TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGH CỆ ẦN THƠ KHOA K THUỸ ẬT CƠ KHÍ--- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT SCARA CÁN BỘ HƯỚNG D N: Ẫ SINH VIÊN TH C HI N: Ự Ệ...
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGH CỆ ẦN THƠ KHOA K THUỸ ẬT CƠ KHÍ
-
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT SCARA
CÁN BỘ HƯỚNG D N: Ẫ SINH VIÊN TH C HI N: Ự Ệ
Trang 2Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
Trang 3Nhận xét của giáo viên phản biện
Trang 4CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH T I Ạ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
Cán bộ hướng dẫn: Ths ĐƯỜNG KHÁNH SƠN
Luận văn đạ ọc đượi h c bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơ
Xác nh n c a Ban chậ ủ ấm đánh giá sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
TRƯỞNG BAN UỶ VIÊN PHẢN BI N Ệ THƯ KÝ
Trang 5NHIỆM V LUỤ ẬN VĂN ĐẠI HỌC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CẦN THƠ -
KHOA K THU T Ỹ Ậ CƠ KHÍ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - T do - H nh phúcự ạ
Họ và tên sinh viên: TRẦN CHÍ NGUYỆN Ngày, tháng, năm sinh: 01/10/1997
Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG TẤN THÀNH Ngày, tháng, năm sinh: 29/01/1997
Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
Nhiệm vụ: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo một robot Scara phân loại sản phẩm điều khiển bằng máy tính
Nội dung:
- Thiết kế hoàn chỉnh mô hình 3D của robot và tiến hành mô phỏng 3D trên Matlab Simulink
- Thiết kế, chế tạo mô hình robot Scara phục vụ cho học tập, nghiên cứu
- Xây dựng bộ điều khiển PID cho robot, đồng thời xây dựng dựng giao diện
Cần Thơ, ngày 07 tháng 06 năm 2019 KHOA K THU T Ỹ Ậ CƠ KHÍ
Trang 6LỜI CẢM ƠN
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang I LỜI CẢM ƠN
Đề tài được hoàn thành trong s h trự ỗ ợ và động viên r t nhi u tấ ề ừ gia đình, người thân, thầy cô cũng như bạn bè thân thuộc Cảm ơn ba mẹ đã luôn cùng con đi suốt những tháng ngày khó khăn qua.
Đặc biệt cảm ơn thầy Đường Khánh Sơn đã tạo điều kiện và hướng dẫn em cách h c tọ ập cũng như nghiên cứu để hoàn thành tốt đề tài này
Chân thành cảm ơn những ngườ ại b n vẫn luôn đồng hành cùng mình c trong ả những lúc khó khăn nhất
Cảm ơn quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Cơ Khí của Trường Đại học Kỹ Thuật - Công Ngh Cệ ần Thơ luôn c m thông và tả ạo điều ki n t t cho em trong su t ệ ố ố thời gian h c t p tọ ậ ại trường
Qua đây em cũng rất mong nhận được nh ng ý kiữ ến đóng góp quý báu của quý th y cô trong hầ ội đồng b o v khóa lu n t t nghi p ả ệ ậ ố ệ
Cuối cùng xin chúc gia đình, người thân, quý th y cô cùng b n bè nhi u sầ ạ ề ức khỏe và thành công trong m i vi c ọ ệ
Trang 7LỜI CAM ĐOAN
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang II LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan về công trình nghiên cứu cho luận văn tốt nghiệp là được thực hi n b i cá nhân em và sệ ở ự h trỗ ợ và hướng d n c a th y ẫ ủ ầ Đường Khánh Sơn, nếu có điều gì sai sót theo lời cam đoan em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
Trang 8TÓM T T LUẮ ẬN VĂN
