THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT SCARA Vol.3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà nội 6-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT SCARA Trưởng môn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Danh Huy Sinh viên thực : Bùi Tuấn Anh Lớp : CN ĐK-TĐH 02 K59 MSSV : 20146006 Giáo viên duyệt : Hà nội 6-2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình robot SCARA nhóm em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo Ths Nguyễn Danh Huy Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hồn tồn trách nhiệm Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Bùi Tuấn Anh MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .v LỜI NÓI ĐẦU Chương TÌM HIỂU CHUNG VỀ ROBOT 1.1 Giới thiệu chung robot .2 1.1.1 Lịch sử phát triển ứng dụng robot 1.1.2 Phân loại robot công nghiệp theo kết cấu 1.2 Tìm hiểu robot SCARA sử dụng đề tài 1.2.1 Kết cấu robot .6 1.2.2 Cách sửa chữa thay đổi cách tay robot Chương TÌM HIỂU VỀ CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO ROBOT 2.1 Cấu trúc hệ truyền động điều khiển vị tri 2.2 Hệ truyền động chiều .8 2.2.1 Cấu trúc chung 2.2.2 Mạch vòng dòng điện 2.2.3 Mạch vòng tốc độ .9 2.2.4 Mạch vòng vị tri .10 2.3 Hệ truyền động servo xoay chiều 10 2.3.1 Cấu trúc chung 10 2.3.2 Mạch vòng dòng điện (Current Loop) 11 2.3.3 Mạch vòng tốc độ (Velocity Loop) 11 2.3.4 Mạch vòng vị tri (position Loop) 12 2.4 Kết luận (chọn phương án, đặt mục tiêu nhiệm vụ) 12 2.4.1 Chọn phương án .12 2.4.2 Mục tiêu nhiệm vụ .13 Chương 14 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN CHO KHỚP ROBOT 14 3.1 Thiết kế mạch lực 14 3.1.1 Yêu cầu công nghệ mạch lực .14 3.1.2 Phân tich phương án chọn mạch lực 14 3.1.3 Tinh chọn thiết kế mạch lực 17 3.2 Thiết kế mạch điều khiển 20 3.2.1 Yêu cầu công nghệ mạch điều khiển 20 3.2.2 Phân tich phương pháp mạch điều khiển 20 3.2.3 Tinh toán thiết kế mạch điều khiển 23 3.3 Thiết kế khâu đo dòng 30 3.3.1 Yêu cầu mạch đo dòng điện 30 3.3.2 Phân tich chọn phương án 30 3.3.3 Tinh chọn thiết kế mạch đo dòng điện 32 3.4 Thiết kế nguồn cho hệ thống 32 3.4.1 Phân tich yêu cầu công nghệ 32 3.4.2 Tinh toán, thiết kế nguồn cấp cho mạch lực .33 3.4.3 Tinh toán, thiết kế nguồn cho mạch điều khiển 35 Chương 36 MƠ HÌNH HĨA VÀ TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN 36 4.1 Mơ hình hóa khâu 36 4.1.1 Mơ hình hóa khâu đo dòng .36 4.1.2 Mơ hình hóa khâu băm xung 36 4.1.3 Mô hình hóa phần ứng động 37 4.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 39 4.3 Mô phỏng kiểm nghiệm 42 Chương 47 THIẾT KẾ, GHÉP NỐI VÀ THỬ NGHIỆM HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 47 5.1 Yêu cầu kỹ thuật 47 5.2 Thiết kế mạch nguyên lý, mạch in 47 5.2.1 Mạch lực 48 5.2.2 Mạch điều khiển .50 5.3 Đo kiểm nghiệm mạch 52 5.3.1 Các khối mạch điều khiển 52 5.3.2 So sánh kiểm nghiệm số động 53 5.4 Lắp ráp, hiệu chỉnh thử nghiệm 54 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 Danh mục bảng số liệu DANH MỤC HÌNH ẢN Hình 1.1 Robot Shakey Năm 1970 người chế tạo Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt mặt trăng Hình 1.2 Robot hàn điểm Hình 1.3 Robot kiểu tọa độ Đề .3 Hình 1.4 Robot kiểu tọa độ trụ Hình 1.5 Robot kiểu tọa độ cầu Hình 1.6 Robot kiểu SCARA Hình 1.7 Robot SCARA hãng ABB Mitsubishi .5 Hình 1.8 Hình ảnh robot trước lắp động 6Y Hình 2.1 Cấu trúc chung hệ truyền động Hình 2.2 Cấu trúc chung hệ truyền động chiều điều khiển vị tri Hình 2.3 Mơ hình mạch vịng dòng điện .9 Hình 2.4 Mơ hình mạch vịng vị tri 10 Hình 2.5 Động secvo xoay chiều driver điều khiển .10 Hình 2.6 Motor CHP-36GP-555-ABHLL DC Magnetic Holzer Encoder Planetary Deceleration Gear Motor 24.0V Hình 3.1 Chỉnh lưu có đảo chiều song song đấu ngược .14 Hình 3.2 Sơ đồ băm xung có đảo chiều 15 Hình 3.3 Sơ đồ băm xung chiều đảo chiều điều khiển riêng 15 Hình 3.4 Sơ đồ băm xung chiều điều khiển khơng đối xứng .16 Hình Sơ đồ băm xung có đảo chiều điều khiển đối xứng 16 Hình 3.6 Sơ đồ bảo vệ van 19 Hình 3.7 Băm xung đảo chiều điều khiển đối xứng 21 Hình 3.8 Băm xung đảo chiều điều khiển đối xứng, chế độ dịng điện .22 Hình 3.9 Sơ đồ cấu trục mạch điều khiển băm xung chiều đảo chiều sử dụng phương pháp điều khiển đối xứng 22 Hình 3.10 Sơ đồ cấu trục mạch điều khiển băm xung chiều đảo chiều sử dụng phương pháp điều khiển đối xứng 23 Danh mục bảng số liệu Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc ICL8038 24 Hình 12 Sơ đồ chân ICL8038 24 Hình 3.13 Sơ đồ tạo điện áp tam giác dùng ICL8038 .25 Hình 3.14 Mạch khuếch đại xung cưa .26 Hình 3.15 So sánh cửa dùng Op-Amp 27 Hình 3.16 Xung điều khiển sau khâu so sánh 27 Hình 3.17 Mạch tạo trễ .28 Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung áp ngược chiều 28 Hình 3.19 Sơ đồ mạch bảo vệ 29 Hình 3.20 Sơ đồ mạch điều chỉnh dòng điện 30 Hình 3.21 Sơ đồ khối đo dịng IC ACS712 32 Hình 3.22 Sơ đồ chân IC ACS712 32 Hình 3.23 Sơ đồ mạch nguồn ổn áp cung cấp cho mạch điều khiển 35 YHình 4.1 Mơ hình hóa khâu băm xung 36 Hình Mơ hình hóa khâu băm xung sau tinh toán 37 Hình Mơ hình tương đương phần ứng động điện chiều, bỏ qua suất điện động E 37 Hình 4 Mơ hình hóa phần ứng động 38 Hình Mơ hình hóa phần ứng động sau tinh tốn 38 Hình Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện .39 Hình 4.7 Mơ hình hóa mạch vịng dịng điện 39 Hình 4.8 Sơ đồ biến đổi mạch vòng dòng điện 40 Hình 9: Bộ điều chỉnh P 42 Hình 4.10 Bộ điều chỉnh I 42 Hình 4.11 Mơ hình mạch vịng đòng điện 43 Hình 12 Sơ đồ mơ phổng khối RI-PI .44 Hình 4.13 Sơ đồ đáp ứng đầu 44 Hình 4.14 Sơ đồ mô phỏng mạch lực mạch điều khiển 45 Hình 15 Sơ đồ mô phỏng khối mạch cầu H 45 Hình 4.16 Sơ đồ thể đáp ứng dòng giá trị đặt giá trị đo 46 YHình 5.1 Sơ đồ nguyên lý mạch lực .48 Danh mục bảng số liệu Hình 5.2 Sơ đồ mạch in mạch lực .49 Hình 5.3 Hình ảnh thật mạch lực 49 Hình 5.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 50 Hình 5.5 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 51 Hình 5.6 Mạch điều khiển 51 Hình 5.7 Hình ảnh xung cưa tạo từ IC 8038 chụp từ máy đo oscilloscope .52 Hình 5.8 Hình ảnh xung điều khiển MOSFET chụp từ máy đo oscilloscope 52 Hình 5.9 Điện áp đo hai đầu động thử nghiệm 53 Hình 5.10 Điện áp đo hai đâu động thử nghiệm 53 Hình 5.11 Điện áp hai đầu động sử dụng làm khớp robot SCARA 54 Hình 5.12 Hình ảnh lắp ghép khối mạch nguồn, điều khiển .54 Hình 5.13 Mơ hình robot SCARA sau lắp đặt hoàn thiện 55 Chương Mơ hình hóa tổng hợp mạch vịng dịng điện amp=-0.5; Ki=1; % He so dong K=1; Ti=0.00001; % Hang so thoi gian loc khua dong Udc=24; % Nguong cap cho mach luc Urc=10; % bien rang cua bam xung Kbx=Udc/Urc; % He so khuyech dai khau bam xung KPi=Tu*Ru/((2*Kbx*Ki)*(Tbx+Ti)); KIi=Ru/((2*Kbx*Ki)*(Tbx+Ti)); Sử dụng công cụ Simulink MATLAB, ta xây dựng mạch vịng dịng điện có sơ đồ sau: Hình 4.11 Mơ hình mạch vịng địng điện 42 Chương Mơ hình hóa tổng hợp mạch vịng dịng điện Hình 12 Sơ đồ mơ phổng khối RI-PI Hình 4.13 Sơ đồ đáp ứng đầu Từ đồ thị hình 4.13 ta thấy:  Độ điều chỉnh bé, khoảng gần 5%  Thời gian độ nhỏ khoảng 0,3(ms)  Chất lượng đáp ứng mạch vòng tốt Tuy nhiên đồ thị hình 4.12 đồ thị từ mơ phỏng mơ hình li tưởng với khâu động học Để kiểm nghiệm trước làm mực thực tế, ta cần mơ phỏng theo mơ hình vật li 43 Chương Mơ hình hóa tổng hợp mạch vịng dịng điện Để làm mơ hình mơ phỏng vật li, ta sử dụng công cụ SimPower phần mềm mô phỏng Matlab với mạch băm xung mạch lực với phần ứng động thực tế, ta mơ hình mơ phỏng vật li vịng dịng điện sau: Hình 4.14 Sơ đồ mơ phỏng mạch lực mạch điều khiển Hình 15 Sơ đồ mô phỏng khối mạch cầu H 44 Chương Mơ hình hóa tổng hợp mạch vịng dịng điện Hình 4.16 Sơ đồ thể đáp ứng dòng giá trị đặt giá trị đo Từ đồ thị hình 4.16 ta thấy:      Tin hiệu đo bám tốt theo tin hiệu đặt Tốc độ đáp ứng mạch nhanh Thời gian đáp ứng khoảng 0.3(ms) Hầu khơng có độ vọt lố Tin hiệu có dạng xung liên tục mơ phỏng mơ hình vật li, băm xung điều khiển van, dạng điện áp dòng điện có dạng hình 4.16 45 Chương Thiết kế, ghép nối thử nghiệm hệ điều khiển cho robot Chương THIẾT KẾ, GHÉP NỐI VÀ THỬ NGHIỆM HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 5.1 Yêu cầu kỹ thuật  Động (có hộp số) có cơng suất đủ lớn để có thẻ truyền động khớp  Hệ thống khớp tay Robot phải chắc chắn, khớp nỗi phải trơn để dễ dàng chu trình chuyển động, có cơng tắc hành trình để hạn vị tay robot hết hành trình  Mạch in thiết kế rõ ràng, gọn nhẹ, theo kiểu module, ghép nối với qua cáp nối  Đi dây gọn gàng, tránh khớp chuyển động để tránh căng cáp, đứt cáp 5.2 Thiết kế mạch nguyên lý, mạch in 47 Chương Thiết kế, ghép nối thử nghiệm hệ điều khiển cho robot 5.2.1 Mạch lực Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý mạch lực 48 Chương Thiết kế, ghép nối thử nghiệm hệ điều khiển cho robot Hình 5.2 Sơ đồ mạch in mạch lực Hình 5.3 Hình ảnh thật mạch lực 49 Chương Thiết kế, ghép nối thử nghiệm hệ điều khiển cho robot 5.2.2 Mạch điều khiển Hình 5.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 50 Chương Thiết kế, ghép nối thử nghiệm hệ điều khiển cho robot Hình 5.5 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển Hình 5.6 Mạch điều khiển 51 Chương Thiết kế, ghép nối thử nghiệm hệ điều khiển cho robot 5.3 Đo kiểm nghiệm mạch 5.3.1 Các khối mạch điều khiển a) Xung cưa IC 8038 Hình 5.7 Hình ảnh xung cưa tạo từ IC 8038 chụp từ máy đo oscilloscope Nhận xét: Xung yêu cầu đề với tần số 30Khz, xung đẹp đối xứng b) Xung vuông sau IC LM 311 Hình 5.8 Hình ảnh xung điều khiển MOSFET chụp từ máy đo oscilloscope 52 Chương Thiết kế, ghép nối thử nghiệm hệ điều khiển cho robot 5.3.2 So sánh kiểm nghiệm một số động Hình 5.9 Điện áp đo hai đầu động thử nghiệm Điện áp đo hai đầu động tương đối đẹp với lý thuyết Hình 5.10 Điện áp đo hai đâu động thử nghiệm Điện áp đo hai đầu động thử nghiệm đẹp lý thuyết xung vuông dùng để kich mở hai MOFET 53 Chương Thiết kế, ghép nối thử nghiệm hệ điều khiển cho robot Hình 5.11 Điện áp hai đầu động sử dụng làm khớp robot SCARA Nhận xét: Qua ba hình 5.9, 5.10, 5.11 ta thấy đượng động sử dụng làm khớp robot có xung đo khơng cịn dạng xung vng làm dịng IC ACS712 đo khơng ổn định Bên cạnh cơng suất động nhỏ dẫn đến tăng tải lên dịng đo từ động gần không đổi 5.4 Lắp ráp, hiệu chỉnh thử nghiệm Hình 12 Hình ảnh lắp ghép khối mạch nguồn, điều khiển Hình ảnh bao gồm phần: Biến áp nguồn, mạch nguồn, mạch điều khiển mạch lực lắp ráp hoàn chỉnh 54 Chương Thiết kế, ghép nối thử nghiệm hệ điều khiển cho robot Hình 13: Mơ hình robot SCARA sau lắp đặt hồn thiện Thử nghiệm: Qua q trình chạy thử chúng em thấy mặt động khớp nối hoạt động bình thường Mạch điều khiển mạch lực hoạt động điều khiển tốc độ chiều quay động theo mạch điều khiển Tuy nhiên điện áp đo động hoạt động chưa ổn định dẫn đến chất lượng hệ điều chưa ổn định 55 Kết luận KẾT LUẬN Như vậy, thông qua đề tài, chúng em giới thiệu vài nét sơ lược mơ hình robot SCARA hệ thống có tinh ứng dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp ngày Sau thiết kế, lắp đặt vận hành mơ hình kết thu cho thấy mơ hình vận vận hành, nhiên đặc tinh riêng động dẫn đến hạn chế định hoạt động Vì thế, nhóm kinh mong nhận lời nhận xét, đánh giá góp ý thầy để chúng em khắc phục cải tiến vấn đề tồn tại, tạo tiền đề cho đời phiên hồn thiện mơ hình Một lần nữa, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo – ThS Nguyễn Danh Huy tận tình hướng dẫn chúng em Chân thành cảm ơn bạn bè ủng hộ có ý kiến đánh giá trình chúng em thực đồ án Cuối cùng, em xin bày tỏ biết ơn đến tất thầy mơn Tự động hóa cơng nghiệp dạy dỗ em từ em nhận vào môn, cho chúng em ý kiến ý kiến đóng góp, lời động viên quan trọng để hồn thành q trình học tập hồn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Bùi Tuấn Anh 56 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Quốc Hải, “Hướng Dẫn Thiết Kế Điện Tử Công Suất”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, 2009 [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, “Cơ sở truyền động điện”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, 2005 [3] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm quốc Hải, Dương Văn Nghi: “Điều chỉnh tự động truyền động điện” Nhà xuất Khoa học , Hà Nội, 2004 [4] Nguyễn Doãn Phước, “Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tinh,” Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, 2004 [5] http://google.com.vn [6] Data sheet linh kiện: ACS 712, ICL 8038, LM311, IR2104, IRF3205 https://www.allegromicro.com/~/media/files/datasheets/acs712-datasheet.ashx https://www.intersil.com/content/dam/intersil/documents/icl8/icl8038.pdf http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm311.pdf https://www.infineon.com/dgdl/ir2104.pdf? fileId=5546d462533600a4015355c7c1c31671 http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irf3205.pdf 57