cuốicùng, cánh tay thứ tư được dùng để truyền chuyển động quay từ đế đến khâu tác độngcuối gắn trên tấm dịch chuyển

12

Hình 2: Mô hình robot song song của Willard L Polard được đăng ký bản

quyền đầu tiên vào năm 1942

Việc sử dụng các bộ tác động gắn trên đế và các khâu có khối lượng nhẹcho phép tấm dịch chuyển đạt được gia tốc lên đến 50 G trong phòng thínghiệm và 12 G trong các ứng dụng công nghiệp Chính điều này làm chorobot Delta trở thành một ứng cử viên sáng giá cho các hoạt động gắp – đặt đốivới các đối tượng nhẹ Vùng làm việc của nó là sự giao nhau của 3 đường gờtròn, nhưng robot Delta trên thị trường có thể hoạt động trong vùng làm việchình trụ với đường kính là 1 m và có chiều cao là 0,2 m

13

Vào năm 1983 khi mà hai anh em người Thụy Sĩ là marc-Olivier vàPascal Demaurex thành lập công ty Demaurex đóng tại Romanel-sur-Lausanne, Thụy Sĩ Năm 1987, họ mua giấy phép sử dụng bản quyền robotDelta và đặt ra mục tiêu chính là thương mại hóa robot này vào ngành côngnghiệp đóng gói Sau vài năm, Demaurex đã thành công trong việc giữ vai tròtrọng yếu trong thị trường mới mẻ đầy khó khăn này Và họ cũng đã tiến hànhmột vài cải tiến sản phẩm của họ Bốn phiên bản khác cũng đã được đưa ra thịtrường với tên gọi là Pack-Placer, Line-Placer, Top-Placer và Presto Đến thờiđiểm hiện nay, Demaurex tuyên bố đã bán được hơn 500 robot Delta trên toànthế giới (Hình 2).

Hình 3: Demaurex’s Line-Placer để đóng gói trong công nghiệp bánh.

Khi mới bắt đầu Công ty Demaurex sản xuất robot Delta cỡ nhỏ từ nhữngnghiên cứu của EPFL còn có Công ty DeeMed sản xuất robot Delta dùng đểnâng đỡ kính hiển vi có khối lượng lớn (20 kg), sản phẩm này có tên gọi làSurgiScope (Hình 3), Công ty ABB sản xuất robot Delta với các kích cỡ lớn.

và hiện nay Công ty Demaurex đã bắt tay sản xuất robot có kích cỡ lớn hơn(khoảng từ 1.200 mm trở lên) Ngoài ra còn có Công ty Đức GROB-Werke sảnxuất TRIAGLIDE 5g, và Mikron Technology Group sản xuất robot Triaglide,

cả 2 robot này đều là loại robot Delta được trang bị động cơ tuyến tính

Hình 4: SurgiScope vận hành tại Surgical Robotics lab, Đại học Humboldt,

Berlin

Demaurex đã bán giấy phép tới công ty Nhật Bản Hitachi Seiki cho việcsản xuất các robot Delta nhỏ hơn để cho máy khoan (Hình 4) Trong thực tế,công ty Hitachi Seiki đại diện cho Demaurex ở Nhật Bản

15

Hình 5: Robot Delta của hãng Hitachi Seiki thực hiện chức năng nâng - đặt và

khoan

Gần đây, 3 robot Delta khác cũng đã được SIG Pack Systems giới thiệu

là do Demaurex sản xuất và CE33 do SIG Pack Systems sản xuất (hình 5).

Hình 6: Hai trong ba robot được SIGPack Systems giới thiệu, mã C33 và mã

CE33

1.2 Tình hình nghiêm cứu trong nước

Đánh giá tình hình nghiên cứu trong nước: Qua tổng hợp những công bốnghiên cứu và triển khai trong nước hiện nay về robot song song, nhóm nghiêncứu thấy rằng với robot song song dạng 6 chân hexapod được nghiên cứu khánhiều và được công bố khá rộng rãi trong và ngoài nước, tuy nhiên có thể nhậnthấy đều là robot song song thực hiện các tác vụ như máy gia công CNC vớiquá trình điều khiển phức tạp, chứ không phải là thực hiện các tác vụ như gắpnhặt, đặt vật Về robot dạng song song ứng dụng cho việc gắp, đặt vật chưa cóđơn vị nghiên cứu nào quan tâm giải quyết những vấn đề rất cơ bản trong tínhtoán thiết kế hệ thống, xác định các thông số cấu trúc và động học tối ưu cho

