Tài liệu Mô phỏng động học robot tác hợp gia công cơ khí

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP GIA CÔNG CƠ KHÍ Ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Mã số: Học viên: ĐẶNG VŨ KHÁNH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. PHAN BÙI KHÔI THÁI NGUYÊN, NĂM 2013 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP GIA CÔNG CƠ KHÍ Học viên: Đặng Vũ Khánh Lớp: K13 - CNCTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy Ngƣời HD khoa học: PGS.TS. Phan Bùi Khôi Ngày giao đề tài: 01/12/2011 Ngày hoàn thành: 05/2013 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS. PHAN BÙI KHÔI ĐẶNG VŨ KHÁNH DUYỆT BGH KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................................... 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................ 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................... 5 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................ 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT ...................................................................... 8 1.1 Khái quát về robot công nghiệp..................................................................... 8 1.1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp................................................. 8 1.1.2 Phân loại robot công nghiệp ............................................................... 11 1.1.3 Ứng dụng và xu thế phát triển của robot công nghiệp ........................ 12 1.2 Robot tác hợp ............................................................................................... 13 1.2.1 Giới thiệu chung về robot tác hợp ...................................................... 13 1.2.2 Ƣu điểm của robot tác hợp .................................................................. 14 CHƢƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP ...................................... 16 2.1 Cơ sở phƣơng pháp ma trận Denavit-Hartenberg ....................................... 16 2.1.1 Các tọa độ thuần nhất và phƣơng pháp biến đổi thuần nhất ............... 16 2.1.1.1 Định nghĩa ma trận Cosin chỉ hƣớng ................................................ 16 2.1.1.2 Ý nghĩa của ma trận cosin chỉ hƣớng của vật rắn ............................. 17 2.1.1.3 Các ma trận quay cơ bản................................................................... 18 2.1.1.4 Định nghĩa các tọa độ thuần nhất ..................................................... 19 2.1.1.5 Phép biến đổi vector trong không gian thuần nhất 4 chiều .............. 19 2.1.1.6 Phép biến đổi ma trận thuần nhất ..................................................... 20 2.1.1.7 Các ma trận cơ bản thuần nhất.......................................................... 21 2.1.2 Phƣơng pháp ma trận Denavit-Hartenberg ......................................... 22 Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn 2.1.2.1 Cách xác định các trục của hệ tọa độ khớp....................................... 22 2.1.2.2 Các tham số động học Denavit-Hartenberg ...................................... 23 2.1.2.3 Ma trận Denavit-Hartenberg ............................................................. 23 2.2 Khảo sát động học robot tác hợp ................................................................. 24 2.2.1 Cơ sở lý thuyết bài toán động học ...................................................... 24 2.2.2 Bài toán động học robot tác hợp ......................................................... 24 2.2.2.1 Cách thiết lập hệ tọa độ và xây dựng hệ phƣơng trình động học. .... 26 2.2.2.2 Áp dụng giải bài toán động học robot tác hợp.................................. 28 2.2.3 Lập trình giải bài toán động học robot tác hợp trên Maple ................ 39 CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP ..................................... 41 3.1 Xây dựng chƣơng trình mô phỏng............................................................... 41 3.1.1 Mô phỏng chuyển động robot với OpenGL ........................................ 42 3.1.2 Xây dựng các đối tƣợng 3 chiều ........................................................ 42 3.1.3 Tạo chuyển động cho các đối tƣợng. .................................................. 43 3.1.4 Lập trình giao diện tƣơng tác ngƣời dùng .......................................... 44 3.2 Thiết kế mô hình robot tác hợp ................................................................... 45 3.2.1 Khâu 1 tay máy ................................................................................... 46 3.2.2 Khâu 2 tay máy ................................................................................... 46 3.2.3 Đầu hàn tay máy ................................................................................. 47 3.2.4 Bàn máy x ........................................................................................... 47 3.2.5 Bàn máy z ........................................................................................... 48 3.2.6 Thân máy ............................................................................................ 48 3.3 Cấu trúc chƣơng trình mô phỏng ................................................................. 49 3.4 Giao diện và cách sử dụng chƣơng trình mô phỏng .................................... 50 3.4.1 Bảng điều khiển chức năng: ................................................................ 51 Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu 3.4.2 http://lrc.tnu.edu.vn Vùng hiển thị quá trình mô phỏng. ..................................................... 54 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 57 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 58 Phụ lục 1: Mã nguồn chƣơng trình Maple ....................................................... 58 Phụ lục 2: Chƣơng trình mô phỏng.................................................................. 60 Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1.1 : Các tọa độ suy rộng của robot ................................................................ 10 1.2 : Biểu diễn vùng làm việc của robot .......................................................... 11 1.3 : Cấu trúc động học robot ......................................................................... 11 1.4 : Robot tác hợp thực hiện quá trình gia công ........................................... 13 1.5 : Mô hình robot hàn ................................................................................... 14 2.1 : Mô hình robot tác hợp hàn...................................................................... 25 2.2 : Hệ trục tọa độ xây dựng .......................................................................... 26 2.3 : Phương pháp tam diện trùng theo .......................................................... 27 2.4: Sơ đồ động học tay máy ........................................................................... 29 2.5 : Sơ đồ động học bàn máy ......................................................................... 29 2.6 : Bài toán hàn ống ..................................................................................... 30 2.7: Hệ trục tọa độ suy rộng tay máy .............................................................. 31 2.8 : Hệ trục tọa độ suy rộng bàn máy ............................................................ 34 Hình 3.1 : Phần mềm Visual Studio 2010 ................................................................ 44 Hình 3.2 :Mô hình tổng thể robot ............................................................................. 45 Hình 3.3 : Thân máy ................................................................................................. 48 3.4 : Giao diện chương trình ........................................................................... 50 3.5 : Bảng điều khiển chức năng ..................................................................... 51 3.6 : Cấu hình tham số robot ........................................................................... 51 3.7 : Khởi chạy chương trình .......................................................................... 52 3.8 : Ẩn hiện đường hàn .................................................................................. 52 3.9 : Khung điều khiển robot ........................................................................... 53 3.10 : Chế độ chạy tác hợp .............................................................................. 53 3.11 : Reset dữ liệu hệt thống .......................................................................... 54 3.12 : Vùng hiển thị quá trình mô phỏng ........................................................ 54 Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 2-1 : Bảng thông số Denavit-Hartenberg tay máy.............................................. 32 2-2 :Bảng D-H phép biến đổi hệ tọa dộ bàn máy sang điểm hàn...................... 37 Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên đƣợc ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con ngƣời làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trƣờng độc hại. Do nhu cầu cần sử dụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh họat và thông minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác nhƣ trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các robot địa hình và robot dịch vụ phát triển. Robot tác hợp - Mechanism of relative manipulation (MRM) là một hệ hai tay máy phối hợp thao tác công nghệ, một tay máy mang khâu thao tác của robot, tay thứ hai mang đối tƣợng thao tác, thƣờng là các chi tiết máy. Ứng dụng robot tác hợp có thể gia công cơ khí các chi tiết có bề mặt cong phức tạp. Khả năng thao tác gia công, tính phức tạp và độ chính xác của chi tiết phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó trƣớc hết là khả năng chuyển động tƣơng đối giữa dụng cụ gia công và chi tiết đƣợc gia công, độ cứng vững của robot. Đi theo xu hƣớng đó, luận văn này tập trung nghiên cứu đến bài toán động học và lập trình tính toán mô phỏng hoạt động và thiết kế mô hình robot tác hợp. Nội dung luận văn bao gồm ba chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về robot, robot tác hợp. Từ đó nêu ra đƣợc những ƣu nhƣợc điểm của robot tác hợp và lựa chọn mô hình tiến hành nghiên cứu. Chƣơng 2: Khảo sát động học robot tác hợp. Trong chƣơng này tác giả đã nêu lên cơ sở lý thuyết và giải quyết bài toán động học thuận, động học ngƣợc với cơ cấu tay máy và bàn máy. Qua đó phối hợp tính toán động học robot tác hợp để hai cơ cấu phối hợp gia công một chi tiết theo yêu cầu công nghệ nhất định. Chƣơng 3: Thiết kế các cơ cấu, khâu khớp trên phần mềm 3D Solidwork 2010, sau đó thực hiện xuất ra tệp *.stl kết hợp với việc sử dụng công cụ lập trình Visual Stdio 2010, thƣ viện đồ họa OpenGL để xây dựng chƣơng trình mô phỏng hoạt động của robot. Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Bằng tất cả sự kính trọng em xin chân thành cảm ơn tới Thầy PGS. TS. Phan Bùi Khôi - ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn tới Viện nghiên cứu cơ khí – Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Ban giám hiệu trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Khoa Sau đại học - trƣờng ĐH Kỹ thuật Công nghiệp, Ban giám hiệu trƣờng Cao đẳng Kinh tế - kỹ thuật Đại Học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện bản luận văn này. Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và ngƣời thân đã động viên giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Khái quát về robot công nghiệp Việc sử dụng robot công nghiệp trong vài chục năm qua đã mang lại nhiều hiệu quả về kinh tế và xã hội, ví như tăng năng suất, cải tiến chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu, sớm hoàn vốn đầu tư và ngăn ngừa tai nạn lao động. Những hiệu quả kinh tế và xã hội xuất phát từ thực tế là robot công nghiệp rất đa năng và linh hoạt, chuyển động thoải mái như tay người. Việc áp dụng robot công nghiệp đã chuyển đổi cơ cấu sản xuất từ cơ cấu “con người và máy móc” sang cơ cấu “con người-robot-máy móc”, giúp cho con người thoát khỏi những công việc nguy hiểm, nặng nhọc. 1.1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp Theo viện nghiên cứu robot Hoa Kỳ thì robot đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Robot là một tay máy có nhiều chức năng thay đổi đƣợc các chƣơng trình hoạt động, đƣợc dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã đƣợc lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng. Định nghĩa robot còn đƣợc Mikell P .groover, một nhà nghiên cứu robot mở rộng nhƣ sau: Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động đƣợc điều khiển theo chƣơng trình thể hiện việc thay đổi vị trí của những đối tƣợng thao tác khác nhau với mục đích tự động hóa các quá trình sản xuất. Không dừng lại ở những định nghĩa trên robot còn đƣợc nhiều nhà khoa học đƣa ra nhiều định nghĩa khác nhau với giáo sƣ Sitegu Watanabe (Đại học tổng hợp Tokyo) robot phải thỏa mãn các yếu tố sau: Có khả năng thay đổi chuyển động. Có khả năng cảm nhận đƣợc đối tƣợng thao tác. Có số bậc chuyển động (bậc tự do cao). Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Có khả năng thích nghi với môi trƣờng hoạt động. Có khả năng hoạt động tƣơng hỗ với đối tƣợng bên ngoài. Còn với giáo sƣ Mosahiro Mori (viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải có những đặc điểm sau: Có khả năng thay đổi chuyển động . Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ). Có tính vạn năng. Có những đặc điểm của ngƣời và máy. Ngoài các ý trên, định nghĩa trong ΓOCT 25 686 – 85 còn bổ sung cho robot công nghiệp chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất robot công nghiệp là máy tự động đƣợc đặt cố định hay di động, bao gồm cơ cấu chấp hành dạng tay máy và có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển chƣơng trình có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Qua rất nhiều định nghĩa trên thì robot có thể hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt có khả năng làm theo các chức năng lao động công nghiệp của con ngƣời. Bậc tự do của robot Bậc tự do là số khả năng chuyển động của robot. Để dịch chuyển đƣợc một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt đƣợc một số bậc tự do. Bậc tự do của nó có thể tính theo công thức : Trong đó : f – Số bậc tự do của robot. λ – Bậc tự do của một khâu (trong phẳng λ=3 trong không gian λ=6). n – Số khâu chuyển động của robot . k – Số khớp. fi – Số bậc tự do của khớp thứ i. fc – Số liên kết thừa. fp – Số bậc tự do thừa. Đối với các cơ cấu có các khâu đƣợc nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn tổng số bậc tự do của các khớp động. Số bậc tự do của robot tác hợp bằng tổng số bậc tự do của các robot thành phần, nhƣ robot tác hợp trong luận văn này có 5 bậc tự do gồm 3 bậc tự do của tay máy và 2 bậc tự do của bàn máy. Hệ tọa độ Mỗi robot thƣờng bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các khớp, tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản. Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ khâu. Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc ứng với các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các toạ độ suy rộng còn đƣợc gọi là biến khớp. Các hệ tọa độ gắn trên khâu của robot thƣờng tuân theo quy tắc bàn tay phải. 1.1: Các tọa độ suy rộng của robot Vùng làm việc của robot Không gian làm việc của robot là toàn bộ thể tích đƣợc quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trƣờng công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng nhƣ các ràng buộc cơ học của các khớp. Ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc . Ngƣời ta thƣờng dùng hai hình chiếu để mô tả không gian làm việc của một robot. Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn 1.2: Biểu diễn vùng làm việc của robot 1.1.2 Phân loại robot công nghiệp Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể đƣợc phân loại theo các cách sau: Phân loại theo cấu trúc động học Robot đƣợc gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi động hở, robot song song là robot có cấu trúc mạch động học kín và robot lai nếu có cả chuỗi động kín và hở. 1.3: Cấu trúc động học robot Phân loại theo số bậc tự do: Robot thƣờng đƣợc phân loại theo số bậc tự do động học của nó. Một cách lý tƣởng nhất thì robot phải có 6 bậc tự do để có thể di chuyển khâu thao tác tự do trong không gian, tuy nhiên tùy thuộc mục đích sử dụng mà số bậc tự do có thể giảm đi. Số bậc tự do càng lớn thì độ linh hoạt của robot càng cao tuy nhiên các tính toán động học cũng nhƣ động lực học sẽ phức tạp lên nhiều. Phân loại theo hệ thống truyền động: Có 3 hệ thống truyền động phổ biến là điện, thủy lực và khí nén đƣợc dùng cho robot. Thông thƣờng thì các động cơ thƣờng là động cơ điện do dễ điều Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn khiển, tuy nhiên khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải lớn thì thƣờng dùng động cơ thủy lực hoặc khí nén do loại động cơ này khá linh hoạt và có khả năng mang tải lớn. Phân loại theo không gian làm việc: Không gian làm việc của robot đƣợc xác định là thể tích không gian đầu tác động có thể vƣơn tới, trong đó bao gồm không gian có thể vƣơn tới và không gian linh hoạt. Không gian có thể vƣơn tới nghĩa là thể tích không gian trong robot có thể vƣơn tới theo ít nhất một hƣớng. Không gian linh hoạt là thể tích không gian trong robot có thể tới từng điểm theo nhiều hƣớng. 1.1.3 Ứng dụng và xu thế phát triển của robot công nghiệp Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất sản xuất của dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lƣợng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Trong ngành cơ khí, robot đƣợc sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm . Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động nhƣ máy CNC và robot. Các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá, linh hoạt cao. Ngoài các phân xƣởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng đƣợc sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dƣơng, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội …Xu thế phát triển của robot công nghiệp hiện nay là tập trung vào các robot có những đặc điểm ƣu việt hơn nhƣ tốc độ nhanh hơn, kinh tế hơn, các hệ thống gọn nhẹ hơn, nhiều module hơn, chất lƣợng thiết bị tay cuối đƣợc cải tiến, hệ thống giao tiếp thông minh…Thay vì sử dụng các robot liên tục nhƣ trƣớc kia trong công nghiệp, xu hƣớng hiện nay là áp dụng các robot loại khác, nhƣ robot song song, robot lai, các robot phối hợp hoạt động nhƣ robot tác hợp… do những ƣu điểm phù hợp với yêu cầu sản xuất hiện nay. Những loại robot này không những có khả năng chuyển động linh hoạt mà còn thể hiện đƣợc độ cứng vững cao hơn hẳn so với những loại robot khác, do đó chúng đƣợc sử dụng ngày càng nhiều để làm các giá đỡ di chuyển, các hệ thống gia công chính xác, máy CNC… Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Mô hình robot tác hợp dƣới đây là một hƣớng ứng dụng robot trong công nghiệp mới mang nhiều ƣu điểm vƣợt trội so với các robot truyền thống vẫn đang đƣợc sử dụng và phù hợp với xu thế phát triển robot hiện nay. 1.2 Robot tác hợp 1.2.1 Giới thiệu chung về robot tác hợp Robot tác hợp là hệ cơ cấu gồm hai hay nhiều robot cùng phối hợp hoạt động với nhau theo một chương trình cho trước để thực hiện một nhiệm vụ nhất định. Thông thường số lượng robot đơn trong cơ cấu robot tác hợp là hai, ví dụ như robot hàn thì một robot làm nhiệm vụ giữ, thay đổi vị trí chi tiết cần hàn và robot còn lại mang đầu mỏ hàn. 1.4: Robot tác hợp thực hiện quá trình gia công Đối với robot tác hợp gồm hai robot đơn lẻ phối hợp hoạt động sẽ có thể có các kiểu phối hợp nhƣ sau: Cả hai robot đơn đều là robot liên tục. Robot mang dụng cụ gia công là robot liên tục, robot giữ chi tiết là robot song song. Robot mang dụng cụ gia công và robot giữ chi tiết cần gia công đều thuộc loại robot song song. Loại thứ 2 và 3 do có sử dụng robot song song nên độ cứng vững của cơ cấu là rất cao, điều đó giúp cải thiện độ chính xác tuy nhiên việc tính toán là phức tạp hơn Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn rất nhiều. Do đó với mục tiêu là xây dựng robot hàn ống, vấn đề chịu tải trọng không quá cao thì trong nội dung luận văn này sẽ lựa chọn phƣơng án đầu tiên với ƣu điểm là đơn giản trong kết cấu và tính toán mà vẫn đảm bảo yêu cầu của hệ thống. Cơ cấu này bao gồm: Tay máy ba bậc tự do, mang đầu hàn và có thể di chuyển đến các vị trí trong không gian. Bàn máy hai bậc tự do, mang chi tiết cần gia công có thể thay đổi hƣớng chi tiết hỗ trợ quá trình hàn. 1.5: Mô hình robot hàn 1.2.2 Ƣu điểm của robot tác hợp So với các robot hàn truyền thống, robot hàn tác hợp theo mô hình trên thể hiện các ƣu điểm về độ linh hoạt và chính xác, tính đa năng. Độ linh hoạt và chính xác Robot càng linh hoạt thì khả năng gia công các chi tiết phức tạp càng cao. Độ linh hoạt của robot phụ thuộc vào kết cấu hình học cũng nhƣ số bậc tự do của nó. Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Thông thƣờng, các robot truyền thống muốn tăng bậc tự do chuyển động để tăng khả năng linh hoạt đều kéo theo việc tăng sai số dịch chuyển, sai số tích lũy trong điều khiển khâu cuối do đó gia tăng về chi phí và thời gian sản xuất, bảo dƣỡng robot. Robot tác hợp đã giải quyết đƣợc vấn đề này. Thứ nhất, với những loại tay máy có cấu trúc mạch hở thông thƣờng, để gia công những biên dạng phức tạp thì đòi hỏi tay máy phải có số bậc tự do cao, vùng làm việc cũng phải đủ lớn để có khả năng vƣơn tới vị trí gia công theo hƣớng phù hợp. Điều đó khiến tăng số khâu khớp của tay máy, đồng thời tăng độ phức tạp trong tính toán, chế tạo… Với robot tác hợp do bàn máy có thể xoay linh hoạt, chi tiết cần gia công không chỉ nằm cố định trên bàn máy, mà thay đổi hƣớng liên tục nên cụm tay máy (mang đầu hàn) có thể giảm bớt số bậc tự do, giảm bớt kích thƣớc, nhờ đó các bƣớc tính toán và chế tạo sẽ đƣợc đơn giản đi rất nhiều. Thứ hai do robot có kết cấu hai mạch động học riêng biệt nên so với các robot đơn mạch hở có cùng 5 bậc tự do thì sẽ giảm thiểu đƣợc sai số tích lũy khi lắp ghép nối tiếp các khâu với nhau. Ngoài ra với kết cấu đơn giản, dễ gia công, dễ tính toán và điều khiển nên với mô hình này sẽ giúp giảm chi phí nghiên cứu chế tạo và sản xuất. Tính đa năng Với kết cấu này, robot này không chỉ làm tốt nhiệm vụ hàn mà ngoài ra nó có thể tham gia vào quá trình gia công cơ nhƣ một máy CNC thực thụ bằng cách thay đầu hàn bằng cụm đầu dao tƣơng ứng. Với những ƣu điểm vƣợt trội của robot tác hợp, việc phát triển robot tác hợp trong công nghiệp sẽ là một hƣớng đi đúng đắn để đáp ứng đƣợc nhu cầu sản xuất công nghiệp ngày càng cao hiện nay. Với nhiệm vụ đặt ra, luận văn này sẽ tập trung vào việc thiết kế mô hình, khảo sát động học và mô phỏng động học robot. Việc mô phỏng động học robot sẽ cung cấp quy luật chuyển động về mặt hình học để cho phép khảo sát bài toán động lực học và điều khiển robot. Mô phỏng động học cũng cho hình ảnh trực quan về quá trình hoạt động của robot tác hợp tạo cơ sở điều chỉnh, lựa chọn cấu trúc hợp lý của robot và hệ thống. Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn CHƢƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TÁC HỢP 2.1 Cơ sở phƣơng pháp ma trận Denavit-Hartenberg 2.1.1 Các tọa độ thuần nhất và phƣơng pháp biến đổi thuần nhất 2.1.1.1 Định nghĩa ma trận Cosin chỉ hƣớng Cho vật rắn B và hệ quy chiếu . Trong đó các véc tơ là 3 véc tơ đơn vị trên các trục Ox0, Oy0, Oz0 . Ta gắn chặt vào vật rắn B hệ quy chiếu Với . là 3 véc tơ đơn vị trên các trục Ax,Ay,Az . Ma trận vuông cấp ba Đƣợc gọi là ma trận Cosin chỉ hƣớng của vật rắn B đối với hệ quy chiếu R0. Nếu ta ký hiệu: (i,j =1,2,3) Thì ma trận Cosin chỉ hƣớng có dạng Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Từ định nghĩa trên , trong hệ quy chiếu R0 ta có hệ thức liên hệ 2.1.1.2 Ý nghĩa của ma trận cosin chỉ hƣớng của vật rắn Xét hai hệ quy chiếu R0 và R có cùng gốc O .Trong đó hệ quy chiếu R0 là hệ quy chiếu cố định, hệ quy chiếu động R = Oxyz gắn liền với vật rắn B. Lấy một điểm P bất kì thuộc vật rắn B. Vị trí của điểm P đƣợc xác định bởi véc tơ định vị OP= . Ký hiệu tọa độ của điểm P trong hệ quy chiếu Oxyz là xP,yP ,zP và tọa độ điểm P trong hệ quy chiếu cố định là . Ta có hệ thức sau : Thế vào ta đƣợc : Hay : Ta suy ra hệ : Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 17 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn Viết lại dƣới dạng ma trận nhƣ sau : Nhƣ vậy ma trận Cosin chỉ hƣớng A cho phép biến đổi tọa độ của điểm bất kì P thuộc vật rắn trong hệ quy chiếu động Oxyz sang tọa độ điểm P trong hệ quy chiếu cố định Ox0y0z0 và ngƣợc lại. 2.1.1.3 Các ma trận quay cơ bản Ta quy ƣớc hƣớng quay dƣơng là hƣớng quay ngƣợc chiều kim đồng hồ nhìn từ đầu mũi tên về gốc nhƣ hình bên. Các phép quay quanh trục x,y,z của hệ tọa độ vuông góc Oxyz đƣợc gọi là các phép quay cơ bản. Ta có ma trận quay cơ bản : Ma trận Cosin chỉ hƣớng khi quay quanh trục x0 : Ma trận Cosin chỉ hƣớng khi quay quanh trục y0 : Ma trận Cosin chỉ hƣớng khi quay quanh trục z0 : Học viên: Đặng Vũ Khánh Trang 18