LỜI NÓI ĐẦUTrong công ngiệp hóa hiện, đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa sản xuất có vai trò đặc biệt quan trong .Mục tiêu của kỹ thuật robot trong công nghiệplà nâng cao năng suất dây
Trang 1LỜI NÓI ĐẦUTrong công ngiệp hóa hiện, đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa sản xuất có vai trò đặc biệt quan trong
Mục tiêu của kỹ thuật robot trong công nghiệplà nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng caao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Robot công nghiệp là một bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những thống tự động sản xuất
Ngày nay robot công nghiệp được dùng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản xuất, trong đó có Robot SCARA Đây là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt được
sử dụng nhiều trong các công việc lắp ráp các tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng
Do đó nhóm của chúng em đã chọn loại robot này để làm đề tài tiểu luận của nhóm.Trong quá trình làm bài, nhóm chúng em đã nghiên cứu, tìm hiểu và tham khảo nhiều tài liệu khác nhau.Tuy nhiên, bài làm của nhóm sẽ có những chỗ thiếu xót và không hợp lí Nhóm chúng em rất mong nhận được sự thông cảm của thầy Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 2CHƯƠNG I: CHỌN TAY MÁY VÀ TÍNH VẬN TỐC
Chọn tay máy scara 4 khâu như hình bên dưới
Đây là robot có cấu hình kiểu RRTR, bàn tay có chuyển động xoay quanh trục đứng Hệ tọa độ gắng lên các khâu như hình vẽ
Trang 301
0
sin1
01
cos1
cos1
01
sin1
cos0
θθ
θ
a
a A
00
01
0
sin202cos2
cos2
02
sin2
cos1
θθ
θ
a
a A
100
0010
00012
Trang 40
004
cos4
sin
004sin4
cos3
θθ
00
01
0
sin202cos2
cos2
02
sin2
cos.10
00
01
0
sin101cos1
cos1
01
sin1
cos1
θθ
θθ
θθ
θ
a
a a
a A
00
01
0
sin112
sin2
012
cos12
cos112cos2012sin12
cos
θθ
θθ
θθ
θ
θ
a a
a a
100
0010
0001.1
00
0
01
0
sin112
sin2
012
cos12
cos112
cos2
012
sin12
cos2
a a
A
A
θθ
θθ
0
10
sin112
sin2
012
cos12
cos112cos2012sin12
cos
d
a a
a a
θθ
θθ
θθ
θθ
10
0
004
cos4
sin
004sin4
cos.1
00
10
sin112
sin2
012
cos12
cos112cos2012sin12
cos3
a a
θθ
θ
θθ
θθ
Trang 510
sin112
sin20
)124
cos(
)124
cos112cos20)124
sin(
)124
cos(
d d
a a
a a
θθ
θθθ
θ
θθ
θθθ
14321
γ
γγ
)0(
34)0(34
0
)0(23
)0(1
)0(
14)0(12
0
04
01
z
p z
J
z J
z
p z
J
z
p z J
Với:
Trang 60.10
0
012
cos12
sin
012sin12
cos)
2(2
02
10
0.10
0
01
cos1
sin
01sin1
cos
10
0
01
θθ
θθ
θθ
z R z
R z
10
0.10
0
012
cos12
sin
012sin12
cos)
3(3
03
Ta có:
)3(
34
03)
34
)2(
23
02
)1(
12
01
14
01
00
1
cos1
0 1
sin1
1
cos1.100
010
00
10
θ
a
a a
a r
12
cos2
0 2
sin2
2
cos2.10
0
01
cos1
sin
01
sin1
cos)
1(
θθ
a r
R
Trang 70.10
0
012
cos12
sin
012
sin12
cos)
2(
22
02
d d
r
θθ
40
0.10
0
012
cos12
sin
012sin12
cos)
3(
34
03
d d
r
θθ
1
cos1)3(
12
sin2
12
cos24
00
300
0 12
sin2
12
cos2)
0(
14
d d a a d
d a
a
θθ
12
sin21
sin1
12
cos21
cos14
3
12
sin2
12
cos2
0 1
sin1
1
cos104
d d
a a
a a
d d a
a a
a
θ
θθ
θθ
+
=
100
cos21
cos1
12
sin21
sin1
0
10
sin21
sin112
cos21
cos
1
10
1
θθ
θθ
θθ
θθ
a a
a a
d d a
a a
a
k j
i J
Trang 80 12
cos2
12
sin2
0
10
sin212
cos2
10
2
θ
θθ
θ
a a d
d a
a
k j
i J
10
00
10
k j i J
1
101
1
000
0
000
0
010
0
0012
cos212
cos21
cos1
0012
sin212
sin21
sin1
γγγ
γθ
θθ
θθ
a
a a
a
x
Nhận xét: Dựa vào các thông số trong ma trận biểu diễn vận tốc thì tay máy có
các thành phần vận tốc có giá trị khác không, bằng không Vậy tay máy có 3 chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay quanh trục OZ
Trang 9CHƯƠNG II: BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
010
00
02i
ai
m12
1iiI
Ma trận quán tính khâu I viết trong hệ tọa độ tuyệt đối:
T i R
i i
I i
R i
0 1 1
0 1 1
0 1 1
0 0
0 1 1
0 1 1
0
θ
θ θ
θ
θ θ
C S
S C
T R C
S
S C
0
0 1
2 1
1
0 1 1 1
2 2 1 1 12
1
θ θ θ
C C
S
C S S
a m I
0
0 12 12
0 12 12
0 2 1
0 0
0 12 12
0 12 12
0
θ
θ θ
θ
θ θ
C S
S C
T R C
S
S C
0
0 12
2 12
12
0 12 12 12
2 2
2 2 12
1
θ θ θ
C C
S
C S S
a m I
0
0 12 12
0 12 12
0 3 1
0 0
0 12 12
0 12 12
0
θ
θ θ
θ
θ θ
C S
S C
T R C
S
S C
R
Trang 100 12
2 12
12
0 12 12 12
2 2
3 2 12
θ θ θ
C C
S
C S S
d m
0
0 12 4 12
4
0 12 4 12
4 0
4 1
0 0
0 12 4 12
4
0 12 4 12
4 0
θ θ θ
θ θ
θ θ
θ
θ θ θ
θ
C S
S C
T R C
S
S C
0
0 12
4
2 12
4 12 4
0 12 4 12 4 12
4
2 2
4 4 12
1
θ θ θ θ θ
θ
C C
S
C S
S d
m I
2 Tính vận tốc khối tâm của từng khâu:
khớp quaykhớp tịnh tiến
khớp quaykhớp tịnh tiến
=
0 1
12
1 1 12
1
0 1
12
1 1 12
1
100
010
00
101
00
11
01
00
0
θθ
θ
S a
C a S
a
C a r
R c P r R c
j ci P j
Trang 110 1 1
1 2
12 1 1
1 1
1
ω
θθ
J
C a
S a V
0 1 1
0 2 122
1 1
12 2 2
1 1 1 )
1
(
2
1 0 0 1 0 0 1 0 0
0 1 1
0 1 1
1 0
0 0 1
1
0
12 2 2
1 1
12 2 2
1 1 1 0
2
0 12
2 2 1
12 2 2 1
0 1
1 2 1
1 1 2 1
1 0 0
0 1 1
0 1 1
1 2
0 1
1
2
1 2
0 1
0 0
θ θ
θ θ
θ θ
θ θ
θ θ
θ
θ θ
θ θ
θ
θ θ
J
C a C
a
S a S
a V
J
C S
S C
R
Z
S a S
a
C a C
a c
P
S a
C a S
a
C a C
S
S C
r R
c
P
c P r R
c
P
Trang 120 ) 2 ( 2
0
12 2 2
12 2 12
1 )
J
C a
S a
1
(
3
1 0
0 )
3
(
3
1 0
0 )
=
4 0 0 4
0 0 1 0
0
0 12 12
0 12 12
4 4
3 4
0 3
3
4
d d
C S
S C
C P r R C
θ θ
0 4
4
0 0
0 4 4
ω
J
V
J
Trang 134 3 0 0 4
0 0 3
0 0 1 0
0
0 12 12
0 12 12
3 4
d
C S
S C
C P r
R
C
θ θ
=
4 3
12 2 2
1 2 122
1
4 3 0 0
0 2
2 2
1 2 22
1
1 0 0
0 1 1
0 1 1
2 4
S a
C a
d d
S a
C a C
S
S C
C P r
R
C
θ θ
θ θ
θ
θ θ
12 2 2
1 )
J
C a
S a V
=
) 4 3 ( 2 2 12
1 1 1
12 2 2
1 1 1
) 4 3 ( 2 122
1 2 122
1
0 11
1 1 1
S a S
a
C a C
a
d d
S a
C a S
a
C a C P r
R
C
θ θ
θ
θ θ
θ
Trang 140 ) 1 ( 4
02 2 12
1 1 1
12 2 2
1 1 1 )
1 ( 4
ω
θ θ
θ θ
J
S a S
a
C a C
a V
0001
0000
0000
0000
0001121
0001121
θ
θ
θ
θθ
d
C a
S a
1
000
0
000
0
000
0
001212
11222
111
001212
11222
111
4 3 2
θ
θθ
θ
θ
θθ
ω
ω
ω
C a C
a C
a
S a S
a S
a
d
C J
Trang 150000
0111
0000
0000
4 3 2
1
00
00
00
00
00
00
00
1212
11222
111
00
1212
11222
111
4 3 2
C a C
a C
a
S a S
a S
a
d
C J
θ
θθ
θ
θ
θθ
ω
ω
ω
4 Ma trận quán tính cơ cấu chấp hành:
Thay J,I vào phương trình:
T i
J i I
T i J
T Vi
J i m
T Vi J
M
Ta được:
4 3
2 1
4 4
4 4 4 3
3 3
3 3
2 2
2 2 2 1
1 1
1 1
4 3
2 1
M M
M M
T J I T J
T V J m
T V J T
J I T J
T V J m
T V J
T J I T J
T V J m
T V J T
J I T J
T V J m
T V J M
+ +
+
=
+ +
+
+ +
+ +
ω ω
ω ω
ω ω
Ta có:
Trang 160 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0
2 1 1 3 1
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0
2 1 4 1
1 1
1 1
1 1
a m a
m
a m T
J I T J
T V J m
+
= +
=
0 0 0
0
0 0 0
0
0 0
2 2 3
1
2 2 3
1 2 2 1
2
1
0 0 2 2 1 2
1
2 2 3
1 2 2 1
2 2 3
2 2 2
a a
C a
a
C a a a
C a a a a
m
T J I T J
T V J m
ω ω
=
0 0 0 0
0 1 1 1
0 1 1
1
0 1 1
1 3 3
3 3
3 3
Trang 17+ +
−
− +
+ +
+ +
= +
+ +
− +
+ +
+
= +
=
2 2 4 12
1 2 4 12
1 2
4 12
1 2
4 12 1
2 4 12
1 2 4 12
1 2
4 12
1 2
4 12 1
2 4 12
1 2 4 12
1 2
4 12
1 2 2 4
1 2
4 12
1 2 2 4
1 2 2 1
2
1
2 4 12
1 2 4 12
1 2
4 12
1 2 2 1
2 2 4
1 2 4 12
1 2 2 1
2 2 4
1 2
1
4
2 ) 4 3 ( ) 4 3 ( ) 4 3 ( ) 4 3 (
) 4 3 ( 1
1 1
) 4 3 ( 1
1 1
) 4 3 ( 1
1 1
0
0 0 0
0
0 0
2 2 4
1
2 2 4
1 2 2 1
2
1
0 0 2 2 1
2 2 4
1 2 2 1
2 2 4
4 4 4
d d d
d d
d d
d
d d d
d d
d d d
d a
d a
C a a
d d d
d C
a a a d
C a a a a
m
d d d
d d
d d
d
d d
d d
d d d
m
a a
C a a
C a a a C
a a a a
m
T J I T J
T V J m
θ
θ θ
ω ω
42 41
34 33
32 31
24 23
22 21
14 13
12 11
4 3
2 1
M M
M M
M M
M M
M M
M M
M M
M M
M M
M M
++
= 22 1 2 2) 3 4 12 14 22 1 2 2 121 42
4
121
(2
211
+++
=m 1a2 1a a C m m 1a2 a a C 1 d2
Trang 1813
d d m
+ + +
4 12
1 2 2 4
1 2 2 1 2
1
4 3
2 2 3
1 2 2 1 2
1 2
+
12
1224
143
2223
1
M
24412
13
M =− −
d d m
13
M =− −
24412
13
M =− −
24412
13
d d m
q
jk M k
q j
M i
Trang 19=
∗ 2 1 2 2 4 1 2 2) 22 1 2 2( 2 4) 1 2 121 4 42 4 3
2
1(
++
=
12
121
)42
(2214
3
21)42
(2212
1
V
24
)43(
244
12
1
43
24412
142
24412
141
24412
13
=
∗
θ
θθ
θθ
θ
d d d m
d d m d
m d
m V
j
i Vi J T g j m i
G
)1222
111
(4
)1222
111
(2111
2
1
)1
(44
)1
(33
)1
(22
)1
(11
1
θθ
θθ
C ga
m
V J T g m V J T g m V J T g m V J T g m
G
++
++
=+
++
=
∗
12242
11222
2
1
)2
(44
)2
(33
)2
(22
)2
(11
2
θ
C ga
m
V J T g m V
J T g m V
J T g m V
J T g m G
+
=+
++
Nếu bỏ qua lực ma sát tại khớp, f r = 0
Jacobi cho khâu tác động cuối:
Trang 20000
0
000
0
010
0
0012
cos212
cos21
cos
1
0012
sin212
sin21
sin1
θθ
θ
θθ
θ
a a
a
a a
10000
0
00010
0
100012
cos212
sin2
100012cos21cos112sin21sin1
F F F F
zn M yn M xn M zn F yn F xn F a
a
a a
a a
F
T
θθ
θθ
12
1
F
F Q
1 1 1
(
4
) 12 2 2
1 1 1 ( 2 1 1 1 2
1 2
4 4 12
1 )
4 2 ( 2
2
1
2 2 1 4 2 2 1 2 2
1 ( )
4 3 (
2 4 4
12
1
342
1
22)4
2
11
1
3
2 4 4 12
1 3
2 4 12
1 2 2 1
2 2 4
1 4 3 2
2 1 2
1 2 2 3
1
2
2 4 12
1 2 2 1
2 2 4
1 2 1 4 3
) 2 2 1
2 2 4
1 2 1
( 2
2 1 1 3 1
θθ
θθ
θθ
θθ
θθ
θ
θθ
θ
θτ
θ θ
θ θ
S a S
a
g
m
C a C
a g m C
ga m d
m m
m S
a
a
S a a m S
a a m d
d d
d C
a a a m m C
a a a
m
d C
a a a a
m m C
a a a a
m a m
+
+ +
+
+ +
+ + +
+ +
+ +
+ +
• i=2:
Trang 2112 2 4 2
1 12 2 2 2
1 2
4 4
12
1
) 4 2 ( 2 2 1 4
3 )
4 2 ( 2 2 1 2
1 )
4 3 (
2 4 4
12
1
2 4 4 12
1 3
2 4 12
1 2 2 4
1 4 3
2 2 2
3
1
2 4 12
1 2 2 4
1 2 2 1 2
1 4 3
2 2 3
1 2 2 1 2
1 2
42
21
214
32
12
2
θθ
θθ
θθ
θθ
θθθ
θ
θ
θτ
C ga m C
ga m d
m
m m S a a m
m S a a d
d d
m
d m m
d a
m m a
m
d a
C a a m m a
C a a m
d F
+
+ +
+
−
−
− +
+ +
+ +
+ + +
+
−
++
)4
434
24
14
32
13
3
3 (
2 4 4
12
1
2 4 4 12
1 2
4 4 12
1 2
4 4 12
1 )
4 3 (
2 4 4
12
1
2 4 4 12
1 3
2 4 4 12
1 3
2 4 4 12
1 3
++
++
θθ
θθ
θθ
τ
d d d
m
d m d
m d
m d
d d m
d m m
d m m
d m m
d
d F
23
1
4
2
24412
12
24412
121
4
4
2 4 4 12
1 2
4 4 24
1 2
4 4
24
1
2 4 4 12
1 2
4 4 12 1
d d
d
d d m d
d d m F
d m d
m d
m
d d m d
d m
θθ
θ
θθ
θτ
Trang 22CHƯƠNG III: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO KHỚP 1.
1 Chọn động cơ.
Lí do chọn động cơ:
Trong kỹ thuật robot về nguyên tắc có thể dùng động cơ điện các loại khác nhau, nhưng trong thực tế có hai loại dùng nhiều hơ cả Đó là động cơ điện một chiều và động cơ bước
Về phương diện điều chỉnh tốc độ thò động cơ điện có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với các loại động cơ khác Đó là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng trong dải rộng, có cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển dơn giản
Do đó, nhóm em đã chọn động cơ điện một chiều để điều khiển cho khớp 1 của tay máy
Sơ đồ động cơ điện một chiều cùng phụ tải:
Trang 23Mm, Jm: momem và momen quán tính của động cơ.
ML, JL: momem và momen quán tính của phụ tải
θm : góc quay của trục động cơ
θL : góc quay của trục phục tải
n = θL/ θm: tỉ số truyền của hộp số
Công suất động cơ:
Giả sử động cơ dài hạn làm việc cho phụ tải ngắn hạn, có chu kì lặp lại
Sơ đồ động cơ điện một chiều
Trang 24Động cơ ngắn hạn lặp lại thường được chế tạo chuyên dụng có độ bền cơ khí cao, quán tính nhỏ (để đảm bảo khởi động và hãm thường xuyên) và khả năng qua tải lớn (từ 2,5 - 3,5 lần).
Khi chọn động cơ phải đảm bảo
Chọn động cơ có thông số kỹ thuật như sau:
Trang 25 Từ (1) và (2) suy ra:
M(t) = (Jm + JL ) (t) + (fm (t)Đặt: J = Jm + JL ; =
J: momen quán tính tổng hiệu dụng
Trang 26 Từ (*) và (**), suy ra:
Bởi hệ thống gồm cả động cơ và phụ tải nên tín hiệu ra là góc quay của trục phụ tải Vậy hàm truyền của tay máy có dạng là:
Sơ đồ khối:
Trang 27 Điện cảm phần ứng thường quá nhố với các nhân tố ảnh hưởng cơ khí khác, do đó có thể để đơn giản hóa có thể không xét đến ảnh hưởng của Vậy hàm truyền có dạng:
Thay các thông số của động cơ vào phương trình (***) ta được:
3 Đánh giá chất lượng hệ thống
Khảo sát tính ổn định của hệ thống:
Trang 28Biểu đồ Bode của hệ thống.
Xét tiêu chuẩn ổn định tần số: Tiêu chuẩn Bode
Trang 29Biểu đồ Step Response khi chưa hiệu chỉnh PID
Từ đồ thị ta có:
Độ vọt lố của hệ thống là POT% =
Thời gian đáp ứng là :
Thời gian quá độ là:
Thời gian lên đỉnh là
Kết luận : Độ lọt vố cao hơn 10%, thời gian đáp ứng còn chậm
4 Thiết kế bộ điều khiển PID:
Khâu hiệu chỉnh PID có thể xem là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên có các yêu điểm của khâu PI và PD Nghĩa là khâu PID cải thiện đáp ứng quá độ (giảm độ vọt lố, giảm thời gian quá độ) và giảm sai số xác lập (nếu đối tượng không có khâu tích phân lý tưởng thì sai số xác lập đối với tín hiệu vào là hàm nấc bằng 0)
Trang 30Ta có được các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID như sau :
Trang 32Mục lục
CHƯƠNG I: CHỌN TAY MÁY VÀ TÍNH VẬN TỐC 2
CHƯƠNG II: BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 9
1.Tính các ma trận quán tính 9
2.Tính vận tốc khối tâm của từng khâu: 10
3.Vận tốc khối tâm của tay máy: 14
4.Ma trận quán tính cơ cấu chấp hành: 15
5.Tính giá trị: : 18
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO KHỚP 1 22
4.Thiết kế bộ điều khiển PID: 29
Trang 33Mục lục 32
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 “ Robot công nghiệp”- Nguyễn Thiện Phúc- NXB Khoa học và kỹ thuật
2 “ Điều khiển robot công nghiệp”- Nguyễn Mạnh Tiến- NXB Khoa học và kỹ thuật
3 “ Robot công nghiệp”- Phạm Đăng Phước
4 “ Kỹ thuật robot”- Trần Hữu Toàn, Bùi Thư Cao-Trường ĐH Công Nghiệp Tp.HCM
5 “ Lý thuyết điều khiển tự động”- Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái
Hoàng- NXB ĐH Quốc Gia T.p HCM