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 CƠNG 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” Mà SỐ: KC.03.08 BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THEO NHIỆM VỤ - ĐỀ TÀI KC.03.08 Nhãm s¶n phÈm robot re HÀ NỘI 2006 MỤC LỤC I Giới thiệu chung II Tổng quan kỹ thuật tái ngược vấn đề mô đường cong, mặt cong khơng gian 2.1 Giíi thiệu chung kỹ thuật tái ngợc 2.1.1 Quá trình thiết kế 2.1.2 Quá trình sản xuất ngợc 2.1.3 Quá trình kỹ thuật tái ngợc 2.1.4 ứng dụng kỹ thuật tái ngợc 2.1.5 Các loại đầu dò số hóa 10 2.1.6 Các máy đo phục vụ kỹ thuật tái ngợc 11 2.2 Phơng pháp mô tả đờng cong máy tính 14 2.2.1 Các phép nội suy xấp xỉ đờng cong 14 2.3 Phơng pháp mô tả mặt cong máy tính 31 2.3.1 Giới thiệu chung mặt cong 31 2.3.2 Các mặt cong tự 32 2.4 Đặt vấn đề nội dung nghiên cứu 37 III Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Robot RE 38 3.1 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo Robot RE 38 3.1.1 Giíi thiƯu chung 38 3.1.2 §éng häc Robot RE-01 42 3.1.3 Chơng trình tính toán động học Robot RE-02 43 3.1.4 Hệ phơng trình động học robot RE-01 44 3.1.5 Phơng án chế thử Robot RE-01 55 3.2 ThiÕt kÕ Robot RE - 02 56 3.2.1 Ph©n tÝch kết cấu 56 3.2.2 Thiết kế cấu dạng pantograph 57 3.2.3 Tính toán cấu tay máy pantograph 58 3.3 Tính toán độ xác robot RE - 02 73 3.3.1 Tỉng quan vỊ sai sè phÐp đo dùng cấu tay đo 73 3.3.2 Tính toán sai sè cđa robot RE 74 IV Nghiªn cøu, thiÕt kế, chế tạo Robot RE-03 hoạt động theo tọa độ trụ 81 4.1 Giới thiệu chung 81 4.2 Các môđun hợp thành Robot RE-03 82 V Xây dựng chơng trình phần mềm tái bề mặt cong không gian 100 5.1 Cơ sở thuật toán xây dựng đờng cong mặt cong không 100 gian 5.1.1 Các thuật toán xây dựng đờng cong 100 5.1.2 Phơng pháp xác định điểm tựa lu trữ liệu 104 ®−êng cong 5.1.3 Mét sè vÝ dơ t¸i hiƯn ®−êng cong 105 5.1.4 Một số kết tái đờng cong đợc thực 107 robot RE 5.2 Cơ sở thuật toán xây dựng mặt cong không gian 109 5.3 Thuật toán bóng rơi 123 5.4 Xây dựng chơng trình máy tính 127 5.5 Chơng trình phần mềm tái bề mặt cong phức tạp 133 VI Kết luận 143 Tài liệu tham khảo 145 báo cáo tóm tắt Các kết nghiên cứu nhiệm vụ đề tài kc.03.08 nhóm sản phẩm robot re I Giíi thiƯu chung Robot RE gọi tắt tên nhóm robot phục vụ kỹ thuật tái ngược (Reverse Engineering) Nhận xét rằng, cấu máy đo toạ độ CMM (Coordinate Measuring Machines) quen biết công nghiệp, cấu thiết bị tay đo CMM cầm tay (Portable coordinate measuring machine - PCMM) có cấu trúc động học loại cấu robot Trên sở nhận xét hồn tồn vận dụng phát triển phương pháp nghiên cứu kỹ thuật robot để nghiên cứu thiết bị đo CNC, kể phần cứng phần mềm Các phương pháp đại kỹ thuật robot tỏ có nhiều ưu điểm trội so với phương pháp kinh điển vận hành khai thác thiết bị CMM Như biết thiết bị CMM