TÊN ĐỀ TÀI:  ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY SCARA 3 BẬC TỰ DO QUA MÁY TÍNH

NỘI DUNG YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI:

• Cơ khí:

      -     Thiết kế các khâu của tay máy bằng tôn dập hay nhôm ống.

      -     Thiết kế tay kẹp.

      -     Thiết kế truyền động các khớp với động cơ qua đai răng.

      -     Sử dụng nguồn truyền động là động cơ bước.

• Điện tử:

-           Thiết kế mạch công suất động cơ.

-           Thiết kế mạch giao tiếp máy tính và vi điều khiển.

-             Sử dụng vi điều khiển PIC.

• Lập trình:

-           Ngôn ngữ lập trình CCS, VB.

-           Giải thuật điều khiển của hệ thống.

-           Thuật toán truyền dữ liệu qua máy tính và ngược lại

• Mục tiêu của đề tài:

-           Điều khiển tay máy bằng tay và hiển thị thông tin các khớp qua máy tính.

-           Hướng dẫn vận hành

-           Tay máy gắp được sản phẩm đặt vào các vị trí khác nhau.

Thời gian thực hiện từ ngày:

Thời gian nộp đề tài ngày :

 

LỜI NÓI ĐẦU

       Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượngsản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ…Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng người máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt.

      Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất cũng như trong đời sống. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động được lập trình trước. Khoa học robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số ma trận.

-   Robot có thể thao tác như con người và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh.

-     Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thể thực hiện được các chuyển động như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiển bằng chương trình được nạp sẵn trong chip trên bo mạch điều khiển robot. Để hệ điều khiển robot có độ tin cậy, độ chính xác cao, giá thành hạ và tiết kiệm năng lượng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ điều khiển robot phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh và điều khiển. Ngoài ra, hệ điều khiển robot phải đảm bảo ổn định động và tĩnh, chống được nhiễu trong và ngoài, đồng thời không gây tác hại cho môi trường như: tiếng ồn quá mức quy định, sóng hài của điện áp và dòng điện quá lớn cho lưới điện …

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

 

 MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN- 2

LỜI NÓI ĐẦU- 5

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN- 6

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN- 7

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP- 8

DANH MỤC HÌNH VẼ- 11

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT- 12

NỘI DUNG BÁO CÁO-- 13

CHƯƠNG I:  ĐẶT VẤN ĐỀ- 13

1/Lý do chọn đề tài :13

2/ Hiện trạng của đề tài:13

3/công việc cần thực hiện:15

4/các vấn đề khó khăn và phương hướng giải quyết:15

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG-- 17

1/ Cơ khí:17

1.1/ Các phương án lựa chọn:17

1.2/ Phân tích, tính toán các thông số động học:18

1.2.1/các thông số động học tay máy:18

1.2.2/ Tính toán các thông số truyền động của tay máy scara:20

1.2.2.1/cơ cấu truyền động:20

1.2.2.2/ Tính toán cơ cấu truyền động của tay máy:21

1.3/ Động lực học tay máy:26

1.3.1/Tính toán lực và phân tích lực:26

1.3.2/ Tính toán lực và công suất trên khâu đế:28

1.4/ Toán  động học của tay máy scara:29

1.4.1/ Động học thuận:29

1.4.2/ Động học ngược:31

1.5/ Diễn biến công việc và những kinh nghiệm rút ra:33

2/ Điện – Điện tử:34

2.1/  Phân tích chức năng cần thiết của mạch và một số linh kiện:34

2.1.1/ Mạch điều khiển động cơ:34

2.1.2/Khối nguồn công suất:34

2.1.3/Khối vi điều khiển:35

2.1.4/ Giới thiệu động cơ bước:37

2.1.5/ Truyền thông nối tiếp RS232 :41

2.1.5.1/ Cấu trúc cổng nối tiếp :41

2.1.5.2 Phần mềm lập trình VISUAL BASIC 6.0:42

2.2/ Bài học kinh nghiệm :45

3/ Lập trình:45

3.1/ Lưu đồ giải thuật tổng thể:45

3.2/ Lưu đồ giải thuật từng module:46

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN- 49

1/ kết quả đạt được:49

1.1/phần cơ khí:49

1.2/ phần điện- điện tử:49

1.3/ phần lập trình, điều khiển:49

2/ Những hạn chế,cách khắc phục:49

3/ Hướng phát triển nâng cao chất lượng đề tài:50

TÀI LIỆU THAM KHẢO- 51

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1:  Tay máy scara ghắp chai………………………………….trang 14

Hình 1.2:  Tay máy WINNER SCARA loại xoay palletizer ………………14

Hình 1.3: Một tay máy scara hàn linh kiện điện tử…………………………15

Hình 2.1 : mô hình 3D tay máy scara 3 bậc tự do………………………….18

Hình 2.2: Bộ truyền của tay máy…………………………………………...19

Hình 2.3 : Tay gắp………………………………………………………….20

Hình 2.4 :   sơ đồ bộ truyền ở phần đế……………………………………..21

Hình 2.5 : sơ đồ bộ truyền ở khớp 1………………………………………..22

Hình 2.6:  sơ đồ bộ truyền ở khớp 2..............................................................24

