Thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC S7300

Để tìm hiểu về việc ứng dụng PLC trong hệ thống điều khiển robot công nghiệp và cụ thể là robot hàn, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do điều khiển

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và đặc biệt

là ngành tự động hóa, công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đang diễn

ra rất tốt đẹp Trước tình hình đó cũng đặt ra nhiều thách thức cho giới trí thức - những người tiếp thu và kế thừa sự tiến bộ trên

Robot công nghiệp là một lĩnh vực mới mà ở Việt Nam đang nghiên cứu và từng bước chế tạo để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần tự động hóa trong quá trình sản xuất, nâng cao năng xuất lao động

Sự ra đời của hệ thống điều khiển PLC đã thay thế được hệ thống điều khiển cồng kềnh bằng rơle và các dây nối Với nhiều ưu điểm nổi bật, ngày nay hệ thống điều khiển bằng PLC đã trở nên ưu việt và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng PLC là rất cần thiết

Để tìm hiểu về việc ứng dụng PLC trong hệ thống điều khiển robot công

nghiệp và cụ thể là robot hàn, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC ” Đề tài đã thể hiện một phần trong

những kiến thức mà chúng em đã đạt được sau bốn năm học tập tại trường

Do có sự hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và kinh nghiệm nên chúng

em không thể tránh khỏi những sai sót

Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn sinh viên Khoa Điện – Điện tử về đề tài này

Hưng yên, Ngày 10 Tháng 08 Năm 2013

Lời cảm ơn

Đồ án được hoàn thành như là một bước ngoặt báo hiệu kết thúc thời gian học tập tại trường ĐHSP Kỹ Thuật Hưng Yên Nếu không có sự đóng góp từ nhiều phía chắc chắn chúng em khó mà đạt được những kết quả như vậy

Đó là sự đóng góp tích cực về vật chất, sự ủng hộ động viên tinh thần về phía gia đình – đã hình thành một chỗ dựa vững chắc Mỗi chúng em sẽ mãi mãi ghi nhớ!

Được học môn PLC và các môn khác cùng với sự trực tiếp hướng dẫn nhiệt

tình của thầy Bùi Trung Thành và cô Lê Thị Minh Tâm giúp chúng em thực hiện

đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Trong số kiến thức mà chúng em đạt được có sự đóng góp của nhiều thầy cô, cùng với sự giúp đỡ, những lời động viên đúng lúc trong khi học và trong thời gian thực hiện đề tài của các bạn sinh viên lớp ĐK3, có lẽ chúng em không thể nào quên!

Hưng Yên, Ngày 10 Tháng 08 Năm 2013

Sinh viên thực hiện

Phạm Việt Dũng

NHẬN XÉT CỦA GVHD

………

………

………

………

………

………

………

………

……….………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yên, Ngày… Tháng… Năm…

T.S: Bùi Trung Thành

NHẬN XÉT CỦA GV PHẢN BIỆN

………

………

………

………

………

………

………

………

……….………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yên, Ngày…

Tháng… Năm…

3.2 Xây dựng phương trình động học cho robot hàn 3 khớp quay 22

3.2.3 Xác định quỹ đạo chuyển động của robot trong không gian 28

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và lựa chọn động cơ 31

4.2.5 Lý do sử dụng động cơ bước cho đề tài 41

5.3.3 Tính toán thời gian cấp xung cho động cơ 73

Chương 6: Kết quả và thảo luận 78

7.2 Hướng khắc phục và phát triển của đồ án 84

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí robot 14 Hình 2.10 Hình vẽ tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng robot 15 Hình 2.11 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi 16 Hình 2.12 Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC 17 Hình 2.13 Robot hàn VR – 006AL của hãng Panasonic (Nhật) 18 Hình 2.14 Robot hàn KR6ARC của hãng KUKA của Đức 18

Hình 3.3 Sơ đồ minh họa các giá trị trong bộ thông số D – H 22 Hình 3.4 Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot 25

Hình 4.1 Hình dạng một loại động cơ bước điển hình 34 Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực

Hình 4.3 Sơ đồ nối các cuộn dây Stato điển hình 38 Hình 4.4 Các chế độ điều khiển một động cơ bước điển hình 40 Hình 4.5 Hình dạng động cơ bước được sử dụng trong đề tài 42

Hình 4.7 Sơ đồ bố trí linh kiện khối mạch tạo xung 44 Hình 4.8 Sơ đồ board mạch khối mạch tạo xung 45

Hình 4.9 Hình dạng của7806 46

Hình 4.13 Sơ đồ bố trí linh kiện của khối mạch driver 52

Hình 4.18 Sơ đồ chân và kí hiệu logic của 74LS138 55

Hình 4.20 Sơ đồ chân và kí hiệu logic của 74HC14 57 Hình 4.21 Sơ đồ logic và dạng sóng của 74HC14 57 Hình 4.22 Sơ đồ chân và sơ đồ tương đương của Tip 122 58 Hình 4.23 Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình điện cơ 61

Hình 4.25 Hình dạng thực tế của cảm biến từ tiệm cận 62 Hình 4.26 Sơ đồ ghép nối của cảm biến tiệm cận NPN 63 Hình 4.27 Sơ đồ ghép nối đầu vào / ra với PLC 63

về công nghệ của robot hàn và củng cố những kiến thức đã thu được

Trong đồ án này, chúng em đã thực hiện được các nội dung sau:

Giới thiệu tổng quan về robot công nghiệp nói chung và robot hàn nói riêng Nắm được lịch sử phát triển robot công nghiệp, đặc điểm chuyển động và điều khiển, vai trò cũng như một số nghiên cứu và ứng dụng của robot hàn

Trình bày được cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, nguyên tắc điều khiển động cơ bước - động cơ ứng dụng trong các hệ thống cần sự điều khiển chính xác cao Chế tạo và phân tích được các mạch điều khiển cho động cơ bước

Xây dựng mô hình robot hàn 3 khớp quay, tính toán bài toán động học thuận

và ngược của robot Từ đó đưa ra bài toán điều khiển và viết chương trình điều khiển cho robot bằng phần mềm PLC S7 – 300 để robot hoạt động, hàn điểm và hàn đường theo một quỹ đạo cho trước

Chương 1

Ứng dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp Gần 25% robot công nghiệp là robot hàn Những lợi ích lớn nhất của robot hàn tự động là có độ chính xác và năng suất cao Hàn bằng robot nâng cao độ tin cậy của mối hàn Một khi được lập trình hợp lý thì robot hàn có thể tạo ra các mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy cách Chuyển động của que hàn được tự động hóa

sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại Robot không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu quả hơn nhiều so với một hệ thống hàn tay Quá trình hàn được tự động hóa giải phóng người công nhân khỏi những tác hại khi hàn do tiếp xúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc Với những ưu điểm như vậy, ngày nay ở nước ta, một triển vọng mới đã được mở ra cho ngành công nghiệp đóng tàu khi ứng dụng công nghệ robot hàn

Ở nhiều trường đại học, cao đẳng và dạy học kỹ thuật trong đó có trường ta, đã

robot hàn – robot được ứng dụng khá phổ biến trong công nghiệp và mong muốn ứng dụng lý thuyết đã được học vào thực tiễn, cũng như thúc đẩy phong trào nghiên cứu, chế tạo robot của các bạn sinh viên trong và ngoài trường, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC”

1.2 Mục đích nghiên cứu:

Thực hiện đề tài “thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC” giúp cho người thực hiện không chỉ ứng dụng những kiến thức đã học về lập trình PLC vào thực tế mà còn có thể nâng cao kiến thức về robot, thiết kế cơ khí, điều khiển động cơ…Đặc biệt nó cung cấp một cái nhìn tổng quan về robot công nghiệp Sản phẩm làm ra trước tiên có thể ứng dụng trong việc giảng dạy trong nhà trường, sau đó nếu có điều kiện phát triển và mở rộng hơn thì sẽ có khả năng ứng dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp

Do hạn chế về thời gian và ngân sách, đồ án chỉ tập trung nghiên cứu chế tạo

và điều khiển 3 khớp của cánh tay robot hàn Không có cơ cấu tác động cuối (bàn tay robot – mỏ hàn)

1.4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu:

Phương tiện:

 Sách tham khảo, các tài liệu trên mạng

 Modul PLC…

 Phần mềm eagle, phần mềm Proteus, phần mềm PLC, phần mềm solidworks

1.5 Cấu trúc của đồ án:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Tổng quan về robot hàn

Chương 3: Xây dựng mô hình cánh tay robot hàn 3 bậc tự do

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và lựa chọn động cơ

Chương 5: Lập trình điều khiển robot

Chương 6: Kết quả và thảo luận

Chương 7: Kết luận và kiến nghị

Chương 2

2.1 Giới thiệu sơ lược về robot công nghiệp:

2.1.1 Lịch sử phát triển của robot:

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robata” có nghĩa là công

việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s universal robots của Karel Capek, vào năm

1921 Trong vở kịch này, ông đã mô tả một “nhân vật” có thể ứng xử như con người, có khả năng làm việc khỏe gấp đôi con người, nhưng không có cảm tính, cảm giác như con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuât về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người Sự phát triển của lĩnh vực robot bắt đầu từ 40 năm sau đó

Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầy sản xuất robot công nghiệp: Anh – 1967, Thụy Điển và Nhật – 1968 theo bản quyền của Mỹ, CHLB Đức – 1971, Pháp – 1972, ở Ý – 1973

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực tin học – điện tử đã tạo ra cá thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt, số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như sau:

Nước sản xuất Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998

2.1.2 Hệ thống chuyển động robot:

Hệ thống chuyển động robot công nghiệp đảm bảo cho robot có thể thực hiện các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của thân, cánh tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước Bộ phận cơ bản của robot là: Cánh tay (gồm một số thanh nối cứng liên kết vớ nhau bởi các khớp mềm); thân (bệ); cổ tay; bàn tay

Hình 2.1: Các bộ phận của robot 2.1.2.1 Bậc tự do của robot:

Bậc tự do của robot là khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động

Một con robot công nghiệp dùng trong nhà máy có từ 3 đến 6 bậc tự do Số bậc tự do của robot càng cao thì robot hoạt động càng linh hoạt Như robot Asimo của Honda có 34 bậc tự do, robot Qrio của Sony 38 bậc tự do

Khớp quay

khớp tịnh tiến

Hình 2.2: Dạng khớp của robot 2.1.2.3 Cổ tay robot:

Cổ tay robot có nhiệm vụ định hướng chính xác bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) trong không gian làm việc Thông thường cổ tay robot có 3 bậc tự do tương ứng với 3 chuyển động có cấu tạo điển hình như hình 2.3: Cổ tay xoay xung quanh trục thanh nối cuối cùng (Roll), cổ tay xoay xung quanh trục nằm ngang tạo chuyển động lên xuống của bàn tay (Pitch) quay xung quanh trục thẳng đứng tạo chuyển động lắc phải, trái của bàn tay (Yaw)

Hình 2.3: Cơ cấu cổ tay 3 bậc tự do 2.1.2.4 Bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối):

Bàn tay được gắn lên cổ tay robot đảm bảo cho robot thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong không gian làm việc Cơ cấu bàn tay có hai dạng khác nhau tùy theo chức năng của robot trong dây chuyền sản xuất: cơ cấu tay kẹp và cơ cấu dụng

cụ (Các dụng cụ là: mũi hàn, dụng cụ cắt đá, mài đá, một bình sơn, cơ cấu hàn điểm, hàn hồ quang )

2.1.2.5 Các dạng cơ cấu hình học và không gian làm việc của robot:

a) Cơ cấu robot tọa độ Đecac: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến

theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TTT) Không gian làm việc của bàn tay có dạng khối chữ nhật Do kết cấu đơn giản, loại cơ cấu này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ, đảm bảo, vì vậy nó được dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng

Hình 2.4: Cơ cấu tọa độ Đecac b) Cơ cấu robot tọa độ trụ: Không gian làm việc của robot có dạng hình trụ

rỗng Thường khớp thứ nhất là chuyển động quay.Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình

Hình 2.6: Cơ cấu tọa độ cầu d) Cơ cấu robot kiểu tọa độ góc (hệ tọa độ phỏng sinh): Đây là kiểu robot

được dùng phổ biến hơn cả Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay Không gian làm việc của robot này gần giống một phần của khối cầu

Ưu điểm nổi bật của robot hoạt động theo hệ tọa độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân robot, độ linh hoạt cao.Ví dụ một robot hoạt động theo hệ tọa độ góc có cấu hình RRR.RRR:

Hình 2.7: Cơ cấu tọa độ góc e) Cơ cấu robot SCARA: Robot SCARA ra đời năm 1979 tại Nhật Bản là

một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp Sơ đồ robot theo kiểu SCARA như sau:

Hình 2.8: Cơ cấu kiểu SCARA

2.1.3 Hệ thống điều khiển robot:

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chuyển động robot được vẽ ở hình 2.9 Robot

n khớp và mỗi khớp sẽ được truyền động bởi một động cơ và một hệ thống truyền động riêng Bộ điều khiể vị trí (Đki) có chức năng điều khiển chuyển động của robot Khâu tạo quỹ đạo chuyển động sẽ tính toán các quỹ đạo chuyển động mong muốn của từng khớp (qđi) từ quỹ đạo mong muốn của tay robot (xđ, yđ, zđ) Quỹ đạo chuyển động mong muốn khớp (qđi) là tín hiệu đặt vị trí của các bộ điều khiển vị trí từng khớp Tín hiệu ra của các bộ điều khiển (ui) là tín hiệu điều khiển hệ truyền động của khớp tương ứng Mỗi bộ điều khiển vị trí của từng khớp là bộ điều khiển secvo với tín hiệu phản hồi là vị trí của khớp tương ứng được đo bởi các cảm biến

vị trí (CBi)

Tạo quỹ đạo chuyển động

Vị trí khớp Tín hiệu ĐK khớp

Quỹ đạo đặt khớp

Quỹ đạo tay

) (q1

) (q 2

) (q đn

) (u1

) (u2

) (u n

) (q1

) (q2

) (q n

) , ,

(x đ y đ z đ

Hình 2.9: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí robot

2.1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp:

Robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Có thể phân loại ứng dụng của robot làm các lĩnh vực chính: Vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm dò và các ứng dụng khác

Hiệp hội robot nước Anh (BRA – British Robot Association) đã cung cấp số liệu về tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng robot

18.3

14.7

12.3 9.6

9.5 5.7 5.7 3.9

Hình 2.10: Hình vẽ tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng robot

2.2 Giới thiệu về robot hàn:

2.2.1 Đặc điểm của robot hàn:

Công nghệ hàn tự động với robot đã được ứng dụng từ lâu trong ngành công nghiệp sản xuất ô-tô ở các nước công nghiệp phát triển, tiêu biểu trong số đó như Hoa Kỳ, Nhật Bản, CHLB Ðức, Pháp, Ý, Hàn Quốc, Trung Quốc,… và gần đây là các nước trong khu vực Ðông Nam Á Sau đó, công nghệ hàn tự động với robot được áp dụng trong các ngành đóng tàu biển, chế tạo máy

Các robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay có khớp hoặc xoay Loại robot trục Đe-cac chỉ được dùng cho các robot rất lớn hoặc rất nhỏ Cánh tay robot được sử dụng nhiều do nó cho phép súng hàn chuyển động như cách con người thao tác Góc súng hàn và góc di chuyển có thể thay đổi để hàn ở mọi vị trí, nhất là ở những vị trí khó tiếp cận, Cánh tay robot gọn nhẹ và có tầm với lớn Thường các robot hàn có 5 – 6 bậc tự do, lập trình được

Khi nào dùng robot hàn? Một quá trình hàn gồm nhiều thao tác lặp đi lặp lại

hàn trong quá trình chế tạo cũng quyết định có nên sử dụng robot hàn hay không Nếu bình thường phải điều chỉnh để các chi tiết ăn khớp với nhau hoặc các mối hàn quá rộng hoặc có vị trí khác nhau trên mỗi chi tiết thì không thể tự động hóa bằng việc dùng robot hàn được

2.2.2 Công nghệ hàn đường, hàn điểm:

Robot hàn được ứng dụng trong công nghệ hàn đường và hàn điểm Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng nhiều robot nhất Mỗi khung xe được cố định vào một palette và được điều khiển di chuyển khắp nhà máy Khi khung xe đến trạm hàn, bộ phận kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần thiết, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước

Hình 2.11: Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi

Robot cũng được ứng dụng nhiều trong công nghệ hàn theo vết hoặc hàn theo đường dẫn liên tục – còn gọi là hàn đường

Hình 2.12: Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC

Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong

kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại Những hệ thống hàn đường thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn và sau đó robot di chuyển dọc theo quỹ đạo được lập trình trước Ưu điểm

so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định Người vận hành chỉ thực hiện công việc kẹp chặt các chi tiết và lấy sản phẩm sau khi hàn xong

Cảm biến trang bị trên các robot hàn đường phải có khả năng xác định vị trí đúng của đường hàn Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và kích thước thì robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của đường hàn với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi Xác định đường hàn cho các vật thể ba chiều phức tạp hơn so với các tấm phẳng vì thường cần phải mô hình hóa hình học để định ra đường di chuyển của robot

2.2.3 Các nghiên cứu về robot hàn:

Trên thế giới, có nhiều nước nhiều hãng chế tạo thành công robot hàn và bán phổ biến trên thị trường như hãng Panasonic của Nhật, hãng KuKa của Đức

Hình 2.13: Robot hàn VR-006AL của hãng Panasonic (Nhật)

Robot hàn VR-006AL của Nhật với đặc tính đa dụng và linh hoạt với khả năng thực hiện quá trình lập trình, hàn gia công chi tiết tự động, độ vươn của robot 1.75m, khả năng di chuyển theo 6 phương tự do Robot này được lập trình cho các ứng dụng tự động trong ngành công nghiệp hàn như CO2/MAG/pulse/MIG/TIG

Hình 2.14: Robot hàn KR 6ARC của hãng KUKA của Đức

Với các đặc tính tiêu biểu: Thiết kế chắc chắn, tiết kiệm diện tích, sử dụng động cơ servo AC với 6 bậc tự do, tầm với 1.611mm, thích hợp ở mọi vị trí, có phanh ở tất cả các trục, khả năng lưu chương trình hàn không giới hạn, vận hành và lập trình dễ dàng

Thời gian gần đây, một số sản phẩm robot “made in Việt Nam” được ứng dụng khá thành công như: bộ điều khiển digital cho robot dạng SCARA 4 trục, robot di động trong môi trường cháy nổ, robot lấy đĩa CD trên máy ép nhựa… Mới đây, thêm một sản phẩm robot hàn đứng cũng đã được chế tạo thành công và kỳ vọng sẽ mang đến một triển vọng mới cho ngành công nghiệp đóng tàu trong nước

Hình 2.15: Robot hàn của Việt Nam

Chương 3

3.1 xây dựng mô hình cánh tay robot:

3.1.1 Mô hình robot hàn trên thiết kế:

3.2 Xây dựng phương trình động học cho robot hàn 3 khớp quay:

3.2.1.1 Bộ thông số D-H:

Xác định bộ thông số cơ bản giữa 2 trục quay của khớp động i+1 và i:

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 từ đường vuông góc chung giữa trục khớp động i+1 và trục khớp động i tới đường vuông góc chung giữa khớp động i và khớp động i-1

i

 là góc giữa hai đường vuông góc nói trên

Nếu khớp động i là khớp quay thì i là biến khớp

Nếu khớp động i là khớp tịnh tiến thì di là biến khớp

Trong trường hợp khớp tịnh tiến thì ai được xem bằng 0

Hình 3.3: Sơ đồ minh hoạ các giá trị trong bộ thông số D – H

3.2.1.2 Mô hình D-H:

Thiết lập mối quan hệ giữa 2 hệ tọa độ liên tiếp theo 4 bước như sau:

1 Quay quanh trục zi-1 một góc i

2 Tịnh tiến dọc trục zi-1 một quãng di

3 Tịnh tiến dọc trục xi-1 một đoạn ai

4 Quay quanh trục xi một góc i

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

),()

0,0,()

,0,0()

00

i i i i i

i

i i i i i

i i

i

d C

S

S a S C C

C S

C a S

S C

S C

 Trục Zi phải được chọn cùng phương với trục khớp động i+1

 Gốc khung tọa độ thanh i đặt trùng với chân pháp tuyến chung của trục i và i+1 và nằm trên trục khớp i+1

 Trục xi đặt theo phương pháp tuyến chung của trục i và i+1theo hướng đi từ trục i đến i+1

 Các hệ tọa độ phải tuân theo qui tắc bàn tay phải

 Khi gắn hệ tọa độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma trận Ai Đó là phép biến đổi:

 A i R(z,i).T p(0,0,d i).T p(a i,0,0).R(x,a i)

Một số trường hợp đặc biệt:

 Khi 2 trục z cắt nhau: sẽ không có pháp tuyến chung giữa 2 khớp Khi đó điểm gốc của khung tọa độ là giao điểm của 2 trục và trục x được đặt dọc theo đường vuông góc với mặt phẳng chứa 2 trục đó

 Hai trục song song sẽ có nhiều pháp tuyến chung Khi đó sẽ chọn được pháp tuyến chung trùng với pháp tuyến chung của khớp trước Gốc khung tọa độ được chọn sao cho di là nhỏ nhất

 Đối với khớp tịnh tiến: khoảng cách di là biến khớp Hướng của trục khớp trùng với di chuyển của khớp Hướng của trục được xác định nhưng vị trí trong không gian không được xác định Khi đó chiều dài ai không có ý nghĩa nên đặt ai =

0 Gốc tọa độ trùng với gốc thaanh nối tiếp theo

3.2.1.4 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 Trong trường hợp i = n, với n là

số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với điểm tác động cuối (E) Ta có:

Tn = A1A2…An

Mặt khác, hệ tọa độ tại điểm tác động cuối này được mô tả bằng ma trận TE

Vì vậy hiển nhiên Tn = TE

Hoặc:

n z z z

z

y y y

y

x x x

x

T p a s

n

p a s

n

p a s

0

đây là phương trình động học cơ bản của robot

3.2.2 Phương trình động học thuận robot:

3.2.2.1 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học thuận robot:

3.2.2.2 Phương trình động học thuận cho robot RRR:

Hình 3.4: Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot

Trường hợp này khác trường hợp 2 ở hệ tọa độ o0 Lúc này ta chọn hệ tọa độ

O0 như hình vẽ Gốc O1 được xem như là đã tịnh tiến O0 dọc trụ Z0 một đoạn là d1

và tương ứng với phép tịnh tiến TP (0,0,d1)

00

i i i i i

i i

i i i i i i i

S a S C C

C S

C a S S C S C

0 0

1 1 1 1 1

1 1

1 1 1 1 1 1 1

1

d C

S

S a S C C

C

S

C a S S C S C

010

00

00

1

1 1

1 1

d

C S

S C

0 0

2 2 2 2 2

2 2

2 2 2 2 2 2 2

S a S C C

C

S

C a S

S C S C

0100

0

0

2 2 2

2

2 2 2

S

C a S

0 0

3 3 3 3 3

3 3

3 3 3 3 3 3 3

S a S C C

C

S

C a S S C S C

0100

0

0

3 3 3

3

3 3 3

S

C a S

0 1 0 0

0

0

3 3 3

3

3 3 3

S

C a S

C A

00

01

00

0

0

3 3 3 2 3 3 2 3 3

2 3 2 3

2 3 2

2 2 3 2 3 3 2 3 3

2 3 2 3

2 3 2

3 2 3

C S S S

C C S

C a S S a C C a C

S S C S

S C C

A A

T

S

3

1 1 3 2 1

00

0

)(

)(

)(

)(

)(

)(

1 3 3 3 2 3 3 2 3 3

2 3 2 3

2 3 2

3 3 3 2 3 3 2 3 1 1 3

2 3 2 1 3 2 3 2 1

2 2 3 2 3 3 2 3 1 1 3

2 3 2 1 3 2 3 2 1

d S a S C a C S a C

C S S S

C C S

S a S C a C S a S C C

C S S S S C C S

S

C a S S a C C a C S C

S S C C S S C C

 Thiết lập phương trình động học:

3

1 0 0

0

T p a s

n

p a s

n

p a s

n

z z z

z

y y y

y

x x x

cm a

cm d

 Hệ phương trình (I) chính là hệ phương trình động học thuận của robot

3.2.3 Xác định quỹ đạo chuyển động của robot trong không gian:

Do có 3 khớp quay, và bị giới hạn bởi 2 công tắc hành trình ở 2 khớp 2 và 3 nên không gian làm việc của robot là nửa dưới của hình cầu

Hình 3.5: Không gian làm việc của robot

3.2.4 Phương trình động học ngược robot:

Do A i1 A21.A11.T ni T n nên:

3

1 3

1

1 T T

2 3

1 1

Khai triển phương trình (1):

Vế trái của phương trình (1):

.10

0

00

0100

00

1

1 1

1 1

3

1

1

z z z z

y y y y

x x x x

p a s n

p a s n

p a s n

d

C S

S C

1 1

1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

z z

z z

y x

y x

y x

y x

z z

z z

y x

y x

y x

y x

p d a

d s

d n

d

p C p S a C a S s C s S n C n S

p a

s n

p S p C a S a C s S s C n S n C

Vế phải của phương trình (1):

00

01

00

0

0

3 3 3 2 3 3 2 3 3

2 3 2 3

2 3 2

2 2 3 2 3 3 2 3 3

2 3 2 3

2 3 2

3 2

C S S S

C C S

C a S S a C C a C

S S C S

S C C

A A

T

S

So sánh các phần tử ở hàng 3, cột 1 của 2 vế, ta có:

)(0

1

1 1

1

x

y x

y y

x

n

n arctg tg

n

n C

S n

C n

Khai triển phương trình (2):

Vế trái của phương trình (2):

3

1 1

2 2 2 2

2 2

2 2

0100

00

00

S a C a

C S

S C

T A

()

(

)()

()

()

(

)()

()

()

(

)()

()

()

(

24 24

24 24

23 23

23 23

22 22

22 22

21 21

21 21

p f a f s f n f

p f a f s f n f

p f a f s f n f

p f a f s f n f

Trong đó ký hiệu rút gọn:

z a S y S x C C a

f

y C x S

f

z C y S x C S f

z S y S x C C

f

.(

.)

(

.)

(

2 2 ) 1 1

2 2 24

1 1

23

2 1

1 2 22

2 1

1 2 21

và x, y, z trong các ký hiệu đó tương ứng là các vecto thành phần n, s, a, p

Vế phải của phương trình (2):

0 1 0 0

0

0

3 3 3

3

3 3 3

S

C a S

C A

So sánh các phần tử ở hàng 1 cột 3của 2 vế ta có:

2 1

1 2

2 2

1 1

2

0.)

S a

S a S a C

C

z

y x

z y

x       

)

2

z

y x

a

a s a a

(

0.)

(

2 1

1 2 3

2 1

1 2 3

x

z y

x

n C n S n C S S

n S n S n C C

x

z y

x

n S n

S n C C

n C n

S n C S tg

)

.

(

)

.

(

2 1

1 2

2 1

1 2 3

(

.)

((

2 1

1 2

2 1

1 2 3

z y

x

z y

x

n S n S n C C

n C n

S n C S arctg

x

y

n

n arctg





2

z

y x

a

a s a a

(

.)

((

2 1

1 2

2 1

1 2 3

z y

x

z y

x

n S n S n C C

n C n S n C S arctg

Chương 4

4.1 Bộ điều khiển dùng PLC:

4.1.1 Giới thiệu về PLC:

Thiết bị điều khiển logic khả trình (Progammable Logic Control), viết tắt thành PLC, là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch

số Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc với máy tính) Toàn bộ chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện lặp theo chu kì của vòng quét (Scan)

Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí (CPU), một hệ thống điều hành, bộ nhớ để điều khiển chương trình điều khiển, dữ liệu và phải có cổng vào ra để giao tiếp được với các đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC còn cần phải có thêm các khối chức năng đặc biệt như bộ đếm (Counter), bộ định thời gian (Timer) và những khối hàm chuyên dụng

4.1.2 Ưu và nhược điểm khi sử dụng hệ thống dùng PLC:

Trong giai đoạn đầu của thời kỳ phát triển công nghiệp vào khoảng năm 1960

và 1970, yêu cầu tự động của hệ thống điều khiển được thực hiện bằng các rơle điện

từ nối nối tiếp với nhau bằng dây dẫn điện trong bảng điều khiển.Trong nhiều trường hợp bảng điều khiển có kích thước khá lớn đến nỗi không thể gắn toàn bộ lên trên tường và các dây nối cũng không hoàn toàn tốt vì thế rất thường xảy ra trục trặc trong hệ thống

Một điểm quan trọng nữa là do thời gian làm việc của các rơle có giới hạn nên khi cần thay thế cần phải ngừng toàn bộ hệ thống và dây nối cũng phải thay thế cho phù hợp, bảng điều khiển chỉ dùng cho một yêu cầu riêng biệt không thể thay đổi tức thời chức năng khác mà phải lắp ráp toàn bộ và trong trường hợp bảo trì cũng như sửa chữa cần đòi hỏi thợ chuyên môn có tay nghề cao Tóm lại hệ thống điều khiển rơle hoàn toàn không linh động