BÀI TẬP LỚN ROBOT CÔNG NGHIỆP

Robot mistubishi RV-4F thuộc loại robot công nghiệp có tới 6 bậc tự do 3 bậc chuyển động cơ bản – định vị các vị trí cơ bản 3 bậc chuyển động bổ sung – đinh hướng chuyển động  Phần thân

GVHD: Phạm Hồng Thanh

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 /2019

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

MỤC LỤC

Nhận xét của giáo viên chấm 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

I.TÌM HIỂU VỀ CẤU TẠO CỦA ROBOT mitsubishi rv-4f 5

1.1 Kết cấu cơ khí 5

1.2 Hệ thống truyền động 7

1.3 Hệ thống điều khiển 12

1.4 Hệ thống cảm biến 16

II XÁC ĐỊNH SỐ BẬC TỰ DO CỦA ROBOT 18

III BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT 19

3.1 Bộ thông số DH 23

3.2 Mô hình biến đổi 24

IV.PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC NGƯỢC 28

V.ĐIỀU KHIỂN ROBOT 31

5.1 Sử dụng chương trình RT ToolBox2 để điều khiển robot 36

5.2 Vận hành robot bằng điều khiển giảng dạy 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

SVTH: PHẠM NGUYỄN HOÀNG KỲ

VÕ VĂN NAM

LÊ CÔNG THẾ

TÔN LONG TRÌNH

3

LỜI NÓI ĐẦU.

Nền kinh tế Việt Nam chủ yếu dựa trên nguồn lợi chính là xuất khẩu một

số ngành hàng sau: khoáng sản thô,dầu mỏ thô, hàng mỹ nghệ gỗ, các mặt hàngnông sản, lương thực thực phẩm Vì xu thế hiện nay Việt Nam đang bước dầnvào nền công nghiệp 4.0 đang có xu hướng hội nhập với thế giới đòi hỏi phải cónhững máy móc hiện đại có thể thay thế con người làm những công việc nguyhiểm và dễ dàng hơn Vì thế nên nhóm em tiến hành làm bài tập lớn về tính toán

và thiết kế robot công nghiệp mà cụ thể hơn ở đây là làm về ROBOTMITSUBISHI RV-4F Được ứng dụng nhiều trong các dây chuyền sản xuất cácnhà máy xí nghiệp trong các công ty lớn nhỏ trên khắp thế giới Với ưu điểmcủa dạng robot này là có độ bền cao dễ sửa dụng, có sẵn các phần mềm lập trìnhcho robot được cung cấp trược tiếp từ mitsubishi

I.TÌM HIỂU VỀ CẤU TẠO CỦA ROBOT MITSUBISHI RV-4F

1.1 Kết cấu cơ khí

* Robot mistubishi RV-4F có cấu tạo gồm: phần thân robot( trunk), phần

vai(shoulder), cánh tay trên(upper arm), cẳng tay robot(forearm) và cổ tay robot(wrist)

Robot mistubishi RV-4F thuộc loại robot công nghiệp có tới 6 bậc tự do

3 bậc chuyển động cơ bản – định vị các vị trí cơ bản

3 bậc chuyển động bổ sung – đinh hướng chuyển động

 Phần thân của robot:

Phần thân của robot được quay quanh một trục cố định Phần trục quay này cócấu tạo gồm 2 bánh răng, một bánh răng được lắp cố định tại tâm quay, mộtbánh răng được gắn trên động cơ AC servo Động cơ servo được gắn cố địnhtrên phần thân của robot Khi có tín hiệu điều khiển truyền đến động cơ servolàm động cơ quay thì sẽ làm cả thân của robot xoay quanh 1 trục cố định.

 Phần vai robot:

Được gắn với phần thân của robot nhờ một khớp bản lề có thể dễ dàng giúprobot chuyển động xoay lên xuống nhưng sẽ bị giới hạn trong những góc độnhất định

 Cánh tay trên của robot:

Cũng tương tự như phần vai cánh tay trên được gắn với phần thân của robot nhờmột khớp bản lề có thể dễ dàng giúp robot chuyển động xoay lên xuống nhưng

sẽ bị giới hạn trong những góc độ nhất định

 Cẳng tay của robot:

Là bộ phận tăng tầm với của robot có chức gắn kết giữa cổ tay của robot đối vớicánh tay trên ở một số loại robot cẳng tay có thể được điều chỉnh tịnh tiến dài

ra ngắn lại bằng các hệ thống xylanh thủy lực

 Cuối cùng là cổ tay của robot:

Là một bộ phận cũng khá quan trọng trong robot công nghiệp Đây là nơi để cóthể gắn các loại kẹp và các loại thiết bị chuyên dùng cho từng loại công việcnhất định Ví dụ như các tay kẹp thủy lực để bóc xếp hàng hóa trong dâychuyền sản xuất, các đầu hàn để hàn ở những chỗ khó đòi hỏi chất lượng mốihàn đều đẹp, các đầu phun sơn trong nhà máy oto làm giảm nguy hiểm sức khỏecho người lao động, ngoài ra còn có thể gắn các đầu cắt vào cổ tay để lập trìnhrobot gia công các chi tiết như một máy cnc nhiều trục

Về đặc tính kỹ thuật cơ khí bên trong các khớp chuyển động của robot là cácđộng cơ servo, và các mạch điều khiển servo driver Mạch điều khiển servo

nên phải đảm bảo độ nhiễu ở mức thấp nhất để robot có thể hoạt động ở mức ổnđịnh nhất.

Bộ điều khiển servo

Có nhiệm vụ là nhận thông tin từ bộ điều khiển trung tâm và chuyển thành tínhiệu để điều khiển một cách chính xác số vòng quay của động cơ và để nhận tínhiệu từ các cảm biến trên động cơ và truyền đến bộ xử lý trung tâm

Động cơ servo

Là loại động cơ bước nhưng được chế tạo và bổ sung nhiều công nghệ để có độ

ổn định lớn, độ chính xác cao và cho ra mômen lớn phù hợp với các yêu cầuthực tế Các động cơ servo thường được gắn thêm hộp giảm tốc để tăng thêmmômen xoắn lên trục giúp di chuyển các cơ cấu khỏe hơn

Để tăng mômen truyền tải cho động cơ servo người ta thường gắn thêm các hộp

số giảm tốc và để tăng khả năng tự hãm của động cơ Hộp số giảm tốc thườngdùng ở động cơ servo là hộp số giảm tốc bánh răng hành tinh (Planetary Gear),hộp giảm tốc Harmonic, hộp giảm tốc trục vít bánh vít

Đối robot Robot mistubishi RV-4F thì được sửa dụng loại động cơ servo ACservo mistubishi MR- J2 có công suất cao từ 0,05-400W được tích hợp sẵndriver điều khiển có thể cài đặt tốc độ và số vòng quay theo một giá trị nhấtđịnh, bên trong mỗi motor servo đề tích hợp một phanh điện để có thể dừngđộng cơ ở các vị trị được thiết lập

Bên trong hộp giảm tốc bánh răng hành tinh

Cấu tạo hộp giảm tốc harmonic

Cấu tạo của phanh điện

khi có dòng điện đi qua thì nam

châm điện hút thanh sắt làm ép

lò xo xuống, khi đó sẽ tạo ra khoảng cách đĩa phanh ở trên trục có thể quay

Khi không có dòng điện đi qua thì lò xo sẽ đẩy thanh sắt gắn má phanh và kẹp chặt đĩa phanh vào 2 má phanh động cơ sẽ dùng.

Tín hiệu dòng điện điều khiển nam châm điện trong phanh điện được phát ra từ driver điều khiển của động cơ do người dùng viết chương trình điều khiển

1.3 Hệ thống điều khiển

Để điều khiển được chuyển động ở các khâu của robot ở từng khâu mỗi động cơservo được trang bị một driver giúp nhận và truyền đạt tín hiệu từ các bộ điều khiển trung tâm đến động cơ và nhận tín hiệu từ các cảm biến từ động cơ và

truyền dữ liệu lại về bộ xử lý trung tâm

Bộ điều khiển trung tâm trên robot là khối PLC: sự chuyển động của robot đến các vị trí nhất định, tuần tự hoặc thay đổi theo chu kì được người sửa dụng lập trình qua bộ điều khiển PLC PLC được xem như là bộ não trung tâm của robot công nghiệp, ở đây sẽ phát ra các tín hiệu đưa đến các driver, tại các driver sẽ

xử lý tín hiệu đến truyền đạt đến động cơ để thực thi theo đúng yêu cầu của

người lập trình Trong quá trình thực thi đó người dùng có thể lập trình các bộ cảm biến để thu thập các thông tin và truyền đạt về PLC để đưa ra các giá trị tọa

độ khảo sát

Mô hình điều khiển một số hệ thống:

Sơ đồ đấu nối động cơ Servo- Driver-PLC

Một PLC cơ lớn công nghiệp có thể có nhiều ngõ ra để điều khiển cùng một lúc nhiều động cơ servo Ngoài ra ở nghành công nghiệp hiện đại ngày nay có thể kết nối nhiều PLC thành một hệ thống mạng truyền thông công nghiệp để có thể

tự động hóa hoàn toàn việc sản xuất nơi mà robot sẽ thay thế con người làm

những công việc có tính liên tục và độc hại

1.4 Hệ thống cảm biến

Trên robot mitsubishi RV-4FRL riêng và đa số các loại robot công nghiệp nói chung được trang bị khá nhiều loại cảm biến phục vụ cho từng nhu cầu sửa

dụng nhất định

Những loại cảm biến bắt buộc phải có trên robot công nghiệp đó là: các

encoder, cảm biến tiệp cậnvà một số loại cảm biến chuyên dụng cho từng nhu cầu sửa dụng

Encoder: các encoder dùng để mã hóa số vòng quay và truyền dữ liệu đó đến driver, ở đó driver sẽ xử lý xác định được vị trí của tương đối của từng vòng

Cảm biến tiệm cận: dùng để xác định khoảng cách giữa các vật Trong robot

công nghiệp thường dùng để xác định các vị trí gốc, các vị trí max min

Một số loại cảm biến khác thường gặp:

Đầu dò độ nhám bề mặt cảm biến áp suất

II XÁC ĐỊNH SỐ BẬC TỰ DO CỦA ROBOT

Robot mistubishi RV-4FRL thuộc loại robot công nghiệp có tới 6 bậc tự do

3 bậc chuyển động cơ bản – định vị các vị trí cơ bản

3 bậc chuyển động bổ sung – đinh hướng chuyển động

III BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT

Hình biểu diễn các khớp

Quay đặt trên robot MITSUBISHI RV-4F Trong đó có thể gọi các khớp

A1, A2, A3 lần lượt là khớp hônG(waist), khớp bả vai (shoulder), khớp khuỷu tay (elbow); tập hợp cả 3 khớp này gọi là cánh tay (arm), các khớp A1, A2, A3 này quyết định vị trí của khâu chấp hành cuối Các khớp A4, A5, A6 còn lại

được gọi chung là khớp cổ tay (wrist), chúng quyết định hướng của khâu chấp hành cuối và có tâm

3.1 Bộ thông số DH

Ta xây dựng mối quan hệ động học thông qua bộ thông số DH :

Theo Denavit & Hartenberg, hai ông đã đề xuất dùng ma trận thuần nhất 4x4 để

mô tả quan hệ giữa 2 khâu liên tiếp trong cơ cấu không gian

Trước hết, xác định bộ thông số cơ bản giữa 2 trục quay của 2 khớp động i+1 vài:

- ai là độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp động i+1 và i,

- i là góc chéo giữa 2 trục khớp động i+1 và i,

- di là khoảng cách đo dọc trục khớp động i kể từ đường vuông góc chung giữa trục khớp động i+1 và trục khớp động i tới đường vuông góc chung giữa trục khớp động i và trục khớp động i-1

- θi là góc giữa 2 đường vuông góc nói trên

3.2 Mô hình biến đổi

Trên cơ sở đã xây dựng các hệ tọa độ với 2 khâu động liên tiếp như trên đã

trình bày, ta có thể thiết lập mối quan hệ giữa 2 hệ tọa độ liên tiếp theo 4 bướcsau đây:

1 - Quay quanh trục zi-1 một góc θi

2 - Tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di

3 - Tịnh tiến dọc trục xi-1 (đã trùng với xi) một đoạn ai

4 - Quay quanh trục xi một góc αi

Bốn bước này được biểu diễn bằng tích các ma trận thuần nhất sau:

Ai = R(z,θi).Tp(0,0,di).Tp(ai,0,0).R(x,αi) (2.1)

Sau khi thực hiện các phép nhân các ma trận đơn giản (quay, tịnh tiến), ta có:

Thay các giá trị trong bảng DH vào công thức Ai ta tính được các ma trận Ai như sau

Với Ci = cos θi Si= Sin θi

Phương trình động học

Ma trận Ti là tích các ma trận Ai và là ma trận mô tả vị trí và hướng của hệ tọa

độ gắn liền với khâu thứ i, so với hệ tọa độ cố định: Ti = A1A2…Ai, i = 1 n

Trong trường hợp i = n, với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với điểm tác độngcuối (End-Effector) thì ta có:

Tn = A1A2…An cũng chính là ma trận trạng thái cuối TE: TE = Tn

Hay

Vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối được cho bởi ma trận:

-Nhân 3 ma trận đầu với nhau ta được

Nhân 3 ma trận còn lại ta được

Ta có phương trình cần bằng như sau

Như vậy thi biết được giá trị của θi ta hoàn toàn có thể xác định được hướng và

vị trí của khâu chấp hành cuối bằng cách thay các giá trị này vào 12 phương

trình trên

IV.PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC NGƯỢC

Phương trình động học ngược - Vị trí (Position)

Trên hình vẽ là hình chiếu bằng của cánh tay robot trong 2 trường hợp

của góc θ1

- Góc θ1 được tính từ Py và Px:

θ1 = arctan2(Py, Px);

Theo hình vẽ, θ1 có 2 nghiệm là θ1 và (θ1 + 180o), cũng đều thỏa mãn nghiệm

của phương trình (2.8) Trường hợp Px = Py = 0, phương trình (2.8) sẽ có vô sốnghiệm, do vậy hàm atan2 sẽ chọn nghiệm của θ1 = 0

Góc θ 3 được tính dựa vào hình

Ta có

bao gồm các thành phần ma trân quay của là các giá trị cần xác định

Sau khi nhân vế nhải ta tìm ra được các giá trị bij rồi đồng nhất với các phần tử

ta tim được các nghiệm của

V.ĐIỀU KHIỂN ROBOT

Bộ điều khiển mitsubishi

Bộ điều khiển thực hiện nhiệm vụ điều khiển robot Có thể vận hành các robot bằng bảng panen vận hành

Có sẵn hai bộ điều khiển: loại D( bộ điều khiển robot độc lập) và loại Q ( bộ

diều khiển tương thích nền iQ) CPU của robot được tích hợp bên trong bộ điều khiển loại D Để liên kết vối bộ điều khiển khả trình, CPU của robot phải được tách riêng khỏi bộ điều hiển loại Q và gắn kết khe cắm trên bệ bộ điều khiển

khả trình

Cấu hình thiết bị ngoại vi của robot loại D

Bộ điều khiển giảng dạy được kết nối hoặc ngắt kết nối trong khi nguồn điện

5.1 Sử dụng chương trình RT ToolBox2 để điều khiển robot

Sử dụng phần mền tạo trường trình hỗ trợ toàn diện “RT ToolBox2” để phát

triển chương trình giàng cho robot cong nghiệp MELFA của MITSUBISHI

RT ToolBox2 là phần mền dành cho máy tính cá nhân và hỗ trợ các giai đoạn gồn thiết lập, gỡ lỗi, và vận hành hệ thống Phần mền cho phép bạn tạo và chỉnhsửa chường trình, kiểm tra vùng vận hành trước khi sủ dụng robot, ước tính nhịpthời gian, thực hiện vận hành và gỡ lổi khi kích hoạt robot, và giám sát tình

5.2 Vận hành robot bằng điều khiển giảng dạy

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Robot công nghiệp-GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc

https://orgnew-www.mitsubishielectric.com/fa/assist/e-learning/pdf/vie/5-MELFA_Basics_FD_fod_vie.pdf

https://www.mitsubishielectric.com/fa/vn_vi/dctlg/catalog/04/pdf/rbt.pdf