THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT SCARA Vol.2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ XNCN ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà nội, 6-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ XNCN ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MƠ HÌNH ROBOT SCARA Trưởng môn : TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Danh Huy Sinh viên thực : Nguyễn Phụ Hưng Lớp : CN-ĐK&TĐH 01 K59 MSSV : 20146373 Giáo viên duyệt : Hà nội, 6-2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế mơ hình Robot Scara” 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 mạch tài liệu tham khảo khơng chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Phụ Hưng MỤC LỤC Danh mục hình ảnh DANH MỤC HÌNH ẢNH Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm Cánh tay robot lựa chọn dễ dàng DC Direct Current Dòng chiều AC Alternating Current Dòng xoay chiều BXMC Băm xung chiều PLC Programmalbe Logic Controller Thiết bị điều khiển khả trình CNC Computer Numerical Control Máy tiện khí điều khiển tự động máy tính PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Ngày khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ Ngành Tự động hố giữ vai trị khơng thể thiếu cơng cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước Việc ứng dụng Robot góp phần giải toán kĩ thuật phức tạp lĩnh vực Tự động hóa đời sống hàng ngày Khi thực đồ án chúng em cố gắng cập nhật kiến thức nhất, công nghệ lĩnh vực điều khiển phần tử bán dẫn cơng suất Với u “Thiết kế mơ hình Robot Scara”, chúng em cố gắng tìm hiểu kĩ phương án công nghệ cho thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế Từ tầm quan trọng ứng dụng thực tế Robot Scara công nghiệp, em chọn đề tài: “Thiết kế mơ hình Robot Scara” để qua tìm hiểu kĩ ngun lí hoạt động mạch băm xung, mạch cầu H điều khiển đối xứng phục vụ cho việc điều khiển động chiều để truyền động cho khớp cánh tay Robot Scara đồng thời củng cố thêm kĩ thiết kế mạch điện tử công suất Trong trình làm đề tài tốt nghiệp, em ln nhận hướng dẫn, bảo tận tình cung cấp tài liệu cần thiết Thầy giáo: ThS Nguyễn Danh Huy mơn Tự động hóa Cơng nghiệp Mặc dù nỗ lực cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi kiến thức, song thời gian giới hạn đồ án với phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm kiến thức cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót mong đóng góp ý kiến thầy cô để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Chương Tìm hiểu chung robot Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Phụ Hưng TÌM HIỂU CHUNG VỀ ROBOT 1.1 Giới thiệu chung robot Robot ứng dụng rộng rãi đóng vai trị quan trọng sản xuất đời sống Để hiểu rõ robot ta thông qua số khái niệm sau: Robot cấu đa chức có khả lập trình với cảm biến bên dùng để di chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thơng qua truyền động lập trình trước Robot dạng cánh tay có vài bậc tự thực chuyển động tay người điều khiển máy tính điều khiển chương trình nạp sẵn robot Robot thiết bị thao tác người hợp tác với cách thơng minh Robot cơng nghiệp cấu lập trình thực tự động cơng việc có ích mà khơng cần trợ giúp người Robot với tự động hóa: dây truyền sản xuất tự động hóa linh hoạt cần có trợ giúp robot Ngay sau chiến tranh giới thứ 2, Hoa Kì xuất tay máy điều khiển từ xa phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ vào năm 50 kỉ 20, bên cạnh tay máy khí đó, xuất loại tay máy thủy lực điện từ Năm 1961, robot công nghiệp đưa vào sử dụng nhà máy ôtô General Motor Trenton, New Jersy, Hoa Kì Năm 1967, Nhật Bản nhập robot công nghiệp từ công ty AMF Hoa Kì Đến năm 1990, có 40 cơng ty Nhật Bản đưa thị trường quốc tế nhiều loại robot tiếng Chươ Chương Tìm hiểu chung robot Từ năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính robot ý nhiều đến lắp đặt cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Một lĩnh vực nhiều phịng thí nghiệm quan tâm robot tự hành Các cơng trình nghiên cứu tạo robot tự hành bắt trước chân người súc vật Các loại robot cịn chưa có nhiều ứng dụng công nghiệp, nhiên loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng đưa vào ứng dụng hệ thống sản xuất tự động linh hoạt Từ năm 80, năm 90, áp dụng rộng rãi ứng dụng kĩ thuật vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng, giá thành giảm rõ rệt, tính có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ mà robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây truyền tự động sản xuất đại 1.2 Tìm hiểu robot SCARA Robot công nghiệp ngày kết hợp với thiết bị ngoại vi tạo thành hệ thống lập trình điều khiển máy tính chúng hoạt động theo cơng nghệ đặt Có nhiều Robot cơng nghiệp sử dụng, có Robot SCARA có phịng thí nghiệm thiết bị tự động hóa cơng nghiệp mơn cụ thể Robot SERPENT hãng Feedback Robot SCARA (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay Robot Do chuyển động Robot SCARA đơn giản, dễ dàng điều khiển nên sử dụng phổ biến cơng nghiệp Tiêu biểu cho nhóm robot ta nghiên cứu Robot Serpent Trong đề tài này, Robot thay đổi động cấu encoder khác so với nguyên Robot SCARA đời vào năm 1979, kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt sử dụng nhiều công việc lắp ráp tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Robot SCARA bao gồm hai khớp nối hai cánh tay Trên hai khớp nối gắn hai động để cung cấp hai moment T1 T2 điều khiển hai cánh tay l1 l2 hình vẽ: 10 Chương Mơ hình hóa tổng hợp mạch vịng dịng điện (4.10) Vì số thời gian nhỏ nên bỏ qua thành phần bậc cao số Suy ra: (4.11) Đặt: 1/ Suy ra: (4.12) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun: (4.13) Mà Suy ra: (4.14) Thay vào ta có: (4.15) Ta chọn ta có điều chỉnh dịng: (4.16) khâu tỉ lệ tích phân Hệ số khuếch đại dòng: (s) Hàm truyền điều chỉnh dòng điện là: 61 Chương Mơ hình hóa tổng hợp mạch vòng dòng điện Với điều chỉnh ta có hệ số: ;; Hình 4.9 Bộ điều chỉnh P Với ta chọn R1=10kΩ, Cịn R2 chiết áp tinh chỉnh loại 50kΩ để tinh chỉnh cho R2=44,8kΩ Hình 4.10 Bộ điều chỉnh I Với ta chọn tụ C1 tụ 103 có giá trị 10nF, R1 chiết áp tinh chỉnh cho R1=4k9Ω Ta chọn chiết áp tinh chỉnh cho R1 chiết áp loại 5kΩ Cuối hàm truyền kín mạch vòng dòng điện thu là: (4.17) 62 Chương Mơ hình hóa tổng hợp mạch vịng dịng điện 4.2 Kiểm nghiệm mạch vòng dòng điện phần mềm mô MATLAB Các thông số mfile để mô mạch vòng dòng điện: Ru=3; % dien tro phan ung Lu=0.738e-3; % dien cam phan ung Tu=Lu/Ru; % Hang so thoi gian phan ung fbx=40000; % Tan so bam xung Tbx=1/fbx; % Hang so thoi gian mach bam xung Ttre=Tbx/5e4; Ref=0.95; 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)); Với công cụ Simulink MATLAB, ta xây dựng mạch vòng dòng điện với thơng số tính tốn sau: Hình 4.11 Sơ đồ mơ mạch vịng điều chỉnh dịng điện lí tưởng 63 Chương Mơ hình hóa tổng hợp mạch vịng dịng điện Hình 4.12 Đáp ứng đầu mơ hình mạch vịng dịng điện lí tưởng Từ đồ thị hình 4.12 ta thấy: - Độ điều chỉnh bé, khoảng 4,2% 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 mơ hình lí tưởng với khâu động học Để kiểm nghiệm trước làm mực thực tế, ta cần mô theo mơ hình vật lí Để làm mơ hình mơ vật lí, ta sử dụng cơng cụ SimPower phần mềm mô Matlab với mạch băm xung mạch lực với phần ứng động thực tế, ta mô hình mơ vật lí vịng dịng điện sau: 64 Chương Mơ hình hóa tổng hợp mạch vịng dịng điện Hình 4.13 Mơ mạch băm xung có khâu tạo trễ Hình 4.14 Mơ hình mơ mạch lực với tải thực tế 65 Chương Mơ hình hóa tổng hợp mạch vịng dịng điện Hình 4.15 Đáp ứng đầu mạch vịng dịng điện với mơ hình mơ vật lí Từ đồ thị hình 4.15 ta thấy: - Tín hiệu đo bám tốt theo tín hiệu đặt Tốc độ đáp ứng mạch nhanh Thời gian đáp ứng khoảng 0.3(ms) Hầu khơng có độ q điều chỉnh Tín hiệu có dạng xung liên tục mơ mơ hình vật lí, băm xung điều khiển van, dạng điện áp dịng điện có dạng hình 4.15 66 Chương Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển cho cánh tay Robot Scara Chương THIẾT KẾ, GHÉP NỐI HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁNHTAY ROBOT SCARA 5.1 Yêu cầu kỹ thuật Từ cấu cánh tay Robot Scara cũ mơn bị hỏng tồn bộ, nhóm mượn thiết kế khí cánh tay, sau thiết kế, lắp đặt lại hệ điều khiển hệ truyền động cho cánh tay Robot Scara u cầu: - Mơ hình robot sau lắp ghép phải đảm bảo yêu cầu mĩ thuật, lắp đặt, di - gọn gàng Mơ hình robot phải có đủ mạch vịng dịng điện, tốc độ vị trí Cần phải có nguồn đủ cơng suất cấp cho toàn động cơ, mạch lực - mạch điều khiển Mạch phải có khâu bảo vệ dòng, dòng, ngắt xung điều khiển - động Robot cần phải có cơng tắc hành trình để giới hạn vị trí để đảm bảo an tồn cho cấu robot mơi trường xung quanh 67 Chương Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển cho cánh tay Robot Scara 5.2 Thiết kế mạch nguyên ly 5.2.1 Mạch lực Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lí mạch lực 68 Chương Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển cho cánh tay Robot Scara 5.2.2 Mạch điều khiển Hình 5.2 Sơ đồ ngun lí mạch điều khiển 5.3 Thiết kế mạch in 5.3.1 Mạch lực 69 Chương Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển cho cánh tay Robot Scara Hình 5.3 Mạch lực sau hồn thiện 5.3.2 Mạch điều khiển Hình 5.4 Mạch điều khiển sau hoàn thiện 70 Chương Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển cho cánh tay Robot Scara 5.4 Lắp ráp, hiệu chỉnh thử nghiệm 5.4.1 Lắp ráp Hình 5.5 Mơ hình Robot Scara sau ghép nối hoàn thiện 71 Chương Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển cho cánh tay Robot Scara 5.4.2 Hiệu chỉnh thử nghiệm Hình 5.6 Ghép nối nguồn với mạch điều khiển mạch lực, chạy thử động 5.4.3 Chạy thử nghiệm với ba động khác Hình 5.7 Thử nghiệm động số điện áp đầu động số 72 Chương Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển cho cánh tay Robot Scara Hình 5.8 Thử nghiệm động số điện áp đầu động số Hình 5.9 Thử nghiệm động số điện áp đầu động số 5.4.4 Nhận xét Từ kết thực nghiệm đo cho thấy động số động số có dạng điện áp dạng xung vng pwm theo lý thuyết Động số có dạng điện áp khơng có dạng xung lý thuyết Hiện tượng xung điện áp có dạng khơng rõ ràng Tín hiệu phản hồi đáp ứng chưa tốt nên chất lượng hệ chưa ổn định 73 Kết luận KẾT LUẬN Qua thời gian làm đồ án tốt nghiệp hướng dẫn thầy giáo: ThS Nguyễn Danh Huy, em hoàn thành đồ án tốt nghiệm: “Thiết kế mơ hình Robot Scara” Qua đồ án em đúc kết nhiều điều: - Nắm tổng quan Robot công nghiệp Nắm hệ truyền động, mạch vòng điều khiển Biết cách thiết kế hệ truyền động điều chỉnh dòng điện cho động DC Hiểu cách mơ hệ thống, tính tốn thơng số cho điều khiển Trong q trình làm đồ án, chúng em hoàn thành thiết kế hệ điều khiển cho mơ hình Robot Scara, hiệu chỉnh thông số mạch điều khiển Tuy nhiên sau hoàn thiện chạy thử nghiệm, hệ chưa làm việc ổn định, đặc tính động điện chọn gây dạng điện áp dịng điện phản hồi cảm biến đo dịng khơng ổn định, hệ chưa thể làm việc ổn định Đề xuất phải thay động khác có đặc tính tốt để tín hiệu phản hồi ổn định Do thời gian trình độ thân có nhiều hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận ý kiến đóng góp từ thầy giáo để đồ án hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn Hà nội, ngày 12 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Phụ Hưng 74 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 Kĩ Thuật [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, “Cơ sở truyền động điện”, Nhà xuất 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 Dỗn Phước, “Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tính”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, 2004 [5] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/68131/IRF/IRF3205.html, Truy cập cuối 15/05/2018 [6] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/168326/ALLEGRO/ACS712.html, Truy cập cuối 16/05/2018 [7] https://www.intersil.com/content/dam/intersil/documents/icl8/icl8038.pdf, Truy cập cuối 10/05/2018 75