Luận văn Nghiên cứu robot song song 3 bậc tự do khớp quay (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu robot song song 3 bậc tự do khớp quay (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TỪ PHƯƠNG NAM NGHIÊN CỨU ROBOT SONG SONG 3 BẬC TỰ DO KHỚP QUAY S K C 0 0 0 2 8 1 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S K C 0 0 0 3 0 0 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2005
2. BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TỪ PHƯƠNG NAM NGHIÊN CỨU ROBOT SONG SONG 3 BẬC TỰ DO KHỚP QUAY Chuyeân ngaønh : COÂNG NGHEÄ CHEÁ TAÏO MAÙY Maõ soá ngaønh : 60 52 04 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN TIẾN DŨNG Tp. Hoà Chí Minh, 2005
3. COÂNG TRÌNH ÑÖÔÏC HOAØN THAØNH TAÏI TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH Caùn boä höôùng daãn khoa hoïc: TS. HOÀNG TRỌNG BÁ Caùn boä chaám nhaän xeùt 1: Caùn boä chaám nhaän xeùt 2: Luaän vaên thaïc só ñöôïc baûo veä taïi HOÄI ÑOÀNG CHAÁM LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ- TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT ngaøy thaùng naêm 2005.
4. LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ___ GVHD : TS NGUYEÃN TIEÁN DUÕNG LÔØI CAÛM ÔN Qua khoaù hoïc cao hoïc naøy, em ñaõ hoïc hoûi raát nhieàu kieán thöùc chuyeân moân. Ñaëc bieät laø trong quaù trình laøm luaän vaên toát nghieäp, em caøng hieåu theâm veà lónh vöïc Robot, moät lónh vöïc vôùi tieàm naêng raát lôùn vaø seõ höùa heïn nhieàu öùng duïng ñem laïi raát nhieàu lôïi ích cho con ngöôøi. Taát caû nhöõng gì maø em ñaõ hoïc taäp ñöôïc laø do söï chæ daïy taän taâm cuûa caùc thaày coâ vaø ñeå khoâng phuï loøng giaûng daïy cuûa thaày coâ trong vieäc truyeàn ñaït kieán thöùc cho chuùng em, chuùng em höùa seõ tieáp tuïc trao doài theâm kieán thöùc chuyeân moân vaø khoâng ngöøng cuûng coá nhöõng gì mình ñaõ hoïc. Ñoù chính laø nhöõng haønh trang voâ cuøng quyù baùu ñeå chuùng em böôùc vaøo ñôøi vaø ñem taát caû kieán thöùc hoïc ñöôïc ôû treân tröôøng phuïc vuï cho coâng vieäc trong töông lai vaø phuïc vuï cho xaõ hoäi. Em xin chaân thaønh caûm ôn Giaùo vieân höôùng daãn luaän vaên toát nghieäp laø Thaày Nguyeãn Tieán Duõng ñaõ daønh thôøi gian vaø coâng söùc ñeå giaûng daïy vaø reøn luyeän cho em thöïc hieän thaønh coâng luaän vaên toát nghieäp naøy. Em luoân ghi nhôù nhöõng kieán thöùc maø Thaày ñaõ taän tình chæ daïy cho em trong thôøi gian qua. Em xin chaân thaønh caûm ôn Thaày Leâ Hoaøi Quoác ñaõ daønh thôøi gian vaø coâng söùc ñeå giaûng daïy vaø chæ cho em thaáy ñöôïc nhöõng ñieåm coøn thieáu soùt trong luaän vaên naøy, giuùp cho em cuûng coá theâm kieán thöùc chuyeân moân. Em xin chaân thaønh caûm ôn Thaày Coâ trong Hoäi Ñoàng Phaûn Bieän vaø Hoäi Ñoàng Baûo Veä luaän vaên cao hoïc ñaõ daønh thôøi gian ñeå truyeàn ñaït nhöõng kinh nghieäm quyù giaù giuùp chuùng em nhaän ra nhöõng ñieåm coøn haïn cheá trong luaän vaên toát nghieäp. Töø ñoù boå sung theâm cho chuùng em nhieàu kieán thöùc chuyeân moân. ___ HVTH : TÖØ PHÖÔNG NAM Trang 1
5. LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ___ GVHD : TS NGUYEÃN TIEÁN DUÕNG MUÏC LUÏC Trang Phaàn 1: ÑAËT VAÁN ÑEÀ 5 1. Tình hình nghieân cöùu trong vaø ngoaøi nöôùc 6 a. Tình hình nghieân cöùu, öùng duïng Robot song song treân theá giôùi 6 b. Tình hình nghieân cöùu trong nöôùc. 11 2. Ñoái töôïng nghieân cöùu. 11 3. Vaán ñeà giaûi quyeát trong luaän vaên 11 4. Phöông phaùp nghieân cöùu 12 Phaàn 2: GIAÛI QUYEÁT VAÁN ÑEÀ 13 Chöông I: Ñaët ñieåm keát caáu cuûa Robot song song 14 1.1. Ñaët ñieåm keát caáu cuûa Robot song song 14 1.2. Moät soá loaïi Robot song song 14 1. Robot song song phaúng 14 2. Robot song song khoâng gian 16 3. Robot keát hôïp caû song song vaø noái tieáp 18 Chöông II: Phaân tích ñoäng hoïc Robot song song 19 2.1. Keát caáu vaø nguyeân lyù chuyeån ñoäng cuûa Robot song song 3 baäc töï do khôùp quay 20 2.2. Xaây döïng moái lieân heä giöõa toaï ñoä troïng taâm P cuûa taám ñoäng vaø caùc thoâng soá khôùp cuûa Robot song song 20 2.2.1. Ñaët heä truïc toaï ñoä 20 2.2.2. Bieåu dieãn caùc goùc khôùp 21 2.2.3. Thieát laëp moái lieân heä giöõa toaï ñoä troïng taâm P cuûa taám ñoäng vaø caùc thoâng soá khôùp cuûa Robot song song 22 a. Ñoái vôùi tay maùy thöù 1 22 b. Ñoái vôùi tay maùy thöù 2 24 c. Ñoái vôùi tay maùy thöù 3 25 2.3. Phaân tích ñoäng hoïc thuaän 26 2.3.1. Phöông phaùp hình hoïc 26 a. Khaûo saùt tay maùy thöù 1 26 ___ HVTH : TÖØ PHÖÔNG NAM Trang 2
6. LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ___ GVHD : TS NGUYEÃN TIEÁN DUÕNG b. Khaûo saùt tay maùy thöù 2 27 c. Khaûo saùt tay maùy thöù 3 27 2.3.2. Phöông phaùp giaûi tích 29 a. Ñoái vôùi tay maùy thöù 1 29 b. Ñoái vôùi tay maùy thöù 2 30 c. Ñoái vôùi tay maùy thöù 3 30 d. Giaûi tìm toaï ñoä troïng taâm P 30 e. Nhaän xeùt 33 2.3.3. Phöông phaùp Bisection (chia ñoâi khoaûng) 33 1. Cô sôû toaùn hoïc 33 2. Giaûi thuaät 34 3. Nhaän xeùt 34 2.3.4. Phöông phaùp Newton 34 1. Giôùi thieäu 34 2. Giaûi thuaät 35 3. Löu ñoà 35 4. Nhaän xeùt 36 5. Aùp duïng phöông phaùp Newton cho baøi toaùn ñoäng hoïc thuaän 36 2.4. Phaân tích ñoäng hoïc ngöôïc 37 2.4.1. Phöông phaùp hình hoïc 37 a. Ñoái vôùi tay maùy thöù 1 37 b. Ñoái vôùi tay maùy thöù 2 38 c. Ñoái vôùi tay maùy thöù 3 38 d. Caùc vò trí töông quan cuûa ñöôøng troøn vaø maët caàu 39 2.4.2. Phöông phaùp giaûi tích 39 a. Ñoái vôùi tay maùy thöù 1 39 b. Ñoái vôùi tay maùy thöù 2 40 c. Ñoái vôùi tay maùy thöù 3 41 2.4.3. Phöông phaùp Newton 42 a. Ñoái vôùi tay maùy thöù 1 42 b. Ñoái vôùi tay maùy thöù 2 43 c. Ñoái vôùi tay maùy thöù 3 43 2.5. Keát quaû giaûi cuûa chöông trình Matlab 43 2.5.1. Ñoäng hoïc thuaän 43 2.5.2. Ñoäng hoïc ngöôïc 44 2.5.3. Ñoà thò moâ taû moái lieân heä giöõa caùc thoâng soá khôùp 45 2.6. Kieåm tra keát quaû giaûi cuûa chöông trình Matlab 46 Chöông III: Xaây döïng baøi toaùn ñieàu khieån cho Robot song song 48 ___ HVTH : TÖØ PHÖÔNG NAM Trang 3
7. LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ___ GVHD : TS NGUYEÃN TIEÁN DUÕNG 3.1. Xaùc ñònh nguoàn ñoäng löïc duøng ñeå ñieàu khieån Robot song song 49 a. Caáu taïo doäng cô ñieän moät chieàu 49 b. ÖÙng duïng cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu trong lónh vöïc ñieàu khieån 49 3.2. Xaùc ñònh phöông phaùp ñieàu khieån ñoäng cô duøng ñeå ñieàu khieån Robot song song 50 3.3. Xaùc ñònh phöông phaùp ñieàu khieån Robot song song 50 3.4. Haøm truyeàn chuyeån ñoäng cho moãi khôùp ñoäng 50 3.5. Ñieàu khieån chuyeån ñoäng cho moãi khôùp ñoäng 54 3.6. Ñieàu khieån chuyeån ñoäng cho 3 tay maùy cuûa Robot song song theo vò trí goùc quay 56 Phaàn 3: KEÁT LUAÄN 58 1. Keát quaû ñaït ñöôïc 58 2. Khaû naêng trieån khai öùng duïng vaøo thöïc tieãn 59 Phaàn phuï luïc 60 1. Chöông trình Matlab cuûa baøi toaùn ñoäng hoïc thuaän 60 2. Chöông trình Matlab cuûa baøi toaùn ñoäng hoïc ngöôïc 63 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 68 ___ HVTH : TÖØ PHÖÔNG NAM Trang 4
8. LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ___ GVHD : TS NGUYEÃN TIEÁN DUÕNG PHAÀN 1 ÑAËT VAÁN ÑEÀ ___ HVTH : TÖØ PHÖÔNG NAM Trang 5
9. LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ___ GVHD : TS NGUYEÃN TIEÁN DUÕNG Tröôùc khi ñaët ra vaán ñeà nghieân cöùu trong luaän vaên, chuùng ta cuøng xem sô löôïc veà tình hình nghieân cöùu, öùng duïng Robot song song treân theá giôùi vaø trong nöôùc ñeå thaáy ñöôïc nhöõng vaán ñeà coøn toàn taïi trong nghieân cöùu, öùng duïng Robot song song trong nöôùc vaø ñöa ra vaán ñeà caàn nghieân cöùu. 1. TÌNH HÌNH NGHIEÂN CÖÙU TRONG VAØ NGOAØI NÖÔÙC: a. Tình hình nghieân cöùu, öùng duïng Robot song song treân theá giôùi: Treân theá giôùi, Robot ñaõ ñöôïc nghieân cöùu, öùng duïng töø raát laâu vaø ñaõ ñaït ñöôïc nhöõng thaønh töïu raát lôùn, phuïc vuï cho söï phaùt trieån khoâng ngöøng cuûa neàn kính teá –xaõ hoäi. Ngaøy nay, chuùng ta thaáy Robot coù maët trong raát nhieàu lónh vöïc. Ñaëc bieät laø trong saûn xuaát coâng nghieäp, chuùng ñaõ thay theá daàn söùc lao ñoäng cuûa con ngöôøi, caûi thieän ñieàu kieän laøm vieäc cuûa con ngöôøi, taêng naêng suaát lao ñoäng (Robot haøn, Robot laép raùp trong daây chuyeàn laép raùp oâtoâ, Robot laøm trong moâi tröôøng ñoäc haïi nhö buïi, sôn, nhieät ñoä cao, ). Trong ñoù, Robot song song ñaõ ñöôïc nghieân cöùu, öùng duïng nhieàu trong caùc maùy coâng cuï, thieát bò moâ phoûng bay (söû duïng ñeå huaán luyeän phi coâng), thieát bò ñònh vò. Robot song song ñöôïc öùng duïng ñaàu tieân coù teân laø Hexapod, söû duïng trong caùc maùy coâng cuï 5 truïc CNC coù truïc aûo. Hexapod laø moät moâñun Robot song song coù keát caáu döïa treân nguyeân lyù cô caáu Stewart. Cô caáu naøy goàm coù 6 chaân vôùi ñoä daøi thay ñoåi ñöôïc, noái vôùi giaù vaø taám ñoäng (moving platform) ñeàu baèng caùc khôùp caàu. Ta coù theå ñieàu khieån söï ñònh vò vaø ñònh höôùng cuûa taám ñoäng theo yù muoán baèng caùch thay ñoåi ñoä daøi cuûa caùc chaân (Hình 1.4, hình 1.6, hình 1.7, hình1.8, hình1.9). Cô caáu Stewart naøy cuõng ñöôïc öùng duïng ñeå moâ phoûng hoaït ñoäng cuûa thieát bò bay (Hình 1.4). Sau ñaây laø moät soá maãu Robot song song ñaõ ñöôïc öùng duïng treân theá giôùi: Treân hình 1.1 laø Robot song song phaúng, coù 3 tay maùy noái vôùi taám ñoäng. Chuyeån ñoäng cuûa 3 tay maùy naøy laøm cho taám ñoäng chuyeån ñoäng tònh tieán theo 2 phöông vuoâng goùc nhau x, y vaø moät chuyeån ñoäng quay trong maët phaúng xy. Treân taám ñoäng coù gaén tay maùy, loaïi Robot naøy ñöôïc öùng duïng trong caùc daây chuyeàn laép raùp saûn phaåm, trong caùc thieát bò sôn töï ñoäng. Treân hình 1.2 laø Robot song song phaúng, coù 3 tay maùy, taám ñoäng coù 3 baäc töï do, 2 chuyeån ñoäng tònh tieán theo 2 phöông vuoâng goùc nhau x, y vaø moät chuyeån ñoäng quay trong maët phaúng xy. Moãi tay maùy coù moät ñaàu noái vôùi taám ñoäng hình tam giaùc, ñaàu coøn laïi noái vôùi ñeá, ñöôïc ñieàu khieån bôûi moät nguoàn ñoäng löïc rieâng. Coù 3 khaâu coù daïng cong noái vôùi taám ñoäng ñeå laøm taêng khoâng gian chuyeån ñoäng cuûa taám ñoäng. ___ HVTH : TÖØ PHÖÔNG NAM Trang 6
10. LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ___ GVHD : TS NGUYEÃN TIEÁN DUÕNG Loaïi naøy coù nhieàu öùng duïng trong thöïc teá saûn xuaát nhö trong thieát bò ñònh vò phaúng, trong laép raùp saûn phaåm, Treân hình 1.3 laø Robot song song khoâng gian, coù 3 tay maùy chuyeån ñoäng doïc theo 3 thanh thaúng ñöùng. Moãi tay maùy coù moät ñaàu noái vôùi taám ñoäng, ñaàu coøn laïi chuyeån ñoäng doïc theo thanh thaúng ñöùng, moãi thanh thaúng ñöùng naøy coù theå quay xung quanh truïc thaúng ñöùng cuûa noù. Loaïi naøy ñöôïc öùng duïng trong gia coâng cô khí, thieát bò ñònh vò. Treân hình 1.4 laø Robot song song khoâng gian Hexapod, öùng duïng laøm thieát bò moâ phoûng chuyeån ñoäng treân maët ñaát vaø treân khoâng. Vieäc thöïc haønh caùc baøi taäp laùi xe, laùi maùy bay thöôøng toán nhieàu chi phí cho nhieân lieäu, thieát bò xe, maùy bay ñeå thöïc taäp, neân vieäc ra ñôøi cuûa thieát bò moâ phoûng naøy nhaèm ñaùp öùng yeâu caàu cuûa thöïc tieãn. Caùc thoâng soá veà ñieàu kieän thöïc teá cuûa moâi tröôøng ñöôïc maùy tính xöû lyù vaø ñieàu khieån cho Robot Hexapod chuyeån ñoäng nhö trong ñieàu kieän chuyeån ñoäng thöïc teá. Treân hình 1.5 laø Robot song song khoâng gian, coù 6 tay maùy. Moãi tay maùy coù moät ñaàu noái vôùi taám ñoäng baèng khôùp caàu, ñaàu coøn laïi noái vôùi ñeá baèng khôùp quay, caùc khaâu treân moät tay maùy noái vôùi nhau baèng khôùp quay. Loaïi naøy ñöôïc öùng duïng trong caùc maùy coâng cuï ñeå gia coâng caùc beà maët cong vôùi ñoä chính xaùc cao, trong thieát bò ñònh vò trong khoâng gian. Treân hình 1.6 vaø hình 1.7 laø Robot song song Hexapod ñöôïc ñieàu khieån baèng heä thoáng maùy tính. Taám ñoäng ñöôïc ñaët ôû treân coù taùc duïng nhö moät baøn maùy mang chi tieát gia coâng. Loaïi naøy coù theå öùng duïng trong gia coâng caùc beà maët cong, trong thieát bò ñònh vò trong khoâng gian, Treân hình 1.8 laø Robot song song Hexapod ñang thöïc hieän vieäc gia coâng chi tieát vôùi vaät lieäu theùp coù beà maët cong. Treân taám ñoäng laø keát caáu nhö moät ñaàu cuûa maùy phay, mang dao quay vôùi toác ñoä cao ñeå gia coâng caét goït chi tieát maùy. Treân hình 1.9 laø Robot song song Hexapod öùng duïng trong maùy coâng cuï. Ôû ñaây, baøn maùy ôû beân döôùi vaø mang chi tieát gia coâng, baøn maùy coù theå thöïc hi eän 3 chuyeån ñoäng thaúng theo 3 phöông x, y, z. Robot ñöôïc ñaët beân treân, coù 6 tay maùy, moãi tay maùy coù moät ñaàu noái vôùi taám ñoäng baèng khôùp caàu, ñaàu coøn laïi noái vôùi ñeá (laép beân treân) cuõng baèng khôùp caàu, chieàu daøi cuûa moãi tay coù theå thay ñoåi trong quaù trình chuyeån ñoäng, taám ñoäng coù gaén keát caáu mang dao phay quay vôùi toác ñoä cao ñeå caét goït kim loaïi cuûa chi tieát gia coâng. Loaïi naøy coù theå gia coâng caùc chi tieát baèng kim loaïi vôùi kích thöôùc lôùn, coù beà maët cong vôùi ñoä chính xaùc cao. Treân hình 1.10 coù hình (a) laø sô ñoà Robot song song Hexapod coù 6 chaân, moãi chaân coù cô caáu ñieàu chænh ñöôïc laép treân ñeá. Do ñoù, ta coù theå ñieàu chænh khoâng gian ___ HVTH : TÖØ PHÖÔNG NAM Trang 7
11. LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ___ GVHD : TS NGUYEÃN TIEÁN DUÕNG chuyeån ñoäng cuûa taám ñoäng. Hình (b) laø moät Robot Hexapod ñöôïc cheá taïo theo sô ñoà nguyeân lyù treân hình (a). Hình 1.1. Robot song song phaúng, Hình 1.2. Robot song song phaúng. coù gaén tay maùy treân taém ñoäng. Hình 1.3. Robot song song khoâng gian öùng duïng trong maùy gia coâng cô khí. ___ HVTH : TÖØ PHÖÔNG NAM Trang 8
12. LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ___ GVHD : TS NGUYEÃN TIEÁN DUÕNG Hình 1.4. Robot song song öùng duïng Hình 1.5. Robot song song khoâng gian. trong thieát bò moâ phoûng chuyeån ñoäng. Hình 1.6. Robot song song Hexapod, Hình 1.7. Robot song songHexapod. coù taám ñoäng ôû treân. ___ HVTH : TÖØ PHÖÔNG NAM Trang 9
13. LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ___ GVHD : TS NGUYEÃN TIEÁN DUÕNG Hình 1.8. Robot song song Hexapod ñang Hình 1.9. Robot song song Hexapod, coù gia coâng chi tieát cô khí. taám ñoäng ôû döôùi, phía döôùi laø chi tieát cô khí ñang gia coâng. (a) (b) Hình 1.10. (a). Sô ñoà Robot song song Hexapod coù cô caáu chænh caùc chaân. (b). Robot song song Hexapod. ___ HVTH : TÖØ PHÖÔNG NAM Trang 10