a) Đặt vấn đề
Theo phƣơng án thiết kế trên, Robot cần có chuyển động tịnh tiến để tạo các chuyển động cần thiết cho bàn máy di động do vậy ta sẽ chọn các bộ truyền động tịnh tiến phù hợp yêu cầu thiết kế, chế tạo và điều khiển.
Có 3 bộ truyền tịnh tiến chúng ta có thể lựa chọn nhƣ sau: - Bộ truyền tịnh tiến Vitme-bi
- Động cơ tịnh tiến
- Truyền động tịnh tiến bằng dây đai b) Giải quyết vấn đề
- Bộ truyền tịnh tiến Vitmebi có ƣu điểm chính xác, momen tác dụng lớn, tuy nhiên bộ truyền này có tốc độ chậm, giá thành tƣơng đối cao
- Động cơ tịnh tiến cũng có ƣu điểm đạt độ chính xác cao, tuy nhiên hành trình công tác lại giới hạn và giá thành cũng tƣơng đối cao
- Truyền động tịnh tiến bằng dây đai đạt đủ các tiêu chí về độ chính xác, chiều dài hành trình thao tác lớn, kết cấu nhỏ gọn, và giá thành phù hợp
Do vậy ta quyết định chọn bộ truyền dây đai để truyền động tịnh tiến cho robot
2.4Thiết kế cụm chi tiết 2.4.1 Thiết kế khung máy 2.4.1 Thiết kế khung máy
a) Giá cố định
Giá cố định là bộ phận chứa tất cả động cơ truyền động và chịu toàn bộ tải trọng của robot.
Hình 2.5 Giá cố định
b) Gân tăng cứng
Gân tăng cứng có tác dụng tăng thêm khả năng chịu lực cho khung robot
Hình 2.6Gân tăng cứng
c) Bàn máy cố định
Bàn máy cố định là nơi đặt giấy để robot thao tác vẽ trên bề mặt
d) Trục cố định
Trục cố định là vị trí lắp bạc trƣợt tịnh tiến cho robot
Hình 2.8 Trục cố định
2.4.2 Thiết kế bộ truyền động tịnh tiến
a) Bộ bạc trƣợt
Bộ bạc trƣợt sẽ tịnh tiến trên trục cố định và đƣợc dẫn động bằng dây đai
Hình 2.9 Bộ bạc trượt
b) Bộ căng đai
Hình 2.10Bộ căng đai 2.4.3 Thiết kế khâu hình bình hành Hình 2.11Khâu hình bình hành 2.4.4 Thiết kế cụm giá di động a) Giá di động Hình 2.12Giá di động
b) Bộ phận bút vẽ
Hình 2.13 Bút viết
2.5 Chế tạo cơ khí robot
STT Chi tiết Hình ảnh Vật liệu Phƣơng án (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
gia công 1 Giá động cơ Mika 5mm Cắt laser mika Ghép mika 2 Bàn gia công Mika 5mm Cắt laser mika Ghép mika 3 Gân tăng cứng Mika 5mm Cắt laser mika Ghép mika
4 Bộ căng đai Mika 5mm Cắt laser mika Ghép mika 5 Hộp tịnh tiến Mika 5mm Cắt laser mika Ghép mika
6 Giá trên Mika 5mm Cắt laser
mika Ghép mika 7 Giá di động Mika 5mm Cắt laser mika Ghép mika
8 Khâu hình bình hành Thép Tiện 9 Puly Thép Cắt dây
Bảng1. Bảng danh sách các chi tiết chế tạo
2.6Các thông số kích thƣớc sau khi thiết kế chế tạo Đặc tính Đặc tính Bộ phận Kích thƣớc (m) Khối lƣợng (kg) Số lƣợng Kích thƣớc robot (Dài x Rộng xCao) 0.6 x 0.35 x 0.35 6 1 Hành trình bộ tịnh tiến 0.2 0.12 3 Đế cố định R=0.16 1 Bàn máy di động r=0.029 0.2 1 Khâu hình bình hành L=0.242 0.15 6
- R là khoảng cách từ tâm của bàn máy cố định tới mỗi trục động cơ, ở đây ta giả sử tâm bàn máy động có cùng độ cao với các trục động cơ.
- r là khoảng cách từ tâm bàn máy di động tới các trục thanh nối của bàn máy động.
- L là chiều dài của cấu trúc hình bình hành (tức chiều dài của khâu bị động).
Hình 2.14 Mô hình robot Delta Rostock
Đánh giá: Nhƣ vậy sau khi tính toán phân tích lựa chọn chúng ta đã tiến hành thiết kế và chế tạo mô hình robot song Delta Rostock
Chƣơng 3
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT
3.1Đặt vấn đề
Theo nhƣ yêu cầu của mô hình, chúng ta cần lựa chọn 3 động cơ để điều khiển 3 truyền động tịnh tiến của bạc trƣợt. Phù hợp với công suất và lập trình điều khiển, chúng ta chọn 3 động cơ bƣớc để truyền động cho robot.
Hình 3.1 Động cơ bước của SANYO DENKI
Thông số kỹ thuật của động cơ bƣớc sử dụng: Ký hiệu động cơ : 103 – 814 – 5214 Hãng chế tạo : SANYO DENKI
Góc bƣớc : 1.8DEG/STEP Điện áp : 24V
Dòng điện : 3-3.5A
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý tổng quát
+ Main :Nhiệm vụ nhận tín hiệu từ máy tính cấp tính cấp tín hiệu điều khiển các Driver + Driver :Nhận xung từ chíp và điều khiển số bƣớc động cơ với 400 xung /vòng. + Driver sử dụng IC công suất L298 (cầu H đôi) và IC điều khiển động cơ bƣớc L297 + Động cơ bƣớc :Động cơ đơn cực 6 dây và điều khiển theo phƣơng pháp lƣỡng cực 4 dây .
3.2Nguyên lý điều khiển động cơ bƣớc
Động cơ bƣớc đơn cực cả nam châm vĩnh cửu lẫn động cơ bƣớc hỗn hợp có 5 hay 6 đầu dây thƣờng dùng sơ đồ trên một kết nối giữa cho mỗi dây. Khi sử dụng các kết nối giữa của cuộn dây thƣờng đƣợc kết vào nguồn cung cấp dƣơng và hai đầu của mỗi cuộn dây đƣợc nối xuống đất, tuỳ thuộc đầu vào nối đất ta sẽ xác định chiều quay rotor.
Động cơ mô tả ở trên là loại động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp mỗi bƣớc tƣơng ứng 90 độ. Cuộn dây số một của động cơ đƣợc định ở giữa cực trên và cực dƣới của stator trong khi cuộn dây thứ 2 của động cơ đƣợc định giữa cực trái và phải của động cơ. Rotor động cơ nam châm vĩnh cửu này có 6 cực 3 nam và 3 bắc đƣợc sắp xêp vòng tròn.
Cho độ phân giải cấp cao hơn rotor động cơ phải có nhiều cực hơn loại động cơ 90 độ cho mỗi bƣớc ở trên là một trong các thiết kế động cơ điện phổ biến nhất tuy nhiên loại động cơ 15 hay 7.5 độ cho mỗi bƣớc cực có giá trị hơn.
Nhƣ trong hình vẽ minh họa dòng điện chạy từ điểm giữa cuộn dây tới điểm cuối là nguyên nhân gây ra cho đỉnh của cực stator là bắc trong khi đó cực dƣới lại nam , nó hút rotor về vị trí nhƣ hình vẽ. Nếu ta ngƣng cấp điện cho cuộn thứ nhất và cấp điện cho cuộn thứ hai thì rotor sẽ quay 30 độ hay một bƣớc.
