Đồ án môn học Cơ Điện Tử

Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp hay robot công nghiệp chonhững loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tựđộng để thực hiện một số tha

BỘ CÔNG THƯƠNG

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Khoa Cơ khí



Đồ án môn học: Cơ Điện Tử

I NHẬN XÉT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

II NHẬN XÉT GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

CHƯƠNG I :Tổng quan về đề tài 5

1.1 Tổng quan chung 5

1.2 Tổng quan đề tài 8

1.2.1 Lịch sử phát triển 8

1.2.2 Phiên bản 9

1.2.3 Khảo sát thiết bị Robot RRT 10

1.3 Lí do chọn đề tài 11

1.4 Mục tiêu 11

1.5 Nội dung của đề tài 11

1.6 Phương pháp nghiên cứu 12

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 12

CHƯƠNG II : Mô hình hóa Và Mô phỏng Robot scara 12

2.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ khí 12

2.1.1 Phương trình Động học thuận 12

2.1.2 Phương trình động học ngược 14

CHƯƠNG III : Thiết kế Quỹ đạo chuyển động của Robot 17

3.1 Khái niệm cơ bản 17

3.2 Quỹ đạo trong không gian khớp 17

CHƯƠNG IV : Thiết kế hệ thống cơ khí 20

4.1 Robot Scara trong thực tế 20

4.2 Mô hình 3D Robot 20

4.3 Cơ cấu truyền động 21

4.4 Lựa chọn động cơ 22

CHƯƠNG V Thiết Kế bộ Điều khiển 25

5.1 Sơ đồ khối hệ Thống điều khiển 25

5.2 Khối điều khiển 26

Danh mục hình ảnh

hình 1 Các thành phần của Robot công nghiệp 3

hình 2 Bảng thống kê số lượng Robot được sản xuât ở các nước phát triển 3

hình 3 Hình vẽ Robot Scara 3 bậc tự do 5

hình 4 Scara AR3215 5

hình 5 Scara DS406 5

hình 6 Scara AR8520 6

hình 7: Robot Scara 16

hình 8: Mô hình 3D 16

hình 9: Bánh đai trong bộ truyền đai răng 17

hình 10: Bánh răng 2 17

hình 11 Đầu hút khí nén 18

hình 12: Động cơ AC servo 19

hình 13 Xy lanh khí nén Xi lanh khí nén CDJ2B10 20

hình 14: Van đảo chiều AIRTAC 4M210-08 21

hình 15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 21

hình 16 Một số loại chip ATMEGA 23

hình 17 ATMEGA16 23

CHƯƠNG I :Tổng quan về đề tài

Lịch sử hình thành và phát triển Robot

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việctạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921.Trong vở kịch nầy, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gầngiống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhàsáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của conngười Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company)quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (IndustrialRobot)

Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) chonhững loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tựđộng để thực hiện một số thao tác sản xuất Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệpngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điềukhiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - NumericallyControlled machine tool) Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đãphát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng

xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặcvài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ

xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và haitay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấusáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của Tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng đểđiều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầugia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sựnối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máycông cụ điều khiển số Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triểncủa người máy công nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo làrobot Versatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian nầy ở Mỹ xuất hiệnloại robot Unimate ư1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, các nướckhác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh 1967, Thụy Điển và Nhật 1968 theo bản

quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở Ý - 1973 Tính năng làm việc củarobot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý.

Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạtđộng theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vậtkẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điềukhiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai).Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG

Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển

từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chươngtrình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triểncủa trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia…

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừngphát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môitrường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đãtạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt, Số lượng robot ngày càng gia tăng,giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong cácdây chuyền sản xuất hiện đại

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vựcdưới góc độ thay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổchức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máyCNC với Robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao,mức độ linh hoạt cao,các máy và robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống cươngtrình Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trongviệc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốcphòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnhvực xã hội

hình 1 Các thành phần của Robot công nghiệp

Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra Robot nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnhvực nghiên cứu chế tạo sử dụng lại là Nhật Bản

Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp pháttriển như sau:

hình 2 Bảng thống kê số lượng Robot được sản xuât ở các nước phát triển

I.2 Tổng quan đề tài

I.2.1 L ch s phát tri n ịch sử phát triển ử phát triển ển

Chữ viết tắt của SCARA là viết tắt của Robot tương thích Selective Assembly Robot Armhoặc Cánh tay Robot khớp nối có chọn lọc

Năm 1981, Sankyo Seiki, Pentel và NEC trình bày một khái niệm hoàn toàn mới chocác robot lắp ráp Robot được phát triển dưới sự hướng dẫn của Hiroshi Makino, một giáo

sư tại Đại học Yamanashi Các robot được gọi là Selective Compliance hội Robot Arm,SCARA Cánh tay của nó cứng nhắc trong trục Z và dễ uốn trong các trục XY, cho phép

nó thích ứng với các lỗ trong các trục XY

Nhờ bố trí khớp trục song song của SCARA, cánh tay hơi tuân theo hướng X-Ynhưng cứng nhắc theo hướng 'Z', do đó thuật ngữ: Tuân thủ chọn lọc Điều này thuận lợicho nhiều loại hoạt động lắp ráp, tức là, chèn một chốt tròn vào lỗ tròn mà không cần ràngbuộc

Thuộc tính thứ hai của SCARA là bố trí cánh tay hai liên kết nối giống với cánh tayngười, do đó thuật ngữ thường được sử dụng, khớp nối Tính năng này cho phép cánh tay

mở rộng vào các khu vực hạn chế và sau đó rút lại hoặc "gấp" ra khỏi đường đi Điều nàythuận lợi cho việc chuyển các bộ phận từ tế bào này sang tế bào khác hoặc cho các trạm

xử lý tải / dỡ hàng được kèm theo

SCARA thường nhanh hơn và sạch hơn so với các hệ thống robot Descartes so sánh.Gắn kết bệ đơn của họ đòi hỏi một dấu chân nhỏ và cung cấp một hình thức lắp đặt dễdàng, không bị cản trở Mặt khác, các SCARA có thể đắt hơn các hệ thống Descartes sosánh và phần mềm điều khiển đòi hỏi động học nghịch đảo đối với các chuyển động nộisuy tuyến tính Phần mềm này thường đi kèm với SCARA và thường là minh bạch chongười dùng cuối

Hầu hết các robot SCARA đều dựa trên kiến trúc nối tiếp, có nghĩa là động cơ đầutiên phải mang theo tất cả các động cơ khác Ngoài ra còn tồn tại một kiến trúc robotSCARA hai cánh tay, trong đó hai động cơ được cố định ở chân đế Robot đầu tiên đượcthương mại hóa bởi Mitsubishi Electric Một ví dụ khác về robot SCARA hai cánh tay làrobot giáo dục DexTAR của Mecademic

Dạng này phổ biến nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhàsản xuất robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng nhờ các khâu và khớp hợp lại cónhiều ưu điểm:

- Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn

- Tỉ lệ kích thước/tầm vươn được đánh giá cao

hình 3 Hình vẽ Robot Scara 3 bậc tự do

I.2.2 Phiên b n ản.

hình 4 Scara AR3215

hình 5 Scara DS406

I.3 Lí do chọn đề tài.

Sự phát triển khoa học kĩ thuật ngày càng góp phần nâng cao năng suất lao động.Đặc biệt sự ra đời và phát triển của công nghệ chế tạo robot nhằm tạo ra sự tự động hóatrong quá trình sản suất giảm đi sức lao dộng bằng chân tay của người lao động Mộttrong những thành tựu đó phải kể đến sự ra đời và phát triển của robot công nghiệp,những robot này làm việc thay thế con người một cách hiệu quả trong nhiều lĩnh vựcnhư: vận chuyển, đóng gói sản phẩm, hàn, phun sơn, lắp ráp… Để nâng cao năng suấtcũng như giảm thiểu sức lao động con người, robot công nghiệp được kết hợp với hệthông FMS v.v giúp cho việc sản xuất trở nên linh hoạt với tính tự động hóa cao trongquá trình sản xuất

Chính vì vậy việc thiết kế ra các cánh tay robot để thay thế sức người và tăng năngxuất lao động là việc cần thiết Với niềm đam mê công nghệ và tinh thần ham học hỏi ,

tiếp thu kiến thức mới lạ đã thôi thúc nhóm chúng em chọn đề tài: Nghiên cứu thiết kế

cánh tay Robot 3 bậc tự do SCARA RRT.

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và các phương pháp điều khiểnthích hợp trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến và xây dựng những giải pháp phầncứng cũng như phần mềm để chế tạo bộ điều khiển cánh tay robot ba bậc tự do Giúp sinhviên nắm rõ được nguyên lí và cấu tạo, chức năng của tay máy robot công nghiệp Trang

bị thêm kiến thức về Robot làm hành trang sau khi sinh viên tốt nghiệp

Thiết kế được rôbot scara 3 bậc tự do gồm 2 khớp xoay và 1 khớp tinh tiến Tay A cóchiều dài 110mm, tay B là 115mm Vẽ và thiết kế được trên phần mềm solidwork

Với đề tài “Nghiên cứu thiết kế tay máy Robot công nghiệp 3 bậc tự do dạng RRT”yêu cầu:

- Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí chính xác, đảm bảo hệ thống hoạt động chắcchắn, chạy êm, cơ cấu di chuyển tới vị trí mong muốn

- Giải quyết bài toán động học và động lực học làm cơ sở để điều khiển robot

- Sử dụng phần mềm matlab để tính toán, mô phỏng robot

- Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot: mạch điều khiển, mạch công suất

I.6. Phương pháp nghiên cứu.

