Đồ án thiết kế hệ thống Cơ Điện Tử

Thiết kế robot Scara

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 1 Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU 6 Chương 1 : Tổng quan về Robot công nghiệp 7 1. Khái niệm 7 2. Ứng dụng Robot công nghiệp 7 Chương 2 : Thiết kế cơ khí Robot Scara 10 1. Robot Scara trong thực tế 10 2. Mô hình 3d robot 10 3. Cơ cấu truyền động 11 CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN ĐỘNG – ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SCARA 15 1. Bài toán động học Robot 15 1.1. Xây dựng cấu trúc, thiết lập hệ phương trình động học của robot 15 1.2. Không gian làm việc của robot 20 1.3. Bài toán động học thuận 21 1.4. Bài toán ngược 26 2. Thiết kế quỹ đạo 28 2.1. Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động 28 2.2. Thiết kế quỹ đạo bậc 3 trong không gian khớp 29 Ví dụ thiết kế quỹ đạo bậc 3 29 3. Bài toán động lực hoc 36 Chương 4 : Thiết kế bộ điều khiển 46 1. Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PD 46 2. Thiết kế bộ điều khiển cho Robot RRTR 49 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 2 BẢNG PHỤ LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ STT Hình Tên hình Trang 1 1.1 Robot dùng trong nghành dược phẩm 8 2 1.2 Robot dùng trong ngành nội thất 8 3 1.3 Robot Hàn 9 4 1.4 Robot lắp ráp sản phẩm 9 5 2.1 Robot Scara 10 6 2.2 Robot Scara vẽ trên Solidworks 10 7 2.3 Bánh răng 1 11 8 2.4 Bánh răng 2 11 9 2.5 Bộ tay kẹp 12 10 2.6 Khâu đế 12 11 2.7 Khâu 1 13 12 2.8 Khâu 2 13 13 2.9 Khâu 3 14 14 3.1 Tọa đô các trục tọa độ 15 15 3.2 Không gian làm việc 2D 20 16 3.3 Không gian làm việc trên không gian 3D 21 17 3.4 Đồ thị điểm thao tác E theo trục X 22 18 35 Đồ thị điểm thao tác E theo trục Y 22 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 3 19 3.6 Đồ thị điểm thao tác E theo trục z 23 20 3.7 Điểm tác động cuối đi từ AB 23 21 3.8 Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối theo trục X 25 22 3.9 Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối theo trục Y 25 23 3.10 Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối theo trục Z 26 24 3.11 Đồ thị (góc khớp, vận tốc và gia tốc khớp q1,q2,q4 ) 31 25 3.12 Đồ thị (góc khớp, vận tốc và gia tốc khớp q3 ) 32 26 4.1 Đồ thị x(t), y(t) 32 27 4.2 Quan hệ y=f(x 33 28 4.3 Tọa độ các khâu 36 29 4.4 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển 46 30 4.5 Robot Scara dùng để mô phỏng 49 31 4.6 Sơ đồ hệ thống mô phỏng 50 32 4.7 Bộ điều khiển PD 51 33 4.8 Tín hiệu đặt 52 34 4.9 Khối SCARA 53 35 4.10 Khối actuator 53 36 4.11 Khối Tín hiệu 53 37 4.12 Đồ thi q1,q2,q4 53 38 4.13 Sai số q1,q2,q4 54 39 4.14 Sai số vận tốc q1,q2,q4 54 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 4 40 4.15 Đồ thị 3 q 56 41 4.16 Sai số q3 56 42 4.17 Vận tốc q3 56 43 4.18 Sai số vận tốc q3 56 44 4.19 Xd,X 57 45 4.20 Yd,y 58 46 4.21 Zd,z 58 47 4.22 Sai số E X 59 48 4.23 Sai số YE 59 49 4.24 Sai số Ze 60 50 4.25 Đồ thị sai số vận tốc góc q1,q2,q4 với Kd = 10000 61 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 5 DANH SÁCH BẢNG BIỂU STT Bảng Tên bảng Trang 1 3.1 Bảng tham số động học 19 2 3.2 Bảng mô tả vị trí trọng tâm, khối lượng, momen quán tính khối. 38 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 6 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng trong các lĩnh vực cơ khí, điện tử, tin học thì sự tích hợp của ba lĩnh vực đó là cơ điện tử cũng phát triển và được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong quá trình hiện đại hóa và công nghiệp hóa đất nước. Sản phẩm đặc trưng của cơ điện tử là ROBOT và CNC. Trong khuôn khổ nội dung môn học Đồ án: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ em được nghiên cứu một trong hai sản phẩm đặc trưng của cơ điện tử đó là robot, cụ thể ở đây là robot bốn bậc tự do RRTR. Khả năng làm việc của robot thì có rất nhiều ưu điểm: Chất lượng và độ chính xác cao, hiệu quả và kinh tế cao, làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được, trong các công việc mà đòi hỏi phải cận thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần có thợ tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng suốt ngày thì robot có khả năng thay thế hoàn toàn … Qua đồ án giúp em bước đầu làm quen với việc tính toán robot: Về cấu trúc động học của robot, cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế, lập trình mô phỏng hoạt động của robot. Trong quá trình học môn Đồ án : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ chúng em còn nhiều thiết sót, mong cô chỉ bảo thêm cho em. Em chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Trần Trọng Đức ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 7 Chương 1 Tổng quan về Robot công nghiệp 1. Khái niệm Có nhiều định nghĩa robot cùng tồn tại, chúng ta hãy tham khảo một số định nghĩa sau:  Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản: Định nghĩa này mang tính khái quát nhất của tất cả các định nghĩa được sử dụng. Nó bao gồm tất cả các thiết bị tay máy và có thể để xem xét khi định nghĩa một robot sau này. “Robot là một máy, cơ cấu thường gồm một số phân đoạn được nối với phân đoạn khác bằng khớp quay hay khớp trượt nhằm mục đích để gắp hay để di chuyển các đối tượng, thường có một số bậc tự do. Nó có thể được điều khiển bởi một nguồn kích hoạt, một hệ điều khiển điện tử có thể lập trình được hay một hệ thống logic nào đó”.  Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): “Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất (chi tiết , dụng cụ gá lắp ) theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau”. 2. Ứng dụng Robot công nghiệp Trên thế giới Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt. ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 8 Hình 1.1 : Robot dùng trong nghành dược phẩm Hình 1.2: Robot dùng trong ngành nội thất Tại Việt Nam Ở nước ta, ứng dụng của robot công nghiệp rất đa đạng, tùy vào những nghành, công việc khác nhau mà ta có thể áp dụng những robot riêng biệt. Dưới đây là một số nghành trong hệ thống sản xuất mà áp dụng robot công nghiệp. Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làm việc khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập. ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 9 Hình 1.3 : Robot Hàn Ngành gia công và lắp ráp: robot thường được sử dụng vào những việc như tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy ra công bánh răng, máy khoan. Hình 1.4 : Robot lắp ráp sản phẩm ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 10 Chương 2 Thiết kế cơ khí Robot Scara 1. Robot Scara trong thực tế Robot Scara ( Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là có thế lựa chọn dễ dàng khớp nối tay Robot Do chuyển động của Robot Scara đơn giản, dễ dàng điều khiển nên nó được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Hình 2.1 : Robot Scara 2. Mô hình 3d robot Hình 2.2 : Robot Scara vẽ trên Solidworks [...]... Trần Trọng Đức 12 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Hình 2.7 : Khâu 1 Hình 2.8 : Khâu 2 Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 13 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Hình 2.9 : Khâu 3 Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 14 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ĐỘNG – ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SCARA 1 Bài toán động học Robot 1.1...ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa 3 Cơ cấu truyền động Hình 2.3 : Bánh răng 1 Bánh răng 1 truyển moment truyền động từ động cơ vào khớp 1 Hình 2.4 : Bánh răng 2 Bánh răng 2 truyên moment từ động cơ 2 vào khớp thứ 2 Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 11 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Hình 2.5 : Bộ tay kẹp... được các đồ thị sau : Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 24 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Hình 3.7 : Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối theo trục X Hình 3.8 : Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối theo trục Y Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 25 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Hình 3.9 : Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối theo trục Z 1.4 Bài toán ngược... 4 Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 21 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Bằng phần mềm Maple ta vẽ được đồ thị điểm tác động cuối : Hình 3.5 : Đồ thị điểm thao tác E theo trục x Hình 3.6 : Đồ thị điểm thao tác E theo trục y Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 22 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Hình 3.5 : Đồ thị điểm thao tác E theo trục z B A Hình... 19 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa 1.2 Không gian làm việc của robot Với giới hạn cac góc quay như sau :    q1  :  2 2  3 3  :  q2  4 4  q3  100 : 600 (mm)   Lập trình trên maple với dòng lệnh sau : Ta sẽ có vùng không gian làm việc như sau X0 Y0 Hình 3.3 : Không gian làm việc 2D Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 20 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ... THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Hình 3.17 : Quan hệ y=f(x) Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 35 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa 3 Bài toán động lực hoc z1 Zo o x1 Xo G2 x2 G1 G3 L2 L3 L1 G4 x3 L4 z2,z3,z4 x4 Hình 3.16: Tọa độ các khâu Chọn tọa độ suy rộng là : q   q1 q2 q3 q4   1  2 T d3  4  T Khâu Vị trí trọng tâm so Khối Momen quán tính khối từng... hệ số  a0 i a  1i   a2 i    a3i   qia 0  3( qib  qia ) 2 tc  2( qib  qia ) 3 tc Ví dụ thiết kế quỹ đạo bậc 3 Bài toán: Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot RRTR từ vị trí A đến vị trí B trong khoảng thời gian 4s Với điểm: A  0.275 3  0.225 0.275  0.225 3 0,1 tới điểm : B  0.275 3  0.225 0.275  0.225 3 Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức  0,1 29 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ... cách thiết lập quỹ đạo góc khớp ta để thỏa mãn điều kiện về vận tốc đầu và cuối ta thiết lập quan hệ x=x(t) là đa thức bậc 3 x(t )  ao  a1t  a2t 2  a3t 3 cũng các điều kiện  s (0)  A( x0 , y0 ) v(0)  v  0  0 mà  s (tc )  B ( xc , yc )  v(tc )  vc  0  quan hệ y =k.x+b => x=x(t) cũng có điều kiện như quỹ đạo Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 32 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Vậy... dạng : Đa thức bậc 2 :x(t)=a+bt+ct2 Đa thức bậc 3 : x(t)=a+bt+ct2+dt3 Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 28 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Đa thức bậc cao : x(t)=a+bt+…… ktn Trong đồ án này em sử dụng dạng quỹ đạo là đa thức bậc 3 có dạng: X(t)=a+bt+ct2+dt3 2.2 Thiết kế quỹ đạo bậc 3 trong không gian khớp Ta chọn 2 điểm A(x0,y0), B(xc,yc) bất kì trong không gian làm việc, Từ... 𝑖−1 ) trùng với trục 𝑧𝑖 c Thiết lập bộ thông số động học D-H cho robot Scara - Với cách thành lập hệ tọa độ như trên ta có thể xác định các tham số động học của robot RRTR như sau: Bảng hệ tọa độ Danevit-Hatenberg  d a  1 1* 0 a1 0 2  2* 0 a2  3 0 d 3* 0 0 4  4* d4 0 0 Bảng 3.1 : Bảng tham số động học Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 16 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa . Khâu đế ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 13 Hình 2.7 : Khâu 1 Hình 2.8 : Khâu 2 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS. Đồ án : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ chúng em còn nhiều thiết sót, mong cô chỉ bảo thêm cho em. Em chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Trần Trọng Đức ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ. đặc trưng của cơ điện tử là ROBOT và CNC. Trong khuôn khổ nội dung môn học Đồ án: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ em được nghiên cứu một trong hai sản phẩm đặc trưng của cơ điện tử đó là robot,