Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử robot harmo

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HARMO Thông số ban đầu kết cần đạt 1.1 Thông số ban đầu + Đối tượng nghiên cứu: Robot harmo bậc tự nhãn hiệu UE700SW-2R đặt phịng thí nghiệm Bộ mơn Máy Ma sát học, viện Cơ Khí, Đại học Bách khoa Hà Nội + Kích thước bậc tự tịnh tiến theo Oy: - Chiều cao thân robot: 1000mm Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ - Chiều dài theo phương y: 1950 mm - Giới hạn chuyển động trục y: 1800mm + Kích thước bậc tự tịnh tiến theo Ox: - Giới hạn chuyển động: 500mm + Kích thước bậc tự tịnh tiến theo trục Oz: - Giới hạn chuyển động Oz: 600mm 1.2 Kết cần đạt + Xây dựng mơ hình robot harmo hệ trục tọa độ kèm theo + Thiết lập bảng DH phương trình động học + Nghiên cứu kết cấu động lực cảm biến sử dụng robot Mục đích cuối quan trọng viết chương trình PLC điều khiển robot gắp chai tự động Cấu trúc khí nguồn động lực 2.1 Bậc tự robot Harmo + Số bậc tự tính theo cơng thức: W = 6n Với: n: Số khớp động Pi : Số khớp loại i + Robot Harmo có khâu, khớp gồm khớp xoay khớp tịnh tiến Số bậc tự = 6.4-4.5= 2.2 Cấu trúc khí bậc tự chuyển động 2.2.1 Bậc tự tịnh tiến theo trục y Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ + Chuyển động tịnh tiến theo phương Oy gồm thành phần sau: - Động điện công suất 0.2Kw; tốc độ 1500 vịng/phút Bộ inverter kiểm sốt nguồn điện cung cấp cho động điện cảm biến nhận biết vị trí home Oy vị trí max Oy trượt dẫn hướng tịnh tiến Hộp giảm tốc tỉ số truyền 1: 10 làm giảm tốc độ động đầu Bộ encorder dùng để đo vị trí chuyển động gắp thả vật + Để đưa vật tới vị trí xác lúc thả vật vào xác vị trí gắp vật, robot cần phải dùng đến encoder Ta tìm hiểu qua encoder Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ - Nguyên lý encoder, đĩa trịn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có lỗ (rãnh) Người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ khơng có lỗ (rãnh), đèn led khơng chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led chiếu xun qua Khi đó, phía mặt bên đĩa, người ta đặt mắt thu Với tín hiệu có, khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đèn led có chiếu qua lỗ hay không Số xung đếm tăng lên tính số lần ánh sáng bị cắt - Như encoder tạo tín hiệu xung vng tín hiệu xung vng cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ Nên tần số xung đầu phụ thuộc vào tốc độ quay trịn - Từ ta xác định vị trí robot làm việc 2.2.2 Bậc tự tịnh tiến theo trục Ox Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ + Chuyển động dọc Ox thực thơng qua chuyển động cấu khí nén pitton – xilanh với trục pitton – xilanh trùng với trục Oy + Cấu tạo : - Pitton – Xilanh Động đặt cữ hành trình Bộ truyền đai Cữ giới hạn hành trình Khớp nối truyền momen xoắn Sống trượt dẫn hướng chuyển động thẳng cảm biến nhận biết vị trí max, Các loại ổ bi trượt dọc trục quay quanh trục 2.2.3 Bậc tự tịnh tiến theo phương Oz + Chuyển thực hồi pitton pitton động tịnh tiến lên xuống dọc trục Oz nhờ chuyển động tịnh tiến khứ – xilanh Xilanh gắn cố định dịch chuyển + Cấu tạo: - Pitton – - Cữ - cảm trục - Một số … Xilanh hành trình đặt cuối hành trình biến nhận biết vị trí max, Oz cấu khí khác: vitme – đai ốc bi, 2.2.4 Bậc tự quay quanh Oy bàn kẹp Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ + Thực nhiệm vụ quay bàn kẹp xung quanh trục Oy để đưa bàn kẹp tới vị trí tạo với Oz góc 90° 180° + Khi không cấp điện cho điều khiển xilanh, pitton khơng ra, bàn kẹp quay góc 180° Ngược lại, ta cấp điện pitton điều khiển bàn kẹp quay góc 90° + Nguồn động lực xilanh – khí nén chiều Sau kết cấu cụ thể: Thiết lập phương trình động học Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ 3.1 Bảng DH ma trận truyền biến đổi + Gắn hệ tọa độ khớp cuối khâu theo qui tắc: - Trục zi chọn dọc theo hướng khớp động thứ i+ - Trục xi chọn dọc theo đường vng góc chung trục zi-1 zi, hướng từ zi-1 sang zi - Trục yi xác định theo qui tắc bàn tay phải + Ma trận truyền biến đổi tổng quát khâu i so với khâu i-1: Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ A1  A3  A2  A1.1 A2  A3  A2 A3  A3  A3 A4  A2  A4  + Tịnh tiến hệ trục theo trục y0 khoảng 1000mm Ma trận sau tịnh tiến: ATy  Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ ATy  + Quay hệ nhận quanh x nhận góc 90° Ma trận nhận là: ATy  ATy  + Tịnh tiến hệ nhận khoảng -l4 bàn kẹp ta ma trận cuối là: Al  Al  3.2 Bài toán động học thuận vị trí robot Bài tốn: - Biết chuyển động khâu:  qi   - Tính vị trí điểm tác động cuối, hướng khâu thao tác: Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ xE = x(q) α yE = y(q) β zE = z(q) η + Mặt khác ta có ma trận quay Cacđăng: An ( p )  0 Để tìm thơng số điểm tác động cuối ta cho Al  An ( p) từ ta có: xE = d2+ d4+ 1000 yE = a1+ d3- a4.sinθ4- l4.cosθ4 zE = a2+ d1+ a3+ a4.cosθ4- l4.sinθ4 cosβ.cosη= -cosβ.sinη= -sinα.sinβ.sinη+ cosα.cosη= cosθ4 Từ ta tìm thơng số xác định vị trí điểm tác động cuối 3.3 Bài toán động học ngược vị trí + Bài tốn: - Biết trước vị trí điểm tác động cuối : xE, yE, zE - Tìm biến khớp:  qi   Page 10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ + Ta có vị trí điểm tác động cuối: xE = d2+ d4+ 1000 yE = a1+ d3- a4.sinθ4- l4.cosθ4 zE = a2+ d1+ a3+ a4.cosθ4- l4.sinθ4 + Theo sơ đồ robot bảng DH, ta có bàn kẹp hoạt động vị trí tạo với Oz góc 0° 180°  TH1: Góc θ4 = 180° ta có hệ phương trình: xE= d2+ d4+ 1000 d2= xE- d4- 1000 yE = a1+ d3 + l4 d3= yE - a1 - l4 zE = a2+ d1+ a3 - a4 d1= zE - a2- a3+ a4  TH2: Góc θ4 = 90° ta có hệ phương trình: xE = d2+ d4+ 1000 d2= xE- d4- 1000 yE = a1+ d3- a4 d3= yE - a1 + a4 zE = a2+ d1+ a3 - l4 d1= zE - a2- a3+ l4 Tính tốn tải trọng chịu bàn kẹp gắp vật + Mặc dù có tổn thất khí nén điều khiển việc kẹp bàn kẹp, áp suất thực tế áp suất pthực < pmax ta tính tốn dựa áp suất lớn pmax + Khi kẹp vật, xuất lực đây: + Trong đó: Q phản lực Page 11 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ N lực kẹp p áp suất xilanh + Để chi tiết khơng bị rơi thì: P < 2.Q Mà Q= f.N với: - f hệ số ma sát - N lực kẹp P= m.g m.g < 2.f.p.F + Vậy tải trọng vật gắp là: m< + Theo pitton chọn - Áp suất: p = 5Mpa - Đường kính pitton: d= 12mm - Hệ số ma sát: f = 0.4 + Thay vào cơng thức ta có: m < = 4.6 (kg) CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUỒN ĐỘNG LỰC Động robot Harmo + Nguồn động lực truyền chuyển động trục y động điện xoay chiều pha tần số 50 Hz, công suất P = 0.2 Kw, tốc độ 1500 vòng/ phút + Động cần điều khiển số yếu tố sau: - Chiều động cơ: Chiều thuận chiều chạy theo trục dương Oy chiều nghịch chiều chạy chiều âm trục Oy - Tốc độ động phanh động + Động điều khiển inverter( biến tần) Ta có sơ đồ ghép nối biến tần động cơ: Page 12 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ + Trong chân biến tần ta sử dụng số chân sau: - đầu nối nguồn vào pha( R/L1, S/L2, T/L3) - đầu điện áp pha 220V nối với động cơ( U/T1, V/T2, W/T3) - đầu B1, B2 nối với điện trở phanh + Phanh động sử dụng điện 220V- AC điều khiển thông qua rơle hình Phanh động có trạng thái hoạt động sau: - Khi khơng có điện áp phanh trạng thái phanh hãm nghĩa dừng động - Khi có điện áp, phanh trạng thái nhả cho động quay + Chính nhờ biến tần encoder mà ta xác định xác vị trí dừng trục Oy Hệ thống khí nén Page 13 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ + Sơ đồ hệ thống khí nén hình dưới, đó: : Van đảochiều cửa vị trí, đầu điều khiển điện từ, đầu điều khiển lò xo : Xilanh tác động đơn, chuyển động lùi nhờ lò xo : Xilanh tác động kép : Van tiết lưu điều chỉnh : Bộ điều áp : Máy nén khí Page 14 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ + Hoạt động hệ thống khí nén: - Máy nén khí tạo nguồn lượng cho hệ thống khí nén Khí nén cung cấp từ máy nén khí, qua điều áp để giữ áp suất phù hợp đảm bảo an tồn để hệ thống hoạt động bình thường( Áp suất khí nén để điều khiển robot Harmo 0.5 Mpa) - Van tiết lưu hệ thống điều chỉnh tay tới đạt tốc độ thích hợp pitton Trong đó, van đảo chiều hoạt động nhờ cơng tắc điện từ lị xo, việc đóng ngắt dịng điện cơng tắc điện từ điều kiển thông qua PLC - Hoạt động bậc tự tịnh tiến dọc trục x: Khí nén qua điều áp đưa tới van đảo chiều cửa vị trí Khi chưa có tín hiệu từ PLC tới van, khí nén cung cấp vào van đảo chiều qua cửa B qua cửa E, qua van tiết lưu vào buồng nhỏ xilanh đẩy pitton chuyển động lùi Đồng thời buồng lớn xilanh, khí nén đẩy vào cửa D van đảo chiều Page 15 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 - - - - Home TỬ ngồi qua cửa A Khi PLC cung cấp tín hiệu điều khiển, cuộn dây điện từ có điện tác động vào trượt van đảo chiều làm trượt dịch chuyển đóng cửa A, mở cửa C Lúc khí nén vào van đảo chiều qua cửa B, qua cửa D vào van tiết lưu vào buồng lớn xilanh đẩy pitton tịnh tiến đồng thời buồng nhỏ xilanh, khí nén bị đẩy qua van tiết lưu vào cửa E van đảo chiều thoát Hoạt động bậc tự tịnh tiến theo trục z: Chuyển động điều khiển van đảo chiều cửa vị trí tương tự trục x nên hoạt động bậc tự tịnh tiến dọc trục z tương tự bậc tự tịnh tiến dọc trục x, với vị trí an tồn xác định tay kẹp robot vị trí cao Hoạt động tay bàn kẹp: Bàn tay kẹp điều khiển vị trí nằm ngang hay thẳng đứng nhờ van đảo chiều cửa vị trí đầu điều khiển điện từ Khi PLC cấp tín hiệu điều khiển vào dây số 1, cửa a bị đóng, khí nén cung cấp vào van đảo chiều qua cửa bđi qua cửa d, vào buồng lớn xilanh điều khiển đẩy pitton làm bàn tay kẹp vị trí nằm ngang đồng thời khí nén buồng nhỏ xilanh qua van tiết lưu vào van đảo chiều qua cửa e, ngồi qua cửa c Ngược lại, PLC cấp tín hiệu tới cuộn dây số 2, cửa c bị đóng, khí nén cung cấp vào van đảo chiều qua cửa b qua cửa e vào buồng nhỏ xilanh điều khiển vị trí đẩy pitton lùi vào, lúc bàn tay kẹp thẳng đứng đồng thời khí nén từ buồng nhỏ xilanh qua van tiết lưu vào van đảo chiều qua cửa d ngồi qua cửa a Hoạt động kẹp- nhả bàn tay kẹp điều khiển thông qua van đảo chiều cửa vị trí, đầu điều khiển điện từ, đầu điều khiển lị xo Khi khơng có tín hiệu từ PLC, lò xo xilanh đẩy pitton trạng thái nhả, khí nén buồng lớn xilanh bị đẩy qua cửa d vào van đảo chiều, ngồi qua cửa b van Khi có tín hiệu từ PLC cấp cho cuộn dây điện từ, cửa b, d đóng lại cửa a,c mở ra, dịng khí nén cấp vào van đảo chiều qua cửa d, ngồi qua cửa a + Để minh họa cách cụ thể cho hệ thống khí nén ta xét số chuyển động dựa vào khí nén kết hợp chạy động để tịnh tiến trục y Ví dụ: Các thao tác cần thực hiện: Lên z Ra y Ra x Page 16 Xuống z Vào x Kẹp ct ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 Ra x Lên z Nhả Phôi TỬ Vào x Lên z Ra y Quay bàn kẹp 180° quay kẹp 90° Về Home Xuống z - Các loại xilanh cần sử dụng + Xilanh A: kẹp phôi +động B: Đưa phôi theo trục y + Xilanh C: Đưa phôi theo trục z + Xilanh D: Đưa phôi theo trục x + Xilanh E: Quay bàn kẹp - Bảng chân lý: Với trạng thái có điện, ngắt điện Xilanh Bước A B C D E 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 10 1 1 11 1 1 12 1 Page 17 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ 13 0 14 0 15 0 1 16 0 1 17 0 0 Cảm biến robot Harmo + Các loại cảm biến sử dụng robot Harmo cảm biến điện từ + Nguyên lý hoạt động: Khi cảm biến đối dện với vật có từ tính gây tượng thơng mạch đường tín hiệu có điện áp mức 24V, đưa điều khiển dạng xung điện Sau nhận tín hiệu từ cảm biến, điều khiển có tín hiệu điều khiển tương ứng với hoạt động robot + Bố trí cảm biến robot Harmo: Page 18 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ - Trên trục y robot sử dụng cảm biến để nhận biết vị trí Home vị trí xa robot - Trên trục x sử dụng cảm biến nhận biết vị trí max - Trục z sử dụng cảm biến nhận biết vị trí bàn kẹp - Tại khớp quay bàn kẹp ta bố trí cảm biến để nhận biết vị trí nằm ngang thẳng đứng bàn kẹp - Tại má kẹp bố trí cơng tắc giới hạn hành trình nhận biết robot kẹp vật hay chưa + Mỗi cảm biến có dây Hai dây cung cấp nguồn điện áp 24 V, dây lại mức 0V dây tín hiệu Khi cảm biến đối diện với vật có từ tính khoảng cách định, mạch điện áp đóng với điện áp 24V, đầu dây tín hiệu có điện áp 24V Riêng cơng tắc từ có đầu day, đầu nối nguồn 24V đầu nối với điều khiển Khi công tắc đối diện với vật có từ tính đóng mạch đầu dây nối với điều khiển có điện áp với điện áp nguồn cấp + Dưới công tắc, cảm biến tay kẹp: CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH PLC HARMO GẮP HỘP Page 19 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ Phần mềm sử dụng lập trình PLC + Ta sử dụng phần mềm CX- Programmer PLC Omron để lập trình PLC cho robot Harmo gắp hộp tự động + Nhấn biểu tượng phần mềm để khởi động phần mềm Sau vào File chọn New để mở giao diện lập trình + Ta sử dụng công cụ dạng bậc thang Cụ thể là: - để lập trình PLC : Vẽ tiếp điểm thường mở : Vẽ tiếp điểm thường đóng : Vẽ đường dây ngang đứng : Vẽ tín hiệu điều khiển : Sử dụng timer- counter Page 20 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ + Sau lệnh nhấn tiếp điểm thường đóng, thường mở, có bảng điền tên tiếp điểm lên: + Sau điền tên tiếp điểm, nhấn OK có bảng comment lên để điền thích: + Sau giao diện lập trình phần mềm PLC Omron: 2.Tín hiệu vào PLC Page 21 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ 2.1 Tín hiệu vào từ cảm biến STT TÊN TH VÀO CHỨC NĂNG Encorder I0.0 Dừng trục x vị trí Cảm biến I0.1 Gắn trục Y báo hiệu Home Y Cảm biến I0.2 Gắn trục X báo hiệu Max Y Cảm biến I0.3 Gắn trục X báo hiệu Min X Cảm biến I0.4 Gắn trục X báo hiệu xa trục X Cảm biến I0.5 Gắn trục Z báo hiệu vị trí cao Cảm biến I0.6 Gắn trục Z báo hiệu vị trí thấp I0.7 Gắn trục quay bàn kẹp báo hiệu bàn kẹp nằm ngang( 90°) Cảm biến Cảm biến I0.8 Gắn trục quay bàn kẹp báo hiệu bàn kẹp thẳng đứng( 180°) 10 Cảm biến I0.9 Gắn tay kẹp báo thiếp xúc vật 11 Nút ấn I1.0 On/ Off động 2.2 Tín hiệu điều khiển Page 22 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ STT TH ĐK TÁC DỤNG Q100.00 Lùi home Oy tốc độ cao Q100.01 Đưa tay máy theo Oy tốc độ trung bình Q100.02 Đưa tay máy theo Oy tốc độ trung bình Q100.04 Phanh động chuyển động trục Oy Q100.05 Đưa tay máy theo Ox Q100.06 Điều khiển xilanh X3 đưa tay máy xuống theo Oz Q100.07 Điều khiển xilanh quay bàn kẹp nằm ngang( 90°) Q100.08 Điều khiển xilanh kẹp chi tiết Q100.09 Đèn cảnh báo chưa tiếp xúc vật lúc gắp Thao tác gắp hộp robot Harmo Tiến Home Y Page 23 Xuống Oz ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ I0.1 Quay bàn kẹp nằm ngang( 90°) Nhả kẹp I0.7 I0.6 Tiến Ox Tiến xuống Oz I0.4 I0.8 encorder Phanh động Quay bàn kẹp thẳng đứng 180° Tiến Oy I0.0 encoder I0.0 Tiến Oy Chuyển động xuống Oz I0.2 I0.3 Tiến vào Ox Không vật Tiến vào Ox Đèn báo Có vật I0.3,I0.9 Kẹp vật có vật I0.9 I0.5 Tiến Ox Page 24 Tiến lên Oz I0.4 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ + Ở cuối hành trình có tín hiệu cảm biến báo hiệu vị trí robot Tuy nhiên tín hiệu có mối quan hệ logic mạt thời gian thao tác robot thực cách tuần tự, hết thao tác chuyển sang thao tác không đồng thời xảy nhiều thao tác lúc + Do tín hiệu nhiều nên ta cố gắng giảm bớt phản hồi từ cảm biến phải đảm bảo đủ tín hiệu thể vị trí robot phân biệt vị trí so với vị trí khác + Trước sau thao tác kẹp, nhả chi tiết cần đồng hồ định để tạo hiệu ứng ngưng trễ tạm thời để rot bot hoạt động ổn định, mặt khác điều làm giảm rung lắc robot + Trong trình hoạt động, robot phải nhiều vị trí khác theo phương Oy để gắp thả chi tiết Điều địi hỏi cần có số lượng đếm tương ứng với số vị trí cần dịch chuyển đó, đếm đảm nhiệm việc xác định vị trí khác Khi robot di chuyển tới vị trí tín hiệu đếm counter sử dụng để dừng lệnh chạy theo trục Oy + Cuối ta vào lập trình PLC cho robot Harmo gắp hộp tự động, chương trình Page 25 ... khiển có điện áp với điện áp nguồn cấp + Dưới công tắc, cảm biến tay kẹp: CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH PLC HARMO GẮP HỘP Page 19 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ Phần mềm... điện Sau nhận tín hiệu từ cảm biến, điều khiển có tín hiệu điều khiển tương ứng với hoạt động robot + Bố trí cảm biến robot Harmo: Page 18 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ... : Bộ điều áp : Máy nén khí Page 14 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ – ĐIỆN December 1, 2016 TỬ + Hoạt động hệ thống khí nén: - Máy nén khí tạo nguồn lượng cho hệ thống khí nén Khí nén cung cấp từ máy