Bài giảng đồ án hệ thống cơ điện tử

Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢIKHOA CƠ KHÍĐỒ ÁNHỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬBộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tửHà Nội - 2022Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic EngineeringNỘI DUNG MÔN HỌ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Hà Nội - 2022

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

NỘI DUNG MÔN HỌC

Phần 1: Phân tích và lựa chọn cấu trúc robot

Phần 2: Bài toán động học robot

Phần 3: Thiết kế robot

Phần 4: Tính toán động lực học robot

Phần 5: Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot

Phần 6: Thiết kế hệ thống điều khiển robot

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

PHẦN I

Phần 1

Phân tích và lựa chọn cấu trúc robot

1.1 Phân tích chức năng nhiệm vụ của robot

1.2 Phân tích yêu cầu đáp ứng điều kiện làm việc của robot

1.3 Lựa chọn và mô hình hóa cấu trúc robot

1.1 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC ROBOT

Phân tích về tính ứng dụng của robot

Giới thiệu về tính ứng dụng của robot trong công nghiệp và cuộc

sống; Robot được ứng dụng trong lĩnh vực gì?

Điều kiện làm việc của robot?

Robot làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao?

Robot làm việc trong điều kiện có hóa chất?

Robot làm việc trong điều kiện có từ trường mạnh?

Yêu cầu về hành trình điểm thao tác

Robot thao tác ở 2 điểm đầu cuối hay có điểm trung gian?

Robot thao tác theo quỹ đạo thẳng hay quỹ đạo cong bất kỳ?

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

1.2 PHÂN TÍCH YÊU CẦU ĐÁP ỨNG ĐIỀU KIỆN

LÀM VIỆC CỦA ROBOT

Phân tích không gian thao tác của robot:

+ Giới hạn không gian thao tác là bao nhiêu?

+ Phân tích sơ bộ hướng thao tác của các khâu

Phân tích yêu cầu về độ chính xác trong quá trình làm việc

+ Từ yêu cầu về điểm thao tác => phân tích khả năng đáp ứng yêu

cầu và đưa ra kích thước sơ bộ của các khớp

+ Từ yêu cầu điểm thao tác và sơ bộ kích thước lựa chọn mô hình

robot phù hợp

1.3 LỰA CHỌN VÀ MÔ HÌNH HÓA CẤU TRÚC ROBOT

Từ các phân tích cấu trúc ở trên => lựa chọn mô hình robot phù

hợp:

+ Dạng chuyển động của các khớp?

+ Hệ dẫn động các khớp tương ứng?

Mô hình hóa cấu trúc robot

+ Mô hình hóa cấu trúc robot

+ Sơ bộ kích thước các khớp

Robot hàn RRR

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

Phần 2

Bài toán động học robot

2.1 Lựa chọn sơ bộ kích thước robot, đặt hệ trục tọa độ

2.2 Bài toán động học thuận robot

2.3 Bài toán động học ngược robot

PHẦN II

2.1 LỰA CHỌN SƠ BỘ KÍCH THƯỚC ROBOT, ĐẶT

HỆ TRỤC TỌA ĐỘ

Mô hình hóa hệ robot, đặt hệ tọa độ và kích thước sợ bộ

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

Bước 1: Lập bảng thông số động học D-H-Craig của robot

Bước 2: Xây dựng các ma trận D-H-Craig địa phương

Bước 3: Tính ma trận Craig tổng thể

Bước 4: Tính vận tốc góc, vận tốc dài các khâu

Bước 5: Tính gia tốc góc, gia tốc dài các khâu

2.2 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT

Biết vị trí điểm thao tác; vận tốc di chuyển giữa 2 điểm => Cần tìm

phương trình chuyển động của khâu thao tác cuối => Chuyển động

của các biến khớp

Bước 1: Viết phương trình quỹ đạo thao tác (hoặc tập hợp tọa độ các

điểm thao tác theo phương pháp số)

Bước 2: Từ tọa độ của điểm thao tác cuối => giá trị của các biến khớp

ứng với mỗi giá trị

Bước 3: Giải phương trình để tìm ra giá trị các tọa độ suy rộng tương

ứng

2.3 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ROBOT

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

Phần 3

Thiết kế robot

3.1 Thiết kế 3D robot

3.2 Mô phỏng chuyển động robot

3.3 Mô phỏng lắp ráp robot

PHẦN III

Bước 1: Từ phân tích chức năng, nhiệm vụ, cấu trúc và sơ bộ kích

thước => thiết kế robot theo kích thước đã chọn

Bước 2: Lập bản vẽ tách robot, đánh ký hiệu từng cụm chi tiết, đánh

số chi tiết

Bước 3: Lập bản vẽ chi tiết khâu chính

Bước 4: Lập bản vẽ nguyên công 1 khâu trong các khâu chính

3.1 THIẾT KẾ 3D ROBOT

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

Bước 1: Từ mô hình đã thiết kế => đưa mô hình về môi trường mô

phỏng chuyển động

Bước 2: Thiết lập cơ chế chuyển động cho từng khớp

Bước 3: Lập bảng thời gian chuyển động

Bước 4: Mô phỏng

3.2 MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG ROBOT

Bước 1: Từ mô hình đã thiết kế => Tạo bản vẽ tách robot

Bước 2: xoay hướng tách sao cho dễ quan sát nhất

Bước 3: Tách toàn bộ các khớp

Bước 4: Mô phỏng tháo lắp robot

3.3 MÔ PHỎNG LẮP RÁP ROBOT

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

Phần 4

Tính toán động lực học robot

4.1 Xác định tham số động lực học

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của

robot

PHẦN IV

Các bước xác định tham số động lực học:

Bước 1: Xây dựng bảng tham số động lực học:

+ Vị trí khối tâm

+ Khối lượng

+ Mômen quán tính

Bước 2: Sử dụng phần mềm Solidworks để tính toán, lấy các tham số

động học của từng khâu thông qua công cụ Evaluate/Mass Properties

4.1 XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ĐỘNG LỰC HỌC

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

Các bước thiết lập phương trình vi phân chuyển động:

Bước 1: Xác định ma trận tọa độ khối tâm các khâu.

Bước 2: Chuyển tọa độ ma trận khối tâm thuộc hệ tọa độ địa phương về

hệ tọa độ gốc

Bước 3: Xác định ma trận Jacobi tịnh tiến và Jacobi quay của các khâu

Bước 4: Tính ma trận khối lượng suy rộng qua biểu thức:

4.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN

ĐỘNG CỦA ROBOT

( )

0

i R

C = i C

r Cu

3 1 1

Ti Ti Ri i i i Ri i

m

=

Các bước thiết lập phương trình vi phân chuyển động:

Bước 5: Xác định ma trận thế năng của hệ qua biểu thức.:

Bước 6: Xác định ma trận Coriolis của hệ qua biểu thức:

Bước 7: Thiết lập phương trình Lagrange loại II:

4.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN

ĐỘNG CỦA ROBOT

1 1 2 2 3 3

Π =m gz C +m gz C +m gz C

2

T

= ⊗ −  ⊗ 

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

Phần 5

Thiết kế hệ thống dẫn động

5.1 Phân tích lựa chọn hệ dẫn động cho khâu dẫn

5.2 Tính chọn động cơ cho khâu dẫn

PHẦN V

Các bước tính chọn động cơ bước:

+ Bước 1: Dựa trên bộ điều khiển của hệ thống => Chọn nguồn điện

của động cơ với bộ điều khiển tương ứng

+ Bước 2: Dựa trên các dữ kiện thực tế và bài toán động học => Xác

định mô men tại vị trí động cơ

+ Bước 3: Dựa trên dữ kiện thực tế => Xác định bước di chuyển nhỏ

nhất của hệ thống => Bước góc cần thiết động cơ phải đạt được

+ Bước 4: Dựa trên số liệu mô men, điện áp và bước góc => Lựa chọn

5.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

Các bước tính chọn xylanh thủy lực, khí nén:

+ Bước 1: Chọn loại nguồn dẫn động có sẵn; Ví dụ: trong nhà máy sử

dụng nguồn khí nén có áp suất 6 bar ~ 600000 N/m2

+ Bước 2: Dựa trên bài toán động học, xác định lực cần tác động tại vị

trí xylanh cần thiết

+ Bước 3: Từ lực tính toán và áp suất khí => Tính được đường kính và

hành trình xylanh cần thiết

+ Bước 4: Dựa trên số liệu đường kính và hành trình => Lựa chọn

xylanh phù hợp

5.2 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ CHO KHẪU DẪN

PHẦN VI

Phần 6

Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot

6.1 Vẽ sơ đồ mạch hệ thống điều khiển; vị trí đặt cảm

biến cho từng biến khớp

6.2 Sử dụng matlab simulink xây dựng hệ điều khiển cho

robot

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

Các bước vẽ sơ đồ mạch hệ thống điều khiển:

+ Bước 1: Lập bảng các tín hiệu vào ra cho hệ thống

+ Bước 2: Kiểm tra các vị trí đặt cảm biến cho robot

+ Bước 3: Vẽ sơ đồ mạch điều khiển

+ Bước 4: Giải thích nguyên lý hoạt động và điều khiển robot

+ Bước 5: Lập trình điều khiển robot

6.1 VẼ SƠ ĐỒ MẠCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Các bước xây dựng hệ điều khiển bằng matlab simulink:

+ Bước 1: Chuẩn hóa hệ tọa độ trên robot tương đồng với tọa độ khai

báo trên matlab simulink

+ Bước 2: Xuất các khâu của robot dưới dạng STL để đưa vào simulink

+ Bước 3: xây dựng hệ điều khiển cho robot

+ Bước 4: Mô phỏng

6.2 SỬ DỤNG MATLAB SIMULINK XÂY DỰNG HỆ

ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT