đồ án thiết kế hệ thống cơ khí đề tài thiết kế robot scara 3 bậc tự do

Năm 1939, Robot đi bộ Eluto và chú chó Sporko được triểnlãm tại một hội chợ tại New York, Mỹ thu hút được nhiều sự quan tâm của công chúng.Năm 1948, trước nhu cầu tự động hóa ngày một lớ

VIỆN CƠ KHÍ

Bộ môn Cơ điện tử

***************

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Giang Nam Sinh viên thực hiện: Trịnh Quang Đông

MSSV: 20170695

Lớp: CK.CĐT.04 – K62

Hà Nội, tháng 1 năm 2021

M C L C Ụ Ụ

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

YÊU CẦU THIẾT KẾ 7

Chương 1 Tổng quan về Robot công nghiệp 8

1.1 Lịch sử phát triển và tình hình phát triển của robot công nghiệp 8

1.1.1 Lịch sử phát triển 8

1.1.2 Các định nghĩa về robot 8

1.1.1 Lịch sử và tình hình phát triển của robot công nghiệp 8

1.2 Cấu trúc chung của một hệ thống robot công nghiệp 9

1.3 Bài toán điều khển robot 11

1.4 Thông số kỹ thuật của robot 13

1.5 Thiết kế mô hình robot 14

Chương 2 Tính toán động học, động lực học 17

2.1 Động học thuận 18

2.2 Động học nghịch 20

2.3 Động lực học 23

Chương 3 Không gian làm việc và thiết kế quỹ đạo robot 43

3.1 Không gian làm việc 43

3.2 Thiết kế quỹ đạo robot 45

3.2.1 Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động 45

3.2.2 Thiết kế quỹ đạo bậc 3 trong không gian khớp 46

3.2.3 Thiết kế quỹ đạo bậc 3 trong không gian thao tác 56

Chương 4: Mô hình hóa các khâu của robot 63

4.1 Mô hình hóa cho một trục chuyển động, xác định hàm truyền 64

4.1.1 Tính toán hàm truyền qua động cơ các khâu 71

4.1.2 Xây dựng sơ đồ Simulink mô tả cho một khớp của robot 86

4.2 Mô phỏng và đánh giá tính ổn định, các chỉ tiêu chất lượng 87

4.2.1 Sử dụng Matlab – Simulink để mô phỏng động lực học cho một trục chuyển

động, và cho toàn bộ rô bốt 88

4.2.2 Xác định sai lệch tĩnh và đánh giá chất lượng đáp ứng 90

Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển 95

5.1 Bộ điều điều khiển PID 95

5.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển cho toàn bộ rô bốt 97

5.3 Chọn các hệ số cho hàm điều khiển 101

Chương 7: Xây dựng mạch điều khiển robot bằng PLC Simen S7 1200 112

7.1 Các thiết bị sử dụng trong mạch điều khiển 113

7.1.1 Bộ điều khiển PLC S7 1200 113

7.1.2 Động cơ Servo KSR 80Series và driver servo EP100(B) 113

7.2 Các thiết bị sử dụng trong mạch điều khiển 113

7.2.1 Điều khiển vị trí (Position) 113

7.2.2 Điều khiển tốc độ (Speed) 113

7.2.3 Điều khiển lực, momen (Torque) 113

PHỤ LỤC 112

Page 3

DANH M C HÌNH NH Ụ Ả

Hình 1 Hệ thống điều khiển robot công nghiệp 10

Hình 2 Hệ thống cảm biến tín hiệu trong robot 10

Hình 3 Các phương pháp điều khiển robot công nghiệp 11

Hình 4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 12

Hình 5 Mô hình robot trong đồ án 1 14

Hình 6 Vít me đai ốc bi 15

Hình 7 Bộ truyền đai răng 15

Hình 8 Hộp giảm tốc cycloidal 16

Hình 9 cơ cấu kẹp CHS2-S68 16

Hình 10 Sơ đồ kết cấu các khâu robot 17

Hình 11 Thiết lập hệ tọa độ khối tâm 23

Hình 12 Thông sô khâu 0 33

Hình 13 Khâu 0 34

Hình 14 Thông số kĩ thuậthợp kim nhôm A356 35

Hình 15 Khâu 1 36

Hình 16 Thông số kĩ thuật khâu 1 37

Hình 17 Khâu 2 38

Hình 18 Thông số kĩ thuật khâu 2 39

Hình 19 Khâu 3 40

Hình 20 Thông số kĩ thuật khâu 3 41

Hình 21 Không gian làm việc của robot 2D 44

Hình 22 Không gian làm việc của robot 3D 45

Hình 23 Điểm đầu và điểm cuối của quỹ đạo không gian khớp 47

Hình 24 Đồ thị biến khớp, vận tốc, gia tốc khâu 1 49

Hình 25 Đồ thị biến khớp, vận tốc, gia tốc khâu 2 50

Hình 26 Đồ thị biến khớp, vận tốc, gia tốc khâu 1 51

Hình 27 Quỹ đạo gắp thả vật 51

Hình 28 Xác định giá trị biến khớp của các điểm trong quỹ đạo 53

Hình 29 Biến khớp, vận tốc, gia tốc được tính toán theo phương pháp bậc 3 53

Hình 30 Đồ thị biến khớp 54

Hình 31 Đồ thị vận tốc 54

Hình 32 Đồ thị gia tốc 55

Hình 33 Kiểm tra lại quỹ đạo 55

Hình 34 Đồ thị trong không gian 3 chiều của quỹ đạo 56

Hình 35 Mô hình tính toán quỹ đạo trong không gian thao tác 59

Hình 36 Đồ thị biến khớp 59

Hình 37 Đồ thị vận tốc 60

Hình 38 Đồ thị gia tốc 60

Hình 39 Kiểm tra lại quỹ đạo 61

Hình 40 Đồ thị trong không gian 3 chiều của quỹ đạo 61

Hình 41 So sánh hai quỹ đạo trong không gian khớp và thao tác của robot 62

Hình 42 Hệ thống điều khiển 63

Hình 43 Sơ đồ khớp rô bốt hoàn chỉnh bao gồm hộp số 64

Hình 44 Sơ đồ khối của hệ thống truyền động điện cho một khớp Robot 64

Hình 45 Vít me 69

Hình 46 Mô hình vit me đai ốc 70

Hình 47 Mô hình hàm truyền khâu 1 71

Hình 48 Tính momen quán tính so với trục động cơ khâu 1 72

Hình 49 Thông số momen quán tính thu được trên phần mềm Solid Work 73

Hình 50 Đồ thị Nyquist của hàm truyền G s1( ) 75

Hình 51 Đồ thị Bode của hàm truyền G s2( ) 76

Hình 52 Mô hình hàm truyền khâu 2 76

Hình 53 Tính momen quán tính so với trục động cơ khâu 2 77

Hình 54 Thông số momen quán tính thu được trên phần mềm Solid Work 78

Hình 55 Đồ thị Nyquist của hàm truyền G s2( ) 80

Hình 56 Đồ thị Bode của hàm truyền G s2( ) 80

Hình 57 Mô hình hàm truyền khâu 3 81

Hình 58 Tính momen quán tính so với trục động cơ khâu 3 82

Hình 59 Thông số momen quán tính thu được trên phần mềm Solid Work 83

Hình 60 Đồ thị Nyquist của hàm truyền G s3( ) 85

Hình 61 Đồ thị Bode của hàm truyền G s3( ) 85

Hình 62 Sơ đồ hàm truyền khâu 1 cho động cơ servo DC 87

Hình 63 Sơ đồ hàm truyền khâu 1 cho động cơ servo DC 87

Hình 64 Sơ đồ simulink khớp 1 với hồi tiếp âm 88

Hình 65 Hàm truyền khâu 1 88

Hình 66 Hàm truyền hồi tiếp âm khâu 1 88

Hình 67 Sơ đồ simulink khớp 2 với hồi tiếp âm 89

Hình 68 Hàm truyền khâu 2 89

Hình 69 Hàm truyền hồi tiếp âm khâu 2 89

Hình 70 Sơ đồ simulink khớp 3 với hồi tiếp âm 90

Page 5

Hình 71 Hàm truyền khâu 3 90

Hình 72 Hàm truyền hồi tiếp âm khâu 3 90

Hình 73 Đồ thị đáp ứng của khớp 1 92

Hình 74 Đồ thị đáp ứng của khớp 2 93

Hình 75 Đồ thị đáp ứng của khớp 3 94

Hình 76 Sơ đồ cấu trúc của một khớp có bộ điều khiển 95

Hình 77 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 95

Hình 78 Sơ đồ simulink một trục khớp 96

Hình 79 Sơ đồ Simulink khối Controller 97

Hình 80 Mô hình 3D sau khi đưa vào Matlab 98

Hình 81 Mô hình hóa điều khiển cho toàn bộ robot vơi Simulink 99

Hình 82 Mô hình hóa Robot trên simulink 99

Hình 83 Block PID controller trên Matlab 101

Hình 84 Cửa sổ PID Tuning 102

Hình 85 Mục Tuning Tools và Results 102

Hình 86 Sử dụng simulink để tìm thông số PID 103

Hình 87 Đồ thị đáp ứng biến khớp của trục khớp 1 sau khi đã chỉnh các hệ số PID 104

Hình 88 Đồ thị đáp ứng biến khớp của trục khớp 2 sau khi đã chỉnh các hệ số PID 105

Hình 89 Đồ thị đáp ứng biến khớp của trục khớp 3 sau khi đã chỉnh các hệ số PID 106

Hình 90 Đồ thị biến khớp mong muốn và đáp ứng 1 107

Hình 91 Sai số biến khớp 1 108

Hình 92 Đồ thị biến khớp mong muốn và đáp ứng 2 109

Hình 93 Sai số biến khớp 2 110

Hình 94 Đồ thị biến khớp mong muốn và đáp ứng 3 111

Hình 95 Sai số biến khớp 3 112

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của robot cần thiết kế 10

Bảng 2.1 Bảng D-H 14

Bảng 2.2 Vị trí trọng tâm các khâu 21

Bảng 2.3 Các thông số động học 21

YÊU CẦẦU THIÊẾT KÊẾ

- Khoảng cách trục: L1=350; L2 =350; Miền tịnh tiến: 0 – 300mm; Góc quay của các khớp: 330o x 294o

- Tốc độ max: 20cm/s

- Độc chính xác lặp: +/- 0.05mm và : +/- 0.1o

- Tải trong max: 0.5 kg

- Độ vọt lố của hàm điều khiển không quá 20%

- Thời gian đáp ứng 0.5 s

Page 7

Ch ươ ng 1 T ng quan vềề Robot công nghi p ổ ệ

1.1 L ch s phát tri n và tình hình phát tri n c a robot công nghi pị ử ể ể ủ ệ

1.1.1 L ch s phát tri nị ử ể

Robot là một thuật ngữ chỉ người lao động trong hệ ngôn ngữ Slaves Từ khoảngnăm 1921, nhà viết kịch người Séc Karl Capek đã viết vở kịch mang tên Rossum’sUniveral Robots, trong đó từ Robot là tên của một loại máy tự động đã tiêu diệt ông chủ

và chiếm lĩnh thế giới Năm 1926, thuật ngữ Robot lần đầu tiên lên phim ảnh tại Đức, bộphim mang tên Metropolis Năm 1939, Robot đi bộ Eluto và chú chó Sporko được triểnlãm tại một hội chợ tại New York, Mỹ thu hút được nhiều sự quan tâm của công chúng.Năm 1948, trước nhu cầu tự động hóa ngày một lớn của các dây chuyền sản xuất và lắpráp công nghiệp, một số loại tay máy đã được nghiên cứu và chế tạo thử tại các phòng thínghiệm ở Mỹ, chau Âu và một số nước khác Các kỹ thuật điều khiển động cơ điện vàđiều khiển từ xa đã được đưa vào lĩnh vực Robot trong khoảng thời gian này Cùng với sựphát triển nhanh chóng của cơ khí tự động hóa và kỹ thuật điện tử, vào năm 1952, chiếcmáy CNC đầu tiên trên thế giới đã ra đời tại Viện Công nghệ Massachusett, Mỹ Thànhtựu này là cơ sở quan trọng cho sự phát triển các bộ điều khiển Robot hiện đại như ngàynay

1.1.2 Các đ nh nghĩa vềề robotị

Cho đến nay đã có một số định nghĩa về Robot như sau:

- McKerrow(1986) định nghĩa Robot là một loại máy móc cơ khí có thể lập trình để thựchiện một số công việc nào đó, cũng tương tự như máy tính PC là một thiết bị điện tử cóthể lập trình để thực thi các nhiệm vụ cụ thể

- Schulussel(1985) lại định nghĩa Robot là một tay máy đa chức năng, khả trình đượcthiết kế để vận chuyển nguyên nhiên vật liệu, phôi, chi tiết gia công; hoặc Robot là thiết

bị đặc thù được lập trình chuyển động đa dạng để thực hiện các nhiệm vụ nào đó

1.1.1 L ch s và tình hình phát tri n c a robot công nghi pị ử ể ủ ệ

Hiện nay nhu cầu sử dụng Robot trong công nghiệp nói chung ngày càng tăng, cácloại Robot được chế tạo ngày càng đa dạng, độ chính xác cao hơn, linh hoạt hơn, giá cảphù hợp hơn, năng suất và tuổi thọ cao hơn Mặc dù dải ứng dụng của Robot ngày càng

mở rộng ( thay thế con người trong các hoạt động nặng nhọc, nhàm chán, nguy hiểm, độchại…), nhưng theo thống kê vào năm 2000 tại Mỹ, lượng Robot hàn và Robot xử lý phôichiếm khoảng 78% tổng số lượng Robot công nghiệp đang sử dụng tại thời điểm đó Sốlượng Robot lắp ráp chiếm khoảng 10% cũng trong thống kê này Phần còn lại là của cácRobot công nghiệp khác

Nhằm mục tiêu thiết kế, chế tạo các thế hệ Robot công nghiệp ngày càng thôngminh, linh hoạt, nhỏ gọn, rẻ, độ tin cậy cao…, một số bài toán sau đây đang là vấn đề thời

sự, được các nhà khoa học quan tâm giải quyết:

- Tối ưu cấu trúc cơ khí với nhiều chú ý tới việc sử dụng vật liệu nhẹ, độ bền cao, lựachọn các bộ truyền có tỷ số truyền và hiệu suất lớn, tuổi thọ cao, độ chính xác cao để tăng

độ chính xác điều khiển, tăng ổn định và tuổi thọ

- Các bài toán cơ học: động học, động lực – điều khiển, cân bằng, dư dẫn động, rung,tránh va chạm…cho các cấu trúc Robot công nghiệp truyền thống và đặc biệt cho các cấutrúc động học song song, cấu trúc Robot công nghiệp tích hợp trên Robot di động

- Các cơ cấu dẫn động và cảm nhận tín hiệu cũng là vấn đề quan tâm lớn trong kỹthuật Robot Đáp ứng yêu cầu về kết cấu và điều khiển Robot, các cơ cấu dẫn động đượcnghiên cứu ứng dụng theo hướng tiết kiệm năng lượng, bền lâu, đủ công suất, gọn, nhẹ

- Điều khiển thông minh là hướng phát triển lớn của kỹ thuật Robot, thu hút sự quantâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới Cùng với sự phát triển và thành tựu của cáclĩnh vực Trí tuệ nhân tạo, Thị giác máy và xử lý ảnh, xử lý âm thanh, tiếng nói…, lĩnhvực điều khiển thông minh trong kỹ thuật Robot đang trên đà phát triển vô cùng mạnhmẽ

Cho đến nay, hầu hết các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam đã đưa môn kỹ thuậtRobot vào chương trình chính khóa Môn học này dành chủ yếu cho các chuyên ngànhcũng được các ngành khác quan tâm

1.2 Cấấu trúc chung c a m t h thôấng robot công nghi pủ ộ ệ ệ

Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:

- Tay máy: Là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, các khớp Chúng hình thành cánh tay để

tạo chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt và bàn tay (End Effector) đểtrực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng

- Hệ thống truyền dẫn động: có thể là cơ khí, thủy khí hoặc điện khí, là bộ phận chủyếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động

- Hệ thống điều khiển: Bảo đảm sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt trướchoặc được nhận biết trong quá trình làm việc

Page 9

Hnh 1 Hệ thống điều khiển robot công nghiệp

- Hệ thống cảm biến tín hiệu: Thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân Robot và của môi trường, đối tượng mà Robot phục vụ, ví dụ: hệ thống camera, encoder, …

Hnh 2 Hệ thống cảm biến tín hiệu trong robot

1.3 Bài toán điềều kh n robotể

Liên quan đến đặc điểm làm việc của robot có thể chia bài toán điều khiển robot thành hai loại: điều khiển thô và điều khiển tinh Ở bài toán điều khiển thô, sẽ xác định luật điều khiển thích hợp để điều khiển tốc độ, vị trí do đó chuyển động của các khớp bám sát quỹ đạo thiết kế trong thời gian quá trình quá độ nhỏ nhất Bài toán thứu hai liên quan đến quá trình khi robot di chuyển tiếp xúc với môi trường làm việc như trường hợp của robot tiếp xúc với một thiết bị máy Như vậy quá trình làm việc này sẽ yêu cầu điều khiển cả lực và vị trí

Phân loại các phương pháp điều khiển robot:

Hnh 3 Các phương pháp điều khiển robot công nghiệp

Điều khiển thô hay điều khiển quỹ đạo có thể thực hiện ở tọa độ khớp hay tọa độ Đề-các tùy thuộc vào quỹ đạo thiết kế cho tọa độ khớp hay tọa độ Đề-các Điều khiển chuyển động tinh là điều khiển lực thực chất là điều khiển lực và quỹ đạo Điều khiển lực bao gồm điều khiển trở kháng và điều khiển hỗn hợp

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chuyển động (quỹ đạo) robot:

Page 11

Hnh 4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Dựa vào kiểu phản hồi của tín hiệu có thể chia nhỏ thành 2 kiểu điều khiển Robot: điềukhiển hở và điều khiển kín

- Điều khiển hở: Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí

nén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Điềukhiển kiểu này đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp

- Điều khiển kín: (điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính

xác điều khiển, có 2 kiểu: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour).Với điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kiatheo đường thẳng với tốc độ cao (trạng thái không làm việc) Nó chỉ làm việc tạicác điểm dừng Kiểu điều khiển này dùng trên các Robot hàn điểm, vận chuyển,tán đinh, bắn đinh…

Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kìvới tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các Robothàn hồ quang, phun sơn…

1.4 Thông sôấ kỹỹ thu t c a robot ậ ủ

- Các thông số kỹ thuật quan trọng của robot cần thiết kế:

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của robot cần thiết kế

Tốc độ tổnghợp(mm/giây)

2-kg)

DENSO_HM-G_Series

Page 13

1.5 Thiềất kềấ mô hình robot

Với robot tham khảo là HM 4070G của hãng denso, chúng em đã xây dựng được

mô hình robot 3 bậc tự do (hai bậc xoay, 1 bậc tịnh tiến), phù hợp với các thông số kĩ thuật của đề bài

Hnh 5 Mô hnh robot trong đồ án 1

Robot sử dụng các cơ cấu truyền dẫn bao gồm:

- Bộ truyền vít me-đai ốc bi:

Bộ truyền vít me-đai ốc biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.Truyền đông vít me – đai ốc có 2 loại là vít me – đai ốc trượt và vít me đai ốc bi Cơ cấu vít me –đai ốc trượt có những đặc điểm: Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn; truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn; có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn; hiệu suất truyề động thấp nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính

Hnh 6 Vít me đai ốc bi

- Bộ truyền động đai:

Truyền động đai là một trong số truyền động phổ biến nhất trong Cơ khí Truyềnđộng đai là truyền động bằng phương tiện kéo Chúng truyền mômen xoắn và tốc độ giữahai trục, và có thể có một khoảng cách lớn hơn so với bộ truyền bánh răng Vì tất cả cácdây làm bằng nhựa hoặc vải dệt, đặc tính của chúng khác biệt đáng kể với các bộ truyềnbánh răng hoặc xích Ưu điểm của truyền bằng đai: Việc truyền lực có tính đàn hồi; chạy

êm và ít ổn, chịu sốc; khoảng cách trục có thể lớn; hhông cẩn thiết bôi trơn; phí tổn bảodưỡng ít

Hnh 7 Bộ truyền đai răng

- Bộ truyền giảm tốc Cycloidal (Xyclon):

Bộ truyền động xyclon hay bộ giảm tốc độ xyclon là một cơ cấu để giảm tốc độ củatrục đầu vào theo một tỷ lệ nhất định Các bộ giảm tốc độ lốc xoáy có khả năng đạt tỷ lệtương đối cao trong kích thước nhỏ gọn với phản ứng dữ dội rất thấp

Page 15

Hnh 8 Hộp giảm tốc cycloidal

- Cơ cấu gắp của robot:

Tùy vào yêu cầu thực tế để chọn cơ cấu gắp phù hợp, có thể thêm bậc từ do cho cơ cấugắp nếu bài toán di chuyển vật yêu cầu hướng của vật thể

Cơ cấu kẹp bằng vitme - đai ốc:

