Thiết kế – chế tạo mô hình tay máy gắp sản phẩm

Nội dung text: Thiết kế – chế tạo mô hình tay máy gắp sản phẩm

1. THIẾT KẾ – CHẾ TẠO MÔ HÌNH TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM KS. Nguyễn Văn Đoàn Trường ĐH SPKT Tp. HCM TÓM TẮT Sự xuất hiện của robot và những ứng dụng của nó trong những năm qua đã đánh dấu một sự tiến triển vượt bậc đối với lĩnh vực tự động hoá trên thế giới và ở trong nước. Đầu tư, phát triển mạnh về lĩnh vực này sẽ ngày càng tiết kiệm sức lao động, tăng năng suất chất lượng sản phẩm, tăng nguồn thu nhập và làm thay đổi chức năng của con người trong sản xuất. Thay vì phải trực tiếp tham gia vào quá trình sản xuất như trước đây thì ngày nay với các thiết bị tự động hoá con người sẽ gián tiếp tác động vào quá trình này thông qua các hệ thống và chương trình điều khiển, đặc biệt với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghệ thông tin,các thiết bị vi xử lý và những ứng dụng của nó trong công nghiệp càng khẳng định hướng đi đúng trong sự phát triển của một đất nước, đây là một lĩnh vực khá rộng và khá tổng quát, có liên quan đến nhiều ngành khác, để thể hiện những mối tương quan và sự ứng dụng của lĩnh vực này, người nghiên cứu đã thực hiện đề tài “ Thiết kế, chế tạo mô hình tay máy gắp sản phẩm” . Đề tài ứng dụng phần mềm tính toán, truyền tải dữ liệu là matlab, thiết kế bộ điều khiển bằng vi xử lý, thiết kế và mô phỏng bằng phần mềm: inventer, solid edge và visual Nantran đồng thời chế tạo hoàn chỉnh mô hình robot 6 bậc tự do toàn khớp quay, rất có ý nghĩa làm mô hình giảng dạy về robot ở các trường đại học, cao đẳng và trung học chuyên nghiệp, ngoài ra còn có thể ứng dụng trực tiếp trong hoạt động sản xuất. SUMMARIZE The appearance and application for robots in the last few years has marked a dramatic development of the automotive field of viet nam and in the word. To invest and develop strongly on this field will help people save their labour, help increate productivity end quality of products, increase the and change the role of people in manufacture, Nowaday, instead of joining directly in the manufacturing process like before, Thank to automatic equipments, people can do this indirectly by the programme and controlling system. Epecially, due to the 1
2. sharp development of information technology, the microprocessor equipments and its application in industry have affirmed the right tendency in the development of a country, This is a wide and genaral field, involving many other fields. To express the relations and the application of this field, I- Researcher- Would like to do the dissertation “Design and Make the manual model of picking- Product machine”. This Dissertation uses the caculation software, Tranmits the data by using matlab, designs the controlling se by using microprocessor, designs and demonstrace by the inventor sortware, solid edge and visual natran, at the same time, Produce compeletely “ robot model six – link 6R”. This is important enough to be a teaching equipment about Robots at universities, Colleges and teachnical secondary schools. Besides, it can be applied directly in manufacture. I. Giới Thiệu. Robot là một sản phẩm tiêu biểu của lĩnh vực tự động hoá, thế nhưng để tạo ra một sản phẩm robot hoàn chỉnh không phải là một vấn đề đơn giản đó phải là sự kết hợp hài hoà của ba ngành chính: Ngành cơ khí điện tử và tin học, tuy nhiên tầm quan trọng của robot trong thời đại ngày nay là cực kỳ bức thiết, nó là một trong những yếu tố thể hiện sự phát triển kinh tế của một nước. Với nước ta hiện nay, sự nghiên cứu và phát triển các sản phẩm và mô hình robot còn đang ở mức thấp, vì thế việc phát triển và nghiên cứu các đề tài về robot là rất cần thiết trong sự phát triển của ngành robot trong tương lai gần, với đề tài “ Thiết Kế, Chế Tạo Tay Máy Gắp Sản Phẩm” được thể hiện trong đề tài này sẽ mang lại cho các độc giả quan tâm nhiều vấn đề mà quan trọng là các vấn đề sau: - Lý thuyết tính toán và giải quyết về động học của robot 6 bậc tự do. - Tính bền và giải quyết các vấn đề về động lực học của robot - Phương pháp chọn kết cấu robot phù hợp với công việc thực tế. - Lý thuyết về thiết kế mạch điều khiển cho robot. - Phương pháp chế tạo mạch điều khiển dùng vixửlý 989S52. - Phương pháp Lập trình điều khiển robot và quá trình kết nối thiết bị ngoại vi với máy tính. - Phương pháp sử dụng động cơ bước và thuật toán điều khiển vi bước trong quá trình nâng cao độ chính xác vị trí cho robot. - Phương pháp thiết kế dựa trên phần mềm Solid edge và mô phỏng trên phần mềm visual Nantran. 2
3. - Phương pháp thiết kế các kết cấu thực và chế tạo hoàn chỉnh mô hình robot 6 bậc tự do toàn khớp quay. II. Chọn kết cấu cấu cho robot 6 bậc tự do toàn khớp quay. Tuỳ theo từng công việc cụ thể mà chúng ta chọn kết cấu tay máy cho phù hợp nhằm phải đảm bảo được về các vấn đề như, kết cấu đảm bảo độ cứng vững, độ linh hoạt trong công việc, hiệu suất cao, giá thành hạ v.v Với mục đích là nhằm phục vụ cho đào tạo và nhằm thể hiện được một cơ cấu robot linh hoạt với đầy đủ số bậc tự do của một vật rắn trong không gian, người nghiên cứu quyết định chọn sơ đồ kết cấu tay máy 6 bậc tự do với cơ cấu nối tiếp (cơ cấu hở), Kết cấu của tay máy như sau: Hình 26: Kết cấu robot 6 bậc tự do Với các robot có ít hơn hoặc bằng 3 bậc tự do thì nó thường chỉ sử dụng cho một công việc nhất định tức khi công việc có sự thay đổi về bản chất thì cần phải thay đổi một cơ cấu robot khác cho phù hợp, người ta gọi các robot này là các robot chuyên dùng, các robot này chỉ phù hợp ở các giai đoạn sản xuất hàng khối với mức độ tương đối ổn định, hiện nay do nhu cầu thay đổi liên tục về mẫu mã và chất lượng của sản phẩm. Vì vậy đòi hỏi công nghệ phải có sự linh hoạt thì mới có thể đáp ứng được, chính vì thế khái niệm sản xuất linh hoạt là nòng cốt trong giai đoạn phát triển hiện nay, đối với các dây 3
4. truyền có trang bị các hệ thống tay máy tự động, nhằm giảm đến mức tối thiểu kinh phí khi có sự thay đổi về yêu cầu công nghệ, thì kết cấu robot phải có sự linh hoạt tương đối nào đó cụ thể là chỉ có sự thay đổi nhiều về phần mềm mà thay đổi ít (thậm chí không thay đổi) các kết cấu của phần cứng, điều này có nghĩa là phải trang bị các tay máy vạn năng, với các tay máy có càng nhiều hơn 3 bậc tự do bao nhiêu lần thì nó có thể đáp ứng tốt khi có sự thay đổi công nghệ bấy nhiều lần, đó cũng là một lý do khiến người nghiên cứu quyết định chọn đề tài này. Tuy nhiên kinh phí và thời gian tính toán cho các tay máy dạng này so với các tay máy chuyên dùng thì cao hơn rất nhiều nhưng trong tương lai với các công nghệ tiến tiến phát triển dần thì chi phí chắc chắn sẽ giảm đi rất nhiều. III. Tính toán và thiết kế mô hình robot 6 bậc tự do toàn khớp quay. Dựa trên Bộ thông số và phương pháp DH Để giải quyết các bài toán về động học thuận và ngược cho robot, thiết kế dựa trên phần mềm solid edge. 4
5. IV. Sơ đồ khối . Quy luật được đưa vào máy tính thông qua phần mềm điều khiển matlab các số liệu sẽ được tính toán và gửi xuống bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ thông qua các Driver để điều khiển các động cơ bước một cách chính xác, trong quá trình hoạt động nếu có sự vượt quá hoạc có sự sai lệch về không gian làm việc, sự phản hồi của các cảm biến sẽ đưa về máy tính thông qua bộ điều khiển. Quy luật điều khiển Máy tính (Matlab) RS232 Bộ điều khiển Trung tâm (Khối vi xử lý chủ) Bộ điều khiển vị trí và vận tốc Bộ điều khiển chiều quay (Khối vi xử lý trung gian 1) (Khối vi xử lý trung gian 2) Bộ giải mã 1 Bộ giải mã 2 Bộ giải mã 3 Bộ giải mã 4 Bộ giải mã 5 Bộ giải mã 6 Bộ giải mã 7 (Vi xử lý 1) (Vi xử lý 2) (Vi xử lý 3) (Vi xử lý 4) (Vi xử lý 5) (Vi xử lý 6) (Vi xử lý 7) Động cơ bước 1 Động cơ bước 2 Động cơ bước 3 Động cơ bước 4 Động cơ bước 5 Động cơ bước 6 Động cơ bước 7 5 θ Biến khớp θ4 Biến khớp θ3 Cảm biến 5 Biến khớp Cảm biến 4 6 Cảm biến Đóng mở bàn kẹp Cảm biến 3 6 θ Biến khớp Biến khớp θ2 Cảm biến 2 Cảm biến 1 Cảm biến Biến khớp θ1 5
6. V. Thiết kế mạch điều khiển và giao diện điều khiển. 1. Thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển gồm có 3 bộ phận trung tâm do 3 con vi xử lý 89S52 đảm nhiệm, đây cũng là bộ phận giao tiếp với máy tính. 2. Giao diện điều khiển. Giao diện điều khiển được viết bằng matlab, đây chính là bộ phận nhận quy luật điều khiển từ bên ngoài. 6
7. VI. Giải thuật điều khiển Dưới đây trình bày một giải thuật để gắp sản phẩm từ vị trí A đến vị trí B Z0 Y0 P1 X0 P7 P0 P3 P2 P4 P6 P5 i=5 Nhập quỹ đạo chuyển Đúng i=2 Đúng động(các ma trận Ti) và θ2=0 θ5=0 vận tốc bộ tác động cuối Sai Sai delay(v2) delay(v5) tính các bộ thông số θi θ2=θ2-1 θ5=θ5-1 ứng với mỗi vị trí Điều khiển Điều khiển động cơ 2 động cơ 5 Sai θmin <θi <θmax i=3 i=6 Đúng Đúng Đúng θ3=0 θ6=0 Sai Sai tính toàn các bộ thông số θn delay(v6) vận tốc vn cho mỗi trạng delay(v3) thái dịch chuyển thứ n θ3=θ3-1 θ6=θ6-1 n=0 7 Điều khiển Điều khiển n=0 động cơ 3 động cơ 6 Xuất số xung cấp cho từng động cơ, tốc độ Đúng i=4 Sai θ4=0 Stop kích xung,chiều quay cho trạng thái thứ n Sai Đúng Đúng i=1 delay(v4) Continue Đúng θ4=θ4-1 θ1=0 Điều khiển Sai Sai động cơ 4 Stop delay(v1) Sai Đúng θ1=θ1-1 Exit Điều khiển động cơ 1 Sai θi=0 i=1 6 Đúng Sai Sai Sai n=5 n=2 n=n+1 n=7 Đúng Đúng Đúng Đúng Repeat Nhả vật n=0 Kẹp vật Sai Exit 7
8. VII. Thực nghiệm. Chế tạo các bộ phận điều khiển và toàn bộ mạch điều khiển. 1. Chế tạo Driver 2. Chế tạo mạch điều khiển chính. 8
9. 3. Lắp Ráp bộ điều khiển 4. Lắp Ráp mô hình robot 6 bậc tự do. 9
10. VIII. Kết luận Robot là môt lĩnh vực rất đa dạng và phong phú, trong giới hạn của đề tài người nghiên cứu dã thể hiện được một số vấn đề sau đây: - Khảo sát tình hình phát triển robot trên thế giới và ở việt nam. - Chọn sơ đồ kết cấu tay máy gắp sản phẩm 6 bậc tự do, phù hợp với quá trình phát triển của lĩnh vực tự động hoá trên thế giới và trong nước. - Tính toán toàn bộ các vấn đề về động học, động lực học cho robot và thể hiện bằng chương trình matlab. - Thiết kế toàn bộ kết cấu mô hình tay máy 6 bậc tự do toàn khớp quay và được thể hiện trên phần mềm autodesk _ inventer. - Mô hình hoá kết cấu của robot trên phần mềm solid edge và mô phỏng trên phần mềm visual Nantran. - Đưa ra được thuật toán điều khiển robot. - Thiết kế và chế tạo hoàn thiện bộ điều khiển, trên cơ sở ứng dụng của họ vi xử lý 8051 và các linh kiện điện tử công suất khác. - Thiết kế và chế tạo Driver điều khiển vi bước cho động cơ bước. - Viết chương trình điều khiển trên phần mềm matlab và đưa ra giao diện điều khiển tương đối hoàn thiện. Tài liệu tham khảo. [1]. Cơ sở nghiên cứu, sáng tạo ROBOT, Biên dịch. Trần Thế San, Hiệu đính.TS Nguyễn Tiến Dũng, Nhà xuất bản Thống Kê. [2] Lê Hoài Quốc, Kỹ thuật người máy, Tập 1, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003. [3] Nguyễn Tăng Cường - Phạm Quốc Thắng, Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, năm 2004. [4]. Nguyễn Hoài Sơn, Ứng dụng matlab trong tính toán kỹ thuật, NXB Đại Học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, năm 2000. 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.