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

Vì vậy, với những kiến thức em được thầy côhướng dẫn và truyền đạt là cơ sở để em nghiên cứu, phát triển đồ án “Thiết kế hệthống điều khiển cho Robot Scara”.Trong thời gian làm đồ án, em

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Thiết kế hệ thống điều khiển robot SCARA ba bậc tự VŨ QUANG HUY huy.vq195051@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Chuyên ngành Hệ thống điện tử thông minh Giảng viên hướng dẫn: TS.GVC Nguyễn Trọng Du Chữ ký GVHD Bộ môn: Trường: Cơ điện tử Cơ khí HÀ NỘI, 1/2024 LỜI NĨI ĐẦU Hơn nửa kỷ qua, khoa học, kỹ thuật cơng nghệ nước ta có bước chuyển biến tích cực phương diện, có nhiều đóng góp quan trọng vào nghiệp phát triển kinh tế - xã hội đất nước Trong bối cảnh toàn cầu hóa xu hướng phát triển kinh tế, hết, khoa học, kỹ thuật công nghệ biểu “chìa khóa” phát triển xã hội Những sản phẩm xuất thường xuyên sống người Từ công việc nhẹ nhàng cơng việc khó khăn nguy hiểm có máy móc làm thay người Với phát triển mạnh mẽ nêu trên, đòi hỏi người phải hiểu biết nhiều để làm chủ cơng nghệ đại Vì vậy, với kiến thức em thầy cô hướng dẫn truyền đạt sở để em nghiên cứu, phát triển đồ án “Thiết kế hệ thống điều khiển cho Robot Scara” Trong thời gian làm đồ án, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô khoa Cơ Điện Tử - Trường Cơ Khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, người giúp đỡ em trình thực hiện, đặc biệt thầy Nguyễn Trọng Du tận tình hướng dẫn trực tiếp chúng em trình làm đồ án, bổ sung cho chúng em kiến thức học thuật hỗ trợ lớn mặt tinh thần Do thời gian làm đồ án có hạn kiến thức cịn hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy/cơ để đồ án hoàn thiện Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Sinh viên thực MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA 1.1 Giới thiệu chung Robot SCARA .1 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Ứng dụng Robot SCARA 1.1.3 Ưu điểm Robot SCARA 1.1.4 Nhược điểm Robot SCARA 1.2 Một số loại Robot SCARA 1.3 Yêu cầu thiết kế .3 1.4 1.3.1 Hệ thống khí 1.3.2 Hệ thống điện tử 1.3.3 Phần mềm điều khiển Kết luận CHƯƠNG PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT .5 2.1 2.2 2.3 Nguyên lý hoạt động 2.1.1 Phân tích nguyên lý hoạt động 2.1.2 Các thông số kỹ thuật quan trọng .5 Xác định thành phần hệ thống điều khiển .5 2.2.1 Động 2.2.2 Bộ nguồn 2.2.3 Bộ điều khiển động Kết luận CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 3.2 3.3 Động học Robot SCARA 3.1.1 Động học thuận Robot SCARA 3.1.2 Động học ngược Robot SCARA 12 Động lực học Robot SCARA 13 3.2.1 Động lực học thuận 14 3.2.2 Động lực học ngược 20 Thiết kế quỹ đạo chuyển động .20 3.3.1 Mơ hình hố động điện chiều .24 3.3.1 Mơ hình hoá xác định hàm truyền khâu 29 3.3.2 Đánh giá tính ổn định, xác định sai lệch tĩnh 31 3.4 Thiết kế điều khiển PID 36 3.5 Mô phỏng, phân tích đánh giá tiêu kỹ thuật hệ thống 39 3.6 Lựa chọn phần tử cho hệ thống điều khiển 42 3.7 Các mạch điện ghép nối phần tử .53 3.8 Kết luận 54 CHƯƠNG LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 55 4.1 Thiết kế giao diện điều khiển .55 4.2 Mơ hình Simulink điều khiển Robot 56 4.3 Kết mô 56 4.4 Kết luận 59 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 62 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Robot SCARA .1 Hình 1-2 Ứng dụng Robot SCARA Hình 1-3 Robot SCARA Denso HM-G Hình 1-4 Robot SCARA Fanuc SR 6iA Robot SCARA Epson .3 Hình 2-1 Động bước Hình 2-2 Nguồn Adaptor tổ ong Hình 2-3 Driver điều khiển động .7 Hình 2-4 Dây cáp RS 232, Arduino Mega Hình 3-1 Sơ đồ động học Robot SCARA bậc tự Hình 3-2 Không gian làm việc Robot 10 Hình 3-3 Khơng gian làm việc Robot 2D .10 Hình 3-4 Hệ tọa độ khối tâm Robot 13 Hình 3-5 Quỹ đạo chuyển động Robot 20 Hình 3-6 Mơ hình Simulink thiết kế quỹ đạo chuyển động 22 Hình 3-7 Quỹ đạo biến khớp khâu .23 Hình 3-8 Quỹ đạo biến khớp khâu 23 Hình 3-9 Quỹ đạo biến khớp khâu 24 Hình 3-10 Sơ đồ khối Robot bao gồm hộp số .24 Hình 3-11 Sơ đồ nguyên lý động 26 Hình 3-12 Sơ đồ khối mạch điện phần ứng 26 Hình 3-13 Sơ đồ khối phần mơ – men điện từ 27 Hình 3-14 Sơ đồ khối phần mơ – men cân động 27 Hình 3-15 Sơ đồ khối động 27 Hình 3-16 Sơ đồ khối động 28 Hình 3-17 Sơ đồ trục vít me – đai ốc bi 29 Hình 3-18 Sơ đồ khối trục vít me – đai ốc bi 30 Hình 3-19 Sơ đồ khối khâu 30 Hình 3-20 Đồ thị Nyquist hàm truyền Gkhau (s ) 31 Hình 3-21 Đồ thị Nyquist hàm truyền Gk h au (s ) 32 Hình 3-22 Đồ thị Nyquist hàm truyền Gkhau (s) 33 Hình 3-23 Sơ đồ khối tính sai lệch tĩnh với đầu vào u(t)=1(t) 34 Hình 3-24 Đồ thị đáp ứng khớp 34 Hình 3-25 Đồ thị đáp ứng khớp 35 Hình 3-26 Đồ thị đáp ứng khớp 35 Hình 3-27 Mơ hình điều khiển PID 36 Hình 3-28 Sơ đồ khối điều khiển PID 37 Hình 3-29 Sơ đồ khối PID điều khiển động 37 Hình 3-30 Đồ thị đáp ứng khâu với điều khiển PID 38 Hình 3-31 Đồ thị đáp ứng khâu với điều khiển PID 38 Hình 3-32 Đồ thị đáp ứng khâu với điều khiển PID 39 Hình 3-33 Mơ hình CAD robot Matlab .39 Hình 3-34 Khối 3D Scara robot 40 Hình 3-35 Mơ hình hệ thống điều khiển tồn robot .40 Hình 3-36 Khối Position Reference (Thiết kế quỹ đạo) 41 Hình 3-37 Khối động DC .41 Hình 3-38 Giá trị biến khớp khâu 42 Hình 3-39 Sai số biến khớp khâu .42 Hình 3-40 Vận tốc khâu 43 Hình 3-41 Giá trị biến khớp khâu 43 Hình 3-42 Sai số biến khớp khâu .44 Hình 3-43 Vận tốc khâu 44 Hình 3-44 Giá trị biến khớp khâu 45 Hình 3-45 Sai số biến khớp khâu .45 Hình 3-46 Vận tốc khâu 46 Hình 3-47 Động điều khiển hãng Yaskawa 47 Hình 3-48 Thơng số kỹ thuật dịng động SGMAV 48 Hình 3-49 Giao diện điều khiển SGDV – 5R5A .48 Hình 3-50 Sơ đồ chân I/O cổng CN1 servo driver SGDV – 5R5A .50 Hình 3-51 Phương pháp xuất xung điều khiển servo chế độ điều khiển vị trí 51 Hình 3-52 Vi điều khiển STM32F407 DISCOVERY 52 Hình 4-1 Giao diện điều khiển Robot Scara .55 Hình 4-2 Sơ đồ Simulink điều khiển Robot 56 Hình 4-3 Kết mô động học thuận 57 Hình 4-4 Kết mơ động học nghịch 57 Hình 4-5 Điều khiển quỹ đạo trịn .58 Hình 4-6 Điều khiển quỹ đạo xoắn ốc 58 Hình 4-7 Robot vị trí gốc 58 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1 Bảng D-H Robot SCARA bậc tự Bảng 3-2 Vị trí trọng tâm khâu .14 Bảng 3-3 Thông số quỹ đạo chuyển động 21 Bảng 3-4 Bảng thông số động servo sử dụng Robot SCARA 29 Bảng 3-5 Bảng Routh hàm truyền 31 Bảng 3-6 Bảng Routh hàm truyền 32 Bảng 3-7 Bảng Routh hàm truyền 33 Bảng 3-8 Thông số PID Controller .37 Bảng 3-9 So sánh biến tần điều khiển Servo .46 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA Chương này, em trình bày sơ lược lịch sử hình thành Robot SCRA bậc tự Đưa số đánh giá ưu điểm, nhược điểm giới thiệu số loại Robot Em trình bày tóm tắt u cầu đồ án bao gồm yêu cầu hệ thống khí, hệ thống điện, phần mềm cách điều khiển 1.1 Giới thiệu