luận án tiến sĩ nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc

Cụ thể: - Xây dựng được mô hình toán thể hiện mối liên hệ giữa độ chính xác khâu cuối của robot chuỗi với dung sai các tham số khâu, khớp thành phần... Việc tiến hành xây dựng mô hình to

LÊ THỊ THU THỦY

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO ROBOT CHUỖI THEO NHÓM CẤU TRÚC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

THÁI NGUYÊN – 2021

LÊ THỊ THU THỦY

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO ROBOT CHUỖI THEO NHÓM CẤU TRÚC

Ngành: K t uật C

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Người ướng dẫn khoa học:

PGS.TS Phạm Thành Long

THÁI NGUYÊN – 2021

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án, tác giả luôn nhận được sựquan tâm, chỉ bảo, tạo điều kiện của các thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ thuậtCông nghiệp – Đại học Thái Nguyên và sự giúp đỡ, động viên của gia đình,người thân, đồng nghiệp

Đặc biệt, tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc PGS.TS Phạm Thành Long

đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiêncứu và hoàn thành bản luận án này

Tác giả xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Cơ khí - Trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp, các thầy trong bộ môn Cơ điện tử đã đóng góp ý kiến vàtạo điều kiện giúp đỡ tác giả rất nhiều

Cuối cùng, xin cảm ơn tất cả những người thân trong gia đình, bạn bè vàđồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong suốtkhoá học

NGHIÊN CỨU SINH

Lê Thị Thu Thủy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án ―Nghiên cứu tính toán

xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc‖ đều do tôi tự thực

hiện hoặc đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Phạm Thành Long

Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tàiliệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu khác Không hề có sự saochép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác Các số liệu

và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực Tôi xin hoàn toàn chịu tráchnhiệm với lời cam đoan trên

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2021

Tác giả

Lê Thị Thu Thủy

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ DUNG SAI CHO ROBOT 8

1.1 Sai số và các nguồn gây sai số 8

1.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 16

1.2.1 Các công trình nghiên cứu trong nước 16

1.2.2.1 Những nghiên cứu về thiết kế dung sai ở phương diện định tính……… 18

1.2.2.2 Những nghiên cứu về thiết kế dung sai ở phương diện định lượng 19

1.2.2.3 Thiết kế dung sai theo kinh nghiệm ……… 21

1.2.2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước 17

1.3 Những vấn đề còn tồn tại 21

1.4 Hướng nghiên cứu của luận án 23

1.4.1 Giả thuyết khoa học của luận án 25

1.4.2 Nội dung cơ bản của luận án 26

1.4.3 Kết quả nghiên cứu của luận án 31

C ư ng 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ GIỮA DUNG SAI KHÂU, KHE HỞ KHỚP VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT 34

2.1 Xây dựng mô hình toán trong thiết kế dung sai cho một robot độc lập 34

2.1.1 Cơ sở xây dựng mô hình toán 34

2.1.1.1 Phương pháp mô tả độ chính xác khâu cuối - Hình cầu giới hạn sai số cho phép ……… ………34

2.1.1.2 Mô hình toán tổng quát ……… 35

2.1.1.3 Giải bài toán động học theo phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (Generalized Reduced Gradient - GRG) ……… 42

2.1.2 Xây dựng mô hình toán cho robot 6DOF 47

2.1.3 Xây dựng mô hình toán cho robot chuỗi 5DOF 55

2.1.4 Xây dựng mô hình toán cho robot SCARA 4DOF 60

2.2 Xây dựng mô hình toán trong thiết kế dung sai cho các robot cùng nhóm cấu trúc động học 65

2.2.1 Một số khái niệm mới 65

2.2.1.1 Hai robot đồng dạng ……… 66

2.2.1.2 Tỉ số đồng dạng kích thước ……….…67

2.2.1.3 Tỉ số độ chính xác ……… … 67

2.2.2 Bài toán số 1 (trường hợp 1 và 2): Hai robot đồng dạng kích thước 69

2.2.3 Bài toán số 2 (trường hợp 3): Hai robot cùng dạng cấu trúc nhưng không

đồng dạng 72

CHƯƠNG 3: KIỂM TRA, HIỆU CHỈNH DUNG SAI – HOÀN THIỆN QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 77

3.1 Phần mềm kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai 78

3.2 Các chức năng của phần mềm 83

3.2.1 Kiểm tra 83

3.2.2 Hiệu chỉnh 84

3.3 Các thao tác và kết quả hiển thị trên phần mềm 87

3.3.1 Nhập dữ liệu 87

3.3.2 Kết quả hiển thị 89

CHƯƠNG 4: PHÂN VÙNG ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG KHÔNG GIAN CÔNG TÁC 93

4.1 Tổng quan 93

4.1.1 Lý do thực hiện bài toán 93

4.1.2 Các phương pháp nghiên cứu trên thế giới 94

4.1.3 Nội dung tổng quát thực hiện việc phân vùng độ chính xác 96

4.2 Quy trình thực hiện 97

4.2.1 Xác định vùng không gian khảo sát 97

4.2.2 Đo sai số tại một số điểm mẫu trong không gian khảo sát 98

4.2.3 Xử lý số liệu 100

4.2.4 Xây dựng hàm dạng 101

4.2.5 Phân vùng độ chính xác 102

CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO MỘT SỐ ROBOT ĐIỂN HÌNH 104

5.1 Thiết kế dung sai cho một robot độc lập 105

5.1.1 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi hai bậc tự do 105

5.1.1.1 Xác định xấp xỉ đầu của dung sai ……… 105

5.1.1.2 Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai ……… 106

5.1.2 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi sáu bậc tự do 108

5.1.2.1 Xác định giá trị dung sai làm xấp xỉ đầu ……… 108

5.1.2.2 Kiểm tra và hiệu chỉnh dung sai ……… 110

5.2 Thiết kế dung sai dựa trên quan hệ nhóm cấu trúc 112

5.2.1 Trường hợp 1: Tính toán robot B đồng dạng với A và k=k r 112

5.2.2 Trường hợp 2: Tính toán dung sai robot B‘ với B‘ và A có k ≠ k r 113

5.3 Hiệu chỉnh dung sai khi kiểm tra phối hợp 123

5.4 Thực nghiệm phân vùng độ chính xác trong không gian công tác 127

5.4.1 Máy đo độ chính xác và sơ đồ thí nghiệm 127

5.4.2 Nội suy sai số khâu cuối trong không gian công tác 129

5.4.3 Khảo sát kiểm chứng 133

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 137

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 146

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CIM Computer Intergrated Manufacturing - Hệ thống sản

xuất tích hợp

CMM Coordinate Measuring Machine - Máy đo tọa độ

CNC Computerized Numerical Control - điều khiển bằng

máy tính

D-H Quy tắc Denavit-Hartenberg

DOE Design of Experiment - thiết kế theo thực nghiệm

DOF Degree of freedom – Bậc tự do

k Tỉ số đồng dạng kích thước

kr Tỉ số độ chính xác

GA Genetic Algorithm - thuật toán di truyền

GRG Generalized Reduced Gradient - phương pháp Giảm

r Bán kính hình cầu sai số cho phép mm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1: Bảng thông số D-H của robot 6DOF 50

Bảng 2 2: Bảng thông số D-H của robot 5DOF 56

Bảng 2 3: Bảng thông số D-H của robot SCARA 4DOF 61

Bảng 3 1: Bảng thống kê dữ liệu chi tiết các điểm rơi khi khảo sát lắp lẫn 90

Bảng 5 1: Bảng DH của robot hai khâu 105

Bảng 5 2: Sự phân bổ dung sai biến khớp và độ phân giải encoder tương ứng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1: Robot chuỗi và robot song song 2

Hình 2: Một số ứng dụng điển hình của robot công nghiệp 2

Hình 1 1: Một số ứng dụng của robot công nghiệp 9

Hình 1 2: Một số robot công nghiệp điển hình 9

Hình 1 3: Robot chuỗi (a) và robot song song (b) 10

Hình 1 4: Ví dụ về độ chính xác và độ chính xác lặp 11

Hình 1 5: Các yếu tố động học gây sai số 13

Hình 1 6: Sai số do khe hở mặt răng 14

Hình 1 7: Đường cong dung sai – chi phí 19

Hình 1 8: Bản vẽ chế tạo một bộ phận của tay máy 22

Hình 1 9: Quy trình tổng quát thiết kế dung sai robot 27

Hình 1 10: Sơ đồ giải bài toán xác định dung sai cho 1 robot 29

Hình 1 11: Sơ đồ giải bài toán xác định dung sai cho nhóm robot 29

Hình 1 12: Robot và không gian làm việc của robot 31

Hình 2 1: Mô tả độ chính xác định vị khâu cuối cho phép 34

Hình 2 2: Di chuyển cho phép của khâu cuối trên mặt cầu sai số cho phép 37

Hình 2 3: Sơ đồ thuật toán tổng quát xác định các dung sai sơ bộ 41

Hình 2 4: Robot chuỗi sáu bậc tự do dùng trong công nghiệp 48

Hình 2 5: Mô hình động học của robot sáu bậc tự do điển hình 6DOF 49

Hình 2 6: Khảo sát tại một số điểm trên mặt cầu sai số cho phép 52

Hình 2 7: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot 6DOF 54

Hình 2 8: Robot SCORBOT 5DOF 55

Hình 2 9: Mô hình động học robot chuỗi 5DOF 56

Hình 2 10: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot 5DOF 60

Hình 2 11: Robot SCARA 4DOF 61

Hình 2 12: Mô hình động học robot SCARA 4DOF 61

Hình 2 13: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot SCARA 64

Hình 2 14: Sơ đồ động học robot chuỗi 6 bậc tự do 66

Hình 2 15: Minh họa hai robot đồng dạng 67

Hình 2 16: Mô tả sai số cho phép của robot A và robot B 68

Hình 2 17: Mối quan hệ và tương quan giữa tỉ số độ chính xác và tỉ số kích thước 69

Hình 2 18: Sử dụng robot trung gian trong trường hợp k ≠ kr 70

Hình 2 19: Hai robot cùng dạng kết cấu 73

Hình 2 20: Sử dụng robot trung gian C trong trường hợp hai robot cùng dạng kết cấu nhưng không đồng dạng 73

Hình 3 1: Minh họa 3D với tất cả các điểm đều nằm trong giới hạn cầu cho

phép 84

Hình 3 2: Minh họa 3D với một lượng điểm nằm ngoài giới hạn cầu cho phép-Cần hiệu chỉnh 85

Hình 3 3: Sơ đồ kiểm tra và hiệu chỉnh dung sai khi kiểm tra phối hợp 85

Hình 3 4: Số lượng điểm và tỉ lệ phần trăm không đạt yêu cầu về độ chính xác khi kiểm tra lắp lẫn 89

Hình 3 5: Mô phỏng kết quả kiểm tra lắp lẫn tại một vị trí với bán kính cầu r = 0,5mm 91

Hình 4 1: Minh họa hệ thống theo dõi bằng laser được sử dụng để đo sai số vị trí của robot 96

Hình 4 2: Không gian khảo sát dạng lăng trụ tam giác với sáu nút 98

Hình 4 3: Ảnh hưởng của các điểm lấy mẫu đến điểm khảo sát qua hàm dạng 99 Hình 5 1: Sơ đồ động robot chuỗi hai bậc tự do 105

Hình 5 2: Giao diện phần mềm khi kiểm tra thuận cho robot 2 bậc tự do 107

Hình 5 3: Chạy chương trình lắp lẫn robot hai bậc tự do 107

Hình 5 4: Mô phỏng 14 641 trường hợp lắp lẫn đều nằm trong hình tròn sai số cho phép 108

Hình 5 5: Robot chuỗi sáu bậc tự do 109

Hình 5 6: Giải bài toán tìm dung sai cho robot 6DOF 110

Hình 5 7: Kết quả kiểm tra dung sai khâu cuối trên phần mềm tính toán 111

Hình 5 8: Kết quả kiểm tra điểm rơi với hình cầu khống chế sai số bán kính 1mm 111

Hình 5 9: Kết quả kiểm tra độ chính xác khâu cuối của B 113

Hình 5 10: Kết quả mô phỏng kiểm tra robot B 113

Hình 5 11: Kiểm tra độ chính xác khi lắp lẫn 115

Hình 5 12: Các điểm cuối biểu diễn trên mặt cầu sai số của (B’) 115

Hình 5 13: Kết quả kiểm tra độ chính xác khi lắp lẫn hoàn toàn 117

Hình 5 14: Điểm chạm của khâu cuối biểu diễn trên mặt cầu sai số 117

Hình 5 15: Kết quả khảo sát bán kính sai số tại một điểm của robot (C) 119

Hình 5 16: Kiểm tra dung sai đã thiết kế trên robot D tại vị trí 1 122

Hình 5 17: Kiểm tra dung sai đã thiết kế trên robot D tại vị trí 2 122

Hình 5 18: Đáp ứng vị trí của D khi lấy A làm mẫu 123

Hình 5 19: Kết quả tính khi chưa sử dụng Autofix 124

Hình 5 20: Kết quả tính khi chưa sử dụng autofix bị vượt ngưỡng mong muốn

125

Hình 5 21: Hiệu chỉnh, thu hẹp dung sai trên phần mềm 125

Hình 5 22: Kết quả đáp ứng độ chính xác sau khi hiệu chỉnh dung sai bằng chức năng autofix của phần mềm 126

Hình 5 23: Thí nghiệm lấy mẫu xác định sự phân bố sai số của khâu cuối trong

không gian công tác 128

Hình 5 24: Sơ đồ thí nghiệm và giao diện điều khiển robot 129

Hình 5 25: Khối hộp khảo sát dự đoán sai số khâu cuối 130

Hình 5 26: Kiểm tra tính tin cậy của hàm dạng được xây dựng trên MiniTab

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các nền sản xuất côngnghiệp, các máy tự động có sự bùng nổ về số lượng và chất lượng Có thể kểđến như các máy công cụ, các trung tâm gia công CNC, hệ thống OpenCIM…trong đó, robot công nghiệp là một thành phần không thể thiếu với vaitrò là một phần tử trong hệ thống hoặc đứng độc lập trong quy trình sản xuất

Trải qua một thời gian ngắn hình thành và phát triển, do những ưu điểmvượt trội và tính hiệu quả, hiệu suất mà chúng mang lại, hiện nay robot làthành phần quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực: trong đời sống xã hội,nghiên cứu khoa học, y học, hàng không vũ trụ, thám hiểm…trong đó, chiếm

đa số là các robot phục vụ trong công nghiệp - gọi là robot công nghiệp(Industrial Robot)

Robot công nghiệp là robot được dùng trong sản xuất công nghiệp.Chúng được lập trình sẵn để có thể tự động di chuyển, làm việc bằng haihoặc nhiều trục liên kết với nhau Robot công nghiệp có thể là robotchuỗi, robot song song, robot cố định hay robot di động…Chiếm đại đa

số trong đó là các robot chuỗi năm hoặc sáu bậc tự do, kế đến là robot songsong ba, bốn hoặc sáu chân (hình 1) Với những ứng dụng rất đa dạng vàphong phú, chúng không chỉ giúp thay thế người công nhân trong các côngđoạn lặp lại nhàm chán, trong các môi trường độc hại, nguy hiểm mà chúngcòn có khả năng hoạt động trong những nhiệm vụ đòi hỏi tính linh hoạt vàchính xác cao mà con người khó thực hiện được Với những ưu điểm đó,robot công nghiệp ngày càng có vai trò quan trọng và không thể thiếu trongcác dây chuyền sản xuất Robot có thể đảm nhận những công việc của ngườicông nhân như xếp dỡ, vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu, hay như cácchuyên gia trong lắp ráp các linh kiện điện tử, hàn điểm, hàn theo cung, phun

sơn, hoặc cũng có thể đóng vai trò là các máy công cụ để thực hiện các nguyên công gia công cắt gọt như khoan lỗ, phay… (hình 2).

