đề tài tính toán thiết kế mô hình robot fíng dụng gắp chi tiết đúc từ máy công nghệ đưa ra vị trí tháo khuôn

<span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Chúng ta đang sống trong thời đại nền công nghiệp 4.0 - nền công nghiệp sản xuấthàngloạtvớisựtrợgiúpcủa robot,máytựđộngdướisựđiềukhiểncủa máytính. Nền khoa học kỹ thuật ngày căng phát triển mạnh mẽ dẫn tới thay đổi lớn trong sản xuất.Sựthay đổilựclượngsảnxuấttrongmọingành nghề,sựthaythếhoạtđộngchân tay của con người bằng máy móc, robot.

Robot có được vị trí như vậy là nhờ chúng có những ưu điểm đặc biệt về chất lượng, độchinhxácvà tínhkinhtế.Robotcóthểlàmviệckhơngbịảnhhưởngbởinhữngyếu tố chủ quan, khách quan như có thể làm việc không biết mệt mỏi, làm việc trong mơi trườngơnhiễm,độchại,làmviệc nơicónhiệtđộ/ápsuấtcao,làmviệc nơinguy hiểm,

… khơng những vậy nhờ những thiết kế cơ khí chính xác và những thuật toán điều khiển mà robot có khả năng làm những công việc yêu cầu độ cẩn thận, tinh tế, làmv i ệ c c h í n h x á c k h ơ n g c ó s ự n h ầ m l ẫ n n h ư c o n n g ư ờ i .

Tay máy Robotđ ã cómặt trongsảnxuấttừnhiềunăm trước,ngày nay taymáyRobot đã dùng ở nhiều lĩnh vực sản xuất, xuất phát từ những ưu điểm mà tay máy Robot đó và đúc kết lại trong q trình sản xuất làm việc, tay máy có những tính năng mà con ngườikhơngthểcóđược,khảnănglàmviệcổnđịnh,cóthểlàmviệctrongmơitrường độc hại, v.v…Do đó việc đầu tư nghiên cfíu, chế tạo ra những tay máy Robot phục vụ cho cơng cuộc tự động hóa sản xuất là rất cần thiết cho hiện tại và tương lai.

Ngàynayviệcdùngrobotfíngdụngtrongngànhcơngnghiệpcơkhínặnglàmộttrong 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 cfíu chế tạo ra một thiết bị như cánh tay robot để làm được việc đó có ý nghĩa rất lớn.

<i><b>Việc tìm hiểunghiên cfíuRobot trong khnkhổ mơnhọcTính tốn thiết kế robotsẽ</b></i>

làcơsở đểchúng emtính tốn,thiếtkế cũng nhưđiềukhiển cácloại Robottrong công nghiệp phục vụ sản xuất. Cụ thể, ở đây chúng em chọn đề tài tính tốn, thiết kế mơ hình Robot fíng dụng gắp chi tiết đúc từ máy cơng nghệ đưa ra vị trí tháo khn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Trong ngành cơng nghiệp sản xuất cơ khí nặng, Công nghệ Đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khn để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu. Đa phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệukim loại.Việc gắp chitiết đúc từ máy cơngnghệ đưa ra vịtrítháo khnlà những cơng việc lặp đi lặp lại rất đơn giản và nhàm chán, nếu sfí dụng cơng nhân trực tiếp làmviệc này thìnăng suấtđạt được khôngcao, đồngthời gây căng thẳngmệtmỏi, ảnh hưởng đến chất lượng và tiến độcơng việc. Ngồi ra việc áp dụng khoa họccơng nghệ sfí dụng robot thay thế con người trong công việc này đang là xu thế, robot làm việc không biết mệt mỏi, không bị ảnh hưởng bởi tâm lí và ít bị tác động bởi mơi trường, năng suất cao, độ chính xác tin cậy cao, tính ra giá trị lợi nhuận thu về thì sfí dụng robot rẻ hơnlao độngconngườirất nhiều. Dovậy, nhóm chúngem quyết định sẽ thiết

Dạng thao tác: Khâu tác động cuối cùng để gắp chi tiết đúc là hệ thống kẹp chi tiết và nhấc lên vng góc với bề mặt chfía chi tiết đúc và di chuyển theo chiều tịnh tiến.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>2.2. Yêucầuvềvịtrí:</b>

Các chi tiết đúc khi được sản xuất từ máy công nghệ nằm trên một băng chuyền, khâu tác động cuối của robot phải đưa đến đúng vị trí để tháo khuôn.

<b>2.3. Yêucầuvềhướngcủakhâuthaotác:</b>

Hướng của khâu thao tác không thể tuỳ ý mà phải phù hợp với hướng định trước của chi tiết đúc được sản xuất ra từ máy công nghệ trên băng chuyền. Hướng của khâu tác động cuối nằm trên mặt phẳng song song với mặt đất XoYo, định hướng bằng các góc quay quanh trục Zo.

<b>2.4 Yêucầuvềvậntốc,giatốckhithaotác:</b>

Yêu cầu về gia tốc: Gia tốc của robot không được quá cao và thay đổi đột ngột có thể làm chi tiết đúc ra khỏi đầu kẹp của khâu tác động cuối.

<b>2.5 ucầuvềkhơnggianthaotác:</b>

Băng chuyền đã có, mỗi băng chuyền rộng 500mm, cao 1000mm, nằm vng góc với nhau. Khơng gianthao tác yêu cầu của robotcầnphải bao quát được cả 2 bằng chuyển để có thể lấy từ bằng chuyền 1 đưa sang băng chuyền 2 một cách dễ dàng. ( Ở đây băng truyền 1 chính là vị trí ban đầu của chi tiết đúc khi vừa được sản xuất từ máy Cơng nghệ, băng truyền 2 là vị trí mình đưa chi tiết đến để tháo khn)

Là vị trí xa nhất mà robot có thể với tới, đó sẽ là vị trí chi tiết đúc ở vị trí xa nhất khi được đưa ra từ máy công nghệ trên băng chuyền.

<b>3.3. Yêucầuvềtảitrọng:</b>

Trongthực tế,chitiếtđúc ta cóthể ước tính nặngtrung bình khoảng1kg/1chitiết,mỗi lầnRobot thao tác được với4 chitiết, như vậy tải trọng ngoài tác dụng lên Robotsẽ là 4kg. Ta lấy tải trọng tính tốn ngoài là 4 kg.

<b>IV/ Các phương án thiết kế cấu trúc Robot, cấu trúc các khâukhớp, phân tích, chọn phương án thực hiện:</b>

Dựa vào yêu cầu kỹ thuật thao tác nhóm chúng em lên ý tưởng Robot dự định thiết kế sẽ là robot 3bậc tự do RRT,RTT,TTT,TRT...

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Dự định thiết kế tay gắp chi tiết đúc sẽ là hệ thống kẹp và nhấc lên vng góc với bề mặt chfía các chi tiết đúc và di chuyển theo chiều tịnh tiến.

<b>4.1. CácphươngánthiếtkếcấutrúcRobot:</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Khâu3:300mm

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>CHƯƠNGII:THIẾTKẾQUỸĐẠOCHUYỂNĐỘNG</b>

<b>I/Khảosátđộnghọcthuận, khảosátđộnghọcngược:1.1. ĐặthệtrụctọađộtheoDenavit–Hartenberg</b>

Đối với các robot công nghiệp, Denavit – Hartenberg (1995) đã đưa ra cách chọn các hệ trục tọa độ có gốc tại khớp thfí i như sau:

- Trụcz<small>i-1</small>đượcchọndọctheotrụccủakhớpđộngthfíi.

- Trục x<small>i-1</small>được chọn dọc theo đường vng góc chung của 2 trục z<small>i-2</small>và z<small>i-1</small>, hướng đi từ trục z<small>i-2</small>sang z<small>i-1</small>. Nếu trục z<small>i-1</small>cắt trục z<small>i-2</small>thì hướng của trục x<small>i-1</small>đượcchọntù,miễnlàvnggócvớiz<small>i-1</small>.Khi2t r ụ c z<small>i-1</small>vàz<small>i-2</small>songsongvới nhau, trục x<small>i-1</small>có thể chọn hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được.

- GốctọađộO<small>i-1</small>đượcchọntạigiaođiểmcủatrụcx<small>i-1</small>vàtrụcz<small>i-1</small>

- Trụcy<small>i-1</small>đượcchọnsaochohệ(Oxyz)<small>i-1</small>làhệquychiếuthuận. Chú ý :

- Đối với hệ tọa độ (Oxyz)<small>0</small>theo quy ước trên ta mới chỉ chọn được trục z<small>0</small>, cịn trục x<small>0</small>chưa có trong quy ước trên. Ta có thể chọn trục x<small>0</small>được chọn một cách tùy ý, miễn là x<small>0</small>vng góc với z<small>0</small>.

- Đối với hệ tọa độ (Oxyz)<small>n</small>, do khơng có khớp n+1, nên theo quy ước ta không xác định được trục z<small>n</small>. Trục z<small>n</small>không được xác định duy nhất, trong khi trục x<small>n</small>lại được chọn theo pháp tuyến của trục z<small>n-1</small>.Trong trường hợp này, nếu khớpl à k h ớ p q u a y t a c ó t h ể c h ọ n t r ụ c z<small>n</small>song song với trục z<small>n-1</small>.Ngồi ra ta có thể chọn tùy ý sao cho hợp lý.

- Khikhớpthfíilàkhớptịnhtiến,vềnguntắctacóthểchọntrụcz<small></small>

<small>i-1</small>mộtcáchtù.Ngườitathườngchọntrụcz<small>i-1</small>dọctheotrụccủakhớptịnhtiếnnày. Từquytắctrêntaxâydựngđượccáchệtọađộnhưhìnhvẽ:

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

-

<i>a</i>

<i>_i:dịchchuyểndọctrụcđ ể điểmc h u y ể n đếnđiểm</i>

-

<i>α</i>

<i>_i:gócquay quanh trụcs a o c h o t r ụ c ()trùngvớitrục</i>

<i>Hình2.2.CácthamsốD e n a v i t –Hartenberg</i>

Nhưvậytừcáchệtọađộđãxâydựngởtrên,tacócácthamsốDHnhưsau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<i>Bảng2.1.CácthamsốDenavit–Hartenberg</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

s

<i>θ</i>

<i>_i</i> ^-cos

<i>^α</i>

<i>ⁱ</i>^sin

<i>^θ</i>

<i>ⁱ</i> ^sin

<i>^α</i>

<i>ⁱ</i>^sin

<i>^θ</i>

<i>ⁱ^aⁱ</i>^cos

<i>^θ</i>

<i>ⁱ^�</i>

�sin

<i>θ</i>

cos

<i>α</i>

<i>cos</i>

<i>θ</i>

-sin

<i>α</i>

<i>cos</i>

<i>θ</i>

<i>asin</i>

<i>θ</i>

<i>^�</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Ma trận được xác định bởi cơng thfíc (2.1) được gọi là ma trận Denavit – Hartenberg. Nócho ta biết thơngtinvề vịtrícủakhâuthfíi của robot đốivới hệquy chiếu(Oxyz)<small></small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Nhiệm vụ của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu thao tác, hay nói cách khác là vị trí điểm tác động cuối và hướng của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định với điều kiện các biến khớp đã biết. Ở đây ta sẽ xác định từ ma trận DH của khâu

thaotác <small>3</small> TínhcácmatrậnDH

Đặtcosq<small>1</small>=C<small>1</small>,sinq<small>1</small>=S<small>1</small>,cosq<small>2</small>=C<small>2</small>,sinq<small>2</small>=S<small>2</small>,cos(q<small>1</small>+q<small>2</small>)=C<small>12</small>,cos(q<small>2</small>+q<small>3</small>)=C<small>23</small>,

vàthaycácgiátrịtrongbảngthơngsốDHvàocơngthfíc(2.1)vàt a đượccácmatrận biến đổi DH giữa các hệ trục tọa độ như sau:

<i>�cos(q</i>₁<i>(t)+q</i>₂<i>_{(t)) sin(q}</i>₁<i>_(t)+q</i>₂<i>_(t))0 a</i>₂<i>_cos(q</i>₁<i>_(t)+q</i>₂<i>_(t))+a</i>₁<i>_cos(q</i>₁<i>(t))�</i>

�<i>_{sin(q(t)+q(t))}_{cos(q(t)+q(t))}</i> ₀ <i>_{as i n ( q(t)+q( t))+as i n ( q(t))�}</i>

<small>0</small><i>A=</i><small>0</small><i>A.</i><small>1</small><i>A= �</i> <small>121221211</small> �

<small>0</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

(Oxyz)<small>i+3</small>bằng cách quay liên tiếp quanh các trục của hệ tọa độ động, cụ thể là:

- Quay(Oxyz)<small>i</small>góc

α

_{q uan h trụcx}_i_.Hệ(Oxyz)_i(Oxyz)<small>i+1</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

- Quay(Oxyz)<small>i+1</small>góc

β

_quanhtrụcy

- Quay(Oxyz)<small>i+2</small>góc^ηquanhtrụcz<small>i+2</small>.Hệ(Oxyz)<small>i+2</small>(Oxyz))<small>i+3</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

