ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THÀNH ĐỨC TÍNH TOÁN BÙ SAI SỐ ĐIỂM CUỐI TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy Mã số: 60.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên - 2013 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Thành Long Phản biện 1: PGS.TS. Vũ Quý Đạc Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Dự Luận văn được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại: Hội trường 202 - A8 , ĐHKT Công Nghiệp, ĐH Thái Nguyên. Vào hồi 15 giờ 00 ngày 09 tháng 3 năm 2013. Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên và thư viện Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 1. Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy, Phạm Thành Đức (2011), “ Tính toán bù sai số vị trí và định hướng của robot công nghiệp dư ới ảnh hưởng của tải trọng”, Tạp chí khoa học công nghệ các trường đ ại học kỹ thuật, (81), Nxb Bách Khoa Hà Nội, tr. 80-85. 2. Phạm Thành Long, Nguyễn Văn Tùng, Phạm Thành Đức (2012 ), “Điều khiển động học có xét đến biến dạng đàn hồi theo cơ chế b ù kép, Tạp chí cơ khí Việt Nam, (8), Nhà in Khoa học và công nghệ Hà Nội, tr. 31-34. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nguồn nhân lực rẻ tiền có trình độ cao ngày càng cạn kiệt trong khi các linh kiện điện tử, cơ điện tử, các mô đun cơ khí tiêu chuẩn ngày càng phổ biến hơn chính là thời điểm để ứng dụng robot trong công nghiệp một cách đại trà. Mặc dù đã xiết chặt chất lượng chế tạo, thiết kế, cải thiện các chiến lược điều khiển để nâng cao độ chính xác động học, động lực học của robot nhưng biến dạng của cấu trúc ở trạng thái tĩnh và động dưới ảnh hưởng tải trọng ít được xem xét, đặc biệt là ở góc độ ứng dụng vào sản xuất, lý do của vấn đề này qua tổng kết nhiều công trình là thiếu một cách tính toán hiệu quả mà đơn giản vì tuy sử dụng thiết bị hiện đại song người sử dụng trực tiếp thường chỉ được đào tạo các kỹ năng vận hành tối thiểu. Để hoàn thiện bức tranh chung về độ chính xác của robot công nghiệp, bên cạnh những công trình đã có không thể thiếu một nghiên cứu về tính toán bù sai số điểm cuối dưới ảnh hưởng của tải trọng. 2. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài tập trung xây dựng mô hình toán xác định mối quan hệ giữa biến dạng của các khâu tạo thành cánh tay và sai lệch của điểm tác động cuối, sau khi tính toán định lượng các sai lệch này được sử dụng làm thông tin cho mạch bù chuyển vị nhằm hiệu chỉnh lại vị trí chính xác của nó. Việc bù chuyển vị được tiến hành theo hai bước bù thô và bù tinh, các thao tác kỹ thuật được thực hiện với các phần mềm tính toán chuyên dụng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các robot công nghiệp yêu cầu độ chính xác điểm cuối cao, thường có nguy cơ khó đảm bảo độ chính xác đặc trưng bởi các điểm sau: • Các robot có tầm với lớn hoặc thao tác với tốc độ lớn; • Các robot có cấu trúc kiểu chuỗi động học hở kém cứng vững; • Các robot mang tải lớn hoặc có trọng lượng bản thân lớn; 2 Do hạn chế về điều kiện thực nghiệm xác định các ma trận khối lượng cấu trúc và ma trận hệ số cản, đề tài cũng giới hạn trong phạm vi chỉ xem xét các cấu trúc ở trạng thái dừng hoặc chỉ khởi tạo số liệu bù tại các điểm xác định của quỹ đạo sau đó nội suy ghép nối dữ liệu động học bằng các đa thức bậc thấp. Đề tài cũng giới hạn chỉ can thiệp vào các thông số động học trong nỗ lực bù sai lệch của robot trong khi nếu xác định được ma trận khối lượng cấu trúc và ma trận hệ số cản sẽ tạo ra số liệu bù dưới dạng động lực học. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu này cũng như các nghiên cứu khác có cùng mục tiêu nâng cao độ chính xác sẽ cung cấp thêm cho những nhà nghiên cứu, chế tạo và sử dụng robot một công cụ hiệu quả để hiểu rõ hơn và làm chủ thiết bị khi vận hành. Nó cho phép thiết kế các khâu có tỉ lệ độ mảnh/ độ dài hợp lý nhất với vận tốc tối đa cho phép còn đảm bảo độ chính xác, là điều kiện không thể thiếu khi nâng cao tốc độ thao tác nhằm tăng năng suất nhưng không tạo ra sai lệch vị trí hoặc hướng trên khâu cuối vượt quá giới hạn cho phép. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn: Do chi phí ban đầu cho robot tương đối cao nên năng suất lao động cần được đẩy lên để giảm thời gian khấu hao thiết bị, thực tiễn cho thấy tất cả nhà sản xuất muốn có năng suất tối đa, đồng nghĩa với vận hành thiết bị ở tốc độ lớn nhất có thể. Với cấu trúc có sẵn hoặc thiết kế mới điều kiện biên để xác định vận tốc chính là đảm bảo độ chính xác dưới ảnh hưởng của quán tính do khối lượng bản thân và tải trọng gây ra. Tập trung vào giải quyết vấn đề này nên luận văn có ý nghĩa thực tiễn trên nhiều khía cạnh như khi thiết kế sao cho khâu có tỉ lệ độ dài/ độ mảnh hợp lý nhất, sử dụng sao cho vận tốc lớn nhất có thể khi dung sai vị trí điểm cuối chấp nhận được. 3 5. Phương pháp nghiên cứu Xuất phát từ mô hình toán của cơ hệ trong trạng thái dừng luôn tìm được biến dạng của cấu trúc, trên cơ sở đó xác định lượng bù động học để tác động lên các động cơ nhằm điều chỉnh lại vị trí chính xác theo yêu cầu. Các kiểm nghiệm khách quan trên phần mềm phần tử hữu hạn với thông số thực của cấu trúc cho phép khẳng định kết quả tính toán là đúng đắn. Về công cụ nghiên cứu đề tài sử dụng các phần mềm chuyên dụng quen thuộc như Matlab cho tính toán động học thuận, Cosmos design star cho tính toán phần tử hữu hạn, AutoCAD để xây dựng mô hình liên tục đầu vào cho tính toán phần tử hữu hạn, phương pháp GRG2 cho việc giải bài toán động học ngược được tích hợp trong gói solver của Excel. 4 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Sai số và ảnh hưởng của nó đến quá trình làm việc 1.1.1 Các nguyên nhân gây sai số điểm cuối thường gặp trên robot Các mô hình động học và động lực học robot thường trên cơ sở lý tưởng hóa đối tượng nghiên cứu (khâu tuyệt đối cứng, không có khe hở trong truyền động cơ khí, chất lượng chế tạo, lắp ghép các trục quay và tịnh tiến là hoàn hảo ). Việc không mô hình hóa bằng lý thuyết được tất cả các ảnh hưởng giống như thực tế là khó tránh khỏi, do vậy phản ứng của cấu trúc với tín hiệu điều khiển trên thực tế luôn có sai khác với những gì mà lý thuyết mô tả. Có thể nêu ra các nhóm nguyên nhân chính của việc khâu tác động cuối không đạt được vị trí và định hướng mong muốn như sau: - Do chất lượng chế tạo, lắp ráp và điều chỉnh cơ cấu không đạt yêu cầu; - Do biến dạng đàn hồi của cấu trúc dưới tác dụng của ngoại lực; - Do mòn tự nhiên; - Sai số quy tròn số lẻ trong quá trình tính toán lời giải bài toán động học ngược do chênh lệch hệ số giữa biểu thức mô tả vị trí và định hướng trong hệ phương trình động học thuận; - Sai số tại các điểm trung gian của quỹ đạo do chọn mật độ điểm chốt hoặc quy luật đường nội suy không thích hợp; Các nguyên nhân kể trên gây ra hai loại sai số phổ biến trên robot công nghiệp là sai số độ chính xác và sai số độ chính xác lặp lại, trong đó tiêu chí độ chính xác gồm hai yếu tố là chính xác định vị và chính xác định hướng khâu cuối. 1.1.2 Phát hiện và đánh giá sai số trên robot công nghiệp Để xác định robot có đạt các tiêu chí về độ chính xác hay không có ba phương pháp phổ biến thường được sử dụng là sử dụng cảm biến kết hợp với khối mẫu [4], sử dụng camera trong kỹ thuật xử lý ảnh [3] hoặc sử dụng thiết bị đo ba chiều kết hợp với cảm biến lực. Khi sai số đo được vượt quá trị số cho phép mà không thể hiệu chỉnh được cấu trúc là khi cần sử 5 dụng các biện pháp chủ động về điều khiển. Điểm mấu chốt của việc bù là phải tính toán định lượng được các thành phần sai số theo từng phương tại các điểm khác nhau trong vùng làm việc, trong thực hành bù sai số thuận tiện nhất vẫn là một mô hình tính toán sai số thay vì phải đo bằng thiết bị đo. Trên thực tế các công trình về bù cũng thường tính toán sai số theo mô hình toán học [2,12], đo kiểm chỉ nhằm xác nhận có tồn tại sai số trên thiết bị. 1.2 Những phương pháp loại trừ ảnh hưởng của sai số 1.2.1 Những phương pháp thụ động Tùy theo ảnh hưởng đã được khoanh vùng sau khi khảo sát hệ thống, có thể sử dụng các biện pháp tương ứng tùy theo nguyên nhân gây sai số được chỉ ra: - Nếu cơ cấu không đủ độ chính xác do chế tạo, lắp ráp, hoặc điều chỉnh gây ra thì cần can thiệp trực tiếp vào các khâu này. Riêng lắp ráp và điều chỉnh nếu gây ra sai số có thể hiệu chỉnh lại dễ dàng và ít tác động lên giá thành sản phẩm, song nếu chất lượng chế tạo các tiết máy chưa đạt cần xem xét hai trường hợp sau: + Do giải bài toán quy hoạch độ chính xác cho từng mô đun của cấu trúc chưa hợp lý. Sở dĩ robot có dung sai chế tạo cho từng cụm chi tiết là do giải bài toán quy hoạch độ chính xác đến từng khớp, trong bài toán này theo đặc trưng làm việc của robot người ta xác định dung sai khi bám quỹ đạo của khâu tác động cuối về vị trí và định hướng [8], sau đó dựa vào ảnh hưởng khác nhau của từng khớp trong cấu trúc thực hiện một bài toán quy hoạch để tính toán ngược lại độ chính xác của các khớp nhằm đáp ứng độ chính xác của khâu cuối. Trong bài toán này các khâu được giả thiết là tuyệt đối cứng, nếu bài toán này cho kết quả không chính xác tất yếu ảnh hưởng đến giá thành chế tạo, nhưng trước hết ảnh hưởng đến độ chính xác làm việc của robot. + Nếu độ chính xác của robot không đạt do một khâu nào đó trên cánh tay có độ chính xác chưa đạt theo tính toán của bài toán quy hoạch độ chính xác nói trên cũng sẽ làm ảnh hưởng đến đáp ứng của khâu cuối, thông thường cấp chính xác kinh tế là thuật ngữ chỉ cấp chính xác đạt được 6 một cách tự nhiên của nguyên công mà không cần áp dụng các biện pháp gia công đặc biệt nào khác, khi cấp chính xác của tiết máy cần đạt được qua các nguyên công đặc biệt ảnh hưởng lớn nhất chính là giá thành sản phẩm. Nhưng xa hơn, độ chính xác ban đầu của một cấu trúc robot đạt được do chế tạo chính xác chỉ duy trì một thời gian cho tới khi dung sai theo quy hoạch bị phá vỡ do mòn tự nhiên, nếu không áp dụng các giải pháp về bù tuổi thọ của thiết bị khá ngắn. 1.2.2 Những phương pháp chủ động 1.2.2.1 Các phương pháp cơ học Theo phương pháp này các biện pháp cơ học sẽ được áp dụng mà không can thiệp đến hệ thống điều khiển vốn có của tay máy. Các biện pháp này có nhiệm vụ nâng cao độ chính xác truyền dẫn động học thông qua việc tạo các sức căng ban đầu của một bộ truyền được thiết kế đặc biệt nhằm loại bỏ khe hở tại mặt làm việc trong tất cả các tình huống như he hở do chế tạo ban đầu, khe hở do mòn tự nhiên hoặc khe hở do đảo chiều chuyển động… 1.2.2.2 Các phương pháp trên cơ sở điều khiển a. Điều khiển chuyển vị Cơ cấu robot là một chuỗi động học nối tiếp gồm n khâu, sai lệch điều khiển vị trí của khâu thứ i trong chuỗi động sẽ ảnh hưởng đến (n –i) khâu động phía sau nó. Căn cứ để điều khiển là các chuẩn quy chiếu dưới dạng các tọa độ suy rộng gắn với mỗi khâu động, dưới tác dụng của ngoại lực nếu các chuẩn quy chiếu này bị lệch khỏi vị trí lý tưởng của nó, người điều khiển có thể điều chỉnh lại chuyển vị của nó nhằm lấy lại vị trí mong muốn, các căn cứ ở đây là kết cấu của khâu, cơ tính, tải trọng làm việc, vấn đề này sẽ được trình bày kỹ hơn trong chương 2. b. Điều khiển mô men Thông thường các robot hiện nay đều duy trì hai mạch điều khiển là điều khiển chuyển vị và điều khiển mô men, nếu trong mục a ở trên tác động vào mạch chuyển vị để điều chỉnh vị trí thì ở đây lại thay đổi momen để đạt được vị trí mong muốn [5,6,12]. Thông thường mô men động biến 7 thiên theo thời gian, nghiên cứu mới đây đã đưa thêm một số hạng nữa vào phương trình lagrange II để điều khiển bám quỹ đạo tốt hơn. Đây là hướng nghiên cứu rất mới và thích hợp với nhiều đối tượng khác nhau chứ không chỉ giới hạn trong phạm vi robot. 1.3 So sánh hiệu quả của các giải pháp Rõ ràng với cùng mục đích là điều chỉnh lại vị trí điểm cuối cho sát với vị trí thực, nhóm các giải pháp thụ động trên cơ sở nâng cao chất lượng chế tạo, điều chỉnh và lắp ráp cơ cấu sẽ tạo ra các cơ cấu hoàn hảo ban đầu với giá thành cao song cũng không phải là giải pháp lý tưởng vì độ chính xác này sẽ mất dần sau một thời gian sử dụng do các tiết máy mòn tự nhiên. Nhóm các biện pháp cơ học như đã trình bày rõ ràng không hoàn toàn lý tưởng vì sức căng ban đầu trong các cơ cấu đã làm giảm hiệu suất khá nhiều, đặc biệt trong các cơ cấu nhiều bậc tự do việc kết cấu các mạch vòng để khử khe hở làm cho cơ cấu rất cồng kềnh khó khả thi khi triển khai. Đặc biệt trong trường hợp cấu trúc chuyển động với gia tốc hoặc tải trọng lớn, biến dạng đàn hồi cũng làm sai lệch vị trí điểm cuối, khi đó giám sát tích cực bằng các sensor kết hợp với điều khiển phản hồi thông thường chỉ khử được độ rơ của cơ cấu trung gian chứ không khử được sai số do biến dạng đàn hồi của cấu trúc, khi đó cần dựa vào các giải pháp về bù sai lệch. Nhóm các phương pháp trên cơ sở điều khiển cho phép đạt độ chính xác điều khiển cao với một cơ cấu có cấp chính xác kinh tế, tuy nhiên bù lại nó cần có các chiến lược bù sai số cũng như đòi hỏi các trang bị cơ điện tử đắt tiền, tuy nhiên đây là hướng duy trì được độ chính xác lâu dài và ổn định cho cơ cấu robot. Theo các công bố trong và ngoài nước ở thời điểm này thì đây là hướng nghiên cứu hiện rất được quan tâm [9,10,11,12,14], các sản phẩm cơ điện tử thường lựa chọn phương án này thay vì chỉ gia tăng độ chính xác chế tạo. [...]... trúc mạch bù vào hệ điều khiển của robot sẽ góp phần giảm giá thành chế tạo và duy trì độ chính xác lâu dài cho thiết bị, đây là cách tiếp cận hợp lý cho giải pháp đạt độ chính xác của các tay máy đang được quan tâm nhiều hiện nay Xây dựng cơ sở tính toán định lượng các số liệu bù để đạt độ chính xác là mục tiêu của luận văn này 9 Chương 2 BÙ SAI SỐ TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Giới thiệu bài toán Độ uốn... cuối cùng là chuyển vị vẫn cần tiếp tục tính toán như phương pháp thứ nhất Giải thuật bù bằng cách sử dụng điểm sinh như trình bày ở trên khắc phục cơ bản các biến dạng xảy ra trong cấu trúc ở trạng thái dừng, tuy nhiên có những sai lệch nhỏ muốn bù triệt để cần tác động đến cả các khâu lân cận thay vì chỉ điều chỉnh trong phạm vi một khâu để bù biến dạng của chính nó 15 Chương 3 TÍNH TOÁN BÙ SAI SỐ... phải bù sai số do biến dạng đàn hồi Với các robot đã có khi vận hành với tốc độ lớn hoặc tải trọng lớn cần can thiệp vào số liệu mạch chuyển vị để bù lại sai số do biến dạng đàn hồi 22 gây ra, mô hình tính toán giới thiệu trong luận văn này có thể sử dụng trong trường hợp đó Luận văn này mới chỉ xem xét biến dạng của cấu trúc trong trạng thái dừng, có thể vận dụng việc này liên tiếp để xác định lượng bù. .. chế của phương pháp Thực chất của việc bù sai số như trình bày ở trên là bù ở trạng thái dừng trong khi đường đặc tính chuyển vị của robot là một đường liên tục, theo cách làm thông thường sẽ rời rạc hóa quỹ đạo công tác của robot trong không gian thành các điểm keypoint, bài toán ngược dùng để ánh xạ các điểm này sang không gian khớp sau đó nội suy xấp xỉ đặc tính chuyển vị cho từng khớp bằng các đường... chính xác chuyển vị của điểm tác động cuối để từ đó tính toán lại chuyển vị chính xác của khớp nhằm đưa điểm tác động cuối tiệm cận đến vị trí mong muốn Toàn bộ luận văn nhằm trình bày và chứng minh các ưu điểm của cách tư duy này trên cả lý thuyết và thực hành Kết luận chương 1 Các mô hình điều khiển robot lấy số liệu từ bài toán động học ngược và bài toán động lực học ngược để lập trình hai mạch tương... hình máy tính cao thì cosmos lại không vấp phải vấn đề bản quyền và các vấn đề tương tự, điều này khá bất tiện khi sử dụng Ansys và online 3.5 Điểm sinh và bài toán động học ngược thứ hai Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý bù lần 2 Ban đầu khi muốn đạt vị trí A cho điểm cuối, dưới tác dụng của lực P làm khâu bị biến dạng đàn hồi tới điểm B, các sai số dx và dy tính toán được cho phép xác định điểm C là điểm sinh... 452,14152 (mm) Sai số vị trí sau lần bù thô so với vị trí mong muốn δx = XA - XD = 416,95393 - 416,95301 = 0,00092 (mm) δy = YA - YD = 452,13956 - 452,14152 = -0,00196 (mm) Dấu (-) thể hiện toạ độ tâm bàn kẹp sau khi bù có trị số lớn hơn so với tọa độ điểm mong muốn Vì sau khi bù lần 1, tâm bàn kẹp có sai số so với điểm mong muốn là: δx = 0,00092 (mm) δy = -0,00196 (mm) 20 Để bù lại lượng sai số đó, ta... ràng, phương pháp tính toán logic chặt chẽ thực hiện bởi các phần mềm chuyên dụng luôn đảm bảo tính khách quan đã chứng minh được hiệu quả của thuật toán bù do tác giả đề xuất Kết luận của luận văn Trong khuynh hướng chung vận hành robot với tốc độ ngày càng lớn ảnh hưởng của ngoại lực tới biến dạng cấu trúc là không nhỏ, để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác khi vận hành, các robot thiết kế... một bộ bù tổng quát hơn là giảm thiểu sự khác biệt giữa sự di chuyển mong muốn và thực tế của khâu cuối 1.5 Hướng nghiên cứu của đề tài Trong phạm vi luận văn này tác giả tập trung giải quyết vấn đề bù sai lệch vị trí điểm cuối, đây là vấn đề mà hiện có nhiều công trình với các quan điểm khác nhau, trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn tác giả xác định chính xác chuyển vị của điểm tác động cuối để...1.4 Một số nghiên cứu liên quan đến bù sai số robot trên thế giới Việc điều khiển cánh tay robot mềm được đề xuất bởi Cannon và Schmiz vào năm 1984, họ đã đưa ra mô hình toán học và thực hiện một số thí nghiệm để giải quyết vấn đề điều khiển của robot một khâu Vị trí của khâu chấp hành cuối được điều khiển bằng việc đo lường vị trí và sử dụng các . HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THÀNH ĐỨC TÍNH TOÁN BÙ SAI SỐ ĐIỂM CUỐI TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy Mã số: 60.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN. tính toán sai số thay vì phải đo bằng thiết bị đo. Trên thực tế các công trình về bù cũng thường tính toán sai số theo mô hình toán học [2,12], đo kiểm chỉ nhằm xác nhận có tồn tại sai số trên. Xây dựng cơ sở tính toán định lượng các số liệu bù để đạt độ chính xác là mục tiêu của luận văn này. 10 Chương 2 BÙ SAI SỐ TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Giới thiệu bài toán Độ uốn tĩnh