kinh điển, đắt tiền Nhiều xí nghiệp có nhu cầu súc trang bị thiết bị Trên hình ví dụ máy CMM lắp thêm loại đầu đo quay nghiêng so với trục thẳng đứng, ví dụ đầu đo hình Trong trường hợp sơ đồ động máy CMM bậc tự chuyển dịch theo trục toạ độ cịn có bậc tự bổ sung để tạo độ nghiêng trục đầu đo Hình Máy đo CMM Hình Đầu đo quay nghiêng Cịn hình kiểu PCMM để bàn Đó tay đo bậc tự Spin Arm hãng Mitutoyo Ngồi cịn có Micro Scribe 3D, Stringer PCMM, 3000i Cim Core Sơ đồ động thiết bị cấu chuỗi hở, nhiều loại cấu tay máy robot thường gặp Hình Máy PCMM để bàn Một vấn đề quan trọng thiết bị CMM nâng cao độ xác đo lường Ngày có xu khơng đơn nỗ lực nâng cao độ xác chế tạo thiết bị, việc khó khăn đắt tiền Vì người ta cịn đồng thời nghiên cứu đề xuất phần mềm suy luận phép đo với số đo Với cách đặt vấn đề trên, Đề tài triển khai đề mục nghiên cứu nhóm sản phẩm robot RE với nội sung sau: Vận dụng phương pháp robotics để nghiên cứu đặc tính hình động học, độ xác cấu máy CMM Xây dựng chương trình phần mềm tái bề mặt phức tạp với số phép đo tối thiểu Nghiên cứu cải tiến cấu thiết bị CMM để có khả thực điều kiện có trang bị thông thường cho công nghệ chế tạo Trong lĩnh vực Đề tài nhận kết qua: So với phương pháp kinh điển vận dụng phương pháp đại robotics tỏ hiệu giải toán động học thuận, động học ngược tốn di chuyển nhỏ liên quan đến độ xác cấu tay đo, trường hợp cấu nhiều khâu phức tạp Xây dựng chương trình phần mềm tái bề mặt phức tạp với số phép đo giảm thiểu cấp giấy quyền tác giả Đề xuất tạo dựng thành công loại thiết bị CMM kiểu (hình 4), hoạt động theo tọa độ trụ Z = Z (r, ϕ), có độ xác đảm bảo, mà giá thành thấp Hình Thiết bị CMM kiểu hoạt động theo tọa độ trụ II TỔNG QUAN VỀ TÁI HIỆN NGƯỢC VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MÔ PHỎNG CÁC ĐƯỜNG CONG, MẶT CONG KHÔNG GIAN 2.1 Giới thiệu chung kỹ thuật tái ngược (Reverse Engineering) “Kỹ thuật tái ngược” khái niệm dịch từ thuật ngữ tiếng Anh Reverse Engineering (RE) Nhiều cịn hiểu dịch với tên gọi khác “kỹ thuật đảo chiều” “kỹ thuật ngược” Đây khái niệm cịn tương đối mẻ khơng nước ta mà với nhiều nước giới Thuật ngữ xuất có chất từ toán kỹ thuật lấy mẫu chi tiết vật thể với trợ giúp máy tính Từ mẫu vật có sẵn tác phẩm điêu khác, chi tiết cần gia công khơng cịn vẽ chi tiết v.v Bài tốn đặt để chế tạo chi tiết giống hệt với mẫu Với mục tiêu dẫn đến ý tưởng dựng lại mơ hình cách xác định tọa độ điểm bề mặt vật thể Tuy nhiên ta đo tất điểm vật thể đó, số điểm đo lớn khó kiểm sốt Vấn đề số điểm đo nhỏ đủ để dựng lại xác hình dáng hình học vật thể Có nhiều thuật tốn phương pháp xây dựng đường bề mặt không gian dựa điểm tựa Sau ta tìm hiểu chung thuật tốn xây dựng phần mềm tái đường bề mặt không gian qua điểm tựa 2.1.1 Quá trình thiết kế Trong thiết kế kỹ thuật thông thường người thiết kế xuất phát từ ý tưởng sản phẩm tương lai Khái niệm ban đầu xuất phát từ yêu cầu cụ thể nhiệm vụ kỹ thuật Với mục đích xác định ý tưởng thiết kế nảy sinh hình hài sản phẩm định hình sơ óc người thiết kế Nó có hình dáng sao, kích thước lớn nhỏ v.v khái niệm Với ý tưởng đựoc kết hợp với quan niệm người thiết kế để bước hình thành nên sản phẩm Cũng ý tưởng ban đầu quan niệm người thiết kế khác Từ quan niệm đến thiết kế chi tiết Trong bước kích thước, hình dáng xác định thể thông qua vẽ chi tiết CAD/CAM chương trình gia cơng CNC Bước q trình thiết kế khâu sản xuất dựa vẽ chi tiết chương trình CNC thiết lập Kết thúc khâu sản xuất cho ta sản phẩm hồn thiện qúa trình thiết kế 2.1.2 Quá trình “sản xuất ngược” Trong phần ta trình thiết kế sản xuất truyền thống với quy trình mơ tả sơ lược sau: Ý tưởng → Quan niệm thiết kế → Thiết kế chi tiết CAD/CAM/CNC → Sản xuất → Sản phẩm hoàn thiện Trong sơ đồ bước khởi đầu ý tưởng sản phẩm qua bước để đến sản xuất sản phẩm cuối Quá trình “sản xuất ngược” (tức ngược lại q trình sản xuất) có điểm xuất phát từ sản phẩm cụ thể có sẵn thông qua sản phẩm để quay lại trình sản xuất Lược đồ q trình sau: Sản xuất ↓ Start → Sản phẩm hồn chỉnh 2.1.3 Q trình kỹ thuật tái ngược Q trình có điểm xuất phát sản phẩm hồn chỉnh xem vật mẫu Nhưng khơng q trình sản xuất ngược quay lại sản xuất, mà kỹ thuật tái ngược qua khâu thiết kế chi tiết CAD/CAM/CNC Nghĩa mẫu sản phẩm hồn chỉnh tái lại thơng qua chương trình mơ CAD/CAM chương trình gia cơng CNC từ sản xuất sản phẩm hồn chỉnh Sơ đồ trình kỹ thuật tái ngựoc mơ tả sau: Thiết kế chi tiết CAD/CAM/CNC ↓ Sản xuất Kỹ thuật tái ngựoc ↓ Start → Sản phẩm hoàn chỉnh 2.1.4 Ứng dụng kỹ thuật tái ngược Đúng tên gọi phương pháp: kỹ thuật tái ngược, toán đặt có sản phẩm hồn chỉnh ta cần phải dựng lại mơ hình thơng qua hệ thống CAD/CAM chương trình CNC Tiến đến việc sản xuất phiên chép y hệt với nguyên ban đầu Với đặc điểm phương pháp nêu, kỹ thuật tái ngược ứng dụng rộng rãi toán kỹ thuật như: - Thiết kế chi tiết dựa vào mẫu có - Lưu giữ hình dáng, tính chất mẫu vật nguyên mẫu ban đầu - Phục hồi thiết kế khơng cịn vẽ ... 73 3.3.2 TÝnh to¸n sai sè cđa robot RE 74 IV Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Robot RE-03 hoạt động theo tọa độ trụ 81 4. 1 Giới thiệu chung 81 4. 2 Các môđun hợp thành Robot RE-03 82 V Xây dựng chơng... t¹o Robot RE 38 3.1.1 Giíi thiƯu chung 38 3.1.2 Động học Robot RE-01 42 3.1.3 Chơng trình tính toán động học Robot RE-02 43 3.1 .4 Hệ phơng trình động học robot RE-01 44 3.1.5 Phơng án chế thử Robot. .. đờng cong 14 2.3 Phơng pháp mô tả mặt cong máy tính 31 2.3.1 Giới thiệu chung mặt cong 31 2.3.2 Các mặt cong tự 32 2 .4 Đặt vấn đề nội dung nghiªn cøu 37 III Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Robot RE
