Chương 1: Tổng quan: Trình bày tổng quan cuốn báo cáo Chương 2: Cơ sở lí thuyết: Trình bày khái quát về khái niệm Robot, PLC, AC servo,module vị trí … , tổng quan về các phương pháp điều khiển vị trí Chương 3: Yêu cầu điều khiển và phương pháp thực hiện : Tính toán giải thuật và lựa chọn thiết bị phù hợp Chương 4 : Thi công hệ thống : Thi công phần cơ khí và phần điện Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển: Kết quả đạt được và hướng phát triển cho đề tài 3 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths.Lê Hoàng Lâm CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung về Robot 2. Tổng quan về Robot công nghiệp 2.1 Định nghĩa Robot công nghiệp là Robot được sử dụng trong sản xuất công nghiệp. Với đặc điểm có thể lập trình lại được, robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất linh hoạt Chức năng vận động bao gồm các hoạt động “cơ bắp” như vận chuyển, định hướng, xếp đặt, gá kẹp, lắp ráp,… đối tượng. Chức năng điều khiển ám chỉ vai trò của robot như một phương tiện điều hành sản xuất, cung cấp dụng cụ và vật liệu 2.2 Cấu tạo chung Hầu hết Robot công nghiệp hiện nay được cấu thành từ các hệ thống sau : Hình 2.
1 Sơ đồ hệ thống chung của Robot công nghiệp 4 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths.Lê Hoàng Lâm • Tay máy (Manipulator): là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (EndEffector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng • Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. • Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác.
Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường. • Hệ thống điều khiển (Controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.3 Phân loại Robot công nghiệp Với sự đa dạng của Robot trong rất nhiều lĩnh vực, có rất nhiều cách thức và tiêu chí để phân loại robot. Ở đề tài này nêu ra 2 cách phân loại cơ bản: ❖ Phân loại theo kết cấu tay gắp (hay theo hình học): robot đươc phân thành các loại đề các, trụ, cầu, SCARA, kiểu tay người và một số loại đặc biệt khác • Tay máy kiểu tọa độ đề các còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp trượt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục toạ độ. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật.
Do sự đơn giản về kết cấu, tay máy kiểu này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo léo. Vì vậy, tay máy kiểu đề các được dùng để vận chuyển và lắp ráp • Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với tay máy kiểu đề các ở khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. 10 Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy "thò" được vào khoang rỗng nằm ngang.
Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng • Tay máy kiểu tọa độ cầu khác kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được 5 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths.Lê Hoàng Lâm mô tả trong toạ độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn 2 loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với • SCARA được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại Trường đại học Yamanashi (Nhật bản) dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau.
Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững (Compliance) theo phương được chọn (Selective), là phương ngang. Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp (Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của "Selective Compliance Assembly Robot Arm" để mô tả các đặc điểm trên. Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng • Tay máy kiểu tay người (Anthropomorphic) có cả 3 khớp đều là các khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2 trục kia.
Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder joint), khớp thứ ba là khớp khuỷu (Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kết cấu này, không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo, nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu ❖ Phân loại theo điều khiển Có 2 kiểu điều khiển robot: điểu khiển hở và điều khiển kín.
• Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén,. ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. • Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tãng độ chính xác điều khiển.
Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường (contour). ➢ Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc). Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,.
6 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths.Lê Hoàng Lâm ➢ Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điểu khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn. Trong công nghiệp hiện nay SCARA Robot là lựa chọn phù hợp nhờ sự đơn giản trong thiết kế , dễ dàng điều khiển và sửa chữa. Có thể thay đổi chiều cao robot và tay gắp để thuận lợi cho việc thay đổi mục đích sử dụng.2 Giới thiệu SCARA Robot SCARA Robot (Selective Compliance Assembly Robot Arm) ra đời vào năm 1979, đây là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, được sử dụng nhiều trong các công việc lắp ráp hoặc sắp xếp tải trong theo phương thẳng đứng.
SCARA Robot bao gồm các phần chính là hai khớp quay và một khớp trượt có các trục song song với nhau. Trên mỗi khớp nối sẽ gắn động cơ để cung cấp moment điều khiển cánh tay. Kết cấu này cho phép tay máy vững chắc hơn theo phương thẳng đứng nhưng sẽ kém chắc chắn hơn theo phương ngang đòi hỏi tính toán moment kết nối và điều khiển chính xác để giảm độ giao động.3 Lý thuyết động học Bài toán động học robot bào gồm các bài toán về vị trí, gia tốc và vận tốc. Để giải quyết bài toán này cần xác định tọa độ gắn với các khớp quay và khớp tịnh tiến của Robot bao gồm bài toán động học thuận và động học nghịch.
Bài toán thuận nhằm xác định các quy luật chuyển động của điểm công tác cuối cụ thể là vị trí dựa vào các góc quay của của các khớp trước đó từ đó xác định được quy luật chuyển động của phần công tác.Ngược lại thì động học nghịch sẽ cho biết vị trí của điểm công tác để xác đinh 7 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths.Lê Hoàng Lâm góc xoay của mỗi khâu. Có thể giải động học robot bằng cách dùng trực tiếp hình học giải tích nhưng chỉ áp dụng được với những cơ cấu đơn giản. Để giải những bài toán tổng quát hơn t cần một thuật giải chung. Một trong những thuật giải như vậy xuất phát từ quy tắc Denavit-Hartenberg, được Denavit và Hartenberg xây dựng vào năm 1955.
Đó là quy tắc thiết lập hệ thống toạ độ trên các cặp khâu – khớp trên tay máy. Dựa trên hệ toạ độ này có thể mô tả các cặp bằng hệ thống các tham số, biến khớp và áp dụng một dạng phương trình tổng quát cho bài toán động học tay máy. Quy tắc Denavit-Hartenberg ( D-H) Giả sử trong chuỗi động học của tay máy có n khâu, khâu thứ i nối khớp thứ i với khớp thứ i+1 Hình 2. 3 Mổ tả tay máy 2 bậc Quy ước chọn gốc tọa độ cho robot: • Gốc của khâu thứ n nằm trên đường tâm của trục khớp thứ (n+1) và giao điểm của đường pháp tuyến chung 𝒂𝒏 8 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: Ths.Lê Hoàng Lâm • Nếu 2 trục cắt nhau thì gốc tại điểm cắt đó, nếu 2 trục song song thì 𝑶𝒏 nằm ở vị trí nào để thuận tiện cho quá trình tính toán • Chọn trục 𝒛𝒏 nằm dọc theo trục khớp thứ (n+1) • Trục 𝒙𝒏 nằm trùng pháp tuyến chung hướng từ trục khớp n đến khớp n+ 1 • Nếu 2 trục khớp cắt nhau thì ⃗⃗⃗⃗ 𝒙𝒏 = 𝒛 ⃗⃗⃗⃗𝒏 ∗ 𝒛 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝒏+𝟏 • Góc quay cùng chiều kim đồng hồ là chiều dương ngược lại là chiều âm Theo quy tắc Denavit-Hartenberg thì hệ toạ độ được gắn lên các khâu, khớp như sau: • Đặt trục tọa độ Zi dọc theo trục của khớp sau cùng (i+1) • Đặt gốc tọa độ Oi, tại giao điểm giữa Zi và pháp tuyến chung nhỏ nhất của Zi và Zi-1.
Giao điểm của pháp tuyến chung này với trục Zi-1 là gốc Oi’ của hệ 𝑶𝒊′ 𝒙𝒊′ 𝒚𝒊′ 𝒛𝒊′ .