Phân tích động học và mô phỏng số cơ cấu chấp hành song song 3rps

hiện nay đang trong thời kì thực hiện công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế. Đòi hỏi sự cố gắng nỗ lực ở tất cả các ngành, các lĩnh vực để phát huy nội lực trên cơ sở nền tảng sẵn có và tiếp thu những tiến bộ khoa học trên thế giới. Đồ án này nghiên cứu đề tài: “Phân tích động học và mô phỏng cơ cấu chấp hành song song 3RPS”. đồ án gồm có 4 chương: Chương 1: Giới thiệu những nét khái quát về Robot, cụ thể là cơ cấu chấp hành song song 3RPS như định nghĩa, phân loại, ưu nhược điểm, xu hướng phát triển. Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết phân tích động học của cơ cấu chấp hành song song như ma trận côsin chỉ hướng, các ma trận quay cơ bản, vận tốc góc của vật rắn. Chương 3: Phân tích động học cơ cấu chấp hành song song: áp dụng cơ sở lý thuyết động lực học hệ nhiều vật phân tích động học cơ cấu chấp hành song song 3RPS cho trường hợp tổng quát bằng phần mềm Maple Chương 4: Các kết quả tính toán mô phỏng Do thời gian và kiến thức có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy trong bộ môn. Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Phong Điền đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn em hoàn thành đồ án này và xin cảm ơn các thầy trong bộ môn Cơ học ứng dụng đã giúp đỡ và cho những nhận xét quí báu để đồ án được hoàn thiện và phong phú hơn. Hà nội. Ngày 20 tháng 05 năm 2008 Chương 1 Tổng quan về các cơ cấu không gian có cấu trúc song song 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Lịch sử phát triển Về kỹ thuật, robot được định nghĩa là “cơ cấu chấp hành đa chức năng tái lập trình, được thiết kế dưới hình thức rất khác với con người. Hình 1.1 minh họa các thành phần cơ bản của tay máy công nghiệp và hình 1.2 minh họa cấu trúc động học tổng quát của tay máy công nghiệp. Thuật ngữ robot xuất hiện vào năm 1923, nhưng sự phát triển robot công nghiệp chỉ bắt đầu vào cuối những năm 1940. Robot công nghiệp ban đầu được dùng để chuyển tải các loại vật liệu nguy hiểm, được dùng trong thám hiểm không gian, và sau đó được dùng trong tự động hoá linh hoạt. Cuối năm 1940, cơ cấu chấp hành chính - phụ xuất hiện để chuyển tải các vật liệu phóng xạ. Cơ cấu chính được người hướng dẫn thao tác, có cấu phụ sao chép chuyển động của cơ cấu chính tại vị trí xa. Sự hồi tiếp lực có thể phối hợp để công nhân nhận biết các tín hiệu tải của cơ cấu phụ Vào cuối những năm 1950, cơ cấu lập trình bắt đầu xuất hiện và được cải tiến liên tục. Đặc tính quan trọng của robot công nghiệp là phối hợp bộ điều khiển dựa trên máy tính hoặc bộ vi xử lý với các cảm biến hồi tiếp để đạt được khả năng lập trình đa chức năng. Vào những năm 1960, cơ cấu đặc biệt có tính năng mô phỏng giác quan của con người, chúng có khả năng thực hiện các công đoạn lắp ráp đơn giản. Trong những năm 80 robot công nghiệp đã có bước phát triển mạnh mẽ, do các yêu cầu cao về tự động hoá linh hoạt và kinh tế trong thám hiểu không gian và công nghiệp ôtô. Vào đầu những năm 90, nhiều công ty ở Bắc Mỹ, Châu Âu, Nhật đã sử dụng rộng rãi robot trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Trong những năm gần đây robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần và trong các môi trường nguy hiểm. Các thao tác lặp lại nhiều lần bao gồm chuyển tải vật tư, xếp dỡ các chi tiết máy, lắp ráp các bộ phận thành cụm máy. Các ứng dụng trong môi trường nguy hiểm bao gồm chuyển tải vật liệu phòng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, hàn điểm, sơn phun… Ngoài ra, robot còn được dùng trong xây dựng, các trang thiết bị bay và di chuyển không người lái tại những địa hình phức tạp, các máy khai thác mỏ, các cụm gia công thông minh. Trong những năm gần đây, xu hướng mới là chế tạo các robot giải phẫu y khoa, giúp việc nhà, giúp người tàn tật... Mặc dù có nhiều nỗ lực để phát triển robot thông minh, nhưng các loại robot có thể mô phỏng nhiều chức năng của con người vẫn còn những hạn chế nhất định, do đòi hỏi sự phát triển của công nghiệp về trí tụê nhân tạo. Một số hình ảnh minh hoạ: Hinh 1.1: ứng dụng Robốt song song trong phẫu thuật Hình 1.2: Rôbốt song song trong dây truyền sản xuất Hình 1.3: Cơ cấu Gough – Stewart –type ứng dụng trong máy CNC Hình 1.4: ứng dụng Robốt song song làm bệ đỡ RADA Những hiệp hội nghiên cứu về Robot của thế giới đã được hình thành như: - RIA – Robotic Industries association của Hoa Kỳ. - AFRI - Association Francaise de Robottica Industriale của Pháp. - BRA - British Robot association của Anh. - JIRA - Japan Industial Robot association của Nhật Bản. + Năm 1976 chiếc máy công cụ CNC sử dụng Microcomputer ra đời. + Trong giai đoạn những năm 80 và 90 với sự phát vũ bão của Khoa học- Kỹ thuật - Công nghệ, quy mô sản xuất và nghiên cứu khoa học, thế giới được thừa hưởng nhiều thành quả của nó, đặc biệt về tin học làm thay đổi về chất lượng các trang thiết bị tổ chức điều hành sản xuất và đời sống như: - Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính - CAD (Computer Aided Design). - Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính - CAM (Computer Aided Manufacture). - Hệ thống sản xuất mềm, linh hoạt - FMS (Flexible Manufacture Syterm). - Sản xuất tích hợp máy tính - CIM (Computer Integrated Manufacture). - Sản xuất đúng lúc - JIT (Just time). - Điều hành - Quản lý chất lượng toàn diện - TQM (Total Quanlity Management). - Sản xuất với chất lượng toàn cầu - WCM (World Class Manufacture). + Những năm đầu tiên của thế kỷ XXI, Robot đang bước sang thế hệ mới. Từ các Robot điều khiển theo kiểu thao tác (Manual input) rồi đến kiểu Dẫn - Dạy, các điều khiển này gọi chung là điều khiển có chương trình dẫn đường và các Robot kiểu này thường được gọi là Robot khéo léo (Robot Habilis). Tiếp theo đến các Robot có trình điều khiển thích nghi - thông minh, Robot có trí khôn (Robot Spiens). + Sự tiến bộ Khoa học - Kỹ thuật - Công nghiệp gần như thuộc mọi lĩnh vực Cơ học - Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Máy tính - Tin học - Sinh vật học đều được thể hiện trên sự phát triển của Robot. Những ứng dụng mới nhất cả Robot và Y học có thể kể như Robot phẫu thuật và thay thế các cơ quan hoạt động của con người, để mô phỏng các loại sinh vật. + Những kết quả tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Sản xuất cho đến những năm 1970 đã hình thành khoa học Robotics và Cơ - Điện tử (Menchatronics). Từ đó cũng bắt đầu việc đào tạo các chuyên gia kỹ thuật thuộc lĩnh vực Robot và Cơ - Điện tử. 1.1.2 Phân loại chung về Robot Robot có thể phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặt tính chuyển động. - Phân loại theo số bậc tự do: Sơ đồ phân loại Robot thường dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý tưởng cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do trong không gian 3 chiều. Theo quan điểm này, Robot đa năng có 6 bậc tự do và Robot thiếu có ít nhất hơn 6 bậc tự do, Robot có thêm một bậc tự do để di chuyển qua các hướng chướng ngại vật hoặc trong không gian hẹp. Mặt khác, đối với một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp ráp các chi tiết trên mặt phẳng có Robot 4 bậc tự do là đủ. - Phân loại theo cấu trúc động học: Robot được gọi là Robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng hở, Robot song song nếu có chuỗi vòng kín và Robot lai nếu có vòng kín và vòng hở. - Phân loại theo hệ thống truyền động: Có 3 hệ thống truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực và khí nén được dùng cho Robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động cơ trợ động DC, do chúng tương đối dễ điều khiển. Tuy nhiên, khi cần tốc độ bằng một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự dịch chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với các khâu khác, đây là cơ cấu chấp hành nối tiếp quy ước. Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực tiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu chấp hành truyền động trực tiếp. Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm quán tính của cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, độ lệch khớp của các bánh răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vị trí ở bộ phận tác động. Kỹ thuật truyền động trực tiếp khắc phục được vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc cho cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tương đối lớn và nặng. Do đó, chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động cơ lắp đặt ở đế. Nói chung, động cơ cũng có thể được lắp đặt ở đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ 3 thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy. Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ cánh bánh răng, xích và đĩa để chuyển động các khớp. Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của nó sẽ phụ thuộc lẫn nhau. Các cơ cấu chấp hành kiểu đó gọi là vòng kín. - Phân loại theo dạng theo dạng hình học không gian làm việc: Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không gian đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về không gian làm việc. Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không gian trong cơ cấu có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều. Thứ hai là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể. Không là một phần của không gian có thể với tới. Mặc dù đây không phải là điều kiện cần nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp được thiết kế với 3 khâu đầu dài hơn các khâu còn lại, do đó 3 khâu này được dùng chủ yếu để thao tác vị trí các khâu còn lại được dùng để điều khiển hướng của đầu tác dụng. Vì lý do đó 3 khâu đầu được gọi là cánh tay các khâu còn lại được gọi là cổ tay, trừ các cơ cấu chấp hành có bậc tự do lớn hơn 6, cánh tay thường có 3 bậc tự do, cổ tay có 1 - 3 bậc tự do. Bộ cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung gọi là tâm cổ tay, bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các bên làm việc khác nhau được gọi là vùng không gian làm việc. Không gian do nhà sản xuất Robot cung cấp thường được xác định theo không gian làm việc. Tay máy được gọi là Robot cầu nếu 2 khớp đầu là khớp quay khác nhau và khớp thứ 3 là khớp lăng trụ (Hình 1.5a), vị trí tâm cổ tay của Robot cầu là tập hợp các toạ độ cầu liên quan với 3 biến khớp nối. Do đó, trong không gian làm việc của Robot cầu được giới hạn theo 2 khối cầu đồng tâm. Tay máy được gọi là Robot quay nếu cả 3 khớp đều là khớp quay, không gian làm việc của Robot này làm việc rất phức tạp thường có tiếp diện hình xuyến, nhiều Robot công nghiệp là loại Robot quay (Hình1.5). Tay máy được gọi là Robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ 2 của Robot Cartersian (Hình 1.5 e) được thay thế bằng khớp quay. Hình 1.5: Mô hình một số tay máy thông dụng 1.1.3 Một số ứng dụng của Robot công nghiệp Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động, điều kiện đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của Robot đó là: - Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn thợ lành nghề