Hình 2.7 : các hệ trục trên tay máy scara………………………………….29

Hình 2.8: khối mạch động cơ……………………………………………….34

 Hình 2.9: Nguồn máy tính………………………………………………….34

Hình 2.10: Khối vi điều khiển………………………………………………35

Hình 2.11: động cơ bước……………………………………………………37

Hình 2.12: Stato và roto……………………………………………………..37

Hình 2.13: các loại động cơ bước……………………………………………38

Hình 2.14: chế độ full stepping của động cơ bước…………………………..39

Hình 2.15: chế độ half stepping……………………………………………...40

Hình 2.16: Cổng COM……………………………………………………….42

Hình 2.17: Bổ sung đối tượng MsComm vào VBP………………………......43

Hình 2.18: Mạch chuyển mức logic TTL ↔ RS232…………………………44

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

NỘI DUNG BÁO CÁO

CHƯƠNG I:  ĐẶT VẤN ĐỀ

1/Lý do chọn đề tài :

      Với nền công nghiệp ngày càng phát triển, robot dần dần được thay thế cho các hoạt động của con người, giải phóng con người ra khỏi những công việc nặng nhọc hay những công việc ở các môi trường độc hại ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và tính mạng của con người. Với sự siêng năng, không sợ độc hại và tính hiệu quả trong công việc, robot ngày càng trở nên không thể thiếu được trong đời sống xã hội nói chung và trong sản xuất công nghiệp nói riêng. Nhất là khi nhu cầu của con người không bao giờ có điểm dừng mà mỗi lúc một nâng cao, thì sự có mặt của robot sẽ vô cùng quan trọng, chúng là cánh tay đắc lực của con người.

   Nhận thức được tầm quan trọng của robot, với những kiến thức đã tích luỹ được về cơ  sở thiết kế máy, cơ sở công nghệ chế tạo máy, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động và kỹ thuật giao tiếp máy tính, nên chúng em đã chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo, và điều khiển tay máy scara kết nối máy tính ba bậc tự do”. Chắc chắn đây là đề tài hay, vì nó tổng hợp các kiến thức về cơ khí, điện tử .

    Mục đích của việc làm đề tài luận văn này là nhằm chế tạo một tay máy có cấu trúc đơn giản, gọn nhẹ, điều khiển trực tiếp bằng tay thông qua bàn phím và dao điện máy tính để robot thực hiện công việc.

2/ Hiện trạng của đề tài:

Ngày nay, robot scara là một trong những robot phổ biến nhất trong công nghiệp. Chuyển động của robot này rất đơn giản nhưng lại phù hợp với các dây chuyền và ứng dụng hiện hữu trong nhiệm vụ nhặt và đặt sản phẩm. Robot Scara (selectively compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là tay máy lắp ráp chọn lọc. Chính vì vậy mà vấn  đề nghiên cứu và phát triển đề tài tay máy scara đã được tập trung rất nhiều nhờ đó mà đã đạt được nhiều tiến bộ vược bậc với nhiều cách thức điều khiển khác nhau,nhiều kiểu chuyển động với những ứng dụng vô cùng phong phú trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.  Những ứng dụng ban đầu và phổ biến bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn,..

Hình 1.1: tay máy scara ghắp chai

Hình 1.2:  Tay máy WINNER SCARA loại xoay palletizer dung trong công nghiệp

3/Công việc cần thực hiện:

- Tìm hiều tham khảo các mô hình tay máy trên thực tế ( cơ cấu nguyên lý hoạt động phương pháp điều khiển).

- Lựa chọn phương án thi công mô hình, lựa chọn vật liệu,cơ cấu truyền động trước khi tiến hành chuẩn bị thi công.

- Xây dựng bản vẽ 2D, 3D cho mô hình để tiến hành gia công.

- Thi công phần cơ khí , lắp ráp cơ cấu truyền động (dây đai, bánh răng,vít me).

- Chọn loại động cơ, tiến hành thi công mạch điện tử.

- Lập trình điều khiển động cơ.

- Xây dựng giao diện kết nối phần cứng phần mềm với máy tính.

- Xây dựng báo cáo tổng quát.

4/Các vấn đề khó khăn và phương hướng giải quyết:

            Các vấn đề khó khăn:

-  Phương pháp truyền động trong đề tài là sử dụng dây đai,bánh răng cùng các cơ cấu trục vít bánh vít nên đòi hỏi gia công cơ khí đạt độ chính xác và độ cứng vững cao.

- Tay máy có khối lượng lớn nên đòi hỏi động cơ phải có công suất lớn tốc độ vừa phải và một hệ thống truyền động thích hợp để có đủ lực truyền làm chạy hệ thống.

- Quá trình hoạt động cần động cơ bước có công suất lớn gây khó khăn trong việc điều khiển động cơ.

- Tay máy phải được thiết kế đối trọng ở mỗi khâu để tránh tình trạng tay máy bị chuối về phía trước.

Phương pháp giải quyết:

Để đáp ứng đủ độ lớn cho lực cần phải truyền của tay máy ta phải sử dụng các bộ truyền dây đai, bánh vít, trục vít để giảm lực tối đa.

Những chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao ta phải nhờ tới việc gia công trên máy tiện hay máy phay.