chung Robot SCARA 1.1.1 Giới thiệu chung SCARA viết tắt “Selective Compliance Assembly Robot Arm” hay “Selective Compliance Articulated Robot Arm” Cánh tay cứng theo trục Z dễ uốn trục XY, Nhờ bố trí khớp trục song song SCARA, cánh tay di chuyển mặt phẳng XY cứng nhắc theo hướng 'Z', (Selective Compliance) Điều thuận lợi cho nhiều loại hoạt động lắp ráp, tức là, chèn pin tròn vào lỗ tròn mà khơng ràng buộc Thuộc tính thứ hai SCARA bố trí cánh tay hai liên kết tương tự cánh tay người (Articulated) Tính cho phép cánh tay mở rộng vào khu vực hạn chế sau rút lại "gập lại" khỏi đường Điều thuận lợi cho việc chuyển phận từ ô sang ô khác để tải/dỡ tải trạm xử lý đính kèm SCARA thường nhanh hệ thống robot Descartes tương đương Giá treo bệ đơn họ yêu cầu dấu chân nhỏ cung cấp hình thức lắp dễ dàng, không bị cản trở Mặt khác, SCARA đắt hệ thống Descartes tương đương phần mềm điều khiển yêu cầu chuyển động học nghịch đảo cho chuyển động nội suy tuyến tính, Tuy nhiên, Phần mềm thường kèm với SCARA thường minh bạch người dùng cuối Hình 1-1 Robot SCARA 1.1.2 Ứng dụng Robot SCARA Scara robot loại robot công nghiệp mang tính ứng dụng cao Chuyển động tay máy Scara giúp có khả gắp đặt vật liệu hồn hảo Vì vậy, ứng dụng nhiều dây chuyền sản xuất có cơng đoạn cơng việc Hơn nữa, sử dụng cho công việc liên quan đến hàn xì xưởng khí chế tạo Scara robot applications – ứng dụng Scara – đề tài nhiều doanh nghiệp quan tâm Liệu robot có mang đến hiệu cơng việc tối ưu, thay cho sức người công việc nặng nhọc? Thực tế chứng minh loại robot cánh tay máy hoàn toàn đáp ứng vượt trội kỳ vọng người Trong phát triển cơng nghiệp hóa, đại hóa, cánh tay máy đóng vai trò quan trọng việc thay người thực công việc phức tạp với thời gian làm việc 24/24, cơng suất tốt khơng có sai sót Trong mơi trường làm việc độc hại, nhiễm phóng xạ chất độc, xuất Scara biện pháp tốt để đảm bảo an tồn cho người lao động Hình 1-2 Ứng dụng Robot SCARA 1.1.3 Ưu điểm Robot SCARA Loại robot có nhiều ưu điểm bật:  Tốc độ: Được thiết kế tự động hóa hoạt động có lập trình sẵn, tốc độ Scara tốt nhiều so với tốc độ người Nó không cần e ngại điều kiện làm việc nào, đảm bảo tốc độ hồn hảo cài đặt dù môi trường nhiệt độ cao hay hóa chất  Độ xác tuyệt đối: Khi yêu cầu doanh nghiệp kiểm soát lực lượng xác tốt, Scara có lợi bật hẳn Ví dụ khí chế tạo máy hay lắp ráp điện tử, quy trình lắp ráp yêu cầu phải chèn chốt, đảm bảo gài cách việc chỉnh hoàn hảo để thực vấn đề Với Scara, kiểm sốt lực định hướng, tác động thao tác xác với lực phù hợp, vừa đảm bảo hồn thành cơng việc vừa không ảnh hưởng đến linh kiện hay thiết bị cần hoàn thiện  Độ lặp lại: Một cơng việc mang tính lặp lặp lại khiến người cảm thấy mệt mỏi chán nản Thậm thái thái độ làm việc bị tác động khơng nhỏ Trong đó, Scara hồn tồn khắc chế vấn đề Đây ưu điểm chung robot, robot ngày nghiên cứu mở rộng để thay người cơng việc chân tay mang tính tuần hoàn liên tục 1.1.4 Nhược điểm Robot SCARA  Tải trọng: Tải trọng Robot Scara thường nhỏ so với Robot tay máy công nghiệp khác với tải trọng tối đa khoảng 30kg Đa phần Robot Scara thường có tải trọng khoảng 5-15kg  Độ linh hoạt: Trục z Robot scara dễ bị hạn chế chiều dài hoạt động so với cấu trúc robot Descartes, hay robot toạ độ cầu 1.2 Một số loại Robot SCARA Hình 1-3 Robot SCARA Denso HM-G Hình 1-4 Robot SCARA Fanuc SR 6iA Robot SCARA Epson 1.3 Yêu cầu thiết kế