Tài liệu NHÓM SẢN PHẨM ROBOT SCA doc

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

2

Môc lôc

Më ®Çu 4

PhÇn 1:

Robot SCATM khÝ nÐn

11

I. Giíi thiÖu chung 11

II. X©y dùng c¸c m« h×nh ®éng häc vµ ®éng lùc häc Robot SCATM 12

2.1. ThiÕt lËp ph−¬ng tr×nh ®éng häc Robot SCATM 12

2.1.1. X¸c ®Þnh c¸c hÖ täa ®é cña Robot SCATM 12

2.1.2. B¶ng th«ng sè DH cña Robot SCATM 12

2.1.3. X¸c ®Þnh c¸c ma trËn cña Robot SCATM 12

2.1.4. TÝnh c¸c ma trËn T cña Robot SCATM 13

2.1.5. Ph−¬ng tr×nh ®éng häc Robot SCATM 14

2.2. ThiÕt lËp bµi to¸n ®éng häc ng−îc Robot SCATM 15

2.3. X©y dùng m« h×nh ®éng lùc häc Robot SCATM 19

III. ThiÕt kÕ c¶i tiÕn chÕ t¹o Robot SCATM khÝ nÐn 36

PhÇn 2:

M«®un quay dïng b¸nh r¨ng con l¨n

40

I. Giíi thiÖu chung 40

II. Nhu cÇu cÇn cã m«®un quay dïng BRCL 41

III. CÊu t¹o vµ nguyªn t¾c lµm viÖc 46

3.1. C¸c bé phËn chñ yÕu cña hép gi¶m tèc BRCL 46

3.2. Nguyªn lý lµm viÖc cña hép gi¶m tèc BRCL 48

IV. D¹ng r¨ng b¸nh r¨ng con l¨n 49

4.1. D¹ng r¨ng l−în sãng 49

4.2. X©y dùng biªn h×nh r¨ng con l¨n 52

4.3. Ph−¬ng ph¸p chän d¹ng r¨ng hîp lý 54

V. Ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o BRCL 56

3

VI. LËp tr×nh gia c«ng trªnm¸y c¾t d©y CNC 57

VII. Sö dông BRCL cho m«dun quay Robot lµ gi¶i ph¸p hîp lý nhÊt 58

VIII. ChuÈn hãa thiÕt kÕ hép gi¶m tèc BRCL 59

IX. M«®un quay BRCL 69

X. Mét sè s¶n phÈm ®· chÕ t¹o 72

XI. KÕt luËn 82

PhÇn 3:

m«®un d©y chuyÒn s¶n xuÊt tù ®éng

83

I. Giíi thiÖu chung 83

II. HÖ thèng b¨ng chuyÒn 84

III. HÖ thèng ®iÒu khiÓn 98

3.1. Nguyªn t¾c ho¹t ®éng 98

3.2. C¸c bé phËn chñ yÕu 99

PhÇn 4:

C¬ së tÝnh to¸n vµ x©y dùng c¸c ch−¬ng tr×nh m¸y

tÝnh vµ ®iÒu khiÓn

102

I. Giíi thiÖu chung 102

II. Ch−¬ng tr×nh tù ®éng thiÕt lËp 103

III. Ch−¬ng tr×nh kiÓm nghiÖm lêi gi¶i 105

IV. Ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm tÝnh to¸n ®éng lùc häc 107

V. Ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm ®iÒu khiÓn SCA 107

VI. Ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm ®iÒu khiÓn d©y chuyÒn s¶n xuÊt 109

Tµi liÖu tham kh¶o 131

4

BÁO 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

765

756

H×nh 2.0.4. Robot SCA 2 c¸nh tay m«®un hãa

9

H×nh 2.0.5. M«®un c¸nh tay

Nội dung phần III của Báo cáo về Nhiệm vụ 2 của Đề tài là các kết

quả nghiên cứu thiết kế chế tạo môđun Dây chuyền sản xuất (DCSX) dùng

robot SCA để phân loại sản phẩm theo màu sắc. Nội dung nghiên cứu này

cốt để minh họa về một cách thức thể hiện khả năng thông minh hóa cho

robot ở đây cụ thể là robot SCA, trong môi trường làm việc cụ thể nào đó.

Ngoài ra ®¬n vÞ chñ tr× Đề tài còn tham gia xây dựng Dự án “Chế tạo

robot bốc dì két lên pallet tại phân xưởng chiết của Công ty liên doanh Bia

Sài Gòn”. Hình 2.0.6. là mô phỏng hoạt hình robot này, đó cũng là một biến

thể cỡ lớn của Robot SCARA. Kinh phí từ ngân sách SNKH được duyệt là

2,6 tỷ đồng, phần tham gia của ®¬n vÞ là 250 triệu đồng. Các thông số kỹ

thuật của robot này giới thiệu trong phần phụ lục.

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.

