THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT SCARA

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 MƠ HÌNH ROBOT SCARA Trưởng môn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Danh Huy Sinh viên thực : Phạm Trọng Giang Lớp : CN ĐK-TĐH 01- K59 MSSV : 20146223 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 nghiên cứu thực hướng dẫn thầy giáo ThS Nguyễn Danh Huy Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án này, em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo khơng chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 05 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Phạm Trọng Giang MỤC LỤC Danh mục hình ảnh DANH MỤC HÌNH ẢNH Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT SCARA Là từ viết tắt Selective Compliance Assembly Robot Arm dịch tay máy lắp ráp chọn lọc DC Là từ viết tắt Direct Current, dòng điện chiều AC BXMC PWM Là từ viết tắt Alternating Current, dòng điện xoay chiều Băm xung chiều Pulse Width Modulation, có nghĩa điều chế độ rộng xung Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Ngày hệ thống Robot công nghiệp , đặc biệt tay máy Robot SCARA đóng vai trị khơng thể thiếu ngành sản xuất công nghiệp đời sống nhân loại Các tay máy Robot SCARA giải yêu cầu khó sản xuất, khả đáp ứng, hỗ trợ người ngày cải tiến để nâng cao hiệu Nhận thức tầm quan trọng tính phát triển tay máy SCARA tương lai, đề tài “ Nghiên cứu thiết kế mô hình robot SCARA” với mục đích nghiên cứu lý thuyết xây dựng mơ hình nhằm phục vụ thí nghiệm Nội dung đề tài chia làm chương sau: Chương 1: Tìm hiểu chung robot SCARA Chương 2: Tìm hiểu hệ truyền động cho robot SCARA Chương 3: Thiết kế hệ truyền động điều chỉnh dòng điện động chiều cho khớp robot Chương 4: Thiết kế, ghép nối, thử nghiệm hệ điều khiển máy ép Với khả kiến thức hạn hẹp thời gian triển khai không nhiều nên đề tài cịn gặp nhiều hạn chế sai sót Mặc dù cố gằng tính tốn, thiết kế, mơ nhiên mơ hình chưa hoạt động ổn định theo ý muốn Em kính mong có góp ý sửa chữa thầy, cơ, để đề tài hồn thiện Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo ThS Nguyễn Danh Huy hướng dẫn giúp đỡ, hỗ trợ chúng em trình thực đề tài Hà nội ngày 05 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Phạm Trọng Giang Chương : Tìm hiểu robot SCARA Chương TÌM HIỂU VỀ ROBOT SCARA 1.1 Giới thiệu chung robot Cùng với phá triển khoa học kĩ thuật, ngoành điều khiển học tự động hóa có bước tiến quan trọng Q trình góp phần khơng nhỏ vào việc tăng suất lao động, giảm chi phí đầu tư, giảm giá thành nâng cao chất lượng sản phẩm đồng thời cải thiện môi trường làm việc người đặc biệt mơi trường có độ an toàn lao động thấp độ đọc hại cao Ngày khái niệm “Dây chuyền sản xuất tự động” - “Tay máy robot” trở nên gần gũi người Thế cách khoảng vài thập kỉ, khái niệm ý tưởng sơ khai trí tưởng tượng người Từ robot vào năm 60 kỉ trước, theo mẫu Versatran công ty AFM hoạt động định trước, dạng robot tự thích nghi, đủ thơng minh để tự giải nhiệm vụ mà người đặt cho điều kiện thay đổi mơi trường Nhờ robot ngày có vai trị quan tọng trog sản xuất công nghiệp, đặc biệt hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) hệ thống sản xuất tích hợp tính (CIM) Từ trở người tiếp tục phát triển nghiên cứu robot để ứng dụng q trình tự động hóa q trình sản xuất từ tang hiệu kinh doanh Chuyên ngành khoa học Robot “Robotics” trở thành lĩnh vực rộng khoa học, bao gồm vấn đề cấu động học, động lực học, quĩ đạo chuyển động, chất lượng điều khiển… Tùy thuộc vào mục đích phương thức tiếp cận, tìm hiểu lĩnh vực nhiều khía cạnh khác Hiện phân biệt loại Robot mảng chính: Các loại robot cơng nghiệp (cánh tay máy) loại robot di động (mobile robot) Mỗi loại có ứng dụng đặc tính khác Ngồi ra, loại robot cơng nghiệp cịn phân chia theo cấu tạo động học nó: Robot nối tiếp (series robot) robot song song (parallel robot) Các ứng dụng robot: Chương : Tìm hiểu robot SCARA Các loại robot tham gia vào trình sản xuất đời sống sinh hoạt người, nhằm nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành nâng cao chất lượng sản phẩm tạo Robot thay người làm việc ổn định cao thao tác đơn giản hợp lý, đồng thời có khả thay đổi cơng việc để thích nghi với thay đổi quy trình cơng nghệ Ngồi ra, Robot làm thay người cơng việc đơn giản dễ nhầm lẫn nhàm chán Bên cạnh đó, ưu điểm bật robot mơi trường làm việc Chúng làm việc môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bặm hay nguy hiểm Ở mơi trường làm việc có hóa chất nhà máy hóa chất, nhà máy phóng xạ, lịng đại dương, hành tinh khác… việc ứng dụng robot để cải thiện điều kiện làm việc hữu dụng Một số lĩnh vực ứng dụng - Ứng dụng lĩnh vực sản xuất khí Trong lĩnh vực khí, robot ứng dụng phổ biến nhờ khả hoạt động xác tính linh hoạt cao Các loại robot ứng dụng quan trọng nhà máy sản xuất oto, sản xuất loại vỏ bọc khí…Ngồi ta ứng dụng robot cơng nghệ đúc, mơi trường nóng bức, bụi bặm thao tác ln địi hỏi độ tin cậy - Ứng dụng lĩnh vực gia công lắp ráp Các thao tác thường tự động hóa robot gia cơng xác tin cậy cao - Ứng dụng hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất Ngày nay, việc sử dụng Robot linh vực quan tâm Nhờ khả hoạt động ổn định xác, Robot, đặc biệt tay máy dùng kĩ thật dị tìm, bệ phóng, ca phẫu thuật y khoa với độ tin cậy cao 1.2 Tìm hiểu robot SCARA 1.2.1 Định nghĩa Robot cơng nghiệp Chương : Tìm hiểu robot SCARA Lĩnh vực nghiên cứu Robot đa dạng Trong đồ án này, chúng em trình bày kiến thức chủ yếu robot cơng nghiệp, tức cánh tay máy Các toán cân lực, toán động học tảng để nghiên cứu lĩnh vực Tùy thuộc vào quốc gia, tổ chức mục đích sử dụng, có nhiều định nghĩa Robot cơng nghiệp nhiều tài liệu khác có định nghĩa khác Theo ISO (International Standards Organization) thì: Robot cơng nghiệp tay máy đa mục tiêu, có số bậc tự do, dễ dàng lập trình điều khiển tự động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ vật dụng khác Do chương trình thao tác thay đổi nên thực nhiều nhiệm vụ đa dạng Theo tiêu chuẩn Mỹ RIA (Robot Institute of America) định nghĩa Robot loại tay máy vạn lặp lại chương trình thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hay thiết bị chun dụng, thơng qua chương trình chuyển động thay đổi dể hồn thành nhiệm vụ khác 1.2.2 Tổng quan Robot SCARA Robot SCARA robot phổ biến công nghiệp Chuyển động Robot đơn giản lại phù hợp với dây chuyền ứng dụng hữu hiệu nhiệm vụ nhặt đặt sản phẩm Robot SCARA (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa tay máy lắp ráp chọn lọc Hình 1.1 Cấu trúc đơn giản Robot SCARA Cấu trúc động học loại robot thuộc hệ sinh, có trục quay, khớp thẳng đứng Nó có cấu tạo khớp cánh tay, khớp cổ tay Chương : Tìm hiểu robot SCARA khớp tịnh tiến Các khớp quay nhờ hoạt động điện có phản hồi vị trí Khớp tịnh tiến hoạt động nhờ xy-lanh khí nén, trục vít Hình 1.2 Robot SCARA hãng ABB Hình 1.3 Robot SCARA hãng Mitsubishi 1.2.3 Robot SCARA phòng thí nghiệm a) Tình trạng Trước đây, Mơ hình robot SCARA thực đặt tòa nhà HITECH Đại học Bách khoa Hà Nội, nhiên trải qua nhiều năm tháng, mơ hình xuống cấp, gần khơng hoạt động được, tình trạng mơ hình tay Robot SCARA sau: - Phần động bị rỉ sét để lâu môi trường ẩm thấp bụi bặm Phần mạch điều khiển động bị Dây dẫn điện, dây đai truyền động bị hỏng, đứt nhiều tiếp tục - sử dụng Phần mơ hình lâu khơng dùng khớp khơng cịn linh hoạt ban đầu 10 Hình 3.43 Máy biến áp nguồn cấp cho hệ Mạch điều khiển lấy nguồn xoay chiều từ biến áp, chỉnh lưu sử dụng IC ổn áp để tạo nguồn +12V -12V +5V Hình 3.44 Sơ đồ mạch nguồn ổn áp cung cấp cho mạch điều khiển Hình 3.45 Mạch nguồn hạ áp cấp cho mạch điều khiển Chương : Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển Chương THIẾT KẾ, GHÉP NỐI HỆ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Yêu cầu kỹ tḥt - Động (có hộp số) có cơng suất đủ lớn để có thẻ truyền động khớp Hệ thống khớp tay Robot phải 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 Chương : Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển 4.2 Thiết kế mạch nguyên ly Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Chương : Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 4.3 Thiết kế mạch in Chương : Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển W 1 W 2 14 13 12 11 10 2 1 1 2 1 2 14 13 12 14 13 11 12 10 11 6 10 1 2 16 15 14 13 16 15 14 13 12 11 10 10 1 A K 10 A K 10 1 2 D D 2 12 11 2 G S G S 1 1 2 2 2 3 K A K A 2 W 2 1 W 2 W W 1 2 10 B 2 1 1 2 1 2 A K A K 2 2 1 1 2 14 13 12 11 10 2 1 2 1 14 13 12 11 10 8 1 2 1 2 1 2 C 1 2 B E E W C 8 2 W 1 2 2 2 1 A K A K W 2 1 2 1 2 W W 2 1 2 2 14 13 12 11 10 A K 1 2 A K A K 2 S G D D 2 2 K 1 A B C E B C E B C E 2 G 5 1 1 1 S 2 1 1 Hình 4.3 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 0 Hình 4.4 Sơ đồ mạch in mạch lực Hình 4.5 Mạch điều khiển hồn thành Hình 4.6 Mạch lực hoàn thành 4.4 Lắp ráp, hiệu chỉnh thử nghiệm a) Các bước lắp ráp tay robot SCARA - Lắp ráp, thử nghiệm hiệu chỉnh mạch điều khiển theo thơng số tính tốn - chương Lắp ráp động vào trục robot Chương : Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển - Thực dây lại cho tay robot SCARA Lắp đặt mạch nguồn, mạch điều khiển mạch lực vào robot Sau hình ảnh chúng e thu lúc hiệu chỉnh hệ thống: Hình 4.7 Xung tam giác tạo từ IC ICL8038 Hình 4.8 Xung tam giác để đưa vào IC so sánh LM311P Chương : Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển Hình 4.9 Xung vng tạo sau qua IC LM311P Một vài kiểm nghiệm khác liên quan tới động DC khác nhau: Hình 4.10 Động DC hãng CMC Chương : Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển Hình 4.11 Dạng sóng điện áp đầu đầu động DC CMC Hình 4.12 Dạng sóng điện áp đầu đầu động DC 24V khác Chương : Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển Hình 4.13 Dạng sóng điện áp đầu đầu động DC khớp robot Nhận xét: Qua trình đạc kiểm nghiệm lại hệ thống với số động chiều khác nhau, chúng em thu kết hình từ 4.11 đến 4.13 Kết kiểm nghiệm dạng điện áp hai đầu động chiều sử dụng đồ án hình 4.13 có dạng xấu số ngun nhân chưa rõ ràng gây nên tín hiệu phản hồi dịng điện khơng tốt Chương : Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển Hình 4.14 Mạch nguồn mạch điều khiển lắp ráp thực tế Chương : Thiết kế, ghép nối hệ điều khiển Hình 4.15 Mơ hình Robot SCARA q trình thử nghiệm thực tế Kết luận KẾT LUẬN Sau thời gian dài học tập, tìm hiểu, nghiên cứu thực hành làm mơ hình hướng dẫn thầy cô, đặc biệt thầy giáo ThS Nguyễn Danh Huy, em hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế mơ hình robot SCARA” Qua nội dung thực đồ án em nắm bắt điều sau: • Hiểu tổng quan robot SCARA • Nắm bắt hệ truyền động cho robot SCARA, mạch vịng hệ • Biết thiết kế hệ truyền động điều chỉnh dòng điện cho động chiều • Cách thiết kế, hiệu chỉnh điều khiển cho robot Trong trình làm đồ án, chúng em hoàn thành thiết kế hệ điều khiển cho khớp tay robot, hiệu chỉnh thông số điều khiển Tuy nhiên, hệ chưa làm việc ổn định đặc tính động chiều chưa tốt gây nhiễu dòng tải ảnh hưởng lên cảm biến đo dòng Do đồ án chúng em nghiên cứu mạch vòng dòng điện nên định hướng phát triển sau tiếp tục mở rộng trình độ tự phát triển mạch vịng tốc độ, vị trí cho tay robot, từ phát triển thêm ứng dụng khác cho mơ hình Do thời gian cho phép trình độ thân cịn nhiều hạn chế nên khơng thể khơng tránh khỏi sai sót, em mong nhận đóng góp ý kiến từ thầy cô giáo bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Hà nội, ngày 05 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Phạm Trọng Giang Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lương Ngọc Hải, Nguyễn Quốc Cường, Nguyễn Trinh Đường, Lê Hải Sâm , “Điện tử tương tự”, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2006 [2] Nguyễn Dỗn Phước, “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 9/2005 [3] GS TS Nguyễn Công Hiền, TS Nguyễn Phạm Thục Anh, “Mô hình hóa hệ thống mơ phỏng”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [4] Phạm Quốc Hải, “Hướng Dẫn Thiết Kế Điện Tử Công Suất”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, 2009 [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, “Cơ sở truyền động điện”, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, 2005 [6] Lê Long, https://banbientan.com/cong-nghe-dieu-khien-dong-co-servo/ lần truy cập cuối ngày 01/06/2018