hệ thống được thực hiện

Và gần đây vào năm 2012, Công ty Tosy có đưa ra thông tin về robotsong song (Hình 7), tuy nhiên nhóm nghiên cứu không thể nào xác định đượccác thông số và thông tin về robot này do đó khó mà có thể so sánh hay đốichiếu được những gì mà nghiên cứu này đã làm được Ngoài ra ở các trườngđại học, cũng có những nghiên cứu mang tính rời rạc về robot dạng Delta, tuynhiên chưa đáp ứng được yêu cầu về mức độ học thuật cũng như ứng dụng vào

cuộc sống

Hình 7: Robot song song 3 bậc tự do hãng Tosy.

Do đó, việc làm chủ công nghệ, tiếp cận cùng với ứng dụng những côngnghệ mới, hiện đại vào việc nghiên cứu robot vào trong các dây chuyền sảnxuất và chế biến thực phẩm là việc làm khá cần thiết hiện nay của các nhà khoahọc, làm sao ứng dụng những công nghệ mới và tiên tiến để giảm giá thành sảnphẩm, tăng năng suất, hiệu quả, chất lượng, an toàn là việc làm cấp thiết hiệnnay Việc tăng năng suất, tăng hiệu quả và giảm giá thành là yếu tố sống còncủa doanh nghiệp cùng với ứng dụng công nghệ mới là bước đi cần thiết củacác doanh nghiệp sản xuất trong nước nếu muốn bước ra khỏi biên giới ViệtNam Một trong những công nghệ mới nhằm tăng hiệu quả, tăng năng suất, cảitiến chất lượng và giảm giá thành là việc ứng dụng tự động hóa vào trong côngnghiệp, đặc biệt là công nghiệp sản xuất thực phẩm khi nó đòi hỏi vệ sinh antoàn thực phẩm cho người sử dụng Từ trước tới nay tại Việt Nam hầu nhưchưa có đơn vị nào ứng dụng robot vào quá trình sản xuất thực phẩm do giáthành cao từ việc nhập khẩu thiết bị của nước ngoài Việc ứng dụng robot vàotrong các dây chuyền sản xuất là yếu tố quan trọng cho sự phát triển thị trườngcủa các doanh nghiệp

Hiện nay, các ứng dụng về robot trong công nghiệp sản xuất thực phẩm ởnước ta còn rất ít Nguyên nhân là các thiết bị này đều là ngoại nhập nên kháđắt (robot IRB 360/1 FLEX PICKER ROBOT 3 bậc tự do giá tới trên hơn 500triệu) Vì vậy, việc đầu tư cho các dây chuyền sản xuất với những robot loạinày thì không phải là vấn đề dễ giải quyết, trong khi không có đơn vị nào trongnước tổ chức nghiên cứu, thiết kế các thiết bị loại này phù hợp với yêu cầu sảnxuất đặc thù trong nước Có thể nói, vấn đề thiết kế, chế tạo tay máy song songtrong nước còn khá mới lạ Do đó, việc thiết kế chế tạo tay máy song songphục vụ trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm trong nước là rất cần thiết

do chưa có đơn vị nghiên cứu và thực hiện

19

2 Tính cấp thiết của đề tài

Để tăng năng suất, tăng hiệu quả và giảm giá thành là yếu tố sống còncủa doanh nghiệp Việc ứng dụng công nghệ cao và công nghệ mới là bước đicần thiết của các doanh nghiệp sản xuất trong nước nếu muốn bước ra khỏibiên giới Việt Nam Một trong những công nghệ mới nhằm tăng hiệu quả, tăngnăng suất cải tiến chất lượng và giảm giá thành là việc ứng dụng tự động hóavào trong công nghiệp

Với nhu cầu tiết kiệm vật liệu và chi phí trong quá trình thiết kế và chếtạo nhưng vẫn đảm bảo được các khả năng làm việc của robot như độ cứng và

độ bền Bài báo trình bày về quá trình nghiên cứu, tính toán và thiết kế, cũngnhư ứng dụng phương pháp tối ưu hóa hình học để tái thiết kế một phần củacánh tay robot Delta Sản phẩm được thiết kế lại có khối lượng nhẹ hơn, tốn ítvật liệu hơn nhưng vẫn đảm bảo được đặc tính cơ khí và khả năng làm việcnhư yêu cầu được đề ra

Trong bài báo cáo, tác giả đã xác định có 4 vùng làm việc có thể tích làm

việc lớn nhất là : I b ,II e, II f , III b các hệ bất phương trình xác định các vùngnhư trong [1]

0,75< r 1<1,5 1< r 2<1,5

r 1 ≥ r 2>|r3| {r 1=r 2=1,5 ;|r3|=0

Tâm khối cầu nội tiếp trùng với tâm hình trụ Cho trước các kích thước

và ℎ, tìm kích thước tối ưu l 1,l2 , R 3 Hình trụ sẽ xác định duy nhất một khối

cầu ngoại tiếp hình trụ Hình trụ sẽ chiếm thể tích lớn nhất bên trong khối cầu

1.2 Phương án 1

21

Hình 8 Phương án 1.

Sau khi lập bảng các tham số thiết kế, có thể xác định [1]

• Bán kính khối cầu nội tiếp: l 2=√( h

Với Z∫¿ là tọa độ trục Z của điểm A iv khi nằm trên trục Z tạo thành tâm

của khối cần làm việc

quá lớn gây ảnh hưởng đến truyền động Chọn 1

1 Kích thước l1 khôngChọn các kích thước thỏa mãn điều kiện 1 ≤

thích hợp để có không giancho các cơ cấu gá

trong phần còn lại của khối cầu nội tiếp giới hạn bởi mặt phẳng 1 Phương án

này chỉ áp dụng cho vùng IIe, IIIB (Hình 9)

cầu nội tiếp lớn nhất, điều kiện 2 phải gần với giá trị tối

¿=√r c2 +¿ ¿¿

1.4 Lựa chọn phương án chuyển động tối ưu

Lập bảng theo các phương án và vùng làm việc

phù hợp thuộc phương án 2 trong vùng

của mỗi vùng Ta chọn được số liệu

III b: L1=28,57 ≈ 30 cm và L2= 48,57

1.5 Mô mô hình hóa Robot

Để thuận tiện cho các phần sau, ta sẽ sử dụng lại mô hình hóa đã được

xây dựng bởi Williams [1] (Hình 10) Robot Delta gồm 3 cánh tay được liên

kết với nhau nhằm duy trì chuyển động tịnh tiến của tấm đế di động so với tấm

joint) là hai khớp gắn

đế cố định; mỗi cánh tay gồm một khớp quay (Revolute joint) là khớp dẫn

= 1,2,3); hệ tọa độ {B} gắn với tấm đế cố định và hệ {P} gắn

động (đặt tại các điểm với = 1, 2, 3) và hai khớp các - đăng (Universal

với cơ cấu hình bình hành (đặt tại các điểm và vớiB

25

chiều dài cạnh tam giác đều tấm đế cố định

wB khoảng cách từ tâm O đến cạnh của tấm đế cố định

uB khoảng cách từ tâm O đến đỉnh của tấm đế cố định

sP chiều dài cạnh tam giác đều tấm đế di động

wP khoảng cách từ tâm P đến cạnh của tấm đế di động

uP khoảng cách từ tâm P đến đỉnh Pđộng ( = 1,2,3) của tấm đế di

26

1.6 Lựa chọn cơ cấu truyền động cho Robot

Với phương án chuyển động tối ưu của robot đã được chọn như trên, tacần có ba động cơ tạo chuyển động quay các khớp quay cánh trên trên cùng.Việc cho phép truyền động trược tiếp từ động cơ qua cánh ray thì không

có được momen phù hợp cho việc chuyển động và vận hành của robot Chính

vì thế ta cần có một bộ giảm tốc phù hợp cho mỗi động cơ nhằm tăng momencho cánh tay, nhưng chính vì thế cũng sẽ làm giảm tốc độ của robot, đổi lạiđiều đó việc điều khiển robot sẽ dễ dàng hơn, tránh được phản lực tác độngtrực tiếp lên động cơ và nhằm bảo vệ tăng tuổi thọ động cơ

Hình 11: Nguyên lý của hộp giảm tốc động cơ cho mỗi cánh tay.

Hộp giảm tốc được sử dụng ở các cánh tay có sơ đô nguyên lý của một hệthống bánh răng thông thường có được tỉ số truyền mong muốn của cả họp số