(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu phương án điều khiển robot scara

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA GVHD: TS CÁI VIỆT ANH DŨNG SVTH: TRƯƠNG ĐĂNG KHOA MSSV: 11911009 SVTH: NGÔ VĂN TỬNG MSSV: 11911027 SKL004278 Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA” Giảng viên hướng dẫn: TS CÁI VIỆT ANH DŨNG Sinh viên thực hiện: Tên TRƯƠNG ĐĂNG KHOA NGÔ VĂN TỬNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS Cái Việt Anh Dũng Sinh viên thực hiện: Trương Đăng Khoa Ngô Văn Tửng Tên đề tài: Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA Các số liệu, tài liệu ban đầu: Nội dung đồ án: Các sản phẩm dự kiến Ngày giao đồ án: ………………………………………… Ngày nộp đồ án: TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) ii LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA - GVHD: TS Cái Việt Anh Dũng - Họ tên sinh viên: Trương Đăng Khoa - MSSV: 11911009 Lớp: 119110B - Địa sinh viên: Xã Long Mỹ, Huyện Giồng Trôm, Tỉnh Bến Tre - Số điện thoại liên lạc: 0978635485 - Email: dangkhoa1612@hotmail.com - Họ tên sinh viên: Ngô Văn Tửng - MSSV: 11911027 Lớp: 119110B - Địa sinh viên: Xã Trng Mít, Huyện Dương Minh Châu, Tỉnh Tây Ninh - Số điện thoại liên lạc: 01659121851 - Email: ngovantung0905@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): - Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2016 Ký tên Trương Đăng Khoa Ngô Văn Tửng iii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô giáo trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM nói chung thầy giáo khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, mơn Cơ Điện Tử nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Được cho phép ban lãnh đạo khoa Cơ khí chế tạo máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM, đồng ý Giảng viên hướng dẫn TS.Cái Việt Anh Dũng, chúng em định thực đề tài “Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA” thời gian vừa qua Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Cái Việt Anh Dũng, thầy tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy, chúng em khơng ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, điều cần thiết cho em trình học tập làm việc sau Sau chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè động viên, đóng góp ý kiến giúp đỡ trình học tâp, nghiên cứu hồn thành đồ án Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2016 Nhóm sinh viên thực Trương Đăng Khoa Ngơ Văn Tửng iv TĨM TẮT ĐỒ ÁN TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA Robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm Selective Compliant Articulated Robot Arm) loại robot sử dụng phổ biến công nghiệp, hoạt động ổn định với tốc độ cao nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất tự động hóa thời buổi công nghiệp đại Tuy nhiên, Việt Nam việc thiết kế, chế tạo điều khiển Robot SCARA nhiều hạn chế như: vật liệu chế tạo; kỹ thuật lắp ráp; thuật toán điều khiển tốc độ robot chậm chưa đáp ứng u cầu tự động hóa cơng nghiệp Đề tài tập trung vào việc lập trình điều khiển Robot SCARA, hoàn thiện khớp thứ (khớp xoay) đồng thời gắn thêm phễu hút vào đầu cấu làm việc robot dùng để hút bi sắt bỏ vào khuôn, robot hút bi sắt từ khuôn di chuyển bỏ bi sắt vào khuôn với tốc độ cao Hệ thống phễu hút hoạt động nhờ vào hệ thống khí nén Đề tài thực bối cảnh nhóm nghiên cứu Cơ Điện Tử ứng dụng – Bộ môn Cơ Điện Tử thực mục tiêu tiếp cận với robot công nghiêp giới Ở đề tài này, nhóm giao nhiệm vụ “Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA” Nhằm hướng đến việc điều khiển Robot SCARA chạy với tốc độ cao theo thuật tốn điều khiển vị trí, đồng thời hướng đến mục tiêu đưa Robot SCARA vào sản xuất thực tiễn công nghiệp đáp ứng nhu cầu sống Nhóm sinh viên thực Trương Đăng Khoa Ngô Văn Tửng v ABSTRACT SUBJECT: RESEARCH PLANS AND CONTROL ROBOT SCARA Robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm Robot Arm or Selective Compliant Articulated) is one type of robot is used very commonly in industry, stable operation with very high speed to meet the demands of production automation in modern industry times However, in Vietnam at present the design, manufacture and SCARA Robot control is still limited, such as manufacturing materials; assembly techniques; the control algorithm of the robot velocity is slow not meet the requirements of industrial automation The theme day focuses on programming control SCARA Robotcomplete the 4th joints (rotary joints) and attach suction hopper on top of the robot working structure to absorb steel balls put into the mold, the robot will suck steel balls from mold moves and put into molds steel balls at high speed Hopper suction system works thanks to the compressed air system This topic is done in the context of the research group Application Mechatronics Mechatronics Division is implementing a targeted approach with base of the world's industry robots On this topic, the group tasked to "Design, manufacture and control SCARA Robot" Aim to control SCARA Robot running at high speed according to the position control algorithm, while aiming to bring into production SCARA Robot practices in the industry to meet the needs of life vi MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỜI CAM KẾT .iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN v ABSTRACT vi MỤC LỤC .vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Định nghĩa giới thiệu Robot SCARA 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.5 Giới hạn đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Một số loại Robot SCARA hãng sản xuất CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT 2.1 Sự phát triển robot công nghiệp 2.2 Phân loại robot công nghiệp 2.2.1 Phân loại theo kết cấu 2.2.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển 2.2.3 Phân loại theo ứng dụng 2.3 Tình hình nghiên cứu Robot SCARA nước ngồi 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu 2.3.2 Thành tựu đạt 2.4 Tình hình nghiên cứu Robot SCARA nước 2.4.1 Phương pháp nghiên cứu vii 2.4.2 Thành tựu đạt 2.5Một số ứng dụng thực tế Robot SCARA công CHƯƠNG 3.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1Thông số kỹ thuật Robot SCARA 3.1.1 Cấu hình Robot 3.1.2 Giới hạn không gian 3.2Động học Robot 3.2.1 Qui tắc Denavit Har 3.2.2 Động học thuận Rob 3.2.3 Động học nghịch Ro 3.2.4 Jacobian 3.3Thiết bị khác Robot SCARA 3.3.1 Động DC Servo 3.3.2 Các thiết bị khí nén 3.3.3 Bi khn đựng bi 3.3.3.1 Khuôn đựng bi 3.3.3.2 Thông số bi thép CHƯƠNG 4.THIẾT KẾ VÀ BỔ SUNG KHỚP THỨ 4.1Giới thiệu chung truyền đai 4.1.1 Cấu tạo nguyên lý 4.1.2 Ưu nhược điểm p 4.2Lựa chọn động 4.2.1 Cấu tạo động 4.2.2 Thông số động 4.3Lựa chọn truyền đai 4.3.1 Các loại dây đai 4.3.2 Kết luận 4.4Tính tốn thơng số truyền đai 4.4.1 Các thơng số hình họ 4.4.1.1 Đường kính bánh đai viii 4.4.2 Cơ học truyền động 4.5 Hình ảnh 3D khớp thứ 4.5.1 Bánh đai chủ động 4.5.2 Bánh đai bị động 4.5.3 Dây đai 4.5.4 Giá đỡ động 4.5.5 Bộ truyền đai khớp t CHƯ 5.1 Thiết kế thi công mạch DC Servo Driver 5.1.1 Sơ đồ nguyên lý 5.1.2 Mạch in & mơ phỏn 5.1.3 Tính 5.2 Thuật toán điều khiển 5.2.1 Thuật tốn lập trình 5.2.2 Giao diện giao tiếp t CHƯ 6.1 Di chuyển điểm 6.2 Di chuyển theo quy trình 6.3 Ứng dụng di chuyển bi thép CHƯ PE9 PE10 PE11 PE7 A2 Mạch hồi tiếp encoder Hình A.2: Mạch hồi tiếp encoder Bảng A.2: Sơ đồ chân sử dụng lập trình - điều khiển: STT PIN R R R R RD RD RD RA RA A.3 Mạch nguồn 70 Hình A.3: Nguồn xung sử dụng đồ án Sử dụng nguồn xung làm sẵn với mức điện áp: 3.3V, 5V, 12V, 24V Hỗ trợ dịng cao A.4 Mạch relay Hình A.4: Sơ đồ nguyên lý 71 Hình A.5: Mạch Relay A.5 Mạch cầu H A.5.1 Mạch cầu LMD18200 Là module cầu H dùng IC chuyên dụng LMD18200 hãng National cho dòng liên tục 3A, dòng đỉnh 6A Module thiết kế dành cho ứng dụng điều khiển tốc độ vị trí dùng DC Motor (motion control) Hình A.6: Sơ đồ nguyên lý 72 Hình A.7: Mạch cầu LMD18200 Tính năng:  Dịng liên tục 3A        Dòng đỉnh 6A (200 ms) Điện áp cấp từ +12V tới +55V Chuyển mạch công suất bên dùng DMOS, cho Rds(ON) = 0.3 Ohm Ngõ vào tương thích với tín hiệu CMOS TTL Có Led báo nguồn cho mạch Bảo vệ ngắn mạch Board thiết kế nhỏ gọn, kích thước (80x45) mm Hướng dẫn:  PWM (Pulse Width Modulation): nối với kênh PWM card điều khiển, dùng điều khiển tốc độ  DIR: chân điều khiển chiều quay động cơ, nhận tín hiệu nhị phân (H L) từ card điều khiển để thực đảo chiều quay động  BRAKE: chân thắng, nhận tín hiệu từ card điều khiển (H L), cho phép động chạy, dừng, hãm động     TF (THERMAL FLAG OUTPUT): Chân cảnh báo nhiệt SC (CURRENT SENSE OUTPUT): Chân dòng điện ngõ M+ M- : kết nối với động VS GND: nơi cấp nguồn cho mạch A.5.2 Mạch cầu L298 73 Hình A.8: Sơ đồ nguyên lý Hình A.9: Mạch cầu L298 Tính năng:  Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H  Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V  Dòng tối đa cho cầu H là: 2A  Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V 74  Dịng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA    Kích thước: 55mm * 49mm * 33mm  Khối lượng: 33g Cơng suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃) Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃ 75 PHỤC LỤC B BỘ TRUYỀN HARMONIC GEAR Tên gọi gốc truyền harmonic gear Strain Wave Gearing, hãng Harmonic chế tạo độc quyền sản xuất, truyền thường gọi ngắn gọn hộp số Harmonic hay truyền harmonic gear B.1 Nguyên lý hoạt động Hình B.1: Nguyên lý hoạt động Trong có phận gồm: Wave Generator, Flexspline Circular Spline Hình B.2: Bộ phận cấu thành truyền Do số bánh ăn khớp với khác nên đĩa bên chuyển động hộp số có số vịng quay theo chênh lệch số tổng số bánh B.2 Đặc điểm truyền động 76  Nhỏ, gọn, nhẹ  Chạy êm, nhẹ nhàng, rung động tiếng ồn thấp  Tỷ số truyền cao từ 30:1 đến 320:1, với không gian truyền bánh hành tinh thơng thường đến mức 10:1  Mô-men xoắn cao  Bộ truyền thường sử dụng công nghiệp điều khiển chuyển động, robot, máy in hàng không vũ trụ 77 PHỤ LỤC C THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID C.1 Giới thiệu Chúng ta thấy tính chất thành phần: khuếch đại (P); tích phân (I); vi phân (D) cách sử dụng để nhận đáp ứng mong muốn Trong phần để cập đến hệ thống có phản hồi đầu ra: Hình C.1: Sơ đồ khối điều khiển Plant: Đối tượng điều khiển Controller: Bộ điều khiển cung cấp tín hiệu điều khiển cho đối tượng điều khiển C.2 Chọn điều chỉnh Theo kinh nghiệm thực tế, người ta thuờng chọn sau: Bộ điều chỉnh P Bộ điều chỉnh P thích hợp cho đối tượng điều khiển ổn định bậc (PT 1), bậc (PT2) bậc n đối tượng điều khiển không ổn định Bộ điều chỉnh I Bộ điều chỉnh I thích hợp cho đối tượng điều khiển ổn định bậc (khâu P), bậc (PT1) đối tượng điều khiển có khâu dịch trễ Bộ điều chỉnh PI PID Bộ điều chỉnh PI PID thích hợp cho đối tượng điều khiển ổn định bậc (PT2) bậc n C.2.1 Xác định thông số điều chỉnh Có nhiều phương pháp để xác định thơng số tối ưu điều chỉnh PID tiện ích ứng dụng thực tế phương pháp thực nghiệm: Phương pháp Ziegler - Nichols Phương pháp Chien, Hrones Reswick C.2.2 Lựa chọn phương pháp Ziegler - Nichols Ziegler Nichols đưa phương pháp xác định thông số tối ưu PID từ đáp ứng độ đối tượng từ đáp ứng độ hệ kín * Dùng đáp ứng độ đối tượng Phương pháp cịn có tên phương pháp thứ Ziegler – Nichols Nó có nhiệm vụ xác định thơng số Kp, TN, Tv cho điều chỉnh P, PI PID sở đối tượng mơ tả xấp xỉ khâu bậc có trễ: 78 G(s) = − +1 Sao cho hệ thống nhanh chóng trạng thái xác lập độ vọt lố không vượt giới hạn cho phép, khoảng 40% so với h(∞) = lim ℎ( ): →∞ ℎ =| −h(∞) | ≤ 40% h(∞) Ba tham số Tt (thời gian trễ), K (hệ số khuyếch đại) T (hằng số thời gian qn tính) mơ hình xấp xỉ xác định gần từ đồ thị hàm độ h(t) đối tượng Nếu đối tượng có dạng Hình C2.2-a mơ tả từ đồ thị hàm h(t) ta đọc được: Tt khoảng thời gian tín hiệu h(t) chưa có phản ứng với tín hiệu kích thích I(t) đầu vào K giá trị giới hạn: h(∞) = lim ℎ( ) →∞ Gọi A điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức điểm trục hồnh có hồnh độ Tt Khi t khoảng cần thiết sau Tt để tiếp tuyến h(t) A đạt giá trị K Hình C2.2: Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc có trễ Trường hợp hàm q độ h(t) khơng có dạng lý tưởng, có dạng gần giống hình chữ S khâu qn tính bậc bậc n mơ ta Hình C2.2b ba tham số K, Tt, T xấp xỉ sau: K giá trị giới hạn h(∞) Kẻ đường tiếp tuyến h(t) điểm uốn Khi Tt hồnh độ giao điểm tiếp tuyến với trục hoành T khoảng thời gian cần thiết để đường tiếp tuyến từ giá trị tới giá trị K Như ta thấy điều kiện để áp dụng phương pháp xấp xỉ mơ hình bậc có trễ đối tượng đối tượng phải ổn định, khơng có dao động hàm q độ phải có dạng chữ S Sau có tham số cho mơ hình xấp xỉ của điều chỉnh theo bảng Tv sau: 79 Bảng C.1 Bộ điều chỉnh K p T Từ Bảng C.1 ta xác định thông số khác điều chỉnh sau: Hệ số tích phân: Ki = Hệ số vi phân: Kd = Kp Tv C.3 Ba tham số điều khiển Hàm truyền điều khiển PID có dạng sau: Với: Trước tiên xem điều khiển PID hoạt động vịng kín Biến e sai lệch đầu vào mong muốn (R) đầu thực tế (Y) Sai lệch (e) đưa vào điều khiển PID điều khiển PID thực việc lấy đạo hàm tích phân sai lệch (e) u=K + ∫ + Tín hiệu (u) đưa vào đối tượng điều khiển P ta thu tín hiệu đầu Tín hiệu đầu gửi lại nhờ cảm biến để tính tốn tín hiệu sai lệch Bộ điều khiển lại lấy tín hiệu điều sai lệch để tính tốn tốn lại đạo hàm tích phân chúng Q trình tiếp tục C.4 Đặc điểm điều khiển P, I D Bộ điều khiển tỉ lệ P giúp giảm thời gian đáp ứng; giảm sai lệch tĩnh không triệt tiêu sai lệch tĩnh Bộ điều khiển tích phân I có khả triệt tiêu sai lệch tĩnh; làm cho đáp ứng độ tồi tệ Bộ điều khiển vi phân D giúp giảm độ điều chỉnh; cải thiện đáp ứng hệ thống, nhiên làm hệ độ ổn định nhạy cảm với nhiễu Các ảnh hưởng điều khiển P, I, D với hệ kín tổng hợp bảng KP KI KD Ít thay đổi Giảm Tăng Ít thay đổi Chú ý: Những tương quan khơng xác nhiều tình huống, Kp; Ki; Kd phụ thuộc vào Trong thực tế việc thay đổi thông số làm thay đổi ảnh hưởng hai thơng số cịn lại Vì lí này, bảng nên sử dụng tài liệu tham khảo bạn xác định giá trị cho Ki, Kp, Kd Nhận xét:  Nếu sử dụng riêng thành phần Kp sai số xác lập e(∞) ln tồn (≠0) Tăng Kp làm tăng tốc độ đáp ứng hệ kín, giảm thời gian độ sai số xác lập lại làm tăng tính dao động hệ (tăng độ vọt lố) Với đối tượng có bậc hàm truyền > bậc Kp tăng cao, hệ thống ổn định  Nếu sử dụng thêm thành phần Ki phạm vi hệ thống ổn định, sai số xác lập e(∞) Tăng Ki làm tăng tốc độ đáp ứng hệ kín, giảm thời gian độ lại làm tăng độ vọt lố Khi Ki tăng giới hạn, hệ thống ổn định  Thành phần Kd có tác dụng làm giảm dao động, giảm độ vọt lố không ảnh hưởng đến sai số xác lập hệ thống Tín hiệu thành p h ầ n  P h ố i t r ị K d h ợ p đ ợ c t ỉ l ệ v i đ o h m c ủ a e ( t ) n ê n t c d ụ c ả b a l ự a t h n h p h ầ n K p , c h o ̣ n t h í c h h ợ p , K i , t a K d c ó v i t h ể g i h i ệ 81 ... vị trí Robot SCARA Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu ứng dụng thuật tốn điều khiển Robot SCARA  Điều khiển vị trí Robot khảo sát đáp ứng 1.6 Phương pháp nghiên cứu Nhóm tiến hành nghiên cứu thiết... tập nghiên cứu lĩnh vực Robot cơng nghiệp nhóm chọn đề tài ? ?Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA? ?? với mục tiêu:  Tham gia nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực Robot công nghiệp  Nghiên cứu. .. kế robot Lĩnh vực điều khiển robot phong phú, từ phương pháp điều khiển truyền thống PID, phương pháp tính mơ-men, phương pháp điều khiển trượt đến phương pháp điều khiển thông minh như: điều khiển