Luận án tiến sĩ: Tính toán dung sai robot chuỗi theo nhóm cấu trúc - Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

• Tác giả: Lê Thị Thu Thủy
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Thành Long
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi

Robot chuỗi là cấu trúc cơ bản trong robot công nghiệp, gồm các khâu nối tiếp qua khớp. Dung sai chế tạo khâu và khe hở khớp ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác định vị khâu cuối. Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc là hướng tiếp cận mới, phân loại robot thành các nhóm cấu trúc tương đồng để xây dựng phương pháp tính toán thống nhất. Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Lê Thị Thu Thủy tại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên năm 2021 đã đề xuất cách tiếp cận này. Phương pháp giúp tối ưu hóa dung sai chế tạo, đảm bảo độ chính xác yêu cầu đồng thời giảm chi phí sản xuất. Nghiên cứu tập trung xây dựng mô hình toán học liên kết giữa dung sai khâu, khe hở khớp và sai lệch vị trí khâu cuối. Hướng nghiên cứu này mang tính ứng dụng cao trong thiết kế và chế tạo robot công nghiệp hiện đại.

1.1. Khái niệm dung sai và nhóm cấu trúc robot chuỗi

Dung sai trong robot chuỗi là khoảng sai lệch cho phép của các thông số hình học gồm chiều dài khâu, góc xoắn, offset và khe hở khớp. Nhóm cấu trúc robot là cách phân loại dựa trên đặc điểm động học tương đồng như số bậc tự do, loại khớp và sơ đồ liên kết. Việc nhóm cấu trúc giúp tổng quát hóa phương pháp tính toán, áp dụng được cho nhiều loại robot khác nhau. Mỗi nhóm có công thức tính dung sai đặc trưng, phản ánh mối quan hệ phi tuyến giữa thông số khâu và vị trí khâu cuối.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu dung sai trong thiết kế robot

Xác định dung sai hợp lý giúp cân đối giữa yêu cầu độ chính xác và chi phí chế tạo. Dung sai quá chặt làm tăng chi phí gia công, dung sai quá rộng khiến robot không đạt hiệu suất. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc chọn dung sai tối ưu ngay từ giai đoạn thiết kế. Đặc biệt trong bối cảnh công nghiệp 4.0, robot công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao trong khi vẫn phải đảm bảo tính kinh tế sản xuất hàng loạt.

II. Phân tích các nguồn sai số và vấn đề tồn tại trong xác định dung sai robot

Sai số trong robot chuỗi có nhiều nguồn gốc khác nhau. Sai số chế tạo khâu bao gồm sai lệch chiều dài, góc xoắn, offset. Sai số khớp phát sinh từ khe hở và lệch trục. Sai số động học do sai lệch tham số danh nghĩa. Ngoài ra còn sai số do biến dạng đàn hồi, nhiệt độ và tải trọng. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tiếp cận theo hai hướng: định tính xác định yếu tố ảnh hưởng lớn nhất, hoặc định lượng tính toán sai lệch khâu cuối. Phương pháp định tính sử dụng phân tích độ nhạy, phương pháp định lượng dùng mô hình động học. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện có còn hạn chế khi chưa phân loại robot theo nhóm cấu trúc để xây dựng phương pháp tổng quát. Nhiều công trình chỉ khảo sát cho robot cụ thể, khó áp dụng rộng rãi. Bài toán tối ưu dung sai cũng chưa được giải quyết triệt để trong các nghiên cứu trước.

2.1. Các nguồn gây sai số chính trong robot chuỗi

Sai số robot chuỗi gồm bốn nhóm chính. Thứ nhất là sai số hình học do chế tạo khâu như sai lệch chiều dài, góc xoắn. Thứ hai là sai số khớp gồm khe hở ổ bearing, lệch tâm trục. Thứ ba là sai số động học do sai lệch tham số Denavit-Hartenberg. Thứ tư là sai số phi động học từ biến dạng nhiệt, đàn hồi và ma sát. Mỗi nguồn sai số có đặc điểm riêng, yêu cầu phương pháp mô hình hóa và tính toán phù hợp để xác định đóng góp tổng sai số.

2.2. Hạn chế của các phương pháp xác định dung sai truyền thống

Phương pháp truyền thống thường áp dụng cho robot cụ thể, thiếu tính tổng quát. Cách tiếp cận kinh nghiệm dựa trên thực nghiệm tốn thời gian và chi phí. Phương pháp giải tích gặp khó khăn với hệ phi tuyến phức tạp. Các nghiên cứu trong nước chủ yếu dừng ở mức định tính, chưa có công cụ tính toán định lượng đầy đủ. Phương pháp số đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn. Việc thiếu phân loại theo nhóm cấu trúc khiến khó xây dựng quy trình chuẩn hóa cho thiết kế dung sai robot công nghiệp.

III. Phương pháp tính toán xác định dung sai robot chuỗi theo nhóm cấu trúc

Phương pháp đề xuất trong luận án dựa trên xây dựng mô hình toán học liên kết dung sai khâu, khe hở khớp với sai lệch khâu cuối. Tiếp cận theo nhóm cấu trúc giúp tổng quát hóa công thức tính toán. Mô hình sử dụng hình cầu giới hạn sai số cho phép để biểu diễn miền sai lệch chấp nhận được của khâu cuối. Từ phương trình động học thuận, sai số được biểu diễn qua ma trận Jacobian biến đổi. Áp dụng phương pháp số GRG tối ưu để xác định giá trị dung sai. Bài toán được xây dựng theo hướng cho trước sai số cho phép tại khâu cuối, tìm dung sai chế tạo các khâu thỏa mãn. Mối quan hệ giữa dung sai và sai lệch được thiết lập qua hệ phương trình vi phân động học. Phương pháp cho phép tính toán đồng thời dung sai tất cả các khâu trong chuỗi, đảm bảo tổng sai số nằm trong giới hạn cho phép.

3.1. Xây dựng mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ dung sai và sai lệch

Mô hình toán học sử dụng hệ tọa độ Denavit-Hartenberg để mô tả động học robot. Mỗi khâu được đặc trưng bởi bốn tham số gồm góc xoắn, chiều dài, offset và góc khớp. Dung sai các tham số này dẫn đến sai lệch vị trí và hướng khâu cuối. Mối quan hệ được biểu diễn qua hàm số phi tuyến f(di, ai, qi, βi) = pj. Hình cầu giới hạn sai số cho phép xác định miền chấp nhận được của sai lệch khâu cuối. Từ đó suy ngược tìm dung sai các tham số đầu vào.

3.2. Phương pháp tối ưu hóa dung sai bằng thuật toán GRG

Thuật toán GRG (Generalized Reduced Gradient) được áp dụng để giải bài toán tối ưu dung sai. Bài toán đặt mục tiêu tối đa hóa dung sai nhằm giảm chi phí chế tạo, đồng thời ràng buộc sai lệch khâu cuối nằm trong hình cầu giới hạn cho phép. Phương pháp GRG xử lý hiệu quả hệ phương trình phi tuyến với nhiều biến và ràng buộc. Từ phương trình động học ngược, thuật toán xác định tọa độ suy rộng trong không gian khớp tại các điểm khảo sát. Kết quả cho ra bộ dung sai tối ưu cho từng khâu robot.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong thiết kế chế tạo robot công nghiệp

Luận án đã xây dựng thành công phương pháp tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc. Phương pháp được kiểm chứng qua tính toán và mô phỏng cho các nhóm robot phổ biến. Kết quả cho thấy tính khả thi và ưu việt so với phương pháp truyền thống. Công thức tính toán tổng quát áp dụng được cho nhiều loại robot trong cùng nhóm cấu trúc. Phương pháp giúp kỹ sư xác định nhanh chóng dung sai chế tạo phù hợp ngay từ giai đoạn thiết kế. Ứng dụng thực tiễn bao gồm thiết kế robot hàn, robot lắp ráp, robot phẫu thuật. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu dung sai chuẩn theo nhóm cấu trúc robot. Kết quả có giá trị khoa học và thực tiễn cao, đóng góp vào lĩnh vực thiết kế chế tạo robot công nghiệp tại Việt Nam.

4.1. Kết quả chính đạt được từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã phân loại robot chuỗi thành các nhóm cấu trúc đặc trưng. Mô hình toán học liên kết dung sai với sai lệch khâu cuối được xây dựng hoàn chỉnh. Phương pháp tính toán sử dụng hình cầu giới hạn sai số và thuật toán GRG được kiểm chứng. Kết quả tính toán cho các nhóm robot cụ thể phù hợp với mô phỏng và thực nghiệm. Luận án cung cấp công thức tổng quát có thể áp dụng rộng rãi cho robot công nghiệp cùng nhóm cấu trúc.

4.2. Ứng dụng và hướng phát triển tiếp theo

Phương pháp áp dụng trong thiết kế robot hàn, cắt, lắp ráp tự động trong sản xuất công nghiệp. Ứng dụng trong chế tạo robot phẫu thuật yêu cầu độ chính xác cao. Hướng phát triển gồm xây dựng phần mềm tính toán tự động, mở rộng cho robot song song và lai. Nghiên cứu tiếp theo có thể tích hợp yếu tố tải trọng, biến dạng nhiệt vào mô hình. Xây dựng cơ sở dữ liệu dung sai chuẩn theo nhóm cấu trúc phục vụ thiết kế robot công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. 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. 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 .1 Sai số và các nguồn gây sai số .2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước .1 Các công trình nghiên cứu trong nước .1 Những nghiên cứu về thiết kế dung sai ở phương diện định tính………………………………………………………………………………….2 Những nghiên cứu về thiết kế dung sai ở phương diện định lượng.3 Thiết kế dung sai theo kinh nghiệm ……………………………….2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước .3 Những vấn đề còn tồn tại.4 Hướng nghiên cứu của luận án .1 Giả thuyết khoa học của luận án .2 Nội dung cơ bản của luận án .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 .1 Xây dựng mô hình toán trong thiết kế dung sai cho một robot độc lập .1 Cơ sở xây dựng mô hình toán .1 Phương pháp mô tả độ chính xác khâu cuối - Hình cầu giới hạn sai số cho phép ……………………………………………………………….2 Mô hình toán tổng quát …………………………………………….3 Giải bài toán động học theo phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (Generalized Reduced Gradient - GRG) …………………………………………… 42 2.2 Xây dựng mô hình toán cho robot 6DOF .3 Xây dựng mô hình toán cho robot chuỗi 5DOF.4 Xây dựng mô hình toán cho robot SCARA 4DOF .2 Xây dựng mô hình toán trong thiết kế dung sai cho các robot cùng nhóm cấu trúc động học .1 Một số khái niệm mới .1 Hai robot đồng dạng ……………………………………………….2 Tỉ số đồng dạng kích thước ……………………………………….3 Tỉ số độ chính xác ……………………………………………….2 Bài toán số 1 (trường hợp 1 và 2): Hai robot đồng dạng kích thước .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 .1 Phần mềm kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai.2 Các chức năng của phần mềm .3 Các thao tác và kết quả hiển thị trên phần mềm.1 Nhập dữ liệu .2 Kết quả hiển thị .89 CHƯƠNG 4: PHÂN VÙNG ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG KHÔNG GIAN CÔNG TÁC .1 Lý do thực hiện bài toán.2 Các phương pháp nghiên cứu trên thế giới .3 Nội dung tổng quát thực hiện việc phân vùng độ chính xác .2 Quy trình thực hiện .1 Xác định vùng không gian khảo sát .2 Đo sai số tại một số điểm mẫu trong không gian khảo sát .3 Xử lý số liệu .4 Xây dựng hàm dạng .5 Phân vùng độ chính xác .102 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO MỘT SỐ ROBOT ĐIỂN HÌNH.1 Thiết kế dung sai cho một robot độc lập .1 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi hai bậc tự do .1 Xác định xấp xỉ đầu của dung sai ………………………………….2 Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai …………………………………….2 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi sáu bậc tự do .1 Xác định giá trị dung sai làm xấp xỉ đầu ………………………….2 Kiểm tra và hiệu chỉnh dung sai ………………………………….2 Thiết kế dung sai dựa trên quan hệ nhóm cấu trúc .1 Trường hợp 1: Tính toán robot B đồng dạng với A và k=kr .2 Trường hợp 2: Tính toán dung sai robot B‘ với B‘ và A có k ≠ kr .3 Hiệu chỉnh dung sai khi kiểm tra phối hợp .4 Thực nghiệm phân vùng độ chính xác trong không gian công tác .1 Máy đo độ chính xác và sơ đồ thí nghiệm .2 Nội suy sai số khâu cuối trong không gian công tác .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. 2: Bảng thông số D-H của robot 5DOF. 3: Bảng thông số D-H của robot SCARA 4DOF . 1: Bảng thống kê dữ liệu chi tiết các điểm rơi khi khảo sát lắp lẫn . 1: Bảng DH của robot hai khâu . 2: Sự phân bổ dung sai biến khớp và độ phân giải encoder tương ứng . 3: Kết quả tính dung sai các kích thước khâu và khớp của robot hai bậc tự do . 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. 1: Một số ứng dụng của robot công nghiệp . 2: Một số robot công nghiệp điển hình. 4: Ví dụ về độ chính xác và độ chính xác lặp . 5: Các yếu tố động học gây sai số . 6: Sai số do khe hở mặt răng . 7: Đường cong dung sai – chi phí . 8: Bản vẽ chế tạo một bộ phận của tay máy. 9: Quy trình tổng quát thiết kế dung sai robot . 10: Sơ đồ giải bài toán xác định dung sai cho 1 robot. 11: Sơ đồ giải bài toán xác định dung sai cho nhóm robot . 12: Robot và không gian làm việc của robot . 1: Mô tả độ chính xác định vị khâu cuối cho phép. 2: Di chuyển cho phép của khâu cuối trên mặt cầu sai số cho phép . 3: Sơ đồ thuật toán tổng quát xác định các dung sai sơ bộ . 4: Robot chuỗi sáu bậc tự do dùng trong công nghiệp . 5: Mô hình động học của robot sáu bậc tự do điển hình 6DOF . 6: Khảo sát tại một số điểm trên mặt cầu sai số cho phép . 7: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot 6DOF. 8: Robot SCORBOT 5DOF . 9: Mô hình động học robot chuỗi 5DOF . 10: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot 5DOF. 11: Robot SCARA 4DOF . 12: Mô hình động học robot SCARA 4DOF . 13: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot SCARA . 14: Sơ đồ động học robot chuỗi 6 bậc tự do . 15: Minh họa hai robot đồng dạng. 16: Mô tả sai số cho phép của robot A và robot B. 17: Mối quan hệ và tương quan giữa tỉ số độ chính xác và tỉ số kích thước . 18: Sử dụng robot trung gian trong trường hợp k ≠ kr . 19: Hai robot cùng dạng kết cấu . 20: Sử dụng robot trung gian C trong trường hợp hai robot cùng dạng kết cấu nhưng không đồng dạng . 1: Minh họa 3D với tất cả các điểm đều nằm trong giới hạn cầu cho phép. 2: Minh họa 3D với một lượng điểm nằm ngoài giới hạn cầu cho phép- Cần hiệu chỉnh. 3: Sơ đồ kiểm tra và hiệu chỉnh dung sai khi kiểm tra phối hợp. 4: Số lượng điểm và tỉ lệ phần trăm không đạt yêu cầu về độ chính xác khi kiểm tra lắp lẫn . 5: Mô phỏng kết quả kiểm tra lắp lẫn tại một vị trí với bán kính cầu r = 0,5mm. 1: Minh họa hệ thống theo dõi bằng laser được sử dụng để đo sai số vị trí của robot . 2: Không gian khảo sát dạng lăng trụ tam giác với sáu nút. 3: Ảnh hưởng của các điểm lấy mẫu đến điểm khảo sát qua hàm dạng . 1: Sơ đồ động robot chuỗi hai bậc tự do . 2: Giao diện phần mềm khi kiểm tra thuận cho robot 2 bậc tự do . 3: Chạy chương trình lắp lẫn robot hai bậc tự do .