Hìn 1: Robot chuỗi và robot song song

Hìn 2: Một số ứng dụng điển hình của robot công nghiệp

Có thể thấy, sự phát triển lớn mạnh của robot công nghiệp đã mang lại năng suất lao động, hiệu quả kinh tế rõ rệt Việc ứng dụng robot trong hệ

thống sản xuất công nghiệp là xu thế tất yếu, không ngừng tăng vọt, đặc biệt

là trong thời đại công nghiệp 4.0 như hiện nay Và như vậy, các hoạt độngnghiên cứu về robot, đặc biệt là robot công nghiệp nhằm cải thiện tính năng,nâng cao chất lượng phục vụ của chúng đóng vai trò quan trọng, có ý nghĩalớn về khoa học và thực tiễn

Là một sản phẩm mang tính đa ngành nên các nội dung nghiên cứu vềrobot cũng rất đa dạng Bên cạnh các nghiên cứu về truyền động, vật liệu chếtạo khâu, điều khiển thì các nghiên cứu liên quan đến sai số và đảm bảo độchính xác khâu cuối của robot luôn được các nhà khoa học quan tâm Bởi, độchính xác khâu cuối chính là một thông số kỹ thuật đặc trưng, nó cho biếtrobot có khả năng thực hiện những tác vụ có độ chính xác cao trong các dâychuyền sản xuất hiện đại hay không Nhìn chung, các nhà thiết kế luôn mongmuốn và tìm hướng nhằm tạo ra những tay máy có chất lượng cao, phù hợpvới nhu cầu công nghiệp tiên tiến như hiện nay

Có nhiều nguyên nhân gây ra độ không chính xác của robot, như cácnguyên nhân do yếu tố động học (khâu, khớp), động lực học, biến dạng đànhồi, biến dạng nhiệt, mòn, rơ rão, điều khiển Trong đó, nguyên nhân chủ yếugây ra các sai lệch ban đầu của khâu cuối của robot (robot mới) là các yếu tốsai lệch trong động học, hình học [27,36,42,67] Hay nói cách khác, sai số vềchiều dài khâu, khe hở khớp là nguyên nhân chính, chiếm đến hơn 70% cácnguyên nhân sai số dẫn đến sự sai khác vị trí của khâu cuối trong không gianlàm việc của nó Sau một thời gian hoạt động, robot bị mòn, rơ và sai số có

xu hướng tăng tức là độ chính xác sẽ giảm dần theo thời gian Tuy nhiên,trong trường hợp này, các sai số này được giảm đáng kể do chức năng hiệuchỉnh tự động đi kèm máy

Do vậy, nghiên cứu về sai số, xác định dung sai các tham số động họcrobot (dung sai kích thước khâu, khớp) nhằm đảm bảo độ chính xác ban đầucủa robot công nghiệp là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Với lí do

đó, tác giả lựa chọn đề tài ―Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho

robot chuỗi theo nhóm cấu trúc‖ cho khóa học nghiên cứu sinh.

2 Mục đ c nghiên cứu

Xác định được các dung sai kích thước khâu và khe hở khớp (jointclearance) theo yêu cầu cho trước về độ chính xác của robot Trong đó, việctính toán mới hoàn toàn dung sai cho một robot hoặc tính toán dung sai chorobot dựa trên một robot mẫu có cùng dạng cấu trúc được tác giả thực hiện

Cụ thể:

- Xây dựng được mô hình toán thể hiện mối liên hệ giữa độ chính xác khâu cuối của robot chuỗi với dung sai các tham số khâu, khớp thành phần

- Bài toán thiết kế dung sai được thực hiện với việc xác định dung sai khâu vàkhe hở khớp riêng rẽ giúp đơn giản quá trình tính toán.

- Phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (GRG) được phát triển để áp dụngtrong bài toán xác định dung sai

- Kỹ thuật tính toán dung sai dựa trên quan hệ cùng dạng cấu trúc của tay máygiúp rút ngắn các giai đoạn tính toán thiết kế dung sai

- Mô hình nội suy, dự đoán sai số bằng hàm dạng được xây dựng giúp giảm khối lượng đo, xác định sai số của khâu cuối trong toàn không gian làm việc

- Phần mềm chuyện biệt được xây dựng nhằm kiểm tra, hiệu chỉnh dung saigiúp kết quả tính toán dung sai luôn đảm bảo tính đúng đắn, ngay cả trong sản xuấtloạt lớn hàng khối khi các khâu khớp thành phần được lắp lẫn

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu sẽ là một nguồn tham khảo cho các kỹ sư, nhà thiết

kế robot trong việc tính toán dung sai, bảo đảm độ chính xác ban đầu củakhâu cuối

Việc xác định mối quan hệ giữa độ chính xác khâu cuối với dung saicác khâu, khe hở các khớp thành phần sẽ giúp các nhà thiết kế hiểu rõ hơn bảnchất, mức độ ảnh hưởng của sai số của từng tham số này đến độ chính xác banđầu của robot

Việc tiến hành xây dựng mô hình toán tính toán, thiết kế dung sai khâu

và khe hở khớp của robot công nghiệp dựa trên độ chính xác ban đầu củakhâu cuối là hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam và nội dung nghiên cứu hoàntoàn không có sự trùng lặp với các nghiên cứu khác trên thế giới

Với kỹ thuật tính toán dung sai dựa trên nhóm cấu trúc và một chươngtrình chuyên biệt cho phép kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai trong trường hợp lắp

lẫn hoàn toàn, quy trình tính toán theo phương pháp thiết kế mà tác giả đềxuất sẽ được rút ngắn so với các quy trình thiết kế dung sai thông thường.

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và phụ lục, luận án được cấutrúc với bốn chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về thiết kế dung sai cho robot Trong chương này

luận án trình bày tổng quát về sai số và các nguồn gây sai số tại khâu cuối củarobot Các nguyên cứu trong và ngoài nước về ảnh hưởng của sai số các tham

số động học đến độ chính xác, và việc thiết kế dung sai các tham số này đượcchỉ ra

