THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT SCARA ....................................................... 51.1. ROBOT công nghiệp ........................................................................................... 51.1.1. Khái niệm về robot công nghiệp .................................................................... 51.1.2. Phân loại robot công nghiệp .......................................................................... 51.2. Robot dạng tay máy ............................................................................................. 51.2.1. Cơ cấu chấp hành: ......................................................................................... 61.2.2. Hệ thống điều khiển: ..................................................................................... 61.2.3. Phần mềm thiết kế và mô phỏng .................................................................... 71.3. Robot SCARA (một robot dạng tay máy): ........................................................... 71.3.1. Giới thiệu: ..................................................................................................... 71.3.2. Đặc trưng của Scara:...................................................................................... 81.3.3. Cấu tạo cơ bản: .............................................................................................. 81.3.4. Ứng dụng: ..................................................................................................... 92. MÔ HÌNH HÓA ROBOT ........................................................................................ 93. PHÂN TÍCH KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT .................................................. 103.1. Thông số động học của Robot ........................................................................... 103.2. Tính các ma trận truyền ..................................................................................... 113.3. Bài toán động học thuận .................................................................................... 123.3.1. Vị trí, hướng khâu thao tác .......................................................................... 123.3.2. Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối ............................................................. 133.3.3. Vận tốc góc, gia tốc góc khâu thao tác ......................................................... 133.3.4. Khảo sát không gian làm việc của robot ...................................................... 143.4. Bài toán ngược Robot ........................................................................................ 153.4.1. Bài toán động học ngược vị trí ..................................................................... 163.4.2. Bài toán động học ngược vận tốc, gia tốc .................................................... 204. ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT ................................................................................... 204.1. Một số đặc trưng trong động lực học ................................................................. 204.2. Giải bài toán động lực học ................................................................................. 214.2.1. Ma trận khối lượng M(q) ............................................................................. 234.2.2. Ma trận quán tính li tâm và lực Coriolit ....................................................... 264.2.3. Thế năng Π .................................................................................................. 264.2.4. Lực không thế .............................................................................................. 264.2.5. Lực dẫn động U ........................................................................................... 275. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ........................................................................ 275.1. Bộ điều khiển PID ............................................................................................. 275.2. Mô phỏng bằng Simulink – điều khiển robot trong không gian thao tác ............ 295.2.1. Chọn luật điều khiển .................................................................................... 295.2.2. Xây dựng mô hình trên Matlab Simulink ..................................................... 295.3. Sử dụng công cụ simMechanics của Matlab để mô phỏng – điều khiển trongkhông gian khớp ........................................................................................................ 315.3.1. Kết quả mô phỏng ....................................................................................... 34

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

************

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Trang 2

2

Nguyễn Văn Huy - 20131782

Thời gian thực hiện: 15 tuần; Mã đề: VCK05-SC01;

Ngày giao nhiệm vụ: 19/9/2016; Ngày hoàn thành: 19/12/2016:

Ngày…/…/2016

ĐƠN VỊ CHUYÊN MÔN

(ký, ghi rõ họ tên)

Ngày…/…/2016 NGƯỜI RA ĐỀ (ký, ghi rõ họ tên)

Đặng Bảo Lâm

Ngày…/…/20016

CB Hướngdẫn (ký, ghi rõ họ tên)

Đặng Bảo Lâm

I Nhiệm vụ thiết kế: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP

II Số liệu cho trước:

Chiều dài các khâu:

II Nội dung:

1 Thiết kế mô hình 3D bằng phần mềm Solidworks

2 Giải bài toán động học, động lực học robot CN, Xác định miền làm việc

3 Thiết kế điều khiển vận tốc/ vị trí cho khâu tác động cuối của Robot theo luật điều khiển: PID

4 Mô phỏng kết quả điều khiển bằng Matlab Simulink

Trang 3

3

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT & SCARA 5

1.1 ROBOT công nghiệp 5

1.1.1 Khái niệm về robot công nghiệp 5

1.1.2 Phân loại robot công nghiệp 5

1.2 Robot dạng tay máy 5

1.2.1 Cơ cấu chấp hành: 6

1.2.2 Hệ thống điều khiển: 6

1.2.3 Phần mềm thiết kế và mô phỏng 7

1.3 Robot SCARA (một robot dạng tay máy): 7

1.3.1 Giới thiệu: 7

1.3.2 Đặc trưng của Scara: 8

1.3.3 Cấu tạo cơ bản: 8

1.3.4 Ứng dụng: 9

2 MÔ HÌNH HÓA ROBOT 9

3 PHÂN TÍCH KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT 10

3.1 Thông số động học của Robot 10

3.2 Tính các ma trận truyền 11

3.3 Bài toán động học thuận 12

3.3.1 Vị trí, hướng khâu thao tác 12

3.3.2 Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối 13

3.3.3 Vận tốc góc, gia tốc góc khâu thao tác 13

3.3.4 Khảo sát không gian làm việc của robot 14

3.4 Bài toán ngược Robot 15

3.4.1 Bài toán động học ngược vị trí 16

3.4.2 Bài toán động học ngược vận tốc, gia tốc 20

4 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 20

4.1 Một số đặc trưng trong động lực học 20

4.2 Giải bài toán động lực học 21

4.2.1 Ma trận khối lượng M(q) 23

4.2.2 Ma trận quán tính li tâm và lực Coriolit 26

4.2.3 Thế năng Π 26

4.2.4 Lực không thế 26

4.2.5 Lực dẫn động U 27

5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 27

5.1 Bộ điều khiển PID 27

5.2 Mô phỏng bằng Simulink – điều khiển robot trong không gian thao tác 29

5.2.1 Chọn luật điều khiển 29

5.2.2 Xây dựng mô hình trên Matlab Simulink 29

5.3 Sử dụng công cụ simMechanics của Matlab để mô phỏng – điều khiển trong không gian khớp 31

5.3.1 Kết quả mô phỏng 34

Trang 4

4

6 TỔNG KẾT 35

Trang 5

5

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT & SCARA

1.1 ROBOT công nghiệp

1.1.1 Khái niệm về robot công nghiệp

Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (Robot institute of America): Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

Với đặc điểm có thể lập trình lại được, robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất linh hoạt

Vì vậy, robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người

Robot công nghiệp ngày càng phát triển và có vai trò lớn trong sản xuất tự động hóa

1.1.2 Phân loại robot công nghiệp

Robot chuỗi (tay máy): là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và các khâu động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau Mỗi khâu động được liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết

Robot song song: là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được liên kết với ít nhất hai khâu khác

1.2 Robot dạng tay máy

Trang 6

6

1.2.1 Cơ cấu chấp hành:

*Đặc trưng then chốt của robot công nghiệp là kết cấu cơ khí (cơ cấu chấp hành)

Một tay máy cơ khí được tạo thành từ các vật rắn (khâu) liên kết với nhau bởi các

khớp

Một khâu cố định (đế) còn lại là các khâu động, khâu cuối là khâu thao tác nhằm

cầm nắm nâng chuyển và thao tác với vật gia công

Một số khớp trên tay máy được dẫn động, còn lại là thụ động thông thường số khớp

dẫn động bằng số bậc tự do

Một tay máy cần cánh tay để di chuyển dễ dàng; khớp cổ tay linh hoạt; khâu thao tác

thực hiện các tác vụ yêu cầu

1.2.2 Hệ thống điều khiển:

* Hệ thống điều khiển robot thường được chia ra làm ba cấp độ:

Cấp hệ thống: Điều khiển robot thực hiện các nhiệm vụ nằm trong dây chuyền sản

xuất Cấp điều khiển này thường là hệ thống máy tính điều khiển trung tâm đưa ra các

lệnh điều khiển thông qua mạng truyền thông

Cấp điều khiển quỹ đạo: Tính toán quỹ đạo di chuyển của tay máy từ đó tính toán ra

quỹ đạo vị trí tốc độ của từng khớp Cấp này có thể sử dụng các máy tính công nghiệp

hoặc các mạch vi xử lý, vi điều khiển, bộ điều khiển, bộ khuếch đại công suất được

cung cấp bởi các hãng Siemens, Omron, Maxon

Cấp điều khiển chấp hành: Là cấp điều khiển các cơ cấu chấp hành (động cơ servo,

xi lanh thủy lực …) thực hiện các chuyền động theo vị trí, tốc độ đặt ra Cấp này là các

hệ điều khiển truyền động với các mạch vòng điều khiển vị trí tốc độ dòng điện… Và

sự phức tạp của hệ truyền động này là sự thay đổi momen tải của các động cơ là rất

nhiều khi các cánh tay robot vươn ra xa và co lại gần Vì vậy đòi hỏi phải sử dụng các

bộ điều khiển phức tạp

Tuy nhiên, không phải tất cả các robot đều thực hiện điều khiển theo các cấp điều

khiển như vậy, có những robot chỉ hoạt động theo trình tự bằng các công tắc vị trí,

hành trình với hệ thống truyền động hở

Vì vậy, phần cứng của hệ điều khiển truyền động robot về bản chất là các hệ truyền

động thông thường: biến tần động cơ, hệ điều khiển động cơ điện một chiều, xoay

chiều, hệ điều khiển động cơ bước, hệ điều khiển thủy lực, khí nén … Và trong các tay

robot công nghiệp thì người ta tích hợp tất cả thành phần này trong một tủ điện điều

khiển các cơ cấu chấp hành của robot

* Thuật toán điều khiển

Khi tiến hành thiết kế một hệ thống điều khiển tự động nói chung, công việc đầu

tiên là ta phải xây dựng mô hình toán học cho đối tượng (mô hình hóa đối tượng thực

tế) Công việc này giúp ta hiểu biết thêm về đối tượng, giúp ta thành công trong việc

tổng hợp bộ điều khiển

Một việc quan trọng không kém giúp ta giải quyết tốt bài toán là lựa chọn luật điều

khiển cho hệ thống Từ mô hình và yêu cầu kĩ thuật ta phải chọn luật điều khiển thích

hợp cho hệ thống, để kết quả của việc thiết kế hệ thống có thể đáp ứng được theo

mong muốn của người vận hành và điều khiển

Trang 7

7

Hiện nay trong thực tế có rất nhiều thuật toán điều khiển khác nhau, ta có thể liệt kê một số kiểu điều khiển: Kiểu điều khiển PID, kiểu điều khiển thích nghi, kiểu điều khiển Back-steping (hay còn gọi là kiểu cuốn chiếu)

1.2.3 Phần mềm thiết kế và mô phỏng

Matlab & Simulink: Là công cụ hỗ trợ cho việc học toán, giải quyết giúp người học những vấn đề khó khăn cũng như mô phỏng những biểu đồ, đồ thị… và được ứng dụng trong nhiều môn học như: Toán, Lý, Công nghệ thông tin, Địa lý, Địa chất dầu khí và nhiều lĩnh vực khác

Microsoft RDS: Là một trong những phần mềm thiết kế/mô phỏng robot tốt nhất vừa được phát triển bởi sự hợp tác giữa Microsoft và Dassault Robot được thiết kế trong SolidWorks và sau đó được xuất sang phần mềm Microsoft VSE, phần mềm này

sẽ mô phỏng hoạt động của robot

RobotMastercam: Là một modul Robotic được tích hợp đầy đủ, xuất phát từ

CAD/CAM dựa trên nền tảng các chương trình dành cho robot, cho phép người dùng thiết lập các thông số xác định cho robot và xuất các mã chương trình 6 trục

Ngoài ra, còn một số phần mềm khác như: Easy-rob, Labview, DSpace… Tuy nhiên, việc sử dụng các phần mềm khác nhau để mô phỏng và giám sát hoạt động của robot cũng phụ thuộc vào mục đích, hoàn cảnh và những điều kiện khách quan khác 1.3 Robot SCARA (một robot dạng tay máy):

SCARA là từ viết tắt cho Selective Compliance Assembly Robot Arm Các robot tự

có thể thay đổi kích thước và hình dạng nhưng trên tất cả SCARA phù hợp trong một chuyển động 4 bậc tự do độc đáo SCARA vượt trội trong "chọn và đặt" trong khả

Trang 8

8

năng độc đáo của nó để chọn lên các thành phần công nghiệp từ một vị trí và đặt

chúng trong một, với độ chính xác, tốc độ và chuyển động trơn tru

Các cánh tay SCARA cư xử hơi giống như cánh tay của con người trong đó cho

phép các khớp cánh tay để di chuyển theo chiều dọc và chiều ngang Tuy nhiên, cánh

tay SCARA có chuyển động hạn chế ở cổ tay; nó có thể xoay nhưng nó không thể

nghiêng Mặc dù chuyển động hạn chế của cổ tay nhưng lại thuận lợi cho nhiều loại

hoạt động lắp ráp, như chọn-và-đặt, lắp ráp, đóng gói và các ứng dụng khác

SCARA robot đã được giới thiệu với dây chuyền lắp ráp thương mại vào năm 1981

và nó có giá cả rẻ, hiệu suất tốt nhất và lắp ráp tốc độ cao Hệ thống lắp ráp linh hoạt

của Nhật Bản, dựa trên các robot SCARA, tạo ra một sự bùng nổ trên toàn thế giới

trong sản xuất thiết bị điện tử nhỏ, tạo ra sản phẩm mà lái nền kinh tế và thay đổi thế

giới mãi mãi

Tiến sĩ Matthew T Mason, giám đốc Viện Robotics của Đại học Carnegie Mellon,

ca ngợi SCARA là robot công nghiệp mang tính đột phá,

SCARA, tiêu biểu cho sự đơn giản, mang tính đột phá về thiết kế ban đầu của bạn,

mà tạo ra tốc độ cao tự động lắp ráp không bao giờ có trước đây và dẫn đến việc sản

xuất hàng loạt các sản phẩm điện tử nhỏ đó đã làm thay đổi thế giới của con người

1.3.2 Đặc trưng của Scara:

Năm 1981, Sankyo Seiki, Pentel và NEC trình bày một khái niệm hoàn toàn mới đối

với các robot lắp ráp Các robot được phát triển theo hướng dẫn của Hiroshi Makino,

một giáo sư tại Đại học Yamanashi Các robot được gọi là Selective Compliance

Assembly Robot Arm, SCARA

Nhờ trục khớp bố trí song song của SCARA, cánh tay linh hoạt theo hướng XY

nhưng cứng nhắc trong hướng 'Z', do đó thuật ngữ: Selective Compliant Đây là thuận

lợi cho nhiều loại hoạt động lắp ráp, tức là, chèn một chi tiết vào trong một vị trí trống

một cách nhanh chóng

Thuộc tính thứ hai của SCARA là hai liên kết bố trí ghép nối đầu cánh tay tương tự

như cánh tay của con người, do đó thuật ngữ: Assembly Robot Arm Tính năng này

cho phép các cánh tay mở rộng đến biên miền làm việc và sau đó rút lại hay "gấp" lại

tránh chướng ngại vật Đây là thuận lợi cho việc chuyển các bộ phận từ một modul

này sang modul khác

SCARAs thường nhanh hơn so với các hệ thống Robot Descartes Hình thức gọn

diện tích chân đế nhỏ nên không bị cản trở bởi giới hạn không gian Tuy nhiên,

SCARAs có thể đắt hơn so với các hệ thống Descartes và cần các phần mềm kiểm soát

động học ngược để di chuyển tuyến tính nội suy Phần mềm này thường đi kèm với

các SCARA để tương tác với người dùng cuối

Thiết kế 4 bậc tự do là lý tưởng cho lắp ráp tốc độ cao, đóng gói, vận chuyển nguyên

liệu và các ứng dụng xử lý khác

1.3.3 Cấu tạo cơ bản:

-Cơ cấu chấp hành: 1 đế và 4 khâu động với 4 khớp động (scara 4DOF)

-Hệ truyền động: Động cơ ở các khớp, hộp giảm tốc bánh răng, các thiết bị truyền

động điện

Trang 9

9

-Hệ thống điều khiển: tùy thuộc vai trò và nhiệm vụ có thể thiết kế hệ điều khiển phù hợp

-Hệ thống encoder, cảm biến phản hồi trạng thái

1.3.4 Ứng dụng:

Scara có ưu điểm cấu tạo đơn giản, thiết kế nhỏ gọn có tốc độ di chuyển cao, phạm vi thao tác trong mặt phẳng xOy rộng phù hợp với thao tác gắp và đặt

Nhược điểm: không linh hoạt trong không gian 3D

-Làm việc độc lập trong gia công trong mặt phẳng, hàn, sơn , sắp xếp hàng hóa trong kho, lắp ráp, tháo các chi tiếp phù hợp một cách nhanh chóng, lắp đặt chính xác các linh kiện điện tử

-Một modul của 1 dây truyền: modul cấp phôi, vận chuyển các chi tiết cho các modul khác, là khâu gia công

-Một modul trong 1 cơ cấu robot

2 MÔ HÌNH HÓA ROBOT

Cấu trúc Robot gồm 4 khâu 4 khớp, trong đó:

- 1 khâu tĩnh (khâu 0) và 4 khâu động (khâu 1,2,3,4)

- 3 khớp quay và một khớp tịnh tiến

 Robot có 4 bậc tự do Trong quá trình hoạt động khâu 1,2 với khớp quay 1,2 chỉ hoạt động trong mặt phẳng xy, đảm bảo vị trí trong mặt phẳng xy Khâu 3 với khớp tịnh tiến 3 vuông góc với mặt phẳng xy đảm bảo thêm

vị trí theo phương z Như vậy, với cấu trúc khâu khớp trong không gian với 3 khâu và 3 khớp trên, robot sẽ đảm bảo với đến mọi ví trí trong không gian làm việc của nó và với tới theo phương vuông góc với mặt phẳng làm việc xy Khớp quay 4 đồng trục với khâu 3 và khâu 4 làm cho robot có thêm khả năng quay quanh trục z tại vị trí mà 3 khâu trước đã đem đến

 Như vậy, với cấu trúc không gian của Robot như trên, Robot sẽ có vùng làm việc không gian và hướng thao tác của khâu thao tác là luôn vuông góc với mặt phẳng xy

Trang 10

10

3 PHÂN TÍCH KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT

3.1 Thông số động học của Robot

Trang 11

Ta có sơ bộ thông số động học của Robot như sau:

a1 = 500; a2 = 450;

Giới hạn các biến khớp: 1 = ±150o; 2 = ±90o; 3.2 Tính các ma trận truyền

Theo quy tắc D-H ta có ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất như sau:

Trang 12

3.3 Bài toán động học thuận

Bài toán động học thuận Robot gồm có:

- Bài toán thuận về vị trí

o Đã biết tọa độ khớp: q q q 1 , , , 2 qnT

 Tìm tọa độ thao tác: p x y zE, E, , , ,E   T

- Bài toán thuận về vận tốc, gia tốc:

o Đã biết tọa độ khớp và đạo hàm các cấp theo t:

T n T n T n

Trang 13

13

o Hướng khâu thao tác:

3.3.2 Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối

Ma trận tọa độ điểm tác động cuối E:

2 1 0

3.3.3 Vận tốc góc, gia tốc góc khâu thao tác

Vận tốc góc, gia tốc góc của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định

Ma trận quay R:

Trang 14

3.3.4 Khảo sát không gian làm việc của robot

Với tọa độ điểm tác động cuối E là:

2 1 0

Trang 15

15

3.4 Bài toán ngược Robot

Bài toán ngược Robot gồm có các bài toán sau:

- Bài toán ngược về vị trí

o Biết vị trí: p x y zE, E, , , ,E   T

o Tìm các biến khớp: q q q 1 , , , 2 qnT

- Bài toán ngược về vận tốc, gia tốc:

Trang 16

16

o Đã biết vị trí, vận tốc, gia tốc của điểm tác động cuối:

T n T n T n

Trang 17

Như vậy ta đã giải xong bài toán động học ngược về vị trí của Robot

o Trong vùng làm việc linh hoạt mỗi điểm sẽ có 2 cách đến ứng với 2

bộ 1,2

* Vận dụng:

Nhiệm vụ: Cho quy luật chuyển động của khâu thao tác cần đạt => xác định quy luật có đảm bảo trong miền làm việc không Nếu đúng thì xác định quy luật chuyển động của các biến khớp

Sơ đồ giải bài toán động học ngược:

Trang 18

18

Bài toán đặt ra: Điều khiển Robot chạy theo quỹ đạo là đường tròn song song với mặt phẳng Oyz có phương trình như sau:

sin cos

= π rad/s; β = 0 Nhờ vào phần mềm Matlab và thuật toán Newton Graphson

giải hệ phương trình kết hợp với lưu đồ giải bài toán ngược trên ta có chuyển

Định dạng
Số trang	35
Dung lượng	2,71 MB