Thiết kế tay máy 3 ậc tự do

Tài liệu tham khảo Thiết kế tay máy 3 ậc tự do

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ TAY MÁY CÔNG NGHIỆP 4

1.1 SƠ LƯỢT QUÂ TRÌNH PHÂT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR :

INDUSTRIAL ROBOT):

1.2 ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG SẢN XUẤT :

1.3.1 Định nghĩa robot công nghiệp :

1.3.2 Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom) :

1.3.3 Hệ toạ độ (Coordinate frames) :

1.3.4 Trường công tâc của robot (Workspace or Range of motion):

1.4 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP :

1.4.1 Câc thănh phần chính của robot công nghiệp :

1.4.2 Kết cấu của tay mây :

1.5 PHĐN LOẠI ROBOT CÔNG NGHIỆP :

1.5.1 Phđn loại theo kết cấu :

1.5.2 Phđn loại theo hệ thống truyền động

1.5.3 Phđn loại theo ứng dụng :

1.5.4 Phđn loại theo câch thức vă đặc trưng của phương phâp điều khiển :

Chương 2: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1.TÍNH LINH HOẠT CỦA MỘT TAY MÂY CÔNG NGHIỆP:

2.1.1.Phđn tích một số khđu , khớp có trong cơ khí:

2.1.2.Một số kết cấu tay mây điển hình:

2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÂN THI CÔNG:

2.2.1.Tính thực tế của một đề ân:

2.2.2.Đề ân thiết kế tay mây có 3 bậc tự do:(RRR)

2.2.3 Một số tiền đề để thực hiện đề ân có hiệu quả:

Chương 3: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CHO

CƠ CẤU

3.1.LÝ THUYẾT MỞ ĐẦU:

3.1.1.Mối quan hệ giữa câc khđu khớp trong tay mây:

Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN CƠ TÍNH TOÁN SỨC BỀN CHI TIẾT MÁY

4.1.GIỚI THIỆU VỀ VIỆC THIẾT KẾ TAY MÂY

4.1.1.Câch thức truyền động vă phạm vi lăm việc

4.1.2.Một số chi tiết chính:

4.1.3.Động cơ bước:

4.1.4.Phđn tích động học tay mây:

4.2.NGUYÍN LÝ, CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CỦA TAY MÂY:

4.2.1.Nguyín lý hoạt động của tay mây:

4.2.2.Câc thănh phần của tay mây 3 bậc tự do:

4.2.3.Khđu thứ nhất:

4.2.4.Khđu thứ hai:

Trang

4.2.5 Khđu thứ 3:

4.2.6.Khớp 3+Cơ cấu kẹp

4.2.7.Tính chọn ổ lăn:

:4.2.8 Tính toân trục:

Chương 5: THIẾT KẾ CÁC MODUL ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN

5.1.GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN:

5.1.1 Tổng quan về kỹ thuật vi điều khiển:

5.1.2.Chức năng câc chđn vi điều khiển:

5.1.3.Tổ chức bộ nhớ của bộ vi điều khiển 8051:

5.1.4 Công tắc Reset:

5.1.5 Hoạt động của bộ định thời

5.1.6 Hoạt động của ngắt:

5.1.7 Câc ngắt của AT89C51:

5.2.THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN TAY MÂY:

5.2.1 Mạch nguồn cho cơ hệ:

5.2.2 Mạch vi điều khiển:

5.2.3 Mạch giao tiếp mây tính:

5.2.4 Modul công suất:

5.2.5 Mạch công tắc hănh trình vă băn phím:

Chương 6: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

phức tạp, trong đó có ngành cơ điện tử

Sự đi lên của ngành cơ khí gắn liền với sự ứng dụng công nghệ mới Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội và tiếp cận nền khoa học kỹ thuật trong tương lai, thì

nền tảng của ngành cơ điện tử mà chúng em được các

thầy, cô truyền đạt và nghiên cứu là cơ sở ban đầu để chúng

em tiếp thu và trang bị những kiến thức cao hơn nữa, để làm chủ những máy móc công cụ hiện đại

Đồ án tốt nghiệp mà chúng em được giao là “Thiết kế

tay máy 3 bậc tự do ”

Trong quá trình thiết kế đồ án với sự hướng dẫn tận tình của thầy cô giáo và nỗ lực của bản thân, đến nay nhiệm vụ của chúng em đã hoàn thành, mặc dù rất cố gắn trong quá trình tìm hiểu, tính toán và thiết kế nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi được những sai sót Chúng em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy giáo trong bộ môn để đồ án được hoàn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm hướng dẫn tận tình của thầy:

Trần Đình Sơn vă câc thầy, cô giáo trong khoa cơ khí trường

Đại học Bách Khoa Đà Nẵng

Chúng em xin hứa sau khi bảo vệ thành công đồ án tốt nghiệp ra trường sẽ tiếp tục tìm tòi học hỏi, kết hợp giữa lý thuyết với thực tế để hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn sự động viên của ba mẹ, sự giúp đở của các bạn trong lớp đã chỉ bày để hoàn thành tốt đồ án này!!!

Đà nẵng ngày 27 tháng 5 năm 2007

Sinh viên thực hiện

Phan Thế Anh

Võ Minh Vượng

Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ TAY MÁY CÔNG NGHIỆP

1.1 SƠ LƯỢT QUÂ TRÌNH PHÂT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR : INDUSTRIAL ROBOT):

Thuật ngữ “Robot” xuất phât từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa lă công việc tạpdịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, văo năm 1921 Trong vởkịch nầy, Rossum vă con trai của ông ta đê chế tạo ra những chiếc mây gần giống với conngười để phục vụ con người Có lẽ đó lă một gợi ý ban đầu cho câc nhă sâng chế kỹ thuật

về những cơ cấu, mây móc bắt chước câc hoạt động cơ bắp của con người

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company)quảng câo một loại mây tự động vạn năng vă gọi lă “Người mây công nghiệp” (IndustrialRobot) Ngăy nay người ta đặt tín người mây công nghiệp (hay robot công nghiệp) chonhững loại thiết bị có dâng dấp vă một văi chức năng như tay người được điều khiển tựđộng để thực hiện một số thao tâc sản xuất

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngăy nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực

kỹ thuật ra đời sớm hơn đó lă câc cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) vă câc mâycông cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool)

Câc cơ cấu điều khiển từ xa (hay câc thiết bị kiểu chủ-tớ) đê phât triển mạnhtrong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiín cứu câc vật liệu phóng xạ Người thaotâc được tâch biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc văi cửa quan sât

để có thể nhìn thấy được công việc bín trong Câc cơ cấu điều khiển từ xa thay thế chocânh tay của người thao tâc; nó gồm có một bộ kẹp ở bín trong (tớ) vă hai tay cầm ở bínngoăi (chủ) Cả hai, tay cầm vă bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sâu bậc tự do

để tạo ra câc vị trí vă hướng tuỳ ý của tay cầm vă bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộkẹp theo chuyển động của tay cầm

Văo khoảng năm 1949, câc mây công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đâp ứng yíucầu gia công câc chi tiết trong ngănh chế tạo mây bay Những robot đầu tiín thực chất lă

sự nối kết giữa câc khđu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình củamây công cụ điều khiển số

Dưới đđy chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phât triển của người mâycông nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiín được chế tạo lă robot Versatrancủa công ty AMF, Mỹ Cũng văo khoảng thời gian nầy ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimateư1900 được dùng đầu tiín trong kỹ nghệ ôtô

Tiếp theo Mỹ, câc nước khâc bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh 1967,Thụy Điển vă Nhật 1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Phâp - 1972; ở Ý -

1973

Tính năng lăm việc của robot ngăy căng được nđng cao, nhất lă khả năng nhận

Trong những năm sau nầy, 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 nhận biếtmôi 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 đăc biệt, Số lượng robot ngày càng giatăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trongcác dây chuyền sản xuất hiện đại

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

1.2 ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG SẢN XUẤT :

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc

độ thay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất vàhiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dâychuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sảnphẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vàonhững khả năng to lớn của robot như : làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng chuyểnnghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt

độ cao, “cảm thấy” được cả từ trường và “nghe” được cả siêu âm Robot được dùngthay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không

nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mõi, nhầm lẫn.

Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệhàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC vớiRobot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao

ở đây các máy và robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình

Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việckhai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinhphục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội

Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt hơn khả năngcủa con người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất laođộng, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại Nhược điểm lớnnhất của robot là chưa linh hoạt như con người, trong dây chuyền tự động, nếu có mộtrobot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạtđộng dưới sự giám sát của con người

1.3 CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP :

1.3.1 Định nghĩa robot công nghiệp :

Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) :

Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại cácchương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị,định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp theo những hànhtrình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) :

Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để dichuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chươngtrình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga) :

Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liênkết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại đểhoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Có thể nói Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phầnhoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khảnăng thích nghi khác nhau

Robot công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyểnđộng, biểu thị cho số bậc tự do của chúng Robot công nghiệp được trang bị những bàntay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quátrình công nghệ : hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ,

do của nó có thể tính theo công thức :

ip n

1.3.3 Hệ toạ độ (Coordinate frames) :

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp(joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên Hệtoạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độtrung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng Trong từng thời điểmhoạt động, các toạ 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 Các toạ độ suy rộng cònđược gọi là biến khớp.(hình 1.1)

Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải : Dùngtay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón : cái, trỏ và giữa theo

3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏchỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y (hình 1.2)

Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu thứ

n Như vậy hệ toạ độ cơ bản (Hệ toạ độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu là O0; hệtoạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2, , On-1, Hệ toạ độ gắn trênkhâu chấp hành cuối ký hiệu là On

1.3.4 Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion):

Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộthể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động cóthể Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràngbuộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc 3600.Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot (hình 1.3)

1.4 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP :

1.4.1 Các thành phần chính của robot công nghiệp :

Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như : cánh tayrobot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điềukhiển , thiết bị dạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng nên được coi là mộtthành phần của hệ thống robot

Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằngcác khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot

Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bước), các hệ thống

xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động

Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể cónhiều kiểu khác nhau như : dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việcnhư mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn

Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiếttheo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy đểlàm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học)

1.4.2 Kết cấu của tay máy :

Như đã nói trên, tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làmviệc của robot Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng củatay người; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot cóhình dáng rất khác xa cánh tay người Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cầnquan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làmviệc của robot như : tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linhhoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp

Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản :

• Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z trong không gian Descarde, thôngthường tạo nên các hình khối, các chuyển động nầy thường ký hiệu là T (Translation)hoặc P (Prismatic)

1.5 PHÂN LOẠI ROBOT CÔNG NGHIỆP :

Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể được phân loại theo các cách sau:

1.5.1 Phân loại theo kết cấu :

Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ

độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA như đã trình bày ở trên

1.5.2 Phân loại theo hệ thống truyền động :

Có các dạng truyền động phổ biến là :

Hệ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : DirectCurrent) hoặc các động cơ bước (step motor) Loại truyền động nầy dễ điều khiển, kết cấugọn

Hệ truyền động thuỷ lực : có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiệnlàm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phituyến lớn khó xử lý khi điều khiển

Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưnglại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ nầy làm việc với công suất trung bình vànhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình địnhsẳn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP : Point ToPoint)

1.5.3 Phân loại theo ứng dụng :

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot lắpráp, robot chuyển phôi v.v

1.5.4 Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển :

Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), Robotđiều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chínhxác và mức độ linh hoạt khi điều khiển

Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đíchnghiên cứu

Chương 2: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

định, ví dụ như chỉ chuyển động quay hay tịnh tiến mà thôi

Với khớp tịnh tiến thì số bậc tự do bị hạn chế là 5 Khớp quay số bậc tự do bị hạn chếcủng là 5 đặc trưng của loại khớp này ta thường thấy ở thực tế là loại khớp bảng lề Khớpcầu số bậc tự do bị hạn chế là 3, loại khớp này tương đối linh hoạt

Từ mặt lý thuyết như vậy: trong quá trình tiếp cận vật thể thì tay máy thông qua cáckhớp nó di chuyển để cho khâu chấp hành cuối có thể tiếp cận chính xác vật thể để thựchiện một tác vụ nào đó

2.1.2.Một số kết cấu tay máy điển hình:

Robot kiểu toạ độ Đề các : là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theophương của các trục hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữnhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy nầy có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễđảm bảo vì vậy nó thuờng dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng

Hình 2.1 Robot hoạt động theo tọa độ Dề Các

Robot kiểu toạ độ trụ : Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng Thườngkhớp thứ nhất chuyển động quay Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ

2.2 Có nhiều robot kiểu toạ độ trụ như : robot Versatran của hãng AMF (HoaKỳ)

Hình 2.2 Robot hoạt động theo hệ tọa độ trụ.

Robot kiểu toạ độ cầu : Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu thường độ cứngvững của loại robot nầy thấp hơn so với hai loại trên Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hìnhR.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu (hình 2.3)

Hình 2.3 Robot hoạt động theo hệ toạ độ cầu

Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh) : Đây là kiểu robot được dùngnhiều hơn cả Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhấtvuông góc với hai trục kia Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển độngquay Vùng làm việc của tay máy nầy gần giống một phần khối cầu Tất cả các khâu đềunằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng, ưu điểm nổibật của các loại robot hoạt động theo hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việctương đối lớn so với kích cở của bản thân robot, độ linh hoạt cao

Hình 2.4 Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc

Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc như : Robot PUMA của hãng Unimation Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), Irb-6, Irb-60 (Thuỵ Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (NhậtBản) v.v

-Hình 2.4 là một ví dụ của robot hoạt động theo hệ tọa độ phỏng sinh có cấu hình

Hình 2.5 Robot kiểu SCARA

2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THI CÔNG:

2.2.1.Tính thực tế của một đề án:

Một dự án được xem là thành công nếu nó có được một số tính chất sau:

-Nó thực tế (phụ thuộc vào yêu cầu của đời sống sản xuất, dẫn đến yêu cầunghiên cứu chế tạo ra để đạt được mục đích của thực tiễn cuộc sống)

-Thông qua quá trình nghiên cứu rồi thiết kế xong thì một điều quan trọng làthành quả vừu tạo ra có đủ điều kiện để sản xuất, chế tạo không

-Sản phẩm tạo ra phải thoả mãn yêu cầu là: giá thành nhỏ nhất, chất lượng đảmbảo, 2 đặc tính này mới nhìn vào thì thấy hơi nghịch lý, nhưng suy đi xét lại thì điều nàyđặt ra cho nhà thiết kế một cách suy nghỉ mới, đó là khã năng tính toán và xử lý các yêucầu sao cho khoảng cách giữa nhà thiết kế vào chế tạo không còn cách biệt nữa, mà điềunày ngày càng trở thành hiện thực bằng cách ứng dụng công nghệ thông tin vào quá trìnhthiết kế mô phỏng, làm rút ngắn quá trình chế tạo, sản xuất, làm tăng tính cạnh tranh củasản phẩm công ty mình làm ra trên thị trường

-Sản phẩm mình làm ra được nhiều người dùng biết đến, khía cạnh này lại phảiphụ thuộc vào quá trình maketting của nhóm kinh doanh trong công ty đó

-Nhìn chung thì đó là một quá trình lâu dài được tạo nên từ nhiều khâu, và mỗikhâu là một mắc xích không thể thiếu được

2.2.2.Đề án thiết kế tay máy có 3 bậc tự do:(RRR)

Giới thiệu đề án: Tay máy chúng em chế tạo thuộc vào dạng robot toạ độ trụ

Hình 2.6 Sơ đồ động tay máy

Khâu thứ nhất là khớp quay, khớp thứ 2 quay, khớp thứ 3 quay

Tính ứng dụng: Với tay máy kiểu này thì phạm vi hoạt động tương đối lớn nó có thểdùng trong việc lấy sản phẩm hay cấp phôi cho các máy gia công tự động

Do thời gian thực hiện đồ án có hạn, cộng với kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, chúng

em đã phân phối thời gian để có thể hoàn thành đề án đúng thời hạn:

Tháng đầu tiên: Tìm tài liệu, nghiên cứu cái mới và kết hợp những gì đã được học ởtrường

Tháng thứ 2: Thiết kế mạch điều khiển

Tháng thứ 3: Thiết kế phần cơ khí, thi công thực tế

Tháng thứ 4: Điều khiển và viết thuyết minh

2.2.3 Một số tiền đề để thực hiện đề án có hiệu quả:

Với lợi thế là một sinh viên ngành Cơ Điện Tử, chúng em đã được thầy cô cung

cấp cho một số lượng kiến thức nhất định về cơ khí, điện, điện tử, công nghệ thông tin Qua 5 năm học ở trường chúng em cũng đã được tiếp xúc với thực tế khá nhiều, thông qua các đồ án Hệ Thống Cơ Điện Tử, đồ án Vi Điều Khiển, đồ án kỹ thuật mạch, đồ án thiết kế máy công cụ Chúng em được rèn luyện với kỹ năng làm việc nghiêm túc, biết kếthợp kế thừa những thành tựu đã có từ trước rồi từ đó cải tiến để biến những cái của họ thành của mình

Ứng dụng của công nghệ thông tin vào quá trình thực hiện đề án: với thời đại ngày nay thì internet đã trở nên phổ biến thì thông tin trở nên là một môn học không thể thiếu nhất là đối với một sinh viên chuyên ngành kỹ thuật Mọi thứ điều được cập nhật trên mạng toàn cầu, đòi hỏi người sinh viên thêm một số kỹ năng về ngoại ngữ để tiếp cận

nó một cách dễ dàng và thu được hiệu quả cao nhất

Một số công cụ phần mềm được chúng em sử dụng trong việc thiết kế và thực thi để án:

Chương 3:THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CHO CƠ

HỆ.

3.1.LÝ THUYẾT MỞ ĐẦU:

3.1.1.Mối quan hệ giữa các khâu khớp trong tay máy:

Bất kỳ một robot nào cũng có thể coi là một tập hợp các khâu (links) gắn liền vớicác khớp (joints) Ta hãy đặt trên mỗi khâu của robot một hệ toạ độ Sử dụng các phépbiến đổi thuần nhất có thể mô tả vị trí tương đối và hướng giữa các hệ toạ độ nầy.Denavit J đã gọi biến đổi thuần nhất mô tả quan hệ giữa một khâu và một khâu kế tiếp làmột ma trận A Nói đơn giản hơn, một ma trận A là một mô tả biến đổi thuần nhất bởiphép quay và phép tịnh tiến tương đối giữa hệ toạ độ của hai khâu liền nhau A1 mô tả vịtrí và hướng của khâu đầu tiên; A2 mô tả vị trí và hướng của khâu thứ hai so với khâu thứnhất Như vậy vị trí và hướng của khâu thứ hai so với hệ toạ độ gốc được biểu diễn bởi

ma trận

T2 = A1.A2

Cũng như vậy, A3 mô tả khâu thứ ba so với khâu thứ hai và :

T3 = A1.A2.A3

Cũng theo Denavit, tích của các ma trận A được gọi là ma trận T, thường có haichỉ số: trên và dưới Chỉ số trên chỉ hệ toạ độ tham chiếu tới, bỏ qua chỉ số trên nếu chỉ số

đó bằng 0 Chỉ số dưới thường dùng để chỉ khâu chấp hành cuối Nếu một robot có 6 khâu

ta có :

T6 = A1.A2.A3.A4.A5.A6

T6 mô tả mối quan hệ về hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối đối với hệ toạ

độ gốc Một robot 6 khâu có thể có 6 bậc tự do và có thể được định vị trí và định hướngtrong trường vận động của nó (range of motion) Ba bậc tự do xác định vị trí thuần tuý và

ba bậc tự do khác xác định hướng mong muốn T6 sẽ là ma trận trình bày cả hướng và vịtrí của robot Hình 3.1 mô tả quan hệ đó với bàn tay máy Ta đặt gốc toạ độ của hệ mô tảtại điểm giữa của các ngón tay Gốc toạ độ nầy được mô tả bởi vectơ p (xác định vị trí củabàn tay) Ba vectơ đơn vị mô tả hướng của bàn tay được xác định như sau:

Vecto a:Vectơ có hướng mà theo đó bàn tay sẽ tiếp cận đến đối tượng

Vecto o:Vectơ có hướng mà theo đó các ngón tay của bàn tay nắm vào nhau khi cầmnắm đối tượng

Vecto n:Vectơ pháp tuyến n (normal)

a o

6

z z z z

y y y y

x x x x

p a n

p a n

p a n

T

Ma trận T6 có thể biểu hiện gọn hơn như sau:

hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối đối với hệ toạ độ cơ bản.

3.1.2.Các phép biến đổi thuần nhất:

Khi xem xét, nghiên cứu mối quan hệ giữa robot và vật thể ta không những cầnquan tâm đến vị trí (Position) tuyệt đối của điểm, đường, mặt của vật thể so với điểm tácđộng cuối (End effector) của robot mà còn cần quan tâm đến vấn đề định hướng(Orientation) của khâu chấp hành cuối khi vận động hoặc định vị tại một vị trí Để mô tảquan hệ về vị trí và hướng giữa robot và vật thể ta phải dùng đến các phép biến đổi thuầnnhất

3.1.2.1.Phép biến đổi tịnh tiến:

Giả sử cần tịnh tiến một điểm hoặc một vật thể theo vecto dẫn h=a i+b j+ k. Trướchết ta định nghĩa một ma trận chuyển đổi H

1 0 0

0 1 0

0 0 1

c b a

Gọi u là vecto biểu diễn điểm cần tịnh tiến u=[x y z w]T

Thì v là vecto biển diễn điểm đã biến đổi được xác định bởi:

1 0 0

0 1 0

0 0 1

c b

w

cw z

bw y

aw x

1 / / /

c w z

b w y

a w x

Như vậy bản chất của phép biến đổi tịnh tiến là phép cộng vecto giữa vecto biểu diễncần chuyển đổi và vecto dẫn

3.1.2.2.Phép quay (Rotation) quanh các trục tọa độ:

Giả sử ta cần quay một điểm hay một vật thể quanh một trục toạ độ nào đó một góc

θ ta có các ma trận chuyển đổi như sau

0

0 cos sin

0

0 sin cos

0

0 0 0

1

θ θ

θ θ

0 cos 0 sin

0 0 1 0

0 sin 0 cos

θ θ

θ θ

0 1 0 0

0 0 cos sin

0 0 sin cos

θ θ

θ θ

3.2.BIẾN ĐỔI TỌA ĐỘ:

3.2.1.Phép quay Euler:

Trên thực tế việc định hướng là kết quả của phép quay quanh các trục x, y, z Phépquay Euler mô tả khã năng định hướng bằng cách

Quay một góc θ xung quanh trục z

Quay tiếp một góc θ quanh trục y mới, đó là y’

Cuối cùng là quay một góc ψ quanh một trục z mới là z’’.

Hình 3.2 Phép quay Euler

Ta có thể biểu diễn phép quay Euler bằng cách nhân 3 ma trận với nhau

Euler(φ, θ , ψ)=Rot(z,φ)Rot(y,θ)Rot(z,ψ).

0 cos 0 sin

0 0 1 0

0 sin 0 cos

θ θ

θ θ

0 1 0 0

0 0 cos sin

0 0 sin cos

ψ ψ

ψ ψ

0 1 0 0

0 0 cos sin

0 0 sin cos

φ φ

φ φ

0

0 cos sin

sin cos

sin

0 0 cos

sin

0 sin sin

cos cos

cos

θ ψ

θ ψ

θ

ψ φ

θ ψ

θ ψ

−

−

−

1 0

0 0

0 cos

sin sin cos

sin

0 sin sin cos

cos sin

cos sin sin

cos cos

cos sin

0 sin cos cos

sin sin

cos cos sin

sin cos

cos cos

θ ψ

θ ψ

θ

θ φ ψ

φ ψ

θ φ ψ

φ ψ

θ φ

θ φ ψ

φ ψ

θ φ ψ

φ ψ

θ φ

Hình 3.3.Phép quay Yaw.

Roll-Pitch-Ta tưởng tượng gắn hệ toạ độ xyz lên con tàu Dọc theo thân tàu là trục z

Roll là chuyển động lắc của thân tàu, tương đương với việc quay quanh thân tàu một góc

φ, quay quanh trục z Pitch là sự bồng bềnh, tương đương với việc quay một góc θxung quanh trục y Và Yaw là sự lệch hướng, tương đương với phép quay một góc ψ

quanh trục x.(Hình 3.3.)

RPY(φ , θ , ψ )=Rot(z,φ)Rot(y,θ)Rot(x,ψ).

Nghĩa là quay 1 góc ψ quanh trục x tiếp theo là quay 1 góc θ quanh trục y, quay

một góc φ quanh trục z.

Hình 3.4 biểu thị các góc quay o trên

Hình 3.4 Các góc quay của bàn tay Robot

0 cos 0 sin

0 0 1 0

0 sin 0 cos

θ θ

θ θ

0

0 cos sin

0

0 sin cos

0

0 0 0

1

ψ ψ

ψ ψ

0 1 0 0

0 0 cos sin

0 0 sin cos

φ φ

φ φ

0 0

0 cos cos sin

cos sin

0 sin

cos 0

0 cos sin sin

sin cos

ψ θ ψ

θ θ

ψ ψ

ψ θ ψ

θ θ

+

−

1 0

0 0

0 cos

cos sin

cos sin

0 sin cos cos

sin sin cos

cos sin

sin sin cos

sin

0 sin sin cos

sin cos cos

sin sin

sin cos cos

cos

ψ θ ψ

θ θ

ψ φ ψ

θ φ ψ

φ ψ

θ φ θ

φ

ψ φ ψ

θ φ ψ

φ ψ

θ φ θ

φ

3.2.3.Quan hệ giữa các hệ tọa độ biến đổi:

Giả sử ta có 3 hệ tọa độ A, B, C Trong đó hệ tọa độ B có quan hệ với hệ A qua phépbiến đổi ATB C có quan hệ với tọa độ B thông qua phép biến đổi BTC.Ta có điểm P trong

Hình 3.6 Hệ tọa độ cơ bản và hệ tọa độ trung gian của Robot.

3.3.CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA TAY MÁY:

Độ dài pháp tuyến chung : an

Góc giữa các trục trong mặt phẳng vuông góc với an : α n

Hình 3.7 Chiều dài và góc xoắn của một khâu

Hình 3.8.Bộ thông số Denavit-Hartenberg

Mỗi trục sẽ có hai pháp tuyến với nó, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu (trước

và sau một khớp) Vị trí tương đối của hai khâu liên kết như thế được xác định bởi dn làkhoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp n và θn là góc giữa các pháptuyến đo trong mặt phẳng vuông góc với trục

dn và θn thường được gọi là khoảng cách và góc giữa các khâu

Để mô tả mối quan hệ giữa các khâu ta gắn vào mỗi khâu một hệ toạ độ Nguyêntắc chung để gắn hệ tọa độ lên các khâu như sau :

Gốc của hệ toạ độ gắn lên khâu thứ n đặt tại giao điểm của pháp tuyến an với trụckhớp thứ n+1 Trường hợp hai trục khớp cắt nhau, gốc toạ độ sẽ đặt tại chính điểm cắt đó.Nếu các trục khớp song song với nhau, gốc toạ độ được chọn trên trục khớp của khâu kếtiếp, tại điểm thích hợp

Trục z của hệ toạ độ gắn lên khâu thứ n dặt dọc theo trục khớp thứ n+1

3.3.2 Đặc trưng của các ma trận A:

Trên cơ sở các hệ toạ độ đã ấn định cho tất cả các khâu liên kết của robot, ta cóthể thiết lập mối quan hệ giữa các hệ toạ độ nối tiếp nhau (n-1), (n) bởi các phép quay vàtịnh tiến sau đây :

Quay quanh zn-1 một góc θn

Tịnh tiến dọc theo zn-1 một khoảng dn

Tịnh tiến dọc theo xn-1 = xn một đoạn an

Quay quanh xn một góc xoắn α n

Bốn phép biến đổi thuần nhất nầy thể hiện quan hệ của hệ toạ độ thuộc khâu thứ n

so với hệ toạ độ thuộc khâu thứ n-1 và tích của chúng được gọi là ma trận A :

An = Rot(z,θ) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,α )

0 1 0 0

0 0 cos sin

0 0 sin cos

θ θ

θ θ

1 0 0

0 0 1 0

0 0 1

0

0 cos sin

0

0 sin cos

0

0 0 0

1

α α

α α

0 0

cos sin

0

sin sin

cos cos

cos sin

cos sin

sin cos

sin cos

d a a

α α

θ α

θ α

θ θ

θ α

θ α

θ θ

Đối với một khâu đi theo một khớp quay thì d, a và a là hằng số Như vậy ma trận Acủa khớp quay là một hàm số của biến khớp θ

Đối với một khâu đi theo một khớp tịnh tiến thì θ, a là hằng số Ma trận A của khớptịnh tiến là một hàm số của biến số d

3.4 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA TAY MÁY (RRR):

Hình 3.9 Hình dáng hình học tay máy RRR.

3.4.1 Gắn hệ tọa độ lên cơ cấu.

Sử dụng những qui tắc đã được trình bày ở trên, ta tiến hành gắn hệ tọa độ

Hình 3.9 Biểu diễn các hệ tọa độ sau khi gắn kết

0 0

cos sin

0

sin sin

cos cos

cos sin

cos sin

sin cos

sin cos

a a a

α α

θ α

θ α

θ θ

θ α

θ α

θ θ

1 0 0

2 2

2

2 0 2 2

2 2 2

a

S a o C S

C a S

1 0 0

3 0 1 3

3 0 3 3

3 3 3

a

S a C

S

C a S

1 0 0

2 2

2

2 0 2 2

2 2 2

a

S a o C S

C a S

1 0 0

3 0 1 3

3 0 3 3

3 3 3

a

S a C

S

C a S

C

1 0 0

2 2

2

2 0 2 2

2 2 2

a

S a o C S

C a S

+ +

0 0

1 0

0

.

0

.

.

.

.

0

.

3 2

2 2 3 3 2 3 2 2 3

2 3 2 3 2 3 2

2 3 3 2 3 2 2 3

2 3 2 3 2 3 2

a a

s a s a c c a s s

c s s s c c s

c a s a s c a c c

s s c s s c c

+ +

0 0

1 0

0

.

0

.

.

.

.

0

.

3 2

2 2 3 3 2 3 2 2 3

2 3 2 3 2 3 2

2 3 3 2 3 2 2 3

2 3 2 3 2 3 2

a a

s a s a c c a s s

c s s s c c s

c a s a s c a c c

s s c s s c c

−+

+

−+

+

−

++

+

−+

−+

−

−+

−

−

10

00

21

00

)(

)(

0

)22(

2320

2 3

2 2 3 2 3 3 2 3 3 2 2

2 2 3 3 2 3 2 2 2 3

2 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2

3

2

2

2 2 3

3 2 3 3 2 ( 2

2 3

3 2 2 2 3

2 3 2 2 2 3 2 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2 3

2

2

a a

s a s a s a c c a s c

c a s a s c a c s S

C C S C S S C C C S C C S C S S

C

C

S

c a s a s a c c a s S

C a S a S C a C C S

C C S S C S S C C S S C C S S S S

−+

+

−+

+

−

++

+

−+

−+

−

−+

−

−

10

00

21

00

)(

)(

0

)22(

2320

2 3

2 2 3 2 3 3 2 3 3 2 2

2 2 3 3 2 3 2 2 2 3

2 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2

3

2

2

2 2 3

3 2 3 3 2 ( 2

2 3

3 2 2 2 3

2 3 2 2 2 3 2 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2 3

2

2

a a

s a s a s a c c a s c

c a s a s c a c s S

C C S C S S C C C S C C S C S S

C

C

S

c a s a s a c c a s S

C a S a S C a C C S

C C S S C S S C C S S C C S S S S

C

C

C

Ta có: T3=Rot(z,φ).Rot(y,θ).Rot(x,ψ).

Rot-1(z,φ).T3=Rot(y,θ).Rot(x,ψ).

0

0

0 0 0

θ ψ

θ ψ

θ

ψ θ

θ ψ

θ ψ

θ

Cos Sin

Sin Cos

Sin

Cos Sin

Sin Sin

Cos Cos

Cos

*

Sau khi tính toan ta có

Chương 4: THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ VÀ TÍNH TOÁN SỨC

BỀN CHI TIẾT MÁY.

4.1.GIỚI THIỆU VỀ VIỆC THIẾT KẾ TAY MÁY:

4.1.1.Cách thức truyền động và phạm vi làm việc:

Tay máy thiết kế có dạng toạ độ trụ rỗng gồm 3 khớp, khớp quay, khớp quay, khớpquay, thường được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động, các nhà máy, hoặccác xưởng cơ khí Nó có thể làm nhiệm vụ cung cấp phối cho các máy gia công tự động,cấp sản phẩm hoặc lấy sản phẩm từ băng tải…

Tay máy được truyền động bằng bộ truyền bánh răng,bộ truyền đai răng với sự kếthợp của động cơ bứơc làm cho kết cấu tay máy được vững chắc, hoạt động tin cậy và dễđạt đến vị trí của vật thể được tác động

Động cơ được chọn để dẫn động là động cơ bước có công suất 5,1W, nguồn cung cấp3.5VDC/Phase Số động cơ sử dụng là 3 động cơ bước và 1 động cơ DC( nguồn cung cấp

4.1.3.1.Giới thiệu chung:

Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyểnmạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trongtrường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ

tính Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt,các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cốđịnh nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào Hầu hết các động cơ bước có thể chuyểnđộng ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thíchhợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ.

Động cơ bước có thể được dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản,những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh, nhưng khitải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn, người ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kínvới động cơ bước Nếu một động cơ bước trong hệ điều khiển vòng mở quá tải, tất cả cácgiá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại

4.1.3.2.Một vài thông số kỹ thuật:

Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở (cũng cóloại động cơ hỗn hợp nữa, nhưng nó không khác biệt gì với động cơ nam châm vĩnh cửu).Nếu mất đi nhãn trên động cơ, các bạn vẫn có thể phân biệt hai loại

động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng Động cơ nam châm vĩnhcửu dường như có các nấc khi bạn dùng tay xoay nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơbiến từ trở thì dường như xoay tự do (mặc dù cảm thấy chúng cũng có những nấc nhẹ bởi

sự giảm từ tính trong rotor) Bạn cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế.Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó, động cơ namchâm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm Nút trungtâm được dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực

Động cơ bước phong phú về góc quay Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗibước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến0.72 độ mỗi bước Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu

và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điềukhiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước

Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ mộtmấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và

sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ(hold torque) của động cơ

điện đi qua các cuộn, và chuỗi điều khiển sau sẽ quay động cơ theo chiều kim đồng hồ 24bước hoặc 2 vòng:

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8

dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 4.2, với một đầu nối trung tâm trên

các cuộn Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó

Hình 4.3

Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống y nhưđộng cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không có đầu trungtâm Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiển để đảo cực mỗi

cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn Minh hoạ ở hình 4.3 chỉ ra cách nối động cơ.

Ngoài các loại động cơ bước đã được giới thiệu ở trên thì còn có loại động cơ nhiều

fa

4.1.3.3.Mạch điều khiển động cơ bước:

Vấn đề này sẽ được đề cập kỹ hơn ở phần thiết kế mạch( điện tử )

4.1.4.Phân tích động học tay máy:

Tay máy có cấu trúc cơ khí gồm 3 khâu Trong đó, khâu 0 là khâu cố định(giá), cáckhâu 1,2 và 3 là các khâu động được nối với nhau bằng 3 khớp động loại 5

Hình 4.5 mô hình tay máy.

4.1.4.2.Không gian hoạt động của tay máy:

Hình 4.6

Phạm vi hoạt động của tay máy là hình trụ rỗng có vùng giới hạn trong là 100 (mm).Vùng giới hạn ngoài là 600 (mm) Chiều cao tối đa: 760 (mm)

4.2.NGUYÊN LÝ, CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CỦA TAY MÁY:

4.2.1.Nguyên lý hoạt động của tay máy:

Tay máy hoạt động được dựa vào sự hoạt động của các động cơ bước qua các bộtruyền như: hộp giảm tốc bánh răng, bánh răng-thanh răng Từng động cơ trên tay máy sẽđiều khiển chuyển động của từng khâu tương ứng

4.2.2.Các thành phần của tay máy 3 bậc tự do:

Gồm 3 khâu : Khâu thứ nhất dùng bộ truyền bánh răng , khâu thứ 2 dùng bộ truyềnbánh răng , khâu 3 dùng bộ truyền bánh răng đai răng , ngoài ra còn có cơ cấu vit me kéodây để kẹp

Hình 4.7 Mô hình đế của rô bốt

4.2.4.Khâu thứ hai:

Đây là nhóm truyền động cơ +hộp giảm tốc +bánh răng

Bộ truyền bánh răng với các thông số sau:

Tỷ số truyền u=1/4

Bánh răng dẫn có z=17 , m=1.75 , d=30

Bánh răng bị dẫn co z=68 , m=1,75 , d=120

Hình 4.8 Khớp thứ 2

Sử dụng bộ truyền đai răng kết hợp hộp giảm tốc có sẵn trong động cơ.

Tỷ số truyền của bộ truyền đai răng 1 :

Bánh răng trong đai có z=20 , m=1 ,d=30

Hình 4.11 Bánh đai trong bộ truyền đai răn

4.2.6.Khớp 3+Cơ cấu kẹp

Cơ cấu kẹp sử dụng vít me kéo dây dùng để kẹp chi tiết , điều khiển bằng động cơ DC.

4.2.7.1.Ổ lăn cho đế

Ổ lăn có các thông số:

d=17 mmD=40 mm

Bề rộng B=9,525(mm)

Do kêt cấu tải trọng của phần đê ta có thể thấy, ổ lăn chịu tải trọng chu kỳ nên ta chọn kiểu lắp có độ dôi (lắp chặt)để duy trì tình trạng tác dụng đều đặn của lực lên khắp đường lăn làm cho vòng lăn mòn đều nâng cao độ bền của ổ.Như vậy ta chọn mối lắp như sau :

+ Lỗ : Ø40Js7+ Trục : Ø17k64.2.7.2 Ổ lăn trên khớp 1+ ổ lăn giá đỡ ở đ ế

d=12mm

D=30 mm

Bề rộng B=10m)

Riêng trên khớp 2 này thì thì ổ lăn chịu tác dụng cục bộ của phần tay máy, nên ta sẽ chọn mối lắp có độ hở để dưới tác dụng của va đập và chấn động thì làm cho vòng ổlăn bị xê dich, miền chịu lực của ông lăn sẽ đều hơn, làm cho ổ sẽ mòn đều hơn Duy trì độ bền cảu ổ lăn Vì vậy ta chọn mối lăp như sau :

+ Lỗ : Ø30Js7 + Trục : Ø8g6

τ σ

n n

n n

+

×

≥[ ]n

Một số thành phần lực tác dụng lên trục

Xét trường hợp trục chỉ chịu ứng suất tiếp

Ứng suất tiếp (xoắn) biến đổi thêo chu kỳ mạch động:

m a

k

n

τϕτβε

τ

τ τ

τ

τ

×+

σσ σ

Có nhiều cách để điều khiển, lập trình cho tay máy hoạt động Một số hãng sản xuất

ở thời điểm sơ khai họ đã sử dụng các mạch logic để kiểm soát sự thay đổi của cánh taymáy Nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp điện tử mà cụ thể là côngnghệ bán dẫn đã làm cho quá trình điều khiển tay máy được dễ dàng, tối ưu hơn Ngàynay người ta sử dụng các bộ vi điều khiển, vi xử lý rồi lập trình sau đó nhúng vào cáccông cụ này để có được khã năng thích ứng cao Củng chính nhờ công cụ này mà cácrobot chúng ta càng linh hoạt và dễ thích ứng hơn( để có một chương trình điều khiển mới

thì thời gian để có được nó là rất ngắn, người ta sử dụng phần mền để lập trình sau đó nạpchương trình xuống bộ vi điều khiển hay bộ vi xử lý để đạt được các yêu cầu mà conngười đặc ra ).

Một ‘driver’ điều khiển cho tay máy đòi hỏi người thiết kế phải am hiểu một cáchtường tận về kỹ năng xữ lý các tình huốn xảy ra, ví dụ như dòng điện, điện áp phải đặcvào là bao nhiêu để có thể đạt được công suất theo yêu cầu, đồng thời người thiết kế phảihiểu thêm về một số kỹ thuật lập trình nhất định từ đó mới có tầm nhìn xa hơn trong việcthiết kế mạch bởi vì nếu không có những yếu tố này thì có lẽ sản phẩm làm ra thời gian sẽ

bị kéo dài hơn, tiền bạc bỏ ra củng lớn hơn làm cho tính cạnh tranh của sản phẩm trên thịtrường yếu đi

Ngày nay vấn đề thiết kế hay lập trình được đơn giản hoá hơn bởi sự phát triển mạnh

mẽ của công nghệ thông tin, hầu như trên mọi lĩnh vực công nghệ thông tin đã đi đến từngngỏ ngách của cuộc sống Nó làm cho con người ta được thoải mái hơn, thay vì chúng taphải đi mò lần từ đầu thì việc đó trở nên dễ dàng với việc áp dụng những thành tựu đượccác chuyên gia nghiêng cứu rồi chuyển dao công nghệ, rồi được các nhà lập trình ứngdụng đưa nó vào các sản phẩm của mình, rồi từ đó người sử dụng lại sử dụng các thànhtựu đó để đưa nó vào thực tế, và quá trình này cứ diễn ra một cách luân hồi, tạo thành mộtchuỗi khép kín ( từ thực tiễn cuộc sống  thực tiễn cuộc sống ) ‘Người ứng dụng giỏi lànhững nhà biết cách chiếm hữu những gì mà nhân loại đã dày công làm ra.’

Tay máy mà chúng em thiết kế sử dụng bộ vi điều khiển AT89C51 để nhúng điềukhiển cho cơ cấu hoạt động Lý do để chọn bộ vi điều khiển này đó là chúng em đã đượcnhà trường đưa môn học vi điều khiển AT89C51 vào khung chương trình đào tạo đó làmột ưu thế, ngoài ra nó còn có một số ưu điểm đó là công cụ để lập trình cho chíp này rấtnhiều, tập lệnh cũng đơn giản, và quan trọng hơn mà đối với sinh viên đó là giá thành củasản phẩm rẽ phù hợp với các ứng dụng mang tính chất thí nghiệm và thực hành

5.1.GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN:

5.1.1 Tổng quan về kỹ thuật vi điều khiển:

5.1.1.1 Khái quát chung về bộ vi điều khiển:

Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một chip có thểlập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống, theo chương trình điềukhiển đã nạp sẵn bên trong chip

5.1.1.2 Lịch sử phát triển của vi điều khiển:

Bộ vi điều khiển thực ra là một loại vi xử lí trong tập hợp các bộ vi xử lý nóichung Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lí, từ những năm 1970 do sự phát triển

và hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật MOS Semiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chip ngày càng cao

(Metal-Oxide-5.1.1.3 Cấu trúc bên trong của bộ vi điều khiển:

IC vi điều khiển 8051/8031 thuộc họ MCS51 có các đặt điểm sau :

4 kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8051)

Bộ nhân / chia 4µs

Hình 5.1 Cấu trúc bên trong của họ 8051CPU(Central processing unit) là phần chính của vi điều khiển 8051/8031:

Thanh ghi tích lũy A

Thanh ghi tích lũy phu ̣ B, dùng cho phép nhân và phép chia

Đơn vi ̣ logic ho ̣c (ALU : Arithmetic Logical Unit )

Từ tra ̣ng thái chương trình (PSW : Prorgam Status Word)

Bốn băng thanh ghi

Con trỏ ngăn xếp

Ngoài ra còn có bô ̣ nhớ chương trình, bô ̣ giải mã lê ̣nh, bô ̣ điều khiển thời gian vàlogic

Bộ dao động: tạo tín hiệu giữ nhịp cho CPU

Bộ điều khiển ngắt: xữ lý các tín hiệu ngắt và các biến cố bên ngoài

Timer 1,2: Hai bộ định thời 16 bit hoạt động như bộ đếm

Port 0, Port 1, Port 2, Port 3: giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

TXD * RXD *

Các thanh

128 byte Ram

Rom 4K-8051 OK-8031

Timer1 Timer2 iêu

Đ ̀

Điều khiển bus

CPU

Port nối tiếp Các port I\O

Ta ̣o dao

đô ̣ng

R S T 9

P 1 1 2

P 1 2 3

P 1 3 4

P 1 4 5

P 1 5 6

P 1 6 7

P 1 7 8

Port nối tiếp: Giao tiếp với computer, ứng dụng trong mạng VĐK, thông qua

cổng com của máy tính

Các thanh ghi: dùng để lưu trử data trong quá trình xử lý

5.1.2.Chức năng các chân vi điều khiển:

Hình 5.2 Sơ đồ chân AT89C51

Vi điều khiển 8051 có 32 trong 40 chân có chức năng như là các cổng I/O, trong đoa

24 chân được sử dụng với hai mục đích Nghĩa là ngoài chức năng cổng I/O, mỗi chân cócông dụng kép này có thể là một đường điều khiển của Bus địa chỉ hay Bus dữ liệu hoặc

là mỗi chân hoạt động một cách độc lập để giao tiếp với các thiết đơn bit như là công tắc,LED, transistor…

Port0: là port có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 của MC 8051 Trong các thiết

kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ ngoài, P0 được sử dụng như là những cổng I/O Còn trongcác thiết kế lớn có yêu cầu một số lượng đáng kể bộ nhớ ngoài thì PO trở thành các đườngtruyền dữ liệu và 8 bit thấp của bus địa chỉ

Port1 : Port1 là một port I/O chuyên dụng trên các chân 1-8 của MC8051 Chúng

Bit Tên Chức năng chuyểnđổi

P3.0 RxD Nhận data cho portnối tiếp.

P3.1 TxD Xuất data cho portnối tiếp

P3.6 WR Tín hiệu ghi bộnhớ ngoài.

P3.7 RD nhớ dữ liệu ngoài Tín hiệu đọc bộ

PSEN (Program Store Enable ) : 8051 có 4 tín hiệu điều khiển PSEN là tín hiệu ratrên chân 29 Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép truy xuất bộ nhớ chương trình mởrộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọccác byte mã lệnh của chương trình Tín hiệu PSEN ở mức thấp trong suốt phạm vi quátrình của một lệnh

PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh Các mã nhị phân của chương trìnhđược đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 để giải mã lệnh.Khi thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức cao

ALE (Address Latch Enable ) :

ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nữa đầu củachu kỳ bộ nhớ Sau đó, các đường Port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nữa sauchu kỳ của chu kỳ bộ nhớ

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thểđược dùng là nguồn xung nhịp cho các hệ thống Nếu xung trên 8051 là 12MHz thì ALE

có tần số 2MHz Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong8051.

5.1.3.Tổ chức bộ nhớ của bộ vi điều khiển 8051:

8051 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard : có những vùng bộ nhớ riêng biệt cho chươngtrình và dữ liệu Như đã nói ở trên, cả chương trình và dữ liệu có thể ở bên trong 8051, dùvậy chúng có thể được mở rộng bằng các thành phần ngoài lên đến tối đa 64 Kbytes bộnhớ chương trình và 64 Kbytes bộ nhớ dữ liệu

Bộ nhớ bên trong bao gồm ROM (8051) và RAM trên chip RAM trên chip bao gồmnhiều phần : phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi vàcác thanh ghi chức năng đặc biệt

5.1.3.1 Chi tiết về bộ nhớ RAM trên chip :

RAM bên trong chip 8051 được phân chia như sau:

RAM theo

bitBank 3Bank 2Bank 1 (Stack)

R7 R6 R5

RAM đa mục đích

7FH

30 H 2FH 1FH 18 H 17 H 0FH

…

7879

7A

7B

7C

7D7E7F