- 2.3.3 Phương trình động học ngược 2
3.1 Phân tích các nguồn dẫn động 26
3.1.1 Truyền động thủy lực
Ưu điểm
- Lực nâng lớn - Tốc độ chạy êm
- Dầu ép không nén được,nên các khớp robot có thể được khóa cứng ở một vị trí xác định
- Sử dụng cho điều khiển servo rất tốt - Tự bôi trơn và tự làm nguội
- Hoạt động có thể dừng quá tải không làm hư hỏng hệ thống - Đáp ứng nhanh
- An toàn ở áp suất cháy nổ - Tác động êm ở tốc độ thấp
Nhược điểm
- Chi phí cho một hệ thống dầu ép thông thường khá cao - Không thích hợp cho cơ cấu quay với tốc độ nhanh - Cần có đường xả dầu về bể
- Khó giảm kích thước hệ thống do áp suất và tốc độ dầu cao
- Nguồn dẫn dầu ép không phổ biến trong các nhà máy như nguồn khí nén và điện
- Chiếm chỗ trên mặt bằng nhiều hơn các nguồn dẫn khác
- Sự rò rỉ dầu sau một thời gian hoạt động và có thể trở thành mối nguy hại gây cháy nổ.
3.1.2 Truyền động khí nén
Ưu điểm
Đây là loại có giá thành thấp nhất ,thường dùng trong các thao tác lắp đặt chi tiết trên các day chuyền lắp rắp. Đặc điểm nổi bật của loại này là trang bị đơn giản và dễ điều khiển. Việc thiết kế và lắp đặt loại robot này khá đơn giản do các chuyển động độc lập được thược hiện bởi các xi lanh riêng rẽ hay bởi các modul khí nén chuyên dùng. Nguồn dấn khí nén thích hợp trong điều khiển lắp đặt và làm nguồn dẫn động cho các tay gắp của robot.
Nhược điểm
Ta thấy nhược điểm lớn nhất của nguồn dẫn khí nén là không có khẳ năng tăng tốc hoặc giảm tốc cho các tải trọng lớn so với các nguồn dẫn khác. Việc điều khiển liên tục để đạt độ chính xác về vị trí với nguồn dẫn khí nén làm cho hệ thống mất ổn định. Cơ cấu tác động với nguồn dẫn khí nén gây ồn do khí được xả ra ở áp suất cao.Một nhược điểm nữa của khí nén là sinh nhiệt và nhiệt lượng này sẽ được truyền ra môi trường khi bị xả.
3.1.3 Truyền động điện cơ
Ưu điểm
Với những công việc đòi hỏi độ chính xác, loại robot với truyện động điện tỏ ra đắc dụng nhất vì chúng cho phép đảm bảo được độ chính xác, dịch chuyển cao và khẳ năng thực hiện những thao tác phức tạp. Cụ thể:
- Cơ cấu tác động nhanh và chính xác
- Có khẳ năng áp dụng kĩ thuật điều khiển phức tạp cho các chuyển động - Giá thành không cao
- Thời gian triển khai robot hệ thống robot mới nhanh
- Nhiều động cơ có momen quay cao,trọng lượng giảm ,và thời gian đáp ứng nhanh.
Nhược điểm
- Bản chất đã là tốc độ cao
- Khe hở bộ truyền bánh răng làm giảm độ chính xác - Gây quá nhiệt khi hệ thống bị dừng hoạt động do quá tải - Cần phải có thắng để ghim vị trí các khớp
Như vậy,chúng em đã nghiên cứu về các nguồn dẫn động thường sử dụng,với những ưu nhược điểm của từng loại chúng em đã phân tích và lựa chọn nguồn dẫn động phù hợp với từng khớp như sau:Lựa chọn truyền động điện cho khớp quay thứ 1 và truyền động khí nén cho quay thứ 2, khâu tịnh tiến và tay gắp.Cụ thể sẽ được chúng em trình bày dưới đây.
3.2 Lựa chọn truyền động điện cơ cho khớp quay thứ 1 3.2.1 Lựa chọn động cơ bước cho khớp quay
- Động cơ bước là loại động cơ vận hành và điều khiển đơn giản, không yêu cầu tín hiệu phản hồi vị trí.
- Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển.
- Hệ thống khi dừng cần có mômen giữ nên việc lựa chọn động cơ bước là hợp lý nhất. Vì khi ngừng cấp xung cho động cơ bước mà vẫn cấp điện thì động cơ bước có một mômen giữ rất lớn.
- Các hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều hay servo công suất nhỏ đều có thể thay thế được bằng các động cơ bước với kích thước nhỏ hơn và tính năng hệ thống tốt hơn.
3.2.2 Tìm hiểu về động cơ bước
Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto và có khả năng cố định rôto vào những vị trí cần thiết.
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. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì rôto sẽ quay liên tục. (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc).
3.2.2.1 Cấu tạo của động cơ bước
Về cấu tạo, động cơ bước có thể coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.
Trong khi động cơ một chiều không tiếp xúc có rôto thường là một nam châm vĩnh cửu (số đôi cực 2p = 2) và cần một cảm biến vị trí rôto (để thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác định thời điểm và thứ tự đổi chiều) thì động cơ bước có rôto dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các cặp nam châm N – S xen kẽ nhau để tạo ra số cặp cực 2p lớn hơn và không cần phải có bộ cảm biến vị trí rôto. Nhờ cảm biếnvị trí roto, có thể điều khiển dòng một chiều vào các cuộn dây stato để có từ trường quay liên tục nên động cơ một chiều không tiếp xúc quay liên tục. Đối
với động cơ bước, vì từ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào rời rạc nên rôto quay theo bước.
Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, động cơ bước có các bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng thời trên cả rôto và sato đều có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện. Nhưng động cơ đồng bộ giảm tốc có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để khởi động, còn động cơ bước không cần yếu tố này. Mặt khác, trên stato của động cơ đồng bộ giảm tốc, ngoài cuộn dây phụ (để kích thích) thì cuộn dây chính thường là ba pha hoặc hai pha được nuôi bằng nguồn xoay chiều tạo ra từ trường quay liên tục với vận tốc góc . Vì vậy sau khi hoàn thành việc khởi động, rôto quay với vận tốc đồng bộ (nhỏ hơn vận tốc của từ trường quay). Trong khi đó, stato của động cơ bước chỉ có một loại cuộn dây pha và chúng có vai trò như nhau.
3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Khác với động cơ đồng bộ thông thường, rôto của động cơ bước không có cuộn dây khởi động (lồng sóc mở máy) mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số.
Hình 3.1 vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto có 2 cực (2p = 2) và không được kích thích.
F
F1
a) b) c)
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực và các lực điện từ
Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số và chiều của lực
1 m 2m 3 4 F1 1 2 F2 3 4 F F1 1 m F 2 2 3 F3 4
điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của rôto trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây.
Ví dụ, nếu các cuộn dây của động cơ trên hình 3.1 được cấp điện cho từng cuộn dây riêng lẻ theo thứ tự 1,2,3,...,m. Thì rôto của động cơ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình 3.1a).
Để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mômen đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó rô to của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vecto lực điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần của các cuộn dây stato (hình 3.1b, c). Trên hình 3.1b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời ch một số chẵn cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị trí chính giữa trục của hai cuộn dây. Trên hình 3.1c vẽ lực điện từ tổng F khi cấp điện đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện từ tổng F nằm trùng với trục của một cuộn dây nhưng có trị số lớn hơn. Trong cả hai trường hợp, rôto của động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rôto bằng 2 / m .
Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (ví dụ kết hợp 3.1b và 3.1c), có nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và từ lẻ sang chẵn thì số vị trí cân bằng của rôto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bằng 2 / 2m . Trường hợp này được gọi là điều khiển không đối xứng, hay điều khiển nửa bước (half step).
Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây) thì rôto có m vị trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (full step).
3.2.3 Điều khiển động cơ bước
3.2.3.1 Các đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước
Việc điều khiển động cơ bước phụ thuộc vào các tham số sau của xung điều khiển:
Dòng điện I, kể cả cực tính (và liên hệ mật thiết với nó là mức điện áp U).
Độ rộng xung (liên quan đến khả năng dịch bước).
Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp (liện quan đến chiều quay và mômen tải).
3.2.3.2 Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước
Động cơ bước có thể quay với tốc độ bất kỳ nào đó trong giải từ 0 vòng/phút đến giá trị cực đại cho phép.
Giả sử trong thời gian t (giây) ta thực hiện n lần dịch bước (mỗi lần dịch 1 bước thì tần số dịch bước là f = n/t).
Giả sử góc bước của động cơ là thì để đạt được 1 vòng quay ta phải cho động cơ quay 3600/ bước quay.
Vận tốc trung bình V của động cơ bước trong thời gian t giây là:
V n . t 360 f . 360 (vòng/giây) Hay: V f . 6 (vòng/phút)
Việc điều khiển vận tốc động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch bước f.
3.2.3.3 Điểu khiển chiều quay của động cơ bước
Đối với động cơ bước, chiều quay nhìn chung không đồng nhất với chiều dòng điện cấp cho các cuộn dây mà nó phụ thuộc vào thứ tự chuyển dịch các bước. Chẳng hạn, rôto đang ở vị trí thứ n, nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí bước thứ n+1 thì động cơ quay phải, nếu ta cấp điện cho rôto chuyển sang bước thứ n-1 thì động cơ quay trái. Bộ tạo xung điều khiển sẽ thực hiện việc này.
Chiều quay của động cơ bước được xác định bằng thứ tự chuyển dịch các trạng thái cấp điện của các cuộn dây stato. Đối với động cơ 2 pha, nếu điều khiển cả bước, có 4 trạng thái cấp điện, nếu điều khiển nửa bước, sẽ có 8 trạng thái cấp điện. Đối với động cơ 4 pha, nếu cấp xung 1 cực thì cũng có 4 và 8 trạng thái cấp điện vào các cuộn dây cho 2 trường hợp điều khiển cả bước và nửa bước.
3.2.4 Thông số kĩ thuật của động cơ bước
Hình 3.2 : Động cơ bước sử dụng cho khớp quay
Lựa chọn động cơ bước Type: C6244-9212K. Là loại động cơ bước 2 pha, 2 cuộn dây đơn cực, với 6 đầu dây ra có các thông số:
Uđm = 5.7 V/phase; Iđm = 1.6A/phase; góc bước = 1,8 Deg/step.
Lựa chọn chế độ điều khiển cả bước cấp điện 1pha
3.3 Lựa chọn truyền động khí nén cho khâu quay thứ 2, tịnh tiến và tay gắp3.3.1 Xi lanh hai chiều 3.3.1 Xi lanh hai chiều
3.3.1.1 Ký hiệu
3.3.1.3 Nguyên lý làm việc
Đối với xi lanh hai chiều thì cấu trúc cũng tương tự như xi lanh một chiều nhưng nó không có lò xo mà nó lại có hai cổng khí . Hai cổng khí này thực hiện chức năng như một cổng khí nguồn và một cổng khí xả . Hai cổng khí này có thể điều khiển thay đổi chức năng cho nhau một cách dễ dàng , linh hoạt tức là ta có thể điều khiển cả hai chiều chuyển động của pittông một cách dễ dàng . Đó chính là ưu điểm của nó so với xi lanh một chiều .
Khi cổng khí phải được nối với nguồn khí , còn cổng khí trái thông với van xả thì pittông sẽ chuyển dịch sang phía trái.
Muốn pittông chuyển dịch theo hướng ngược lại ( tức là từ trái sang phải ) ta chỉ việc đảo chức năng hai cổng khí cho nhau tức là ta điều khiển cho cổng khí trái được thông với nguồn khí nén còn cổng khí phải thông với van xả.
Trong trường hợp cả hai cổng khí đều được thông với nguồn khí nén hoặc cả hai cổng khí đều thông với van xả thì pittông đều không chuyển động được vì lực tác dụng lên nó cân bằng nhau.
3.3.1.4 Thông số kĩ thuật của xi lanh sử dụng trong robot
Hình 3.3 : Xi lanh hai chiều
Model : MA 16*100,Xi lanh tròn thân inoxNhiệt độ chịu được : - 50 ~ 700 C Nhiệt độ chịu được : - 50 ~ 700 C
Piitông Ø : 16. Hành trình : 100 mm .
3.3.2 Van kiểu 5/2
3.3.2.1 Ký hiệu
3.3.2.2 Mặt cắt nguyên lý
3.3.2.3 Nguyên lý hoạt động
Van 5/2 có hai cổng khí ra 4 và 2 trong đó luôn có một cổng khí thông với nguồn và một cổng thông với van xả đồng thời hai cổng khí này có thể đảo ngược trạng thái cho nhau.
Cổng khí 1 đóng vai trò cổng khí nguồn còn cổng 3 và 5 là các cổng khí xả . Trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2 được điều khiển bằng các cổng khí 12 và 14 .
Vị trí của pittông bên trong van sẽ quyết định trạng thái của các cổng khí ra 4 và 2.Nếu pittông dừng bên trái như mặt cắt nguyên lý ta thấy cổng khí 4 thông với cổng xả 5, cổng 2 thông với cổng khí nguồn 1.Nếu pittông dừng bên phải thì khi đó cổng khí 4 thông với nguồn 1 và cổng khí 2 thông với cổng xả 3.
Muốn van chuyển từ trạng thái pittông ở bên trái sang trạng thái pittông ở bên phải thì ta tác động vào các cổng khí điều khiển bằng cách cắt nguồn khí ở cổng 12 và cấp nguồn khí cho cổng 14. Ngược lại muốn van chuyển từ trạng thái ở pittông ở bên phải sang trạng thái mặt cắt 1 thì ta cắt nguồn ở cổng 14 và cấp nguồn khí cho cổng 12.
Như vậy bằng tác động vào các cổng khí điều khiển ta dễ dàng thay đổi trạng thái các cổng khí ra theo như mong muốn và van 5/2 thường được dùng để điều khiển hoạt động của các xi lanh khí nén.
3.3.2.4 Thông số kĩ thuật của van 5/2