Tính toán động học và mô phỏng chuyển động robot hàn hồ quang cho chi tiết lớn dạng ống

Mô hình, mục đích: Bài tiểu luận này trình bày về robot hàn hồ quang phục vụ hàn các chi tiết lớn, cụ thể là các chi tiết dạng trụ, được gá trên bàn quay ngang và thực hiện chuyển động

Trang 1

Khoa cơ khí – Bộ môn cơ học ứng dụng

Đồ án môn học:

Tính toán động học và mô phỏng chuyển động robot hàn hồ quang cho chi tiết lớn dạng ống

Hà Nội 12 - 2009

Giảng viên : TS Phan Bùi Khôi

Sinh viên : Nguyễn Trung Tuấn

Trang 2

Tính toán – mô phỏng robot hàn hồ quang cho chi tiết kích thước lớn

Mục lục

1 Lựa chọn cấu trúc, xây dựng mô hình 3

Nhu cầu thực tế: 3

Mô hình, mục đích: 3

2 Thiết kế mô hình 3D 4

Thiết kế các khâu của robot 4

Mô hình 3D tổng thể 7

Mô hình động học 8

3 Tính toán động học 9

3.1 Thiết lập phương trình động học cơ bản của robot 9

Xây dựng các hệ tọa độ: 9

Xác định các tham số động học: 10

Dây chuyền động học và các ma trận truyền: 10

3.2 Lập trình tính toán động học robot 12

Phần mềm ứng dụng: 12

Thuật toán và chương trình: 12

Lập trình quỹ đạo: 13

Thiết kế quỹ đạo: 15

3.3 Mô phỏng động học robot 16

Lập trình: 16

Chương trình mô phỏng: 17

Tài liệu tham khảo: 18

Trang 3

1 Lựa chọn cấu trúc, xây dựng mô hình

Nhu cầu thực tế:

Việc sử dụng các tay máy robot phục vụ trong công nghiệp đã rất phổ biến từ nhiều năm trước trên thế giới bởi chất lượng và năng suất đạt được Nhưng khi bắt đầu, việc sử dụng còn hạn chế

do giá thành và việc điều khiển Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các hạn chế trên đã được phần nào khắc phục, và tay máy robot đã thể hiện vai trò ngày càng lớn Trong tương lai, tay máy sẽ là những công nhân chính trong các nhà máy, xí nghiệp, tránh cho con người khỏi môi trường làm việc độc hại Lượng robot công nghiệp bán ra hàng năm là khá lớn, chủ yếu từ các nước: Nhật, Đức, Mỹ,

Trong nước ta hiện nay, nhu cầu sử dụng robot đã bắt đầu ra tăng khi các cơ sở sản xuất đã đủ khả năng trang bị cho mình cơ sở vật chất hiện đại Nhiều nơi đã sử dụng robot thay cho sức lao động của con người, trong đó phần lớn là các robot hàn và lắp ráp Các viện và các trường đại học cũng có nhiều nghiên cứu thành công và đủ khả năng chế tạo các tay máy phục vụ cho công nghiệp Điều này cho thấy sẽ xuất hiện một nền công nghiệp robot trong tương lai

Mô hình, mục đích:

Bài tiểu luận này trình bày về robot hàn hồ quang phục vụ hàn các chi tiết lớn, cụ thể là các chi tiết dạng trụ, được gá trên bàn quay ngang và thực hiện chuyển động quay để có thể thao tác trên toàn bộ bề mặt chi tiết

Để đảm bảo yêu cầu của mình, robot cần có khả năng đưa đầu hàn tới mọi vị trí trong một

khoảng không gian thao tác trên bề mặt của vật, điều này yêu cầu 3 bậc tự do Đồng thời tiếp cận

bề mặt chi tiết theo hướng vuông góc và di chuyển tiếp tuyến với đường hàn, yêu cầu này cần 2 bậc tự do (một bậc tự do để quay vuông góc với bề mặt hàn và một bậc tự do để xoay mũi hàn tiếp tuyến với đường hàn) Như vậy để thực hiện, chúng ta cần 5 bậc tự do Trừ đi một bậc tự do

là góc quay của chi tiết, robot yêu cầu có 4 bậc tự do

Trong trường hợp này, ta sử dụng robot hàn 6 bậc tự do vì:

 Đề phòng các trường hợp bó kẹt khớp

 Tận dụng khi hàn các đường hàn nhỏ, chi tiết sẽ không cần thực hiện chuyển động quay,

sẽ làm giảm được sai số vì quán tính của chi tiết rất lớn, khó điều khiển theo quy luật phức tạp

 Có thể mở rộng để trở thành robot hàn CNC cho mọi dạng chi tiết mà chỉ cần thay đổi luật diều khiển Đồng thời thêm các nhiệm vụ khác ngoài nhiệm vụ hàn

 Các robot hàn hồ quang trên thị trường đều là các robot 6 bậc tự do Ta sẽ dễ dàng đặt mua hơn khi không trực tiếp sản xuất và khách hàng của chúng ta sẽ dễ dàng chọn lựa và đặt mua

Trang 4

Mô hình robot như hình 1.1:

2 Thiết kế mô hình 3D

Thiết kế các khâu của robot

Việc thiết kế mô hình 3D được thực hiện bằng phần mềm AutoCAD Các thông số của các khâu được cho trong hình vẽ 2.1 tới 2.6

q1

q2

q3

q4

q5

q6

Hình 1.1

hình 2.1: Khâu 0

Trang 5

hình 2.3: Khâu 2 hình 2.2: Khâu 1

Trang 6

Trang 7

Mô hình 3D tổng thể

Mô hình tổng thể sau khi lắp ráp các khâu như hình 2.7 Kiểm tra sơ bộ chuyển động quay của các khâu và kích thước phù hợp, không phát sinh lỗi

Trang 8

Mô hình động học

Từ các kích thước cơ bản đo được trong thiết kế, ta xác định được sơ đồ động học của robot như hình 2.9

Hình 2.9

1.2 m

0.3 m

0.25 m

1 m

0.2 m

0.1 m

1 m

0.7 m

Trang 9

3 Tính toán động học

3.1 Thiết lập phương trình động học cơ bản của robot

Xây dựng các hệ tọa độ:

Các hệ tọa độ gắn lên các khâu được xác định như hình 3.1

z0

z5 = z6

x0

q1

x1

z1

q2

z2

x2

z3

x3

q3

z4

x4 x’3

x5

q4

q5

x6

x’5

q6

x’1

x’2

Trang 10

Xác định các tham số động học:

Các tham số động học denavit-hatenberg được xác định như trong bảng 3.1

bảng 3.1

Dây chuyền động học và các ma trận truyền:

Các ma trận truyền và ma trận trạng thái được xác định từ bảng tham số động học DH Các ma trận DH được xác định từ các biến khớp:

1

0

cos( ) 0 sin( ) 0.3cos( )

sin( ) 0 cos( ) 0.3sin( )

T





2 1

cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( )

T





3

2

cos( ) 0 sin( ) cos( )

sin( ) 0 cos( ) sin( )

T





4 3

cos( ) 0 sin( ) 0 sin( ) 0 cos( ) 0

T





5

4

cos( ) 0 sin( ) 0

sin( ) 0 cos( ) 0

T





6 5

cos( ) sin( ) 0 0 sin( ) cos( ) 0 0

T





Ma trận T06 được xác định qua phép nhân 6 ma trận trên:

Trang 11

Vị trí của khâu cuối được cho trong ma trận đích:

T



Phương trình động học của robot được rút ra từ điều kiện: T6* T6

Cân băng các phần tử của hai ma trận ta có:

*

z z

















(3.1)

Hệ phương trình 3.1 xác định 6 phương trình với 12 tham biến: x, y, z, rotx, roty, rotz, q1, q2, q3,

q4, q5, q6 Trong bài toán động học thuận, x, y, z, rotx, roty, rotz là các ẩn số, các biến khớp được cho trước Còn trong bài toán động học ngược, các biến khớp là ẩn số, x, y, z, rotx, roty, rotz được cho biết trước Hệ là hệ 6 phương trình 6 ẩn số, có thể giải được Nhưng do hệ là phi tuyến nên ta cần giải bằng phương pháp số

Trong trường hợp này có thể gộp bậc tự do quay của chi tiết vào robot để tạo thành robot 7 bậc

tự do như hình 3.2, nhưng khi đó sẽ gây ra dư dẫn động và không ứng dụng được vào trường hợp chỉ muốn điều khiển nguyên robot vào các ứng dụng khác

x0

y0

z0

z6

x6

y6

z7

x7

y7

z0

x0

y0

Trang 12

3.2 Lập trình tính toán động học robot

Phần mềm ứng dụng:

Việc tính toán động học dựa trên sử dụng phềm mềm Maple Trong giới hạn của tiểu luận này, ta thực hiện tính động học thuận và động học ngược vị trí

Thuật toán và chương trình:

Tiến trình thực hiện lập trình: Các module lập trình được xác đinh như trong hình 3.3

Chú giải:

 DH(θ,d,a,α): Hàm tính ma trận DH cho hai khâu liên tiếp T i i1, đầu vào là 2 tham số khâu và

2 tham số khớp

 DHFunc1(A): Hàm trả về ma trận DH 6

0

T của khâu thao tác so với khâu 0 Đầu và là bảng tham số động học DH dạng ma trận

 DHFunc2(X): Hàm trả về ma trận T6*xác định vị trí khâu thao tác so với khâu 0 Đầu vào là vector X = [x, ,y, z, rotx, roty, rotz]

 MakeEquation(A): Trả về hệ 6 phương trình động học robot, được lấy ra từ cân bằng các phần tử hai ma trận của DHFunc1 và DHFunc2 A là ma trận các tham số động học DH

Inverse(ff,q0,x) NewtonRaphson

(ff,q0)

Patch=Vector

[x t , y t ,z t ,

rotx t ,roty t ,rotz t ]

InverseKinematic (patch,ff,q0) join.txt

VeDoThi (“join.txt”,i)

Động học ngược vị trí

ff=MakeEquation(A)

MakeEquation(A)

DHFunc2(X)

X=[x,y,z, rotx,roty,rotz]

Thành lập hàm

DH T i, i+1

Thành lập hàm DH T 06

DHFunc1(A) A: ma trận

hệ số DH

DH(θ,d,a,α)

Hình 3.3

Trang 13

 Inverse(ff,q0,x): Giải bài toán động học ngược tại một vị trí Đầu vào ff: vector 6 phương

trình động học (ff= MakeEquation(A)), q0: lân cận của nghiệm (q0=[q1, , q2, q3, q4, q5, q6]),

x: vị trí khâu cuối (X = [x, ,y, z, rotx, roty, rotz]) Giải bằng phương pháp số dùng hàm

newtonraphson

 InverseKinematic(patch,ff,q0): Giải bài toán động học ngược cho một quỹ đạo Đầu vào

patch là vector 6 phương trinh x, ,y, z, rotx, roty, rotz theo t q0 là điều kiện biên tại t=0 Hàm

trả về file join.txt chứa các giá trị float dạng ma trận n hàng 6 cột là giá trị các biến khớp

 VeDoThi("join.txt”,i): Vẽ đồ thị để kiểm tra kết quả, i là số tứ tự biến khớp muốn vẽ (qi)

Chương trình tính toán cụ thể được nộp kèm theo báo cáo

Lập trình quỹ đạo:

Công nghệ hàn: Mũi hàn nằm trong mặt phẳng tiếp xúc với đường hàn, nghiêng một góc 25o so

với phương pháp tuyến của mặt hàn (hình 3.4)

Vì đường hàn lớn, mũi hàn được đưa qua lại tạo

thành đường hàn zich zắc như hình 3.4

0

Quỹ đạo hàn

hình 3.4: công nghệ hàn

Đường hàn

khâu 5

x

y

z

75 o

hình 3.5: Mũi hàn

khâu 6 (mũi hàn)

chuyển động lắc của đầu hàn

Trang 14

Thiết kế mũi hàn: Mũi hàn được lắp lệch so với trục khớp 5 để dẫn dây hàn và ống dẫn khí trơ Đầu hàn thiết kế nghiêng góc 75o, mũi hàn nằm trên trục khớp 5 như hình 3.5

Như vậy, trong quá trính hàn, quỹ đạo hàn được thiết kế sao cho trục z thẳng góc với mặt phẳng hàn, trục x tiếp tuyến và hướng theo chiều hàn Đảm bảo công nghệ hàn

Mũi hàn được gằn với 1 motor phụ tạo chuyển động lắc khi hàn, sinh ra di chuyển qua lại của đầu mũi hàn Chuyển động này sẽ tạo ra đường hàn zich zắc như hình 3.2

Lập trình quỹ đạo hàn: Quỹ đạo hàn được cho dưới dạng giải tích, được tính thông qua phương trình của đường hàn cho trong tọa độ trụ

Phương trình quỹ đạo của đường hàn cho dưới dạng tọa độ trụ:

φ = φ(p)

y = y(p)

(p là biến số Có thể khử p để có phương trình dạng φ = φ(y))

Từ hình 3.6, quỹ đạo hàn (x, y, z, rotx, roty, rotz) được xác định theo công thức:

 x = - r.sin(φ)

 y = - y

 z = r.cos(φ)

 rotx = 0

 roty = Pi – φ

 rotz = atan2(r.dφ,dy)

(r là bán kính vật hàn)

Quay hệ tọa độ theo các góc cacdang:

{Oxyz} 0 → {Oxyz} 1 → {Oxyz} 2 → {Oxyz}

y 1 roty

z 2 rotz

x 0

rotx

hình 3.6

O 2

x 2

z 1

z 2 roty

y 0 =y 1

z 0

O 0

x 0

rotx = 0

O 1

x z

đường hàn

rotz

φ

Trang 15

Thiết kế quỹ đạo:

Trong tiểu luận này, robot được mô phỏng thực hiện hai đường hàn (hình 3.7):

 Đường hàn 1: Có quỹ đạo hình sin trên bề mặt vật hàn, kích thước đường hàn lớn, yêu cầu sự chuyển động của mâm cặp mang chi tiết hàn Robot hàn được giới hạn 2 bậc tự

do 2sin( 5)

0.1

t



 





 



 Đường hàn 2: Cũng có quỹ đạo hình sin, kích thước nhỏ Để tăng tính chính xác, vật hàn không chuyển động, robot sẽ thực hiện chuyển động để đầu mang que hàn di chuyển theo

quỹ đạo 8sin( 5)

0.1

t



 





 



Đường hàn lớn (1)

Hình 3.7

Đường hàn nhỏ (2)

Trang 16

3.3 Mô phỏng động học robot

Lập trình:

Chương trình mô phỏng động học robot được lập trình bằng Visual C trên môi trường đồ họa

OpenGL Các modul lập trình cho như trong hình 3.8

File chương trình được nộp kèm theo báo cáo

Hình 3.8

Xây dựng mô hình

(Auto CAD)

Xuất file STL

Đọc file STL

Lắp thành robot

Xây dựng quỹ đạo (Maple)

Xuất file TXT

Đọc file TXT

Lưu vào mảng

Khởi tạo OpenGL

Xây dựng giao

diện, giao tiếp với

người xử dụng Xây dựng timer

Gán các giá trị trong mảng cho các biến

khớp theo thời gian Hiển thị

Trang 17

Chương trình mô phỏng:

Để chạy chương trình, yêu cầu máy cần cài đặt Visual C++ 6.0 trở lên Để khởi động chương trình, chạy file: Sample.exe Giao diện của chương trình như hình 3.7

Hình 3.7

Các nút bấm giao diện của chương trình:

: Robot bắt đầu thực hiện chu trình

: Tạm dừng chương trình

: Phóng to, thu nhỏ

: Dịch chuyển hình

: Quay hình

Khi bấm nút , robot thực hiện quá trình đi tới vật, hàn hai đường hàn và quay trở về vị trí ban

Trang 18

Tài liệu tham khảo:

[1] GS.TSKH Nguyễn Văn Khang

Động lực học hệ nhiều vật – NXB Khoa học và kỹ thuật 2007

[2] Phạm Công Ngô

Tự học lập trình C++ trong 30 ngày - NXB Khoa học và kỹ thuật

[3] Jackie Neider, Tom Davis, Mason Woo

OpenGL RedBook - Addison-Wesley Publishing Company

[4] Unknown author

OpenGL Tutorials for Windows using MFC

[5] Maple help file

[6] PGS TS Đinh Văn Phong

Phương pháp tính dùng trong cơ khí - NXB Khoa học và kỹ thuật

Định dạng
Số trang	18
Dung lượng	682,88 KB