Hệ thống robot công nghiệp - robot Serpent

Tài liệu tham khảo Hệ thống robot công nghiệp - robot Serpent

Lời nói đầu Nền công nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càng cao, các hệ thống máy móc dây chuyền sản xuất đwợc hiện đại hoá, chuyên môn hoá chức năng để thực hiện các nhiệm vụ và yêu cầu sản xuất khác nhau. Các vấn đề tự động điều khiển và các thiết bị tự động hoá đợc đặt lên hàng đầu trong quá trinh nghiên cứu cũng nh ứng dụng công nghệ mới vào trong sản xuất. Nó đòi hỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo, sự chính xác của hệ thống ngày một cao hơn để có thể đáp ứng đwợc nhu cầu về số lợng, chất lợng, thẩm mỹ ngày cáng cao của xa hội và nhu cầu giải phóng sức lao động của con ngời nâng cao hiệu quả lao động. Sự xuất hiện của máy tính vào nhng năm đầu thập niên 60 đã hỗ trợ con ngời làm việc tốt hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong sản xuất cũng nh trong nghiên cứu khoa học. Đồng thời song song với sụ phát triền của máy tinh là sụ phát triển của các dây chuyền sản xuất và các thiết bị tự động hoá. Trong các dây chuyền máy móc hiện đại và trong hệ thống sản xuất thì robot và các thiết bị tự động hoá có một vai trò quan trọng trong điều khiển tự động và công nghệ sản xuất chính xác nh gắp vật từ vị trí này sang vị trí khác trong băng truyền, thực hiện đòi hỏi độ chính xác cao và độ khéo léo, thay thế cho con ngời làm nhũng công việc khó khăn nguy hiểm mà con ngời không làm đợc. Robot cũng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong đời sống của con ngời: nó phục vụ từ những yêu cầu nhỏ nhất của con ngời, robot không ngừng hoàn thiện nhằm vuơn tới mục tiêu robot có khả năng t duy nh con ngời. Ngày nay sự kết hợp giữa robot và máy tính tạo ra một thế mạnh mới cho các loại robot. Robot có thể đáp ứng đợc những yêu cầu khắt khe của con ngời trong sản xuất cũng nh trong nghiên cứu, học tập và đời sống. Do đó phạm vi ứng dụng của robot không ngừng mở rộng trong mọi lĩnh vực dần dần thay thế con ngời trong sản xuất, tăng năng xuất xí nghiệp. Trớc những yêu cầu đòi hỏi bức thiết để tìm hiểu công nghệ sản xuất hiện đại và cách hoạt động của dây chuyền máy móc dùng robot. Qua đợt thực tập ở bộ môn Tự động hoá, em đã đợc tìm hiểu về hệ thống Robot Scara và đợc thực tập lắp ráp mạch lực truyền động cho động cơ robot để cải tiến lại robot Serpent đáp ứng nhu cầu nghiên cu và hoc tập của những khoá sau. Từ đó em thêm hiểu sâu hơn về khả năng ứng dụng của Robot, nguyên lý hoạt động, vận hành và đ- ợc áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế. Trong báo cáo thực tập này em xin phép đợc trình bày về hệ thống Robot công nghiệp tiêu biểu là robot Serpent, hệ thống điều khiển động cơ robot, mạch lực. Bản báo cáo gồm 4 phần : Chơng I :Giới thiệu chung về robot công nghiệp Chơng II: Bộ băm xung áp một chiều Chơng III: Mạch điều khiẻn mạch lực cho động cơ truyền động robot Chơng IV: Kết Luận. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Tiến đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ để em có thể hoàn thanh bản báo cáo này. 1 Chơng I: giới thiệu chung về robot công nghiệp I.Một số khái niệm định nghĩa về robot Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất cũng nh trong đời sống. Để hiểu rõ hơn về robot ta thông qua một số khái niệm : Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình cùng với các cảm biến ở bên ngoài đợc dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động đợc lập trình trớc. Robot là cánh ta có vài bậc tự do và có thể thực hiện đợc các chuyển động nh tay ngời và điều khiển đợc bằng máy tính hoặc có thể điều khiển bằng chơng trình đợc nạp sẵn trong robot. Robot là thiết bị có thể thao tác nh con ngời có thể hợp tác với nhau một cách thông minh. Robot công nghiệp là một cơ cấu lập trình đợc có thể thực hiện tự động các công việc có ích mà không cần trợ giúp của con ngời. Robot với tự động hoá : dây truyền sản xuất tự động hoá linh hoạt cần có robot. Robot là một hệ thống bao gồm 3 hệ thống nhỏ: Hệ thống chuyển động cơ khí Robot gồm: + Khớp nối, thanh nối(joint,link) : tay máy( Arm) + Bệ thân (Base) + Cổ tay(Wrist) + Bàn tay(hand) + Ngón tay(finger) 2 ( Khớp thẳng đứng) Khớp ngang -Bệ : Thông thờng có 6 khớp : + 3 khớp cánh tay + 3 khớp cổ tay Có 2 loại khớp: + Khớp quay (Rotate Joint,Link) + khớp tịnh tiến (Prímatic Joint) -Cổ tay : Thanh cuối cùng Khớp tịnh tiến -Bàn tay gắn vào cổ tay(hand) End efector Có hai loại End efector : - Gripper(tay kẹp)Cầm, nắm - Tool (dụng cụ) : - Mỏ hàn - Bình sơn Hệ thống điều khiển : Chức năng các bộ phận chuyển động robot 3 E 2 FT 2 K 2 K 1 E 1 FT 1 Đ 1 Đ 2 BBĐ 1 BBĐ 2 ĐK 1 ĐK 2 Máy tính(CPU or MP) Thanh Sơ đồ khối hệ thống điều khiển: - Khớp + Cơ cấu truyền động : - Động cơ (Cơ cấu chấp hành) - Thuỷ lực - Khí nén + BBĐ : Bộ chỉnh lu, băm xung áp 1 chiều + Điều khiển 4 + Cảm biến Hệ thống điều khiển bao gồm 2 loại : - Hệ thống điều khiển quỹ đạo - Hệ thống điều khiển lực + Hệ thống điều khiển vị trí (quỹ đạo): Tay robot di động theo quỹ đạo theo vị trí đặt trớc. Sơ đồ khối chung: Tính quĩ đạo khớp ĐK 1 q 1 đ q 1 Khớp1 Robot Khớp 6 ĐK 6 Đo 6 Đo 1 q 6 q 1 q 6 Đặt quĩ đạo tay U 6 U 1 q 1 đ - vị trí đặt khớp 1 : - Quay( 1 đ) - Tịnh tiến(r,d) Khớp tính quỹ đạo khớp : + Tay khớp + Thiết kế quĩ đạo khớp + Hệ thống điều khiển lực: - Di chuyển - Lực 5 Hệ thống nhận dạng. II. Lịch sử phát triển của robot Năm 1951 cơ cấu tay máy điều khiển xa ra đời Teleoperator ( làm việc trong môi trờng phóng xạ). Năm 1952 mẫu máy điều khiên số MIT. Năm 1960 Robot đầu tiên ra đời (Unimate). Năm 1961 Robot công nghiệp ra đời và chính thức đi vào thơng mại hoá. Càng ngày Robot càng phát triển mạnh mẽ nó đem lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp : Tăng thời gian hoạt động của máy móc, tăng độ linh hoạt, có khả năng định trớc đợc công việc, tăng sản lợng nhờ làm ổn định quá trình lam việc. Trong công nghiệp tự động hóa bằng robot đã khắc phục tình trạng thiếu nhân công, tăng độ an toàn trong lam việc của xí nghiệp, nhà máy. Từ đó mà các xí nghiệp có thể tăng năng suất, giảm lợng vốn đầu t và số lợng nhân công giảm Hạ giá thành sản phẩm làm tăng sức canh tranh trên thị trờng thế giới. Đi kèm với sự phát triển của robot (về tính năng) là sự phát triển của ngôn ngữ lập trình nạp vào robot thc hiện điều khiển robot. Năm 1973 ngôn ngữ lập trình Ware ra đời tiếp đó là hàng loạt các ngôn ngữ khác ra đời nh Walli làm tăng khả năng làm việc của robot, tính tự động hoá và sự ổn định tăng cao. Ngày nay robot phát triển nh vũ bão, đợc áp dụng vào nhiều lĩnh vực sẩn xuất cũng nh nghiên cứu và đời sống. Giá thành của robot đang đợc giảm đi trong khi tính năng cả nó đợc gia tăng, công nghệ ngày càng dễ sử dụng . Robot công nghiệp ngày nay kết hợp với các thiết bị ngoại vi tạo thành một hệ thống và có thể lập trình điều khiển bằng máy tính để cho chúng hoạt động theo công nghệ đã đặt ra. Có rất nhiều robot công nghiệp đang đợc sử dụng sau đây em xin phép tìm hiểu và khái quát chung về Robot SCARA hiện có trên phòng thí nghiệm của bộ môn và cụ thể là Robot SERPENT của hãng Feedback 6 III. Nghiên cứu về robot scara (robot serpent) 1. Khái niệm Robot SCARA ( Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là có thể lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay Robot. Do chuyển động của Robot SCARA đơn giản , dễ dàng điều khiển nên nó đợc sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tiêu biểu cho nhóm robot nay ta nghiên cứu Robot Serpent. Robot Serpent đợc thiết kế động cơ truyền động cho cổ tay đợc đặt trên trục cơ bản và liên hệ với cổ tay bằng đai truyền, nên nó đẩm bảo đợc góc quay của cổ tay không thay đổi trong quá trình máy chuyển động. Truyền động cho 2 khớp của tay máy và cổ tay bằng động cơ servo một chiều có phản hồi vị trí tạo thành một vòng điều khiển kín. Chuyển động thẳng đứng đợc thực hiện bằng piton khí nén. Chiều cao của robot có thể thay đổi dễ dàng bằng cách thay đổi vị trí gá thân robot trên trục cơ bản, giúp tay máy thuận lợi trong việc thay đổi công việc( thay đổi toạ độ, phạm vi hoạt động của robot). Robot Serpent có thể đợc lập trình từ máy tính bằng cách đặt dữ liệu cho mỗi trục. Hoặc điều khiển bằng tay sử dụng thiết bị lái điện ( steering) cho tay máy dùng các cuộn dây điện từ trong pendant. 7 2. Cấu tạo tay máy Robot Serpent . Robot Serpent đợc cấu tạo bởi một chuỗi các thanh cứng liên kêt với nhau bởi các khớp nh hình vẽ: 8 x1 l 1 l 2 z1 z 0 a 1 1 2 a2 x2 z2 d3 3 4 x3 z3 z4 x 0 Cấu hình Robot Serpent Robot Serpent gồm 3 khớp chuyển động quay và một khớp chuyển động tịnh tiến. Tuỳ vào vị trí của tay mà các thanh nối cũng nh các khớp sẽ có vị trí khác nhau trong không gian và ngợc lại. + Khớp 1 quay quanh trục z 0 góc 1 . + Khớp 2 quay quanh trục z 1 góc 2 . + Khớp 3 chuyển động tịnh tiến theo trục z 2 đoạn d 3 . + Khớp 4 quay quanh trục z 3 góc 4 . Động học vị trí Robot gồm 2 bài toán : Động học thuận : Cho biết vị trí và hớng của các khớp Robot ta xác định đợc vị trí và hớng của tay Robot. Động học ngợc : Cho biết vị trí của tay robot, tính toán các vị trí khớp để điều khiển các khớp giúp tay chuyển động theô quĩ đạo mong muốn. 9 3. Thông số và giới hạn làm việc của Robot Serpent. Robot Serpent có 4 thanh nối cứng, 3 khớp quay và một khớp chuyển động tịnh tiến( các thanh nối đợc dịch chuyển nhờ động cơ nối với khớp quay (biến 1 , 2 , 4 )và dịch chuyển nhờ bộ phận khí nén đối với khớp tịnh tiến(biến d 3 ) .)/ Các thông số kỹ thuật của robot Serpent nh sau : a 1 = 0.25(m) ( Chiều dài của thanh nối giữa 2 khớp main và fore = l 1 ). a 2 =0.15(m) ( Chiều dài của thanh nối giữa hai khớp main và cổ tay = l 2 ) m 1 = 4 (kg); m 2 = 1.5 ( kg) m 3 = 2 (kg); m 4 = 0.6 (kg) Chiều dài thanh nối d 3 phụ thuộc vào chế độ làm việc của tay máy. ` Các biến khớp có các giới hạn góc quay nh sau: 1 = 0 ữ 6600 dp tơng ứng với góc quay trong thực tế là -96 0 ữ 96 0 ( so vớí trục ox) 2 = 0 ữ 7900 dp tơng ứng với góc quay trong thực tế là -115 0 ữ 115 0 (so với trục thanh 1). Ta biểu diễn hình chiếu cánh tay của robot Serpent nh sau : 2 1 Toạ độ tay của robot Serpent 10 [...]... với dải công suất nhỏ nên ít thông dụng III Một số sơ đồ băm xung thờng dùng: 1 Bộ băm nối tiếp : Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đợc biểu diễn nh sau : + VS1 + C (-) - V (+) S2 U - DC LC Id Rd Ld D0 ID0 Ud E 17 Sơ đồ nguyên lý của bộ băm nối tiếp trong đó : - VS1 : là tiristor chính - VS2 : là tiristor phụ, dùng để ngắt bộ băm - LC, DC, C : là các phần tử chuyển mạch, tạo mạch cho tụ C - D0... lớn( dù đứng im vẫn có dòng nóng, phát nhiệt) chơng iii : mạch điều khiển mạch lực cho động cơ truyền động robot 25 I Hệ thống điều khiển 