Thiết kế và tính toán hệ thống dẫn động ROBOT HARMO - Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - ĐHBKHN

Để thiết lập được các phương trình động học của Robot nói riêng cũng như củacác vật khác nói chung thì trước hết ta phải thiết lập được hệ tọa độ cho vật dó bởiphương trình động học sẽ c

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng Việc áp dụng các máy móc hiện đại vào sản suất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng suất, tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm.

Robot có thể thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện và thậm chí không thực hiện được như: làm những công việc đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân, dò phá mìn trong quân sự), thám hiểm không gian

vũ trụ…

Trong các họ Robot, chúng ta không thể không nhắc tới Robot Harmo với những đặt thù riêng mà những loại Robot khác không có Nhờ nó mà quá trình gắp phôi, đưa phôi và nhiều công việc khác hiện nay được thực hiện tự động.

Nhóm em xin được gửi lời cám ơn trân trọng và sâu sắc nhất tới thầy, PGS.TS Phạm Văn Hùng đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, động viên chúng em trong suốt quá thực hiện đồ án này.

Một lần nữa em xin cảm ơn.

Trân trọng!

Sinh viên thực hiện

Tạ Quốc Việt

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Một số thông số cơ bản:

+ Số bậc tự do: 4 (3 tịnh tiến, 1 quay)

+ Kích thước cơ bản và hành trình chuyển động:

 Khâu 1 tịnh tiến theo phương Y:

- Chiều cao thân Robot: 1450 mm

- Chiêu dài phương Y: 1850 mm

- Giới giạn chuyển động trục Y: 1600 mm

 Khâu 2 tịnh tiến theo phương X:

- Chiều dài phương X: 1200 mm

- Giới hạn chuyển động trục X: 500 mm

 Khâu 3 tinh tiến theo phương Z:

- Chiều dài phương Z: 1050 mm

- Giới hạn hạn chuyển động trục Z: 600 mm

 Khâu 4 xoay 90o theo phương Y (vecto bàn kẹp hướng theo phương -X)

+ Khả năng tải của Robot: 4,5 kg

+ Vận tốc dịch chuyển lớn nhất:Y G= 12 kg, X G= 8 kg, Z G= 3 kg

+ Khối lượng chuyển động theo: O x= 10 m/ph, O y= 10 m/ph,O z=4 m/ph

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Robot Harmo UE700SW-2R

Mô hình Robot Harmo

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU ROBOT HARMO UE700SW-2R

1.1 Thiết lập sơ đồ động học.

Để thiết lập được các phương trình động học của Robot nói riêng cũng như củacác vật khác nói chung thì trước hết ta phải thiết lập được hệ tọa độ cho vật dó bởiphương trình động học sẽ chỉ tương ứng với một hệ tọa độ nhất định Theo quy tắc

đặt hệ tọa độ thì gốc của hệ tọa độ thứ i gắn liền với chính khâu thứ i đó và được đặt tại giao điểm của đường vuông góc chung giữa hai trục khớp động thứ i+1 và khớp động thứ i với chính trục khớp động thứ i+1 Trong trường hợp hai trục của khớp

động giao nhau thì gốc tọa độ sẽ được lấy trùng với chính giao điểm đó Còn nếu haitrục song song với nhau thì gốc tọa độ được chọn là điểm bất kỳ trên trục khớp động

i+1.

Trục Z i của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động thứ i+1.

Trục X i của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung hướng từ khớp động i đến khớp động i+1 Trường hợp hai trục giao nhau, hướng trục X i sẽtrùng với hướng vecto Z ixZ i1, tức là vuông góc với mặt phẳng chứa Z i, Z i1

Trục Y i của hệ tọa độ thứ i vuông góc với 2 trục X i và Z i

Áp dụng nguyên tắc đặt hệ trục tọa độ trên vào Robot Harmo ta có hệ tọa độcủa Robot Harmo như hình vẽ

Hình 1.1Sơ đồ động học Robot Harmo.

1.2 Thiết lập bảng thông số D-H và phương trình động học.

1.2.1 Xác định bộ thông số D-H

Bộ thông số D-H bao gồm các thông số cơ bản giữa hai khâu liên tiếp nhau Cụthể là:

+ a i: Độ dài của đường vuông góc giữa hai trục khớp động liền kề

+ i: Góc lệch giữa hai trục của hai khớp động liền kề, là góc quay quanh trục

i

X sao cho Z i1chuyển đến Z i theo quy tắc bàn tay phải

+ d i: Khoảng dịch chuyển tịnh tiến giữa hai đường vuông góc chung của hai trục+ i: Góc giữa hai đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục Z i1để trục1

i

X  chuyển đến trục X i

Trong bộ thông số trên có một thông số là đặc trưng và cũng là thông số thểhiện chuyển động tương đối giữa hai khâu (thể hiện chuyển động của khớp) Thông

số đó được là biến khớp Biến khớp sẽ là i với khớp động là khớp quay, và là d i

nếu khớp động là khớp tịnh tiến Để phân biệt giữa biến khớp và các thông số khác,

ta dùng thêm dấu * bên cạnh thông số đó để ký hiệu rằng đó là biến khớp

Trong robot Harmo thì các thông số xác định như sau:

+ a1: là khoảng cách giữa trục khớp động 1 và khớp động 2

+ a2: là khoảng cách giữa trục khớp động 2 và khớp động 3

+ a3: là khoảng cách giữa trục khớp động 3 và khớp động 4

+ a4: là khoảng cách giữa tâm quay và tay kẹp

+ h: là khoảng cách giữa gốc tọa độ O và trục khớp động 1

Ban đầu dịch chuyển dọc theo trục Z một khoảng h, quay theo trục X một góc

-90o, sau đó các trục khớp động 1, 2, 3, 4 lần lượt vuông góc với nhau nên ta có:

Các thông số góc của robot:

 1= -90o, 2= -90o, 3= 90o, 4= 0

 1= -90o, 2= 90o, 3= 90o

Các khớp động 1, 2, 3 đều là các khớp tịnh tiến nên d1, d2, d3 đều khác 0 Còn d4 = 0

Trong đó d1, d2, d3, 4 là các khớp biến Từ các phần tích trên ta lập được bảng thông

số D-H của Robot Harmo như sau:

1.2.2 Thiết lập các mô hình biến đổi và các ma trận biến đổi.

Trên cơ sở đã được xây dựng được các hệ tọa độ với hai khâu động liên tiếpnhau và bộ thông số D-H, có thể thiết lập mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ liên tiếpnhau theo các bước sau:

- Tịnh tiến theo phương T P(P x,P y,P z):

Áp dụng công thức này ta có ma trận biến đổi sau:

1

cos( ) sin( ) 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0sin( ) cos( ) 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 cos( ) sin( ) 0A

00

3

sin( 0 cos( sin(

cos( 0 sin( cos(

10

)10

a a A

đã tính ở bước trên Ma trận T i là tích của các ma trận A i và là ma trận

mô tả vị trí và hướng của tọa độ gắn liền với khâu thứ i so với hệ tọa độ cố định

1 0 0

0 1 0T

0 0 1

0 0 0 1

x y p

z

P P P

Trong trường hợp i = n, với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với “điểm tác độngcuối” và được viết ở dạng tường minh như sau:

Trong đó T E là ma trận mô tả trạng thái của “điểm tác động cuối” và được viết

ở dạng tường minh như sau:

2 2

0 0 0 1

x x x x

y y y y E

độ cố định XYZ Suy ra:

0 0 0 1

x x x x

y y y y n

1.3 Bậc tự do tịnh tiến các trục Robot Harmo UE700SW-2R

1.3.1 Bậc tự do tịnh tiến trục Y.

Chuyển động tịnh tiến dọc trục Y có nhiệm vụ đưa toàn bộ tay máy cùng dichuyển Bậc tự do này được dẫn động bằng động cơ điện servo lắp qua hộp giảmtốc với tỷ số truyền 1:10 đưa ra vận tốc cuối cho bậc tự do

Hình 1.2 Sơ đồ mô phỏng theo trục Y

Cơ cấu chuyển động:

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý trục Y

 Nguồn động lực: (hình 1.4) Động cơ Servo Mitsubishi GM-HFB với côngsuất P = 0.2KW, tốc độ n = 1800 vòng/phút, sử dụng hộp giảm tốc với tỷ sốtruyển 1:10, tốc ra tải là 180 vòng/phút

 Cơ cấu dẫn truyền cơ khí: Thanh răng, bánh răng có tác dụng truyền chuyểnđộng tịnh tiến Trong đó, thanh răng có thông số 1860x20x20, bánh răngvới thông số Z = 30, mô đun m = 2.

