Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tay máy 4 bậc tự do

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tay máy 4 bậc tự do dùng trongphân loại sản phẩm ”, tìm hiểu chi tiết các đặc điểm, đặc tính để dựa vào đóđưa vào các dây chuyền hay phục vụ cho mục đích Công Nghiệp. Đề tài này làcầu nối giữa lý thuyết được học và cái đang hoạt động ở ngoài thực tế. Đây làmột đề tài hay, kết hợp giữa kỹ thuật thu thập, tìm hiểu, phân tích và chọn lọcđể hiểu rõ về hệ thống chấp hành và vận hành một cách tự động. Mục tiêu nhằmtừng bước tạo ra một hệ thống có tính tự động hóa và xa hơn là được đưa vàosử dụng trong các dây chyền sản xuất công nghiệp.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ



ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY MÁY

BỐN BẬC TỰ DO DÙNG TRONG PHÂN LOẠI

SẢN PHẨM

Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lưu Vũ Hải

Nhóm sinh viên thực hiện:

Lưu Văn Bình Mã sv: 1141020047 Phạm Tiến Đạt Mã sv: 1141020051 Đặng Sỹ Sơn Mã sv: 1141020147

LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tay máy 4 bậc tự do dùng trong phân loại sản phẩm” là công trình

nghiên cứu của bản thân Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong đồ án

đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả trình bày trong đồ án là hoàn toàn trung thực, nếu sai chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra

Hà Nội, tháng 04 năm 2020 Nhóm sinh viên thực hiện

Lưu Văn Bình Phạm Tiến Đạt Đặng Sỹ Sơn

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự

hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, nhóm đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ rất nhiều từ quý thầy cô, gia đình và bạn bè

Trước tiên nhóm tác giả xin được gửi lời cảm ơn và tri ân đến các quý thầy

cô trong trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội nói chung cũng như các thầy cô trong khoa Cơ Khí nói riêng, đã nhiệt tình dạy dỗ và truyền đạt cho nhóm nhiều kiến thức nền tảng để nhóm có được hành trang tốt chuẩn bị bước vào đời Đặc

biệt là nhóm xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Vũ Hải, người thầy đã ân cần,

tận tụy hướng dẫn nhóm trong suốt thời gian thực hiện đồ án này Trong quá

trình làm việc, với sự hướng dẫn tận tình của thầy Lưu Vũ Hải và nỗ lực của

bản thân các thành viên trong nhóm, đến nay công việc đã hoàn thành Trong quá trình tìm hiểu, tính toán và lập trình có thể có sai sót Nhóm tác giả rất mong sự chỉ bảo của thầy để đề tài được hoàn thiện hơn Nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy mà nhóm đã hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này, một lần nữa nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy, người lái đò sống mãi với sự nghiệp giáo dục, dìu dắt những thế hệ trẻ trên con đường học tập và nghiên cứu khoa học

Sau cùng, nhóm tác giả xin kính chúc quý thầy cô trong khoa Cơ Khí và

thầy Lưu Vũ Hải thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh

cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Xin chân thành cảm ơn !

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, Ngày … tháng … năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

(ký, ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hà Nội, Ngày … tháng … năm 20…

Giáo viên phản biện

(ký, ghi rõ họ tên)

I

MỤC LỤC

MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH ẢNH III DANH MỤC BẢNG BIỂU V LỜI MỞ ĐẦU VI

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU 1

1.2 CÁC VẤN ĐỀ ĐẶT RA 3

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 4

1.4 NỘI DUNG THỰC HIỆN 4

1.5 DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TAY MÁY 4 BẬC TỰ DO 5

2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG 5

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 6

2.2.1 Arduino 6

2.2.2 Mạch điều khiển động cơ 7

2.3 HỆ THỐNG CẢM BIẾN 9

2.3.1 Cảm biến màu 9

2.3.2 Công tắc hành trình 10

2.3.3 Cảm biến tiệm cận 12

2.4 CƠ CẤU CHẤP HÀNH 15

2.4.1 Động cơ DC 15

2.4.2 Động cơ bước 17

2.4.3 Động cơ Servo 21

2.5 CÁC KHỐI NGUỒN 22

2.5.1 Nguồn xung 23

2.6 KHÁC 26

2.6.1 Nút nhấn 26

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG 28

3.1 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ KHÍ 28

3.1.1 Động học thuận tay máy 28

3.1.2 Bài toán động học ngược Robot 30

3.1.3 Phương trình động lực học 34

II

3.1.4 Mô phỏng hệ thống cơ khí 44

3.2 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 45

3.2.1 Mô hình hóa và mô phỏng bộ điều khiển 45

3.2.2 Phương pháp giảm giật 47

3.2.3 Xác định giá trị điều khiển 48

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 51

4.1: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 51

4.1.1 Mô hình thiết kế và bản vẽ tay máy 51

4.1.2 Lựa chọn kích thước các khâu khớp 55

4.1.3 Xây dựng mô hình các khâu khớp 57

4.1.4 Lựa chọn và tính toán bộ truyền 61

4.1.5 Chọn vật liệu và phương pháp chế tạo 63

4.1.6 Chế tạo và lắp ráp 64

4.1.7 Tính momet tại các khớp 65

4.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 67

4.2.1 Thiết kế lưu đồ thuật toán 67

4.2.2 Tính toán và chọn linh kiện 72

4.2.3 Mạch điều khiển 87

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 91

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 91

ĐỀ XUẤT 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

PHỤ LỤC 93

III

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Ảnh trong R.U.R, kịch của Karel Capek 1

Hình 2 1 Vị trí hộp và các phôi trong môi trường làm việc của tay máy 6

Hình 2 2 Các board Arduino trong thực tế 6

Hình 2 3 Mạch điều khiển tốc độ động cơ trong thực tế 8

Hình 2 4 Cách đấu nối trên một mạch điển hình 8

Hình 2 5 Cảm biến màu sắc trong thực tế 9

Hình 2 6 Cấu tạo công tắc hành trình 10

Hình 2 7 Bên trong một công tắc hành trình cơ bản 11

Hình 2 8 Cảm biến tiệm cận 12

Hình 2 9 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận 13

Hình 2 10 Cấu tạo chi tiết động cơ DC 15

Hình 2 11 Đường đặc tính cơ của động cơ 17

Hình 2 12 Một số loại động cơ bước phổ biến 18

Hình 2 13 Cấu tạo bên trong của động cơ bước 19

Hình 2 14 Cách cấp xung đảo chiều động cơ bước 20

Hình 2 15 Động cơ servo 21

Hình 2 16.Nguyên lý hoạt động của động cơ servo 22

Hình 2 17 Nguồn xung 23

Hình 2 18 Sơ đồ khối của một nguồn xung 24

Hình 2 19 Pin 9V và dây nối 26

Hình 2 19 Các dạng nút nhấn thường gặp 26

Hình 3 1 Hệ trục tọa độ gắn trên các khâu 28

Hình 3 2 Kích thước thực tế của tay máy (mm) 30

Hình 3 3 Không gian làm việc của tay máy 31

Hình 3 4 Minh họa góc trên các 2 khâu chuyển động 33

Hình 3 5 Kích thước, cơ cấu các khâu và biến khớp 35

Hình 3 6 Video mô phỏng hệ thống trên Solidworks 44

Hình 3 7 Sơ đồ khối bộ điều khiển động cơ bước tại các khâu 1-2-3 45

Hình 3 8 Sơ đồ bộ điều khiển vòng hở đk động cơ băng tải 46

Hình 3 9 Bộ điều khiển động cơ DC servo 46

Hình 3 10 Tín hiệu điều khiển động cơ 47

Hình 3 11 Giản đồ tốc độ của động cơ theo thời gian theo 48

Hình 4 1 Mô hình tay máy hoàn chỉnh và môi trường làm việc trên SolidWorks 51

IV

Hình 4 2 Bản vẽ lắp tay máy phân loại phôi 4 bậc tự do 52

Hình 4 3 Bản vẽ lắp cụm đế 53

Hình 4 4 Bản vẽ lắp cụm tay gắp 54

Hình 4 5 Môi trường làm việc của tay máy 55

Hình 4 6 Datasheet Robot ABB IRB 460 56

Hình 4 7 Phác thảo khung xương của tay máy 56

Hình 4 8 Mô hình 3D của tay máy trên SolidWorks 57

Hình 4 9 Khâu 1 58

Hình 4 10 Khâu 2 58

Hình 4 13 Khâu 3 59

Hình 4 14 Khâu 4 60

Hình 4 15 Cụm tay gắp + khâu 4 60

Hình 4 16 Một số chi tiết sau khi in 3D 64

Hình 4 17 Robot sau khi lắp ráp hoàn chỉnh 64

Hình 4 18 Module Arduino Mega 2560 72

Hình 4 19 Arduino Uno 73

Hình 4 20 Động cơ và Datasheet động cơ Nema 17 75

Hình 4 21 Giản đồ xung khi cấp theo dạng sóng 76

Hình 4 22 Xung được cấp theo dạng chuỗi xung liên tục 76

Hình 4 23 Xung điều khiển full step theo phương pháp 2 pha cùng dấu 78

Hình 4 24 Giản đồ xung dạng nửa bước 78

Hình 4 25 Xung cấp dạng ¼ bước 79

Hình 4 26 Xung cấp dạng 1/8 bước 79

Hình 4 27 Giản đồ xung cấp theo dạng 1/16 bước 80

Hình 4 28 Hộp số và datasheet động cơ 82

Hình 4 29 Driver A4988 và cách kết nối 83

Hình 4 30 Module L298 83

Hình 4 31.Cảm biến màu TCS3200 84

Hình 4 32 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại 85

Hình 4 33 Động cơ servo SG90 85

Hình 4 34 Nguồn tổ ong 12V – 10A 87

Hình 4 35 Mạch hoạt động hệ băng tải 87

Hình 4 36 Hệ thống điều khiển hệ tay máy 88

Hình 4 37 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nối 3 driver 89

V

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Số lượng sản xuất robot ở các nước công nghiệp 3

Bảng 2 1 Các trạng thái hoạt động của động cơ 16

Bảng 3 1 Bảng thông số động học D - H 28

Bảng 3 2 Tọa độ các điểm công tác của tay máy 31

Bảng 3 3 Góc quay từng khâu để đưa tay máy đến điểm công tác 34

Bảng 3 4 Các góc chuyển vị của từng khâu giữa các vị trí công tác 49

Bảng 3 5 Bảng tra số bước từng động cơ phải quay 49

Bảng 3 6 Bảng tra số bước từng động cơ phải quay trong thực tế 50

Bảng 3 7 Bảng sai số 50

Bảng 4 1 Khoảng cách trục động cơ dẫn động so với trục các khâu 62

Bảng 4 2 Thông số bánh răng dẫn động các khâu 63

Bảng 4 3 Bảng đặc tính của các sợi nhựa in phổ biến 63

Bảng 4 4 Khối lượng và độ dài từng khâu 65

Bảng 4 5 Moment của các khớp tại các vị trí làm việc 66

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo tay máy 4 bậc tự do dùng trong

phân loại sản phẩm ”, tìm hiểu chi tiết các đặc điểm, đặc tính để dựa vào đó

đưa vào các dây chuyền hay phục vụ cho mục đích Công Nghiệp Đề tài này là cầu nối giữa lý thuyết được học và cái đang hoạt động ở ngoài thực tế Đây là một đề tài hay, kết hợp giữa kỹ thuật thu thập, tìm hiểu, phân tích và chọn lọc

để hiểu rõ về hệ thống chấp hành và vận hành một cách tự động Mục tiêu nhằm từng bước tạo ra một hệ thống có tính tự động hóa và xa hơn là được đưa vào

sử dụng trong các dây chyền sản xuất công nghiệp

Hà Nội, tháng 4 năm 2020

1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa

là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Có

lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool)

