nghiên cứu và thiết kế robot 3 bậc tự do dạng scara

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ROBOT BẬC TỰ DO DẠNG SCARA CBHD: ThS Phạm Tiến Hùng Sinh viên: Phạm Thanh Tùng - 2018603811 Nguyễn Trần Nhật - 2018604969 Lê Văn Hùng 2018604449 - HÀ NỘI – 2022 LỜI MỞ ĐẦU Robot xuất thực thay đổi sống người nói chung cơng nghiệp nói riêng Với hầu hết người, hiểu biết Robot dừng lại hình ảnh: Robot với trí thơng minh nhân tạo, giao tiếp, giúp đỡ việc nhà, bán hàng siêu thị, chăm sóc cụ già hay trơng trẻ… Nhưng họ khơng để ý đến vai trị đặc biệt quan trọng xuất ngày nhiều Robot ngành công nghiệp, chế tạo, lắp ráp sản xuất đại khắp nhà máy, công xưởng giới Một Robot phổ biến giới sản xuất cánh tay Robot Scara Cánh tay Robot Scara hầu hết trường hợp lập trình sử dụng để thực nhiệm vụ cụ thể, phổ biến cho sản xuất, chế tạo ứng dụng công nghiệp Cánh tay Robot cơng nghiệp, bạn khơng phải người biết kỹ thuật, cần nghe qua tên nó, bạn đốn để hoạt động được, phải tuân thủ cấu tạo nguyên tắc cử động giống cánh tay người Thật vậy, thiết bị hoạt động theo cách tương tự cánh tay người, với số khớp di chuyển dọc theo trục xoay theo số hướng định Trên thực tế, số cánh tay Robot cấu tạo lập trình hoạt động với cách bắt chước chuyển động xác cánh tay người Trong suốt trình nghiên cứu, thiết kế hồn thiện đồ án hướng dẫn, góp ý tận tình Ths Phạm Tiến Hùng với nỗ lực nhóm, đến chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế Robot bậc tự dạng Scara” Do khả tầm nhận thức hạn chế, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, với khối lượng cơng việc địi hỏi có tổng hợp cao nên thiết kế chúng em không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong thầy tiếp tục bảo giúp đỡ để chúng em chỉnh sửa thêm vận dụng vào công việc thực tế Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm tác giả MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU TỔNG QUAN CHUNG Lịch sử phát triển Tay máy Robot Phân loại tay máy Robot Đặt vấn đề Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục tiêu đề tài 10 Phương pháp nghiên cứu 10 Tổng kết chương 11 MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA ROBOT SCARA 12 Tính tốn, lựa chọn phương pháp biến đổi đồng hệ trục toạ độ 12 Mơ hình động học tay máy Robot 14 Động lực học tay máy Robot 19 Thiết kế quỹ đạo chuyển động 27 Tổng kết chương 29 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ ROBOT SCARA 30 Tính tốn, thiết kế hệ thống khí 30 Thiết kế hệ thống khí 33 Tính tốn, thiết kế hệ thống điện, điện tử 36 Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển 44 Mô hệ thống phần mềm Matlab 50 Chế tạo thử nghiệm 55 Tổng kết chương 59 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 63 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Tay máy Robot cơng nghiệp .4 Hình 1-2: Nhu cầu sử dụng Robot công nghiệp giới .5 Hình 1-3: Cấu trúc chung Robot công nghiệp Hình 1-4: Tay máy Robot toạ độ Đề Các Hình 1-5: Tay máy Robot toạ độ trụ Hình 1-6: Tay máy Robot toạ độ cầu Hình 1-7: Tay máy Robot dạng Scara Hình 1-8: Sơ đồ điều khiển Robot theo mạch hở Hình 1-9: Sơ đồ điều khiển Robot theo vịng kín .8 Hình 2-2: Mơ hình hóa mơ Robot dạng Scara .13 Hình 2-3: Mơ hình hóa hệ thống .15 Hình 2-4: Cơ cấu khâu 17 Hình 2-5: Mơ hình hóa toạ độ điểm khối tâm 19 Hình 2-6: Xác định toạ độ khối tâm khâu 21 Hình 2-7: Xác định toạ độ tâm khâu 23 Hình 3-1: Mơ hình hóa hệ thống khí 31 Hình 3-2: Khơng gian làm việc Robot .31 Hình 3-3: Mơ hình thiết kế 33 Hình 3-4: Sơ đồ phân bố lực .34 Hình 3-5: Biểu đồ Momen uốn theo phương x 35 Hình 3-6: Tổng quan tay máy sau thi công lắp ráp 36 Hình 3-7: Kit STM32F4 37 Hình 3-8: Động bước khơng chổi than size 42 có giảm tốc 38 Hình 3-9: Driver điều khiển động bước TB6560 39 Hình 3-10: Nguồn xung 24VDC – 10A 41 Hình 3-11: Module hạ áp LM2596 41 Hình 3-12: Nút nhấn click 42 Hình 3-13: Module Ethernet W5500 SPI 42 Hình 3-14: Mạch điều khiển hệ thống 43 Hình 3-15: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 44 Hình 3-16: Sơ đồ khối thiết kế hệ thống điều khiển 45 Hình 3-17: Lưu đồ làm việc hệ thống .45 Hình 3-18: Lưu đồ cài đặt gốc Home cho tay máy Robot 46 Hình 3-19: Lưu đồ kiểm tra hoạt động khâu 46 Hình 3-20: Giao diện phần mềm Visual Studio 2017 47 Hình 3-21: Thao tác tạo project WPF .48 Hình 3-22: Các khối thao tác cửa sổ WPF 48 Hình 3-23: Cửa sổ xử lý thao tác WPF 49 Hình 3-24: Giao diện sau thiết kế hoàn thiện .49 Hình 3-25: Giao diện sau kết nối với phần cứng Robot tay máy 50 Hình 3-26: Giao diện điều khiển Matlab 50 Hình 3-27: Mơ hình Robot Scara bậc tự dạng tối giản .51 Hình 3-28: Mơ hình Simulink 52 Hình 3-29: Khối Simulink điều khiển chuyển động quay động 52 Hình 3-30: Mơ hình Simulink tổng quát hệ thống 52 Hình 3-31: Mơ hoạt động .53 Hình 3-32: Mơ hình Simulink chi tiết .53 Hình 3-33: Đồ thị di chuyển, vận tốc, gia tốc biến khớp .54 Hình 3-34: Đồ thị di chuyển, vận tốc, gia tốc biến khớp .54 Hình 3-35: Đồ thị di chuyển, vận tốc, gia tốc biến khớp .54 Hình 3-36: Khâu tịnh tiến 55 Hình 3-37: Khung đỡ 55 Hình 3-38: Khâu quay .56 Hình 3-39: Phần khí sau hồn thiện .58 Hình 3-40: Phần mạch điện sau hoàn thiện 58 Hình 3-41: Robot tay máy sau hồn thiện 59 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1: Bảng thông số D -H 12 Bảng 2-2: Bảng D – H theo mơ hình hóa hệ thống 15 Bảng 3-1: Thông số kỹ thuật Robot 32 Bảng 3-2: Bảng chọn đai 34 TỔNG QUAN CHUNG Lịch sử phát triển Tay máy Robot Khái niệm Robot: Robot tuyệt tác kỹ thuật chế tạo Nó “nguồn nhân lực lý tưởng” cho doanh nghiệp lĩnh vực sản xuất cơng nghiệp Nó có khả làm việc liên tục nhiều mà không phạm phải sai lầm mệt mỏi đem lại [4] Robot cơng nghiệp định nghĩa theo số tiêu chuẩn: Theo tiêu chuẩn AFNOR Pháp: Robot công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục toạ độ, có khả định vị, di chuyển đối tượng vật chất chi tiết, gá lắp theo hình trình chương trình nhằm thực nhiệm vụ khác Theo tiêu chuẩn RIA Mỹ: Robot tay máy vạn lặp lại chương trình thiết kế di chuyển vật liệu, chi tiết, … thơng qua chương trình chuyển động thay đổi để hồn thành nhiệm vụ khác Hình 1-1: Tay máy Robot cơng nghiệp Theo Liên đồn Robot quốc tế (IFR), gần triệu Robot công nghiệp sử dụng nhà máy toàn giới vào năm 2021 Vào năm 2020, triệu Robot công nghiệp lắp đặt nhà máy khắp giới 72 else // burst operation { spi_data[0] = (AddrSel & 0x00FF0000) >> 16; spi_data[1] = (AddrSel & 0x0000FF00) >> 8; spi_data[2] = (AddrSel & 0x000000FF) >> 0; WIZCHIP.IF.SPI._write_burst(spi_data, 3); } ret = WIZCHIP.IF.SPI._read_byte(); WIZCHIP.CS._deselect(); WIZCHIP_CRITICAL_EXIT(); return ret; } void WIZCHIP_WRITE(uint32_t AddrSel, uint8_t wb ) { uint8_t spi_data[4]; WIZCHIP_CRITICAL_ENTER(); WIZCHIP.CS._select(); AddrSel |= (_W5500_SPI_WRITE_ | _W5500_SPI_VDM_OP_); //if(!WIZCHIP.IF.SPI._read_burst || !WIZCHIP.IF.SPI._write_burst) // byte operation if(!WIZCHIP.IF.SPI._write_burst) // byte operation { WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x00FF0000) >> 16); WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x0000FF00) >> 8); WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x000000FF) >> 0); WIZCHIP.IF.SPI._write_byte(wb); 73 } else operation // burst { spi_data[0] = (AddrSel & 0x00FF0000) >> 16; spi_data[1] = (AddrSel & 0x0000FF00) >> 8; spi_data[2] = (AddrSel & 0x000000FF) >> 0; spi_data[3] = wb; WIZCHIP.IF.SPI._write_burst(spi_data, 4); } WIZCHIP.CS._deselect(); WIZCHIP_CRITICAL_EXIT(); } void WIZCHIP_READ_BUF (uint32_t AddrSel, uint8_t* pBuf, uint16_t len) { uint8_t spi_data[3]; uint16_t i; WIZCHIP_CRITICAL_ENTER(); WIZCHIP.CS._select(); AddrSel |= (_W5500_SPI_READ_ | _W5500_SPI_VDM_OP_); if(!WIZCHIP.IF.SPI._read_burst || !WIZCHIP.IF.SPI._write_burst) // byte operation { WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x00FF0000) >> 16); WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x0000FF00) >> 8); WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x000000FF) >> 0); 74 for(i = 0; i < len; i++) pBuf[i] = WIZCHIP.IF.SPI._read_byte(); } else // burst operation { spi_data[0] = (AddrSel & 0x00FF0000) >> 16; spi_data[1] = (AddrSel & 0x0000FF00) >> 8; spi_data[2] = (AddrSel & 0x000000FF) >> 0; WIZCHIP.IF.SPI._write_burst(spi_data, 3); WIZCHIP.IF.SPI._read_burst(pBuf, len); } WIZCHIP.CS._deselect(); WIZCHIP_CRITICAL_EXIT(); } void WIZCHIP_WRITE_BUF(uint32_t AddrSel, uint8_t* pBuf, uint16_t len) { uint8_t spi_data[3]; uint16_t i; WIZCHIP_CRITICAL_ENTER(); WIZCHIP.CS._select(); AddrSel |= (_W5500_SPI_WRITE_ | _W5500_SPI_VDM_OP_); if(!WIZCHIP.IF.SPI._write_burst) // byte operation { WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x00FF0000) >> 16); WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x0000FF00) >> 8); 75 WIZCHIP.IF.SPI._write_byte((AddrSel & 0x000000FF) >> 0); for(i = 0; i < len; i++) WIZCHIP.IF.SPI._write_byte(pBuf[i]); } else operation // burst { spi_data[0] = (AddrSel & 0x00FF0000) >> 16; spi_data[1] = (AddrSel & 0x0000FF00) >> 8; spi_data[2] = (AddrSel & 0x000000FF) >> 0; WIZCHIP.IF.SPI._write_burst(spi_data, 3); WIZCHIP.IF.SPI._write_burst(pBuf, len); } WIZCHIP.CS._deselect(); WIZCHIP_CRITICAL_EXIT(); } uint16_t getSn_TX_FSR(uint8_t sn) { uint16_t val=0,val1=0; { val1 = WIZCHIP_READ(Sn_TX_FSR(sn)); val1 = (val1