Bài giảng môn học robot CN và CNC

Các chương trình phát triển nông nghiệp, nông thôn dù là của Chính phủ hay của các tổ chức nước ngoài tài trợ đều thực hiện dưới hình thức dự án. Nhưng từ trước năm 1995 môn học xây dựng và qu 1Máy CNC vàRobot công nghiệpTăng Quốc NamHọc viện Kỹ thuật Quân sựT.Q. Nam. Bài giảng Máy CNC và RBCNGiới thiệu về môn học1. Tên môn học: Máy điều khiển theo chơng trình số và robot công nghiệp2. Số lợng đơn vị học trình: 02 (30 tiết)3. Mục tiêu của môn học Kiến thức: Củng cố các kiến thức cơ bản về máy cắt kim loại điều khiển theo chơng trình số Hiểu đợc cấu trúc hệ thống điều khiển theo chơng trình số cho máy cắt kim loạiBiết đợc cấu trúc, động học và ứng dụng của robot công nghiệp Kỹ Năng: Vận dụng đợc các kiến thức để có thể tiếp cận đợc công nghệ gia công trên máy CNC.2T.Q. Nam. Bài giảng Máy CNC và RBCNGiới thiệu về môn họcTài liệu học tập1. Nguyễn Ngọc Cẩn Máy điều khiển theo chơng trình số2. Nguyễn Ngọc Cẩn Điều khiển tự động NXB khoa học kỹ thuật3. Tạ Duy Liêm Máy điều khiển theo chơng trình số và robot công nghiệp Trờng ĐHBK Hà Nội 19964. Tạ Duy Liêm Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ NXB khoa học kỹ thuật 19995. Nguyễn Thiện Phúc Ngời máy công nghiệp Trờng ĐHBK HàNội 19956 Bi gingT.Q. Nam. Bài giảng Máy CNC và RBCNChơng 1. Máy cắt kim loại điều khiển theo chơng trình số(Máy CNC) 1.1 Lịch sử máy CNC và các khái niệm liên quan 1.2 Điều khiển theo chơng trình số 1.3 Kết cấu máy CNC 1.4 Hiệu quả sử dụng máy CNC3T.Q. Nam. Bài giảng Máy CNC và RBCN1.1. Lịch sử máy CNC và các khái niệm liên quanT.Q. Nam. Bài giảng Máy CNC và RBCNLàm thế nào để gia công các chi tiết, khuôn mẫu phức tạp? Xa xaĐợc chia thành các phần đơn giản hơn để gia công Sau khi gia công xong, chúng mới đợc ghép lại với nhau thành chi tiết hoàn chỉnh bằng phơng pháp hàn, tán. Công nghệ đó đắt và không đảm bảo đợc độ chính xác về kích thớc và hình học mong muốn cũng nh sự đồng đều về cơ tính vật liệu. Sau này Dùng máy chép hình, ngời ta đã chế tạo đợc các chi tiết phức tạp hơn. Công nghệ gia công trên máy chép hình vẫn còn nhiều nhợc điểm độ chính xác không cao (do quán tính của hệ thống lớn, do sai số của mẫu, .), năng suất thấp (do phải hạn chế tốc độ trợt của đầu dò trên mẫu), đắt và kém linh hoạt (vì các dỡng mẫu là các chi tiết cơ khí chính xác, dùng vật liệu đặc biệt nên khó chế tạo). 4T.Q. Nam. Bài giảng Máy CNC và RBCNNC NC = Numerical Control ý tởng về điều khiển số (NC) Có thể hình dung máy công cụ điều khiển số là một máy chép hình, nhng các dỡng, mẫu, cam, . cơ khí đợc thay bằng chơng trình máy tính. Chơng trình không bị mòn nh các dỡng mẫu, mang đi mang lại dễ dàng. Việc soạn thảo, sửa đổi chơng trình lại dễ, nhanh và rẻ hơn nhiều so với chế tạo cam, dỡng, . 3 nguyên tắc đối với máy NC công nghiệp Sử dụng máy tính để tính toán quỹ đạo chạy dao và lu dữ liệu vào bìa đục lỗ. Dùng thiết bị đọc tại máy để tự động đọc dữ liệu từ bìa đục lỗ. Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ xử lý và liên tục đa ra thông tin điều khiển các động cơ đợc gắn lên trục vít me.T.Q. Nam. Bài giảng Máy CNC và RBCNLịch sử phát triển NC 1949: Mẫu đầu tiên của máy NC do MIT (Viện công nghệ Massachusetts) thiết kế và chế tạo theo đặt hàng của Không lực Hoa kỳ, để sản xuất các chi tiết phức tạp và chính xác của máy bay. 1952: chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hãng Cincinnati Hydrotel đợc trng bày tại MIT. 1960s: máy NC đợc sản xuất và sử dụng trong công nghiệp. các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lợng. chơng trình đợc chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa đợc. Giao tiếp ngời máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím. 1970s: các linh kiện bán dẫn đợc sử dụng phổ biến trong công nghiệp máy NC gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lợng hơn, . các băng đục lỗ sau này đợc thay bằng băng hoặc đĩa từ, . tính năng sử dụng của các máy NC vẫn cha đợc cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính đợc ứng dụng.5T.Q. Nam. Bài giảng Máy CNC và RBCNCNC CNC = Computer Numerical Control Đầu 1970s, máy CNC ra đời: Các bộ điều khiển số trên máy công cụ đợc tích hợp máy tính và thuật ngữ CNC ra đời. Máy CNC u việt hơn máy NC thông thờng về nhiều mặt tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn, . u điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với ngời dùng và các thiết bị ngoại vi khác. Các máy CNC ngày nay có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với ngời dùng. nhờ màn hình, ngời dùng đợc thông báo thờng xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo báo lỗi và nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mô phỏng đểkiểm tra trớc quá trình gia công, . có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác nh robot, băng tải, thiết bị đo, . trong hệ thống sản xuất. có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ(LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và Internet. T.Q. Nam. Bài giảng Máy CNC và RBCNCNC và CADCAM CAD (Computer Aided Design) thiết kế có trợ giúp của máy tính là một lĩnh vực ứng dụng của CNTT vào thiết kế. trợ giúp cho các nhà thiết kế trong việc mô hình hoá, lập và xuất các tài liệu thiết kế dựa trên kỹ thuật đồ hoạ. CAM (Computer Aided Manufacturing) sản xuất có trợ giúp của máy tính xuất hiện do nhu cầu lập trình cho các thiết bị điều khiển số (máy CNC, robot, thiết bị vận chuyển, kho tàng, kiểm tra) và điều khiển chúng. CADCAM vốn xuất hiện độc lập với nhau, nhng ngày càng xích lại gần nhau. là thuật ngữ ghép, dùng để chỉ một môi trờng thiết kế sản xuất với sự trợ giúp của máy tính. Sự phát triển của máy CNC và công nghệ gia công trên máy CNC liên quan đến: kỹ thuật điều khiển tự động, kỹ thuật thiết kế và sản xuất có trợ giúp của máy tính (CADCAM). 6T.Q. Nam. Bài giảng Máy CNC và RBCNCNC và FMSCIM FMS Một hệ thống sản xuất tự động, có khả năng tự thích ứng với sựthay đổi đối tợng sản xuất đợc gọi là hệ thống sản xuất linh

Bài giảng môn học Robot CN

và CNC

Động học robot

Phương pháp D-H

Robot 3R

Robot PUMA

Robot stanfort

Ma trận biến đổi thuần D-H

1

Robot 2R

Chọn hệ trục tọa độ

Robot scara

Động học thuận robot

Ví dụ

p p p

Ví dụ: Robot scara

1 2 3 1 2 3 1 1 2 1 2

0 4

C =

hay

Ví dụ

Lên Xuống

Bài tập: Giải bài toán động học ngược

Bài tập: Giải bài toán ngược

PRRR

( , )

( , , )

y = y q q f &

Chương 4: Động lực học tay máy

Mục đích: Nghiên cứu mối quan hệ giữa lực, mômen, năng

lượng… với các thông số chuyển động của nó

.

– Mô phỏng hoạt động của tay máy

– Phân tích tính toán kết cấu của tay máy.

– Phân tích thiết kế hệ thống điều khiển của tay máy.

- Bài toán động học thuận x = j ( ) q

- Bài toán động học ngược

4.1 Phương trình Lagrange

Hàm Lagrange

Trong đó T và U tương ứng là động năng và thế năng của hệ thống.

Phương trình chuyển động Lagrange :

Trong đó

: Lực tổng quát có thể bao gồm mô men phát động trên trục động cơ, mômen ma sát tại các ổ trục, lực tương tác giữa phần công tác với đối tượng…

Sử dụng phương trình Lagrange, cần thiết:

Ví dụ 1:

Mô hình động học của trục dao động tượng trưng cho một khâu chuyển động quay tròn của robot, được dẫn động bởi một động cơ độc lập như hình vẽ :

Ví dụ

Trên hình vẽ động cơ điện có có mômen quán tính Im , nối với hộp giảm tốc có tỉ số truyền kr , nhờ đó, trục được truyền một mô men chủ động và có vận tốc góc Vật quay

có khối lượng m, mômen quán tính I và tọa độ trọng tâm đặt

cách trục dẫn động một khoảng l Chọn thông số chính mô

tả vị trí của trục quay là góc quay của trục (xem hình vẽ)

Có nghĩa là tính ngược lại qua tỉ số truyền của hộp giảm tốc trục động cơ phải quay một góc Khi đó động năng của hệ thống tính theo công thức:

22

2

1 '

2

1



 ImkrI

• Trong đó thừa số thứ nhất mô tả động năng của khâu chấp hành, thừa

số thứ hai mô tả động năng của động cơ.

• Thế năng của hệ thống phụ thuộc vào chiều cao thế năng của khâu chấp hành:

• Thay vào phương trình Lagrange được:

• Công thức Lagrange mô tả quan hệ giữa các tọa độ suy rộng với lực suy rộng, đòi hỏi phải tính trước một số đại lượng có mặt như:

) cos 1

(  

 mgl U

) cos 1

( mgl '

k

I 2

1 '

I 2

2

2

k I I

L d

k I I

L

r m

r m

• Thay các kết quả trung gian vào công thức Lagrange và giả thiết rằng lực tổng quát gồm mô men phát động , và mô men ma sát có mô hình sau:

• Hay dưới dạng quan hệ với lực phát động của động cơ:

' sin

"

) ( I  Imkr 2   mgl       F 

• Phương trình này có ý nghĩa như sau:

Để quay trục chấp hành đi một góc cần tác dụng lên trục động cơ một lực tối thiểu , lực này dùng tạo ra tất cả các thành phần có công âm ở vế trái, trong đó:

– Các đại lượng gắn với trong phương trình mô tả hiệu

ứng của lực quán tính (đạo hàm bậc hai của góc quay là gia tốc góc, gia tốc góc gắn với lực quán tính).

– Các đại lượng gắn với trong phương trình mô tả hiệu

ứng tương hỗ (đạo hàm bậc nhất của góc quay là vận tốc, vận tốc lũy thừa một gắn với lực ma sát).

– Các đại lượng gắn với trong phương trình mô tả hiệu

ứng li tâm (trong ví dụ này bỏ qua hiệu ứng li tâm nên không có mặt thừa số này).



Hai khâu của robot có chiều dài d1; d2 với các khối lượng tương ứng

m1; m2 Các khớp quay hoạt động với biến hãy xác định biểu thức tính lực tổng quát.

• Với khâu 1:

• Trong đó K kí hiệu của động năng, ở đây chỉ xét động năng của khâu

mà không kể động cơ, P là thế năng của khâu

• Vị trí của khâu 2 tính theo biểu thức sau:

• Chiều cao thế năng của khâu 2 tính bằng tung độ điểm 2:

=

-) cos(

cos

) sin(

sin

2 1

2 1

1 2

2 1

2 1

1 2

y

d d

x

• Khâu 2 chuyển động theo phương trục x và trục y đồng thời nên vận tốc tổng hợp bằng đường chéo hình chữ nhật tính theo pitago như sau:

• Vậy:

) ' '

)(

cos(

' cos

) )(

cos(

cos '

2 1

2 1

2 1

1 1

2

1 2

1 2

1 1

1 2

dt

d dt

d d

dt

d d

x dt

d x

) ' '