MatrậnquayCardanbiểudiểnhướngcủahêtọađộđộng(Oxyz)<small>i+3</small>sovớihệtọađộ cố định (Oxyz)<small>I</small>là tích của ba ma trận quay thành phần cơ bản, được tính

<i>R =�sinαsinβcosη+cosαsinη</i> -sin<i>αsinβsinη+cosαcosη</i> -sin<i>αcosβ�</i>

(

2.7

)

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

Tốn tfí sóng của véc tơ vận tốc góc khâu i trong hệ tọa độ động (Oxyz)<small>i</small>được tính theo cơng thfíc sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

& ^❹

(&

&

)2

+a( &q&+&q&)C -aq&2S+aC&q&

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

Chocáchằngsố:d<small>1</small>=600mm,a<small>1</small>=500mm,a<small>2</small>=400mm,d<small>2</small>=10mm

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

<i>❹y</i>² <i>^=a</i>

<small>2</small><i>S<small>2</small>+a</i><small>2</small><i>S<small>2</small>+2aS a S</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

Thiếtkếquỹđạochuyểnđộnglàxâydựngquyluậtchuyểnđộngchocáckhâucủa robotđảmbảothỏamãnyêucầuvềvịtrí,hướng,hoặcthỏamãncả vịtrívàhướngcủa

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Trongtrườnghợpchuyểnđộngtfiđiểmtớiđiểm,ngườitacóthểquantâmhoặckhơng quan tâm đến việc khâu thao tác đi qua một số điểm trung gian. Khi đó kỹ thuật thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp hay được sfí dụng. Thiết kế quỹ đạo trong khơng gian khớp đòi hỏi phải xây dựng được các hàm phụ thuộc thời gian của các biến khớp và các đạo hàm bậc nhất, bậc hai của nó. Qua đó mơ tả được chuyển động cần thiếtcủa Robot.

<b>a. Đềbài</b>

Đối với Robot,tachọnnội dung thiếtkế quỹ đạonhưsau: Chọnhai điểmA,B bất

<i>gianlàm việct<small>c</small></i>.Yêu cầuxây dựng hàm phụthuộc thờigian củacác biếnkhớp và đạo

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

Tfi bốn hệ số trên ta thu được hàm phụ thuộc thời gian của các biến khớp dạng đa thfícbậc ba (2.13). Những giá trị đó là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển vị trí để truyển

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

<i>Hình2.11.Đồthịvịtrí,vậntốcvàgiatốckhớp1theothờigian</i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

<i>Hình2.12. Đồthịvịtrí,vậntốcvàgiatốckhớp2theothờigian</i>

<i>Hình2.13. Đồthịvịtrí,vậntốcvàgiatốckhớp3theothờigian</i>

<b>2.3.Thiếtkếquỹđạotrongkhơnggianthaotác Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác</b>

Trong trường hợp chuyển động liên tục trên đường dịch chuyển, kỹ thuật thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác hay được sfí dụng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

Đối với Robot này,tachọn bài tốnthiết kếquỹ đạo trong khơnggian thao tác sao cho quỹ đạo của điểm tác động cuối là đường thẳng tfi điểm A đến điểm B (bất kì trong vùng làm việc)

<i>Với điểm A có tọa độA(x<small>0</small>,y<small>0</small>,z<small>0</small>) và điểm B(x<small>c</small>,y<small>c</small>,z<small>c</small></i>), ta có phương trình đường thẳng trong khơng gian thao tác :

</div><span class="text_page_counter">Trang 44</span><div class="page_container" data-page="44">

Đểtínhtốnđộnglựchọcrobot,tasẽđithiếtlậpphươngtrìnhviphânchuyển động của robot. Phương trình vi phân chuyển động của robot được xây dựng theo phương trình Lagrange loại II dạng ma trận có dạng tổng quát như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 52</span><div class="page_container" data-page="52">

❹-a

₂

S

₁₂

(q&

₁

_+q&

₂

_)-a

₁

S

₁

q&

₁

❹ &^❹&&&^❹ v

_C3

_=r

_C3

_=❹a

₂

C

_{1 2}

_(q

₁

_+q

₂

_)+a

₁

C

₁

q

₁

❹

TfiđótatínhđượccácmatrậnJacobitịnhtiếncủakhâui(JTi)vàJacobiquaycủa khâu i (JRi) theo cơng thfíc (4.4) như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 56</span><div class="page_container" data-page="56">

•<small>MatrậnCoriolis</small>C(q,q&)

</div>