X A B.U A B H W Y C.
Nghiên cứu về Robot SCORBASE 2.1 Giới thiệu chung
2.2.1 Các thiết bị giao tiếp chấp hành.
2.2.1.1Khối điều khiển (Controller).
Bộ điều khiển là một thiết bị trung gian kết nối giữa máy tính và robot để thực hiện các chơng trình điều khiển robot. Việc nối bộ điều khiển với PC thông qua cổng COM1 hoặc COM2 hoặc RS232 cho phép SCORBASE liên kết với ACL – là một ngôn ngữ kỹ thuật điều khiển robot đợc nạp trên bộ EPROMS trong bộ điều khiển. Bởi vậy, bộ điều khiển phải đợc định hình thể đối với sự hoạt động SCORBASE và có dạng:
H.2.2:Bộ điều khiển giao tiếp
-Đặc điểm kỹ thuật của bộ điều khiển:
+Loại điều khiển: Bao gồm điều khiển độc lập, thời gian thực, đa nhiệm, PID (tỉ lệ, tích phân, vi phân), PWM (điều biến độ rộng xung).
+Điều khiển đờng: gồm CP (đờng liên tục), đờng nối, đờng thẳng, đờng tròn, đờng hình sin, đòng đợc định nghĩa bởi ngời sử dụng toạ độ của thiết bị.
+Điều khiển quỹ đạo: gồm điều khiển quỹ đạo kiểu Parabonoit, quỹ đạo đờng hình sin.
+Các tham số điều khiển: điều khiển servo; tốc độ, vận tốc trợt; sai lệch vị trí trục; hoạt động bàn kẹp; bảo vệ nhiệt, va chạm, giới hạn; dẫn đờng; giao diện Encoder; các phép tính.
- Cấu trúc bên ngoài của bộ điều khiển:
+Mặt trớc bộ điều khiển-B có dạng nh hình 2.2 với đặc điểm sau:
•POWER: Công tắc nguồn nối và không nối với nguồn 100/110/220/240VAC tới bộ điều khiển.
•Đèn nguồn: Đèn LED màu vàng sáng lên khi công tắc nguồn bật. Nó đã chỉ ra rằng nguồn đợc cấp tới bộ điều khiển.
•Công tắc cấp nguồn cho động cơ: Công tắc này cho phép đóng hoặc cắt nguồn cấp điện áp một chiều tới tất cả các động cơ đã nối. Đèn LED màu xanh gắn vào công tắc và sáng lên khi công tắc bật. CPU giữ các trạng thái on/off của công tắc trên bộ điều khiển và gây ra thông báo:”công tắc nguồn động cơ bị tắt” xuất hiện khi công tắc không bị ấn.
• Nút bấm Emergency và LED: Khi nút bấm Emergency đợc ấn thì dẫn tới:
Nguồn động cơ bị ngắt, tất cả động cơ hoạt động dừng. Đèn LED các động cơ màu xanh tắt.
Trạng thái COFF (điều khiển tắt) không hoạt động Đèn LED dừng khẩn cấp màu đỏ sáng.
Một thông báo dừng khẩn cấp xuất hiện trên màn hình . Tất cả các chơng trình đang chạy bị huỷ bỏ.
Các đầu vào và đầu ra bị “treo” ở trạng thái hiện tại .
Nguồn cung cấp cho ngời sử dụng vẫn đợc duy trì trong các hoạt động bình thờng
Chế độ HOME và CON không thể kích hoạt đợc.
Để giải phóng nút bấm EMERGENCY bằng cách quay nút đó theo chiều kim đồng hồ nh đã chỉ bởi mũi tên trên nút.