Chương 2: Xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa

dung sai khâu, khe hở khớp và độ chính xác của robot Lý thuyết cơ bản về

việc áp dụng thuật toán tối ưu bằng phương pháp số Giảm Gradient tổng quát(GRG) để giải bài toán động học ngược robot được trình bày Đây là cơ sở đểphát triển phương pháp số cho bài toán xác định dung sai Đặc biệt, các môhình toán nhằm xác định dung sai các khâu, khớp thành phần dựa trên độchính xác của khâu cuối của robot được xây dựng Trong đó phân ra làm haitrường hợp cụ thể: tính toán mới từ đầu dung sai sơ bộ cho một robot độc lập

và tính toán dung sai sơ bộ cho một hay nhiều robot dựa trên một robot mẫu

đã có sẵn dung sai và có cùng dạng kết cấu với robot cần thiết kế

Chương 3: Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai – Hoàn thiện quá trình thiết

kế Toàn bộ nguyên tắc và quy trình thực hiện bước kiểm tra, hiệu chỉnh dung

sai hoàn thiện quá trình thiết kế được trình bày thông qua một chương trìnhchuyên biệt đã được tác giả xây dựng dựa trên cơ sở bài toán động học thuận

và thống kê lắp lẫn

Chương 4: Phân vùng độ chính xác Trong toàn không gian làm việc

của robot, sai số tại tâm của khâu cuối là thay đổi và khác nhau tại từng vị trí

Để đảm bảo cho việc xác định dung sai các tham số động học của robot đượcđúng đắn và toàn diện, quá trình tính toán cũng như hiệu chỉnh dung sai đượcthực hiện tại những vị trí mà tại đó sai số khâu cuối là lớn nhất Quá trình đosai số bằng thực nghiệm và mô hình toán nội suy sai số bằng hàm dạng được

áp dụng nhằm tìm ra vị trí khâu cuối có sai số lớn nhất trong không gian làmviệc sẽ được trình bày trong chương này

Chương 5: Ứng dụng tính toán xác định dung sai cho một số robot điển

hình Một số ứng dụng trên các robot cụ thể được tác giả tiến hành tính toán,

mô phỏng số, thực nghiệm nhằm chứng minh cho tính đúng đắn và hiệu quảcủa thuật toán và phương pháp tính đã đề xuất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ DUNG SAI CHO ROBOT 1.1 Sai số và các nguồn gây sai số

Bắt đầu ra đời từ những năm sáu mươi của thế kỷ trước, các robot đã,đang và sẽ phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết cáclĩnh vực của đời sống và xã hội Robot phục vụ trong các hoạt động sản xuấtcông nghiệp như: xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp linh kiện điện tử, phun sơn,hàn điểm, hàn theo cung, gia công vật liệu…được gọi là robot công nghiệp(hình 1.1) Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thốngnhất hoá, thương mại hoá rộng rãi Với sự kết nối giữa các khâu (link) vàkhớp (joint) theo một cách thức nào đó để tạo thành các robot khác nhaunhằm mô phỏng và thay thế chức năng hoạt động của cánh tay con người,phần cơ khí của robot công nghiệp còn được gọi là tay máy (manipulator) Vàtay máy chính là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của robot

Tay máy gồm các khâu được liên kết bằng các khớp tạo các chuyểnđộng khéo léo và linh hoạt nhằm đảm bảo khâu cuối (End-effector, hay cònđược gọi là khâu chấp hành cuối, tay kẹp, khâu chấp hành, khâu tác động cuốihay khâu công tác) có khả năng định vị và định hướng chính xác đến đốitượng làm việc Để có thể thực hiện được chức năng này một cách tuỳ ý trongkhông gian ba chiều, robot cần có sáu bậc tự do (DOF-Degree Of Freedom),trong đó ba bậc tự do để định vị và ba bậc tự do để định hướng Do đó, đa sốrobot công nghiệp có sáu bậc tự do, như robot phục vụ trong hàn, sơn…Cònđối với một số công việc đơn giản hơn như nâng hạ, xếp dỡ,… chỉ yêu cầu sốbậc tự do ít hơn sáu thì có thể sử dụng robot năm bậc tự do hoặc robotSCARA 4 bậc tự do Đây là những robot có cấu trúc vòng hở (Open loop)điển hình được dùng rộng rãi trong công nghiệp (hình 1.2)

a Hàn b Xếp dỡ vật liệu

Hìn 1 1: Một số ứng dụng của robot công nghiệp

Hình 1 2: Một số robot công nghiệp điển hình

Việc phân loại robot theo cấu trúc vòng kín (Close loop) và vòng hở(Open loop) sẽ hình thành nên hai loại robot là robot chuỗi (Serial robot) vàrobot song song (Parallel robot) Robot được tạo thành từ một chuỗi động họcvòng kín nếu mỗi khâu được kết nối với mọi khâu khác bằng ít nhất haiđường dẫn riêng biệt và vòng mở nếu mỗi khâu được kết nối với khâu khácbằng một và chỉ một đường dẫn Trong hình 1.3 là ví dụ về một robot có vòngđộng học khép kín (robot song song) và một robot có vòng động học hở(robot chuỗi) Trong đó, robot chuỗi chiếm đại đa số trong các ứng dụng côngnghiệp do tính linh hoạt, không gian hoạt động lớn và độ chính xác cao Mặc

dù robot song song có độ chính xác cao hơn, nhưng vì không gian làm việcnhỏ hẹp nên ứng dụng của nó bị hạn chế

Hìn 1 3: Robot chuỗi (a) và robot song song (b) [47]

Trong kỹ thuật nói chung cũng như trong kỹ thuật robot nói riêng, sai

số luôn tồn tại Có thể hiểu, sai số là giá trị chênh lệch giữa giá trị đo đượchoặc tính được và giá trị thực hay giá trị chính xác của một đại lượng nào đó.Robot công nghiệp là sự kết nối của chuỗi các bộ phận hợp thành nên cũngtồn tại nhiều sai số Các sai số này tích lũy đến khâu cuối (khâu cuối) làm chorobot hoạt động về mặt vị trí, hướng, vận tốc, gia tốc…trong không gian côngtác không đạt được các giá trị điều khiển mong

muốn Để chỉ mức độ sai lệch này trong không gian công tác, ở robot tồn tạihai khái niệm về độ chính xác là: độ chính xác (pose accuracy) và độ chínhxác lặp/ độ lặp lại (pose repeatability) Đây là hai giá trị quan trọng mô tả mức

độ chính xác của tay máy được chỉ định trong tiêu chuẩn quốc tế ISO 9283:

Độ chính xác của robot được đánh giá bằng sự sai lệch của khâu cuối

so với vị trí mong muốn trong không gian làm việc của robot Hay, là khảnăng của robot di chuyển chính xác đến một vị trí mong muốn trong khônggian ba chiều [4]

Độ chính xác lặp là một phép đo về khả năng của robot di chuyển trở

lại cùng một vị trí và hướng [4]

Hình 1.4 minh họa rõ bản chất của độ chính xác và độ chính xác lặp củarobot công nghiệp

Các vị trí đạt đượccủa khâu thao tác

Độ chính xác và độ Độ chính xác lặp tốt Cả độ chính xác và độ chính xác lặp đều kém nhưng độ chính xác kém chính xác lặp tốt

Hìn 1 4: Ví dụ về độ chính xác và độ chính xác lặp [59]

Độ chính xác quyết định chất lượng và giá thành công việc mà robotđảm nhận Xét về chất lượng, khi robot càng chính xác thì chất lượng côngviệc của nó càng tốt, đây là mong muốn của người sử dụng Tuy nhiên, khi

robot có sai số thao tác càng nhỏ thì các yêu cầu kỹ thuật, công nghệ của các

bộ phận hợp thành đòi hỏi càng cao và tinh vi, chi phí tổng thể để sản xuất taymáy tăng lên nhiều Do đó, việc thiết kế, chế tạo robot sao cho đảm bảo độchính xác ban đầu đạt yêu cầu là công việc khó khăn, tốn nhiều thời gian vàcông sức đối với các nhà thiết kế