Để cho động cơ quay liên tục ta cấp điện cho hai cuộn dây tuần tự. Hình sau sẽ minh hoạ cho động cơ quay theo chiều thuận:
Winding 1a 1000100010001000100010001 Winding 1b 0010001000100010001000100 Winding 2a 0100010001000100010001000 Winding 2b 0001000100010001000100010
Winding 2a 0110011001100110011001100 Winding 2b 1001100110011001100110011 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Time
Hình 3.4 Giản đồ phương pháp điều khiển full-step
Chú ý hai nửa của mỗi cuộn dây không bao giờ ở mức 1 cùng một lúc. Cả hai kiểu kích ở trên sẽ làm động cơ quay ở từng thời điểm. Cách trƣớc chỉ có một cuộn dây kích tại thời điểm dẫn do vậy sẽ tốn năng luợng ít hơn. Đối với cách hai thì tại một thời điểm có hai cuộn dây đƣợc kích đồng thời do vậy sẽ tốn nhiều năng lƣợng hơn.Tuy nhiên nó lại cung cấp 1 moment gấp 1.4 lần so với cách kích trƣớc (chú ý rằng hai nửa của một cuộn dây không bao giờ đƣợc kích đồng thời).
Nếu sử dụng phối hợp hai cách trên lại với nhau ta đƣợc cách điều khiển theo kiểu hafl-step:
Winding 1a 11000001110000011100000111 Winding 1b 00011100000111000001110000 Winding 2a 01110000011100000111000001 Winding 2b 00000111000001110000011100
Time
Hình 3.5 Giản đồ phương pháp điều khiển half-step
Để tăng moment cho động cơ, ta dùng phƣơng pháp điều khiển lƣỡng cực điều khiển động cơ bƣớc(bỏ 2 dây cấp nguồn 1 và 2, chỉ còn 4 dây đấu vào 4 cực từ) tƣơng đƣơng với việc điều khiển động cơ bƣớc lƣỡng cực 4 dây.
Tuy nhiên điều khiển theo phƣơng pháp này sẽ làm mạch công suất phức tạp nên rất nhiều.
Mạch điều khiển động cơ yêu cầu là mạch điều khiển cầu H (H-bridge) cho mỗi cuộn dây. Mạch cầu H cung cấp năng lƣợng 1 cách độc lập mỗi đầu cuộn dây. Tín hiệu điều khiển tuần tự cho mỗi bƣớc động cơ nhƣ sau:
Terminal 1a +---+---+---+---++--++--++--++-- Terminal 1b --+---+---+---+---++--++--++--++ Terminal 2a -+---+---+---+---++--++--++--++- Terminal 2b ---+---+---+---+ +--++--++--++--+
Thông thƣờng H-bridge có một tín hiệu cho phép xuất và một tín hiệu điều khiển khác dùng để điều khiển chiều quay cho mỗi cực:
Enable 1 10101010101010101111111111111111 Direction 1 1x0x1x0x1x0x1x0x1100110011001100 Enable 2 01010101010101011111111111111111 Direction2 x1x0x1x0x1x0x1x0 0110011001100110
Ta có thể nhận ra động cơ bƣớc đơn cực hay lƣỡng cực dùng nam châm vĩnh cửu 4 đầu dây động cơ bằng cách đo điện trở giữa các đầu dây ta sẽ xác định đƣợc hai cuộn dây. Trong mỗi dây nếu hai đầu đƣợc mắc nối tiếp thì động cơ có thể sử dụng ở mức điện áp cao. Nếu chúng đƣợc mắc song song thì chúng có thể sử dụng ở mức điện áp thấp.
Đối với hệ điều khiển động cơ bƣớc ta thấy đó là một hệ khá đơn giản vì không hề có phần tử phản hồi. Điều này có đƣợc vì trong quá trình hoạt động động cơ bƣớc không gây ra sai số tích lũy, sai số của động cơ là sai số khi chế tạo. Việc sử dụng động cơ bƣớc tuy đem lại độ chính xác chƣa cao nhƣng ngày càng đƣợc dùng phổ biến vì công suất và bƣớc góc của động cơ ngày càng đƣợc cải thiện.
