FINAL PROJECT PROJECT OF MECHANICAL DESIGN research, design and simulation robot

MỞ ĐẦUChúng ta đang sống trong thời đại nền công nghiệp 4.0 - nên công nghiệp sản xuất hàng loạt với sự trợ giúp của robot, máy tự động dưới sự điều khiển của máy tính Nên khoa học kỹ th

HO CHI MINH UNIVERSITY TECHNOLOGY AND EDUCATION

FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING

FINAL PROJECT

PROJECT OF MECHANICAL DESIGN Research, Design and Simulation Robot

Scara

Advisor: Thầy Tưởng Phước Thọ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 4

1.1 Robot và robot công nghiệp 4

1.1.1.Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp 4

1.1.2.Robot và công nghệ cao 4

1.1.3.Định nghĩa về robot công nghiệp 4

1.2 Các phương pháp điều khiển robot 4

CHƯƠNG II: MÔ TẢ VÀ PHÂN TÍCH CHI TIẾT ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 5

2.1 Thiết kế cơ khí của robot 5

2.1.1 Thiết kế cơ khí cấu hình tay máy robot và thông số kỹ thuật 5

2.1.2 Thiết kế tính toán bộ truyền động (động cơ, hộp số) 5

2.1.3 Bản vẽ lắp, bản vẽ chi tiết 5

2.2 Bài toán động học tay máy robot 6

2.2.1 Tính toán bài toán động học thuận, nghịch 6

2.2.2 Tính toán bài toán động học vận tốc 6

2.2.3 Tính toán bài toán động lực học 6

2.2.4 Phân tích không gian hoạt động của tay máy 6

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG TAY MÁY ROBOT BẰNG PHẦN MỀM MATLAB VÀ SIMMECHANIC 7

KẾT LUẬN 8

TÀI LIỆU THAM KHẢO 9

MỞ ĐẦU

Chúng ta đang sống trong thời đại nền công nghiệp 4.0 - nên công nghiệp sản xuất hàng loạt với sự trợ giúp của robot, máy tự động dưới sự điều khiển của máy tính Nên khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh mẽ dẫn tới thay đổi lớn trong sản xuất Sự thay đổi lực lượng sản xuất trong mọi ngành nghề, sự thay thế hoạt động chân tay của con người bằng máy móc, robot

Robot có được vị trí như vậy là nhờ chúng có những ưu điểm đặc biệt và chất lượng, độ chính xác và tính kinh tế Robot có thể làm việc không bị ảnh hưởng bởi những yếu tổ chủ quan, khách quan như có thể làm việc không biết mệt mỏi, làm việc trong môi trường ô nhiễm, độc hại, làm việc mới có nhiệt độ/áp suất cao, làm việc nơi hiểm, không những vậy nhờ những thiết kế cơ khi chính xác và những thuật toán điều khiến mà robot có khả năng làm những công việc yêu cầu độ cần thận, tinh tế, làm

việc chính xác không có sự nhầm lẫn như con người Tay máy Robot đã có mặt trong sản xuất từ nhiều năm trước, ngày nay tay máy Robot đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ những ưu điểm mà tay máy Robot đó và đúc kết lại trong quá trình sản xuất làm việc, tay máy có những tính năng mà con người không thể có được, khả năng làm việc ổn định, có thể làm việc trong môi trường độc hại, vv Do đó việc đầu tư nghiên cứu, chế tạo ra những tay máy Robot phục vụ cho công cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiện tại tương lai

Ngày nay việc dùng robot ứng dụng trong ngành công nghiệp cơ khí nặng là một trong những nhu cầu rất cần thiết, việc di chuyển một cách khéo léo và chính xác là điều khó khăn đối với con người, chính vì thế mà việc nghiên cứu chế tạo ra một thiết bị như cánh tay robot

để làm được việc đó có ý nghĩa rất lớn

Việc tìm hiểu nghiên cứu Robot trong khuôn khổ môn học.Robotics tại trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM do thầy Tưởng Phước Thọ phụ trách, sẽ là cơ sở, nền tảng vững chắc để chúng em nghiên cứu, thiết kế và tính toán cũng như điều khiển các loại robot trong hay ngoài nền công nghiệp phục vụ sản xuất và đời sống của con người Trong bài tiểu luận cuối kỳ của môn học Robotics, cụ thể chúng em chọn loại tay máy Scara để phát triển đề tài

