ĐỒ án môn học cơ điện tử mã đề VCK01 02 thiết kế hệ truyền dẫn, và điều khiển rô bốt scara

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ MÃ ĐỀ: VCK01-02 Thiết kế hệ truyền dẫn, điều khiển rô bốt Scara Sinh viên : Nguyễn Hồng Sơn Mã số sinh viên : 20166676 Lớp : Cử nhân - điện tử 03-K61 Người hướng dẫn : GVC.TS Nguyễn Ngọc Thành HÀ NỘI 07-2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VIỆN CƠ KHÍ Bộ mơn Hàn-CNKL SME.EDU – Mẫu 6.a Học kỳ: rev1 Năm học 2020 -2021 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN DẪN VÀ ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT SCARA MÃ HỌC PHẦN ME4228 Thời gian thực hiện: 15 tuần; Ngày giao nhiệm vụ: 12/03/2020; Họ tên: Nguyễn Hồng Sơn MSSV: 20166676 Mã lớp: ……Chữ ký sv: …… Ngày … /03/2020 ĐƠN VỊ CHUYÊN MÔN (ký, ghi rõ họ tên) GVC.TS NGUYỄN NGỌC THÀNH Nhiệm vụ thiết kế THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN DẪN, VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA Số liệu cho trước Kích thước, giới hạn khâu: 2.1 Khâu 1: a1 = 200 mm 2.2 Khâu 2: a2 = 350 mm 2.3 Giới hạn góc quay: = [-96°,96°], = [-115°,115°], = [-180°,180°] 2.4 Giới hạn khoảng trượt: d3 =150 mm 2.5 Chiều dài cần cố định d4 = 100 mm Nội dung yêu cầu 3.1 Giải toán động học (thuận, ngược); động lực học robot Scara; 3.2 Xác định miền làm việc; 3.3 Mô hoạt động rô bốt không gian hoạt động; 3.4 Thiết kết kết cấu rô bốt Scara; 3.5 Vẽ tách chi tiết robot Scara 3.6 Thiết kế hệ điều khiển robot Scara Sơ đồ động học robot Scara MỤC LỤC Trang 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 kết cấu rô bốt Scara 1.1.2- Ứng dụng rô bốt Scara sản xuất công nghiệp, hoạt động dịch vụ a- Trong sản xuất công nghiệp b- Trong hoạt động dịch vụ 1.2- Nhiệm vụ giao 1.2.1- Nhiệm vụ thiết kế giao 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 11 2.1- Động học rô bốt Scara bậc tự 11 2.1.1- Thiết lập hệ tọa độ rô bốt Scara 12 2.1.2- Bài toán động học thuận; ý nghĩa 14 a- Vị trí, vận tốc ga tốc điểm tác động cuối: .17 b- Vận tốc góc, gia tốc góc khâu thao tác 18 c- Hướng khâu thao tác 19 2.1.3- Bài toán động học ngược; ý nghĩa .20 2.2- Không gian hoạt động rô bốt Scara 22 2.2.1- Xác định không gian hoạt động rô bốt Scara .22 a- Các điều kiện ràng buộc thông số khâu, khớp 22 b- Xây dựng thuật tốn xác định khơng gian hoạt động 22 c- Vẽ mô không gian hoạt động rô bốt Scara 26 2.2.2- Thiết kế quỹ đạo chuyển động rô bốt 27 a- Giới thiệu sở thiết kế quỹ đạo 27 b- Thiết kế quỹ đạo robot không gian khớp 28 c- Thiết kế quỹ đạo không gian khớp 31 2.3- Động lực học rô bốt Scara bậc tự 32 2.3.1- Nội dung, mơ hình giải tốn động lực học rơ bốt Scara 32 a- Nội dung toán động lực học rô bốt Scara 32 b- Giải tốn động lực học rơ bốt Scara 33 2.3.2- Xác định công suất truyền dẫn động 40 a- Xác định mô men xoắn lựa chọn động truyền dẫn khớp quay 40 b- Xác định lực lựa chọn động truyền dẫn khớp tịnh tiến 41 c- Xác định mô men xoắn lựa chọn động truyền dẫn khớp quay 41 d- Xác định mô men xoắn lựa chọn động truyền dẫn khớp quay .42 CHƯƠNG 3- THIẾT KẾ KẾT CẤU TRUYỀN DẪN RÔ BỐT SCARA 43 3.1- Đặt vấn đề .43 3.2- Thiết kế kết cấu lắp ghép truyền dẫn rô bốt Scara 43 3.2.1- Kết cấu lắp ghép khâu (giá trụ cố định) với cụm khớp quay 43 3.2.2- Kết cấu lắp ghép khâu với cụm khớp quay 45 3.2.3- Kết cấu lắp ghép khâu với cụm khớp tịnh tiến 46 3.2.4- Kết cấu lắp ghép khâu với cụm khớp quay (bàn tay kẹp) .48 3.2.5- Thiết kế vẽ kết cấu lắp chung rô bốt Scara 50 CHƯƠNG 4- THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT SCARA 51 4.1- Nguyên lý, sơ đồ điều khiển rô bốt Scara 51 4.1.1- Xác định nguyên lý điều khiển (ĐK kín hay ĐK hở) 51 4.1.2- Xây dựng sơ đồ điều khiển (theo nguyên lý xác định) 52 4.2- Phương trình điều khiển động học khớp (θ1, θ2, d3, θ4) 52 4.2.1- Cơ sở điều khiển động học rô bốt Scara 52 4.2.2- Phương trình điều khiển động học khớp (θ1, θ2, d3, θ4) 53 4.3- Xây dựng thuật toán điều khiển động học khớp (θ1, θ2, d3, θ4) .54 4.3.1- Mơ tả thuật tốn 54 4.3.2- Thiết lập lưu đồ thuật toán 54 4.4- Thiết kế hệ điều khiển rô bốt Scara 56 4.4.1- Lựa chọn điều khiển, phần tử hệ điều khiển 56 4.4.2- Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển 56 CHƯƠNG 5- THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG RÔ BỐT SCARA 57 5.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế; giới thiệu công cụ mô 57 5.1.1- Mục đích, u cầu thiết kế mơ 57 5.1.2- Giới thiệu công cụ mô 57 5.2- Thiết kế mô rô bốt Scara 58 5.2.1- Thiết kế mô phần tử rô bốt Scara 58 5.2.2- Thiết kế mô hoạt động rô bốt Scara không gian 611 5.2.3- Giao diện chương trình mơ robot Scara 62 KẾT LUẬN 64 LỜI CẢM ƠN 65 PHỤ LỤC .66 MỞ ĐẦU 1- Đặt vấn đề Robot Scara đời vào năm 1979, kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt sử dụng nhiều cơng việc lắp ráp Nó thực cơng việc địi hỏi độ xác cao Robot Scara ứng dụng phát triển rộng rãi toàn giới, chúng chế tạo phát triển với quy mô lớn Tuy nhiên, Việt Nam việc nghiên cứu phát triển hạn chế viện nghiên cứu trường đại học Do nhu cầu thực tế niềm say mê nghiên cứu hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Ngọc Thành giúp chúng em thực thiện đề tài “Thiết kế hệ truyền dẫn, điều khiển robot Scara bậc tự do” 2- Mục đích nghiên cứu đề tài Mục đích đề tài trước hết tìm hiểu làm quen với việc nghiên cứu khoa học áp dụng kiến thức học vào thực tế Trong trình nghiên cứu thực tế đề tài giúp chúng em nâng cao kiến, tiếp cận vấn đề thực tế làm tảng vững cho kỹ sư điện tử sau tốt nghiệp 3- Phạm vi nghiên cứu đề tài - Tính tốn động học, động lực học dựa sở lập trình để kiểm chứng lý thuyết xây dựng - Thiết kế hệ điều khiển rô bốt Scara sử dụng động servo động chiều để điều khiển xác vị trí rô bốt - Mô hoạt động robot SCARA 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 kết cấu rô bốt Scara Rô bốt ngày ứng dụng công nghiệp Các phương pháp điều khiển đại cho rô bốt ngày ứng dụng nhiều để tăng hoạt động ổn định rô bốt Rô bốt Scara nghiên cứu từ năm 1979 tay máy lắp ráp chọn lọc Robot Scara có cấu tạo gồm khớp khớp quay cánh tay, khớp quay cổ tay khớp tinh tiến, khớp quay hoạt động nhờ động điện chiều có phản hồi vị trí tạo vịng điều khiển kín, chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng thực pittơng khí nén Do chuyển động rô bốt Scara tương đối dễ việc điều khiển nên sử dụng nhiều cơng nghiệp Hình 1.1- Robot SCARA bậc tự hãng YAMAHA Từ SCARA viết tắt “Selective Compliance Assembly Robot Arm” để mô tả đặc điểm Vùng làm việc Scara quỹ tích hợp cung tròn việc hai cung tròn quét theo phương thẳng đứng đoạn có chiều dài h tạo lên vùng không gian 3D H1.2 Hình 1.2- Mơ khơng gian làm việc robot Scara 1.1.2- Ứng dụng rô bốt Scara sản xuất công nghiệp, hoạt động dịch vụ a- Trong sản xuất công nghiệp Ban đầu, robot Scara tạo với mục đích sử dụng cơng việc lắp ráp cơng nghiệp thực cơng việc có độ xác cao, điển hình là: - Sử dụng nhà máy lắp ráp chi tiết, hàn, gắp sản phẩm, phân loại sản phẩm, v.v Ta thấy rõ công việc robot Scara qua H1.3 H1.4 Hình 1.3- Robot Scara sử dụng lĩnh vực hàn Hình 2.4- Robot Scara sử dụng lĩnh xếp sản phẩm b- Trong hoạt động dịch vụ Với phát triển khoa học công nghệ, đây, robot Scara dụng sản xuất cơng nghiệp, mà chí cịn ứng dụng rộng rãi ngành dịch vụ như: - Sử dụng nghành phân loại thư tín bưu cục; - Sắp xếp hàng hóa ngành thương mại điện tử Hình 1.5- Robot Scara phân loại thư tín 1.2- Nhiệm vụ giao 1.2.1- Nhiệm vụ thiết kế giao số liệu cho trước Thiết kế hệ truyền dẫn điều khiển robot Scara, với kích thước giới hạn khâu cho đây: - Khâu 1: a1= 200 mm; - Khâu 2: a2= 350 mm; - Giới hạn khoảng trượt: d3= [0÷ 150] mm; - - Giới hạn góc quay: θ1 =±960; θ2 =±1150; θ4 =±1800; Chiều dài cần cố định d4=100 mm 1.2.2- Phân tích nội dung nhiệm vụ thiết kế - Giải toán động học (thuận ngược), động học robot Scara; - Xác định miền làm việc; mô hoạt động robot không gian hoạt động; - Thiết kế kết cấu robot Scara; - Thiết kế hệ điều khiển robot Scara; - Thiết kế mô số chi tiết robot 10 - Tính gia cơng: Giải pháp gia cơng CAD CAM kết hợp, giải pháp có tên Solidworks CAM, tách để bán riêng Giài pháp đơn giản dễ dùng Các modul đơn giản thân thiện - Thiết kế mơ hình 3D: Trong phần mềm Solidworks coi tính bật với việc thiết kế các biên dạng 2D bạn dựng khối 3D theo yêu cầu - Lắp ráp chi tiết: Các chi tiết 3D sau thiết kế xong tính thiết kế lắp ráp lại với tạo thành phận máy máy hồn chỉnh Tính giúp bạn dễ dàng chỉnh sửa, thỏa sức sáng tạo nghiên cứu dễ dàng cho sản phẩm - Xuất vẽ dễ dàng: Phần mềm Solidworks cho phép ta tạo hình chiếu vng góc chi tiết lắp với tỉ lệ vị trí người sử dụng quy định mà khơng ảnh hưởng đến kích thước Cơng cụ tạo kích thước tự động kích thước theo quy định người sử dụng Sau nhanh chóng tạo thích cho lỗ cách nhanh chóng Chức ghi độ nhám bề mặt, dung sai kích thước hình học sử dụng dễ dàng - Các tiện ích cải tiến khác: Online Licensing giúp cho việc sử dụng license nhiều máy tính tiện lợi trước nhiều Solidworks Login chuyển nội dung cài đặt tùy chịn đến máy tính cài Solidworks, Admin Portal cho phép quản lý sản phẩm dịch vụ Solidworks dễ dàng 5.2- Thiết kế mô rô bốt Scara 5.2.1- Thiết kế mô phần tử rơ bốt Scara Dưới hình ảnh mơ khâu robot Scara Khâu ứng với than robot, có cấu tạo trụ đứng, giúp chịu tải trọng tồn cánh tay robot Hình 5.1- Mơ hình khâu robot Khâu khâu robot khâu quay, giúp cánh tay di chuyển mặt phẳng Oxy Hình 5.2- Mơ hình khâu robot 59 Hình 5.3- Mơ hình khâu robot Khâu robot thiết kế gồm xylanh trục trượt đặt song song với nhau, giúp robot di chuyển theo phương thẳng đứng Tiếp đó, cụm khớp quay kết nối với khâu tịnh tiến Cụm bàn tay kẹp hay gọi khâu chấp hành cuối, gắn trực tiếp vào trục động Hình 5.4- Mơ hình khâu robot 60 Hình 5.5- Mơ hình cụm kẹp vật 5.2.2- Thiết kế mô hoạt động rơ bốt Scara khơng gian hoạt động Hình 5.6- Mơ hình 3D cánh tay máy robot Scara 61 5.2.3- Giao diện chương trình mơ robot Scara Giao diện H5.7 em sử dụng phần mềm matlab guide để liên kết với simulink matlab có chức điều khiển phím bấm để điều khiển mơ hình robot thuận tiện tính tốn động lực học thuận, nghịch cách trực quan dễ thấy, thấy mơ hình robot chuyển động ta thay đổi biến khớp Hình 5.7- Giao diện bảng điều khiển robot Scara Giới thiệu khái quát bẳng điều khiển - Thanh trượt biến khớp q1, q2, q3, q4 cho phép ta thay đổi thông số Phần bên cho phép ta điền thông số biến khớp khoảng cho phép lập trình sẵn để tránh trường hợp nhập giới hạn - Nút DEFAULT cho phép ta đưa robot trang thái ban đầu H5.8 - Nút CLOSE nút cho phép ta kết thúc chương trình 62 Hình 5.8- Trạng thái ban đầu robot Scara 63 KẾT LUẬN Những nội dung thực giải đồ án Sau nhiều tuần làm việc, với hướng dẫn nhiệt tình giáo viên hướng dẫn GVC.TS Nguyễn Ngọc Thành, em hoàn thành Đồ án Thiết kế hệ thống Cơ điện tử với đề tài Thiết kế hệ thống dẫn động điều khiển cho robot Scara bậc tự với kết đạt sau: - Tìm hiểu nguồn gốc phát triển cơng nghiệp robot nói chung robot SCARA nói riêng Ứng dụng robot SCARA cơng nghiệp sống ngày - Xác định thiết kế thành phần dẫn động robot như: + Hệ thống dẫn động tịnh tiến thủy lực + Hệ thống truyền chuyển động quay cấu truyền đai + Cụm bàn tay kẹp robot - Tính tốn động học robot gồm: + Động học thuận + Động học ngược - Tính tốn động lực học robot - Thiết kế kết cấu truyền dẫn robot + vẽ chi tiết khâu, cấu tạo khâu robot - Thiết kế điều khiển robot di chuyển theo quỹ đạo cho Trên tóm tắt phần em hồn thiện đồ án này, cố gắng, khơng thể tránh sai sót Em mong thầy xem xét đưa cho em lời khuyên, lời nhận xét giúp em cải thiện hoàn thiện đồ án 64 LỜI CẢM ƠN Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, bảo tận tình thầy Nguyễn Ngọc Thành Với trợ giúp, hướng dẫn thầy, em hồn thiện đồ án này, đồng thời củng cố thêm kiến thức môn đại cương chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện trình học tập sau Em xin chân thành cảm ơn thầy PHỤ LỤC Không gian làm việc robot: a1=200; a2=350; d4=100; for i=0:10:150 for j=-96*pi/180:pi/50:96*pi/180 for k=-115*pi/180:pi/50:115*pi/180 xe=a2*cos(j+k)+a1*cos(j); ye=a2*sin(j+k)+a1*sin(j); ze=-d4-i; plot3(xe,ye,ze,'*'); hold on; grid on; axis square; end end end xlabel('X (mm)'); ylabel('Y (mm)'); zlabel('Z (mm)'); title('mien hoat dong cua robot khong gian'); Quy luật chuyển động khớp: t=linspace(0,3,10) q1=0.5638-0.3181*t.^2+0.07*t.^3 ; q2=1.2056+0.01633*t.^2-0.00363*t.^3 ; 66 q3=0.0333*t.^2-0.0074*t.^3; q4=0*t; plot(t,q1,' r',t,q2,' y',t,q3,' g',t,q4,' b'); grid on; axis square; legend('q1(t)','q2(t)','q3(t)','q4(t)'); xlabel('t[s]'); title('Do thi bieu dien quy luat chuyen dong cua cac khop M >N'); Quy luật vận tốc khớp: t=linspace(0,3,10) dq1=-0.6362*t+0.21*t.^2; dq2=0.03266*t-0.01908*t.^2 ; dq3=0.0666*t-0.0222*t.^2 ; dq4=0*t; plot(t,dq1,' r',t,dq2,' y',t,dq3,' g',t,dq4,' b'); grid on; axis square; legend('dq1(t)','dq2(t)','dq3(t)','dq4(t)'); xlabel('t[s]'); title('Do thi bieu dien quy luat van toc cac khop M >N'); Quỹ đạo điểm tác động cuối: a1=0.2;a2=0.35;d4=0.1; A=[0.1;0.45;-0.1]; B =[0.4;0.2;-0.2]; 67 tAB=3; d0= A(1,1); c0= 0; b0=(3*(B(1,1)-A(1,1)))/((tAB)^2); a0=-2*(B(1,1)-A(1,1))/((tAB)^3); t=linspace(0,3,10) x=a0*t.^3+b0*t.^2+c0*t+d0; y=(((B(2,1)-A(2,1))/(B(1,1)-A(1,1)))*x)+((A(2,1)*B(1,1)-B(2,1)*A(1,1))/((B(1,1)A(1,1)))); z=(((B(3,1)-A(3,1))/(B(1,1)-A(1,1)))*x)+((A(3,1)*B(1,1)-B(3,1)*A(1,1))/((B(1,1)A(1,1)))); plot(t,x,' r',t,y,' y',t,z,' g'); grid on; axis square; legend('x(t)','y(t)','z(t)'); xlabel('t[s]'); title('Do thi diem tac dong cuoi M >N'); Vận tốc điểm tác động cuối: t=linspace(0,3,10) dx=t/5+-t.^2/15; dy=-t/6+t.^2/18; dz=-t/15+t.^2/45; plot(t,dx,' r',t,dy,' y',t,dz,' g'); 68 grid on; axis square; legend('dx(t)','dy(t)','dz(t)'); xlabel('t[s]'); title('Do thi van toc diem tac dong cuoi M >N'); 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]- PGS.TS Nguyễn Đắc Lộc (1998) Công nghệ chế tạo máy, Nhà xuất Khoa học kỹ Thuật, Hà Nội [2]- PGS.TS Phan Bùi Khôi, Nguyễn Quang Hoàng (2009) Bài giảng Robotics, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội [3]- Slide robot công nghiệp (https://www.slideshare.net/truongkhanh374/baigiang-robot-cong-nghiep?from_action=save) [4]- GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp [5]- GS TSKH Nguyễn Văn Khang, Động lực học hệ nhiều vật [6]- PSG.TS Nguyễn Quang Hoàng, Cơ sở mát lab Simulink 70 ... chọn điều khiển, phần tử hệ điều khiển 56 4.4.2- Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển 56 CHƯƠNG 5- THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG RÔ BỐT SCARA 57 5.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế; giới thiệu cơng... cầu thiết kế mô 57 5.1.2- Giới thiệu công cụ mô 57 5.2- Thiết kế mô rô bốt Scara 58 5.2.1- Thiết kế mô phần tử rô bốt Scara 58 5.2.2- Thiết kế mô hoạt động rô bốt Scara. ..Bộ môn Hàn-CNKL SME.EDU – Mẫu 6.a Học kỳ: rev1 Năm học 2020 - 2021 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN DẪN VÀ ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT SCARA MÃ HỌC PHẦN ME4228 Thời gian thực