Vì trục lắp ổ bi nên ta cần lấy theo đường kính trong của ổ Chọn d=12 (mm)
Tổng quan sau khi thi công cơ khí
Hình 3-6: Tổng quan về tay máy sau khi thi công lắp ráp
Tính toán, thiết kế hệ thống điện, điện tử
Yêu cầu
- Điều khiển động cơ về vị trí. - Điều khiển động cơ về vận tốc. - Ghép nối máy tính.
Tính toán lựa chọn vi điều khiển
Dòng ARMCortex KIT STM32F4 là một bộ xử lý thế hệ mới đưa ra một kiến thức chuẩn cho nhu cầu đa dạng về công nghệ. Không giống các dòng chip ARM khác, dòng Cortex là một lõi xử lí hoàn thiện đưa ra một chuẩn CPU và kiến trúc hệ thống chung. [5]
Vi điều khiển kit STM32F4 được trang bị chip 32-bit ARM Cortex với nhân FTU, 1MB bộ nhớ Flash, 192Kb RAM trong gói LQFP100.
ST-LINK/V2 được tích hợp trực tiếp trên board.
Nguồn cung cấp cho board: thông qua cáp USB hoặc nguồn 5V.
Nguồn có thể cung cấp cho kit STM32F4 các ứng dụng bên ngoài :5V hoặc 3V.
LIS302DL or LIS3DSH ST MEMS 3-axis gia tốc kế
CS43L22 audio DAC với bộ điều khiển loa class D được thích hợp. Các chân I/O được mở rộng để kết nối nhanh nhằm mục đích tạo các bảng mạch mẫu và dễ dàng tìm kiếm.
Hình 3-7: Kit STM32F4
Chọn động cơ điều khiển
Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để 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 Roto có khả năng cố định Roto vào các vị trí cần thiết. [6]
Động cơ bước được sử dụng trong rất nhiều các máy móc tự động, hệ thống cơ khí và rất nhiều ứng dụng khác. Loại động cơ này sẽ hoạt động khi cấp xung điện vào các cuộn dây, góc quay trên mỗi xung sẽ được quyết định dựa trên gốc độ (0.9, 1.8), thường được sử dụng nhất là loại động cơ bước 1.8 độ (với mỗi xung động cơ sẽ quay được 1.8 độ, điều này đồng nghĩa với việc để quay 360 độ cần phải đến 200 xung). Nếu gốc bước càng nhỏ thì động cơ quay càng mượt và cần nhiều xung hơn. [6]
Động cơ bước không có chổi than, Rotor được làm từ nam châm vĩnh cửu nên nó rất bền.
Hình 3-8: Động cơ bước không chổi than size 42 có giảm tốc
- Thông số kĩ thuật [6]:
+ Chịu tải: 3A, Momen xoắn 8Nm, 4 dây.
+ Động cơ chạy êm, ổn định, tiếng ồn thấp.
+ Động cơ chạy không bị nóng, tuổi thọ cao.
+ Điều khiển chính xác góc quay.
+ Động cơ bước 57, Nema 23.
+ Động cơ bước của nhà máy sản xuất có chất lượng tốt, hoạt động ổn định, chính xác
+ Chiều dài trục: 23mm.
+ Dây động cơ sử dụng đồng nguyên chất, bố trí dây đồng đều, chống ăn mòn, dẫn nhiệt tốt, dẫn điện mạnh.
+ Chất lượng tốt chịu lực, thép cứng, độ chính xác cao, bền. Đặc điểm của động cơ:
+ Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau. Khi có dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho Roto của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ.
+ Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển. Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước.
+ Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây.
Chọn Driver điều khiển động cơ bước TB6560
Hình 3-9: Driver điều khiển động cơ bước TB6560
Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 là loại thường được sử dụng nhất hiện nay, mạch có thể điều khiển được động cơ bước 2 pha (10 - 35VDC) với công suất tối đa 3A.
Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 được sử dụng để điều khiển động cơ bước, ứng dụng trong máy CNC hoặc các hệ cơ khí chính xác.
- Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp hoạt động: 10-35VDC.
+ Tích hợp Opto cách ly 6N137 tốc độ cao giúp cách ly tín hiệu điều khiển với board điều khiển, an toàn và chống nhiễu.
+ Tích hợp tản nhiệt nhôm lớn giúp tản nhiệt cho TB6560.
+ Thích hợp với động cơ bước 43, 57, 86 | 2 hoặc 4 pha | 4 dây hoặc 6 dây.
