CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA 1. Giới thiệu chung về robot SCARA SCARA là viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm hoặc Selective Compliance Articulated Robot Arm. Năm 1981, Sankyo Seiki, Pentel và NEC đã trình bày môt khái niệm hoàn toàn mới về robot lắp ráp. Robot được phát triển dưới sự hướng dẫn của Hiroshi Makino, giáo sư tại Đại học Yamanashi.
Robot được gọi là “Cánh tay robot lắp ráp tuân thủ có chọn lọc, SCARA”. Robot có 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến. Cả 3 khớp đều có trục song song với nhau, trong đó: 2 khớp đầu không tịnh tiến được, chỉ có thể quay trong mặt phẳng song song với mặt phẳng XY (mặt phẳng nằm ngang), khớp thứ 3 là khớp tịnh tiến theo phương Z (phương vuông góc với mặt phẳng nằm ngang). Điều này khá thuận lợi cho các kiểu gắp hay lắp ráp trên mặt phẳng XY.
Một số loại robot SCARA 1. Ưu nhược điểm của robot SCARA 1. Ưu điểm Tốc độ: Được thiết kế tự động hóa hoạt động và có lập trình sẵn, tốc độ của SCARA tốt hơn nhiều so với tốc độ của con người. Robot không ngại hầu hết các điều kiện làm việc, vẫn có thể đảm bảo được tốc độ như cài đặt dù trong môi trường nhiệt độ cao hay hóa chất.
Độ chính xác cao: Khi yêu cầu của doanh nghiệp là kiểm soát các lực với độ chính xác cao thì SCARA có lợi thế nổi bật hơn hẳn. Ví dụ: trong cơ khí chế tạo máy hay lắp ráp điện tử, quy trình lắp ráp yêu cầu phải chèn 1 chốt, đảm bảo nó được gài đúng cách thì việc căn chỉnh chính xác để thực hiện là một vấn đề. Robot SCARA 4 có thể thao tác chính xác với lực phù hợp, vừa đảm bảo hoàn thành công việc vừa không ảnh hưởng đến các linh kiện hay thiết bị cần hoàn thiện. Độ lặp lại: Một công việc mang tính lặp đi lặp lại sẽ khiến con người cảm thấy rất mệt mỏi và chán nản.
Thậm chí thái độ làm việc cũng sẽ bị tác động không nhỏ. Tuy nhiên, robot SCARA hoàn toàn có thể khắc chế được các vấn đề này. Đây là ưu điểm chung của robot, do đó robot ngày càng được nghiên cứu mở rộng để thay thế con người trong những công việc chân tay mang tính tuần hoàn liên tục. Nhược điểm Nhược điểm của SCARA nằm ở độ linh hoạt của trục Z do bị cố định chuyển động của trục Z ở 2 khâu đầu.
Một điểm lưu ý nữa là SCARA là robot có tải trọng khá thấp, thường dưới 30 kg. Nguyên lí hoạt động Robot SCARA được chế tạo theo mô hình một chiếc tay máy. Về nguyên lý hoạt động, nó cũng giống như cánh tay của con người. Cánh tay máy sẽ tạo nên các chuyển động cơ bản.
Cổ tay có chức năng tạo nên sự khéo léo, linh hoạt. Bàn tay sẽ trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng cần tác động. SCARA robot được truyền động thông qua động cơ. Ví dụ như điện, thủy lực, khí nén, thậm chí là sự kết hợp của các động cơ này.
Tùy vào từng điều kiện hoạt động, các nhà sản xuất sẽ tiến hành thiết kế robot SCARA với những hệ thống cảm biến khác nhau. Tuy nhiên, tất cả chúng đều sẽ được điều khiển bởi hệ thống điều khiển, chính là các máy tính giám sát và điều khiển hoạt động của SCARA. Các yêu cầu của robot trong đồ án - Không gian làm việc của các khớp: • Joint 1: ±1500 • Joint 2: ±1400 • Joint 3: 203mm - Tốc độ tối đa của các khớp • Joint 1: 6500/giây • Joint 2: 9200 /giây • Joint 3: 1200 mm/giây - Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, chúng ta có những điểm sau đây: • Robot SCARA 3 bậc tự do. • Tải trọng: 5 kg.
5 • Tầm với: 800mm. • Chiều dài các khâu 1, 2, 3 lần lượt là: L1 = 510mm, L2 = 450mm, L3 = 420mm • Khối lượng các khâu 1, 2, 3 lần lượt là: m1 = 15kg, m2 = 10kg, m3 = 5kg • Sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc cho khâu tịnh tiến. Các thành phần trong hệ thống điều khiển 1. Động cơ Động cơ servo hay còn gọi là servo motor là một loại máy móc chuyên dùng để cung cấp cơ năng cho một thiết bị, dây chuyền hay cơ cấu nào đó trong quá trình sản xuất và chế tạo.
Chúng có nhiệm vụ cung cấp lực cho các dây chuyền hay các cơ cấu khác hoạt động theo. Servo motor có khả nằng điều khiển sự thay đổi nhanh về vị trí và tốc độ. Đĩa quay của servo motor có thể thực hiện sự quay liên tục giống với động cơ DC thông thường. Ngoài ra còn có servo motor sử dụng dòng điện xoay chiều, khi đó tốc độ quay của motor phụ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều.
Cảm biến Cảm biến là thiết bị nhận kích thích từ đại lượng vật lí và trả về tín hiệu điện. Cảm biến thường gồm 1 phần tử nhạy cảm với kích thích từ đại lượng vật lí và 1 thành phần chuyển đổi tín hiệu (chuyển đổi tín hiệu tạo ra từ phần tử nhạy cảm thành tín hiệu điện mà các hệ thống đo và thu thập dữ liệu có thể xử lí). Với hệ thống càng phức tạp thì càng cần có nhiều cảm biến. Encoder: Encoder là cảm biến phản hồi cơ bản cho điều khiển động cơ.
Sử dụng encoder sẽ trả về vị trí, tốc độ quay của động cơ qua xung. Encoder đi cùng với động cơ servo như 1 thành phần phản hồi sẽ giúp cho việc điều khiển robot thuận lợi hơn. Công tắc hành trình: Công tắc hành trình hay còn gọi là công tắc giới hạn hành trình là dạng công tắc dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động. Nó có cấu tạo như công tắc điện bình thường nhưng có thêm cần tác động để cho các bộ phận chuyển động tác động vào làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong nó.
Công tắc hành trình là loại không duy trì trạng thái, khi không còn tác động sẽ trở về vị trí ban đầu. Một sự lựa chọn khác thay thế cho công tắc hành trình là sử dụng 6 cảm biến tiệm cận để giới hạn góc quay của khâu 1, 2 và hành trình của khâu 3. Ưu điểm của cảm biến tiệm cận so với công tắc hành trình là không cần tiếp xúc mới có tín hiệu ra, giúp hạn chế va chạm. Bộ nguồn Thực tế không thể điều khiển trực tiếp động cơ servo công suất lớn trực tiếp từ bộ vi điều khiển vì nguồn ra của vi điều khiển nhỏ, vì vậy cần một bộ điều khiển (driver) cho servo motor, với nguồn cấp cho driver này phải đủ lớn để đảm bảo cường độ dòng ra điều khiển động cơ.
Bộ điều khiển động cơ Tùy với mỗi hãng sản suất servo motor sẽ có bộ driver riêng để điều khiển. Trong bộ driver sẽ có đầu kết nối với servo motor, rắc cắm cho thành phần phản hồi (feedback) encoder, và các đầu cấp nguồn, thêm vào đó là các điểm giao tiếp với máy tính hay vi điều khiển (RX, TX). Bộ driver DYN2 AC Servo Drive hãng DMM (Dynamic Motor Motion) – (hình dưới) có một số tính chất như sau: • Điện áp hoạt động + 60 VDC (nhỏ nhất: 24 VDC, lớn nhất 75 VDC). • Có khả năng điều khiển theo vị trí, tốc độ, và momen.
• Giao tiếp nhanh với absolute encoder. • Giao tiếp RS232 qua cổng UART với máy tính và vi điều khiển. • Có ứng dụng trong máy công cụ nhỏ và vừa, máy CNC, Robotics, … Hình 1. AC servo driver DYN2 (trái) và DYN4 (phải) 1.
Giao tiếp với bộ điều khiển Đối với kết nối qua máy tính: dùng cáp kết nối như RS232 và sử dụng phần mềm để giao tiếp. Đối với kết nối qua vi điều khiển: dùng dây nối giữa các chân RX, TX của vi điều khiển với driver, xuất code sang vi điều khiển để driver có thể hoạt động tự động. Ví dụ sử dụng vi điều khiển arduino Mega. (trái) dây cáp RS232, (phải) máy tính laptop, (dưới) arduino MEGA Trong đồ án này, em sử dụng PLC FX-3G-14MT của hãng Mitsubishi để nhận tín hiệu từ cảm biến, điều khiển động cơ.
PLC được kết nối với máy tính bằng cable USB-SC09. 8 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC 2. Tính toán động học 2. Tính toán động học thuận Thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg Hình 2.
Sơ đồ động học robot SCARA 3 bậc tự do Biến khớp: q = [q1 q2 q 3 ]T q1 ∈ [−150o ; 150o ] Miền giá trị biến khớp:{q2 ∈ [−140o ; 140o ] q3 ∈ [0; 203mm] 9 Khâu 𝜃 d a 𝛼 1 q1 d1 a1 0 2 q2 d2 a2 0 3 0 q3 0 0 Bảng 2. Bảng D-H Ma trận biến đổi thuần nhất tương đối giữa 2 khâu liên tiếp là: Hình 2. Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất giữa 2 khâu liên tiếp Nguồn: Slide chương 4_Phương trình động học robot – TS. Đinh Hồng Bộ Dựa vào ma trận trong hình 2.2, thay tương ứng các thông số trong bảng D-H ta được: cos q1 − sin q1 0 a1 cos q1 sin q1 cos q1 0 a1 sin q1 A01 = [ ] 0 0 1 d1 0 0 0 1 cos q2 − sin q2 0 a2 cos q2 sin q2 cos q2 0 a2 sin q2 A12 = [ ] 0 0 1 d2 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 A23 = [ ] 0 0 1 q3 0 0 0 1 Ma trận biến đổi thuần nhất của các khâu so với khâu cố định là: cos q1 − sin q1 0 a1 cos q1 sin q1 cos q1 0 a1 sin q1 T10 = A01 = [ ] 0 0 1 d1 0 0 0 1 10 cos q12 − sin q12 0 a2 cos q12 + a1 cos q1 sin q12 cos q12 0 a2 sin q12 + a1 sin q1 T20 = A01 A12 = [ ] 0 0 1 d1 + d2 0 0 0 1 cos q12 − sin q12 0 a2 cos q12 + a1 cos q1 sin q12 cos q12 0 a2 sin q12 + a1 sin q1 T30 = A01 A12 A23 = [ ] 0 0 1 d1 + d2 − q3 0 0 0 1 Với: q12 = q1 + q2 x = a2 cos q12 + a1 cos q1 Toạ độ điểm tác động cuối là: { y = a2 sin q12 + a1 sin q1 z = d1 + d2 − q3 2.
Tính toán động học ngược Bài toán động học ngược có vai trò rất quan trọng trong lập trình và điều khiển chuyển động của robot bởi vì trong thực tế thường cần điều khiển robot sao cho tay kẹp di chuyển tới các vị trí nhất định trong không gian thao tác theo một quy luật nào đó.