THIẾT kế TAY máy bám THEO vật TRONG KHÔNG GIAN 3 CHIỀU

1.2 Mục đíc ng iên cứu  Thiết kế, điều khiển tay máy 3 trục TTT, lựa chọn phân loại vật được vận chuyển trên băng chuyền dùng camera trong không gian hai chiều tọa độ Decac, đặt vào ba

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam đang bước vào kỷ nguyên Tự Động Hóa & Hiện Đại Hóa hòa mình cùng thế giới để phát triển Việc xây dựng các hệ thống điều khiển ứng dụng trong các quá trình công nghệ vào công nghiệp tự động hóa của nước nhà là điều vô cùng quan trọng Trên cơ sở tiếp thu tri thức của nhân loại để phục vụ cho việc đi tắt, đón đầu là một vấn đề vô cùng cấp thiết Đề tài hướng vào việc tìm hiểu và khám phá lĩnh vực điều khiển chính xác để phục vụ cho yêu cầu điều khiển thực tế

Với mong muốn nắm vững kiến thức về lĩnh vực tay máy, ứng dụng trong công nghiệp, phục vụ cho yêu cầu giảng dạy của nhà trường, yêu cầu công việc của bản thân Nhóm đề xuất đề tài nghiên cứu “THIẾT KẾ TAY MÁY BÁM THEO VẬT TRONG KHÔNG GIAN 3 CHIỀU”

N m tác giả

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1.1 Lý do c ọn đề tài

Việt Nam đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Trong

sự phát triển đó không thể thiếu sự có mặt của các tay máy tự động phục vụ trong các lĩnh vực kinh tế, văn hóa, xã hội, công nghiệp và cả giải trí

Ở Việt Nam, chưa có nhiều địa chỉ sản xuất và chuyển giao tay máy công nghiệp, ngoại trừ ĐHBK Tp HCM đã thực hiện thành công và chuyển giao các tay máy dạng này

Công ty sản xuất gạch ngói Bình Phú đề nghị việc thiết kế chuyển giao tay máy

hỗ trợ việc bốc gạch từ băng chuyển xuống xe goong

Với những lý do trên, cộng thêm mong muốn nắm vững kiến thức về lĩnh vực tay máy, ứng dụng trong công nghiệp, phục vụ cho yêu cầu giảng dạy của nhà trường, yêu cầu công việc của bản thân Nhóm nghiên cứu đề xuất đề tài nghiên cứu

“THIẾT KẾ TAY MÁY BÁM THEO VẬT TRONG KHÔNG GIAN 3 CHIỀU” Mục tiêu nhóm nghiên cứu muốn thực hiện đề tài, làm mô hình giải trình cho đề án chuyển giao công nghệ cho Công ty sản xuất gạch ngói Bình Phú

1.2 Mục đíc ng iên cứu

 Thiết kế, điều khiển tay máy 3 trục TTT, lựa chọn phân loại vật được vận chuyển trên băng chuyền dùng camera trong không gian hai chiều tọa độ Decac, đặt vào ballet theo hình dạng định trước

1.3 Đối tượng và p ạm vi ng iên cứu

 Đối tượng nghiên cứu :

 Nghiên cứu, tính toán, lựa chọn, thiết kế, chế tạo tay máy TTT 3 trục

 Nghiên cứu mô phỏng điều khiển định vị động cơ dùng MatLab, làm cơ sở mô phỏng điều khiển định vị tay máy theo phương trình động học ngược

 Mô phỏng dùng Easy-rob định vị tay máy trong không gian 3 chiều kiểm chứng phương trình động học thuận – nghịch vận tốc

1.3 Đối tƣợng và p ạm vi ng iên cứu

 Đề tài ng iên cứu đƣợc p ân làm 4 giai đoạn :

1 Giai đoạn 1 : Đề tài nhắm đến việc nghiên cứu xây dựng mô hình phần cứng robot, xác định các phương pháp định vị phù hợp trong việc điều khiển định vị vận tốc và vị trí, mô phỏng xác định phương trình động học thuận/nghịch vị trí vận tốc

2 Giai đoạn thứ 2 : Nghiên cứu sử dụng camera định vị vật trong không gian tọa độ Decac XYZ, phục vụ cho việc điều khiển bám theo vật trong không gian 3 chiều

3 Giai đoạn 3 : Nghiên cứu điều khiển robot dùng PLC bám theo vật trong được xác định bằng camera

4 Giai đoạn 4 : Hoàn chỉnh điều khiển tay máy, đưa vào ứng dụng thực tế trong công nghiệp

1.4 Ý ng ĩa k oa ọc :

 Xây dựng tay máy công nghiệp sử dụng công nghệ xử lý ảnh theo phiên bản ứng dụng tại nhà máy sản xuất gạch

1.5 Ý ng ĩa t ực tiển của đề tài ng iên cứu :

 Thiết kế, thi công tay máy công nghiệp sử dụng công nghệ xử lý ảnh ứng dụng tại nhà máy sản xuất gạch

1.6 N iệm vụ ng iên cứu :

 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tay máy TTT 3 trục

 Nghiên cứu mô phỏng điều khiển định vị động cơ dùng MatLab

 Mô phỏng dùng Easy-rob định vị tay máy trong không gian 3 chiều kiểm chứng phương trình động học thuận – nghịch vận tốc và vị trí

 Nghiên cứu định vị sử dụng camera trong không gian 3 chiều XYZ

 Lập trình điều khiển định vị tay máy dùng PLC

 Lập trình điều khiển tay máy bám theo vật di chuyển trên hệ tọa độ XY

1.7 P ƣơng p áp ng iên cứu :

 Chế tạo mô hình thực nghiệm tay máy 3 trục TTT

 Nghiên cứu thuật toán điều khiển định vị và xử lý ảnh, ứng dụng định vị robot

 Ứng dụng bộ điều khiển PLC điều khiển robot

1.8 Kết quả ng iên cứu :

1 Giai đoạn 1 : Mô hình phần cứng robot; mô phỏng xác định các phương pháp định vị phù hợp trong việc điều khiển định vị vận tốc và vị trí, mô phỏng xác định phương trình động học thuận/nghịch vị trí, vận tốc

2 Giai đoạn 2 : Thuật toán dùng C xử lý ảnh từ camera định vị vật trong không gian tọa độ Decac XYZ

3 Giai đoạn 3 : Điều khiển tay máy bám theo vật trên hệ tọa độ XY

4 Giai đoạn 4 : Giám sát điều khiển tay máy dùng phần mềm WinCC và một số chức năng tự chẩn đoán Hoàn chỉnh điều khiển tay máy, đưa vào ứng dụng thực tế trong công nghiệp

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Các dữ kiện yêu cầu bài toán k i k ảo sát:

→ Khối 6 viên : Có kích thước 20cm*30cm*20cm

Hình 2.1 Gạch được vận chuyển trên băng chuyền

 Bỏ qua độ dẻo của gạch (chưa khảo sát chi tiết)

 Không gian làm việc ít bụi

Với dữ liệu đặt ra, phương án được nhóm đề nghị là sử dụng tay máy công nghiệp hỗ trợ việc sắp xếp các viên gạch lên xe goong Tuy nhiên, việc mua tay máy được cung cấp bởi các công ty nước ngoài với kích thước như đã chỉ ra chiếm một số tiền lớn mà nhà đầu tư không chấp nhận → Đề nghị nghiên cứu thiết kế tay máy thực hiện yêu cầu đặt ra Đây là một thách thức lớn đối với nhóm làm việc

Bài toán đặt ra : T iết kế tay máy công ng iệp

Với bài toán thiết kế, ta cần quan tâm đến các thành phần sau : T iết kế cấu trúc

p ần cứng tay máy, lập trìn điều k iển tay máy

T iết kế cấu trúc p ần cứng tay máy: Tùy theo không gian làm việc, độ

phức tạp của công việc, khối lượng vật, kích thước vật cần mang sẽ quyết định được

cấu trúc phần cứng của tay máy Mục tiêu của việc thiết kế phần cứng tay máy là lựa chọn được cấu ìn tay máy p ù ợp (Trường làm việc, số bậc tự do), lựa chọn được công suất động cơ, lựa chọn được loại cảm biến p ù ợp để xác định

được vị trí của tay máy, lựa chọn bộ điều khiển

Điều k iển tay máy : Tùy theo yêu cầu của ứng dụng điều khiển tay máy, quỹ đạo hoạt động mà quyết định giải thuật lập trình điều khiển tay máy Mục tiêu

của ta là điều khiển tay máy di chuyển giữa 2 điểm, một bên là vị trí vật trên băng chuyền và một bên là hộp đựng sản phẩm Để đạt được mục tiêu này, ta cần phải

xác định được p ƣơng trìn động ọc t uận/ng ịc , điều khiển ổn địn vị trí dùng giải t uật PID, giải thuật xác địn vị trí của vật trên băng c uyền động dùng camera

2.2 Các loại tay máy và p ƣơng án lựa c ọn[3]

Các loại tay máy được phân loại theo 3 trục đầu tiên Hiện tại, có một số dạng tay máy sau :

Robot kiểu toạ độ Descarde

Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ toạ

độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữ nhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy

nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng

Hình 2.2 Robot kiểu tọa độ Descarde

Robot kiểu toạ độ trụ:

Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng Thường khớp thứ nhất chuyển động quay Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ 1.6 Có nhiều robot kiểu toạ độ trụ như : robot Versatran của hãng AMF (Hoa Kỳ)

Hình 2.3 Robot kiểu tọa độ trụ

Robot kiểu toạ độ cầu:

Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu thường độ cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu

Hình 2.4 Robot kiểu tọa độ cầu

Robot kiểu toạ độ g c (Hệ toạ độ p ỏng sin )

Đây là kiểu robot được dùng nhiều hơn cả Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng

nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng Ưu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ củabản thân robot, độ linh hoạt cao.

Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc như: Robot PUMA của hãng Unimation, Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật Bản) v.v

Ví dụ một robot hoạt động theo hệ toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh), có cấu hình RRR.RRR:

Hình 2.5 Robot hoạt động theo tọa độ góc

Robot kiểu SCARA

Là viết tắt của "Selective Compliant Articulated Robot Arm" : Tay máy mềm dẽo tuỳ ý Loại robot nầy thường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt của "Selective Compliance Assembly Robot Arm" Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot nầy có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng

Hình 2.6 Robot SCARA

P ương án lựa c ọn :

Với mục đích của bài toán là lấy các viên gạch, sắp xếp các viên gạch trên băng chuyền vào đúng vị trí các ballet nên nhóm đề xuất tay máy chuyển động theo ba trục X,Y,Z ( Hệ tọa độ Decac) với trường công tác có dạng hình khối chữ nhật →

Dạng tay máy kiểu tọa độ Descarde như Hình 2.2 được lựa chọn

2.3 Tính toán lựa c ọn công suất động cơ servo[1]

Chọn động cơ để dẫn động máy móc hoặc các thiết bị công nghệ là giai đoạn đầu tiên trong quá trình tính toán thiết kế máy

Động cơ servo được lựa chọn để điều khiển hệ thống do những ưu điểm đã được phân tích tại (1) Việc tính toán lựa chọn công suất động cơ được thực hiện với những lưu ý sau :

 Vitme được truyền động trực tiếp dùng động cơ servo

 Điện áp sử dụng điều khiển động cơ servo : 24VDC

 Khối lượng gạch tác động lên điểm cuối tối đa 5kg (6 viên)

 Vận tốc của vitme tối đa 0.5m/s

 Bước răng vitme 4mm

Trình tự lựa c ọn động cơ c o trục Z ta làm các bước sau đây

Tính công suất cần thiết của động cơ

Công suất trên trục động cơ được tính theo công thức:

/

ct t

p  p 

Trong đó: Pct công suất cần thiết trên trục động cơ Kw

Pt công suất tính toán trên trục máy công tác

 hiệu suất truyền động

Ở đây vì chuyền động bằng đai thường nên chọn 1=0.95, và trục vitme nên

2=0.87

Thời gian gắp và nhả sản phẩm trong hệ gần như hoạt động liên tục và nhanh, nên

ta coi như tải trong không đổi nên Pt được tính theo công thức

p  p

Tính số vòng quay của động cơ

Trước tiên ta tính số vòng quay của trục máy công tác

Vậy ta chọn loại động cơ Servo 40w-24V có số vòng quay 3000 V/ph

Trìn tự lựa c ọn động cơ c o trục Y ta làm các bước sau đây

Tính công suất cần thiết của động cơ

Công suất trên trục động cơ được tính theo công thức:

/

ct t

p  p 

Trong đó: Pct công suất cần thiết trên trục động cơ Kw

Pt công suất tính toán trên trục máy công tác

 hiệu suất truyền động

Ở đây vì chuyền động bằng đai thường nên chọn 1=0.95, và trục vitme nên

2=0.87

Thời gian gắp và nhả sản phẩm trong hệ gần như hoạt động liên tục và nhanh, nên

ta coi như tải trong không đổi nên Pt được tính theo công thức

t lv

p  p

Tính số vòng quay của động cơ

Trước tiên ta tính số vòng quay của trục máy công tác

Vậy ta chọn loại động cơ Servo 24w-24V có số vòng quay 3000 V/ph

Trìn tự lựa c ọn động cơ c o trục X ta làm các bước sau đây

Tính công suất cần thiết của động cơ

Công suất trên trục động cơ được tính theo công thức:

/

ct t

p  p 

Trong đó: Pct công suất cần thiết trên trục động cơ Kw

Pt công suất tính toán trên trục máy công tác

 hiệu suất truyền động

Ở đây vì chuyền động bằng đai thường nên chọn 1=0.95, và trục vitme nên

2=0.87

Thời gian gắp và nhả sản phẩm trong hệ gần như hoạt động liên tục và nhanh, nên

ta coi như tải trong không đổi nên Pt được tính theo công thức

Trước tiên ta tính số vòng quay của trục máy công tác

Vậy ta chọn loại động cơ Servo 24w-24V có số vòng quay 3000 V/ph

Việc tính toán cho ta cơ sở lựa chọn động cơ phù hợp với yêu cầu Với loại động cơ servo công suất 24W – 24VDC không tìm thấy được ở thị trường Việt Nam, nên nhóm quyết định lựa chọn loại động cơ công suất 40W – 24VDC, 3000V/phút cho tất cả các trục của công ty SANMOTION

Hình 2.7 Động cơ mã số T404-011EL8 của SANMOTION

2.4 Lựa c ọn cảm biến

Để định vị được tay máy trên trường công tác, nhóm sử dụng incremental encoder có độ phân giải 1000xung/vòng tích hợp trên động cơ servo, với mode bộ đếm tốc độ cao được quan tâm là 4x để tăng khả năng định vị chính xác

Để định vị được khối gạch trên băng tải đang hoạt động, nhóm sử dụng camera được lắp đặt cố định để định vị và truyền dữ liệu về cho máy tính Máy tính thực hiện phân tích dữ liệu hình ảnh, xác định vị trí của khối gạch, gởi dữ liệu cho bộ điều khiển để quyết định điều khiển thiết bị

2.5 Lựa c ọn t iết bị điều k iển

Việc lựa chọn thiết bị điều khiển liên quan đến khả năng giao tiếp với các thiết

bị công suất, động cơ servo, khả năng thay thế khi có lỗi, khả năng làm việc của nhóm,…

Thiết bị điều khiển được quan tâm sử dụng là PLC hoặc máy tính công nghiệp Tuy nhiên khi phân tích khả năng làm việc trong môi trường công nghiệp, giá thành sản phẩm và khả năng đáp ứng thời gian thực của hệ thống → Nhóm quyết định chọn PLC S7-200 CPU 224XP với các 3 module điều khiển vị trí EM253 kết hợp với việc dùng máy tính PC kết hợp với màn hình WinCC để tạo giao diện điều khiển giám sát

CHƯƠNG 3: BẢN VẼ TỔNG THỂ MÔ HÌNH DÙNG AUTOCAD

3.1 Xây dựng mô ìn

Với chiều rộng băng truyền là 50mm ta sẽ tính được chiều dài và chiều rộng, cùng với chiều cao của mô hình để phù hợp với yêu cầu thực tế

Hình 3.1: Mô hình băng tải

Kích thước hộp dựng sản phẩm là 300x300mm Ta sẽ tính được bề dài và bề rộng của mô hình tay máy ba trục sẽ lớn hơn tổng chiều rộng của băng chuyền cộng với kích thước của hộp

Ta chọn chiều dài di chuyển theo phương X là 1000mm, theo phương Y là 1000mm

và chiều cao Z là 600mm

Hình 3.2: Băng tải và cơ cấu chuyển động theo trục X

Cơ cấu trượt theo trục X là 2 thanh trượt cho phép khớp 1 chuyển động tịnh tiến trên khung đế nhờ vào chuyển động quay của động cơ DC servo

Hình 3.3: Cơ cấu hệ tọa độ ba trục Decac

Hình 3.4: Cơ cấu hệ tọa độ ba trục Decac hoàn chỉnh

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG

Thiết bị chấp hành làm tay máy hoạt động là các động cơ servo DC Việc khảo sát mô phỏng tìm các thông số điều khiển động cơ, xác định phương trình động học thuận/nghịch để nội suy được vị trí khi biết điểm làm việc cuối là việc cần làm Trong chương này trình bày việc tiến hành mô phỏng trong phần mềm MatLab để xác định các thông số điều khiển động cơ và mô phỏng xác định phương trình động học thuận/nghịch để nội suy được vị trí khi biết điểm làm việc cuối

4.1 Mô p ỏng điều k iển vị trí và vận tốc động cơ trên Matlab

Hình 4.1: Mô hình hóa điều khiển động cơ

Với các thông số có được khi chọn động cơ, kết hợp với kinh nghiệm của phòng thí nghiệm điều khiển của trường ĐH Carnegie Mellon (Hoa kỳ) Nhóm tiến hành mô phỏng đánh giá hệ số điều khiển PID cho động cơ servo đã mua, nhằm đơn giản hóa việc lựa chọn các thông số bộ điều khiển PID sẽ thực hiện

Phương pháp được thực hiện với các thông số của động cơ servo như sau :

 Trở kháng điện (R) = 4 ohm

 Cảm kháng điện (L) = 2.75E-6 H

 Hằng số sức điện động (electromotive force constant) (K=Ke=Kt) = 0.0274 Nm/Amp