Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án nhằm xác định được các dung sai kích thước khâu và khe hở khớp (joint clearance) theo yêu cầu cho trước về độ chính xác của robot. Trong đó, việc tính toán mới hoàn toàn dung sai cho một robot hoặc tính toán dung sai cho robot dựa trên một robot mẫu có cùng dạng cấu trúc được tác giả thực hiện. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ THỊ THU THỦY NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO ROBOT CHUỖI THEO NHÓM CẤU TRÚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ THÁI NGUYÊN – 2021
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ THỊ THU THỦY NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO ROBOT CHUỖI THEO NHÓM CẤU TRÚC Ngành: K t uật C Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Người ướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phạm Thành Long THÁI NGUYÊN – 2021
i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án, tác giả luôn nhận được sự quan tâm, chỉ bảo, tạo điều kiện của các thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân, đồng nghiệp. Đặc biệt, tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc PGS.TS Phạm Thành Long đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này. Tác giả xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Cơ khí - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, các thầy trong bộ môn Cơ điện tử đã đóng góp ý kiến và tạo điều kiện giúp đỡ tác giả rất nhiều. Cuối cùng, xin cảm ơn tất cả những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong suốt khoá học. NGHIÊN CỨU SINH Lê Thị Thu Thủy
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án ―Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc‖ đều do tôi tự thực hiện hoặc đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phạm Thành Long. Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu khác. Không hề có sự sao chép, gian lận kết quả của bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan trên. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2021 Tác giả Lê Thị Thu Thủy
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ ii MỤC LỤC .................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG ..........................................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. vii MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ DUNG SAI CHO ROBOT ..............8 1.1 Sai số và các nguồn gây sai số .........................................................................8 1.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ...............................................16 1.2.1 Các công trình nghiên cứu trong nước .......................................................16 1.2.2.1 Những nghiên cứu về thiết kế dung sai ở phương diện định tính…………………………………………………………………………………...18 1.2.2.2 Những nghiên cứu về thiết kế dung sai ở phương diện định lượng............................................................................................................................19 1.2.2.3 Thiết kế dung sai theo kinh nghiệm ……………………………….... 21 1.2.2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước ......................................................17 1.3 Những vấn đề còn tồn tại...................................................................................21 1.4 Hướng nghiên cứu của luận án ..........................................................................23 1.4.1 Giả thuyết khoa học của luận án ................................................................25 1.4.2 Nội dung cơ bản của luận án ......................................................................26 1.4.3 Kết quả nghiên cứu của luận án .................................................................31 C ư ng 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ GIỮA DUNG SAI KHÂU, KHE HỞ KHỚP VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT .......................................................................................................................34 2.1 Xây dựng mô hình toán trong thiết kế dung sai cho một robot độc lập ............34 2.1.1 Cơ sở xây dựng mô hình toán ....................................................................34 2.1.1.1 Phương pháp mô tả độ chính xác khâu cuối - Hình cầu giới hạn sai số cho phép ………………………………………………………………. ……………34 2.1.1.2 Mô hình toán tổng quát ……………………………………………... 35 2.1.1.3 Giải bài toán động học theo phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (Generalized Reduced Gradient - GRG) …………………………………………… 42 2.1.2 Xây dựng mô hình toán cho robot 6DOF ..................................................47 2.1.3 Xây dựng mô hình toán cho robot chuỗi 5DOF.........................................55 2.1.4 Xây dựng mô hình toán cho robot SCARA 4DOF ....................................60 2.2 Xây dựng mô hình toán trong thiết kế dung sai cho các robot cùng nhóm cấu trúc động học ...........................................................................................................65 2.2.1 Một số khái niệm mới ................................................................................65 2.2.1.1 Hai robot đồng dạng ………………………………………………... 66 2.2.1.2 Tỉ số đồng dạng kích thước ……………………………………….…67 2.2.1.3 Tỉ số độ chính xác ………………………………………………..…..67 2.2.2 Bài toán số 1 (trường hợp 1 và 2): Hai robot đồng dạng kích thước .........69
iv 2.2.3 Bài toán số 2 (trường hợp 3): Hai robot cùng dạng cấu trúc nhưng không đồng dạng ............................................................................................................72 CHƯƠNG 3: KIỂM TRA, HIỆU CHỈNH DUNG SAI – HOÀN THIỆN QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ ....................................................................................................77 3.1 Phần mềm kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai...........................................................78 3.2 Các chức năng của phần mềm ...........................................................................83 3.2.1 Kiểm tra ......................................................................................................83 3.2.2 Hiệu chỉnh ..................................................................................................84 3.3 Các thao tác và kết quả hiển thị trên phần mềm................................................87 3.3.1 Nhập dữ liệu ...............................................................................................87 3.3.2 Kết quả hiển thị ..........................................................................................89 CHƯƠNG 4: PHÂN VÙNG ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG KHÔNG GIAN CÔNG TÁC .............................................................................................................................93 4.1 Tổng quan ..........................................................................................................93 4.1.1 Lý do thực hiện bài toán.............................................................................93 4.1.2 Các phương pháp nghiên cứu trên thế giới ................................................94 4.1.3 Nội dung tổng quát thực hiện việc phân vùng độ chính xác ......................96 4.2 Quy trình thực hiện ............................................................................................97 4.2.1 Xác định vùng không gian khảo sát ...........................................................97 4.2.2 Đo sai số tại một số điểm mẫu trong không gian khảo sát ........................98 4.2.3 Xử lý số liệu ............................................................................................100 4.2.4 Xây dựng hàm dạng .................................................................................101 4.2.5 Phân vùng độ chính xác ...........................................................................102 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO MỘT SỐ ROBOT ĐIỂN HÌNH. .......................................................................................104 5.1 Thiết kế dung sai cho một robot độc lập .........................................................105 5.1.1 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi hai bậc tự do ......................................105 5.1.1.1 Xác định xấp xỉ đầu của dung sai …………………………………..105 5.1.1.2 Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai ……………………………………....106 5.1.2 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi sáu bậc tự do ......................................108 5.1.2.1 Xác định giá trị dung sai làm xấp xỉ đầu …………………………..108 5.1.2.2 Kiểm tra và hiệu chỉnh dung sai …………………………………....110 5.2 Thiết kế dung sai dựa trên quan hệ nhóm cấu trúc ..........................................112 5.2.1 Trường hợp 1: Tính toán robot B đồng dạng với A và k=kr ....................112 5.2.2 Trường hợp 2: Tính toán dung sai robot B‘ với B‘ và A có k ≠ kr .........113 5.3 Hiệu chỉnh dung sai khi kiểm tra phối hợp .....................................................123 5.4 Thực nghiệm phân vùng độ chính xác trong không gian công tác .................127 5.4.1 Máy đo độ chính xác và sơ đồ thí nghiệm ...............................................127 5.4.2 Nội suy sai số khâu cuối trong không gian công tác ................................129 5.4.3 Khảo sát kiểm chứng ................................................................................133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................137 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................139 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................146
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải nội dung Đơn vị ai Lượng tịnh tiến dọc theo trục Ox mm αi Góc quay quanh trục Ox rad Computer Intergrated Manufacturing - Hệ thống sản CIM xuất tích hợp CMM Coordinate Measuring Machine - Máy đo tọa độ Computerized Numerical Control - điều khiển bằng CNC máy tính D-H Quy tắc Denavit-Hartenberg di Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz mm DOE Design of Experiment - thiết kế theo thực nghiệm DOF Degree of freedom – Bậc tự do δdi Sai số kích thước dài khâu i mm δqi Sai số kích thước góc khớp i rad k Tỉ số đồng dạng kích thước kr Tỉ số độ chính xác GA Genetic Algorithm - thuật toán di truyền Generalized Reduced Gradient - phương pháp Giảm GRG Gradient tổng quát L Hàm tối ưu n Số bậc tự do của robot P Véc tơ vị trí và hướng của khâu thao tác q Véc tơ tham số động học qi Biến khớp thứ i rad r Bán kính hình cầu sai số cho phép mm
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. 1: Bảng thông số D-H của robot 6DOF............................................... 50 Bảng 2. 2: Bảng thông số D-H của robot 5DOF............................................... 56 Bảng 2. 3: Bảng thông số D-H của robot SCARA 4DOF ................................. 61 Bảng 3. 1: Bảng thống kê dữ liệu chi tiết các điểm rơi khi khảo sát lắp lẫn .... 90 Bảng 5. 1: Bảng DH của robot hai khâu ......................................................... 105 Bảng 5. 2: Sự phân bổ dung sai biến khớp và độ phân giải encoder tương ứng ......................................................................................................................... 106 Bảng 5. 3: Kết quả tính dung sai các kích thước khâu và khớp của robot hai bậc tự do .......................................................................................................... 108 Bảng 5. 4: Thống kê bán kính sai số của robot (C) cho 10 điểm khảo sát ..... 120
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1: Robot chuỗi và robot song song ............................................................. 2 Hình 2: Một số ứng dụng điển hình của robot công nghiệp................................ 2 Hình 1. 1: Một số ứng dụng của robot công nghiệp ........................................... 9 Hình 1. 2: Một số robot công nghiệp điển hình................................................... 9 Hình 1. 3: Robot chuỗi (a) và robot song song (b) ........................................... 10 Hình 1. 4: Ví dụ về độ chính xác và độ chính xác lặp ....................................... 11 Hình 1. 5: Các yếu tố động học gây sai số ........................................................ 13 Hình 1. 6: Sai số do khe hở mặt răng ................................................................ 14 Hình 1. 7: Đường cong dung sai – chi phí ........................................................ 19 Hình 1. 8: Bản vẽ chế tạo một bộ phận của tay máy......................................... 22 Hình 1. 9: Quy trình tổng quát thiết kế dung sai robot ..................................... 27 Hình 1. 10: Sơ đồ giải bài toán xác định dung sai cho 1 robot. ....................... 29 Hình 1. 11: Sơ đồ giải bài toán xác định dung sai cho nhóm robot ................. 29 Hình 1. 12: Robot và không gian làm việc của robot ........................................ 31 Hình 2. 1: Mô tả độ chính xác định vị khâu cuối cho phép. .............................. 34 Hình 2. 2: Di chuyển cho phép của khâu cuối trên mặt cầu sai số cho phép ... 37 Hình 2. 3: Sơ đồ thuật toán tổng quát xác định các dung sai sơ bộ ................. 41 Hình 2. 4: Robot chuỗi sáu bậc tự do dùng trong công nghiệp ........................ 48 Hình 2. 5: Mô hình động học của robot sáu bậc tự do điển hình 6DOF .......... 49 Hình 2. 6: Khảo sát tại một số điểm trên mặt cầu sai số cho phép ................... 52 Hình 2. 7: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot 6DOF............. 54 Hình 2. 8: Robot SCORBOT 5DOF ................................................................... 55 Hình 2. 9: Mô hình động học robot chuỗi 5DOF .............................................. 56 Hình 2. 10: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot 5DOF........... 60 Hình 2. 11: Robot SCARA 4DOF ...................................................................... 61 Hình 2. 12: Mô hình động học robot SCARA 4DOF ......................................... 61 Hình 2. 13: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot SCARA ......... 64 Hình 2. 14: Sơ đồ động học robot chuỗi 6 bậc tự do ........................................ 66 Hình 2. 15: Minh họa hai robot đồng dạng....................................................... 67 Hình 2. 16: Mô tả sai số cho phép của robot A và robot B............................. 68 Hình 2. 17: Mối quan hệ và tương quan giữa tỉ số độ chính xác và tỉ số kích thước .................................................................................................................. 69 Hình 2. 18: Sử dụng robot trung gian trong trường hợp k ≠ kr ....................... 70 Hình 2. 19: Hai robot cùng dạng kết cấu .......................................................... 73 Hình 2. 20: Sử dụng robot trung gian C trong trường hợp hai robot cùng dạng kết cấu nhưng không đồng dạng ........................................................................ 73
viii Hình 3. 1: Minh họa 3D với tất cả các điểm đều nằm trong giới hạn cầu cho phép.................................................................................................................... 84 Hình 3. 2: Minh họa 3D với một lượng điểm nằm ngoài giới hạn cầu cho phép- Cần hiệu chỉnh. .................................................................................................. 85 Hình 3. 3: Sơ đồ kiểm tra và hiệu chỉnh dung sai khi kiểm tra phối hợp.......... 85 Hình 3. 4: Số lượng điểm và tỉ lệ phần trăm không đạt yêu cầu về độ chính xác khi kiểm tra lắp lẫn ............................................................................................ 89 Hình 3. 5: Mô phỏng kết quả kiểm tra lắp lẫn tại một vị trí với bán kính cầu r = 0,5mm................................................................................................................. 91 Hình 4. 1: Minh họa hệ thống theo dõi bằng laser được sử dụng để đo sai số vị trí của robot . ..................................................................................................... 96 Hình 4. 2: Không gian khảo sát dạng lăng trụ tam giác với sáu nút. ............... 98 Hình 4. 3: Ảnh hưởng của các điểm lấy mẫu đến điểm khảo sát qua hàm dạng ........................................................................................................................... 99 Hình 5. 1: Sơ đồ động robot chuỗi hai bậc tự do ............................................ 105 Hình 5. 2: Giao diện phần mềm khi kiểm tra thuận cho robot 2 bậc tự do .... 107 Hình 5. 3: Chạy chương trình lắp lẫn robot hai bậc tự do ............................. 107 Hình 5. 4: Mô phỏng 14. 641 trường hợp lắp lẫn đều nằm trong hình tròn sai số cho phép ...................................................................................................... 108 Hình 5. 5: Robot chuỗi sáu bậc tự do .............................................................. 109 Hình 5. 6: Giải bài toán tìm dung sai cho robot 6DOF .................................. 110 Hình 5. 7: Kết quả kiểm tra dung sai khâu cuối trên phần mềm tính toán ..... 111 Hình 5. 8: Kết quả kiểm tra điểm rơi với hình cầu khống chế sai số bán kính 1mm.................................................................................................................. 111 Hình 5. 9: Kết quả kiểm tra độ chính xác khâu cuối của B ............................ 113 Hình 5. 10: Kết quả mô phỏng kiểm tra robot B ............................................. 113 Hình 5. 11: Kiểm tra độ chính xác khi lắp lẫn ................................................ 115 Hình 5. 12: Các điểm cuối biểu diễn trên mặt cầu sai số của (B’) ................. 115 Hình 5. 13: Kết quả kiểm tra độ chính xác khi lắp lẫn hoàn toàn .................. 117 Hình 5. 14: Điểm chạm của khâu cuối biểu diễn trên mặt cầu sai số............. 117 Hình 5. 15: Kết quả khảo sát bán kính sai số tại một điểm của robot (C)...... 119 Hình 5. 16: Kiểm tra dung sai đã thiết kế trên robot D tại vị trí 1. ................ 122 Hình 5. 17: Kiểm tra dung sai đã thiết kế trên robot D tại vị trí 2 ................. 122 Hình 5. 18: Đáp ứng vị trí của D khi lấy A làm mẫu ...................................... 123 Hình 5. 19: Kết quả tính khi chưa sử dụng Autofix ......................................... 124
ix Hình 5. 20: Kết quả tính khi chưa sử dụng autofix bị vượt ngưỡng mong muốn ......................................................................................................................... 125 Hình 5. 21: Hiệu chỉnh, thu hẹp dung sai trên phần mềm .............................. 125 Hình 5. 22: Kết quả đáp ứng độ chính xác sau khi hiệu chỉnh dung sai bằng chức năng autofix của phần mềm. ................................................................... 126 Hình 5. 23: Thí nghiệm lấy mẫu xác định sự phân bố sai số của khâu cuối trong không gian công tác ......................................................................................... 128 Hình 5. 24: Sơ đồ thí nghiệm và giao diện điều khiển robot .......................... 129 Hình 5. 25: Khối hộp khảo sát dự đoán sai số khâu cuối ............................... 130 Hình 5. 26: Kiểm tra tính tin cậy của hàm dạng được xây dựng trên MiniTab ......................................................................................................................... 132 Hình 5. 27: Mô phỏng sự phân bố độ chính xác của khâu cuối trong vùng khảo sát ..................................................................................................................... 133 Hình 5. 28: Sai lệch vị trí của khâu cuối từ kết quả đo trực tiếp và từ nội suy hàm dạng theo các hướng................................................................................ 135
