Đề tài đã vận dụng lý thuyết về Robot, nguyên lý hoạt động của rơle, van điện từ, xy lanh khí nén kết hợp với vi điều khiển và một số linh kiện điện tử khác để thiết kế, chế tạo thành công cánh tay Robot điều khiển bằng xy lanh khí nén.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG XY LANH KHÍ NÉN VÀO THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT Họ tên sinh viên: NGUYỄN THÁI TÌNH Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ Niên khố: 2011-2015 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2015 ỨNG DỤNG XY LANH KHÍ NÉN VÀO THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT Tác giả NGUYỄN THÁI TÌNH Khóa luận đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu cấp Kỹ sư chuyên ngành Cơ Điện Tử Giảng viên hướng dẫn: TH.S ĐÀO DUY VINH Tháng 06 năm 2015 LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng cám ơn tất quý Thầy, Cô trường Đại Học Nông Lâm Tp Hồ Chí Minh q Thầy, Cơ khoa Cơ khí – Công ngh ệ trang b ị cho em nh ững kiến thức quý báu trình học tập trường Em xin chân thành cám ơn Thầy, Cô môn Cơ ện tử hướng dẫn, giúp đỡ em tận tình trình em làm đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy Đào Duy Vinh dành nhiều th ời gian cơng sức, quan tâm theo dõi, tận tình hướng dẫn, động viên nh ắc nh em hoàn thành tốt luận văn Em xin cảm ơn quý thầy cô hội đồng dành thời gian nhận xét góp ý để luận văn em hồn thiện Qua đây, em xin gửi lời cám ơn đến người thân b ạn bè động viên, ủng hộ tạo cho em điều ki ện thu ận l ợi trình hoàn thành Luận văn tốt nghiệp TPHCM, ngày 10 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực Nguyễn Thái Tình TĨM TẮT Đề tài nghiên cứu “ỨNG DỤNG XY LANH KHÍ NÉN VÀO THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT” thực trường Đại Học Nông Lâm Thành Ph ố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng đến tháng năm 2015 Đề tài vận dụng lý thuyết Robot, nguyên lý hoạt động r ơ-le, van điện từ, xy lanh khí nén kết hợp với vi điều ển s ố linh ki ện ện t khác để thiết kế, chế tạo thành công cánh tay Robot điều ển xy lanh khí nén Nội dung báo cáo gồm phần sau: Chương 1: Mở đầu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Nội dung phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết thảo luận Chương 5: Kết luận đề nghị Do trình độ kinh nghiệm hạn chế nên đề tài có nhi ều thi ếu xót, em mong nhận đóng góp ý kiến q thầy bạn bè đ ể đề tài em hoàn thiện MỤC LỤC Trang DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DC : Direct current AC : Alternating current PWM : Pulse-Width modulation IDE : Intergrated Development Environment LCD : Liquid Crytal Display DH : Bộ thông số Denavit-Hatenberg B : Base E : Emitter C : Collector XL : Xy lanh CTHT : Công tắc hành trình DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Một số ứng dụng Robot Hình 2.2: Một số kiểu cấu trúc tay máy thường gặp Hình 2.3: Sơ đồ khối thành phần board mạch Arduino UNO Hình 2.4: Cấu tạo rơ-le Hình 2.5: Sơ đồ chân rơ-le Hình 2.6: Cấu tạo xy lanh 10 Hình 2.7: Lực bề mặt piston 11 Hình 2.8: Xy lanh khí nén Parker GDC-40*300 12 Hình 2.9: Xy lanh xoay SMC CRB2BWU10 13 Hình 2.10: Xy lanh có cấu tay gắp MHZ2-10D 13 Hình 2.11: Cấu tạo van tiết lưu 14 Hình 2.12: Cấu tạo van điện từ 15 Hình 2.13: Van đảo chiều 5/2 16 Hình 2.14: Van đảo chiều 5/3 16 Hình 2.15: Chiều dài góc xoắn khâu thứ i 18 Hình 2.16: Các thơng số khâu : ϴ, d, a, α 18 Hình 4.1: Hệ tọa độ Robot RRR 22 Hình 4.2: Mơ hình cánh tay Robot điều khiển xy lanh khí nén 25 Hình 4.3: Khung đế cánh tay Robot .26 Hình 4.4: Trục quay cánh tay Robot 27 Hình 4.5: Khâu 27 Hình 4.6: Sơ đồ khối điều khiển vị trí góc khâu 28 Hình 4.7: Cơ cấu xác định vị trí góc khâu .28 Hình 4.8: Mạch nguyên lý điều khiển vị trí khâu .29 Hình 4.9: Khâu 30 Hình 4.10: Cơ cấu truyền động cho chuyển động khâu .30 Hình 4.11: Khâu 31 Hình 4.12: Cơ cấu truyền động cho chuyển động khâu 31 Hình 4.13: Cơ cấu khâu lề với giá khâu 32 Hình 4.14 Sơ đồ khối điều khiển cánh tay Robot điều khiển xy lanh khí nén 33 Hình 4.15: Mạch điều khiển cho cánh tay Robot 34 Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 35 Hình 4.17: Sơ đồ mạch rơ-le kích van điện từ .36 Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý mạch rơ-le với opto cách ly 37 Hình 4.19: Hệ thống cung cấp khí nén cho cấu chấp hành 38 Hình 4.20: Trường công tác cánh tay Robot 39 Hình 4.21: Tọa độ tay gắp 40 Hình 4.22: Biểu đồ trạng thái mô tả hoạt động xy lanh điều khiển cánh tay Robot thực gắp, xếp khối hộp 40 Hình 4.23: Sơ đồ giải thuật điều khiển Robot gắp, xếp khối hộp 41 Hình 4.24 Khảo nghiệm độ sai lệch vị trí khối hộp……………………………………… 42 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Số lượng Robot sản xuất vài nước công nghiệp phát triển Bảng 2.2: Các thông số kĩ thuật board mạch Arduino UNO .6 Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật xy lanh khí nén Parker GDC-40*300 .12 Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật xy lanh xoay SMC CRB2BWU10 13 Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật xy lanh có cấu tay gắp MHZ2-10D .13 Bảng 4.1: Thông số D-H Robot RRR 22 Bảng 4.2: Khảo nghiệm sai lệch vị trí đặt vật 43 10 Hình 4.17: Sơ đồ mạch rơ-le kích van điện từ Trong đó: K1, K2, K3, K4, K5, K6 rơ-le điều ển Y1, Y2 nam châm điện điều ển van đảo chiều 5/3 Y3, Y4,Y5,Y6 nam châm điện điều khiển van đảo chiều 5/2 Các rơ-le nhận tín hiệu từ vi điều khiển cấp cho cu ộn kích van ện từ van điện từ điều khiển hành trình xy lanh Để bảo vệ linh kiện khỏi bị tải, cần cách ly khối mạch ều khiển khối mạch công suất ta sử dụng mạch rơ-le với opto cách ly 48 Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý mạch rơ-le với opto cách ly Sơ đồ nguyên lý mạch rơ-le với opto cách ly thể hình 4.18 Mạch bao gồm opto U1, điện trở R1 10 k Ω R2 520 Ω, transistor loại NPN Q1, diode D1, rơ-le V Cấp nguồn V DC vào chân s ố c opto U1 qua điện trở R1, chân số chân nhận tín hiệu từ vi ều ển, chân s ố đ ược n ối với cực B transistor Q1 qua điện trở R2, chân s ố n ối v ới chân kích c r ơle Nối đất cho cực E transistor Q1, cực C nối với chân kích l ại c r ơ-le Ngun lý hoạt động mạch rơ-le với opto cách ly: Khi tín hiệu từ vi điều khiển gửi tới INT1 mức thấp, transistor Q1 khóa lại, khơng có dòng qua cuộn hút rơ-le, đèn LED tắt, ti ếp ểm n ối v ới Khi tín hiệu từ vi điều khiển tới INT0 mức cao, transistor Q1 m ở, có dòng VCC qua Q1 cấp điện cho cuộn hút rơ-le, lúc có chuy ển cặp ti ếp ểm, tiếp điểm số nối với tiếp điểm số 3, đèn LED sáng 49 .5 Thiết kế hệ thống cung cấp khí nén cho cấu chấp hành ều ển khâu cánh tay Robot Hình 4.19: Hệ thống cung cấp khí nén cho cấu chấp hành Trong đó: XL1, XL2, XL3, XL4, XL5 xy lanh khí nén S1, S2; S3, S4; S5, S6; S7, S8; S9, S10 cặp cơng tắc hành trình l ần xác định vị trí xy lanh XL1; XL2; XL3; XL4; XL5 Y1, Y2 nam châm điện điều ển van đảo chiều 5/3 Y3, Y4, Y5, Y6 nam châm điện điều khiển van đảo chi ều 5/2 Nguyên lý hoạt động hệ thống cung cấp khí nén cho cấu chấp hành thể hình 4.19: Năng lượng khí nén từ máy nén khí cấp cho tổ hợp van ện từ g ồm m ột van đảo chiều 5/3 bốn van đảo chiều 5/2 Các van đảo chi ều nh ận tín hi ệu điện từ rơ-le để điều khiển lượng khí nén vào xy lanh, qua ều ển hành trình xy lanh Cụ thể, cuộn kích Y1 van đ ảo chi ều 5/3 nh ận 50 tín hiệu điện, van hoạt động vị trí bên trái, dòng khí nén theo c ửa van đẩy piston xy lanh ra, dừng tín hi ệu ện qua Y1 van đ ảo chi ều 5/3 hoạt động vị trí giữa, xy lanh dừng, cu ộn kích Y2 nh ận tín hi ệu ện, van đảo chiều 5/3 hoạt động vị trí bên phải làm xy lanh v ề Khi c ấp tín hiệu cho cuộn kích Y3 van đảo chiều 5/2 làm vi ệc vị trí bên trái làm xy lanh ra, tắt tín hiệu Y3 lò xo đẩy van đảo chiều 5/2 làm việc vị trí bên phải làm xy lanh Tương tự nam châm ện Y4, Y5, Y6 l ần l ượt ều ển xy lanh XL3, XL4, XL5 có chung nguyên lý ều ển c van đ ảo chi ều 5/2 loại điều khiển đầu điện .6 Ví dụ ứng dụng cánh tay Robot điều khiển xy lanh khí nén 6.1 Trường công tác cánh tay Robot r H R a) Mặt b) M ặt đ ứng Hình 4.20: Trường công tác cánh tay Robot Trường công tác cánh tay Robot thể hình 4.20: mặt hình vành khăn với bán kính r = 560 mm, bán kính ngồi R = 800 mm M ặt đứng có chiều cao H = 430mm 51 .6.2 Ví dụ ứng dụng Yêu cầu: cánh tay Robot thực gắp, xếp khối hộp Hình 4.21: Tọa độ tay gắp Để thực thao tác, tọa độ O qua điểm A, B, C, D có tọa độ : A( 0; 560; 0), B( 0; 800; 430 ), C( 800; 0; 430 ), D( 560; 0;0) Sử dụng cơng tắc hành trình S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10 đ ể xác đ ịnh vị trí xy lanh Ta thiết lập biểu đồ trạng thái qui trình sau 52 Hình 4.22: Biểu đồ trạng thái mơ tả hoạt động xy lanh điều khiển cánh tay Robot thực gắp, xếp khối hộp 53 54 Trong : Y1 nam châm điện van đảo chiều 5/3 điều khiển xy lanh Y2 nam châm điện van đảo chiều 5/3 điều khiển xy lanh Y3, Y4, Y5 Y6 nam châm ện van đảo chi ều 5/2 ều khiển xy lanh 2, xylanh 3, xy lanh xy lanh S1,S2 ; S3, S4 ; S5, S6 ; S7,S8 S9, S10 cặp cơng tắc hành trình xác định vị trí xy lanh 1; xy lanh2; xy lanh 3; xy lanh xy lanh5 Nguyên lý hoạt động : Khi nhấn nút start, xy lanh kẹp kh ối h ộp chạm CTHT S10, CTHT S10 truyền tín hiệu cho xy lanh xy lanh nâng cánh tay robot lên chạm CTHT S4, CTHT S4 truy ền tín hi ệu cho xy lanh đến góc xoay trục 900 , biến trở cấp tín hiệu cho xy lanh dừng, xy lanh xy lanh đưa cánh tay Robot qua v ị trí cần x ếp ch ạm CTHT S4, CTHT S4 cấp tín hiệu cho xy lanh thả khối hộp chạm CTHT S9, CTHT Hình 4.23: Sơ đồ giải thuật điều 55ển cánh tay Robot gắp, xếp khối hộp S9 cấp tín hiệu cho xy lanh xy lanh ch ạm CTHT S4, CTHT S4 c ấp tín hiệu cho xy lanh chạm CTHT S1, CTHT S1 cấp tín hiệu cho xy lanh 2, xy lanh vị trí ban đầu qui trình tiếp tục, tắt nút nhấn qui trình kết thúc .7 Khảo nghiệm sơ Thực khảo nghiệm với khối hộp với kích thước 10x10x10 Hình 4.24 Khảo nghiệm độ sai lệch vị trí khối hộp Bảng 4.2: Khảo nghiệm sai lệch vị trí đặt khối hộp Lần đo Δx (mm) Δy (mm) 6.5 5.2 6.2 5.4 5.1 6.3 5.5 6.0 5.2 5.5 Vị trí Độ sai lệch vị trí trung bình (mm) Theo phương x 5.7 56 Theo phương y 6.68 Với đặc trưng Robot có hệ truyền động khí nén nên mơ hình làm việc với độ sai lệch tương đối lớn, phù hợp với công việc đơn gi ản, không cần độ xác q cao So với cơng nghệ robot sử dụng động servo robot sử dụng hệ truyền động khí nén có độ xác thấp hơn, thời gian trễ tương đối lớn hệ truyền động phụ thuộc vào áp xuất khí nén Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Kết luận Nghiên cứu khảo sát cách sử dụng số loại xy lanh khí nén sử dụng Đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo khảo nghiệm cánh tay Robot ều ển xy lanh khí nén 57 Xây dựng giải thuật điều khiển viết chương trình điều ển cánh tay Robot sử dụng mạch vi điều khiển Arduino thực công việc cụ th ể : chuyển phơi, rót nước Cánh tay Robot hoạt động bình thường với khối lượng vật nặng giới hạn từ đến kg, thiết kế nhiều kiểu tay gắp khác đ ể phù h ợp v ới hình dạng kích thước đối tượng cụ thể .2 Đề nghị Để điều khiển vị trí khâu xác cần sử dụng thước quang để xác định vị trí khâu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Phạm Đăng Phước, ROBOT CÔNG NGHIỆP, Đại học Bách khoa Đà Nẵng 2001 [2] GS.TS Nguyễn Thiện Phúc, ROBOT CÔNG NGHIỆP, NXB Khoa h ọc Kỹ thu ật, Hà Nội, 2006 [3] TS Nguyễn Văn Hùng, BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ROBOT 1, Đại Học Nơng lâm Thành phố Hồ Chí Minh 58 [4] Nguyễn Văn Cơng Chính, KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG KHÍ NÉN TH ỦY L ỰC, Đ ại h ọc Nông lâm Thành phố Hồ Chí Minh, 2010 [5] Lê Hiếu Giang, HỆ THỐNG KHÍ NÉN TRONG CƠNG NGHIỆP, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2011 [6] Michael Margolis, ARDUINO COOKBOOK, 2011, 637 PHỤ LỤC Code chương trình điều khiển cánh tay Robot gắp, xếp khối hộp int nut = 3; int int1 = 4; int int2 = 5; int int3 = 6; int int4 = 7; int int5 = 8; 59 int int6 = 9; void setup () { pinMode (nut,INPUT); pinMode (int1,OUTPUT); pinMode (int2,OUTPUT); pinMode (int3,OUTPUT); pinMode (int4,OUTPUT); pinMode (int5,OUTPUT); pinMode (int6, OUTPUT); } void loop() { int bientro=analogRead (A0); int goc=map(bientro,0,1023,0,270); int doc=digitalRead(nut); if (doc==1) { // nhan nut digitalWrite (int6,LOW); delay (3000); // gap khoi hop digitalWrite (int3,LOW); 60 digitalWrite (int4,LOW); delay (5000); // nang khoi hop digitalWrite (int1,LOW); delay(5000); // quay qua vi tri dat digitalWrite (int3,HIGH); digitalWrite (int4,HIGH); delay(5000); // xuong vi tri dat digitalWrite (int6,HIGH); delay(3000); // dat khoi hop digitalWrite (int3,LOW); digitalWrite (int4,LOW); delay(5000); // nang len digitalWrite (int1,HIGH); digitalWrite (int2,LOW); delay(5000); // quay ve vi tri cu digitalWrite (int3,HIGH); digitalWrite (int4,HIGH); // xuong vi tri cu delay (5000); digitalWrite (int6,LOW); delay(3000); } 61 else if (doc==0) { digitalWrite (int1, HIGH); digitalWrite (int2, HIGH); digitalWrite (int3, HIGH); digitalWrite (int4, HIGH); digitalWrite (int5, HIGH); digitalWrite (int6, HIGH); } } 62 ... Van nh ận tín hi ệu ện điều khiển dòng khí nén vào xy lanh .2.3.5 Ứng dụng xy lanh khí nén 24 Xy lanh khí nén sử dụng loại máy móc ều ển b ằng lượng khí nén hệ thống phân phối sản phẩm, hệ thống... 2.6: Cấu tạo xy lanh Cấu tạo xy lanh gồm phận thể hình 2.6, vỏ xy lanh thường làm gang nhôm Trên vỏ xy lanh có cổng lắp van tiết lưu cấp khí nén vào Piston trượt xy lanh nối với cán xy lanh, có... kín xy lanh Vỏ cán xy lanh có phận lắp – ghép với thiết bị khác .2.3.2 Nguyên lý hoạt động xy lanh Áp suất khí nén dẫn vào xy lanh thông qua van ti ết lưu vào m ột đ ầu c ấp khí nén đẩy cán xy lanh