+Mặt sau của bộ điều khiển có dạng nh hình vẽ:
H.2.3: Mặt sau của bộ điều khiển
Trong đó:
1.Công tắc nguồn ON/OFF
2.Chân cắm nguồn 100/110/220/240VAC 3.Thiết bị tiếp đất
4.Cổng RS232
5.Đầu nối Teach Pendant 6.Đầu nối cổng song song
7.Đầu nối nguồn Robot 8.Đầu nối Encoder
9.Đầu nối trục truyền động 10.Đầu nối SCORBOT-ERV 11.Đầu nối các khối vào/ra
Cấu trúc bộ điều khiển: Với trọng lợng 36kg, bộ điều khiển gồm một số phần tử chính sau:
+CPU(Control processing Unit ): loại Motorola 68020, Motorola FPU- MC68881. Đây là bộ xử lý trung tâm chứa tất cả các mạch điện cho phép điều khiển, định thời, lu trữ và truyền tải dữ liệu địa chỉ, thuật toán thực hiện.
+EPROM: 512KB, có thể mở rộng tới 2MB
+RAM: 512KB, có thể mở rộng tới 2MB trong đó có 150KB dành riêng cho hệ thống còn 350KB thay đổi đối với ngời sử dụng.
+Pin: Có một pin Lithi 3V sử dụng cho việc phục hồi bộ nhớ, có tuổi thọ 2 năm.
+Nguồn:
•Yêu cầu nguồn cấp từ bên ngoài 100/110/220/240VAC, tần số 50/60Hz.
•Nguồn cấp bên trong: Nguồn cấp cho động cơ servo:33-42V, 22A tuỳ thuộc điện áp đầu vào và tải nguồn cấp.
Thiết bị số: 5V/12V/24V
Cho ngời sử dụng: 12V, 2A; 24V, 1,5A
+Input(đầu vào): Bộ điều khiển Robot SCORBASE có 16 đầu vào, đợc chia thành 2 khối cách ly quang (khối C và D) nh hình dới:
H.2.4:Đầu vào bộ điều khiển
Mỗi khối đợc đặt ở chế độ luôn nổi và có thể đợc tham chiếu tới các thiết bị ngoại vi khác nhau hoặc tới trạng thái tiếp đất của bộ điều khiển. Các mạch đầu vào bộ điều khiển sử dụng cách ly quang để đảm bảo cách ly về điện giữa bộ điều khiển và các thiết bị điện tử khác trong hệ thống.
+Output: gồm 16 đầu ra trong đó có 4 đầu ra rơle với cả tiếp điểm th- ờng mở và thờng đóng nh hình 2.5a và 12 đầu ra khác đã mở các loại côlecter đợc chia thành hai khối cách cách ly quang (khới A và B) hình 2.5b
a b
H.2.5:Đầu ra của bộ điều khiển
+Communication(truyền thông): Hai kênh tích hợp chuẩn truyền thông RS232, có thể đợc mở rộng tới 10 kênh.
+Đa nhiệm: Thực hiện đồng thời tối đa 40 nhiệm vụ của ngời sử dụng ; các Encoder quang tăng thêm xung kim (xung C)
2.2.1.2 Băng tải.
Trong hệ thống Robot SCOBASE trong phòng thí nghiệm đợc trang bị một băng tải nhỏ, để thực hiện một số ứng dụng đáp ứng sự di chuyển của các vật tới và từ Robot. Nó bao gồm một động cơ một chiều, băng truyền, một cảm biến quang điện mà tín hiệu của nó chỉ tới bộ điều khiển Robot, bộ phận đó đã chỉ đến vị trí làm việc. Nó đợc xác định nh trục 8 và đợc điều khiển bởi bộ điều khiển Robot.
2.2.1.3.Cảm biến.
Tất cả các cánh tay Robot có các cảm biến bên trong để cung cấp dữ liệu về vị trí hoặc sự chuyển động các khớp cánh tay. Không có các cảm biến này ở bộ điều khiển thì không thể đặt chính xác vị trí cánh tay đợc. Một vài hệ thống Robot bao gồm cả các cảm biến bên ngoài cung cấp dữ liệu trên vật thể ở vùng lân cận của Robot. Không có các biến này thì Robot không thể xác định đợc chính xác vị trí của vật thể.
Trên băng truyền tải trang bị một cảm biến quang điện. Cảm biến cũng xác định sự có mặt hoặc không có mặt của vật thể nhng đợc gọi là cảm biến không tiếp xúc vì chức năng của nó không yêu cầu tiếp xúc với vật thể.
Khi phạm vi nhận biết của cảm biến không tiếp xúc giới hạn ở phạm vi hẹp cỡ từ 1 đến 5 cm thì cảm biến thờng đợc xem nh cảm biến ở gần. Cảm biến quang điện bao gồm một diot phát sáng (LED), một bộ phận phát hiện (ví dụ một diot nhạy cảm ánh sáng).
- Khi LED và bộ thu đối diện nhau thì bộ thu sẽ nhận ánh sáng và phát ra tín hiệu với điều kiện vật thể không làm gián đoạn chùm sáng, do vậy tín hiệu ở giữa vật thể là không có mặt.
-Khi đèn LED và bộ thu đợc đặt cạnh nhau thì bộ thu sẽ nhận ánh sáng và phát ra một tín hiệu khi vật thể qua chùm sáng và phản xạ trở lại để để đợc phản hồi, do đó không có tín hiệu nào ở giữa vật thể là không có mặt (giống
chức năng cảm biến băng tải). Cảm biến quang điện trên băng tải đợc nối tới đầu vào 6 trên bộ điều khiển.
2.2.1.4.Scorbot-ER9.
SCORBOT-ER9 là bộ phận thân cơ khi của robot đợc nối bằng các khớp thẳng đứng, có 5 khớp quay. Với bàn kẹp đợc gắn vào thì robot có 6 bậc tự do. Việc thiết kế này cho phép end_effector đợc đặt vào vị trí và theo hớng tuỳ ý trong không gian làm việc rộng. Mỗi khớp đợc điều khiển bởi một động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu qua hộp truyền động bánh răng và dây cu roa. Sự chuyển động các khớp đợc mô tả theo bảng sau:
Tên trục Tên khớp Chuyển động Động cơ
1 Đế Quay thân 1
2 Vai Nâng lên và hạ cánh tay trên 2
3 Khuỷu Nâng lên và hạ cổ tay 3
4 Cổ tay Pitch Nâng lên và hạ end_effector 4
5 Cổ tay Roll Quay end_effector 5
a.Bàn kẹp:
Hoạt động bàn kẹp trên Robot SCORBOT khác hoạt động của các trục. Nhng ngợc lại, ngời điều khiển có thể đa một lệnh để xác định lợng chuyển động của các trục, từ đó chỉ dẫn bàn kẹp đóng hoặc mở hoàn toàn. Tuy nhiên, nếu bàn kẹp kẹp vật thể lên thì nó sẽ dừng sự chuyển động của nó. Bàn kẹp trong robot này có thể là bàn kẹp chạy bằng khí nén hoặc động cơ điện servo một chiều (DC).
b.Hệ thống truyền động:
SCORBOT-ER9 có thể hoạt động đợc là nhờ hệ thống truyền động của nó với ba phần tử chính:
• Động cơ điện một chiều
• Hộp truyền động
• Dây cu roa và puli
Hình H.2.6 là hệ thống truyền động của SCORBOT- ER9 cho trục 1 đến trục 4. Riêng trục 5 hệ truyền động không bao gồm puli và dây cu roa mà chỉ có hộp truyền động đợc sử dụng.
H.2.6: Hệ thống truyền động của SCORBOT- ER9 c.Động cơ:
Cánh tay Robot đợc truyền động bởi động cơ điện một chiều. Các bộ tác động biến đổi tín hiệu từ bộ điều khiển (điện năng) thành sự quay của trục động cơ (cơ năng). Các động cơ này phải đảm bảo:
-Động cơ Robot phải quay với các tốc độ khác nhau và mức độ chính xác rất cao. Ví dụ: nếu Robot đợc sử dụng để ứng dụng phun sơn thì nó phải đợc xác định hớng đi tiếp theo một cách chính xác với tốc độ xác định.
-Động cơ phải đợc cho phép điều chỉnh tốc độ nhỏ để Robot chuyển động nhanh lên hay chậm lại tuỳ theo ứng dụng yêu cầu.
-Động cơ phải đợc cung cấp Momen lớn trong suốt phạm vi tốc độ của nó và khi khớp tĩnh.
-Động cơ phải dừng nhanh không quá vị trí đích và thực hiện nhanh chóng thay đổi trong điều khiển.
-Vì đặt các động cơ trên cánh tay Robot để thêm tính ì và trọng lợng của robot. Nh chỉ trên hình sau, các động cơ đợc đặt trên các trục chúng chuyển động với một hộp chuyển động 2 cấp (từ trục 1 đến trục 4) và một cấp (trục 5).
Robot SCORBOT ER-IX sử dụng các động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu để chuyển động các trục. Các trục 1, 2, 3 của Robot đợc cấp nguồn của động cơ chỉ ở hình 2.8a còn trục 4 và trục 5 đợc cấp bởi bởi động cơ chỉ ở hình 2.8b. Các động cơ này có thể chuyển động với tốc độ quay rất lớn để chuyển động các tải có momen lớn và (Encoder đã gắn) để thực hiện các vòng quay lớn. Các thông số kỹ thuật của động cơ nh sau:
Các trục động cơ 1, 2 và 3 Trục 4 và 5
Momen quay max 143 oz.in 27.8 oz.in
Momen quay 32 oz.in 12.5 oz.in
Tốc độ hoạt động Max 4000 rpm 4500 rpm
Trọng lợng 1.29 k/ 2.84 lb 0.28k/ 0.62
lb
Nguyên lý hoạt động của các động cơ điện nói chung và các động cơ điện một chiều nói riêng đợc dạ trên dòng điện chạy qua chất đẫn điện đặt trong từ trờng. Vị trí này tạo ra một lực tác động vào chất dẫn điện . Cấu trúc cơ bản động cơ bao gồm ba phần tử chính:
H.2.9: Cấu trúc động cơ một chiều.
• Stator: Là một phần tử tĩnh tạo ra một từ trờng Stator có thể là một nam châm vĩnh cửu hoặc một nam châm điện gồm một cuộn dây quấn quanh một bản cực sắt mỏng.
• Rotor: Là một phần tử quay trong từ trờng. Tải bên ngoài đợc nối với trục động Rotor. Nói chung, Rotor bao gồm các tấm sắt đã đợc đục lỗ và một dây nối đã đợc quấn vài lần quanh tấm bản cực và qua các lỗ thủng. Hai đầu
dây dẫn đợc nối tới hai nửa của bộ chuyển mạch cái mà đợc nối dòng điện qua các chổi.
• Các chổi: Các chổi này nối xoay tròn bộ chuyển mạch tới nguồn dòng điện.
d.Các phần tử giới hạn vị trí.
SORBOT-ER9 trang bị các phần tử đặt trên cánh tay robot để giới hạn sự chuyển động của nó gồm: • Encoders • Công tắc giới hạn • Dừng phần cứng • Công tắc cơ sở e.Encoder
Vị trí và chuyển động của mỗi trục SCORBOT ER-IX đợc do bởi Encoder quang điện đã đợc gắn vào đầu trục động cơ để đa tín hiệu truyền động từ các trục về. Encoder biến chuyển động quay của trục động cơ thành một tín hiệu số bằng bộ điều khiển. Encoder đợc đặt trên động cơ nh chỉ ở hình sau:
H.2.10: Sơ đồ Encoder đợc đặt trên động cơ SCORBOT-ER9.
Encoder sử dụng trên SCORBOT ER-IX bao gồm một diot (LED) quang nh một nguồn sáng. Trớc đèn LED là một mạch tổ hợp (Integrated Circuit) dò sóng ánh sáng. IC này bao gồm một vài bộ thu tách sóng quang và một mạch điện để tạo ra một tín hiệu số. Một lỗ khoan trên đĩa quay đợc đặt vào giữa mạch tổ hợp bộ phát và bộ thu sóng
Khi đĩa Encoder quay giữa bộ phát và bộ thu thì chùm sáng bị ngắt bởi mẫu “vật chắn” và ”các cửa sổ” trên đĩa, kết quả là một chuỗi xung đã đợc nhận đợc bởi bộ tách sóng.
