Đang tải... (xem toàn văn)
Thế kỷ XXI thế kỷ của khoa học và công nghệ. Tất cả các ngành kỹ thuật đều có những bước tiến vượt bậc và đạt được nhiều thành tựu to lớn. Với xu thế các ngành công nghệ hướng tới kết hợp với nhau để tạo ra sản phẩm ngày càng hiện đại, tối ưu. Sự kết hợp những công nghệ hiện đại đó đã cho ra đời ngành công nghệ “Cơ điện tử”. Trước động lực là nhu cầu của tương lai và những khó khăn thử thách trước mắt ngành “Cơ điện tử” đang phát triển mạnh mẽ. Ngành đã chế tạo ra những Robot có nhiều tính năng ưu việt, khẳng định và kế thừa trong bước đầu tiên phong về công nghệ. Ngày càng chứng tỏ “Cơ điện tử” là sự kết hợp hoàn hảo. Để đáp ứng những yêu cầu đặt hiện nay của xã hội và sự cần thiết của sản phẩm chúng em đã thực hiện nghiên cứu đề tài: “nghiên cứu, thiết kế robot song song hai bậc tự do ứng dụng trong khắc chữ ”. Đây là đề tài có tính ứng dụng thực tế cao. Có thể áp dụng trong sản xuất và đề tài này giúp sinh viên vận dụng được những kiến thức đã học vào trong thực tế. Việc nghiên cứu đề tài đồng thời thúc đẩy sự hứng thú học tập, khả năng tuy duy sáng tạo kỹ thuật cho sinh viên sau. Đề tài thực sự hữu ích cho phát triển của ngành trong tương lai. Sau khi nhận đề tài chúng em đã nỗ lực tìm hiểu và thực hiện. Song do thời gian có hạn đề tài không tránh khỏi những thiếu sót nhất định rất mong các Thầy (Cô) giáo và các bạn góp ý thêm để đề tài hoàn thiện hơn.
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Độc lập-Tự do-Hạnh phúc !"#$% &"#'"()* &"#'+, &"#'+"# ) CĐTK4 "#&/ Cơ điện tử $0122006-2010 34/ 56789$9:;<;=;=;<>?!; 6!@:;$AB =CDE"2FG-2 - Các thông số, kích thước robot cần chế tạo HI"&F// 1. Phần thuyết minh - Thiết kế cơ khí (bao gồm các bản vẽ chi tiết của robot và mô hình 3D) - Tính toán thông số của Robot, động học, động lực học , mô phỏng hoạt động và làm việc của Robot. 2. Sản phẩm của đề tài - 04 cuốn thuyết minh - 01 đĩa CD với toàn bộ nội dung đề tài &GJG-&IK Thứ nhất: Phạm Tuấn Tài Ngày giao đề tài: 09 /2010 Thứ hai : Trần Xuân Tiến Ngày hoàn thành: 11 /2010 4/3L3GM2H3N&$F12//FOFPF1Q&R"1S Hưng Yên, ngày tháng 11 năm 2010. TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA T=&"#'+! =T= UG& >V;5WX!Y 1 TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hưng Yên , ngày tháng 11 năm 2010 %FG-&IK >V8;5Z< 2 TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hưng Yên , ngày tháng 11 năm 2010 %F.[\E )]Z^_ 3 TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trong quá trình thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp “5678 9 $9 :;<; =; =; <> ? !; 6 !@ :;$AB” chúng em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu. Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Tuấn Tài và thầy Trần Xuân Tiến, những người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ để chúng em có thể hoàn thành đồ án một cách tốt nhất. Chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy (Cô) giáo giảng dạy của bộ môn trong suốt 4 năm qua đã cung cấp cho chúng em những kiến thức cần thiết, tạo điều kiện giúp chúng em hoàn thành được đồ án theo đúng yêu cầu và thời gian quy định. Cám ơn các bạn trong lớp CĐTK4 đã nhiệt tình tham gia đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện đề tài. Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Thầy (Cô) giáo và các bạn đồng nghiệp, để có thêm những hiểu biết và hoàn thiện hơn trong quá trình làm việc sau này. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Hưng Yên, ngày tháng 11 năm 2010 0`*2E !"#$% &"#'"()* &"#'+, &"#'+"# )]ab7 Thế kỷ XXI thế kỷ của khoa học và công nghệ. Tất cả các ngành kỹ thuật đều có những bước tiến vượt bậc và đạt được nhiều thành tựu to lớn. Với xu thế các ngành công nghệ hướng tới kết hợp với nhau để tạo ra sản phẩm ngày càng 4 TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP hiện đại, tối ưu. Sự kết hợp những công nghệ hiện đại đó đã cho ra đời ngành công nghệ “Cơ điện tử”. Trước động lực là nhu cầu của tương lai và những khó khăn thử thách trước mắt ngành “Cơ điện tử” đang phát triển mạnh mẽ. Ngành đã chế tạo ra những Robot có nhiều tính năng ưu việt, khẳng định và kế thừa trong bước đầu tiên phong