3.3Thiết kế hệ điều khiển 3.3.1 Nguồn điện 3.3.1 Nguồn điện
a) Bộ nguồn sử dụng chạy động cơ
b) Bộ nguồn sử dụng chạy mạch Main điều khiển
Hình 3.7 Nguồn sử dụng cho mạch Main
3.3.2 Modun điều khiển
Đây là khối điều khiển logic trong hệ điều khiển 3 động cơ bƣớc của robot song song. Mạch điều khiển đƣợc thiết kế nhằm cấp xung điều khiển logic cho mạch công suất điều khiển động cơ bƣớc. Trong mạch điều khiển logic lại chia thành các modul khác nhau. Dƣới đây là các modul chức năng trong mạch main.
Vi điều khiển trung tâm
Chọn vi điều khiển sử dụng là ATmega 128 thuộc dòng Mega của họ vi điều khiển AVR có các tính năng tiên tiến:
- Bộ nhớ 128 K bytes (flash) . - 4 K bytes (EEPROM).
- 4 Kbytes bộ nhớ SRAM bên trong. - 64 thanh nghi I/O.
- 2 bộ định thời 8 bit (0,2) và 2 bộ định thời 16 bit (1,3). - Bộ định thời Watchdog.
- 2 kênh PWM 8 bit và 6 kênh PWM có thể lập trình thay đổi từ 2 đến 16 bít. - ADC 8 kênh với độ phân giải 10 bit.
- Khối nhận truyền nối tiếp SPI. - Khối giao tiếp nối tiếp 2 dây TWI. - Hai bộ truyền nhận UART lập trình đƣợc - Hỗ trợ boot loader
- Tần số tối đa 16 MHZ - Điện thế :4.5V-5.5V
- Bộ so sánh tƣơng tự trên chíp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thiết kế modul trên phần mềm Orcad:
Hình 3.10 Mạch chip ATmega128
Chuẩn nạp ISP
Chuẩn nạp ISP đƣợc dùng để nạp chƣơng trình điều khiển vào chip, đây là
J1 ISP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VCC RST MOSI SCK MISO GND C3 104 C4 104
chuẩn nạp phổ biến đối với vi điều khiển.
Modul kết nối với ngƣời điều khiển
Để ngƣời dùng tiện trong việc điều khiển robot, đồng thời yêu cầu robot chạy ở chế độ điểu khiển bằng tay, ta cần phải xây dựng đƣợc thiết bị ngƣời dùng có thể thay đổi đƣợc chƣơng trình hoạt động của robot hoặc có thể dạy Robot theo 1 ý muốn ngƣời điều khiển. Đó chính là Teach-Pendant.
Teach-Pendant gồm 2 phần chính đó là: Màn hình hiển thị + Led 7 thành và các phím chức năng.
Phím chức năng
Hình 3.11 Các phím chức năng
Thực chất xác định nút bấm chính là việc nhận 2 tín hiệu 0v hay 5V của vi điều khiển. Ta xây dựng mạch nhƣ hình vẽ.
Khi nút bấm đƣợc bấm có nghĩa là mạch điện sẽ đƣợc thông, chân của vi điều khiển đƣợc nhận mức logic là 0, còn khi nút không đƣợc bấm tín hiệu ở chân vi điều khiển nhận đƣợc là 1. Màn hình hiển thị LCD 16x2 (Hiển thị 16 dòng và 2 cột): Hình 3.12 Màn hình LCD CT1 GN D CT2 GN D CT3 GN D CT4 GN D NUT BÂM J5 CON6 1 2 3 4 5 6 GND RST CT1 CT2 CT3 CT4 SW3 BACK SW4 NEXT SW5 OK SW6 CANCEL C7 104 C8 104 C9 104 C10 104
Hình 3.13 Sơ đồ chân của LCD
3.3.3 Thiết kế mạch trên Orcad
Hình 3.14 LCD thiết kế trên Orcad
C6 104 GND CONST VCC PB0 CONST PB1 PB4 PB2 PB6 PB5 GND PB7 R2 33 VCC SW2 LED LCD LCD VCC R3 5K GND J2 LCD 16x2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Để LCD hoạt động cần cung cấp nguồn 5VDC cho LCD,chân 3 nối với 1 biến trở để điều chỉnh độ tƣơng phản cho màn hình hiển thị. Chân 15-16 dùng để tạo ánh sáng đèn cho LCD quan sát 1 cách dễ dàng. Để kết nối giữa LCD với vi điều khiển ta cần 7 chân kết nối gồm : 3 chân chức năng RS,RW, ENA và 4 chân DB4; DB7 để truyền dữ liệu. Mặc dù có 8 chân kết nối nhƣng ta chỉ dùng có 4 chân, việc đó sẽ tiết kiệm đƣợc chân kết nối cho vi điều khiển. Do dùng vi điều khiển Atmega128,nhà sản xuất có cung cấp thƣ viện kết nối với LCD cho nên việc kết nối hoàn toàn dễ dàng.
Các jam cắm mở rộng
Hình 3.15 Jam cắm mở rộng thiết kế trên Orcad
Đây là các Jam cắm mở rộng hơn chức năng của mạch Main, ngoài nhiệm vụ điều khiển động cơ bƣớc có thể thực hiện đƣợc nhiều nhiệm vụ khác nhƣ điều khiển động cơ 1 chiều, ADC..v..v…
Thiết kế nguồn cung cấp cho vi xử lý
Bất kỳ 1 bộ mạch điện tử hoạt động đƣợc đều cần có nguồn điện cung cấp. Thƣờng các linh kiện điện tử hoạt động ở điện áp 5V. Các thiết bị điện tử công suất thƣờng hoạt động ở điện áp cao hơn. Nguồn điện 5V nuôi vi điều khiển và ngoại vi cần phải ổn định để quá trình xử lý và điều khiển 1 cách ổn định và chính xác. Thông thƣờng các mạch điện tử hay xử dụng IC ổn áp nguồn họ 78xx..
VCC PA0 PA1 R12 RESISTOR SIP 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PORTA PA2 D1 LED PA3 D2 LED PA4 D3 LED D4 LED PA5 D5 LED PA6 D6 LED D7 LED PA7 D8 LED GND LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 LED8 V C C J10 CON20A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 PORT D G N D GND VCC J11 CON20A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 G N D
Hình 3.16 Nguồn cấp cho vi điều khiển
Diode 1N5408 có tác dụng chống căm ngƣợc nguồn vào. Do đầu vào là nguồn 1 chiều 12V để phòng khi ngƣời sử dụng cắm ngƣợc đầu âm dƣơng nên em đã thiết kế thêm 1 con diode khắc phục nhƣợc điểm trên.
IC nguồn LM7805 có tác dụng tạo ra nguồn 5V cho mạch vi điều khiển, các tụ hóa và tụ không phân cực có tác dụng làm “ổn định” nguồn 5V…..
Thiết kế modul POWER DRIVER (mạch Công suất)
Trong luận văn này em điều khiển động cơ bƣớc theo phƣơng pháp lƣỡng cực. Việc điều khiển đó bắt buộc phải có mạch cầu H, do đó em đã lựa chọn IC H- bridge chuyên dụng L298 .
Hình 3.17IC công suất L298N (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
KHOI NGUON VCC VCC J64 CON4 1 2 3 4 VCC VCC GND VC C J65 CON3 1 2 3 12V C14 104 C15 104 C16 104 GND VCC GND J60 HEADER 2 1 2 U3 LM7805C/TO