Encoder có 512 rãnh cắm nh hình H.2.11 . Một khe bổ xung trên đĩa Encoder đợc sử dụng để phát ra một xung kim (xung C) khi mà đĩa quay tròn. Đáp ứng xung kim này để xác định vị trí gốc của các trục.
H2.11: Đĩa Encoder SCORBOT-ER9
Bộ thu sóng quang đợc xắp xếp sao cho khi thay đổi có thể thu đợc đầy đủ các sóng ánh sáng. Sau đó, các đầu ra diot quang đợc đa vào mạch gia công tín hiệu, kết quả là các tín hiệu A, A đảo, B, B đảo, I và I đảo nh hình H.2.12.
Các bộ so sánh nhân các tín hiệu này và cuối cùng tạo ra ở các đầu ra số tại các kênh A, B và I. Đầu ra kênh A lệch pha với kênh B (lệch pha 900) nh chỉ ở hình H.2.12 và cuối cùng đầu ra kênh I là một xung kim
H.2.12.Các tín hiệu đầu ra Encoder
Khi chiều quay của đĩa ngợc với chiều quay kim đồng hồ (nh quan sát ở giới hạn Encoder của động cơ), kênh A sẽ sớm pha hơn kênh B. Và ngợc lại khi chiều quay của đĩa theo chiều kim đồng hồ thì kênh B sẽ sớm pha hơn kênh A.
Ngoài ra trên SCORBASE ER-IX còn trang bị công tắc giới hạn để ngăn cản các khớp chuyển động vợt quá giới hạn chức năng của chúng. Khi có một lỗi điều khiển, các trục các trục di chuyển quá phạm vi thì công tắc giới hạn tác động để dừng các chuyển động đó. Công tắc là một bộ phận của mạch điện bên trong cánh tay Robot độc lập với bộ điều khiển.
Các trục từ 1 đến 4 có hai công tắc giới hạn. Trục 5 (lăn) không có giới hạn chuyển động nên nó có thể quay không ngừng. Khi một bàn kẹp đợc gắn vào trục 5thì sự chuyển động của nó chỉ đợc điều khiển và đợc giới hạn bởi phần mềm.
g.Công tắc cơ sở.
SCORBOT-ER9 một công tắc cơ sở quang trên mỗi trục để nhận dạng vị trí gốc hoặc vị trí chuyển đến cố định. Công tắc cơ sở đợc đặt trên đĩa giống nh công tắc giới hạn và một “cờ” đợc gắn tới đầu ra trục Harmonic.
Trong suốt thủ tục dẫn đờng, các khớp robot đợc chuyển động lần lợt kế tiếp nhau. Mỗi trục đợc chuyển động cho đến khi cờ ngắt chùm sáng. Khi điều đó xảy ra thì bộ tách sóng ở mỗi trục gửi một tín hiệu riêng tới bộ điều khiển. Trục động cơ tiếp tục quay cho đến khi encoder của trục sinh ra một xung kim. Điểm ở tại thời điểm xảy ra đó là vị trí trục gốc.
2.2.1.5.Teach pendant(TP)
Teach Pendant là một thiết bị điều khiển cầm tay liên kết trực tiếp với bộ điều khiển robot và cung cấp cho ngời vận hành điều khiển trực tiếp robot và các trục ngoại biên, khi ngời sử dụng chuyển sang chế độ điều khiển bằng Teach Pendant thì hệ thống sẽ cấm không cho phép điều khiển từ máy tính và ngợc lại.Trong phần bổ xung để điều khiển chuyển động của các trục, Teach Pendant đợc sử dụng để ghi các vị trí, dẫn các trục để ghi các vị trí và thực hiện các chức năng khác và có dạng nh hình vẽ:
H2.13:Thiết bị Teach Pendant.
Teach Pendant đợc trang bị một nút bấm EMERGENCY STOP, một bộ công tắc chuyển mạch AUTO/ TEACH, một DEADMAN và 25 phím chức