Tính toán và mô phỏng sự phân bố ứng suất trong quá trình làm việc của robot SCARA bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỮU BANG TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ROBOT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỮU BANG

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ROBOT SCARA

BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TỬ HỮU HẠN

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2006

S KC 0 0 1 1 2 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG QUÁ TRÌNH

LÀM VIỆC CỦA ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Mã số ngành : 60.52.04

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NĂM 2006

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- -      - -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG

SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG QUÁ TRÌNH

LÀM VIỆC CỦA ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Mã số ngành : 60.52.04

Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN HOÀI SƠN

Học viên thực hiện : KS NGUYỄN HỮU BANG

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng09năm2006

Đến đây, cho phép tôi gởi lời cảm ơn chân thành đến :

- Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh

- TS Nguyễn Hoài Sơn – trưởng khoa Xây dựng và cơ học ứng dụng – trường

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh

- TS Nguyễn Tiến Dũng – trưởng phòng Đào tạo – trường Đại học Sư phạm

Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh

- Quý thầy cô khoa Cơ Khí Máy – trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ

Chí Minh

- Phòng Quản lý Khoa học – Quan hệ Quốc tế – Sau Đại học và các phòng

ban trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh

- ThS Lê Thanh Phong – GV khoa Xây dựng và cơ học ứng dụng – trường

Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

- -      - -

TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Ngày, tháng, năm sinh : 21 – 12 – 1958

Nơi sinh : huyện Tây Sơn – tỉnh Bình Định

Địa chỉ liên lạc :

Nhà riêng : 791 – Nguyễn Trung Trực – An Hòa – Rạch Giá – Kiên Giang

Cơ quan : 31B – Chi Lăng – Vĩnh Lạc – Rạch Giá – Kiên Giang

Quá trình đào tạo :

- Từ 09/1983 – 09/1987 học Đại học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

- Tốt nghiệp đại học 09/1987

- Từ 10/2004 – 10/2006 theo học chương trình cao học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Quá trình công tác :

- Từ 10/1987 – 11/1991 công tác tại Nhà máy Cơ khí Bảo Lộc – Lâm Đồng

- Từ 12/1991 đến nay công tác tại Trung tâm Kỹ thuật Tổng hợp Kiên Giang

-     -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TÓM TẮT LUẬN VĂN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

    

gày nay, Nhờ sự phát triển của kỹ thuật số và công nghệ thông tin, khả

năng “mềm hóa” và “môđun hóa” các hệ thống thiết bị sản xuất được thực

hiện Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) và hệ thống tích hợp sản xuất dùng máy tính CIM (Computer Integrated Manufacturing) ra đời Robot như là một bộ phận cấu thành không thể thiếu của các hệ thống này Robot làm những công việc chuyển tiếp giữa các máy công tác, vận chuyển trong phân xưởng, thao tác trong kho tự động v.v

Giới chuyên môn chỉ mới quan tâm đến việc nghiên cứu xây dựng các thuật toán mới để từ đó xây dựng chương trình tính toán điều khiển robot, xây dựng các phương pháp tự động thiết lập và giải các bài toán động học, việc tính bền cơ học cho robot chưa được quan tâm mấy Trong khi đó, có những trường hợp trong lúc làm việc robot phải chịu lực rất lớn, robot SCARA được sử dụng rộng rãi trong việc trung chuyển hàng hóa giữa các băng tải, thao tác trong kho tự động …Vì vậy, việc nghiên cứu, tính toán và mô phỏng sự phân bố ứng suất trong quá trình làm việc của robot SCARA để từ

đó làm nền tảng cho việc xác định độ sai lệch định vị của bàn kẹp do tổng hợp chuyển

vị của các khâu tạo nên và tính bền là điều cần thiết

Qua sáu tháng nghiên cứu và thực hiện đề tài : “Tính toán và mô phỏng sự phân

bố ứng suất trong quá trình làm việc của robot SCARA bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, luận văn đã đạt được một số kết quả :

- Phân tích, tính toán động học và động lực học robot SCARA bốn bậc tự do RRTR

- Thiết kế giao diện mô phỏng động học và động lực học robot SCARA bốn bậc tự do RRTR bằng chương trình MATLAB

- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho khung không gian vào việc tính toán cho robot SCARA bốn bậc tự do RRTR

- Thiết kế giao diện mô phỏng ứng suất và chuyển vị sinh ra trong quá trình làm việc của robot SCARA bốn bậc tự do RRTR bằng chương trình MATLAB

-     -

N

The experts only consider the study how to develop new heuristics so that they can develop programs to control robots, develop methods that can automatically establish and solve kinetic problems, these experts have not much considered mechanical enduring for roborts Whereas, there are some cases that robots have to suffer great strength while working, robots SCARA are used widely to transport goods between delivering rows, to operate in automatic factories So that the study on stress dispose in robot working time, calculating and simulating it in order to identify the location error of gripper created by the transpositive synthesis of the components and the strenght is necessary

After six months to study and carry out the topic: “Calculating and simulating stress dispose in robot SCARA working time by the finite element method” the thesis now has got some results:

- Analysing, calculating kinetics and dynamic of robot SCARA’s four free levels RRTR

- Designing interface simulation about kinetic and dynamical of robot SCARA’s four free levels RRTR by using MATLAB program

- Studying to apply the finite element method for space frame into the calculating of robot SCARA’s four free levels RRTR

- Designing interface simulation about stress and displacement created in working process of robot SCARA’s four free levels RRTR by using MATLAB program

-     -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC

MỤC LỤC

    

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu và giới hạn của đề tài 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC 4

2.1 Thiết lập hệ phương trình động học 4

2.1.1 Xác lập các hệ tọa độ 4

2.1.2 Bảng thông số DH (Denavit – Hartenberg) 5

2.1.3 Xác định các ma trận Tii+1 ( i = 0,1,2,3 ) theo các thông số DH 5

2.1.4 Hệ phương trình động học 6

2.2 Bài toán động học ngược 7

2.3 Nhận xét 10

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC 11

3.1 Phương pháp phân tích động lực học robot 11

3.2 vận tốc và gia tốc 11

3.2.1 Vận tốc 13

3.2.1.1 Tính các giá trị v ij U 13

3.2.1.2 Tính các giá trị vận tốc Vij 14

3.2.2 Gia tốc 15

3.2.2.1 Tính các giá trị a ij U 15

3.2.2.2 Tính các giá trị gia tốc aoi 17

3.3 Động năng 18

3.4 Thế năng 19

3.5 Phương trình động lực học cơ cấu robot scara 19

3.5.1 Cơ sở lý thuyết 19

3.5.2 Thiết lập phương trình động lực học 20

3.5.2.1 Các giá trị Ji 20

3.5.2.2 Thiết lập ma trận D(q) 20

3.5.2.3 Thiết lập ma trận h(q) 21

3.5.2.4 Thiết lập ma trận c(q) 24

3.5.2.5 Phương trình động lực học 25

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN 27

4.1 Thiết lập mô hình hình học cho bài toán 27

4.2 Cơ sở lý thuyết phần tử hữu hạn đối với bài toán khung không gian 27

4.2.1 Các phương trình phần tử trong hệ tọa độ địa phương 27

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC

4.2.2 Phép chuyển trục từ hệ tọa độ địa phương – toàn cục 32

4.2.3 Phương pháp ba nút cho việc tính toán các cosin chỉ phương 33

4.2.4 Kết quả trên phần tử 34

4.3 Nhận xét: 35

CHƯƠNG 5 : THIẾT KẾ GIAO DIỆN VỚI MATLAB 36

5.1 Giao diện chính dùng cho báo cáo mô phỏng 36

5.1.1 Chương trình chính: 36

5.1.2 Giao diện chính 38

5.2 Mô phỏng động học và động lực học 38

5.2.1 Bảng thông số DH 39

5.2.2 Vẽ robot: 39

5.2.3 Mô phỏng động học thuận 40

5.2.4 Mô phỏng động học ngược 40

5.2.4.1 Vẽ quỹ đạo `40

5.2.4.2 Tải quỹ đạo 41

5.2.4.3 Phương trình tham số 42

5.2.5 Mô phỏng động lực học 42

5.2.6 Chương trình mô phỏng động học và động lực học 44

5.3 Mô phỏng chuyển vị, nội lực và ứng suất 45

5.3.1 Phân tích MODE 47

5.3.2 Phân tích chuyển vị của đầu gripper 48

5.3.3 Phân tích nội lực 49

5.3.4 Phân tích ứng suất 53

5.3.5 So sánh ứng suất trên hai khâu 1 và 2 58

5.3.6 Chương trình tính toán-mô phỏng 58

5.4 Nhận xét 59

CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 60

6.1 Tóm tắt kết quả đề tài 60

6.2 Đánh giá kết quả đề tài 60

6.3 Đề nghị hướng phát triển đề tài 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

-     -

LUẬN VĂN THẠC SĨ trang 1

thị trường Nhờ sự phát triển của kỹ thuật số và công nghệ thông tin, khả năng “mềm

hóa” các hệ thống thiết bị sản xuất được thực hiện Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS ra

đời, đây là phương thức sản xuất hiện đại, có ưu điểm cơ bản là các thiết bị chủ yếu của

hệ thống chỉ đầu tư một lần, còn việc đáp ứng lại sự thay đổi sản phẩm là bằng phần mềm máy tính Hệ thống FMS rất hiện đại nhưng lại thích hợp với quy mô sản xuất vừa

và nhỏ Ngày nay, ở các nước phát triển, các hệ thống FMS có xu hướng thay thế dần

các hệ thống thiết bị tự động “cứng” sản xuất hàng loạt lớn sản phẩm Các hệ thống

thiết bị tự động cứng này rất đắt tiền mà khi cần thiết phải thay đổi theo yêu cầu sản phẩm thì phải đổi mới gần như hoàn toàn thiết bị Như vậy, các hệ thống thiết bị tự động cứng nhanh chóng trở nên lạc hậu vì không thích nghi được với thị trường đầy biến động

Ý tưởng chủ đạo trong việc tổ chức hệ thống sản xuất hiện đại linh hoạt là “linh

hoạt hóa” và “môđun hóa” Một hệ thống sản xuất linh hoạt có thể gồm nhiều môđun

linh hoạt Một trong những hệ thống như vậy là hệ thống CIM – hệ thống tích hợp sản xuất dùng máy tính

Để tạo ra những môđun sản xuất linh hoạt như vậy, sự có mặt của robot là cần thiết và không thể thiếu, robot như là một bộ phận cấu thành Ở đây, robot làm những công việc chuyển tiếp giữa các máy công tác (cấp thoát phôi và dụng cụ cắt cho các trung tâm gia công), vận chuyển trong phân xưởng, thao tác trong kho tự động v.v…

Bản thân cơ cấu tay máy của robot cũng là một cơ cấu linh hoạt Đó là cơ cấu không gian hở, có bậc tự do dư thừa nên độ cơ động rất cao Mỗi khâu của robot có nguồn động lực riêng và chúng được điều khiển bằng chương trình thay đổi được Kỹ thuật robot ngày càng được hoàn thiện, trong tương lai, kỹ thuật robot sẽ ứng dụng nhiều hơn nữa những thành tựu khoa học liên ngành, phát triển cả về phần cứng lẫn phần mềm và ngày càng chiếm ưu thế trong lĩnh vực công nghiệp

Sự đa dạng của sản xuất đã thúc đẩy sự ra đời nhiều lọai robot mới, vào những năm 80 của thế kỷ trước đã ra đời robot SCARA (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) – tay máy mềm dẻo tùy ý Robot SCARA được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp, cấu trúc động học của robot SCARA thuộc hệ tọa độ phỏng sinh và các trục quay của các khớp động đều thẳng đứng

Ở Việt Nam, có khá nhiều đơn vị nghiên cứu về robot và đã thành công trong việc nghiên cứu xây dựng các thuật toán mới để từ đó xây dựng chương trình tính toán điều khiển robot, xây dựng các phương pháp tự động thiết lập và giải các bài toán động học Tuy nhiên, việc nghiên cứu ứng suất và xác lập sự phân bố ứng suất sinh ra trong quá trình làm việc của robot để từ đó xác định độ sai lệch định vị của bàn kẹp do tổng hợp chuyển vị của các khâu tạo nên và tính bền cho robot là một lĩnh vực còn bỏ ngỏ

LUẬN VĂN THẠC SĨ trang 2

Chương I : DẪN NHẬP

Vì vậy, việc nghiên cứu, tính toán và mô phỏng sự phân bố ứng suất trong quá trình làm việc của robot SCARA để từ đó làm nền tảng cho việc xác định độ sai lệch định vị của bàn kẹp do tổng hợp chuyển vị của các khâu tạo nên và tính bền cho robot là điều cần thiết

Xuất phát từ vấn đề nêu trên, với sự hướng dẫn của TS Nguyễn Hoài Sơn, người

nghiên cứu đã chọn đề tài : “TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN”

Hình 1.1 : Robot SCARA của hãng MITSUBISHI

1.2 Mục đích nghiên cứu :

Đề tài : “TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN” được thực hiện nhằm mục đích :

 Xác lập sự phân bố ứng suất sinh ra trong quá trình làm việc của robot SCARA

 Từ nền tảng sự phân bố ứng suất đã được xác lập có thể xác định độ sai lệch

định vị của bàn kẹp (điểm tác động cuối) do tổng hợp chuyển vị của các khâu

tạo nên và tính bền cho robot

1.3 Nội dung nghiên cứu và giới hạn của đề tài :

 Phân tích động học : Bài toán động học thuận, bài toán động học ngược

LUẬN VĂN THẠC SĨ trang 3

Chương I : DẪN NHẬP

 Phân tích động lực học

 Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng bản thân các khâu và của lực tác động lên điểm tác động cuối đến quá trình làm việc của robot, phân tích phần tử hữu hạn, xác định độ sai lệch định vị của điểm tác động cuối do tổng hợp chuyển vị của các khâu tạo nên

 Thiết kế giao diện mô phỏng : Động học, động lực học, sự phân bố ứng suất

và chuyển vị bằng MATLAB

 Không đi sâu vào tính bền

1.4 Phương pháp nghiên cứu :

 Tham khảo các tài liệu từ internet, sách và tạp chí

 Vận dụng các nguyên lý cơ học để mô tả chuyển động trong quá trình làm việc của robot SCARA

 Tính toán sự phân bố ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn với MATLAB

-     -

LUẬN VĂN THẠC SĨ trang 4

thông số DH Trình tự xác định các hệ tọa độ như sau :

- Trục Zi phải chọn cùng phương với trục khớp động của khâu i+1

- Các hệ tọa độ phải tuân theo quy tắc bàn tay phải

- Khi gắn hệ tọa độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma trận

Tii+1 ( i = 0,1,…n-1 ):

),()

0,0,()

,0,0()

,(

Một hệ tọa độ được gắn hợp lý chẳng những giúp ta thiết lập được hệ phương trình động học cho robot mà còn có thể giúp cho việc tính toán được dễ dàng hơn Trên hình 2.1 thể hiện các hệ tọa độ được gắn trên robot SCARA

LUẬN VĂN THẠC SĨ trang 5

2.1.3 Xác định các ma trận T ii+1 ( i = 0,1,2,3 ) theo các thông số DH :

Quy ước viết tắt các hàm lượng giác như sau :

C1=cos1; S1=sin1; C12=cos(1 2); S12=sin(12);

1 0 0

0

0 )

0 , 0 , ( ).

,

1 1 1

1

1 1 01

H

S L C

S

C L S

C l

T z

0 0

0 1 0

0

0

0 )

0 , 0 , ( ).

,

2 2 2

2

2 2

12

S L C

S

C L S

C l

T z

1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1 ) , 0 , 0 (

3 3

23

d d

T

LUẬN VĂN THẠC SĨ trang 6

1 0 0

0 0

0 0 )

, (

4

4 4

4 4

4 34

d

C S

S C

z R

0 0

1 0

12

12 01 02

H

S L S L C

S

C L C L S

C T

0 0

1 0

0

0

0

.

3

12 2 1 1 12

12

12 2 1 1 12

12

23 12 01 03

H d

S L S L C

S

C L C L S

C T

T T

0 0

1 0

0

0

0

.

4 3

12 2 1 1 123

123

12 2 1 1 123

123

34 23 12 01 04

H d d

S L S L C

S

C L C L S

C T T T T

z z z z

y y y y

x x x x

n

p a s n

p a s n

p a s n

000

10

0

00

4 3

12 2 1 1 124

124

12 2 1 1 124

124

z z z z

y y y y

x x x x

p a s n

p a s n

p a s n

H d d

S L S L C

S

C L C L S

C

So sánh các phần tử tương ứng nhau của các ma trận ở 2 vế ta được hệ phương trình động học :