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các nền sản xuất công nghiệp, các máy tự động có sự bùng nổ về số lượng và chất lượng. Có thể kể đến như các máy công cụ, các trung tâm gia công CNC, hệ thống Open CIM…trong đó, robot công nghiệp là một thành phần không thể thiếu với vai trò là một phần tử trong hệ thống hoặc đứng độc lập trong quy trình sản xuất. Trải qua một thời gian ngắn hình thành và phát triển, do những ưu điểm vượt trội và tính hiệu quả, hiệu suất mà chúng mang lại, hiện nay robot là thành phần quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực: trong đời sống xã hội, nghiên cứu khoa học, y học, hàng không vũ trụ, thám hiểm…trong đó, chiếm đa số là các robot phục vụ trong công nghiệp - gọi là robot công nghiệp (Industrial Robot). Robot công nghiệp là robot được dùng trong sản xuất công nghiệp. Chúng được lập trình sẵn để có thể tự động di chuyển, làm việc bằng hai hoặc nhiều trục liên kết với nhau. Robot công nghiệp có thể là robot chuỗi, robot song song, robot cố định hay robot di động…Chiếm đại đa số trong đó là các robot chuỗi năm hoặc sáu bậc tự do, kế đến là robot song song ba, bốn hoặc sáu chân (hình 1). Với những ứng dụng rất đa dạng và phong phú, chúng không chỉ giúp thay thế người công nhân trong các công đoạn lặp lại nhàm chán, trong các môi trường độc hại, nguy hiểm mà chúng còn có khả năng hoạt động trong những nhiệm vụ đòi hỏi tính linh hoạt và chính xác cao mà con người khó thực hiện được. Với những ưu điểm đó, robot công nghiệp ngày càng có vai trò quan trọng và không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất. Robot có thể đảm nhận những công việc của người công nhân như xếp dỡ, vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu, hay như các chuyên gia trong lắp ráp các linh kiện điện tử, hàn điểm, hàn theo cung, phun
2 sơn, hoặc cũng có thể đóng vai trò là các máy công cụ để thực hiện các nguyên công gia công cắt gọt như khoan lỗ, phay…. (hình 2). Hìn 1: Robot chuỗi và robot song song Hìn 2: Một số ứng dụng điển hình của robot công nghiệp Có thể thấy, sự phát triển lớn mạnh của robot công nghiệp đã mang lại năng suất lao động, hiệu quả kinh tế rõ rệt. Việc ứng dụng robot trong hệ
3 thống sản xuất công nghiệp là xu thế tất yếu, không ngừng tăng vọt, đặc biệt là trong thời đại công nghiệp 4.0 như hiện nay. Và như vậy, các hoạt động nghiên cứu về robot, đặc biệt là robot công nghiệp nhằm cải thiện tính năng, nâng cao chất lượng phục vụ của chúng đóng vai trò quan trọng, có ý nghĩa lớn về khoa học và thực tiễn. Là một sản phẩm mang tính đa ngành nên các nội dung nghiên cứu về robot cũng rất đa dạng. Bên cạnh các nghiên cứu về truyền động, vật liệu chế tạo khâu, điều khiển ... thì các nghiên cứu liên quan đến sai số và đảm bảo độ chính xác khâu cuối của robot luôn được các nhà khoa học quan tâm. Bởi, độ chính xác khâu cuối chính là một thông số kỹ thuật đặc trưng, nó cho biết robot có khả năng thực hiện những tác vụ có độ chính xác cao trong các dây chuyền sản xuất hiện đại hay không. Nhìn chung, các nhà thiết kế luôn mong muốn và tìm hướng nhằm tạo ra những tay máy có chất lượng cao, phù hợp với nhu cầu công nghiệp tiên tiến như hiện nay. Có nhiều nguyên nhân gây ra độ không chính xác của robot, như các nguyên nhân do yếu tố động học (khâu, khớp), động lực học, biến dạng đàn hồi, biến dạng nhiệt, mòn, rơ rão, điều khiển...Trong đó, nguyên nhân chủ yếu gây ra các sai lệch ban đầu của khâu cuối của robot (robot mới) là các yếu tố sai lệch trong động học, hình học [27,36,42,67]. Hay nói cách khác, sai số về chiều dài khâu, khe hở khớp là nguyên nhân chính, chiếm đến hơn 70% các nguyên nhân sai số dẫn đến sự sai khác vị trí của khâu cuối trong không gian làm việc của nó. Sau một thời gian hoạt động, robot bị mòn, rơ...và sai số có xu hướng tăng tức là độ chính xác sẽ giảm dần theo thời gian. Tuy nhiên, trong trường hợp này, các sai số này được giảm đáng kể do chức năng hiệu chỉnh tự động đi kèm máy. Do vậy, nghiên cứu về sai số, xác định dung sai các tham số động học robot (dung sai kích thước khâu, khớp) nhằm đảm bảo độ chính xác ban đầu của robot công nghiệp là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Với lí do
4 đó, tác giả lựa chọn đề tài ―Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc‖ cho khóa học nghiên cứu sinh. 2. Mục đ c nghiên cứu Xác định được các dung sai kích thước khâu và khe hở khớp (joint clearance) theo yêu cầu cho trước về độ chính xác của robot. Trong đó, việc tính toán mới hoàn toàn dung sai cho một robot hoặc tính toán dung sai cho robot dựa trên một robot mẫu có cùng dạng cấu trúc được tác giả thực hiện. 3. P ư ng p áp và p ạm vi nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu: nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm kết hợp với mô phỏng số để kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình toán mà luận án đã đưa ra. - Đối tượng nghiên cứu: Các robot chuỗi không giới hạn bậc tự do; Các robot cùng dạng cấu trúc. - Phạm vi nghiên cứu: Tính toán, thiết kế dung sai các kích thước khâu, khe hở khớp ảnh hưởng đến độ chính xác ban đầu của robot. 4. Ý ng ĩa oa học và thực tiễn 4.1 Ý nghĩa khoa học Hướng nghiên cứu về thiết kế dung sai các tham số kích thước khâu, khớp thành phần của robot công nghiệp là vấn đề đang được các chuyên gia, nhà thiết kế quan tâm. Dung sai các kích thước khâu, khe hở khớp là thông số quan trọng được ghi trên các bản vẽ chế tạo. Nghiên cứu này góp phần mở ra một hướng hoàn toàn mới trong bài toán xác định các sai lệch cho phép của các tham số động học dựa trên độ chính xác yêu cầu của khâu cuối của robot. Cụ thể: - Xây dựng được mô hình toán thể hiện mối liên hệ giữa độ chính xác khâu cuối của robot chuỗi với dung sai các tham số khâu, khớp thành phần.
5 - Bài toán thiết kế dung sai được thực hiện với việc xác định dung sai khâu và khe hở khớp riêng rẽ giúp đơn giản quá trình tính toán. - Phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (GRG) được phát triển để áp dụng trong bài toán xác định dung sai. - Kỹ thuật tính toán dung sai dựa trên quan hệ cùng dạng cấu trúc của tay máy giúp rút ngắn các giai đoạn tính toán thiết kế dung sai. - Mô hình nội suy, dự đoán sai số bằng hàm dạng được xây dựng giúp giảm khối lượng đo, xác định sai số của khâu cuối trong toàn không gian làm việc. - Phần mềm chuyện biệt được xây dựng nhằm kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai giúp kết quả tính toán dung sai luôn đảm bảo tính đúng đắn, ngay cả trong sản xuất loạt lớn hàng khối khi các khâu khớp thành phần được lắp lẫn. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu sẽ là một nguồn tham khảo cho các kỹ sư, nhà thiết kế robot trong việc tính toán dung sai, bảo đảm độ chính xác ban đầu của khâu cuối. Việc xác định mối quan hệ giữa độ chính xác khâu cuối với dung sai các khâu, khe hở các khớp thành phần sẽ giúp các nhà thiết kế hiểu rõ hơn bản chất, mức độ ảnh hưởng của sai số của từng tham số này đến độ chính xác ban đầu của robot. 5. Đóng góp mới của luận án Việc tiến hành xây dựng mô hình toán tính toán, thiết kế dung sai khâu và khe hở khớp của robot công nghiệp dựa trên độ chính xác ban đầu của khâu cuối là hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam và nội dung nghiên cứu hoàn toàn không có sự trùng lặp với các nghiên cứu khác trên thế giới. Với kỹ thuật tính toán dung sai dựa trên nhóm cấu trúc và một chương trình chuyên biệt cho phép kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai trong trường hợp lắp
6 lẫn hoàn toàn, quy trình tính toán theo phương pháp thiết kế mà tác giả đề xuất sẽ được rút ngắn so với các quy trình thiết kế dung sai thông thường. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và phụ lục, luận án được cấu trúc với bốn chương như sau: Chương 1: Tổng quan về thiết kế dung sai cho robot. Trong chương này luận án trình bày tổng quát về sai số và các nguồn gây sai số tại khâu cuối của robot. Các nguyên cứu trong và ngoài nước về ảnh hưởng của sai số các tham số động học đến độ chính xác, và việc thiết kế dung sai các tham số này được chỉ ra. Chương 2: Xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa dung sai khâu, khe hở khớp và độ chính xác của robot. Lý thuyết cơ bản về việc áp dụng thuật toán tối ưu bằng phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (GRG) để giải bài toán động học ngược robot được trình bày. Đây là cơ sở để phát triển phương pháp số cho bài toán xác định dung sai. Đặc biệt, các mô hình toán nhằm xác định dung sai các khâu, khớp thành phần dựa trên độ chính xác của khâu cuối của robot được xây dựng. Trong đó phân ra làm hai trường hợp cụ thể: tính toán mới từ đầu dung sai sơ bộ cho một robot độc lập và tính toán dung sai sơ bộ cho một hay nhiều robot dựa trên một robot mẫu đã có sẵn dung sai và có cùng dạng kết cấu với robot cần thiết kế. Chương 3: Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai – Hoàn thiện quá trình thiết kế. Toàn bộ nguyên tắc và quy trình thực hiện bước kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai hoàn thiện quá trình thiết kế được trình bày thông qua một chương trình chuyên biệt đã được tác giả xây dựng dựa trên cơ sở bài toán động học thuận và thống kê lắp lẫn. Chương 4: Phân vùng độ chính xác. Trong toàn không gian làm việc của robot, sai số tại tâm của khâu cuối là thay đổi và khác nhau tại từng vị trí.
7 Để đảm bảo cho việc xác định dung sai các tham số động học của robot được đúng đắn và toàn diện, quá trình tính toán cũng như hiệu chỉnh dung sai được thực hiện tại những vị trí mà tại đó sai số khâu cuối là lớn nhất. Quá trình đo sai số bằng thực nghiệm và mô hình toán nội suy sai số bằng hàm dạng được áp dụng nhằm tìm ra vị trí khâu cuối có sai số lớn nhất trong không gian làm việc sẽ được trình bày trong chương này. Chương 5: Ứng dụng tính toán xác định dung sai cho một số robot điển hình. Một số ứng dụng trên các robot cụ thể được tác giả tiến hành tính toán, mô phỏng số, thực nghiệm nhằm chứng minh cho tính đúng đắn và hiệu quả của thuật toán và phương pháp tính đã đề xuất.
8 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ DUNG SAI CHO ROBOT 1.1 Sai số và các nguồn gây sai số Bắt đầu ra đời từ những năm sáu mươi của thế kỷ trước, các robot đã, đang và sẽ phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống và xã hội. Robot phục vụ trong các hoạt động sản xuất công nghiệp như: xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp linh kiện điện tử, phun sơn, hàn điểm, hàn theo cung, gia công vật liệu…được gọi là robot công nghiệp (hình 1.1). Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thống nhất hoá, thương mại hoá rộng rãi. Với sự kết nối giữa các khâu (link) và khớp (joint) theo một cách thức nào đó để tạo thành các robot khác nhau nhằm mô phỏng và thay thế chức năng hoạt động của cánh tay con người, phần cơ khí của robot công nghiệp còn được gọi là tay máy (manipulator). Và tay máy chính là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của robot. Tay máy gồm các khâu được liên kết bằng các khớp tạo các chuyển động khéo léo và linh hoạt nhằm đảm bảo khâu cuối (End-effector, hay còn được gọi là khâu chấp hành cuối, tay kẹp, khâu chấp hành, khâu tác động cuối hay khâu công tác) có khả năng định vị và định hướng chính xác đến đối tượng làm việc. Để có thể thực hiện được chức năng này một cách tuỳ ý trong không gian ba chiều, robot cần có sáu bậc tự do (DOF-Degree Of Freedom), trong đó ba bậc tự do để định vị và ba bậc tự do để định hướng. Do đó, đa số robot công nghiệp có sáu bậc tự do, như robot phục vụ trong hàn, sơn…Còn đối với một số công việc đơn giản hơn như nâng hạ, xếp dỡ,… chỉ yêu cầu số bậc tự do ít hơn sáu thì có thể sử dụng robot năm bậc tự do hoặc robot SCARA 4 bậc tự do. Đây là những robot có cấu trúc vòng hở (Open loop) điển hình được dùng rộng rãi trong công nghiệp (hình 1.2).
9 a. Hàn b. Xếp dỡ vật liệu c. Sơn d. Gia công - Phay Hìn 1. 1: Một số ứng dụng của robot công nghiệp a. Robot 6 DOF b. Robot 5DOF c. Robot SCARA 4DOF Hình 1. 2: Một số robot công nghiệp điển hình