+ Có công tắc để Setup dòng tải, tối đa 3A.
+ Có công tắc để Setup vi bước 1:1, 1:2, 1:8, 1:16.
Module TB6560 sử dụng nguồn cấp 12V-DC hoặc 24V- DC cấp cho động cơ bước hoạt động. Tạo ra điện áp 5V-DC cấp cho các khối còn lại. - Khối tín hiệu điều khiển
Gồm 6 chân: EN-, EN+, CW-, CW+, CLK-, CLK+.
EN-, EN+: tín hiệu cho phép/ không cho phép modul hoạt động CW-, CW+: Tín hiệu điều khiển chiều quay của động cơ.
CLK-, CLK+: Tín hiệu xung điều khiển bước quay động cơ.
Với thiết kế 2 chân điều khiển 1 chức năng như thế này, modul TB6560 cho phép người dùng tùy chọn tín hiệu điều khiển là 0 hoặc 1.
- Khối thiết lập chế độ xung
Gồm các switch cho phép người dùng thiết lập các chế độ tùy chọn như: Chọn dòng điện chạy qua động cơ, điều chỉnh độ rộng góc bước.
- Khối driver động cơ
Sử dụng IC 6560 điều khiển hoạt động từ động cơ bước. - Khối động cơ.
Gồm 4 chân: A+, A-, B+, B- cho phép kết nối 4 đầu dây của động cơ lưỡng cực.
Lựa chọn nguồn cấp cho hệ thống
Nguồn điện để cung cấp cho các động cơ là loại nguồn xung 24VDC– 10A.
Hình 3-10: Nguồn xung 24VDC – 10A
Nguồn điện cung cấp cho bộ KIT Arduino MEGA 2560 và các cảm biến, encoder... là nguồn xung 5V DC – 1A. Đề tài sử dụng 02 nguồn khác nhau để tránh xung nhiễu từ động cơ tác động lên chip vi xử lý cũng như các cảm biến.
Lựa chọn module hạ áp LM2596
Hình 3-11: Module hạ áp LM2596
Mạch giảm áp DC LM2596 3A nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%). Thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấp cho các thiết bị như camera, motor, robot, …
- Thông số kĩ thuật:
+ Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V.
+ Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V.
+ Dòng đáp ứng tối đa là 3A.
+ Hiệu suất: 92%
+ Công suất: 15W
Lựa chọn công tắc hành trình
Sử dụng nút nhấn dạng click để làm công tắc hành trình ở cuối khâu
Hình 3-12: Nút nhấn click
Lựa chọn Module giao tiếp giữa máy tính và kit STM
Hình 3-13: Module Ethernet W5500 SPI
Mạch chuyển giao tiếp Ethernet SPI Wiznet W5500 sử dụng IC chính là W5500 từ hãng sản xuất Wiznet danh tiếng (Arduino Ethernet Shield sử dụng dòng W5100 từ Wiznet)
Mạch chuyển giao tiếp Ethernet SPI Wiznet W5500 tích hợp sử dụng để có thể kết nối Vi điều khiển với Ethernet qua giao tiếp SPI với độ bền và độ ổn định cao.
- Thông số sản phẩm:
+ IC chính: W5500 từ Wiznet.
+ Điện áp cấp nguồn: 5V hoặc 3.3 VDC.
+ Dòng cho phép: 128mA.
+ Mức tín hiệu giao tiếp: SPI TTL.
+ Hỗ trợ giao các giao thức : TCP, UDP, ICMP, IPv4, ARP, IGMP, PPPoE.
+ Hỗ trợ 8 ổ cứng độc lập sử dụng đồng thời.
+ Hỗ trợ Wake với cổng LAN qua UDP.
+ Hỗ trợ giao diện ngoại vi nối tiếp tốc độ cao (SPI MODE 0, 3).
+ Bộ nhớ trong 32Kbyte cho bộ đệm Tx / Rx.
+ 10BaseT/100BaseTX Ethernet PHY embedded.
+ Hỗ trợ giao tiếp tự động( Song công và bán song công ).
+ Không hỗ trợ phân mảnh IP.
+ Điện áp đầu ra 3.3V.
+ Đầu ra Led quang (Full/Half duplex, Link, Speed, Active).
+ 48 chân LQFP không chứa chì độc hại (7x7mm, 0.5mm).
+ Kích thước module: 55mm x 28mm.
+ Tần số xung clock tối đa: 80MHz.
Thiết kế mạch nguyên lí điều khiển hệ thống
Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển
Mô hình hóa mạch điều khiển
Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hình 3-15: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Các phần mềm sử dụng trong hệ thống
- Phần mềm lập trình cho STM: KeiC v5 và CubeMx - Phần mềm nạp và debug stlink: KeiC v5
Thiết kế hệ thống điều khiển
Hình 3-16: Sơ đồ khối thiết kế hệ thống điều khiển
Lưu đồ thuật toán điều khiển
Hình 3-18: Lưu đồ cài đặt gốc Home cho tay máy Robot
Thiết kế giao diện điều khiển hệ thống thực tế
Yêu cầu thiết kế dao diện điều khiển.
- Giao diện điều khiển là môi trường giao tiếp giữa người sử dụng và tay máy trên máy tính. Visual studio là một công cụ mạnh mẽ trong tính toán và thiết kế giao diện điều khiển, vì vậy nhóm tiến hành thiết kế dao diện điều khiển trên Visual studio.
- Giao diện điều khiển phải đáp ứng được những yêu cầu đặt ra của tay máy Robot.
- Sử dụng và thiết đặt các thông số một cách dễ dàng. - Đóng gói dao diện điều khiển.
Để mở không gian làm việc WPF, chọn File -> New project
Hình 3-21: Thao tác tạo project WPF
Hình 3-22: Các khối thao tác trên cửa sổ WPF
1. Khối Toolbox: Có thể tạo button, textbox, textblock, … đơn giản bằng cách kéo thả các biểu tượng sang vùng làm việc.
2. Tab chuyển qua lại giữa phần tạo giao diện và lập trình thao tác 3. Vùng làm việc của phần tạo giao diện.
4. Vùng tạo giao diện thông qua ngôn ngữ XAML, giúp tạo giao diện đẹp mắt, linh hoạt hơn so với việc kéo thả biểu tượng ở khối Toolbox.
5. Vùng Propeties: Hiển thị thông tin của file và các tùy chọn thay đổi của các thành phần được tạo.
Hình 3-23: Cửa sổ xử lý thao tác trên WPF
Hình 3-25: Giao diện sau khi đã kết nối với phần cứng Robot tay máy
Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab
Thiết kế giao diện điều khiển trên Matlab
Hình 3-26: Giao diện điều khiển trên Matlab
Giao diện gồm có:
- Ba thanh góc quay q biểu thị góc hiện thời tại các khớp của các khâu - Ba thanh X Y Z biểu thị toạ độ điểm tác động cuối
- Nút nhấn Inverse giúp nhập các thông số X Y Z để tính toán các góc để tay máy di chuyển đến
Mô hình hóa mô phỏng
Mô phỏng, so sánh vị trí và góc xoay giữa động học thuận và động học nghịch
Bước 1: Thiết kế sơ bộ mô hình Robot 3 bậc tự do trên SolidWorks
Hình 3-27: Mô hình Robot Scara 3 bậc tự do dạng tối giản
Thông số chiều dài các khâu: L0=220mm, L1=138.5mm, L2=193mm, L4=240.5mm
Yêu cầu: mô phỏng tính toán tính thông nhất mối quan hệ giữa phương trình động thuận với phương trình động học nghịch.
Tiến hành mô phỏng tay máy trên Matlab Simulink để tính toán, so sánh kết quả và đưa ra kết luận tính thống nhất mối quan hệ giữa phương trình động học thuận và phương trình dộng học nghịch tay máy.
Bước 2: Xây dựng mô hình Simulink
Từ file CAD 3D Robot 3 bậc, ứng dụng phần mềm simmechanic link để xuất dữ liệu sang Matlab thực hiện tính toán và mô phỏng động học.
Hình 3-28: Mô hình Simulink
Thiết lập các khối Simulink điều khiển chuyển động xoay của các khớp.
Hình 3-29: Khối Simulink điều khiển chuyển động quay của động cơ
Mô hình Simulink tổng quát mô tả chuyển động xoay của Robot 3 bậc tự do.
Bước 3: Tiến hành mô phỏng
Hình 3-31: Mô phỏng hoạt động
- Bài toán mô phỏng quy luật của các biến khớp:
Robot di chuyển tay kẹp Robot từ vị trí A đến B trong 1s.
Cho Robot di chuyển từ điểm A(z1i; q1i; q2i) = (120mm; π 6; π
3) đến điểm B(z1f ; q2f ; q2f) = (150mm ; π
3; π 2)
Bước 1: Xây dựng mô hình Simulink
Hình 3-32: Mô hình Simulink chi tiết
Bước 2: Tiến hành mô phỏng và đưa ra được các đồ thị di chuyển, vận tốc, gia tốc của các biến khớp:
Quy luật chuyển động của biến khớp 1: { 𝑞1(𝑡) = −40𝑡3+ 60𝑡2+ 120 𝑞∙1(𝑡) = −120𝑡2+ 120𝑡 𝑞∙∙1(𝑡) = −240𝑡 + 120 (3.11)
Hình 3-33: Đồ thị di chuyển, vận tốc, gia tốc các biến khớp 1
Quy luật chuyển động của biến khớp 2:
{ 𝑞2(𝑡) = −𝜋 3𝑡3+𝜋 2𝑡2+𝜋 6 𝑞∙2(𝑡) = −𝜋𝑡2+ 𝜋𝑡 𝑞∙∙2(𝑡) = −𝜋𝑡 + 𝜋 (3.12)
Hình 3-34: Đồ thị di chuyển, vận tốc, gia tốc các biến khớp 2
Quy luật chuyển động của biến khớp 3, ta có:
{ 𝑞3(𝑡) = −𝜋𝑡3+3𝜋 2 𝑡2+𝜋 3 𝑞∙ 3(𝑡) = −3𝜋𝑡2+ 3𝜋𝑡 𝑞∙∙ 3(𝑡) = −6𝜋𝑡 + 3𝜋 (3.13)
Chế tạo và thử nghiệm
Chế tạo cơ khí
Khâu tinh tiến
Hình 3-36: Khâu tịnh tiến Hình 3-37: Khung đỡ
- Vật liệu
+ Thép tấm 4mm - Phương pháp gia công:
+ Cắt laser
+ Dập tấm
Bảng 3-1: Các chi tiết cần mua
STT Tên chi tiết Hình ảnh Chú thích
1 Kẹp trục SHF8 https://linhkiencaugiay.com/se arch?query=SHF 2 Ổ trượt SC8UU https://linhkiencaugiay.com/o- bi-truot-sc8uu-10uu-12uu 3 Khớp nối 8-10 http://banlinhkien.com/cnc- khop-noi-mem-d30l35- 8x10mm-p12118854.html Khâu quay Hình 3-38: Khâu quay
Bảng 3-2: Các chi tiết cơ bản và phương pháp gia công
STT Tên chi tiết Hình ảnh Vật liệu phôi Phương pháp gia công 1 Cụm gá động cơ Nhựa in In 3D 2 Thanh khâu 1 Thép tấm Cắt laser, khoan, taro
3 Thanh khâu 2 Nhựa in In 3D
4 Gá tay gắp Nhựa in In 3D
5 Gá triết áp Nhựa in In 3D
Chế tạo cơ khí hoàn thiện sau khi lắp ghép:
Hình 3-39: Phần cơ khí sau khi hoàn thiện
Chế tạo mạch điện hệ thống
Nhóm đã đi dây, kết nối các linh kiện với nhau hoàn chỉnh.
Sản phẩm sau khi hoàn thiện
Tổng quan về Robot tay máy sau khi lắp ghép phần tay máy cơ khí và phần mạch điện
Hình 3-41: Robot tay máy sau khi hoàn thiện
Chạy thử nghiệm
Sau khi chạy thử nghiệm nhiều lần nhóm đưa ra được kết luận:
Tay máy chạy tương đối ổn định nhưng do khả năng lập trình và gia công cơ khí chưa được chính xác hoàn toàn nên vẫn có rung lắc khi chạy và chưa đến được chính xác vị trí mong muốn 100%.
Tổng kết chương 3
Trong chương này, nhóm đã tính toán, gia công cơ khí, mạch điều khiển và thiết kế phần mềm điều khiển cho Robot từ đó đưa ra mô phỏng, xây dựng mô hình mô phỏng và điều khiển. Đưa ra được các đồ thị di chuyển, vận tốc, gia tốc của các biến khớp trong Robot tay máy.
ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ
Kết quả, phân tích và đánh giá
- Cơ học
+ Nghiên cứu được sử chuyện động cơ học và tác động qua lại lẫn nhau của các khâu từ đó đưa ra phương hướng điều khiển.
+ Nghiên cứu được các định luật chi phối truyền động và đứng yên của Robot. Từ đó xác định được vị trí của Robot tại thời điểm đang xét, tiến hành được phương pháp điều khiển, cũng như tinh chỉnh.
+ Nghiên cứu chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay, chuyển động