Do An

Lêi nãi ®Çu Trong c«ng cuéc c«ng nghiÖp ho¸ vμ hiÖn ®¹i ho¸ cña ®Êt n−íc, viÖc ¸p dông nh÷ng thμnh tùu khoa häc c«ng nghÖ vμo s¶n xuÊt vμ qu¶n lý gÇn nh− ®· trë thμnh tÊt yÕu vμ quyÕt ®Þnh cho sù ph¸t triÓn cña nÒn kinh tÕ. Trong ®ã tù ®éng ho¸ lμ mét trong nh÷ng ngμnh mòi nhän ®· ®−îc nhμ n−íc ta x¸c ®Þnh vμ tËp trung ph¸t triÓn nh»m ®−a ®Êt n−íc sím trë thμnh mét n−íc c«ng nghiÖp trong thêi gian ng¾n nhÊt. Lμ sinh viªn trong ngμnh §iÒu KhiÓn Tù §éng chóng em còng x¸c ®Þnh râ ®−îc nhiÖm vô cña m×nh trong c«ng cuéc chung ®ã. Sau n¨m n¨m häc tËp, rÌn luyÖn t¹i tr−êng §¹i Häc B¸ch Khoa Hμ Néi chóng em ®· thu l−îm ®−îc rÊt nhiÒu kiÕn thøc tõ thÇy c« vÒ chuyªn ngμnh còng nh− c¸c lÜnh vùc kh¸c liªn quan vμ ®· b¾t ®Çu c¶m thÊy m×nh cÇn lμm mét ®iÒu g× ®ã cã thÓ lμ kh«ng ¸p dông ngay vμo ®−îc trong thùc tÕ tuy nhiªn nã sÏ lμ b−íc khëi ®Çu v« cïng quan träng cho sù ph¸t triÓn kiÕn thøc vμ kh¶ n¨ng lμm viÖc sau nμy. V× vËy chóng em chän ®Ò tμi tèt nghiÖp “ ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot SCARA bèn bËc tù do”. §Ò tμi ®· ®−îc thùc hiÖn víi sù quyÕt t©m cña c¶ ba thμnh viªn trong nhãm. Néi dung ®Ò tμi kh«ng chØ bao gåm nh÷ng kiÕn thøc chuyªn ngμnh mμ trong ®ã cßn cã c¸c lÜnh vùc kh¸c liªn quan nh− thiÕt kÕ c¬ khÝ, thiÕt kÕ ®iÖn tö vμ x©y dông phÇn mÒm. §Ò tμi lμ sù kÕt hîp gi÷a lý thuyÕt vÒ robot c«ng nghiÖp vμ c¸c kiÕn thøc vÒ thùc thi thiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn, ®Æc biÖt chó träng ®Õn viÖc sö dông m¸y tÝnh lμm bé ®iÒu khiÓn vμ c«ng cô tÝnh to¸n cho robot. Môc ®Ých cña ®Ò tμi lμ t¹o ra mét robot SCARA thùc thô víi ®Çy ®ñ c¸c chøc n¨ng cã thÓ vμ x©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn kÕt hîp m« pháng nh»m m« pháng hμnh vi cña robot, ch−¬ng tr×nh sÏ thùc hiÖn mäi c«ng viÖc tÝnh to¸n vμ ®−a ra c¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®iÒu khiÓn trùc tiÕp robot. HÖ thèng robot ®−îc ghÐp nèi trùc tiÕp víi m¸y tÝnh qua cæng song song. §Ò tμi thiÕt kÕ ®−îc chia thμnh nhiÒu phÇn vμ ®−îc gãi gän l¹i trong c¸c néi dung chÝnh sau: Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vμ robot c«ng nghiÖp. Ch−¬ng 2: ThiÕt kÕ vμ chÕ t¹o m« h×nh thùc. Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn- ®iÖn tö.

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vμ m« pháng. Ch−¬ng 5. KÕt qu¶ thùc nghiÖm vμ ®¸nh gi¸. Ch−¬ng 6: H−íng ph¸t triÓn cña ®Ò tμi. PhÇn cuèi lμ c¸c phô lôc bao gåm phô lôc vÒ c¸c vi m¹ch sö dông trong ®Ò tμi, c¸c b¶n vÏ ®iÖn tö vμ c¬ khÝ… Sau mét thêi gian lμm viÖc miÖt mμi chóng em ®· thùc hiÖn chÕ t¹o ®−îc kh¸ thμnh c«ng vÒ c¶ ba phÇn c¬ khÝ, ®iÖn tö vμ ch−¬ng ®iÒu khiÓn ®¶m b¶o nh÷ng yªu cÇu ®Ò ra, tuy nhiªn do cßn h¹n chÕ vÒ kiÕn thøc, thêi gian vμ kinh phÝ… nªn kÕt qu¶ ®¹t ®−îc cã thÓ ch−a thùc sù hoμn h¶o vμ chóng em hy väng r»ng c¸c thÕ hÖ sau sÏ tiÕp tôc ph¸t triÓn ®Ò tμi nμy ®Ó cã thÓ kh¾c phôc ®−îc nh÷ng h¹n chÕ vμ ®−a thªm vμo nhiÒu tÝnh n¨ng næi tréi h¬n. Chóng em xin ch©n thμnh c¶m ¬n thÇy Ph¹m C«ng Ng«, ng−êi ®· v¹ch ra cho chóng em nh÷ng ý t−ëng ®Çu tiªn vμ gióp ®ì chØ b¶o chóng em trong suèt thêi gian thùc tËp còng nh− trong thêi gian lμm ®å ¸n. Ch©n thμnh c¶m ¬n c¸c thÇy c« trong bé m«n §iÒu KhiÓn Tù §éng còng nh− c¸c thÇy c« kh¸c trong tr−êng §¹i Häc B¸ch Khoa Hμ Néi ®· truyÒn l¹i cho chóng em nh÷ng kiÕn thøc v« cïng quý b¸u trong suèt kho¸ häc. Chóng em xin ch©n thμnh c¶m ¬n ! Hμ Néi 05-2008 Nhãm sinh viªn: NguyÔn §¨ng HiÕu §oμn Trung HËu TrÇn V¨n Huy

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

2

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp 1.1. Tæng quan vÒ Robot c«ng nghiÖp 1.1.1. LÞch sö ra ®êi vµ ph¸t triÓn cña robot c«ng nghiÖp. XuÊt ph¸t tõ nhu cÇu n©ng cao n¨ng suÊt vμ chÊt l−îng s¶n phÈm trong s¶n xuÊt còng nh− chÊt l−îng cuéc sèng ®· dÉn ®Õn viÖc ®ßi hái ngμy cμng cao vÒ viÖc øng dông c¸c ph−¬ng tiÖn, thiÕt bÞ tù ®éng ho¸ vμo s¶n xuÊt vμ ®êi sèng. Ban ®Çu lμ c¸c thiÕt bÞ tù ®éng cøng vμ tiÕp theo lμ nh÷ng thiÕt bÞ tù ®éng cã tÝnh linh ho¹t cao, c¸c thiÕt bÞ tù ®éng linh ho¹t nμy dÇn ®· thay thÕ c¸c thiÕt bÞ tù ®éng cøng (chØ ®¸p øng mét viÖc nhÊt ®Þnh). Robot nãi chung vμ robot c«ng nghiÖp nãi riªng thuéc lo¹i c¸c thiÕt bÞ tù ®éng cã tÝnh linh ho¹t cao, mét robot th−êng cã nhiÒu chøc n¨ng vμ cã thÓ ®¶m nhËn ®−îc nhiÒu c«ng viÖc kh¸c nhau. ThuËt ng÷ robot lÇn ®Çu tiªn xuÊt hiÖn n¨m 1922 trong mét t¸c phÈm v¨n häc cña nhμ v¨n TiÖp Kh¾c Karen Capek. Theo tiÕng TiÖp th× robot lμ ng−êi lμm t¹p dÞch. Trong t¸c phÈm nμy th× nh©n vËt Rosum vμ con trai cña «ng ®· t¹o ra nh÷ng chiÕc m¸y gÇn gièng nh− con ng−êi ®Ó hÇu h¹ con ng−êi. H¬n 20 n¨m sau, −íc m¬ viÔn t−ëng cña Karel Capek ®· trë thμnh hiÖn thùc. Ngay sau chiÕn tranh thÕ giíi thø 2 ë Hoa K× ®É b¾t ®Çu xuÊt hiÖn nh÷ng tay m¸y chÐp h×nh ®iÒu khiÓn tõ xa trong c¸c phßng thÝ nghiÖm vÒ vËt liÖu phãng x¹. Vμo nh÷ng n¨m 50 bªn c¹nh c¸c tay m¸y chÐp h×nh c¬ khÝ ®ã ®· xuÊt hiÖn c¸c lo¹i tay m¸y chÐp h×nh thuû lùc vμ ®iÖn tõ nh− tay m¸y Minotaur I hoÆc tay m¸y Handyman cña General Electric. N¨m 1954 George C.Devol ®· thiÕt kÕ mét thiÕt bÞ cã tªn lμ "C¬ cÊu b¶n lÒ dïng ®Ó chuyÓn hμng theo ch−¬ng tr×nh ". §Õn n¨m 1956 Devol cïng víi Joseph F.Engelber, mét kÜ s− trÎ cña c«ng nghiÖp hμng kh«ng, ®· t¹o ra lo¹i robot c«ng nghiÖp ®Çu tiªn n¨m 1959 ë c«ng ty Unimation. ChØ ®Õn n¨m §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

3

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp 1975 C«ng ty Unimation míi b¾t ®Çu cã lîi nhuËn tõ s¶n phÈm robot ®Çu tiªn nμy. Robot c«ng nghiÖp ®Çu tiªn ®−îc ®−a vμo øng dông n¨m 1961, ë mét nhμ m¸y « t« cña Hoa K×. Robot nμy n©ng chi tiÕt nãng tõ khu«n ®óc ¸p lùc vμ xÕp chóng l¹i. N¨m 1967 NhËt B¶n míi nhËp chiÕc robot c«ng nghiÖp ®Çu tiªn tõ Hoa Kú. Lóc nμy Hoa Kú ®· ®i tr−íc NhËt B¶n 10 n¨m vÒ robot. §Õn n¨m 1990 cã h¬n 40 c«ng ty NhËt b¶n, trong ®ã cã nh÷ng c«ng ty khæng lå nh− Hitachi, Mitsubishi ®· ®−a ra thÞ tr−êng quèc tÕ nhiÒu lo¹i robot næi tiÕng. Tõ nh÷ng n¨m 70 viÖc nghiªn cøu n©ng cao tÝnh n¨ng cña robot ®· chó ý nhiÒu ®Õn sù l¾p ®Æt thªm c¸c c¶m biÕn ngo¹i tÝn hiÖu ®Ó nhËn biÕt m«i tr−êng lμm viÖc. T¹i tr−êng ®¹i häc tæng hîp Stanford ng−êi ta ®· chÕ t¹o ra lo¹i robot l¾p r¸p tù ®éng ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh trªn c¬ së xö lý th«ng tin tõ c¸c c¶m biÕn lùc vμ c¶m biÕn quang. Nh− vËy cho ®Õn ngμy nay chuyªn ngμnh robot ®· trë thμnh mét lÜnh vùc réng lín trong khoa häc bao gåm c¸c vÊn ®Ò vÒ kÕt cÊu, ®éng häc, ®éng lùc häc, quü ®¹o, c¶m biÕn, ®iÒu khiÓn... Do ®ã khi nghiªn cøu vÒ robot c«ng nghiÖp ta còng ph¶i quan t©m nghiªn cøu ®Õn tÊt c¶ c¸c vÊn ®Ò ®ã. 1.1.2. C¸c kh¸i niÖm vµ ®Þnh nghÜa vÒ Robot 1.1.2.1. §Þnh nghÜa Robot HiÖn nay cã rÊt nhiÒu ®Þnh nghÜa vÒ robot c«ng nghiÖp. Theo c¸c quan ®iÓm vμ tiªu chuÈn kh¸c nhau cã c¸c ®Þnh nghÜa kh¸c nhau. Mét sè c¸c ®Þnh nghÜa th−êng ®−îc sö dông tiªu biÓu lμ: §Þnh nghÜa theo chuÈn AFNOR cña Ph¸p Robot c«ng nghiÖp lμ mét c¬ cÊu chuyÓn ®éng tù ®éng cã thÓ lËp tr×nh, lÆp l¹i c¸c ch−¬ng tr×nh, tæng hîp c¸c ch−¬ng tr×nh ®Æt ra trªn c¸c trôc täa ®é; cã kh¶ n¨ng ®Þnh vÞ, ®Þnh h−íng, di chuyÓn c¸c ®èi t−îng vËt chÊt: Chi tiÕt, dao cô, g¸ l¾p… theo nh÷ng hμnh tr×nh thay ®æi ®· ®−îc ch−¬ng tr×nh ho¸ nh»m thùc hiÖn c¸c nhiÖm vô c«ng viÖc kh¸c nhau. §Þnh nghÜa theo RIA cña Hoa Kú §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

4

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp Robot lμ mét tay m¸y v¹n n¨ng cã thÓ lÆp l¹i c¸c ch−¬ng tr×nh ®−îc thiÕt kÕ ®Ó di chuyÓn c¸c chi tiÕt, vËt liÖu dông cô hoÆc c¸c thiÕt bÞ chuyªn dïng th«ng qua c¸c ch−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cã thÓ thay ®æi ®Ó hoμn thμnh c¸c nhiÖm vô kh¸c nhau. Theo mét chuÈn cña Nga: Robot c«ng nghiÖp lμ mét m¸y tù ®éng, ®−îc ®Æt cè ®Þnh hoÆc di ®éng ®−îc, liªn kÕt gi÷a mét tay m¸y vμ mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn theo ch−¬ng tr×nh, cã thÓ lËp tr×nh l¹i ®Ó hoμn thμnh c¸c chøc n¨ng vËn ®éng vμ ®iÒu khiÓn trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt. Nh− vËy cã thÓ nãi Robot c«ng nghiÖp lμ mét m¸y tù ®éng linh ho¹t cã thÓ thay thÕ mét phÇn hoÆc toμn bé c¸c ho¹t ®éng c¬ b¾p vμ trÝ tuÖ cña con ng−êi víi nhiÒu kh¶ n¨ng thÝch nghi kh¸c nhau. 1.1.2.2. BËc tù do cña Robot (DOF: Degrees Of Freedom) BËc tù do cña robot lμ sè täa ®é cÇn thiÕt ®Î biÓu diÔn vÞ trÝ vμ h−íng cña vËt thÓ ë tay robot trong kh«ng gian lμm viÖc. §Ó biÓu diÔn hoμn chØnh mét ®èi t−îng trong kh«ng gian 3 chiÒu cÇn 6 tham sè: 3 tham sè x¸c ®Þnh vÞ trÝ ®èi t−îng trong kh«ng gian vμ 3 tham sè biÓu diÔn h−íng cña vËt thÓ. Nh− vËy mét robot c«ng nghiÖp ®iÓn h×nh cã sè bËc tù do lμ 6. Sè bËc tù do cña robot c«ng nghiÖp sÏ t−¬ng øng víi sè thanh nèi cña robot. NÕu sè bËc tù do cña robot nhá h¬n 6, chuyÓn ®éng cña tay robot trong kh«ng gian sÏ bÞ h¹n chÕ. Ng−îc l¹i sè bËc tù do lín h¬n 6, sÏ cã nhiÒu lêi gi¶i biÓu diÔn vÞ trÝ vμ h−íng cña robot trong kh«ng gian vμ sÏ cã nhiÒu ph−¬ng ¸n ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng. 1.1.2.3. Khíp, cæ tay vµ bµn tay robot Khíp lμ kh©u liªn kÕt hai thμnh phÇn nèi cã chøc n¨ng truyÒn chuyÓn ®éng ®Ó thùc hiÖn di chuyÓn cña robot. Thanh nèi gÇn víi th©n robot lμ thanh nèi vμo, thanh nèi ra sÏ chuyÓn ®éng so víi thanh nèi vμo. Khíp robot gåm hai lo¹i: Khíp tÞnh tiÕn vμ khíp quay. Khíp tÞnh tiÕn thùc hiÖn chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn hoÆc tr−ît thanh nèi ®Çu ra. C¸c d¹ng c¬ cÊu khíp tÞnh tiÕn lμ c¬ cÊu xi lanh - pÝt t«ng, c¬ cÊu kÝnh viÔn väng...Khíp quay cã ba d¹ng: R, T, V. Khíp quay d¹ng R cã trôc xoay

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

5

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp vu«ng gãc víi trôc hai thanh nèi. D¹ng khíp quay T cã trôc xoay trïng víi trôc hai thanh nèi. D¹ng khíp quay V cã trôc xoay trïng víi trôc thanh nèi vμo vμ vu«ng gãc víi trôc thanh nèi ra. Cæ tay robot cã nhiÖm vô ®Þnh h−íng chÝnh x¸c bμn tay robot ( c¬ cÊu t¸c ®éng cuèi ) trong kh«ng gian lμm viÖc. Bμn tay lμ c¬ cÊu t¸c ®éng cuèi, ®−îc g¾n lªn cæ tay robot ®¶m b¶o cho robot thùc hiÖn c¸c nhiÖm vô kh¸c nhau trong kh«ng gian lμm viÖc. C¬ cÊu bμn tay cã hai d¹ng kh¸c nhau tïy theo chøc n¨ng cña robot trong d©y truyÒn s¶n xuÊt: c¬ cÊu bμn kÑp (gripper) vμ c¬ cÊu dông cô (tool). Robot ®−îc thiÕt kÕ trong ®Ò tμi nμy thuéc lo¹i SCARA (Selective Compliance Asembly Robot Arm). §ã lμ mét tay m¸y cã cÊu t¹o ®Æc biÖt gåm hai khíp quay vμ mét khíp tÞnh tiÕn, nh−ng c¶ 3 khíp ®Òu cã trôc song song víi nhau. KÕt cÊu nμy lμm tay m¸y cøng v÷ng h¬n theo ph−¬ng th¼ng ®øng nh−ng kÐm cøng v÷ng theo ph−¬ng ngang. C¬ cÊu bμn tay gåm c¶ hai d¹ng bμn kÑp vμ dông cô cã thÓ thay thÕ vμ sÏ ®−îc lùa chän khi ho¹t ®éng. Vïng lμm viÖc cña SCARA lμ mét h×nh trôc rçng.

H×nh 1.1a Khíp tÞnh tiÕn

H×nh 1.1b Khíp quay d¹ng R

H×nh 1.1c Khíp quay d¹ng T

H×nh 1.1d Khíp quay d¹ng V

1.1.2.4. Tr−êng c«ng t¸c cña Robot Tr−êng c«ng t¸c (hay vïng lμm viÖc, kh«ng gian c«ng t¸c) cña robot lμ toμn bé thÓ tÝch ®−îc quÐt bëi kh©u chÊp hμnh cuèi khi robot thùc hiÖn tÊt

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

6

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp c¶ c¸c chuyÓn ®éng cã thÓ. Tr−êng c«ng t¸c bÞ rμng buéc bëi c¸c th«ng sè h×nh häc cña robot còng nh− c¸c rμng buéc c¬ häc cña c¸c khíp. Robot theo cÊu h×nh Scara cã tr−êng c«ng t¸c lμ mét phÇn h×nh trô rçng. Tr−êng c«ng t¸c cña robot SCARA trong ®Ò tμi: + Giíi h¹n chuyÓn ®éng quay cña c¸nh tay 1:270o + §é dμi c¸nh tay 1(tÇm v−¬n c¸nh tay 1) :150mm + Giíi h¹n chuyÓn ®éng quay cña c¸nh tay 2: 230o + §é dμi c¸nh tay 2(tÇm v−¬n cña c¸nh tay 2): 165mm + TÇm v−¬n cña c¶ hÖ thèng tay:150 + 165 = 315mm + Giíi h¹n chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn cña kh©u tÞnh tiÕn lªn xuèng: 250mm 1.1.3. CÊu tróc c¬ b¶n cña mét hÖ thèng robot c«ng nghiÖp Mét robot c«ng nghiÖp th−êng bao gåm c¸c thμnh phÇn chÝnh nh−: c¸nh tay robot, nguån ®éng lùc, bé ®iÒu khiÓn vμ m¸y tÝnh, ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn, dông cô g¾n lªn kh©u chÊp hμnh cuèi, c¸c c¶m biÕn, thiÕt bÞ d¹y häc…Mét hÖ thèng robot c«ng nghiÖp ®−îc thÓ hiÖn nh− s¬ ®å bªn d−íi:

H×nh 1.2 C¸c thμnh phÇn chÝnh cña hÖ thèng robot C¸nh tay robot lμ kÕt cÊu c¬ khÝ gåm c¸c kh©u liªn kÕt víi nhau b»ng c¸c khíp ®éng ®Ó cã thÓ t¹o nªn c¸c chuyÓn ®éng c¬ b¶n cña robot. Nguån ®éng lùc lμ c¸c ®éng c¬ ®iÖn, c¸c hÖ thèng xy lanh khÝ nÐn, thñy lùc ®Ó t¹o ®éng lùc cho tay m¸y ho¹t ®éng.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

7

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp Dông cô thao t¸c ®−îc g¾n trªn kh©u cuèi cña robot, dông cô nμy cã thÓ lμ nhiÒu kiÓu nh−: bμn kÑp, má hμn, ®¸ mμi, mòi khoan... ThiÕt bÞ d¹y häc (Teach- Pendant) dïng ®Ó d¹y cho robot c¸c thao t¸c cÇn thiÕt theo yªu cÇu cña qu¸ tr×nh lμm viÖc, sau ®ã robot cã thÓ ghi nhí vμ thùc hiÖn l¹i c¸c ®éng t¸c ®· ®−îc d¹y ®Ó lμm viÖc. Bé ®iÒu khiÓn th−êng ®−îc kÕt nèi víi m¸y tÝnh th«ng qua c¸c chuÈn I/O. C¸c ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn ®−îc viÕt vμ biªn dÞch trªn m¸y tÝnh sau ®ã ®−îc n¹p vμo bé ®iÒu khiÓn vμ bé ®iÒu khiÓn cÊp tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn robot.

1.2. §éng häc robot Trong thùc tÕ khi thùc hiÖn ®iÒu khiÓn robot ta th−êng gÆp ph¶i hai vÊn ®Ò lμ: Cho tr−íc c¸c th«ng sè ®éng häc c¸c biÕn khíp, ta cÇn x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña robot øng víi c¸c biÕn khíp ®ã vμ tr−êng hîp ng−îc l¹i khi biÕt vÞ trÝ ta cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®−îc c¸c biÕn khíp ®Ó robot chuyÓn ®éng tíi vÞ trÝ ®ã. §ã chÝnh lμ néi dung bμi to¸n ®éng häc thuËn vμ ®éng häc ng−îc. §éng häc thuËn cho phÐp ta x¸c ®Þnh vÞ trÝ vμ h−íng cña tay robot khi ®· biÕt c¸c biÕn cña khíp. §éng häc ng−îc sÏ tÝnh to¸n c¸c biÕn cña khíp t−¬ng øng víi vÞ trÝ vμ h−íng cña tay. Ta sÏ sö dông c«ng cô ma trËn ®Ó m« t¶ ®èi t−îng: vÞ trÝ, h−íng vμ chuyÓn ®éng. 1.2.1. BiÓu diÔn ma trËn Ma trËn ®−îc sö dông ®Ó biÓu diÔn mét ®iÓm, mét vector, mét khung täa ®é, c¸c phÐp biÕn ®æi tÞnh tiÕn, quay vμ biÓu diÔn mét ®èi t−îng trong mét khung täa ®é. 1.2.1.1. BiÓu diÔn mét vector trong kh«ng gian r

Mét vector V biÓu diÔn ®iÓm P trong kh«ng gian ®−îc x¸c ®Þnh b»ng ba thμnh phÇn lμ h×nh chiÕu cña vector trªn ba trôc cña khung täa ®é chuÈn.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

8

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp

H×nh 1.3 BiÓu diÔn mét vector trong kh«ng gian Trong ®ã a, b, c lμ c¸c h×nh chiÕu cña chuÈn

trªn 3 trôc cña khung täa ®é

r r r i , j , k - t−¬ng øng lμ c¸c vector ®¬n vÞ cña c¸c trôc x, y, z.

1.2.1.2. BiÓu diÔn mét khung täa ®é Mét khung täa ®é B cã gèc trïng víi gèc cña khung täa ®é chuÈn A biÓu diÔn b»ng 3 thμnh phÇn lμ h×nh chiÕu trªn c¸c trôc cña khung täa ®é chuÈn. Do ®ã cã thÓ biÓu diÔn khung täa ®é B ë d¹ng ma trËn:

⎡iBx jBx kBx ⎤ {F} = ⎢⎢iBy jBy kBy ⎥⎥ ⎢⎣iBz jBz kBz ⎥⎦

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

9

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp

H×nh 1.4 BiÓu diÔn mét khung täa ®é trong kh«ng gian NÕu khung täa ®é cã gèc kh«ng trïng víi gèc khung täa ®é chuÈn, gèc khung täa ®é B biÓu diÔn t−¬ng ®èi so víi khung täa ®é chuÈn b»ng r

vector p ⎡⎣ px

py

p z ⎤⎦ . Khi ®ã khung täa ®é B ®−îc biÓu diÔn ë d¹ng ma

trËn (4 × 4), trong ®ã ba cét ®Çu biÓu diÔn h−íng cña khung täa ®é B, cét thø t− x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña gèc khung täa ®é B

⎡iBx jBx kBx px ⎤ ⎢i j k p ⎥ {F} = ⎢⎢ By By By y ⎥⎥ iBz jBz kBz pz ⎢ ⎥ 0 0 0 1 ⎣ ⎦ 1.2.1.3. BiÓu diÔn mét vËt thÓ r¾n §Ó biÓu diÔn mét ®èi t−îng trong kh«ng gian, g¾n mét khung täa ®é lªn ®èi t−îng- “ Khung täa ®é ®èi t−îng” vμ x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña khung täa ®é ®èi t−îng ®ã trong kh«ng gian. Mét khung täa ®é trong kh«ng gian ®−îc biÓu diÔn b»ng mét ma trËn vu«ng (4 × 4), trong ®ã ba cét ®Çu tiªn biÓu diÔn h−íng cña ba vector ®¬n vÞ ba trôc vμ cét thø t− x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña gèc khung täa ®é trong khung täa ®é chuÈn:

⎡iDTx ⎢i {FDT } = ⎢⎢ DTy iDTz ⎢ ⎣0

jDTx kDTx jDTy kDTy jDTz kDtz 0

0

pDTx ⎤ pDTy ⎥⎥ pDTz ⎥ ⎥ 1 ⎦

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

10

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp 1.2.1.4. Ma trËn biÕn ®æi ®ång nhÊt Ma trËn biÕn ®æi ®ång nhÊt lμ mét ma trËn vu«ng (4 × 4) ®−îc sö dông ®Ó biÓu diÔn ®ång thêi h−íng vμ vÞ trÝ cña mét khung täa ®é cã d¹ng sau:

⎡ix ⎢i {F} = ⎢⎢ y iz ⎢ ⎣0

jx kx jy ky jz kz 0

0

px ⎤ py ⎥⎥ pz ⎥ ⎥ 1⎦

1.2.2. PhÐp biÕn ®æi PhÐp biÕn ®æi ®−îc sö dông ®Ó m« t¶ sù chuyÓn ®éng trong kh«ng gian cña mét khung täa ®é hoÆc cña mét vector, mét ®èi t−îng di chuyÓn trong kh«ng gian t−¬ng ®èi so víi khung täa ®é chuÈn ( khung täa ®é gèc ). Cã 3 d¹ng phÐp biÕn ®æi: PhÐp biÕn ®æi tÞnh tiÕn ®¬n, phÐp biÕn ®æi quay ®¬n vμ phÐp biÓu diÔn kÕt hîp. 1.2.2.1. PhÐp biÕn ®æi tÞnh tiÕn ®¬n Mét khung täa ®é di chuyÓn trong kh«ng gian nh−ng kh«ng thay ®æi h−íng cña nã sÏ t−¬ng øng víi mét phÐp biÕn ®æi tÞnh tiÕn. Khi ®ã c¸c vector ®¬n vÞ cña khung täa ®é ®ã kh«ng thay ®æi h−íng, gèc täa ®é cña khung täa ®é sÏ di chuyÓn t−¬ng ®èi so víi khung täa ®é gèc. Do h−íng cña c¸c vector ®¬n vÞ kh«ng thay ®æi trong khi di chuyÓn, phÐp biÕn ®æi tÞnh tiÕn ®−îc biÓu diÔn b»ng ma trËn vu«ng (4 × 4) nh− sau: ⎡1 0 0 a ⎤ ⎢0 1 0 b ⎥ ⎥ {T } = Trans (a, b, c) = ⎢⎢ 0 0 1 c⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1 ⎦ 1.2.2.2. PhÐp biÕn ®æi quay ®¬n Ma trËn biÓu diÔn phÐp quay ®¬n xung quanh c¸c trôc:

Trục x :

⎡1 0 ⎢0 Cθ Rot ( x, θ ) = ⎢ ⎢0 Sθ ⎢ ⎣0 0

0 − Sθ Cθ 0

0⎤ 0 ⎥⎥ , 0⎥ ⎥ 1⎦

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

11

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp ⎡ Cθ ⎢ 0 ⎢ Trục y: Rot ( y, θ ) = ⎢ − Sθ ⎢ ⎣ 0

Trục z:

0

Sθ

1

0

0 Cθ 0

0

⎡1 0 0 ⎢0 Cθ Sθ Rot(z,θ ) = ⎢ ⎢0 Sθ Cθ ⎢ ⎣0 0 0

0⎤ 0 ⎥⎥ 0⎥ , ⎥ 1⎦

0⎤ 0⎥⎥ 0⎥ ⎥ 1⎦

1.2.2.3. PhÐp biÓu diÔn kÕt hîp Tæng qu¸t phÐp biÕn ®æi cã thÓ gåm mét sè phÐp biÕn ®æi tÞnh tiÕn vμ quay so víi khung täa ®é cè ®Þnh hoÆc khung täa ®é ®ang chuyÓn ®éng. XÐt mét phÐp biÕn ®æi kÕt hîp ba phÐp biÕn ®æi ®¬n so víi khung täa ®é gèc theo thø tù sau: TÞnh tiÕn däc theo c¸c trôc lÇn l−ît lμ a, b,c. Quay xung quanh trôc x mét gãc α Quay xunh quanh trôc y mét gãc β Quay xunh quanh trôc z mét gãc χ Khi ®ã phÐp biÕn ®æi kÕt hîp sÏ ®−îc viÕt ë d¹ng: T = Rot ( z, χ ) × Rot ( y, β ) × Rot ( x, α ) × Trans(a, b, c)

1.2.2.4. PhÐp biÕn ®æi so víi khung täa ®é di chuyÓn C¸c phÐp biÕn ®æi tr×nh bμy ë trªn ®−îc thùc hiÖn so víi khung täa ®é gèc. C¸c phÐp biÕn ®æi còng cã thÓ ®−îc thùc hiÖn t−¬ng ®èi so víi khung täa ®é di chuyÓn. Täa ®é cña mét ®iÓm g¾n trong khung täa ®é di chuyÓn ®−îc biÓu diÔn so víi khung täa ®é gèc ®−îc tÝnh b»ng phÐp nh©n c¸c phÐp biÕn ®æi theo thø tù ng−îc ( so víi tr−êng hîp c¸c phÐp biÕn ®æi thùc hiÖn trong khung täa ®é gèc ). 1.2.3. HÖ ph−¬ng tr×nh ®éng häc robot 1.2.3.1. §Æt vÊn ®Ò C¬ cÊu chÊp hμnh cña robot gåm hai kh©u quay vμ mét kh©u tÞnh tiÕn, kh©u cuèi cïng lμ bμn kep. §iÓm mót cña bμn kÑp lμ ®iÓm ®¸ng quan t©m nhÊt v× nã lμ ®iÓm t¸c ®éng cña robot lªn ®èi t−îng. ë ®iÓm nμy ta cÇn quan t©m kh«ng chØ vÞ trÝ cña nã trong kh«ng gian mμ c¶ h−íng t¸c ®éng §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

12

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp cña nã. G¾n vμo ®iÓm t¸c ®éng cuèi nμy cã mét hÖ täa ®é O4 x4 y4 z4 vμ g¾n víi mçi kh©u ®éng mét hÖ täa ®é t¸c ®éng kh¸c ®¸nh sè thø tù tõ 1 ®Õn 3. Khi kh¶o s¸t chuyÓn ®éng cña robot cÇn biÕt ®Þnh vÞ vμ ®Þnh h−íng t¹i ®iÓm t¸c ®éng cuèi trong mäi thêi ®iÓm. §ã lμ néi dung quan träng cña bμi to¸n ®éng häc robot. C¸c lêi gi¶i cña bμi to¸n nμy ®−îc x¸c ®Þnh tõ nh÷ng ph−¬ng tr×nh ®éng häc cña robot. C¸c ph−¬ng tr×nh nμy lμ m« h×nh ®éng häc cña robot. Chóng ®−îc x©y dùng tõ quan hÖ gi÷a c¸c hÖ täa ®é ®éng nãi trªn so víi hÖ täa ®é cè ®Þnh O0 x0 y0 z0 . 1.2.3.2. X¸c ®Þnh tr¹ng th¸i cuèi cña robot t¹i ®iÓm t¸c ®éng cuèi Nh− phÇn trªn ®· ®Ò cËp, tr¹ng th¸i cña robot t¹i ®iÓm t¸c ®éng cuèi hoμn toμn x¸c ®Þnh b»ng sù ®Þnh vÞ vμ ®Þnh h−íng t¹i ®iÓm t¸c ®éng cuèi ®ã. BiÓu thÞ sù ®Þnh vÞ vμ ®Þnh h−íng nμy b»ng ma trËn tr¹ng th¸i cuèi TE .

⎡nx ox ax px ⎤ ⎢n o a p ⎥ y⎥ TE = ⎢ y y y ⎢nz oz az pz ⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1 ⎦ Trong ®ã c¸c phÇn tö cña ma trËn (3 × 1) lμ täa ®é px , p y , pz cña ®iÓm t¸c ®éng cuèi (E). Mçi cét cña ma trËn quay (3 × 3) lμ mét vector ®¬n vÞ chØ ph−¬ng mét trôc cña hÖ täa ®é ®éng O4 x4 y4 z4 biÓu diÔn trong hÖ täa ®é cè ®Þnh O0 x0 y0 z0 . Mét ®iÓm bÊt kú nμo ®ã trong kh«ng gian ®−îc x¸c ®Þnh trong hÖ täa ®é thø i b»ng b¸n kÝnh vector ri vμ trong hÖ täa ®é cè ®Þnh O0 x0 y0 z0 ®−îc x¸c ®Þnh b»ng b¸n kÝnh vector r0 ta cã quan hÖ r0 = A1 A2 ... Ai ri hoÆc

Víi

r0 = Ti ri

Ti = A1 A2 ... Ai

Trong ®ã A1 m« t¶ vÞ trÝ vμ h−íng cña kh©u ®Çu tiªn so víi gi¸ cè ®Þnh; ma trËn A2 m« t¶ vÞ trÝ vμ h−íng cña kh©u thø 2 so víi kh©u ®Çu; Ai m« t¶ vÞ trÝ vμ h−íng cña kh©u thø i so víi kh©u thø i -1. TÝch c¸c ma trËn A lμ ma trËn Ti m« t¶ vÞ trÝ vμ h−íng cña kh©u thø i so víi gi¸ cè ®Þnh. 1.2.3.3. Bé th«ng sè DH

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

13

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp Denavit J vμ Hartenberg R.S ®· ®Ò xuÊt dïng ma trËn thuÇn nhÊt (4 × 4) ®Ó m« t¶ quan hÖ gi÷a hai kh©u liªn tiÕp trong c¬ cÊu kh«ng gian. ¸p dông ph−¬ng ph¸p nμy vμo robot scara víi hÖ trôc täa ®é ®−îc chän nh− h×nh vÏ

H×nh 1.5 HÖ trôc täa ®é robot scara Ta cã b¶ng th«ng sè Denavit J & Hartenberg R.S (DH) cho robot nh− sau: Kh©u 1 2 3 4

θi

αi

ai

Di

θ θ 2*

0

a1

D1

180o

a2

0

0

0 0

0 0

D3*

* 1

θ 4*

D4

Trong ®ã ai lμ ®é dμi ®−êng vu«ng goc chung gi÷a hai trôc khíp ®éng i+1 vμ i. α i lμ gãc chÐo gi÷a hai trôc khíp ®éng i + 1 vμ i.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

14

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp Di lμ kho¶ng c¸ch ®o däc trôc khíp ®éng i tõ ®−êng vu«ng gãc

chung gi÷a trôc khíp ®éng i + 1 vμ trôc khíp ®éng i tíi ®−êng vu«ng gãc chung gi÷a khíp ®éng i vμ trôc khíp ®éng i – 1. θi lμ gãc gi÷a hai ®−êng vu«ng gãc chung nãi trªn. BiÕn khíp: Khíp ®éng lμ khíp quay ( khíp 1, 2, 4) th× θ1 , θ 2 , θ 4 lμ biÕn khíp. Khíp ®éng lμ khíp tÞnh tiÕn ( khíp 3) th× D lμ biÕn khíp vμ chóng ®−îc ®¸nh dÊu *. Theo m« h×nh DH c¸c ma trËn thuÇn nhÊt Ai ®−îc x¸c ®Þnh ⎡Cθi −SθiCαi Sθi Sαi aiCθi ⎤ ⎢S ⎥ C C − C S a S θ i θ i α i θ i α i i θ i ⎥ Ai = ⎢ ⎢0 Sαi Cαi Di ⎥ ⎢ ⎥ 0 0 1 ⎦ ⎣0 §èi víi khíp tÞnh tiÕn (a = 0) th× ma trËn Ai cã d¹ng: 0⎤ ⎡Cθ i −Sθ iCαi Sθ i Sα i ⎢S Cθ iCαi −Cθ i Sα i 0 ⎥⎥ θi ⎢ Ai = ⎢0 Sαi Cαi Di ⎥ ⎢ ⎥ 0 0 1⎦ ⎣0 Khi ®ã ph−¬ng tr×nh ®éng häc sÏ cã d¹ng: ⎡nx ox ax ⎢n o a ⎢ y y y ⎢ nz oz az ⎢ ⎣0 0 0

px ⎤ py ⎥⎥ = Tn pz ⎥ ⎥ 1⎦

Trong ®ã Tn = A1 A2 … An 1.2.3.4. Ph−¬ng tr×nh ®éng häc thuËn ¸p dông c¸ch thiÕt lËp m« h×nh ®éng häc theo kiÓu m« h×nh DH cho robot scara ta tÝnh ®−îc: Sè khíp n =4. C¸c ma trËn A : ⎡C1 −S1 ⎢S C 1 A1 = ⎢ 1 ⎢0 0 ⎢ ⎣0 0

0 a1C1 ⎤ 0 a1S1 ⎥⎥ 1 0 ⎥ ⎥ 0 1 ⎦

⎡C2 S2 0 a2C2 ⎤ ⎢ S −C 0 a S ⎥ 2 2 2⎥ A2 = ⎢ 2 ⎢0 0 −1 0 ⎥ ⎢ ⎥ 0 0 1 ⎦ ⎣0

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

15

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp ⎡C4 −S4 0 0 ⎤ ⎢S C 0 0 ⎥ 4 ⎥ A4 = ⎢ 4 ⎢ 0 0 1 D4 ⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1⎦ Vμ ta ®−îc hÖ ph−¬ng tr×nh ®éng häc thuËn cña robot SCARA : nx = C(1+ 2− 4) ox = S(1+ 2− 4) ax = 0 px = a2C(1+ 2) + a1C1 ny = S(1+ 2− 4) oy = −C(1+ 2−4) ay = 0 p y = a2 S(1+ 2) + a1S1 nz = 0 oz = 0 a z = −1 pz = D1 − D3* − D4 Trong ®ã c¸c ký hiÖu : Ci lμ Cos θi , Si lμ Sin θi ⎡1 ⎢0 A3 = ⎢ ⎢0 ⎢ ⎣0

0 1 0 0

0 0⎤ 0 0 ⎥⎥ 1 D3* ⎥ ⎥ 0 1⎦

1.2.3.5. Ph−¬ng tr×nh ®éng häc ng−îc XuÊt ph¸t tõ ph−¬ng tr×nh ®éng häc c¬ b¶n ⎡ nx ox ax ⎢n o a y y y Tn = A1 A2 … An = ⎢ ⎢ nz oz az ⎢ ⎣0 0 0

px ⎤ py ⎥⎥ pz ⎥ ⎥ 1⎦

ViÕt l¹i d−íi d¹ng Tn = Ti iTn

Nh©n hai vÕ ph−¬ng tr×nh trªn víi Ti −1 ta cã Ti −1 Tn = iTn và vì Ti −1 = ( A1 A2 ... Ai )−1 = Ai−1 … A2−1 A1−1

Ta cã : Ai−1 … A2−1 A1−1 Tn = iTn

KÕt hîp l¹i ta ®−îc:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

16

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp ⎡ nx ox ax ⎢n o a y y i −1 −1 −1 ⎢ y Tn = Ai … A2 A1 ⎢ nz oz az ⎢ ⎣0 0 0

px ⎤ py ⎥⎥ pz ⎥ ⎥ 1⎦

Víi i thay ®æi tõ 1 ®Õn n – 1. øng víi mçi gi¸ trÞ cña i, khi so s¸nh c¸c phÇn tö t−¬ng øng cña hai ma trËn ë hai vÕ cña ph−¬ng tr×nh trªn ta cã c¸c ph−¬ng tr×nh ®Ó tÝnh c¸c biÕn khíp. ¸p dông cho robot SCARA ta cã c¸c ph−¬ng tr×nh lÇn l−ît lμ: A1−1 0T = 1T4 A2−1 A1−1 0T = 2T4 A3−1 A2−1 A1−1 0T = 3T4 Ta tÝnh ®−îc: ⎡C2 S2 0 −a2 ⎤ ⎡ C1 S1 0 −a1 ⎤ ⎢ S −C 0 0 ⎥ ⎢−S C 0 0 ⎥ 2 − 1 1 1 −1 ⎥ ⎥ A2 = ⎢ 2 A1 = ⎢ ⎢ 0 0 −1 0 ⎥ ⎢0 0 1 0⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1⎦ ⎣0 0 0 1 ⎦ ⎡1 ⎢0 −1 A3 = ⎢ ⎢0 ⎢ ⎣0

0 ⎤ 1 0 0 ⎥⎥ 0 1 − D3* ⎥ ⎥ 0 0 1 ⎦ 0 0

Cuèi cïng ta ®−îc ph−¬ng tr×nh ®éng häc ng−îc cña robot nh− sau: C2 =

p x2 + p y2 − a12 − a 22 2a1 a 2

θ1* = arctan(

py px

hay θ 2* = ar cos(

) − arctan(

px2 + p y2 − a12 − a22 2a1a2

)

a2 S2 ) a1 + a2C2

θ 4 = θ1 + θ 2 *

D3* = pz + D4

1.3. §éng lùc häc robot Trong qu¸ tr×nh chuyÓn ®éng, robot tiÕp xóc víi m«i tr−êng sÏ sinh ra mét lùc cÇn thiÕt ®Ó di chuyÓn vËt vμ thùc hiÖn c«ng viÖc. Lùc cÇn thiÕt t¸c ®éng lªn mét vËt thÓ quan hÖ víi gia tèc cña vËt thÓ theo ®Þnh luËt II Newton r r ΣF = ma

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

17

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp T−¬ng tù m« men quay cña mét vËt quan hÖ víi gia tèc gãc cña vËt thÓ lμ: r r ΣM = Ja

§Ó lμm khíp robot di chuyÓn tÞnh tiÕn hoÆc quay, c¬ cÊu chÊp hμnh cÊn sinh mét lùc hoÆc mét m« men ®ñ lín. Mèi quan hÖ gi÷a lùc, m« mem cña c¸c khíp víi vÞ trÝ, tèc ®é vμ gia tèc ®−îc biÓu diÔn trong ph−¬ng tr×nh ®éng lùc häc. Trong ph−¬ng tr×nh ®éng lùc häc, lùc vμ m« men lμ c¸c tÝn hiÖu vμo. Dùa vμo ph−¬ng tr×nh ®éng lùc häc, sÏ tÝnh ®−îc lùc vμ m« men cÇn thiÕt ®Ó khíp robot cã thÓ chuyÓn ®éng ®−îc víi tèc ®é vμ gia tèc mong muèn. Ph−¬ng tr×nh ®éng lùc häc còng ®−îc sö dông cho ®¸nh gi¸ ¶nh h−ëng cña khèi l−îng t¶i ®èi víi c¸c chuyÓn ®éng cña robot. Gi¶i ph−¬ng tr×nh ®éng lùc häc sÏ nhËn ®−îc c¸c chuyÓn ®éng cña robot víi c¸c ®Çu vμo lμ lùc vμ m« men cña c¸c khíp, lμ c¬ së cho thiÕt kÕ hÖ thèng ®iÒu khiÓn robot. 1.4. ThiÕt kÕ quü ®¹o chuyÓn ®éng PhÇn trªn ta ®· tr×nh bμy vÒ ®éng häc vÞ trÝ vμ ®éng lùc häc robot. Sö dông c¸c ph−¬ng tr×nh ®éng häc vÞ trÝ thuËn, cã thÓ x¸c ®Þnh vÞ trÝ vμ h−íng cña bμn tay robot t−¬ng øng víi c¸c biÕn khíp; ng−îc l¹i tõ vÞ trÝ vμ h−íng ®−îc ®Þnh tr−íc trong kh«ng gian, vÞ trÝ cña c¸c khíp sÏ ®−îc x¸c ®Þnh nhê gi¶i bμi to¸n ®éng häc ng−îc robot. VÊn ®Ò thiÕt kÕ ®−êng ®i vμ quü ®¹o chuyÓn ®éng liªn quan mËt thiÕt ®Õn bμi to¸n ®iÒu khiÓn robot di chuyÓn tõ vÞ trÝ nμy sang vÞ trÝ kh¸c trong kh«ng gian lμm viÖc. §−êng ®i vμ quü ®¹o ®−îc thiÕt kÕ lμ c¸c l−îng ®Æt cho hÖ thèng ®iÒu khiÓn vÞ trÝ robot. Do ®ã ®é chÝnh x¸c cña quü ®¹o thiÕt kÕ lμm ¶nh h−ëng ®Õn chÊt l−îng di chuyÓn cña robot trong kh«ng gian lμm viÖc. Theo nhiÖm vô di chuyÓn cña robot, quü ®¹o chuyÓn ®éng cña robot gåm cã hai d¹ng: quü ®¹o ®iÓm- ®iÓm vμ quü ®¹o qua mét sè ®iÓm. 1.4.1. Quü ®¹o ®iÓm - ®iÓm Quü ®¹o chuyÓn ®éng tay robot gi÷a hai ®iÓm cã thÓ thùc hiÖn víi mét sè ph−¬ng ph¸p: Tèc ®é chuyÓn ®éng tèi ®a víi thêi gian chuyÓn ®éng cña c¸c khíp kh¸c nhau; thêi gian di chuyÓn cña c¸c khíp nh− nhau; quü ®¹o di chuyÓn lμ ®−êng th¼ng ®−îc chia lμm nhiÒu ®o¹n nhá ®Òu hoÆc kh«ng ®Òu.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

18

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp

H×nh 1.6 Quü ®¹o chuyÓn ®éng kiÓu ®iÓm - ®iÓm 1.4.2. Quü ®¹o lµ mét ®−êng ®i qua mét sè ®iÓm trung gian Trong nhiÒu tr−êng hîp thùc tÕ, tay robot cÇn ph¶I di chuyÓn chÝnh x¸c hoÆc l©n cËn qua mét sè ®iÓm trung gian. Gi¶ sö mét robot chuyÓn ®éng tõ A ®Õn C qua ®iÓm trung gian B. Tay robot cã thÓ chuyÓn ®éng theo 2 c¸ch: tay robot gia tèc ®Õn A ®Ó ®i ®Õn B; gi¶m tèc vμ dõng l¹i ®iÓm B; sau ®ã tiÕp tôc gia tèc di chuyÓn vμ dõng l¹i tai C. Ph−¬ng ph¸p kh¸c lμ tay robot sÏ di chuyÓn “mÒm” qua ®iÓm B, kh«ng dõng l¹i t¹i ®iÓm B mμ chuyÓn ®éng cña tay robot lμ sù kÕt hîp cña 2 thμnh phÇn t¹i ®iÓm B, ®Ó tay robot cã thÓ ®¹t ®−îc ®iÓm B; cã thÓ gi¶m tèc vμ nÕu cÇn sÏ di chuyÓn theo mét ®−êng hçn hîp vμ tiÕp tôc di chuyÓn ®Õn C. Do chuyÓn ®éng cña tay robot lμ sù phèi hîp cña nhiÒu ®o¹n, tay robot qua mét ®iÓm B’ ( kh¸c ®iÓm B) nh− minh häa trªn h×nh vÏ :

H×nh 1.7 Quü ®¹o chuyÓn ®éng qua mét sè ®iÓm trung gian

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

19

Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vµ robot c«ng nghiÖp §èi víi robot SCARA trong ®Ò tμi tèt nghiÖp nμy, quü ®¹o chuyÓn ®éng ®−îc thiÕt kÕ theo ph−¬ng ph¸p ®iÓm- ®iÓm. Quü ®¹o chuyÓn ®éng cña robot ®−îc thiÕt kÕ tr−íc vμ chia thμnh nhiÒu kho¶ng nhá vμ gi¸ trÞ biÕn khíp ®−îc tÝnh tõ c¸c vÞ trÝ cña c¸c ®o¹n chuyÓn ®éng t−¬ng øng.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

20

Ch−¬ng 2: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m« h×nh thùc

Ch−¬ng 2: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m« h×nh thùc 2.1. T×m hiÓu mét sè phÇn mÒm CAD/CAM, phÇn mÒm thiÕt kÕ c¬ khÝ. Trªn thÞ tr−êng hiÖn nay cã rÊt nhiÒu c¸c phÇn mÒm thiÕt kÕ c¬ khÝ, mét sè trong sè ®ã nh− Mastercam, Pro/Engineer, Autodesk-Inventor, Catia, Solidwork…, c¸c phÇn mÒm nμy nãi chung vÒ c¬ b¶n kh«ng kh¸c nhau nhiÒu vμ ®Òu cã thÓ t¹o ra ®−îc c¸c s¶n phÈm ®¶m b¶o yªu cÇu, tuy nhiªn, ®Ó thuËn tiÖn trong qu¸ tr×nh häc tËp ta nªn chän mét phÇn mÒm ®−îc sö dông phæ biÕn vμ cã giao diÖn th©n thiÖn dÔ sö dông, vμ do ®ã mμ chóng em chän Solidwork ®Ó thiÕt kÕ c¬ khÝ trong ®Ò tμi cña m×nh. Solidwork lμ mét phÇn mÒm ®−îc sö dông ®Ó thùc hiÖn c¸c b¶n vÏ kü thuËt víi giao diÖn th©n thiÖn ®¬n gi¶n chØ gåm 3 module chÝnh : PhÇn thiÕt kÕ c¸c chi tiÕt (Part), phÇn l¾p r¸p (Assembly) vμ phÇn thùc hiÖn b¶n vÏ 2D (Trùc tiÕp hoÆc tõ m« h×nh 3D). * Module Part : Cho phÐp ta thùc hiÖn c¸c chi tÕt 3D mét c¸ch cùc kú ®¬n gi¶n, bao gåm c¸c lÖnh t¹o khèi c¬ b¶n, c¸c lÖnh t¹o khèi phøc t¹p vμ c¸c lÖnh chØnh söa nhanh cho phÐp ta thùc hiÖn c«ng viÖc mét c¸ch nhanh chãng víi Ýt thao t¸c nhÊt. Ngoμi ra cßn mét sè tool kh¸c nh−: - Sheet Metal: Thùc hiÖn thiÕt kÕ c¸c chi tiÕt d¹ng tÊm. - Weldments: ThiÕt kÕ c¸c s¶n phÈm d¹ng khung, t¹o c¸c mèi hμn. - Mold : ThiÕt kÕ khu«n mÉu. - Cosmos: Gióp ta cã thÓ m« pháng, gi¶ lËp vËt liÖu, ph©n tÝch øng suÊt… * Module Assembly :Cho phÐp ta thùc hiÖn l¾p r¸p c¸c chi tiÕt mét c¸ch nhanh chãng vμ tiÖn lîi, ta cã thÓ thªm hay bít c¸c rμng buéc, t¹o liªn hÖ gi÷a c¸c chi tiÕt theo ý muèn. Hç trî th− viÖn c¸c chi tiÕt chuÈn gióp gi¶m bít c«ng søc cña nguêi thiÕt kÕ. * Module Drawing: X©y dùng b¶n vÏ 2D tõ b¶n vÏ 3D mét c¸ch nhanh chãng, cã thÓ chiÕu, c¾t theo nhiÒu mÆt ph¼ng kh¸c nhau…

2.2. ThiÕt kÕ, m« pháng vµ ®−a ra b¶n vÏ chi tiÕt 2.2.1. C¬ cÊu tay m¸y: 2.2.2.1. ThiÕt kÕ tay m¸y §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

21

Ch−¬ng 2: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m« h×nh thùc Tay m¸y ®−îc thiÕt kÕ víi 5 kh©u: + Kh©u 0: Lμ kh©u tÜnh bao gåm: Bμn lμm viÖc, ch©n ®Õ, cét trô chÝnh §−êng kÝnh cét trô: 63mm ChiÒu cao cét trô: 450mm + Kh©u 1: Kh©u ®éng, cã c¸nh tay 1 quay quanh trôc chÝnh theo mÆt ph¼ng ngang. §é dμi c¸nh tay 1: 150mm Gãc quay: 230 ®é + Kh©u 2: Kh©u ®éng, c¸nh tay 2 quay quanh trôc cè ®Þnh ®èi víi c¸nh tay 1. §é dμi c¸nh tay 2:165mm Gãc quay: 230 ®é + Kh©u 3: Kh©u ®éng, chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn theo ph−¬ng th¼ng ®øng däc trôc cè ®Þnh ®èi víi c¸nh tay 2. §é dμi c¬ cÊu tÞnh tiÕn: (b»ng ®é dμi vitme + c¬ cÊu g¾p hoÆc ®éng c¬). §é dÞch chuyÓn: 250mm + C¸c kh©u phô kh¸c: BÖ ®ì ®éng c¬ khoan, c¬ cÊu xoay, c¬ cÊu g¾p vËt. 2.2.2.2. Lùa chän vËt liÖu VËt liÖu ®ù¬c sö dông lμ thÐp gia c«ng, khèi l−îng riªng 7.8kg/ dm3 , Nh«m (D=2.7kg/ dm3 ), Inox (D=2.7kg/ dm3 ). 2.2.2. HÖ thèng truyÒn dÉn ®éng ®iÖn HÖ thèng truyÒn dÉn ®éng ®iÖn sö dông trong ®å ¸n lμ ®éng c¬ b−íc vμ ®éng c¬ mét chiÒu (cho c¬ cÊu g¾p vËt, khoan, phay). Sö dông ®éng c¬ b−íc trong viÖc ®iÒu khiÓn cã rÊt nhiÒu thuËn lîi v× kh«ng cÇn m¹ch ph¶n håi cho c¶ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ vμ vËn tèc, thÝch hîp víi c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn sè. C¸c th«ng sè chÝnh cña ®éng c¬ b−íc: + Gãc quay: §éng c¬ quay mét gãc x¸c ®Þnh øng víi tõng xung kÝch. Gãc b−íc cμng nhá th× ®é ph©n gi¶i vÞ trÝ cμng cao, th«ng th−êng gãc b−íc cña c¸c ®éng c¬ trªn thÞ tr−êng lμ 1.8 ®é/b−íc + Tèc ®é quay vμ tÇn sè xung: Tèc ®é quay cña ®éng c¬ b−íc phô thuéc vμo sè b−íc trªn mét gi©y. §èi víi hÇu hÕt c¸c ®éng c¬ b−íc, sè

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

22

Ch−¬ng 2: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m« h×nh thùc xung cÊp cho ®éng c¬ b»ng sè b−íc nªn tèc ®é cã thÓ tÝnh theo tÇn sè xung f. Tèc ®é quay ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau: n=60f/s, s lμ sè b−íc. + C¸c th«ng sè kh¸c nh− tØ sè momen vμ qu¸n tÝnh rotor. §é chÝnh x¸c vÞ trÝ cña ®éng c¬ phô thuéc vμo ®Æc tÝnh cña ®éng c¬, vμ ®é chÝnh x¸c chÕ t¹o. TØ sè momen vμ qu¸n tÝnh rotor ¶nh h−ëng quyÕt ®Þnh ®Õn kh¶ n¨ng dõng ngay khi chuçi xung ®iÒu khiÓn ®· ng¾t. Chi tiÕt vÒ cÊu t¹o vμ nguyªn lý ho¹t ®éng cña ®éng c¬ b−íc sÏ ®−îc tr×nh bμy chi tiÕt trong phÇn thiÕt kÕ ®iÖn-®iÖn tö. §éng c¬ mét chiÒu còng ®−îc sö dông rÊt nhiÒu trong kü thuËt robot. ¦u ®iÓm cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu lμ kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh tèc ®é, tèc ®é cã thÓ ®−îc ®iÒu chØnh trong mét d¶i réng víi cÊu tróc m¹ch lùc vμ m¹ch ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n. Hai ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu chñ yÕu lμ: T¸c ®éng lªn tõ th«ng th«ng qua viÖc ®iÒu chØnh dßng kÝch tõ vμ c¸ch thø hai lμ ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p phÇn øng. ChiÒu quay cña ®éng c¬ phô thuéc vμo chiÒu dßng ®iÖn trong d©y quÊn phÇn øng vμ chiÒu cña tõ tr−êng, do ®ã ®Ó ®¶o chiÒu quay cña ®éng c¬ ®iÖn ta cÇn ®¶o chiÒu tõ th«ng hoÆc ®¶o chiÒu dßng ®iÖn phÇn øng. C¸c th«ng sè chÝnh cña ®éng c¬ b−íc vμ ®éng c¬ mét chiÒu sö dông trong ®å ¸n: + §éng c¬ b−íc 1 (T¹o chuyÓn ®éng quay tay 1 quanh trôc chÝnh) KiÓu: 2 phase ®¬n cùc U®m: 5.7V I®m: 1.5A Gãc b−íc:1.8®é/b−íc + §éng c¬ b−íc 2 (T¹o chuyÓn ®éng quay tay 2) KiÓu: 2 phase ®¬n cùc U®m: 5.7V I®m: 1.5A Gãc b−íc:1.8®é/b−íc + §éng c¬ b−íc 3 (T¹o chuyÓn ®éng quay vμ qua c¬ cÊu vitme - ®ai èc thμnh chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn lªn xuèng) KiÓu: 2 phase ®¬n cùc U®m: 5.7V I®m: 1.5A

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

23

Ch−¬ng 2: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m« h×nh thùc Gãc b−íc:1.8®é/b−íc + §éng c¬ g¾p: DC-12V + §éng c¬ khoan: DC-24V 2.2.3. HÖ thèng truyÒn dÉn ®éng c¬ khÝ Trong kü thuËt nãi chung vμ kü thuËt robot nãi riªng ®Òu ph¶i sö dông ®Õn c¸c hÖ thèng truyÒn dÉn ®éng c¬ khÝ. C¸c hÖ dÉn ®éng c¬ khÝ cã rÊt nhiÒu lo¹i h×nh, d−íi ®©y sÏ tr×nh bμy nh÷ng lo¹i h×nh th−êng ®−îc sö dông nhÊt trong kü thuËt robot. 2.2.3.1. Bé truyÒn b¸nh r¨ng Bé truyÒn b¸nh r¨ng th−êng ®−îc sö dông ®Ó truyÒn chuyÓn ®éng gi÷a hai trôc song song, chÐo nhau hoÆc c¾t nhau. Hai lo¹i bé truyÒn b¸nh r¨ng th−êng gÆp lμ bé truyÒn b¸nh r¨ng trô vμ bé truyÒn b¸nh r¨ng nãn.

H×nh 2.1 Bé truyÒn b¸nh r¨ng trô th¼ng

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

24

Ch−¬ng 2: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m« h×nh thùc

H×nh 2.2 Bé truyÒn b¸nh r¨ng trô nghiªng

H×nh 2.3 Bé truyÒn b¸nh r¨ng nãn Bé truyÒn b¸nh r¨ng th−êng cã hai bé phËn chÝnh: B¸nh r¨ng dÉn 1, cã ®−êng kÝnh d1, ®−îc g¾n lªn trôc I1, quay víi tèc ®é n1, c«ng suÊt truyÒn ®éng P1, m«mem xo¾n T1. Bé b¸nh r¨ng bÞ dÉn 2 cã ®−êng kÝnh d2, ®−îc g¾n lªn trôc I2, quay víi tèc ®é n2, c«ng suÊt truuyÒn ®éng P2, momen xo¾n T2. Ph©n lo¹i bé truyÒn b¸nh r¨ng: Tuú theo h×nh d¹ng b¾nh r¨ng, ph−¬ng r¨ng vμ ®o¹n biªn d¹ng r¨ng, bé truyÒn b¸nh r¨ng cã c¸c lo¹i sau: + Bé truyÒn b¸nh r¨ng trô. + Bé truyÒn b¸nh r¨ng nãn. + Bé truyÒn b¸nh r¨ng th©n khai. + Bé truyÒn b¸nh r¨ng Novikov. + Bé truyÒn b¸nh r¨ng xicl«it. + Bé truyÒn b¸nh r¨ng - thanh r¨ng. + Bé truyÒn b¾nh r¨ng hμnh tinh. + Bé truyÒn b¸nh r¨ng ¨n khíp trong. §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

25

Ch−¬ng 2: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m« h×nh thùc + Bé truyÒn b¸nh r¨ng sãng. Mçi lo¹i bé truyÒn trªn ®Òu cã −u vμ nh−îc ®iÓm riªng, do ®ã tuú vμ yªu cÇu vμ môc ®Ých sö dông mμ ta chän lo¹i bé truyÒn b¸nh r¨ng phï hîp. 2.2.3.2. TruyÒn ®éng vitme- ®ai èc TruyÒn ®éng vitme- ®ai èc (ball screws) ®−îc dïng ®Çu tiªn trong c¬ cÊu tay l¸i «t« h·ng General Motors. Nh÷ng n¨m ®Çu cña thËp niªn 50, Beaver Precision lμ h·ng ®Çu tiªn thiÕt kÕ vμ chÕ t¹o bé truyÒn vitme- ®ai èc cho c¸c m¸y ®iÒu khiÓn sè. Ngμy nay ®· rÊt nhiÒu h·ng s¶n xuÊt bé truyÒn vitme- ®ai èc, nhiÒu c¶i tiÕn míi vμ øng dông réng r·i trong nhiÒu lÜnh vùc, trong ®ã cã kü thuËt robot. C«ng dông chñ yÕu cña bé truyÒn vitme- ®ai èc lμ ®Ó biÕn chuyÓn ®éng quay sang chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn. NhiÖm vô nμy cã thÓ ®−îc thùc hiÖn b»ng bé truyÒn thanh r¨ng, b¸nh r¨ng hoÆc bé truyÒn vitme- ®ai èc. Trong ®å ¸n nμy chóng em sö dông c¸c bé gi¶m tèc truyÒn ®éng b¸nh r¨ng tû sè truyÒn 1:40, tuy nhiªn tèc ®é ra yªu cÇu trªn chØ vμo kho¶ng 510rpm nªn cã thÓ yªu cÇu tû sè truyÒn cao h¬n do ®ã cã thÓ ph¶i chÕ t¹o thªm hÖ b¸nh r¨ng bªn ngoμi g¾n víi hép gi¶m tèc (v× hép gi¶m tèc mua s½n cã tØ sè truyÒn kh«ng thay ®æi ®−îc) C¬ cÊu biÕn chuyÓn ®éng quay thμnh chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn ®−îc sö dông lμ Vitme- §ai èc. §−êng kÝnh trôc vÝt 17, b−íc ren 5, tØ sè nhËn ®−îc lμ 5 mm/vßng. Sau mét thêi gian t×m hiÓu, häc sö dông phÇn mÒm, t×m hiÓu thiÕt bÞ vËt t−… nhãm ®· thùc hiÖn thiÕt kÕ vμ ®−a ra ®−îc mét m« h×nh tay m¸y hoμn chØnh bao gåm c¸c b¶n vÏ 3D vμ b¶n vÏ chi tiÕt 2D phôc vô viÖc gia c«ng chÕ t¹o.

2.3. Thùc hiÖn gia c«ng vµ chÕ t¹o Sau khi hoμn thiÖn c¸c b¶n vÏ chi tiÕt vμ b¶n vÏ l¾p r¸p, do ®iÒu kiÖn vÒ thiÕt bÞ m¸y mãc nªn nhãm quyÕt ®Þnh ®Æt gia c«ng. C«ng viÖc cßn l¹i lμ l¾p r¸p vμ hoμn chØnh l¹i kÕt cÊu. D−íi ®©y lμ b¶n vÏ l¾p r¸p toμn bé hÖ thèng cã khÝ cho robot, c¸c b¶n vÏ chi tiÕt tõng bé phËn cã thÓ t×m thÊy trong phÇn phô lôc. §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

26

Ch−¬ng 2: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m« h×nh thùc

H×nh 2.4. B¶n vÏ l¾p r¸p

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

27

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

3.1. T×m hiÓu ®éng c¬ b−íc vµ c¸c ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn 3.1.1. §Æc ®iÓm cÊu t¹o §éng c¬ b−íc lμ lo¹i ®éng c¬ ®iÖn ®−îc sö dông ®Ó biÕn c¸c xung ®iÖn ®Çu vμo thμnh chuyÓn ®éng c¬ häc d−íi d¹ng c¸c gãc b−íc. Mçi ®éng c¬ b−íc ®Òu cã phÇn quay rotor (nam ch©m vÜnh cöu hoÆc vËt liÖu cã tõ trë thay ®æi) vμ stator gåm c¸c cuén d©y (gäi lμ c¸c cuén d©y phase). §éng c¬ b−íc cã nhiÒu lo¹i kh¸c nhau. Ph©n lo¹i theo cÊu t¹o vμ vËt liÖu lμm rotor cã: + §éng c¬ b−íc nam ch©m vÜnh cöu (Permanent Magnet) + §éng c¬ b−íc cã tõ trë thay ®æi (Variable Reluctance) + §éng c¬ lai (Hybrid) 3.1.1.1. §éng c¬ b−íc nam ch©m vÜnh cöu:

H×nh 3.1 §éng c¬ b−íc nam ch©m vÜnh cöu §óng nh− tªn gäi cña nã, Rotor ®−îc lμm b»ng nam ch©m vÜnh cöu vμ kh«ng cã r¨ng. Stator th«ng th−êng cã 4 cuén d©y phase. Khi cÊp n¨ng l−îng cho c¸c cuén d©y theo tr×nh tù thÝch hîp, Rotor sÏ quay do bÞ hót bëi c¸c cùc tõ. Lùc ®iÖn tõ tæng sÏ quay trßn vμ lu«n vu«ng gãc víi trôc ®éng c¬. Nãi chung, lo¹i ®éng c¬ nμy cã gãc b−íc lín (45 ®é hoÆc 90 ®é),cÊu t¹o ®¬n gi¶n, gi¸ thμnh h¹, d¶i tèc ®é t−¬ng ®èi thÊp nh−ng cung cÊp momen cao vμ ®Æc tÝnh t¾t dÇn tèt. 3.1.1.2. §éng c¬ b−íc cã tõ trë thay ®æi:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

28

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

Hinh 3.2 §éng c¬ b−íc cã tõ trë thay ®æi Kh¸c víi ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu, Rotor cña ®éng c¬ nμy lμm b»ng s¾t non, cã nhiÒu r¨ng (h×nh 3.2). Stator bao gåm c¸c cuén d©y quÊn trªn c¸c cùc còng cã d¹ng r¨ng. Nãi chung, lo¹i ®éng c¬ nμy cã gãc b−íc tõ 5 ®Õn 15 ®é, d¶i tèc ®é t−¬ng ®èi cao do kh«ng cã momen h·m (thùc chÊt momen h·m lμ momen gi÷ trôc khi kh«ng cã dßng trong ®éng c¬). §éng c¬ nμy thÝch hîp sö dông trong c¸c øng dông kh«ng yªu cÇu momen cao. Trong h×nh 3.3, khi phase A ®−îc cÊp n¨ng l−îng, 4 r¨ng Rotor sÏ xÕp th¼ng víi 4 r¨ng Stator cña phase A bëi lùc ®iÖn tõ. B−íc tiÕp theo, phase A bÞ ng¾t vμ phase B ®−îc cÊp n¨ng l−îng, Rotor quay mét gãc 15 ®é theo chiÒu kim ®ång hå. Theo tr×nh tù nμy, tiÕp tôc phase C råi l¹i ®Õn phase A ®−îc cÊp n¨ng l−îng , do ®ã ®éng c¬ quay theo c¸c b−íc kh«ng ®æi. §Ó quay theo ng−îc chiÒu kim ®ång hå, chØ cÇn ®¶o ng−îc tr×nh tù cÊp n¨ng l−îng cho c¸c phase. 3.1.1.3. §éng c¬ lai

H×nh 3.3. §éng c¬ lai

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

29

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö §éng c¬ lai kÕt hîp c¸c ®Æc tÝnh tèt nhÊt cña hai lo¹i ®éng c¬ trªn. Rotor cã nhiÒu r¨ng lμm b»ng nam ch©m vÜnh cöu vμ c¸c cùc cña Stator còng cã nhiÒu r¨ng (h×nh 3.3). §éng c¬ lai cã momen quay vμ momen h·m lín, ho¹t ®éng víi d¶i tèc ®é cao. Gãc b−íc ho¹t ®éng trong kho¶ng 0.9 ®Õn 5 ®é. C¸c ®éng c¬ lai chuÈn cã 200 r¨ng trªn Rotor vμ gãc b−íc 1.8 ®é. Víi nh÷ng −u ®iÓm næi bËt, ®éng c¬ lai ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c øng dông c«ng nghiÖp. §©y còng lμ lo¹i ®éng c¬ chóng em sö dông cho ®Ò tμi cña m×nh. Ngoμi ra, c¨n cø vμo cÊu t¹o ng−êi ta còng chia ®éng c¬ b−íc thμnh hai lo¹i: + §éng c¬ ®¬n cùc (Unipolar Motor) + §éng c¬ l−ìng cùc (Bipolar Motor) 3.1.1.4. §éng c¬ b−íc ®¬n cùc

H×nh 3.4 §éng c¬ b−íc ®¬n cùc §éng c¬ b−íc ®¬n cùc cã thÓ n»m trong nhãm ®éng c¬ nam ch©m vÜnh cöu hoÆc ®éng c¬ lai. Th«ng th−êng nã cã 6 ®Çu d©y ra ®−îc ®Êu nh− trªn h×nh 3.4. C¸c nh¸nh d©y ë gi÷a c¸c cuén d©y th«ng th−êng ®−îc m¾c lªn nguån d−¬ng. Trong hai ®Çu cùc cña cuén d©y, mét sÏ ®−îc nèi ®Êt vμ mét th× kh«ng nèi ®Êt lu©n phiªn nhau ®Ó ®¶o h−íng tõ tr−êng cña cuén d©y. 3.1.1.5. §éng c¬ b−íc l−ìng cùc

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

30

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.5 §éng c¬ b−íc nam ch©m vÜnh cöu l−ìng cùc Lo¹i nμy th−êng cã 4 ®Çu ra. Dßng ®iÖn ®−îc ®iÒu khiÓn theo hai chiÒu vμ ®éng c¬ ®−îc cÊp b−íc b»ng c¸ch chuyÓn c¸c cuén d©y mét c¸ch tuÇn tù. §éng c¬ b−íc kh¸c c¸c ®éng c¬ th«ng th−êng kh¸c ë c¸c ®Æc ®iÓm sau: + Kh«ng chæi than do ®ã gi¶m tæn hao n¨ng l−îng vμ tr¸nh ®−îc sù nguy hiÓm do tia löa ®iÖn. + T¹o ®−îc momen gi÷ nhê lùc h·m cña tõ tr−êng rotor do ®ã nã cã thÓ lμm viÖc tèt ë vïng tèc ®é nhá. + §iÒu khiÓn vÞ trÝ theo vßng hë: mét ®Æc ®iÓm rÊt lîi h¹i cña ®éng c¬ b−íc lμ cã thÓ ®iÒu chØnh vÞ trÝ quay cña rotor theo ý muèn mμ kh«ng cÇn ®Õn ph¶n håi vÞ trÝ, kh«ng cÇn ®Õn c¸c encoder hay m¸y ph¸t tèc. + Tèc ®é quay cña rotor kh«ng phô thuéc vμo t¶i (trong ph¹m vi momen t¶i cho phÐp). Khi momen t¶i qu¸ lín dÉn ®Õn hiÖn t−îng tr−ît b−íc (mÊt ®iÒu khiÓn) do ®ã cÇn tr¸nh ®Ó x¶y ra tr−êng hîp nμy. 3.1.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng vµ c¸c chÕ ®é ®iÒu khiÓn 3.1.2.1. Nguyªn lý ho¹t ®éng §éng c¬ b−íc ho¹t ®éng dùa trªn hiÖn t−îng c¶m øng ®iÖn tõ. Khi mét hoÆc mét sè cuén d©y stator ®−îc cÊp ®iÖn nã sÏ t¹o ra c¸c lùc ®iÖn tõ h−íng däc trôc cuén d©y vμ trong ®éng c¬ sÏ h×nh thμnh mét vector lùc ®iÖn tõ tæng lμm cho rotor cña ®éng c¬ dÞch chuyÓn. NÕu thay ®æi viÖc cÊp xung ®iÒu khiÓn c¸c cuén d©y stator theo mét tuÇn tù nμo ®ã, h−íng §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

31

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö cña vector lùc ®iÖn tõ tæng sÏ quay trßn lμm cho rotor cña ®éng c¬ còng quay theo. ViÖc ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc ®−îc thùc hiÖn b»ng c¸ch cÊp c¸c xung ®Ó ®iÒu khiÓn viÖc cÊp nguån tíi c¸c cuén d©y cña ®éng c¬. Tuú thuéc vμo c¸ch thøc cÊp xung, ta ph©n ra 3 chÕ ®é ®iÒu khiÓn: ®iÒu khiÓn c¶ b−íc, ®iÒu khiÓn nöa b−íc vμ ®iÒu khiÓn vi b−íc. 3.1.2.2. ChÕ ®é ®iÒu khiÓn c¶ b−íc: Sau mçi nhÞp xung, ®éng c¬ quay mét gãc b»ng gãc b−íc ghi trªn nh·n m¸y (th«ng th−êng lμ 1,80). Tuú thuéc vμo c¸ch cÊp xung mét cuén d©y hay ®ång thêi hai cuén d©y, ta ph©n ra thμnh hai lo¹i: 3.1.2.2.1. ChÕ ®é c¶ b−íc mét phase më: mçi xung nhÞp chØ cÊp nguån mét cuén d©y. B¶ng d−íi ®©y chØ ra thø tù cÊp xung cho c¸c cuén d©y cña ®éng c¬ b−íc nam ch©m vÜnh cöu ®¬n cùc: Step 1a 1b 2a 2b 1

1

0

0

0

2

0

1

0

0

3

0

0

1

0

4

0

0

0

1

B¶ng 3.1 Thø tù cÊp xung c¸c cuén d©y (chÕ ®é mét phase më) ChiÒu quay vμ h−íng momen t¸c ®éng lªn trôc cña ®éng c¬ ®−îc m« t¶ mét c¸ch ®¬n gi¶n trong h×nh 3.4:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

32

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.4 ChiÒu quay cña ®éng c¬ sau mçi xung nhÞp chÕ ®é mét phase më Dßng ®iÖn qua c¸c cuén d©y ®éng c¬:

H×nh 3.5. Dßng ®iÖn qua c¸c cuén d©y ®éng c¬ chÕ ®é mét phase më 3.1.2.2.2. ChÕ ®é c¶ b−íc hai phase më: mçi xung nhÞp cÊp nguån ®ång thêi cho hai cuén d©y. B¶ng d−íi ®©y chØ ra thø tù cÊp xung cho c¸c cuén d©y cña ®éng c¬ b−íc nam ch©m vÜnh cöu ®¬n cùc: Step 1a 1b 2a 2b 1

1

0

0

1

2

1

1

0

0

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

33

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö 3

0

1

1

0

4

0

0

1

1

B¶ng 3.2 Thø tù cÊp xung c¸c cuén d©y (chÕ ®é hai phase më) ChiÒu quay vμ h−íng momen t¸c ®éng lªn trôc cña ®éng c¬ ®−îc m« t¶ mét c¸ch ®¬n gi¶n trong h×nh vÏ d−íi ®©y:

H×nh 3.6 ChiÒu quay cña ®éng c¬ sau mçi xung nhÞp chÕ ®é hai phase më Dßng ®iÖn qua c¸c cuén d©y ®éng c¬:

H×nh 3.7 Dßng ®iÖn qua c¸c cuén d©y ®éng c¬ chÕ ®é hai phase më

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

34

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö ChÕ ®é mét phase më vμ chÕ ®é hai phase më ®Òu lμm cho ®éng c¬ dÞch b−íc víi gãc b−íc nh− nhau. Tuy nhiªn, chÕ ®é hai phase më cã −u thÕ v× t¹o ra momen lín h¬n trªn trôc ®éng c¬ (v× lùc ®iÖn tõ tæng lμ tæng hîp cña hai vector lùc ®iÖn tõ thμnh phÇn) do ®ã ph−¬ng ph¸p nμy ®−îc sö dông rÊt phæ biÕn trong thùc tÕ. 3.1.2.3. ChÕ ®é ®iÒu khiÓn nöa b−íc: lμ sù kÕt hîp gi÷a ®iÒu khiÓn mét phase më vμ ®iÒu khiÓn hai phase më nh− trªn, b»ng c¸ch cÊp ®iÖn cho mét cuén d©y råi hai cuén råi l¹i mét cuén tiÕp vμ ®éng c¬ sÏ dÞch chuyÓn nöa b−íc. Sau mçi xung nhÞp, ®éng c¬ sÏ quay mét gãc b»ng nöa gãc b−íc. B¶ng d−íi ®©y chØ ra tr×nh tù cÊp xung cho c¸c cuén d©y cña ®éng c¬ b−íc nam ch©m vÜnh cöu ®¬n cùc: Step 1a 1b 2a 2b 1

1

0

0

1

2

1

0

0

0

3

1

1

0

0

4

0

1

0

0

5

0

1

1

0

6

0

0

1

0

7

0

0

1

1

8

0

0

0

1

B¶ng 3.3 Tr×nh tù cÊp xung c¸c cuén d©y (chÕ ®é nöa b−íc) ¦u ®iÓm næi bËt cña chÕ ®é nμy so víi chÕ ®é c¶ b−íc lμ gãc dÞch b−íc gi¶m ®i mét nöa do ®ã nã ®iÒu khiÓn vÞ trÝ chÝnh x¸c h¬n. Tuy nhiªn nh−îc ®iÓm cña nã lμ momen kh«ng ®Òu, lóc t¨ng lóc gi¶m. Trong tr−êng hîp gÆp ph¶i t¶i lín rÊt cã kh¶ n¨ng sÏ x¶y ra tr−ît b−íc t¹i mét sè thêi ®iÓm mμ momen ®éng c¬ cã gi¸ trÞ nhá. 3.1.2.4. ChÕ ®é ®iÒu khiÓn vi b−íc: Dùa vμo viÖc cÊp ®iÖn cho c¸c cuén d©y víi c¸c trÞ sè dßng ®iÖn kh¸c nhau ®Ó lμm cho vector lùc ®iÖn tõ tæng thay ®æi mét l−îng nh− mong muèn do ®ã sÏ lμm cho rotor ®éng c¬ cã kh¶ n¨ng dÞch b−íc víi gãc b−íc nhá h¬n. §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

35

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

* NhËn xÐt: Qua ph©n tÝch, mçi chÕ ®é ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc cã −u nh−îc ®iÓm kh¸c nhau. Trong bμi to¸n robot cña, yªu cÇu vÒ momen lμ quan träng h¬n c¶. §éng c¬ b−íc cã ®Æc ®iÓm lμ c«ng suÊt th−êng nhá, quay theo c¸c b−íc rêi r¹c nªn ®Ó tr¸nh mÊt b−íc do t¶i lín vμ kh«ng cè ®Þnh, momen ®éng c¬ ph¶i cã ®é dù tr÷ lín vμ lu«n æn ®Þnh. Do ®ã, chÕ ®é c¶ b−íc hai phase më cã −u thÕ h¬n c¶. H¬n n÷a chÕ ®é nμy vÉn ®¶m b¶o ®é chÝnh x¸c vÞ trÝ v× gãc b−íc ®éng c¬ khi qua hép sè sÏ gi¶m ®i nhiÒu lÇn. 3.1.3. C¸c ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc 3.1.3.1. §Æt vÊn ®Ò Phô thuéc vμo yªu cÇu vÒ tèc ®é vμ momen lμm n¶y sinh nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn kh¸c nhau nh»m kiÓm so¸t dßng ®iÖn ch¹y trong cuén d©y ®éng c¬. ë vïng tèc ®é thÊp chØ cÇn sö dông ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p trùc tiÕp, khi ®ã dßng ®iÖn ®−îc giíi h¹n b»ng chÝnh néi trë cña c¸c cuén d©y ®éng c¬. Ph−¬ng ph¸p nμy chØ ¸p dông cho c¸c ®éng c¬ cã c«ng suÊt nhá, néi trë lín (®iÖn ¸p danh ®Þnh lín vμ dßng ®iÖn danh ®Þnh nhá). ë vïng tèc ®é cao, nÕu tiÕp tôc sö dông ph−¬ng ph¸p nμy momen sÏ bÞ gi¶m nghiªm träng do tÝnh c¶m cña c¸c cuén d©y sÏ h¹n chÕ kh¶ n¨ng t¨ng cña dßng ®iÖn. Mét ph−¬ng ph¸p nh»m c¶i thiÖn t×nh h×nh nμy lμ m¾c c¸c ®iÖn trë nèi thªm vμo c¸c cuén d©y ®éng c¬, khi ®ã h»ng sè thêi gian cña ®éng c¬ sÏ gi¶m (v× L/(R+Rp) thay v× L/R), dßng ®iÖn t¨ng nhanh h¬n lμm cho ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ còng cøng h¬n. Tuy nhiªn ®éng c¬ sÏ cÇn mét ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn lín h¬n nhiÒu vμ h¬n 70% c«ng suÊt nguån nu«i sÏ to¶ nhiÖt trªn c¸c ®iÖn trë nèi thªm nμy. ChÝnh v× vËy ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn b¨m xung th−êng ®−îc sö dông nh»m n©ng cao hiÖu suÊt, t¨ng ®é cøng ®Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ b−íc. H×nh vÏ sau sÏ m« t¶ dßng ®iÖn trong ®éng c¬ b−íc khi ®iÒu khiÓn theo ba ph−¬ng ph¸p trªn:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

36

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.8 Dßng ®iÖn trong ®éng c¬ b−íc ®iÒu khiÓn theo c¶ ba ph−¬ng ph¸p 3.1.3.2. Nguyªn t¾c c¬ b¶n cña ph−¬ng ph¸p b¨m xung Môc ®Ých cña ph−¬ng ph¸p b¨m xung lμ duy tr× dßng ®iÖn cuén d©y ®éng c¬ kh«ng ®æi víi mäi cÊp tèc ®é. §Ó lμm ®−îc ®iÒu nμy, mét ®iÖn trë c«ng suÊt RS ®−îc thªm vμo m¹ch ®Ó lÊy tÝn hiÖu ph¶n håi dßng ®iÖn. TÝn hiÖu ph¶n håi nμy ®−îc so s¸nh víi dßng ®Æt. NÕu dßng ®Æt cßn lín h¬n dßng trong cuén d©y ®éng c¬ th× cho phÐp c¸c van c«ng suÊt dÉn dßng. Ng−îc l¹i, nÕu dßng ®Æt nhá h¬n dßng trong cuén d©y ®éng c¬ th× van c«ng suÊt ngay lËp tøc sÏ bÞ kho¸ lμm cho dßng trong ®éng c¬ gi¶m xuèng. Nh− vËy, b»ng ph−¬ng ph¸p nμy ta võa duy tr× ®−îc dßng ®iÖn ë møc cho phÐp, võa kh¾c phôc ®−îc hiÖn t−îng t¶i c¶m, l¹i võa n©ng cao ®−îc hiÖu suÊt sö dông nguån. Ph−¬ng ph¸p b¨m xung ®−îc ph©n ra thμnh 3 lo¹i chÝnh: + ph−¬ng ph¸p b¨m xung duy tr× tÇn sè kh«ng ®æi + ph−¬ng ph¸p b¨m xung duy tr× thêi gian toff kh«ng ®æi + ph−¬ng ph¸p b¨m xung víi tÇn sè b¨m xung tù do Mçi ph−¬ng ph¸p ®Òu cã nh÷ng −u nh−îc ®iÓm riªng vμ môc ®Ých sö dông còng kh¸c nhau. Sau ®©y ta sÏ ph©n tÝch chi tiÕt ®Æc ®iÓm chung vμ riªng cña tõng ph−¬ng ph¸p nªu trªn. 3.1.3.3 Ph−¬ng ph¸p b¨m xung duy tr× tÇn sè kh«ng ®æi Ph−¬ng ph¸p b¨m xung duy tr× tÇn sè kh«ng ®æi cã cÊu tróc nh− h×nh sau: TÝn hiÖu ph¶n håi dßng ®iÖn sÏ ®−îc so s¸nh víi dßng ®Æt (VREF) th«ng qua bé so s¸nh. §Çu ra bé so s¸nh ®−îc ®−a ®Õn ch©n Reset (R) cña RS §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

37

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö Flip-Flop. TÝn hiÖu xung ®ång bé (quy ®Þnh tÇn sè b¨m xung cña m¹ch) ®−a tíi ch©n Set (S) cña RS Flip-Flop. Nh− vËy tÝn hiÖu ®Çu ra Q cña RS Flip-Flop lu«n ®−îc Set khi cã tÝn hiÖu tõ xung ®ång bé vμ bÞ Reset mçi khi dßng ®iÖn cuén d©y v−ît qu¸ gi¸ trÞ ®Æt. TÝn hiÖu nμy sÏ ®iÒu khiÓn ON/OFF van c«ng suÊt nh»m ®iÒu chØnh dßng ®iÖn ®éng c¬ lu«n duy tr× kh«ng ®æi.

Hinh 3.9 Ph−¬ng ph¸p b¨m xung duy tr× tÇn sè kh«ng ®æi Ph−¬ng ph¸p b¨m xung duy tr× tÇn sè kh«ng ®æi lμ ph−¬ng ph¸p ®−îc sö dông phæ biÕn nhÊt ¸p dông cho c¶ ®éng c¬ ®¬n cùc vμ ®éng c¬ l−ìng cùc. Tuú thuéc vμo tõng lo¹i ®éng c¬, nã l¹i ®−îc ph©n thμnh hai lo¹i: ph−¬ng ph¸p b¨m xung phase vμ ph−¬ng ph¸p b¨m xung inhibit. NÕu b¨m xung phase chØ ¸p dông cho ®éng c¬ l−ìng cùc th× b¨m xung inhibit ¸p dông ®−îc cho c¶ ®éng c¬ ®¬n cùc vμ l−ìng cùc. Sau ®©y ta sÏ ®i s©u vμo tõng ph−¬ng ph¸p ®Ó thÊy ®−îc −u nh−îc ®iÓm vμ ph¹m vi øng dông cña chóng. + Ph−¬ng ph¸p b¨m xung phase: chØ ¸p dông ®−îc cho ®éng c¬ l−ìng cùc víi s¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn ®iÓn h×nh cho mét cuén d©y:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

38

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.10 Ph−¬ng ph¸p b¨m xung phase Trong tr−êng hîp nμy, tÝn hiÖu inhibit lu«n ë møc thÊp vμ viÖc b¨m xung ®−îc thùc hiÖn trùc tiÕp trªn c¸c nh¸nh A hoÆc B. Gi¶ sö A ®ang ë møc 1 vμ B ®ang ë møc 0. Khi ®ã dßng ®iÖn tõ d−¬ng nguån qua Q1-cuén d©y-Q4-RS vÒ ©m nguån. Dßng ®iÖn t¨ng ®Õn khi v−ît qu¸ dßng ®Æt, ngay lËp tøc B ph¶i chuyÓn lªn gi¸ trÞ 1 ®Ó kho¸ van Q4 ( hoÆc A ph¶i chuyÓn vÒ 0 ®Ó kho¸ van Q1, tuú theo thiÕt kÕ). N¨ng l−îng tÝch tr÷ trong cuén d©y ®éng c¬ sÏ tiªu t¸n b»ng c¸ch khÐp vßng qua Q1-cuén d©y-D3. Do ®iÖn ¸p trªn ®éng c¬ nhá chØ b»ng tæng ®iÖn ¸p thuËn trªn diot vμ ®iÖn ¸p b·o hoμ trªn transitor (van c«ng suÊt) nªn n¨ng l−îng trong cuén d©y gi¶m rÊt chËm dÉn ®Õn dßng ®iÖn suy gi¶m chËm. §©y lμ nh−îc ®iÓm c¬ b¶n cña ph−¬ng ph¸p b¨m xung phase. Mét nh−îc ®iÓm tiÕp theo cña ph−¬ng ph¸p b¨m xung phase lμ kh«ng ¸p dông ®−îc cho ®éng c¬ ®¬n cùc v× ®èi víi ®éng c¬ ®¬n cùc mçi nh¸nh A hoÆc B sÏ ®iÒu khiÓn mét cuén d©y ®éc lËp vμ hai cuén d©y kh«ng bao giê cïng dÉn dßng t¹i bÊt kú thêi ®iÓm nμo. Nãi tãm l¹i, ph−¬ng ph¸p b¨m xung phase chØ ¸p dông cho tr−êng hîp mét nh¸nh dÉn dßng vμ b¨m xung thùc hiÖn trªn nh¸nh cßn l¹i vμ ng−îc l¹i. H×nh vÏ d−íi ®©y m« t¶ c¸c tÝn hiÖu vμo/ ra trong chÕ ®é b¨m xung phase:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

39

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.11 TÝn hiÖu vμo ra trong chÕ ®é b¨m xung phase + Ph−¬ng ph¸p b¨m xung inhibit: ®−îc sö dông phæ biÕn h¬n b¨m xung phase do kh¾c phôc ®−îc c¸c nh−îc ®iÓm cña b¨m xung phase. §èi víi ®éng c¬ l−ìng cùc: Trong tr−êng hîp nμy, b¨m xung kh«ng thùc hiÖn trùc tiÕp trªn c¸c nh¸nh phase mμ thùc hiÖn th«ng qua inhibit. Khi dßng ®iÖn cuén d©y v−ît qóa dßng ®Æt, thay v× kÐo A xuèng 0 hoÆc ®−a B lªn 1, tÝn hiÖu inhibit chuyÓn lªn 1 vμ kho¸ tÊt c¶ c¸c van c«ng suÊt, khi ®ã n¨ng l−îng tÝch tr÷ trong cuén d©y sÏ tiªu t¸n b»ng c¸ch khÐp m¹ch qua D2 - cuén d©y - D3. Lóc nμy, ®iÖn ¸p trªn cuén d©y rÊt lín b»ng ®iÖn ¸p nguån céng víi hai lÇn ®iÖn ¸p thuËn trªn diot lμm cho dßng ®iÖn gi¶m rÊt nhanh. H×nh vÏ d−íi ®©y m« t¶ c¸c tÝn hiÖu vμo/ra trong chÕ ®é b¨m xung inhibit:

H×nh 3.12 TÝn hiÖu vμo ra trong chÕ ®é b¨m xung inhibit §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

40

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö Gi¶m nhanh dßng diÖn tÝch tr÷ trong cuén d©y (gi¶m nhanh n¨ng l−îng tÝch tr÷) rÊt cã ý nghÜa trong viÖc ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc ë tèc ®é cao vμ ®èi víi ®éng c¬ cã c«ng suÊt lín (néi trë rÊt nhá trong khi ®iÖn c¶m cuén d©y lín). Do ®ã ph−¬ng ph¸p b¨m xung inhibit cho phÐp ®iÒu khiÓn ®éng c¬ l−ìng cùc ë tèc ®é lín. H¬n n÷a, nã lμ ph−¬ng ph¸p duy nhÊt ®Ó ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®¬n cùc. D−íi ®©y xin tr×nh bμy chi tiÕt ph−¬ng ph¸p b¨m xung inhibit ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®¬n cùc - ph−¬ng ph¸p ®−îc sö dông ®Ò tμi.

H×nh 3.13 S¬ ®å ®iÒu khiÓn cÆp cuén d©y ®èi xøng cña ®éng c¬ ®¬n cùc §©y lμ s¬ ®å ®iÓn h×nh ®iÒu khiÓn cÆp cuén d©y ®èi xøng cña ®éng c¬ ®¬n cùc. §Æc ®iÓm cÆp cuén d©y nμy lμ cã mét ®Çu ra chung vμ kh«ng bao giê cïng dÉn dßng t¹i bÊt kú thêi ®iÓm nμo (t¹i mét thêi ®iÓm chØ cã mét cuén ®−îc dÉn). Do ®ã chØ cÇn m¾c thªm mét ®iÖn trë RS chung cho c¶ hai cuén d©y ®Ó lÊy tÝn hiÖu ph¶n håi dßng ®iÖn. Inhibit sÏ lu«n ë møc cao khi dßng ®iÖn cuén d©y nhá h¬n dßng ®iÖn ®Æt. Dßng ®iÖn ®Æt ®−îc tÝnh to¸n sao cho b»ng dßng ®iÖn danh ®Þnh ghi trªn nh·n m¸y cña ®éng c¬. Inhibit sÏ thùc hiÖn b¨m xung ®Ó duy tr× dßng ®iÖn cuén d©y lu«n b¸m s¸t dßng ®Æt mμ kh«ng quan t©m ®ã lμ dßng trªn cuén d©y nμo. Khi van c«ng suÊt ®ãng, n¨ng l−îng tÝch tr÷ trªn cuén d©y sÏ ®−îc x¶ vÒ nguån qua diot. DÜ nhiªn dßng ®iÖn sÏ gi¶m chËm do ®iÖn ¸p trªn cuén d©y chØ b»ng ®iÖn ¸p thuËn trªn diot.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

41

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö Mét vÊn ®Ò cÇn ®−îc bμn ®Õn khi ®iÒu khiÓn theo ph−¬ng ph¸p b¨m xung nμy lμ sù t¸c ®éng cña nhiÔu lμm ¶nh h−ëng ®Õn sù æn ®Þnh cña hÖ thèng. Khi m¹ch ®iÒu khiÓn thùc hiÖn b¨m xung sÏ sinh ra nhiÔu lín cho m¹ch. Nh÷ng xung dßng nhiÔu ®−îc t¹o nªn trong qu¸ tr×nh tiªu t¸n n¨ng l−îng trªn cuén d©y khÐp vßng qua ®iÖn trë c«ng suÊt RS sÏ g©y ra trªn RS nh÷ng xung kim ®¸nh lõa bé so s¸nh. Nh÷ng xung nμy mÆc dï diÔn ra trong thêi gian rÊt ng¾n nh−ng còng ®ñ ®Ó lμm bé so s¸nh ho¹t ®éng sai, Reset RS Flip-Flop dÉn ®Õn van c«ng suÊt bÞ kho¸ sím. ChÝnh ®iÒu nμy lμm cho m¹ch ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng ë tÇn sè thÊp h¬n tÇn sè ®ång bé qui ®Þnh ( th−êng thÊp h¬n 2 ®Õn 3 lÇn thËm chÝ 4 lÇn so víi tÇn sè mong muèn) dÉn ®Õn dßng ®iÖn kh«ng mÞn vμ kh«ng b¸m lÊy gi¸ trÞ ®Æt, chÊt l−îng ®iÒu khiÓn bÞ suy gi¶m. V× vËy kh«ng nªn ®Ó dßng tiªu t¸n trªn cuén d©y khÐp vßng qua ®iÖn trë ph¶n håi khi thiÕt kÕ. §Ó kh¾c phôc ®iÒu nμy, cã thÓ m¾c thªm bé läc RC ®Ó läc nh÷ng xung kim trªn ®iÖn trë RS (H×nh 2.14a). Mét c¸ch kh¸c kinh tÕ h¬n lμ kÐo dμi thêi gian Set RS Flip-Flop th«ng qua xung ®ång bé (thêi gian nμy ph¶i lín h¬n thêi gian cã nhiÔu trªn RS) (H×nh 2.14b).

H×nh 3.14a M¾c thªm bé läc

H×nh 3.14b KÐo dμi thêi gian Set RS flip - flop Sù æn ®Þnh cña hÖ thèng cßn bÞ ¶nh h−ëng bëi sù gi¶m nhanh cña dßng ®iÖn. NÕu bá qua ¶nh h−ëng cña søc ph¶n ®iÖn ®éng vμ néi trë cña cuén d©y (®èi víi ®éng c¬ c«ng suÊt lín) sÏ cã quan hÖ sau gi÷a ®iÖn ¸p vμ dßng ®iÖn cuén d©y: §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

42

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

di dt Trong kho¶ng thêi gian kho¸ van c«ng suÊt, ®iÖn ¸p trªn cuén d©y lín: U = L

U 2 = U nguon + 2 U diotthuan nªn dßng ®iÖn gi¶m rÊt nhanh. Khi van c«ng suÊt dÉn dßng, ®iÖn ¸p cuén d©y U1 râ rμng sÏ nhá h¬n Unguån ( do ®iÖn ¸p b·o hoμ trªn c¸c van vμ ®iÖn ¸p r¬i trªn RS) nªn vÒ mÆt t−¬ng quan tèc ®é t¨ng dßng ®iÖn nhá h¬n tèc ®é gi¶m dßng ®iÖn. H¬n n÷a nÕu xÐt thªm ¶nh h−ëng cña søc ph¶n ®iÖn ®éng cña cuén d©y (hç trî sù gi¶m dßng vμ ng¨n c¶n sù t¨ng dßng) th× sù chªnh lÖch nμy sÏ cßn t¨ng lªn n÷a. ChÝnh ®iÒu nμy cã thÓ sÏ lμm cho dßng ®iÖn xuèng qu¸ thÊp vμ kh«ng thÓ lªn tíi møc giíi h¹n trong mét chu kú ®ång bé (sÏ kh«ng cã tÝn hiÖu Reset RS Flip-Flop ®Ó kho¸ van b¾t ®Çu mét chu kú ®ång bé tiÕp theo). §©y lμ lý do lμm cho tÇn sè cña m¹ch gi¶m xuèng cã khi chØ b»ng 1/2 tÇn sè b¨m xung mong muèn vμ chÊt l−îng ®iÒu khiÓn bÞ suy gi¶m. VÊn ®Ò nμy chØ x¶y ra ë chÕ ®é b¨m xung inhibit, kh«ng x¶y ra ë chÕ ®é b¨m xung phase do tÝnh gi¶m chËm cña dßng ®iÖn. §Ó kh¾c phôc ®iÒu nμy cã thÓ t¨ng tÇn sè b¨m xung hoÆc t¨ng ®é réng xung Set cho RS Flip-Flop (t¨ng thêi gian më van c«ng suÊt) lªn tíi 30% chu kú xung. Trong nh÷ng tr−êng hîp ®Æc biÖt khi ®iÖn ¸p nguån cÊp nhá h¬n søc ph¶n ®iÖn ®éng, ph−¬ng ph¸p nμy kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc. Ta buéc ph¶i ¸p dông c¸c ph−¬ng ph¸p b¨m xung kh¸c ( nh− ph−¬ng ph¸p duy tr× thêi gian toff, th¶ næi thêi gian ton lμ thÝch hîp nhÊt sÏ ®−îc tr×nh bμy d−íi ®©y). 3.1.3.4. Ph−¬ng ph¸p b¨m xung duy tr× thêi gian toff kh«ng ®æi §iÓm kh¸c biÖt cña ph−¬ng ph¸p nμy so víi ph−¬ng ph¸p trªn cã thÓ nhËn thÊy râ qua tªn gäi cña ph−¬ng ph¸p. Thay v× duy tr× thêi gian b¨m xung kh«ng ®æi, ph−¬ng ph¸p nμy chØ duy tr× thêi gian toff kh«ng ®æi. ChÝnh v× chØ cÇn duy tr× thêi gian kho¸ cña c¸c van c«ng suÊt nªn ph−¬ng ph¸p nμy kh«ng bÞ mÊt ®ång bé so víi ph−¬ng ph¸p trªn vμ ®Æc biÖt thÝch hîp cho c¸c lo¹i ®éng c¬ cã søc ph¶n ®iÖn ®éng lín. Ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®−îc m« t¶ nh− h×nh d−íi:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

43

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.15 Ph−¬ng ph¸p duy tr× thêi gian toff kh«ng ®æi Thay v× sö dông RS Flip-Flop nh− ph−¬ng ph¸p b¨m xung tÇn sè kh«ng ®æi, ph−¬ng ph¸p nμy sö dông mét trigger ®Ó t¹o thêi gian trÔ toff ®−îc quyÕt ®Þnh bëi th«ng sè m¹ch RC. Khi dßng ®iÖn ®¹t tíi gi¸ trÞ ®Æt, bé so s¸nh sÏ kÝch ho¹t trigger kho¸ c¸c van c«ng suÊt vμ b¾t ®Çu tÝnh thêi gian toff. KÕt thóc toff c¸c van c«ng suÊt l¹i dÉn dßng. Ph−¬ng ph¸p nμy cã tÝnh bæ sung cho ph−¬ng ph¸p thø nhÊt ®· tr×nh bμy ë phÇn trªn. Nh−îc ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p lμ tÇn sè b¨m xung kh«ng cè ®Þnh, kh«ng biÕt tr−íc vμ tuú thuéc vμo t¶i nªn khã kiÓm so¸t nhiÔu h¬n so víi ph−¬ng ph¸p trªn. 3.1.3.5. Ph−¬ng ph¸p b¨m xung víi tÇn sè b¨m xung tù do §©y lμ ph−¬ng ph¸p b¨m xung ®¬n gi¶n nhÊt. Ph−¬ng ph¸p nμy kh«ng yªu cÇu kiÓm so¸t tÇn sè b¨m xung còng nh− thêi gian toff nªn tÇn sè ho¹t ®éng lμ tuú thuéc vμo ®Æc tÝnh cña hÖ thèng. Do vËy, ph−¬ng ph¸p mang tÊt c¶ nh÷ng nh−îc ®iÓm cña c¶ hai ph−¬ng ph¸p ®· ph©n tÝch ë trªn vμ ®Æc biÖt nhiÔu do m¹ch g©y ra kh«ng thÓ kiÓm so¸t ®−îc, tuú thuéc vμo ®Æc tÝnh cña hÖ thèng vμ tèc ®é ho¹t ®éng cña ®éng c¬.

Hinh 3.16 Ph−¬ng ph¸p b¨m xung víi tÇn sè b¨m xung tù do §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

44

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö Tuy nhiªn −u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p lμ cã cÊu tróc m¹ch ®iÒu khiÓn cùc kú ®¬n gi¶n. TÝn hiÖu ph¶n håi dßng ®iÖn sau khi qua kh©u so s¸nh sÏ trùc tiÕp ra lÖnh ON/OFF c¸c van c«ng suÊt. Nh− vËy ®éng c¬ sÏ lu«n duy tr× ®−îc dßng lμm viÖc kh«ng ®æi ®èi víi mäi cÊp tèc ®é cho phÐp. CÊu tróc cña m¹ch ®iÒu khiÓn ®−îc m« t¶ nh− h×nh bªn. 3.1.3.6. NhËn xÐt Mçi ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn trªn cã −u nh−îc ®iÓm riªng. Trong tÊt c¶ c¸c ph−¬ng ph¸p, b¨m xung duy tr× tÇn sè kh«ng ®æi ®−îc ¸p dông phæ biÕn nhÊt do chÊt l−îng ®iÒu khiÓn tèt, kh¾c phôc ®−îc c¸c vÊn ®Ò vÒ nhiÔu, sù gi¶m nhanh cña dßng ®iÖn vμ søc ph¶n ®iÖn ®éng cña ®éng c¬ th«ng qua ®iÒu chØnh xung ®ång bé. Nã cã thÓ sö dông cho c¸c lo¹i ®éng c¬ b−íc c«ng suÊt lín vμ lμm viÖc ë vïng tèc ®é cao. H¬n n÷a, nã ®−îc hç trî bëi c¸c thiÕt bÞ phÇn cøng nhá gän (c¸c linh kiÖn rêi) cã s½n trªn thÞ tr−êng. §Æc biÖt IC chuyªn dông L297 cã thÓ ®¸p øng ®Çy ®ñ c¸c yªu cÇu vÒ mÆt ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc: cho phÐp chuyÓn ®æi chÕ ®é ®iÒu khiÓn linh ho¹t, cho phÐp ®¶o chiÒu vμ dõng ®éng c¬ trong tr¹ng th¸i h·m mét c¸ch dÔ dμng, ®ång thêi nã còng thùc hiÖn chøc n¨ng b¨m xung h¹n chÕ dßng ®iÖn víi tÇn sè kh«ng ®æi. H¬n n÷a L297 cã kÝch th−íc nhá gän ®−îc ®ãng gãi d¹ng DIP, dÔ kiÕm vμ gi¸ thμnh rÎ. ChÝnh v× vËy ta chän L297 cïng víi ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn b¨m xung víi tÇn sè kh«ng ®æi phôc vô cho bμi to¸n ®iÒu khiÓn.

3.2. ThiÕt kÕ m¹ch c«ng suÊt (s¬ ®å nguyªn lý vµ m¹ch in) ®iÒu khiÓn robot §Ó ch¹y nh÷ng t¶i lín nh− ®éng c¬ ta cÇn mét m¹ch bªn ngoμi víi c«ng suÊt ®ñ lín ®Ó cã thÓ cung cÊp ®ñ n¨ng l−îng cho ®éng c¬ ho¹t ®éng b×nh th−êng. M¹ch c«ng suÊt cung cÊp dßng vμ ¸p lín nªn ta còng cÇn chó ý ®Õn b¶o vÖ an toμn cho m¹ch ®iÒu khiÓn. Gi¶i ph¸p th−êng ®−îc sö dông lμ dïng m¹ch c¸ch ly ®Ó c¸ch ly m¹ch c«ng suÊt vμ m¹ch tÝn hiÖu. D−íi ®©y lμ s¬ ®å hÖ thèng:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

45

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.18 S¬ ®å hÖ thèng m¹ch c«ng suÊt 3.2.1. M¹ch c¸ch ly: Cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®Ó c¸ch ly gi÷a m¹ch ®iÒu khiÓn vμ m¹ch c«ng suÊt. Trong qu¸ tr×nh t×m hiÓu vμ nghiªn cøu, chóng em nhËn thÊy cã mét sè c¸ch sau ®©y: C¸ch 1: Sö dông c¸ch ly quang TLP 521-4 bao gåm bèn kªnh c¸ch ly ®−îc ®ãng gãi d¹ng DIP 16 ch©n. S¬ ®å ch©n ®−îc chØ ra nh− h×nh bªn: - C¸c th«ng sè: + §iÖn ¸p ®¸nh thñng Collector – Emitter UCEO tèi thiÓu lμ 55V + Dßng ®iÖn collector: IC max=50mA + Dßng ®iÖn qua ®iot: IF max =50mA + Tû lÖ truyÒn ®¹t dßng ®iÖn: IC/IF=50Æ600%

H×nh 3.19 C¸ch ly quang TLP521-4 - ChÕ ®é vËn hμnh an toμn ( ®Ò nghÞ tõ nhμ s¶n xuÊt): §Æc tÝnh §iÖn ¸p cÊp Dßng ®iÖn qua diot Dßng ®iÖn Collector

Ký hiÖu VCC IF IC

Min -------

Phæ biÕn 5 16 1

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

Max 24 25 10

§¬n vÞ V mA mA

46

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö 0 TOPR -25 --85 C B¶ng 3.4 §Æc tÝnh cña c¸ch ly quang TLP521-4 - Thêi gian chuyÓn m¹ch: tæng thêi gian ®ãng - c¾t kh«ng qu¸ 10 micro gi©y cho phÐp ho¹t ®éng ë tÇn sè cao (tÇn sè b¨m xung dßng ®iÖn cña ®éng c¬). - Dßng ®iÖn IF kh«ng bÞ suy gi¶m khi lμm viÖc ë nhiÖt ®é th−êng (250C). - Cã thÓ cho phÐp n©ng dßng IC lªn tíi 50mA (møc giíi h¹n) trong khi vÉn gi÷ ®−îc nhiÖt ®é ho¹t ®éng b»ng nhiÖt ®é th−êng. C¸ch 2: Sö dông diot zenner 5V vμ mét ®iÖn trë ®Ó tr¸nh tr−êng hîp kho¸ chuyÓn m¹ch bÞ háng, ®iÖn ¸p ng−îc kh«ng v−ît qu¸ 5V lμm háng linh kiÖn bªn m¹ch ®iÒu khiÓn.

NhiÖt ®é ho¹t ®éng

H×nh 3.20 Nguyªn lý m¹ch c¸ch ly dïng diot zenner 3.2.2. M¹ch c«ng suÊt Van c«ng suÊt: sö dông transistor c«ng suÊt IRF540N víi −u ®iÓm lμ kh¶ n¨ng dÉn dßng lín vμ tÇn sè chuyÓn m¹ch cao, ho¹t ®éng tin cËy ë d¶i nhiÖt ®é réng, do ®ã phï hîp ®Ó ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc. C¸c th«ng sè vÒ IRF540 ®−îc chØ ra d−íi ®©y: + §iÖn ¸p Drain – Source lín nhÊt: UDS Max=100V + Dßng ®iÖn Drain (liªn tôc) lín nhÊt: ID Max=33A (ë nhiÖt ®é th−êng) + Dßng ®iÖn Drain (xung) lín nhÊt: ID Max= 110A + D¶i nhiÖt ®é ho¹t ®éng tõ -55Æ1750C + TÇn sè chuyÓn m¹ch rÊt lín ( tÝnh b»ng micro gi©y)

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

47

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.21 Transitor c«ng suÊt IRF540N Diot x¶ n¨ng l−îng: sö dông diot xung 31DQ09 víi c¸c −u ®iÓm lμ cho phÐp dÉn dßng lín ®Æc biÖt lμ dßng ®iÖn xung, chÞu ®−îc ®iÖn ¸p ng−îc cao, ho¹t ®éng æn ®Þnh tin cËy ë tÇn sè cao, nhiÖt ®é lín vμ ®iÖn ¸p r¬i trªn diot rÊt thÊp. Th«ng sè cña 31DQ09 ®−îc chØ ra d−íi ®©y: + §iÖn ¸p ng−îc mét chiÒu lín nhÊt: UR Max=90V + Dßng mét chiÒu lín nhÊt: IF Max=3.3A + Dßng ®iÖn xung vu«ng lín nhÊt ( víi chu kú 6ms): IF Max=34A + R¬i ®iÖn ¸p trªn diot: UF=0.85V (ë nhiÖt ®é th−êng 250C) + D¶i nhiÖt ®é ho¹t ®éng: TJ=-40Æ1500C

H×nh 3.22 Diot 31DQ09 ViÖc chän lo¹i diot nμo lμ tuú thuéc vμo tõng lo¹i ®éng c¬ kh¸c nhau. ViÖc sö dông diot ph¶i ®−îc lùa chän, tÝnh to¸n vμ kiÓm tra thËt kü v× nÕu diot ch¸y do qu¸ dßng hoÆc kh«ng chÞu ®−îc tÇn sè cao sÏ lμm ng¾n m¹ch cuén d©y ®éng c¬. Khi ®ã ®éng c¬ kh«ng thÓ quay vμ dßng ®iÖn qua kho¸ chuyÓn m¹ch ®iÖn tö IRF540 rÊt lín, kh¶ n¨ng ch¸y rÊt cao. §iÖn trë c«ng suÊt: ®iÖn trë cã gi¸ trÞ 0.5 Ohm/10W (2 ®iÖn trë 1Ohm/5W m¾c song song) cho phÐp dÉn dßng lªn tíi 4.5A. ViÖc chän ®iÖn trë cã th«ng sè nh− vËy lμ do ®Ò nghÞ tõ nhμ s¶n xuÊt L297 khi lÊy tÝn hiÖu ph¶n håi dßng ®iÖn. Nãi chung, ®iÖn trë ®−îc chän ph¶i cã gi¸ trÞ

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

48

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö nhá ( ®Ó r¬i ¸p trªn nã thÊp) vμ cã kh¶ n¨ng chÞu ®−îc dßng danh ®Þnh cña ®éng c¬. H×nh d−íi ®©y tæng kÕt l¹i nh÷ng ®iÒu võa tr×nh bμy ë trªn:

H×nh 3.23 Nguyªn lý m¹ch c¸c ly hoμn chØnh

3.2.3. ThiÕt kÕ phÇn cøng sö dông Protel-DXP S¬ ®å nguyªn lý: + M¹ch t¹o nguån:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

49

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.24 S¬ ®å nguyªn lý m¹ch t¹o nguån + M¹ch ®iÒu khiÓn mét ®éng c¬:

H×nh 3.25 S¬ ®å nguyªn lý m¹ch ®iÒu khiÓn mét ®éng c¬ C¸c ®éng c¬ b−íc kh¸c còng ®Òu ¸p dông theo s¬ ®å nguyªn lý nμy. §èi víi L297, cã thªm m¹ch reset b»ng tay vμ m¹ch t¹o ®iÖn ¸p ®Æt VREF th«ng qua biÕn trë. Ch©n HALF/FULL vμ ch©n CONTROL lu«n ®Æt møc thÊp ®Ó chän chÕ ®é ®Çy b−íc vμ b¨m xung inhibit. Ch©n ENABLE ®Æt møc cao ®Ó lu«n cho phÐp ®éng c¬ ho¹t ®éng. Ngay khi khëi ®éng (bËt nguån), L297 sÏ ë tr¹ng th¸i Reset ®Ó qui ®Þnh ®éng c¬ ho¹t ®éng ë chÕ §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

50

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö ®é ®Çy b−íc hai phase. Hai ®Çu vμo cho mçi L297 bao gåm ®Çu vμo CLK_x qui ®Þnh tÇn sè dÞch b−íc cho ®éng c¬ vμ ®Çu vμo CW_CCW_x qui ®Þnh chiÒu quay cña ®éng c¬ ®−îc lÊy trùc tiÕp tõ PC. TÊt c¶ c¸c ®éng c¬ ®−îc b¨m xung tõ mét nguån clock ®ång bé ngoμi lμ mét m¹ch t¹o xung sö dông NE555N. TÝn hiÖu xung clock ®Çu ra NE555N ®−îc cÊp trùc tiÕp vμo ch©n SYNC cña tÊt c¶ L297, khi ®ã ch©n OSC ®−îc nèi víi ®Êt. D−íi ®©y lμ s¬ ®å m¹ch t¹o xung ®ång bé:

H×nh 3.26 S¬ ®å nguyªn lý m¹ch t¹o xung ®ång bé TÇn sè b¨m xung ®−îc tÝnh to¸n theo c«ng thøc:

f=

1.44 (2 R555_1+ R555_ 2 + R555_3 )×C555

[

]

Bªn c¹nh viÖc thiÕt kÕ m¹ch c«ng suÊt cho ®éng c¬ b−íc, ta còng thiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn cã ®¶o chiÒu cho ®éng c¬ mét chiÒu. Cã hai tÝn hiÖu ®Çu vμo ®iÒu khiÓn ®éng c¬ mét chiÒu bao gåm run_stop_x ®iÒu khiÓn viÖc ch¹y hoÆc dõng ®éng c¬ vμ direction ®iÒu khiÓn chiÒu quay cña ®éng c¬. Chóng ®−îc cÊp trùc tiÕp tõ PC qua hÖ thèng c¸ch ly. S¬ ®å thiÕt kÕ m¹ch ®−îc chØ ra nh− h×nh d−íi ®©y:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

51

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.27 S¬ ®å nguyªn lý m¹ch ®¶o chiÒu quay ®éng c¬

3.3. T×m hiÓu vÒ cæng song song chuÈn cña m¸y tÝnh PC 3.3.1. Giíi thiÖu cæng song song chuÈn (Standard Parallel Port) Cæng song song chuÈn (SPP) ®−îc chuÈn ho¸ theo chuÈn IEEE1284 vμ ®−îc c«ng bè lÇn ®Çu tiªn vμo n¨m 1994. Th«ng th−êng cæng song song chuÈn ®−îc thÊy trªn PC lμ lo¹i Male Connector 25 ch©n kiÓu D. C¸c ®Æc ®iÓm vÒ cæng song song chuÈn sÏ ®−îc tr×nh bμy d−íi ®©y. 3.3.1.1. C¸c thanh ghi cæng song song chuÈn Cæng song song cã 3 thanh ghi 8-bit bao gåm thanh ghi d÷ liÖu, thanh ghi tr¹ng th¸i vμ thanh ghi ®iÒu khiÓn. C¸c thanh ghi nμy ®−îc nèi víi c¸c ch©n cña cæng nh− m« t¶ trong h×nh 3.28.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

52

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.28 C¸c thanh ghi cæng song song chuÈn Thanh ghi d÷ liÖu th«ng th−êng lμ thanh ghi chØ viÕt. D÷ liÖu 8-bit ®−îc göi lªn c¸c ch©n Data0-7 (ch©n 2-9) b»ng c¸ch ghi vμo thanh ghi d÷ liÖu. NÕu chän chÕ ®é cæng song song hai chiÒu trong BIOS, thanh ghi d÷ liÖu cßn cã thÓ ®äc ®−îc. Data7 Data6 Data5 Data4 Data3 Data2 Data1 Data0 H×nh 3.29 Thanh ghi d÷ liÖu Thanh ghi tr¹ng th¸i lμ thanh ghi chØ ®äc hiÓn thÞ tr¹ng th¸i ho¹t ®éng cña cæng song song th«ng qua 5 bit cao. Møc logic trªn c¸c ch©n 10, 11, 12, 13 vμ 15 sÏ ®−îc ®äc th«ng qua thanh ghi tr¹ng th¸i ®Ó nhËn c¸c th«ng tin tõ ngo¹i vi (vÝ dô m¸y in...) bao gåm tÝn hiÖu b¸o m¸y in bËn (Busy), tÝn hiÖu b¸o ®· nhËn d÷ liÖu (Ack), tÝn hiÖu b¸o lçi (Error), tÝn hiÖu b¸o hÕt giÊy (Paper Out). Busy Ack Paper Select Error IRQ Dù tr÷ Dù tr÷ Out In H×nh 3.30 Thanh ghi tr¹ng th¸i Thanh ghi ®iÒu khiÓn th«ng th−êng lμ thanh ghi chØ viÕt sö dông 4 bit thÊp ®Ó ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng giao tiÕp cña cña cæng song song chuÈn. TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®−îc göi tíi ngo¹i vi b»ng c¸ch ghi lªn thanh ghi ®iÒu khiÓn. NÕu ngo¹i vi lμ m¸y in, 4 tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ®−îc sö dông bao gåm tÝn hiÖu khëi ®éng l¹i m¸y in (Reset), tÝn hiÖu chän m¸y in (Select §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

53

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö Printer), tÝn hiÖu b¾t ®Çu vμ kÕt thóc mét chu kú truyÒn d÷ liÖu (Strobe), tÝn hiÖu Auto Linefeed. Ngoμi ra cßn sö dông thªm c¸c bit 4&5 ®Ó ®Æt chÕ ®é bao gåm cho phÐp cæng song song hai chiÒu vμ cho phÐp ng¾t th«ng qua tÝn hiÖu Ack tõ ngo¹i vi. Kh«ng Kh«ng Enable Enable Select Reset Auto Strobe dïng dïng Bidirection IRQ Printer Linefeed H×nh 3.31 Thanh ghi ®iÒu khiÓn 3.3.1.2. §Þa chØ cña cæng Cæng song song cã 2 vïng ®Þa chØ ®−îc sö dông phæ biÕn ®−îc liÖt kª trong b¶ng 3.5. ViÖc lùa chän sö dông cæng nμo sÏ ®−îc thùc hiÖn th«ng qua BIOS. §Þa chØ Chó gi¶i 378h – 37Fh §Þa chØ cæng LPT1 278h – 27Fh §Þa chØ cæng LPT2 B¶ng 3.5 §Þa chØ c¸c cæng song song Theo chuÈn IEEE1284, thanh ghi d÷ liÖu n»m ë ®Þa chØ c¬ së cña cæng (378h ®èi víi LPT1 vμ 278h ®èi víi LPT2), thanh ghi tr¹ng th¸i n»m ë ®Þa chØ c¬ së+1 vμ thanh ghi ®iÒu khiÓn n»m ë ®Þa chØ c¬ së + 2. Vïng ®Þa chØ cßn l¹i ®−îc ®Þnh nghÜa vμ sö dông bëi c¸c chÕ ®é kh¸c ®−îc c¶i tiÕn tõ chÕ ®é cæng song song chuÈn. VÝ dô chÕ ®é EPP (Enhanced Parallel Port) ®Þnh nghÜa thªm 2 thanh ghi bao gåm thanh ghi d÷ liÖu EPP ë ®Þa chØ c¬ së + 3“ vμ thanh ghi ®Þa chØ EPP ë ®Þa chØ c¬ së + 4“ ®Ó truyÒn/nhËn th«ng tin d÷ liÖu vμ th«ng tin ®Þa chØ. Tuy nhiªn, vÊn ®Ò nμy sÏ kh«ng ®−îc tr×nh bμy ë ®©y. Trong ®Ò tμi nμy, chóng em chØ sö dông cæng song song chuÈn. Trong ®ã, m¸y tÝnh sÏ xuÊt 12 ®−êng tÝn hiÖu ra th«ng qua cæng song song bao gåm 8 ®−êng Data vμ 4 ®−êng Control ®Ó ®iÒu khiÓn 6 ®éng c¬ (4 ®éng c¬ b−íc vμ 2 ®éng c¬ mét chiÒu) nh− h×nh vÏ d−íi ®©y:

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

54

Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö

H×nh 3.32 C¸c ®−êng tÝn hiÖu ra ®iÒu khiÓn cña cæng song song Trong ®ã: CW_CCW_x (x=1,2,3,4) lμ tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn chiÒu quay ®éng c¬ b−íc x CLK_x (x=1,2,3,4) lμ tÝn hiÖu ch¹y ®éng c¬ b−íc x Run_Stop_x (x=1,2) lμ tÝn hiÖu ch¹y ®éng c¬ mét chiÒu x Direction_x (x=1,2) lμ tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn chiÒu quay ®éng c¬ mét chiÒu x

KÕt luËn Trong ch−¬ng nμy chóng em chØ dõng l¹i ë viÖc m« t¶ toμn bé cÊu tróc phÇn cøng cña m¹ch ®iÖn tö ®iÒu khiÓn Robot. LËp tr×nh giao tiÕp cæng song song vμ lËp tr×nh giao diÖn ng−êi dïng sÏ ®−îc tr×nh bμy chi tiÕt trong ch−¬ng tiÕp theo.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

55

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng

4.1. LËp tr×nh giao tiÕp cæng song song Trong ch−¬ng 3 ta ®· ®Ò cËp ®Õn c¸c ®Æc tÝnh phÇn cøng cña cæng song song,ch−¬ng nμy sÏ m« t¶ vÒ phÇn ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn cho robot qua cæng song song. Trong viÖc ®iÒu khiÓn vμ m« pháng robot, nÕu chØ ®Ó ®iÒu khiÓn hoÆc chØ m« pháng th× kh«ng cã g× khã kh¨n, tuy nhiªn ®Ó thùc hiÖn ®iÒu khiÓn vμ m« pháng ®ång thêi, ch−¬ng tr×nh m« pháng thÓ hiÖn ®óng vÒ hμnh vi vμ thêi gian ®¸p øng cña robot th× ta sÏ ph¶i xÐt ®Õn rÊt nhiÒu vÊn ®Ò kh¸c. Cã thÓ sö dông mét chÝp vi ®iÒu khiÓn bªn ngoμi ®Ó thùc hiÖn c¸c c«ng viÖc ®iÒu khiÓn trùc tiÕp robot nh− cÊp xung ®iÒu khiÓn, c¸c tÝn hiÖu ®¶o chiÒu, ®Õm sè b−íc …vμ ®Ó nhËn d÷ liÖu tõ PC vi ®iÒu khiÓn thùc hiÖn thªm chøc n¨ng giao tiÕp víi PC. §Ó ®¶m b¶o chÝnh x¸c vÒ mÆt thêi gian, viÖc giao tiÕp gi÷a vi ®iÒu khiÓn vμ PC sÏ ph¶i th«ng qua mét giao thøc rÊt chÆt chÏ,c¸c ng¾t ph¶i ®−îc sö dông vμ khai th¸c tèi ®a.ViÖc sö dông ng¾t trong vi ®iÒu khiÓn rÊt ®¬n gi¶n,tuy nhiªn trªn PC ®Æc biÖt lμ trong hÖ ®iÒu hμnh Windows ta kh«ng thÓ sö dông tïy tiÖn v× tμi nguyªn Windows ph¶i ®−îc sö dông cho chÝnh b¶n th©n hÖ ®iÒu hμnh vμ c¸c ch−¬ng tr×nh ng−êi dïng,do ®ã trong viÖc b¾t tay gi÷a vi ®iÒu khiÓn vμ PC sÏ xuÊt hiÖn c¸c kho¶ng thêi gian chê ®îi mμ ta kh«ng mong muèn.Mét gi¶i ph¸p ®−îc ®−a ra võa ®¬n gi¶n l¹i ®ì tèn kÐm lμ ®ã lμ sö dông khai th¸c PC nh− lμ mét bé ®iÒu khiÓn,mäi viÖc sÏ ®−îc PC qu¶n lý do ®ã sÏ kh«ng cÇn giao tiÕp,kh«ng cÇn chê ®îi vμ x¸c nhËn… Tuy nhiªn ta còng cÇn ph¶i cè g¾ng ph©n chia tμi nguyªn sao cho PC võa cã thÓ ®iÒu khiÓn robot,võa m« pháng mμ vÉn ®¶m b¶o c¸c ch−¬ng tr×nh øng dông kh¸c ch¹y mét c¸ch b×nh th−êng. D−íi ®©y lμ c¸c m« t¶ vÒ ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn robot: C¸c ®−êng d÷ liÖu cæng song song ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu khiÓn bèn ®éng c¬ b−íc,4 ®−êng trong thanh ghi ®iÒu khiÓn ®−îc sö dông ®iÒu khiÓn 2 ®éng c¬ mét chiÒu. §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

56

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng Khai b¸o sö dông th− viÖn vµo ra cæng song song short _stdcall Inp32(short PortAddress); /* Tr¶ vÒ gi¸ trÞ t¹i ®Þa chØ PortAddess*/ void _stdcall Out32(short PortAddress,short Data); /* XuÊt d÷ liÖu Data ra thanh ghi cæng cã ®Þa chØ PortAddress*/ Hai hμm trªn ®· ®−îc x©y dùng bªn trong th− viÖn liªn kÕt ®éng cã tªn INPOUT32.DLL,File th− viÖn ph¶i ®−îc ®Æt trong th− môc chøa file thùc thi hoÆc Windows/System32 §Þnh nghÜa c¸c thanh ghi vµ c¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn #define BaseReg 0x378 // §Þa chØ thanh ghi c¬ së #define StatusReg 0x379 // §Þa chØ thanh ghi tr¹ng th¸i #define ControlReg 0x37A//§Þa chØ thanh ghi ®iÒu khiÓn /* C¸c tÝn hiÖu Clock vμ chiÒu quay cho ®éng c¬ bø¬c trªn thanh ghi c¬ së (Base Register)*/ #define Clk1 0 #define Dir1 1 #define Clk2 2 #define Dir2 3 #define Clk3 4 #define Dir3 5 #define Clk4 6 #define Dir4 7 /* C¸c tÝn hiÖu khëi ®éng vμ ®¶o chiÒu cho hai ®éng c¬ mét chiÒu trªn thanh ghi ®iÒu khiÓn ( Control register) */ #define RunDC1 0 #define DirDC1 1 #define RunDC2 2 #define DirDC2 3 C¸c hµm thao t¸c bit trªn c¸c thanh ghi cæng song song // Hμm Set gi¸ trÞ bit t¹i vÞ trÝ pos trªn thanh ghi cã ®Þa chØ add void CBKVisualRoboticsView::SetBit(short add, int pos,bool bit) { short byte=Inp32(add);

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

57

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng if(bit) byte|=(1<<pos); else byte&=~(1<<pos); Out32(add,byte); } // Xo¸ bit t¹i vÞ trÝ pos trªn thanh ghi cã ®Þa chØ add vÒ 0 void CBKVisualRoboticsView::ClearBit(short add, int pos) { short byte=Inp32(add); byte&=~(1<<pos); Out32(add,byte); } // §äc gi¸ trÞ bÝt t¹i vÞ trÝ pos trªn thanh ghi cã ®Þa chØ add bool CBKVisualRoboticsView::GetBit(short add, int pos) { short byte1=Inp32(add); short byte2=byte1&(1<<pos); return (byte2==pow(2,pos)); } // LËt bÝt t¹i vÞ trÝ pos trong thanh ghi cã ®Þa chØ add void CBKVisualRoboticsView::ToggleBit(short add, int pos) { SetBit(add,pos,!GetBit(add,pos)); } // C¸c hµm thùc hiÖn ®iÒu khiÓn ®éng c¬ // Ch¹y ®éc lËp ®éng c¬ b−íc IDMotor víi sè b−íc nStep void CBKVisualRoboticsView::RunStepMotor(int IDMotor, int& nStep) { bool bDirection=(nStep>0);// Chieu quay switch(IDMotor) { case 1:// Dong co 1 while(nStep)

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

58

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng { InDeCrease(nStep);// Ham tang neu <0 va giam neu >0 ToggleBit(BaseReg,Clk1); SetBit(BaseReg,Dir1,bDirection); Sleep(T); } break; case 2: while(nStep) { InDeCrease(nStep); ToggleBit(BaseReg,Clk2); Sleep(T); SetBit(BaseReg,Dir2,bDirection); } break; case 3: while(nStep) { InDeCrease(nStep); ToggleBit(BaseReg,Clk3); Sleep(T); SetBit(BaseReg,Dir3,bDirection); } break; case 4: while(nStep) { InDeCrease(nStep); ToggleBit(BaseReg,Clk4); Sleep(T); SetBit(BaseReg,Dir4,bDirection); } break;

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

59

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng } } // Ch¹y ®ång thêi hai ®éng c¬ b−íc 1,2 void CBKVisualRoboticsView::RunStepMotor12(int& nStep1_,int& nStep2_) { bool bDirection1=(nStep1_>0); bool bDirection2=(nStep2_>0); while(nStep1_ || nStep2_) { InDeCrease(nStep1_); if(nStep1_!=0) { ToggleBit(BaseReg,Clk1); SetBit(BaseReg,Dir1,bDirection1); } InDeCrease(nStep2_); if(nStep2_!=0) { ToggleBit(BaseReg,Clk2); SetBit(BaseReg,Dir2,bDirection2); } Sleep(T); } } // Ch¹y ®ång thêi ba ®éng c¬ b−íc 1,2,3 void CBKVisualRoboticsView::RunStepMotor123(int& nStep1_,int& nStep2_,int& nStep3_) { bool bDirection1=(nStep1_>0); bool bDirection2=(nStep2_>0); bool bDirection3=(nStep3_>0); while(nStep1_||nStep2_||nStep3_)

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

60

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng { InDeCrease(nStep1_); if(nStep1_!=0) { ToggleBit(BaseReg,Clk1); SetBit(BaseReg,Dir1,bDirection1); } InDeCrease(nStep2_); if(nStep2_!=0) { ToggleBit(BaseReg,Clk2); SetBit(BaseReg,Dir2,bDirection2); } InDeCrease(nStep3_); if(nStep3_!=0) { ToggleBit(BaseReg,Clk3); SetBit(BaseReg,Dir3,bDirection3); } Sleep(T); } } // Ch¹y ®ång thêi c¶ 4 ®éng c¬ b−íc void CBKVisualRoboticsView::RunAllStepMotor(bool bRun) { if(bRun) { // nStepi la cac bien toan cuc so voi ham bool bDirection1=(nStep1>0); bool bDirection2=(nStep2>0); bool bDirection3=(nStep3>0); bool bDirection4=(nStep4>0);

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

61

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng while(nStep1||nStep2||nStep3||nStep4) { InDeCrease(nStep1); if(nStep1!=0) { ToggleBit(BaseReg,Clk1); SetBit(BaseReg,Dir1,bDirection1); } InDeCrease(nStep2); if(nStep2!=0) { ToggleBit(BaseReg,Clk2); SetBit(BaseReg,Dir2,bDirection2); } InDeCrease(nStep3); if(nStep3!=0) { ToggleBit(BaseReg,Clk3); SetBit(BaseReg,Dir3,bDirection3); } InDeCrease(nStep4); if(nStep4!=0) { ToggleBit(BaseReg,Clk4); SetBit(BaseReg,Dir4,bDirection4); } Sleep(T); } } } // Ch¹y c¸c ®éng c¬ métt chiÒu

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

62

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng // §éng c¬ mét chiÒu 1 void CBKVisualRoboticsView::RunDCMotor1(bool bRun,bool bDirection) { if(bRun) { SetBit(ControlReg,RunDC1); SetBit(ControlReg,DirDC2,!bDirection);// C1 tich cuc thap } else ClearBit(ControlReg,RunDC1); } // §éng c¬ mét chiÒu 2 void CBKVisualRoboticsView::RunDCMotor2(bool bRun,bool bDirection) { if(bRun) { SetBit(ControlReg,RunDC2); SetBit(ControlReg,DirDC2,!bDirection);// C3 tich cuc thap } else ClearBit(ControlReg,RunDC2); } §Ó ®¶m b¶o vÒ mÆt ph©n chia thêi gian,mçi hμnh tr×nh mμ robot thùc hiÖn sÏ ®−îc chia thμnh c¸c hμnh tr×nh nhá vμ mçi hμnh tr×nh ®ã robot chØ ph¶i ch¹y mét sè Ýt b−íc sau ®ã l¹i tr¶ ®iÒu khiÓn vÒ cho Windows,thêi gian trÔ T cÊp xung clock kho¶ng 1ms

4.2. T×m hiÓu th− viÖn ®å ho¹ vµ OpenGL, viÕt ch−¬ng tr×nh m« pháng vµ ®iÒu khiÓn trªn PC 4.2.1. Th− viÖn ®å ho¹ OpenGL 4.2.1.1. Giíi thiÖu vÒ OpenGL §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

63

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng Th− viÖn ®å häa OpenGL lμ mét phÇn mÒm giao diÖn gi÷a ch−¬ng tr×nh øng dông vμ phÇn cøng ®å ho¹ ( Cßn ®−îc hiÓu lμ mét hÖ giao tiÕp lËp tr×nh øng dông - API), ®−îc ph¸t triÓn bëi Silicon Graphic Inc (SGI). Bé th− viÖn nμy bao gåm nhiÒu c©u lÖnh vμ ®−îc hç trî bëi nhiÒu ng«n ng÷ kh¸c nhau nh− C, C++, Java... OpenGL ®−îc thiÕt kÕ kh«ng phô thuéc vμo nÒn phÇn cøng còng nh− hÖ ®iÒu hμnh (independence of hardware platform and operating system), víi OpenGl ta cã thÓ t¹o ®−îc c¸c ®èi t−îng h×nh häc c¬ b¶n nh− ®iÓm, ®−êng, ®a gi¸c… tõ ®ã cho phÐp ta t¹o ra c¸c ®èi t−îng h×nh häc trong kh«ng gian 2 vμ 3 chiÒu. OpenGl lμ mét bé c«ng cô m¹nh tuy nhiªn nã chØ cho phÐp ta vÏ c¸c ®èi t−îng h×nh häc c¬ b¶n, do ®ã xuÊt hiÖn mét sè bé c«ng cô kh¸c ®−îc thªm vμo cho phÐp ta sö dông c¸c thñ tôc vÏ ë møc cao h¬n. C¸c bé c«ng cô ®ã lμ: +OpenGL Utility Library (GLU): Bao gåm mét sè thñ tôc thiÕt lËp ma trËn h−íng nh×n (Viewing Orentation), ma trËn phÐp chiÕu (Project) vμ biÓu diÔn c¸c mÆt trong kh«ng gian 3 chiÒu. +OpenGl Utility Toolkit (GLUT): Lμ mét bé c«ng cô ®−îc thiÕt kÕ bëi Mark Kilgard bao gåm c¸c thñ tôc gióp ®¬n gi¶n ho¸ viÖc x©y dùng c¸c ®èi t−îng h×nh häc. 4.2.1.2. Cµi ®Æt OpenGL Tr−íc khi cã thÓ sö dông ®−îc bé th− viÖn OpenGl ta cÇn ph¶i thùc hiÖn cμi ®Æt chóng nªn m«i tr−êng lËp tr×nh, mçi c«ng cô lËp tr×nh sÏ cã c¸ch cμi ®Æt kh¸c nhau. Víi Visual C++ 6.0, c¸c b−íc cμi ®Æt nh− sau: + MÆc ®Þnh trong th− môc ...Include/GL cña Visual C++ ®· cã c¸c file tiªu ®Ò: gl.h, glu.h, glaux.h vμ ®Ó sö dông ®−îc c¸c hμm trong nμy chóng ta cÇn link tíi c¸c file th− viÖn liªn kÕt tÜnh (.lib) trong th− môc ... /Lib cña VC++, c¸c file nμy bao gåm: Opengl.lib, glu32.lib, glaux.lib. + §Ó sö dông c«ng cô GLUT ta cÇn download (miÔn phÝ ) bé c«ng cô nμy vÒ vμ thùc hiÖn c¸c b−íc nh− trªn ®Ó sö dông. Bé c«ng cô nμy bao gåm mét file tiªu ®Ò glut.h, c¸c file th− viÖn glut32.lib vμ glut32.dll, file flut32.dll kh«ng cÇn sö dông khi biªn dÞch nh−ng sÏ cÇn ®Õn khi ch¹y ch−¬ng tr×nh thùc thi, file nμy ph¶i ®−îc ®Æt ë C/Windows/system32 hoÆc lμ th− môc chøa file thùc thi.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

64

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng

4.2.1.3. §å häa m¸y tÝnh trong OpenGL a. Qu¸ tr×nh biÓu diÔn ¶nh trong m¸y tÝnh Môc ®Ých cña ®å häa m¸y tÝnh lμ t¹o ra c¸c ¶nh hai chiÒu (2D) trªn mμn h×nh m¸y tÝnh cña c¸c vËt thÓ trong kh«ng gian ba chiÒu (3D). §èi t−îng cÇn vÏ trong kh«ng gian 3D ®−îc c¾t theo mét kh«ng gian thùc gäi lμ View volume, View volume x¸c ®Þnh c¸ch thøc mμ vËt thÓ ®−îc chiÕu lªn mμn h×nh, phÐp chiÕu ®ã cã thÓ lμ phÐp chiÕu phèi c¶nh ( Cho phÐp ta quan s¸t ®−îc nhiÒu phÇn cña ®èi t−îng do View volume lμ mét h×nh nãn côt) hay phÐp chiÕu trùc giao (ChØ quan s¸t ®−îc mét mÆt cña ®èi t−îng do View volume lμ mét h×nh hép vμ h−íng chiÕu (nh×n) trùc giao víi ®¸y h×nh hép). View volume ®ù¬c chiÕu lªn mét mÆt ph¼ng chiÕu h×nh ch÷ nhËt gäi lμ khung nh×n, ¸nh x¹ c¸c ®iÓm ¶nh trong khung nh×n thμnh c¸c ®iÓm ¶nh trªn mét cöa sæ cña mμn h×nh gäi lμ Viewport, nã chÝnh lμ phÇn kh«ng gian trªn cöa sæ Windows mμ ta ®−îc phÐp quan s¸t ( Trong phÇn lËp tr×nh ta ®Ó viewport lμ toμn bé kh«ng gian vïng Client (cx, cy), vμ khi cã sù thay ®æi kich th−íc cöa sæ ta thiÕt lËp l¹i trong sù kiÖn OnSize ®Ó ®¶m b¶o Viewport lu«n lμ toμn bé vïng Client). b. PhÐp biÕn ®æi ®iÓm nh×n vµ phÐp biÕn ®æi m« h×nh OpenGL sö dông ma trËn vμ c¸c phÐp nh©n ma trËn ®Ó biÓu diÔn c¸c phÐp biÕn ®æi. Tr−íc khi ¸p dông c¸c phÐp biÕn ®æi ta cÇn xo¸ vμ thiÕt lËp ma trËn hiÖn thêi vÒ ma trËn ®¬n vÞ (Sö dông lÖnh glLoadIdentity() ). • PhÐp biÕn ®æi ®iÓm nh×n: PhÐp biÕn ®æi ®iÓm nh×n gièng nh− viÖc ta thay ®æi vÞ trÝ vμ h−íng nh×n cña m¾t (camera), trong OpenGL c«ng viÖc nμy ®−îc thùc hiÖn b»ng lÖnh glLookAt(), có ph¸p lÖnh nh− sau: glLookAt(Louble eyex,GLouble eyey,GLouble eyez, GLouble centerx,GLouble centery,GLouble centerz, GLouble upx,GLouble upy,GLouble upz) Ba tham sè ®Çu lμ vÞ trÝ ®iÓm nh×n, ba tham sè tiÕp theo chØ ®Þnh mét ®iÓm nμo ®ã thuéc ®−êng ng¾m, ba tham sè cuèi cïng x¸c ®Þnh h−íng tõ ®¸y lªn ®Ønh cña vïng View volume. • PhÐp biÕn ®æi m« h×nh: B¶n chÊt lμ x¸c ®Þnh vÞ trÝ vμ h−íng cña ®èi tuîng cÇn vÏ trong kh«ng gian. C¸c phÐp biÕn ®æi ®ã lμ phÐp tÞnh tiÕn, §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

65

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng phÐp quay, phÐp tØ lÖ hoÆc kÕt hîp c¸c phÐp biÕn ®æi ®ã víi nhau. Trong OpenGL c¸c lªnh thùc hiÖn c¸c phÐp biÕn ®æi ®ã lμ: + PhÐp tÞnh tiÕn : glTranslate{fd} (x,y,z) – TÞnh tiÕn m« h×nh theo vector tÞnh tiÕn (x,y,z) + PhÐp quay : glRotate{fd}(Angle,x,y,z) – Quay m« h×nh mét gãc Angle ng−îc chiÒu kim ®ång hå quanh tia nèi tõ gèc tíi ®iÓm (x,y,z) + PhÐp tØ lÖ : glScale{fd}(x,y,z) – BiÕn ®æi tØ lÖ m« h×nh víi hÖ sè tØ lÖ t−¬ng øng víi ba trôc ox, oy, oz lÇn l−ît lμ x, y, z. • KÕt hîp c¸c phÐp biÕn ®æi: Khi biÓu diÔn ®å ho¹ ta th−êng ph¶i kÕt hîp nhiÒu phÐp biÕn ®æi, khi ®ã thø tù thùc hiÖn c¸c phÐp biÕn ®æi lμ rÊt quan träng. Khi thùc hiÖn phÐp biÕn ®æi OpenGL nh©n ma trËn hiÖn thêi víi ma trËn phÐp biÕn ®æi, còng gièng nh− ®· tr×nh bμy trong phÇn lý thuyÕt robot c«ng nghiÖp, tr×nh tù c©u lÖnh ng−îc víi tr×nh tù c¸c phÐp biÕn ®æi. c. PhÐp chiÕu phèi c¶nh vµ phÐp chiÕu trùc giao Môc ®Ých cña viÖc sö dông phÐp chiÕu lμ ®Þnh nghÜa View volume, viÖc thùc hiÖn phÐp chiÕu kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn vÞ trÝ ®Æt m¾t (camera). • PhÐp chiÕu phèi c¶nh: Trong OpenGl phÐp chiÕu phèi c¶nh ®−îc ®Þnh nghÜa theo hai c¸ch: Sö dông lÖnh cña OpenGL glFrustum(…) vμ lÖnh cña th− viÖn bæ trî GLU gluPerspective(…). Có ph¸p c¸c lÖnh nh− sau: Sö dông lÖnh cña OpenGL: glFrustum(GLdouble left,GLdouble right,GLdouble bottom,Gldouble top, GLdouble near, GLdouble far) PhÐp chiÕu nμy ®Þnh nghÜa View volume lμ mét h×nh chãp côt,®Ønh chãp t¹i gèc to¹ ®é, ®¸y lín n»m trªn mÆt ph¼ng z=far, ®¸y nhá (cßn gäi lμ khung nh×n) n»m trªn mÆt ph¼ng z = -near lμ mÆt ph¼ng mμ vËt thÓ sÏ ®−îc chiÕu lªn ®ã.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

66

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng

H×nh 4.1 View volume ®ù¬c ®Þnh nghÜa bëi glFrustum(…) Sö dông lÖn cña GLU: gluPerspective(GLdouble fovy,GLdouble aspect, GLdouble near, GLdouble far) T¸c dông cña gluPerspective còng gièng nh−ng glFrustum nh−ng c¸c tham sè cã ý nghÜa kh¸c. Tham sè fovy x¸c ®Þnh gãc t¹i ®Ønh cña h×nh chãp, aspect lμ tØ sè gi÷a bÒ réng vμ chiÒu c¸o ®¸y nhá cña h×nh nãn côt.

H×nh 4.2 View volume ®−îc ®Þnh nghÜa bëi gluPerspective(…) • PhÐp chiÕu trùc giao: Víi phÐp chiÕu trùc giao, View volume ®−îc ®Þnh nghÜa lμ mét h×nh hép ch÷ nhËt. VËt thÓ n»m trong View volume ®−îc chiÕu trùc giao lªn khung nh×n do ®ã trong phÐp chiÕu trùc giao th× kho¶ng c¸ch tõ m¾t (camera) ®Õn vËt thÓ kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn ®é lín cña ¶nh. Trong OpenGl phÐp chiÕu nμy ®−îc thùc hiÖn bëi lÖnh glOrtho(…) hoÆc gluOrtho2D(…). Có ph¸p c¸c lÖnh nh− sau: glOrtho(GLdouble left,GLdouble right,GLdouble bottom,Gldouble top, GLdouble near, GLdouble far)

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

67

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng §èi t−îng n»m trong View volume ®−îc chiÕu trùc giao lªn ®¸y h×nh hép ch÷ nhËt n»m trong mÆt ph¼ng z = -near, ¶nh thu ®−îc kh«ng bÞ co l¹i vμ kh«ng cã chiÒu s©u.

H×nh 4.3 View volume ®−îc ®Þnh nghÜa bëi glOrtho glOrtho2D(GLdouble left,GLdouble right,GLdouble bottom,Gldouble top). T¸c dông lÖnh nμy gièng nh− lÖnh trªn ngo¹i trõ gi¸ trÞ z n»m trong kho¶ng [-1,1]. 4.2.1.4. C¸c vÊn ®Ò c¬ b¶n trong OpenGL a. VÏ ®iÓm, ®−êng, ®a gi¸c OpenGL t¹o ra c¸c ®iÓm, ®−êng vμ ®a gi¸c tõ c¸c ®Ønh (Vertex) ®−îc liÖt kª gi÷a hai hμm glBegin(tham sè) ------------glEnd() Trong ®ã danh s¸ch c¸c tham sè ®−îc liÖt kª nh− bªn d−íi: Tham sè GL_POINTS GL_LIES GL_POLYGON

Miªu t¶ C¸c ®iÓm §o¹n th¼ng §a gi¸c låi

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

68

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng GL_TRIANGLES Tam gi¸c GL_QUADS Tø gi¸c GL_LINE_STRIP §−êng gÊp khóc kh«ng khÐp kÝn GL_LINE_LOOP §−êngg gÊp khóc khÐp kÝn GL_TRIANGLE_STRIP Mét d¶i c¸c tam gi¸c liªn kÕt víi nhau GL_TRIANGLE_FAN C¸c tam gi¸c liªn kÕt theo h×nh qu¹t GL_QUAD_STRIP Mét d¶i c¸c tø gi¸c liªn kÕt víi nhau B¶ng 4.1 C¸c tham sè cña glBegin Mét ®iÓm ®−îc chØ ®Þnh bëi lÖnh sau: glVertex{234}{sifd}{v}(to¹ ®é ®iÓm) Trong ®ã: {234} ChØ ®Þnh sè chiÒu kh«ng gian {sifd} ChØ ®Þnh kiÓu d÷ liÖu cña to¹ ®é {v} NÕu to¹ ®é lμ mét m¶ng cho tr−íc b. T¹o mµu s¾c. §Ó sö dông ®−îc mμu s¾c trong OpenGL tr−íc tiªn cÇn gäi c¸c hμm cμi ®Æt chÕ ®é mμu vμ cho phÐp sö dông mμu. PhÇn cμi ®Æt chÕ ®é mμu ®−îc thùc hiÖn trong hμm khëi t¹o m«i tr−êng OpenGL, ®Ó cho phÐp sö dông mμu OpenGL cã lÖnh glEnable(GL_COLOR_MATERIAL), lÖnh glEnable () ®−îc sö dông trong rÊt nhiÒu tr−êng hîp, tham sè trong hμm sÏ quyÕt ®Þnh môc ®Ých thùc thi cña hμm. C¸c hμm kh¸c liªn quan ®Õn mμu s¾c trong OpenGL ®ã lμ: glClearColor(…) th−êng ®−îc sö dông t¹o mμu nÒn (Colorbackground), glColor(tham sè mμu) ®−îc dïng ®Ó chØ ®Þnh trùc tiÕp mμu vÏ cho ®èi t−îng…D−íi ®©y lμ vÝ dô minh ho¹ trong ch−¬ng tr×nh vÒ sö dông mμu s¾c: void CBKVisualRoboticsView::DrawFloor() { glEnable(GL_COLOR_MATERIAL); glColor3d(0,1,0.7); glTranslatef(0,0,-600); glLineWidth(1); glBegin(GL_LINES); for(int i=0;i<=80;i++)

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

69

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng { glVertex3f(-2000.0f,-2000.0f+50*i,0); glVertex3f(2000.0f,-2000.0f+50*i,0); } for(i=0;i<=80;i++) { glVertex3f(-2000.0f+50*i,-2000.0f,0); glVertex3f(-2000.0f+50*i,2000.0f,0); } glEnd(); glDisable(GL_COLOR_MATERIAL); } Hμm DrawFloor() thùc hiÖn vÏ nÒn lμ mét mÆt gåm c¸c ®−êng ngang däc, mμu cña ®èi t−îng ®−îc chØ ®Þnh bëi ba tham sè, trong hμm nμy mμu sö dông lμ (0,1,0.7). Hμm glEnable(GL_COLOR_MATERIAL) cho phÐp sö dông mμu lμm mμu vËt liÖu cho ®èi t−îng. §Ó sö dông ®−îc vËt liÖu cho ®èi t−îng ph¶i huû cho phÐp tham sè nμy b»ng lÖnh glDisable(GL_COLOR_MATERIAL). c. T¹o ¸nh s¸ng Ban ®Çu khi mét ®èi t−îng ®−îc vÏ ra trong OpenGL chóng ta kh«ng thÓ quan s¸t ®−îc ®èi t−îng mét c¸ch râ rμng v× ®èi t−îng ®−îc ®Æt trong mét vïng kh«ng gian tèi vμ ch−a cã ¸nh s¸ng, do ®ã viÖc sö dông ¸nh s¸ng trong OpenGL lμ b¾t buéc, ¸nh s¸ng OpenGL ®−îc thÓ hiÖn d−íi rÊt nhiÒu khÝa c¹nh kh¸c nhau, bao gåm: ¸nh s¸ng m«i tr−êng xung quanh Ambient, ¸nh s¸ng do vËt tù ph¸t ra (Emission), ¸nh s¸ng khuyÕch t¸n trong m«i tr−êng (diffuse), ¸nh s¸ng ph¶n chiÕu (Specular), ®é chãi shininess. §Ó cã ®−îc ¸nh s¸ng ta cÇn ph¶i cã nguån chiÕu s¸ng,nguån s¸ng l¹i bao gåm :Nguån s¸ng ®iÓm (¸nh s¸ng ph¸t ra tõ mét ®iÓm vμ h−íng chiÕu to¶ ra xung quanh gièng nh− ¸nh s¸ng ph¸t ra tõ mét chiÕc ®Ìn) vμ nguån s¸ng t¹o tia s¸ng song song (Gièng nh− mÆt trêi chiÕu s¸ng tr¸i ®Êt). Trong OpenGL cã ®Þnh nghÜa t¸m nguån s¸ng tõ GL_LIGHT0 ®Õn GL_LIGHT7, ®Ó sö dông ®−îc anh s¸ng ta cÇn gäi hμm

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

70

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng glEnable(GL_LIGHTING), sau ®ã ta sÏ kÕt hîp c¸c lo¹i ¸nh s¸ng vμ nguån s¸ng nh− kÓ trªn ®Ó chiÕu s¸ng cho ®èi t−îng, sau khi cã ®Çy ®ñ nguyªn vËt liÖu s¸ng ta ¸p tíi vμo ®èi t−îng b»ng c¸c lÖnh sau: glLightC(GL_AMBIENT, ambientLight); glLightC(GL_DIFFUSE, diffuseLight); glLightC(GL_SPECULAR, specularLight); glLightV(GL_POSITION, positionLight); glLightV(GL_SPOT_DIRECTION, spot_directionLight); C¸c tham sè ®Çu chØ ®Þnh lo¹i ¸nh s¸ng vμ t¹o nguån s¸ng, c¸c tham sè tiÕp theo lμ lo¹i ¸nh s¸ng vμ nguån s¸ng do ta ®Þnh nghÜa. d. T¹o vËt liÖu §Ó t¹o ra mét ®èi t−îng sinh ®éng nh− thËt, ta kh«ng thÓ chØ dïng mμu s¾c vμ ¸nh s¸ng, c¸c vËt ph¶i ®−îc thÓ hiÖn bªn ngoμi b»ng vËt liÖu t¹o nªn chóng, vμ ®Ó lμm ®−îc ®iÒu nμy OpenGL cho phÐp ta khai b¸o vμ sö dông vËt liÖu ¸p lªn ®èi t−îng, ®Ó sö dông ®−îc vËt liÖu tr−íc tiªn ta cÇn v« hiÖu ho¸ chøc n¨ng GL_COLOR_MATERIAL b»ng lÖnh glDisable(GL_COLOR_MATERIAL), ban ®Çu ®Ó t¹o ra c¸c vËt liÖu ta còng cÇn ph¶i pha chÕ c¸c mμu s¾c ®Ó cã ®−îc lo¹i vËt liÖu mong muèn, tû lÖ pha chÕ c¸c mμu ta cã thÓ tham kh¶o c¸c tμi liÖu vÒ OpenGL, trong ch−¬ng tr×nh em cã khai b¸o ra 21 lo¹i vËt liÖu kh¸c nhau. §Ó ¸p vËt liÖu vμo ®èi t−îng ta sö dông c¸c c©u lÖnh sau : glDisable(GL_COLOR_MATERIAL); glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_AMBIENT,Ambient[i ]); glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_DIFFUSE,Diffuse[i]); glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_SPECULAR,Specular [i]); glMaterialfv(GL_FRONT_AND_BACK,GL_EMISSION,Emission ); glMaterialf(GL_FRONT_AND_BACK,GL_SHININESS,Shininess) ; Tham sè ®Çu tiªn chØ ®Þnh mÆt ®−îc phñ vËt liÖu, tham sè thø hai nh− ®· nãi ë trªn, tham sè thø ba chØ ®Þnh lo¹i vËt liÖu mμ ta ®· khai b¸o.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

71

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng

4.2.1.5. C¸c vÊn ®Ò kh¸c Bé th− viÖn ®å ho¹ OpenGL lμ mét bé th− viÖn v« cïng ®å sé, ®Ó n¾m ®−îc vμ vËn dông hÕt ta cÇn ph¶i cã mét thêi gian rÊt dμi ®Ó t×m hiÓu vμ luyÖn tËp, trªn ®©y chóng em chØ ®−a ra vμi trong rÊt nhiÒu vÊn ®Ò cña OpenGL. Mét vμi trong rÊt nhiÒu vÊn ®Ò kh¸c n÷a nh−: Tetxture (¸p mét líp v©n kh¸c nªn ®èi t−îng), Fog (T¹o s−¬ng mï ), Display List ( Gióp t¨ng tèc ®é thùc thi trong mét chu¬ng tr×nh OpenGL)…..

4.2.2. Ch−¬ng tr×nh m« pháng vµ ®iÒu khiÓn Ch−¬ng tr×nh ®−îc x©y dùng nh»m môc ®Ých t¹o ra mét c«ng cô ®Ó thùc hiÖn m« pháng mäi hμnh vi cña robot ®ång thêi thùc hiÖn tÝnh to¸n vμ xuÊt tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn trùc tiÕp hÖ thèng robot bªn ngoμi. 4.2.2.1. C¸c chøc n¨ng cña ch−¬ng tr×nh C¸c ChÕ ®é: M« pháng, ch¹y thùc vμ võa m« pháng võa ch¹y thùc. C¸c thao t¸c: • Khoan : + Khoan theo nh÷ng m« h×nh ®Þnh s½n: Chøc n¨ng nμy mang tÝnh chÊt kiÓm tra vμ thùc hiÖn c¸c thao t¸c nh− khoan c¸c hμng vμ cét lç, c¸c lç n»m trªn mét ®−êng trßn. + Khoan tù ®éng: Víi chøc n¨ng nμy ng−êi sö dông cã thÓ nhËp to¹ ®é cña c¸c lç th«ng qua mét file n»n ngoμi ch−¬ng tr×nh, øng dông nμy cho phÐp ta thùc hiÖn viÖc khoan mét c¸ch tù ®éng. Cô thÓ trong ch−¬ng tr×nh chóng em ®· viÕt cã chøc n¨ng ®äc mét file ®−îc xuÊt ra tõ ch−¬ng tr×nh Protel-DXP, ®Þnh d¹ng file lμ *.brd chøa hÖ thèng to¹ ®é cña c¸c lç trong mét m¹ch in (PCB) ®−îc thiÕt kÕ, do ®ã víi chøc n¨ng nμy robot trë thμnh mét chiÕc m¸y khoan m¹ch in tù ®éng. • KÑp : Trong thao t¸c kÑp, robot cã thÓ thùc hiÖn g¾p vËt tõ mét vÞ trÝ ®Þnh s½n tíi mét vÞ trÝ kh¸c ®· biÕt, to¹ ®é vËt ë vÞ trÝ ban ®Çu vμ vÞ trÝ cuèi cã thÓ ®−îc nhËp vμo tõ bμn phÝm. §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

72

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng Chøc n¨ng nμy cã thÓ ®−îc øng dông trong c¸c hÖ thèng l¾p r¸p, th«ng th−êng trong c¸c hÖ thèng l¾p r¸p, vÞ trÝ c¸c vËt thÓ/linh kiÖn cÇn l¾p r¸p lμ cè ®Þnh do ®ã ta cã thÓ lËp tr×nh s½n ®Ó robot di chuyÓn vËt thÓ tõ mét vÞ trÝ nμy tíi mét vÞ trÝ kh¸c nh− yªu cÇu. • ChuyÓn ®éng theo quü ®¹o ( VÏ, phay, hμn…) Chøc n¨ng nμy thÓ hiÖn kh¶ n¨ng di chuyÓn linh ho¹t cña robot, robot cã thÓ di chuyÓn theo mét ®−êng th¼ng, mét cung trßn hoÆc mét quü ®¹o bÊt kú ®· biÕt ph−¬ng tr×nh qòy ®¹o. §Ó thÓ hiÖn kh¶ n¨ng di chuyÓn linh ho¹t cña robot, trong chøc n¨ng nμy chóng em cã chia ra hai thao t¸c con cho robot thùc hiÖn ®ã lμ: + VÏ ch÷: Robot cã thÓ vÏ mét dßng ch÷ bÊt kú do ng−êi sö dông nhËp tõ bμn phÝm, do miÒn c«ng t¸c cña robot bÞ giíi h¹n nªn sè l−îng ch÷ ®−îc vÏ bÞ giíi h¹n + VÏ c¸c c¸c quü ®¹o h×nh häc c¬ b¶n: Robot cã thÓ thùc hiÖn di chuyÓn vμ vÏ theo c¸c quü ®¹o nh− ®−êng th¼ng, ®−êng trßn, ®−êng ellip, ®−ên xo¾n èc 2D,3D…hoÆc mét quü ®¹o bÊt kú víi ph−¬ng tr×nh quü ®¹o ®· biÕt. 4.2.2.2. C¸c thµnh phÇn cña ch−¬ng tr×nh

H×nh 4.4.PhÇn mÒm ®iÒu khiÓn vμ m« pháng

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

73

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng H×nh 4.10.PhÇn mÒm m« pháng vμ ®iÒu khiÓn robot • Cöa sæ chÝnh lμ vïng thÓ hiÖn ®å ho¹ ba chiÒu m« h×nh hÖ thèng robot bao gåm ®Çy ®ñ c¸c kh©u khíp cÇn thiÕt nh− mét robot scara thùc thô. • B¶ng ®iÒu khiÓn 1: Chøa c¸c c«ng cô cho phÐp lùa chän vμ thay ®æi chÕ ®é lμm viÖc cña robot, nhËp c¸c th«ng sè ®Çu vμo vμ hiÓn thÞ täa ®é hiÖn t¹i cña ®iÓm chÊp hμnh cuèi. C¸c vïng chÝnh cña b¶ng ®iÒu khiÓn 1: + Vïng hiÓn thÞ: HiÓn thÞ to¹ ®é hiÖn thêi cña c¬ cÊu chÊp hμnh cuèi. + Vïng chän thao t¸c thùc thi: Cho phÐp lùa chän vμ chuyÓn ®æi gi÷a ba thao t¸c lμ : khoan, kÑp vμ chuyÓn ®éng theo qòy ®¹o. Trong mçi thao t¸c chÝnh l¹i cã c¸c thao t¸c con kh¸c nh−: Thao t¸c khoan theo m« h×nh ®Þnh s½n, khoan m¹ch in, vÏ ch÷, vÏ quü ®¹o h×nh häc… + Vïng chän chÕ ®é: Cho phÐp lùa chän vμ thay ®æi c¸c chÕ ®é, c¸c chÕ ®é gåm cã: M« pháng, ch¹y thùc vμ võa m« pháng võa ch¹y thùc. + Vïng chän c¸c c«ng cô, thao t¸c kh¸c: Bao gåm c«ng cô kiÓm tra phÇn cøng vμ thao t¸c dÞch chuyÓn robot tíi mét vÞ trÝ míi mμ täa ®é do ng−êi sö dông nhËp tõ bμn phÝm. C«ng cô kiÓm tra phÇn cøng cho phÐp ta thùc hiÖn kiÓm thö c¸c motor mét c¸ch thñ c«ng nh− cho quay ph¶i, tr¸i mét gãc, sè b−íc hoÆc thêi gian nhÊt ®Þnh. C«ng cô MoveTo… cho phÐp ng−êi sö dông cã thÓ di chuyÓn robot tíi mét vÞ trÝ bÊt kú nhËp tõ bμn phÝm. • B¶ng ®iÒu khiÓn 2: Chøa c¸c c«ng cô lμ c¸c nót bÊn Start/Stop, Pause/Continue vμ Reset. Chøc n¨ng vμ sù kh¸c nhau gi÷a c¸c céng cô nμy nh− sau: Start/Stop: Khëi ®éng vμ dõng, khi dõng robot sÏ dõng t¹i vÞ trÝ hiÖn t¹i vμ khi ®−îc khëi ®éng l¹i robot sÏ tiÕp di chuyÓn ®Õn ®iÓm khëi ®Çu cña hμnh tr×nh vμ b¾t ®Çu mét hμnh tr×nh míi. Pause/Continue : Khi t¹m dõng robot sÏ dõng t¹i vÞ trÝ hiÖn t¹i vμ khi continue robot sÏ tiÕp tôc hμnh tr×nh t¹i vÞ trÝ ®ã. Reset : Robot sÏ huû c«ng viÖc hiÖn t¹i vμ trë vÒ gèc täa ®é. Ngoμi ra cßn cã thanh thay ®æi tèc ®é m« pháng, thanh tr−ît nμy chØ cã t¸c dông trong chÕ ®é m« pháng. • Bé c«ng cô Toolbar bæ trî :

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

74

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng Bé c«ng cô bæ trî nh»m gióp ng−êi sö dông thuËn tiÖn trong viÖc sö dông phÇn mÒm.Trªn ®ã cã c¸c c«ng cô: Select, Zoom in (Phãng to), Zoom out (Thu nhá), Rotate (quay), Fit to view (nh×n toμn c¶nh rotbot), View large screen (giÊu control panel vμ nh×n víi mμn h×nh réng), Hide/show axis( Èn vμ hiÖn thÞ l¹i trôc to¹ ®é), Aninamtion (Tù ®éng xoay toμn bé mμ h×nh ®Ó nh×n víi nhiÒu gãc ®é), Demo (Tr×nh diÔn vμi thao t¸c c¬ b¶n ). 4.2.2.3. M« t¶ thuËt to¸n vµ m· nguån cho mét sè chøc n¨ng c¬ b¶n Do khèi l−îng m· nguån lμ rÊt lín nªn trong khu«n khæ bμi b¸o c¸o nμy kh«ng thÓ ®−a ®−îc tÊt c¶ néi dung ch−¬ng tr×nh nªn mμ chØ cã thÓ chuyÓn t¶i mét vμi th«ng tin vÒ thuËt to¸n vμ m· nguån minh ho¹ cho mét sè chøc n¨ng c¬ b¶n nhÊt cña ch−¬ng tr×nh. a. TÝnh to¸n ®éng häc robot ViÖc thùc hiÖn di chuyÓn robot tõ vÞ trÝ nμy tíi vÞ trÝ kh¸c ®−îc thùc hiÖn bëi bμi to¸n ®éng häc ng−îc, ta cÇn tÝnh to¸n ra c¸c gãc khíp 1, 2 vμ ®é dÞch chuyÓn dz, bμi to¸n ®éng häc thuËn kh«ng thÓ hiÖn nhiÒu vai trß tuy nhiªn chóng ®−îc sö dông ®Ó tÝnh ra täa ®é hiÖn t¹i cña robot t¹i mçi thêi ®iÓm, täa ®é nμy ®−îc sö dông trong viÖc hiÓn thÞ vμ mét sè c«ng viÖc kh¸c. Nh− ®· tÝnh to¸n ®−îc trong ch−¬ng 1, ta cã ph−¬ng tr×nh ®éng häc thuËn vμ ng−îc cña robot scara nh− sau: Ph−¬ng tr×nh ®éng häc thuËn: a2 S(1+ 2) + a1S1 px = p y = a2C(1+ 2) + a1C1

Ph−¬ng tr×nh ®éng häc ngù¬c: θ 2 = ar cos(

θ1 = arctan(

p x2 + p y2 − a12 − a 22 2a1 a 2

py px

) − arctan(

)

a2 S 2 a1 + a 2 C 2

θ 4 = θ1 + θ 2 D3 = p z + D4

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

75

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng Trong ®ã: C2 =

p x2 + p y2 − a12 − a 22 2a1 a 2

Hμm thùc hiÖn bμi to¸n ®éng häc nguîc cã c¸c tham sè ®Çu vμo lμ: täa ®é (x,y) cña ®iÓm cÇn di chuyÓn ®Õn, ®Çu ra lμ gãc quay cña c¸c khíp 1, 2, vμ ®é chªnh lÖch gi÷a gãc ë vÞ trÝ ban ®Çu vμ gãc t¹i to¹ ®é (x, y). Gãc ban ®Çu lμ mét biÕn toμn côc so víi hμm. Hμm tÝnh ®éng häc thuËn víi c¸c ®Çu vμo lμ gãc quay khíp 1, 2 vμ ®Çu ra lμ to¹ ®é ®iÓm tíi øng víi gãc c¸c gãc quay ®ã. M· nguån ®−îc tr×nh bμy bªn d−íi. Hμm tÝnh ®éng häc ng−îc: void CBKVisualRoboticsView::InverseKinematics(float x, float y,float& Teta10_,float& Teta20_, float &Teta1_, float &Teta2_,float& DeltaTeta1_,float& DeltaTeta2_) { float c2=(x*x+y*y-a1*a1-a2*a2)/(2*a1*a2);//cos(Teta2) if(c2>1) { bInvalidCoor=1;// Loi toa do } else { float Teta21 =acos(c2); // Do ham cos nen xuat hien Teta2Duong va Am float Teta22=-Teta21; // Teta21=Teta2+, Teta22=Teta2float Temp = atan((a2*sin(Teta21))/(a1+a2*c2)); float Teta11 =atan(x/y) - Temp; // Teta11 tinh theo Teta21,Teta12 tinh theo Teta22 float Teta12=Teta11+2*Temp;//Thuc chat la :Teta1Am=atan(xm/ym)+Temp;khoi phai tinh atan // Di chuyen tu diem nay toi diem khac co 2 cach,theo (Teta11,Teta21) va (Teta12,Teta22)

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

76

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng // Do do can chon cach ma tong so goc cac khop can quay la nho nhat if((pow((Teta11-Teta10_),2)+pow((Teta21Teta20_),2))<=(pow((Teta12Teta10_),2)+pow((Teta22-Teta20_),2))) { Teta1_=Teta11; Teta2_=Teta21; } else { Teta1_=Teta12; Teta2_=Teta22; } DeltaTeta1_=Teta1_-Teta10; DeltaTeta2_=Teta2_-Teta20; } } Hμm tÝnh ®éng häc thuËn void CBKVisualRoboticsView::ForwardKinematics(float Teta2_,float& x,float& y)

Teta1_,

float

{ x=a2*sin(Teta1_+Teta2_)+a1*sin(Teta1_); y=a2*cos(Teta1_+Teta2_)+a1*cos(Teta1_); } b. Hµm dÞch chuyÓn MoveTo(x,y) Tham sè vμo lμ ®iÓm cÇn dÞch chuyÓn tíi, hμm thùc hiÖn dÞch chuyÓn tíi ®iÓm x, y kh«ng theo mét quü ®¹o nμo. void CBKVisualRoboticsView::MoveTo(float x, float y) { float Teta1_,Teta2_,DeltaTeta1_,DeltaTeta2_; int n=(int)abs(Distance(X,Y,x,y)-iSpeed)/3; §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

77

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng InverseKinematics(x,y,Teta10,Teta20,Teta1_,Teta2_,DeltaTeta1_, DeltaTeta2_); for(int i=0;i n+1 diem chia float* y=new float[n+1]; float Teta1_,Teta2_,DeltaTeta1_,DeltaTeta2_; for(int i=0;i
§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

78

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng y[i]=y1+i*(y2-y1)/n; } else if(y1==y2) { x[i]=x1+i*(x2-x1)/n; y[i]=y1; } else { x[i]=x1+i*(x2-x1)/n; y[i]=((y2-y1)/(x2-x1))*(x[i]-x1)+y1; } InverseKinematics(x[i],y[i],Teta10,Teta20,Teta1_,Teta2_,DeltaTeta 1_,DeltaTeta2_); Teta1=Teta10+i*DeltaTeta1_/n; Teta2=Teta20+i*DeltaTeta2_/n; Teta10=Teta1_; Teta20=Teta2_; ForwardKinematics(Teta1,Teta2,X,Y); PushBackAll(); } delete x,y; } d. DÞch chuyÓn theo cung trßn RoundTo(x,y,r,phi,direction) Tham sè vμo lμ to¹ ®é t©m cung trßn (x, y), b¸n kÝnh cung r, gãc cung ϕ (®é), vμ chiÒu dÞch chuyÓn direction. Khi Phi lμ 360 ®é ta cã dÞch chuyÓn theo mét ®−êng trßn. void CBKVisualRoboticsView::RoundTo(float xo, float yo, float r,float Phi,bool bDirection) { float Teta1_,Teta2_,DeltaTeta1_,DeltaTeta2_; float rfPhiRoundTo=DegToRad(fPhiRoundTo);

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

79

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng float rPhi=DegToRad(Phi);// r: Radian int n=(int)(rPhi*r/2);// 2&pi*r/2 if(n==0) return; float* x=new float[n+1]; float* y=new float[n+1]; float* prPhi=new float[n+1]; int i=0; for(i=0;i
§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

80

Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vµ m« pháng • Chän thao t¸c thùc thi: C¸c thao t¸c thùc thi gåm cã: Khoan, kÑp vμ chuyÓn ®éng theo quü ®¹o (øng dông vÏ text, vÏ h×nh häc, phay, hμn…) + Khoan: Chän Drill sau ®ã chän mét trong hai thao t¸c con Test hoÆc From File. Víi mçi thao t¸c sÏ cã mét hép tho¹i cho viÖc nhËp c¸c th«ng sè hoÆc chän files. + KÑp: Chän Clapping sau ®ã më hép tho¹i bªn d−íi ®Ó nhËp to¹ ®é ®iÓm ®Çu cho mçi vËt cÇn di chuyÓn. + ChuyÓn ®éng theo quü ®¹o: Chän Drawing and Milling, c¸c thao t¸c con sÏ xuÊt hiÖn lμ Draw text vμ Draw graphic. Víi draw text ta nhËp vμo dßng v¨n b¶n cÇn vÏ b»ng nót Enter text…víi Draw graphic còng sÏ cã hép tho¹i t−¬ng øng cho phÐp ta lùa chän mét trong c¸c quü ®¹o cÇn vÏ vμ di chuyÓn,c¸c quü ®¹o cã s½n bao gåm:§−êng th¼ng,®−êng trßn,ellipse,®−êng xo¾n èc 2D,®−êng xo¾n èc 3D vμ ®−êng Helix. • Sau khi ®· chän ®óng thao t¸c, khëi ®éng robot b»ng c¸ch nhÊn Start, ta sÏ kh«ng thÓ lμ g× kh¸c cho ®Õn khi robot dõng l¹i hoÆc nót Stop ho¹c Reset ®−îc nhÊn.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

81

Ch−¬ng 5: KÕt qu¶ thùc nghiÖm vµ h−íng ph¸t triÓn ®Ò tµi

Ch−¬ng 5: KÕt qu¶ thùc nghiÖm vµ h−íng ph¸t triÓn ®Ò tµi 5.1. KÕt qu¶ thùc nghiÖm vµ ®¸nh gi¸ §óng nh− kÕ ho¹c ®· v¹ch ra,sau mét thêi gian thùc hiÖn ®å ¸n vÒ c¬ b¶n chóng em ®· hoμn thμnh ®−îc c¶ ba phÇn liªn quan cña ®Ò tμi lμ m« h×nh c¬ khÝ robot,b¶ng ®iÒu khiÓn ®iÖn tö vμ ch−¬ng tr×nh ®iÒu hμnh-m« pháng. M« h×nh c¬ khÝ: Thùc hiÖn ®−îc c¸c chuyÓn ®éng xoay quanh c¸nh tay mét,c¸nh tay hai,xoay bμn kÑp vμ chuyÓn ®éng lªn xuèng cña c¬ cÊu tÞnh tiÕn.Tuy nhiªn do ®iÒu kiÖn vÒ viÖc thùc hiÖn chÕ t¹o vμ gia c«ng,m« h×nh c¬ khÝ vÉn cßn mét sè h¹n chÕ lμ : + §é r¬ gi÷a trôc ®éng c¬ vμ c¸c b¸nh r¨ng cña hép sè t¹o nªn sai sè mÊt b−íc khi khëi ®éng vμ ®¶o chiÒu quay + TtruyÒn ®éng gi÷a ®éng c¬ vμ trôc tÞnh tiÕn th«ng qua trùc tiÕp cÆp b¸nh r¨ng nªn cã xuÊt hiÖn tiÕng ån B¶ng ®iÒu khiÓn ®iÖn tö: B¶ng ®iÒu khiÓn ®iÖn tö ®−îc thiÕt kÕ bao gåm s¸u nhãm ®Çu ra ®éc lËp cho phÐp ®iÒu khiÓn ®ång thêi bèn ®éng c¬ b−íc vμ hai ®éng c¬ mét chiÒu,c¸c ®Çu vμo bao gåm c¸c ®−êng cÊp nguån (12V,,24V) vμ c¸c ®−êng tÝn hiÖu nhËn trùc tiÕp tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn tõ m¸y tÝnh.HÖ thèng ®iÖn tö ch¹y æn ®Þnh vμ ch−a gÆp bÊt kú mét trôc trÆc g× cho ®Õn thêi ®iÓm nμy Ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn-m« pháng : §· thÓ hiÖn ®−îc m« h×nh 3D hÖ thèng robot trªn mμn h×nh m« pháng,thùc hiÖn m« pháng ®−îc mäi thao t¸c ®Æt ra,tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn xuÊt xuèng b¶ng ®iÒu khiÓn ®Ñp vμ æn ®Þnh.Ch−¬ng tr×nh ®−îc thiÕt kÕ víi giao diÖn th©n thiÖn,trùc quan vμ dÔ sö dông Khi thùc hiÖn c¸c thao t¸c ®Ò ra,nãi chung vÒ c¬ b¶n robot ®· thùc hiÖn ®−îc ®óng yªu cÇu,tuy nhiªn do vÉn cßn mét sè h¹n chÕ nh− ®· ®Ò cËp ë trªn nªn qu¸ tr×nh thùc hiÖn thao t¸c cßn gÆp ph¶i sai sè.Mét gi¶ ph¸p ®−îc ®−a ra gi¶ quýªt vÊn ®Ò nμy lμ thùc hiÖn bï sai sai sè b»ng phÇn mÒm,do sai sè xuÊt hiÖn chñ yÕu ë thêi ®iÓm khëi ®éng vμ ®¶o chiÌu nªn

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

82

Ch−¬ng 5: KÕt qu¶ thùc nghiÖm vµ h−íng ph¸t triÓn ®Ò tµi trong ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn chóng em ®−a thªm thuËt to¸n bï (bï r¬ vÒ mÆt c¬ khÝ) vμ phÇn nμo ®· gi¶i qyÕt ®−îc nh÷ng h¹n chÕ nãi trªn.

5.2. KÕt luËn vµ h−íng ph¸t triÓn cña ®Ò tµi Víi sù nç lùc hÕt m×nh cña c¸c thμnh viªn trong nhãm,®Ò tμi thiÕt kÕ ®· ®ù¬c chóng em hoμn thμnh cã thÓ nãi lμ thμnh c«ng tuy nhiªn dï sao còng chØ mang tÝnh chÊt häc tËp vμ ch−a thÓ ®−a ngay vμo øng dông trong th−c tÕ. Do ®ã nÕu sau nμy tiÕp tôc cã ®iÒu kiÖn nghiªn cøa chóng em dù ®Þnh sÏ hoμn thiÖn l¹i tÊt c¶ nh÷ng h¹n chÕ cßn tån t¹i vμ ®−a thªm mét sè tÝnh n¨ng kh¸c nh− më réng kh¶ n¨ng lÊy d÷ liÖu vμo tõ nhiÒu ®Þnh d¹ng kh¸c nhau,trang bÞ hÖ thèng xö lý th«ng mÞnh vμ kh¶ n¨ng tù häc cho robot…vμ t¨ng tÝnh thùc tiÔn cho ®Ò tμi.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

83

Phô lôc

Phô lôc I. Vi m¹ch L297 thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc chuyªn dông a. Giíi thiÖu L297 lμ mét IC ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc th−êng dïng trong c¸c øng dông ®iÒu khiÓn ®iÖn tö. Nã cã chøc n¨ng t¹o ra 4 phase tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn t−¬ng øng víi hai phase cña ®éng c¬ b−íc l−ìng cùc hoÆc 4 phase cña ®éng c¬ b−íc ®¬n cùc. Sö dông chip nμy ta cã thÓ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ë chÕ ®é nöa b−íc, ®Çy b−íc mét phase më hoÆc hai phase më vμ tÝch hîp c¶ m¹ch PWM ®Ó ®iÒu chØnh dßng ®iÖn cuén d©y trong ®éng c¬. Víi IC nμy ®Ó ®iÒu khiÓn ®éng c¬, ta chØ cÇn mét xung clock, mét tÝn hiÖu logic ®¶o chiÒu quay vμ mét sè ch©n ®Æt chÕ ®é (ch©n ENABLE, ch©n CONTROL vμ ch©n HALF/FULL). IC nμy gióp gi¶m tiÖn trong viÖc t¹o c¸c phase ®iÒu khiÓn ( tr−íc ®©y ®−îc t¹o b»ng c¸c chip vi xö lý) nªn ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn ®éng c¬ rÊt gän. IC ®−îc ®ãng gãi trong vá hai hμng ch©n DIP20 hoÆc SO20 th«ng dông. b. S¬ ®å ch©n, s¬ ®å cÊu tróc vµ chøc n¨ng c¸c ch©n + S¬ ®å ch©n:

H×nh 1 S¬ ®å ch©n L297 + Chøc n¨ng c¸c ch©n Ch©n Tªn Chøc n¨ng 1 SYNC Ch©n ®Çu ra cña m¹ch dao ®éng chopper bªn trong chip. Ch©n nμy cã t¸c dông ®ång bé ho¸ xung nhÞp khi cã nhiÒu L297 ®−îc nèi víi nhau. Khi ®ã tÊt c¶

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

84

Phô lôc c¸c m¹ch dao ®éng trªn c¸c L297 sÏ ho¹t ®éng nh− nhau. Khi cÇn ®ång bé ho¸ nhiÒu L297 ta nèi c¸c ch©n SYNC víi nhau. Khi ®ã chØ cÇn mét m¹ch dao ®éng g¾n trªn L297 bÊt kú. C¸c ch©n OSC cßn l¹i (cña c¸c L297 kh¸c) sÏ ®−îc nèi xuèng ®Êt

2 3

GND HOME

4 5

A INH1

6 7 8

B C INH2

9 10

D ENABLE

H×nh 2 §ång bé c¸c L297 Ch©n nguån 0V Ch©n ®Çu ra cùc collector hë ®Ó th«ng b¸o L297 ®ang ë tr¹ng th¸i khëi t¹o (ABCD=0101) TÝn hiÖu phase A cña ®éng c¬ Ch©n nμy tÝch cùc møc thÊp ®Ó ®iÒu khiÓn tr¹ng th¸i cña phase A vμ phase B. Khi mét cÇu l−ìng cùc ®−îc sö dông (vÝ dô L298), ch©n nμy cã thÓ ®−îc dïng ®Ó ®¶m b¶o sù gi¶m nhanh cña dßng ®iÖn t¶i khi cuén d©y ®−îc cÊp trë l¹i. Nã còng ®−îc sö dông bëi bé chopper ®Ó ®iÒu chØnh dßng ®iÖn t¶i khi ®Çu vμo CONTROL ë møc thÊp TÝn hiÖu phase B cña ®éng c¬ TÝn hiÖu phase C cña ®éng c¬ Ch©n nμy tÝch cùc møc thÊp ®Ó ®iÒu khiÓn tr¹ng th¸i phase C vμ D cña ®éng c¬, còng cã chøc n¨ng t−¬ng tù INH1 TÝn hiÖu phase D cña ®éng c¬ Ch©n cho phÐp chip ho¹t ®éng. Khi ch©n nμy ë møc thÊp, c¸c ch©n A, B, C, D, INH1 vμ INH2 bÞ

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

85

Phô lôc

11

12 13

14

15

16

17

18 19 20

kÐo xuèng møc thÊp CONTROL Ch©n ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng chopper. Khi ch©n nμy ë møc thÊp, ho¹t ®éng chopper trªn INH1, INH2. Ng−îc l¹i, nÕu ch©n nμy ë møc cao th× ho¹t ®éng chopper trªn c¸c ch©n phase A, B, C, D VS Ch©n nguån 5V SEN2 §Çu vμo cña ®iÖn ¸p c¶m biÕn dßng ®iÖn t¶i (®iÖn ¸p r¬i trªn ®iÖn trë c«ng suÊt) tõ tÇng c«ng suÊt cña phase C vμ D. SEN1 §Çu vμo cña ®iÖn ¸p c¶m biÕn dßng ®iÖn t¶i (®iÖn ¸p r¬i trªn ®iÖn trë c«ng suÊt) tõ tÇng c«ng suÊt cña phase A vμ B Vref §Çu vμo ®iÖn ¸p tham chiÕu cho m¹ch chopper. Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®Æt vμo ch©n nμy sÏ quyÕt ®Þnh dßng ®iÖn t¶i ®Ønh OSC Mét m¹ch dao ®éng RC ngoμi (R nèi víi Vcc, C nèi víi Gnd) ®−îc nèi tíi ch©n nμy sÏ quyÕt ®Þnh tÇn sè m¹ch dao ®éng chopper. Khi dïng chøc n¨ng ®ång bé th× ch©n nμy nèi víi 0V (ngo¹i trõ chip t¹o dao ®éng cho hÖ ®ång bé L297). TÇn sè ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: f=1/(0.69RC) CW/CCW Ch©n ®Çu vμo ®iÒu khiÓn chiÒu quay cña ®éng c¬. ChiÒu quay cña ®éng c¬ cßn phô thuéc vμo c¸ch ®Êu d©y cña ®éng c¬. CLOCK Ch©n cÊp xung ®Çu vμo ®Ó ®éng c¬ dÞch b−íc. B−íc xuÊt hiÖn dùa vμo s−ên lªn cña tÝn hiÖu nμy. HALF/FULL Ch©n chän lùa chÕ ®é quay nöa b−íc hay ®Çy b−íc RESET Ch©n ®Çu vμo reset ®éng c¬ vÒ tr¹ng th¸i HOME (ABCD=0101)

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

86

Phô lôc + S¬ ®å khèi cÊu tróc:

H×nh 3 S¬ ®å khèi cÊu tróc c. Nguyªn lý ho¹t ®éng Khèi trung t©m cña L297 lμ khèi Translator ph¸t ra mét thø tù phase thÝch hîp cho c¸c ho¹t ®éng nöa b−íc, ®Çy b−íc mét phase më vμ ®Çy b−íc hai phase më. Khèi nμy ®−îc ®iÒu khiÓn bëi hai ®Çu vμo chÕ ®é (h−íng (CW/CCW) vμ HALF/FULL) vμ tÇn sè b−íc CLOCK. Bèn ®Çu ra ®−îc cung cÊp bëi khèi Translator lμ ®Çu vμo cho khèi Output Logic ®Ó thùc hiÖn c¸c chøc n¨ng ph¸t c¸c xung phase vμ h¹n chÕ dßng ®iÖn t¶i. Translator gåm mét bé ®Õm 3 bit bæ sung mét vμi c¸c kÕt nèi logic ®Ó ph¸t ra tr×nh tù 8 m· b−íc c¬ b¶n ®−îc chØ ra trong h×nh 4. Tr×nh tù tr¹ng th¸i nμy t−¬ng øng víi chÕ ®é nöa b−íc, ®−îc chän bëi møc cao ch©n ®Çu vμo HALF/FULL. C¸c tr×nh tù ®iÒu khiÓn cßn l¹i cho chÕ ®é ®Çy b−íc còng ®−îc ph¸t dÔ dμng tõ tr×nh tù nμy. NÕu chÕ ®é ®Çy b−íc ®−îc chän th× khi Translator ë bÊt kú tr¹ng th¸i lÎ nμo ta nhËn ®−îc tr×nh tù ®Çy b−íc hai phase më ®−îc chØ ra trªn h×nh 6. Ng−îc l¹i, chÕ ®é ®Çy b−íc mét phase më cã ®−îc trong khi ban ®Çu Translator ®ang ë tr¹ng th¸i ch½n.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

87

Phô lôc

H×nh4 Tr×nh tù 8 m· b−íc cña Translator øng víi chÕ ®é nöc b−íc

H×nh5 D¹ng sãng ®Çu ra øng víi chÕ ®é nöa b−íc

H×nh6 Tr×nh tù tr¹ng th¸i vμ d¹ng sãng ®Çu ra cho chÕ ®é ®Çy b−íc hai phase më

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

88

Phô lôc

H×nh7 Tr×nh tù tr¹ng th¸i vμ d¹ng sãng ®Çu ra cho chÕ ®é ®Çy b−íc mét phase L297 thùc hiÖn ®iÒu khiÓn dßng ®iÖn t¶i th«ng qua hai bé chopper PWM cho mçi phase cña ®éng c¬ l−ìng cùc hoÆc cho mçi cÆp cuén d©y cña ®éng c¬ ®¬n cùc (trong ®éng c¬ ®¬n cùc, hai cuén d©y A, B kh«ng bao giê cÊp n¨ng l−îng ®ång thêi bëi vËy chóng cã thÓ chia sÎ mét chopper, hai cuén d©y C, D còng t−¬ng tù). Mçi chopper bao gåm mét khèi so s¸nh, mét flip-flop vμ mét ®iÖn trë c¶m biÕn ngoμi. Mét bé dao ®éng on-chip dïng chung cÊp c¸c xung cã tÇn sè kh«ng ®æi tíi c¶ hai chopper. Trong mçi chopper, flip-flop ®−îc SET bëi mçi xung tõ bé dao ®éng, cho phÐp xuÊt tÝn hiÖu ra lμm dßng ®iÖn t¶i t¨ng lªn. Khi ®od ®iÖn ¸p r¬i trªn ®iÖn trë c¶m biÕn còng t¨ng. Vμ khi ®iÖn ¸p nμy ®¹t ®Õn ®iÖn ¸p ®Æt VREF, flip-flop sÏ bÞ RESET, kh«ng cho phÐp ®Çu ra tíi tËn khi cã xung dao ®éng tiÕp theo. §Çu ra Q cña flip-flop do ®ã sÏ lμ tÝn hiÖu PWM duy tr× tÇn sè kh«ng ®æi. §iÖn ¸p VREF sÏ quyÕt ®Þnh dßng t¶i ®Ønh. H×nh 8. Khèi chopper cña L297

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

89

Phô lôc

II. S¬ ®å m¹ch c«ng suÊt a.S¬ ®å nguyªn lý

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

90

Phô lôc

b.S¬ ®å m¹ch in • Líp d−íi (Bottom layer)

• Líp trªn (Top layer)

H×nh 9.Líp d−íi

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

91

Phô lôc

H×nh 10.Líp trªn • Líp linh kiÖn (Top Overlayer)

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

92

Phô lôc

H×nh 11.Líp linh kiÖn

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

93

III.B¶n vÏ chi tiÕt vµ b¶n vÏ l¾p r¸p hÖ thèng c¬ khÝ

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

94

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

95

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

96

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

97

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

98

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

99

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

100

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

101

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

102

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

103

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

104

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

105

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

106

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

107

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

108

Danh môc b¶ng vµ h×nh vÏ H×nh 1.1a Khíp tÞnh tiÕn H×nh 1.1b Khíp quay d¹ng R ......6 H×nh 1.1c Khíp quay d¹ng T H×nh 1.1d Khíp quay d¹ng V .....6 H×nh 1.2 C¸c thμnh phÇn chÝnh cña hÖ thèng robot....................................7 H×nh 1.3 BiÓu diÔn mét vector trong kh«ng gian........................................9 H×nh 1.4 BiÓu diÔn mét khung täa ®é trong kh«ng gian...........................10 H×nh 1.5 HÖ trôc täa ®é robot scara ..........................................................14 H×nh 1.6 Quü ®¹o chuyÓn ®éng kiÓu ®iÓm - ®iÓm....................................19 H×nh 1.7 Quü ®¹o chuyÓn ®éng qua mét sè ®iÓm trung gian ...................19 H×nh 2.1 Bé truyÒn b¸nh r¨ng trô th¼ng 24 H×nh 2.2 Bé truyÒn b¸nh r¨ng trô nghiªng ...............................................25 H×nh 2.3 Bé truyÒn b¸nh r¨ng nãn............................................................25 H×nh 2.4. B¶n vÏ l¾p r¸p............................................................................27 H×nh 3.1 §éng c¬ b−íc nam ch©m vÜnh cöu.............................................28 Hinh 3.2 §éng c¬ b−íc cã tõ trë thay ®æi.................................................29 H×nh 3.3. §éng c¬ lai................................................................................29 H×nh 3.4 §éng c¬ b−íc ®¬n cùc ...............................................................30 H×nh 3.5 §éng c¬ b−íc nam ch©m vÜnh cöu l−ìng cùc............................31 H×nh 3.4 ChiÒu quay cña ®éng c¬ sau mçi xung nhÞp chÕ ®é mét phase më..............................................................................................................33 H×nh 3.5. Dßng ®iÖn qua c¸c cuén d©y ®éng c¬ chÕ ®é mét phase më ....33 H×nh 3.6 ChiÒu quay cña ®éng c¬ sau mçi xung nhÞp chÕ ®é hai phase më..............................................................................................................34 H×nh 3.7 Dßng ®iÖn qua c¸c cuén d©y ®éng c¬ chÕ ®é hai phase më .....34 B¶ng 3.3 Tr×nh tù cÊp xung c¸c cuén d©y (chÕ ®é nöa b−íc)..................35 H×nh 3.8 Dßng ®iÖn trong ®éng c¬ b−íc ®iÒu khiÓn.................................37 theo c¶ ba ph−¬ng ph¸p.............................................................................37 Hinh 3.9 Ph−¬ng ph¸p b¨m xung duy tr× tÇn sè kh«ng ®æi ......................38 H×nh 3.10 Ph−¬ng ph¸p b¨m xung phase..................................................39 H×nh 3.11 TÝn hiÖu vμo ra trong chÕ ®é b¨m xung phase .........................40 H×nh 3.12 TÝn hiÖu vμo ra trong chÕ ®é b¨m xung inhibit........................40 H×nh 3.13 S¬ ®å ®iÒu khiÓn cÆp cuén d©y ®èi xøng cña ®éng c¬ ®¬n cùc ...................................................................................................................41 H×nh 3.14a M¾c thªm bé läc.....................................................................42 H×nh 3.14b KÐo dμi thêi gian Set RS flip - flop .......................................42 H×nh 3.15 Ph−¬ng ph¸p duy tr× thêi gian toff kh«ng ®æi...........................44 Hinh 3.16 Ph−¬ng ph¸p b¨m xung víi tÇn sè b¨m xung tù do .................44 H×nh 3.18 S¬ ®å hÖ thèng m¹ch c«ng suÊt...............................................46 H×nh 3.19 C¸ch ly quang TLP521-4 .........................................................46 B¶ng 3.4 §Æc tÝnh cña c¸ch ly quang TLP521-4 .....................................47 H×nh 3.20 Nguyªn lý m¹ch c¸ch ly dïng diot zenner...............................47 H×nh 3.21 Transitor c«ng suÊt IRF540N ..................................................48 H×nh 3.22 Diot 31DQ09...........................................................................48 §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

109

H×nh 3.23 Nguyªn lý m¹ch c¸c ly hoμn chØnh..........................................49 H×nh 3.24 S¬ ®å nguyªn lý m¹ch t¹o nguån.............................................50 H×nh 3.25 S¬ ®å nguyªn lý m¹ch ®iÒu khiÓn mét ®éng c¬.......................50 H×nh 3.26 S¬ ®å nguyªn lý m¹ch t¹o xung ®ång bé.................................51 H×nh 3.27 S¬ ®å nguyªn lý m¹ch ®¶o chiÒu quay ®éng c¬.......................52 H×nh 3.28 C¸c thanh ghi cæng song song chuÈn.......................................53 H×nh 3.29 Thanh ghi d÷ liÖu .....................................................................53 H×nh 3.30 Thanh ghi tr¹ng th¸i.................................................................53 H×nh 3.31 Thanh ghi ®iÒu khiÓn ...............................................................54 B¶ng 3.5 §Þa chØ c¸c cæng song song .......................................................54 H×nh 3.32 C¸c ®−êng tÝn hiÖu ra ®iÒu khiÓn cña cæng song song.............55 H×nh 4.1 View volume ®ù¬c ®Þnh nghÜa bëi glFrustum(…).....................67 H×nh 4.2 View volume ®−îc ®Þnh nghÜa bëi gluPerspective(…).............67 H×nh 4.3 View volume ®−îc ®Þnh nghÜa bëi glOrtho ...............................68 B¶ng 4.1 C¸c tham sè cña glBegin............................................................69 H×nh 4.4.PhÇn mÒm ®iÒu khiÓn vμ m« pháng...........................................73

Danh môc ch÷ viÕt t¾t SCARA : AFNOR : RIA : DOF : DH : C: S: CAD : CAM : DC : I/O : N-S : IC : DIP : PC : IEEE : LPT : BIOS :

Selective Compliance Asembly Robot Arm Association Francaise de Normalization Robot Institude of America Degrees Of Freedom Denavit J vμ Hartenberg R.S Cos Sin Computer Aided Design Computer Aided Manufacturing Direct current Input/Output North – South Integrated Circuit Dual In-line Package Personal Computer Institute of Electrical and Electronics Engineers Line Print Terminal Basic Input Output System

Tµi liÖu tham kh¶o [1]. LËp tr×nh Visual C++ tõ c¬ b¶n ®Õn n©ng cao-Ph¹m C«ng Ng« [2]. Robot c«ng nghiÖp-NguyÔn ThiÖn Phóc [3]. §iÒi khiÓn robot c«ng nghiÖp-T« §¨ng H¶i §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

110

[4]. §éng c¬ b−íc,kü thuËt ®iÒu khiÓn vμ øng dông-NguyÔn Quang HïngTrÇn Ngäc B×nh [5]. Chi tiÕt m¸y-NguyÔn V¨n YÕn [6]. Parallel Port Complete-Jan Axelson [7]. OpenGL Programming Guide - Mary Treseler [8]. OpenGL Reference Manual-David Rolgelberg [9]. Advanced MFC Programming [10]. http://msdn.microsoft.com [11]. http://www.videotutorialrocks.com [12]. http://www.cplusplus.com

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

111

Môc lôc Lêi nãi ®Çu ..................................................................................................1 Ch−¬ng 1: Nghiªn cøu lý thuyÕt tay m¸y vμ robot c«ng nghiÖp ...............3 1.1. Tæng quan vÒ Robot c«ng nghiÖp.....................................................3 1.1.1. LÞch sö ra ®êi vμ ph¸t triÓn cña robot c«ng nghiÖp....................3 1.1.2. C¸c kh¸i niÖm vμ ®Þnh nghÜa vÒ Robot ......................................4 1.1.2.1. §Þnh nghÜa Robot ................................................................4 1.1.2.2. BËc tù do cña Robot (DOF: Degrees Of Freedom) .............5 1.1.2.3. Khíp, cæ tay vμ bμn tay robot..............................................5 1.1.2.4. Tr−êng c«ng t¸c cña Robot..................................................6 1.1.3. CÊu tróc c¬ b¶n cña mét hÖ thèng robot c«ng nghiÖp................7 1.2. §éng häc robot .................................................................................8 1.2.1. BiÓu diÔn ma trËn .......................................................................8 1.2.1.1. BiÓu diÔn mét vector trong kh«ng gian ...............................8 1.2.1.2. BiÓu diÔn mét khung täa ®é.................................................9 1.2.1.3. BiÓu diÔn mét vËt thÓ r¾n...................................................10 1.2.1.4. Ma trËn biÕn ®æi ®ång nhÊt...............................................11 1.2.2. PhÐp biÕn ®æi............................................................................11 1.2.2.1. PhÐp biÕn ®æi tÞnh tiÕn ®¬n ................................................11 1.2.2.2. PhÐp biÕn ®æi quay ®¬n .....................................................11 1.2.2.3. PhÐp biÓu diÔn kÕt hîp.......................................................12 1.2.2.4. PhÐp biÕn ®æi so víi khung täa ®é di chuyÓn ....................12 1.2.3. HÖ ph−¬ng tr×nh ®éng häc robot ..............................................12 1.2.3.1. §Æt vÊn ®Ò ..........................................................................12 1.2.3.2. X¸c ®Þnh tr¹ng th¸i cuèi cña robot t¹i ®iÓm t¸c ®éng cuèi ........................................................................................................13 1.2.3.3. Bé th«ng sè DH .................................................................13 1.2.3.4. Ph−¬ng tr×nh ®éng häc thuËn.............................................15 1.2.3.5. Ph−¬ng tr×nh ®éng häc ng−îc............................................16 1.3. §éng lùc häc robot .........................................................................17 1.4. ThiÕt kÕ quü ®¹o chuyÓn ®éng .......................................................18 1.4.1. Quü ®¹o ®iÓm - ®iÓm................................................................18 1.4.2. Quü ®¹o lμ mét ®−êng ®i qua mét sè ®iÓm trung gian ............19 Ch−¬ng 2: ThiÕt kÕ vμ chÕ t¹o m« h×nh thùc ............................................21 2.1. T×m hiÓu mét sè phÇn mÒm CAD/CAM, phÇn mÒm thiÕt kÕ c¬ khÝ. ...............................................................................................................21 2.2. ThiÕt kÕ, m« pháng vμ ®−a ra b¶n vÏ chi tiÕt..................................21 2.2.1. C¬ cÊu tay m¸y:........................................................................21 2.2.2.1. ThiÕt kÕ tay m¸y ................................................................21 2.2.2.2. Lùa chän vËt liÖu ...............................................................22 2.2.2. HÖ thèng truyÒn dÉn ®éng ®iÖn................................................22 2.2.3. HÖ thèng truyÒn dÉn ®éng c¬ khÝ.............................................24

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

112

2.2.3.1. Bé truyÒn b¸nh r¨ng...........................................................24 2.2.3.2. TruyÒn ®éng vitme- ®ai èc................................................26 2.3. Thùc hiÖn gia c«ng vμ chÕ t¹o ........................................................26 Ch−¬ng 3: ThiÕt kÕ ®iÖn - ®iÖn tö ............................................................28 3.1. T×m hiÓu ®éng c¬ b−íc vμ c¸c ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ................28 3.1.1. §Æc ®iÓm cÊu t¹o......................................................................28 3.1.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng vμ c¸c chÕ ®é ®iÒu khiÓn .......................31 3.1.2.1. Nguyªn lý ho¹t ®éng .........................................................31 3.1.2.2. ChÕ ®é ®iÒu khiÓn c¶ b−íc: ...............................................32 3.1.3. C¸c ph−¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc .............................36 3.1.3.1. §Æt vÊn ®Ò ..........................................................................36 3.1.3.2. Nguyªn t¾c c¬ b¶n cña ph−¬ng ph¸p b¨m xung................37 3.1.3.4. Ph−¬ng ph¸p b¨m xung duy tr× thêi gian toff kh«ng ®æi ....43 3.1.3.5. Ph−¬ng ph¸p b¨m xung víi tÇn sè b¨m xung tù do...........44 3.1.3.6. NhËn xÐt.............................................................................45 3.2. ThiÕt kÕ m¹ch c«ng suÊt (s¬ ®å nguyªn lý vμ m¹ch in) ®iÒu khiÓn robot.......................................................................................................45 3.2.1. M¹ch c¸ch ly:...........................................................................46 3.2.2. M¹ch c«ng suÊt ........................................................................47 3.2.3. ThiÕt kÕ phÇn cøng sö dông Protel-DXP..................................49 3.3. T×m hiÓu vÒ cæng song song chuÈn cña m¸y tÝnh PC.....................52 3.3.1. Giíi thiÖu cæng song song chuÈn (Standard Parallel Port) ......52 3.3.1.1. C¸c thanh ghi cæng song song chuÈn ................................52 3.3.1.2. §Þa chØ cña cæng ................................................................54 Ch−¬ng 4: X©y dùng ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn vμ m« pháng ....................56 4.1. LËp tr×nh giao tiÕp cæng song song.................................................56 4.2. T×m hiÓu th− viÖn ®å ho¹ vμ OpenGL, viÕt ch−¬ng tr×nh m« pháng vμ ®iÒu khiÓn trªn PC.............................................................................63 4.2.1. Th− viÖn ®å ho¹ OpenGL.........................................................63 4.2.1.1. Giíi thiÖu vÒ OpenGL .......................................................63 4.2.1.2. Cμi ®Æt OpenGL .................................................................64 4.2.1.3. §å häa m¸y tÝnh trong OpenGL........................................65 a. Qu¸ tr×nh biÓu diÔn ¶nh trong m¸y tÝnh ..................................65 b. PhÐp biÕn ®æi ®iÓm nh×n vμ phÐp biÕn ®æi m« h×nh ................65 c. PhÐp chiÕu phèi c¶nh vμ phÐp chiÕu trùc giao.........................66 4.2.1.4. C¸c vÊn ®Ò c¬ b¶n trong OpenGL......................................68 a. VÏ ®iÓm, ®−êng, ®a gi¸c..........................................................68 b. T¹o mμu s¾c.............................................................................69 c. T¹o ¸nh s¸ng............................................................................70 d. T¹o vËt liÖu..............................................................................71 4.2.1.5. C¸c vÊn ®Ò kh¸c .................................................................72 4.2.2. Ch−¬ng tr×nh m« pháng vμ ®iÒu khiÓn.....................................72 4.2.2.1. C¸c chøc n¨ng cña ch−¬ng tr×nh........................................72 §Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

113

4.2.2.2. C¸c thμnh phÇn cña ch−¬ng tr×nh ......................................73 4.2.2.3. M« t¶ thuËt to¸n vμ m· nguån cho mét sè chøc n¨ng c¬ b¶n ........................................................................................................75 a. TÝnh to¸n ®éng häc robot ........................................................75 b. Hμm dÞch chuyÓn MoveTo(x,y) ..............................................77 c. DÞch chuyÓn theo ®−êng LineTo(x,y) .....................................78 d. DÞch chuyÓn theo cung trßn RoundTo(x,y,r,phi,direction).....79 4.2.2.4. Sö dông ch−¬ng tr×nh.........................................................80 Ch−¬ng 5: KÕt qu¶ thùc nghiÖm vμ h−íng ph¸t triÓn ®Ò tμi .....................82 5.1. KÕt qu¶ thùc nghiÖm vμ ®¸nh gi¸ ...................................................82 5.2. KÕt luËn vμ h−íng ph¸t triÓn cña ®Ò tμi ..........................................83 Phô lôc.......................................................................................................84 I. Vi m¹ch L297 thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn ®éng c¬ b−íc chuyªn dông .........84 a. Giíi thiÖu........................................................................................84 b. S¬ ®å ch©n, s¬ ®å cÊu tróc vμ chøc n¨ng c¸c ch©n.........................84 c. Nguyªn lý ho¹t ®éng ......................................................................87 II. S¬ ®å m¹ch c«ng suÊt .......................................................................90 a.S¬ ®å nguyªn lý ...............................................................................90 b.S¬ ®å m¹ch in..................................................................................91 Danh môc b¶ng vμ h×nh vÏ......................................................................109 Danh môc ch÷ viÕt t¾t ............................................................................110 Tμi liÖu tham kh¶o...................................................................................110 Môc lôc ...................................................................................................112

§Ò tµi: ThiÕt kÕ vµ chÕ t¹o robot scara bèn bËc tù do

114