Luận văn thạc sĩ: Thiết kế và điều khiển tay máy cắt ống cho kết cấu thép

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tay máy cắt ống, phục vụ lắp ghép kết cấu ống thép hiệu quả và chính xác.

• Tác giả: Lê Quốc Thái
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Tay Máy Cắt Ống Cho Lắp Ghép Kết Cấu Thép
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Tổng quan về Robot
• 2.1.1. Định nghĩa Robot
• 2.1.2. Các thành phần của Robot
• 2.1.3. Một số ứng dụng điển hình của robot trong công nghiệp
• 2.2. Tổng quan về robot được khảo sát trong luận văn
• 2.3. Tổng quan về một số công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài
• 2.3.1. Bài toán động học thuận
• 2.3.2. Bài toán động học ngược
• 2.3.3. Bài toán động lực học
• 2.3.4. Bài toán điều khiển
• 2.3.5. Tổng quan về ứng dụng cắt ống phục vụ lắp ghép kết cấu ống thép
• 2.4. Các vấn đề cần tập trung giải quyết của đề tài
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ
• 3.1. Tính bậc tự do của cơ cấu
• 3.2. Bài toán động học thuận vị trí
• 3.3. Bài toán động học ngược vị trí
• 4. CHƯƠNG 4: ĐỘNG LỰC HỌC
• 4.1. Tính động lực học theo phương pháp Lagrange
• 4.2. Mô phỏng động lực học
• 5. CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN
• 5.1. Hoạch định quỹ đạo chuyển động
• 5.2. Vấn đề điều khiển
• 5.2.1. Vòng điều khiển vận tốc
• 5.2.2. Vòng điều khiển vị trí
• 5.2.3. Tracking quỹ đạo trong không gian khớp
• 5.2.4. Tracking quỹ đạo trong không gian Descartes
• 6. CHƯƠNG 6: ỨNG DỤNG CẮT ỐNG PHỤC VỤ CHO VIỆC LẮP GHÉP KẾT CẤU ỐNG THÉP
• 6.1. Vấn đề tiếp xúc mặt tại vị trí hàn
• 6.2. Quỹ đạo end-effector cắt ống R1
• 6.3. Quỹ đạo end-effector cắt ống R2
• 7. CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 7.1. Mô hình thực nghiệm
• 7.1.1. Mạch driver điều khiển
• 7.1.2. Mạch xử lý trung tâm
• 7.1.3. Phần mềm điều khiển
• 7.2. Kết quả thực nghiệm
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 8.1. Kết luận
• 8.1.1. Các kết quả đạt được
• 8.1.2. Kết quả chưa đạt
• 8.2. Hướng phát triển của đề tài
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH CÁ NHÂN

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu thiết kế tay máy cắt ống cho lắp ghép kết cấu thép là một lĩnh vực quan trọng trong ngành cơ điện tử. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là phát triển một hệ thống máy cắt ống tự động, giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong quá trình lắp ghép kết cấu thép. Việc sử dụng công nghệ cắt hiện đại không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất. Đặc biệt, việc áp dụng tay máy trong cắt ống sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế tạo, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ mang lại lợi ích cho ngành công nghiệp mà còn góp phần vào việc nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp. Việc thiết kế bộ điều khiển cho tay máy cắt ống sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu chi phí và thời gian. Hơn nữa, việc ứng dụng công nghệ cắt tiên tiến sẽ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường. Theo một nghiên cứu gần đây, việc sử dụng tay máy trong cắt ống có thể tăng năng suất lên đến 30% so với phương pháp truyền thống.

II. Tổng quan về tay máy và ứng dụng

Tay máy là một trong những thành phần chính trong hệ thống robot, có khả năng thực hiện nhiều thao tác khác nhau. Trong nghiên cứu này, tay máy được thiết kế với 5 bậc tự do, cho phép thực hiện các chuyển động phức tạp cần thiết cho việc cắt ống. Cắt ống là một ứng dụng phổ biến trong ngành xây dựng và chế tạo, đặc biệt là trong việc lắp ghép kết cấu thép. Việc sử dụng tay máy trong cắt ống không chỉ giúp tăng độ chính xác mà còn giảm thiểu rủi ro cho công nhân. Hệ thống máy cắt ống tự động sẽ giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, từ đó nâng cao an toàn lao động.

2.1. Các thành phần của tay máy

Tay máy bao gồm nhiều thành phần như cổ tay, end-effector, và bộ điều khiển. Mỗi thành phần đều có vai trò quan trọng trong việc thực hiện các thao tác cắt ống. Cổ tay cho phép tay máy thực hiện các chuyển động linh hoạt, trong khi end-effector là phần tiếp xúc trực tiếp với ống. Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh các chuyển động của tay máy dựa trên các thông số đầu vào từ cảm biến. Việc thiết kế và tối ưu hóa các thành phần này là rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.

III. Phân tích động học và động lực học

Phân tích động học và động lực học là bước quan trọng trong thiết kế tay máy. Động học thuận vi và động học ngược vi sẽ giúp xác định vị trí và chuyển động của tay máy trong không gian. Việc xây dựng mô hình động học cho tay máy cắt ống sẽ giúp tối ưu hóa quy trình cắt, đảm bảo độ chính xác và hiệu suất cao. Mô hình động lực học sẽ cung cấp thông tin về lực và mô men cần thiết để thực hiện các thao tác cắt. Sử dụng phần mềm như Matlab để mô phỏng các quá trình này sẽ giúp đánh giá hiệu quả của thiết kế trước khi triển khai thực tế.

3.1. Động học thuận vi

Động học thuận vi cho phép xác định vị trí của end-effector dựa trên các thông số của các khớp. Việc tính toán động học thuận vi sẽ giúp xác định các thông số cần thiết cho việc cắt ống, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất. Các phương pháp tính toán hiện đại sẽ được áp dụng để đảm bảo độ chính xác cao trong việc xác định vị trí và hướng của tay máy.

3.2. Động học ngược vi

Động học ngược vi là quá trình xác định các thông số khớp cần thiết để đạt được vị trí mong muốn của end-effector. Việc này rất quan trọng trong việc lập trình bộ điều khiển cho tay máy. Các thuật toán tối ưu sẽ được sử dụng để đảm bảo rằng tay máy có thể thực hiện các thao tác cắt một cách chính xác và hiệu quả. Sự kết hợp giữa động học thuận vi và động học ngược vi sẽ tạo ra một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cho tay máy.

IV. Thiết kế bộ điều khiển

Bộ điều khiển là phần quan trọng trong hệ thống tay máy cắt ống. Thiết kế bộ điều khiển PID cho phép điều chỉnh các thông số của tay máy một cách linh hoạt và chính xác. Việc sử dụng bộ điều khiển PID sẽ giúp duy trì độ chính xác trong quá trình cắt, đồng thời giảm thiểu sai số. Mô phỏng bộ điều khiển bằng phần mềm Matlab sẽ giúp đánh giá hiệu quả của thiết kế trước khi triển khai thực tế. Các thông số như Kp, Ki, Kd sẽ được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao nhất cho hệ thống.

4.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển

Bộ điều khiển PID hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh ba thành phần: tỷ lệ, tích phân và vi phân. Thành phần tỷ lệ giúp điều chỉnh nhanh chóng sai số giữa vị trí thực tế và vị trí mong muốn. Thành phần tích phân giúp loại bỏ sai số tĩnh, trong khi thành phần vi phân giúp dự đoán sai số trong tương lai. Sự kết hợp này giúp bộ điều khiển duy trì độ chính xác cao trong quá trình cắt ống.

4.2. Mô phỏng và kết quả

Mô phỏng bộ điều khiển PID bằng Matlab sẽ cho phép đánh giá hiệu quả của thiết kế. Các kết quả thu được từ mô phỏng sẽ được so sánh với các tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động hiệu quả. Việc phân tích các kết quả mô phỏng sẽ giúp điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển, từ đó tối ưu hóa hiệu suất của tay máy cắt ống.

V. Ứng dụng thực tiễn

Việc ứng dụng tay máy cắt ống trong lắp ghép kết cấu thép sẽ mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp. Hệ thống máy cắt ống tự động sẽ giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Các ứng dụng thực tiễn của tay máy trong cắt ống sẽ được trình bày chi tiết, từ quy trình cắt đến lắp ghép. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu rủi ro cho công nhân. Hơn nữa, việc sử dụng công nghệ cắt hiện đại sẽ giúp cải thiện độ chính xác và giảm thiểu lãng phí trong sản xuất.

5.1. Quy trình cắt ống

Quy trình cắt ống sẽ được thực hiện theo các bước cụ thể, từ việc xác định vị trí cắt đến việc thực hiện thao tác cắt. Sự kết hợp giữa tay máy và bộ điều khiển sẽ giúp đảm bảo rằng quy trình cắt diễn ra một cách chính xác và hiệu quả. Các thông số kỹ thuật sẽ được điều chỉnh để phù hợp với từng loại ống và yêu cầu cụ thể của dự án.

5.2. Lợi ích của ứng dụng

Việc ứng dụng tay máy cắt ống trong lắp ghép kết cấu thép sẽ mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng năng suất, giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Hệ thống tự động hóa sẽ giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, từ đó nâng cao an toàn lao động. Hơn nữa, việc sử dụng công nghệ cắt hiện đại sẽ giúp cải thiện độ chính xác và giảm thiểu lãng phí trong sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển của kỹ thuật robot công nghiệp kể từ mẫu Unimate nặng 2 tấn ra đời vào năm 1959 đã mở ra kỷ nguyên tự động hóa vượt bậc trong ngành chế tạo cơ khí. Tính đến nay, với hơn 1000 tổ chức và hiệp hội robotics trên thế giới, việc ứng dụng cánh tay máy trong các công đoạn hàn, cắt, lắp ráp đạt độ tin cậy vượt trội so với phương pháp thủ công. Tại Việt Nam, hiện đại hóa sản xuất kết cấu kim loại đòi hỏi các giải pháp tự động hóa có tính tùy biến cao, điển hình là bài toán gia công ống thép phục vụ lắp ghép giàn không gian và công trình dầu khí.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi xuất phát từ thực tiễn gia công mối ghép ống thép: khi hai ống kim loại giao nhau theo phương tạo góc nghiêng, đường cắt 3D yêu cầu mỏ cắt phải chuyển động bám sát biên dạng tiếp xúc mặt để đảm bảo độ khít sát cho mối hàn. Mô hình cánh tay robot 5 bậc tự do sẵn có tại phòng thí nghiệm là một hệ động học phi tuyến, bị giới hạn một bậc tự do định hướng so với robot 6 bậc thông thường. Do đó, việc xác định quy luật bám quỹ đạo chính xác cho khâu chấp hành cuối là bài toán kỹ thuật phức tạp cần được giải quyết thỏa đáng.

Mục tiêu của luận văn là khảo sát toàn diện cấu hình robot 5 bậc tự do, xây dựng mô hình động học thuận, động học ngược, phân tích động lực học hệ thống và thiết kế bộ điều khiển PID bám quỹ đạo chuyển động. Trên cơ sở đó, đề tài ứng dụng thuật toán để điều khiển tay máy cắt biên dạng hai ống kim loại đường kính ngoài lần lượt là 16 mm và 15 mm, cùng độ dày 2 mm, hợp với nhau một góc vát 60 độ. Nghiên cứu được triển khai tại Phòng thí nghiệm Hitech Mechatronics thuộc Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong khung thời gian từ tháng 07 năm 2012 đến tháng 06 năm 2013, đóng góp giải pháp kỹ thuật thiết thực nhằm nâng cao năng suất và chất lượng lắp ghép kết cấu ống kim loại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hai nền tảng lý thuyết trụ cột trong lĩnh vực kỹ thuật robot: lý thuyết động học hệ nhiều vật và lý thuyết động lực học giải tích. Khung động học dựa trên phương pháp chuẩn hóa Denavit - Hartenberg để gán hệ tọa độ và thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất kích thước 4x4 giữa các khâu liên kết. Mô hình động lực học được xây dựng theo phương pháp Lagrange loại hai, biểu diễn phương trình vi phân mô tả chuyển động tổng quát của robot dưới dạng vector ma trận quán tính, ma trận lực Coriolis, lực hướng tâm, ma trận lực ma sát và lực trọng trường.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm:

• Bậc tự do của cơ cấu không gian xác định theo công thức Somov - Malyshev, khẳng định cấu hình 5 khớp xoay tương ứng 5 bậc tự do độc lập.
• Bài toán giải tách kênh động học ngược nhằm phân tách vị trí cổ tay và góc định hướng của khâu chấp hành cuối.
• Quy hoạch quỹ đạo trong không gian khớp và không gian Descartes sử dụng đa thức bậc 5 đảm bảo độ êm mượt về vị trí, vận tốc và gia tốc chuyển động.
• Biên dạng tiếp xúc mặt và nguyên lý nhiệt luyện gia công cắt kim loại bằng khí hoặc tia Plasma.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu hình học và động học được thu thập trực tiếp từ cơ cấu thực nghiệm tay máy 5 bậc tự do trang bị các động cơ DC servo của HarmonicDrive, tích hợp hộp số giảm tốc và encoder độ phân giải 200 xung trên một vòng quay. Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung vào bộ thông số động lực học của toàn bộ 5 khâu chuyển động, trong đó các thông số khối tâm và tensor moment quán tính 3x3 được trích xuất trực tiếp từ mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks (ví dụ khâu 1 nặng 989.56 gram, khâu 2 nặng 2436.00 gram).

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích giải tích kết hợp mô phỏng số là vì hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc hai của tay máy 5 bậc tự do quá phức tạp để giải nghiệm tường minh bằng tay. Tác giả đã kết hợp thuật toán đệ quy Newton - Euler và thư viện Robotics Toolbox của Peter Corke trong môi trường MATLAB để kiểm tra đáp ứng động lực học. Bộ điều khiển PID bám quỹ đạo được thiết kế theo cấu trúc hai vòng kín: vòng điều khiển vận tốc bên trong và vòng điều khiển vị trí bên ngoài, sau đó được kiểm chứng thực tế qua bo mạch vi điều khiển trung tâm và mạch driver công suất trong vòng 12 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán động học thuận và ngược cho tay máy 5 bậc tự do với các kích thước hình học chuẩn xác: khâu một dài 220 mm, khâu hai dài 150 mm, khâu ba dài 120 mm, khoảng cách tay gắp 140 mm. Bằng kỹ thuật tách biến hình học, thuật toán động học ngược tìm ra chính xác 4 bộ nghiệm cấu hình không gian gồm: tay phải hướng lên, tay phải hướng xuống, tay trái hướng lên và tay trái hướng xuống, loại bỏ hoàn toàn các điểm kỳ dị chuyển động.

Thứ hai, phương pháp quy hoạch quỹ đạo theo đường đa thức bậc 5 cho thấy ưu thế vượt trội khi loại bỏ hiện tượng gián đoạn gia tốc. So với quỹ đạo hình thang truyền thống, sai số vận tốc ở 5 khớp xoay khi áp dụng đa thức bậc 5 giảm hơn 35%, triệt tiêu rung giật cơ khí tại thời điểm khởi động và dừng khâu chấp hành cuối.

Thứ ba, thuật toán điều khiển PID tracking đạt độ chính xác cao trong cả không gian khớp lẫn không gian Descartes. Đồ thị phản hồi vị trí và vận tốc bám sát hoàn toàn quỹ đạo đặt, thời gian xác lập dưới 0.5 giây và sai số tĩnh duy trì ở mức xấp xỉ 0%. Khi đưa lực ma sát vào mô hình, bộ điều khiển vẫn bù sai số hiệu quả thông qua khâu tích phân, moment tại các khớp không vượt quá giới hạn tải danh định của hộp số Harmonic.

Thứ tư, mô hình hóa biên dạng cắt ống giao nhau góc 60 độ cho thấy đường cong không gian 3D của ống đường kính 16 mm và 15 mm, bề dày 2 mm đạt độ tiếp xúc bề mặt phẳng hoàn hảo. Quỹ tích giao điểm được chuyển đổi thành công sang hệ tọa độ gốc của robot, tạo tiền đề để khâu chấp hành cuối dẫn hướng mỏ cắt tạo mép vát chuẩn xác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt độ chính xác bám quỹ đạo cao là sự kết hợp tối ưu giữa mô hình nhận dạng tham số từ mô hình 3D SolidWorks và luật điều khiển vòng kín phản hồi phản lực. Toàn bộ dữ liệu kiểm chứng được minh họa chi tiết thông qua hệ thống đồ thị đáp ứng vị trí và vận tốc của từng khớp theo thời gian chạy từ 0 đến 45 giây, đi kèm bảng thống kê sai số quỹ đạo Descartes trong các mặt phẳng tọa độ Oxy, Oyz và Oxz.

Khi so sánh với các nghiên cứu điều khiển tay máy công nghiệp cùng thời kỳ, giải pháp của luận văn giải quyết hiệu quả bài toán hạn chế bậc tự do định hướng bằng cách tối ưu hóa quỹ đạo tương đối giữa phôi ống và mỏ cắt. Kết quả này chứng minh tính khả thi của việc sử dụng cánh tay robot bậc tự do thấp cho các tác vụ công nghệ đòi hỏi độ chính xác cao, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí chế tạo so với việc đầu tư robot 6 bậc nhập ngoại đắt đỏ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao hiệu quả ứng dụng của hệ thống tay máy cắt ống trong môi trường sản xuất thực tế, bốn giải pháp trọng tâm được khuyến nghị thực hiện:

Thứ nhất, nâng cấp thuật toán điều khiển sang phương pháp điều khiển thích nghi hoặc điều khiển trượt trên cơ sở mô hình động lực học đối tượng. Mục tiêu là triệt tiêu hoàn toàn ảnh hưởng của ma sát phi tuyến và biến thiên tải trọng, giảm sai số bám quỹ đạo Descartes xuống dưới 0.2 mm. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6 tháng do nhóm nghiên cứu điều khiển tự động phụ trách.

Thứ hai, trang bị bổ sung encoder quang học độ phân giải cao từ 1024 xung trên vòng trở lên thay cho loại 200 xung trên vòng hiện tại, đồng thời gia công bổ sung thêm 1 bậc tự do xoay tại cổ tay để nâng cấp thành robot 6 bậc tự do hoàn chỉnh. Lộ trình thực hiện kéo dài 12 tháng dưới sự chủ trì của các kỹ sư cơ khí chính xác.

Thứ three, xây dựng module phần mềm CAM chuyên dụng có khả năng tự động đọc file thiết kế 3D định dạng STEP hoặc IGES, tự động tính toán giao tuyến ống và xuất trực tiếp quỹ đạo điều khiển cho robot trong thời gian dưới 5 phút mỗi biên dạng. Dự án phần mềm dự kiến hoàn thành trong 9 tháng do các kỹ sư tin học công nghiệp thực hiện.

Thứ tư, tích hợp đầu cắt Plasma tự động có bộ kiểm soát chiều cao mỏ cắt tự động để mở rộng dải gia công ống kim loại có độ dày từ 2 mm đến 10 mm. Thời gian thử nghiệm thực tế tại xưởng sản xuất là 18 tháng, phối hợp giữa phòng nghiên cứu và các doanh nghiệp kết cấu thép.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

1. Kỹ sư Cơ điện tử và Tự động hóa: Nắm bắt phương pháp luận thiết kế hệ thống điều khiển bám quỹ đạo robot nhiều bậc tự do, cách xử lý bài toán động học thuận ngược và ứng dụng bộ công cụ MATLAB Robotics Toolbox vào thiết kế thực tế.
2. Doanh nghiệp gia công cơ khí và chế tạo kết cấu kim loại: Khai thác giải pháp công nghệ cắt ống tự động phục vụ sản xuất khung giàn không gian, kết cấu nhà xưởng, đường ống công nghiệp, giúp thay thế thợ cắt thủ công và nâng cao độ chính xác mối hàn.
3. Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng tài liệu như một ca nghiên cứu điển hình kết hợp giữa cơ học lý thuyết, mô phỏng 3D trên SolidWorks, lập trình nhúng vi điều khiển và lý thuyết điều khiển tự động.
4. Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Robot: Tham khảo quy trình chuẩn mực từ tính toán giải tích ma trận Denavit - Hartenberg, lập trình mô phỏng đến thiết kế mạch công suất driver điều khiển động cơ servo trong các đề tài tốt nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao robot 5 bậc tự do lại gặp hạn chế khi điều khiển hướng của đầu cắt?

Khác với robot 6 bậc tự do có khả năng định vị độc lập cả 3 tọa độ vị trí và 3 góc hướng trong không gian 3D, cánh tay máy 5 bậc tự do bị thiếu 1 bậc xoay định hướng. Tuy nhiên, luận văn đã khắc phục bằng cách thiết lập ràng buộc góc hợp giữa 2 ống ở mức 60 độ, đảm bảo mỏ cắt luôn vuông góc với tiếp tuyến mặt giao tại mọi điểm cắt.

Ưu điểm vượt trội của quỹ đạo đa thức bậc 5 so với quỹ đạo hình thang là gì?

Quỹ đạo đa thức bậc 5 thiết lập phương trình liên tục cho cả quãng đường, vận tốc và gia tốc chuyển động. Điều này giúp loại bỏ hiện tượng biến thiên gia tốc đột ngột vốn xuất hiện ở dạng hình thang, giảm tải moment tức thời cho hộp số Harmonic và loại bỏ hiện tượng rung lắc cơ khí ở các điểm chuyển tiếp.

Luận văn đã xác định thông số động lực học của robot bằng cách nào?

Do các khâu robot có biên dạng phức tạp không đối xứng, tác giả đã vẽ lại toàn bộ mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks để trích xuất chính xác tọa độ khối tâm và ma trận moment quán tính của từng khâu, ví dụ khâu 2 có khối lượng 2436 gram, sau đó nhập vào Robotics Toolbox để giải phương trình Lagrange.

Phương pháp cắt Plasma có ưu thế gì hơn cắt bằng khí Oxy đối với ống thép mỏng?

Cắt Plasma tạo nhiệt độ cực cao từ miệng phun hồ quang, cho phép cắt nhanh các kim loại có bề dày dưới 12.7 mm với vùng ảnh hưởng nhiệt rất nhỏ. Phương pháp này không làm biến dạng ống thép dày 2 mm, mép cắt phẳng mịn không cần gia công cạo xỉ sau cắt và không cần mồi lửa như cắt Oxy/Gas.

Bài toán động học ngược của cánh tay máy có bao nhiêu nghiệm và xử lý thế nào?

Bài toán động học ngược của cơ cấu 5 bậc tự do này có tổng cộng 4 nghiệm phân giải. Tùy thuộc vào không gian làm việc và vật cản thực tế, hệ thống điều khiển sẽ tự động lựa chọn 1 trong 4 cấu hình cánh tay phù hợp nhất nhằm tối ưu hóa quãng đường dịch chuyển của các khớp xoay.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học động học thuận, động học ngược với 4 bộ nghiệm hình học và động lực học Lagrange cho tay máy 5 bậc tự do.
• Thiết kế thành công bộ điều khiển PID tracking quỹ đạo đa thức bậc 5 trên MATLAB/Simulink, triệt tiêu sai số bám và đảm bảo chuyển động êm mượt cho các khớp xoay.
• Đề xuất giải pháp hình học chính xác để cắt giao tuyến hai ống thép đường kính 16 mm và 15 mm tạo góc nghiêng 60 độ, bảo đảm bề mặt tiếp xúc kín khít cho mối hàn kết cấu.
• Chế tạo và tích hợp thành công hệ thống phần cứng điều khiển gồm mạch xử lý trung tâm, mạch driver công suất cho động cơ HarmonicDrive và giao diện phần mềm giám sát.
• Đóng góp nguồn tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị cao cho quá trình nghiên cứu, ứng dụng tự động hóa chế tạo cơ khí tại Việt Nam.

Lộ trình phát triển tiếp theo của đề tài tập trung vào việc tích hợp nguồn cắt Plasma thực tế và nâng cấp khớp xoay thứ 6 trong vòng 12 đến 18 tháng tới. Các đơn vị sản xuất và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp tục liên kết phát triển công nghệ để sớm thương mại hóa giải pháp tay máy gia công kết cấu ống thép tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu trình bay ly do chon dé tai, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiên của dé tài nghiên cứu. s* Chương 2: Tổng quan G Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong va ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài: nêu những van dé còn tôn tại; chỉ ra những vấn đề mà đề tài cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. °® Chương 3: Dong học vi trí lv + Trinh bày cách tính động học thuận vi trí và động học ngược vi trí của cánh tay robot được khảo sát. s* Chương 4: Động lực học Trang vi Trình bày phương pháp tính phương trình vi phân mô tả chuyển động của robot hay động lực học robot.

Chương 5: Điều khiến Xây dựng bộ điều khiến cho hệ thống. Mô phỏng và kết quả thu được. Chương 6: Ứng dụng cat ông phục vu cho việc lắp ghép kết cau ống thép. Xây dựng phương án dé áp dung tay máy vào việc cắt ống phục vụ lắp ghép kết cầu ống thép.

Chương 7: Thực nghiệm và kết quả đạt được. Mô tả ngắn gon công việc thực nghiệm đã tiễn hành, các số liệu thu được của luận văn. Chương 8: Kết luận và kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo Trình bày những kết quả đạt được của luận văn và đưa ra kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo dựa trên kết quả đạt được. Trang vii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng, nội dung của luận văn này là kết quả làm việc của tôi dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Nguyễn Tan Tiến, Thay TS.

Phùng Trí Công, ngoại trừ các phần tham khảo từ các tài liệu khác được ghi rõ trong luận văn. Lê Quốc Thái Trang viii MỤC LỤC LOL CAM ON 0.Ô iv TOM TAT LUẬN VAN. Gv S E51 1151511111515151 5111111111111 E1 ne ri V LOL CAM ĐOAN. th HH1 re vii 1819069.

VIII DANH MỤC CÁC CHỮ VIET TAT VÀ KÝ HIỆU. X DANH MUC HÌNHH.1 Lý do chọn để tài:.2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu cua để tài: .3 Phương pháp nghiÊn CỨU:. --- - - - << 5 S001 nh 3 14 Y nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của dé tài:.1 Tổng quan về Robot .1 Định nghĩa Robt? 00.2 Các thành phan của Robot: .3 Một số ứng dụng điển hình của robot trong công nghiệp:.2 Tổng quan về robot được khảo sát trong luận văn:. Tổng quan về một số công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài: .1 Bài toán động học thuận: .2 Bai toán động học NQuQe:?.

Bài toán động lực hỌC:.-- -- - << c SH ng vn I1 2.4 Bài toán điều khiển: .5 Tổng quan về ứng dụng cắt ông phục vụ lắp ghép kết cau ống thép: .4 Cac van dé can tập trung giải quyết của dé tài: .1 _ Tính bậc tự do Của CƠ CẤU:.2 Bai toán động học thuận V1 tri:. Bài toán động học ngƯỢC VỊ tris. cọ 30 CHƯƠNG 4. DONG LUC HỌC.1 Tinh động lực học theo phương pháp Lagrange:.2 M6 phỏng động lực hỌC:.1 Hoạch định qui đạo chuyển đỘng:.-- LG HH ng ke 4I 5.2 Vấn để điều khiỂn:.1 Vòng điều khiến vận tỐC:.----- - - + SE Tk St xggrtrgrg 43 5.2 Vòng điều khién Vi trÍ:.---G- - Ek+E+ES SE SE Tkkgkgtg rkrtggreg 50 5.

Tracking qui đạo trong không gian khớp: .24 Tracking qui đạo trong không gian esCarft€s:. UNG DUNG CAT ONG PHUC VU CHO VIEC LAP GHEP KET 9.1 Van đề tiép xúc mặt tại V1 tri hàn: oo.2 Qui đạo end-effector cắt ông Ry! cccccccscscssessssssessssesesesssessesesessesesessesesesseseeees 67 6.3 Qui dao end-effector cắt Ong Rot cceccccccssssessssssessssesessesesessesesessesesesseseseeseseeees 72 CHƯƠNG 7. THUC NGHIEM VÀ KET QUA DAT ĐƯỢC. 76 TL Mô hình thực nghiỆm:.

Mạch driver điều khiến 90151207.2 Mach xử lÍ trung tam: .3 Phần mềm điều khiỂn:.2 Kết quả thực nghiệm: .---- 5-5-5252 E2 E1 31111521 121112111111 E xe, 80 CHƯƠNG 8. KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. 81 Sil KẾT luận:.SQ QC TH TT 11212 TT 11g TT HT ng cư81 B.1 Các kết quả dat đƯỢC: .-- 55t SE SE 1 E5 12111111 ecxre.2 Kết quả chưa đạt:.2 Hướng phát triển của dé tài: cee ecccceccesesesscsesesscsssessesesessesesesseseseeeeseeen 82 DANH MỤC TÀI LIEU THAM KHẢO. - s6 k2 E+E#E£E+EEEsEeEeEsEeEeeseei 83 LY LICH CÁ NHẦN.

k1 119121 1 91511191 1 9 1111151111 11111111 g1 ree 84 Trang x DANH MỤC CÁC CHU VIET TAT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích DOF Degree of freedom DH Denavit—Hartenberg Trang xi DANH MUC HINH Hình 1-1: Robot công nghiệp đầu tiên Unimate.cccccccccscsesssesesesssesseseseecsessees l Hình 2-1: Khớp xoay và khớp trượt. 5 Hình 2-2: Thành phan tay máy với cau hình 3 khớp xoay.--------5-<¿ 5 Hình 2-3: Thành phan cô tay robot với thiết kế khớp cau. 6 Hình 2-4: Một số ứng dụng điển hình của robot trong công nghiệp. 7 Hình 2-5: Robot được khảo Sat.-- - E33 3110101111010 1911111111111 11 1 tr reg 8 Hinh 2-6: Robot duoc vé lai trén phan mềm Solid Works.-- 5 se cscsesxe: 9 Hình 2-7: Định nghĩa các thông số DH a,,œ,,đ,,Ø cho khớp va khâu thứ i.10 Hình 2-8: Quang đường, vận tốc và gia tốc theo đường đa thức bậc 5.

14 Hình 2-9: Quang đường, vận tốc và gia tốc theo đường hình thang. 15 Hình 2-10: Một sơ đồ điều khiển dựa trên mô hình đối tượng [1].--- l6 Hình 2-11: Sơ đồ cắt băng khí [ 1 I].--¿-¿-¿- SE +E+E+E+E£E£EeEEEEEEEErkrkrerererered 17 Hình 2-12: Nguyên lý cắt Plasma.---- - ¿6 S22 E2 SE‡ESEEEEEEEErkrkrkrrkrrrreee 18 Hình 2-13: Hai ống kim loại được hàn theo phương tạo với nhau một góc ø. 19 Hình 3-1: Hình dang rOOI. ngờ 21 Hình 3-2: Robot được vẽ lại trong Solid Works.

S9 ereses 22 Hình 3-3: Gan hệ tọa độ cho tay máy trong SolidWorks.---- - 5c 55s cscscsccee 22 Hình 3-4: Gắn hệ toa độ cho tay máy .----- - - - SE SE SEEEEEEEkEkrkrkrkrkrkrkrkd 23 Hình 3-5: Định nghĩa các tư thé của tay máắyy.---¿-¿- + + 2 Sex rkrkrkrrrrerered 27 Hình 3-6: Tính 0 cho tư thé RIGHT-ABOVE.cccccertirrierirrrirrrries 29 Hình 3-7: Tính 0 cho tư thé LEFT-ABOVE.cccccsrsrierrirrirrrrrrirrrriee 29 Hình 4-1: Khau i và các vector thuộc tính động học [3 .-----««««««<<<s 52 31 Hinh 4-2: Thong số vị trí khối tâm, ma tran moment quán tính trong SolidWorks.34 Hình 4-3: Sơ đồ mô phỏng chuyển động robot dưới tác dụng trọng lực. 37 Hình 4-4: Vị trí và vận tốc của khớp Ì.--¿-¿-¿- - -kk+E+E+ESESESEEEEEEEEEkrkrkrkrkrkrkrkd 37 Hình 4-5: Vị trí và vận tốc của khớp 2.--¿-¿-¿- - xkx+E*E# E5 EEEEEETxExtckrkgkrrưkg 38 Hình 4-6: Vị trí và vận tốc khớp 3.----¿-¿-¿- -EEEEE*E*ES E5 5 11111111 Ekrkrkrkrkd38 Hình 4-7: Vị trí và vận tốc của khớp 4.----¿-¿- - kk+k+E*E* SE SE EExTxTxctrkgkrtrrkg 39 Hình 4-8: Vị trí và vận tốc của khớp 5.- ¿+ + + 2 2123 E* SE E E121 1E rkrree 39 Hình 4-9: VỊ trí của end-©ÍÍ€COT.---- << << C3 303333133111130 1 1111111111111 1 6c ren 40 Hình 5-1: Qui đạo đường đa thức bậc Š. - - -- -c S11 111111 1 1 9 1111111 kg 41 Hình 5-2: Qui đạo đường hình thang.--- (<< + 113999910111 1 9 11v re42 Hình 5-3: Sơ đồ vòng điều khiến vận tỐc.--¿--- - + 252 SE tt Erkrrrrerrsred43 Hình 5-4: Dap ứng của khớp 1 khi không có ma Sat.--- << «<< <<<++244 Hình 5-5: Dap ứng của khớp 2 khi không có ma Sat.--- << «<< <<<++244 Hình 5-6: Dap ứng của khớp 3 khi không có ma Sat. ---- << ««<<<++245 Hình 5-7: Dap ứng của khớp 4 khi không có ma Sat.--- << «<< <<<++245 Hình 5-8: Dap ứng của khớp 5 khi không có ma Sat.--- << «<< <<<++246 Hình 5-9: Sai số vận tốc các khớp khi không có ma sát.--- 2-2 25552:46 Hình 5-10: Dap ứng khớp 1 khi có ma Sat.--- 11111199 key 47 Hình 5-11: Dap ứng khớp 1 khi có ma sát.--- + 1111 S99 1 ve erey47 Hình 5-12: Dap ứng khớp 3 khi có ma Sat.46 Trang xii Hình 5-13: Đáp ứng khớp 4 khi có ma sát.- ----ĂĂ S1 1 9 re, 46 Hình 5-14: Đáp ứng khớp 5 khi có ma Sát.

-- -- - - - << - S1 1 1 re 49 Hình 5-15: Đồ thị moment của các khớp.-- ¿+ - + 2 2+s+E+E+£z£E£E+EzezEersrerered 49 Hình 5-16: Sai số vận tốc các khớp khi có ma sắt.----- - + +c+s+E+E+£sEsrereei 50 Hình 5-17: Sơ đô bộ điều khiến tracking qui đạo.--¿-5- 5 55+c+c<£scscezescee 51 Hình 5-18: Dap ứng khớp ] trong tracking qui dao khớp.-- - - - - ----- +<<<<<<+52 Hình 5-19: Đáp ứng khớp 2 trong tracking qui đạo khớp. ---««««<<<++2 52 Hình 5-20: Dap ứng khớp 3 trong tracking qui đạo khớp. << +<<<<<<+53 Hình 5-21: Dap ứng khớp 4 trong tracking qui đạo khớp. << -<<<<<+53 Hình 5-22: Dap ứng khớp 5 trong tracking qui dao khớp.-- << +<<<<<<+54 Hình 5-23: Sai số vị trí khớp trong tracking qui đạo khớp.---------- s5: 54 Hình 5-24: Sai số vận tốc khớp trong tracking qui đạo khớp.------------ 55 Hình 5-25: Vi tri end-effector trong tracking qui đạo khớp.--- -- -- 55 Hình 5-26: Hướng cua end-effector (roll--pitch--yaw) trong tracking qui dao khớp.56 Hình 5-27: Qui đạo của end-effector khi chiếu lên các mat phang Oxy, Oyz, Oxz.

56 Hình 5-28: Hoạch định qui đạo của end-effector trong hệ toa độ tu nhiên. 58 Hình 5-29: Dap ứng cua end-effector trong hệ tọa độ tự nhiên.- 58 Hình 5-30: Dap ứng khớp ] trong tracking qui dao Descartes.--- 59 Hình 5-31: Dap ứng khớp 2 trong tracking qui dao Descarfes.-‹- 59 Hình 5-32: Dap ứng khớp 3 trong tracking qui dao Descartes.-- 60 Hình 5-33: Dap ứng khớp 4 trong tracking qui dao Descartes.--- 60 Hình 5-34: Đáp ứng khớp 5 trong tracking qui dao Descartes.--- 61 Hình 5-35: Sai số vi trí khớp trong tracking qui dao Descartes.--------: 61 Hình 5-36: Sai số vận tốc khớp trong tracking qui dao Descartes.-- 62 Hình 5-37: Vi tri end-effector trong tracking qui dao Descartes.-- -- 62 Hình 5-38: Hướng cua end-effector (roll-pitch-yaw) trong tracking qui dao Descartes. seceeesaeeeeeseaneeeeeeaeeeceesaceceeseaeeeeeseaaeeceseaeeceseaeeeceeeaaecceseaueeseseaeeseneeeaaeeeeseaaeeees 63 Hình 5-39: Qui đạo của end-effector khi chiếu lên các mặt phẳng Oxy, Oyz, Oxz. 63 Hình 5-40: Sai số vị trí của end-eff€CfOT.

óc 2 + xxx 31128 E2 Esererecee 64 Hình 5-41: Sai số về hướng của end-effCfOr.---- - + 2525522 E£E£EzEzrrsrereee 64 Hình 5-42: Sai số vận tốc của end-eff€CfOT. -c- + xxx S318 ESEkekserersered 65 Hình 5-43: Đồ thi moment của các khớp trong tracking qui dao Descartes. 65 Hình 6-1: Hai ống kim loại cùng đường kính được hàn theo phương vuông góc. Hình chiếu đứng: b.

Cac mặt tiếp xúc T1_P1, T1_P2, T2 PI,T2 P2 vuông góc với mặt phdng năm ngang.--¿--- - + 2 252 E+E+ESEE£E£E+EzEEErkrkrerree 66 Hình 6-3: Truong hợp hai ông Rị> Ra hợp với nhau QOC .----- -- 67 Hình 6-4: Hình trụ R, trong hệ tọa độ CS RÏ.-- 5 5c ssrrses 67 Hình 6-5: Hình trụ R, trong hệ tọa độ CS_ R2. KNNNNNNNNNHHHgAC 68 Hình 6-6: Qui tích giao diém của ông R, va R› trên Ong R¡.--- 5-5552 69 Hình 6-7: Đặt ông R¡ vào hệ tọa độ CSO của robot. 577cc v2 70 Hình 6-8: Chọn nghiệmx = x, — JR? —(R, sin “RE. 71 Hình 6-9: Qui tích giao điểm của ống Ry và Ro trên Ống Rạ.----5-5- c5:73 Hình 6-10: Dat ông R› vào hệ toa độ CSO của robot.