- 2.3.3 Phương trình động học ngược 2
5.1.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ tiệm cận 4 7-
Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao. Khi vật thể bằng kim loại được đưa vào vùng tác dụng của cảm biến, dòng điện xoáy xuất hiện trong vật thể, nó làm suy giảm năng lượng của bộ tạo dao động. Điều đó dẫn đến sự thay đổi dòng điện tiêu thụ của cảm biến. Như vậy, hai trạng thái: suy giảm và không suy giảm dòng điện tiêu thụ của cảm biến dẫn đến chuyển trạng thái “có” hay “không” bằng mức xung điện áp ra. Cấu tạo của nó gồm 4 thành phần chính được thể hiện trong hình 5.1
Tấm kim loại Bề mặt tích cực Lõi ferit Mạch dao động Trigơ schmitt Khuếch đại và chuyển mạch
Hình 5.1.Cấu trúc của cảm biến từ tiệm cận 5.1.2 Cảm biến từ tiệm cận sử dụng trong đề tài :CS1-J, CS1-F
Specification
Model CS1-J
Working voltage AC: 5V-240V, DC:5V-240V
Working current AC: 5-40mA, DC:5-50mA
Response time 1ms
Reset time 0.5ms
Frequency 3-250Hz
Working temperature -10℃~+60℃
Non-repeating vibration 30G
Repeating vibration Max.7G(10-55Hz),±300Hz Resonance 5300
Cable 2M
Protection level IP67
Hình 5.2: Cảm biến từ tiệm cận CS1-J
5.2 Công tắc hành trình điện cơ
5.2.1 Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình điện cơ.
Hình 5.3: Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình điện cơ
Hình 5.4.Ví dụ về nguyên tắc hoạt động theo hành trình của công tắc hành trình điện cơ
5.2.2.Công tắc hành trình sử dụng trong đề tài: kW12
Thông số:5A125VAC 3A250VAC
5.3 Cảm biến hồng ngoại
5.3.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại
Nhiệm vụ:Dùng để phát hiện có hay không có vật trong tay gắp robot,sau đó phát ra tín hiệu báo về bộ điều khiển.
Thành phần:
- Dùng cặp led thu phát hồng ngoại
- Bộ khuêch đại thuật toán(so sánh với tín hiệu từ sensor tạo ra tín hiệu báo cho PLC biết)
Nguyên lý hoạt động : LED thu bình thường có điện trở rất lớn cỡ 10K,nhưng khi có ánh sáng led phát chiếu vào thì điện trở giảm xuống cỡ 100ohm.Nhờ nguyên lý này ta có mạch phát hiện vật như sau:
Hình 5. 5 : Cặp thu phát hồng ngoại
Phần phát phát ra ánh sáng hồng ngoại và phần thu hấp thụ ánh sáng hồng ngoại vì ánh sáng hồng ngoại có đặc điểm là ít bị nhiễu so với các loại ánh sáng khác. Hai bộ phận phát và thu hoạt động với cùng tần số. Khi có vật trong tay gắp thì giữa phần phát và phần thu ánh sáng hồng ngoại bị che bộ phận thu sẽ hoạt động với tần số khác với tần số phát như thế sẽ tạo một xung tác động tới bộ phận xử lí.
5.3.2 Cảm biến sử dụng trong đề tài
5.3.3 Mạch cảm biến
Hình 5.6: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến
Nguồn luôn luôn được cấp để nuôi LED phát hồng ngoại. Đặt LED thu đối điện với LED phát sao cho nó nhận được tín hiệu của LED phát, khi đó: Nếu có vật đặt giữa tức là LED thu không thu được tín hiệu hồng ngoại từ bên phát, làm cho điện trở của LED thu tăng lên rất lớn. Còn nếu chúng nhận được tín hiệu của nhau thì làm cho điện trở của LED giảm xuống rất nhỏ.
Bình thường, khi không có vật ở giữa 2 LED thu- phát thì chân B của Transistor C2383 được nối xuống âm nguồn do điện trở LED thu nhỏ xấp xỉ 0, làm Transistor này bị khoá, khi ấy đầu ra ở cực E (đầu ra cảm biến) sẽ không có áp, do đó đầu cảm
biến nối vào PLC thì đầu vào PLC này sẽ được hiểu là mức thấp. Khi có vật che khuất tín hiệu của LED thu, làm cho Transistor C2383 được phân cực và mở dẫn, lúc này đầu ra cảm biến (cực E Transistor) được nối tắt với nguồn qua Transistor, và tín hiệu ra sẽ là mức 1(+24V).
Như vậy, khi có vật thì đầu ra cảm biến sẽ có tín hiệu mức cao. Còn ngược lại, khi không có vật thì đầu ra cảm biến sẽ có tín hiệu mức thấp.
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những thay đổi từ môi trường bên ngoài và biến đổi thành các tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị khác. Và cảm biến là một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.Một hệ thống điều khiển có thế hoạt động được chính là do bộ cảm biến hoạt động đưa tín hiệu về bộ điều khiển.Để biết bộ điều khiển hoạt động ra sao chúng em sẽ đi thiết kế và chế tạo bộ điều khiển ở chương tiếp theo.
CHƯƠNG 6
CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ HOÀN THIỆN MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 3 BẬC TỰ DO
Ở các chương trước chúng em đã xây dựng được mô hình động học của robot 3 bậc tự do, từ đó chúng em cũng đã lựa chọn được nguồn dẫn động cho từng khâu của robot ,các cảm biến và lựa chọn được bộ điều khiển để điều khiển robot. Đó chính là
cơ sở để chúng em thiết kế, chế tạo mô hình và hệ thống điều khiển cánh tay máy 3 bậc tự do. Nội dung đó chúng em sẽ trình bày trong chương này. Chương 6 bao gồm 2 nội dung chính: chế tạo mô hình cơ khí và thiết kế modul điều khiển robot. Nội dung của
từng phần được chúng em cụ thể dưới đây.
6.1 Chế tạo mô hình cơ khí
Khâu quay 1: Sử dụng động cơ bước như đã chọn ở chương 3 là động cơ
C6244-9212K dùng để truyền động quay trục đứng là thân của tay máy. Trục đứng thân tay máy này sử dụng ống Inox với chiều cao là 50cm, dày 0.8mm, đường kính 63mm. Hình ảnh theo thiết kế:
Trục đứng này sẽ chịu toàn bộ lực của phần cánh tay. Phần dưới của trục được hàn một trục Inox được đạt xuyên tâm để bắt bánh đai phục vụ cho việc truyền lực quay từ động cơ sang làm quay trục, quay toàn bộ tay máy.
Trục ngang phần đầu của cánh tay: Trục này được hàn vuông góc với trục đứng thân tay máy. Trục ngang này sử dụng ống Inox với chiều dài là 40cm, dày 0.5mm, đường kính 38mm. Phía đầu trục được hàn 1 thanh kẹp để đính ổ đỡ cho trục thứ 3 là khâu tịnh tiến, vì khâu thứ 2 này quay. Hình ảnh thiết kế:
Khâu quay 2: Để truyền động quay thì khâu thứ 2 này chúng em sử dụng 1 xy-
lanh khí nén đẩy khâu thứ 3 quay trên ổ bi được đỡ bởi thanh kẹp đầu trục ngang của khâu 1. Khâu thứ 2 này sẽ quay cả khâu thứ 3(tịnh tiến) và khâu tác động cuối cùng tay gắp quanh một trục Inox được hàn chết với khâu thứ 2, và trục này được đỡ bởi 2 ổ bi được đính trên khâu thứ 1. Chuyển động quay được truyền bởi lực đẩy của xy-lanh, một đầu xy-lanh được bắt vào trục đứng thân của tay máy, đầu còn lại được bắt vào
thân của ống Inox khâu tứ 3 (tịnh tiến). Góc quay của khâu 2 chúng em đặt là 00 -900.
Khâu tịnh tiến 3: chúng em sử dụng xy-lanh khí nén để truyền động tịnh tiến
cho khâu thứ 3 của tay máy. Khâu này gồm 2 ống Inox lồng khít vào nhau sao cho ống phía ngoài sẽ dùng để gắn chặt xy-lanh lên nó, còn ống thứ 2 được bắt chặt vào cần xy- lanh. Ống ngoài dài 23cm, dày 0.2mm, đường kính 25mm. Ống trong dài 22cmm, dày 0.2mm, đường kính 23mm. Phía cuối của ống bên thong có khoét lỗ để đưa ống dẫn khí của khâu tác động cuối qua. Hình ảnh thiết kế:
Như vậy khoảng tịnh tiến của khâu thứ 3 này phụ thuộc vào chiều dài của cần pittong xy-lanh, ở đây xy-lanh đã chọn có chiều dài cần là 10cm.
Khâu tác động cuối cùng (tay gắp vật): bản thân tay gắp là 1 xy-lanh khí nén
được thiết kế sao cho khi cần xy-lanh đi ra thì tay gắp sẽ kẹp lại, còn khi cần xy-lanh đi vào thì tay gắp sẽ mở ra. Cơ cấu kẹp được thiết kế bằng nhôm để giản khối lượng cho tay máy cũng như lực tác động của khâu thứ 3 và khâu cuối lên xy-lanh đẩy của khâu 2.
6.2 Thiết kế modul điều khiển
6.2.1 Modul mạch điều khiển động cơ bước6.2.1.1 Khối mạch tạo xung 6.2.1.1 Khối mạch tạo xung
a.NE555
Như chúng ta đã biết,động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự với một tần số nhất định. Chính vì vậy, ta cần phải tạo xung để điều khiển động cơ bước. Ở đây sử dụng NE555 để tạo xung.
Các giá trị đặc trưng của NE555:
NE555 có thể tạo ra xung với tần số cực đại lên tới hơn 500kHZ. Điện áp nguồn từ 4.5 – 18V.
Điện áp đầu ra mức cao từ 2,75 – 3,3V với điều kiện: VCC = +5V, I0(Source) = 100mA..
Chức năng:
Mạch tạo xung sử dụng NE555 như hình vẽ có thể tạo ra xung vuông với các giá trị: +Vcc R A R B C ton 0,69.(RA RB ).C toff R 0,1u F 15 4 7 65553 2 8
0,69.RB .C
Điện áp ở ngõ ra chân 3 có dạng hình vuông với chu kỳ là:
Tần số của tín hiệu xung vuông này là: f 1 T 1 0,69.(RA 2.RB ).C
b.Rơle điều khiển đóng ngắt cấp xung
Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực.
Lựa chon rơle cho đề tài
Lựa chọn loại rơle tín hiệu 24V kích thước nhỏ JZC – 23F (4123) với mã hiệu: SHR – 24VDC -2008.
Đặc tính của rơle JZC – 23F
Điện áp cuộn dây: DC24V
Công suất toả nhiệt của cuộn dây: DC 0.36W Điện trở tiếp điểm: 50 m
Dòng và áp của tiếp điểm: NC: 5A 28VDC – 7A 240VAC NO: 10A 28VDC – 10A 125VA
c. Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung
Hình 6.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung
Xung nhịp được tạo ra từ khối NE555 được đưa vào chân 2 rơle điều khiển động cơ quay thuận hoặc nghịch.Cuộn hút của rơle được điều khiển bởi bộ điều khiển PLC. Các biến trở vi chỉnh trong các mạch tạo xung có tác dụng thay đổi tần số ra f và chu kỳ xung vuông T ở chân 3 của NE555. Từ đó thay đổi tốc độ của động cơ bước.
6.2.1.2 Khối mạch điều khiển động cơ bước
a.IC đếm 74LS192
Hình 6.5 :Sơ đồ chân của 74LS192
Trong đó:A, B, C, D : là 4 đầu vào dữ liệu. QA, QB, QC, QD: là 4 đầu ra.
Count up, count down : là 2 chân đếm tiến và đếm lùi (tích cực là sườn dương của xung nhịp).
Load : chân đặt trước (tác động ở mức thấp). Clear : Chân xoá.
Nguyên tắc hoạt động :
74LS192 là một IC đếm thập phân đồng bộ tiến lùi 4bit. Nguyên lý hoạt động của 74LS192 được thể hiện ở chuỗi đếm minh hoạ hình :
Hình 6.6 : Chuỗi đếm minh họa của 74LS192
Nhìn vào hình vẽ chuỗi đếm trên ta thấy:
Khi Clear ở mức “1” thì các đầu ra QA – QD không tác động (có mức “0”). Khi Load ở mức “0” thì các đầu ra được thiết lập trạng thái trùng với trạng thái đầu vào. Ở đây: trạng thái DCBA = 0111 và các đầu ra tương ứng QDQCQBQA = 0111 (7).
Khi đầu Count up được cấp xung thì bộ đếm sẽ thực hiện đếm tiến. Khi Count down được cấp xung thì bộ đếm thực hiện đếm lùi. Mỗi một xung nhịp sẽ làm cho trạng thái ở đầu ra tăng lên (hoặc giảm đi) 1 đơn vị.
Đầu ra carry và borrow có giá trị đối với cả hai chức năng đếm tiến và đếm lùi. Đầu ra carry sản xuất ra một xung có độ rộng tương đương tới đầu vào đếm lùi khi bộ đếm tràn dưới. Tương tự đầu ra borrow sản xuất ra một xung có độ rộng tương đương tới đầu vào đếm tiến khi bộ đếm tràn trên.
b. IC giải mã 74LS138
74LS138 là IC MSI giải mã 3 đường sang 8 đường hay tách kênh 1 đường sang 8 đường, ngõ ra tác động mức thấp. Nó thường được dùng và có hoạt động logic tiêu biểu, nó còn được dùng như mạch giải mã địa chỉ trong các mạch điều khiển và trong máy tính.
Sơ đồ chân và kí hiệu logic như hình vẽ:
Hình 6.7: Sơ đồ chân và kí hiệu logic của 74LS138
Trong đó:
A0, A1, A2 là 3 đường địa chỉ ngõ vào.
E1, E2 là các ngõ vào cho phép (tác động mức thấp). O0 đến O7 là 8 ngõ ra (tác động ở mức thấp)
Cấu trúc bên trong 74LS138:
Nguyên lý hoạt động:
Hoạt động giải mã như sau: Đưa dữ liệu nhị phân 3 bit vào ở A2, A1, A0 (LSB), lấy dữ liệu ra ở các ngõ O0 đến O7; ngõ cho phép E1 và E2 đặt ở mức thấp, ngõ cho phép E3 đặt ở mức cao. Chẳng hạn A2A1A0 là 001 thì ngõ O1 xuống thấp còn các ngõ khác đều ở cao.
Từ phân tích trên ta có bảng chân lý:
c. IC 74HC14
IC 74HC14 là một trigơ Schmitt với 6 bộ đảo. Chúng có khả năng biến đổi những tín hiệu đầu vào thay đổi một cách chậm chạp, tín hiệu đầu ra không biến động.
Sơ đồ chân và kí hiệu logic
Sơ đồ logic của một trigơ schmitt và dạng sóng:
Hình 6.10: Sơ đồ logic và dạng sóng của 74HC14
d. IC Tip122
Tip 122 là transistor loại NPN mắc Darlington. Nó có tác dụng khuếch đại dòng điện (với hệ số khuếch đại dòng DC > 1000 lần), và tăng trở kháng vào của mạch.
Sơ đồ chân và mạch tương đương:
Hình 6.11: Sơ đồ chân và sơ đồ tương đương của Tip 122
Các mức cực đại (Ta = 250C):
Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Điện áp Collector – Base VCBO 100 V
Điện áp Collector - Emitter VCEO 100 V
Điện áp Emitter – Base VEBO 5 V
Dòng điện Collector IC 5 A
Dòng điện Base IB 0,12 A
Công suất tiêu thụ Collector (TC = 250C) PC 65 W Giới hạn nhiệt độ bảo quản Tstg -55 đến 150 0C
6.2.1.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 6.12 : Sơ đồ nguyên lý toàn
mạch Nguyên lý hoạt động của mạch
Xung nhịp từ khối mạch tạo xung dùng NE555 được đưa tới chân Up (chân 5) và chân Down (chân 4) của IC 74LS192. Các xung này được lọc nhiễu bởi 2 tụ 104 (C4 và C5).
Vì động cơ bước lựa chọn trong đề tài là loại động cơ bốn pha. Vì vậy, ta chỉ sử dụng 2 bit thấp của IC đếm 74LS192. Các chân đầu vào C, D được nối Mass, các chân đầu vào A, B được nối với nguồn +5V. Sử dụng 2 đầu ra QA, QB để tạo thành 4 trạng thái như sau: 00, 01, 10, 11. Đầu ra QC được đưa vào chân xoá (Clear) để dập các trạng thái mà QC = 1. Đầu ra QD được đưa vào chân Load để dập các trạng thái mà QD = 1.
Do đầu ra QD luôn có mức là 0, nên khi qua cổng Not, đầu vào chân Load luôn là 1. Vì vậy mà trạng thái đầu ra lúc đầu không phải là 0011 mà là 0000.
Trạng thái D C B A 1 0 0 0 0 2 0 0 0 1 3 0 0 1 0 4 0 0 1 1 5 1 0 0 1 0 0 0 0 0
2 đầu ra QA, QB được đưa vào 2 ngõ vào địa chỉ của IC giải mã 3 – 8 (74LS138) trở thành IC giải mã 2 – 4. Bốn ngõ ra bít thấp (tác động mức thấp) có trạng thái như sau:
Trạng thái đếm Đầu vào địa chỉ Đầu ra
A B Y0 Y1 Y2 Y3 UP 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 DOWN 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1
4 đầu ra bit thấp này được đưa qua các cổng đảo (được tích hợp trong IC 74HC14) để đảo mức. Vì vậy, tại mỗi thời điểm của xung cấp, chỉ có một đầu ra có mức là “1”. Tức là các đầu ra 2, 4, 6, 8 của IC 74HC14 lần lượt có mức là “1” sau mỗi lần xung nhịp. Các đầu ra 2, 4, 6, 8 của IC 74HC14 lần lượt được đưa vào các chân