BÁO cáo THỰC HÀNH học PHẦN điều KHIỂN ROBOT

- Động cơ điện một chiều - Hộp truyền động - Dây curoa và puly Hình 3: Hệ thống truyền động của Scorbot – ER9Hình trên là hệ thống truyền động của Scorbot cho các hệ trục từ 1 – 4.Riêng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Bài 1:

GIỚI THIỆU VỀ ROBOT SCORBOT-ER9 TRONG PHÒNG TN

1 Mục tiêu:

Giúp SV nắm được tổng quan về cấu trúc robot trong công nghiệp,

phương pháp điều khiển Robot, tìm hiểu về các thiết bị ngoại vi có liên quan đếnRobot

2 Công tác chuẩn bị của sinh viên:

Đọc trước tài liệu về Robot Scorbot ER9 trong phòng thí nghiệm và bộ điều khiển Controller B

Ôn lại cơ sở toán học cho điều khiển Robot

3 Trang thiết bị cần thiết:

- Scorbot ER9

- Máy tính

- Bộ điều khiển Controller B

- Thiết bị Teach Pendant

4 Các nội dung, quy trình

4.1 Scorbot – ER9

Scorbot ER9 là loại robot dạng cánh tay người, bộ phận thân cơ khí củarobot được nối bằng các khớp thẳng đứng, có 5 khớp quay Với bàn kẹp đượcgắn vào thì robot có 6 bậc tự do Việc thiết kế này cho phép end-effector có thể

di chuyển tuỳ ý trong không gian làm việc rộng Mỗi khớp của robot được điềukhiển bởi một động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu qua hộp truyền độngbánh răng và dây cu roa Sự chuyển động của các khớp được mô tả theo bảngsau

Hình 1: Các khớp chính của tay Robot

Bảng 2: Tên và chức năng các khớp robot

a Bàn kẹp

Bàn kẹp là một phần tử được gắn vào robot để thực hiện một công việcnào đó Hoạt động của bàn kẹp khác hoạt động của các trục, nhưng ngược lạingười ta có thể đưa một lệnh để xác định lượng chuyển động của các trục, từ đóchỉ dẫn bàn kẹp đóng hay mở hoàn toàn Tuy nhiên nếu bàn kẹp kẹp vật thể lênthì nó sẽ dừng chuyển động của nó Bàn kẹp trong robot này có thể là bàn kẹpchạy bằng khí nén hoặc động cơ điện servo 1 chiều

b Điều khiển scorbot – ER9

- Điều khiển bằng phần mềm thông qua máy tính điều khiển hệ thống.Chủ yếu sử dụng phần mềm chuyên dụng SCORBASE, là phần mềm điều khiểnrobot được sử dụng trên nền của Window 98 Dễ sử dụng, có thể sử dụng trênbất kì hệ thống PC nào và thông tin với ACL, ngôn ngữ bên trong của bộ điềukhiển bởi kênh RS232

- Qua thiết bị cầm tay Teach Pendant: Nó là một thiết bị đầu cuối điềukhiển bằng tay sử dụng để điều khiển Scorbot er9 và các thiết bị ngoại vi Trongthực tế Teach Pendant dùng để di chuyển các hệ trục, ghi lại vị trí, gửi các hệtrục để ghi lại vị trí và chạy chương trình

c Hệ thống truyền động của ScorBot – ER9

Chuyển động của Scorbot được thực hiện nhờ 3 phần tử chính ( Hình 2)

- Động cơ điện một chiều

- Hộp truyền động

- Dây curoa và puly

Hình 3: Hệ thống truyền động của Scorbot – ER9Hình trên là hệ thống truyền động của Scorbot cho các hệ trục từ 1 – 4.Riêng hệ trục 5 hệ truyền động không bao gồm dây cu roa và puly mà chỉ có hộptruyền động được sử dụng( Hộp số )

* Động cơ : Cánh tay robot được truyền động bởi động cơ điện 1 chiều Các bộ

tác động biến đổi tín hiệu từ bộ điều khiển ( Điện năng ) thành sự quay của trụcđộng cơ ( Cơ năng )

Hình 4: Cấu Trúc Robot SCORBOT – ER9Scorbot – ER9 sử dụng các động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu đểchuyển động các trục Các chuyển động của robot được thực hiện thông quađộng cơ như hình dưới

Động cơ cho hệ trục 1,2 và 3 Động cơ cho hệ trục 4và 5

Các động cơ này có thể chuyển động với tốc độ quay rất lớn để chuyển động các tải có momen lớn và ( với encođer đã gắn ) để thực hiện các vòng quay lớn Nguyên lý hoạt động của động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng dựa trên cơ sở dòng điện chạy qua chất dẫn điện được đặt trong từ trường

Vị trí này tạo ra một lực tác động vào chất dẫn điện

Cấu trúc cơ bản của các động cơ gồm các thành phần chính mô tả trênhình sau:

Hình 6: Cấu trúc của các động cơ Scorbot

- Stato : Là phần tử tĩnh tạo ra từ trường, nó có thể là một nam châm vĩnhcửu hoặc một nam châm điện gồm một cuộn dây quấn quanh lõi thép mỏng

- Roto : Là phần tử quay trong từ trường Tải bên ngoài được nối với trụccủa roto Roto nói chung bao gồm hệ thống lõi thép đã được đục lỗ và các dâydẫn được quấn vài lần quanh tấm bản cực qua các lỗ Hai đầu cuối của dây dẫnđược nối tới hai nửa của bộ chuyển mạch nó được cấp nguồn thông qua 2 chổithan

- Chổi than: Nó nối các bộ chuyển mạch quay tròn và được cấp bởi dòngđiện từ bên ngoài

*, Dây cu roa và các puly

Có tác dụng liên kết các chuyển động, đảm bảo các khớp hoạt động mộtcách chắc chắn và an toàn

d Các phần tử định vị và giới hạn vị trí

Scorbot – er9 luôn bố trí các phần tử định vị và giới hạn trên cánh tayrobot để đảm bảo các chuyển động diễn ra chính xác và an toàn Các phần tửnày bao gồm :

Vị trí và chuyển động của mỗi trục Scorbot – ER9 được đo bởi encoderquang điện đã được gắn vào đầu trục động cơ để đưa tín hiệu truyền động cơ từcác trục về Encođer biến chuyển động quay của trục động cơ thành một tín hiệu

số bằng bộ điều khiển Encoder được đặt trên động cơ như chỉ ở hình sau

Hình 7: Vị trí đĩa Encoder trên động cơEncoder sử dụng trên Scorbot – ER9 bao gồm một diot ( LED) quangnhư một nguồn sáng Trước đèn led là một mạch tổ hợp đo sóng ánh sáng ICnày bao gồm một vài bộ thu tách sóng quang và một mạch điện để tạo ra mộttín hiệu số Một lỗ khoan trên đĩa quay được đặt vào giữa mạch tổ hợp bộ phát

và bộ thu sóng

Khi đĩa quay tròn giữa đèn LED và bộ thu ánh sáng bị ngắt bởi các vạchtrên đĩa, kết quả là một chuỗi xung nhận được bởi IC thu sóng

Hình 8: Đĩa encoder trên Scorbot – ER9

Encoder có 512 rãnh cắm như hình trên, mỗi khe bổ xung trên đĩa được sửdụng để phát ra một xung kim ( Xung C) cho mỗi vòng quay của đĩa Dựa trênxung kim này để xác định vị trí gốc của các trục

Bộ thu sóng phải được sắp xếp sao cho khi thay đổi có thể phát hiện toàn bộánh sáng Đầu ra các diode quang được đưa vào mạch xử lí tín hiệu, kết quả cho

ra các tín hiệu như hình 9

Các bộ so sánh nhận tín hiệu và tạo ra các tín hiệu số ở các kênh A, B, và

I Đầu ra các kênh A lệch pha với kênh B một góc 90o Khi chiều quay của đĩangược với chiều quay kim đồng hồ, kênh A sẽ sớm pha hơn kênh B, và ngượclại khi chiều quay của đĩa theo chiều kim đồng hồ thì kênh B sẽ sớm pha hơnkênh A

Mỗi trục từ trục 1 đến trục 4 có 2 công tắc tới hạn Vị trí của nó ở cuốiphạm vi làm việc của các hệ trục Trục 5 không có các công tắc tới hạn, nó cóthể quay liên tục Khi bàn kẹp được gắn vào trục 5 chuyển động của nó chỉ đượcđiều khiển và giới hạn bởi phần mềm

Công tắc tới hạn được gắn trên các đĩa, các đĩa này được gắn với khungcủa robot Đĩa cho trục 3 được chỉ như hình sau :

Hình 10: Vị trí công tắc tới hạn

Trục ra của hộp truyền động liên kết với đĩa được gắn với công tắc nhỏ Ở

vị trí chuyển động các khớp, mấu cam trên đầu ra của các trục chuyển động dichuyển đến một điểm, ở điểm đó nó sinh ra một lực trên nút kích thích của côngtắc tới hạn vào vị trí mà nó làm hoạt động công tắc

* Công tắc cơ sở

Scorbot – ER9 sử dụng công tắc quang cơ sở trên mỗi hệ trục để nhậndạng vị trí gốc, hoặc các vị trí cố định khác Công tắc cơ sở được đặt trên đĩagiống như công tắc tới hạn và một cái cờ được gắn trên đầu ra của trục truyềnđộng Trong suốt quá trình đưa về vị trí gốc, các biến khớp của robot đượcchuyển động ở mỗi một thời điểm Mỗi một trục được di chuyển cho đến khi cờcắt tia sáng Khi đó bộ thu sáng trên mỗi hệ trục gửi tín hiệu tới bộ điều khiển.Lần đầu tiên vị trí mà công tắc cơ sở phát hiện, động cơ tiếp tục quay cho đếnkhi encoder sinh ra xung kim Tại thời điểm đó chính là vị trí gốc của hệ trục .4.2 CONTROLLER B hệ thống điều khiển robot

Là thiết bị trung gian kết nối giữa máy tính và robot để thực hiện việcđiều khiển robot Việc truyền thông giữa máy tính và bộ điều khiển thông quacổng COM hoặc RS 232 cho phép chương trình được viết trên PC để điều khiểnROBOT Ngoài ra thông qua thiết bị teach Pendant cho phép thực hiện điềukhiển robot độc lập với máy tính

Nói chung bộ điều khiển bao gồm những phần tử điện với hệ thống vi xử

lí Các hệ thống này điều khiển chuyển động của các end – effector thông qua

việc điều khiển chuyển động của các biến khớp Trong một số trường hợp cóthể lưu trữ các chương trình trong bộ nhớ của chúng

a Thông tin tổng quan bộ controler B

Các đặc điểm của bộ điều khiển

+ Loại điều khiển: Bao gồm điều khiển độc lập, thời gian thực, đa nhiệm,PID ( Tỉ lệ , tích phân và vi phân ), PWM điều khiển độ rộng xung

+ Điều khiển đường: gồm CP ( đường liên tục ), đường nối, đường thẳng,đường tròn, đường hình sin, đường được định nghĩa bởi người sử dụng toạ độcủa thiết bị

+ Điều khiển quỹ đạo: Bao gồm điều khiển quỹ đạo kiểu Parabonoit, quỹđạo đường hình sin

+ Các tham số điều khiển: Điều khiển servo, tốc độ, vận tốc trượt, sai lệch

vị trí trục, hoạt động của bàn kẹp, bảo vệ nhiệt, va chạm, giới hạn, dẫn đường,giao diện encorder, và các phép tính

Ngoài ra còn nhiều các thông số khác như: Cấp nguồn vi phân, trọnglượng kích thước, dải nhiệt độ hoạt động, chíp, bộ nhớ card vào ra

Hình dạng bên ngoài của Controller –

B

b Thành phần và chức năng giao tiếp của Controller – B

* , Mặt trước của bộ điều khiển controller

Mặt trước của khối điều

khiển

Gồm các thành phần và chức năng như sau:

- Công tắc nguồn: Công tắc này ở vị trí sau của bộ điều khiển Công tắcnguồn có thể nối với nguồn 100/110/220/240 VAC tới bộ điều khiển Khi côngtắc nguồn bật hệ thống bắt đầu hoạt động

-Đèn nguồn: Đèn LED màu vàng sáng lên khi công tắc nguồn bật Nó chỉ

ra rằng nguồn đã bật

- Công tắc cấp nguồn cho động cơ truyền động: Công tắc này cho phépđóng hoặc cắt nguồn cấp điện áp một chiều tới tất cả các động cơ đã nối ĐènLED màu xanh gắn vào công tắc sáng lên khi công tắc bật CPU giữ các trạngthái on/off của công tắc trên bộ điều khiển và gây ra thông báo “ Công tắc nguồnđộng cơ bị tắt ” xuất hiện khi công tắc không bị ấn

Công tắc nguồn động cơ chỉ trong trạng thái nghỉ trong các trường hợpsau :

+ Không cấp nguồn cho động cơ vì không cấp nguồn cho bộ điều khiển + Ngăn cản sự chuyển động của các hệ trục

Khi công tắc động cơ được tác động, bất kì hệ trục chuyển động nào sẽđược dừng mềm Đầu tiên công tắc các động cơ sẽ ở trạng thái off, các động cơcủa robot và tất cả các hệ trục được nối không cho phép hoạt động Nếu công tắc

ở vị trí ON các hệ thống bao gồm như encorder, các card vào/ra liên tục chứcnăng, chương trình cũng sẽ tiếp tục thực hiện, mặc dù các lỗi được thông báotrên màn hình

- Nút dừng sự cố và đèn báo ( Emergecy ): Khi nút dừng sự cố được ấn thìxảy ra các trường hợp:

+ Nguồn động cơ bị ngắt, tất cả các chuyển động của các động cơdừng lại, đèn Led màu xanh trên động cơ tắt

+Trạng thái điều khiển tắt Control off đuợc kích hoạt + Đèn Led sự cố màu đỏ sáng lên, một thông báo dừng khẩn cấpxuất hiện trên màn hình, tất cả các chương trình đang chạy bị huỷ bỏ.Các đầuvào đầu ra bị treo ở trạng thái hiện tại Nguồn cung cấp cho người sử dụng vẫnđược duy trì bình thường

+ Chế độ HOME và CON không thể hoạt động

Để giải phóng nút dừng sự cố bằng cách quay nó theo chiều kim đồng hồtheo chiều mũi tên đã chỉ ra trên đó Khi nút dừng sự cố được giải phóng thì xảy

ra các khả năng như sau :

+ Thông báo thoát khỏi dừng sự cố được xuất hiện trên máy tính + Đèn Led dừng sự cố màu đỏ tắt

+ Đèn Led cấp nguồn cho động cơ (màu xanh) sáng + Nếu tồn tại thì chương trình sử dụng bắt đầu chạy

+ Hoạt động CON

- Công tắc khởi động lại: Giống như nút ấn khởi động lại trên PC, khi ấnnút này thì sẽ khởi động lại bộ điều khiển, nếu nó đang được cấp nguồn Khi ấnnút này sẽ xuất hiện :

+ Tất cả các chương trình đang chạy sẽ bị treo

+ Vị trí gốc HOME sẽ bị xoá đi từ bộ nhớ trong suốt quá trình khởiđộng lại

- Cấp nguồn cho các ngắt cuối: Sử dụng cấp nguồn cho các phần tử bênngoài trong ứng dụng của người sử dụng để nhận được nguồn từ bộ điều khiển

Sử dụng cấp nguồn của bộ điều khiển có 4 điểm cuối là + 24VDC 2A, 12 VDC2A, cấp nguồn di động chung, nối đất an toàn

- Các điểm đầu ra: Có tất cả 16 đầu ra trong hệ thống robot để chuyển cáctín hiệu đến các phần tử bên ngoài trong môi trường của robot Controller- B có

2 loại đầu ra, 4 rơle đầu ra và 12 tiếp điểm thường mở

- Các tiếp điểm đầu vào: Có 16 đầu vào trong hệ thống robot để nhận cáctín hiệu từ các phần tử bên ngoài trong môi trường hoạt động của robot

- Các đèn LED vào ra: Có 16 led màu xanh tương ứng với đầu ra từ 1 đến

16, Đèn Led này sáng lên khi đầu ra được kích hoạt Có 16 đèn Led đầu vàotương ứng với 16 đầu vào từ 1 đến 16 đèn này sáng lên khi đầu vào được kíchhoạt

* , Mặt sau bộ điều khiển :

Hình 13: Mặt sau Controller – B Trong đó : 1 Công tắc nguồn ON/OFF

2 Chân cắm nguồn 100/110/220/240VAC

3 Thiết bị tiếp đất

4 Cổng RS 232

5 Đầu nối Teach Pendant

6 Đầu nối cổng song song

7 Đầu nối nguồn robot

8 Đầu nối Encoder

9 Đầu nối trục chuyển động

10.Đầu nối Scorbot – ER9

11.Đầu nối các khối vào/ra

12.Công tắc điều khiển sự cố từ xa

13.Đầu nối ra để điều khiển từ xa cho động cơ servo

14.Cổng đa chức năng RS 232

* Cấu trúc bên trong của bộ điều khiển

Đây là những thông tin về phần cứng của hệ thống Nó tích hợp đầy đủcác phần tử tạo nên bộ điều khiển bao gồm

- CPU: Loại motorola 68020 Đây là bộ xử lý trung tâm chứa tất cả cácmạch điện cho phép điều khiển, định thời , lưu trữ và truyền tải dữ liệu địa chỉ,thuật toán thực hiện

- OUTPUT : Gồm 16 đầu ra , được chia thành 2 khối cách li quang

Hình15: Đầu ra của bộ điều khiển

- Truyền thông: Hai kênh tích hợp chuẩn truyền thông RS 232 có thể được

mở rộng tới 10 kênh

- Đa nhiệm: Thực hiện đồng thời tối đa 40 nhiệm vụ của người sử dụng

Bài 2:

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CHO ROBOT SCOBOT-ER9

2 Công tác chuẩn bị của sinh viên:

- SV phải ôn lại thật kỹ cơ sở toán học trong tính toán động học robot

- Phải nắm được cơ bản các bước tính toán động học của robot

- Tính được các định thức, từ đó tính ra được vị trí của bàn kẹp robot Scobot-ER9

3 Trang thiết bị cần thiết:

- Scorbot ER9

- Máy tính

- Bộ điều khiển Controller B

- Thiết bị Teach Pendant

4 Các nội dung, quy trình:

4.1 Động học thuận vị trí của robot

Bài toán động học thuận vị trí của robot là bài toán xác định mối quan hệgiữa vị trí của bàn kẹp ( End_enffector) so với khung toạ độ gốc Tức là biếttrước các biến khớp, từ đó đi xác định ma trận vị trí bàn kẹp H

T R Xét một tay máy có n+1 khớp tự do, được nối với nhau bởi n khớp Mụcđích của tính toán động học là xác định được vị trí bàn kẹp Theo hệ toạ độ gốcthì ma trận biểu diễn động học thuận của bàn kẹp có dạng như sau :

z z z z

y y y y

x x x x H

R

p a o n

p a o n

p a o n ] p , a , o , n [ T

4.2 Tính toán động học thuận cho Scorbot – ER9

- Áp dụng quy tắc Denavit – HarterBerg đặt khung toạ độ như sau : X0Y0Z0 đặt tại trục quay của khớp thứ 1 X1Y1Z1 2

X2Y2Z2 3

X3Y3Z3 4

X4Y4Z4 5

X5Y5Z5 6 Chọn các trục toạ độ cho các khớp ta có khung toạ độ Robot Scorbot –ER9 như sau:

- Lập bảng quan hệ DH

- Tính Các định thức A1A2 A5

Ma trận tổng quát :

0 0

n n n n n

n n

n n n n n

n n

d Cos

Sin

Sin a Sin Cos Cos

Cos Sin

Cos a Sin

Sin Cos

Sin Cos

Ta có ma trận của bàn kẹp là :

5

4 2

1 1

0 5 0

A

A A T

Với c1=cos Ө1 ; s1=sin Ө1; c2=cos Ө2; s2= Ө2; c3=cos Ө3; s3=sin Ө3;

c4=cos Ө4; s4=sin Ө4; c5=cos Ө5; s5=sin Ө5; c23=cos(Ө2+ Ө3);

s23=sin(Ө2 +Ө3); c234=cos(Ө2 +Ө3 +Ө4); s234=sin(Ө2 +Ө3 +Ө4)

s(2+3-4)=sin(Ө2 +Ө3 -Ө4)

Bài 3:

ROBOT LÀM VIỆC TRONG KỸ THUẬT HÀN I.Mục đích

-Giúp sinh viên thực hành được thao tác điều khiển Robot Scobot ER9 thông qua dụng cụ Teach Pendant và phần mềm điều khiển Robot Scobase – Phần mềm cung cấp công cụ cần thiết cho người sử dụng trong quá trình vận hành và lập trình cho Robot.

-Giúp sinh viên hiểu sâu hơn phần lý thuyết điều khiển Robot đã học ở trên lớp

III.Nội dung bài thí nghiệm: Hàn chữ theo yêu cầu

Vì không có súng hàn nên quá trình hàn một mối hàn được dặc trưng bởi việc đóng bàn kẹp Kết thúc mỗi một mối hàn bằng việc mở bàn kẹp Sauk hi hàn xong một chữ cái thì có độ trễ và tiếp tục hàn các chữ cái tiếp theo Kết thúcmột chu kỳ hàn có tiếng chuông báo hiệu

Ví dụ: Hàn chữ V

Bằng việc tính toán động học để tìm ra tọa độ chính xác của Robot, ta nạp tọa độcủa robot, ghi lại số vị trí mà robot phải thực hiện

Ta có bảng tọa độ vị trí dưới dạng tọa độ Đềcác như sau:

-Kiểm tra tất cả các đầu nối giữa bộ điều khiển và robot, máy tính và bộ điều khiển…

-Cấp nguồn 220VAC vào bộ điều khiển và máy tính

-Bật công tăc ở bộ điều khiển bởi nút ON/OFF