Tùy vào mức độ chính xác của robot được chế tạo mà các nhiệm vụ,sản phẩm do robot thực hiện có đạt yêu cầu và đảm bảo kỹ thuật đặt ra haykhông Theo M Damak và các cộng sự [20], độ chính xác lặp của robot nằmtrong phạm vi từ 0,03mm đến 0,1mm đối với những robot cỡ nhỏ và trungbình và có thể lớn đến 0,2mm đối với loại lớn Trong khi đó, độ chính xác thìthường nằm trong phạm vi vài mm Theo [75], sự khác nhau về độ chính xácgiữa robot theo thiết kế và robot thực tế chế tạo có thể từ 8mm đến 15mm, kếtquả này là do dung sai chế tạo và biến dạng của kết cấu robot Hay theo [4],các robot hiện nay tuy có thể đạt được khả năng lặp lại rất cao, một số robot

có thể đạt dưới 0,1 mm, nhưng độ chính xác lại trong khoảng từ 5mm đến15mm [24] hoặc hơn phụ thuộc vào việc chế tạo và mô hình của chúng [3].Sai số lặp có nguyên nhân chủ yếu từ khả năng của bộ điều khiển không thểđạt được đến chính xác cùng một điểm tại các lần chạy khác nhau, và sự hiệndiện của khe hở (backlash) trong các bánh răng bị mòn của tay máy Các sai

số gây sai lệch vị trí đích của khâu cuối bị tác động bởi một số lượng cáctham số hình học và phi hình học [4] Các tham số hình học chính là các kíchthước khâu của tay máy và sự định hướng của các khớp Trong quá trình sảnxuất, sự thay đổi các phần của kích thước là không thể tránh khỏi từ robot nàysang robot khác do dung sai Theo [17], trong các tay máy sáu bậc tự do quay,

độ dài của ba khâu đầu ảnh hưởng đến vị trí và khớp thứ 4, 5 và 6 (cổ tay)đóng góp chủ yếu vào sự định hướng của khâu thao tác Các tham số khác ảnhhưởng độ chính xác gồm: Độ đàn hồi của các khớp và khâu, sự phân bố tải và

độ lệch khớp, hệ thống truyền động phát nhiệt, sự ổn định và rung động của

cảm biến, sự linh hoạt và độ lệch tâm của hộp số, và nhiệt độ làm việc củamôi trường [31] Ngoài ra, vị trí cố định khâu cuối và sự xác định hệ tọa độ cốđịnh O0 cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của tư thế (pose) của khâu thao táctrong môi trường làm việc [45].

Cụ thể, có thể phân ra làm ba nhóm các nguồn gây sai số chính trongkhông gian công tác này của robot như sau [67]:

1) Các sai số hình học hoặc động học: có nguồn gốc từ các cấu trúc cơ

khí của robot, ví dụ như: trong các khớp hoặc trong các khâu của robot

Đây là những sai số trong quá trình chế tạo robot có kích thước thực tếsai khác so với kích thước danh nghĩa Nó có thể là khoảng cách giữa cáckhớp (độ dài khâu) hoặc sai số góc trong quá trình xây dựng giữa các khớp.Đây là một chuỗi các sai số nhỏ, nhưng các sai số nhỏ ở đầu chuỗi có thể tạo

ra các sai số lớn ở cuối chuỗi (chính là sai số tại khâu thao tác) [19]

Hìn 1 5: Các yếu tố động học gây sai số Còn lại là các sai số phi hình học: Sai số phi hình học phụ thuộc vào

tải trọng và chuyển động Độ biến dạng của khớp, khe hở bánh răng, sai sốđộng lực học trong bộ điều khiển, độ đàn hồi của khâu, giãn nở nhiệt độ, masát… [42]

2) Các sai số trong hệ điều khiển của robot, bắt nguồn từ hệ thống

truyền động học, gồm các mã hóa, hoặc các sai số động lực học và cả các sai sốtính toán từ việc tính toán động học thuận và ngược

+ Khe hở (Backlash): là một dạng tương tự như ‗mất chuyển động‘

(lost motion) Đối với các robot mới thì không gặp vấn đề gì nhưng khi robot

mòn, và nhận được một số thay đổi hướng đi, có thể dẫn đến mất chuyển động(trong đó đầu ra không di chuyển khi các bánh răng chuyển động) Sai số này

có thể được đo lường - bằng cách điều khiển tâm khâu cuối đến một điểm từmột hướng; và đến cùng một điểm đó nhưng từ một hướng khác – sau đó đo

sự khác biệt Một số nhà sản xuất đã đặt bộ mã hóa kép vào robot để bù sai số

do khe hở cạnh răng - nhưng nhìn chung cần có sự can thiệp đại tu sửa chữakhi khe hở trở nên nghiêm trọng – robot bị cũ, xuống cấp

Hìn 1 6: Sai số do khe hở mặt răng + Cảm biến và hệ thống đo: Độ phân giải của hệ thống các mã hóa

được gắn trên mỗi động cơ dẫn động và các cảm biến để xác định giá trị dịchchuyển quay hoặc tịnh tiến của các khớp quay hoặc khớp trượt là có giới hạn.Giới hạn này càng nhỏ tức là độ phân giải nhỏ sẽ làm cho việc điều khiển

chuyển động sẽ ―mịn‖ hơn Khi đó sự sai lệch giá trị dịch chuyển thực tế so với giá trị dịch chuyển mong muốn sẽ giảm xuống.

+ Các chương trình tính toán, điều khiển: Khi thiết lập các phương

trình động học, động lực học để tính toán đưa ra các lệnh điều khiển động cơ

dẫn động cho các khớp, việc giải các phương trình này thông qua chươngtrình tính toán, thuật toán điều khiển chủ yếu dựa trên phương pháp số để giảigần đúng kết quả, do vậy đây cũng là nguồn gây ra sai lệch do sai số do làmtròn của máy tính khi tính toán [2]

3) Các sai số do môi trường tạo ra như ảnh hưởng của nhiệt độ, biến

dạng cơ học của các khâu và khớp dưới tác động của ngoại lực, rung động, ma sát,v.v.Với những ảnh hưởng này, robot công nghiệp thường được chế tạo với độ cứngcực cao [25]

+ Độ biến dạng của khớp: Các khớp của robot được truyền mô men

xoắn từ các mô tơ để tạo chuyển động cho khâu trong khi vận hành Do các khớpđược chế tạo có một độ cứng nhất định nào đó nên khi có mô men xoắn

tác động vào sẽ làm cho khớp bị biến dạng xoắn

+ Tải trọng và trọng lượng bản thân các khâu: Tải trọng do đối tượng

công nghệ, tải trọng do dụng cụ thao tác gắn với khâu thao tác của robot và trọnglượng bản thân kết cấu cánh tay robot sẽ gây ra biến dạng đàn hồi trong kết cấu cơkhí cánh tay robot, là nguyên nhân gây ra sai lệch về vị trí và

hướng của khâu thao tác

Ngoài ra, trong quá trình hoạt động của robot, khi có sự thay đổi vềhướng chuyển động và vận tốc chuyển động sẽ gây ra lực quán tính làm chorobot bị rung động, gây ra các sai lệch vị trí và hướng của robot

+ Nhiệt độ: Nhiệt độ do môi trường xung quanh, nhiệt độ do ma sát

trong các khớp, nhiệt độ phát ra từ động cơ, bộ truyền động gây ra biến

dạng nhiệt trong kết cấu cánh tay robot Những sự thay đổi về kích thước dài

và giá trị góc trong mỗi khâu của robot sẽ tích luỹ từ khâu đầu tiên đến khâuthao tác cuối cùng của robot và sẽ gây ra sai lệch vị trí và hướng của khâuthao tác [2]

