Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu động lực các tay máy công nghiệp chịu tương

1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải nội dung Đơn vị ĐKCT Điều khiển chương trình ĐC Động cơ BPC Bộ phận cơ PH Phản hồi ĐCBS Động cơ bổ sung CCCH Cơ cấu chấp hành CCVS Cơ cấu vi sai CVM Công việc máy CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing PD Proportional Derivative RRR Revolute Revolute Revolute RRP Revolute Revolute Prismatic PT Phương trình ISO International Standards Organization Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox mm Góc quay quanh trục ox rad Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận cos(qi) cos(qi + qj) sin(qi) sin(qi + qj) D­H Denavit­Hartenberg p Véc tơ vị trí và hướng của khâu thao tác q Véc tơ tham số động học Biến khớp thứ i rad Vận tốc biến khớp thứ i rad/s Gia tốc biến khớp thứ i rad/s2 t Thời gian 3 Ma trận truyền giữ khâu i­1 và khâu i Ma trận nghịch đảo của ma trận T Ma trận chuyển vị của ma trận T Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz mm Véc tơ sai lệch vị trí và hướng khâu thao tác Véc tơ sai số trong các khâu, khớp trung gian Véc tơ sai số động học Véc tơ sai số hình học Vi phân của ma trận Ti DANH MỤC HÌNH 4 MỞ Đ Ầ U * Lý do chọn đề tài Để nâng cao năng suất, chất lượng, tính cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời thay thế sức lao động của con người, đặc biệt là làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt, những công việc nặng nhọc, độc hại, nguy hiểm…thì robot ngày càng được sử dụng rộng rãi. Robot là một thiết bị có cấu tạo phức tạp được tạo nên từ nhiều phần tử thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau nên các nghiên cứu về robot cũng rất đa dạng, các nghiên cứu liên quan đến cơ cấu chấp hành như nghiên cứu về động học, động lực học, các nghiên cứu về điều khiển robot. Trong hơn 40 năm qua, robot công nghiệp đã có những bước phát triển và tiến hóa mạnh mẽ, các hướng nghiên cứu robot chuyển từ robot công nghiệp sang phát triển các robot dịch vụ và đưa robot hòa nhập vào nhu cầu xã hội của loài người. Theo dự báo thì trong vòng 20 năm tới, mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một robot cá nhân như cần một máy tính hiện nay và robot với trí tuệ nhân tạo được xem là một trong những trụ cột của nền công nghiệp 4.0 với những nhà máy thông minh và doanh nghiệp thông minh, cũng như nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống.

Tuy nhiên, cho đến nay, mặc dù Chính phủ đã có nhiều cơ chế, chính sách khuyến khích, song tại Việt Nam, việc tự chủ nghiên cứu, ứng dụng, cải tiến và phát triển các tay máy công nghiệp phù hợp với phương thức sản xuất, đáp ứng các yêu cầu phát sinh trong quá trình sản xuất chưa nhiều, đặc biệt rất ít các nghiên cứu khoa học cơ bản về động lực, sự tương tác động lực với môi trường nhằm giải quyết các bài toán tối ưu trong thiết kế và điều khiển, giúp nâng cao độ chính xác điều khiển, độ tin cậy và độ bền các tay máy công nghiệp. Do đó nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu động lực các tay máy công nghiệp chịu tương tác lực từ môi trường” nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố động lực do tương tác với môi trường, ảnh hưởng của khe hở khớp động đến sai số làm việc, từ đó đề xuất các giải pháp cải thiện thiết kế, điều khiển giúp nâng cao độ tin cậy, độ bền và độ chính xác của tay máy công nghiệp đem lại hiệu quả cao nhất. * Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Xây dựng cơ sở khoa học để khảo sát chuyển động của các tay máy robot công nghiệp, nghiên cứu các tính chất động học, động lực học và điều khiển của cánh tay robot công nghiệp. Thiết lập các biểu thức xác định các sai số, khảo sát ảnh hưởng của các sai số chuyển động đến độ chính xác của tay máy, thiết lập các phương trình động lực học để điều khiển tay máy robot công nghiệp theo yêu cầu.

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ­ Đối tượng nghiên cứu: Robot công nghiệp: Robot bốc xếp, robot hàn, robot vận chuyển trong các dây chuyền sản xuất có cấu trúc chuỗi động học hở và nửa hở nửa kín. ­ Phạm vi nghiên cứu: + Nghiên cứu về động học, các vấn đề động lực học như phản lực khớp động, vấn đề đàn hồi tay máy, vấn đề về khe hở khớp động. + Khảo sát bài toán điều khiển chuyển động chương trình của tay máy robot công nghiệp khi không có tác động của môi trường và khi có tác động của 5 môi trường, xây dựng hai phương án: Lực tương tác vuông góc với di chuyển của điểm tiếp xúc và lực tương tác theo phương di chuyển (ngược với vận tốc điểm tiếp xúc (không phụ thuộc vào thành phần phản lực pháp tuyến theo giả thiết về ma sát của Coulomb). * Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiểm chứng qua mô phỏng.

Trên cơ sở đối tượng nghiên cứu, xây dựng mô hình tay máy công nghiệp, từ đó xây dựng mô hình tính toán của cơ hệ, sử dụng phương pháp ma trận truyền và phương trình Lagrange dạng ma trận dựa trên Nguyên lý Phù hợp để thành lập các phương trình điều khiển. Các tính toán được thực hiện nhờ chương trình máy tính lập trình trên phần mềm Matlab, Maple. Do điều kiện về kinh phí và thời gian, luận án giới hạn ở việc xây dựng mô hình tương ứng với tay máy nghiên cứu và thực hiện mô phỏng. * Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ­ Ý nghĩa khoa học: + Xây dựng được mô hình khảo sát cơ hệ chịu liên kết của các tay máy công nghiệp; + Thiết lập hệ phương trình chuyển động của các tay máy công nghiệp khi tồn tại khe hở khớp; + Thiết lập hệ phương trình tính toán sai lệch chuyển động chương trình và khảo sát ảnh hưởng của chúng đến độ chính xác hoạt động thực của tay máy khi chịu tác động từ môi trường.

­ Ý nghĩa thực tiễn: + Qua việc mô hình hóa động lực học tay máy, mô phỏng quá trình làm việc, đề xuất phương pháp “tích phân đầu của hệ” để tối giản các bài toán động lực học cơ hệ; + Kết quả mô phỏng, việc giải bài toán động lực học cơ hệ được ứng dụng trong việc nâng cao độ chính xác, độ bền tay máy ngoài thực tế. * Những đóng góp mới của luận án ­ Đề xuất phương án mô hình hóa tay máy với khớp quay có khe hở; ­ Đề xuất phương án mô hình hóa tay máy có khâu đàn hồi bằng phương pháp khối lượng thu gọn và độ cứng tương đương; ­ Thiết lập các biểu thức xác định sai số động học do khe hở khớp, do biến dạng đàn hồi; ­ Thiết lập phương trình động học của tay nắm đàn hồi khi tay nắm có khối lượng và khi không có khối lượng. Về vấn đề động học robot, 6 luận án đã sử dụng phương pháp ma trận truyền, sử dụng nguyên lý phù hợp…, trong đó xem “chương trình yêu cầu là tích phân đầu của hệ phương trình chuyển động tay máy” để xây dựng phương trình chuyển động cho tay máy robot được điều khiển; ­ Đề xuất mô hình lực tương tác giữa khâu thao tác và môi trường trong trường hợp phụ thuộc vào vận tốc. * Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận và kiến nghị Chương 1: Tổng quan về tay máy công nghiệp.

Trình bày các khái niệm chung về tay máy công nghiệp, phân loại tay máy, xác định lực tương tác giữa robot với môi trường làm việc, xác định các nguyên nhân gây ra sai số trong quá trình làm việc của robot, tìm hiểu các phương pháp để điều khiển robot. Chương 2: Cơ sở lý thuyết khảo sát động lực học của tay máy công nghiệp. Chương này đã trình bày cơ sở lý thuyết về phương pháp khảo sát động học của cơ hệ, phương pháp động lực học khảo sát hệ cơ học, các phương pháp giải bài toán động học tay máy robot chuỗi động học hở, thiết lập biểu thức xác định sai số động học, thành lập phương trình động lực học và mô hình hóa các lực tác động từ môi trường vào robot trong quá trình làm việc. Chương 3: Khảo sát động lực học tay máy công nghiệp và ảnh hưởng của các sai số chuyển động đến độ chính xác của tay máy, thiết lâp hệ phương trình động lực học của một số tay máy robot cụ thể như: robot hàn, bốc xếp, robot vận chuyển trong các dây chuyền sản xuất, thiết lập phương trình động lực học của các tay máy có khe hở khớp động, xác định nguyên nhân gây ra các sai số, mô hình lực tiếp xúc trong khe hở khớp, khảo sát ảnh hưởng của các sai số tới chuyển động của robot, khảo sát động lực học tay máy khi có sự tương tác với môi trường.

Điều khiển các tay máy công nghiệp, chương này tập trung xây dựng một số hệ thống điều khiển tay máy robot tiêu biểu và minh họa với mô hình điều khiển robot qua mô phỏng ảo. 7 TỔNG QUAN VỀ TAY MÁY CÔNG NGHIỆP Khái quát về tay máy công nghiệp 1. Khái niệm chung Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau [2]: Theo tiêu chuẩn GOST 1980: Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người. Thực tế robot chưa chắc đã có hình dáng một tay máy, có thể là chân máy, một con sâu, một con bọ cánh cứng, một con cá, hay các hình dáng kỳ cục bất kỳ khác, miễn là cấu trúc đó có thể sinh công, còn cụm điều khiển chương trình cũng có thể hiện đa dạng chứ không đồng nhất với một tủ điều khiển với các bo mạch đơn thuần.

Theo tiêu chuẩn ISO định nghĩa: Robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác. Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng. Do đó, robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn.