TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM QUĨ ĐẠO CHO ROBOT HÀN TỰ HÀNH TRAJECTORY TRACKING CONTROL FOR SELF-PROPELLED WELDING ROBOT Nguyễn Mạnh Tiến, Bùi Văn Hạnh, Nguyễn Danh Huy, Nguyễn Thị Liên Anh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot hàn quan tâm số năm gần nhằm mục đích chủ động chế tạo sản phẩm nước với giá thành thấp so với ngoại nhập Ngành đóng tàu Việt Nam với bước phát triển đòi hỏi sử dụng robot hàn tự hàn Bài báo trình bày số kết nghiên cứu hệ thống điều khiển robot hàn tự hành xây dựng mơ hình tốn học tổng qt cấu robot hàn tự hành Với tỉ số truyền hộp truyền lớn,mơ hình phân ly cho hệ thống truyền động-cơ cấu chuyển động mơ hình robot hàn xây dựng sở coi thành phần mô men phi tuyến ràng buộc hệ thống chuyển động nhiễu với chuyển động khớp; xây dựng hệ thống điều khiển hệ thống truyền động với mạch vòng điều khiển tổng hợp tham số điều khiển dịng điện, tốc động vị trí tay robot dựa tiêu chuẩn tối ưu Các kết mô quĩ đạo chuyển động cấu robot minh hoạ ABSTRACT A research, design and production of the welding robots have been interested in recent years for a purpose of producing them with lower price than the price of imported ones With new developments, the shipbuilding industry in Vietnam has required a large number of self-propelled welding robots This paper introduces some research results of trajectory control system of selfpropelled welding robot for the shipbuilding industry The paper presents generally mathematical model of self- propelled welding robot With the high gear reduction ratios of the robot mechanism, the components of nonlinear interacting term of the robot are treated as disturbance for the single joint On the basis of this, the decoupling model of robot drive system is built The servo control system with three control loops including the motor current and speed loops as well as end-effector position one are designed and parameters of the current, speed and position controllers are synthesized based on optimal criteria Some simulation results of self propelled-welding robot trajectories are illustrated I MỞ ĐẦU mơ hình tốn học độc lập cho khớp robot, coi thành phần mô men phi tuyến ràng buộc hệ thống chuyển động robot tín hiệu nhiễu tải chuyển động khớp Hệ thống điều khiển chuyển động khớp thiết kế với mạch vòng điều khiển dòng điện, tốc độ động vị trí đầu hàn Hệ thống điều khiển đơn giản, dễ thực thực tế điều khiển chuyển động khớp thiết kế độc lập, khơng phụ thuộc vào tham số khớp lân cận đảm bảo độ xác di chuyển đầu hàn theo yêu cầu cơng nghệ hàn Robot hàn tự hành đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp đóng tàu thủy Việt nam với góp phần nâng cao suất chất lượng sản phẩm Các nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot hàn tự hành thực nhằm tạo sở cho chế tạo nước robot hàn đáp ứng nhu cầu cơng nghiệp đóng tàu Việt nam với chất lượng cao, giá thành thấp so với ngoại nhập Bài báo trình bày số kết nghiên cứu hệ thống điều khiển robot hàn tự hành Dựa vào hệ thống khí robot hàn tự hành, xây dựng mơ hình tốn học tổng qt cấu robot hàn Cơ cấu robot có tỉ số truyền truyền lớn, ảnh hưởng ràng buộc khớp tính phi tuyến hệ thống chuyển động nhỏ Trên sở đó, xây dựng Bài báo gồm mục : Mơ hình cấu robot hàn tự hành , mơ hình tốn học cấu robot , hệ thống điều khiển độc lập khớp; kết mô trình robot di chuyển theo quĩ đạo hàn đặt trước TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 II CƠ CẤU ROBOT TỰ HÀNH III MƠ HÌNH TOÁN HỌC ROBOT Robot hàn tự hành với cấu di chuyển bao gồm trục với chuyển động để hàn mối hàn leo giáp mối ghép nối tổng đoạn vỏ tàu thuỷ mô tả hình hình ảnh cấu robot hàn tự hành Hình mơ tả hệ toạ độ thông số cấu robot Coi khối lượng nối robot tập trung điểm cuối nối tương ứng z Trục thứ di chuyển đầu hàn theo trục y, trục thứ hai di chuyển đầu hàn theo trục x, trục thứ ba di chuyển đầu hàn theo trục z có phương vng góc với thân tàu , trục thứ tư có chức lắc đầu hàn ngang đường hàn theo độ rộng cần thiết đường hàn Trong chuyển động theo trục x,y,z phối hợp để tạo thành quỹ đạo chuyển động đầu hàn bám theo mép hàn thân tàu -x m2 m1 h2 m3 y x y Hình Mơ tả động học cấu robot y Mép hàn y h1 -z Trên hình mơ tả cấu chuyển động khớp robot hàn Động Đ động secvo xoay chiều cấp điện từ Điều khiển secvo (ĐKSV) truyền chuyển động cho trục vít TV thơng qua truyền lực, cấu khớp robot chuyển động tịnh tiến với tốc độ Vs nhờ hệ thống trục vít với bước So Đường ray dẫn hướng Tay Robot hàn Xe Robot hàn Đầu mỏ hàn * ĐKSV Đ iTL TV iTV Khớp RB TV TL VS Hình Cơ cấu chuyển động khớp robot x Phương trình động lực học cấu robot hàn tự hành viết dạng tổng quát [1, 2] sau : z Hình Mơ hình cấu robot hàn tự hành M H(q )q V(q, q ) G(q ) (1) với ma trận thành phần có dạng : m m H( q ) V( q , q ) ; m1 m m 0 m G ( q ) m3g q [ x , y, z]T m1, m2, m3 : Tương ứng khối lượng nối 1, 2, Hình Hình ảnh cấu robot hàn tự hành TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 Động truyền động khớp cấu robot động đồng nam châm vĩnh cửu Theo [3], phương trình điện áp stato động khớp i viết dạng : di u si R si isi Lsi si jsi pi dt pi Usi p p pi I qsi K mi I si (2) Usi (p) pisi (p) R si (1 Tsip) (3) qi Moi - Mô men tổn hao hộp truyền (4) K gi vi - Hệ số truyền từ trục vít trục i động (5) J i J Di K gi2 Hoii - Mơ men qn tính tổng qui đổi trục động vi - Tốc độ nối robot (mm/s) (6) i- Tốc độ quay động JDi – Mơ men qn tính động khớp (Kgm2) Mô men cản biểu thị ràng buộc phi tuyến khớp Do hộp giảm tốc khớp robot hàn có giá trị lớn, nên hệ số truyền kgi nhỏ, coi thành phần mơ men biểu thị ràng buộc khớp thành phần nhiễu khớp i Như mơ hình robot gồm hệ thống độc lập Điều cho phép dễ dàng tổng hợp hệ thống điều khiển khớp (7) Trong đó: Hoii – Thành phần chứa số khớp i Hii – Thành phần chứa số khớp khác i biến khớp Khi (6) viết dạng : Mi Hoiiqi Hiiqi Gi (q) p cản hệ truyền động khớp i Thành phần Hii viết tách thành hai thành phần : Hii Hoii Hii J i Mci Moi K gi[ iiqi Gi (q )] - Mô men Từ (1), phương trình mơ men khớp robot hàn viết dạng : Mi Hiiqi Gi (q ) _ (-) Mơ hình tốn học cấu động – robot khớp mô tả phương trình (3), (5) (9) trình bày hình Trên sơ đồ hình : Từ (4) dòng điện Isi xác định theo : Isi q i p Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động khớp robot Phương trình điện áp stato (2) viết dạng toán tử laplace: Usi (p) R si (1 Tsip)Isi (p) pisi (p) K gi q i K mi R si (1 Tsi p) Mc i Ở chế độ điều khiển góc mơ men trì 90o, mơ men động khớp i viết dạng: M Di _(-) K gi IV HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỘT KHỚP (8) Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi điển hình cho khớp thiết kế có dạng hình Hệ thống điều khiển gồm mạch vịng điều chỉnh dịng điện, tốc độ vị trí khớp với điều khiển tương ứng RI(p), R(p) Rp(p) Cấu trúc điều khiển dòng điện, tốc độ tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu có Thành phần đầu mơ men khớp (8) phụ thuộc vào tham số số khớp i, thành phần thứ hai biểu thị ràng buộc khớp phi tuyến robot Mô men khớp robot qui đổi trục động dạng toán tử laplace có dạng : Mi' (p) K gi Hoiip2qi (p) Hii p2qi (p) Gi (q ) dạng: R I (p) (9) 4To p Ts p ; R ( p) 2K oIToI 2K o To TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 R P ( p) KoI , Ko, KoP – Tương ứng hệ số khuếch đại hệ hở mạch vòng dòng điện, tốc độ vị trí (10) 2K oPToP Trong : Ts=Ls/Rs- Hằng số thời gian stato pi q * i Rpi(p) Ri(p ) _ (-) _ (-) RIi(p) _ (-) K Bi (1 TBi p) Us (-) qDi / R si (1 Tsi p) _ Kmi (-) M ci J i p q Di K gi qi p I_i K Ii (1 TIi p) K i (1 Ti p) K K piPi (1 TpiPip) Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển cho khớp K oI K BK i ; Rs K o K ; K IJ K oP dọc theo trục x, z từ vị trí ban đầu A(xo,yo,zo) đến vị trí B(xc,yc,zc) với tốc độ hàn đặt trứơc Thông số mô trình bày phần phụ lục Kết mơ trình bày hình Hình 7, quĩ đạo chuyển động đầu hàn mặt phẳng xy zy Trên đồ thị hình 7, đường nét đứt quĩ đạo đặt, đường nét liền quĩ đạo di chuyển đầu hàn Hình trình bày sai lệch vị trí dọc theo trục x, y, z KPKg K ToI , To, ToP – Tương ứng số thời gian nhỏ mạch vòng dòng điện, tốc độ động vị trí đầu hàn robot : ToI = TB + TI ; To = 2ToI + T ; ToP = 2To +TP Tham số điều chỉnh hệ thống điều khiển khớp tính tốn theo thơng số khớp Bảng liệt kê biểu thức tính thơng số khớp robot hàn tự động Giá trị thông số cấu chuyển động khớp trình bày phần phụ lục Bảng Các biểu thức tính tốn thơng số khớp K Kg Mc J Jd1 M o1 K g (m m )x S o1 Nhận xét : quĩ đạo di chuyển đầu hàn bám xác quĩ đạo đặt, khác quĩ đạo đặt khoảng di chuyển đầu trình độ 2i TL R br i TL So 2i TL J d K g2 m M o K g2 (m m1 )y J d K g23 m M o3 K g23 m g Hình Quĩ đạo di chuyển đầu hàn mặt phẳng xy + Đường nét đứt quĩ đạo đặt + Đường nét liền quĩ đạo thực V KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Robot hàn mô thực chuyển động đầu hàn theo quĩ đạo hình sin 10 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT SỐ 74 - 2009 đảm bảo độ xác di chuyển cao theo quĩ đạo đặt Hệ thống điều khiển đề xuất đơn giản, khối lượng tính tốn nhỏ dễ thực thiết bị điều khiển servo thực tế PHỤ LỤC Bảng Tham số khí robot Trục m(kg) iTL So (mm/vg) X 6.0 100 2,5 Y 5.0 100 Rbr=14 mm Z 2.5 100 2,5 Bảng Tham số động điện Hình Quĩ đạo di chuyển đầu hàn mặt phẳng zy: + Đường nét đứt quĩ đạo đặt + Đường nét liền quĩ đạo thực Trục X Y Z P (W ) n (vg/p h) Jd (kgm2) 100 3000 0.67.10-4 0.32 0.21 3000 0.67.10 -4 0.32 0.21 0.42.10 -4 0.16 0.08 100 50 3000 Km (Nm/A) Bảng Tham số Bộ điều chỉnh Trục Tham Dòng Tốc độ số điện Kr 3.3733 0.067 X Tr(s) 0.0223 1.3 Kr 3.3733 4.9034 Y Tr(s) 0.0223 1.3 Kr 2.1191 0.0163 Z Tr (s) 0.007 1.3 Hình Sai lệch chuyển động dọc theo trục x,y,z VI KẾT LUẬN Ke (V/1/s) Vị trí 9666 137.36 4833 Với mơ hình toán học độc lập khớp, hệ thống điều khiển phân ly với mạch vòng điều khiển cho khớp robot hàn tự hành TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Mạnh Tiến; Báo cáo chuyên đề Đề tài cấp nhà nước KC.03.06/06-10: Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot hàn tự hành phục vụ cho ngành đóng tàu Việt nam 5/2009 Nguyễn Mạnh Tiến ; Điều khiển robot công nghiệp; Nhà xuất KHKT, 2007 Nguyễn Phùng Quang; Truyền động điện thông minh; Nhà xuất KHKT, 2002 Địa liên hệ: Nguyễn Mạnh Tiến - Tel: 0913.007.584, Email: tiennm@mail.hut.edu.vn Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Số 1, Đại Cồ Việt, Hà Nội 11