Đồ án môn học thiết kế hệ thống điều khiển robot scara ba bậc tự do

Học phần giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với việc thiết kế hệ thống điều khiển của một hệ thống robot cơ bản, ứng dụng các phần mềm như MATLAB- Simulink, SimMechanics...để tính toán

111Equation Chapter Section TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ KHOA CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA ba bậc tự Giảng viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Trọng Du Chữ ký GVHD Sinh viên thực hiện: Mã số sinh viên: Khóa: Lớp: Phạm Thái Hưng 20195041 K64 Cơ điện tử- 02 Hà Nội, 1/2024 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, khoa học kỹ thuật robot nói chung robot cơng nghiệp nói riêng phát triển mạnh mẽ đặc biệt nước có kinh tế phát triển, góp phần mang lại hiệu kinh tế cao Việc nghiên cứu chế tạo robot công nghiệp để ứng dụng sản xuất cần thiết Việc sử dụng robot công nghiệp nhà máy sản xuất làm tăng suất, nâng cao chất lượng sản phẩm Nhận thấy vai trò tầm quan trọng robot vậy, nước ta này, robot đầu tư nghiên cứu nhiều, đặc biệt trường đại học có Trường Đại học Bách khoa Hà Nội “Đồ án Thiết kế hệ thống điện tử” học phần bắt buộc chương trình Kỹ sư Cơ điện tử Học phần giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với việc thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống robot bản, ứng dụng phần mềm MATLAB- Simulink, SimMechanics để tính tốn, xây dựng hệ thống điều khiển, mơ ngun lý hoạt động robot, giúp cho sinh viên nắm vững kiến thức học phần làm quen với nhiệm vụ người kỹ sư Có thể nói học phần khơng thể thiếu Kỹ sư Cơ điện tử Được hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình TS Nguyễn Trọng Du, em hoàn thành đề tài giao “Thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA” Bởi thời gian kiến thức có giới hạn, khơng tránh khỏi sai sót Do em mong bảo đóng góp ý kiến thầy để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn TS Nguyễn Trọng Du giúp em hoàn thành đề tài Hà Nội, tháng năm 2024 Phạm Thái Hưng TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI SME.EDU - Mẫu 6.a TRƯỜNG CƠ KHÍ Học kỳ: Khoa Cơ điện tử Năm học: 2023-2024 ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Mã HP: ME4336 Thời gian thực hiện: 15 tuần; Mã đề: VCK05-31_12 Ngày giao nhiệm vụ: …/…/20…; Ngày hoàn thành: …/…/20 Họ tên sv: Nguyễn Văn Vang Mã lớp: 717890 MSSV: 20184670 Chữ ký sv: ……… Ngày …/…/20… Ngày …/…/20… Ngày …/…/20… ĐƠN VỊ CHUYÊN MÔN NGƯỜI RA ĐỀ CB Hướng dẫn (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên) I Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot SCARA II Số liệu cho trước: Tải trọng kg Tầm với 1090 m Độ xác lặp: (x, y) = ± 0.01 mm, (z) = ± 0.02mm Vận tốc cực đại khâu tác động cuối 2m/s Gia tốc cực đại khâu tác động cuối , m/s III Nội dung thực hiện: Phân tích nguyên lý thông số kỹ thuật - Tổng quan hệ thống - Nguyên lý hoạt động - Xác định thành phần hệ thống điều khiển Thiết kế hệ thống điều khiển - Mơ hình hóa xác định hàm truyền - Đánh giá tính ổn định hệ thống - Mơ phân tích, đánh giá tiêu kỹ thuật hệ thống - Lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển: cảm biến, thiết bị điều khiển, cấu chấp hành - Thiết kế sơ đồ mạch điện mạch điều khiển (1 A0) Lập trình điều khiển - Lập trình điều khiển robot (1 chương trình điều khiển) - Lập trình mơ chuyển động (1 chương trình mô Simmechanics) BẢNG SỐ LIỆU CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Đề số VCK05-31_8 Thơng số hình học khâu Khối lượng khâu (kg) Vật nặng (kg) [L1,cm] [L2,cm] [L3,cm] M1 M2 M3 M 55 52 42 15 10 10 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUN LÝ VÀ THƠNG SỐ KỸ THUẬT .9 1.1 Tổng quan Robot Scara 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Yêu cầu thiết kế 1.2 Nguyên lý hoạt động 11 1.2.1 Phân tích ngun lý hoạt đợng 11 1.2.2 Các thông số kỹ thuật quan trọng robot 12 1.3 Xác định thành phần của hệ thống điều khiển 12 1.3.1 Động 12 1.3.2 Cảm biến .13 1.3.3 Bộ nguồn 14 1.3.4 Bộ điều khiển động 14 1.3.5 Giao tiếp với điều khiển 15 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .16 2.1 Tính toán động học, động lực học 16 2.1.1 Động học 16 2.1.2 Tính tốn động lực học 27 2.2 Mơ hình hóa, xác định hàm truyền, đánh giá tính ổn định 36 2.2.1 Mơ hình hóa động điện chiều .36 2.2.2 Mơ hình hóa xác định hàm truyền khâu 41 2.2.3 Đánh giá tính ổn định, xác định sai lệch tĩnh 49 2.3 Thiết kế điều khiển PID .54 2.4 Mơ phỏng, phân tích đánh giá tiêu kỹ thuật hệ thống 60 2.5 Lựa chọn phần tử cho hệ thống điều khiển 69 2.6 Các mạch điện ghép nối phần tử 76 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT 78 KẾT LUẬN 83 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Robot Scara .9 Hình 2: Động servo 13 Hình 3: Encoder (trái) cơng tắc hành trình (phải) 13 Hình 4: Bộ điều khiển động .14 Hình 5: Vi điều khiển STM32F407 Discovery 15 Hình 1: Sơ đồ kết cấu khâu robot 16 Hình 2: Vùng làm việc với tới robot 20 Hình 3: Vùng làm việc với tới robot (1) 20 Hình 4: Quỹ đạo gắp vật .22 Hình 5: Mơ hình Simulink thiết kế quỹ đạo chuyển động 24 Hình 6: Quỹ đạo biến khớp khâu 25 Hình 7: Quỹ đạo biến khớp khâu 25 Hình 8: Quỹ đạo biến khớp khâu 26 Hình 9: Thiết lập hệ tọa độ khối tâm 27 Hình 10: Sơ đồ khối robot hoàn chỉnh bao gồm hộp số .36 Hình 11: Sơ đồ nguyên lý động .38 Hình 12: Sơ đồ khối mạch điện phần ứng 38 Hình 13: Sơ đồ khối phần momen điện từ 39 Hình 14: Sơ đồ khối phần momen cân động 39 Hình 15: Sơ đồ khối động ( Điên.áp -> vận tốc) .40 Hình 16: Sơ đồ khối động ( Điện áp -> Góc quay) 41 Hình 17: Sơ đồ trục vít me- đai ốc bi 41 Hình 18: Sơ đồ khối trục vít me- đai ốc bi 42 Hình 19: Sơ đồ khối khâu 42 Hình 20: Sơ đồ khối tính sai lệch tĩnh với đầu vào u(t)=1(t) .50 Hình 21: Đồ thị đáp ứng khâu 51 Hình 22: Đồ thị đáp ứng khâu 52 Hình 23: Đồ thị đáp ứng khâu 53 Hình 24: Mơ hình điều khiển PID 54 Hình 25: Sơ đồ khối điều khiển PID .55 Hình 26: Sơ đồ khối PID điều khiển động 55 Hình 27: Giao diện công cụ PID Tuner Matlab 56 Hình 28: Đồ thi đáp ứng khâu với điều khiển PID .57 Hình 29: Đồ thi đáp ứng khâu với điều khiển PID .58 Hình 30: Đồ thi đáp ứng khâu với điều khiển PID .59 Hình 31: Trình tự xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển 60 Hình 