11

PhÇn i

B¸o c¸o tãm t¾t c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu theo

nhiÖm vô 2 cña ®Ò tµi kc. 03.08

robocar scaTm khÝ nÐn

i. giíi thiÖu chung

Nghiên cứu thiết kế chế tạo Robot SCATM khí nén để nâng cao mức

linh hoạt thao tác của nó nhằm đáp ứng được điều khiển không bị trễ khi xử

lý thông minh các tín hiệu nhận được từ hệ thống sensor

Phần I báo cáo này trình bày 2 nội dung:

1. Xây dựng các mô hình động học và động lực học của Robot

SCATM

2. Thiết kế cải tiến và chế tạo Robot SCATM khí nén

12

II. tãm t¾t vÒ kÕt qu¶ nghiªn cøu x©y dùng c¸c m«

h×nh ®éng häc vµ ®éng lùc häc cña Robot scatm

2.1. Thiết lập phương trình động học Robot SCATM

2.1.1. X¸c ®Þnh c¸c hÖ täa ®é cña robot SCATM

H×nh 2.1.1. HÖ to¹ ®é cña robot SCATM

2.1.2. B¶ng th«ng sè DH cña robot SCATM

Kh©u i q αi i a i d

1 *

1 q 0 1 a 0

2 *

2 q 180o

2 a 0

3 0 0 0 *

3 d

4 *

4 q 0 0 4 d

2.1.3. X¸c ®Þnh c¸c ma trËn Ai cña robot SCATM

d4 cè ®Þnh

3 d

q x 4 4

3 x

z 2 , , 3 z z 4

2 a

1 a

z 1

2 q

2 x x 1 , , 0 x

q 1

0 z

13

1 1 11

1 1 11

1

0

0

0 01 0

0 001

C S aC

S C aS

A

⎡ ⎤ −

⎢ ⎥

=

⎣ ⎦

(2.1)

2 2 22

2 2 22

2

0

0

0 0 10

0001

C S aC

S C aS

A

⎡ ⎤

⎢ ⎥ − = −

⎣ ⎦

(2.2)

3

3

100 0

010 0

001

000 1

A

d

⎡ ⎤

⎢ ⎥

= ⎢ ⎥

⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎣ ⎦

(2.3)

4 4

4 4

4

4

0 0

0 0

0 0 10

0 00

C S

S C

A

d

⎡ ⎤ −

⎢ ⎥

= ⎢ ⎥

⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎣ ⎦

(2.4)

2.1.4. TÝnh c¸c ma trËn Ti cña robot SCATM

4 4

3 4 4

4 4

4

0 0

0 0

0 0 10

0 00

C S

S C

T A

d

⎡ ⎤ −

⎢ ⎥

= = ⎢ ⎥

⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎣ ⎦

(2.5)

4

0001

x xx x

yy y y

z zz z

nsap

nsap T

nsap

⎡ ⎤

⎢ ⎥

= ⎢ ⎥

⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎣ ⎦

(2.6)

14

4 4

2 4 4

4 34

4 3

0 0

0 0

0 01

0 00 1

C S

S C

T AA

d d

⎡ ⎤ −

⎢ ⎥

= = +

⎣ ⎦

(2.7)

2 4 2 4 22

1 2 4 2 4 22

4 234

4 3

cos( ) sin( ) 0

sin( ) cos( ) 0

0 01

0 0 01

q q q q Ca

q q q q Sa T AAA

d d

⎡ ⎤ − −

⎢ ⎥ −− − = = − −−

⎣ ⎦

(2.8)

1 2 4 1 2 4 2 12 1 1

1 1 2 4 1 2 4 2 12 1 1

4 14

4 3

cos( ) sin( ) 0

sin( ) cos( ) 0

0 01

0 0 01

q q q q q q aC aC

q q q q q q aS aS T AT

d d

⎡ ⎤ +− +− +

⎢ ⎥ +− − +− + = = − −−

⎣ ⎦

(2.9)

2.1.5. Ph−¬ng tr×nh ®éng häc robot SCATM

4

0001

xx x x

yy y y

zz z z

nsap

nsa p T

nsap

⎡ ⎤

⎢ ⎥

⎢ ⎥ = ⎢ ⎥

⎢ ⎥ ⎣ ⎦

(2.10)

Tõ ®ã ta cã hÖ ph−¬ng tr×nh sau:

15

124

124

124

124

2 12 1 1

2 12 1 1

4 3

cos( )

sin( )

0

sin( )

cos( )

0

0

0

1

x

y

z

x

y

z

x

y

z

x

y

z

n qqq

n qqq

n

s qqq

s qqq

s

a

a

a

p aC aC

p aS aS

p dd

⎧ = +−

⎪ = +− ⎪

⎪ = ⎪

⎪ = +−

⎪ =− + − ⎪

⎪⎪ = → ⎨ = ⎪

⎪ = ⎪

⎪ = −

⎪ = + ⎪

⎪ = + ⎪

⎪⎩ =− −

(2.11)

2.2. ThiÕt lËp bµi to¸n ®éng häc ng−îc Robot SCATM

Như đã ký hiệu trong bài toán động học thuận, ta có phương trình

sau:

Tn = Ai

i

Tn

Nhân hai vế của phương trình này với −1 Ai , nhận được

n i n

i

T A T−1 =

12 12 12 12 12 12 12 12 2 1 2

111 12 12 12 12 12 12 12 12 2 1

34 3 2 1 4

3

000 1

−−−

⎡ ⎤ + + + + −−

⎢ ⎥ − − − −− = = − − − −−

⎣ ⎦

xyxy x y x y

x yx y x y x y

zz z z

C n S n C s S s C a S a C p S p Ca a

S n C n S s C s S a C a S p C p Sa X AAAT

n s a pd

(2.12)