Luận văn Thiết kế mạch điều khiển cánh tay máy 5 bậc tự do

Luận văn Đề Tài: Thiết kế mạch điều khiển cánh tay máy 5 bậc tự do Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Đồ án tốt nghiệp 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh góp phần nâng cao năng suất lao động. Đặt biệt sự ra đời và phát triển của công nghệ chế tạo Robot nhằm tạo ra sự tự động hóa trong quá trình sản xuất giảm đi sức lao động bằng chân tay của người lao động Đối với các nưước ngoài thì Robot đã được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng vào sản suất đả có từ trước. Riêng ở nước ta lĩnh vực này còn khá mới mẽ. Tuy có sự đầu tư để nghiên cứu nhưng còn hạn chế ,có thể dùng mô hình cánh tay máy để phục vụ trực tiếp cho công việc giảng dạy tại trường nhằm giúp cho sinh viên hiểu rỏ hơn về lý thuyết, tạo điều kiện cho việc dạy và học được sinh động hơn . Bức xúc trước nhu cầu tìm hiểu về tay máy công nghiệp từ chính bản thân và của những người yêu thích về lĩnh vực này, nhóm đã bắt tay vào việc thực hiện nghiên cứu đề tài: “THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH TAY MÁY NĂM BẬC TỰ DO”. 1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VẤN ĐỀ Ở Việt Nam nói chung công nghệ chế tạo tay máy còn chậm phát triển, chúng ta vẩn chưa có nhà máy nào có khả năng chế tạo các bộ phận cấu thành của tay máy đạt tiêu chuẩn quốc tế. Tận dụng những vật liệu có sẳn để gia công các chi tiết cơ khí cũng như linh kiện , thiết bị điện có sẳn do nước ngòai sản suất để thiết kế thành những sản phẩm cụ thể trước hết là ứng dụng làm phương tiện giảng dạy trong trường học và từ đó phát triển cao hơn để ứng dụng vào trong sản suất đã và đang là hướng đi đúng đắng của các kỹ sư ở Việt Nam . Đề tài : “THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH TAY MÁY NĂM BẬC TỰ DO” không nằm ngoài nhận định trên. Điều quan trọng hơn hết là các vấn đề liên quan đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tay máy và phần lý thuyết về các hoạt động xảy ra bên trong vi xử lí sẽ được giới thiệu trong đề tài này. Nó sẽ là nguồn thông tin hửu ích cho những ai muốn tìm hiểu về lĩnh vực này. 1.3 GIỚI HẠN VẤN ĐỀ Tay máy rất đa dạng về nguồn gốc và chủng loại đây là lần đầu thực hiện nghiên cứu đề tài: “THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH TAY MÁY NĂM BẬC TỰ DO” trong điều kiện:  Thời gian thực hiện đề tài chỉ trong 6 tuần  Kinh nghiệm thực tế chưa có nhiều  Tài liệu về vi xử lí và tay máy còn hiếm Vì vậy nhóm đã thực hiện nghiên cứu đề tài với những đặc điểm chính sau đây:  Lập trình bằng KIT vi xử lí 8085  Thiết kế mạch điều khiển cánh tay máy  Xây dựng những chương trình tiêu biểu 1.4 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Thực hiện đề tài “THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CÁNH TAY MÁY NĂM BẬC TỰ DO” là một công việc để người thực hiện đề tài nghiên cứu kỹ khái niệm mô hình, nguyên lý làm việc cũng như tập lệnh của vi xử lí. Sản phẩm của đề tài trước hết có thể được ứng dụng vào phương tiện giảng dạy tại trường; và nếu được phát triển rộng, đi sâu hơn thì có thể ứng dụng vào trong thực tế Đồ án tốt nghiệp sản xuất công nghiệp,và đặc biệt cung cấp một cái nhìn tổng quát về vi xử lí và tay máy công nghiệp. Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 2 Đồ án tốt nghiệp 2.1 DÀN Ý NGHIÊN CỨU  Giới thiệu tổng quát về tay máy  Thiết kế mạch điều khiển cánh tay máy  Xây dựng phần mềm  Thi công  Hướng dẫn thao tác 2.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Chủ yếu là mô hình cánh tay máy được gia công 2.3 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU
Phương Pháp Tham khảo tài liệu: chủ yếu là các tài liệu về kỹ thuật số, kỹ thuật vi xử lí, điện tử cơ bản Thực nghiệm: viết chương trình thử nghiệm trên KIT vi xử lý 8085
Phương Tiện  Ngòai KIT vi xử lí 8085 và mô hìmh cánh tay máy, nhóm còn thực hiện dề tài còn thiết kế thêm các mạch phụ để thử nghiệm các chương trình liên quan đến 8255 và 8279 2.4 THỜI GIAN NGHIÊN CỨU Nhóm thực nghiên cứu đề tài từ ngày đăng ký đề tài, công việc được phân bố cho 6 tuần làm việc như sau: Tuần 1 : Lập đề cương tổng quát Tuần 2 : Thu thập tài liệu Tuần 3 : Lập đề cương chi tiết Tuần 4,5 : Khai triển đề cương và đánh máy Tuần 6 : Sửa chữa và in ấn Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 3 Đồ án tốt nghiệp 3.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Thuật ngữ ROBOT xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn Tiệp Khắc có tên Karel Capek. Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) - xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF (American Manchine and Foundry company) quảng cáo mô tả một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran. Quá trình phát triển của IR có thể tóm tắt như sau: - Từ những năn 50 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên. - Đang đầu những năm 60 xuất hiện sản phẩm đầu tiên tên Versatran của công ty AMF. - Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo các IR theo bản quyền của Mỹ từ năm 1967; - Ở các nước Tây Âu khác như : Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển, từ những năm 70. - Châu Á có Nhật bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968. Đến nay trên thế giới có khoảng trên 20 công ty sản xuất IR trong số đó có 80 công ty của Nhật , 90 công ty của các nước Tây Âu, 30 công ty của Mỹ và một số công ty ở Nga, Tiệp … Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và khả năng nhận biết thông tin của tay máy - người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau: Thế hệ 1 : thế hệ có kiểu điều khiển theo chu trình dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin Thế hệ 2 : thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kì dạng chương trình mềm bước đầu đa có khả năng nhận biết thông tin Thế hệ 3 : thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khôn ,có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người Đối với tay máy công nghiệp đã có hơn 250 loại ,trong số đó có hơn 40% là loại tay máy có kiểu điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất . Sự xuất hiện của robot và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản xuất và xã hội loài người làm xuất hiện một ngành khoa học mới là ngành robot học (Robotic) . trên thế giới ở nhiều nước đã xuất hiện những viện nghiên cứu riêng về robot . Ở Việt Nam, từ những năm giữa của thập kỷ 80 đã có viện nghiên cứu về robot . 3.2 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CHỨC NĂNG CỦA IR Vậy robot là gì ? cho tới hiện nay chưa có một định nghĩa chính xác về robot, và cứ hai năm một lần trên thế giới người ta lại tổ chức một hội nghị khoa học bàn về robot nhằm thông tin những thành tựu đã đạt được trong nghiên cứu và chế tạo robot đồng thời thống nhất các thuật ngữ về robotic. để hiểu được về IR, trước hết chúng ta quan sát sơ đồ cấu trúc và chức năng của IR như sau: Đồ án tốt nghiệp Hình 3.1 : Sơ đồ cấu trúc và chức năng của robot Trong sơ đồ trên các đường chỉ thị mối quan hệ thông tin thuận , thông tin chỉ huy thực hiện nhiệm vụ cho robot. Các đường chỉ mối liên hệ thông tin ngược, thông tin phản hồi về quá trình làm việc của robot. Chức năng của bộ phận giao tiếp là liên lạc với người vận hành là thực hiện quá trình “Dạy học “ cho robot, nhờ đó Robot biết được nhiệm vụ phải thực hiện. Chức năng của hệ thống điều khiển là thực hiện việc tái hiện lại các hành động (nhiệm vụ) đã được ‘học’. Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ “sức”, tức chịu được tải trọng mà robot phải chịu trong quá trình làm việc , bộ phận này bao gồm các bộ phận, phần 1 - bộ phận truyền chuyển động - phần tạo các khả năng chuyển động cho robot và phần 2 - bộ phận chịu lực - phần chịu lực của Robot . Bộ phận cảm biến tín hiệu làm nhiệm vụ nhận biết, đo lường và biến đổi thông tin các loại tín hiệu như: các nội tín trong bản thân Robot - đó là các tín hiệu về vị trí, vận tốc, gia tốc trong từng thành phần của bộ phận chấp hành các ngoại tín hiệu - là các tín hiệu từ môi trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của Robot . Với cấu trúc và chức năng như trên Robot phần nào mang tính “người“ còn phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc. Với IR, tính chất người và ”máy” cũng được thể hiện đầy đủ như trên, duy chỉ hình thức mang dáng dấp của tay “Người”. Người vận hành Thiết bị liên lạc với người vận hành Hệ thống đều khiển Hệ thống Truyền động Hệ thống chịu lực Hệ thống cảm biến tín hiệu Môi trường Bên ngoài Liênhệ ngược Liên hệ nguợc Đồ án tốt nghiệp 3.3 CẤU TRÚC TỔÀNG QUÁT CỦA IR Chúng ta hãy xem xét cấu trúc của một tay máy công nghiệp có sơ đồ ở hình 3.2. Tay máy trên hình 3.2 có 6 bậc tự do với 6 trục chuyển động như sau: 1. Chuyển động quét của tay máy (chuyển động quay phải hay quay trái của thân người); 2. Chuyển động lên hay xuống theo chiều thẳng đứng (chuyễn động của khớp bả vai) 3. Chuyển động duổi ra hay co vào của cánh tay (chuyển động của khớp khuỷu tay) 4. Chuyển động lật lên xuống của bàn tay so với cổ tay; 5. Chuyển động quay ngược hay thuận chiều kim đồng hồ của bàn tay so với cổ tay. So với chuyển động của tay người (không tính đến chuyển động của các ngón tay) có 10 bậc tự do (10 khả năng chuyển động độc lập) tay máy trên là loại có đủ khả năng nắm bắt một vật bất kỳ trong không gian. Tay máy công nghiệp thường có các bộ phận chính sau: - Hệ thống điều khiển; - Hệ thống chấp hành : Bao gồm Các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chịu lực; - Bàn kẹp : Bàn kẹp là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy ,nơi cầm nắm các thiết bị cộng nghệ hay vật cần duy chuyển, bộ phận chấp hành _ phần kết cấu cơ khí của tay máy bao gồm các loại động cơ như : các động cơ thủy lực, khí nén, cơ cấu servo điện tử, động cơ bước mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chịu lực. Hệ thống điều khiển - thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận hành theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín. Hình 3.2 : Mô hình hệ thống chấp hành tay máy công nghiệp Đồ án tốt nghiệp Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp được mô hình hóa trong dạng chuổi động với các khâu và khớp như trong nguyên lý máy với các giả thuyết cơ bản như sau: - Chỉ dùng các khớp động loại 5 (khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít) - Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với nhau. - Chuổi động là chuổi động hở, đơn giản. Dưới đây là chuổi động của một tay máy công nghiệp tổng quát có 6 bậc tự do, các khớp A, B, F là các khớp tổng quát có nghỉa là chúng có thể là khớp quay, cũng có thể là khớp tịnh tiến, các khớp D, E, K chỉ là những khớp quay. Các khâu được đánh số bắt đầu từ khâu 0 _ giá cố định , tiếp đến là các khâu 1, 2, …, n _ các khâu động _ khâu tổng quát ký hiệu là khâu i, (i=0,1,2,…,n), khâu, khâu n cuối cùng là khâu mang bàn kẹp của tay máy. Tương tự như tay người để bàn kẹp (bàn tay) làm việc được cần có ba loại chuyển động, tương ứng với các chuyển động này là ba dạng cấu trúc của tay máy như sau: Cấu trúc chuyển động toàn bộ (Chân người) cấu trúc này thực hiện chuyển động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vị trí làm việc . Cấu trúc này hết sức đa dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống mà chuyển động này cần có sự kiểm soát người ta thường coi tay máy là đứng yên khâu 0 gọi giá cố định của tay máy. Cấu trúc xác định hàm kẹp bao gồm các khớp AB và F các khâu 1, 2 và 3, chuyển động của cấu trúc này nhằm đem theo bàn kẹp tới vị trí làm việc .Do giả thiết về loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thường ta có những phối hợp sau đây của các khớp và từ đó tạo nên các cấu trúc xác định vị trí của bàn kẹp trong các không gian vị trí làm việc khác nhau của bàn kẹp . Phối hợp TTT nghĩa là 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một khớp quay. Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ đề các so với các tọa độ S0 vì điểm M nằm trên khâu 3 được xác định bởi ba chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay (tức là hai tọa độ dài) Phối hợp TRT, RTT hayTTR, nghĩa là một khớp tịnh tiến hai khớp quay (các cấu trúc 2,3 và 4). Đây là là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ trụ so với điểm S0 vì để M trên khâu 3 được xác định bở hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay (tức là hai tọa độ dài một tọa độ gốc) Phối hợp RTR, RRT hay TTR nghĩa là hai khớp tịnh tiến và hai khớp quay (các cấu trúc 5, 6, 7, 8, 9 và 10). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ cầu so với hệ S0, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi một chuyển động tịnh tiến và hai chuyển động quay (tức là một tọa độ dài, hai tọa độ góc) Phối hợp RRR nghĩa là ba khớp quay (các cấu trúc 11,12) đây là các cấu trúc họat động trong hệ tọa độ góc so với hệ S0 vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi ba chuyển động quay (tức là ba tọa độ góc), cấu trúc này được gọi là cấu trúc phỏng sinh học. Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng hay chuyên môn hóa và đặc biệt đảm bảo giá thành đầu tư vào tay máy thấp, người ta không nhất thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay máy có đủ số ba khớp động cho cấu trúc xác định vị trí. Đồ án tốt nghiệp 3.4 GIỚI THIỆU ROBOT L2001: ROBOT L2001 có 4 bậc tự do đều là khớp quay, sử dụng động cơ điện một chiều có công suất cực đại 3W, số vòng quay của động cơ và chuyển động các khớp của tay máy tay máy phụ thuộc vào điện áp đặt vào động cơ và có thể điều chỉnh vô cấp. Kết cấu bộ truyền động cơ khí đơn giản thông qua bộ bánh răng giảm tốc 3 cấp, cấp thứ 3 là bộ trục vít- bánh vít do đó khả năng tự hãm rất tốt khi làm việc. Để xử lý công việc hãm chính xác và khử quán tính, tay máy được trang bị hệ thống điều khiển bằng bộ vi xử lý, nó có chức năng điều khiển theo chương trình mềm do người chế tạo lập sẵn. các chế độ hãm động cơ (hãm ngược) được tính toán trước trong chương trình nhằm bảo đảm tính chính xác cho cơ cấu khi có quán tính ứng với các giới hạn hành trình của từng chương trình. Các bộ phận an toàn giúp tay máy hoạt động tốt khi làm việc và ngay cả khi mất điện,bộ nhớ sẽ lưu lại chương trình. Bộ vi xử lý được lắp các cổng ra-vào để nối kết với các phần tử khác như băng tải, các khớp xoay hoặc các dây chuyền sản xuất giúp mở rộng việc sử dụng. Bản thân bộ vi xử lý có các bộ đếm, bộ định thời giúp xác định ca làm việc và số sản phẩm vận chuyển được ứng với mỗi ca … Các chuyển động của các khớp được giới hạn bởi cử hành trình. Tay máy được ứng dụng trong các công việc như : cấp phôi cho máy bán tự động, vận chuyển sản phẩm nhựa từ máy ép nhựa, phát hiện và loại bỏ phế phẩm trong dây chuyền sản xuất … Điều cần quan tâm ở đây của người nghiên cứu là giá thành sản xuất thấp, do đó phù hợp với điều kiện nước ta hiện nay . Mặc dù độ chính xác của tay máy chưa cao lắm, nhưng với yêu cầu công nghệ nhất định nào đó tay máy có thể đáp ứng được. Hình 3.3 : Sơ đồ mô hình ROBOT L2001 Đồ án tốt nghiệp  Ghi chú : 1. Bàn kẹp 5. Khớp thân 2. Khớp cổ tay 6. Cổng kết nối với thiết bị điều khiển 3. Khớp khuỷu tay 7. Đèn hiển thị 4. Khớp cánh tay 8. Công tắc logic Lưu đồ mô tả hoạt động của ROBOT L2001 2s 1.5s Hình 3.4 : Sơ đồ mô tả hoạt động của ROBOT L2001 Kẹp chi tiết (2s) Nâng 2 khớp : cánh tay- khuỷu tay Quay đến vị trí làm việc đồng thời xoay cổ tay theo chiều kim đồng hồ Hạ cánh tay Mở hàm kẹp 1.2 s Nâng cánh tay Xoay đế về vị trí đầu, xoay nghịch cổ, hạ khuỷu và cánh tay 1 s Đồ án tốt nghiệp 3.5 TRANG BỊ ĐIỆN TRONG ROBO l2001 3.5.1. Giới thiệu động cơ công tác: Mạch động lực bao gồm 5 động cơ công tác, trong đó 4 động cơ tải 3W ,một động cơ làm nhiệm vụ kẹp và mở, công suất 3,5 W khả năng chịu quá tải 2s  các động cơ được đánh số từ 1 đến 5. Động cơ 1 : đóng mở hàm kẹp. Động cơ 2 : xoay thuận nghịch cổ tay. Động cơ 3 : xoay thuận nghịch khớp khuỷu tay. Động cơ 4 : xoay thuận nghịch khớp cánh tay. Động cơ 5 : xoay thân đế (thân người). Các động cơ 2, 3, 4, 5 được bố trí trên 4 khâu chuyển động và hình thành 4 bậc tự do. 3.5.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ DC 3W Các động cơ đều có chung nguyên lý hoạt động . * Đặc điểm: -Nguồn điện áp DC 5  9 V. -Tốc độ thay đổi vô cấp 1200 4000 v/p. -Cókhả năng mang tải ngay khi cấp nguồn điện. * Phương pháp điều khiển động cơ. - Dùng điện áp DC 5 9V. - Cấp nguồn đúng chiều theo yêu cầu. - Thay đổi chiều quay bằng cách hoán vị các cực . - + + - - + + - Hình 3.5 : Phương pháp đảo chiều quay động cơ Để làm được công việc trên , ở mạch điều khiển ta trang bị các cầu dao đảo hoặc rơle điện từ . Dựa theo nguyên lý trên khi ứng dụng lắp ráp ROBOT thì những chuyển động đảo chiều đó sẽ đảo chiều được hành trình chuyển động của các khâu. * Nguyên lý hãm ngược + Đối với động cơ một chiều thì công việc hãm ngược đơn giản hơn, giảû sử: khi động cơ chạy theo chiều nào đó, có thể cùng chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ. + Khi ngưng cấp nguồn đồng thời đưa nguồn điện khác ngược chiều với nguồn đang hoạt động lập tức động cơ sẽ bị hãm cưỡng bức, lúc ấy lực từ sẽ có chiều ngược lạivà ta điều chỉnh thời gian sao cho động cơ dừng hẳn thì thôi cấp nguồn Về thời gian hãm ngược thì phụ thuộc vào người thiết kế chương trình điều khiển * Tốc độ động cơ được điều chỉnh phụ thuộc vào điện áp nguồn đưa vào. Biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa điện áp và tốc độ động cơ: M M Đồ án tốt nghiệp n O u Hình 3.6 : Giản đồ biểu thị mối quan hệ giữa điện áp và tốc độ động cơ Qua giản đồ trên ta thấy tốc