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 MƠN HỌC Phần 1: Phân tích lựa chọn cấu trúc robot Phần 2: Bài toán động học robot Phần 3: Thiết kế robot Phần 4: Tính tốn 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 Phân tích lựa chọn cấu trúc robot 1.1 Phân tích chức nhiệm vụ robot 1.2 Phân tích yêu cầu đáp ứng điều kiện làm việc robot 1.3 Lựa chọn mơ hình hóa cấu trúc robot Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC ROBOT Phân tích tính ứng dụng robot Giới thiệu tính ứng dụng robot cơng nghiệp sống; Robot ứng dụng lĩnh vực gì? Điều kiện làm việc robot? Robot làm việc điều kiện nhiệt độ cao? Robot làm việc điều kiện có hóa chất? Robot làm việc điều kiện có từ trường mạnh? u cầu hành trình điểm thao tác Robot thao tác 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 khơng gian thao tác robot: + Giới hạn không gian thao tác bao nhiêu? + Phân tích sơ hướng thao tác khâu Phân tích yêu cầu độ xác q trình làm việc + Từ yêu cầu điểm thao tác => phân tích khả đáp ứng yêu cầu đưa kích thước sơ khớp + Từ yêu cầu điểm thao tác sơ kích thước lựa chọn mơ hình robot phù hợp Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.3 LỰA CHỌN VÀ MƠ HÌNH HĨA CẤU TRÚC ROBOT Từ phân tích cấu trúc => lựa chọn mơ hình robot phù hợp: + Dạng chuyển động khớp? + Hệ dẫn động khớp tương ứng? Mơ hình hóa cấu trúc robot + Mơ hình hóa cấu trúc robot + Sơ kích thước khớp Robot hàn RRR Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering PHẦN II Phần Bài tốn động học robot 2.1 Lựa chọn sơ kích thước robot, đặt hệ trục tọa độ 2.2 Bài toán động học thuận robot 2.3 Bài toán động học ngược robot Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 2.1 LỰA CHỌN SƠ BỘ KÍCH THƯỚC ROBOT, ĐẶT HỆ TRỤC TỌA ĐỘ Mơ hình hóa hệ robot, đặt hệ tọa độ kích thước sợ Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 2.2 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN ROBOT Bước 1: Lập bảng thông số động học D-H-Craig robot Bước 2: Xây dựng ma trận D-H-Craig địa phương Bước 3: Tính ma trận Craig tổng thể Bước 4: Tính vận tốc góc, vận tốc dài khâu Bước 5: Tính gia tốc góc, gia tốc dài khâu Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 2.3 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ROBOT Biết vị trí điểm thao tác; vận tốc di chuyển điểm => Cần tìm phương trình chuyển động khâu thao tác cuối => Chuyển động biến khớp Bước 1: Viết phương trình quỹ đạo thao tác (hoặc tập hợp tọa độ điểm thao tác theo phương pháp số) Bước 2: Từ tọa độ điểm thao tác cuối => giá trị biến khớp ứng với giá trị Bước 3: Giải phương trình để tìm giá trị tọa độ suy rộng tương ứng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 10 PHẦN III Phần Thiết kế robot 3.1 Thiết kế 3D robot 3.2 Mô chuyển động robot 3.3 Mô lắp ráp robot Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 11 3.1 THIẾT KẾ 3D ROBOT Bước 1: Từ phân tích chức năng, nhiệm vụ, cấu trúc sơ kích thước => thiết kế robot theo kích thước chọn Bước 2: Lập vẽ tách robot, đánh ký hiệu cụm chi tiết, đánh số chi tiết Bước 3: Lập vẽ chi tiết khâu Bước 4: Lập vẽ nguyên cơng khâu khâu Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 12 3.2 MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG ROBOT Bước 1: Từ mơ hình thiết kế => đưa mơ hình môi trường mô chuyển động Bước 2: Thiết lập chế chuyển động cho khớp Bước 3: Lập bảng thời gian chuyển động Bước 4: Mô Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 13 3.3 MÔ PHỎNG LẮP RÁP ROBOT Bước 1: Từ mơ hình thiết kế => Tạo vẽ tách robot Bước 2: xoay hướng tách cho dễ quan sát Bước 3: Tách toàn khớp Bước 4: Mô tháo lắp robot Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 14 PHẦN IV Phần Tính tốn động lực học robot 4.1 Xác định tham số động lực học 4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động robot Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 15 4.1 XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ ĐỘNG LỰC HỌC 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 + Mơmen qn tính Bước 2: Sử dụng phần mềm Solidworks để tính tốn, lấy tham số động học khâu thông qua công cụ Evaluate/Mass Properties Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 16 4.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT Các bước thiết lập phương trình vi phân chuyển động: Bước 1: Xác định ma trận tọa độ khối tâm khâu Bước 2: Chuyển tọa độ ma trận khối tâm thuộc hệ tọa độ địa phương ( i) R hệ tọa độ gốc rC = CiuC i i Bước 3: Xác định ma trận Jacobi tịnh tiến Jacobi quay khâu Bước 4: Tính ma trận khối lượng suy rộng qua biểu thức: M = ∑ ( m1J TTi J Ti + J TRi A i I i A Ti J Ri ) i =1 17 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 4.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT Các bước thiết lập phương trình vi phân chuyển động: Bước 5: Xác định ma trận hệ qua biểu thức.: Π = m1 gzC1 + m2 gzC + m3 gzC Bước 6: Xác định ma trận Coriolis hệ qua biểu thức: ∂M ( q ) ∂M ( q ) C ( q, qɺ ) = ( I n ⊗ qɺ ) − ( qɺ ⊗ I n ) ∂q ∂q T Bước 7: Thiết lập phương trình Lagrange loại II: ɺɺ + C ( q, qɺ ) qɺ + g ( q ) = τ M (q )q Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 18 PHẦN V Phần Thiết kế hệ thống dẫn động 5.1 Phân tích lựa chọn hệ dẫn động cho khâu dẫn 5.2 Tính chọn động cho khâu dẫn Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 19 5.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG Các bước tính chọn động bước: + Bước 1: Dựa điều khiển hệ thống => Chọn nguồn điện động với điều khiển tương ứng + Bước 2: Dựa kiện thực tế toán động học => Xác định mơ men vị trí động + Bước 3: Dựa kiện thực tế => Xác định bước di chuyển nhỏ hệ thống => Bước góc cần thiết động phải đạt + Bước 4: Dựa số liệu mô men, điện áp bước góc => Lựa chọn động phù hợp Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 20 10 5.2 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ CHO KHẪU DẪN Các bước tính chọn xylanh thủy lực, khí nén: + Bước 1: Chọn loại nguồn dẫn động có sẵn; Ví dụ: nhà máy sử dụng nguồn khí nén có áp suất bar ~ 600000 N/m2 + Bước 2: Dựa toán động học, xác định lực cần tác động vị trí xylanh cần thiết + Bước 3: Từ lực tính tốn áp suất khí => Tính đường kính hành trình xylanh cần thiết + Bước 4: Dựa số liệu đường kính hành trình => Lựa chọn xylanh phù hợp Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 21 PHẦN VI Phần Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot 6.1 Vẽ sơ đồ mạch hệ thống điều khiển; vị trí đặt cảm biến cho 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 22 11 6.1 VẼ SƠ ĐỒ MẠCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Các bước vẽ sơ đồ mạch hệ thống điều khiển: + Bước 1: Lập bảng tín hiệu vào cho hệ thống + Bước 2: Kiểm tra vị trí đặt cảm biến cho robot + Bước 3: Vẽ sơ đồ mạch điều khiển + Bước 4: Giải thích nguyên lý hoạt động điều khiển robot + Bước 5: Lập trình điều khiển robot Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 23 6.2 SỬ DỤNG MATLAB SIMULINK XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT Các bước xây dựng hệ điều khiển matlab simulink: + Bước 1: Chuẩn hóa hệ tọa độ robot tương đồng với tọa độ khai báo matlab simulink + Bước 2: Xuất khâu robot dạng STL để đưa vào simulink + Bước 3: xây dựng hệ điều khiển cho robot + Bước 4: Mô Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 24 12