ĐỒ án môn học cơ điện tử mã đề VCK01 2 THIẾT kế hệ THỐNG dẫn ĐỘNG, và điều KHIỂN ROBOT SCARA

a- Nội dung, mục đích, ý nghĩa bài toán động lực học rô bốt Scara …….. 2.- Mục đích nghiên cứu của đề tài Mục đích của đề tài trước hết là tìm hiểu làm quen với việc nghiên cứu khoahọc v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Người hướng dẫn: GVC.TS Nguyễn Ngọc Thành

HÀ NỘI – 2020

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU ……… ……

Chương 1- GIỚI THIỆU RÔ BỐT SCARA; NHIỆM VỤ ĐƯỢC GIAO … ……

1.1- Giới thiệu rô bốt Scara ……… ……

1.1.2- Ứng dụng rô bốt Scara trong sản xuất công nghiệp, và hoạt động dịch vụ …… a- Trong sản xuất công nghiệp ……… …… b- Trong hoạt động dịch vụ ……… …… 1.2- Nhiệm vụ được giao ……… ……

1.2.2- Phân tích nội dung nhiệm vụ thiết kế ………

HỌC

……

HỆ TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA ………

…… 2.1- Động học rô bốt Scara 4 bậc tự do ………

…… 2.1.1- Thiết lập các hệ tọa độ trên rô bốt Scara ………

…… 2.1.2- Bài toán động học thuận; ý nghĩa ………

……

…… 2.2- Không gian hoạt động rô bốt Scara ………

…… 2.2.1- Xác định không gian hoạt động rô bốt Scara ………

…… a- Các điều kiện ràng buộc ………

…… b- Xây dựng thuật xác định không gian hoạt động ………

c- Vẽ mô phỏng không gian hoạt động rô bốt Scara ………

2

2.2.2- Thiết kế quỹ đạo chuyển động của rô bốt ……….

a- Chuyển động theo đoạn thẳng ………

b- Chuyển động theo đoạn cong (cung tròn, hoặc đường bậc 2 nào đó) … c- Chuyển động phức tạp (xen kẽ đoạn thẳng và đoạn cong) ………

d- Mô phỏng động học rô bốt Scara theo quỹ đạo chuyển động phức tạp (thực hiện nhiệm vụ công nghệ đề ra) ………

2.3- Động lực học rô bốt Scara 4 bậc tự do ………

2.3.1- Nội dung, mô hình và giải bài toán động lực học rô bốt Scara ……

a- Nội dung, mục đích, ý nghĩa bài toán động lực học rô bốt Scara ……

b- Mô hình động lực học rô bốt Scara ………

c- Giải bài toán động lực học rô bốt Scara ………

2.3.2- Xác định công suất truyền dẫn các động cơ ………

a- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 1 ………

b- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 2 ………

c- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp tịnh tiến 3 ………

d- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 4 ………

Chương 3- THIẾT KẾ KẾT CẤU TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA …….

3.1- Đặt vấn đề (mở đầu) ………

3.2- Thiết kế kết cấu lắp ghép truyền dẫn rô bốt Scara ………

3.2.1- Kết cấu lắp ghép khâu 0 (giá trụ cố định) với cụm khớp quay 1 …

3.2.2- Kết cấu lắp ghép khâu 1 với cụm khớp quay 2 ………

3.2.3- Kết cấu lắp ghép khâu 2 với cụm khớp tịnh tiến 3 ………

3.2.4- Kết cấu lắp ghép khâu 3 với cụm khớp quay 4 (bàn tay kẹp) ………

3.2.5- Thiết kế bản vẽ kết cấu lắp chung rô bốt Scara ………

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

Chương 4- THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT SCARA

4.1- Nguyên lý, và sơ đồ điều khiển rô bốt Scara ……….4.1.1- Xác định nguyên lý điều khiển (ĐK kín hay ĐK hở)

………

4

4.1.2- Xây dựng sơ đồ điều khiển (theo nguyên lý đã xác định) ………

4.2- Phương trình điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4) …………

4.2.1- Cơ sở điều khiển động học rô bốt Scara ………

4.2.2- Phương trình điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4) ………

4.3- Xây dựng thuật toán điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4) …

4.3.1- Mô tả thuật toán ………

4.3.2- Thiết lập lưu đồ thuật toán ………

4.4- Thiết kế hệ điều khiển rô bốt Scara ………

4.4.1- Lựa chọn bộ điều khiển, và các phần tử trong hệ điều khiển ……

4.4.2- Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển ………

Chương 5- THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG RÔ BỐT SCARA …….

5.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế; giới thiệu công cụ mô phỏng ………

5.1.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế mô phỏng ………

5.1.2- Giới thiệu công cụ mô phỏng ………

5.2- Thiết kế mô phỏng ………

5.2.1- Thiết kế mô phỏng các phần tử, bộ phận bàn chạy dao theo OX … 5.2.2- Thiết kế mô phỏng các phần tử, bộ phận bàn chạy dao theo OY … 5.2.3- Thiết kế mô phỏng động hoạt động chạy dao OX, OY khi phay … KẾT LUẬN ………

a- Những nội dung đã thực hiện và giải quyết đƣợc trong đồ án ………

b- Ưu, nhược điểm, và phương hướng khắc phục, hoàn thiện …………

LỜI CẢM ƠN ………

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

……

MỞ ĐẦU

1.- Đặt vấn đề

Robot Scara ra đời vào năm 1979, đây là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệtđược sử dụng nhiều trong các công việc lắp ráp Nó thực hiện những công việc đòihỏi độ chính xác cao Robot Scara đã và đang được ứng dụng và phát triển rộng rãitrên toàn thế giới, chúng được chế tạo và phát triển với quy mô lớn Tuy nhiên, ởViệt Nam việc nghiên cứu và phát triển vẫn còn hạn chế cả ở các viện nghiên cứu

và các trường đại học Do nhu cầu thực tế và niềm say mê nghiên cứu dưới sựhướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Ngọc Thành đã giúp chúng em thực thiện đề

tài “ Thiết kế hệ truyền dẫn, điều khiển robot Scara 4 bậc tự do ”.

2.- Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích của đề tài trước hết là tìm hiểu làm quen với việc nghiên cứu khoahọc và áp dụng các kiến thức đã học vào thực tế Trong quá trình nghiên cứu thực tế

đề tài đã giúp chúng em nâng cao kiến, tiếp cận những vấn đề mới của thực tế cũngnhư làm nền tảng vững chắc cho kỹ sư cơ điện tử sau khi tốt nghiệp

3.- Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Tính toán động học, động lực học dựa trên cơ sở đó lập trình để kiểm chứng

Chương 1- GIỚI THIỆU RÔ BỐT SCARA; NHIỆM VỤ ĐƯỢC GIAO

1.1- Giới thiệu rô bốt Scara:

1.1.1- Cấu trúc động học và kết cấu rô bốt Scara:

Robot SCARA được cấu tạo bởi một chuỗi các thanh cứng liên kết với nhau bởi các khớp Truyền động cho hai khớp của tay máy là hai động cơ servo hoạt động có phản hồi vị trí tạo thành vòng điều khiển kín Robot SCARA có tất cả 3 khớp quay và một khớp tịnh tiến, nhưng tất cả đều có trục song song với nhau Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững theo phương được chọn , là phương ngang Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng

Hình 1.1- Robot SCARA 4 bậc tự do của hãng Mitsubishi

Từ SCARA là viết tắt của “Selective Compliance Assembly Robot Arm” để

mô tả các đặc điểm trên Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng, như hình dưới:

Hình 1.2- Mô phỏng không gian làm việc của robot

SCARA 8

1.1.2- Ứng dụng rô bốt Scara trong sản xuất công nghiệp, và hoạt động dịch vụ:

a- Trong sản xuất công nghiệp:

- Sử dụng trong các nhà máy lắp ráp chi tiết, hàn, gắp sản phẩm , phân loại sản phẩm, v.v

b- Trong hoạt động dịch vụ:

- Sử dụng trong các lĩnh vực pha chế đồ uống, v.v

1.2- Nhiệm vụ được giao:

1.2.1- Nhiệm vụ thiết kế được giao và số liệu cho trước:

- Thiết kế truyền dẫn và điều khiển robot scara

- Kích thước và giới hạn các khâu:

1.2.2- Phân tích nội dung nhiệm vụ thiết kế

- Giải bài toán động học (thuận ngược) , động học robot Scara

- Xác định miền làm việc

- Mô phỏng hoạt động của robot trong không gian hoạt động

- Thiết kế kết cấu robot Scara

- Vẽ tách chi tiết của Robot

- Thiết kế hệ điều khiển robot Scara

Chương 2- ĐỘNG HỌC; KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG; ĐỘNG LỰC

HỌC HỆ TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA

f : số bậc tự do của cơ cấu

λ= 6) khi vùng làm việc trong không gian, λ = 3 khi vùng làm việc là mặt phẳng)

n : số khâu động của robot

2.1.1- Thiết lập các hệ tọa độ trên rô bốt Scara:

Các khâu của robot được đánh

số từ 0 đến 4 Trong đó, khâu 0 là

khâu cố định, các khâu còn lại

của robot đều là khâu động

Hình 2.1- Sơ đồ động học của

10

robot SCARA 4 bậc tự do

- Đối với hệ tọa độ cố đinh O0 X0 Y 0 Z0 gắn với khâu 0, gốc O0 thuộc đường tâmtrục khâu 0, trục O0 Z0 có chiều hướng từ dưới lên, trục O0 X0 có chiều hướng từ phíabên trái qua bên phải, còn trục O0 Y 0 có chiều hướng từ phía ngoài hướng vào trong

- Đối với hệ tọa độ cố đinh O1 X1 Y 1 Z1 gắn với khâu 1, gốc O1 thuộc đườngtâm trục của khớp 2, trục O1 Z1 có chiều hướng từ dưới lên, trục O1 X1 có chiềuhướng từ phía bên trái qua bên phải, còn trục O1 Y 1 có chiều hướng từ phía ngoàihướng vào trong

- Đối với hệ tọa độ cố đinh O2 X2 Y 2 Z2 gắn với khâu 2, gốc O0 thuộc đường tâmtrục khớp 3, trục O2 Z2 có chiều hướng từ dưới lên, trục O2 X2 có chiều hướng từ phíabên trái qua bên phải, còn trục O2 Y 2 có chiều hướng từ phía ngoài hướng vào trong

- Đối với hệ tọa độ cố đinh O3 X3 Y 3 Z3 gắn với khâu 3, gốc O0 thuộc đường tâmtrục khâu 3, trục O3 Z3 có chiều hướng từ dưới lên, trục O3 X3 có chiều hướng từ phíabên trái qua bên phải, còn trục O3 Y 3 có chiều hướng từ phía ngoài hướng vào trong

- Đối với hệ tọa độ cố đinh O4 X 4 Y 4 Z4 gắn với khâu 4, gốc O4 thuộc đường tâmtrục khâu 3, trục O4 Z4 có chiều hướng từ dưới lên, trục O4 X 4 có chiều hướng từ phíabên trái qua bên phải, còn trục O4 Y 4 có chiều hướng từ phía ngoài hướng vào trong

2.1.2- Bài toán động học thuận; ý nghĩa

Trong đại đa số các trường hợp, tay máy là một chuỗi động hở, được cấu tạo bởi một số khâu, được nối với nhau nhờ các khớp Một đầu của chuỗi nối với giá, còn đầu kia nối với phần công tác Mỗi khâu hình thành cùng với khớp phía trước

nó một cặp khâu – khớp Tuỳ theo kết cấu của mình mà mỗi loại khớp đảm bảo

cácgóc và thông số đầu bài cho của các khâu ta tìm ra được tọa độ của điểm cuối của bàn tay kẹp điểm cuối của khâu là điểm đáng quan tâm nhất vì đó là điểm tác động lên đối tác

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học:

+, Từ hệ tọa độ Denavit-Hartenberg và các tham số động học ta thiết lập được

ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất T

cos θ i −cos α i sin θ i sin α i sin θ i a i sinθ i

T i i−1 = sin θ i cos α i cos θ i sin α i cos θ i a i cos θ i (2.2)

có thể xác định được vận tốc và gia tốc điểm tác động cuối theo công thức sau

+ Tọa độ của điểm tác động cuối E:

(2.6)

Với A i0 là ma trận cosin chỉ hướng của khâu i so với hệ tọa độ gốc và ( A i )

Như vậy, ma trận sóng của vector vận tốc góc khâu i là tích của A i

θi: góc quay quanh trục Zi-1 để trục Xi-1 chuyển đến cùng hướng với trục Xi

ai: khoảng cách dịch chuyển tịnh tiến dọc trục Xi để điểm Oi’ chuyển đến điểm

Oi

di: khoảng cách dịch chuyển tịnh tiến dọc trục Zi-1 để gốc Oi-1 chuyển đến Oi(giao điểm của trục Xi và trục Zi),

αi: góc quay quanh trục Xi sao cho trục Zi-1’ (Zi-1’ // Zi-1) chuyển đến trục

Zi.Theo quy tắc Danavit-Hartenberg ta có ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất

từ khâu i-1 sang khâu i như sau:

a trận Cosin chỉ hướng của khâu 4 so với hệ tọa độ gốc.

r (3 x 1) - Ma trận biểu diễn vị trí (tâm bàn tay kẹp) khâu 4 so với hệ tọa độ gốc

A0 (3 x 3 )−M

Trong đó:

14

Ma trận cosin chỉ hướng của khâu 4:

b) Vận tốc góc, gia tốc góc khâu thao tác

Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thứ 4:

Từ công thức (2.7), ta tính được toán tử sóng của các vector vận tốc góc của khâu 4:

Xác định 3 góc Cardan là các góc biểu diễn hướng của tâm bàn kẹp đối với

hệ quy chiếu của nó

Từ ban đầu trùng với hệ quy chiếu, thực hiện 3 phép quay liên tiếp quanh các trục của hệ tọa độ động, ứng với các góc cardan, nhận đước các góc , β, γ lần lượt

là các góc quay quanh trục Ox, Oy và Oz Ma trận tích hợp được gọi là ma trận Cardan được trình bày như dưới đây: ( là tích của 3 ma trận quay quanh Ox với góc , quay quanh Oy với góc và quay quanh Oz với góc γ )

Sử dụng ma trận xác định hướng của EE là ma trận Cardan, ta có:

cos β cos γ −cos β cos γ sin β ]

cos α sin γ + sin α sin β cos γ cos α cos γ + sin α sin β cos γ −sin α cos β

[sin α sin γ −cos α sin β cos γ sin α cos γ + cos α sin β sin γ cos α cos β

−01]

16

Hệ phương trình xác định vị trí của khâu cuối:

2.1.3- Bài toán động học ngược; ý nghĩa

Bài toán động học ngược: Bài toán ngược nhằm xác định bộ thông số động

cho lớp bài toán này hầu như chỉ cho trường hợp riêng còn đặc điểm động học riêng biệt được vận dụng để thiết lập các quan hệ cần thiết khi lập lời giải

Khi robot hoạt động thì ta đã xác định được vị trí của vật trong không gian làm việc và yêu cầu đặt ra khi này là tính toán để tìm các góc quay θ1 , θ2 , θ4và khoảng cách d3 của Robot để tay gắp đến được tọa độ xác định Đó mới là nhiệm vụcần thực hiện Vì vậy chúng ta phải chọn giải bài toán động học ngược, tức là : Chotrước quy luật của tâm bàn tay kẹp của robotđể tìm ra quy luật của qij của các tọa độsuy rộng qi (t)

Các bước giải bài toán:

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học:

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ khâu thao tác: Phương trình động học Robot

Bài toán động học ngược vị trí

Từ (2.16) ta có hệ phương trình xác định vị trí điểm tác động cuối E:

hệ thống điều khiển chúng theo yêu cầu làm việc thực tế của robot

18

2.2- Không gian hoạt động rô bốt Scara

2.2.1- Xác định không gian hoạt động rô bốt Scara

a- Các điều kiện ràng buộc thông số khâu, khớp

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

b- Xây dựng thuật toán xác định không gian hoạt động

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

c- Vẽ mô phỏng không gian hoạt động rô bốt Scara

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

2.2.2- Thiết kế quỹ đạo chuyển động của rô

bốt a- Chuyển động theo đoạn thẳng

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

b- Chuyển động theo đoạn cong (cung tròn, hoặc đường bậc 2 nào đó)

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

c- Chuyển động phức tạp (xen kẽ đoạn thẳng và đoạn cong)

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

d- Mô phỏng động học rô bốt Scara theo quỹ đạo chuyển động phức tạp (thực hiện nhiệm vụ công nghệ đề ra)

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

2.3- Động lực học rô bốt Scara 4 bậc tự do

2.3.1- Nội dung, mô hình và giải bài toán động lực học rô bốt Scara a- Nội dung, mục đích, ý nghĩa bài toán động lực học rô bốt Scara

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

b- Mô hình động lực học rô bốt Scara

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

c- Giải bài toán động lực học rô bốt Scara

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

2.3.2- Xác định công suất truyền dẫn các động cơ a-

Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 1

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

b- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 2

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

c- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp tịnh tiến 3

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

d- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 4

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

Chương 3- THIẾT KẾ KẾT CẤU TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA 3.1- Đặt vấn đề

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

3.2- Thiết kế kết cấu lắp ghép truyền dẫn rô bốt Scara

3.2.1- Kết cấu lắp ghép khâu 0 (giá trụ cố định) với cụm khớp quay 1

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

3.2.2- Kết cấu lắp ghép khâu 1 với cụm khớp quay 2

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

3.2.3- Kết cấu lắp ghép khâu 2 với cụm khớp tịnh tiến 3

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

3.2.4- Kết cấu lắp ghép khâu 3 với cụm khớp quay 4 (bàn tay kẹp)

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

3.2.5- Thiết kế bản vẽ kết cấu lắp chung rô bốt Scara

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

Chương 4- THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT SCARA

4.1- Nguyên lý, và sơ đồ điều khiển rô bốt Scara

4.1.1- Xác định nguyên lý điều khiển (ĐK kín hay ĐK hở)

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

4.1.2- Xây dựng sơ đồ điều khiển (theo nguyên lý đã xác định)

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

20