32: Mơ hình CAD robot Matlab 61 Hình 33: Khối 3D Scara robot 61 Hình 34: Mơ hình hệ thống điều khiển toàn robot 62 Hình 35: Khối Position Reference ( Thiết kế quỹ đạo ) .63 Hình 36: Khối động DC 63 Hình 37: Giá trị biến khớp khâu 64 Hình 38: Sai số biến khớp khâu 64 Hình 39: Vận tốc khâu .65 Hình 40: Giá trị biến khớp khâu 65 Hình 41: Sai số biến khớp khâu 66 Hình 42: Vận tốc khâu .66 Hình 43: Giá trị biến khớp khâu 67 Hình 44: Sai số biến khớp khâu 67 Hình 45: Vận tốc khâu .68 Hình 46: Động điều khiển hãng Yaskawa 71 Hình 47: Thơng số kỹ thuật dòng động SGMAV 71 Hình 48: Giao diện điều khiển SGDV-5R5A 72 Hình 49: Sơ đồ chân I/O cổng CN1 servo driver SGDV-5R5A 73 Hình 50: Phương pháp xuất xung điều khiển servo chế độ điều khiển vị trí 74 Hình 51 Board vi điều khiển STM32F407 DISCOVERY 75 Hình 1: Giao diện điều khiển robot scara .78 Hình 2: Sơ đồ Simulink điều khiển robot .79 Hình 3: Kết mô động học thuận 80 Hình 4: Kết mô động học nghịch 80 Hình 5: Điều khiển quỹ đạo tròn 81 Hình 6: Điều khiển quỹ đạo xoắn ốc 81 Hình 7: Robot vị trí gốc 82 CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT Trước thiết kế hệ thống điều khiển cho robot ta cần tìm hiểu robot với yêu cầu nguyên lý hoạt động robot nào, cấu tạo robot khí hệ thống điều khiển 1.1 Tổng quan Robot Scara 1.1.1 Khái niệm Hình 1: Robot Scara SCARA viết tắt Selective Compliance Assembly Robot Arm hay Selective Compliance Articulated Robot Arm Có nghĩa là dễ dàng lựa chọn các khớp nối cánh tay robot Năm 1981, Sankyo Seiki , Pentel NEC trình bày khái niệm hồn tồn cho robot lắp ráp Robot phát triển hướng dẫn Hiroshi Makino – giáo sư Đại học Yamanashi 1.1.2 Yêu cầu thiết kế  Cân tối ưu kinh tế hiệu suất  Sử dụng động bước động servo mạch điều khiển có sẵn  Sử dụng phần mềm có sẵn để điều khiển robot máy tính cá nhân Phần mềm sử dụng G-code để điều khiển robot 1.1.2.1 Hệ thống khí SCARA cấu hình tiêu chuẩn robot Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, có điểm sau đây:        Robot SCARA bậc tự Tải trọng kg Tầm với 570mm+520mm Độ xác lặp: (x, y) = ± 0,02 mm, (z) = ± 0,01 mm Vận tốc cực đại khâu tác động cuối 2000 mm/s Gia tốc cực đại khâu tác động cuối mm/s2 Sử dụng truyền vít me – đai ốc cho khâu tịnh tiến 1.1.2.2 Hệ thống điện tử Các thiết bị điện tử liên quan phụ thuộc hoàn toàn vào loại động sử dụng Để đạt độchính xác cao, sử dụng động bước động servo truyền động chung Do đó, phần hệ thống điện tử liên quan đến việc thiết kế mạch điều khiển động bước (servo) thích hợp Ngồi phần mềm điều khiển sử dụng, yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất robot Ở đây, tập trung vào trình điều khiển động bước (servo) Một số lựa chọn ban đầu cần phải ý là:     Loại động cơ: Đơn cực lưỡng cực Nguyên lý ổ đĩa: L/R PWM Chế độ hoạt động: Nửa bước tồn bước Đặc trưng mơ-men xoắn - tốc độ 1.1.2.3 Phần mềm điều khiển Phần mềm điều khiển cần thực nhiệm vụ sau:     Đường dẫn liên tục không gian Chuyển động xen kẽ (Joint-interpolated motion) Nội suy cung trịn Nội suy tuyến tính Phối hợp chuyển động tuyến tính: tất trục khởi động dừng các bước chuyển động thời gian 10