“Nghiên cứu, thiết kế, tính toán mô phỏng tay máy”

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 1.1 Robot và robot công nghiệp

1.1.1 Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp

Trở về lịch sử của quá trình phát triển ngành công nghiệp có thể thấy sự phát triển công nghiệp đã trải qua bốn giai đoạn chính, từ những máy móc đơn giản nhất cho đến những máy móc tinh vi, thông minh và phức tạp nhất

Hình 1.1: Dòng thời gian biểu diễn quá trình phát triển của robot.

Giai đoạn I: Diễn ra vào khoảng cuối thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19

Cuộc cách mạng công nghiệp bắt đầu bằng sự phát triển sản xuất hàng hóa của ngành công nghiệp dệt Sau đó, thương mại phát triển thuận lợi cho sự ra đời của kênh đào giao thông và đường sắt Động cơ hơi nước đưa đến gia tăng năng suất lao động đột biến Sự phát triển của máy móc trong hai thập kỉ đầu của thế kỉ 19 đưa đến sự chế tạo máy móc phục vụ cho các ngành sản xuất khác

Giai đoạn II: Bắt đầu khoảng thập kỉ 1850 và kéo dài đến đầu thập kỉ 1900

Giai đoạn III:

Giai đoạn IV:

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các nền sản xuất công nghiệp, các máy tự động có sự bùng nổ về số lượng và chất lượng Có thể kể đến như các máy công cụ, các trung tâm gia công CNC, hệ thống Open CIM…trong đó, robot công nghiệp là một thành phần không thể thiếu với vai trò 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 điểm vượt trội và tính hiệu quả, hiệu suất mà chúng mang lại, hiện nay robot là thành 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)

1.1.2 Robot và công nghệ cao

1.1.3 Định nghĩa về robot công nghiệp

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 hai hoặc nhiều trục liên kết với nhau Robot công nghiệp có thể là robot chuỗi, 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 song song ba, bốn hoặc sáu chân Với những ứng dụng rất đa dạng và phong phú, chúng không chỉ giúp thay thế người công nhân trong các công đoạn lặp lại nhàm chán, trong các môi trường độc hại, nguy hiểm mà chúng còn có khả năng hoạt động trong những nhiệm vụ đòi hỏi tính linh hoạt và chính xác cao mà con người khó thực hiện được Với những ưu điểm đó, robot công nghiệp ngày càng có vai trò quan trọng

1.2 Các phương pháp điều khiển robot

Cánh tay Robot được hiểu là gồm các thanh nối được ghép với nhau qua các khớp nối sẽ

di chuyển trong không gian Vì vậy để có thể xác định được vị trí của khâu tác động cuối cùng trong không gian thì phải biết được hướng, tọa độ của tay máy trong không gian Vì vậy bằng cách nào đó ta phải gắn được các hệ trục tọa độ lên tay máy để tính toán xác định vị trí, hướng của khâu tác động cuối cùng của tay máy trong không gian

CHƯƠNG II: MÔ TẢ VÀ PHÂN TÍCH CHI TIẾT ĐỐI TƯỢNG

NGHIÊN CỨU 2.1 Thiết kế cơ khí của robot

2.1.1 Thiết kế cơ khí cấu hình tay máy robot

Hình 2.1: Bản phác thảo 2D thiết kế tay máy robot.

Hình 2.2: Bản mô phỏng 3D thiết kế tay máy robot Scara bằng Solidworks

(đang hoàn hoàn thiện)

2.1.2 Thiết kế tính toán bộ truyền động (động cơ, hộp số)

2.1.3 Bản vẽ lắp, bản vẽ chi tiết.

2.2 Bài toán động học tay máy robot

Thiết lập bảng thông số Denavit – Hartenberg

Hình 2.2: Phân tích cấu tạo tay máy theo phương pháp Denavit – Hartenberg

i θ i (°) α i (°) d i (m) a i (m)

Bảng 2.3: Bảng thông số Denavit – Hartenberg theo cấu tạo robot

2.2.1 Tính toán bài toán động học thuận

Để xác định các tham số động học biểu diễn vị trí của khâu tác động cuối, khi biết các biến khớp của robot Scara, ta tính được các ma trận biến đổi đồng nhất từ số liệu ở bảng D-H trên như sau:

Từ các ma trận biến đổi đồng nhất đã tính, tọa độ điểm P ở cuối khâu tay gắp so với khung tọa độ gốc là:

P x = l 1 cosθ 1 + l 2 cos(θ 1 + θ 2 ) (1)

P y = l 1 sinθ 1 + l 2 sin(θ 1 + θ 2 ) (2)

P z = l 0 + d 3 (3)

2.2.2 Tính toán bài toán động học nghịch

Với bài toán động học nghịch, từ khi biết vị trí khâu tác động cuối của robot, cần xác định các giá trị biến độ dời và góc quay của các khớp Trong bài toán này, áp dụng phương pháp đại số, dựa vào kích thước ban đầu và tọa độ điểm cuối P, mục tiêu là cần tính toán được các

Đặt nhân tử chung các cặp số hạng tương ứng thu được:

P x + P y 2 = l 1 2 (cos 2 θ 1 + sin 2 θ 1 ) + l 2 [cos 2 (θ 1 + θ 2 ) + sin 2 (θ 1 + θ 2 )]

+ 2l 1 l 2 [cosθ 1. cos(θ 1 + θ 2 ) + sinθ 1 sin(θ 1 + θ 2 )]

Áp dụng công thức lượng giác cơ bản ta được:

P x + P y 2 = l 1 + l 2 + 2l 1 l 2 cosθ 2

Từ đây ta tính được giá trị biến θ 2:

θ2 = cos -1 P x2+P y2−l12−l22

2 l1l2

Để tìm θ 1, ta khai triển công thức lượng giác sin của tổng ở phương trình (1):

P x = l 1 cosθ 1 + l 2 cosθ 1. cosθ 2 - sinθ 1 sinθ 2

Đặt nhân tử chung ta được:

P x = - sinθ 2 sinθ 1 + (l 1 + l 2 cosθ 2 ).cosθ 1

Đặt a = -sinθ2; b = l1 + l2 cosθ2; c = Px

Khi đó, phương trình có dạng c = a.sinx + b.cosx, chia cả hai vế phương trình cho √a2

+b2:

a

√a2

+b2sinx+ b

√a2

+b2cosx= c

√a2

+b2

Đặt cosσ = a

√a2+b2 và σ =

b

√a2+b2 , phương trình trở thành:

cosσ sinx+ sinσ cosx= c

√a2+b2

Áp dụng công thức lượng giác ta được:

sin ⁡(x+σ )= c

√a2+b2

Như vậy, ta xác định được 2 giá trị góc quay θ1:

θ1=sin−1¿

θ1=π −sin−1¿

Vậy với bài toán động học nghịch, từ khi biết vị trí khâu tác động cuối của robot, cần xác định các giá trị biến độ dời và góc quay của các khớp Trong bài toán này, áp dụng phương pháp đại số, dựa vào kích thước ban đầu và tọa độ điểm cuối P, ta tính toán được các giá trị

θ 1 , θ 2 và d 3

2.2.3 Tính toán bài toán động học vận tốc

2.2.4 Tính toán bài toán động lực học

2.2.5 Phân tích không gian hoạt động của tay máy

Kích thước ban đầu và biến khớp giới hạn hoạt động các khâu vận hành trong robot:

l0= 210; l1= 200; l2= 150

θ1: (−π

2 →

π

2); θ2: (−3 π

2 →

3 π

2 ); d3: (120 →210)

Code lập trình không gian hoạt động robot Scara bằng phần mềm Matlab:

Hình 3.1.2: Không gian hoạt động của tay máy Scara – Góc nhìn isometric

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG TAY MÁY ROBOT BẰNG PHẦN MỀM

MATLAB VÀ SIMMECHANIC

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO