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

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.

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.