Trong các nhóm sai số kể trên với hai dạng chính: hình học và phi hìnhhọc, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng đối với robot mới, nhóm nguyên nhân dosai số hình học là chủ yếu [37,70,75] Trong [27], Chunhe Gong và cộng sựcũng chỉ ra rằng sau khi hiệu chuẩn sai số hình học thì sai lệch vị trí khâu thaotác giảm từ 1,059 mm còn 0,126 mm và sau khi hiệu chuẩn cả các yếu tố sai

số phi hình học (sai số độ mềm của khớp và giãn nở nhiệt) thì sai lệch vị tríkhâu cuối giảm xuống còn 0,11 mm Điều này có nghĩa là khoảng 95% sai sốban đầu là do ảnh hưởng của các yếu tố sai số hình học, động học trên tổng sai

số, ảnh hưởng của các yếu tố phi hình học là rất ít Thực tế nghiên cứu cáccông trình khoa học về sai số và độ chính xác của robot công nghiệp, tác giảnhận thấy chủ yếu các nghiên cứu chỉ tập trung vào các yếu tố là sai số hìnhhọc, động học [7,11,13-18,20-30,32,34-47,49-58,61,63,65,69,71-73]

1.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về thiết kế dung sai robot

1.2.1 Các công trình nghiên cứu trong nước

Tính tới thời điểm hiện tại, chỉ có một lượng rất ít các công trình nghiêncứu được công bố trong nước có liên quan đến khảo sát độ chính xác của cáctay máy Điển hình là luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Đỗ Anh Tuấn - Đạihọc Bách khoa Hà Nội, 2013 đã thực hiện đề tài: ―Mô hình hóa và khảo sátsai số của robot công nghiệp‖ [2] Trong đó, nội dung chủ yếu đề cập đến việc

sử dụng phương trình vi phân động học robot với giả thiết về sai số khâu,khớp đã biết để tiến hành khảo sát ảnh hưởng của sai số khâu, khớp đến sailệch khâu cuối của robot Ngoài ra, tác giả còn sử dụng thuật toán di

truyền Genetic Algorithm (GA) nhằm tìm ra sai số khâu, khớp khi cho giảthiết có các kết quả đo sai lệch tại các điểm trong không gian làm việc củakhâu cuối Kết quả của bài toán được kiến nghị là tiền đề cho việc bù sai sốtrong robot.

1.2.2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Trong giai đoạn phát triển công nghiệp 4.0 này, robot đặc biệt là robotcông nghiệp luôn là một mắt xích vô cùng quan trọng Các sản phẩm tay máy

có sự bùng nổ về số lượng và chất lượng Và tất nhiên, đã có rất nhiều nghiêncứu về thiết kế, chế tạo, sử dụng…robot công nghiệp đã được công bố Trong

số đó thì các bài viết về thiết kế dung sai cho robot lại chỉ có số lượng nhấtđịnh Nguyên nhân được tác giả cho rằng vấn đề giữ bản quyền cho việc chếtạo các robot thương mại

Theo nhìn nhận của tác giả, với những công trình nghiên cứu đã đượccông bố, có hai dòng quan điểm lớn trong quá trình thiết kế dung sai động họcrobot là:

- Nghiên cứu mang tính định tính: Các nghiên cứu chỉ tập trung xácđịnh yếu tố nào (sai lệch của khâu, khớp) ảnh hưởng lớn nhất đến độ chínhxác khâu cuối của tay máy

- Nghiên cứu mang tính định lượng: dung sai các khâu, khe hở các khớp thành phần được xác định dựa trên các hàm mục tiêu xác định

1.2.2.1 Những nghiên cứu về thiết kế dung sai ở phương diện định tính

Một số tác giả đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá dung sai các tham số(dung sai hình học, tham số động học, dung sai chế tạo, độ lệch khớp…)nhằm chỉ ra tham số có ảnh hưởng lớn hơn đến độ sai lệch khâu cuối (độ tincậy của robot) Tác giả R Weill và B Shani [67] đã xây dựng một mô hìnhnhằm đánh giá ảnh hưởng của sai số hình học của các khâu thành phần đến

sai số vị trí và hướng của khâu cuối robot và nhận ra thành phần nào có ảnhhưởng lớn hơn Mô hình được thực hiện bằng lập trình trên máy tính (dùngSILICON-GRAPHIC bằng ngôn ngữ C) Tương tự, Y H Andrew Liou vàcác cộng sự [6] đã xác định khe hở tại khớp nào có ảnh hưởng lớn hơn đến độchính xác vị trí và hướng của khâu cuối bằng kỹ thuật thiết kế thực nghiệmdựa trên phương pháp Taguchi Quá trình được so sánh với kỹ thuật môphỏng Monte Carlo Miomir Vukobratovic [66] đã đánh giá ảnh hưởng củadung sai chế tạo đến độ chính xác của khâu cuối và xem xét ảnh hưởng củatừng thành phần đến độ chính xác vị trí và hướng của khâu cuối Quá trìnhđược thực hiện bằng cách giả định về một giá trị sai lệch so với kích thướcdanh nghĩa của một khâu, trong khi các thành phần sai lệch khác có giá trịbằng không (0) Ting Kwun-Lon và các cộng sự [60,72] đã phân tích, đánhgiá ảnh hưởng của khe hở khớp đến độ lệch hướng và vị trí của từng khâu vàcủa tay máy Tác giả sử dụng luật xoay vòng chuỗi động học N thanh (N-barrotatability laws) để khảo sát các chuỗi khâu phẳng Jeong Kim và các tác giả[35] đã dùng phương pháp advanced first-order second moment (AFOSM) đểxác định sự ảnh hưởng của dung sai khâu, độ lệch khớp đến sai lệch ở khâucuối (độ tin cậy - reliability) của robot chuỗi và có sự kiểm chứng bằng môphỏng Monte Carlo Dao Duy Son và Kazem Abhary [21] dùng phương phápthiết kế theo thực nghiệm (Design of Experiment (DOE)) của Taguchi đểkhảo sát ảnh hưởng của các tham số động học đến độ chính xác của robot vàtham số nào có ảnh hưởng nhiều hơn đến độ chính xác khâu cuối Tương tự,phương pháp Taguchi cũng được Fattah Hanafi Sheikhha [57] áp dụng để xácđịnh tác dộng của tham số nào (dung sai khâu, khe hở khớp – link toleranceand joint clearance) đến độ chính xác khâu cuối nhiều nhất.

Về bản chất các nghiên cứu này không định lượng, tức là các nghiêncứu không xác định được cụ thể các khâu, khớp thành phần có giá trị dung sai

cụ thể là bao nhiêu, mà chỉ xác định xu hướng ảnh hưởng của các yếu tố sai

lệch (động học, động lực học…) đến độ chính xác khâu cuối của robot Haynói cách khác, các nghiên cứu chỉ chỉ ra sai lệch tại khâu, khớp nào trong sốcác khâu, khớp thành phần sẽ có ảnh hưởng nhiều hơn đến độ chính xác củarobot.

1.2.2.2 Những nghiên cứu về thiết kế dung sai ở phương diện định lượng

Nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã được tiến hành nhằm tínhtoán, thiết kế dung sai hoặc hiệu chỉnh sai số các tham số khâu, khớp củarobot nhằm làm giảm sai số và đảm bảo sai số khâu cuối nằm trong phạm vicho phép Với các nghiên cứu nhằm tính toán, thiết kế giá trị dung sai cáctham số động học thành phần của robot, nội dung có thể chia thành hai dạngchính Đó là, dung sai các tham số thành phần được thiết kế dựa trên quanđiểm chi phí chế tạo nhỏ nhất và dựa trên quá trình khảo sát sai số cho phéptrong toàn vùng không gian làm việc của tay máy

a) Thiết kế dung sai robot dựa trên quan điểm chi phí chế tạo nhỏ nhất

Chi phí

Rời rạcLiên tục

Dung sai

Hìn 1 7: Đường cong dung sai – chi phí

Theo quan điểm này, tác giả Sun-Ho Kim [36] đã trình bày bài toán phân

bổ dung sai với chi phí thấp nhất (được gọi là: bài toán least – cost tolerance),tức là: giải bài toán tìm dung sai tối ưu của các biến khớp của robot sao chochi phí nhỏ nhất dựa trên quan điểm thống kê Trong đó, mô hình tối ưu hóa

chi phí được thành lập sử dụng chương trình pseudo-boolean Phạm vi chophép của sai số vị trí và hướng của khâu cuối là ràng buộc Nghiên cứu mớichỉ dừng lại ở việc xác định dung sai cho biến khớp mà chưa xác định dungsai cho các khâu thành phần B K Rout và R K Mittal [53] đã sử dụng kỹthuật tối ưu tiến hóa (evolution algorithm ) để chọn đồng thời các tham số vàdung sai tối ưu trên cơ sở hàm chi phí đạt nhỏ nhất Các dung sai động học(khâu, khớp), động lực học (khối lượng, moment…) được giả thiết là đã biếtgiá trị ban đầu Quá trình được so sánh với thuật toán di truyền có hiệu chỉnh(modified genetic algorithm) và nhận được kết quả tối ưu và các tính toán íthơn thuật toán di truyền.

Có thể thấy, với cách tiếp cận này, mặc dù một số thuật toán đã được ápdụng song các nghiên cứu đều có nhược điểm là: việc thiết kế các dung sai tối

ưu của kích thước khâu, khớp đều dựa trên hàm chi phí nhỏ nhất chứ khôngxem xét đến phản ứng động học của các khâu, khớp thành phần Điều này sẽdẫn đến những bất cập về độ chính xác của khâu cuối trong quá trình robothoạt động và khi lượng sai lệch các thành phần thay đổi dần theo thời gian

b) Thiết kế dung sai robot dựa trên quá trình khảo sát sai số cho phép trong toàn vùng không gian làm việc

Theo quan điểm thiết kế dung sai thứ hai, việc xác định miền dung sai tối

ưu của các tham số dựa trên khảo sát về độ chính xác khâu cuối trong toànmiền không gian làm việc Các tác giả B.K Rout và R K Mittal [52,54,55]

đã sử dụng kỹ thuật tối ưu thực nghiệm của Taguchi, kỹ thuật tối ưu tiến hóa

và mô phỏng theo Monte Carlo để thực hiện công việc này S.S Rao và P.K.Bhatti [49] đã phát triển một mô hình xác suất của động học và động lực họckhâu cuối để tính toán các sai số ngẫu nhiên trong các tham số động học vàđộng lực học Các phân phối Gaussian được giả định cho các tham số thao táckhác nhau và các ảnh hưởng của khớp được mô hình hóa bằng các quy trìnhngẫu nhiên Markov Hướng nghiên cứu này đã dựa trên yêu cầu về độ chính

xác của tay máy cần đạt được nhằm đáp ứng nhiệm vụ đặt ra cho robot Tuynhiên, quá trình xác định phạm vi dung sai tối ưu lại được tiến hành với sự giảđịnh về các khoảng sai lệch của các tham số thành phần cho trước mà không

có sự tính toán, thiết kế dung sai từ đầu

1.2.2.3 Thiết kế dung sai theo kinh nghiệm

Ngoài các công trình nghiên cứu nhằm tìm ra các sai số kích thước khâu,khớp của robot công nghiệp như đã chỉ ra bên trên, tác gả nhận thấy cũng cónhiều công bố khoa học đã đưa ra nhận định sau: Hiện nay phần nhiều việcthiết kế dung sai các tham số kích thước thành phần của robot lại do các nhàsản xuất xác định dựa theo sổ tay, kinh nghiệm và trực giác [10,36,48,52].Hơn thế nữa, do các điều kiện đưa ra hầu như là luôn không đủ nên các dungsai thường được cho bằng nhau [33] Công việc này có ưu điểm là nhanh,song sẽ tồn tại nhiều bất cập khi việc thiết kế không được tính toán cụ thể từđầu, làm cho độ chính xác của khâu cuối trong không gian làm việc không đạtđược như mong muốn

1.3 Những vấn đề còn tồn tại

Trong quá trình thiết kế robot, việc đảm bảo độ chính xác, chức năngđộng học, động lực học là nội dung chính Nếu bài toán đảm bảo chức năngđộng học, động lực học quyết định khả năng làm việc và kết cấu của robot thì

độ chính xác quyết định chất lượng và giá thành sản phẩm

Để có một robot thì cần có bản vẽ chế tạo cho toàn bộ các chi tiết, trong

đó việc xác định độ chính xác phải triển khai cho từng kích thước (ví dụ hình1.8) Đây là bài toán có khối lượng tính toán lớn, chi phí lớn, thời gian tínhkéo dài…tốn nhiều công sức của các nhà thiết kế

Hìn 1 8: Bản vẽ chế tạo một bộ phận của tay máy

Do đa số robot công nghiệp có liên kết dạng chuỗi nên sai số các bộ phậnthành phần (khâu, khớp) ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của khâu cuối.Việc xác định dung sai các tham số quyết định đến chất lượng và giá thànhcủa một robot Trong khi đó, theo cơ chế ngược, nhu cầu sản xuất đòi hỏi độchính xác của robot, cụ thể hơn đó chính là độ chính xác của khâu cuối, việcthiết kế dung sai các tham số thành phần sao cho đảm bảo được yêu cầu đócần được chỉ ra

Có thể thấy, do vấn đề bản quyền thương mại mà số lượng các công trìnhnghiên cứu được công bố về thiết kế dung sai cho robot công nghiệp chiếm tỉ

lệ rất ít so với số lượng và chủng loại rất lớn các robot công nghiệp như hiệnnay

Với các nghiên cứu được công bố, các tác giả đã sử dụng nhiều kỹthuật, công cụ tính toán khác nhau Tuy nhiên, một quá trình thiết kế đầy đủ,chặt chẽ về dung sai các tham số kích thước khâu, khớp của robot dường như

còn rất ít và không đầy đủ Hầu hết trong số đó đều được thực hiện với nhữnggiả định đã cho về dung sai các tham số, tức là không tính toán dung sai ngay

từ đầu

Ngoài ra, các quá trình đều không được thực hiện theo chiều ngược.Hay nói cách khác, từ yêu cầu về độ chính xác khâu cuối, bài toán xác địnhdung sai kích thước của các khâu, khớp thành phần của robot chưa được thựchiện

Đặc biệt, với quá trình phát triển và phân hóa rõ ràng như ngày nay, cáctay máy có mô hình động học gần như là giống nhau, nhất là cấu hình điểnhình ở robot chuỗi sáu bậc tự do Ý tưởng thiết kế dung sai cho cả nhóm robot

có cùng dạng cấu trúc dựa trên một robot mẫu trong nhóm là rất thực tế vàhữu ích Hướng tiếp cận này sẽ giúp rút ngắn đáng kể các công đoạn tính toántrong khâu thiết kế

Tác giả sẽ thực hiện phương pháp tính toán dung sai cho cả nhóm robot

có cùng dạng cấu trúc Trong đó, dung sai của robot mẫu được tính toán dựatrên phương pháp Giảm Gradient tổng quát (Generalized Reduced Gradient -GRG) [62,65] Trong các nghiên cứu này, các tác giả mới xét riêng rẽ tácđộng của các dung sai khâu, độ lệch khớp tới độ chính xác khâu cuối Nghiêncứu chưa kể đến việc lắp lẫn hoàn toàn cấu trúc, tức là trong điều kiện sảnxuất loạt lớn, các khâu, khớp của robot được lắp lẫn sau khi hoàn tất việc chếtạo cơ khí Hậu quả của việc này có thể dẫn đến vị trí khâu cuối không đạt độtin cậy Việc tính toán hoàn chỉnh giá trị dung sai xét đến khả năng lắp lẫn sẽđược khảo sát trước khi vận dụng quan hệ nhóm cấu trúc để tính dung sai chocác robot trong nhóm

1.4 Hướng nghiên cứu của luận án

Theo Bishop [11], sản phẩm cơ điện tử muốn có chất lượng cuối cùngnhư mong muốn thì chất lượng các phần hợp thành nên ở mức tương đương

nhau Nghĩa là chất lượng không thể trông chờ vào phần mềm bù trừ hoàntoàn các sai số phần chấp hành hoặc ngược lại, siết chặt dung sai để đạt độchính xác đơn thuần sẽ làm giá thành tăng và khả năng kiểm soát độ chính xáclâu dài giảm đi Như vậy, chất lượng cơ cấu chấp hành ban đầu cần đạt độchính xác nhất định để chia sẻ khó khăn với việc thiết kế bộ điều khiển ở mứcchấp nhận được cả về kinh tế và kỹ thuật Độ chính xác ban đầu của các bộphận hợp thành tay máy có thể kể đến như: sai lệch kích thước chiều dài khâu,khe hở khớp…

Rất nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng, sai số banđầu tại khâu cuối robot có nguyên nhân chủ yếu từ các sai số hình học, độnghọc, các nguyên nhân khác ảnh hưởng rất ít [32,37,70] 75% sai số ban đầucủa một máy mới là do chế tạo và lắp ráp [5] và khi tính bao gồm cả sai sốhình học và sai số do biến đổi nhiệt và tải trọng tĩnh thì chiếm 70% tổng sai số[67]

Với những nhận định đó, tác giả tiến hành nghiên cứu thiết kế dung sai

từ yêu cầu về độ chính xác ban đầu của khâu cuối là hợp lý và đúng đắn

Tác giả lựa chọn đề tài: ―Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho

robot chuỗi theo nhóm cấu trúc‖ với mong muốn:

- Xây dựng mô hình toán thể hiện mối quan hệ giữa độ chính xác của robot và sai số các kích thước khâu, khớp thành phần

- Phát triển một phương pháp số trong giải bài toán xác định dung sai.Phương pháp này cho phép xác định được cả hai thành phần sai số là sai số chiều dài khâu và sai số tọa độ suy rộng

- Tính toán, xác định dung sai cho một robot được thiết kế mới hoàn toàn, các thông số kết cấu độc lập

- Tính toán, xác định dung sai cho các robot thuộc cùng nhóm kết cấuvới robot mẫu có sẵn dung sai Kỹ thuật tính toán này rất có ý nghĩa khi mà

hiện nay các robot công nghiệp có số lượng rất lớn, đa dạng về mẫu mã song lại chỉ có một vài dạng kết cấu động học điển hình

- Quy trình tính toán dung sai trải qua hai bước lớn là tính xấp xỉ đầu vàkiểm tra, hiệu chỉnh lần cuối sẽ giúp kết quả tính luôn đúng đắn, toàn diện và tốiưu

- Xây dựng chương trình chuyên biệt cho phép kiểm tra, hiệu chỉnhdung sai thiết kế trong trường hợp lắp lẫn hoàn toàn, đảm bảo việc sản xuất robotvới số lượng lớn luôn đúng với dung sai đã thiết kế

- Tại từng vị trí trong không gian làm việc, sai số của tâm khâu cuốicuối có giá trị không bằng nhau Do đó, để đảm bảo cho việc thiết kế dung sailuôn đúng, thỏa mãn các điều kiện đặt ra tại bất kỳ vị trí nào trong không gianlàm việc, một mô hình toán nội suy dự đoán sai số được tác giả xây dựngnhằm chỉ ra những vị trí mà tại đó sai số khâu cuối là lớn nhất Quá trình tínhtoán các giá trị dung sai và kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai lần cuối sẽ được thựchiện tại những vị trí này

1.4.1 Giả thuyết khoa học của luận án

Gọi A là robot đã được thiết kế dung sai hoàn thiện (robot mẫu) Robot

A có thể là các robot thương mại có sẵn trên thị trường hoặc là robot có dungsai do nghiên cứu sinh tự tính toán xác định Robot C có cùng dạng cấu trúc vớirobot A và C là robot cần xác định dung sai các kích thước khâu, khe hở

các khớp thành phần

Để xác định dung sai từ hai robot có cùng dạng kết cấu nhưng không đồng dạng tác giả đề xuất một hệ số tỉ lệ hợp lí (hệ số nội tỉ lệ) xuất hiện trong

kết cấu robot thể hiện mối quan hệ giữa dung sai và chiều dài kích thước danhnghĩa của khâu.

Robot A đã có dung sai trên các khâu thành phần, tức là trên robot A đãxác định được hệ số nội tỉ lệ là tỉ số hợp lý giữa dung sai và chiều dài khâu tươngứng của kiểu cấu trúc robot này là  diA

Đây là tỉ số mà phản ứng động

d i A

học tự nhiên của robot xác định ra có thể coi là hợp lý Không mất tính tổngquát, giả sử robot C cùng nhóm với A cũng dùng chung tỉ số này cho khâuđang xét (hai robot không đồng dạng với nhau), tức là có quan hệ sau:

Luận án tập trung vào việc kiểm chứng giả thiết này, trong đó sẽ chứngminh rằng: khi được áp dụng trong quá trình thiết kế dung sai khâu, khớp củarobot công nghiệp thì nó là một đề xuất hợp lí, đảm bảo độ chính xác, giảmcông đoạn tính toán

1.4.2 Nội dung c bản của luận án

Trong luận án, tác giả trình bày một quy trình đầy đủ, toàn diện về thiết

kế dung sai khâu, khe hở khớp của tay máy từ yêu cầu độ chính xác cho trướccủa khâu cuối theo sơ đồ gồm các bước cơ bản sau:

thúcdung sai hợp lí

2

Hìn 1 9: Quy trình tổng quát thiết kế dung sai robot

Trong đó, giá trị xấp xỉ đầu của dung sai khâu, khe hở khớp được hiểu là

bộ giá trị dung sai được tính toán tại bước đầu tiên (bước 1), là bộ dung saiđược thiết kế sơ bộ ban đầu và được dùng làm giá trị dung sai thiết kế cănbản Giá trị dung sai cuối cùng được ghi trên bản vẽ chế tạo sẽ chính là giá trịdung sai xấp xỉ đầu (nếu quá trình kiểm tra tại bước 2 thỏa mãn yêu cầu đặtra) hoặc là giá trị dung sai sau khi hiệu chỉnh dung sai xấp xỉ đầu này (nếuviệc kiểm tra không thỏa mãn, cần hiệu chỉnh thu nhỏ hoặc nới lỏng dungsai)

Quá trình cụ thể như sau:

Bước 1: Xác định giá trị dung sai khâu, khớp sơ bộ làm xấp xỉ đầu cho

bài toán thiết kế dung sai

Tại đây được chia làm hai bài toán lớn:

- Xác định giá trị xấp xỉ đầu trong trường hợp tính mới từ đầu một robot độc lập

Từ độ chính xác yêu cầu của khâu cuối, bài toán động học ngược được

áp dụng, phát triển và giải theo phương pháp số GRG nhằm tìm ra bộ giá trịxấp xỉ đầu của dung sai các khâu, khe hở các khớp thành phần

- Xác định giá trị xấp xỉ đầu dựa trên robot mẫu có cùng dạng cấu trúc.