Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc

1. 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP LÊ THỊ THU THỦY NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO ROBOT CHUỖI THEO NHĨM CẤU TRÚC Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9.52.01.03 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Thái Nguyên – 2021
2. 2 Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp - Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Phạm Thành Long Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Thái Nguyên, họp tại Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, đường 3/2, phường Tích Lương, thành phố Thái Nguyên vào hồi giờ ngày tháng năm Cĩ thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Đại học Thái Nguyên - Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp
3. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cĩ nhiều nguyên nhân gây ra độ khơng chính xác của robot, như các nguyên nhân do yếu tố động học (khâu, khớp), động lực học, biến dạng đàn hồi, biến dạng nhiệt, mịn, rơ rão, điều khiển Trong đĩ, nguyên nhân chủ yếu gây ra các sai lệch ban đầu của khâu thao tác của robot (robot mới) là các yếu tố sai lệch trong động học, hình học. Nghiên cứu về sai số, xác định dung sai các tham số động học robot (dung sai kích thước khâu, khớp) nhằm đảm bảo độ chính xác ban đầu của robot cơng nghiệp là cần thiết, cĩ ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Với lí do đĩ, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tính tốn xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhĩm cấu trúc” cho khĩa học nghiên cứu sinh. 2. Mục đích nghiên cứu Xác định được các dung sai kích thước khâu và khe hở khớp (joint clearance) theo yêu cầu cho trước về độ chính xác của robot. Trong đĩ, việc tính tốn mới hồn tồn dung sai cho một robot hoặc tính tốn dung sai cho robot dựa trên một robot mẫu cĩ cùng dạng cấu trúc được tác giả thực hiện. 3. Phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu: nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm kết hợp với mơ phỏng số để kiểm chứng tính đúng đắn của mơ hình tốn mà luận án đã đưa ra. - Đối tượng nghiên cứu: Các robot chuỗi khơng giới hạn bậc tự do; Các robot cùng dạng cấu trúc.
4. 2 - Phạm vi nghiên cứu: Tính tốn, thiết kế dung sai các kích thước khâu, khớp ảnh hưởng đến độ chính xác ban đầu của robot. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4.1 Ý nghĩa khoa học - Xây dựng được mơ hình tốn thể hiện mối liên hệ giữa độ chính xác khâu cuối của robot chuỗi với dung sai các tham số khâu, khớp thành phần. - Bài tốn xác định dung sai được thực hiện với việc xác định dung sai khâu và khe hở khớp riêng rẽ giúp đơn giản quá trình tính tốn. - Phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (GRG) được phát triển để áp dụng trong bài tốn xác định dung sai. - Kỹ thuật tính tốn dung sai dựa trên quan hệ cùng dạng cấu trúc của tay máy giúp rút ngắn các giai đoạn tính tốn thiết kế dung sai. - Mơ hình nội suy, dự đốn sai số bằng hàm dạng được xây dựng giúp giảm khối lượng đo, xác định sai số của khâu cuối trong tồn khơng gian làm việc. - Phần mềm chuyện biệt được xây dựng nhằm kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai giúp kết quả tính tốn dung sai luơn đảm bảo tính đúng đắn, ngay cả trong sản xuất loạt lớn hàng khối các khâu khớp khi lắp ráp thành phần được lắp lẫn. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu sẽ là một nguồn tham khảo cho các kỹ sư, nhà thiết kế robot trong việc tính tốn dung sai, bảo đảm độ chính xác ban đầu của khâu cuối.
5. 3 Việc xác định mối quan hệ giữa độ chính xác khâu cuối với dung sai các khâu, khe hở các khớp thành phần sẽ giúp các nhà thiết kế hiểu rõ hơn bản chất, mức độ ảnh hưởng của sai số của từng tham số này đến độ chính xác ban đầu của robot. 5. Đĩng gĩp mới của luận án Việc tiến hành xây dựng mơ hình tốn tính tốn, thiết kế dung sai khâu và khe hở khớp của robot cơng nghiệp dựa trên độ chính xác ban đầu của khâu cuối là hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam và nội dung nghiên cứu hồn tồn khơng cĩ sự trùng lặp với các nghiên cứu khác trên thế giới. Với kỹ thuật tính tốn dung sai dựa trên nhĩm cấu trúc và một chương trình chuyên biệt cho phép kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai trong trường hợp lắp lẫn hồn tồn, thời gian và chi phí tính tốn theo phương pháp thiết kế mà tác giả đề xuất sẽ được rút ngắn so với quy trình thiết kế dung sai chuỗi kích thước thơng thường. 6. Cấu trúc của luận án Ngồi phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và phụ lục, luận án được cấu trúc với bốn chương như sau: Chương 1: Tổng quan về thiết kế dung sai cho robot. Trong chương này luận án trình bày tổng quát về sai số và các nguồn gây sai số tại khâu cuối của robot. Các nguyên cứu trong và ngồi nước về ảnh hưởng của sai số các tham số động học đến độ chính xác, và việc thiết kế dung sai các tham số này được chỉ ra. Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn học biểu diễn mối quan hệ giữa dung sai khâu, khe hở khớp và độ chính xác của robot. Lý thuyết cơ bản về việc áp dụng thuật tốn tối ưu bằng phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (GRG) để giải bài tốn động học ngược
6. 4 robot được trình bày. Đây là cơ sở để phát triển phương pháp số cho bài tốn xác định dung sai. Đặc biệt, các mơ hình tốn nhằm xác định dung sai các khâu, khớp thành phần dựa trên độ chính xác của khâu cuối của robot được xây dựng. Trong đĩ phân ra làm hai trường hợp cụ thể: tính tốn mới từ đầu dung sai sơ bộ cho một robot độc lập và tính tốn dung sai sơ bộ cho một hay nhiều robot dựa trên một robot mẫu đã cĩ sẵn dung sai và cĩ cùng dạng kết cấu với robot cần thiết kế. Chương 3: Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai – Hồn thiện quá trình thiết kế. Tồn bộ nguyên tắc và quy trình thực hiện bước kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai hồn thiện quá trình thiết kế được trình bày thơng qua một chương trình chuyên biệt đã được tác giả xây dựng dựa trên cơ sở bài tốn động học thuận và thống kê lắp lẫn. Chương 4: Phân vùng độ chính xác. Trong tồn khơng gian làm việc của robot, sai số tại tâm của khâu chấp hành cuối là thay đổi và khác nhau tại từng vị trí. Để đảm bảo cho việc xác định dung sai các tham số động học của robot được đúng đắn và tồn diện, quá trình tính tốn cũng như hiệu chỉnh dung sai được thực hiện tại những vị trí mà tại đĩ sai số khâu cuối là lớn nhất. Quá trình đo sai số bằng thực nghiệm và mơ hình tốn nội suy sai số bằng hàm dạng được áp dụng nhằm tìm ra vị trí khâu cuối cĩ sai số lớn nhất trong khơng gian làm việc sẽ được trình bày trong chương này. Chương 5: Ứng dụng tính tốn xác định dung sai cho một số robot điển hình. Một số ứng dụng trên các robot cụ thể được tác giả tiến hành tính tốn, mơ phỏng số, thực nghiệm nhằm chứng minh cho tính đúng đắn và hiệu quả của thuật tốn và phương pháp tính đã đề xuất.
7. 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ DUNG SAI CHO ROBOT 1.1 Sai số và các nguồn gây sai số Sai số được hiểu là giá trị chênh lệch giữa giá trị đo được hoặc tính được và giá trị thực hay giá trị chính xác của một đại lượng nào đĩ, điều này luơn tồn tại trong kỹ thuật. Robot cơng nghiệp là sự kết nối của chuỗi các bộ phận hợp thành nên cũng tồn tại nhiều sai số. Các sai số này tích lũy đến khâu chấp hành cuối (khâu cuối) làm cho robot hoạt động về mặt vị trí, hướng, vận tốc, gia tốc trong khơng gian cơng tác khơng đạt được các giá trị điều khiển mong muốn. Cĩ thể phân ra thành các nguồn gây sai số chính trong khơng gian cơng tác này của robot như sau: Các sai số hình học hoặc động học: Cịn lại là các sai số phi hình học: 1.2 Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc về thiết kế dung sai robot 1.2.1 Các cơng trình nghiên cứu trong nước Tính tới thời điểm hiện tại, chỉ cĩ một lượng rất ít các cơng trình nghiên cứu được cơng bố trong nước cĩ liên quan đến khảo sát độ chính xác của các tay máy. Điển hình là luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Đỗ Anh Tuấn - Đại học Bách khoa Hà Nội, 2013 đã thực hiện đề tài: “Mơ hình hĩa và khảo sát sai số của robot cơng nghiệp”. 1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước Cĩ hai dịng quan điểm lớn trong quá trình thiết kế dung sai động học robot là:
8. 6 - Nghiên cứu mang tính định tính: Các nghiên cứu chỉ tập trung xác định yếu tố nào (sai lệch của khâu, khớp) ảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác khâu cuối của tay máy. - Nghiên cứu mang tính định lượng: dung sai các khâu, khớp thành phần được xác định dựa trên các hàm mục tiêu xác định. 1.3 Những vấn đề cịn tồn tại Với các nghiên cứu được cơng bố, các tác giả đã sử dụng nhiều kỹ thuật, cơng cụ tính tốn khác nhau. Tuy nhiên, một quá trình thiết kế đầy đủ, chặt chẽ về dung sai các tham số kích thước khâu, khớp của robot dường như cịn rất ít và khơng đầy đủ. Hầu hết trong số đĩ đều được thực hiện với những giả định đã cho về dung sai các tham số, tức là khơng tính tốn dung sai ngay từ đầu. Đặc biệt, với quá trình phát triển và phân hĩa rõ ràng như ngày nay, các tay máy cĩ mơ hình động học gần như là giống nhau, nhất là cấu hình điển hình ở robot chuỗi sáu bậc tự do. Ý tưởng thiết kế dung sai cho cả nhĩm robot cĩ cùng dạng cấu trúc dựa trên một robot mẫu trong nhĩm là rất thực tế và hữu ích. Hướng tiếp cận này sẽ giúp rút ngắn đáng kể các cơng đoạn tính tốn trong khâu thiết kế. 1.4 Hƣớng nghiên cứu của luận án 1.4.1 Giả thuyết khoa học của luận án 1.4.2 Nội dung cơ bản của luận án Bước 1: Xác định giá trị dung sai khâu, khớp sơ bộ làm xấp xỉ đầu cho bài tốn thiết kế dung sai. Tại đây được chia làm hai bài tốn lớn: - Xác định giá trị xấp xỉ đầu trong trường hợp tính mới từ đầu một
9. 7 robot độc lập - Xác định giá trị xấp xỉ đầu dựa trên robot mẫu cĩ cùng dạng cấu trúc. Bước 2: Xác định giá trị dung sai thiết kế cuối cùng – hồn thiện quy trình thiết kế. - Kiểm tra, hiệu chỉnh giá trị dung sai khâu, khớp hợp lí.  Phân vùng và xác định vị trí trong khơng gian làm việc mà tại đĩ khâu cuối cĩ sai số lớn nhất. 1.4.3 Kết quả nghiên cứu của luận án Một quy trình tính tốn, thiết kế đầy đủ, tồn diện về dung sai kích thước các khâu thành phần và khe hở các khớp (dung sai tọa độ suy rộng) của robot cơng nghiệp được xây dựng. Đây là cơng cụ hữu ích và là một kênh tham khảo cho các nhà thiết kế và chế tạo robot. Sau tính tốn, dung sai các tham số động học gồm dung sai kích thước các khâu và tọa độ suy rộng được xác định. Các giá trị dung sai này sẽ được sử dụng cho hai mục đích sau: a) Xác định dung sai tọa độ suy rộng để chọn thiết bị điện tử của robot b) Xác định dung sai chế tạo của kích thước chiều dài các khâu Kết luận chương 1 Một số lượng nhất định các cơng trình nghiên cứu trên thế giới về tác động của sai lệch khâu, khớp lên độ chính xác khâu cuối robot và việc xác định dung sai các tham số động học của robot đã được tiến hành và cơng bố. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều được thực
10. 8 hiện với sự giả định cho trước của các giá trị dung sai cần thiết kế. Các cơng trình này chưa cĩ những tính tốn đầy đủ nhằm tìm ra dung sai khâu, khớp theo yêu cầu từ sai số cho phép của khâu cuối. Nhiệm vụ bài tốn đặt ra là xác định dung sai kích thước các khâu, khớp thành phần của robot nhằm đảm bảo robot đạt được độ chính xác ban đầu theo yêu cầu.
11. 9 Chƣơng 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ GIỮA DUNG SAI KHÂU, KHỚP VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT 2.1 Xây dựng mơ hình tốn trong thiết kế dung sai cho một robot độc lập 2.1.1 Cơ sở xây dựng mơ hình tốn 2.1.1.1 Phương pháp mơ tả độ chính xác khâu cuối - Hình cầu giới hạn sai số cho phép Trong khơng gian ba chiều cĩ thể mơ tả độ chính xác/độ tin cậy của robot bằng một mặt cầu sai số, là mặt cầu cĩ tâm ở vị trí mong muốn và cĩ bán kính là độ chính xác định vị cho trước. Robot đảm bảo độ chính xác khi tại mỗi điểm khảo sát, điểm tiếp cận thực tế của khâu cuối thuộc mặt cầu này và ngược lại, khi các điểm khảo sát cĩ điểm rơi ra ngồi mặt cầu thì cĩ nghĩa robot thiết kế đã khơng đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu đã đặt ra (Hình 2.1). §iĨm v•ỵt qu¸ sai sè cho phÐp §iĨm n»m trong ph¹m vi sai sè cho phÐp B¸n kÝnh sai sè cho phÐp r VÞ trÝ thùc tÕ VÞ trÝ mong muèn cđa tay kĐp Hình 2. 1: Mơ tả độ chính xác định vị khâu cuối cho phép.
12. 10 2.1.1.2 Mơ hình tốn tổng quát Gọi r là bán kính cầu giới hạn sai số. Mơ hình động học của robot khi xét đầy đủ sai lệch khâu, khớp được thể hiện như sau: faad(  , dqqpdi , ) r 1, , n (2. 6) i i i i i i j Tuy nhiên, việc thực hiện đồng thời bài tốn xác định dung sai khâu, khớp là rất khĩ khăn, phức tạp. Bài tốn được chia thành hai bài tốn nhỏ. Khi đĩ, việc xác định dung sai của hai nhĩm tham số kích thước khâu d, a và nhĩm tọa độ suy rộng q một cách riêng rẽ khơng xét đến ảnh hưởng của nhau được thực hiện. dr f( a  a , d d , q ) p i 1, , n (2. 7) i i i i i j 2 Từ phương trình này tính tốn được adii, khi cho qi = const. Đảo lại để xác định dung sai khớp sử dụng phương trình dưới đây: dr f( ai , d i , q i  q i ) p j i 1, , n (2.10) 2 2.1.1.3 Giải bài tốn động học theo phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (Generalized Reduced Gradient - GRG) 2.1.2 Xây dựng mơ hình tốn cho robot 6DOF 2.1.3 Xây dựng mơ hình tốn cho robot chuỗi 5DOF 2.1.4 Xây dựng mơ hình tốn cho robot SCARA 4DOF 2.2 Xây dựng mơ hình tốn trong thiết kế dung sai cho các robot cùng nhĩm cấu trúc động học 2.2.1 Một số khái niệm mới 2.2.1.1 Hai robot đồng dạng
13. 11 2.2.1.2 Tỉ số đồng dạng kích thước 2.2.1.3 Tỉ số độ chính xác 2.2.2 Bài tốn số 1 (trường hợp 1 và 2): Hai robot đồng dạng kích thước Ở trường hợp 1: nếu tỉ số đồng dạng robot bằng với tỉ số độ chính xác robot, trường hợp này chỉ cần biết dung sai của một trong hai robot A hoặc B và tính tốn robot cịn lại theo (2.50). kr = k Ở trường hợp 2: nếu hai robot đồng dạng nhưng tỉ số đồng dạng khác tỉ số độ chính xác ( kkr ), tức là độ chính xác khơng được thu phĩng theo cùng một tỉ lệ với kích thước của robot. 2.2.3 Bài tốn số 2 (trường hợp 3): Hai robot cùng dạng cấu trúc nhưng khơng đồng dạng Xét trường hợp các robot được thiết kế cĩ cùng dạng cấu trúc với một robot mẫu đã tính được dung sai mà khơng đồng dạng. Mặt khác độ chính xác định vị khâu cuối rA và rB cũng khác nhau.Tìm dung sai các tham số khâu của B? Bài tốn cần giải quyết qua robot trung gian C với hai pha như dưới đây: 1) Pha 1: (Tìm rC trên robot trung gian C) 2) Pha 2: (tìm dung sai của robot B dựa trên robot C đồng dạng với nĩ) Kết luận chương 2 Dựa trên phương pháp số GRG, mối quan hệ chuyển đổi qua lại giữa hai tọa độ trong khơng gian khớp và khơng gian cơng tác được thực hiện với độ chính xác cao. Các dung sai khâu, khớp sau khi tính tốn sẽ là bộ giá trị dung sai sơ bộ làm xấp xỉ đầu cho quá trình kiểm tra, hiệu chỉnh để hồn thiện quá trình thiết kế.
14. 12 CHƢƠNG 3: KIỂM TRA, HIỆU CHỈNH DUNG SAI – HỒN THIỆN QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ 3.1 Phần mềm kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai * Thuật tốn để xây dựng phần mềm: là hệ phương trình động học thuận của robot. Ứng với mỗi loại robot thì sẽ cĩ hệ phương trình động học thuận khác nhau: + Robot chuỗi 6DOF: cơng thức (2.30) + Robot chuỗi 5DOF: cơng thức (2.36, 2.37) + Robot SCARA: cơng thức (2.42, 2.43). * Cơ sở dữ liệu: Phần mềm khơng cĩ cơ sở dữ liệu. Các tham số, dữ liệu về bán kính cầu, kích thước dài của khâu, tọa độ suy rộng của khớp và các dung sai tương ứng được nhập trực tiếp và xử lý ngay trong bộ nhớ RAM. * Chức năng của phần mềm: Phần mềm cĩ chức năng kiểm tra và hiệu chỉnh dung sai sơ bộ, hồn thiện quy trình thiết kế dung sai. Nội dung cụ thể được trình bày ở mục 3.2. * Các khối modul cơ bản của phần mềm: - Nhập dữ liệu: - Xử lý dữ liệu: * Giao diện phần mềm: được giới thiệu ở Phụ lục 4. * Quy trình thao tác: Các bước sử dụng phần mềm được thể hiện ở Mục 3.3.
15. 13 * Code chương trình: Code chương trình kiểm tra độ chính xác của robot SCARA 4DOF ở Phụ lục 6, của robot chuỗi 5DOF ở Phụ lục 7 và của robot chuỗi 6DOF ở Phụ lục 8. 3.2 Các chức năng của phần mềm 3.2.1 Kiểm tra 3.2.2 Hiệu chỉnh Cĩ hai trường hợp cần thực hiện hiệu chỉnh sau kiểm tra lắp lẫn: - Trường hợp 1: Sai số tích lũy tại khâu cuối lớn, vượt giới hạn cho phép (cĩ điểm rơi trong kiểm tra lắp lẫn nằm ngồi quả cầu cầu hạn sai số), - Trường hợp 2: Sai số tích lũy tại khâu cuối nhỏ hơn nhiều giới hạn sai số cho phép (tức là, các điểm rơi tập trung sát tâm cầu và cách xa biên của khối cầu khống chế sai số). 3.3 Các thao tác và kết quả hiển thị trên phần mềm 3.3.1 Nhập dữ liệu 3.3.2 Kết quả hiển thị Kết luận chương 3 Để hồn thiện quy trình thiết kế, việc kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai được trình bày trong chương này. Một chương trình chuyên biệt đã được tác giả xây dựng trên cơ sở bài tốn động học thuận và nguyên lý lắp lẫn trong sản xuất loạt lớn hàng khối nhằm kiểm tra bộ dung sai xấp xỉ đầu (đã xác định tại bước một) cĩ thỏa mãn yêu cầu độ chính xác khâu cuối đã đưa ra hay khơng.
16. 14 CHƢƠNG 4: PHÂN VÙNG ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG KHƠNG GIAN CƠNG TÁC 4.1 Tổng quan 4.1.1 Lý do thực hiện bài tốn Để đơn giản hĩa trong quy trình khảo sát các vị trí của khâu cuối mà vẫn đảm bảo tính đúng đắn của phương pháp tính, một mơ hình dự đốn sai số nhằm phân vùng độ chính xác của tay máy trong khơng gian cơng tác được tác giả xây dựng. Một bộ các giá trị sai số khâu cuối được đo từ một robot mẫu kết hợp với việc sử dụng phương pháp hồi quy thực nghiệm bằng hàm dạng (shape function), sẽ hình thành nên mơ hình tốn cĩ chức năng ước tính được sai số của khâu cuối tại bất kỳ vị trí nào trong khơng gian khảo sát. Từ đĩ, những vị trí mà tại đĩ khâu cuối cĩ sai số lớn nhất được chỉ ra. 4.1.2 Các phương pháp nghiên cứu trên thế giới 4.1.3 Nội dung tổng quát thực hiện việc phân vùng độ chính xác 4.2 Quy trình thực hiện 4.2.1 Xác định vùng khơng gian khảo sát 4.2.2 Đo sai số tại một số điểm mẫu trong khơng gian khảo sát 4.2.3 Xử lý số liệu 4.2.4 Xây dựng hàm dạng 4.2.5 Phân vùng độ chính xác Kết luận chƣơng 4 Để tiết kiệm thời gian và cơng sức tính tốn, một mơ hình ước tính sai số của khâu cuối tại các vị trí trong khơng gian cơng tác được
17. 15 tác giả xây dựng. Việc phân vùng độ chính xác được thực hiện trên cơ sở hồi quy thực nghiệm bằng hàm dạng bậc hai. Quá trình thực hiện bài tốn cĩ sử dụng đến các kết quả đo sai số từ một robot mẫu mới, cĩ cùng dạng cấu trúc với robot cần thiết kế dung sai. Dữ liệu tính tốn các giá trị dừng của hàm dạng được lấy từ các giá trị sai số thực nghiệm này và được xử lý trên phần mềm MiniTab.
18. 16 CHƢƠNG 5: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO MỘT SỐ ROBOT ĐIỂN HÌNH. 5.1 Thiết kế dung sai cho một robot độc lập 5.1.1 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi hai bậc tự do 5.1.1.1 Xác định xấp xỉ đầu 5.1.1.2 Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai 5.1.2 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi sáu bậc tự do 5.1.2.1 Xác định giá trị dung sai làm xấp xỉ đầu 5.1.2.2 Kiểm tra và hiệu chỉnh dung sai 5.2 Thiết kế dung sai dựa trên quan hệ nhĩm cấu trúc 5.2.1 Trường hợp 1: Tính tốn robot B đồng dạng với A và k=kr 5.2.2 Trường hợp 2: Tính tốn dung sai robot B’ với B’ và A cĩ k ≠ kr B’ cĩ cùng thơng số động học với robot A nhưng yêu cầu sai số điểm cuối khác robot A, tức là rrBA' . Xét hai tình huống sau: - Tình huống 1: rrBA' - Tình huống 2: rrBA' 5.2.3 Trường hợp 3: Hai robot cùng dạng kết cấu 5.3 Hiệu chỉnh dung sai khi kiểm tra phối hợp Trong trường hợp kiểm tra phối hợp sau bài tốn xác định xấp xỉ đầu của dung sai (giải độc lập cho từng nhĩm tham số (a,d) và (q)) cĩ kết quả đáp ứng vị trí vượt ra ngồi mặt cầu mơ tả chất lượng thiết kế. Cần tiến hành hiệu chỉnh các dung sai thành phần bằng cách thu
19. 17 hẹp miền dung sai lớn hơn hoặc căn chỉnh tương đối giữa các miền dung sai. Quá trình được thực hiện trên phần mềm. 5.4 Thực nghiệm phân vùng độ chính xác trong khơng gian cơng tác 5.4.1 Máy đo độ chính xác và sơ đồ thí nghiệm Một camera chính xác cao được sử dụng trong phịng thí nghiệm của hãng Cognex: Camera scan 3D 5005 area ghi lại chính xác các sai số thực của điểm cuối robot với độ phân giải theo các phương x, y là 44 µm, z là 8 µm, độ chính xác lặp là 6 µm. Khơng gian khảo sát Robot thí nghiệm Camera 3D 5005 Hình 5. 23: Thí nghiệm lấy mẫu xác định sự phân bố sai số của khâu cuối trong khơng gian cơng tác 5.4.2 Nội suy sai số khâu cuối trong khơng gian cơng tác 5.4.3 Khảo sát kiểm chứng Kết luận chƣơng 5 Với mục đích giảm khối lượng tính tốn trong khi vẫn kiểm sốt
20. 18 được hết các khả năng khơng mong muốn, tác giả đã sử dụng thuật tốn xác định xấp xỉ đầu của dung sai, phân vùng độ chính xác của khâu cuối trong khơng gian làm việc bằng hàm dạng và kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai hợp lý theo nguyên tắc thống kê lắp lẫn trên phần mềm tự xây dựng. Đây là một quy trình đầy đủ, chặt chẽ và hiệu quả trong việc xây dựng, tính tốn dung sai các tham số động học của robot cơng nghiệp, giúp các nhà thiết kế tiết tiệm thời gian, giảm chi phí trong khâu thiết kế.
21. 19 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận Luận án đã thực hiện đầy đủ các nội dung nghiên cứu để đạt được mục đích đặt ra. Những kết quả đạt được và những đĩng gĩp mới của luận án trong nghiên cứu, thiết kế dung sai các tham số động học của robot là: 1. Xây dựng được mơ hình tốn thể hiện mối liên hệ giữa độ chính xác khâu cuối của robot với dung sai các tham số khâu, khớp thành phần. Mơ hình tốn cụ thể được xây dựng cho cơ cấu robot chuỗi SCARA bốn bậc tự do, robot năm bậc tự do và robot chuỗi sáu bậc tự do. Bài tốn xác định dung sai được chia làm hai bài tốn nhỏ riêng rẽ là xác định dung sai khâu và xác định dung sai khớp (tọa độ suy rộng) giúp đơn giản hĩa cơng thức tính tốn. 2. Phương pháp số GRG được phát triển và áp dụng trong bài tốn xác định dung sai. Quy trình tính dựa trên thuật tốn tối ưu này đảm bảo tính chính xác trong kết quả, nhanh chĩng và thuận tiện khi thực hiện. 3. Việc tính tốn dung sai được thực hiện từ đầu, khơng gán hay giả thiết về một giá trị cho trước nào đĩ. Các kết quả tính tốn thể hiện tính hợp lí và tối ưu khi phản ứng động học tự nhiên của cơ cấu luơn được tơn trọng. 4. Kỹ thuật tính tốn dung sai dựa trên quan hệ cùng dạng cấu trúc của robot giúp rút ngắn các giai đoạn tính tốn thiết kế. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích khi các robot cơng nghiệp dù cĩ số lượng rất lớn nhưng lại chỉ cĩ một vài kết cấu điển hình. 5. Cả hai thơng số dung sai (của khâu và khớp) sau khi tính tốn riêng rẽ được đưa vào kiểm tra phối hợp và hiệu chỉnh trong điều kiện thống kê lắp lẫn, đảm bảo tính đúng đắn của kết quả dung
22. 20 sai thiết kế khi các khâu, khớp được sản xuất và lắp ráp theo như bản vẽ chế tạo đã đề ra. 6. Quá trình hiệu chỉnh dung sai được thực hiện nhanh chĩng và chính xác trên phần mềm chuyên biệt trên máy vi tính dựa trên cơ sở bài tốn động học thuận và thống kê lắp lẫn. Việc này cĩ thể diễn ra hồn tồn tự động nhờ chức năng Autofix hoặc chủ động điều chỉnh biên của dung sai các tham số thành phần theo chủ ý của nhà thiết kế nhằm đảm bảo tính hợp lí nhất về kinh tế và kỹ thuật. 7. Một mơ hình nội suy, dự đốn sai số bằng hàm dạng đã được thực hiện. Khi khâu thao tác di chuyển đến bất kỳ vị trí nào trong khơng gian cơng tác độ chính xác ban đầu của robot sẽ luơn nằm trong phạm vi cho phép do quá trình tính tốn sơ bộ và kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai đã được tiến hành tại vị trí mà ở đĩ, sai lệch của khâu cuối là lớn nhất. Theo nhìn nhận của tác giả, các kết quả nghiên cứu của luận án cĩ giá trị trong thiết kế, chế tạo robot cơng nghiệp, giúp các nhà thiết kế tính tốn chính xác dung sai các tham số khâu, khớp theo yêu cầu độ chính xác mong muốn, đồng thời giúp giảm khối lượng tính tốn khi áp dụng phương pháp số GRG và tính tốn theo nhĩm kết cấu. 2. Kiến nghị hƣớng phát triển của đề tài Tiếp tục nghiên cứu, khảo sát và ứng dụng mơ hình tốn sang các lĩnh vực tính tốn các hệ đo lường gián tiếp nhiều thứ nguyên khác, trong đĩ mỗi thành phần sai số cĩ thể cĩ bản chất khác nhau. Ví dụ, cho sai số của y =f (x1, x2, , xn) Trong đĩ, x1: thứ nguyên là (mm) x2: thứ nguyên là (kg) x3: thứ nguyên là (kcal) Yêu cầu xác định dung sai các thành phần xi
23. 21 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN I. Sách 1. Sách chuyên khảo: PGS. TS. Phạm Thành Long, PGS. TS. Nguyễn Hữu Cơng, Th.s Lê Thị Thu Thủy, Ứng dụng phương pháp giảm gradient tổng quát trong kỹ thuật robot, ISBN: 978- 604-67-0985-5, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 12/2017. II. Các bài báo đăng quốc tế 1. Pham Thanh Long (Corresponding Author), Le Thi Thu Thuy (Corresponding Author) and Nguyen Huu Thang, Determining the parameter area at the request of a physical field based on shape function technique, International Conference on Engineering Research and Applications ICERA 2019, Scopus, p. 270-277, doi.org/10.1007/978-3-030-04792-4_36 2. Thuy Le Thi Thu (Corresponding Author), Long Pham Thanh, Tolerance Calculation for Robot Kinematic Parameters to Ensure End-Effector Errors within a Predetermined Limit Area, International Journal of Engineering Research and Technology. ISSN 0974-3154, Volume 12, Number 9 (2019), © International Research Publication House. Q3 Scopus, p.1460-1473, 9/2019 3. Thang Nguyen Huu, Khanh Duong Quoc, Thuy Le Thi Thu (Corresponding Author) and Long Pham Thanh, Manufacturing cost of robot structures with tolerance calculated on the view of kinetic response and that of technology, International Conference on Engineering Research and Applications ICERA 2019, ISSN: 2367-3370; Scopus, p.462-470, 12/2019
24. 22 4. Thang Nguyen Huu, Khanh Duong Quoc, Thuy Le Thi Thu (Corresponding Author) and Long Pham Thanh, A solution to adjust kinetic of industrial robots based on alternative trajectories, International Conference on Engineering Research and Applications ICERA 2019, ISSN: 2367-3370, Scopus, p.55-65, 12/2019 5. Thuy Le Thi Thu (Corresponding Author), Khanh Duong Quoc and Long Pham Thanh, Calibration of Industrial Robot Kinematics Based on Results of Interpolating Error by Shape Function, Journal of Engineering and Applied Sciences, ISSN: 1816-949X, © Medwell Journals, Vol 15 (6), p.1451-1461, 2020 6. Thuy Le Thi Thu (Corresponding Author), Trung Trang Thanh, Huu Thang (Corresponding Author) and Long Pham Thanh, About a Viewpoint of Calculating Spatial Dimensional Tolerance Chains According to Structure Group of a Parallel Robot, International Conference on Engineering Research and Applications ICERA 2020, SCOPUS, 12/2020. 7. Thanh-Trung Trang, Thi-Thu-Thuy Le (Corresponding Author), Thanh-Long Pham, Suggestion on Using the Hexapod Robot as A Coordinate Measuring Machine in Digitizing Data and Measuring Space Surfaces, 2020 International Conference on Physics, Mechanics and Mathematical Science, SCOPUS, EI, 11/2020. III. Các bài báo đăng trong nƣớc 1. Phạm Thành Long và Lê Thị Thu Thủy, Tính tốn dung sai chuỗi dẫn động chốt khĩa két sắt bằng phương pháp số, Tạp chí
25. 23 khoa học cơng nghệ đại học Thái Nguyên, ISSN 1859-2171, tập 176, số 16/2017, tr.11-18, 12/2017 2. Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy và Phạm Đức Dương, Tính tốn đồ gá ổn định động học cĩ cấu trúc robot, Tạp chí khoa học cơng nghệ đại học Thái Nguyên, ISSN 1859-2171, tập 185, số 9/2018, tr.71-76, 8/2018 3. Lê Thị Thu Thủy và Phạm Thành Long, Determining reasonable dimesion in robot structure design, Tạp chí nghiên cứu khoa học và cơng nghệ quân sự, ISSN 1859 – 1043, tr.189- 194, 8/2018 4. Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy và Dương Quốc Khánh, Solving the kinematics problem for assymetrical parallel manipulator base on GRG method, Tạp chí nghiên cứu khoa học và cơng nghệ quân sự, ISSN 1859 – 1043, tr.195-204, 8/2018 5. Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy, Dương Quốc Khánh, Điều khiển robot mềm trên cơ sở nội suy hàm dạng kết hợp bù kép, Tạp chí nghiên cứu khoa học và cơng nghệ quân sự, ISSN 1859 – 1043, tr. 219-225, 8/2018 6. Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy, Nguyễn Hữu Thắng, Lê Đức Độ, So sánh và lựa chọn hàm dạng phù hợp trong nội suy trường nhiệt độ, Tạp chí khoa học cơng nghệ đại học Thái Nguyên, ISSN 1859-2171, tập 189, số 13/2018. Tr. 73-78, 12/2018 7. Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy, Mơ hình và lời giải số cho bài tốn động học robot song song bất đối xứng nhĩm 3URS, Tạp chí khoa học cơng nghệ đại học Thái Nguyên, ISSN 1859-2171, tập 200, số 7/2019, tr. 113-117, 5/2019
26. 24 8. Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy,Vũ Thu Hà, Ảnh hưởng của phương pháp tính đạo hàm đến độ chính xác kết quả của bài tốn động học robot giải bằng phương pháp GRG trên robot chuỗi và robot song song, Tạp chí khoa học cơng nghệ đại học Thái Nguyên, ISSN 1859-2171, tập 200, số 7/2019, tr.169-174, 5/2019 9. Phạm Thành Long, Dương Quốc Khánh, Lê Thị Thu Thủy, Một giải pháp tính tốn đảm bảo sai số khâu cuối robot nằm trong miền giới hạn định trước, Tạp chí khoa học cơng nghệ đại học Thái Nguyên, ISSN 1859-2171, tập 204, số 11/2019, tr. 205-210, 8/2019 10. Vũ Thu Hà, Lê Thị Thu Thủy, Dương Quốc Khánh, Phạm Thành Long, Giá thành và lựa chọn khâu, khớp hợp lý trên cơ sở điều chỉnh dung sai khi thiết kế cơ cấu robot, Tạp chí nghiên cứu khoa học và cơng nghệ quân sự, ISSN 1859 – 1043, tr. 30 – 36, 10/2019 11. Phạm Thành Long, Dương Quốc Khánh, Lê Thị Thu Thủy, A problem of tolerance calculation of serial manipulators based on processing technology, Tạp chí nghiên cứu khoa học và cơng nghệ quân sự, ISSN 1859 – 1043, tr. 180 – 185, 10/2019 12. Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy, Về một phương pháp phân vùng độ chính xác trong khơng gian cơng tác của robot, Tạp chí nghiên cứu khoa học và cơng nghệ quân sự, ISSN 1859 – 1043, tr. 216 – 222, 10/2019 13. Phạm Thành Long, Nguyễn Văn Thịnh, Lê Thị Thu Thủy, Mơ hình hĩa và mơ phỏng trường nhiệt độ trong buồng dưỡng hộ ngĩi xi măng cát, cốt sợi polymer, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 5, 2020.