 Hệ thống dẫn hướng: Thanh trượt THK SR25W (Hình 1.7)

 Encoder quay tương đối OMRON E6B2-CWZ6C 100 xung (Hình 1.5)

 Hai cảm biến vị trí Fotek PS-05N-24V (Hình 1.6) loại NPN, CB3 ở vị trígốc và CB4 là cảm biến ở vị trí ngoài cùng (Hình 1.3)

Hình 1.4 Động cơ Servo Mitsubishi GM-HFB

Hình 1.5 Encoder tương đối

Hình 1.6 Cảm biến Fotek PS-05N-24V

Hình 1.7 Thanh trượt THK SR25WĐộng cơ được điều khiển bởi bộ Inventer 3G3MV-A2007 (Hình 1.8)

Hình 1.8 Bộ Inventer 3G3MV-A2007

Các đầu vào đa chức năng được dùng để làm tín hiệu điều khiển (Hình 1.9):

 S1: Tín hiệu điều khiển động cơquay ngược (Revert)

 S2: Tín hiệu điều khiển động cơquay thuận (Forward)

 S7: Tín hiệu điều khiển động cơquay tốc độ chậm (Slow speed)

 Đầu ra tiếp điểm đa chức năng MA(thường mở)

 Đầu ra tiếp điểm đa chức năng MB(thường đóng)

 Đầu ra chung tiếp điểm đa chứcnăng MC (chung cho MA và MB)

 Phanh động cơ (Brake) sử dụng điện

áp 220 VAC được điều khiển thôngqua 1 rơ-le 24 VDC được nối vàođầu ra tiếp điểm đa chức năng Khikhông có điện áp, phanh động cơ ởtrạng thái phanh; khi cơ điện áp,phanh động cơ ở trạng thái nhảphanh

Hình 1.9 Mạch Inventer 3G3MV-A2007

1.3.2 Bậc tự do tịnh tiến theo trục X.

Bậc tự do tịnh tiến dọc trục X được thực hiện nhờ chuyển động tịnh tiến khứhồi của piston trong xylanh, trong đó trục của piston va xylanh trùng với trục X,xilanh gắn cố định piston dịch chuyển.

Hình 1.10 Sơ đồ mô phỏng theo trục X

Cơ cấu chuyển động:

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý theo trục X

 Nguồn động lực: Chuyển động khứ hồi nhờ xi lanh khí nén AirtacMAL16-500, trục piston phi 16, khoảng chạy của piston 500 (Hình 1.12)

Hình 1.12 Xi lanh khí nén Othmro MAL16-500

 Hệ thống dẫn hướng: Các khớp tịnh tiến được dẫn hướng nhờ các sốngtrượt hình trụ phi 20 gắn cố định trên trục X

Trên bậc tự do trục X sử dụng ba khớp tịnh tiến:

 Khớp tịnh tiến thứ nhất chuyển động tịnh tiến khứ hồi của piston xy lanh;

xy lanh cố định, piston di chuyển thực hiện thao tác của robot

 Nguồn khí nén đi qua bộ điều áp được đưa tới van đảo chiều 5/2 với mộtđầu điều khiển bằng điện tử, một đầu điều khiểu bằng lò xo của 4V210-08của hãng Airtac (áp suất 0.15-0.8Mpa) điều chỉnh thông qua van tiết lưu(loại 1 đầu gen M13) trước khi đi vào xylanh trục X (Hình 1.13)

Hình 1.13 Van Airtac 4V210-08

1.3.3 Bậc tự do tịnh tiến dọc trục Z

Kết cấu:

 Tay máy được cấu tạo bởi 3 thanh có vật liệu bằng hợp kim nhôm liên kếtvới nhau: Thanh dưới nối với thanh giữa bằng đai răng và có một thanh dẫnhướng dọc trục lên xuống Thanh giữa được nối với thanh trên bằng mộtthanh dẫn hướng (Hình 1.14-1.15)

 Cơ cấu bánh răng đai răng (tăng gấp đối chiều dài hành trình làm việc), sửdụng loại đai thanh răng STD 1360-S8M (đai thanh răng, bước răng 8mm,chu vi đai răng 1360mm, chiều rộng đai 32mm)

 Cơ cấu vít me đai ốc có nhiệm vụ đặt cữ hành trình cho cơ cấu, dẫn độngbằng động cơ điện Servo 1 pha 200V 4RK25C-36LB của Oriental Motor(công suất P= 25W)

Hình 1.14 Sơ đồ mô phỏng theo trục Z

Chuyển động tịnh tiến lên xuống dọc trục Z được thực hiện nhờ chuyển động tịnhtiến khứ hồi của piston trong xilanh, trục của piston va xilanh trùng với trục Z,xilanh gắn cố định, piston dịch chuyển Khi muốn đưa tay robot lên thì ta đưa khínén vào buồng phía dưới xylanh, dưới tác dụng của khí nén piston bị đẩy lên trên,

và ngược lại Hành trình làm việc của piston chỉ giới hạn trên chiều dài xylanhnhưng nhờ cơ cấu bánh răng - đai răng nên không gian làm việc của bàn tay kẹprobot Harmo được mở rộng thêm, do đó nó có thể làm việc với chiều dài gấp đôichiều dài hành trình piston trong xylanh

Robot có thể gắp và thả vật ở những độ cao khác nhau nhờ cơ cấu vitme - đai ốcđược sử dụng để đạt cữ hành trình trong chuyển động dọc trục Z Dẫn động cho cơcấu vitme-đai ốc là một động cơ điện một pha đảo chiều bằng cuộn dây Trục động

cơ không trùng với trục vitme, chuyển động quay của trục động cơ được chuyền tớivitme thông qua cơ cấu bánh răng - đai răng Nguồn động lực dẫn động của cơ cấu

là xylanh khí nén tác động hai chiều

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý theo trục Z

Hình1.16 Xylanh khí nén Airtac SC 50x300

1.3.4 Bậc tự do quay quanh trục Y

Hình 1.17 Mô hình vẽ tay kẹp

Bậc tự do quay này thực hiện nhiệm vụ quay bàn kẹp quay trục OY để đưa bànkẹp tới hai vị trí song song với phương ngang và vị trí vuông góc với phương ngangnhư mt cổ tay người Giống với các bậc tự do trục X và trục Z bậc tự do này sửdụng nguồn động lực khí nén sử dụng xylanh khí nén tác động hai chiều với pistonmột đầu cần

Về mặt cấu tạo cơ cấu bàn tay kẹp gồm một giá cố định được gắn cố định với cántay robot, một cụm piston – xylanh khí nén nối với giá bằng các khớp quay trụ, mộtbàn tay kẹp có thể quay 900

Hình 1.19 Sơ đồ nguyên lý bàn tay kẹp

a) Kết cấu bậc tự do quay quang trục Y

Góc quay: 90o

Nguồn động lực:

 Xy lanh khí nén STNC (hình 1.20)

Hình 1,20 xi lanh STNC TGC

 Có 2 cảm biến cận JT-1204E1 của hãng TPC (hình 1.19) ký hiệu là Cb7 vàCb8 lần lượt cho viết vị trí ngang và dọc của bàn kẹp (hình 1.21).

Hình 1.21 Cảm biến cận JT-1204E1 của hãng TPC

Xy lanh được điều khiển bằng van điện tử 5/2 Airtac 4V220-08, 2 đầu điều khiển bằng điện tử, ren 13mm, áp suất 0.15-0.8 MPa (hình 1,22)

Cơ cấu chuyển động:

 Cơ cấu chuyển động tịnh tiến khứ hồi của piston xylanh, xylanh cố định piston di chuyển

 Một giá cố định được gắn với cánh tay robot, một cụm piston được gắn với giá bằng quay trụ, piston kết nối với bàn kẹp bằng trục khuỷu

Hình 1.22 Van điện tử 5/2 Airtac 4V220-08

b) Kết cấu bàn kẹp

Chiều dài của hai thanh kẹp: 40mm

Chiều dài hành trình mỗi xylanh: 50 mm

Cơ cấu chuyển động:

 Cơ cấu piston xylanh khí nén tác động một chiều, chiều kẹp chặt sử dụng khí nén, chiều nhả sử dụng lực đàn hồi của lò xo

 Hai má kẹp trên cùng một mặt phẳng đối xứng nhau qua trục của cánh tay Robot(tăng sự ổn định và lực kẹp)

1.3.5. Hệ thống điều khiển

a) Bộ điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Controller- PLC)

Hoạt động của Robot Harmo được điều khiển bởi bộ PLC CPM2A-40CDR (hình 1.25)

Hình 1.25 Bộ PLC CPM2A-40CDR

Thông số bộ điều khiển:

 CPU với 40 công I/O

 24 đầu vào và 16 đầu ra

 Nguồn điện: 24VDC

 Transistor đầu ra NPN

 Đầu ra: 24VDC,0.3A

 Các chức năng tiên tiến phù hợp với các ứng dụng vừa và nhỏ

 Có giao tiếp RS232 trên CPU; Mở rộng đến 180 cổng I/O

 Xử lý tốc độc cao quét và ngắt

 Bộ đếm tốc độ cao 20kHz

 Đồng bộ điều khiển xung đồng bộ

 Chức năng xung đầu ra cho nhiều ứng dụng định vị khác nhau

 Khôi có thể tháo rời để bảo trì dễ dàng

 Chức năng thời gian thực

 Bộ điều khiển tương tự được phân phối có thể được sử dụng

Phần mềm lập trình CX-Programmer của hãng Omron được sử dụng để lập trình điều khiển cho robot và cho phép lập trình theo 2 dạng:

Các tín hiệu đầu vào PLC gồm:

 Các tín hiệu từ cảm biếm: 9 cảm biến,1 encoder

 Các nút ấn: khởi động (Start), tạm dừng (Pause), dừng (Stop)

Các tín hiệu ra PLC gồm:

 Các tín hiệu điều khiển piston xylanh (5 tín hiệu)

 Các tín hiệu điều khiển động cơ trục

b) Hệ thống khí nén

Hệ thống khí nén của Robot

Chú thích các phần tử:

Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí, một đầu điều khiển bởi điện

từ, một đầu điều khiển bởi lò xo

Van đảo chiều 5 của, 2 vị trí, một đầu điều khiển bằng điện

từ, một đầu điều khiển bằng lò xo

Van đảo chiều 5 của, 2 vị trí, hai đầu điều khiển bằng điệntừ

Xi lanh tác động đơn chuyển động lùi nhờ lò xo

Xi lanh tác động kép với piston tác động ở một đầu cần

Van tiết lưu điều chỉnh được, tác động bất kì

Bộ điều áp

Máy nén khí

Sơ đồ hệ thông điều khiển:

100.05 100.06 100.07 100.08 100.00100.01 SC

Quay

100.04

CHƯƠNG II

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC

TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG THIẾT KẾ MỚI

2.1 Thiết lập sơ đồ động học

Để thiết lập được các phương trình động học của Robot nói riêng cũng như củacác vật khác nói chung thì trước hết ta phải thiết lập được hệ tọa độ cho vật dó bởiphương trình động học sẽ chỉ tương ứng với một hệ tọa độ nhất định Theo quy tắc

đặt hệ tọa độ thì gốc của hệ tọa độ thứ i gắn liền với chính khâu thứ i đó và được đặt tại giao điểm của đường vuông góc chung giữa hai trục khớp động thứ i+1 và khớp động thứ i với chính trục khớp động thứ i+1 Trong trường hợp hai trục của khớp

động giao nhau thì gốc tọa độ sẽ được lấy trùng với chính giao điểm đó Còn nếu haitrục song song với nhau thì gốc tọa độ được chọn là điểm bất kỳ trên trục khớp động

i+1.

Trục Z i của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động thứ i+1.

Trục X i của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung hướng từ khớp động i đến khớp động i+1 Trường hợp hai trục giao nhau, hướng trục X i sẽtrùng với hướng vecto Z ixZ i1, tức là vuông góc với mặt phẳng chứa Z i, Z i1

Trục Y i của hệ tọa độ thứ i vuông góc với 2 trục X i và Z i

Áp dụng nguyên tắc đặt hệ trục tọa độ trên vào Robot Harmo ta có hệ tọa độcủa Robot Harmo như hình vẽ