Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu thiết kế chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng
B KHOA HC V CễNG NGH CHNG TRèNH KC.03 YZ YZ YZ YZ YZ YZY YZ YZ YZY YZ YZ YZY NGHIấN CU THIT K, CH TO CC ROBOT THễNG MINH PHC V CHO CC NG DNG QUAN TRNG M S: KC.03.08 BO CO CC KT QU NGHIấN CU THEO NHIM V 4 - TI KC.03.08 Nhóm sản phẩm đồ gá cnc 6246-4 25/12/2006 H NI 2006 1 Mục lục I. Mở đầu 3 II. Cơ cấu RBSS 3 chân 6 2.1. Robot song song 3 chân RPS 7 2.1.1 Kết cấu hình học 7 2.1.2. Bậc tự do 8 2.1.3. Hệ trục tọa độ 9 2.1.4. Bài toán vị trí 11 2.1.5. Ví dụ tính toán 18 2.2. Robot song song 3 RSS 22 2.2.1 Kết cấu hình học 22 2.2.2. Bậc tự do 22 2.2.3. Hệ trục tọa độ và ký hiệu 23 2.2.4. Phơng trình liên kết 24 2.2.5. Bài toán động học ngợc 26 2.2.6. Bài toán động học thuận 26 2.3. Robot song song phẳng 3 chân 26 2.4. Đồ gá gia công vỏ hộp động cơ xe máy 28 III. Robot song song RBSS 29 3.1. Giới thiệu chung 30 3.2. Thiết kế kết cấu và lập trình điều khiển chuyển động của robot 30 3.3. Sơ đồ hệ thống điều khiển 33 3.4. Chơng trình phần mềm điều khiển RBSS 322 35 IV. Robot Nhện nớc 56 4.1. Giới thiệu chung 57 24.2. Mô tả Robot Nhện nớc 58 4.3. Tính toán xây dựng chơng trình điều khiển Robot Nhện nớc 60 4.4. Mô phỏng hoạt hình Robot Nhện nớc 60 V. Mô phỏng RBSS dùng làm đồ gá CNC 61 5.1. Mô phỏng RBSS chân RPS 62 5.2. Robot song song 3 RSS 72 VI. Kết luận 78 Tài liệu tham khảo 80 3Báo cáo các kết quả nghiên cứu theo nhiệm vụ 4 đề tài kc.03.08 Nhóm sản phẩm đồ gá cnc I. mở đầu Đồ gá gia công phụ thuộc vào loại hình phôi gia công và quy trình công nghệ đối với loại sản phẩm đang đợc gia công. Trên máy công cụ CNC mọi thao tác đều đợc điều khiển bằng số. Các sản phẩm đợc gia công trên máy CNC rất đa dạng. Ngoài những sản phẩm có thể gia công bằng những đồ gá có sẵn của máy, còn có nhiều trờng hợp phải tự tạo ra đồ gá cho phù hợp. Nếu sản phẩm không phải chỉ chế tạo đơn chiếc mà có số lợng lớn thì việc tạo ra các đồ gá nhánh, chính xác và cũng đợc điều khiển số là loại việc có nhu cầu bức xúc. Một trong những giải pháp kỹ thuật làm đồ gá CNC có thể dùng robot song song (RBSS). Vấn đề RBSS trở nên hấp dẫn nhiều nhà nghiên cứu từ giữa thập kỷ 90 khi nó đợc ứng dụng dới dạng thiết bị có tên là Hexapod để tạo ra máy công cụ CNC 5 trục. Thực chất, cũng có thể hiểu Hexapod là một loại đồ gá CNC. Hexapod là một môđun RBSS đợc kết cấu trên nguyên lý cơ cấu Stewart. Cơ cấu này gồm có 6 chân, với độ dài thay đổi đợc, nối với giá và tấm động đều bằng các khớp cầu. Bằng cách thay đổi độ dài của các chân có thể điều khiển đợc định vị và định hớng của tấm động theo ý muốn. Với ý thức tiếp cận một lĩnh vực mới mẻ của Robotics, vấn đề RBSS, Đề tài khi đăng ký muốn nghiên cứu tạo dựng các sản phẩm đồ gá CNC, trong đó nội dung chủ yếu là Hexapod. Tuy nhiên nội dung Hexapod không đợc duyệt để cấp kinh phí vì nội dung này trùng lắp với một đề tài khác. Vì thế nội dung về Hexapod không có trong Đề tài này. 4 Cơ cấu RBSS còn có nhiều loại hình khác nhau. Đề tài đã đi sâu nghiên cứu vào 3 loại sau và đạt đợc những kết quả bớc đầu: 1. Cơ cấu RBSS phẳng, 3 chân là loại cơ cấu RBSS dạng đơn giản này rất thích hợp cho đồ gá CNC. Phụ thuộc vào đối tợng đợc gia công, có thể dùng loại cơ cấu này với những biến thể rất khác nhau. Các chân đợc thay đổi độ dài có thể bằng xilanh thủy lực, xilanh khí nén hoặc bằng vítme bi. Liên quan đến vấn đề này Đề tài đã hoàn thành một công trình nghiên cứu tạo ra thiết bị gá lắp nhanh để gia công vỏ hộp động cơ xe máy trên Trung tâm gia công CNC nhập từ Anh Quốc của Công ty Đồng Tháp. Phơng án thiết kế đã chọn lựa là dùng hệ thống xilanh khí nén, bố trí tác động lần lợt vào 3 chân của cơ cấu RBSS. Hợp đồng và bản thuyết minh công trình này giới thiệu trong phần phụ lục. 2. Robot song song RBSS - 322 có thể hoạt động nh một thiết bị gia công CNC. Các chân của RBSS đợc xếp thành 3 nhánh đôi, mỗi chân có 2 phần: phần chân trên và phần chân dới. Dáng dấp bên ngoài của RBSS - 322 giống nh kiểu Robot Flex - Picker của Hãng ABB. Khi thiết kế đã tham khảo các thông tin chào hàng của Hãng này, nhng kết cấu các bộ truyền bên trong đã đơn giản hóa đi nhiều cho phù hợp khả năng tự tạo trong nớc với khoản kinh phí dành cho công việc này rất hạn chế. Định hớng ứng dụng RBSS trong công việc điêu khắc trên các vật liệu dễ gia công nhng có kích thớc lớn, cồng kềnh, không đa lên các máy gia công thông thờng đợc. Phần đạt đợc kết quả hơn và thu hoạch đợc nhiều hơn là xây dựng chơng trình phần mềm điều khiển RBSS - 322. 3. Robot Nhện nớc là một đề xuất mới, đợc phát triển trên nguyên lý RBSS và gồm 2 phần. Phần thứ nhất là một RBSS hoạt động theo nguyên lý cơ cấu Stewart. Tấm động đợc treo trên tấm giá cố định bằng 6 dây cáp có độ dài thay đổi đợc nhờ cơ cấu kiểu tời quay và đảm bảo độ linh hoạt nối ghép giữa dây cáp với các tấm nhờ có khớp cầu. Phần thứ 2 gắn với tấm động là một hệ thống với 4 cơ cấu nhánh hình bình hành. Hệ thống cơ cấu này có 5thể xòe rộng ra hoặc co cụm lại. Hệ thống này làm nhiệm vụ mang các ống nớc mềm có vòi phun dùng để tẩy rửa các khoang hầm ngầm, mà ở đó con ngời rất khó khăn hoặc không thể thao tác đợc, ví dụ vì môi trờng quá độc hại. Hệ thống này có thể co cụm lại và hạ thấp dần qua miệng hầm có kích thớc hạn hẹp và khi đã lọt qua miệng hầm sẽ xòe rộng ra, đồng thời nhờ khả năng thay đổi định vị và định hớng của tấm động, gắn liền với hệ thống 4 cơ cấu này, mà quỹ đạo phun nớc đang đợc điều khiển theo ý muốn. Mọi thao tác nh làm thay đổi độ dài của 6 dây cáp treo tấm động và làm co cụm hoặc xòe rộng 4 cơ cấu bình hành mang các vòi phun nớc, đều đợc điều khiển theo chơng trình và các thiết bị điều khiển đều đợc lắp đặt phía trên miệng hầm, nên rất thuận tiện. Nội dung nghiên cứu của công trình này đợc xuất phát từ những lần trao đổi, bàn bạc với Vietxopetro về nhiệm vụ rất bức xúc thay thế các lao động dới các khoang hầm tầu chở dầu thô, vừa rất độc hại, vừa rất khó rửa sạch nên rất chóng rỉ làm thủng vỏ tàu. Các kết quả nghiên cứu tính toán và mô phỏng hoạt hình các thao tác của Robot - Nhện nớc phục vụ cho nhiệm vụ này đã đợc trình bày với Xí nghiệp Cơ điện dầu khi thuộc liên doanh Dầu khí Vietxopetro và đã đợc đa vào kế hoạch triển khai. Nhng vì có sự thay đổi của cơ quan ứng dụng nên đến nay vẫn cha thực hiện đợc. 6 II. C¬ cÊu RBSS 3 ch©n 72.1. Robot song song 3 chân RPS 2.1.1. Kết cấu hình học Rô-bốt song song 3 RPS (Tên gọi Rô-bốt song song 3 RPS là do loại rô-bốt này có cấu tạo gồm 3 chân, mỗi chân gồm có 1 khớp quay R, 1 khớp tịnh tiến P và 1 khớp cầu S), thờng đợc thiết kế để mang phôi gia công hay mang công cụ để gia công. Ba chân với chiều dài có thể thay đổi đợc điều khiển bởi các động cơ sẽ dẫn động cho bệ di động mang phôi hay công cụ chuyển động theo quĩ đạo xác định trớc. Hai đầu của các chân này đợc liên kết với đế cố định và bệ di động bằng các khớp cầu. Ưu điểm của loại Rô-bốt này là khối lợng nhỏ, cấu trúc gọn nhẹ, độ cứng vững cao, có 3 bậc tự do và độ chính xác cao. Tất cả các thành phần cơ khí đợc lựa chọn và thiết kế càng nhỏ gọn càng tốt và không có khe hở theo chiều dọc trục của các chân, các chân đợc điều khiển của Rô-bốt đợc dẫn động bằng các cơ cấu chấp hành tuyến tính. Hình 2.1 mô tả sơ đồ của rô-bốt này. - Chi tiết 1 : Bàn di động có 3 bậc tự do trong không gian, trong trờng hợp cụ thể ở đây là phần bề mặt dùng để gá dụng cụ cắt kim loại (đầu dao phay, .) hoặc lắp đồ gá phôi (thớc chia độ, kẹp phôi gia công .) có dạng tam giác (thờng là tam giác đều). Trên bàn di động sẽ lắp đặt các loại đồ gá để kẹp chi tiết hoặc lắp đặt cụm động cơ - đài dao gia công. Bàn đợc thiết kế có các lỗ, chốt định vị để lắp đồ gá. Đồ gá đợc lắp chặt trên bàn di động bằng các bulông. 8 Hình 4.2.1: Cơ cấu chấp hành song song 3 RPS - Chi tiết 2: Là một phần của chi tiết thanh trợt lồng, ống trợt trong. Tất cả các ống trợt trong có dạng thanh trụ đặc. Khớp trợt đợc truyền động bằng cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ servo, bộ truyền động và cụm cơ cấu trục vít - đai ốc bi. Các chân của Rô-bốt đợc nối với bệ di động và đế cố định bằng các khớp cầu 6. - Chi tiết 3 : Là một phần của chi tiết thanh trợt lồng, ống trợt ngoài. Tất cả các ống trợt ngoài có dạng hình trụ rỗng. - Chi tiết 4 : Khớp quay, nối chân với đế cố định. - Chi tiết 5 : Mặt đế cố định, có dạng tấm phẳng tròn. Bệ cố định đợc lắp đặt trên bàn gá chi tiết của máy phay hoặc có thể đợc lắp đặt cố định trên một vật khác. Trên đế cố định có gia công các lỗ phục vụ, việc cố định đế trên bàn gá hoặc các vật khác bằng các bulông. Trên đế cố định còn đợc gia công các rãnh định vị phục vụ công tác căn chỉnh, lắp đặt rô-bốt. - Chi tiết 6 : Khớp cầu, nối chân với bàn máy di động. 2.1.2. Bậc tự do Sử dụng công thức: 91(1)jibiFnj ff==+ Với 6, 8, 9, 0njfb=== =, ba khớp quay, ba khớp lăng trụ, và ba khớp cầu, ta có: 6(8 9 1) (3.1 3.1 3.3) 0 3F =+ ++ = Nh vậy bàn di động sẽ chuyển động với ba bậc tự do trong không gian. 2.1.3. Hệ trục toạ độ Trên hình 2.2 mô tả sơ đồ động học của rô-bốt song song 3 RPS B31BA1A23AB2OPzyx112z3z0xx3zyx212300zx Hình 4.2.2: Sơ đồ động học của robot song song 3 RPS Do yêu cầu của kết cấu Robot nên AiBi Zi (các trục quay) O và P là trọng tâm của hai tam giác A1A2A3 và B1B2B3. Ta đặt các hệ tọa độ: {Ox0y0z0} : Hệ cố định. {Pxyz} : Hệ tọa độ động gắn liền với bàn máy động. [...]... hớng A R i đợc xác định bởi các phép quay liên tiếp: Ma trận A R1 đợc xác định bởi các phép quay sau : Quay một góc ( / 2 1 ) quanh trục z Quay quanh trục x một góc ( / 2 ) Quay quanh trục z một góc ( / 2 + 1 ) Ma trận A R 2 đợc xác định bởi các phép quay sau : Quay một góc 2 quanh trục z Quay một góc ( / 2 2 ) quanh trục z Quay quanh trục x một góc ( / 2 ) Quay quanh trục z một góc ( /... vào 3 phơng trình đầu ta sẽ tính đợc các giá trị của P Các giá trị còn lại tính đợc bằng cách thay trực tiếp vào các phơng trình (2.9), (2.10), (2.11) b Bài toán động học ngợc Bài toán động học ngợc là bài toán biết vị trí bàn máy động P, ta phải tìm độ dài các chân di (i=1,2,3) và các góc i (i=1,2,3) Tơng tự nh cách làm đối với bài toán động học thuận ta thay các giá trị của P vào hệ (2.14), ta sẽ... vào 3 phơng trình đầu ta sẽ tính đợc các giá trị của P Các giá trị còn lại tính đợc bằng cách thay trực tiếp vào các phơng trình (2.9), (2.10), (2.11) b) Bài toán động học ngợc Bài toán động học ngợc là bài toán biết vị trí bàn máy động P, ta phải tìm độ dài các chân di (i=1,2,3) và các góc i (i=1,2,3) Tơng tự nh cách làm đối với bài toán động học thuận ta thay các giá trị P vào hệ (2.20), ta sẽ đợc... giá trị P vào hệ (2.20), ta sẽ đợc hệ 6 phơng trình với 6 ẩn là : 1 , 2 , 3 , d1 , d 2 , d3 Các giá trị còn lại tính đợc bằng cách thay trực tiếp vào các phơng trình (2.9), (2.10), (2.11) 21 2.2 Robot song song 3 RSS 2.2.1 Kết cấu hình học Hình 4.2.5: Kết cấu hình học của Robot song song 3 RSS Deltarca cấu tạo gồm ba chân, bàn di động 12 và bàn cố định 1 Mỗi chân gồm có khâu trên, khâu dới và năm khớp,... thờng đợc dùng để tạo ra các đồ gá CNC để mang phôi gia công hay mang dụng cụ gia công A3 E B3 C B2 D B1 A1 A2 Hình 4.2.8 RBSS phẳng 3 chân RRR A3 E C B3 B2 A1 A2 D B1 Hình 4.2.9 RBSS phẳng 3 chân PRR 27 C H F E Tấm động P I R A G B P Tấm cố định D Hình 4.2.10 RBSS phẳng 3 chân PRP 2.2 Đồ gá gia công vỏ hộp động cơ xe máy Trong phần phụ lục trình bày bản thuyết minh Công trình thiết kế chế tạo cơ cấu kẹp... là : 1 , 2 , 3 , d1 , d 2 , d3 Các giá trị còn lại tính đợc bằng cách thay trực tiếp vào các phơng trình (2.9), (2.10), (2.11) 2.1.5 Ví dụ tính toán Ta tính toán cho một rô-bốt song song 3 RPS cụ thể : - Tam giác A1A2A3 và tam giác B1B2B3 là các tam giác đều 18 - PB1 = h; OA1 = g; 2 = 3 = 2 / 3 - Do kết cấu của cơ cấu ta có zi Ai Bi - Trục zi OAi i = / 2 Khi đó các đại lợng trong công thức (4.6)... động Các trục x, y nằm trong bàn cố định, các trục u, v nằm trong bàn di động Tại mọi thời điểm x và y luôn song song cùng chiều với u và v Dùng hệ trục Ai xi yi zi gắn với tâm của khớp quay Ai , sao cho xi nằm theo hớng kéo dài của OAi và trục yi dọc theo trục các khớp quay, còn trục zi song song với z Góc i đo từ x đến xi là một hằng số của quá trình thiết kế rô-bốt (Hình 2.6) Góc i là góc tạo bởi... quanh trục z một góc ( / 2 + 2 ) Ma trận A R 3 đợc xác định bởi các phép quay sau : Quay một góc 3 quanh trục z Quay một góc ( / 2 3 ) quanh trục z 12 Quay quanh trục x một góc ( / 2 ) Quay quanh trục z một góc ( / 2 + 3 ) Nếu ta coi A i là ma trận cosin chỉ hớng của 2 phép quay liên tiếp quanh trục x một góc ( / 2 ) và quanh trục z một góc ( / 2 + i ) thì : 1 0 0 sin i A i = 0 0... động cơ xe máy Trong phần phụ lục trình bày bản thuyết minh Công trình thiết kế chế tạo cơ cấu kẹp phôi nhanh cho máy gia công CNC và giới thiệu một số bản vẽ thiết kế đồ gá về hệ thống các xi lanh khí nén đợc dùng cho đồ gá này 28 III Robot song song RBSS 322 29 3.1 Giới thiệu chung Vn Robot song song (RBSS) tr nờn hp dn nhiu nh nghiờn cu t gia thp k 90 khi nú c ng dng di dng thit b cú tờn l Hexapod... = z0 xi Sử dụng các ký hiệu: A RB : Ma trận cosin chỉ hớng của hệ {Pxyz} so với hệ cố định {Ox0y0z0} A Ri : Ma trận cosin chỉ hớng của hệ {Aixiyizi} so với hệ cố định {Ox0y0z0} ai : Vector đại số chứa các tọa độ của điểm Ai trên hệ cố định b i : Vector đại số chứa các tọa độ của điểm Bi trên hệ cố định B b i : Vector đại số chứa các tọa độ của điểm Bi trên hệ động P: Vector đại số chứa các tọa độ của . rỉ làm thủng vỏ tàu. Các kết quả nghiên cứu tính toán và mô phỏng hoạt hình các thao tác của Robot - Nhện nớc phục vụ cho nhiệm vụ này đã đợc trình bày. gia công các lỗ phục vụ, việc cố định đế trên bàn gá hoặc các vật khác bằng các bulông. Trên đế cố định còn đợc gia công các rãnh định vị phục vụ công tác
