Nghiên cứu phát triển robot công nghiệp

nghiên cứu một trong hai sản phẩm đặc trưng của cơ điện tử đó là robot, cụ thể ở đây là robot 4 bậc tự do scara. Khả năng làm việc của robot này có rất nhiều ưu điểm: Chất lượng , độ chính xác, hiệu quả và kinh tế cao, làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được, trong các công việc mà đòi hỏi phải cẩn thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần có thợ lành nghề và phải làm việc căng thẳng suốt ngày thì robot có khả năng thay thế hoàn toàn …

MỤC LỤC

Danh mục hình ảnh

Danh mục bảng biểu

LỜI NÓI ĐẦU

Nền khoa học kỹ thuật ngày nay đang phát triển một cách mạnh mẽ, dẫn đến sựthay đổi lớn lao trong sản xuất Đó là sự thay đổi lực lượng sản xuất trong mọi ngànhnghề bằng việc thay sức lao động của người bằng máy móc nhằm đảm bảo tăng năngxuất lao động, sản lượng cũng như chất lượng sản phẩm Do đó việc sử dụng tay máyhay robot công nghiệp vào sản xuất đang rất được ưa chuộng bởi chúng đáp ứng mộtcách triệt để các yêu cầu trên Như chúng ta đã biết robot công nghiệp có rất nhiều ưuđiểm đặc biệt là chất lượng và độ chính xác, ngoài ra còn phải kể đến hiệu quả kinh tếkhông những thế chúng còn có thể thay con người làm việc ở những môi trường vôcùng độc hại mà ở đó chỉ có máy móc mới có thể tiếp cận (hầm mỏ, y tế, hóa chất),các công việc yêu cầu tính chính xác, cẩn thận không được nhầm lẫn, nhẹ nhàng và độtinh tế cao Và điều quan trọng mà robot mang lại vô cùng tuyệt vời đó là sự căngthẳng , chúng không biết căng thằng như con người vì vậy chúng có thể làm việc suốt

cả ngày mà không biết mệt mỏi và độ chính xác luôn luôn là không đổi

Từ khi mới ra đời, robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dướinhiều góc độ khác nhau, một trong số đó là việc thay thế sức người bằng sức máy làmột trong những mục đích quan trọng và cũng là thành công lớn trong việc nâng caonăng xuất lao động nhờ máy móc hóa các công đoạn trong khâu sản xuất Nhờ vậy cácdây chuyền được tổ chức lại, hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt

Đặc trưng cho nghiên cứu và chế tạo robot công nghiệp chúng ta có thể nói đến

đó là chuyên ngành cơ điện tử Cơ điện tử là sự tổ hợp hữu cơ giữa cơ khí, điện, điện

tử và tin học chúng phát triển song song và liên quan chặt chẽ với nhau, mục đíchchính chủ yếu của cơ điện tử là điều khiển tự động và gia công chính xác, sản phẩmtiêu biểu của cơ điện tử đó là robot công nghiệp và cnc

Gần đây, các nhà khoa học còn nghiên cứu và cải tiến hệ thống các module thôngminh được gắn trên robot để có thể cảm nhận được, quan sát sự thay đổi các yếu tốbên ngoài, giúp cho robot hoạt động đạt đến độ chính xác nhất định

Trong khuôn khổ nội dung đồ án thiết kế robot, chúng em được nghiên cứu mộttrong hai sản phẩm đặc trưng của cơ điện tử đó là robot, cụ thể ở đây là robot 4 bậc tự

do scara Khả năng làm việc của robot này có rất nhiều ưu điểm: Chất lượng , độ chính

xác, hiệu quả và kinh tế cao, làm việc trong môi trường độc hại mà con người khôngthể làm được, trong các công việc mà đòi hỏi phải cẩn thận không được nhầm lẫn, thaotác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần có thợ lành nghề và phải làm việc căngthẳng suốt ngày thì robot có khả năng thay thế hoàn toàn …

Để hoàn thành tốt đồ án này, chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo

đã tạo điều kiện và đặc biệt là thầy Khổng Minh đã trực tiếp hướng dẫn chúng em thựchiện đồ án để có kết quả tốt Qua đồ án tốt nghiệp giúp chúng em phần nào hiểu rõ hơn

từ những bước đầu tiên để thiết kế các chi tiết của robot cho đến lúc sản phẩm hoànthành, cụ thể ở đây là robot scara bốn bậc tự do Trong quá trình thực hiện thiết kế giacông robot chúng em còn nhiều thiết sót, mong các thầy cô chỉ bảo thêm cho chúng

em để đồ án có kết quả tốt nhất

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Hữu NhưNguyễn Bỉnh QuýLưu Trọng ThànhNgô Văn Thông

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung

Robot công nghiệp scara là cụm từ viết tắt của của Selective ComplianceAssembly Robot Arm – hay Selective Compliance Robot Arm Tức là cánh tay robotlắp ráp chọn lọc Robot được ra đời năm 1981 tại Đại học Yamanashi Nhật Bản Robotscara gồm 3 bậc tự do RRT, sau này phát triển thêm các biến thể RRTR hoặc TRRThay đề tai nghiên cứu của nhóm là TRRR

Đề tài của chúng em là “nghiên cứu về robot 4 bậc tự do” dựa trên mẫu robot cósẵn trên thị trường là sacra PF 400 của hãng Precise Automation bao gồm 4 bậc tự doTRRR Robot được điều khiển và lập trình theo quỹ đạo điểm điểm gắp phôi trên giá

đỡ đặt với độ chính xác cao

Hình 1.1 Robot 4 bậc tự do scara PF 400

1.2 Các vấn đề đặt ra

Đề tài: “ Nghiên cứu và chế tạo robot 4 bậc tự do”

Các vấn đề phải giải quyết:

Cơ khí:

- Thiết kế hệ thống cơ khí chắc chắn, có khả năng nâng đỡ, chống lại sự tác động

từ bên ngoài cũng như chịu được sự quá tải khi làm việc ( yêu cầu trong thiết kếtính toán )

- Hệ thống cơ khí phải chính xác, gia công phải đảm bảo độ chuẩn theo yêu cầukích thước bản vẽ Đảm bảo cho robot có chạy êm, mềm mại, dẻo dai, đúng yêucầu kỹ thuật

- Hệ thống cơ khí có độ tin cậy cao

- Các khâu, các khớp đảm bảo có không gian làm việc ổn định và tự do, khôngđược va chạm với nhau, đảm bảo gắp được phôi ở những vị trí hẹp và khó nhất

- Thiết kế phần mềm điều khiển cho robot có thể giải được thuật toán

- Ghép nối với máy tính qua cổng COM

- Tạo giao diện với người dùng một cách tốt nhất

1.3 Phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Lý thuyết

Về phần lý thuyết chúng ta nghiên cứu các mảng chính sau:

- Nghiên cứu bài toán động học thuận, bài toán động học ngược của robot

- Sức bền và hệ thống cơ khí

- Bài toán nội suy

- Thiết kế quỹ đạo của robot

1.3.2 Thực nghiệm

Do thiết bị được sử dụng được mua cũ, nên rất khó có thể tránh khỏi việc bị saitrong công tác điều khiển, hay gặp phải những lỗi cơ bản như cũ, mòn, hay bị hỏnghóc, gãy, không thể tiếp tục xử lý được

Chúng ta sẽ đi tiến hành thực nghiệm để khắc phục các lỗi trên như sau:

- Điều chế độ rộng xung PWM, điều khiển chạy thử động cơ

- Mục đích: kiểm tra đặc tính cơ của động cơ

Ứng dụng những thứ đã được học trong chuyên ngành “cơ điện tử” vào nghiêncứu:

- Thiết kế hệ thống đồng thời song song cả phần cơ khí, điện, điện tử, lập trình.

- Mô hình hóa phần cơ khí phần điện

- Tối ưu hóa tất cả từ phần từ lên ý tưởng đến phần gia công hoàn chỉnh sảnphẩm

1.4 Phương pháp nghiên cứu đề tài

Đây là đề tài rộng có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, vì vậy sẽ có rất nhiềuphương pháp, cũng như là hướng giải quyết, phát triển khác nhau Tuy nhiên ở mức độ

là một đồ án tốt nghiệp thì việc nghiên cứu cũng có nhiều hạn chế, nhóm chỉ hướng tớiviệc nghiên cứu và đưa ra mô hình tổng quan nhất trong phòng thí nghiệm với phạm visau:

1.4.1 Lý thuyết

- Giải quyết các bài toán động học ngược và động học thuận của robot

- Giải quyết bài toán nội suy theo đường thẳng và theo đường cong

- Nghiên cứu thuật toán nội suy DDA

1.4.2 Mô hình

- Tính toán thiết kế mô hình cho robot scara, theo yêu cầu của đầu bài

- Tính toán đến khả năng làm việc của robot

- Độ phân giải động cơ

- Thiết kế phần mềm điều khiển động cơ( matlab)

- Thiết kế hệ thống cơ khí đảm bảo 4 bậc tự do (TRRR)

- Dùng 4 động cơ bước để điều khiển các khớp

- Nghiên cứu thiết kế giao tiếp thông qua cổng COM

- Nghiên cứu thiết kế driver động cơ bước dùng chip L297 và L298

- Nghiên cứu bộ điều khiển với vi điều khiển trung tâm là chip ATMEGA 16L

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

2.1 Các khái niệm cơ bản

2.1.1 Khái niệm robot công nghiệp

Khái niệm robot: “Robot là một loại máy có thể thực hiện những công việc mộtcách tự động bằng sự điều khiển của máy tính Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo,

ảo, thường là một hệ thống cơ khí điện tử Với sự xuất hiện và chuyển động của mình,robot gây cho người ta cảm giác nó có giác quan giống như con người” theoWikipedia tiếng Việt

Robot công nghiệp: Theo tiêu chuẩn ISO robot công nghiệp là một tay máy đamục đích có thể điều khiển tự động, lập trình lại được, có nhiều hơn hoặc bằng 3 trục

Hình 2.1 Robot công nghiệp ABB của Thụy Điển

Theo thống kê đến năm 2011 thế giới có khoảng 180.000 robot công nghiệpđược sử dụng Sản lượng robot công nghiệp có xu hướng năm sau cao hơn năm trước.Ước tính năm 1994 có khoảng hơn 40.000 robot công nghiệp được sử dụng trên toànthế giới thì đến năm 2011 con số này đã tăng lên hơn 6 lần là 180.000 robot

Hình 2.2 Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới (nguồn: IFR Statistical

department)

Với những ưu việt của mình: năng suất cao, làm việc tin cậy, thay thế con ngườitrong những công việc độc hại, nguy hiểm, lặp đi lặp lại, nhàm chán, thay đổi chương

trình nhanh, đa mục đích…robot công nghiệp ngày càng được sử dụng nhiều vào tất cảcác lĩnh vực trong công nghiệp cũng như đời sống.

Hình 2.3 Các lĩnh vực robot công nghiệp được sử dụng( nguồn IFR Statistical

department)

Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

Hình 2.4 Cấu trúc chung của robot công nghiệp

- Hệ thống cơ khí: Hệ thống cơ khí của tay máy robot công nghiệp được ví nhưphần khung xương cơ bắp của robot Robot có vững chắc hay không, có tảitrọng lớn hay không, có làm việc chính xác hay không…phụ thuộc phần lớnvào kết cấu tay máy của chúng

- Hệ thống cảm biến: Hệ thống cảm biến được ví như các giác quan của robot,giúp đo đạc các thông số về trạng thái bản than robot: vị trí, tốc độ, gia tốc…cũng như các thông số môi trường : nhiệt độ, momen…

làm việc

Hệ thống điều khiển

Tay máy robot công nghiệp

- Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển được ví như bộ não của robot, đưa racác lệnh điều khiển cho tay máy robot công nghiệp, đọc các dữ liệu từ hệ thốngcảm biến để so sánh các dữ liệu có sẵn, tính toán và đưa ra lệnh điều khiển taymáy.

- Môi trường làm việc: Môi trường làm việc của robot công nghiệp là đối tượng

mà tay máy cần thực hiện nhiệm vụ Ví dụ như các chi tiết máy cần lắp ráp, cáctấm kim loại cần vận chuyển, bàn máy, máy CNC…

2.1.2 Phân loại và ứng dụng robot công nghiệp

Phân loại robot công nghiệp:

a) Phân loại hình dạng hình học của không gian hoạt động

Robot tọa độ Đề Các

Hình 2.5 Tay máy robot tọa độ Đề Các

Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp tinh tiện, không gian làmviệc trong thẻ tích hình hộp chữ nhật Kích thước của hình hộp chữ nhật này phụ thuộcvào lượng dịch chuyển của các khâu trên tay máy Robot tọa độ đề các thường được sửdụng để làm việc với các đối tượng thuộc mặt phẳng vuông trong không gian

Robot tọa độ trụ

Hình 2.6 Tay máy robot tọa độ trụ

Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp: 1 khớp quay và 2 khớptịnh tiến(RTT) Không gian làm việc trong thể tích một hình trụ Chiều cao của hìnhphụ thuộc lượng tịnh tiến khớp thứ 2, độ rộng của hình trụ phụ thuộc khớp tịnh tiếnthứ 3

Robot tọa độ cầu

Hình 2.7 Tay máy robot tọa độ cầu

Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp: 3 khớp quay (RRR) hoặc

2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến (RRT) Không gian làm việc trong thể tích một hìnhcầu Bán kính hình cầu phụ thuộc vào góc quay, lượng tinh tiến và kích thước của 2khâu cuối

Robot dạng scara

Hình 2.8 Tay máy robot SCARA

Robot công nghiệp SCARA là cụm từ viết tắt của Selective complianceAssembly Robot Arm- hay Selective Compliance Articulated Robot Arm Tức là cánhtay robot lắp ráp chọn lọc Robot được ra đời năm 1981 tại Đại học Yamanashi NhậtBản

Cánh tay robot gồm 3 bậc tự do RRT, sau này phát triển thêm các biến thể RRTRhoặc TRRT Robot có kết cấu đơn giản, tốc độ làm việc cao, làm việc tin cậy được sửdụng phổ biến để lắp ráp, phân loại các sản phẩm trên các băng tải dây chuyền tự

động.

b) Phân loại theo phương pháp điều khiển

Theo phương pháp điều khiển robot công nghiệp được phân ra làm 2 loại: điềukhiển theo mạch hở và điều khiển theo vòng kín

- Điều khiển theo mạch hở

Hình 2.9 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở

Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môitrường làm việc trong tay máy robot công nghiệp Do đó độ chính xác không cao.Phương pháp này điều khiển tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong nhữngtrường hợp không đòi hỏi cao về độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hànghóa… Động cơ được sử dụng trên tay máy robot thường là động cơ bước, động cơđiện thông thường không phản hồi

- Điều khiển theo vòng kín

Hình 2.10 Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín

Khác với phương pháp điều khiển theo mạch hở, ở phương pháp điều khiển theovòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường mà taymáy tương tác Do đó điều khiển tay máy robot công nghiệp sẽ chính xác hơn So vớiphương pháp điều khiển mạch hở, phương pháp này điều khiển phức tạo hơn do phảitrạng bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trang thái của tay máy như: vị trí, vận tốc,momen… và các thông số môi trường làm việc

Môi trường làmviệc

Tay máy robot công nghiệp

Hệ thống điều khiển

Tay máy robot công nghiệp

Môi trường làm việc

Hệ thống điều khiển

Hệ thống cảm biến

Với ưu điểm là có độ chính xác cao, tin cậy trong quá trình làm việc nên phươngpháp điều khiển theo vòng kín ngày càng được sử dụng nhiều trên các tay máy robotcông nghiệp.

c) Phân loại theo ứng dụng

Robot được phân loại tùy theo ứng dụng trong nhiều chuyên ngành công nghiệp như: robot hàn, robot sơn, robot lắp ráp, robot trong ngành luyện kim…

2.2 Cơ học robot

2.2.1 Động học robot

a) Bài toán động học thuận robot

Bài toán động học thuận sử dụng phương pháp do Denavit-Hartenberg đề xuất Phương pháp đó được sử dụng để biểu thị mối quan hệ giữa 2 khâu với nhau:

Khâu12

…NBảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg

Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H :

Trục zi trùng hướng với hướng của trục zi+1

Trục xi cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục zi-1 và trục zi

Gốc tọa độ trên khâu được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x đã xácđịnh của khâu đó Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theo quy tắcbàn tay phải

Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần nhất với hệtọa độ gần nó Hệ tọa độ gốc chọn trục x bất kì

Phép rời trục tọa độ:

Bản chất của quy tắc D – H là việc rời hệ tọa độ theo quy tắc nhất định để 2 hệ trục tọa

độ trùng khớp nhau Thứ tự rời như sau:

- Tịnh tiến một đoạn di theo trục zi-1 để xi-1 nằm trên mặt phẳng pháp tuyến của

zi-1 chứa xi

- Quay một góc θ1 quanh trục zi-1 để xi-1 cùng phương với xi

- Quay một góc αi quanh trục xi-1(xi) để zi-1≡zi.

Khi các trục khớp cắt nhau nên di chuyển các trục tọa độ có gốc trùng nhau

b) Bài toán động học ngược robot

Khái niệm: Động học ngược tay máy là việc giải phương trình động học robot công nghiệp để tìm ra các giá trị của biến khớp khi cần di chuyển khâu công tác tới vị trí xác định và hướng xác định

Mục đích của việc giải phương trình động học robot công nghiệp: để điều khiển tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì chúng

ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu.Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot

Các phương pháp giải bài toán động học ngược :

b) Mục đích nghiên cứu bài toán động học tay máy

- Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp

- Tính toán chọn động cơ

c) Phân loại bài toán động lực học tay máy

- Bài toán động lực học thuận: Cho trước lực và momen tác dụng ở mỗi khớp taymáy, tìm chuyển động của tay máy

- Bài toán động lực học ngược: Cho trước chuyển động của tay máy, tính toán lực và momen tác dụng vào các khớp của tay máy

d) Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy

- Phương pháp sử dụng định lý động năng

- Phương pháp sử dụng phương trình Lagarange II

- Phương pháp Newton-Euler

2.2.3 Thiết kế quỹ đạo

Robot công nghiệp là một tay máy được điều khiển tự hoạt động theo chươngtrình Nó gồm đối tượng điều khiển (phần tay máy) và hệ thống điều khiển Nhiệm vụcủa hệ thống điều khiển là điều khiển táy máy thực hiện các nhiệm vụ đặt ra, nghĩa làphần công tác phải chuyển động theo quỹ đạo định trước và thực hiện các chức năngcông tác

Quỹ đạo chuyển động là vấn đề chung trong điều khiển robot, vì để hoàn thànhnhiệm vụ cụ thể của mình thì trước hết phần công tác phải di chuyển theo đúng quỹđạo xác định Quỹ đạo là yếu tố cơ bản để mô tả hoạt động của rôbôt Việc thiết kếquỹ đạo cung cấp dữ liệu phần đầu vào cho hệ điều khiển nên cũng là cơ sở trực tiếpcho việc điều khiển

Thiết kế quỹ đạo ở đây được hiểu là xác định quy luật chuyển động của các biếnkhớp để điều khiển chuyển động của từng khớp và tổng hợp thành chuyển động chungcủa robot theo một quỹ đạo dã được xác định

Bài toán thiết kế quỹ đạo liên kết các vấn đề động học và động lực học Các yếu

tố đầu vào của bài toán thiết kế quỹ đạo bao gồm đường dịch chuyển và các điều kiệnràng buộc về động học và động lực học Đầu ra của bài toán là quỹ đạo của phần côngtác Người ta giảm bớt các tham số mô tả bằng cách quy định các điểm biên của vùnghoạt động, thêm các điểm trung gian mà đường phải đi qua, xấp xỉ bằng các đườngđơn giản Yếu tố thời gian của quỹ đạo không thể xác định được cho từng điểm, màthường quy định cho cả đoạn đường Chúng thường được quy định bằng các giá trịgiới hạn như vận tốc hay gia tốc cho phép, hoặc gán các giá trị mặc định

Bài toán thiết kế quỹ đạo được đặt ra cả trong không gian khớp lẫn không giancông tác Các điều kiện ràng buộc của quỹ đạo, nhất là đường dịch chuyển, thườngđược mô tả trong không gian công tác Ngược lại, lực chuyển động của hệ thống xuấtphát từ các khớp nên việc xác định quy luật theo thời gian của các biến khớp đượcthực hiện trong không gian khớp

2.3 Các thành phần cơ bản của robot

2.3.1 Hệ thống cơ khí

Hệ thống cơ khí được ví dụ như phần khung xương cơ bắp của robot Robot cóvững chắc hay không, có tải trọng lớn hay không, có làm việc chính xác hay không…phụ thuộc phần lớn vào kết cấu tay máy của robot công nghiệp

a) Động cơ bước

Khái niệm: Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụngkhác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Thực chất nó là động cơ đồng bộdùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhauthành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rotor có khả năng cố địnhrotor ở vị trí cần thiết

Cấu tạo động cơ bước

Về động cơ bước có thể coi là tổng hợp của 2 động cơ:

- Động cơ 1 chiều không tiếp xúc

- Động cơ đồng bộ giảm tốc nhỏ

Hình 2.11 Động cơ bước

Phân loại động cơ bước

Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộndây trên stator

Dựa theo cấu trúc rotor, động cơ bước được chia thành 3 loại:

- Động cơ bước từ trở biến thiên

- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

- Động cơ bước lai

Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại:

- Động cơ bước đơn cực

- Động cơ bước lưỡng cực

Hình 2.12 Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước

Ngoài ra, các loại này còn rơi vào một trong hai phương pháp cấu tạo Trongphương pháp thứ nhất rotor có các răng bình thường Stator có các răng tương tự đểgiữ các cuộn dây Trong phương pháp thứ hai mặt răng của rotor và stator có nhiềurăng nhỏ hơn Ưu điểm của các răng nhỏ này là tạo ra các góc bước nhỏ hơn

Một số thông số cơ bản của động cơ bước

- Bước góc: là góc quay của trục động cơ ứng với 1 xung điều khiển Bướcgóc được xác định bởi kiểu điều khiển đầy bước hay nửa bước và cấu trúc động

cơ Ta cũng cần chú ý vận tốc góc trung bình của động cơ:

V=

Trong đó: V-vận tốc trung bình

f: tần số cấp xung

n: bước góc động cơ

- Độ chính xác bước góc được đánh giá bằng giá trị % tăng hoặc giảm củabước góc so với bước góc danh nghĩa.

- Momen tĩnh là momen ngoại lực mà momen này giữ cho trục động cơkhông quay Để hoạt động được cần cấp điện cho động cơ vì vậy roto có liênquan tới dòng trong động cơ

- Momen hãm hay còn gọi là momen dư đó là tổng của các momen hiện tạitrên roto khi động cơ chưa được cấp điện

- Điện trở cuộn dây có liên quan tới dòng trong động cơ Dòng trong cuộndây có liên quan tới momen dòng lớn momen động cơ lớn dòng nhỏ momenđộng cơ nhỏ

- Độ tự cảm của cuộn dây: được xác định vởi tốc độ tự cảm đến bão hòa khicấp điện cho cuộn pha, Cần phải tính toán dòng điện cấp cho cuộn pha phù hợpkhi động cơ quay ở tốc độ cao

Ký hiệu

Tiếp điểm thường mở

Tiếp điểm thường đóng

Cấu tạo

Hình 2.13 Công tắc hành trình

Ngày nay việc áp dụng các dây truyền tự động đòi hỏi sử dụng nhiều các côngtác hành trình khác nhau, vì việc đóng cắt các tiếp điểm trong công tắc hành trình phảiphù hợp với các sơ đồ động học và cấu tạo của máy công tác, Tùy theo cấu tạo củacông tắc hành trình mà chia công tác hành trình ra thành nhiều loại:

Phân loại

Công tắc hành trình kiểu nút bấm

- Trên đế cách điện được lắp các cặp tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động Vỏ vàđầu hành trình được làm bằng kim loại nên có độ cứng và khả năng chụi sự vađập cao

- Hành trình của công tắc này có khả năng đạt 10mm Khi hết tín hiệu hành trình

lò xo nhả sẽ đưa phần động về vị trí ban đầu, loại công tắc hành trình nàythường được đặt ở cuối hành trình

- Atmega16L là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa trênkiến trúc RISC Reduced Instruction Set Computer Với công nghệ này cho phépcác lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu cóthể đạt đến 16 triệu lệnh trên giây ở tần số 16 Mhz Vi điều khiển này cho phépngười thiết kế có thể tối ưu hoá chế độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc

- Chân 9:RESER để đưa chip về trạng thái ban đầu

- Chân 10: VCC cấp nguần nuôi cho vi điều khiển

- Chân 11 và 31: GND 2 chân này được nối với nhau và nối đất

- Chân 14 đến 21: Cổng nhập xuất dữ liệu song song D (PortD), nó có thể được

sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

- Chân 22 đến 29: Cổng nhập xuất dữ liệu song song C (PortC), nó có thể được

sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

- Chân 30:AVCC cấp điện áp cho bộ ADC

- Chân 32:AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC

- Chân 33 đến 40: Cổng nhập xuất dữ liệu song song A (PortA), ngoài ra nó cònđược tích hợp bộ chuyển đổi tương tự sang tín hiệu số ADC (analog to digitalconverter).

Mức logic ở cổng COM máy tính là như sau :

- Mức logic 0 : khi truyền thì điện áp khoảng +5V -> +15V , khi nhận thì điện ápkhoảng +3V -> +25V

- Mức logic 1 : khi truyền thì điện áp khoảng -15V -> -5V, khi nhận thì điện ápkhoảng -25V -> -3V

Mức điện áp trong khoảng như vậy vì nó phụ thuộc vào từng loại máy tính VD:máy PC, máy Laptop, là khác nhau Do đó ta không thể nối trực tiếp chân vi điềukhiển với chân cổng COM của máy tính , nếu không mạch sẽ bị hỏng

Hình 2.15 Cấu trúc phần cứng của max 232

CHƯƠNG III

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

3.1 Mô hình hóa mô phỏng hệ thống cơ khí

3.1.1 Yêu cầu bài toán thiết kế

Yêu cầu đặt ra

Hình 3.1 Mô hình yêu cầu làm việc

Robot công nghiệp SCARA có 4 bậc tự do, làm nhiệm vụ vận chuyển phôi từ hai

vị trí 1 và 2 Yêu cầu khoảng thời gian vận chuyển phôi từ vị trí 1 đến vị trí 2 là t Đểđảm bảo độ chính xác trong quá trình làm việc, yêu cầu độ phân giải điều khiển củacác khớp tương ứng là: pg1, pg2,pg3,pg4 Phôi có dạng hình hộp chữ nhật có númgắp, kích thước Xp,Yp,Zp, khối lượng

Hình 3.2 Không gian làm việc của robot

Trong đó:

Zp1, Zp2 là khoảng cách từ tay kẹp tới vị trí 1, vị trí 2 Xp1, Yp1 là tọa độ điểm đặt phôi trên vị trí 1

Xp2, Yp2, α là tọa độ điểm đặt phôi trên vị trí 2

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của robot

3.1.2 Tính toán kích thước các khâu

Chọn gốc tọa độ tại gốc robot

Khoảng cách từ gốc tọa độ tới phôi trên vị trí 1 :

Hình 3.3 Biểu diễn chiều dài các khâu

3.1.3 Bài toán động học thuận

Định nghĩa: Là bài toàn cho biết các giá trị của biến khớp (), yêu cầu tìm tọa độ

khâu cuối bao gồm vị trí của khâu cuối đó và hướng quay của nó

Hình 3.4 Mô hình hóa hệ thống Bảng 3.2 động học D-H

3.1.4 Bài toán động học ngược

Định nghĩa: Bài toán động học thuận cho phép ta xác định được hướng và vị trícủa các khâu công tác thông qua các biến khớp hay những thông số đầu bài cho, thìđối với bài toán động học ngược, bài toán động học ngược lại ngược lại yêu cầu củađầu bài là cho vị trí của tay máy, các khâu công tác và yêu cầu ta phải tìm lại được cácthông số

Động học ngược tay máy là việc giải phương trình động học robot công nghiệp

để tìm ra các giá trí của biến khớp khi cần di chuyển khâu công tác tới các vị trí xácđịnh và hướng xác định

Mục đích của việc giải phương trình động học robot công nghiệp để điều khiểntay máy tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì ta phải tính toán giá trị cácbiến khớp đã quay hoắc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu

Việc giải bài toán động học ngược là vô cùng quan trọng đối với việc điều khiển robotĐộng học ngược tay máy là cơ sở cho việc điểu khiển robot

Các phương pháp giải bài toán động học ngược:

Hình 3.5 Phân tích cơ cấu các khâu

Đơn giản hóa vấn đề bằng cách vẽ hình và mô tả góc quay, nhanh chóng ta xácđịnh được các thông số yêu cầu của bài toán

Cụ thể ở đây ta tìm ra các góc quay

Từ bài toán động học thuận ta có:

Trong đó:

Ta có:

Hình 3.6 Mô hình hóa tọa độ khối tâm

Xác định tọa độ khối tâm như trên

- Như tinh thần chủ đạo, ta đi phân tích tay máy robot theo phương pháp lagrage

2, bằng cách chia nhỏ robot ra từng bộ phận, robot sẽ được coi như 1 vật rắnriêng rẽ

Ta tính toán lần lượt bằng một thuật toán nhất định cuối cùng để tính được độngnăng thế năng toàn tay máy

Dựa theo công thức quan hệ giữa các hệ tọa độ trên tay máy công nghiệp

Ta tìm động năng tịnh tiến của khâu 2:

Trong đó:

là tọa độ điểm so với gốc

là tọa độ của khối tâm so với gốc

Ta có

Trong đó:

( ) là tọa độ khối tâm của vật so với gốc

Dựa vào công thức quan hệ giữa các hệ tọa trên tay máy công nghiệp như ta nhậnđịnh trên

Hình 3.7 Xác định tọa độ khối tâm khâu 2

Vậy điểm sẽ có tọa độ

So với góc tọa độ:

Ta có

Ta đi tính coi khâu 2 như 1 thanh rắn thì:

Vậy động năng của khâu 2:

Tính toán động năng tịnh tiến

Bằng phương pháp tương tự ta cũng đi tìm và làm như sau:

Ta có:

Hình 3.8 Xác định tọa độ khối tâm khâu 3

Vậy

Dựa theo công thức quan hệ giữa các hệ tọa độ trên tay máy công nghiệp

Áp dụng cho khâu 3 ta có

Trong đó

là tọa độ điểm so với gốc

là tọa độ điểm so với gốc

Tương tự tính toán ta có

=

Vậy điểm cần tìm là tọa độ khối tâm của khâu 3 sẽ có tọa độ:

động năng tịnh tiến của khâu 4

động năng quay của khâu 4

Tính toán động năng tịnh tiến

Khó khăn ở đây là phần tính toán , , là tọa độ của khối tâm khâu 4 so với gốc tọa

là tọa độ điểm so với gốc

là tọa độ điểm so với gốc

Thay trở lại công thức 1 ta có:

Coi khâu 4 là 1 thanh thẳng đồng chất thì:

Vậy

+

- Thế năng của tay máy

Được tính theo công thức:

Như vậy với việc tìm thấy được động năng và thế năng của robot

(thay giá trị vào)

(thay giá trị vào)

- Phương trình vi phân

Trên cơ sở các hàm động năng và thế năng ta vừa thiết lập ta đi xây dựng phươngtrình vi phân

Phương trình vi phân lagrage loại 2

Ta có động năng của toàn tay máy

Thay giá trị vào thì được

++

Đưa vào các khớp ta được

Hình 3.10 Biểu đồ biến thiên momen của khâu 2 Khâu 3

ta có

=+++

()

-(()

Hình 3.11 Biểu đồ biến thiên momen của khâu 3 Khâu 4 :