1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ robot có sơ đồ khối ở hình 2.2 động cơ điện truyền động cho khớp quay robot động cơ điện một chiều (ĐM ) đợc cấp điện từ một bộ điều chỉnh xung áp một chiều dạng PWM ( ĐAMC ) bằng... điện phần ứng động cơ 33 1 2 3 4 5 6 7 8 A A R01 C01 R07 +12V -1 2V -1 2V 7 -1 2V OA02 2 R05 6 OA03 2 Z01 R08 6 3 R06 GND OA04 2 R09 3 GND 5 2 1 4 R04 5 R02 6 1 4 3 4 3 2 1 5 OA01 1 4 J1 -1 2V GND +5V +12V 3 6 R10 5 1 4 R11 GND D01 7 -1 2V 7 +12V Z02 7 R03 B R14 +12V -1 2V P01 GND +12V GND GND 4 3 2 -1 2V B U1B 1 R17 GND U1A C03 R19 6 5 PWM -1 2V -1 2V R16 D04 OA06 R18 5 R15 6 5 1 4 OA05 2 1 4 5 1 4 R12 J3 OA07... R3.4 1K 1K R41 RC01 10K +12 CC1 -1 2 -1 2 C02 R43 +Vcc CAP R46 -Vcc 2 6 DC1 6 5 4 IN+ B IN- C E R33 -Vcc 2 R34 OA09 3 6 R37 2 7 GND2 R42 2 R35 6 OA11 3 R44 2 OA12 3 uA741 GND2 R45 7 +12 R38 7 +12 Z15 D09 1N4148 uA741 GND2 4N35 6 OA10 3 uA741 +Vcc 1N4148 7 -1 2 ZC1 1 2 1K5 5 10K 5 1 4 10K 4N35C RC07 1 4 RC05 uA741 uA741 5 3 1 4 6 CL2 3 RC03 C RC06 2 5 5K6 -Vcc 1 4 RC04 10K -Vcc R32 5 RC02 CL3 1 4 6 5 1 4... vào các bộ điền khiển PWM đợc lấy từ nguồn + 12 thông qua biến trở VR Đây là sơ đồ khối của hệ thống điều khiển thử nghiệm để kiểm tra mạch lực điều chỉnh điện áp một chiều của động cơ robot Trên thực tế mạch điều khiển PWM đợc thay thế bằng hệ thống số sử dụng vi xử lý kết hợp với máy tính để điều khiển động cơ robot Khi đố mạch băm xung áp một chiều nhận tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý AT89C51 và... hoặc Transistor (Công suất hoặc MOS) Dùng Tiristor có u điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền, tổn hao khi dẫn nhỏ nhng có nhợc điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dới 500Hz) Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 2 0-> 100Khz,có giá thành rẻ hơn,tổn hao ít hơn MOS Với hệ thống dùng Transistor... ra trên tải Gọi T là chu kỳ của bộ băm, T= Tđg + Tng Trong đó : - Tđg = T là thời gian đóng mạch của VS1 - Tng = T - Tđg là thời gian ngắt mạch - = Tđg/T là tỷ số đóng T chu kỳ của Tdg 1 Giá trị trung bình của điên áp ra=trênUtải:U U tb = Udt = T 0 T Khi ta thay đổi tỷ số đóng thì có thể điều chỉnh đợc Utb Có hai cách để thay đổi : - Giữ cố định chu kỳ xung T ( tần số cố định) , thay đổi thời gian... ta điều khiển thông qua giao diện trên máy tính và ta có thể dùng máy tính để thay đổi chơng trình làm việc tự động của robot, tạo cho robot có tính linh hoạt, nâng cao hiệu quả làm việc, nghiên cứu và học tập 26 +12V Bộ điều khiển PWM VR Mạch băm xung áp một chiều Đ FT Ui Sơ đồ hệ thống điều khiển 27 2 Mạch điều chỉnh điện áp một chiều (ĐAMC) Sơ đồ gồm hai khâu: bộ điều chỉnh điện áp một chiều và khâu... 2 3 4 6 3 3 D03 GND OP02 B C E 7 GND P03 P04 GND +12V +12V D08 R30 R31 Id 1 2 +12V P02 +12V IN+ IN- R20 +12V -1 2V 7 7 D02 CON4 R22 GND 6 5 4 R13 GND GND C04 J2 DIR2 OA08 3 2 D05 9 U2A 1 GND GND 8 U3B 1 4 3 2 6 5 PWM2 DIR2 DIR1 PWM2 PWM1 Id 1 2 3 4 5 6 CON6 C GND 1 2 5 1 4 R24 U3A 10 R27 -1 2V GND IN+ IN- 6 GND OP01 R26 U1C B C E C R23 6 5 4 7 R21 3 GND R28 2 R25 PWM D06 U3C U3D 9 12 8 U2B GND 4 6 10... dòng chạy từ +US K L1 -US Năng lợng tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Utải=UC, tụ C phóng điện qua tải + K ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngợc chiều với trờng hợp đóng D thông năng lợng từ trờng nạp và C, tụ C tích điện; Utải sẽ ngợc chiều với US Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với US Giá trị tuyệt đối |Utải| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn US 4 Biến đổi công suất lớn theo nguyên