Mô Hình Hóa và Khảo Sát Sai Số của Robot Công Nghiệp

Chuyên khảo phân tích Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Đỗ Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phan Bùi Khôi
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Mô Hình Hóa và Khảo Sát Sai Số Robot Công Nghiệp
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mô Hình Hóa và Khảo Sát Sai Số Robot Công Nghiệp

Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành kỹ thuật cơ khí. Việc hiểu rõ về cấu trúc và hoạt động của robot giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của robot công nghiệp mà còn giảm thiểu sai số trong quá trình hoạt động.

1.1. Ảnh hưởng của Sai Số đến Độ Chính Xác của Robot

Sai số trong robot công nghiệp có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của các thao tác. Các yếu tố như sai số hình học và động học cần được phân tích để hiểu rõ hơn về tác động của chúng đến hiệu suất của robot.

1.2. Các Nghiên Cứu Trước Đây về Sai Số Robot

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sai số hình học và động học là nguyên nhân chính dẫn đến sai lệch trong hoạt động của robot công nghiệp. Việc tổng hợp các kết quả nghiên cứu trước đây sẽ giúp xây dựng nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo.

II. Vấn Đề và Thách Thức trong Khảo Sát Sai Số Robot

Khảo sát sai số trong robot công nghiệp gặp phải nhiều thách thức, từ việc xác định nguồn gốc sai số đến việc phát triển các phương pháp mô hình hóa chính xác. Những thách thức này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tìm ra các giải pháp hiệu quả để cải thiện độ chính xác của robot.

2.1. Các Nguồn Gây Ra Sai Số trong Robot

Sai số có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm sai số hình học, động học và các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ và độ ẩm. Việc xác định chính xác các nguồn sai số này là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất của robot công nghiệp.

2.2. Thách Thức trong Việc Mô Hình Hóa Sai Số

Mô hình hóa sai số là một thách thức lớn trong nghiên cứu robot công nghiệp. Các phương pháp hiện tại cần được cải tiến để có thể phản ánh chính xác hơn các yếu tố ảnh hưởng đến sai số trong quá trình hoạt động của robot.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa Sai Số Robot Công Nghiệp

Để khảo sát sai số, các phương pháp mô hình hóa cần được áp dụng một cách chính xác. Các phương pháp này không chỉ giúp xác định sai số mà còn cung cấp cơ sở để tối ưu hóa thiết kế và quy trình sản xuất của robot công nghiệp.

3.1. Phương Pháp Vi Phân Ma Trận Biến Đổi Tọa Độ

Phương pháp vi phân ma trận biến đổi tọa độ là một trong những kỹ thuật quan trọng trong mô hình hóa sai số. Phương pháp này giúp xác định mối quan hệ giữa các tham số hình học và động học của robot.

3.2. Phương Pháp Bình Phương Tối Thiểu

Phương pháp bình phương tối thiểu là một kỹ thuật hữu ích để xác định sai số hình học và động học. Kỹ thuật này cho phép tối ưu hóa các tham số của robot công nghiệp để giảm thiểu sai số trong quá trình hoạt động.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Mô Hình Hóa Sai Số Robot

Mô hình hóa và khảo sát sai số có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Việc áp dụng các phương pháp này giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác của robot công nghiệp, từ đó cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

4.1. Ứng Dụng trong Dây Chuyền Sản Xuất

Trong các dây chuyền sản xuất, việc khảo sát sai số giúp tối ưu hóa quy trình làm việc của robot. Điều này không chỉ nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tế

Nghiên cứu về sai số đã cho thấy những kết quả tích cực trong việc cải thiện độ chính xác của robot công nghiệp. Các ứng dụng thực tế đã chứng minh rằng việc áp dụng các phương pháp mô hình hóa có thể mang lại lợi ích lớn cho ngành công nghiệp.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu Sai Số Robot

Nghiên cứu về mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến trong công nghệ robot, từ đó nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp.

5.1. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Sai Số

Nghiên cứu sai số không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của robot mà còn đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp. Việc hiểu rõ về sai số sẽ giúp các nhà thiết kế và kỹ sư đưa ra các giải pháp tối ưu hơn.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Hướng nghiên cứu tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để khảo sát và mô hình hóa sai số. Điều này sẽ giúp nâng cao độ chính xác và hiệu suất của robot công nghiệp trong các ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về robot và độ chính xác của robot. Trong chương này luận án trình bày khái quát về robot công nghiệp, về sai số và độ chính xác, phân tích ảnh hưởng của sai lệch khâu thao tác của robot tới chất lượng sản phẩm mà robot đó thực hiện trong một số ứng dụng của robot và trình bày một số nghiên cứu trong và ngoài nước về sai số trong robot. Chương 2: Khảo sát động học robot công nghiệp. Nội dung chủ yếu của chương này là trình bày cơ sở khảo sát động học robot công nghiệp, thiết lập phương trình động học robot, xây dựng giải thuật và chương trình tính toán động học thuận và động học ngược của robot.

Khảo sát động học của một số robot. Chương 3: Sai số và phương pháp mô hình hoá sai số. Trong chương này của luận án trình bày các nguồn gây ra sai số hình học, động học trong khâu, khớp robot. Đưa ra các mô hình sai số của khâu, khớp robot, xây dựng mô hình toán học các sai số hình học, động học của khâu, khớp và sai lệch vị trí, hướng khâu thao tác của robot.

Chương 4: Khảo sát sai số robot công nghiệp. Nội dung của chương này là đưa ra thuật toán và chương trình phần mềm để khảo sát sự ảnh hưởng của sai số hình học, động học của khâu, khớp tới sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của sai số này sẽ giúp cho người thiết kế đưa ra các yêu cầu về dung sai chế tạo một cách hợp lý, hài hòa từ ngay trong quá trình thiết kế một robot mới, nhờ vậy mà có thể hạ giá thành chế tạo nhưng robot vẫn đảm bảo tính năng làm việc tốt. Chương 5: Nghiên cứu phương pháp xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp robot.

Nội dung của chương này thiết lập mối quan hệ về mặt toán học và vận dụng công cụ hiện đại để tìm giá trị của các sai số hình học, động học trong các khâu, khớp khi đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác. Kết quả và bàn luận. Kết luận và kiến nghị. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Xây dựng được giải thuật và chương trình tính toán động học của một số mô hình robot công nghiệp phổ biến, tiêu biểu.

Xây dựng được mô hình sai số hình học, động học của một số cấu trúc robot công nghiệp phổ biến, phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu về vấn đề sai số trong robot công nghiệp. Mô hình sai số của robot mà luận án xây dựng được cho phép xác định, đánh giá hoặc dự đoán sai lệch, qua đó dự đoán được độ chính xác của robot trên cơ sở phạm vi sai số của các khâu, khớp robot đã được xác định. Đồng thời mô hình sai số của robot tạo điều kiện cho người thiết kế đề ra yêu cầu về dung sai của các khâu của robot một cách hợp lý trong quá trình thiết kế chế tạo nhằm đạt được điều kiện giới hạn về sai lệch của khâu thao tác. 15 Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả của luận án: Giải thuật và chương trình tính toán khảo sát động học; mô hình sai số hình học, động học; giải thuật và chương trình xác định sai số cho phép ứng dụng khi tính toán thiết kế, chế tạo robot công nghiệp nhằm đảm bảo cho robot đạt độ chính xác tốt hơn.

TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT 1.1 Giới thiệu cấu trúc robot công nghiệp Robot công nghiệp (Industrial Robot - IR) là máy, thiết bị thao tác tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người [4]. Về mặt cơ học, robot là hệ nhiều vật, gọi là các khâu, nối với nhau bởi các khớp. Theo khả năng di động của robot người ta phân robot công nghiệp thành hai nhóm: Nhóm thứ nhất là tay máy robot, là robot có một khâu cố định được gọi là khâu “0”, các khâu nối với giá cố định thành chuỗi động học, khâu thao tác được gắn với bộ phận (dụng cụ) thao tác để thực hiện thao tác công nghệ hoặc phục vụ, do vậy khâu thao tác thường được gọi là khâu thao tác. Nhóm robot thứ hai gồm các robot có thể di chuyển trong không gian, trên mặt phẳng, thậm chí cả trong môi trường nước., được gọi là robot di động.

Luận án này tập trung nghiên cứu robot công nghiệp dạng tay máy, sau đây được gọi chung là robot công nghiệp. Theo cấu trúc động học của robot, robot công nghiệp có một số cấu trúc phổ biến như: robot có cấu trúc động học nối tiếp chuỗi hở, robot có cấu trúc động học mạch vòng và robot có cấu trúc động học song song. Dưới đây là hình ảnh một số loại robot công nghiệp phổ biến: 7 6 5 4 3 2 1 8 a) b) c) d) Hình 1-1: Hình ảnh một số loại robot công nghiệp phổ biến 17 Trên Hình 1-1 a là hình ảnh ví dụ một robot công nghiệp cấu trúc nối tiếp chuỗi hở của hãng Kuka được sử dụng để thực hiện các mối hàn điểm, robot gồm có 6 bậc tự do tương ứng có 6 khớp dẫn động; 1 – là khâu đầu tiên, khâu “0” được gắn cố định với sàn nhà; 2, 3,…6 là các khâu trung gian, 7 – là khâu thao tác, và 8 - là dụng cụ thao tác (súng hàn điểm) được gắn với khâu thao tác. Hình 1-1 b là một mô đun hàn thân xe ô tô gồm có 6 robot hàn điểm có giá đặt cố định để hàn các chi tiết rời của thân xe ô tô.

Hình 1-1 c, d là robot cố định cấu trúc động học song song gồm có giá cố định, 3 chuỗi (chân) động học kín nối khâu thao tác với giá cố định. Robot có cấu trúc nối tiếp chuỗi hở có không gian làm việc lớn hơn, độ linh hoạt và tính tiện dụng cao hơn so với robot song song. Tuy nhiên, do chúng có cấu trúc nối tiếp chuỗi hở nên độ cứng vững và độ chính xác kém hơn so với robot song song. Các robot nối tiếp thường ứng dụng trong các trường hợp tải trọng nhỏ.

Còn robot mạch vòng và robot song song thường ứng dụng trong các trường hợp yêu cầu mang tải trọng lớn, độ chính xác cao như: bàn máy trong các máy CNC, lắp ráp bản mạch điện tử, vi mạch… Tuy robot công nghiệp có một số cấu trúc động học khác nhau, nhưng cấu tạo chung của một robot công nghiệp thì tương tự nhau, bao gồm các thành phần chính như: kết cấu cơ khí (Cơ cấu chấp hành), hệ truyền động (các bộ phận dẫn động và công suất), hệ thống điều khiển có thể lập trình linh hoạt, các chương trình và các thiết bị nhận diện hay hệ thống cảm biến [4]. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như hình vẽ dưới đây: Cảm biến Giao diện và Hệ thống điều Hệ truyền Cơ cấu các phần khiển và máy động và chấp hành mềm giao tính công suất ế Các chương Dụng cụ trình thao tác Hình 1-2: Các thành phần chính của robot công nghiệp. - Cơ cấu chấp hành: Là bộ phận cơ khí bao gồm các khâu liên kết với nhau bởi các khớp (khâu đầu tiên được nối với giá, gọi là khâu "0", các khâu tiếp theo là khâu "1", "2", "3",… là các khâu trung gian, khâu thao tác được gắn với dụng cụ thao tác) và các bộ truyền động như bộ truyền bánh răng, bộ truyền đai, vít me,. Chuyển động của khâu thao tác là tổng hợp chuyển động của các khâu trung gian.

Cơ cấu chấp hành có cấu tạo rất đa dạng (chuỗi hở, mạch vòng, song song), cấu trúc của robot được thể hiện qua cơ cấu chấp hành, nó quyết định khả năng làm việc của robot, tùy thuộc vào mục đích sử dụng trong dây chuyền công nghệ mà ta lựa chọn cấu trúc robot cho phù hợp. - Hệ truyền động và công suất: Các thiết bị tạo chuyển động cho robot, có thể là các thiết bị khí nén, thuỷ lực, động cơ điện. Đối với các chuyển động cần độ chính xác cao, yêu cầu gọn nhẹ người ta có thể dùng các loại nguồn truyền động là các motor bước, các motor servo. 18 - Bộ điều khiển (Controller): Là thành phần quan trọng quyết định khả năng hoạt động và độ chính xác của robot.

Bộ phận này thông thường được tích hợp dưới dạng các board mạch điều khiển. - Cảm biến (Sensor): Là thiết bị chuyển các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện cung cấp cho hệ thống nhằm nâng cao khả năng linh hoạt và độ chính xác trong điều khiển. Như vậy Robot chính là một hệ thống điều khiển kín với vòng hồi tiếp (Feedback) được thực hiện từ tín hiêu thu về từ cảm biến. Các loại cảm biến thường gặp như: + Cảm biến quang.

+ Cảm biến vị trí và dịch chuyển. + Cảm biến vận tốc. + Cảm biến gia tốc và rung. + Cảm biến lực và biến dạng.

- Các chương trình: Các chương trình luôn tương thích với các bộ điều khiển. Chính vì vậy các loại ngôn ngữ để viết chương trình điều khiển cho robot cũng khá đa dạng, có thể là ngôn ngữ viết cho vi xử lý (ngôn ngữ máy), ngôn ngữ viết cho PLC (của các hãng khác nhau), hay các ngôn ngữ trên máy tính như: Pascal, C, C++, Visual Basic, Maple, Matlab v.v… - Dụng cụ thao tác: là dụng cụ được gắn trên khâu thao tác của robot để thực hiện những nhiệm vụ mong muốn, dụng cụ thao tác của robot có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn. - Giao diện và các phần mềm giao tiếp: Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học).2 Thao tác của robot công nghiệp Thao tác hay là sự hoạt động của robot công nghiệp là quá trình khâu thao tác thực hiện chuyển động và thực hiện thao tác công nghệ như: cắt, hàn, phay, sơn, di chuyển phôi. mà chuyển động của khâu thao tác nhật được là tổng hợp chuyển động của từ khâu đầu đến khâu cuối.

Trên Hình 1-3 là một mô hình robot phục vụ cho một máy tiện CNC, có thể được dùng để cấp phôi và dỡ sản phẩm hoặc một số ứng dụng khác, gồm có 4 khâu, khâu "0" là khâu là giá cố định, các khâu "1", "2" là khâu trung gian, "3" là khâu thao tác được gắn lên nó dụng cụ thao tác là bàn tay kẹp 4.