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang III
Đề tài luận văn “Thiết k và ch t o mô hình robot Scara phân lo i s n phế ế ạ ạ ả ẩm” trình bày các phương pháp, quá trình thiết kế lắp đặt tạo ra một mô hình robot Scara 3 b c t do chuyậ ự ển động linh ho t và chính xác, bên cạ ạnh đó xây dựng bộ điều khiển động cơ bằng bộ điều khiển PID giúp động cơ hoạt động chính xác theo mong muốn của người điều khi n, xây dể ựng thêm giao di n quệ ản lí điều khi n trên máy ể tính giúp người dùng dễ dàng thao tác cũng như vận hành robot
Trang 91.2 Giới thiệu sơ lược về robot: 4
1.2.1 L ch s hình thành và phát tri n cị ử ể ủa robot: 4
1.2.2 Tình hình phát tri n c a robot trên th giể ủ ế ới: 6
1.2.3 Tình hình phát tri n c a robot t i Viể ủ ạ ệt Nam: 8
1.2.4 Các ng d ng cứ ụ ủa robot: 9
1.2.4.1 Các ưu điểm khi s dử ụng robot: 9
1.2.4.2 M t sộ ố lĩnh vực ứng dụng: 9
1.3 Gi i thiớ ệu sơ lược về Scara Robot: 11
1.4 Mô hình robot Scara của sinh viên đạ ọc Nha Trang: 13i h 1.5 Mô hình robot Scara của sinh viên đạ ọi h c Công Nghi p Hà Nệ ội: 14
1.6 Hướng giải quyết nghiên cứu cho đề tài sắp tới: 15
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16
2.1 Đối tượng nghiên cứu: 16
Trang 10MỤC L C Ụ
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang ii
2.1.1 Gi i thiớ ệu đề tài: 16
2.1.2 Tiêu chu n cho mẩ ột robot Scara: 17
2.1.3 Nh ng ng d ng mà robot Scara mang lữ ứ ụ ại: 17
2.2 Phương pháp nghiên cứu: 17
2.2.1 Lí thuy t v bế ề ộ điều khiển PID: 17
2.2.2 Bộ điều khi n PID sể ố: 19
2.2.3 Chỉnh định tham s bố ộ điều khiển PID: 20
Trang 11MỤC L C Ụ
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang iii
2.2.7.1 Gi i thi u v giao tiớ ệ ề ếp I2C: 34
2.2.7.2 Đặc điểm: 34
2.2.7.3 Ph n cầ ứng: 34
2.2.7.4 Cách th c giao ti p I2C hoứ ế ạt động: 38
2.1.7.5 Các chế độ hoạt động của I2C: 41
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT SCARA 42
3.1 Phân tích và l a chự ọn phương án thi t kế ế 42
3.3.5 Sơ lược về các linh kiện cơ khí dùng để chế tạo robot: 53
3.3.6 Các bước lắp ráp một mô hình robot hoàn chỉnh: 56
3.4 Thi t k mế ế ạch điện điều khiển cho robot: 59
3.4.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển robot: 59
3.4.2 Sơ đồ ạch điện điề m u khiển robot: 60
3.5 Xây d ng gi i thuự ả ật điều khi n PID cho robot: 71ể 3.6 L p trình truy n nh n d li u bậ ề ậ ữ ệ ằng thư viện I2C: 72
3.7 Thi t k giao diế ế ện điều khi n Guide trên Matlab: 73ể 3.7.1 Khái niệm: 73
Trang 12MỤC L C Ụ
3.7.2 Cách s d ng và t o m t giao diử ụ ạ ộ ện Guide: 73
3.7.3 Giao diện guide điều khiển robot: 76
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 78
4.1 K t quế ả: 78
4.1.1 K t qu mô ph ng trên Matlab Simulink: 78ế ả ỏ 4.1.2 K t qu th c nghi m khi áp d ng gi i thuế ả ự ệ ụ ả ật PID: 80
4.3 Định hướng tương lai: 89
TÀI LI U THAM KHỆ ẢO 91
PHỤ LỤC A 92
PHỤ LỤC B 93
Trang 13Hình 1.5: Cánh tay robot 5 b c t do c a hãng YASKAWA MOTOMAN 6ậ ự ủ Hình 1.6: Xe t hành Spirit c a NAự ủ SA đang thám hiểm sao hỏa 6
Hình 1.7: Robot ph u thuẫ ật Da Vinci 7
Hình 1.8: Robot đầu bếp Suzumo 7
Hình 1.9: Cuộc thi ROBOCON 2018 8
Hình 1.10: Robot hàn trong công nghi p s n xuệ ả ất cơ khí 9
