Nâng cao độ tin cậy điều khiển vị trí hệ 3 piston xylanh khí nén (mô phỏng robot harmo)

B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI PH TUN SN PH TUN SN CễNG NGH CH TO MY NNG CAO TIN CY IU KHIN V TR H PISTON XYLANH KH NẫN (Mễ PHNG ROBOT HARMO) LUN VN THC S KHOA HC CễNG NGH CH TO MY KHO 2009 H Ni 2011 B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI - PH TUN SN NNG CAO TIN CY IU KHIN V TR H PISTON XYLANH KH NẫN (Mễ PHNG ROBOT HARMO) Chuyờn ngnh: Cụng ngh ch to mỏy LUN VN THC S KHOA HC CễNG NGH CH TO MY NGI HNG DN KHOA HC: PGS.TS NGUYN DON í H Ni 2011 Mục lục Mục lục Trang Phần I : phần mở đầu I.1>lý chọn đề tài I.2> lịch sử nghiên cứu, phát triển I.3> Mục đích nghiên cứu luận văn I.4>đóng góp tác giả I.5> phơng pháp nghiên cứu Phần II : nội dung Chơng I : sở lí thuyết khí nén I.1> u, nhợc điểm hệ thống truyền động khí nén I.1.1> Ưu điểm I.1.2>Nhợc điểm I.2> Đơn vị đo hệ thống khí nén: I.2.1>áp suất I.2.2> Lực I.2.3>Công I.2.3> Công suất I.2.5> Độ nhớt động học I > Cơ sở tính toán khí nén I.3.1> Thành phần hóa học khí nén I.3.2>Phơng trình trạng thái nhiệt động học I.3.3> Phơng trình dòng chảy 14 I.3.4>Tổn thất áp suất hệ thống điều khiển khí nén 16 Chơng II : Máy nén khí thiết bị xử lí khí nén 17 II.1> máy nén khí 17 II.1.1> Nguyên tắc hoạt động 17 II.1.2>Phân loại 17 II.1.3> Máy nén khí kiểu Pisston 19 II.2 > Thiết bị xử lí khí nén 19 II.2.1> Yêu cầu khí nén 19 II.2.2>Quá trình xử lí 20 Chơng III : hệ thống thiết bị phân phối khí nén 22 Iii 1> yêu cầu 22 iiI.2> bình tích áp khí nén 23 III.3> mạng đờng ống dẫn khí nén 24 III.3.1> Mạng đờng ống lắp ráp cố định 24 III.3.2> Mạng đờng ống lắp ráp di động 26 CHƯƠNG IV : phần tử hệ thống điều khiển 29 IV.1> Khái niệm 29 iV.2> van đảo chiều 30 IV.2.1> Nguyên lí hoạt động 30 IV.2.2> Kí hiệu van đảo chiều 30 IV.2.3 > Tín hiệu tác động 32 IV.2.4 > Van đảo chiều 5/2 33 IV.3> van chiều 34 iv.4> van tiết l 34 IV.5 >van áp suất 35 IV.5.1> Van an toàn 35 IV.5.2> Van điều chỉnh áp suất (van giảm áp) 35 Chơng V : cấu chấp hành 37 V.1> Yêu cầu 37 V.2> Xilanh tác dụng hai chiều 37 Chơng VI : lí thuyết điều khiển khí nén 42 VI.1> Khái niệm điều khiển 42 VI.2 > loại tín hiệu điều khiển 44 VI.3> phân loại hệ thống điều khiển 46 VI.3.1> Hệ thống mạch hở 46 VI.2.2> Hệ thống mạch kín 47 Phần III:tổng quan động bớc 49 Chơng I : Khái niệm chung phân loại động bớc 49 I.1> Khái niệm 49 I.2>Nguyên lý hoạt động 51 I.3>Mômen đồng trạng thái ổn định động bớc 53 I.3.1> Tỷ số mômen quán tính cực cao 54 I.3.2> Tốc độ bớc tần số xung 55 I.4>Cấu tạo phân loại 55 I.4.1> Động bớc PM 55 I.4.2> Động bớc VR 57 I.4.3> Động bớc kiểu lai 60 I.5> Một số thông số động bớc 63 Chơng II :Cơ sở lý thuyết điều khiển động bớc 66 II.1>Ba chế độ ( mode ) điều khiển động bớc 66 II.1.1> Biểu thức toán học tổng quát cho ba chế độ điều khiển 67 II.1.2>Hai phơng pháp để điều khiển động bớc chế độ vi bớc 69 II.2> đặc trng tín hiệu điện điều khiển động bớc 71 II.3> dòng điện i điện áp U 72 II.3.1> Mối quan hệ dòng điện I điện áp U 72 II.3.1> Điều khiển dòng - áp hệ số l/r 76 II.3.3>Điều khiển dòng - áp độ rộng xung 76 II.3.4> Điều khiển dòng - áp điện áp hai mức 78 II.3.5 > Điều khiển dòng - áp nguồn dòng 79 iI.4> điều khiển tốc độ quay động bớc 81 II.5> điều khiển chiều quay động bớc 83 Phần IV: Cơ sở lí thuyết Vi điều khiển, Họ Vi điều khiển AVR 85 Chơng I : Tổng quan vi điều khiển 85 I.1> lựa chọn vi điều khiển 85 Chơng II : vi điều khiển ATMEGA32 87 II.1>Mô tả cấu tạo ATMEGA32 87 II.2>Hoạt động phận AVR Atmega32 89 Chơng III : Truyền thông nối tiếp với máy tính 95 III 1> Các sở truyền thông nối tiếp 95 III 1.1> Truyền liệu bán công song công 97 III 1.2> Truyền thông nối tiếp dị đóng khung liệu 97 III 1.3> Các bít bắt đầu dừng 97 III 1.4> Tốc độ truyền liệu 99 III 1.5> Các chuẩn RS232 99 III 1.6> Các chân RS232 100 III 1.7> Phân loại truyền thông liệu 102 III 1.8>Các cổng COM IBM PC tơng thích 102 III 2> Nối ghép ATMEGA32 tới RS232 103 III.2.1> Các chân RxD TxD ATmega32 103 III.2.2> Bộ điều khiển đờng truyền MAX232 103 III 3> Lập trình truyền thông nối tiếp cho ATMEGA32 104 III 3.1> Tốc độ baud ATmega32 105 III.3.2> Thanh ghi SBUF 106 III.3.3> Thanh ghi điều khiển nối tiếp SCON 106 III.3.4> Lập trình ATmega32 để truyền liệu nối tiếp 108 III.3.5> Lập trình ATmega32 để nhận liệu 109 Phần V: Thiết kế hệ thống điều khiển cho xy lanh khí nén 110 Chơng I : phần tử hệ thống điều khiển thực nghiệm 110 I.1>Cơ cấu chấp hành 110 I.1.1> Hệ khí nén 110 I.1.2>Hệ 110 I.2>Các phần tử xử lí 110 I.2.1>Van đảo chiều 110 I.2.2>Van tiết lu 111 I.2.3>Động bớc 111 I.3> Mạch điều khiển 111 I.4> Bộ phận tạo lợng 111 I.5>Các thiết bị phụ khác 111 I.5>Tính toán vận tốc piston 111 Chơng II : Mô hình điều khiển 113 II.1>Sơ đồ mạch 113 II.1.1> Sơ đồ mạch điều khiển xy lanh khí nén 113 II.1.2 > Thiết kế mạch nguyên lý - Phần mềm Proteus 7.5 114 II.1.2.1> Giới thiệu 114 II.1.2.2>Sơ đồ mạch 115 II.1.2.3 > Sơ đồ mạch phụ 116 II.1.2.4 > Sơ đồ mạch phụ 116 II.1.3 Thiết kế mạch in - Phần mềm ARES_Proteus 7.5 117 iI.2> Giao diện hình m nguồn cho chip ATmega32 119 II.2.1>Giao diện hình 119 II.2.2>Mã nạp chip ATmega32 122 II.2.3>Nạp chip ATmega32 132 Phần VI : Hớng phát triển 134 Tài liệu tham khảo 168 LI CAM OAN Tụi l Phớ Tun Sn, hc viờn lp Cao hc Cụng ngh ch to mỏy Khoỏ 2009, Trng i hc Bỏch Khoa H Ni Sau hai nm hc nghiờn cu, c s giỳp ca cỏc thy cụ giỏo v c bit l s giỳp ca PGS.TS Nguyn Doón í, tụi ó i n cui chng ng kt thỳc khoỏ hc Tụi ó quyt nh chn ti tt nghip l: Nõng cao tin cy iu khin v trớ h piston-xylanh khớ nộn (mụ phng robot Harmo) Tụi xin cam oan õy l cụng trỡnh nghiờn cu ca cỏ nhõn tụi di s hng dn ca PGS.TS Nguyn Doón í v ch tham kho cỏc ti liu ó c lit kờ, ngoi tr cỏc s liu, cỏc bng biu, th, cụng thc ó c trớch dn ti liu tham kho, ni dung cụng b cũn li lun l ca chớnh tỏc gi a Nu sai, tỏc gi xin hon ton chu trỏch nhim H Ni, ngy 16 thỏng 10 nm 2011 Tỏc gi Phớ Tun Sn Lun tt nghip nghnh ch to mỏy Phn I : Phn m u: I.1>Lý chn ti: Hin vic ng dng h thng iu khin xylanh khớ nộn l rt rng ri, trờn nhiu thit b mỏy múc sn xut Vỡ th vic nõng cao tin cy iu khin cỏc h thng ny l rt cn thit Hn na vic nghiờn cu h thng ny cú th giỳp tụi nm c rừ hn phn iu khin bng vi iu khin AVR cng nh hiu chi tit v nguyờn lý, cỏch to mch iu khin ca h thng ny õy chớnh l nhng lý m tụi la chn ti ny I.2>Lch s nghiờn cu, phỏt trin : S dng khớ nộn cú t trc cụng nguyờn S phỏt trin khoa hc k thut thi k ny cũn cha c ng b, thiu h thng, nht l s kt hp cỏc kin thc v c hc, vt lý, vt liu cũn thiu, cho nờn phm vi ng dng ca khớ nộn cũn rt hn ch Cho ti tn th k th 17, mt k s ch to ngi c tờn l Otto Von Guerike (1602- 1686), nh toỏn hc v trit hc ngi Phỏp tờn l Blaise Pascal ( 1623-1662), v mt nh vt lý ngi Phỏp tờn l Denis Papin ( 16471712) xõy dng nờn nn tng c bn cho ng dng khớ nộn Trong th k th 19, cỏc mỏy múc, thit b s dng khớ nộn ln lt c phỏt minh nh: Th chuyn ng bng khớ nộn (1835), Phanh bng khớ nộn (1880), bỳa tỏn inh bng khớ nộn (1861) ca Josef Ritter ngi Australia Trong lnh vc xõy dng ng hm xuyờn dy nỳi Alpes Thu S (1857) ln u tiờn ngi ta s dng khớ nộn vi cụng sut ln Vo nhng nm 70 ca th k th 19, xut hin Pari mt trung tõm s dng nng lng khớ nộn vi cụng sut 7350 kW Khớ nộn c chuyn bng ng ng cú ng kớnh 500mm v di hng trm km ti ni tiờu th Ti ú khớ nộn c nung núng ti nhit t 50-1500C tng cụng sut truyn ng ng c, cỏc thit b bỳa hi Vi s phỏt trin mnh m ca nng lng in, vai trũ s dng nng lng bng khớ nộn gim dn Tuy nhiờn vic s dng nng lng bng khớ nộn úng mt vai trũ ct yu cỏc lnh vc m s dng nng lng in s gõy nguy him v tn kộm S dng nng lng khớ nộn nhng thit b cú cụng sut nh nhng lm vic vi tc truyn ng ln nh bỳa hi, dng c p, tỏn inh v nhiu nht l cỏc gỏ kp trờn cỏc mỏy Thi k sau chin tranh th gii ln th 2, vic s dng nng lng khớ nộn k thut iu khin phỏt trin mnh m Nhng dng c, thit b, phn t khớ nộn mi c sỏng ch v c ng dng vo nhiu lnh vc khỏc S kt hp gia khớ nộn vi in- in t l nhõn t quyt nh cho s phỏt trin ca k thut iu khin tng lai Sau chin tranh th gii th hai, nht l vo nhng nm 50 v 60 ca th k 20 ny, l thi gian phỏt trin mnh m ca giai on t ng hoỏ quỏ trỡnh Lun tt nghip nghnh ch to mỏy sn xut: k thut iu khin bng c phỏt trin rng ri v a dng nhiu lnh vc khỏc Ch riờng cng ho liờn bang c cú 60 hng sn xut cỏc phn t v khớ nộn H thng iu khin bng khớ nộn c s dng nhiu lnh vc m ú nguy him, hay xy cỏc v n, nh : cỏc thit b phun sn, cỏc loi gỏ kp cỏc chi tit nha (cht do), hoc l c s dng cho lnh vc sn xut cỏc thit b in , in t, vỡ iu kin v sinh mụi trng rt tt v an ton cao Ngoi h thng iu khin bng khớ nộn c s dng cỏc dõy chuyn t ng, cỏc thit b chuyn v kim tra ca thit b lũ hi, thit b m in, úng gúi bao bỡ v cụng nghip hoỏ cht I.3> mc ớch nghiờn cu lun Nghiờn cu cỏc yu t nh hng n tin cy v trớ cỏc xylanh, t ú cỏc gii phỏp nõng cao chớnh xỏc v trớ ca cỏc xylanh h thng ? i tng nghiờn cu: Cỏc phn t ca h thng m tỏc ng n chớnh xỏc v trớ ca xylanh ? Phm vi nghiờn cu: Mụ hỡnh h thng mỏy dp ng dựng h piston xylanh khớ nộn tụi thit k v sn xut I.4> úng gúp mi ca tỏc gi iu khin chớnh xỏc v trớ ca u piston ta cn tng chớnh xỏc ca cỏc c cu nh c hnh trỡnh bng cỏch la chn cỏc loi cụng tc hnh trỡnh, cm bin bng t tớnh hay cỏc loi cm bin cú tin cy cao, tớn hiu nhy v lm vic n nh, iu chnh tc ca xy lanh nm khong lm vic tin cy v trỡ ỏp sut khớ nộn n nh m bo tc ca xylanh I.5> phng phỏp nghiờn cu S dng cỏc ti liu l cỏc loi sỏch kt hp vi cỏc thụng tin ly trờn cỏc website Tỡm hiu thụng qua cỏc Forum v cỏc lnh vc mun nghiờn cu, lng nghe ý kin hng dn gúp ý ca ngi hng dn, tham kho ý kin ca cỏc ng nghip Tng hp cỏc kin thc trờn cho cun lun ny Phn ii : ni dung Chng I : c s lớ thuyt khớ nộn I.1> u, nhc im ca h thng truyn ng bng khớ nộn: I.1.1> u im : Do kh nng chu nộn (n hi) ln ca khụng khớ, cho nờn cú th trớch cha khớ nộn mt cỏch thun li Nh vy cú kh nng ng dng thnh lp mt trm trớch cha khớ nộn Cú kh nng truyn ti nng lng xa, bi vỡ nht ng hc ca khớ nộn nh v tn tht ỏp sut trờn ng dn ớt ng dn khớ nộn (thi ra) khụng cn thit (ra ngoi khụng khớ) Lun tt nghip nghnh ch to mỏy Np giỏ tr 20H vo ghi TMOD bỏo s dng b Timer1, ch (8 bớtm, t ng np li) thit lp tc baud Np TH1 cỏc giỏ tr cho bng 10.4 to tc baud vi gi thit XTAL = 10.0592MHz Np giỏ tr 50H vo ghi SCON bỏo s dng ch truyn ni tip l d liu c úng gúi bi bớt d liu, bớt Start v bớt Stop Bt TR1 = ng Timer1 Xoỏ c ngt RI bng lnh CLR RI Bớt c RI c hin th bng lnh JNB RI, xx xem ton b ký t c nhn cha Khi RI c thit lp thỡ SBUF cú byte Cỏc ni dung ca nú c ct lu vo mt ni an ton nhn mt ký t tip theo quay tr v bc Phn V : Thit k h thng iu khin Cho cm xylanh khớ nộn Chng I : cỏc phn t h thng iu khin thc nghim S tng quan : I.1>C cu chp hnh : I.1.1> H khớ nộn : Piston n vi cỏc thụng s : ng kớnh Piston dPT = 10mm ng kớnh Xilanh DXL = 25mm Hnh trỡnh Piston L = 200mm I.1.2>H c : C cu vớt me c, c dn ng bng ng c bc thụng qua ni trc n hi Thụng s ca vớt me : Bc vớt p = 1mm S mi ren K = Chiu di L = 200mm I.2>Cỏc phn t x lớ : I.2.1>Van o chiu : S dng ba van o chiu iu khin bng cun hỳt (ngun 220V): Van 5/3 : Model NVA 6532 ? 10 kgf / cm2 I.2.2>Van tit lu : iu khin lu lng dũng khớ? iu khin tc Xilanh-Piston S lng I.2.3>ng c bc : 65 Lun tt nghip nghnh ch to mỏy Thụng s c bn : in ỏp nh mc :DC = 5,1V Dũng nh mc : 1,5A Bc gúc : 1,80 I.3> mch iu khin : S dng vi iu khin : Tớn hiu iu khin t mn hỡnh mỏy tớnh ( kt ni mỏy tớnh ) nh chip vi x lớ AT Mega 32 úng m cỏc cun hỳt trờn van 5/3 nh rle in Phỏt tớn hiu iu khin ng c bc Thu nhn tớn hiu t c hnh trỡnh I.4> B phn to nng lng: Mỏy nộn khớ : cú ỏp sut 0?10 bar, thng s dng vi ỏp sut ptb = 3?8 bar Ngun chiu 5V chy mch iu khin ATmega32 v ng c bc Ngun in 220V( cho van 5/3 ) I.5>cỏc thit b ph khỏc: Cỏc thit b ph nh : ng dn khớ , vũng m , tm ni I.6>tớnh toỏn tc piston Cỏc thụng s: ng kớnh xylanh D = 25mm ng kớnh piston d = 10mm Lu lng ln nht ca mỏy nộn khớ Q = 1,5.10-3m3/s tớnh toỏn tc piston ta da vo cụng thc sau: Q= v.F Trong ú: Q: lu lng cung cp cho xy lanh V: tc u piston F: tit din bung xy lanh cha khớ Ta phõn lm trng hp: I.6.1>Vn tc piston tin vo lm vic Lỳc ny, ta cú: ? - Vn tc nh nht ca piston: vmin= ( Khi van tit lu úng v 0) Vn tc ln nht ca piston: I.6.2>Vn tc piston lựi v v trớ ban u Lỳc ny, ta cú: ? Vn tc ca piston: 66 Lun tt nghip nghnh ch to mỏy Chng II : Mụ hỡnh iu khin II.1>S mch : II.1.1> S mch iu khin xilanh khớ nộn : II.1.2> Thit k mch nguyờn lý - Phn mm Proteus 7.5: II.1.2.1> Gii thiu: v mch iu khin ta s dng phn mm Proteus 7.5 vi thnh phn chớnh l ISIS v ARES ISIS thit k mch nguyờn lý ri chy mụ phng; ARES thit k mch in nh sau: ? Ta thit lp mch ri chy mụ phng bng cỏch dựng ISIS -Proteus: Phn mm ny s giỳp ta v mch gm cỏc linh kin in t, gỏn cho cỏc thụng s nh thc t ri cho chy mụ phng Trong quỏ trỡnh chy mụ phng ta s kim nghim li mch in t, hot ng ca b iu khin cú theo nh ta tớnh toỏn khụng Vic ny giỳp ta trỏnh c thi gain phi lm i lm li i vi mch tht Di õy l giao din ca ISIS ? Nh vy dựng ISIS ta thit k c mch iu khin v cho chy mụ phng Mch iu khin ca mỏy dp ng gm s sau: II.1.2.2 > S mch chớnh : II.1.2.3 > > S mch ph 1: II.1.2.4 > > S mch ph 2: II.1.3> Thit k mch in - Phn mm ARES_Proteus 7.5: Sau cú mch nguyờn lý chy mụ phng tt ta tin hnh chuyn mch nguyờn lý ny thnh mch in Dựng ARES Proteus, ta tin hnh i li dõy cho hp lý, b trớ li v trớ cỏc linh kin ln cui cho hp lý cho mch in ca chỳng ta sau ny cú kớch thc nh gn, vic lp cỏc linh 67 Lun tt nghip nghnh ch to mỏy kin c thun li v hnh m bo yờu cu thit k Giao din lm vic ca ARES nh sau: Mt tớnh nng khỏ tin dng ca ARES l kh nng xut hỡnh nh 3D mch ca ta Vi mch iu khin trờn ta s cú tng ng hỡnh nh 3D tng ng l: Mch chớnh Mch ph Mch ph II.2> Giao din mn hỡnh v m ngun cho chip ATmEGA32 II.2.1>Giao din mn hỡnh v lp giao tip vi mỏy tớnh Giao din mn hỡnh c thit k bng phn mm Visual Basic 6.0 Hỡnh di õy l giao din iu khin mỏy thụng qua kt ni RS 232 Giao din gm Form cú Caption l: Nõng cao tin cy iu