)(

sin(

' sin

dt

d y

)] ' ' '

(' cos

2 ) ' ' ' 2 '

( '

[ '

4.1.1 Tính động năng

2

1 2

li

1 Momen quán tính khối của vật rắn

Ví dụ

1

Ví dụ

Động năng:

Thế năng:

Giải

Hàm lagrange

PT lagrange

1 1 1

1 1 1

os sin

X l c

Y l

q q

Ví dụ

• The Pelican Prototype Robot

Động năng

Thế năng

Hàm lagrange

PT lagrange

Chương 4: Cơ sở điều khiển robot

Động học và động lực học tay máy để phục vụ việc phân tích kết cấu của tay máy, làm nền tảng cho việc thiết kế phần cơ khí của tay máy Mặt

khác quan hệ giữa lực tổng quát, mô men và chuyển động lại rất cần cho việc thiết kế cơ cấu dẫn động, chọn nguồn chuyển động, song về cơ bản những công việc trên mới chỉ đề cập đến phần tay máy.

• Theo như các định nghĩa đã đưa ra trong chương 1, tay máy là thiết bị được điều khiển tự động theo chương trình Nó gồm hai phần là đối tượng điều khiển và hệ thống điều khiển Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển là điều khiển tay máy thực hiện các nhiệm vụ đặt ra, nghĩa là phần công tác phải dịch chuyển theo quỹ đạo định trước và thực hiện các chức năng công tác Nội dung chính của điều khiển robot liên quan tới những vấn đề sau:

- Quan hệ giữa quỹ đạo hoạt động của phần công tác với các thông số động học, động lực học của tay máy.

- Luật, phương pháp điều khiển và cấu trúc của hệ điều khiển.

- Các cơ cấu của hệ thống điều khiển như cơ cấu phát động, cảm biến, bộ điều khiển, cùng các cơ cấu chuyển đổi và truyền tín hiệu giữa chúng.

4.1 Thiết kế quỹ đạo:

• Quỹ đạo là vấn đề chung trong điều khiển robot, vì để hoàn thành nhiệm vụ cụ thể của mình thì trước hết phần công tác phải di chuyển theo đúng quỹ đạo xác định Nói cách khác, quỹ đạo là yếu tố cơ bản để mô tả hoạt động của robot Việc thiết kế quỹ đạo cung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển nên cũng là cơ sở trực tiếp cho việc điều khiển

• Tạm phân biệt hai thuật ngữ đường dịch chuyển hàm ý chỉ tập hợp các điểm trong

không gian mà khâu cần điều khiển phải đi qua trong quá trình làm việc, nó chứa đựng các yếu tố hình học thuần túy, điều này đã được nghiên cứu kĩ khi học về tạo hình và mô

tả ban đầu của các dạng đường cong khác nhau trong CAD/CAM học phần I

• Thuật ngữ quỹ đạo chuyển động hay gọi tắt là quỹ đạo bao gồm cả yếu tố hình học của

đường dịch chuyển lẫn yếu tố thời gian thực hiện chuyển động đó như vận tốc, gia tốc

Vì vậy bài toán thiết kế quỹ đạo liên quan đến các vấn đề động học và động lực học

• Các yếu tố đầu vào của bài toán bao gồm đường dịch chuyển và các điều kiện ràng buộc về động học và động lực học

• Các yếu tố đầu ra là quỹ đạo của phần công tác Nói chung, mô tả chính xác đường dịch chuyển là rất khó khăn Người ta giảm bớt các tham số bằng cách quy định các điểm biên của vùng hoạt động, thêm các điểm trung gian mà đường phải đi qua, sau đó xấp xỉ (nội suy) bằng các đường đơn giản tương tự như vậy, yếu tố thời gian của quỹ đạo không thể xác định cho từng điểm mà thường quy định cho cả đoạn đường Chúng cũng thường được quy định bằng các giá trị giới hạn như vận tốc cho phép, hay gia tốc cho phép, hoặc gán bằng các giá trị mặc định

• Bài toán thiết kế quỹ đạo được đặt ra trong cả không gian khớp lẫn vùng hoạt động

Thiết kế quỹ đạo

3 nhiệm vụ:

-