1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ THỊ THU THỦY

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH DUNG SAI

CHO ROBOT CHUỖI THEO NHÓM CẤU TRÚC

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 9.52.01.03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Thái Nguyên – 2021

2

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công

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 Công nghiệp, đường 3/2,

phường Tích Lương, thành phố Thái Nguyên

vào hồi .... giờ ..... ngày .... tháng .... năm ......

Có 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 Công nghiệp

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Có nhiều nguyên nhân gây ra độ không 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, mòn, rơ rão, điều khiển...Trong

đó, 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 công nghiệp là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và

thực tiễn. Với lí do đó, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán

xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc” cho khóa

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 đó, việc tính toán mới hoàn toàn dung sai cho một robot hoặc

tính toán dung sai cho robot dựa trên một robot mẫu có 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 mô phỏng số để kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình toán

mà luận án đã đưa ra.

- Đối tượng nghiên cứu: Các robot chuỗi không giới hạn bậc tự

do; Các robot cùng dạng cấu trúc.

2

- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán, 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 mô hình toán 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 toán 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

toán.

- Phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (GRG) được phát

triển để áp dụng trong bài toán xác định dung sai.

- Kỹ thuật tính toán dung sai dựa trên quan hệ cùng dạng cấu trúc

của tay máy giúp rút ngắn các giai đoạn tính toán thiết kế dung sai.

- Mô hình nội suy, dự đoán sai số bằng hàm dạng được xây dựng

giúp giảm khối lượng đo, xác định sai số của khâu cuối trong toàn

không gian làm việc.

- Phần mềm chuyện biệt được xây dựng nhằm kiểm tra, hiệu

chỉnh dung sai giúp kết quả tính toán dung sai luôn 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 toán dung sai, bảo đảm độ chính

xác ban đầu của khâu cuối.

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. Đóng góp mới của luận án

Việc tiến hành xây dựng mô hình toán tính toán, thiết kế dung sai

khâu và khe hở khớp của robot công nghiệp dựa trên độ chính xác

ban đầu của khâu cuối là hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam và nội

dung nghiên cứu hoàn toàn không có sự trùng lặp với các nghiên cứu

khác trên thế giới.

Với kỹ thuật tính toán dung sai dựa trên nhóm cấu trúc và một

chương trình chuyên biệt cho phép kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai

trong trường hợp lắp lẫn hoàn toàn, thời gian và chi phí tính toán

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 thông thường.

6. Cấu trúc của luận án

Ngoài 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 ngoài 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 mô hình toán 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 toán tối ưu bằng phương pháp số

Giảm Gradient tổng quát (GRG) để giải bài toán động học ngược

4

robot được trình bày. Đây là cơ sở để phát triển phương pháp số cho

bài toán xác định dung sai. Đặc biệt, các mô hình toán nhằm xác định

dung sai các khâu, khớp thành phần dựa trên độ chính xác của khâu

cuối của robot được xây dựng. Trong đó phân ra làm hai trường hợp

cụ thể: tính toán mới từ đầu dung sai sơ bộ cho một robot độc lập và

tính toán dung sai sơ bộ cho một hay nhiều robot dựa trên một robot

mẫu đã có sẵn dung sai và có cùng dạng kết cấu với robot cần thiết

kế.

Chương 3: Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai – Hoàn thiện quá trình

thiết kế. Toàn bộ nguyên tắc và quy trình thực hiện bước kiểm tra,

hiệu chỉnh dung sai hoàn thiện quá trình thiết kế được trình bày

thông qua một chương trình chuyên biệt đã được tác giả xây dựng

dựa trên cơ sở bài toán động học thuận và thống kê lắp lẫn.

Chương 4: Phân vùng độ chính xác. Trong toàn không 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 toàn diện, quá trình

tính toán cũng như hiệu chỉnh dung sai được thực hiện tại những vị

trí mà tại đó sai số khâu cuối là lớn nhất. Quá trình đo sai số bằng

thực nghiệm và mô hình toán nội suy sai số bằng hàm dạng được áp

dụng nhằm tìm ra vị trí khâu cuối có sai số lớn nhất trong không gian

làm việc sẽ được trình bày trong chương này.

Chương 5: Ứng dụng tính toán 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 toán, mô phỏng số, thực nghiệm nhằm chứng minh

cho tính đúng đắn và hiệu quả của thuật toán và phương pháp tính đã

đề xuất.

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

đó, điều này luôn tồn tại trong kỹ thuật. Robot công 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 không

gian công tác không đạt được các giá trị điều khiển mong muốn.

Có thể phân ra thành các nguồn gây sai số chính trong không gian

công tác này của robot như sau:

Các sai số hình học hoặc động học:

Còn lại là các sai số phi hình học:

1.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về thiết kế

dung sai robot

1.2.1 Các công trình nghiên cứu trong nước

Tính tới thời điểm hiện tại, chỉ có một lượng rất ít các công trình

nghiên cứu được công bố trong nước có 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: “Mô hình hóa và khảo sát sai số của robot công nghiệp”.

1.2.2 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Có hai dòng quan điểm lớn trong quá trình thiết kế dung sai động

học robot là:

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 còn tồn tại

Với các nghiên cứu được công bố, các tác giả đã sử dụng nhiều

kỹ thuật, công cụ tính toán 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 còn rất ít và không đầy đủ. Hầu hết trong số đó

đều được thực hiện với những giả định đã cho về dung sai các tham

số, tức là không tính toán dung sai ngay từ đầu.

Đặc biệt, với quá trình phát triển và phân hóa rõ ràng như ngày

nay, các tay máy có mô 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 nhóm robot có cùng dạng cấu trúc dựa trên một robot

mẫu trong nhóm là rất thực tế và hữu ích. Hướng tiếp cận này sẽ giúp

rút ngắn đáng kể các công đoạn tính toán 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 toán thiết kế dung sai.

Tại đây được chia làm hai bài toán lớn:

- Xác định giá trị xấp xỉ đầu trong trường hợp tính mới từ đầu một

7

robot độc lập

- Xác định giá trị xấp xỉ đầu dựa trên robot mẫu có cùng dạng cấu

trúc.

Bước 2: Xác định giá trị dung sai thiết kế cuối cùng – hoàn 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 không gian làm việc mà tại

đó khâu cuối có sai số lớn nhất.

1.4.3 Kết quả nghiên cứu của luận án

Một quy trình tính toán, thiết kế đầy đủ, toàn diện về dung sai

kích thước các khâu thành phần và khe hở các khớp (dung sai tọa độ

suy rộng) của robot công nghiệp được xây dựng. Đây là công cụ hữu

ích và là một kênh tham khảo cho các nhà thiết kế và chế tạo robot.

Sau tính toán, 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 công 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 công bố. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều được thực

8

hiện với sự giả định cho trước của các giá trị dung sai cần thiết kế.

Các công trình này chưa có những tính toán đầy đủ nhằm tìm ra dung

sai khâu, khớp theo yêu cầu từ sai số cho phép của khâu cuối.

Nhiệm vụ bài toán 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.

9

§iÓm v­ît qu¸ sai sè cho phÐp

§iÓm n»m trong ph¹m vi sai sè cho phÐp

B¸n kÝnh sai sè cho phÐp r

VÞ trÝ mong muèn cña tay kÑp

VÞ trÝ thùc tÕ

Chƣơng 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC BIỂU DIỄN

MỐI QUAN HỆ GIỮA DUNG SAI KHÂU, KHỚP VÀ ĐỘ

CHÍNH XÁC CỦA ROBOT

2.1 Xây dựng mô hình toán trong thiết kế dung sai cho một robot

độc lập

2.1.1 Cơ sở xây dựng mô hình toán

2.1.1.1 Phương pháp mô tả độ chính xác khâu cuối - Hình cầu giới

hạn sai số cho phép

Trong không gian ba chiều có thể mô tả độ chính xác/độ tin cậy

của robot bằng một mặt cầu sai số, là mặt cầu có tâm ở vị trí mong

muốn và có 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 có

điểm rơi ra ngoài mặt cầu thì có nghĩa robot thiết kế đã không đảm

bảo độ chính xác theo yêu cầu đã đặt ra (Hình 2.1).

Hình 2. 1: Mô tả độ chính xác định vị khâu cuối cho phép.

10

2.1.1.2 Mô hình toán tổng quát

Gọi r là bán kính cầu giới hạn sai số. Mô hình động học của robot

khi xét đầy đủ sai lệch khâu, khớp được thể hiện như sau:

( , , ) r 1,...,i i i i i i jf a a d d q q p d i n

(2. 6)

Tuy nhiên, việc thực hiện đồng thời bài toán xác định dung sai

khâu, khớp là rất khó khăn, phức tạp. Bài toán được chia thành hai

bài toán nhỏ. Khi đó, việc xác định dung sai của hai nhóm tham số

kích thước khâu d, a và nhóm tọa độ suy rộng q một cách riêng rẽ

không xét đến ảnh hưởng của nhau được thực hiện.

( , , ) 1, ,2

i i i i i j

drf a a d d q p i n

(2. 7)

Từ phương trình này tính toán được ,i ia d khi cho qi = const.

Đảo lại để xác định dung sai khớp sử dụng phương trình dưới

đây:

( , , ) 1, ,2

i i i i j

drf a d q q p i n

(2.10)

2.1.1.3 Giải bài toán động học theo phương pháp số Giảm

Gradient tổng quát (Generalized Reduced Gradient - GRG)

2.1.2 Xây dựng mô hình toán cho robot 6DOF

2.1.3 Xây dựng mô hình toán cho robot chuỗi 5DOF

2.1.4 Xây dựng mô hình toán cho robot SCARA 4DOF

2.2 Xây dựng mô hình toán trong thiết kế dung sai cho các

robot cùng nhóm cấu trúc động học

2.2.1 Một số khái niệm mới

2.2.1.1 Hai robot đồng dạng

11

2.2.1.2 Tỉ số đồng dạng kích thước

2.2.1.3 Tỉ số độ chính xác

2.2.2 Bài toán 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 toán robot còn 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 (rk k ), tức là độ chính xác không được thu

phóng theo cùng một tỉ lệ với kích thước của robot.

2.2.3 Bài toán số 2 (trường hợp 3): Hai robot cùng dạng cấu trúc

nhưng không đồng dạng

Xét trường hợp các robot được thiết kế có cùng dạng cấu trúc

với một robot mẫu đã tính được dung sai mà không 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 toán 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 nó)

Kết luận chương 2

Dựa trên phương pháp số GRG, mối quan hệ chuyển đổi qua lại

giữa hai tọa độ trong không gian khớp và không gian công tác được

thực hiện với độ chính xác cao. Các dung sai khâu, khớp sau khi tính

toán sẽ là bộ giá trị dung sai sơ bộ làm xấp xỉ đầu cho quá trình kiểm

tra, hiệu chỉnh để hoàn thiện quá trình thiết kế.

12

CHƢƠNG 3: KIỂM TRA, HIỆU CHỈNH DUNG SAI – HOÀN

THIỆN QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ

3.1 Phần mềm kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai

* Thuật toán để xây dựng phần mềm: là hệ phương trình động học

thuận của robot. Ứng với mỗi loại robot thì sẽ có hệ phương trình

động học thuận khác nhau:

+ Robot chuỗi 6DOF: công thức (2.30)

+ Robot chuỗi 5DOF: công thức (2.36, 2.37)

+ Robot SCARA: công thức (2.42, 2.43).

* Cơ sở dữ liệu: Phần mềm không có 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 có chức năng kiểm tra và

hiệu chỉnh dung sai sơ bộ, hoàn 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.

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

Có 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 (có điểm rơi trong kiểm tra lắp lẫn nằm ngoài 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 hoàn 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 toán 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) có thỏa mãn yêu cầu độ chính xác khâu cuối đã đưa ra hay

không.

14

CHƢƠNG 4: PHÂN VÙNG ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG KHÔNG

GIAN CÔNG TÁC

4.1 Tổng quan

4.1.1 Lý do thực hiện bài toán

Để đơn giản hóa trong quy trình khảo sát các vị trí của khâu

cuối mà vẫn đảm bảo tính đúng đắn của phương pháp tính, một mô

hình dự đoán sai số nhằm phân vùng độ chính xác của tay máy trong

không gian công 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 mô hình toán có chức năng ước tính được sai số

của khâu cuối tại bất kỳ vị trí nào trong không gian khảo sát. Từ đó,

những vị trí mà tại đó khâu cuối có 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 không gian khảo sát

4.2.2 Đo sai số tại một số điểm mẫu trong không 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 công sức tính toán, một mô hình ước

tính sai số của khâu cuối tại các vị trí trong không gian công tác được

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 toán có sử dụng đến các kết quả đo sai số từ một robot mẫu

mới, có cùng dạng cấu trúc với robot cần thiết kế dung sai. Dữ liệu

tính toán 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.

16

CHƢƠNG 5: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN 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 nhóm cấu trúc

5.2.1 Trường hợp 1: Tính toán robot B đồng dạng với A và k=kr

5.2.2 Trường hợp 2: Tính toán dung sai robot B’ với B’ và A có k ≠

kr

B’ có cùng thông số động học với robot A nhưng yêu cầu sai số

điểm cuối khác robot A, tức là 'B Ar r . Xét hai tình huống sau:

- Tình huống 1: 'B Ar r

- Tình huống 2: 'B Ar r

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 toán xác định xấp xỉ

đầu của dung sai (giải độc lập cho từng nhóm tham số (a,d) và (q))

có kết quả đáp ứng vị trí vượt ra ngoài mặt cầu mô tả chất lượng thiết

kế. Cần tiến hành hiệu chỉnh các dung sai thành phần bằng cách thu

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 không gian công

tác

5.4.1 Máy đo độ chính xác và sơ đồ thí nghiệm

Một camera chính xác cao được sử dụng trong phòng 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.

Hình 5. 23: Thí nghiệm lấy mẫu xác định sự phân bố sai số của khâu

cuối trong không gian công tác

5.4.2 Nội suy sai số khâu cuối trong không gian công tác

5.4.3 Khảo sát kiểm chứng

Kết luận chƣơng 5

Với mục đích giảm khối lượng tính toán trong khi vẫn kiểm soát

Camera 3D 5005

Robot thí nghiệm Không gian khảo sát

18

được hết các khả năng không mong muốn, tác giả đã sử dụng thuật

toán xác định xấp xỉ đầu của dung sai, phân vùng độ chính xác của

khâu cuối trong không 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 toán dung sai các tham số động

học của robot công nghiệp, giúp các nhà thiết kế tiết tiệm thời gian,

giảm chi phí trong khâu thiết kế.

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 đóng góp mới của luận án

trong nghiên cứu, thiết kế dung sai các tham số động học của robot

là:

1. Xây dựng được mô hình toán thể hiện mối liên hệ giữa độ

chính xác khâu cuối của robot với dung sai các tham số khâu, khớp

thành phần. Mô hình toán 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 toán xác định dung sai được chia làm hai bài toán nhỏ

riêng rẽ là xác định dung sai khâu và xác định dung sai khớp (tọa độ

suy rộng) giúp đơn giản hóa công thức tính toán.

2. Phương pháp số GRG được phát triển và áp dụng trong bài

toán xác định dung sai. Quy trình tính dựa trên thuật toán tối ưu này

đảm bảo tính chính xác trong kết quả, nhanh chóng và thuận tiện khi

thực hiện.

3. Việc tính toán dung sai được thực hiện từ đầu, không gán

hay giả thiết về một giá trị cho trước nào đó. Các kết quả tính toán

thể hiện tính hợp lí và tối ưu khi phản ứng động học tự nhiên của cơ

cấu luôn được tôn trọng.

4. Kỹ thuật tính toán dung sai dựa trên quan hệ cùng dạng cấu

trúc của robot giúp rút ngắn các giai đoạn tính toán thiết kế. Kỹ thuật

này đặc biệt hữu ích khi các robot công nghiệp dù có số lượng rất lớn

nhưng lại chỉ có một vài kết cấu điển hình.

5. Cả hai thông số dung sai (của khâu và khớp) sau khi tính

toán 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

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 chóng

và chính xác trên phần mềm chuyên biệt trên máy vi tính dựa trên cơ

sở bài toán động học thuận và thống kê lắp lẫn. Việc này có thể diễn

ra hoàn toàn 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 mô hình nội suy, dự đoán sai số bằng hàm dạng đã được

thực hiện. Khi khâu thao tác di chuyển đến bất kỳ vị trí nào trong

không gian công tác độ chính xác ban đầu của robot sẽ luôn nằm

trong phạm vi cho phép do quá trình tính toán sơ bộ và kiểm tra,

hiệu chỉnh dung sai đã được tiến hành tại vị trí mà ở đó, sai lệch của

khâu cuối là lớn nhất.

Theo nhìn nhận của tác giả, các kết quả nghiên cứu của luận án có

giá trị trong thiết kế, chế tạo robot công nghiệp, giúp các nhà thiết kế

tính toán chính xác dung sai các tham số khâu, khớp theo yêu cầu độ

chính xác mong muốn, đồng thời giúp giảm khối lượng tính toán khi

áp dụng phương pháp số GRG và tính toán theo nhóm kết cấu.

2. Kiến nghị hƣớng phát triển của đề tài

Tiếp tục nghiên cứu, khảo sát và ứng dụng mô hình toán sang các

lĩnh vực tính toán các hệ đo lường gián tiếp nhiều thứ nguyên khác,

trong đó mỗi thành phần sai số có thể có bản chất khác nhau.

Ví dụ, cho sai số của y =f (x1, x2,…, xn)

Trong đó, 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

21

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

CỦA LUẬN ÁN

I. Sách

1. Sách chuyên khảo: PGS. TS. Phạm Thành Long, PGS. TS.

Nguyễn Hữu Công, 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. http://www.irphouse.com, 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

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 toán dung sai

chuỗi dẫn động chốt khóa két sắt bằng phương pháp số, Tạp chí

23

khoa học công 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 toán đồ gá ổn định động học có cấu trúc robot, Tạp chí

khoa học công 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 công 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 công 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 công 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 công 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, Mô hình và lời giải số

cho bài toán động học robot song song bất đối xứng nhóm

3URS, Tạp chí khoa học công nghệ đại học Thái Nguyên, ISSN

1859-2171, tập 200, số 7/2019, tr. 113-117, 5/2019

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 toán động học robot giải bằng phương pháp GRG trên robot

chuỗi và robot song song, Tạp chí khoa học công 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 toán đảm bảo sai số khâu cuối robot nằm

trong miền giới hạn định trước, Tạp chí khoa học công 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 công 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 công

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 không gian công tác của robot,

Tạp chí nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, ISSN 1859

– 1043, tr. 216 – 222, 10/2019

13. Phạm Thành Long, Nguyễn Văn Thịnh, Lê Thị Thu Thủy, Mô

hình hóa và mô phỏng trường nhiệt độ trong buồng dưỡng hộ

ngói xi măng cát, cốt sợi polymer, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số

5, 2020.