Hình 1.11: Robot ABB đượ ử ục s d ng trong dây chuy n s n xu t linh hoề ả ấ ạt 10
Hình 1.12: Robot đóng gói sản phẩm 10
Hình 1.13: Robot s dử ụng trong công đoạn c p v t li u và lấ ậ ệ ắp ráp 11
Hình 1.14: Scara robot FANUC-SR-3 11
Hình 1.15: Cobra 350 Scara Robot 12
Hình 1.16: Scara Robot palletizer 504 13
Hình 1.17: Mô hình robot Scara của sinh viên đạ ọi h c Nha Trang 13
Hình 1.18: Mô hình robot Scara của sinh viên đạ ọi h c công nghi p Hà N i 15ệ ộ Hình 2.1: Sơ đồ khối của bộ P.I.D điều khiển động cơ DC 17
Hình 2.2: Xác định đặc tính của đặc tính quá trình 21
Hình 2.3: Arduino Mega 22
Hình 2.4: T ng quan ph n c ng c a Arduino Uno R3 23ổ ầ ứ ủ Hình 2.5: Arduino Uno và Arduino Nano 25
Trang 14DANH M C HÌNH NH Ụ Ả
Hình 2.6: Arduino Yun và Arduino ethernet 25
Hình 2.7: Arduino Tre và Arduino Robot 25
Hình 2.8: Ph n mầ ềm Arduino 26
Hình 2.9: Các hàm cơ bản trong Arduino 27
Hình 2.10: Màn hình làm vi c cệ ủa Arduino IDE 27
Hình 2.17: Sơ đồ dây truyền dữ liệu I2C 35
Hình 2.18: Sơ đồ kết nối master-slave 36
Hình 2.19: Điều kiện bắt đầu 36
Hình 2.20: Giao th c truy n nh n d liứ ề ậ ữ ệu 37
Hình 2.21: Điều kiện kết thúc 38
Hình 2.22: Thi t b master g i d liế ị ử ữ ệu đến các slave 38
Hình 2.23: Thi t b slave so sế ị ánh địa chỉ được g i tử ừ master 39
Hình 2.24: Thi t b master g i ho c nh n khung d liế ị ử ặ ậ ữ ệu 39
Hình 2.25: Thi t b slave nh n tín hi u thành công và tr v tín hi u cho master 40ế ị ậ ệ ả ề ệ Hình 2.26: Thi t b master gế ị ửi điều ki n d ng báo hi u cho slave 40ệ ừ ệ Hình 2.27: Thi t b master g i d liế ị ử ữ ệu đến thi t bế ị slave 40
Hình 2.28: Thi t b master nh n d li u t thi t bế ị ậ ữ ệ ừ ế ị slave 41
Hình 3.1: G n h tắ ệ ọa độ cho robot 42
Trang 15Hình 3.5: B n v chi tiả ẽ ết khâu trượt và đế robot Scara 49
Hình 3.6: B n thi t k chi ti t 2 khâu quay robot Scara 50ả ế ế ế Hỉnh 3.7: B n v chi ti t khâu tay gả ẽ ế ắp robot Scara 51
Hình 3.8: B n v t ng thả ẽ ổ ể mô hình robot 52
Hình 3.9: B vít-ộ me đạ ốc 53i Hình 3.10: Thanh trượt sắt dài 30cm 53
Hình 3.11: B truyộ ền đai của robot 53
Hình 3.19: Ph n tầ ấm trượ ịt t nh ti n cho robot Scara 56ế Hình 3.20: Tay gắp robot Scara 57
Hình 3.21: Hai khâu quay của robot Scara 57
Hình 3.22: Khâu trượt và đế robot Scara 58
Hình 3.23: Mô hình cơ khí hoàn thiện của robot Scara 58
Hình 3.24: Lưu đồ giải thuật điều khiển robot Scara 59
Hình 3.25: Sơ đồ kết nối mạch điện hệ thống 60
Trang 16DANH M C HÌNH NH Ụ Ả
SVTH: Tr n Chí Nguy n ầ ệ – Trương Tấn Thành Trang viii
Hình 3.26: Sơ đồ chân Arduino Uno 61
Hình 3.27: Các chân năng lượng 63
Hình 3.28: Chân vào ra tín hiệu 63
Hình 3.29: Sơ đồ chân Arduino Nano 64
Hình 3.30: Module L298N 67
Hình 3.31: Ngu n tồ ổ ong 12V-10A 68
Hình 3.32: Động cơ Servo MG995 69
Hình 3.33: Công t c hành trình Hanyoung HY-L707 70ắ Hình 3.34: C a s làm vi c guide quick start 73ử ổ ệ Hình 3.35: Giao diện guide 74
Hình 3.36: C a sử ổ Inspector 75
Hình 3.37: Cách l p trình trên file.fig 75ậ Hình 3.38: Cách tạo file.m 76
Hình 3.39: Giao diện người dùng điều khiển robot Scara 76
Hình 4.1: Mô hình hóa robot Scara trên Matlab Simulink 78
Hình 4.2: Mô hình 3D khi mô phỏng trên Matlab 78
Hình 4.3: K t qu ch y mô ph ng v trí khâu th nhế ả ạ ỏ ị ứ ất robot 79
