Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu thiết kế chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KC.03 YZ YZ YZ YZ YZ YZY YZ YZ YZY YZ YZ YZY “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG” MÃ SỐ: KC.03.08 BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THEO NHIỆM VỤ 2 - ĐỀ TÀI KC.03.08 NHÓM SẢN PHẨM ROBOT SCA 6246-2 25/12/2006 HÀ NỘI 2006 2Mục lục Mở đầu 4 Phần 1: Robot SCATM khí nén 11 I. Giới thiệu chung 11 II. Xây dựng các mô hình động học và động lực học Robot SCATM 12 2.1. Thiết lập phơng trình động học Robot SCATM 12 2.1.1. Xác định các hệ tọa độ của Robot SCATM 12 2.1.2. Bảng thông số DH của Robot SCATM 12 2.1.3. Xác định các ma trận của Robot SCATM 12 2.1.4. Tính các ma trận T của Robot SCATM 13 2.1.5. Phơng trình động học Robot SCATM 14 2.2. Thiết lập bài toán động học ngợc Robot SCATM 15 2.3. Xây dựng mô hình động lực học Robot SCATM 19 III. Thiết kế cải tiến chế tạo Robot SCATM khí nén 36 Phần 2: Môđun quay dùng bánh răng con lăn 40 I. Giới thiệu chung 40 II. Nhu cầu cần có môđun quay dùng BRCL 41 III. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc 46 3.1. Các bộ phận chủ yếu của hộp giảm tốc BRCL 46 3.2. Nguyên lý làm việc của hộp giảm tốc BRCL 48 IV. Dạng răng bánh răng con lăn 49 4.1. Dạng răng lợn sóng 49 4.2. Xây dựng biên hình răng con lăn 52 4.3. Phơng pháp chọn dạng răng hợp lý 54 V. Phơng pháp chế tạo BRCL 56 3VI. Lập trình gia công trênmáy cắt dây CNC 57 VII. Sử dụng BRCL cho môdun quay Robot là giải pháp hợp lý nhất 58 VIII. Chuẩn hóa thiết kế hộp giảm tốc BRCL 59 IX. Môđun quay BRCL 69 X. Một số sản phẩm đã chế tạo 72 XI. Kết luận 82 Phần 3: môđun dây chuyền sản xuất tự động 83 I. Giới thiệu chung 83 II. Hệ thống băng chuyền 84 III. Hệ thống điều khiển 98 3.1. Nguyên tắc hoạt động 98 3.2. Các bộ phận chủ yếu 99 Phần 4: Cơ sở tính toán và xây dựng các chơng trình máy tính và điều khiển 102 I. Giới thiệu chung 102 II. Chơng trình tự động thiết lập 103 III. Chơng trình kiểm nghiệm lời giải 105 IV. Chơng trình phần mềm tính toán động lực học 107 V. Chơng trình phần mềm điều khiển SCA 107 VI. Chơng trình phần mềm điều khiển dây chuyền sản xuất 109 Tài liệu tham khảo 131 4BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THEO NHIỆM VỤ 2 CỦA ĐỀ TÀI KC.03.08 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO NHÓM SẢN PHẨM ROBOT SCA MỞ ĐẦU Robot SCA là loại robot thuộc nhóm robot SCARA (selective Compliance Assembly Robot Arm) có cấu trúc động học theo kiểu cơ cấu tay máy phỏng sinh trục đứng. SCARA là loại robot dùng để lắp ráp linh hoạt. Tuy SCARA mới xuất hiện ở Nhật trong những năm 80, nhưng do có nhiều ưu điểm nên nhanh chóng được nhiều nước áp dụng và cải tiến. Có thể xếp