Thiết kế trụ đỡ bằng bạc đạn để mỗi khớp có thể xoay tự do mà không bị hạn chế hay bị rơ, không bị trượt theo lực quán tính

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

1/ Cơ khí:

1.1/ Các phương án lựa chọn:

          Vật liệu:

    Có thể gia công chi tiết bằng thép tấm, nhôm, sắt,…tay ghắp thì sử dụng nhôm thanh, nhựa hay mi-ca. Trong đề tài này các khớp của tay máy được lắp ráp từ các nhôm ống vì nhôm có trọng lượng nhẹ, giá thành rẻ và dễ gia công. Riêng tay ghắp thì được làm bằng mi-ca. Nhược điểm của việc chọn nhôm ống gia công chi tiết là chịu lực không cao, nhưng đối với mô  hình này chỉ mô phỏng nên lực phân bố không quá lớn nên vẫn đảm bảo tay máy hoạt động bình thường.

Phương pháp truyền lực:

   Với đề tài này chúng ta có thể sử dụng nhiều phương án để truyền lực cho các cụm chi tiết như sử dụng dây xích bánh xích, dùng dây đai, trục vít bánh vít . Ở đây ta chọn phương pháp truyền lực là dây đai,bánh răng và vít me với việc lựa chọn phương án trên sẽ giúp giảm thiểu tiếng động trong hoạt động, có thể đạt độ chính xác cao trong điều khiển, giảm thiểu kích cở cho tay máy, sử dụng trục vít bánh vít ở các cơ cấu đòi hỏi lực tryền lớn để hoạt động, nó còn giúp tự hãm giảm tải cho động cơ. Sử dụng một hệ thống các bánh răng ăn khớp giúp giảm lực quay cần thiết để hệ thống hoạt động. Riêng ở phần tay gắp ta sử dụng vít me và bánh vít giúp việc thiết kế dễ dàng và gọn nhỏ cho tay gắp đảm bảo tính chính xác cao.

         Động cơ:

           Có thể sử dụng nhiều loại động cơ khác nhau như rc sevor, dc motor hay động cơ bước,…Ơ đây ta chọn động cơ bước vì các động cơ bước có khả năng dịch chuyển những góc chính xác dưới tác dụng của các xung điện áp đơn vị, nó có thể quay theo hai chiều thuận hay nghịch và có thể điều chinht chính xác theo thời gian. Đồng thời động cơ bước cũng thõa mãn những yêu cầu về lực,momen xoắn của đề tài đặc ra đó là cần momen xoắn lớn đồng thời tốc độ vừa phải.

        Phương pháp điều khiển: điều khiển các động cơ bước bằng máy tính thông qua cổng RS232.

Hình 2.1 : mô hình 3D tay máy scara 3 bậc tự do

1.2/ Phân tích, tính toán các thông số động học:

1.2.1/Các thông số động học tay máy:

Tay máy scara có kết cấu cơ khí gồm 3 khâu. Trong đó, khâu 0 là khâu cố định (đế) các khâu 1, 2, 3 là các khâu động.

Hình 2.2: Bộ truyền của tay máy

Các kích thước của các khâu:

   +a1= 200 mm

   +a2 = 150 mm

   +d3 = 150 mm

Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật

Số bậc tự do	3 bậc
Tải nâng	100g
Biến khớp tịnh tiến	1 (khớp 3)
Biến khớp quay	2 (khớp 1 và khớp 2)
Bán kính làm việc lớn nhất	350mm
Tầm cao	300mm
Cơ cấu truyền động	4 động cơ bước
Tỷ số truyền	Khâu 1: 2                  Khâu 2: 2.53                  Khâu 3:  2.17
Trọng lượng tay máy	5,8 kg
Thông tin phản hồi	Số xung cấp cho từng động cơ

1.2.2/ Tính toán các thông số truyền động của tay máy scara:

          1.2.2.1/Cơ cấu truyền động:

         Trên các khâu chính giữ vai trò truyền động cho các khâu là động cơ bước, tuy nhiên các động cơ này không tạo chuyển động trực tiếp cho các khâu mà phải thông các bộ truyền, từ các bộ truyền này với 1 tỷ số truyền i sẽ tạo được chuyển động tương ứng cho các khâu.

 Khớp 1,2,3:     cơ cấu truyền bánh đai + dây đai+bánh răng

          -Tay gắp được điều khiển bởi một động cơ bước được đặt trên khâu 3. Tay gắp được chế tạo đơn giản, bao gồm một trục vít và 2 bánh vít, mỗi bánh vít được giữ bởi 2 thanh đỡ và 2 thanh kẹp. Khi động cơ quay theo chiều thuận thì thực hiện kẹp vật, ngược lại thì thực hiện nhả vật. Ngoài ra trên má của tay gắp còn gắng một công tất hành trình để có thể gắp được vật với kích thước khác nhau mà vẫn chính xác.

 

Hình 2.3 : Tay gắp

  1.2.2.2/ Tính toán cơ cấu truyền động của tay máy:

          Nguồn dẫn động của tay máy được thiết kế là các động cơ bước. Các động cơ này được gắn trực tiếp lên các cơ cấu và liên kết với khâu điều khiển bằng bộ truyền dây đai,bánh răng cùng hệ thống các bánh răng và vít me với tỷ số truyền tương ứng với mỗi khớp khác nhau. Khi điều khiển chính xác tay máy thì ta phải tính được vị trí của vật cần di chuyển, để từ đó ta tính được góc quay và độ dịch chuyển của từng khâu và sau đó ta sẽ tính được số xung cần cấp cho từng động điều khiển.

Bộ truyền ở đế:

Hình 2.4 :   sơ đồ bộ truyền ở phần đế

Các thông số chế tạo

Giai thích các thông số:

-         Z :số răng

-         a : khoảng cách giữa hai trục

-         ha: chiều cao đỉnh răng ha= m

-         hf: chiều cao chân răng hf = 1,25m

-         h : chiều cao răng : h = ha +hf = 2,25m ( m là modul)

-         d_a1, d_a2 đường kính vòng đỉnh răng bánh dẫn và bị dẫn.

      d_a1 =d₁ + 2h_a = m (z₁ + 2)

      d_a2 =d₂ + 2h_a = m (z₂ + 2)

-         h_f1 , h_f2 đường kính vòng chân răng bánh dẫn và bị dẫn

      h_f1= m( z₁ – 2,5)

      h_f2= m( z₂ – 2,5)

-         d1, d2: đường kính vòng chia  dẫn, bánh  bị dẫn.

-         sd: chiều rộng răng của bánh đai.

-         hd: chiều cao răng của bánh đai.

-         α1 : góc ôm bánh đai dẫn.

+ Bánh trụ răng thẳng Z₁₁ :  z =48, m = 0.8, d_a1 = 40 mm, h= 1.8 mm.

+ Bánh trụ răng thẳng Z₁₂ :  z =24, m = 0.8, d_a2 = 20.8 mm, h= 1.8 mm.

  Khoảng cách giữa hai trục: A = m/2( z₁ + z₂)= 0.8/2( 48 + 24)= 28.8 mm.

 Tỉ số truyền ở phần đế:  i=  

Bộ  truyền ở khớp 1:

Hình 2.5 : sơ đồ bộ truyền ở khớp 1

         Khâu 2 hoạt động được nhờ bộ truyền: bánh răng z21, z22 và bộ truyền đai.

Trong bộ truyền đai, đai được sử dụng là đai răng, bề rộng của dây đai là B=10 mm.

Các thong số chế tạo của bộ truyền:

+ Bánh trụ răng thẳng Z21 :  z =18, m = 1.1, da1 = 22 mm, h= 2.5 mm.

+ Bánh trụ răng thẳng Z22 :  z =52, m = 1.1, da2 = 59.5 mm, h= 2.5 mm.

 

+ Bánh đai Z_D21: Z_D21= 15, m= 1.5, da₂₁= 25.5 mm, h= 3.34 mm

+ Bánh đai Z_D22: Z_D22= 38, m= 1.5, da₂₂= 60 mm, h= 3.34 mm

 + Chọn loại đai theo bảng (5-13)

Gỉa thuyết vận tốc đai v > 0.2 (m/s) ta chọn loại đai O

Kích thước tiết diện đai axh (mm): 10x6 (bảng 5-11)

+ Góc ôm bánh đai dẫn:  a^’₁= p-(da₂₂-da₂₁)/a 

                                             = 180^o- (d_a22 – d_a21)x57^o/a

                                             = 180^o-(60-25.5)x57^o/200= 170.2^o

+ Góc ôm bánh đai bị dẫn:  a^’₂= p+(da₂₂-da₂₁)/a 

                                             = 180^o+ (d_a22 – d_a21)x57^o/a

                                             = 180^o+(60-25.5)x57^o/200= 189.8^o

Vận tốc:  Bánh dẫn: v₁=pxd₁n₁/60.000 = πx25.5x60/60000= 0.08(m/s)

V₁ < V_MAX= 0.2(m/s)

Bánh bị dẫn: v₂=pd₂n₂/60.000= π x 60x 40/60000= 0.125(m/s)

V₂ < V_MAX= 0.2(m/s)

+ Chiều dài đai L theo khoảng cách trục A:

L=  =  = 535mm

Lấy L theo tiêu chuẩn bảng (5-12): L= 530 mm

Tỉ số truyền toàn bộ cơ cấu ở khớp 1: 

      i=  =

Bộ truyền ở khớp 2:

Hình 2.6:  sơ đồ bộ truyền ở khớp 2

Các thông số của bộ tryuền :

+ Bánh đai Z_D31: Z_D31= 52, m= 0.8, da₃₁= 43.2  mm, h= 1.8 mm

+ Bánh đai Z_D32: Z_D32= 24, m= 0.8, da₃₂= 20.8 mm, h= 1.8 mm

+ Chọn loại đai theo bảng (5-13)

Gỉa thuyết vận tốc đai v > 0.2 (m/s) ta chọn loại đai O

Kích thước tiết diện đai axh (mm): 10x6 (bảng 5-11)

+ Góc ôm bánh đai dẫn:  a^’₁= p-(da₃₂-da₃₁)/a 

                                             = 180^o- (d_a32 – d_a31)x57^o/a

                                             = 180^o-(43.2-20.8)x57^o/150= 171.5^o

+ Góc ôm bánh đai bị dẫn:  a^’₂= p+(da₃₂-da₃₁)/a 

                                             = 180^o+ (d_a32 – d_a31)x57^o/a

                                             = 180^o+(43.2-20.8)x57^o/150= 188.5^o

Vận tốc:  Bánh dẫn: v₁=pxd₁n₁/60.000 = πx25.5x20/60000= 0.02(m/s)

V₁ < V_MAX= 0.2(m/s)

Bánh bị dẫn: v₂=pd₂n₂/60.000= π x 60x 20/60000= 0.06(m/s)

V₂ < V_MAX= 0.2(m/s)

+ Chiều dài đai L theo khoảng cách trục A:

L=  =  = 401mm

Lấy L theo tiêu chuẩn bảng (5-12): L= 500 mm

Tỉ số truyền toàn bộ cơ cấu ở khớp 2: 

1.3/ Động lực học tay máy:

  1.3.1/Tính toán lực và phân tích lực:

         Khâu 3 được điều khiển bởi một động cơ bước (DC) thông qua bộ truyền là dây đai với tỷ số truyền 5.48.

Sơ đồ lực tác dụng

  Trong đó:

Khối lượng thanh AB : m_AB = 1,5kg

Khối lượng thanh BC: m_BC = (m_khop2 + m_khop3 )=1,3 kg

Trọng lực :

P₃ trọng lượng của khâu 3 và tay kẹp, điểm đặt lực trùng với P₂  nên P₂=P₃

Khâu 1:                                                                                        

Xét ở điều kiện lý tưởng , vật liệu sử dụng đồng nhất ta có sơ đồ phân bố lực như sau (phân tích lực ở trạng thái cực đại).                                       

ÜMoment tại điểm A       

Khâu 2 :

Xét ở điều kiện lý tưởng , vật liệu sử dụng đồng nhất ta có sơ đồ phân bố lực như sau(phân tích lực ở trạng thái cực đại)                                  

ÜMoment tại điểm B

1.3.2/ Tính toán lực và công suất trên khâu đế:

          Toàn bộ khâu 1, 2 và 3  được truyền động bởi động cơ bước DC1 có hộp số thông qua cơ cấu truyền động bao gồm 2 bánh trụ răng thẳng ăn khớp với nhau với tỉ số truyền  i= 2. Động  cơ bước hoạt động sẽ mang toàn phần thân phía trên của tay máy quay quanh ổ bi lắp trên trục T.

Để khâu đế hoạt động tốt thì momen của động cơ bước phải đủ lớn để thắng được momen quán tính của phần trên tay máy và lực ma sát của ổ bi.

Momen quán tính của phần trên tay máy tác dụng lên khâu đế được tính như sau:

J = J1 + J2

Trong đó:

           J: là momen quán tính tổng cộng lớn nhất ứng vơi lúc khâu 1, và khâu 2 đang  duỗi thẳng.

          J1: là momen quán tính do khâu 1 gây ra.

 J2: là momen do khâu 2 và 3 gây ra.

J1 = 1,5(Kg)* [0.1(m)]² = 0,015 kg.mm²

J2 = 1,3(Kg)* [0.075(m)]² = 7,31x10^-3 kg.mm²

J= J1 + J2 = 0.022 kg.mm²

  Lực ma sát của ổ bi là nhỏ nên ta có thể bỏ qua. Ta cần tính momen do momen quán tính J ở trên gây ra. Trước hết, khi khâu 1 được sự truyền động của động cơ DC1 thì khâu 1 bắt đầu tăng gia tốc cho đến khi đạt được vận tốc gốc:  w=2.p/ 2=3.14 (rad/s) thì khâu1 sẽ quay đều. Thời gian để đạt được vận tốc đó được tính là: t = 2 lần cấp xung cho DC1*tỷ số truyền: t = 2*0.0192*2= 0.08(s)

  Gia tốc  cấp cho khâu 1 là:

                        w = t*g 

           Suy ra: g = w / t = 3.14/ 0.08 = 39.25rad/s²

           Momen xoay khâu 1 là:

                         M = g*J = 39,25* 0.022 = 0.86[N.m]

                         M= 860 [N.mm}.

Momen tác dụng lên động cơ 1 là:

                         T₁= M /tỷ số truyền =860/2= 430 [N.mm].

1.4/ Toán  động học của tay máy scara:

  1.4.1/ Động học thuận:

  

Hình 2.7 : các hệ trục trên tay máy scara

   Việc xây dựng các phương trình động học thuận của robot được tiến hành tuầntự theo các bước sau:

Bước 1:

    Xác định các hệ toạ độTa sử dụng quy ước Denavit-Hartenberg để mô tả đầy đủ vị trí của của toànthân robot công nghiệp. Hình trên mô tả các hệ trục toạ độ gắn với các khúc tay củarobot Scara.

 

Bước 2:

 Xây dựng bảng thông số DH:

Bảng 2.2:    Tham số Denavit – Hartenberg của robot Scara 3 bậc tự do

Khâu	θi	αi	ai	di
1	θ1	0	a1	0
2	θ2	180o	a2	0
3	0	0	0	d3

 

Bước 3: xác định các ma trận A.   

Ma trận A_i có dạng :

                       A_i=

Ta viết tắt các hàm lượng giác sau:

C₁= ; C₂= ; S₁= ; S₂= ; S₁₂= ; C₁₂=

Thay các thông số DH của các khâu vào ma trận A_i, ta có:

 

                       A₁=

                       A₂= ;     A₃=

 = A₃       ;    = A₂ .   ; T₃ = A₁. = A₁.A₂.A₃

 T₃ =              

T₃ =

Ta có:

T₃=

Trong đó:         

Và hệ phương trình xác định vị trí của điểm tác động cuối như sau:

       X=

       Y=

       Z=

1.4.2/ Động học ngược:

         Động học ngược: xác định các biến khớp khi biết vị trí tay.

 

Trong đó:

 L_{1 :} chiều dài khâu 1

 L₂ :chiều dài khâu 2.

X_1, y₁ tọa độ trong không gian của tay máy.

Ta có phương trình :

  X =l₁cos+ l­₂cos () (1)

  y =l₁sin+ l­₂sin () (2)

bình phương hai vế phương trình (1) và (2)

x² =  (3)

y² =  (4)

tổng bình phương 2 phuong trình (3) và (4):

 x² + y² =  )

=>cos =>   (6)

Thay vào phương trình (1):

    x= () 

đặt : a= x; b= (); c=  ,

  ó a= b + c 

 ta có công thức: ;  (7)

    ó (a + b)t² – 2ct +(a-b) =0 (8)

Giải phương trình (8): t=   thay t vào pt (7) ta tìm được .

 

1.5/ Diễn biến công việc và những kinh nghiệm rút ra:

       Diễn biến công việc:   

      Tìm hiểu những tay máy SCARA công nghiệp trên thực tế từ đó chọn ra mẫu thiết kế phù    hợp với đề tài.

            Lựa chọn các thông số phù hợp tiến hành thiết kế mô hình trên bản vẽ 3D.

            Lựa chọn vật liệu, loại động cơ phương án tryền động để tiến hành thi công.

            Tính toán các thông số tiến hành vẽ bản vẽ 2D các chi tiết vỏ trước khi gia công.

            Gia công các chi tiết nhỏ theo bản vẽ và kích thước đã định thay đổi các thông số nếu thấy cần thiết.

            Tiến hành lắp ghép các chi tiết các cơ cấu truyền động hệ thống đỡ v..v.

            Test thử hệ thống truyền động các cơ cấu nếu chưa phù hợp tiếp tục chỉnh sửa.

            Sơn các cụm chi tiết và lắp ráp hoàn chỉnh.

    Những kinh nghiệm rút ra:

           Chọn vật liệu có khối lượng cũng như kích cở phù hợp để có thể dễ dàng trong quá trình truyền động về sau bởi vì mô hình có kích thước lớn nên đòi hỏi giảm thiểu tối đa khối lượng để động cơ có thể hoạt động tốt.

            Tìm hiểu kĩ các loại động cơ trước khi thực hiện để có thể tìm đúng loại có momen xoắn cũng như vận tốc phù hợp trong điều khiển.

            Với khối lượng các khâu lớn nên khi thiết kế các cơ cấu truyền động phải chú ý đến tỷ số truyền và các cơ cấu đó phải đảm bảo độ chính xác , độ cứng vững cao.

            Nên sử dụng các bộ truyền động trục vít bánh vít trong các loại chuyển động này vì nó vừa có tỷ số tuyền lớn và có khả năng  tự hãm cho cơ cấu.

 

 

2/ Điện – Điện tử:

2.1/  Phân tích chức năng cần thiết của mạch và một số linh kiện:

2.1.1/ Mạch điều khiển động cơ:

 Hình 2.8: khối mạch động cơ

Nguyên lý hoạt động mạch công suất:    Ta sử dụng TIP122.

     Khi xung được cấp từ PIC qua chân số 1 của HEADER 4 sẽ kích hoạt Tip 122 ,cho phép dòng qua cuộn thứ nhất của động cơ  bứơc.

    Tương tự với các xung còn lại .động cơ bước hoạt động.

    Diode dùng để chống dòng ngược từ động cơ có tác dụng bảo vệ cho Tip 122.

 2.1.2/Khối nguồn công suất:

            Vì điều khiển động cơ bước ở tốc độ cao cùng yêu cầu momen xoắn lớn để có thể tạo chuyển động cho cơ cấu nên đòi hỏi phải sử dụng bộ nguồn có dòng lớn mới đáp ứng kịp do đó ta dùng  khối nguồn máy tính có dòng 13A để điều khiển động cơ bước.

 

                                                                                           Hình 2.9: Nguồn máy tính

2.1.3/Khối vi điều khiển:

Giới thiệu sơ lược PIC 16F877A

                           

Hình 2.10: Khối vi điều khiển

- Đây là họ vi điều khiển 16F8XXX với tập lệnh 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh được thực thi trong 1 chu kỳ xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20MHz ( tức là 1 chu kỳ máy mất 0.2us ).

            - Bộ nhớ chương trình 8K.

            - Bộ nhớ dữ liệu 386 byte RAM.

            - Bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256 byte.

            - 5 Port ( A,B,C,D,E ) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập, bao gồm 33 ngõ xuất nhập I/O.

            - 2 bộ định thời Timer 0 và Timer 2 – 8 bit.

            - 1 bộ định thời Timer 1 – 16 bit.

            - 2 bộ Capture/Compare/PWM.

            - Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP ( Synchronous Serial Port ), SPI và I2C.

            - Các chuẩn giao tiếp song song PSP ( Parallel Slave Port ) với các chân điều khiển RD, WR, CS ở bên ngoài.

            - 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.

            - 15 nguồn ngắt ( Interrupt ).

            - Chế độ tiết kiệm năng lượng ( Sleep Mode ).

            - Watch Dog Timer với bộ dao động trong.

Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như :

            - Bộ nhớ Flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần.

            - Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần.

            - Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có khả năng lưu trữ trên 40 năm.

            - Nạp được chương trình ngay trên mạch điện với chuẩn ICSP ( In Circuit Serial Programming ) thông qua 2 chân PGD ( RB7 ) và PGC ( RB6 ).

2.1.4/ Giới thiệu động cơ bước:

         Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết.          

Hình 2.11: động cơ bước

CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI

       Cấu tạo :  Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.

           Cấu tạo của động cơ bước gồm roto là một nam châm vĩnh cữa,có xẻ rảnh xen cực nam và cực bắc phía đáy cũng có xẻ ranh tương ứng như trên roto.Stato là các tấm sắt cỡ một ly gắp lại với nhau,trên Stator các cuộn dây sẽ được quấn để tạo ra từ trường quay roto,các cuộn dây sẽ được nối ra ngoài với các màu tương ứng                                               

                     Stato                                           Roto    Hình 2.12: Stato và roto

Phân loại:

    Về cơ bản có ba loại động cơ bước biến từ trở, nam châm vĩnh cửu và hybrid.ngày nay động cơ bước hybrid được sử dụng rộng rải nhất.

  Biến từ trở                                                    Hybrid

             Nam châm vĩnh cửu                                                     

 

        Hình 2.13: các loại động cơ bước

        Phân loại theo pha thì có 3 loại động cơ bước là: động cơ 2 pha, động cơ 3 pha, động cơ  5 pha. Pha của động cơ bước là số cuộn dây của Stato.

Loại được dung phổ biến hiện nay là loại 2 pha, loại 2 pha còn được chia làm 2 loại nửa là Bipolar Winding và Unipolar Winding.

              Bipolar Winding                                                    Unipolar Winding

    Bipolar Winding cấu tạo gồm 2 cuộn dây trên một pha. Còn Unipolar Winding thì chỉ có một dây trên một pha. Sử dụng Bipolar Winding thì đơn giản hơn nhưng moment sẽ quay yếu hơn 30%. Trong thực tế động cơ Bipolar thường được sử dụng rộng rải hơn.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC :

        Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

   FULL STEPPING:

-Phương pháp kích từng pha một ( nghĩa là trong một lúc chi có một pha được kích:”one phase on” )

Từ trường của cuộn dây tác động lên roto làm roto quay theo chiều từ trường của cuộn dây

Hình 2.14: chế độ full stepping của động cơ bước

-Phương pháp kích cả 2 pha: (“two phase on”)

Khi kích động cơ bằng phương pháp kích 2 pha cùng lúc sẽ làm tang ngẫu lực của động cơ lên 41,4% so với phương pháp kích một pha,nhưng công suất sẽ tăng gấp đôi.

   HAFL STEPPING:

Ta có thể chia đôi bước của động cơ bằng cách chèn them một trạng thái tắt giữa sự dịch chuyển pha của 2 cuộn dây.

Hình 2.15: chế độ half stepping

   MICRO STEPPING:   Là phương pháp điều khiển dòng điện trong động cơ để chia nhỏ số vị trí giữa 2 cực.vi bước thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi phải định vị chính xác và độ phân giải tốt trong một phạm vi tốc độ rộng.

 Ứng dụng:
        Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số.
       Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quan trắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay...
       Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in...

2.1.5/Truyền thông nối tiếp RS232 :

     2.1.5.1/ Cấu trúc cổng nối tiếp :

              Cổng nối tiếp được sử dụng để truyền dữ liệu hai chiều giữa máy tính và ngoại vi, có các ưu điểm như:

            Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song, số dây kết nối ít, có thể truyền không dây dùng hồng ngoại, có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC (Programmable Logic Device),cho phép nối mạng, tháo lắp thiết bị trong lúc máy tính đang làm việc, dùng cung cấp nguồn cho các mạch điện đơn giản.

Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232 như sau:

Các tốc  độ truyền dữ liệu thông dụng trong cổng nối tiếp là: 1200 bps, 4800 bps, 9600bps và 19200 bps.

Hình 2.16: Cổng COM

  2.1.5.2 Phần mềm lập trình VISUAL BASIC 6.0:

 Mô tả :Việc truyền thông nối tiếp trên Windows được thực hiện thông qua một ActiveX có sẵn là Microsoft Comm Control.. Nó được lưu trong file MSCOMM32. OCX. Quá trình này có hai khả năng thực hiện điều khiển trao đổi thông tin:

-  Điều khiển sự kiện:

     Truyền thông điều khiển sự kiện là phương pháp tốt nhất trong quá trình điều khiển việc trao đổi thông tin. Quá trình điều khiển thực hiện thông qua sự kiện OnComm.

-  Hỏi vòng:

     Quá trinh điều khiển bằng phương pháp hỏi vòng thực hiện thông qua kiểm tra các giá trị của thuộc tính CommEvent sau một chu kỳ nào đó để xác định xem có sự kiện nào xảy ra hay không. Thông thường phương pháp này dùng cho các chương trình nhỏ. ActiveX MsComm  được bổ sung vào một Visual Basic Project thông qua menu Project > Components:

Hình 2.17: Bổ sung đối tượng MsComm vào VBP

Biểu tượng của MsComm:  và các thuộc tính cơ bản mô tả như sau:

Các thuộc tính

+ Settings:

Xác định các tham số cho cổng nối tiếp. Cú pháp:

1. Settings = ParamString

MSComm1: tên đối tượng

ParamString: là một chuỗi có dạng như sau: "BBBB,P,D,S"

BBBB: tốc độ truyền dữ liệu (bps) trong đó các giá trị hợp lệ là:

P: kiểm tra chẵn lẻ, với các giá trị:

D: số bit dữ liệu (4, 5, 6, 7 hay 8), mặc định là 8 bit

S: số bit stop (1, 1.5, 2)

Giao tiếp với vi điều khiển

Khi thực hiện giao tiếp với vi điều khiển, ta phải dùng thêm mạch chuyển mức logic từ TTL ↔ 232. Các vi mạch thường sử dụng là MAX232 của Maxim hay DS275 của Dallas. Mạch chuyển mức logic mô tả như sau:

Hình 2.18: Mạch chuyển mức logic TTL ↔ RS232

2.2/ Bài học kinh nghiệm :

         Nên xây dựng khối mạch nguồn cho VĐK riêng với khối nguồn cấp cho động cơ bước vì với dòng nhỏ của mạch nguồn cấp cho VĐK sẽ không đáp ứng kịp cho yêu cầu hoạt động của động cơ bước gây giảm đáng kể tốc độ hoạt động cũng như momen xoắn của động cơ bước.

        Khi thiết kế mạch điều khiển động cơ bước phải lắp diode trước Tip 122 để chống dòng dội từ động cơ gây cháy Tip.

      Dùng phương pháp băm xung để điều khiển động cơ bước như vậy sẽ khai thác triệt để tốc độ cũng như mômen xoắn cho động cơ.

3/ Lập trình:

3.1/ Lưu đồ giải thuật tổng thể:

...............

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1/ Kết quả đạt được:

1.1/Phần cơ khí:

       Thiết kế, chế tạo tay máy scara 3 bậc tụ do bao gồm: 2 khớp xoay và một khớp tịnh tiến, một tay ghắp.

        Các động cơ bước hoạt động hiệu quả, không xảy ra hiện tượng trượt bước nhờ sử dụng các cơ cấu giảm tốc và đối trọng trên khâu 2 và khâu 3 (làm giảm đi momen tác dụng lên trục động cơ khi động cơ hoạt động và loại bỏ lực tác dụng ngược khi động cơ ở trạng thái tĩnh ).

     Tay ghắp được thực hiện nhờ động cơ bước truyền động qua trục vít tạo nên chuyển động kẹp của tay kẹp.

      Các khớp quay cũng như toàn bộ hệ thống hoạt động khá êm nhờ sử dụng các ổ bi  cùng các cơ cấu truyền hợp lí.

      Tay máy được thiết kế khá hoàn chỉnh, đảm bảo cho tay máy hoạt động linh hoạt và việc tháo lắp tay máy khá dễ dàng.

1.2/ Phần điện- điện tử:

      Thiết kế và thi công hoàn thiện mạch nguồn, mạch xuất port cho vi điều khiển, mạch drive điều khiển động cơ bước.

1.3/ Phần lập trình, điều khiển:

         Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ CCS. Các tín hiệu điều khiển được xuất ra chip PIC 16F877A và qua các mạch điều khiển động cơ và điều khiển trực tiếp bằng bàn phím máy tính và qua các nút nhấn trên hộp điện, dao diện được thể hiện trên màn hình và LCD của hộp điện.

2/ Những hạn chế,cách khắc phục:

   Tay máy được thiết kế 3 bậc nên việc ghắp đặt vật chưa được linh hoạt.

   Độ chính xác của tay máy khi hoạt động chưa cao do tỉ số truyền của các bộ truyền còn sai số.

   Cơ khí chưa có tính thẩm mỹ cao.

3/ Hướng phát triển nâng cao chất lượng đề tài:

    Tăng thêm bậc tự do cho tay máy để tay máy hoạt động linh hoạt hơn.

    Lắp đặt camera trên tay máy để tay máy có thể làm ở nhiều môi trường khác nhau.

    Nội suy đường đi cho tay máy.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1/  Tài liệu Vi Điều Khiển PIC 16F877A

2/  Tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm lập trình CCS – Nguyễn Xuân Trường

3/  Giáo trình Visual Basic 6.0

4/  Giáo trình robot công nghiệp – Ts.Phạm Đăng Phước.

5/  http://www.dientuvietnam.net

6/  http://www.picvietnam.com