về công nghệ. Ngày càng chứng tỏ “Cơ điện tử” là sự kết hợp hoàn hảo. Để đáp ứng những yêu cầu đặt hiện nay của xã hội và sự cần thiết của sản phẩm chúng em đã thực hiện nghiên cứu đề tài: “&2c"8d PdF\FF&F&1\e2*IFc&If&F&Pg22,”. Đây là đề tài có tính ứng dụng thực tế cao. Có thể áp dụng trong sản xuất và đề tài này giúp sinh viên vận dụng được những kiến thức đã học vào trong thực tế. Việc nghiên cứu đề tài đồng thời thúc đẩy sự hứng thú học tập, khả năng tuy duy sáng tạo kỹ thuật cho sinh viên sau. Đề tài thực sự hữu ích cho phát triển của ngành trong tương lai. Sau khi nhận đề tài chúng em đã nỗ lực tìm hiểu và thực hiện. Song do thời gian có hạn đề tài không tránh khỏi những thiếu sót nhất định rất mong các Thầy (Cô) giáo và các bạn góp ý thêm để đề tài hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! HưngYên, ngày tháng 11 năm 2010 0`*2E !"#$% &"#'"()* &"#'+, &"#'+"# M•C L•C Lời cảm ơn Lời nói đầu Mục Lục Trang T `h3 " <T HI"& 5 TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương I : Tổng quan về Robot có cấu trúc song song 1.1. Giới thiệu chung 10 1.2. Một số ưu nhược điểm của robot song song 10 1.3. Cấu trúc robot song song 11 1.4.Ý tưởng thiết kế 25 Chương II: Tính toán động học, động lực học, mô phỏng miền làm việc bằng Matlab 2.1.Tính toán động học của robot 26 2.2. Động lực học robot 27 2.3. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab 33 Chương III: Thiết kế cơ khí robot song song hai bậc tự do ứng dụng trong khắc chữ 3.1. Nội dung thiết kế 47 3.2. Xác định điều kiện cắt gọt 51 3.3. Thiết kế robot 52 T PdD"e 1. Kết luận 62 2. Khuyến nghị 62 Tài liệu tham khảo Tb^ib7 jT)kIF234/ Ở nước ta, Robot song song cũng đã được nghiên cứu vào năm 2007 nhưng nhìn chung mới chỉ dừng lại ở việc đưa ra mô hình và đi tìm thuật toán giải bài toán động học mà chưa thiết kế và chế tạo được Robot cụ thể. Phòng cơ điện tử Viện cơ học là đơn vị đầu tiên ở Việt Nam cho ra đời sản phẩm như vậy . 6 TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sau 2 năm nghiên cứu Phòng Cơ điện tử - Viện cơ học Việt nam đã thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một Robot song song 6 chân (Hexapod) dùng cho ngành kỹ thuật hiện đại trước mắt là trong gia công cơ khí chính xác. Phiên bản đầu tiên có tên gọi PR6-01, dùng làm giá đỡ phôi cho các máy gia công cơ khí bán tự động kiểu cũ. Dự kiến sẽ hoàn thiện Hexapod PR6-01 đưa vào ứng dụng trong thực tế khoảng 1 năm nữa. Thực tế đến nay, nhiều cơ sở nghiên cứu như ĐH Bách khoa Hà Nội , ĐH Bách khoa TP HCM, Viện cơ học, Viện công nghệ thông tin đã chế tạo được một số Robot mẫu . Trước những ứng dụng và nghiên cứu của Robot song song. Chúng em là sinh viên bộ môn cơ điện tử trường ĐH sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã lựa chọn việc “56789$9:;<;=;=;<> ?!;6!@:;$AB” Chúng em đã thực hiện việc tính toán, thiết kế và chế tạo . Mong rằng đề tài này của chúng tôi sẽ giúp cho những người chế tạo ra Robot song song hai bậc tự do giải quyết việc thiết kế và tính toán rút ngắn được thời gian đem nó vào ứng dụng trong thực tế . lT^f23m2&2c" * Kiểm tra đánh giá tình trạng khi thiết kế robot song song hai bậc tự do. * Có những phương án thiết kế ứng dụng của robot song song hai bậc tự do. nTCGM&/P%2o&2c" * CGM&&2c": Tính toán , thiết kế và chế tạo mô hình Robot song. song hai bậc tự do. * CGM&pIf&: Dùng cho tất cả những học sinh, sinh viên học ngành kỹ thuật nói riêng và cho nhưng ai quan tâm muốn tim hiểu nói chung. * $%2o&2c"Robot song song ứng dụng trong khắc chữ. qT[dPF12 * Robot song song hai bậc tự do vẫn chưa sử dụng nhiều trong đời sống và trong công nghiệp. * Những tài liệu về robot song song hai bậc tự do vẫn chưa có nhiều và trọn vẹn. rTE`f&2c" * Phân tích đặc điểm, nguyên lý hoạt động robot song song hai bậc tự do. * Nghiên cứu, thiết kế, tính toán robot hai bậc tự do. * Kết hợp những tài liệu khác có liên quan đến robot song song hai bậc tự do để hoàn thành đề tài. sT-O34/ 7 TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP * Nghiên cứu, tính toán, thiết kế robot song song hai bậc tự do. * Do điều kiện và thời gian hạn hẹp cũng như trình độ chuyên môn và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên chúng tôi thực hiện đề tài chỉ tập trung nghiên cứu một số nội dung sau : - Tính toán động học, động lực học mô phỏng động học vùng làm việc. - Thiết kế mô hình lý thuyết cho Robot song song hai bậc tự do. - Chế tạo mô hình robot song song hai bậc tự do. tTGu&.