vào nhóm robot SCARA các kiểu robot sau: Adept - One, IBM - 7545, Intelldex 440, Rhino SCARA của Hoa Kỳ; Skilam, SR-2, Nam Robo, Puha 2 của Nhật bản; IS 600 của Đức; Serpent của Anh v.v. Tại Trung tâm NCKT tự động hóa, ĐHBK - HN cũng đã thiết kế chế tạo kiểu robot SCA là một biến thể của SCARA. Kiểu robot SCA này có cấu hình RRRT, với 4 bậc tự do, toàn dùng động cơ bước. 5 Hình 2.0.1. Chế tạo và lắp ráp Robot SCA Nhằm nâng cao khả năng thao tác linh họat cho robot SCAđể đáp ứng được những tình huống xử lý thông minh của bộ điều khiển theo các tín hiệu nhận được từ các sensors, Đề tài đã nghiên cứu thiết kế cải tiến robot SCA theo 2 định hướng: dùng khí nén để tác động nhanh và môđun hóa để vạn năng hóa kết cấu. 1) Robot SCATM khí nén có 3 bậc tự do đầu dùng động cơ bước, còn bậc cuối thực hiện chuyển động tịnh tiến dùng truyền động khí nén. Trên hình 2.0.2 là bản vẽ thiết kế robot SCATM khí nén. Kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo và điều khiển vận hành robot SCATM khí nén ®−îc tr×nh bµy trong Phần I của Báo cáo về nhiệm vụ 2 của Đề tài. 2) Robot SCA môđun hóa là một thử nghiệm tạo ra môđun cánh tay chuẩn hóa, từ đó có thể lắp ghép thành nhiều kiểu robot SCA. Trên hình 2.0.3 là ví dụ một kiểu robot SCA tạo ra từ các môđun cánh tay chuẩn hóa và hình 2.0.4. là một ví dụ khác: robot SCA có 2 tay. 6 Mỗi môđun cánh tay (hình 2.0.5) là một khâu hoàn chỉnh của cơ cấu tay máy robot, được thực hiện chuyển động quay rất chậm trực tiếp bởi một động cơ kèm hộp giảm tốc tỷ số truyền cao và không tồn tại khe hở cạnh răng. Như vậy, phần cốt lõi của môđun cánh tay là môđun quay (rotation module). Vì thế khi triển khai thực hiện nhiệm vụ 2 của Đề tài đã phát sinh một nội dung nghiên cứu và đã nhận được những kết quả bất ngờ và rất có ý nghĩa không những đối với các truyền động quay trong robot mà còn có tác dụng trong hầu hết các thiết bị máy móc hiện đại. Tóm tắt các kết quả chủ yếu về nội dung nghiên cứu này được trình bày trong phần II của Báo cáo về Nhiệm vụ 2 của Đề tài. 7 Hình 2.0.5. Bản vẽ thiết kế Robot SCATM khí nén 8 H×nh 2.0.3. Robot SCA mét c¸nh tay m«®un hãa 765756 H×nh 2.0.4. Robot SCA 2 c¸nh tay m«®un hãa 9 Hình 2.0.5. Môđun cánh tay Ni dung phn III ca Bỏo cỏo v Nhim v 2 ca ti l cỏc kt qu nghiờn cu thit k ch to mụun Dõy chuyn sn xut (DCSX) dựng robot SCA phõn loi sn phm theo mu sc. Ni dung nghiờn cu ny ct minh ha v mt cỏch thc th hin kh nng thụng minh húa cho robot õy c th l robot SCA, trong mụi trng lm vic c th no ú. Ngoi ra đơn vị chủ trì ti cũn tham gia xõy dng D ỏn Ch to robot bc dỡ kột lờn pallet ti phõn xng chit ca Cụng ty liờn doanh Bia Si Gũn. Hỡnh 2.0.6. l mụ phng hot hỡnh robot ny, ú cng l mt bin th c ln ca Robot SCARA. Kinh phớ t ngõn sỏch SNKH c duyt l 2,6 t ng, phn tham gia ca đơn vị l 250 triu ng. Cỏc thụng s k thut ca robot ny gii thiu trong phn ph lc. 10 Hình 2.0.6. Mô phỏng Robot bốc dỡ két bia Nội dung Phần 4 của Báo cáo về Nhiệm vụ 2 của Đề tài là các kết quả nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết, thuật toán và chương trình phần mềm điều khiển robot SCA trong trường hợp hoạt động riêng rẽ và trong trường hợp thao tác với dây chuyền sản xuất. Trong đó cã các vấn đề với phương pháp giải bài toán động học thuận, bài toán động học ngược, trong lập trình quỹ đạo cho robot, bài toán động lực học và phương pháp thực hiện việc chọn lựa sản phẩm theo màu sắc. Nội dung chủ yếu của Phần I đã được viết thành một luận văn thạc sĩ, bảo vệ năm 2006. Phần II có một sản phẩm đã trưng bày ở chợ Techmart 2003 tại Hà Nội và được tặng thưởng Huy chương Vàng và một phần nội dung đã có trong luận văn Thạc sĩ, bảo vệ năm 2005. Phần IV có 2 chương trình phần mềm được cấp giấy chứng nhận bản quyền. [...]... 43 ) = 0 (2. 138 ) T T h3 23 = Tr (U 32 3 J 3U 33 ) + Tr (U 4 23 J 4U 43 ) = 0 (2. 139 ) T h324 = Tr (U 424 J 4U 43 ) = 0 (2.140) T T h 333 = Tr (U 33 3 J 3U 33 ) + Tr (U 433 J 4U 43 ) = 0 (2.141) T h 334 = Tr (U 434 J 4U 43 ) = 0 (2.142) T h344 = Tr (U 444 J 4U 43 ) = 0 (2.1 43) h321 = h312 (2.144) h 331 = h3 13 (2.145) h341 = h314 (2.146) h 332 = h3 23 (2.147) h242 = h324 (2.148) h3 43 = h 234 (2.149) 1 1 T h411... h 231 = h2 13 (2.129) h241 = h214 (2. 130 ) h 232 = h2 23 (2. 131 ) h242 = h224 (2. 132 ) h2 43 = h 234 (2. 133 ) 30 T T h311 = Tr (U 31 1 J 3U 33 ) + Tr (U 411 J 4U 43 ) = 0 (2. 134 ) T T h312 = Tr (U 31 2 J 3U 33 ) + Tr (U 412 J 4U 43 ) = 0 (2. 135 ) T T h3 13 = Tr (U 31 3 J 3U 33 ) + Tr (U 4 13 J 4U 43 ) = 0 (2. 136 ) T h314 = Tr (U 414 J 4U 43 ) = 0 (2. 137 ) T T h322 = Tr (U 32 2 J 3U 33 ) + Tr (U 422 J 4U 43 ) = 0 (2. 138 )... 2 2 m3 l3 a1C2 + 2m3 a1a2 C2 m3 l3 a2 + m2 a12 + m3 a2 + m3 a12 + m1 a12 + m3l32 + m4 l4 3 3 3 (2.71) D12 = Tr (U 22 J 2 UT ) + Tr (U 32 J 3 UT ) + Tr (U 42 J 4 UT ) 21 31 41 1 1 1 1 2 = m2 a2 + m2 a2 a1C2 a2 m3l3 + m3 a2 a1C2 a1 m3 l3 C2 a2 m4 l4 C4 + m3l32 3 2 2 3 1 1 2 2 2 + m4 l4 + a2 m3 a1 m4 l4 cos ( q2 + q4 ) + a2 m4 a1C2 + a2 m4 3 2 D 13 = Tr (U 33 J 3UT ) + Tr (U 43 J 4 UT ) = 0 31 41... m3 a1 a2 S2 + m3l3 a1 S 2 m4 l4 a1 sin ( q2 + q4 ) m4 a1 a2 S 2 m2 a1 a2 S 2 q2 2 2 2 1 2 & & & & & + q4 q1 m4 l4 a2 S 4 + q4 q2 m4 l4 a2 S4 q4 m4 l4 a2 S4 (2.167) 2 4 4 & & & & & & & & & &2 & & & & h3 = h3 qk qm = h311 q12 + h321 q2 q1 + h 331 q3 q1 + h341 q4 q1 + h322 q2 + h 332 q3 q2 + h342 q4 q2 k =1 m =1 & & & & &2 & & & & & & & & &2 + h3 13 q1 q3 + h3 23 q2 q3 + h 333 q3 + h3 43 q4 q3 + h314... (2. 