- Tìm hiểu tài liệu: Robot có liên quan đến nhiều mảng kiến thức nên nhóm tìm hiểutài liệu ở các lĩnh vực cơ khí, điện tử, tin học

- Tự nghiên cứu: thông qua các tài liệu và các phương tiện thông tin, nhóm tự xâydựng giải thuật, cách xây dựng chương trình

- Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: qua những lần thực nghiệm trong điềukhiển các khớp của tay máy, từ đó rút ra được kinh nghiệm riêng.

- Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn,cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm,…

- Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC vớiRobot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hóa cao, mức độ linh hoatjcao,…

ở đây các máy và robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình

- Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khaithác thêm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chĩnh phục

vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội,…

- Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt hơn khả năngcủa con người,; do đó nó là phương tiện hữu hiêu để tự động hóa, nâng cao năng suất laođộng, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại

- Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người, trong dây chuyền

tự động, nếu có một robot bị hỏn có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nênrobot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người

CHƯƠNG II : Mô hình hóa Và Mô phỏng Robot scara

II.1.1 Ph ương trình Động học thuận ng trình Đ ng h c thu n ộng học thuận ọc thuận ận

Hệ trục tọa độ theo bẳng D-H

cosq1 −sin q1 0 a2cos q1

sin q1 cosq1 0 a2sin q1

cosq2 sin q2 0 a3cosq2

sin q2 −cosq2 0 a3sin q2

0 0 −1 0

⌋

cos(q1+q2) sin(q1+q2) 0 a2cosq1+a3cos(q1+q2)

sin(q1+q2) −cos(q1+q2) 0 a2sin q1+a3sin(q1+q2)

⌋

II.1.2 Ph ương trình Động học thuận ng trình đ ng h c ng ộng học thuận ọc thuận ược c.

Với bài toán động học ngược thì vị trí của khâu thao tác xem như đã biết, yêu cầu tìmgiá trị của các biến khớp

Vị trí ban đầu khâu thao tác:

sử dụng các góc Cardan; Euler hoặc RPY), các tọa độ thao tac xE, yE,zE,α,β, là hàm của t.Trong đó: xE(t), yE(t),zE(t) mô tả vị trí ; α (t),β(t) mô tả về hương của điểm tác đọng cuốicần phải đi qua Khi đó

CHƯƠNG III: Thiết kế Quỹ đạo chuyển động của Robot

Quỹ đạo là vấn đề chung trong điều khiển robot, vì để hoàn thành nhiệm vụ cụ thể củamình thì trước hết phần công tác phải di chuyển theo đúng quỹ đạo xác định Quỹ đạo làyếu tố cơ bản để mô tả hoạt động của robot Việc thiết kế quỹ đạo cung cấp dữ liệu đầuvào cho hệ thống điều khiển nên cũng là cơ sở trực tiếp cho việc điều khiển

 Chuyển động điểm - điểm

Sử dụng cho một số loại robot ( Hàn điểm, tán đinh, xếp dỡ vật liệu), trong dạngchuyển động này người ta chỉ quan tâm đến tọa độ điểm đầu, điểm cuối của đường dịchchuyển và thời gian giữa các điểm đó chứ không quan tâm đến dạng hình học của đườngdịch chuyển

 Quỹ đạo đa thức bậc 3

Phương tình vị trí: q(t) = a3t3 + a2t2 +a1t + a0

Phương trình vẫn tốc: q´(t) = 3a3t2 + 2a2t + a1

Gia tốc thay đổi theo quy luât bậc nhất : q´(t) = 6a3t + 2a2

Trong đó : a3, a2, a1, a0 là các thông số giải định

- Góc xuất phát: θ 1 i = 30o ; θ 2 i = 30 o

- Góc cuối cùng: θ 1 f = 45o ; θ 2 f= 90o

- Thời gian chuyển động: ti = 0 , thời gian cuối tf = 1;

- Vận tốc ban đầu và vận tốc cuối bằng không : ´θ1i = ´θ1f = ´θ2i = ´θ2f = 0

Vậy quy luật chuyển động của biến khớp 2 là:

Vận tốc có quy luật bậc hai với giá trị cực đại:

1 max=¿2[rad / sφ2] và 2 max=2[rad /sφ2] tại t=1/2[s]

Gia tốc biến thiên theo quy luật bậc nhất với giá trị cực đại:

1 max=¿8[rad /sφ2] và 2 max=¿2[rad / sφ] tại t=[s] hoặc t=1[s]

Như vậy, nhược điểm của phương pháp này là: gia tốc tại điểm đầu và điểm cuối lớn

do đó sinh lực va đập do quán tính

Vị trí điểm tác động cuối như sau:

{x P

(0)

=a1cosθ1(t)+a2cosθ12(t )

y(0)P=a1sin θ1(t)+a2sin θ12(t)