Hình 1 1 Ảnh trong R.U.R, kịch của Karel Capek

và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí

và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ

xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số

Một trong những Robot Công nghiệp đầu tiên được chế tạo là Robot Versatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate (1900) được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh (1967), Thụy Điển và Nhật (1968) theo bản quyền của Mỹ, CHLB Đức (1971), Pháp (1972),

Ý (1973)…

Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty

Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai) Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 Kg

Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống

3

điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia… 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 các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc 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 [1]

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

Bảng 1 1 Số lượng sản xuất robot ở các nước công nghiệp

4

- Tính an toàn của hệ thống khi vận hành phải đảm bảo

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Mục tiêu của đồ án chính là nghiên cứu, thiết kế tay máy và các phương

pháp điều khiển vị trí để chế tạo được “hệ thống phân loại sản phẩm bằng cánh

tay robot” Ứng dụng của robot có thể dùng cho các nghiên cứu lớn hơn sau

này có thể tích hợp để toàn bộ dây chuyền sản xuất là robot và các máy móc

thông minh Vai trò của con người chỉ là giám sát và điều hành

1.4 NỘI DUNG THỰC HIỆN

Để hoàn thành đề tài này nhóm cần phải thực hiện được các công việc sau:

1 Thiết kế được kết cấu cơ khí

2 Xác định được các thông số động học, động lực học của cơ hệ

3 Xây dựng hoàn thiện bộ điều khiển cho hệ thống

4 Thiết kế hệ thống điện – điều khiển

5 Chế tạo được mô hình và vận hành đúng thiết kế

1.5 DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

- Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công hệ thống phân loại phôi

bằng tay máy

- Hệ thống vận hành ổn định, đạt các yêu cầu đề ra về quy trình làm việc

cũng như là đảm bảo tốc độ làm việc và hiệu suất cao nhưng vẫn có

tính thẩm mỹ

- Đảm bảo an toàn khi vận hành

- Dễ dàng sử dụng, điều khiển và giám sát trong quá trình hoạt động

5

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ TAY MÁY 4 BẬC TỰ DO

2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC, QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG

Nguyên lý hoạt động của hệ thống tay máy 4 bậc tự do dùng trong phân loại sản phẩm

Ban đầu hệ thống băng tải được khởi chạy, tiếp đến động cơ servo ở ổ cấp phôi hoạt động, đẩy phôi ở trong ống chứa phôi vào băng tải (động cơ servo cấp phôi được lập trình 3s sẽ gạt để cấp 1 phôi) Phôi trên băng tải di chuyển tới vị trí của cảm biến màu và cảm biến tiệm cận hồng ngoại để các cảm biến phân tích và truyền thông tin về mạch arduino để xử lý và cấp tín hiệu cho tay máy hoạt động theo chu trình Tại quá trình phân tích của cảm biến, cảm biến tiệm cận hồng ngoại sẽ có nhiệm vụ nhận biết có vật thể xuất hiện và cảm biến màu có nhiệm vụ phân tích màu của phôi cần gắp Quá trình phân tích xảy ra 3 trường hợp:

- TH1: Phôi màu xanh thì hệ thống băng tải chạy và đưa phôi rơi vào thùng được đặt ở phía cuối của băng tải (thùng xanh)

- TH2: Phôi màu đỏ, thì băng tải dừng và tay máy sẽ được khởi chạy

từ vị trí chờ và tiến tới vị trí gắp phôi Sau đó phôi được tay máy gắp tới vị trí nhả phôi ở hộp thứ nhất Servo tay gắp nhả phôi vào hộp, rồi quay về vị trí chờ gắp phôi để thực hiện chu trình tiếp theo

- TH3: Phôi màu vàng, thì băng tải dừng và tay máy sẽ từ vị trí chờ gắp tiến tới vị trí gắp phôi Sau đó phôi được tay máy gắp tới vị trí nhả phôi ở hộp thứ hai Servo tay gắp nhả phôi vào hộp, rồi quay về

vị trí chờ gắp phôi để thực hiện chu trình tiếp theo

Trong khi tay máy tiến hành gắp phôi tới vị trí nhả thì băng tải được khởi chạy, và phôi ở ổ chứa phôi được servo tay gắp đưa vào băng tải để tiến hành

xử lý ở khu vực cảm biến để giảm thời gian chờ của chu trình và nâng cao năng suất cho quá trình hoạt động của hệ thống

6

Quá trình điều khiển các khâu của tay máy được diễn ra một cách tuần tự

Vị trí hộp đặt và các phôi được thể hiện như hình 2.1

2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

2.2.1 Arduino

2.2.1.1 Khái niệm

Arduino là một board mạch vi xử lý nhằm xây dựng các ứng dụng tương

tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn

Hình 2 1 Vị trí hộp và các phôi trong môi trường làm việc của tay máy

Hình 2 2 Các board Arduino trong thực tế

7

2.2.1.2 Cấu tạo

Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng

vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật

số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I2C-nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560

2.2.1.3 Ứng dụng

Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp Sau đây là danh sách một số ứng dụng nổi bật của Arduino như trong công nghệ in 3D, robot dò đường theo hướng có nguồn nhiệt, tạo một thiết bị nhấp nháy theo

âm thanh và đèn laser hay là một thiết bị báo cho khách hàng biết khi nào bánh

mỳ ra lò

2.2.2 Mạch điều khiển động cơ

2.2.2.1 Khái niệm

Mạch điều khiển động cơ là module điều khiển động cơ DC, được thiết

kế chuyên biệt hỗ trợ tương thích với Arduino Mỗi một driver sẽ được đánh một địa chỉ cố định nhờ đó người sử dụng có thể dễ dàng điều khiển cùng lúc nhiều động cơ khác nhau với một board chủ Arduino

8

Dùng để điều khiển tốc độ hoặc vị trí của động cơ

2.2.2.2 Đặc điểm

- Với sự hỗ trợ hết sức mạnh mẽ của bộ xử lý, công nghệ Mosfet, đặc biệt

sự kết hợp các thuật toán kinh điển về điều khiển vòng kín Làm cho bộ điều khiển động cơ DC điều khiển với độ chính xác cao Mạch được tích hợp nhiều thuật toán điều khiển vòng kín và khối công suất trên cùng một board mạch Giúp board mạch hết sức nhỏ gọn và giảm chi phí đáng kể cho người sử dụng

Với một driver bạn có thể sử dụng để điều khiển vị trí, vận tốc hoặc cả vị trí và vận tốc

Hình 2 3 Mạch điều khiển tốc độ động cơ trong thực tế

Hình 2 4 Cách đấu nối trên một mạch điển hình

9

2.2.2.3 Ứng dụng

Module diều khiển động cơ cho phép điều khiển tốc độ và vị trí của các động cơ Hay được ứng dụng trong các lĩnh vực như robot, hệ thống dây chuyền trong các phân xưởng…

2.3 HỆ THỐNG CẢM BIẾN

2.3.1 Cảm biến màu

2.3.1.1 Khái niệm

Cảm biến màu sắc được sử dụng để nhận biết màu sắc bằng cách đo phản

xạ 3 màu sắc cơ bản từ vật thể là đỏ, xanh lá và xanh dương từ đó xuất ra tần

số xung tương ứng với 3 màu này qua các chân tín hiệu, đo 3 tần số

xung này và qua 1 vài bước chuyển đổi nhất định là bạn sẽ có đươc thông tin màu sắc của vật thể cần đo

2.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến màu

Ánh sáng trắng là hỗn hợp rất nhiều ánh sáng có bước sóng màu sắc khác nhau Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể bất kì Tại bề mặt vật thể sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ và phản xạ ánh sáng

Cảm biến nhận biết màu sắc và xuất ra 3 tần số xung tương ứng với 3 màu

cơ bản là đỏ, xanh lá và xanh dương, đo 3 tần số xung này và qua 1 vài bước chuyển đổi nhất định để có đươc thông tin của màu sắc cần đo

Hình 2 5 Cảm biến màu sắc trong thực tế

+ Phần thân công tắc: Là phần chứa cơ chế tiếp xúc điện.

+ Ổ cắm/chân cắm: Là nơi chứa các đầu vít của tiếp điểm để kết nối với các tiếp điểm với hệ thống dây điện

Hình 2 6 Cấu tạo công tắc hành trình

Công tắc hành trình là thiết bị giúp chuyển đổi chuyển động cơ thành tín hiệu điện để phục vụ cho quá trình điều khiển và giám sát

Công tắc hành trình dùng để đóng cắt mạch điện ở lưới điện hạ áp Nó có tác động tương tự nút ấn, chỉ khác là động tác ấn bằng tay sẽ được thay thế bằng động tác va chạm của các bộ phận cơ khí, từ đó quá trình chuyển động cơ khí thành tín hiệu điện

2.3.2.4 Ứng dụng

Chúng ta có thể bắt gặp các công tắc hành trình trong ứng dụng công nghiệp cần sự an toàn hoặc phát hiện

- Phát hiện sự tiếp xúc của đối tượng

Hình 2 7 Bên trong một công tắc hành trình cơ bản

13

- Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn (limit switch)

- Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi

- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

2.3.3.3 Nguyên lý hoạt động

- Cảm biến từ tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm ứng Sóng cao tần đi qua lõi này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh nó Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát

- Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật

- Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đó thay đổi đầu ra Vật đã được phát hiện

2.3.3.4 Phân loại

Có hai loại cảm biến tiệm cận chính đó là :

+ Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ : hoạt động theo nguyên tắc cảm

ứng từ và chỉ phát hiện được những vật bằng kim loại

Hình 2 9 Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

14

+ Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung: phát hiện theo nguyên tắc

tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện tất cả vật thể

Ngoài ra còn cảm biến tiệm cận hồng ngoại Nhưng loại này hoạt động theo nguyên tắc đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh từ đó phát hiện vật thể

- Kiểm soát chất lỏng trong bể chứa

- Kiểm soát chất lỏng trong hộp giấy

- Kiểm soát kim loại

2.3.3.6 Một số lưu ý khi sử dụng

- Ta phải xác định mình đang đo cái gì?

- Tốc độ xử lý của cảm biến nhanh hay chậm và độ chính xác khu vực đo có cần chính xác cao không?

- Kiểm tra sức ảnh hưởng của môi trường xung quanh khu vực đo xem có lượng từ trường lớn như nam châm không, để tìm biện pháp

xử lý vì đây là một trong những nguyên nhân gây sai số trong khi

đo của cảm biến

- Khu vực đo rung hay không?

- Nhiệt độ môi trường cao không ?

- Khoảng cách cảm biến đo tới vật cần đo là bao nhiêu ?

15

2.4 CƠ CẤU CHẤP HÀNH

2.4.1 Động cơ DC

2.4.1.1 Khái niệm

Động cơ một chiều DC ( DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors")

là động cơ điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói dễ hiểu hơn thì đây

là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC- điện áp 1 chiều (Khác với điện

áp AC xoay chiều) Đầu dây ra của động cơ thường gồm hai dây (dây nguồn- VCC và dây tiếp đất- GND) DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục

2.4.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Gồm có 3 phần chính stator (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần cổ góp

- chỉnh lưu

- Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm

vĩnh cửu, hay nam châm điện

- Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

Hình 2 10 Cấu tạo chi tiết động cơ DC

16

- Bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển

động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

2.4.1.3.Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của động cơ DC nhờ vào lực đẩy - kéo của các cặp

từ giữa stato và rotor theo các trạng thái giữa chúng

Bảng 2 1 Các trạng thái hoạt động của động cơ

Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor

Pha 2: Rotor tiếp tục quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1

2.4.1.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

- Thay đổi điện áp phần ứng

17

- Thay đổi điện trở mạch rotor

- Thay đổi từ thông

Trên thực tế phương pháp được sử dụng nhiều nhất là thay đổi điện áp phần ứng Trong đó điển hình là phương pháp thay đổi độ rộng xung PWM Đường đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng như sau

Hầu hết các loại mạch điều khiển động cơ DC như cầu H hay fet+relay, L298 đều dùng để thay đổi điện áp phần ứng đặt vào động cơ Và đảo chiều động cơ bằng cách thay đổi chiều điện áp đặt lên phần ứng

Để điều khiển điện áp phần ứng thường hay sử dụng nhất là phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

2.4.2 Động cơ bước

2.4.2.1 Khái niệm

Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng

điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động

Hình 2 11 Đường đặc tính cơ của động cơ

Stato được tạo bằng sắt từ được chia thành các rãnh để đặt cuộn dây Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài Động cơ bước

và bộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí

cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳ nào

Hình 2 12 Một số loại động cơ bước phổ biến

2.4.2.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động

cơ

Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước

Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại

có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ

Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây

Phương pháp điều khiển động cơ bước:

Hình 2 13 Cấu tạo bên trong của động cơ bước

20

Hiện nay có 4 phương pháp điều khiển động cơ bước:

Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương pháp điều khiển cấp xung điều

khiển lần lượt theo thứ tự chọn từng cuộn dây pha

Điều khiển bước đủ (Full step): là phương pháp điều khiển cấp xung

đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau

Điều khiển nửa bước (Half step): là phương pháp điều khiển kết hợp cả

2 phương pháp đều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ Khi điều khiển theo phương pháp này thì giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động

cơ bước tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phức tạp

Điều khiển vi bước (Microstep): là phương pháp mới được áp dụng trong

việc điều khiển động cơ bước cho phép động cơ bước dừng và định vị tại vị trí nửa bước giữa 2 bước đủ Ưu điểm của phương pháp này là động cơ có thể hoạt động với góc bước nhỏ, độ chính xác cao Do xung cấp có dạng sóng nên động

cơ hoạt động êm

2.4.2.4 Ứng dụng của động cơ bước

Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp chế tạo, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong

Hình 2 14 Cách cấp xung đảo chiều động cơ bước

21

các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương, chiều trong máy bay

2.4.3.3 Nguyên lý hoạt động

+ Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác thì chuyển động quay của rotor phụ thuộc vào tần số và pha, phân cực và dòng điện chạy trong cuộn dây stator

Hình 2 15 Động cơ servo

22

+ Động cơ servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Khi đó bất

kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác nhất

Tín hiệu điều khiển động cơ Servo

Phản hồi hệ thống động cơ Servo

Mạch vòng điều khiển động cơ Servo

2.5 CÁC KHỐI NGUỒN

Hình 2 16.Nguyên lý hoạt động của động cơ servo

2.5.1.2 Cấu tạo cơ bản

Bao gồm 6 bộ phận chính:

+ Biến áp xung: có cấu tạo gồm các cuộn dây được quấn đều trên một lõi

từ Cấu tạo này giống như biến áp thông thường Tuy nhiên, trong khi các loại biến áp khác sử dụng lõi thép kĩ thuật điện thì biếp áp xung sử dụng lõi Ferit Cấu tạo này giúp biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần dù có cùng một cấu tạo và kích thước

+ Cầu chì: là bộ phận có tác dụng bảo vệ mạch nguồn khi mạch nguồn bị ngắn mạch

+ Tụ lọc sơ cấp: Bộ phận này có nhiệm vụ tích trữ năng lượng điện từ cuộn sơ cấp Sau đó chuyển tới cuộn thứ cấp

+ Sò công suất: là một loại linh kiện bán dẫn, được dùng như một loại công tắc chuyển mạch Bộ phận này có tác dụng đóng điện từ chân nguồn

Hình 2 17 Nguồn xung

Mỗi bộ phận của nguồn xung đều có một nhiệm vụ và chức năng riêng

2.5.1.3 Nguyên lý hoạt động

Theo như sơ đồ này, nguồn xung sẽ hoạt động như sau:

(1) Đầu tiên điện áp đầu vào(từ 110VAC cho đến 220VAC) sẽ xoay chiều qua các cuộn lọc nhiễu rồi vào diode chỉnh lưu thành điện một chiều với điện

áp từ khoảng 130 -300V (tùy từng điện áp AC đầu vào) trên tụ lọc nguồn sơ cấp

(2) Tụ lọc nguồn sơ cấp có nhiệm vụ tích năng lượng điện một chiều cho cuộn dây sơ cấp của biến áp xung hoạt động

(3) Bộ tạo xung hoặc các mạch dao động điện tử tạo ra các xung cao tần, xung cao tần thông qua khối chuyển mạch bán dẫn là các linh kiện điện

Hình 2 18 Sơ đồ khối của một nguồn xung

25

tử như transistor, mosfet hay IGBT cấp điện cho cuộn dây sơ cấp của biến áp xung

(4) Nguồn điện sau khi đi qua cuộn đến cuộn thứ cấp của biến áp xung, ở

đó sẽ có những mạch chỉnh lưu cho ra điện một chiều cấp điện cho tải tiêu thụ Điện áp thứ cấp này sẽ được duy trì ở một điện áp nhất định như 3.3V, 5V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24V nhờ mạch ổn áp

Song song với quá trình này, mạch hồi tiếp sẽ lấy tín hiệu điện áp ra để đưa vào bộ tạo xung dao động nhằm khống chế sao cho tần số dao động ổn định với điện áp ra mong muốn

2.5.1.4 Một số chân cơ bản của nguồn xung

- L và N là 2 đầu dây Nóng và Trung tính của nguồn vào xoay chiều (AC) 220V Nối các đầu nối theo đúng ký hiệu trên thiết bị

Với các loại nguồn có công suất nhỏ hơn thì số lượng cổng đầu ra sẽ ít hơn 1 chút nhưng vẫn rất tiện cho người dùng

Bên cạnh nguồn xung, cần chọn thêm nguồn cấp cho hệ thống, do đó tiến hành chọn cell pin laptop đã qua sử dụng sạc lại được để cung cấp nguồn cho

hệ thống

Hình 2 20 Các dạng nút nhấn thường gặp

27

2.6.1.2 Cấu tạo

+ Nút nhấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường hở, đóng

và vỏ bảo vệ

+ Khi tác động vào nút nhấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái, khi không

có tác động, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu

+Theo yêu cầu điều khiển: 1 nút, 2 nút, 3 nút

+ Theo kết cấu bên trong: có và ko có đèn báo

28

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG 3.1 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CƠ KHÍ

3.1.1 Động học thuận tay máy

Bước 1: Đặt các hệ trục tọa độ lên các khâu khớp

Từ hình trên ta lập được bảng thông số động học D-H

Từ bảng trên ta lập được các ma trận biến đổi thuần nhất

Hình 3 1 Hệ trục tọa độ gắn trên các khâu

29

Ma trận D-H dạng tổng quát

𝐻𝑖𝑗 = [

𝑐𝑜𝑠 (𝜃𝑖) − 𝑠𝑖𝑛(𝜃𝑖) 𝑐𝑜𝑠 ( 𝛼𝑖) 𝑠𝑖 𝑛(𝜃𝑖) 𝑠𝑖 𝑛( 𝛼𝑖) 𝑎𝑖 𝑐𝑜𝑠 (𝜃𝑖) 𝑠𝑖𝑛 (𝜃𝑖) 𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑖) 𝑐𝑜𝑠 ( 𝛼𝑖) −𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑖) 𝑠𝑖 𝑛( 𝛼𝑖) 𝑎𝑖.𝑠𝑖𝑛 (𝜃𝑖) 0

0

𝑠𝑖𝑛 ( 𝛼𝑖) 0

𝑐𝑜 𝑠( 𝛼𝑖)

0

𝑑𝑖1

𝑐𝑜𝑠 ( 90)

0

𝑙11

𝑐𝑜𝑠 (0)

0

0 1

𝑐𝑜𝑠(0)

0

0 1

𝑐𝑜𝑠 (0)

0

0 1 ] (3.5)

Từ 4 ma trận biến đổi thuần nhất ở trên ta lập được phương trình động học cho robot