Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp hay robot côngnghiệp cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người đượcđiều khiển tự động để thực hiện một số tha
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO
ROBOT CÔNG NGHIỆP
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ
ĐỘNG HOÁ
HỌC PHẦN: ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ CNC
Giảng viên hướng dẫn: TRỊNH THỊ KHÁNH LY
sinh viên thực hiện: ĐÀO DUY TRƯỜNG
HÀ NỘI, 10/2021
Trang 3Mục lục
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
ĐỀ BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ 6
LỜI MỞ ĐẦU 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 8
1.1 Sơ lược phát triển của robot công nghiệp 8
1.2 Hệ tọa độ của robot công nghiệp (Coordinate frames): 9
1.3 Hệ thống điều khiển máy CNC 10
1.3.1 Cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC 10
CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN VỊ TRÍ CHO ROBOT 15
2.1 Bài toán 15
2.2 Thiết lập hệ phương trình động học 15
2.2.1 Đặt hệ quy chiếu 15
2.2.2 Thiết lập hệ phương trình động học 18
2.3 Giải bài toán động học thuận robot 19
2.4 Giải bài toán động học ngược robot 19
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT 21
3.1 Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động của robot 21
3.2 Thiết kế quỹ đạo là đa thức bậc 3 21
3.3 Tính toán thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot 23
Kết luận 24
Trang 4DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các hệ toại độ suy rộng của robot 9
Hình 1.2:Các thành phần chính của hệ thống robot 10
Hình 1.3:Máy cnc 11
Hình 1.4:cấu trúc họat động của hệ thống cnc 13
Hình 1.5:Quá trình của bộ điều khiển PID 14
Hình 2.1: Robot scara 4 bậc tự do 15
Hình 2.2: Đặt hệ quy chiếu trên các khâu của Robot 16
Hình 2.3: Tọa độ điểm cuối khâu thao tác 19
Trang 5DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng D-H của robot 17
Trang 6ĐỀ BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
I Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot công nghiệp
II Số liệu cho trước:
III Nội dung
1 Giải bài toán động học thuận, động học ngược Robot công nghiệp
2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot
- Yêu cầu: thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp
- Quỹ đạo là đa thức bậc 3
3 Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC
Trang 7LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển khoa học và kỹ thuật, nghành điều khiển học và tự động hóa
đã có những bước tiến quan trọng Quá trình đó góp phần không nhỏ vào việc tăngnăng suất lao động, giảm giá thành, tăng chát lượng và độ đồng đều về chất lượng,đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc của con người, đặc biệt trongmột số công việc có độ an toàn lao động thấp hoặc có tính độc hại cao Ngày nay, cáckhái niệm “Dây chuyền sản xuất tự động” hay “Robot” – “Người máy” - “Tay máy”
đã trở nên quen thuộc đối với mọi người Thế nhưng cách đây không lâu, trong nhữngthập niên đầu thế kỷ 20 những khái niệm ấy chỉ mới là những ý tưởng sơ khai trong trítưởng tượng phong phú của con người
Năm 1920 thuật ngữ “Robot” xuất hiện trong tác phẩm khoa học viễn tưởng củanhà soạn kapek Hiện nay ở nhiều nước robot phát triển hệ thống không chỉ theohướng phục vụ sản xuất công nghiệp mà còn theo hướng phục vụ trong sinh hoạt vàgiải trí trong gia đình Khi thiết kế các loại robot này, các nhà thiết kế thêm các cảmbiến cảm nhận, các giải thuật điều khiển thích nghi và fuzzy logic với mục đích đểrobot thực hiện được nhiều nhiệm vụ đa dạng và khác nhau
Với mong muốn tìm hiểu và thiết kế một hệ thống robot công nghiệp cơ bản Nên
dựa trên đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG
NGHIỆP” em sẽ giải bài toán động học thuận, động học ngược cho robot công
nghiệp, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot, tìm hiểu cấu trúc phần cứng, hệthống điều khiển máy CNC
Tuy nhiên vì thời gian có hạn và kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên trong quátrình thực hiện báo cáo không thể tránh những thiếu sót nhất định Vì vậy, em rấtmong sự trợ giúp đỡ, ý kiến của thầy, cô và tất cả các bạn để báo cáo này được hoànthiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, Ngày …tháng 10 năm 2021
Sinh viên thực hiện
TrườngĐào duy trường
Trang 8CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ HỆ
THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC
1.1 Sơ lược phát triển của robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việctạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921.Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gầngiống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhàsáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của conngười
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company)quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp”(Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot côngnghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người đượcđiều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực
kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máycông cụ điều khiển số (NC-Numerically Controlled machine tool)
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trongchiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tácđược tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát
để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thếcho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai taycầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấusáu bậc tự do để tạo ra vị trí và hướng tùy ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng đểđiều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm
Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêucầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất
là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trìnhcủa máy công cụ điều khiển số
Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máycông nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robotVersatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loạirobot Unimate- 1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ oto
Trang 9Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh-1967, ThụyĐiển và Nhật-1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức- 1971; Pháp-1972; ở Ý-1973…
Tính năng làm việc của robot ngày càng nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử
lý, Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạtđộng theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị tríkẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinati đưa ra loại robot được điềukhiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lại).Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40KG
Có thể nói, robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điềukhiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theophương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và cácphát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia…
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot khôngngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhậnbiết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học-Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt, số lượng robot ngàycàng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quantrọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại
1.2 Hệ tọa độ của robot công nghiệp (Coordinate frames):
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua khớp (joints),tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên Hệ tọa độgắn với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản (hay hệ tọa độ chuẩn) Các hệ tọa độ trunggian khác gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng Trong từng thời điểm hoạtđộng, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặccác chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (hình 1.1) Các tọa độ suyrộng còn được gọi là biến khớp
Trang 10Hình 1.1: Các hệ toại độ suy rộng của robot
- Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp:
Các thành phần chính trong robot công nghiệp:
Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay robot,nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển,thiết bị dạy học, máy tính… các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thànhphần của hệ thống robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như hình 1.2
Hình 1.2:Các thành phần chính của hệ thống robot.
1.3 Hệ thống điều khiển máy CNC
Trang 11Hình 1.3: Máy cnc
Để có được sự phát triển nhanh chóng của máy công cụ như vậy, cùng với khả năngpháttriển về mặt cơ khí, thì việc phát triển bộ điều khiển cho máy công cụ là đặc biệtquan trọng vì nó quyết định trực tiếp đến khả năng gia công của máy Bộ điều khiểnđược sử dụng trong máy côngcụ, cụ thể là máy CNC là bộ điều khiển số (NumericalControl) Điều khiển số ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ giacông cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đây là một quá trình tự động điềukhiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyểnphôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm…) trên cơ sở các
dữ liệuđược cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân,các chữ cái và mộtsố ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay
hệ thống
Ban đầu, các máy công cụ được điểu khiển trực tiếp bằng tay Khi đó, bộ điềukhiển củacác máy công cụ rất đơn giản, hầu như là chưa có gì Ở thời kỳ tiếp theo cácmáy công cụ gia côngchép hình ra đời, các quá trình gia công cắt gọt được điều khiểntheo chương trình bằng các kỹthuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng các hệ thốngthủy lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụng cácthành quả tiến bộ của Khoa học – Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số vàtin học, đã cho phép các nhà chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ các hệthống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh hoạt hơn,thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn Đặc biệttrong các hệthống CNC các bộ điều khiển còn được tích hợp thêm với máy tính côngnghiệp giúp quá trình mô phỏng, vận hành, cũng như theo dõi hệ thống CNC trở nên
dễ dàng, thân thiện với người dùng
(b) Cấu trúc phần cứng.
Các bộ điều khiển trung tâm (Numerical Control Kernel) là một trong những đơn vịcủa hệ thống CNC, các NCK là các đơn vị điều khiển các động cơ NCK bao gồm mộtchương trình dịch, bộ nội suy, bộ điều khiển tăng/giảm tốc và bộ điều khiển vị trí làcác thành phần chính và quan trọng không chỉ của hệ thống CNC mà còn là một bộ
Trang 12điều khiển vị trí điển hình, cần thiết để điều khiển động cơ Có hai loại NCK chính làNCK của điều khiển tăng/giảm tốc trước nội suy và sau nội suy.
- Chương trình dịch:
Chương trình dịch là một modul phần mềm, có thể dịch các chương trình vào lệnhnội bộ để di chuyển các công cụ và thực hiện các chức năng phụ trợ trong một hệthống CNC
Một phần chương trình được lập trình viên phát triển dựa trên biên dạng của cácphần, điều kiện cắt, và các công cụ được nhập vào CNC thông qua hệ thống giao diệnngười dùng và bộ xử lý trung tâm, sau đó tạo ra các lệnh điều khiển cho các trình điềukhiển từ phần chương trình thông qua các giai đoạn khác nhau; tính toán quãng đường
di chuyển bởi việc dịch chương trình, tạo dữ liệu riêng và vận tốc cho mỗi trục nhờ bộnội suy, làm mịn vận tốc bằng bộ điều khiển Acc/Dcc và tạo ra lệnh điều khiển vị trí.Trong giai đoạn này, chương trình dịch có thể được coi như một nhiệm vụ đơn giảncho chuyển đổi G/M code để các cấu trúc dữ liệu của hệ thống CNC dễ hiểu Tuynhiên, việc thiết kế và thực hiện các thông dịch và biên dịch của chương trình dịch làmột nhiệm vụ lớn và toàn diện, bởi vì quy tắc lập hay ngữ pháp lập trình được diễn tảtrong sổ tay lập trình và một khái niệm điều hành được hiển thị trong một cẩm nanghoạt động cần được xem xét khi phát triển các trình thông dịch Vì vậy, chương trìnhdịch là chỉ số đại diện cho thấy các khái niệm thiết kế và các khái niệm thiết kế và cáckhía cạnh chức năng của CNC và là một phần của CNC, nó thường dành hơn 50%tổng số thời gian để phát triển chương trình dịch
Chương trình dịch đóng vai trò chuyển đổi một phần chương trình người dùng thayđổi nội dung sang định dạng dữ liệu nội bộ để thực hiện Để hiểu được cấu trúc và xử
lý bên trong của chương trình dịch, nó là cần thiết để hiểu được cấu trúc của chươngtrình và các lệnh được sử dụng trong đó Trong một hệ thống CNC, hệ tọa độ khácnhau, chẳng hạn như hệ tọa độ máy, hệ tọa độ phôi và hệ tọa độ cơ sở, được hỗ trợ đểthuận tiện cho chỉnh sửa một chương trình và thiết lập máy
Ngoài ra, di chuyển, đối xứng, và lấy tỷ lệ của hệ tọa độ được cung cấp và sử dụngcác chức năng này có thể dễ dàng chỉnh sửa các chương trình Để kiểm soát công cụchuyển động dọc theo một đường thẳng, vòng cung, đường xoắn ốc, hoặc một đườngcong spline, các chức năng nội suy như lệnh G01, G02, G03, hoặc lệnh F- để xác địnhtốc độ cắt, và lệnh S- để xác định tốc độ trục chính được sử dụng Để thực hiện cácchương trình mà hình dạng công cụ à lắp ghép là không khả quan, chức năng bù bánkính và bù chiều dài dao được cung cấp Hơn nữa các chức năng vĩ mô, cái gọi là
Trang 13Hình 1.4:cấu trúc họat động của hệ thống cnc
“chức năng chu kỳ” được cung cấp để tiện chỉnh sửa một chương trình và đơn giảnhóa các chương trình Gần đây, để thực hiện yêu cầu về gia công tốc độ cao và giacông có độ chính xác cao, các chức năng tiên tiến khác nhau như các chức năng look-ahead, chức năng điều khiển feedforward, và chức năng nội suy NURBS đã được ápdụng
Cuối cùng, chương trình dịch thực hiện các chức năng nói trên, bao gồm phân tích cúpháp, thực hiện, phát triển, thực hiện vĩ mô và xử lý các lỗi Các chương trình dịchchuyển đổi các khỗi dữ liệu đọc từ bộ nhớ văn bản vào các dữ liệu cấu trúc bên trong.Dựa trên các dữ liệu giải thích, vị trí của một block được tính toán bằng cách thựchiện các phép toán khác nhau như xoay phối hợp và công cụ bù và được lưu trữ trong
bộ nhớ
(c) Hệ thống điều khiển PIDCác thông tin của một khối chương trình cho sự di chuyển của các trục của mộtmáy công cụ đi tuần tự thông qua chương trình dịch, bộ nội suy và điều khiểnAcc/Dcc trước khi truyền tới bộ điều khiển vị trí Bộ điều khiển vị trí có độ trễ thờigian từ bộ nội suy và thực hiện kiểm soát thông tin đầu vào để giảm thiểu sai số vị trí
Bộ điều khiển PID được sử dụng để làm việc này
Mặc dù lý thuyết điều khiển hiện đại đã phát triển khác nhau, nhưng bộ điều khiểnPID đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp do kiến trúc đơn giản và dễthực hiện cả phần cứng hay phần mềm Hơn nữa bộ điều khiển PID có thể dễ dàng
Trang 14được thực hiện, ngay cả khi mô hình toán học chính xác của hệ thống là không rõràng, có khả năng loại bỏ nhiễu tốt Tuy nhiên, bộ điều khiển PID chỉ có thể được sửdụng cho các hệ thống tuyến tính thời gian bất biến và nó là cần thiết để chỉnh tăngmột cách chính xác dựa trên các động lực của quá trình Khi các trạng thái của quátrình thay đổi do sự thay đổi của trọng lượng hệ thống, quá trình điểu chỉnh phải làmlại Ngoài ra, bộ điều khiển PID có hạn chế là nó chỉ có thể áp dụng cho hệ thốngSISO (Single Input SingleOutput).
Hệ thống CNC là hệ thống kiểm soát nhiều hơn hai trục, tuy nhiên chúng ta có thể
sử dụngriêng mỗi bộ điều khiển PID cho mỗi trục bởi vì mỗi trục của máy CNC thực
sự kiểm soát độc lập dựa trên các dữ liệu nội suy nhỏ theo khoảng thời gian
Bộ điều khiển PID tạo ra các đầu ra như là một đầu vào của quá trình, mà làm cho cáclỗi(sự sai khác giữa quá trình phản hồi đầu ra và đầu ra tính toán) bằng không Quátrình được thểhiện trong hình dưới
Hình 1.5:Quá trình của bộ điều khiển PID
Chất lượng của máy CNC được quy về việc thực hiện điều khiển động cơ, Các bộđiềukhiển vị trí không chỉ kiểm soát chính xác vị trí của các trục mà còn có thể kiểmsoát các sự cốkhác nhau Đầu tiên là điểm – điểm kiểm soát nơi đến nhanh và chínhxác tại vị trí mong muốn, râtquan trọng phụ thuộc vào con đường trung gian Thứ hai
là điều khiển theo vị trí, nó rất quan trọngđể các trục chuyển động theo quỹ đạo chínhxác Thứ ba là điều khiển contour để giám sát contour trong trường hợp hệ thống đatrục Ở vị trí điều khiển, thuật toán khác nhau đã được sử dụng để đáp ứng các điềukiện trên và bộ điều khiển PID là một trong số các bộ điều khiển điển hình