%.&2c" * Chọn phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm là chủ yếu ngoài ra còn phương pháp nghiên cứu thực tiŒn và nghiên cứu tài liệu để đưa ra kết quả chính xác. * Thực hiện: từ thực tiŒn nghiên cứu và tìm hiểu đưa ra những cách thức thiết kế chế tạo, sửa chữa của hệ thống . - Bước 1: Tìm hiểu các thông số lắp đặt của robot. - Bước 2: Chuẩn đoán các phương án thiết kế lắp đặt cho robot. - Bước 3: Thiết kế chế tạo mô hình robot song song hai bậc tự do. 8 TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP <Tb!7 W_vw7x:;<;ay7:z=;=; jTj-E"2"& Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart vào năm 1965. Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song. Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. Thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các Robot có bệ. Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn. Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực: - Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác. - Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ. - Ngành Bưu chính viŒn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh. - Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô. - Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt trên tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và tàu ngầm. Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị đo laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến. jTlT ^HCG"GM23o`2{1:F\FF&F& Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay, các khung đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ Ưu điểm : - Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng của các thành phần cũng nhỏ hơn. 9 TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng: Tất cả các lực tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân. Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân. - Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và họat động với độ chính xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích lũy. - Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau. - Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và khớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn. - Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lượng và kích thước nhỏ gọn. - Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền. - Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp - Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tường - Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít hơn so với máy CNC có tính năng tương đương. Nhược điểm: Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi so sánh với các Robot chuỗi như: - Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế. - Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp - Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc. jTnT |"}2:F\FF&F& jTnTjT|"}22u2|" Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động. Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu động, từ khâu ra (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định. Còn trong Robot song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học. jTnTlT$("8P 82"~3H&/`%#F&2u2|":F\FF&F& 10 [...]... loại theo số bậc tự do: Sơ đồ phân loại robot thường dùng là theo số bậc tự do Một cách lý tưởng, cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do trong không gian ba chiều Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do, robot dư có hơn 6 bậc tự do và robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do Robot dư có thêm một bậc tự do để di chuyển qua các chướng ngại vật hoặc vận hành trong các không... tạo bởi các mặt phẳng của khớp phẳng Nếu hai mặt phẳng này song song sẽ có ba bậc tự do thụ động ( thừa ) Bậc tự do thụ động không thể truyền mô men và chuyển động cho trục thụ động khi có một loại khớp loại này tồn tại trong cơ cấu , cần trừ đi một bậc tự do từ phương trình tính bậc tự do Giả sử, fp là số bậc tự do thụ động trong cơ cấu thì số bậc tự do chủ động trong cơ cấu là: f = λ(n – j 1) Hình 1.2:... nghệ truyền thống, kết hợp với lý thuyết và ứng dụng của các hệ thống robot việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn đề là nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra thành các lĩnh vực: công tác thiết kế robot, cơ học cơ cấu, thiết kế quỹ đạo và điều khiển, công tác lập trình và tri thức cho máy cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu các vấn đề về năng lượng lực và tác dụng của chúng đối... phẳng tiếp xúc Do đó, khớp phẳng hạn chế 3 bậc tự do và có ba bậc tự do - Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair - G): Cho hai bánh răng ăn khớp với nhau Các mặt răng tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trượt trên nhau Do đó, khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp, còn lại hai bậc tự do - Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp) : Tương tự như khớp bánh răng, hai thành phần... cũng đã được SIG Pack Systems giới thiệu là C23, C33 (do Demaurex sản xuất) và CE33 (do SIG Pack Systems sản xuất) C33 và CE33 1.4 Ý tưởng thiết kế : Từ đề tài đưa ra kết hợp với thực tiễn tìm hiểu tài liệu về Robot song song Yêu cầu của đề tài là thiết kế ra Robot khắc chữ song song 2D Khắc được chữ chúng phải thay đổi được tọa độ của dao gia công trong một mặt phẳng Chúng ta chọn cơ cấu khớp bản lề... thiết kế với ba khâu đầu dài hơn các khâu còn lại Do đó ba khâu này được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều khiển hướng của đầu tác động Vì lý do đó, ba khâu đầu được gọi là cánh tay, các khâu còn lại được gọi là cổ tay Trừ các cơ cấu chấp hành với số bậc tự do lớn hơn 6, cánh tay thường có ba bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do Hơn nữa, bộ cổ tay thường được thiết kế. .. khâu chuyển động, chúng đều vận hành trong khong gian làm việc, do đó λ = 6 đối với cơ cấu không gian và λ = 3 đối với cơ cấu phẳng và khớp cầu Giá trị bậc tự do của cơ cấu chính bằng số bậc tự do của tất cả các khâu hoạt đọng trừ đi số ràng buộc bởi các khớp Do đó nếu các khâu đều tự do, số 13 TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP bậc tự do của cơ cấu là n khớp vói một khớp cố... có ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay Không như một số bài báo đã xuất bản đâu đó, ý tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ không phải bắt chước từ cơ cấu song song đã được Willard L Polard đăng ký bản quyền vào năm 1942, và vào thời điểm đó Willard L Polard cũng không hề biết đến giáo sư Clavel Robot song song Delta đã được đánh giá là một trong những thiết kế robot song song thành... tương đối được phép của khớp i, j Số khớp trong cơ cấu : số khớp với i bậc tự do L : số vòng độc lập trong của cơ cấu n: số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định λ : số bậc tự do trong không gian lam việc của cơ cấu Ta giả thiết tất cả các khớp đều là 2 chiều, khớp 3 chiều được coi là 2 khớp hai chiều, khớp 4 chiều được coi là 3 khớp hai chiều , ngoai ra còn giả thiết một giá trị λ được dùng cho tất... ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Định nghĩa : Bậc tự do của cơ cấu là thông số độc lập tuyến tính cần thiết hoàn toàn xác định vị trí của cơ cấu Ta có thể xác định được các biểu thức tổng quát về số bậc tự do của robot theo số khâu, số khớp và kiểu khớp trong cơ cấu Để thống nhất cho việc tính toán cho việc tự do của cơ cấu, ta sử dụng ký hiệu sau: : số ràng buộc của khớp i F: số bậc tụ do của cơ cấu : số chuyển động . III: Thiết kế cơ khí robot song song hai bậc tự do ứng dụng trong khắc chữ 3.1. Nội dung thiết kế 47 3.2. Xác định điều kiện cắt gọt 51 3.3. Thiết kế robot 52 T PdD"e 1. Kết. song song ứng dụng trong khắc chữ. qT[dPF12 * Robot song song hai bậc tự do vẫn chưa sử dụng nhiều trong đời sống và trong công nghiệp. * Những tài liệu về robot song song. nó vào ứng dụng trong thực tế . lT^f23m2&2c" * Kiểm tra đánh giá tình trạng khi thiết kế robot song song hai bậc tự do. * Có những phương án thiết kế ứng dụng của