- Sử dụng cơ cấu kẹp CHS2-S68

Hnh 9 cơ cấu kẹp CHS2-S68

Chương trình simulink tính toán giá trị biến khớp (Phụ lục Chương 3 phần 3.4):

Hnh 35 Mô hnh tính toán quỹ đạo trong không gian thao tác

Kết quả thu được:

Quỹ đạo của các biến khớp:

Hnh 36 Đồ thị biến khớp

Hnh 37 Đồ thị vận tốc

Page 59

Hnh 38 Đồ thị gia tốc

Quỹ đạo di chuyển trong hệ tọa độ Đề-các kiểm tra lại (Phụ lục Chương 3 phần 3.5):

Hnh 39 Kiểm tra lại quỹ đạo

Hnh 40 Đồ thị trong không gian 3 chiều của quỹ đạo

Hnh 41 So sánh hai quỹ đạo trong không gian khớp và thao tác của robot

Page 61

Ch ươ ng 4: Mô hình hóa các khấu c a robot ủ

Hệ thống điều khiển truyền động bàn máy cho robot là một hệ thống điều khiển tựđộng điển hình, trước tiên đi vào quá trình tính tính toán thiết kế, ta cần biết một hệ thốngđiều khiển tự động gồm các thành phần nào, nó bao gồm 3 thành phần cơ bản sau:

- Đối tượng điều khiển (Object)

- Bộ điều khiển (Controller)

- Thiết bị cảm biến đo lường (Measuring Device)

Hnh 42 Hệ thống điều khiển

Vậy công việc cần làm để thiết kế một hệ thống điều khiển tự động là phải xác địnhđược đối tượng điều khiển, sau đó tìm ra bộ điều khiển thích hợp để điều khiển đối tượngđấy Cụ thể trong phần xác định đối tượng điều khiển này ta phải xây dựng được sơ đồkhối mô tả hoạt động của cả hệ robot thông qua các phần tử điển hình Và từ việc xácđịnh các phần tử điển hình đó ta có được hàm truyền của hệ thống từ các phép biến đổitoán học thông thường

4.1 Mô hình hóa cho m t tr c chuỹ n đ ng, xác đ nh hàm truỹềền.ộ ụ ể ộ ị

Hnh 43 Sơ đồ khớp rô bốt hoàn chỉnh bao gồm hộp số

B là hệ số giảm chấn của tải

Động cơ điện một chiều

Hnh 44 Sơ đồ khối của hệ thống truyền động điện cho một khớp Robot

Page 63

Ta có tỉ số tuyền :

s m

dt dt là gia tốc góc của tải (Rad s / 2)

Phương trình trên tương đương với :

Sử dụng nguyên lý trên cho trục động cơ chính ta được :

Kết hợp các phương trình (4.2),(4.3),(4.5) trên ta thu được :

Với K b hằng số sức phản điện động (V.s / Rad) L và R là độ tự cảm (H) và điện trở ( )

của phần ứng Sử dụng định luật Kirchhoff ta thu được biểu thức sau :

(4.9)

Page 65

Với phép biến đổi Laplace ta thu được phương trình trên trong miền tần số :

( L s R I s) ( ) V s( ) K W s b ( ) (4.10)

Với s là tần số phức (rad / s) Động cơ DC hoạt động trong khoảng tuyến tính vì thế momen tạo ta tỷ lệ với dòng phần ứng

( )

m K i t m (4.11)

Thay (4.15) vào (4.10) ta thu được:

b m

Do giá trị của L là rất nhõ L có thể coi là bằng 0 theo Giáo trình robot công nghiệp[1] củaPGS TS Nguyễn Trường Thịnh thì phương trình (3.8) và (3.9) có thể được rút gọnthành :

( )( )

Đây là hàm truyền với tín hiệu vào là hiệu điện thế cấp vào động cơ DC và tín hiệu đầu ra

là giá trị góc của trục động cơ :

Page 67

( )( )( )

( )( )( )

m dc

( )( )( )

m dc

Tín hiệu vào: Vận tốc góc ( ) t của trục vít me (rad/s)

Tín hiệu ra : Lượng di động y(t) của bàn máy gắn liền với trục vít me đai ốc bi hay độdịch chuyển của bàn máy

Gọi P(m) là bước của vít me ta có quan hệ :

(3.14)

Hnh 46 Mô hnh vit me đai ốc

Do đó đối với khâu 3 hàm truyền qua trục vit me :

3 3 3

( )( ) 2

2 2 2

( )( )( )

Voltage constant (V/rad/s) _ Kb 48/60

Torque coeffient (Nm/A)_Km 0.8

Hnh 47 Mô hnh hàm truyền khâu 1

Đầu vào điện áp, đầu ra là giá trị góc quay của khâu

Tính hàm truyền động cơ G dc1( )s :

Tính momen quán tính J l1

Momen quán tính J l1 của khớp 1 được xác định là momen quán tính theo trục z và do khớp 1 phải chịu tác động bao gồm cả momen quán tính của các khâu phía sau tác dụng lên , sử dụng phần mềm SolidWork ta thu được kết quả như sau :

Phần màu xanh là các khâu được chọn để tính :

Hnh 48 Tính momen quán tính so với trục động cơ khâu 1

Page 71

Hnh 49 Thông số momen quán tính thu được trên phần mềm Solid Work

1

l

J đạt giá trị max bằng 4.61(Kg m )2

Kiểm tra tính ổn định của G s1( ):

Kiểm tra tính ổn định của hệ hở :

Kiểm tra tính ổn định của hệ kín :

Theo tiêu chuẩn Nyquist :

Hnh 50 Đồ thị Nyquist của hàm truyền G s1( )

Qua đồ thị ta nhận xét rằng: điểm (-1+j0) được đánh dấu (+) trên hình vẽ không bịbao bởi đường độ thị Nyquist nên hệ kín ổn định

Đồ thị Bode :

Hnh 51 Đồ thị Bode của hàm truyền G s2( )

Nhận xét: Theo chuẩn Bode

Để hệ kín G s k( ) ổn định thì đồ thị bode của hệ hở G s ( ) phải thõa mãn đồng thời cả

hai yếu tố là có độ dữ trữ pha và độ dự trữ biên độ lớn hơn 0 Từ đồ thị của G s1( )chothấy có độ dự trữ biên độ Gm và độ dự trữ pha Pm đồng thời lớn hơn 0, vậy hệ kín này

ổn định

b Khâu 2 :

Hnh 52 Mô hnh hàm truyền khâu 2

Đầu vào điện áp, đầu ra là giá trị góc quay của khâu

Tính hàm truyền động cơ G dc2( )s :

Page 75

Tính momen quán tính J l2

Hnh 53 Tính momen quán tính so với trục động cơ khâu 2

Hnh 54 Thông số momen quán tính thu được trên phần mềm Solid Work

Page 77

Kiểm tra tính ổn định của G s2( ):

Kiểm tra tính ổn định của hệ hở :

+ Điều kiện cần:

Ta thấy các hệ số của đa thức A(s) đều lớn hơn và khác 0 Vậy thỏa mãn điều kiện cầncủa tiêu chuẩn Routh

+ Điều kiện đủ :

Nhận thấy các số hạng thuộc cột đầu tiên của bảng Routh đều dương nên thỏa mãn điềukiện ổn định Vậy hệ thống được mô tả bằng phương trình đã cho là ổn định

Kiểm tra tính ổn định của hệ kín :

Theo tiêu chuẩn Nyquist :

Hnh 55 Đồ thị Nyquist của hàm truyền G s2( )

Qua đồ thị ta nhận xét rằng: điểm (-1+j0) được đánh dấu (+) trên hình vẽ không bịbao bởi đường độ thị Nyquist nên hệ kín ổn định

Đồ thị Bode :

Page 79

Hnh 56 Đồ thị Bode của hàm truyền G s2( )

Nhận xét: Theo chuẩn Bode

Để hệ kín G s k( ) ổn định thì đồ thị bode của hệ hở G s ( ) phải thõa mãn đồng thời cả

hai yếu tố là có độ dữ trữ pha và độ dự trữ biên độ lớn hơn 0 Từ đồ thị của G s2( )chothấy có độ dự trữ biên độ Gm và độ dự trữ pha Pm đồng thời lớn hơn 0, vậy hệ kín này

ổn định

c Khâu 3

Hnh 57 Mô hnh hàm truyền khâu 3

Đầu vào điện áp, đầu ra là giá trị dịch chuyển thẳng của vít me (Khâu 3)

P là giá trị của bước vít me ( = 0.025 m)

Tính hàm truyền động cơ G dc3( )s :