- ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS.NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG MỤC LỤCLỜI NÓI ĐẦU. - 4 1 Tổng quan về hệ cơ điện tử. - 17CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT. - 18 1 Khái niệm, nhiệm vụ của thiết kế quỹ đạo. - 18 3 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp. - 19 3.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp cho Robot phẳng. - 19 3.2 Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác. - 23 1ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - 28CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ROBOT. - 34 1 Thiết kế bộ điều khiển. - 49 2ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Môn học “ Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử” giúp em củng cố, ôn tập những kiếnthức đã học trong 3 năm qua, đồng thời bước đầu làm quen , tìm hiểu, tính toán, mô phỏngmột hệ Cơ điện tử điển hình, đó là Robot công nghiệp. - Hà Nội, ngày 10 tháng 11 năm 2018 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Hoàng 3ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Cơ điện tử là sự kết hợp của kĩ thuật cơ khí, điều khiển điện tử và kĩ thuật hệ thốngtrong thiết kế sản phẩm và quá trình (theo Nanyang Politechnic Singapore. - Cơ điện tử là sự kết hợp đồng vận của kĩ thuật cơ khí, điều khiển điện tử và tư duyhệ thống trong thiết kế sản phẩm và các quá trình sản xuất (theo Ủy ban Tư ván Phát triểnvà Nghiên cứu Công nghiệp châu Âu, viết tắt là IRDAC. - 4ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Mặc dù dải ứng dụng của Robot ngày càng mở rộng, nhưng theothống kê vào năm 2000 tại Mỹ, lượng Robot hàn và Robot xử lí phôi chiếm khoảng 78% 5ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Đạt được những mục tiêutrên là nhờ vào những khả năng to lớn của Robot như: làm việc không biết mệt mỏi, dễdàng chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việcđộc hại, nhiệt độ cao, cảm thấy được cả từ trường và nghe được cả siêu âm,… Robot được 6ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Nhược điểm lớn nhất củaRobot là chưa linh hoạt như con người, nếu một Robot bị hỏng trong dây chuyền tự đọngηcó thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên Robot vẫn luôn hoạt động dướisự giám sát của con người.3 Đặt vấn đề Nhiệm vụ: Thiết kế điều khiển cho Robot hàn điểm, hoạt động trong một mặt phẳng, hướng của khâu thao tác không đổi. - m3 = 19,5 (kg) 7ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 1.2 Mô hình Robot phẳng RRR Hình 1.3 Mô hình 3D Robot phẳng RRR 8ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Từ quy tắc trên, ta xây dựng được các hệ tọa độ như hình dưới đây: Hình 2.1 Hệ trục tọa độ Robot phẳng RRR 9ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Hình 2.2 Tham số kích thước Robot phẳng RRR Từ những phân tích và hình vẽ, ta có thể lập bảng thông số D-H như sau: 10ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - 11ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Xác định vị trí điểm tác động cuối Từ (2.2) và (2.5), ta suy ra: 12ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Hình 2.3 Các góc quay Cardan 13ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - 14ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - 0 (q1 q2 ) 0. - (q1 q2 ) 0 0. - Như vậy vận tốc góc và gia tốc góc của khâu 2 tính trong hệ tọa độ động gắn chặt vớikhâu là: ω2 0 0 q1 q2 2 T ε 2 2 ω2 0 0 q1 q2 2 T 15ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - 0 (q1 q2 q3 ) 0. - (q1 q2 q3 ) 0 0. - a1S1q1 a2 S12 (q1 q2. - a3C123 (q1 q2 q3. - 16ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - q1 q2 q3 → q3. - 17ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNGCHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT1 Khái niệm, nhiệm vụ của thiết kế quỹ đạo Thiết kế quỹ đạo chuyển động của khâu thao tác của Robot để đảm bảo các yêu cầucông nghệ được hiểu là thiết kế quỹ đạo. - Có 2 kĩ thuật thiết kế quỹ đạo