THIẾT kế hệ THỐNG dẫn ĐỘNG, và điều KHIỂN ROBOT SCARA

Chương 2- ĐỘNG HỌC; KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG; ĐỘNG LỰC HỌC HỆ TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA ………... a- Nội dung, mục đích, ý nghĩa bài toán động lực học rô bốt Scara …….. d- Xác định công suất độn

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Lớp: Cử nhân Cơ Điện Tử, K61

Người hướng dẫn: GVC.TS Nguyễn Ngọc Thành

HÀ NỘI – 2020

Trang 2

MỤC LỤC

NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT ………

MỞ ĐẦU ………

Chương 1- GIỚI THIỆU RÔ BỐT SCARA; NHIỆM VỤ ĐƯỢC GIAO …. 1.1- Giới thiệu rô bốt Scara ………

1.1.1- Cấu trúc động học và kết cấu rô bốt Scara ……….

1.1.2- Ứng dụng rô bốt Scara trong sản xuất công nghiệp, và hoạt động dịch vụ a- Trong sản xuất công nghiệp ………

b- Trong hoạt động dịch vụ ………

1.2- Nhiệm vụ được giao ………

1.2.1- Nhiệm vụ thiết kế được giao và số liệu cho trước ………

1.2.2- Phân tích nội dung nhiệm vụ thiết kế ………

Chương 2- ĐỘNG HỌC; KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG; ĐỘNG LỰC HỌC HỆ TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA ………

2.1- Động học rô bốt Scara 4 bậc tự do ………

2.1.1- Thiết lập các hệ tọa độ trên rô bốt Scara ………

2.1.2- Bài toán động học thuận; ý nghĩa ………

2.1.3- Bài toán động học ngược; ý nghĩa ………

2.2- Không gian hoạt động rô bốt Scara ………

2.2.1- Xác định không gian hoạt động rô bốt Scara ………

a- Các điều kiện ràng buộc ………

b- Xây dựng thuật xác định không gian hoạt động ………

c- Vẽ mô phỏng không gian hoạt động rô bốt Scara ………

Trang ……

……

Trang 3

2.2.2- Thiết kế quỹ đạo chuyển động của rô bốt ……….

a- Chuyển động theo đoạn thẳng ………

b- Chuyển động theo đoạn cong (cung tròn, hoặc đường bậc 2 nào đó) … c- Chuyển động phức tạp (xen kẽ đoạn thẳng và đoạn cong) ………

d- Mô phỏng động học rô bốt Scara theo quỹ đạo chuyển động phức tạp (thực hiện nhiệm vụ công nghệ đề ra) ………

2.3- Động lực học rô bốt Scara 4 bậc tự do ………

2.3.1- Nội dung, mô hình và giải bài toán động lực học rô bốt Scara ……

a- Nội dung, mục đích, ý nghĩa bài toán động lực học rô bốt Scara ……

b- Mô hình động lực học rô bốt Scara ………

c- Giải bài toán động lực học rô bốt Scara ………

2.3.2- Xác định công suất truyền dẫn các động cơ ………

a- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 1 ………

b- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 2 ………

c- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp tịnh tiến 3 ………

d- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 4 ………

Chương 3- THIẾT KẾ KẾT CẤU TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA …….

3.1- Đặt vấn đề (mở đầu) ………

3.2- Thiết kế kết cấu lắp ghép truyền dẫn rô bốt Scara ………

3.2.1- Kết cấu lắp ghép khâu 0 (giá trụ cố định) với cụm khớp quay 1 …

3.2.2- Kết cấu lắp ghép khâu 1 với cụm khớp quay 2 ………

……

Trang 4

Chương 4- THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT SCARA

4.1- Nguyên lý, và sơ đồ điều khiển rô bốt Scara ……….4.1.1- Xác định nguyên lý điều khiển (ĐK kín hay ĐK hở)

………

Trang 5

4.1.2- Xây dựng sơ đồ điều khiển (theo nguyên lý đã xác định) ………

4.2- Phương trình điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4) …………

4.2.1- Cơ sở điều khiển động học rô bốt Scara ………

4.2.2- Phương trình điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4) ………

4.3- Xây dựng thuật toán điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4) …

4.3.1- Mô tả thuật toán ………

4.3.2- Thiết lập lưu đồ thuật toán ………

4.4- Thiết kế hệ điều khiển rô bốt Scara ………

4.4.1- Lựa chọn bộ điều khiển, và các phần tử trong hệ điều khiển ……

4.4.2- Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển ………

Chương 5- THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG RÔ BỐT SCARA …….

5.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế; giới thiệu công cụ mô phỏng ………

5.1.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế mô phỏng ………

5.1.2- Giới thiệu công cụ mô phỏng ………

5.2- Thiết kế mô phỏng ………

5.2.1- Thiết kế mô phỏng các phần tử, bộ phận bàn chạy dao theo OX … 5.2.2- Thiết kế mô phỏng các phần tử, bộ phận bàn chạy dao theo OY … 5.2.3- Thiết kế mô phỏng động hoạt động chạy dao OX, OY khi phay … KẾT LUẬN ………

a- Những nội dung đã thực hiện và giải quyết đƣợc trong đồ án ………

b- Ưu, nhược điểm, và phương hướng khắc phục, hoàn thiện …………

LỜI CẢM ƠN ………

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………

……

Trang 7

MỞ ĐẦU

1.- Đặt vấn đề

Robot Scara ra đời vào năm 1979, đây là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệtđược sử dụng nhiều trong các công việc lắp ráp Nó thực hiện những công việc đòihỏi độ chính xác cao Robot Scara đã và đang được ứng dụng và phát triển rộng rãitrên toàn thế giới, chúng được chế tạo và phát triển với quy mô lớn Tuy nhiên, ởViệt Nam việc nghiên cứu và phát triển vẫn còn hạn chế cả ở các viện nghiên cứu

và các trường đại học Do nhu cầu thực tế và niềm say mê nghiên cứu dưới sựhướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Ngọc Thành đã giúp chúng em thực thiện đề

tài “ Thiết kế hệ truyền dẫn, điều khiển robot Scara 4 bậc tự do ”.

2.- Mục đích nghiên cứu của đề tài

Mục đích của đề tài trước hết là tìm hiểu làm quen với việc nghiên cứu khoahọc và áp dụng các kiến thức đã học vào thực tế Trong quá trình nghiên cứu thực tế

đề tài đã giúp chúng em nâng cao kiến, tiếp cận những vấn đề mới của thực tế cũngnhư làm nền tảng vững chắc cho kỹ sư cơ điện tử sau khi tốt nghiệp

3.- Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Tính toán động học, động lực học dựa trên cơ sở đó lập trình để kiểm chứng

Trang 8

Chương 1- GIỚI THIỆU RÔ BỐT SCARA; NHIỆM VỤ ĐƯỢC GIAO

1.1- Giới thiệu rô bốt Scara:

1.1.1- Cấu trúc động học và kết cấu rô bốt Scara:

Robot SCARA được cấu tạo bởi một chuỗi các thanh cứng liên kết với nhau bởi các khớp Truyền động cho hai khớp của tay máy là hai động cơ servo hoạt động có phản hồi vị trí tạo thành vòng điều khiển kín Robot SCARA có tất cả 3 khớp quay và một khớp tịnh tiến, nhưng tất cả đều có trục song song với nhau Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững theo phương được chọn , là phương ngang Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng

Hình 1.1- Robot SCARA 4 bậc tự do của hãng Mitsubishi

Từ SCARA là viết tắt của “Selective Compliance Assembly Robot Arm” để

mô tả các đặc điểm trên Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng, như hình dưới:

Hình 1.2- Mô phỏng không gian làm việc của robot SCARA

Trang 9

1.1.2- Ứng dụng rô bốt Scara trong sản xuất công nghiệp, và hoạt động dịch vụ:

a- Trong sản xuất công nghiệp:

- Sử dụng trong các nhà máy lắp ráp chi tiết, hàn, gắp sản phẩm , phân loại sảnphẩm, v.v

b- Trong hoạt động dịch vụ:

- Sử dụng trong các lĩnh vực pha chế đồ uống, v.v

1.2- Nhiệm vụ được giao:

1.2.1- Nhiệm vụ thiết kế được giao và số liệu cho trước:

- Thiết kế truyền dẫn và điều khiển robot scara

- Kích thước và giới hạn các khâu:

1.2.2- Phân tích nội dung nhiệm vụ thiết kế

- Giải bài toán động học (thuận ngược) , động học robot Scara

- Xác định miền làm việc

- Mô phỏng hoạt động của robot trong không gian hoạt động

- Thiết kế kết cấu robot Scara

- Vẽ tách chi tiết của Robot

- Thiết kế hệ điều khiển robot Scara

Trang 10

Chương 2- ĐỘNG HỌC; KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG; ĐỘNG LỰC

HỌC HỆ TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA

2.1- Động học rô bốt Scara 4 bậc tự do

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của 1 cơ cấu ( chuyển động quay hoặc chuyển động tính tiến) Để dịch chuyển được vật thể trong không gian , cơ cấu chấphành của một số robot phải đạt được số bậc tự do.Nói chung cơ hệ của robot là một

cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó tính theo công thức :

f =λ (n−k )+∑

i =1

k

f i+f c−f p (2.1)Trong đó:

f: số bậc tự do của cơ cấu

n : số khâu động của robot

2.1.1- Thiết lập các hệ tọa độ trên rô bốt Scara:

Các khâu của robot được đánh

số từ 0 đến 4 Trong đó, khâu 0 là

khâu cố định, các khâu còn lại của

robot đều là khâu động

Hình 2.1- Sơ đồ động học của

Trang 11

robot SCARA 4 bậc tự do

Với: i là số khâu (i=0,1,2,3,4) (i' ) là số khớp (i’=1,2,3,4)

- Đối với hệ tọa độ cố đinh O0X0Y0Z0 gắn với khâu 0, gốc O0 thuộc đường tâm trục khâu 0, trục O0Z0 có chiều hướng từ dưới lên, trục O0X0 có chiều hướng từ phía

- Đối với hệ tọa độ cố đinh O1X1Y1Z1 gắn với khâu 1, gốc O1 thuộc đường tâm trục của khớp 2, trục O1Z1 có chiều hướng từ dưới lên, trục O1X1 có chiều hướng từ

trong

- Đối với hệ tọa độ cố đinh O2X2Y2Z2 gắn với khâu 2, gốc O0 thuộc đường tâm trục khớp 3, trục O2Z2 có chiều hướng từ dưới lên, trục O2X2 có chiều hướng từ phía

2.1.2- Bài toán động học thuận; ý nghĩa

Trong đại đa số các trường hợp, tay máy là một chuỗi động hở, được cấu tạo bởi một số khâu, được nối với nhau nhờ các khớp Một đầu của chuỗi nối với giá, còn đầu kia nối với phần công tác Mỗi khâu hình thành cùng với khớp phía trước

nó một cặp khâu – khớp Tuỳ theo kết cấu của mình mà mỗi loại khớp đảm bảo cho khâu nối sau nó các khả năng chuyển động nhất định Giải bài toán thuận là từ các

Trang 12

+, Từ hệ tọa độ Denavit-Hartenberg và các tham số động học ta thiết lập được

ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất T i i−1

T i i−1=[cosθ i −cosαi sin θ i

sin θ i cos α i cosθ i

sin α i sin θ i a i sinθ i sin α i cosθ i a i cosθ i

có thể xác định được vận tốc và gia tốc điểm tác động cuối theo công thức sau

+ Tọa độ của điểm tác động cuối E:

r0E =[x E y E z E]T (2.3)+ Vận tốc điểm tác động cuối E:

a E= dt d v E= v˙E=r¨E=[¨x E

¨y E

¨z E] (2.5)+ Vân tốc góc:

Ta có:

A i0=[C11 (q) C12(q) C13(q)

C21(q) C22(q) C23(q)

C31(q) C32(q) C33(q)] (2.6)Với A i0 là ma trận cosin chỉ hướng của khâu i so với hệ tọa độ gốc

Như vậy, ma trận sóng của vector vận tốc góc khâu i là tích của A˙i0và (A i0

Trang 13

Suy ra vận tốc góc của khâu cuối: ω=[ω x

θi: góc quay quanh trục Zi-1 để trục Xi-1 chuyển đến cùng hướng với trục Xi

ai: khoảng cách dịch chuyển tịnh tiến dọc trục Xi để điểm Oi’ chuyển đến điểm

Oi

di: khoảng cách dịch chuyển tịnh tiến dọc trục Zi-1 để gốc Oi-1 chuyển đến Oi

(giao điểm của trục Xi và trục Zi),

αi: góc quay quanh trục Xi sao cho trục Zi-1’ (Zi-1’ // Zi-1) chuyển đến trục

khâu i-1 sang khâu i như sau:

Trang 14

A04(3 x 3 )−Ma trận Cosin chỉ hướng của khâu 4 so với hệ tọa độ gốc.

r40(3 x 1) - Ma trận biểu diễn vị trí (tâm bàn tay kẹp) khâu 4 so với hệ tọa độ gốc.Như vậy:

Trang 15

Ma trận cosin chỉ hướng của khâu 4:

b) Vận tốc góc, gia tốc góc khâu thao tác

Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thứ 4:

A0= [C124 S124 0

Trang 16

Từ ban đầu trùng với hệ quy chiếu, thực hiện 3 phép quay liên tiếp quanh các trục của hệ tọa độ động, ứng với các góc cardan, nhận đước các góc , β, γ lần lượt

là các góc quay quanh trục Ox, Oy và Oz Ma trận tích hợp được gọi là ma trận Cardan được trình bày như dưới đây: ( là tích của 3 ma trận quay quanh Ox với góc

Sử dụng ma trận xác định hướng của EE là ma trận Cardan, ta có:

[cosα sin γ+sin α sin β cos γ cosα cosγ+sin α sin β cos γ −sin α cos β cos β cos γ −cos β cos γ sin β

sin α sin γ−cos α sin β cos γ sin α cos γ+cosα sin β sin γ cosα cos β ]

Trang 17

Hệ phương trình xác định vị trí của khâu cuối:

{ sin α=−a23

cos β=0cosα= a33

cos γ= a11

cosβ=

C124cosβ

2.1.3- Bài toán động học ngược; ý nghĩa

học để đảm bảo chuyển động cho trước của phần công tác Các lời giải tìm được cho lớp bài toán này hầu như chỉ cho trường hợp riêng còn đặc điểm động học riêngbiệt được vận dụng để thiết lập các quan hệ cần thiết khi lập lời giải

Khi robot hoạt động thì ta đã xác định được vị trí của vật trong không gian làmviệc và yêu cầu đặt ra khi này là tính toán để tìm các góc quay θ1, θ2, θ4và khoảng

thực hiện Vì vậy chúng ta phải chọn giải bài toán động học ngược, tức là : Cho

Trang 18

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ khâu thao tác: Phương trình động học Robot

Bài toán động học ngược vị trí

Từ (2.16) ta có hệ phương trình xác định vị trí điểm tác động cuối E:

Trang 19

2.2- Không gian hoạt động rô bốt Scara

2.2.1- Xác định không gian hoạt động rô bốt Scara

a- Các điều kiện ràng buộc thông số khâu, khớp

{Soạn nội dung mục này vào đây với hình thức trình bày như đã quy định}

b- Xây dựng thuật toán xác định không gian hoạt động

c- Vẽ mô phỏng không gian hoạt động rô bốt Scara

2.2.2- Thiết kế quỹ đạo chuyển động của rô bốt

a- Chuyển động theo đoạn thẳng

b- Chuyển động theo đoạn cong (cung tròn, hoặc đường bậc 2 nào đó)

c- Chuyển động phức tạp (xen kẽ đoạn thẳng và đoạn cong)

d- Mô phỏng động học rô bốt Scara theo quỹ đạo chuyển động phức tạp

(thực hiện nhiệm vụ công nghệ đề ra)

2.3- Động lực học rô bốt Scara 4 bậc tự do

2.3.1- Nội dung, mô hình và giải bài toán động lực học rô bốt Scara a- Nội dung, mục đích, ý nghĩa bài toán động lực học rô bốt Scara

b- Mô hình động lực học rô bốt Scara

Trang 20

b- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 2

c- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp tịnh tiến 3

d- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 4

Chương 3- THIẾT KẾ KẾT CẤU TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA 3.1- Đặt vấn đề

3.2- Thiết kế kết cấu lắp ghép truyền dẫn rô bốt Scara

3.2.1- Kết cấu lắp ghép khâu 0 (giá trụ cố định) với cụm khớp quay 1

3.2.2- Kết cấu lắp ghép khâu 1 với cụm khớp quay 2

3.2.3- Kết cấu lắp ghép khâu 2 với cụm khớp tịnh tiến 3

3.2.4- Kết cấu lắp ghép khâu 3 với cụm khớp quay 4 (bàn tay kẹp)

3.2.5- Thiết kế bản vẽ kết cấu lắp chung rô bốt Scara

Chương 4- THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT SCARA

4.1- Nguyên lý, và sơ đồ điều khiển rô bốt Scara

4.1.1- Xác định nguyên lý điều khiển (ĐK kín hay ĐK hở)

4.1.2- Xây dựng sơ đồ điều khiển (theo nguyên lý đã xác định)

Trang 21

4.2- Phương trình điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4)

4.2.1- Cơ sở điều khiển động học rô bốt Scara

4.2.2- Phương trình điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4)

4.3- Xây dựng thuật toán điều khiển động học các khớp (θ1, θ2, s3, θ4)

4.3.1- Mô tả thuật toán

4.3.2- Thiết lập lưu đồ thuật toán

4.4- Thiết kế hệ điều khiển rô bốt Scara

4.4.1- Lựa chọn bộ điều khiển, và các phần tử trong hệ điều khiển

4.4.2- Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển

Chương 5- THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG RÔ BỐT SCARA 5.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế; giới thiệu công cụ mô phỏng

5.1.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế mô phỏng

5.1.2- Giới thiệu công cụ mô phỏng

5.2- Thiết kế mô phỏng rô bốt Scara

5.2.1- Thiết kế mô phỏng các phần tử rô bốt Scara

5.2.2- Thiết kế mô phỏng hoạt động rô bốt Scara trong không gian hoạt

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	247,92 KB