Do An

  • November 2019
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Do An as PDF for free.

More details

  • Words: 25,833
  • Pages: 114
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



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

Related Documents

Do An
June 2020 13
Do An
November 2019 32
Do An
June 2020 15
Bai Tap Do An
November 2019 17
Fern An Do
May 2020 9
De Cuong Do An
July 2020 7