một cách ổn định hơn trong suốt thời gian làm việc. Vì thế Robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Robot còn có thể thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh. - Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là giảm được đáng kể chi phí cho người lao động. - Việc áp dụng Robot có thể làm tăng năng suất dây truyền công nghệ, sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây truyền sản xuất, nếu không thay con người bằng Robot thì người thợ không theo kịp hoặc chóng mệt mỏi. - ứng dụng Robot có thể cải thiện điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần phải quan tâm vì trong thực tế có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ướt, nóng lực hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần, thậm chí còn làm việc trong môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ của con người, dễ xảy ra tai nạn. Một trong những lĩnh vực ứng dụng của Robot công nghiệp đó là kỹ nghệ đúc, thường trong xưởng đúc môi trường làm việc rất nóng bức, độc hại, chất lượng sản phẩm lại phụ thuộc nhiều vào thao tác, nên việc ứng dụng Robot công nghiệp vào quá trình đúc là rất hiệu quả. - Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, ở nhiệt độ cao. Do vậy ở đây nhanh chóng ứng dụng kỹ thuật công nghiệp, được sử dụng phổ biến trong tự động hoá quá trình hàn đặc biệt trong kỹ thuật ôtô. - Robot cũng được dùng trong gia công và lắp ráp thường người ta sử dụng Robot chủ yếu vào việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công cho bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động. 1.2 Phân loại các cơ cấu chấp hành song song 1.2.1 Giới thiệu chung Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoặc trong sản xuất, các cơ cấu Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập niên gần đây, cơ cấu chấp hành cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của cơ cấu chấp hành cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart, vào năm 1965 ông là người cho ra đời buồng tập lái máy bay dựa trên cấu trúc song song. Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Loại cơ cấu chấp hành song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân, thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bằng nguồn phát động đặt trên giá cố định được ngay trên chân. Chính lý do này mà các cơ cấu song song đôi khi còn gọi là các Robot có bệ. Do tính ưu việt của cơ cấu chấp hành song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: + Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đi chính xác. + Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ CNC. + Ngành Bưu chính viễn thông: Giá đỡ ăngten, vệ tinh địa tĩnh. + Ngành Chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô. + Ngành Quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt trên tầu thuỷ, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và các tàu ngầm. Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị đo laser, bệ ổn định cho phóng tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến… a. Một số ưu điểm của cơ cấu chấp hành song song Nhìn chung, tất cả các loại Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay, các khung đỡ kiến trúc khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ… - Khả năng chịu được tải cao. Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng của các thành phần cũng nhỏ hơn. - Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng. - Tất cả các lực tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân. - Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân. - Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao, với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích luỹ. - Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau. - Đơn giản hoá các cơ cấu mày và giảm số lượng phần tử do các chân và khớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn. - Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lượng và kích thước nhỏ gọn. - Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền. - Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao như: Phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp… - Các Robot song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tường… - Giá thành của các cơ cấu chấp hành song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít hơn so với máy CNC có tính năng tương đương. b. Nhược điểm Tuy nhiên, các cơ cấu chấp hành song song cũng có những nhược điểm nhất định khi so sánh với các Robot chuỗi như: - Không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế. - Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp. - Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian. c. Xu hướng phát triển của cơ cấu chấp hành song song Ngày nay, xu hướng sản xuất các máy mô phỏng bay với số bậc tự do ít hơn 6 và các máy gia công sử dụng cơ cấu chấp hành song song đang ngày một phát triển. Tuy nhiên chúng vẫn là những sản phẩm mang nhiều tính nghiên cứu khoa học hơn là thực tiễn. Hiện nay, xu hướng chính là sản xuất các máy với cấu trúc “lai” với số trục ít hơn 6. Mặt khác, không thể không nhắc đến các Robot Haxapod với 6 chân có thể thay đổi chiều dài. Đây là sản phẩm của hãng FANUC Robotics và một số hãng khác vẫn đang nghiên cứu phát triển. Vì vậy, đã hình thành nhiều trung tâm và viện nghiên cứu về cơ cấu chấp hành song song: Tên trường Tên sản phẩm ứng dụng Queens – Canada Robot song song Y học Tuchemrut - Đức Hexanum Máy phay 5 trục Stuttgart Linapod Hexact Máy phay 5 trục Máy phay 3 trục Tokyo – Nhật Nghiên cứu về điều khiển Robot song song Columbia Chuyên về Robot phẫu thuật Maryland Các loại Hexapod Bảng 1.1 1.2.2 Phân loại cơ cấu song song a. Cơ cấu song song đối xứng Một cơ cấu chấp hành song song được gọi là đối xứng nếu nó thỏa mãn các điều kiện sau: - Số chân bằng số bậc tự do của bàn máy di động. - Số khớp và loại khớp trong tất cả các chân được sắp xếp giống nhau. - Số lượng và vị trí các khớp động trong tất cả các chân đều như nhau. Khi các điều kiện trên không thỏa mãn thì Robot được gọi là không đối xứng. Trong cơ cấu chấp hành đối xứng, số chân m bằng số bậc tự do f, đồng thời cũng bằng tổng số vòng (l+1) kể cả các vòng ngoại vi, nghĩa là: m = f = l+1 (1.1) Độ liên kết, Ck của một chân là các bậc tự do có quan hệ với tất cả các khớp trong chân đó: (1.2) Với j là số khớp trong cơ cấu. Từ hai công thức (1.1) và (1.2): (1.3) Với là số bậc tự do trong không gian mà cơ cấu hoạt động. Mỗi chân có độ liên kết thoả mãn: (1.4) b. Các cơ cấu song song phẳng Với các Robot song song phẳng ta có: l = 3; m = f = 3, thay vào (1.3) : C1+ C2 +C3 = 4.f-3=9 Đồng thời từ (1.4) : 3Ê Ck Ê 3 Do đó mỗi chân có 3 bậc tự do trong cách tạo nên chúng. Tóm lại, mỗi chân gồm 3 khâu và 2 khớp, mỗi khớp cần có một bậc tự do, sử dụng khớp quay và khớp trượt làm cặp đôikhớp, ta nhận thấy 7 loại chân có thể nhận được, đó là: RRR, RRP, RPR, PRR, RPP, PPR và PPP. Do đó, ta giới hạn cấu trúc chân của các Robot thì chỉ có 7 loại thuộc lớp Robot song song phẳng tự do có thể thực hiện được. Hình 1.6: Robot song song phẳng 3 bậc tự do với cấu trúc trục chân RRR Hình 1.7: Cấu trúc chấp hành song song 3PRP c. Các cơ cấu song song cầu Các cơ cấu cầu có ba bậc tự do. Do đó yêu cầu liên kết trong cơ cấu chấp hành song song cầu giống như các cơ cấu chấp hành song song phẳng. Trong cơ cấu chấp hành liên kết cầu loại khớp được phép là khớp quay, tất cả các trục khớp phải giao nhau tại một điểm chung, đó là tâm hình cầu, cấu trúc chân duy nhất được phép là cấu trúc RRR. Cơ cấu chấp hành mô tả trên hình 1.9 là cơ cấu chấp hành song song cầu 3RRR, 3 bậc tự do. Hình 1.8: Cấu trúc chấp hành kiểu cầu 3RRR Chú ý rằng một khớp cầu có thể được lắp ở tâm của cơ cấu hành song song cầu. Tuy nhiên, khớp cầu như thế chỉ có thể là khớp thụ động, vì các bộ tác động hiện hữu không thể truyền động cho khớp đó. Vì thế, nếu dùng 1 khớp cầu, cầu có thêm 3 chân để tác động song song bệ chuyển động. d) Các cơ cấu song song không gian Bàn di động Khớp cầu ống trượt trong ống truợt ngoài Khớp quay Đế cố định Hình 1.9: Cơ cấu chấp hành song song 3RPS Đối với Robot song song trong không gian, thay vào các hệ thức (3), (4) ta được: (1.5) 6 (1.6) Giải (1.5), (1.6) với các số nguyên dương Ck, k = 1,2,3.. Có thể phân loại cơ cấu chấp hành song song không gian ứng số bậc tự do và độ liên kết được nêu trên bảng (1.2): Bậc tự do F Số vòng L Tổng các bậc tự do khớp Công thức Độ liên kết Ck K = 1,2,3,… 2 1 8 4,4 5,3 6,2 3 2 15 5,5,5 6,5,4 6,6,3 4 3 22 6,6,5,5 6,6,6,4 6 5 36 6,6,6,6,6,6 Bảng 1.2 1.2.3 Kết cấu Robot song song 3RPS Trong đề tài, yêu cầu tính toán và mô phỏng số cơ cấu chấp hành song song 3RPS thường được thiết kế để mang phôi gia công và được lắp đặt trên bàn gá phôi cầu máy phay. Ba chân với chiều dài có thể thay đổi được điểu bởi các xi lanh thủy lực sẽ dẫn bệ động mang phôi chuyển động theo quỹ đạo xác định trước. Hai đầu của các chân một đầu được liên kết với đế cố định bằng khớp bản lề và một đầu được liên kết với bệ di động bằng khớp cầu. Ưu điểm của loại Robot này là khối lượng nhỏ, cấu trúc gọn nhẹ, độ cứng vững cao, có 3 bậc tự do và độ chính xác cao. Tất cả các thành phần cơ khí được lựa chọn và thiết kế càng nhỏ gọn càng tốt và không có khe hở theo chiều dọc trục của các chân, các chân được điều khiển của Robot được dẫn động bằng các cơ cấu chấp hành tuyến tính. Hình (1.10) mô tả sơ đồ của cơ cấu này. - Chi tiết 1: Bàn di động có 3 bậc tự do trong không gian, trong trường hợp cụ thể ở đây là phần mặt dùng để gá dụng cụ cắt kim loại (đầu dao phay,…) hoặc lắp đồ gá phôi (thước chia độ, kẹp phôi gia công,…) có dạng tam giác (thường là tam giác đều). Trên bàn di động thường lắp các đồ gá để kẹp chi tiết hoặc lắp đặt động cơ - đài dao gia công. Bàn được thiết kế có các lỗ, chốt định để lắp đồ gá. Đồ gá được lắp chặt trên bàn di động bằng các Bulông. - Chi tiết 2: Là một xi lanh thủy lực một đầu nối với bàn cố định bằng khớp bản lề và một đầu còn lại được nối với bàn di động bằng khớp cầu. - Chi tiết 3: Là khớp cầu. - Chi tiết 4: Là khớp bản lề. - Chi tiết 5: Đế cố định. Hình 1.10: Cấu trúc chấp hành song song 3RPS 1.3 Cấu trúc của một cơ cấu chấp hành song song Cũng như các Robot thông thường, cơ cấu song song là loại Robot có cấu trúc vòng kín trong đó các khâu dạng thanh được nối với nhau bằng các khớp động. Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là chuỗi nối tiếp các khâu động, từ khâu cuối (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định còn trong cơ cấu song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học. 1.3.1 Các khâu, khớp, chuỗi động - Khâu: Là phần có chuyển động tương đói với các phần khác trong cơ cấu. Chúng ta coi các khâu là vật rắn, điều đó làm cho việc nghiên cứu các kết cấu Robot được dễ dàng hơn. Tuy nhiên với các cơ cấu tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi của vật liệu trở nên quan trọng đáng kể và chúng ta phải xét đến. - Khớp: Là chuỗi động giữa hai khâu. Tuỳ theo cấu trúc, môi trường hạn chế một số chuyển động giữa hai khâu, bề mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là thành phần khớp. Hai thành phần của khớp tạo thành một khớp động. Khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớp cao tuỳ thuộc vào dạng tiếp xúc. + Khớp thấp: Nếu hai thành phần tiếp xúc là bề mặt. + Khớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường. Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường được dùng trong các cơ cấu máy và các Robot đó là: Khớp quay (Revolute Joint – R): Khớp để lại chuyển động của khaua này đối với khâu khác quanh một trụ quay. Nghĩa là khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp và có một bậc tự do. Khớp lăng trụ (Prismatic Joint – P): cho phép 2 khâu trượt trên một trục. Do đó khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai khâu và có một bậc tự do. Người ta cũng thường gọi khớp lăng trụ là khớp tịnh tiến. Khớp trụ (Cylindrical Joint – C): Cho phép hai chuyển động độc lập, gồm một chuyển động quay quanh một trục và một chuyển đọng tịnh tiến theo trục đó. Do đó, khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai khâu và có hai bậc tự do. Khớp ren (helical Joint – H): Cho phép chuyển động quay quanh trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc vào chuyển động quay bởi bước của ren vít. Do đó, khớp ren hạn chế 5 chuyển động tương đối giữa hai khâu và còn lại một bậc tự do. Khớp cầu (Sherical Joint – S): Cho phép chuyển động quay giữa hai thành phần khớp tâm cầu theo tất cả các hướng, nhưng không có chuyển động tịnh tiến giữa hai thành phần khớp này. Do đó, khớp cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động và có 3 bậc tự do. Khớp phẳng (Plane Joint – E): Có hai khả năng chuyển động tịnh tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt tiếp xúc. Do đó, khớp phẳng hạn chế 3 khả năng chuyển động và có 3 bậc tự do. Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair – G): Cho hai bánh răng ăn khớp với nhau. Các mặt tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trượt lên nhau. Do đó, khớp bánh răng hạn chế 4 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp và còn lại hai bậc tự do. Khớp cam phẳng (Cam pair – Cp): Tương tự như khớp bánh răng, hai thành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau. Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tự do. Khớp quay, khớp lăng trụ, khớp trụ, khớp ren, khớp cầu và khớp phẳng là các khớp thấp, khớp bánh răng phẳng và các khớp cam phẳng là các khớp cao. Trong tài kiệu chuyên khảo có hai khái niệm cần phân biệt: - Cơ cấu: Là tập hợp các khâu được nối với nhau bằng các khớp động (chuỗi động). Robot nối tiếp có cấu trúc chuỗi hở còn Robot song song có cấu trúc chuỗi kín. Chuỗi động học được gọi là cơ cấu khi một trong các khâu nối là cố định. Trong cơ cấu có thể có một hoặc nhiều khâu được ấn định là khâu dẫn với các thông số cho trước. Sự chuyển động của các khâu dẫn là độc lập, sự chuyển động của các khâu khác là phụ thuộc vào chuyển động của khâu dẫn. Cơ cấu là một thiết bị truyền chuyển động từ một hay nhiều khâu dẫn tới các khâu khác. - Máy móc: Gồm một hoặc nhiều cơ cấu cùng các thành phần điện, thủy lực hoặc khí nén, được dùng để biến đổi năng lượng khác. Cơ cấu chấp hành của hệ thống Robot là cơ cấu, để cơ cấu này trở thành máy cần phải có một bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, bộ mã hoá và các cảm biến lực, cùng với các bộ phận khác chẳng hạn hệ thống quan sát phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lượng bên ngoài thành công hữu ích. Mặc dù máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ cấu nhưng cơ cấu không phải là máy do không thực hiện công, chỉ có chức năng truyền chuyển động. 1.3.2 Số bậc tự do Xét hai vật thể hay hai khâu A và B để rời nhau trong không gian gắn vào A một hệ toạ độ oy (hình 1.11) thì B sẽ có 6 khả năng chuyển động tương đối so với A, hay nói cách khác là giữa A và B có 6 khả năng chuyển động tương đối. Các khả năng chuyển động độc lập là: - Các chuyển động tịnh tiến dọc trục ox, oy, oz ký hiệu là Tx, Ty, Tz. - Các chuyển động quay quanh trục ox, oy, oz ký hiệu là Rx, Ry Rz. Hình vẽ 1.11: Các khả năng chuyển động tương đối giữa hai vật thể Định nghĩa: Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập tuyến tính cần thiết để hoàn toàn xác định vị trí của cơ cấu. Ta có thể xác định được biểu thức tổng quát về số bậc tự do của cơ cấu theo số khâu, số khớp, và kiểu khớp trong cơ cấu. Để thống nhất cho việc tính toán số bậc tự do của cơ cấu ta sử dụng các ký hiệu sau: ci: số ràng buộc của khớp i. f: số bậc tự do của cơ cấu. fi: số chuyển động tương đối được phép của khớp i. ji: số khớp trong cơ cấu. Ji: số khớp với i bậc tự do. l: số vòng độc lập trong cơ cấu. n: số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định. : số bậc tự do trong không gian làm việc của cơ cấu. Ta giả thiết tất cả các khớp đều là hai chiều, khớp ba chiều được coi là hai khớp hai chiều, khớp bốn chiều được coi là ba khớp hai chiều … Ngoài ra, còn giả thiết một giá trị được dùng cho các chuyển động của tất cả các khâu chuyển động, chúng đều vận hành trong không gian làm việc, do đố = 6 đối với các khâu không gian và = 3 đối với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu. Giá trị bậc tự do của cơ cấu chính bằng số bậc tự do của tất cả các khâu dần trừ đi số ràng buộc bởi các khớp. Do đó, nếu các khâu đều tự do, số bậc tự do của cơ cấu n- khớp, với một khớp cố định, sẽ bằng (n-1). Tuy nhiên, tổng các ràng buộc của các khớp là bằng , do đó giá trị bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trình: (1.7) Số ràng buộc của 1 khâu và số bậc tự do của khâu đó bằng thông số chuyển động , do đó: (1.8) Do đó tổng ràng buộc của các khâu là: (1.9) Thay phương trình (1.9) vào phương trình (1.7) ta được: (1.10) Phương trình (1.10) được gọi là phương trình tiêu chuẩn Grubler hoặc Kutzbach. Tiêu chuẩn Grubler đúng cho trường hợp các ràng buộc tại các khớp là độc lập và không dư. Ví dụ 1 khớp quay cầu liên kết chuỗi với khớp quay có trục xuyên qua tâm của khớp cầu sẽ tạo ra một bậc tự do thừa. Keieur bậc tự do này gọi là bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh trục xác định từ hai khớp hai khớp đó, Mặc dù khâu trung gian có khả năng truyền lực hoặc momen cho các khâu khác, nhưng nó không có khả năng truyền momen cho trục thụ động. Nói chung, các khâu hai chiều với các cặp S-S, E-E, S-E, đều có bậc tự do thụ động. Bảng (1.3) thống kê sự phối hợp các khâu loại hai chiều và các khớp S-S, E-E, S-E với các khớp cuối cùng của chúng có một bậc tự do. SST Kiểu Bậc tự do thụ động (thừa) 1 S-S Quay quanh trục đi qua các tâm của các khớp cầu 2 S-E Quay quanh trục đi qua các tâm của các khớp cầu và vuông góc với mặt phẳng cảu khớp phẳng. 3 E-E Trượt dọc trục song song với giao tuyến tạo bởi mặt phẳng của khớp phẳng. Nếu hai mặt phẳng này song song sẽ có 3 bậc tự do thụ động. Bảng 1.3 Bậc tự do thụ động không thể truyền momen và chuyển động cho trục thụ động. Khi có một khớp này tồn tại trong cơ cấu, cần trừ đi một bậc tự do từ phương trình tính bậc tự do. Giả sử là số bậc tự do chủ động trong cơ cấu là: (1.11) Ví dụ: Cơ cấu chấp hành song song Stewart – Gough Hình vẽ 1.12: Cơ cấu chấp hành song song Stewart – Gough 1.3.3 Mục tiêu của bài toán phân tích động học Robot là một ngành khoa học hay ngành học về công nghệ truyền thống kế._.