73) D14 = Tr (U 44 J 4 UT ) 41 1 1 1 = m4 l42 + m4 l4 a2 C4 + m4 l4 a1 cos ( q2 + q4 ) 3 2 2 (2.74) D22 = Tr (U 22 J 2 UT ) + Tr (U 32 J 3 UT ) + Tr (U 42 J 4 UT ) 22 32 42 1 2 1 1 2 2 2 = a2 m3 l3 + a2 m3 + a2 m2 + a2 m4 a2 m4 l4 C4 + l32 m3 + l4 m4 3 3 3 (2.75) D 23 = Tr (U 33 J 3 UT ) + Tr (U 43 J 4 UT ) = 0 32 42 (2.76) 1 2 1 D24 = Tr (U 33 J 4 UT ) = l4 m4 + a2 m4 l4 C4 42 3 2 (2.77) 24 D 33. .. 31 3 J 3U 32 ) + Tr (U 4 13 J 4U 42 ) = 0 T h214 = Tr (U 414 J 4U 42 ) = 1 m4 l4 a2 S 4 2 (2.120) (2.121) T T T h222 = Tr (U 222 J 2U 22 ) + Tr (U 32 2 J 3U 32 ) + Tr (U 422 J 4U 42 ) = 0 (2.122) T T h2 23 = Tr (U 32 3 J 3U 32 ) + Tr (U 4 23 J 4U 42 ) = 0 T h224 = Tr (U 424 J 4U 42 ) = 1 m4 l4 a2 S 4 2 (2.1 23) (2.124) T T h 233 = Tr (U 33 3 J 3U 32 ) + Tr (U 433 J 4U 42 ) = 0 (2.125) T h 234 = Tr (U 434 J 4U... J 2U 21 ) + Tr (U 32 2 J 3U 31 ) + Tr (U 422 J 4U 41 ) = 1 1 m3 l2 a1 S2 a2 m3 a1 S2 a2 m4 a1 S2 m4 l4 a1 sin ( q2 + q4 ) m4 a2 a1 S 2 2 2 (2.106) T T h1 23 = Tr (U 32 3 J 3U 31 ) + Tr (U 4 23 J 4U 41 ) = 0 T h124 = Tr (U 424 J 4U 41 ) = (2.107) 1 1 m4 l4 a2 S 4 + m4 l4 a1 sin ( q2 + q4 ) 2 2 (2.108) T T h 133 = Tr (U 33 3 J 3U 31 ) + Tr (U 433 J 4U 41 ) = 0 (2.109) T h 134 = Tr (U 434 J 4U 41 ) = 0... của các nguồn động lực trong các khớp động 35 III tóm tắt về kết quả nghiên cứu thiết kế cải tiến và chế tạo robot scaTM khí nén Nh đã trình bày ở trên Robot SCA với cấu hình RRRT, 4 bậc tự do, toàn dùng động cơ bớc đã đợc Trung tâm NCKT Tự động hóa, thiết kế, chế tạo cung cấp cho một số cơ sở đào tạo Để nâng cao tốc độ của robot SCA cho phù hợp với hoạt động của băng truyền, mà dự kiến nó sẽ phục vụ. .. (U 33 J 3 UT ) + Tr (U 43 J 4 UT ) = m3 + m4 33 43 (2.78) D34 = Tr (U 44 J 4 UT ) = 0 33 (2.79) 1 2 D44 = Tr (U 44 J 4 UT ) = m4 l4 44 3 (2.80) D11 D 12 D (q) = D12 D14 U111 U 211 U 31 1 U 411 D12 D22 D 23 D 23 D 33 D24 D14 D24 D34 D44 D 13 D34 C1 S 2 0 = D1 A1 = 1 0 0 C12 S 2 0 1 = D1 A1 A2 = 12 0 0 0 a1C1 0 a1C1 0 0 0 0 S1 C1 0 0 S12 C12 0 0 C12 S 2 0 1 2 = D1 A1 A2 A3... & 2 33 (2.169) & h ( q, q ) = [ h1 h2 h3 h4 ] (2.170) g = [ 0 0 g 0] (2.171) a r1 = 1 2 (2.172) T 1 2 3 4 a r2 = 2 2 0 0 1 0 0 1 (2.1 73) l r3 = 0 0 3 1 2 (2.174) l r4 = 0 0 4 2 (2.175) 1 Từ (1.54) ta có: c1 = ( m1 gU11 1r1 + m2 gU 21 2 r2 + m3 gU 31 3r3 + m4 gU 41 4 r4 ) = 0 (2.176) c2 = ( m2 gU 22 2 r2 + m3 gU 32 3 r3 + m4 gU 42 4 r4 ) = 0 (2.177) c3 = ( m3 gU 33 3 r3 + . KC. 03 YZ YZ YZ YZ YZ YZY YZ YZ YZY YZ YZ YZY “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG” MÃ SỐ: KC. 03. 08. khảo 131 4BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THEO NHIỆM VỤ 2 CỦA ĐỀ TÀI KC. 03. 08 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO NHÓM SẢN PHẨM ROBOT SCA MỞ ĐẦU Robot