chính. - Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp: Thiết lập quy luật chuyển động cho các biến khớp giúp điều khiển động cơ trực tiếp cho từng khớp. - Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác: Thiết lập quy luật chuyển động cho điểm tác động cuối giúp điều khiển quỹ đạo chính xác. - 9 6 Ta vẽ được không gian làm việc của Robot như hình 3.1: 18ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 3.1 Không gian làm việc của Robot RRR phẳng3 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp3.1 Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp cho Robot phẳng Trong trường hợp chuyển động từ điểm tới điểm, ta có thể không quan tâm đến việckhâu thao tác đi qua một số điểm trung gian. - Khi đó, ta sử dụng kĩ thuật thiết kế quỹ đạotrong không gian khớp. - Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp đòi hỏi phải xây dựngđược một hàm phụ thuộc thời gian của các biến khớp và các đạo hàm bậc nhất, bậc hai củanó. - Thiết kế quỹ đạo chuyển động: Giả sử: Khi các điểm tác động cuối ở điểm A(xA, yA, zA, ηA) tại thời điểm t=t0 tớiđiểm B(xB, yB, zB, ηB) tại thời điểm t=tc Chọn hàm phụ thuộc thời gian của biến khớp qi là đa thức bậc 3 có dạng: qi (t. - i qc ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - tc Áp dụng: Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp cho Robot phẳng RRR sao cho điểm tác 3. - qc 2 6 3 Thay t0=0 và tc=1s vào công thức (3.3), ta tính được các hệ số: 20ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - 4 t 2 Sử dụng phần mềm matlab, ta vẽ được các đồ thị tương ứng sau: Hình 3.2 Quỹ đạo chuyển động của điểm tác động cuối 21ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 3.3 Quỹ đạo, vận tốc, gia tốc khớp 1 Hình 3.4 Quỹ đạo, vận tốc, gia tốc khớp 2 22ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 3.5 Quỹ đạo, vận tốc, gia tốc khớp 33.2 Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác Trong trường hợp chuyển động liên tục trên đường di chuyển, kĩ thuật thiết kế quỹđạo trong không gian thao tác được sử dụng. - Lời giải tổng quát Giả sử thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác đi từ điểm A(xA, yA, zA, ηA) tớiđiểm B(xB, yB, zB, ηB) ta có phương trình đường thẳng là: x x0 y y0 z z0. - xc x0 xc x0 Chọn x=x(t) là đa thức bậc 3 có dạng: 23ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - 0 Tương tự các bước như thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp, ta tìm được các hệsố a0, a1, a2, a3 theo công thức sau. - t03 Bài toán: Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp cho Robot phẳng RRR sao cho điểm tác 3. - t t 10 20 10 Sử dụng phần mềm Matlab, ta vẽ được các đồ thị tương ứng sau đây: 24ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 3.6 Đồ thị xE , yE Hình 3.7 Quỹ đạo điểm tác động cuối 25ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Ti 1 Với Ti là khâu động thứ i, tính theo công thức: 1 T 1 Ti vCi mi vCi i ωTi Ii i ωi (4.2) 2 2 Trong đó: mi : khối lượng khâu i v Ci : vận tốc dài của khối tâm khâu i trong hệ tọa độ cố định i ωi : vận tốc góc khâu i trong hệ tọa độ động Ii: ma trận tenxo quán tính của khâu i đối với khối tâm của nó trong tọa độ động Đặt rCi là vector xác định khối tâm của khâu i trong tọa độ cố định, rCi tính theo côngthức: rCi 0 rOi 0 Ri i rCi (4.3) Trong đó: 0 rOi : vị trí điểm gốc hệ tọa độ Oi đối với hệ tọa độ cố định 0 R i : ma trận cosin chỉ hướng của hệ tọa độ (Oxyz)i đối với hệ tọa độ cố định 26ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - q1 q2 qn. - JTTi mi JTi JTRi I i J Ri q qT M q q (4.4) i 1 2 i 1 2 Trong đó: 27ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - lực dẫn động từ các động cơ5 Thiết lập phương trình động lực học cho Robot Ta có hình vẽ thể hiện các tham số động lực học của Robot RRR phẳng như hình sau: 28ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Ta lập được bảng tham số động lực học của Robot như sau: Khâu Vị trí trọng tâm Khối Momen quán tính (so với hệ tọa độ gắn lượng với từng khâu) xCi yCi zCi Ixx Iyy Izz Ixy Iyz Ixz 1 -l1 0 0 m1 I1x I1y I1z 0 0 0 2 -l2 0 0 m2 I2x I2y I2z 0 0 0 3 -l3 0 0 m3 I3x I3y I3z 0 0 0 Bảng 5.1 Tham số động lực học Từ đó, ta có các ma trận ten xơ quán tính khối và các vector thể hiện vị trí khối tâmcủa khâu 1, 2, 3 trong hệ tọa độ động gắn chặt với khâu là: 29ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - a1S1 a2 S12. - 30ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - a3 l3 S123 q1 q2 q3. - a1S1q1 a2 S12 q1 q2. - a3 l3 S123 a2 S12. - I3 z 31ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - S12 a2 l2. - (4.10) k 1 2 Ta tính được ma trận Coriolis C q, q như sau: 32ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN ROBOT1 Thiết kế bộ điều khiển1.1 Cơ sở lí thuyết Nhiệm vụ của bài toán điều khiển là thiết kế bộ điều khiển để Robot chạy đúng theoquy luật q(t) cho trước, nhằm thực hiện một số nhiệm vụ nào đó. - τ (5.2) 34ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Chúng ta phải xét xem cấu trúc của bộ điều khiển như thế nào thì có thể đáp ứng mụctiêu thiết kế. - K p qd q (5.6) Trong đó, các giá trị đầu vào là quy luật vị trí, quy luật vận tốc, quy luật gia tốc mongmuốn đã được tính toán trong phần thiết kế quỹ đạo: q d (t. - Ta tìm được biểu thức đặc trưng cho hệ điều khiển vòng kín Robot: E K vE K pE ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - Ta chọn càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh.1.2 Mô phỏng Các số liệu cho vào bộ điều khiển: a1 0.5 a2 0.4 a3 0.3 m1 26.25 m2 18.5 m3 19.5 I1 0.371 I 2 0.265 I1 0.18 I1z 1.14 I 2 z 0.36 I 3 z 0.33 g 9.81 36ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 5.2 Sơ đồ khối Simulink 37ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 5.3 Khối Control PD Hình 5.4 Khối Subsystem 38ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 5.5 Khối Robot RRR Hình 5.6 Khối Integrator1 và Integrator2 39ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 5.7 Đồ thị q1 đặt và q1 thực tế Hình 5.8 Sai lệch góc khớp 1 40ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 5.9 Đồ thị q2 đặt và q2 thực tế Hình 5.10 Sai lệch góc khớp 2 41ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 5.11 Đồ thị q3 đặt và q3 thực tế Hình 5.12 Sai lệch góc khớp 3 42ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 5.13 Đồ thị vận tốc q1 đặt và q1 thực tế Hình 5.14 Sai lệch vận tốc khớp 1 43ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 5.15 Đồ thị vận tốc q2 đặt và q2 thực tế Hình 5.16 Sai lệch vận tốc khớp 2 44ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Hình 5.17 Đồ thị vận tốc q3 đặt và q3 thực tế Hình 5.18 Sai lệch vận tốc khớp 3 45ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG Từ các giá trị vừa thu được, ta có thể nhận thấy bộ điều khiển vừa thiết kế đảm bảođược tính ổn định toàn cục của hệ thống. - Như vậy, ta đã thiết kế xong bộ điều khiển cho Robot. - 46ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - NGUYỄN THỊ VÂN HƯƠNG KẾT LUẬN Thông qua học phần “ Đồ án thiết kế hệ thống Cơ điện tử” với sự hướng dẫn của côNguyễn Thị Vân Hương, em đã học được phương pháp vầ cách tính toán Robot. - Hệ thống quá trình tính toán, thiết kế bộ điều khiển cho Robot công nghiệp. - Thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot trong không gian khớp với hàm phụ thuộc vào thời gian của các biến khớp. - Thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot trong không gian thao tác với quỹ đạo chuyển động là một đường thẳng. - Sử dụng phần mềm Maple, Matlab để tính toán, thiết kế bộ điều khiển PD và mô phỏng số Một số vấn đề có thể nghiên cứu và phát triển thêm. - Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí. - 47ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - 48ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - 49ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS. - 50ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: TS
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt