CHƯƠNG II. CẤU TRÚC HỆ THỐNG CIM
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ROBOT CHO HỆ THỐNG
I. Hệ thống chấp hành
Chuyển động của robot được thực hiện bởi hệ thống chấp hành. Nó gồm các bộ phận sau:
- Nguồn điện cấp
- Khuyếch đại công suất - Động cơ
- Xilanh khí nén - Truyền động cơ khí 1.1. Nguồn điện cấp.
Nhiệm vụ của nguồn điện chính là cung cấp năng lượng tới đầu vào của bộ biến đổi. Vì các động cơ và van khí nén đều dùng nguồn một chiều nên nguồn cấp cho robot là nguồn 24VDC.
1.2. Khuyếch đại công suất.
Bộ khuyếch đại công suất có nhiệm vụ biến đổi trạng thái năng lượng của nguồn cung cấp sao cho phù hợp với yêu cầu của tải. Công suất cung cấp tỷ lệ với tín hiệu điều khiển và thường lớn hơn công suất điều khiển nên bộ biến đổi này gọi là bộ khuyếch đại công suất.
Vì ta động cơ của ta là động cơ một chiều và công suất ra không lớn lắm nên ta dùng tầng khuyếch đại đẩy kéo như sơ đồ:
GND GND 24V OUT_1EN
GND GND GND VCC
DC1_EN R445
R
R210 10K U270
Cach Ly Quang 1
2 3
1 4
2 3
4 Q270
IRF540N/TO R440 10K Q28 A1015 Q290 C1815
Chân DC1_EN được nối với một chân của vi điều khiển ( tín hiệu điều khiển ) để điều khiển đầu ra cho phép OUT_1EN.
1.3. Động cơ.
Động cơ là nguồn tạo động lực chuyển động cho robot. Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng sử dụng, người ta dùng các loại động cơ khí nén, động cơ thuỷ lực và động cơ điện. Công suất vào động cơ Pa chỉ được chuyển một phần Pu thành cơ năng, phần mất mát Pds là do tổn hao cơ khí, thuỷ lực hoặc khí nén. Do đặc điểm sử dụng trong robot, chẳng hạn yêu cầu chạy đúng quỹ đạo, định vị chính xác...
nên các động cơ phải có các tính chất sau:
- Quán tính nhỏ và tỷ số năng lượng tiêu hao/trọng lượng cao.
- Có khả năng chịu quá tải.
- Có khả năng gia tốc tốt.
- Dải tốc độ làm việc rộng ( 1 ÷ 1000 v/ph ).
- Độ chính xác định vị cao ( ít nhất 1/1000 vòng tròn ).
- Có thể làm việc trơn tru ở vận tốc thấp.
Động cơ khí nén khó đáp ứng các yêu cầu trên vì không thể khắc phục tính nén được của môi chất thể khí. Chúng thường chỉ được dùng trong các chuyển động đóng mở.
Động cơ điện gồm các loại động cơ 1 chiều, động cơ bước, động cơ xoay chiều thông dụng và động cơ servo, trong đó động cơ servo được dùng phổ biến hơn cả vì động cơ servo được điều khiển tự động bằng một hệ thống điều khiển điện tử có phản hồi. Tín hiệu phản hồi được lấy từ sensor vận tốc hoặc sensor vị trí, giám sát liên tục chuyển động tương đối giữa rotor và stator, từ đó sinh ra tín hiệu điều khiển tốc độ và chiều quay của rotor. Động cơ servo có đặc tính động lực học tốt, đồng thời kết cấu đơn giản, làm việc tin cậy nên ngày càng được ưa dùng. Động cơ điện một chiều cổ điển không được ưa dùng vì có bộ góp điện gây nhiều phiền phức khi sử dụng đã được thay bằng động cơ một chiều không có chổi than ( brushless DC servomotor ). Động cơ bước, do công suất nhỏ, độ chính xác thấp ( do không có mạch phản hồi vị trí, do đặc tính động lực học phụ thuộc tải trọng, thậm chí có hiện tượng " bỏ bước " khi tải lớn), nhưng lại rẻ tiền, nên được dùng cho những nơi không đòi hỏi độ chính xác điều khiển cao.
Động cơ thuỷ lực có các đặc tính động lực học tương đương với động cơ điện, có thể trực tiếp sinh ra chuyển động thẳng và chuyển động quay.
Mặc dù bản thân động cơ điện và động cơ thuỷ lực có đặc tính động lực học tương đương nhau nhưng chúng khác nhau về đặc điểm sử dụng. Về phương diện đó động cơ điện có các ưu điểm sau:
- Dễ cung cấp năng lượng vì hệ thống cấp điện có ở khắp nơi.
- Giá rẻ, chủng loại phong phú và dải công suất rộng.
- Hiệu suất biến đổi năng lượng cao.
- Dễ sử dụng và dể chăm sóc.
- Không gây ô nhiễm môi trường.
Động cơ điện cũng có những nhược điểm sau:
- Phát nóng ở trạng thái tĩnh hoặc khi tốc độ thấp, vì vậy thường phải dùng phanh.
- Cần bảo vệ đặc biệt nếu làm việc trong môi trường dễ cháy.
Động cơ thuỷ lực có ưu điểm sau:
- Làm việc tốt ở trạng thái tĩnh và tốc độ thấp mà không bị phát nóng.
- Tự bôi trơn và tản nhiệt tốt nhờ sự lưu thông của chất lỏng trong khi làm việc.
- An toàn trong mọi môi trường.
- Có công suất riêng theo trọng lượng cao.
Nhược điểm của động cơ thuỷ lực:
- Cần trạm cung cấp thuỷ lực riêng.
- Đắt tiền, ít chủng loại, khó lắp đặt, khó chăm sóc và bảo trì.
- Hiệu suất biển đổi năng lượng thấp.
- Dễ ô nhiễm môi trường do dầu trong hệ thống bị rò khi vận hành hoặc có dầu thải khi bảo dưỡng, sửa chữa.
Xét về mặt điều khiển và vận hành, động cơ điện dể điều khiển và có thể thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt. Đặc tính động lực học của động cơ thuỷ lực còn phụ thuộc vào nhiệt độ dầu. Động cơ điện làm việc tốt ở tốc độ cao và tải trọng nhỏ nên thường được dùng truyền động cơ khí trung gian. Ngược lại, động cơ thuỷ lực làm việc tốt khí tốc độ thấp và tải lớn nên thường truyền trực tiếp.
Vì robot trong hệ thống CIM này chỉ là mô hình thí nghiệm, trọng tải nhỏ, đòi hỏi độ chính xác vị trí không cao nên ta dùng động cơ bước ( có mômen hãn lớn, dễ tìm, giá rẻ...) là có thể đáp ứng được yêu cầu. Còn chuyển động quay ta dụng động cơ 1 chiều có giảm tốc ( 3 cấp ) kết hợp với cảm biến và công tắc hành trình để kiểm tra vị trí.
1.4. Xilanh khí nén.
Để thực hiện kẹp chặt phôi và các chuyển động tịnh tiến của cánh tay robot ta dùng các loại xilanh khí nén được điều khiển bằng các van khí solenoid 4/2 điều khiển điện .
1.5. Truyền động động cơ khí.
Các chuyển động của robot thường có vận tốc nhỏ, mômen lớn trong khi các động cơ thường làm việc với vận tốc lớn và momen nhỏ. Vì vậy, giữa động cơ và khớp thường có bộ biến tốc để sử dụng vùng làm việc có lợi nhất của động cơ.
Thông qua bộ phận truyền dẫn này công suất Pm trở thành Pu và bị tổn hao một lượng pdt do ma sát. Khi chọn bộ phận truyền dẫn cần căn cứ vào công suất cần thiết, loại chuyển động của khớp và vị trí đặt động cơ so với khớp, vì bộ phận truyền dẫn không chỉ biến đổi giá trị công suất mà cả dạng chuyển động.
Trong robot thường sử dụng các loại truyền dẫn sau:
- Cơ cấu trục vit - bánh vít: có tỷ số truyền lớn, cho phép đổi phương trục và thay đổi điểm tác dụng của lực.
- Cơ cấu vítme - đai ốc: cho phép biến chuyển động quay của trục động cơ thành chuyển động thẳng tại khớp trượt. Vitme - đai ốc bi thường được dùng để giảm ma sát. Thường cơ cấu này được lắp có độ dôi để giảm khe hở và tăng độ cứng vững.
- Truyền động đai răng và truyền động xích cho phép đặt động cơ xa trục khớp. Lực căng đai gây tải trọng phụ nên đai thường được dùng khi vận tốc chuyển động lớn và lực nhỏ. Ngược lại xích hay bị dao động nên thường dùng khi vận tốc nhỏ.
- Lựa chọn cơ cấu truyền động:
Việc di chuyển tịnh tiến thân robot đến các vị trí cấp phôi ta dùng cơ cầu vitme - đai ốc. Để điều khiển chính xác vị trí thì nên dùng cơ cấu vitme - đai ốc bi là chính xác và tin cậy nhất. Song cơ cấu vitme - đai ốc bi có giá thành cao, khó tìm trên thị trường nên ta dùng cơ cấu vitme - đai ốc thường trong hệ thống này cũng có thể đáp ứng được độ chính xác đặt ra.