Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh nền công nghiệp hiện đại của thế kỷ 21, sự phát triển của khoa học kỹ thuật và tự động hóa đã thúc đẩy ứng dụng máy móc nhằm thay thế con người trong các nhiệm vụ sản xuất từ đơn giản đến phức tạp, độc hại. Ngành Cơ điện tử đóng vai trò nền tảng trong việc làm chủ và phát triển các hệ thống thiết bị tự động. Đề tài "Thiết kế Robot SCARA 3 bậc tự do" được thực hiện trong khuôn khổ đồ án môn học Thiết kế hệ thống Cơ điện tử (mã học phần: ME5512, thời gian thực hiện 15 tuần) tại Viện Cơ khí, Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, do sinh viên Nguyễn Tiến Phát thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Mạc Thị Thoa (hoàn thành tháng 9 năm 2021).
Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được phân định cụ thể theo 3 nội dung chính:
- Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật hệ thống điều khiển: Tổng quan về hệ thống điều khiển robot SCARA, xác định nguyên lý hoạt động, nhận diện các thành phần cấu thành hệ thống và phân loại các bài toán điều khiển chuyển động.
- Thiết kế hệ thống điều khiển: Mô hình hóa toán học, xác định hàm truyền cho từng khớp truyền động; đánh giá tính ổn định của hệ thống bằng các tiêu chuẩn điều khiển tự động; mô phỏng và đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật; lựa chọn thiết bị phần cứng (cảm biến, thiết bị điều khiển, cơ cấu chấp hành) và thiết kế sơ đồ mạch điện nguyên lý.
- Lập trình điều khiển: Xây dựng chương trình điều khiển quỹ đạo gắp nhả vật trên nền tảng PLC và phát triển chương trình mô phỏng động lực học chuyển động 3D trên môi trường SimMechanics/Simscape.
Đối tượng nghiên cứu là tay máy robot SCARA có cấu trúc 3 bậc tự do (gồm 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến). Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc tính toán động học, động lực học dựa trên mẫu công nghiệp Denso HM-4A604G, mô hình hóa hàm truyền hệ thống trên MATLAB/Simulink và thiết kế hệ thống điều khiển phần cứng sử dụng PLC kết hợp Driver và động cơ Servo AC.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết nền tảng của ngành Robotics và Điều khiển học tự động:
- Phương pháp Denavit – Hartenberg (D-H): Sử dụng để gán hệ trục tọa độ lên các khâu khớp, thiết lập ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất phục vụ giải bài toán động học thuận và động học ngược của tay máy.
- Ma trận Jacobi ($J_q$): Phục vụ tính toán quan hệ vận tốc và gia tốc giữa không gian biến khớp và không gian thao tác của điểm tác động cuối.
- Phương trình vi phân Euler – Lagrange loại II: Sử dụng để thiết lập phương trình động lực học tổng quát của hệ thống nhiều khâu: $M(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + G(q) + Q = \tau$.
- Lý thuyết điều khiển tuyến tính: Mô hình hóa hàm truyền động cơ điện một chiều và cơ cấu vít me – đai ốc bi; khảo sát tính ổn định của hệ thống hở bằng tiêu chuẩn Routh và hệ thống kín bằng tiêu chuẩn Nyquist và tiêu chuẩn đồ thị Bode.
- Thuật toán điều khiển: Áp dụng phương pháp điều khiển mômen tính toán kết hợp bù sai số PD (PD Computed Torque Control) và bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID) độc lập cho từng khớp.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ triển khai bao gồm:
- Phương pháp mô hình hóa hình học và trích xuất tham số quán tính: Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks để tính toán chính xác khối lượng ($m$), vị trí khối tâm ($L_c$) và mômen quán tính chính trung tâm ($I_{zz}$) của từng khâu với vật liệu Thép C45.
- Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng động học, động lực học, kiểm tra đáp ứng quá độ và sử dụng công cụ PID Tuning để xác định các hệ số điều khiển.
- Phương pháp mô phỏng cơ học vật lý: Sử dụng công cụ SimMechanics (Simscape Multibody) để kiểm chứng mô hình chuyển động 3D và giao diện điều khiển trong chu trình gắp nhả 12,15 giây.
- Thiết kế phần cứng và lập trình công nghiệp: Xây dựng sơ đồ đấu nối điện điều khiển và lập trình chu trình hoạt động bằng các tập lệnh phát xung tốc độ cao trên PLC Mitsubishi FX3G-40MR/DS kết hợp hệ truyền động Panasonic Minas A5.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống điều khiển robot SCARA 3 bậc tự do được thiết kế với kiến trúc phân tầng điều khiển công nghiệp:
| Khối chức năng | Thành phần phần cứng / Phần mềm | Vai trò kỹ thuật |
|---|---|---|
| Khối điều khiển trung tâm | PLC Mitsubishi FX3G-40MR/DS | Nguồn cấp 24 VDC, 24 ngõ vào số (DI), 16 ngõ ra Relay (DO), 6 bộ đếm tốc độ cao max 60 kHz, 3 kênh phát xung tốc độ cao 100 kHz (Y0, Y1, Y2) và các chân định chiều quay (Y4, Y5, Y6). |
| Khối điều khiển công suất | Driver AC Servo Panasonic (Dòng Minas A5, họ Driver lớp B) | Tiếp nhận xung vị trí (PULS/SIGN) từ PLC, giải mã tín hiệu hồi tiếp Encoder tuyệt đối, điều khiển dòng điện cấp cho các pha U, V, W của động cơ. |
| Khối cơ cấu chấp hành | Động cơ AC Servo kết hợp hộp giảm tốc và trục vít me | Khâu 1: Động cơ servo tỉ số truyền $n_1 = 1/81$; Khâu 2: Động cơ servo tỉ số truyền $n_2 = 1/81$; Khâu 3: Động cơ servo dẫn động trục vít me đai ốc bi tỉ số truyền $n_3 = 1$. |
| Khối cảm biến và an toàn | Cảm biến hành trình (Endstop 1, 2, 3), nút bấm chức năng | Cung cấp tín hiệu giới hạn hành trình các trục và tín hiệu điều khiển hệ thống (ON, OFF, START, HOME) đưa vào các ngõ vào X1~X7 của PLC. |
Sơ đồ nguyên lý mạch điện xác định các kết nối quan trọng:
- Tín hiệu phát xung điều khiển vị trí: Chân phát xung Y0 (trục 3), Y1 (trục 2), Y2 (trục 1) nối tới chân nhận xung PULS1/PULS2 của Driver tương ứng.
- Tín hiệu chiều quay: Chân Y4 (trục 3), Y5 (trục 2), Y6 (trục 1) nối tới chân SIGN1/SIGN2 của Driver.
- Tín hiệu kích hoạt Servo: Chân Y10, Y11, Y12 xuất lệnh SRV-ON đến Driver để cấp nguồn điều khiển động cơ.
- Cấu hình Driver Servo: Thiết lập các tham số điều khiển vị trí (Pr0.05, Pr0.06, Pr0.07), điều khiển tốc độ (Pr4.35, Pr4.36, Pr3.12, Pr3.13, Pr3.14) và giới hạn mômen (Pr3.18, Pr3.19, Pr3.20, Pr4.22, Pr4.23, Pr4.25, Pr4.26, Pr3.21, Pr3.22, Pr3.15).
- Lập trình chu trình chuyển động: Khởi tạo hệ thống, đưa các trục về gốc chuẩn (Home: $q_1=0, q_2=0, q_3=0$), sau đó điều khiển khâu công tác di chuyển theo chu trình qua các điểm $A' \rightarrow A \rightarrow A' \rightarrow B' \rightarrow B \rightarrow B'$ thông qua các khối lệnh phát xung tuyệt đối với các toán hạng $S_1$ (số lượng xung), $S_2$ (tần số xung), $D_1$ (cổng phát xung) và $D_2$ (cổng tín hiệu hướng).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật hệ thống điều khiển
Chương 1 tổng quan về cấu trúc robot SCARA trong công nghiệp dựa trên mẫu đối chiếu Denso HM-4A604G. Tác giả phân loại bài toán điều khiển thành điều khiển thô (quỹ đạo hở/kín, điều khiển PTP, điều khiển contour) và điều khiển tinh (điều khiển lực, điều khiển trở kháng, điều khiển hỗn hợp khi robot tương tác với môi trường).
| Thông số kỹ thuật | Giá trị thiết kế / Tham chiếu HM-4A604G |
|---|---|
| Số trục / Bậc tự do | 3 bậc tự do chuyển động (2 quay, 1 tịnh tiến) |
| Tầm với tối đa | 600 mm (Chiều dài khâu 1: $a_1 = 250\text{ mm}$; Khâu 2: $a_2 = 350\text{ mm}$) |
| Phạm vi chuyển động | Khớp 1 (J1): $\pm 165^\circ$; Khớp 2 (J2): $\pm 147^\circ$; Khâu tịnh tiến 3 (Z): $0 \div 400\text{ mm}$ |
| Tải trọng tối đa | 20 kg |
| Vận tốc cực đại | Khớp 1: $450^\circ/\text{s}$ (75 rpm); Khớp 2: $667^\circ/\text{s}$ (111 rpm); Trục Z: $2780\text{ mm/s}$ |
| Độ chính xác lặp | Khớp J1 + J2: $\pm 0,02\text{ mm}$; Trục Z: $\pm 0,01\text{ mm}$ |
| Khối lượng toàn bộ | 56 kg |
Chương 2: Thiết kế hệ thống cơ khí
Chương này tập trung tính toán bậc tự do theo công thức $f = \lambda(n - k) + \sum_{i=1}^{k} f_i + f_C - f_p = 6(3 - 3) + 3 = 3$ bậc tự do.
- Thiết lập bảng thông số Denavit – Hartenberg: Khâu 1 ($\theta_1, d_1=300\text{ mm}, a_1=0,25\text{ m}, \alpha_1=0$), Khâu 2 ($\theta_2, d_2=100\text{ mm}, a_2=0,35\text{ m}, \alpha_2=0$), Khâu 3 ($\theta_3=0, d_3, a_3=0, \alpha_3=0$).
- Thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất $A_3^0$ và phương trình động học thuận: $x_E = a_2 \cos(\theta_1 + \theta_2) + a_1 \cos\theta_1$; $y_E = a_2 \sin(\theta_1 + \theta_2) + a_1 \sin\theta_1$; $z_E = d_1 + d_2 + d_3$.
- Giải phương trình động học ngược tìm các góc khớp $q_1, q_2, q_3$ thông qua $\cos\theta_2 = \frac{x_E^2 + y_E^2 - a_1^2 - a_2^2}{2a_1a_2}$ và hàm $\arctan$.
- Thiết lập ma trận Jacobi $J_q$, tính toán quan hệ vận tốc $\dot{q} = J_q^{-1} \dot{r}_E$ và gia tốc $\ddot{q} = J_q^{-1} [-\dot{J}_q \dot{q} + \ddot{r}_E]$.
- Thiết lập phương trình Lagrange loại II, tính toán ma trận khối lượng $M(q)$, ma trận Coriolis $C(q,\dot{q})$, ma trận trọng lực $G(q)$ và mô hình hóa khâu tải trọng thứ tư ($m_4 = m_t$).
- Trích xuất thông số vật liệu Thép C45 từ SolidWorks: Khâu 0 ($m_0 = 37,97\text{ kg}, I_{0zz} = 0,40\text{ kg}\cdot\text{m}^2$), Khâu 1 ($m_1 = 23,72\text{ kg}, L_{c1} = 0,13\text{ m}, I_{1zz} = 0,41\text{ kg}\cdot\text{m}^2$), Khâu 2 ($m_2 = 27,16\text{ kg}, L_{c2} = 0,13\text{ m}, I_{2zz} = 0,68\text{ kg}\cdot\text{m}^2$), Khâu 3 ($m_3 = 1,79\text{ kg}, I_{3zz} = 0,000117\text{ kg}\cdot\text{m}^2$).
Chương 3: Không gian làm việc và thiết kế quỹ đạo Robot
Chương 3 mô phỏng không gian làm việc hình học của robot trên MATLAB từ góc nhìn trên xuống và góc nhìn nghiêng dựa trên các phương trình động học thuận. Tác giả đặt ra yêu cầu quỹ đạo chuyển động phải ở dạng đa thức bậc cao nhằm đảm bảo tính liên tục của vị trí, không gây đột biến (bước nhảy) về vận tốc và gia tốc trong suốt quá trình dịch chuyển giữa các điểm làm việc.
Chương 4: Mô hình hóa các khâu của Robot
Chương 4 thực hiện mô hình hóa toán học động cơ servo DC và cơ cấu cơ khí cho từng khớp, xác định hàm truyền đạt và khảo sát tính ổn định:
| Khớp | Mômen quán tính & Giảm chấn | Hằng số động cơ | Hàm truyền đạt $G(s)$ | Kết quả kiểm tra ổn định |
|---|---|---|---|---|
| Khớp 1 | $J_{td1}$, $n_1 = 1/81$ | $K_m = 0,9\text{ N}\cdot\text{m/A}$, $K_e = 0,93\text{ V}\cdot\text{s/rad}$ | $G_1(s) = \frac{0,9}{9,989\cdot 10^{-6} s^3 + 0,003847 s^2 + 0,08105 s}$ | Routh: Cột 1 dương; Nyquist: Không bao $(-1+0j)$; Bode: $G_m > 0, P_m > 0$ $\rightarrow$ Hệ kín ổn định |
| Khớp 2 | $J_{l2} = 2,62\text{ kg}\cdot\text{m}^2$, $J_{m2}+J_{a2}=0,58$, $n_2=1/81$, $B_{m2}=2,22\cdot 10^{-4}$, $B_{l2}=0,01$ | $K_m = 0,8\text{ N}\cdot\text{m/A}$, $K_e = 0,8\text{ V}\cdot\text{s/rad}$ | $G_2(s) = \frac{0,8}{2,927\cdot 10^{-6} s^3 + \dots}$ | Routh, Nyquist, Bode thỏa mãn $\rightarrow$ Hệ kín ổn định |
| Khớp 3 | $J_{l3} = 3,4096$, $J_{m3}+J_{a3}=0,58$, $n_3=1$, $B_{m3}=2,22\cdot 10^{-4}$, $B_{l3}=0,01$ | $K_m = 0,8\text{ N}\cdot\text{m/A}$, $K_e = 0,8\text{ V}\cdot\text{s/rad}$ | $G_3(s) = \frac{0,016}{1,183\cdot 10^{-6} s^3 + \dots}$ | Routh, Nyquist, Bode thỏa mãn $\rightarrow$ Hệ kín ổn định |
Mô phỏng đáp ứng bước nhảy đơn vị $1(t)$ trên Simulink ghi nhận: Sai lệch tĩnh $e_{st} = 0$, độ vọt lố $\sigma% = 0%$ cho cả 3 khớp; thời gian tăng $t_r$ lần lượt là $2,03\text{ s}$ (khớp 1), $1,75\text{ s}$ (khớp 2), $1,81\text{ s}$ (khớp 3); thời gian xác lập $t_s$ lần lượt là $3,63\text{ s}$, $3,13\text{ s}$ và $3,22\text{ s}$.
Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 5 xây dựng và so sánh hai phương pháp điều khiển chuyển động:
- Phương pháp điều khiển PD theo mômen: Luật điều khiển bù phi tuyến $\tau = M(q)(\ddot{q}_d - K_v \dot{e} - K_p e) + C(q,\dot{q})\dot{q} + G(q)$ giúp triệt tiêu các thành phần động lực học phi tuyến, giữ cho sai số bám quỹ đạo tiến về 0.
- Phương pháp điều khiển PID độc lập từng khớp: Sử dụng công cụ PID Tuning trên MATLAB để tối ưu bộ tham số điều khiển:
- Khớp 1: $K_p = 3,235$; $K_i = 163,136$; $K_d = 0,0157$.
- Khớp 2: $K_p = 3,122$; $K_i = 210,739$; $K_d = 0,0091$.
- Khớp 3: $K_p = 34731,850$; $K_i = 840949,615$; $K_d = 109,2343$.
Kết quả mô phỏng cho thấy đồ thị đáp ứng bám sát hoàn toàn quỹ đạo chu trình gắp nhả với sai số biến khớp ở mức rất nhỏ.
Chương 6: Mô phỏng nguyên lý hoạt động (SIMMECHANICS)
Chương 6 xây dựng mô hình mô phỏng 3D trên môi trường MATLAB SimMechanics/Simscape hoàn thành chu trình gắp nhả vật trong thời gian 12,15 giây. Tác giả thiết kế bảng điều khiển trực quan (GUI Control Panel) tích hợp các chức năng:
- Hiển thị và nhập thông số điều khiển theo biến khớp hoặc tọa độ điểm thao tác.
- Nút Home đưa robot về gốc tọa độ $(0,0,0)$.
- Nút Hold điều khiển kẹp phôi.
- Hệ thống đèn báo trạng thái hiển thị tính đồng bộ của tọa độ và trạng thái kẹp.
Chương 7: Lựa chọn thiết bị và thiết kế mạch điều khiển
Chương 7 hiện thực hóa hệ thống phần cứng với các thiết bị công nghiệp:
- Lựa chọn động cơ AC Servo và Driver Panasonic dòng Minas A5 họ B.
- Lựa chọn bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3G-40MR/DS.
- Phân tích chi tiết quy trình xử lý tín hiệu và thiết lập các thông số cài đặt driver cho 3 chế độ: Điều khiển vị trí (nhận xung tốc độ cao 500 kpps / 4 Mpps), điều khiển tốc độ (lệnh điện áp analog và đường cong S Sigmoid qua Pr3.12~Pr3.14), điều khiển mômen (giới hạn dòng điện và kẹp không tốc độ qua Pr3.18~Pr3.22).
- Thiết kế bản vẽ sơ đồ đấu dây nguyên lý mạch điện (khí cụ đóng cắt CD1, CC1, nút bấm, công tắc hành trình, PLC, Driver) và lập trình điều khiển phát xung định vị chu trình 8 bước.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể sau:
- Xây dựng đầy đủ mô hình toán học giải tích: Thiết lập hệ phương trình động học thuận, động học ngược, ma trận Jacobi và phương trình vi phân động lực học Euler – Lagrange loại II có xét đến tải trọng ngoài ($m_4 = 20\text{ kg}$).
- Trích xuất chính xác bộ thông số cơ học của hệ thống với vật liệu Thép C45: Tổng khối lượng các khâu động đạt hơn $52\text{ kg}$ (Khâu 1: $23,72\text{ kg}$, Khâu 2: $27,16\text{ kg}$, Khâu 3: $1,79\text{ kg}$).
- Khảo sát và chứng minh tính ổn định lý thuyết: Hàm truyền vòng hở và vòng kín của 3 khớp chuyển động đều thỏa mãn đồng thời 3 tiêu chuẩn Routh, Nyquist và Bode ($G_m > 0, P_m > 0$), đáp ứng bước nhảy triệt tiêu sai lệch tĩnh ($e_{st} = 0$) và không có độ vọt lố ($\sigma% = 0%$).
- Xác định chính xác bộ hệ số điều khiển PID cho 3 trục khớp bằng công cụ PID Tuning Tool, cho phép bám sát quỹ đạo chuyển động gắp nhả.
- Phát triển mô hình mô phỏng vật lý 3D trên SimMechanics với chu trình hoàn chỉnh trong 12,15 giây và xây dựng giao diện bảng điều khiển tích hợp.
- Hoàn thiện thiết kế phần cứng: Lựa chọn đồng bộ cấu hình PLC Mitsubishi FX3G-40MR/DS và hệ truyền động AC Servo Panasonic Minas A5, lập bảng tham số cấu hình driver chi tiết và thiết kế sơ đồ đấu nối điện điều khiển.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Các tính toán động lực học được xây dựng dựa trên giả định các khâu là thanh đồng chất có tiết diện ngang không đáng kể và bỏ qua ma sát phi tuyến phức tạp tại các khớp xoay/bộ truyền vít me; hệ thống điều khiển mới dừng lại ở mức độ thiết kế sơ đồ mạch điện, lập trình thuật toán và mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink/SimMechanics, chưa tiến hành chế tạo cơ khí và lắp ráp mô hình phần cứng thực nghiệm.
- Hướng nghiên cứu tiếp: Gia công chế tạo khung cơ khí thực tế để kiểm nghiệm phần cứng; tích hợp cảm biến lực/mômen đa trục ở khâu tác động cuối nhằm triển khai các thuật toán điều khiển lực và điều khiển trở kháng khi tiếp xúc với môi trường làm việc; mở rộng giao tiếp truyền thông công nghiệp (RS485, CC-Link, Ethernet) kết nối PLC với màn hình giao diện HMI hoặc hệ thống giám sát SCADA.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Tự động hóa và Cơ khí chế tạo máy khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về tay máy công nghiệp. Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:
- Quy trình giải bài toán động học ngược giải tích và phương pháp ma trận Lagrange loại II trong tính toán động lực học tay máy SCARA.
- Phương pháp mô hình hóa toán học hệ truyền động động cơ servo kết hợp hộp giảm tốc và cơ cấu vít me – đai ốc bi trên không gian biến đổi Laplace.
- Tài liệu tra cứu tham số cài đặt các chế độ điều khiển (Vị trí, Vận tốc, Mômen) của dòng Driver Panasonic Minas A5 và kỹ thuật lập trình lệnh phát xung định vị tuyệt đối trên dòng PLC Mitsubishi FX3G.
Câu hỏi thường gặp
1. Cấu hình hình học và không gian làm việc của robot SCARA trong đồ án được thiết kế với các thông số nào?
Robot có cấu hình 3 bậc tự do với 2 khớp quay phẳng và 1 khớp tịnh tiến thẳng đứng. Chiều dài khâu 1 là $a_1 = 250\text{ mm}$, khâu 2 là $a_2 = 350\text{ mm}$, cho tầm với tối đa đạt $600\text{ mm}$. Miền chuyển động của các khớp gồm: Khớp 1 xoay $\pm 165^\circ$, Khớp 2 xoay $\pm 147^\circ$, và trục tịnh tiến 3 di chuyển trong phạm vi $0 \div 400\text{ mm}$. Tải trọng thiết kế tối đa đạt $20\text{ kg}$.
2. Mô hình toán học động lực học của robot được xây dựng theo phương pháp nào và xử lý khâu tải trọng ra sao?
Mô hình động lực học được thiết lập theo phương trình vi phân Euler – Lagrange loại II: $M(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + G(q) = \tau$. Khi robot gắp tải, vật gắp được mô hình hóa như một khâu thứ tư có khối lượng $m_4 = m_t$ gắn tại vị trí điểm tác động cuối ($J_{T4} = J_{T3}, J_{R4} = J_{R3}$) với mômen quán tính khối được coi là không đáng kể ($\Theta_{C4} = 0$).
3. Chất lượng đáp ứng quá độ của các khớp chuyển động trên mô hình Simulink đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật nào?
Mô phỏng hệ kín với tín hiệu đặt bước nhảy đơn vị $1(t)$ cho thấy hệ thống đạt trạng thái xác lập với sai lệch tĩnh $e_{st} = 0$ và độ vọt lố $\sigma% = 0%$ ở cả 3 khớp. Thời gian tăng trưởng ($t_r$) đạt $2,03\text{ s}$ (khớp 1), $1,75\text{ s}$ (khớp 2), $1,81\text{ s}$ (khớp 3); thời gian xác lập ($t_s$) lần lượt là $3,63\text{ s}$, $3,13\text{ s}$ và $3,22\text{ s}$.
4. Bộ thông số điều khiển PID cho 3 trục khớp của robot được xác định cụ thể là bao nhiêu?
Thông qua công cụ hỗ trợ PID Tuning Tool trong MATLAB, các hệ số điều khiển PID tối ưu cho từng trục khớp được xác định như sau:
- Khớp 1: $K_p = 3,235$; $K_i = 163,136$; $K_d = 0,0157$.
- Khớp 2: $K_p = 3,122$; $K_i = 210,739$; $K_d = 0,0091$.
- Khớp 3: $K_p = 34731,850$; $K_i = 840949,615$; $K_d = 109,2343$.
5. Cấu hình phần cứng điều khiển thực tế và cơ chế phát xung điều khiển vị trí được thiết kế như thế nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3G-40MR/DS kết hợp hệ truyền động AC Servo và Driver Panasonic Minas A5 họ B. PLC điều khiển vị trí các trục thông qua các chân phát xung tốc độ cao $Y0, Y1, Y2$ (tần số tối đa 100 kHz) và các chân điều khiển chiều quay $Y4, Y5, Y6$, giao tiếp với các cổng nhận xung bộ ghép quang (PULS/SIGN) trên Driver Servo.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế Robot SCARA 3 bậc tự do" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu thiết kế một hệ thống Cơ điện tử từ khâu tính toán lý thuyết động học, động lực học Lagrange II đến mô hình hóa hàm truyền và khảo sát tính ổn định hệ thống trên MATLAB/Simulink. Công trình đã chứng minh tính hiệu quả của các thuật toán điều khiển PD theo mômen và PID thông qua mô phỏng 3D trên SimMechanics với chu trình gắp nhả 12,15 giây. Đồng thời, đồ án đã hoàn thiện giải pháp thiết kế phần cứng công nghiệp kết hợp giữa PLC Mitsubishi FX3G và hệ truyền động AC Servo Panasonic, tạo cơ sở khoa học và kỹ thuật phục vụ việc chế tạo và triển khai thực tế.