khin v trớ h pistonxylanh (Mụ phng robot Harmo) cỏc label, texbox, command button , frame Sau cú giao din ri ta tin hnh vit code cho cỏc command button v cỏc texbox Giao din truyn thụng c vit bng ngụn ng Visual Basic C th code nh sau: Dim menu As Integer Dim chutrinh As Integer Dim timer_hold2 As Integer Dim timer_delay_process As Integer Dim high_part As Integer Dim v1 As Integer Dim v2 As Integer Dim v3 As Integer Private Sub cmdexit_Click() End 68 Lun tt nghip nghnh ch to mỏy End Sub Private Sub cmdreset_Click() menu = 20 Call sendAVR txtchutrinh.Text = txtchutrinh.Text = txttimer_hold2.Text = txttimer_delay_process.Text = txthigh_part.Text = txtv1.Text = txtv2.Text = txtv3.Text = txtchutrinh.Enabled = True txttimer_hold2.Enabled = True txttimer_delay_process.Enabled = True txthigh_part.Enabled = True txtv1.Enabled = True txtv2.Enabled = True txtv3.Enabled = True cmdstart.Caption = "Start" cmdexit.Enabled = True End Sub Private Sub cmdstart_Click() menu = 10 'Menu = bat dau khoi dong he thong, hoac tai khoi dong he thong chutrinh = txtchutrinh.Text timer_hold2 = txttimer_hold2.Text timer_delay_process = txttimer_delay_process.Text v1 = txtv1.Text v2 = txtv2.Text v3 = txtv3.Text high_part = txthigh_part.Text Call sendAVR txtchutrinh.Enabled = False txttimer_hold2.Enabled = False txttimer_delay_process.Enabled = False txthigh_part.Enabled = False txtv1.Enabled = False txtv2.Enabled = False txtv3.Enabled = False 69 Lun tt nghip nghnh ch to mỏy 'cmdstart.Enabled = False cmdexit.Enabled = False cmdreset.Enabled = True End Sub Private Sub Form_Load() MSComm1.PortOpen = True MSComm1.Settings = "57600,n,8,1" cmdreset.Enabled = False End Sub Private Sub sendAVR() MSComm1.Output = Chr(high_part) 'Do cao cua phoi MSComm1.Output = Chr(chutrinh) 'truyen so chu trinh dap phoi MSComm1.Output = Chr(timer_hold2) 'Thoi gian nen dap phoi MSComm1.Output = Chr(timer_delay_process) 'thoi gian cho doi phoi moi MSComm1.Output = Chr(v1) 'van toc piston1 MSComm1.Output = Chr(v2) 'Van toc piston MSComm1.Output = Chr(v3) 'Van toc piston MSComm1.Output = Chr(menu) 'truyen menu lua chon chuc nang End Sub Truyn tớn hiu iu khin mỏy tớnh xung vi iu khin qua cng COM II.2.2>M np chip ATmega32 vit code cho chip ATmega32 ta dựng phn mm CodeVisionAVR V2.03.4 Giao din ca phn mm nh di õy: Chng trỡnh c vit bng ngụn ng lp trỡnh C /***************************************************** Chip type : ATmega32 Program type : Application Clock frequency : 8.000000 MHz Memory model : Small External RAM size : Data Stack size : 512 *****************************************************/ #include #define RXB8 #define TXB8 #define UPE #define OVR 70 Lun tt nghip nghnh ch to mỏy #define FE #define UDRE #define RXC #define FRAMING_ERROR (1