Đồ án Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA GVHD: TS. CÁI VIỆT ANH DŨNG SVTH: TRƯƠNG ĐĂNG KHOA MSSV: 11911009 SVTH: NGÔ VĂN TỬNG MSSV: 11911027 S K L 0 0 4 2 7 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA” Giảng viên hướng dẫn: TS. CÁI VIỆT ANH DŨNG Sinh viên thực hiện: Tên MSSV Lớp Khóa TRƯƠNG ĐĂNG KHOA 11911009 119110B 2011-2016 NGÔ VĂN TỬNG 11911027 119110B 2011-2016 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS. Cái Việt Anh Dũng Sinh viên thực hiện: Trương Đăng Khoa MSSV: 11911009 Ngô Văn Tửng MSSV: 11911027 1. Tên đề tài: Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: 3. Nội dung chính của đồ án: 4. Các sản phẩm dự kiến 5. Ngày giao đồ án: 6. Ngày nộp đồ án: TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) ii
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA. - GVHD: TS. Cái Việt Anh Dũng - Họ tên sinh viên: Trương Đăng Khoa - MSSV: 11911009 Lớp: 119110B - Địa chỉ sinh viên: Xã Long Mỹ, Huyện Giồng Trôm, Tỉnh Bến Tre. - Số điện thoại liên lạc: 0978635485 - Email: dangkhoa1612@hotmail.com - Họ tên sinh viên: Ngô Văn Tửng - MSSV: 11911027 Lớp: 119110B - Địa chỉ sinh viên: Xã Truông Mít, Huyện Dương Minh Châu, Tỉnh Tây Ninh. - Số điện thoại liên lạc: 01659121851 - Email: ngovantung0905@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày . tháng . năm 2016 Ký tên Trương Đăng Khoa Ngô Văn Tửng iii
5. LỜI CẢM ƠN Trước tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM nói chung và các thầy cô giáo trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, bộ môn Cơ Điện Tử nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua. Được sự cho phép của ban lãnh đạo khoa Cơ khí chế tạo máy trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM, sự đồng ý của Giảng viên hướng dẫn TS.Cái Việt Anh Dũng, chúng em đã quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA” trong thời gian vừa qua. Đặc biệt chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Cái Việt Anh Dũng, thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Trong thời gian làm việc với thầy, chúng em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và làm việc sau này. Sau cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành đồ án. Tp. Hồ Chí Minh, ngày . tháng . năm 2016 Nhóm sinh viên thực hiện Trương Đăng Khoa Ngô Văn Tửng iv
6. TÓM TẮT ĐỒ ÁN TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA Robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm hoặc Selective Compliant Articulated Robot Arm) là một trong những loại robot được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, hoạt động ổn định với tốc độ rất cao nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất tự động hóa trong thời buổi công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay việc thiết kế, chế tạo và điều khiển Robot SCARA còn nhiều hạn chế như: vật liệu chế tạo; kỹ thuật lắp ráp; về thuật toán điều khiển tốc độ của robot còn chậm chưa đáp ứng được yêu cầu tự động hóa trong công nghiệp. Đề tài này tập trung vào việc lập trình điều khiển Robot SCARA, hoàn thiện khớp thứ 4 (khớp xoay) đồng thời gắn thêm phễu hút vào đầu cơ cấu làm việc của robot dùng để hút bi sắt bỏ vào khuôn, robot sẽ hút bi sắt từ khuôn 1 di chuyển và bỏ bi sắt vào khuôn 2 với tốc độ cao. Hệ thống phễu hút hoạt động nhờ vào hệ thống khí nén. Đề tài này được thực hiện trong bối cảnh nhóm nghiên cứu Cơ Điện Tử ứng dụng – Bộ môn Cơ Điện Tử đang thực hiện mục tiêu tiếp cận với nền robot công nghiêp của thế giới. Ở đề tài này, nhóm được giao nhiệm vụ “Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA”. Nhằm hướng đến việc điều khiển Robot SCARA chạy với tốc độ cao theo thuật toán điều khiển vị trí, đồng thời hướng đến mục tiêu đưa Robot SCARA vào trong sản xuất thực tiễn trong công nghiệp đáp ứng nhu cầu của cuộc sống. Nhóm sinh viên thực hiện Trương Đăng Khoa Ngô Văn Tửng v
7. ABSTRACT SUBJECT: RESEARCH PLANS AND CONTROL ROBOT SCARA Robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm Robot Arm or Selective Compliant Articulated) is one type of robot is used very commonly in industry, stable operation with very high speed to meet the demands of production automation in modern industry times. However, in Vietnam at present the design, manufacture and SCARA Robot control is still limited, such as manufacturing materials; assembly techniques; the control algorithm of the robot velocity is slow not meet the requirements of industrial automation. The theme day focuses on programming control SCARA Robotcomplete the 4th joints (rotary joints) and attach suction hopper on top of the robot working structure to absorb steel balls put into the mold, the robot will suck steel balls from mold 1 moves and put into molds 2 steel balls at high speed. Hopper suction system works thanks to the compressed air system. This topic is done in the context of the research group Application Mechatronics - Mechatronics Division is implementing a targeted approach with base of the world's industry robots. On this topic, the group tasked to "Design, manufacture and control SCARA Robot". Aim to control SCARA Robot running at high speed according to the position control algorithm, while aiming to bring into production SCARA Robot practices in the industry to meet the needs of life. vi
8. MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỜI CAM KẾT iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC BẢNG BIỂU xi DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Định nghĩa và giới thiệu về Robot SCARA 1 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3 1.5 Giới hạn đề tài 3 1.6 Phương pháp nghiên cứu 3 1.7 Một số loại Robot SCARA của các hãng sản xuất 4 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ROBOT 6 2.1 Sự phát triển của robot công nghiệp 6 2.2 Phân loại robot công nghiệp 7 2.2.1 Phân loại theo kết cấu 7 2.2.2 Phân loại theo phương pháp điều khiển 7 2.2.3 Phân loại theo ứng dụng 8 2.3 Tình hình nghiên cứu Robot SCARA ở nước ngoài 8 2.3.1 Phương pháp nghiên cứu 8 2.3.2 Thành tựu đạt được 8 2.4 Tình hình nghiên cứu Robot SCARA trong nước 9 2.4.1 Phương pháp nghiên cứu 9 vii
9. 2.4.2 Thành tựu đạt được 10 2.5 Một số ứng dụng thực tế của Robot SCARA trong công nghiệp 10 CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 3.1 Thông số kỹ thuật của Robot SCARA 12 3.1.1 Cấu hình của Robot SCARA 12 3.1.2 Giới hạn không gian làm việc 13 3.2 Động học Robot 14 3.2.1 Qui tắc Denavit Hartenberg 15 3.2.2 Động học thuận Robot SCARA 16 3.2.3 Động học nghịch Robot SCARA 19 3.2.4 Jacobian 20 3.3 Thiết bị khác trong Robot SCARA 20 3.3.1 Động cơ DC Servo 21 3.3.2 Các thiết bị khí nén 21 3.3.3 Bi và khuôn đựng bi 21 3.3.3.1 Khuôn đựng bi 21 3.3.3.2 Thông số bi thép 23 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ VÀ BỔ SUNG KHỚP THỨ 4 24 4.1 Giới thiệu chung về bộ truyền đai 24 4.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ truyền đai 24 4.1.2 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng 24 4.2 Lựa chọn động cơ 25 4.2.1 Cấu tạo động cơ 25 4.2.2 Thông số động cơ 25 4.3 Lựa chọn bộ truyền đai 26 4.3.1 Các loại dây đai 26 4.3.2 Kết luận 27 4.4 Tính toán thông số bộ truyền đai 27 4.4.1 Các thông số hình học chính của bộ truyền đai 27 4.4.1.1 Đường kính bánh đai 27 viii
10. 4.4.1.2 Góc ôm 27 4.4.1.3 Chiều dài đai 28 4.4.1.4 Khoảng cách trục 28 4.4.2 Cơ học truyền động đai 28 4.4.2.1 Chọn loại đai và tiết diện đai 28 4.4.2.2 Vận tốc và tỉ số truyền 30 4.4.2.3 Phân tích lực tác dụng lên đai 31 4.4.2.4 Ứng suất trong đai 32 4.5 Hình ảnh 3D khớp thứ 4 32 4.5.1 Bánh đai chủ động 32 4.5.2 Bánh đai bị động 33 4.5.3 Dây đai 33 4.5.4 Giá đỡ động cơ 34 4.5.5 Bộ truyền đai khớp thứ 4 34 CHƯƠNG 5. THI CÔNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN VÀ THUẬT TOÁN 36 5.1 Thiết kế và thi công mạch DC Servo Driver 36 5.1.1 Sơ đồ nguyên lý 36 5.1.2 Mạch in & mô phỏng 38 5.1.3 Tính năng 38 5.2 Thuật toán điều khiển 39 5.2.1 Thuật toán lập trình trên vi điều khiển 39 5.2.1.1 Điều khiển vị trí 39 5.2.1.2 DC Servo Driver 45 5.2.1.3 Mạch hồi tiếp encoder 49 5.2.2 Giao diện giao tiếp trên máy tính 53 CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, PHÂN TÍCH – TỔNG HỢP 56 6.1 Di chuyển điểm 56 6.2 Di chuyển theo quy trình 63 6.3 Ứng dụng di chuyển bi thép 63 CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 66 ix
11. 7.1 Ưu điểm 66 7.2 Nhược điểm 66 7.3 Hướng phát triển 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC A. MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN TỬ KHÁC 69 PHỤC LỤC B. BỘ TRUYỀN HARMONIC GEAR 76 PHỤ LỤC C. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 78 x
12. DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1: Thông số Denavit - Hartenberg 16 Bảng 3.2: Tham số Denavit-Hartenberg của Robot SCARA 17 Bảng 3.3: Thông số động cơ 21 Bảng 3.4: Thông số thiết bị khí nén 21 Bảng 4.1: Thông số động cơ DC Servo NC5475E 26 Bảng 4.2: Tra dây đai theo tiêu chuẩn 29 Bảng 5.1: Sơ đồ chân sử dụng lập trình - điều khiển 39 Bảng 5.2: Ý nghĩa trong chuỗi dữ liệu nhận từ máy tính 42 Bảng 6.1: Bảng tọa độ di chuyển của đầu công tác Robot SCARA 63 Bảng 6.2: Bảng tọa độ đáp ứng của đầu công tác 64 xi
13. DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Một số loại Robot SCARA của các hãng 5 Hình 2.1: Robot SCARA 9 Hình 2.2: Mô hình robot SCARA 10 Hình 3.1: Mô hình Robot SCARA trong Solidworks 12 Hình 3.2: Thông số kích thước của Robot SCARA 13 Hình 3.3: Giới hạn làm việc của khớp 1 và 2 14 Hình 3.4: Giới hạn làm việc của khớp 3 và 4 14 Hình 3.5: Định nghĩa hệ toạ độ và các thông số Denavit Hartenberg 15 Hình 3.6: Hệ trục đặt trên Robot SCARA 17 Hình 3.7: Khuôn đựng bị 22 Hình 4.1: Bộ truyền đai 24 Hình 4.2: Động cơ DC servo 25 Hình 4.3: Loại dây đai 26 Hình 4.4: Đai hình lược 27 Hình 4.5: Đồ thị chọn loại dây đai 29 Hình 4.6: Dây đai răng 160XL 29 Hình 4.7: Biểu đồ ứng suất trong đai 32 Hình 4.8: Bánh đai chủ động 33 Hình 4.9: Bánh đai bị động 33 Hình 4.10: Dây đai 34 Hình 4.11: Giá đỡ động cơ 34 Hình 4.12: Bộ truyền đai khớp thứ 4 35 Hình 5.1: Khối Opto 36 Hình 5.2: Khối nguồn 37 Hình 5.3: Khối vi điều khiển 37 Hình 5.4: Khối ngoại vi khác 37 Hình 5.5: Mạch in Driver DC servo 38 Hình 5.6: Mô phỏng mạch Driver 38 xii
14. Hình 5.7: Sơ đồ điều khiển vị trí của đầu công tác của Robot SCARA 39 Hình 5.8: Lưu đồ tổng quát nhận dữ liệu từ máy vi tính (USART1) 41 Hình 5.9: Thuật toán ngắt nhận USART2 từ mạch hồi tiếp encoder 44 Hình 5.10: Thuật toán ngắt nhận UART từ ARM ở driver khớp 4 46 Hình 5.11: Lưu đồ chương trình chính DC Servo Driver 47 Hình 5.12: Thuật toán hàm PID 48 Hình 5.13: Lưu đồ PID chia điểm 49 Hình 5.14: Thuật toán ngắt interrupt - đọc nhiều kênh encoder 50 Hình 5.15: Thuật toán chương trình chính mạch hồi tiếp encoder – vẽ đồ thị 51 Hình 5.16: Thuật toán kiểm tra sự thay đổi của encoder các khớp 52 Hình 5.17: Thuật toán chương trình chính mạch hồi tiếp encoder 53 Hình 5.18: Giao diện điều khiển chính 54 Hình 5.19: Giao diện vẽ đồ thị 55 Hình 6.1: Đồ thị đáp ứng khớp 1 60 Hình 6.2: Đồ thị đáp ứng khớp 2 61 Hình 6.3: Đồ thị đáp ứng khớp 3 61 Hình 6.4: Đồ thị đáp ứng khớp 4 62 Hình 6.5: Đồ thị đáp ứng của 4 khớp cùng lúc 62 Hình 6.6: Đồ thị đáp ứng khi di chuyển theo quy trình 63 Hình 6.7: Đồ thị đáp ứng của 4 khớp 65 xiii
15. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CAD Computer Aided Design AFNOR Association Francaise de NORmalisation RIA Robot Institute of America TOCT Transactions On Computation Theory IR Industrial Robot DC Direct Current QEI Quadrature Encoder Interface SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm Selective Compliance Articulated Robot Arm ARM Advanced RISC Machine RISC Reduced Instructions Set Computer UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter xiv
16. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Robot công nghiệp có vị trí rất quan trọng trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, robot công nghiệp là một trong những ứng dụng tiên tiến của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiển tự động vào trong sản xuất. Trong sản xuất tự động, robot công nghiệp đáp ứng các công việc lặp đi lặp lại nhiều lần như: lắp ráp, đóng gói, vận chuyển sản phẩm; các công việc có độ chính xác rất cao như: lắp ráp các chi tiết máy nhỏ, mạch điện tử; hoặc các công việc nguy hiểm như: các thao tác trong nhà máy điện nguyên tử, các lò luyện kim loại, những nơi có nhiệt độ áp suất cao, dễ xảy ra cháy nổ, . Nó có vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra những sản phẩm công nghiệp có năng suất cao, chất lượng tốt đáp ứng nhu cầu xã hội. Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng robot vào trong sản xuất như Mỹ, Nhật, Pháp, Hàn Quốc, với nhiều dòng sản phẩm của các hãng như: Mitsubishi, Siement, Honda, SONY . Các loại robot phổ biến như SCARA, PUMA, ASV, STANFORD, Từ thực tế việc ứng dụng Robot vào trong sản xuất công nghiệp thế giới đã phổ biến, còn ở Việt Nam tuy đã bắt tay vào nghiên cứu và ứng dụng nhưng vẫn còn mới mẻ. Do đó, chúng ta cần phải bắt tay đào tạo từ khi còn ở trong nhà trường để giúp ngành này theo kịp với các nước trên thế giới và đóng góp vào công cuộc xây dựng và đổi mới đất nước. Cho nên nhóm đã chọn đề tài “Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA” để thực hiện nhằm góp phần vào việc nghiên cứu và hoàn thiện Robot SCARA 4 bậc tự do, nâng cao chất lượng điều khiển với tốc độ cao hơn để đưa vào giảng dạy trong quá trình dạy học, cũng như đưa vào sản xuất thực tế. 1.2 Định nghĩa và giới thiệu về Robot SCARA Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau: • Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. • Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (Robot institute of America): Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau. • Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga: Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được liên kết giữa một tay máy và một hệ 1
17. thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Do đó, robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn. 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. Vì vậy, robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người. Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về Robot theo những quan điểm khác nhau. Dưới đây là một số định nghĩa về Robot: • Robot là những máy móc có khả năng thay thế sức lao động của con người. (Soska, 1985) • Một cơ cấu chấp hành đa chức năng dùng để vận chuyển vật liệu, các chi tiết hay máy móc, thiết bị. Các cơ cấu này có thể được lập trình thay đổi chuyển động cho phù hợp với công việc. (Schulussel, 1985) • Robot là những thiết bị có thể lập trình để làm một số công việc nào đó. Theo hướng này thì một máy tính là một mạch điện có thể được lập trình để làm một số công việc, như vậy máy tính là một Robot. (McKerrow, 1986) Robot SCARA được giới thiệu ở Nhật Bản vào năm 1979 và từ đó SCARA được nhiều hãng chế tạo để phục vụ có nhiều mục đích khác nhau như hàn, lắp ráp, vận chuyển, khoan, doa, . Các hãng chuyên sản xuất Robot SCARA như: General motor, Hitachi, Mitsubishi, IBM, MOTOMAN, EPSON, PANASONIC, SONY, . Ngày nay, các hãng tiếp tục hoàn thiện bộ điều khiển và kết cấu cơ khí để ngày càng được linh hoạt hơn. Tay máy SCARA có vùng không gian hoạt động có dạng hình trụ. Đây là loại cấu hình dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho robot là dạng khớp nối bản lề và kế đó là khớp trượt. Dạng này phổ biến nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng nhờ các khâu và khớp hợp lại có nhiều ưu điểm: • Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn. • Tỉ lệ kích thước/tầm vươn được đánh giá cao. • Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo phương thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu gắp đặt và đặt chi tiết theo phương thẳng. Trong trường hợp này bài toán tọa độ hoặc 2
18. quỹ đạo chuyển động đối với robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y còn lại bằng cách phối hợp ba chuyển động quay quanh ba trục song song với trục z. 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nhằm mục đích học tập và nghiên cứu lĩnh vực Robot công nghiệp nhóm đã chọn đề tài “Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA” với các mục tiêu: Tham gia nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực Robot công nghiệp. Nghiên cứu sản phẩm đáp ứng nhu cầu thực tiễn đời sống và công nghiệp. 1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Tìm hiểu và tính toán các bài toán động học của Robot SCARA 4 bậc tự do. Thiết kế hệ thống truyền động và lắp đặt động cơ DC Servo cho khớp thứ 4. Lắp đặt phễu hút khí nén cho Robot SCARA. Thiết kế mạch điều khiển. Lâp sơ đồ giải thuật điều khiển cho hệ thống. Điều khiển vị trí Robot SCARA. 1.5 Giới hạn đề tài Đối tượng nghiên cứu. Động học Robot SCARA 4 bậc tự do. Thuật toán điều khiển vị trí Robot SCARA. Phạm vi nghiên cứu. Nghiên cứu ứng dụng của thuật toán điều khiển Robot SCARA. Điều khiển vị trí Robot và khảo sát đáp ứng. 1.6 Phương pháp nghiên cứu Nhóm tiến hành nghiên cứu thiết kế bổ sung thêm hệ thống truyền động và động cơ cho khớp thứ 4 của Robot SCARA, lắp đặt hệ thống phễu hút khí nén dùng để hút sản phẩm. Điều khiển Robot SCARA bằng cách nghiên cứu và hoàn thiện thuật toán điều khiển vị trí với tốc độ cao và hướng phát triển sẽ điều khiển bằng thuật toán điều khiển vận, nhằm nắm được nguyên lý làm việc của Robot SCARA và các thuật toán điều khiển Robot SCARA, từ đó rút ra những kinh nghiệm thực tế trong việc điều khiển cánh tay Robot. Nguồn tài liệu chủ yếu từ các sách báo trong nước cùng một số bài báo nghiên cứu khoa học quốc tế của Anh, Pháp, Indonesia cùng một số luận án của sinh viên khóa trước. Từ tài liệu cùng sự tìm tòi trên Internet, nhóm tiến hành đưa ra kế hoạt thực hiện và các phương án thiết kế, tính toán động học, nghiên cứu giải thuật điều khiển tốc độ cao cho Robot SCARA. 3
19. Sau khi hoàn thiện Robot SCARA, tiến hành chạy thử và kiểm tra các lỗi, cố gắng khắc phục các vấn đề phát sinh và tăng độ ổn định, khảo sát các sai lệch khi hoạt động và rút ra kết luận. 1.7 Một số loại Robot SCARA của các hãng sản xuất Robot SCARA là một trong những robot phổ biến nhất trong công nghiệp. Chuyển động của robot rất đơn giản nhưng lại phù hợp với các dây chuyền và ứng dụng hữu hiệu trong nhiệm vụ nhặt và đặt sản phẩm. Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các khớp điều là thẳng đứng. Nó có cấu tạo hai khớp ở cánh tay, một khớp ở cổ tay và một khớp tịnh tiến. Các khớp quay hoạt động nhờ cơ cấu điện có phản hồi vị trí. Khớp tịnh tiến hoạt động nhờ xi-lanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng. Một số loại Robot SCARA của hãng sản xuất: 4
20. a. SCARA Robot của DENSO b. SCARA Robot của EPSON c. SCARA Robot of ADEPT d. SCARA Robot of KUKA Hình 1.1: Một số loại Robot SCARA của các hãng 5
21. CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ ROBOT 2.1 Sự phát triển của robot công nghiệp Trên thế giới Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Thuật ngữ Industrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo, mô phỏng một thiết bị có dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động, thực hiện một số thao tác sản xuất có tên gọi là “Versatran”. Quá trình phát triển của Robot công nghiệp được tóm tắt như sau: • Năm 1950 ở Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên. • Đầu năm 1960 công ty AMF cho ra đời sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran. • Từ năm 1967, ở Anh, người ta đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ. • Từ năm 1970, việc nghiên cứu các tính năng của robot đã được chú ý nhiều hơn và cũng bắt đầu xuất hiện ở các nước Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển. • Từ năm 1968, ở Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu những ứng dụng của IR. • Từ những năm 1980, nhất là vào những năm 1990, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng với nhiều tính năng vượt bậc. Chính vì vậy mà robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại như hiện nay. Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR trong số đó bao gồm: • 30 công ty của Mỹ, ta có thể lấy một số công ty điển hình như: Robots.Pro, Vecna Robotics, Robot Dynamics cùng với những sản phẩm nổi tiếng như: robot lấy sách tự động, robot HOAP-3, robot BEAR, robot tự hành Spirit and Opportunity . • 80 công ty của Nhật, ta có thể lấy một số công ty điển hình như: Yaskawa ( Motoman), Fanuc, Toyota, Honda, Hitachi, Kawasaki, shikawajima-Harima, Yasukawa . Cùng với những sản phẩm robot được áp dụng phổ biến như: robot Asimo, robot EMIEW 2, robot Simroid, robot chơi vĩ cầm, robot phẫu thuật . Ngoài ra, trên thế giới còn có 90 công ty của Tây Âu và một số công ty của Nga, Tiệp . Do đó, ta có thể thấy rằng robot là một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng không thể thiếu của những nước phát triển. Tại Việt Nam 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4