Hình 4.4: K t qu ch y mô ph ng v trí khâu thế ả ạ ỏ ị ứ hai robot 79
Hình 4.5: K t qu ch y mô ph ng v trí khâu thế ả ạ ỏ ị ứ hai robot 80
Hình 4.6: K t qu ch y th c nghi m PID trên khâu 1 81ế ả ạ ự ệ Hình 4.7: K t qu ch y th c nghi m PID trên khâu 2 81ế ả ạ ự ệ Hình 4.8: K t qu ch y th c nghi m PID trên khâu 3 82ế ả ạ ự ệ Hình 4.9: K t qu ch y mô ph ng ng h c trên thu n giao diế ả ạ ỏ độ ọ ậ ện GUI 82
Hình 4.10: K t qu ch y mô phế ả ạ ỏng động h c thu n th c tọ ậ ự ế 83
Trang 17DANH M C HÌNH NH Ụ Ả
Hình 4.11: K t qu mô phế ả ỏng động h c ngh ch trên giao diọ ị ện GUI 83
Hình 4.12: K t qu ch y mô phế ả ạ ỏng động h c ngh ch th c tọ ị ự ế 84
Hình 4.13: Ch y th nghiạ ử ệm khâu trượt robot Scara 84
Hình 4.14: Ch y th nghi m khâu quay th 1 robot Scara 85ạ ử ệ ứ Hình 4.15: Ch y th nghi m khâu quay th 2 robot Scara 85ạ ử ệ ứ Hình 4.16: Ch y th c t theo chu trình g p 1 vạ ự ế ắ ật 86
Hình 4.17: Ch y th c t theo chu trình th 1 vạ ự ế ả ật 86
Hình 4.18: Ch y th c t theo chu trình g p 3 vạ ự ế ắ ật 87
Hình 4.19: Ch y th c t theo chu trình th 3 vạ ự ế ả ật 87
Trang 18LỜI NÓI ĐẦU
LỜI NÓI ĐẦU
Theo quá trình phát tri n c a xã h i, nhu c u nâng cao s n xu t và chể ủ ộ ầ ả ấ ất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏ ứi ng d ng rụ ộng rãi các phương tiện tự động hóa s n ả xuất Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình thành và phát tri n m nh m , vì th nể ạ ẽ ế gày càng tăng nhanh nhu cầ ứu ng d ng ụ robot t o ra các h s n xu t tđể ạ ệ ả ấ ự động linh ho t Robot ng d ng rạ ứ ụ ộng rãi và đóng vai trò quan tr ng trong s n xuọ ả ất cũng như trong đờ ối s ng Robot là ccơ ấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng c thông qua các truyụ ền động đượ ập trình trước l c Robot có thể thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cánh thông minh Robot có cánh tay với nhiều b c tậ ự do và có th th c hiể ự ện được các chuyển động như tay người và điều khiển được bằng máy tính ho c có thặ ể điều khi n bể ằng chương trình.
Hiện nay vi c áp d ng các ệ ụ ứng d ng c a robot ngày càng tr nên ph bi n, t ụ ủ ở ổ ế ừ những cái đơn giản như: đếm sản phẩm dây chuyền sản xuất, điều khiển động cơ điện một chiều đến những ng dụng ph c tứ ứ ạp như điều khiển robot, hệ th ng kiểm ố soát Vì th là m t kế ộ ỹ sư trong tương lai, em đã nắm bắt được thị hiếu này và tìm hiểu, nghiên cứu để ế ớ ti n t i công ngh cao, xây d ng nên mệ ự ột giai đoạn m i, phát ớ triển m i cho b n thân cho xã h i Vớ ả ộ ới đề tài tài “thiết k và ch t o mô hình robot ế ế ạ Scara phân lo i s n phạ ả ẩm” nhóm tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hi u và tính toán trong bài luể ận văn này sẽ là bước đệm quan tr ng cho ọ việc phát tri n nhiể ều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán và thi t k ế ế các lo i robot công nghi p ạ ệ
Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng do vốn kiến thức còn hạn chế cũng như thời gian còn h n ch nên s không tránh kh i nh ng sai sót và khuyạ ế ẽ ỏ ữ ết điểm trong quá trình tính toán cũng như thi công công mô hình, rất mong được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quí thầy cô cũng như các bạn!
Trang 69CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾT ROBOT SCARA
Bản thi t k 3D t ng th mô hình robot: ế ế ổ ể
Trang 70CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾT ROBOT SCARA
3.3.5 Sơ lược v các linh ki n ề ệ cơ khí dùng để ch t o robot: ế ạ
Thanh tr c vít-ụ me đai ốc dài 30cmm, bước răng 2mm dùng cho khâu chuy n ể động trượt t nh tiến của robot ị
Hình 3.9: B vít-ộ me đạ ối c
Hai thanh trượt sắt dài 30cm dùng làm thanh trượt cho ổ bi của robot
Hình 3.10: Thanh trượ ắt s t dài 30cm
Bộ truyền đai bao gồm 1 pully nhỏ 20 răng và 1 pully lớn 80 răng cùng với dây đai được sử dụng làm bộ truyền động chính c a robot Scara ủ
Hình 3.11: B truyộ ền đai của robot
Trang 71CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾT ROBOT SCARA
Hai bạc đạ đỡ ục dùng để ố địn tr c nh tr c vít-me và gi m ma sát gi a tr c và ụ ả ữ ụ bề mặt đỡ robot
Hình 3.12: Bạc đạn đỡ ụ tr c KFL08
B n ố ổ bi trượt được s d ng làm ph n cử ụ ầ ố định cho cơ cấu trượt, giúp robot chuyển động tịnh tiến dễ dàng hơn.
Hình 3.13: Ổ bi trượt
Các lo i ạ ốc vít thường được s d ng trong mô hình ch y u là các lo i bu ử ụ ủ ế ạ lông đai ốc, lục giác 4mm,5mm và 6mm:
Hình 3.14: c vít Ố
Trang 72CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾT ROBOT SCARA
Hai bộ đầu kẹp lưỡ ắt dùng để ố định động cơ với c c i khâu quay c a robot: ủ
Trang 73CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾT ROBOT SCARA
3.3.6 Các bướ ắc l p ráp m t mô hình robot hoàn ch nh: ộ ỉ
Bước 1: Lắp ráp phần đế cho robot và cố định bạc đạn giữ vít-me vào ph n ầ đế:
Hình 3.18: Đế robot Scara
Bước 2: Ráp các ổ trượt và thiế ế ất k t m trượ ịt t nh ti n cho robot: ế
Hình 3.19: Ph n t m ầ ấ trượ ịt t nh ti n cho robot Scara ế
Trang 74CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾT ROBOT SCARA
Bước 3: Lắp ráp động cơ cho khâu tay gắp:
Hình 3.20: Tay g p robot Scara ắ Bước 4: Lắp đặt và cố định động cơ cho 2 khâu quay:
Hình 3.21: Hai khâu quay c a robot Scara ủ
Trang 75CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾT ROBOT SCARA
Bước 5: Cố định và bố trí các thanh trượt cho khâu đầu tiên, lắp đặt các pully truyền động và tiến hành cho chạy thử khớp trượt đầu tiên
Hình 3.22: Khâu trượ và đết robot Scara Bước 6: Lắp ráp và hoàn thi n mô hình cơ khí cho robot ệ
Hình 3.23: Mô hình khí hoàn thi n c a robot Scara cơ ệ ủ
Trang 76CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾT ROBOT SCARA
3.4 Thi t kế ế mạch điện điều khi n cho robot: ể 3.4.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển robot:
Hình 3.24: Lưu đồ ả gi i thuật điều khi n robot Scara ể
Nguyên lí hoạt động c a mô hình: Tín hiủ ệu điều khi n sể ẽ được g i t máy tính ử ừ thông qua giao diện người dùng được thi t k trên Matlab M t master Arduino Uno ế ế ộ nhận tín hiệu điều khi n thô.ng qua giao ti p c ng COM v i máy tính và gể ế ổ ớ ửi xuống các slave Arduino Nano thông qua chu n giao ti p I2C, sau khi nh n tín hi u các ẩ ế ậ ệ slave biên dịch chương trình và điều khiển động cơ qua module điều khi n trung ể gian L298N, sau khi động cơ quay bộ encoder sẽ trả về thông số xung cho các Arduino Nano, lúc này các slave s so sánh s xung tr v v i sẽ ố ả ề ớ ố xung đã đặt ban đầu trong b ộ điều khiển PID và cuối cùng là điều xung đến gần nhất với v tr đã đặt ị ị ban đầu điều khiển động cơ tay máy theo góc đã nhận lệnh