Đồ án Thiết kế robot đoash –k45

= sF. = 79,156. = 93,6 < [sH] = 251,43 (MPa) Thoả mãn qua tải Bảng các thông số của bộ truyền Bộ truyền trục vít Khoảng cách trục aw = 8 mm Mô đun m=1 Hệ số đường kính q = 25 Tỉ số truyền u=40 Số ren trục vít và số răng bánh vít Số mối ren : z1 = 1 Số răng bánh vít : z2 = 40 Hệ số dịch chỉnh bánh vít x=0 Góc vít 2,290 Chiều dài phần cắt ren trục vít b = 12mm Chiều rộng bánh vít b2 = 10,125 mm Đường kính chia d1 = 12,5 mm d2 = 40 mm Đường kính đỉnh da1 = 13,5 mm da2 = 42 mm Bộ truyền bánh răng nghiêng Khoảng cách trục aw = 45 mm Mô đun Chiều rộng vành răng m=1,5 bw=18,75 mm Tỉ số truyền U=5 Góc nghiêng của răng b = 100 Số răng bánh răng z1 =16 ; z2 =80 Hệ số dịch chỉnh x1=0 ; x2=0 Đường kính vòng chia d1 = 24,3 mm d2 = 121,8 mm Đường kính đỉnh răng da1 = 27,3 mm da2 = 124,8 mm II.4.Tính toán hộp giảm tốc cho khớp 2 II.4.1.Chọn động cơ và hộp giảm tốc: a.Chọn động cơ: +Vận tốc của trục là 5 giây quay một vòng hay n=12 vòng/phút đổi ra vận tốc dài : v= 0,05 m/s +Khối lượng tải: P + Pdt = 4,5 + 6,5 = 11 kg ị Lực tải : Ft = 11.10 = 110 (N) +Công suất trên trục động cơ: Pct = = Trong đó : Pt : công suất tính toán h : hiệu suất truyền động F : lực tải v : vận tốc trục h = hbr . htv . hol2 . hot = 0,97.0,3.(0,99)2.0,98 = 0,2795 Pct = = 0,0196 KW =19,6 W +Tỉ số truyền: u = ubr.utv Chọn ubr = 5 Chọn utv = 40 u = 5.40 = 200 +Vận tốc sơ bộ : nsb = n.u = 12.200 = 2400 vg/ph Tra bảng phụ lục với : Pct = 19,6 W nsb = 2500 vg/ph Ta dùng động cơ có : Pct = 20 W nsb = 2500 vg/ph b.Hộp giảm tốc: Hình 3-12: Sơ đồ hộp giảm tốc bánh răng-trục vít +Công suất từng trục : P3 = P3/hot = 0,0055/0,98 = 0,0056 (KW) = 5,6 W P2 = P3/hol .htv = 0,0188 (KW) = 18,8 W P1 = P2/hol .hbr = 0,0194 (KW) = 19,4 W +Vận tốc từng trục : n1 = ndc = 2500 vg/ph n2 = n1/ubr= 2500/5 = 500 vg/ph n3 = n2/utv = 500/40 = 12,5 vg/ph +Momen từng trục : T1 = 9,55.106 . P1/n1 = 37,2 Nmm T2 = 9,55.106 . P2/n2 = 179,54 Nmm T3 = 9,55.106 . P3/n3 = 14821 Nmm Bảng thông số hộp giảm tốc : Trục Thông số Động cơ 1 2 3 Công suất P, W 20 19,4 18,8 5,6 Tỉ số truyền u 1 5 40 Số vòng quay n, vg/ph 2500 2500 500 12,5 Mômen xoắn T, Nmm 37,2 37,2 179,54 14821 II.4.2.Bộ truyền bánh răng nghiêng a.Chọn vật liệu: -Ta chọn vật liệu làm cặp bánh răng nghiêng là thép 35XM tôi cải thiện có: +Độ rắn : HRC = 50 +Giới hạn bền : sb = 1600 MPa +Giới hạn chảy : sch = 1400 MPa b.ứng suất cho phép : +ứng suất tiếp xúc cho phép [sH] : [sH] = (s0Hlim/SH)ZR. ZV. KXH. KHL + ứng suất uốn cho phép [sF] : [sF] = (s0Flim/SF)YR. YS. KXF. KFC . KFL Trong bước tính sơ bộ lấy : ZR. ZV. KXH = 1 và YR. YS. KXF = 1 do đó : [sH] = s0Hlim. KHL /SH [sF] = s0Flim. KFC . KFL /SF Tra bảng 6.2 ta có : s0Hlim = 17 HRCm + 200 (MPa) ; SH = 1,2 s0Flim = 550 (MPa) ; SF = 1,75 KFC = 0,8 ; KFL = 1 ; KHL = 1 [sH] = 370.1/1,2 = 308,33 (MPa) [sF] = 550.0,8/1,75 = 251,428 (MPa) c.Xác định thông số cơ bản của bộ truyền : +Khoảng cách trục aw : aw = Ka(u+1) Trong đó ta có : Mômen xoắn trên bánh chủ động T1 = 37,2 (Nmm) Tra bảng 6.5 ta có : Ka = 17 ; u = 5 ; [sH] = 308,33 (MPa) Tra bảng 6.6 : yba = bw/aw = 0,25 ; KHb = 1,05 aw = 17(5+1) = 25 mm +Môđun : m = (0,01á0,02).aw = 0,02.25 = 0,5 +Xác định góc nghiêng b và hệ số dịch chỉnh x chọn b = 100 z1 = = = 32,8 răng Lấy z1 = 30 răng z2 = u.z1 = 5.30 = 150 răng Hệ số dịch chỉnh tâm : y = aw/m – 0,5(z1+z2) = 4 +Đường kính chia : d1 = mz1/cosb = 0,25.30/cos100 = 8,12 d2 = mz2/cosb = 0,25.150/cos100 = 40,6 +Đường kính lăn : dw1 = d1 + [2y/(z1+z2)]d1 = 8,6275 dw2 = 8,627.u = 43,137 d.Kiểm nghiệm răng: +Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc: sH = Zm.ZH.Ze. Tra bảng 6.5 ta có : ZM = 69,5 Tra bảng 6.12 : ZH = 1,74 Hệ số trùng khớp răng : Ze = = = 0,75 eb = bw.sinb/(m.p) = 6,25.sin100/0,25.3,14 = 1,387 Bề rộng vành răng : bw = Yba.aw = 0,25.25 = 6,25 ea = [1,88-3,2(1/z1 + 1/z2)]cosb = 1,733 KH = KHb.KHa.KHV Tra bảng 6.14 : KHb = 1,05 ; KHa = 1,01 ; KHV = 1 (Phụ lục 2.3) KH = 1,05.1,01.1 = 1,06 sH = 69,5.1,74.0,75. = 238 sH = 238 < [ sH ] = 308 thừa bền +Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn : sF1 = 2.T1.KF.Ye.Yb.YF1/(bw.dw.m) Ê [sF1] sF2 =sF1.YF2/YF1 Ê [sF2] = [sF1] Với T1 = 1260 ; m = 0,5 ; bw = 6,25 ; dw1 = 8,6275 Ye.= 1/ea = 1/1,733 = 0,577 Yb.= 1- 10/140 = 0,928 zv1 = z1/cos3b = 33,503 zv1 = z2/cos3b = 167,519 Tra bảng 6.18 ta có : YF1 = 3,7 ; YF2 = 3,6 KF = KFb . KFa . KFV Tra bảng P2.3 : KFV = 1,05 ; KFb = 1,07 ; KFa = 1,05 KF = 1,05.1,07.1,05 = 1,179 sF1 = 2.1260.1,179.0,577.0,9283,7/6,25.8,63.0,5 = 218,26 sF1 = 218,26 < [sF1] = 251,428 (MPa) sF1 = sF1. YF2/YF1 = 218,26.3,6/3,7 = 212,36 < [sF1] = 251,428 (MPa) Vậy thừa bền. +Kiểm nghiệm răng về qua tải: Kqt = Tmax/T = 1,4 sHmax = sH. = 238. = 281 < [sH] = 308 (MPa) Thoả mãn qua tải sFmax = sF. = 218. = 250 < [sH] = 251,43 (MPa) Thoả mãn qua tải II.4.3.Bộ truyền trục vít a.Chọn vật liệu: Vận tốc trượt : vs = 4,5.10-5.n2. = 4,5.10-5.1000. 1,1 (m/s) vs Do vs < 2 m/s ta chọn: +Bánh vít : Dùng gang để chế tạo sb = 180 (MPa) ; sch = 360 (MPa) +Trục vít: thép 50 b.Xác định ứng suất cho phép : +ứng suất tiếp xúc cho phép : [sH] Tra bảng 7.2 ta có : [sH] = 190 (MPa) +ứng suất uốn cho phép : [sF] [sF] = 0,075. sb = 0,075.180 = 13,5 (MPa) +ứng suất cho phép khi qua tải: [sH]max = 2. sch = 2.360 = 720 (MPa) [sF]max = 0,8. sch = 0,8.360 = 288 (MPa) c.Xác định các thông số bộ truyền: +Khoảng cách trục : aw = (z2 + q) Số mối ren : z1 = 1 ; hiệu suất h = 0,75 Số răng bánh vít : z2 = u.z1 = 40.1 = 40 Chọn hệ số tải trọng KH = 1,2 ; hệ số đường kính trục vít q = 25 Mômen xoắn trên trục bánh vít : T2 = T1. h T2 = 6112.0,75 = 4584 Nmm aw = (40+ 25) = 29,6 ằ 30 mm +Mô đun : chọn m =2 +Hệ số dịch chỉnh : x = (aw/m)-0,5(q+z2) = 0 d.Kiểm nghiệm răng bánh vít về độ bền tiếp xúc : sH = (170/z2) sH = (170/80) = 110,32 < [sH] = 210 (MPa) Thoả mãn điều kiện thừa bền e.Kiểm nghiệm về độ bền uốn răng bánh vit: sF = 1,4T2YFKF/b2d2mn mn = m.cosn = 1.cos2,29 = 0,998 Đường kính vòng chia bánh vít : d2 = m.z2 = 2.40 = 80 Chiều rộng vành răng bánh vít : b2 = 37,5 Hệ số dạng răng tra bảng 7.8 ta có YF = 1,34 Hệ số tải trọng : KF = KFb . KFv KFb = 1,2 ; KFv = 1,226 KF = 1,2.1,226 = 1,4712 sF = 1,4.4584.1,34.1,47/37,5.80.1.998 = 4,217 < [sF] = 37,5 (MPa) Thoả mãn điều kiện thừa bền f.Kiểm nghiệm răng về quá tải : Kqt = Tmax/T = 1,4 sHmax = sH. = 110,32. = 130 < [sH]max = 400 (MPa) Thoả mãn qua tải sFmax = sF. = 2,106. = 2,49 < [sH]max = 160 (MPa) Thoả mãn quá tải Bảng các thông số của bộ truyền Bộ truyền bánh răng nghiêng Khoảng cách trục aw = 25 mm Mô đun Chiều rộng vành răng m=0,5 bw=6,25 mm Tỉ số truyền u=5 Góc nghiêng của răng b = 100 Số răng bánh răng z1 =30 ; z2 =150 Hệ số dịch chỉnh x1=0 ; x2=0 Đường kính vòng chia d1 = 8,12 mm d2 = 40,6 mm Đường kính đỉnh răng da1 = 9,12 mm da2 = 41,6 mm Bộ truyền trục vít Khoảng cách trục aw = 30 mm Mô đun m=2 Hệ số đường kính q = 25 Tỉ số truyền u=40 Số ren trục vít và số răng bánh vít Số mối ren : z1 = 1 Số răng bánh vít : z2 = 40 Hệ số dịch chỉnh bánh vít x=0 Góc vít 2,290 Chiều dài phần cắt ren trục vít b = 12mm Chiều rộng bánh vít b2 = 37,5 mm Đường kính chia d1 = 25 mm d2 = 80 mm Đường kính đỉnh da1 = 27 mm da2 = 82 mm Chương 4 sai số của phép đo toạ độ kiểu tay quay Khi tiến hành bất kỳ một phép đo nào, người làm công tác đo lường phải luôn quan tâm đến mức độ chính xác của phép đo bởi vì kết quả đo chỉ cho ta một giá trị gần đúng với giá trị thực của đại lượng đo, cho dù ta có cẩn thận đến đâu, máy chọn dùng có chính xác đến mức nào và phương pháp có tốt đến mấy đi nữa. Sai số đo là sai lệch giữa giá trị chỉ thị đọc được và giá trị trực của đại lượng đo, nó phản ánh mức độ chính xác của phép đo. Sai số đo càng nhỏ thì độ chính xác của phép đo càng cao, kết quả đo càng gần với giá trị thực của đại lượng đo và ngược lại. Chỉ khi biết rõ sai số đo hay phạm vi xuất hiện của sai số đo thì kết quả đo mới có ý nghĩa. Sai số đo chia làm hai thành phần: +Sai số hệ thống: Là loại sai số có trị số và dấu nhất định, biến thiên theo qui luật.Ví dụ: sai số hệ thống xuất hiện do sử dụng cơ cấu có sai số sơ đồ như cơ cấu tang, Culit, dụng cụ đo có sai số chế tạo, lắp ráp, điều chỉnh, sai số do điều kiện đo: nhiệt độ, áp suất. Trong từng phép đo cụ thể, nguyên nhân gây ra sai số hệ thống hoàn toàn xác định được, ta cần nắm được cách tính toán sai số hệ thống về trị số, dấu và nắm được qui luật xuất hiện để có phương pháp giảm thấp hoặc khử hết ra khỏi kết quả đo. +Sai số ngẫu nhiên: Là loại sai số do những nguyên nhân có tính ngẫu nhiên gây ra, chưa biết chắc nguyên nhân gây ra sai số, độ lớn, dấu và cả qui luật biến thiên của nó. Sai số này phát hiện bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần phép đo với mọi điều kiện như nhau. Chỉ có thể dự đoán khả năng gây ra sai số. Ví dụ: Sai số khe hở ổ, do các sai số hình dáng hoặc vị trí của các khâu trong dụng cụ đo. Có hai phương pháp đo: Đo trực tiếp: Là phương pháp đo mà giá trị của đại lượng đo được xác định trực tiếp không phải tính toán thông qua đại lượng khác. Đo gián tiếp: Là phương pháp đo mà giá trị đại lượng đo phải tính toán qua các đại lượng đo trực tiếp khác. Máy đo toạ độ cực kiểu tay quay chỉ cho ta toạ độ các điểm đầu đo từ đó phải tính toán các thông số hình học của chi tiết đo thông qua toạ độ các điểm đo, do đó mắc phải sai số do đo gián tiếp. Robot đo gồm các yếu tố cấu thành sau: q1, q2, q3, q4, q5, q6, d1, d3, d5 , d7 Trong đó : +q1, q2, q3, q4, q5, q6 có chứa sai số do khắc độ thuộc loại sai số hệ thống, có thể hiểu chỉnh được. Các góc q còn chứa đựng sai số ngẫu nhiên, đó là sai số nhỏ hơn một vạch chia. Ví dụ đĩa kính có độ chính xác khắc là một phút, nghĩa là nếu đĩa kính quay một góc nhỏ hơn một phút thì không có khả năng xác định góc quay đó. + d1, d3, d5 , d7 có sai số do thiết kế chế tạo. Những sai số thuộc loại hệ thống có thể hiệu chỉnh trong phần mềm, ví dụ như thiết kế chế tạo tay đòn có kích thước l = 100 mm, nhưng sau khi chế tạo đo được l = 100,01 mm thì trong phần mềm tính toán giá trị l được thay bởi l+Dl = 100+0,01. Còn những sai số do khe hở khớp quay, do dãn nở nhiệt thuộc phạm vi sai số ngẫu nhiên. I.Tính toán sai số: I.1.Sai số do một tay quay gây nên: Xét một tay đòn có chiều dài a ở vị trí bất kỳ, nếu sai số góc đĩa kính là Dq, thì sai số do tay đòn gây ra là một đại lượng không đổi Dd ằd.D q. Hình 4-1:Sơ đồ cho một tay đòn Chiếu sai số lên trục x: Dx = d.cos(q+Dq)-d.cos(q) = d.(cos(q+Dq)-cosq) ằ d.sinq.Dq Chia cả hai vế cho Dq ta có: x’j = d.sinq Chiếu sai số lên trục y: Dy = d.sin(q+Dq)-d.sin(q) = d.(sin(q+Dq)-sinq) ằd.cosq.Dq Chia cả hai vế cho Dq ta có: y’j = d.cosq Các công thức tính sai số chiếu lên các trục được viết lại như sau: Dx = Dy = Sai số do mỗi tay đòn gây nên có giá trị không đổi d. Dq. Khi tổ hợp nhiều tay đòn, vì mỗi tay đòn ở các vị trí khác nhau nên sai số chiếu nên các phương khác nhau và tổ hợp các sai số phụ thuộc vị trí các tay đòn, tức là phụ thuộc vào góc giữa các tay đòn với các trục I.2.Xét hai tay đòn trong mặt phẳng: Hình 4-2: Sơ đồ cho hai tay đòn x = d1cosq1 + d2cosq2 y = d1sinq1 + d2sinq2 Dx = + Dy = + Dx =- d1sinDq1 - d2sinDq2 Dy = d1cosDq1 + d2cosDq2 D = Nhìn vào biểu thức trên ta thấy : d1 , d2 , Dq1 , Dq2 là những đại lượng đã biết trước, khi q1 , q2 thay đổi thì Dx , Dy thay đổi ịD thay đổi. I.3.Xét ba tay đòn trong mặt phẳng: Hình 4-3: Sơ đồ cho ba tay đòn trong mặt phẳng x = d1cosq1 + d2cosq2 + d3cosq3 y = d1sinq1 + d2sinq2 + d3sinq3 Dx = + + Dy = ++ Dx =- d1sinDq1 - d2sinDq2- d3sinDq3 Dy = d1cosDq1 + d2cosDq2 + d3cosDq3 D = Hình 4-4: Sơ đồ khi các tay đòn cùng nằm trên một đường thẳng Sai số giá trị lớn nhất khi q1=q2=q3;(các tay đòn cùng nằm trên đường thẳng) D = d1. Dq1+ d2. Dq2+ d3. Dq3 I.4.Hệ tay đòn không gian : Hình 4-5: Sơ đồ tay đòn không gian +Lấy tâm O hệ toạ độ làm gốc, vẽ các vectơ bằng và cùng hướng với các tay đòn. Tìm thành phần x, y, z của các vectơ. xd3 = d3.cosq2.cosq1 yd3 = d3.cosq2.sinq1 zd3 = d3.sinq2 xd5 = - d5.cosq4.cosq3 yd5 = d5.cosq4.sinq3 zd5 = d5.sinq4 xd7 = d7.cosq6.cosq5 yd7 = d7.cosq6.sinq5 zd7 = d7.sinq6 X = d3.cosq2.cosq1 - d5.cosq4sin q3 + d7.cosq6.sin q5 Y = d3.cosq2.sinq1 + d5.cosq4.cosq3 + d7.cosq6.cosq5 Z = d3.sinq2+ d5.sinq4 + d7.sinq6 Sai số theo các phương : DX = X'q1. Dq1 + X'q2. Dq2 + X'q3. Dq3 + X'q4. Dq4 + X'q5. Dq5 + X'q6. Dq6 DY = Y'q1. Dq1 + Y'q2. Dq2 + Y'q3. Dq3 + Y'q4. Dq4 + Y'q5. Dq5 + Y'q6. Dq6 DZ = Z'q1. Dq1 + Z'q2. Dq2 + Z'q3. Dq3 + Z'q4. Dq4 + Z'q5. Dq5 + Z'q6. Dq6 Saukhi đạo hàm X,Y, Z theo các góc thay vào ta có : DX = - (d3.cosq2.sinq1). Dq1 - (d3.sinq2.cosq1). Dq2 - (d5.cosq4.cosq3). Dq3 - (d5.sinq4sinq3). Dq4 + (d7.cosq6.cosq5). Dq5 + (d7.sinq6.cosq5). Dq6 DY = (d3.cosq2.cosq1). Dq1 - (d3.sinq2.sinq1). Dq2 - (d5.cosq4.sinq3). Dq3 - (d5.sinq4.cosq3). Dq4 - (d7.cosq6.sinq5). Dq5 - (d7.sinq6.cosq5). Dq6 DZ = (d3.cosq2). Dq2 + (d5.cosq4). Dq4 + (d7.cosq6). Dq6 Sai số tổng hợp theo ba chiều: DS = II.Tính chọn các bộ đo góc : II.1.Xác định độ chính xác từng khâu. +Các thành phần tham gia sai số gồm các tay đòn d3, d5, d7, với các sai số góc đĩa kính Dq1, Dq2, Dq3, Dq4, Dq5, Dq6: -d3 có mặt trong hệ số của sai số Dq1, Dq2 -d5 có mặt trong hệ số của sai số Dq3, Dq4 -d7 có mặt trong hệ số của sai số Dq5, Dq6 +Chia hệ làm 3 phần, mỗi phần mang theo sai số theo hai phương vuông góc: -Phần 1: Tay đòn d3 mang theo sai số Dq1, Dq2 -Phần 2: Tay đòn d5 mang theo sai số Dq3, Dq4 -Phần 3: Tay đòn d7 mang theo sai số Dq5, Dq6 Giả thiết ba tay đòn đóng góp thành phần sai số như nhau. Gọi sai số của Robot đo là DS (Theo ba phương trong không gian) thì mỗi phần tham gia sai số là DS/3. DS/3 = d3. Dq1 ; DS/3 = d3. Dq2 DS/3 = d5. Dq3 ; DS/3 = d5. Dq4 DS/3 = d7. Dq5 ; DS/3 = d7. Dq6 Từ các tính toán cho thấy: Tay đòn càng dài thì độ chính xác của đĩa kính yêu cầu phải càng cao. Khi biết được sai số góc và bán kính đĩa kính, ta có thể biết được độ chính xác khắc vạch, sai số yêu cầu càng nhỏ thì bán kính đĩa kính phải càng lớn để có thể chia được các góc nhỏ. Tay đòn d7 ngắn nhất nên có sai số góc đĩa kính lớn nhất, bán kính của đĩa kính 5, 6 nhỏ nhất. II.2.Tính bán kính các thước kính. Với yêu cầu thiết kế : Sai số đo toạ độ kiểu tay máy là 0,4 mm các chiều dài tay đòn; d1= 400 ;d3=300; d5=250; d7=200 Sai số đĩa kính 1 bằng đĩa kính 2: Dq1 = Dq2 = DS/3.d = = 0,00044 rad Chiều rộng vạch khắc là 20mm thì bán kính là: R1 = R2 =Dsv/Dq1 = 0,02/0,00044 = 45 (mm) Sai số đĩa kính 3 bằng đĩa kính 4: Dq3 = Dq4 = DS/3.d = = 0,00053 rad Chiều rộng vạch khắc là 20mm thì bán kính là: R3 = R4 =Dsv/Dq3 = 0,02/0,00053 = 38 (mm) Sai số đĩa kính 5 bằng đĩa kính 6: Dq5 = Dq6 = DS/3.d = = 0,00066 rad Chiều rộng vạch khắc là 20mm thì bán kính là: R5 = R6 =Dsv/Dq5 = 0,02/0,00066 = 30 Sai số đĩa kính 1 bằng đĩa kính 2:Chương 5: Thiết kế hệ điều khiển I.Yêu cầu của hệ điều khiển: I.1.Nguyên tắc hoạt động của robot đo. Tay máy đo gồm 6 khớp,mỗi một khớp sẽ được quản lý bởi một bộ vi xử lý.Mỗi một bộ vi xử lý có chức năng điều khiển khép kín vừa thực hiện chức năng điều khiển động cơ cũng như thực hiện chức năng đo lường.Cả 6 bộ vi xử lý sẽ được nối chung Bus và được nối với máy tính qua cổng RS232.Mỗi một bộ vi xử lý sẽ có một địa chỉ xác định để ta có thể dễ dàng điều khiển. Tay máy đo hoạt động theo nguyên tắc:Muốn xác định vị trí của một điểm nào đấy trong không gian,ta phát lệch điều khiển cho từng khớp từ máy tính.Lệch điều khiển sẽ được truyền xuống vi xử lý.Khớp nào được điều khiển thì bộ vi xử lý của khớp đó sẽ nhận được lệch và bắt đầu điều khiển động cơ.Vị trí của các khớp sẽ được xác định nhờ hệ thống đo góc.Nhờ đó ta sẽ xác định được vị trí của đầu đo.Trong suốt quá trình điều khiển,vị trí của đầu đo luôn luôn cập nhật trong máy tính.Khi đầu đo đến đúng vị trí ta mong muốn thì vị trí của đầu đo cũng như vị trí vị trí của các khớp sẽ được lưu lại trong máy tính. I.2 .Yêu cầu đặt ra. Xuất phát từ nguyên tắc hoạt động của tay máy đo,ta đưa ra có yêu cầu sau : - Xây dựng hệ vi xử lý thực hiện hai chức năng :điều khiển động cơ đồng thời xử lý tín hiệu phản hồi từ hệ đo. - Xây dựng hệ truyền động điện thực hiện chức năng điều khiển động cơ một chiều(có đảo chiều). -Xây dựng hệ xử lý tín hiệu phản hồi từ hệ đo đồng thời nâng cao độ phân giải của hệ thống đo. -Truyền thông đa vi xử lý để kết nối giữa hệ điều khiển của từng khớp với máy tính. I.3 .Sơ đồ điều khiển toàn hệ thống. Hình 5-1: Sơ đồ điều khiển hệ thống. I.4 .Sơ đồ điều khiển từng khớp. Từ sơ đồ điều khiển toàn hệ thống,ta xây dựng sơ đồ điều khiển cho từng khớp Hình 5-2: Sơ đồ điều khiển từng khớp II. Thiết kế hệ truyền động điện II.1Hệ truyền động điện một chiều II.1.1 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện kích từ độc lập,các bộ chỉnh lưu điều khiển...Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển .Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong và điện cảm khác không. Hình 5-3:Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế cơ chế độ xác lập. II.1.2. Hệ truyền động điện có đảo chiều. II.1.2.1 Nguyên lý điều chỉnh xung áp động cơ một chiều Để hệ truyền động có thể làm việc ở chế độ hãm tái sinh,có thể dùng sơ đồ điều chỉnh xung áp loại B,trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu,song sđđ động cơ chỉ cơ chiều dương.Khi khoá và van vận hành,dòng điện phần ứng luôn luôn dương,công suất điện từ của động cơ là ,máy điện làm việc ở chế độ động cơ.Để đảo chiều dòng điện ta đưa khoá và van vào vận hành còn khoá bị ngắt.Nếu E>0 thì sẽ có dòng điện chảy ngược lại chiều ban đầu do trong mạch chỉ có nguồn duy nhất là sđđ E,công suất điện từ của động cơ ,công suất này được tích vào điện cảm L.Khi ngắt,trên điện cảm L sinh ra sđđ tự cảm ,cùng chiều với sđđ quay E,tổng hai sdd này trở nên lớn hơn điện áp nguồn làm van dẫn dòng ngược về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng đã tích luỹ trong điện cảm L trước đó. Hình 5-5:Bộ điều chỉnh xung loại B Truyền động đảo chiều được thực hiện bởi bộ điều chỉnh xung loại B kép. Hình 5-6:Bô điều chỉnh xung loại B kép II.2 Xây dựng hệ truyền động điện điều chỉnh khớp II.2.1 Sơ đồ và nguyên lý mạch điều khiển động cơ Các mạch tín hiệu thông thường chỉ xử lý tín hiệu và có công suất rất bé. Để có thể điều khiển các thiết bị chẳng hạn như động cơ thì cần có mạch khuếch đại công suất tín hiệu. II.2.2 Động cơ điện một chiều loại nhỏ. Động cơ điện một chiều loại nhỏ được sử dụng rất rộng dãi trong thực tế. Ta có thể thấy trong các cơ cấu chấp hành, các hệ điều khiển nhỏ. Sở dĩ nó được sử dụng rộng dãi là do nó có rất nhiều ưu điểm chẳng hạn như: có đặc tính điều chỉnh lớn(thay đổi tốc độ , mô men khởi động lớn, dùng dòng một chiều áp thấp thích hợp cho các mạch bán dẫn nhỏ). II.2.3 Sơ đồ mạch điều khiển. Do yêu cầu của bài toán đặt ra là dải điều chỉnh tốc độ động cơ nhỏ. Do đó mạch điều khiển động cơ có thể thiết kế đơn giản là bộ băm xung có đảo chiều. Mục đích của việc băm xung là tạo ra một vài cấp tốc độ giúp cho tay máy dịch chuyển êm dừng đúng vị trí khi đo. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ truyền động khớp như hình vẽ: Hình 5-7:Sơ đồ mạch điều khiển động cơ II.2.4 Nguyên lý làm việc Tùy theo chiều chạy của động cơ mà tín hiệu đã được điều chế độ rộng xung sẽ được đưa tới đầu vào A hay đầu vào B của bộ băm xung một chiều. Khi có tín hiệu đặt vào đầu A của bộ điều khiển qua R3 sẽ làm cho T1’ mở, qua R4 sẽ làm cho T2’ mở.T1’ mở qua R2 sẽ làm cho T1 mở, T2’ mở sẽ dẫn tới T2 mở. T1,T2 mở sẽ tạo ra một dòng điện qua động cơ,động cơ quay theo chiều thuận. Điện trở R2 tạo dòng định thiên cho T1, trở R13 sẽ hạn chế dòng Bazơ T2 hoặc T4, R3 nối điện áp cho T1’,R4 định thiên cho T2’. R1 có tác dụng tạo điện áp Bazơ cho T1 và đầu vào T1 khoá chắc chắn khi T1’ khoá. R12 có tác dụng nối Bazơ của T2 xuống đất bảo vệ T2 khỏi nhiễu khi T2’ khoá. R5 có tác dụng kéo ngả vào tín hiệu xuông đất chống mất tín hiệu. Khi có tín hiệu vào đầu B mạch hoạt động tương tự. Chú ý là tín hiệu không đồng thời cấp vào hai đầu vào điều khiển A,B. II.3 Tính chọn các linh kiện như sau: Dòng điện cực đại qua động cơ khi nó ở trong trạng thái khởi động(không xét trường hợp nó bị đảo chiều khi đang chạy): với hệ số dự trữ k=1,2 0,32(A) Các điện trở chống nhiễu R1,R5,R6,R7,R11,R12 có giá trị đủ nhỏ chống nhiễu chọn là:200KW. Các Tranzitor T1,T3 chọn loại A671 có IC=1A, K(Hệ số khuếch đại) =100 lần,UCE=60V Các Tranzitor T2,T4 chọn loại H1061 có IC=1A,K=100 lần,UCE=60V Do tính đối xứng của mạch nên : R8=R2=3,2KW;R3=R9=330KW;R4=R10=277KW. Các điot D1,D2ĐDD,4 có tác dụng bảo vệ dòng cảm ứng trong động cơ do là loại động cơ nhỏ nên chọn loại 1N4007 có ID=1A,UAK=300V. III. Thiết kế hệ thống điều khiển vi xử lý III.1Thiết kế mạch phần cứng Thiết kế một hệ vi xử lý bao gồm cả việc thiết kế tổ chức phần cứng và viết phần mềm cho nền phần cứng mà ta thiết kế. Việc xem xét giữa tổ chức phần cứng và chương trình phần mềm cho một thiết kế là một vấn đề cần phải cân nhắc. Vì khi tổ chức phần cứng càng phức tạp, càng có nhiều chức năng hỗ trợ cho yêu cầu thiết kế thì phần mềm càng được giảm bớt và dễ dàng thực hiện nhưng lại đẩy cao giá thành chi phí cho phần cứng, cũng như chi phí bảo trì. Ngược lại với một phần cứng tối thiểu lại yêu cầu một chương trình phần mềm phức tạp hơn, hoàn thiện hơn; nhưng lại cho phép bảo trì hệ thống dễ dàng hơn cũng như việc phát triển tính năng của hệ thống từ đó có thể đưa ra giá cạnh tranh được. Từ yêu cầu và nhận định trên ta có những định hướng sơ bộ cho thiết kế như sau: Chọn chip vi điều khiển thuộc họ MCS-51 của Intel, mà cụ thể ở đây là dùng chip AT89C2051 vì những lý do sau: + Thứ nhất AT89C2051 thuộc họ MCS-51, là chip vi điều khiển. Đặc điểm của các chip vi điều khiển nói chung là nó được tích hợp với đầy đủ chức năng của một hệ VXL nhỏ, rất thích hợp với những thiết kế hướng điều khiển. Tức là trong nó bao gồm: mạch VXL, bộ nhớ chương trình và dữ liệu, bộ đếm, bộ tạo xung, các cổng vào/ra nối tiếp và song song, mạch điều khiển ngắtẳ + Thứ hai là, vi điều khiển AT89C2051 cùng với các họ vi điều khiển khác nói chung trong những năm gần đây được phát triển theo các hướng sau: Giảm nhỏ dòng tiêu thụ. Tăng tốc độ làm việc hay tần số xung nhịp của CPU. Giảm điện áp nguồn nuôi. Có thể mở rộng nhiều chức năng trên chip, mở rộng cho các thiết kế lớn. Những đặc điểm đó dẫn đến đạt được hai tính năng quan trọng là: giảm công suất tiêu thụ và cho phép điều khiển thời gian thực nên về mặt ứng dụng nó rất thích hợp với các thiết kế hướng điều khiển. + Thứ ba là, vi điều khiển thuộc họ MCS-51 được hỗ trợ một tập lệnh phong phú nên cho phép nhiều khả năng mềm dẻo trong vấn đề viết chương trình phần mềm điều khiển. + Cuối cùng là, các chip thuộc họ MCS-51 hiện được sử dụng phổ biến và được coi là chuẩn công nghiệp cho các thiết kế khả dụng. Mặt khác, qua việc khảo sát thị trường linh kiện việc có được chip AT89C2051 là dễ dàng nên mở ra khả năng thiết kế thực tế. Vì những lý do trên mà việc lựa chọn vi điều khiển AT89C2051 của hãng Atmel, đây là vi điều khiển thuộc họ MCS-51; Cấu hình hoạt động của chip AT89C2051: + ROM trong : Flash ROM - 2KBytes + RAM trong :128 Kbytes + Clock : < 24 MHZ III.2 Bộ Vi Điều Khiển AT89C2051 III.2.1. Những tính chất đặc trưng của họ vi điều khiển MCS-51: +Đơn vị xử lý trung tâm (CPU) 8 bit đã được tối ưu hoá để đáp ứng các chức năng điều khiển . + Khối lôgic (ALU) xử lý theo bit nên thuận tiện cho các phép toán logic Boolean. + Bộ tạo dao động giữ nhịp được tích hợp bên trong với tần số 12MHz. +Giao diện nối tiếp có khả năng hoạt động song song, đồng bộ. + Các cổng vào/ra hai hướng và từng đường dẫn có thể được định địa chỉ một cách tách biệt. + Có năm hay sáu nguồn ngắt với hai mức ưu tiên . + Hai hoặc ba bộ đếm định thời 16 bit. + Bus và khối định thời tương thích với các khối ngoại vi của bộ vi xử lý 8085/8088. + Dung lượng của bộ nhớ chương trình (ROM) bên ngoài có thể lên tới 64 kbyte. +Dung lượng của bộ nhớ dữ liệu (RAM) bên ngoài có thể lên tới 64 kbyte. + Dung lượng của bộ nhớ ROM bên trong có thể lên đến 8 kbyte. + Dung lượng bộ nhớ RAM bên trong có thể đạt đến 256 byte. + Tập lệnh phong phú. III.2.2. Cấu trúc chung III.2.2.1 Sơ đồ khối :  Sơ đồ khối tổng quát của một vi điều khiển AT89C2051 có thể được mô tả như sau: Hình 5-8: Cấu trúc của vi điều khiển 89ATC2051. Bộ tạo dao động CPU Điều khiển ngắt. Nguồn ngắt trong. 2Kbytes ROM trong 128byte RAM trong 2bộ đếm / định thời Port 1 Port 3 Giao diện nối tiép. Cổng I/O 8 bit Cổng I/O Các chức năng đắc biệt Dữ liệu 8 bit Nguồn ngắt ngoài Đếm sự kiện. Khối đ.khiển quản lý Bus. III.2.2.2 Chức năng của từng khối : + Khối xử lý trung tâm CPU: Phần chính của bộ vi xử lý là khối xử lý trung tâm (CPU=Central Processing Unit ), khối này có chứa các thành phần chính : +Thanh chứa ACC (ký hiệu là A ); +Thanh ghi chứa phụ (ký hiệu là B ) thường được dùng cho phép nhân và phép chia ; +Khối logic số học (ALU=Arithmetic Logical Unit) ; +Từ trạng thái chương trình (PSW= Program Status Word ); +Bốn băng thanh ghi (Blank). +Con trỏ ngăn xếp (SP=Stack Point) cũng như con trỏ dữ liệu để định địa chỉ cho bộ nhớ dữ liệu ở bên ngoài; Ngoài ra, khối xử lý trung tâm còn chứa: -Thanh ghi đếm chương trình (PC= Progam Counter ); -Bộ giải mã lệnh; -Bộ điều khiển thời gian và logic; Sau khi được Reset, CPU bắt đầu làm việc tại địa chỉ 0000h, là địa chỉ đầu được ghi trong thanh ghi chứa chương trình (PC) và sau đó, thanh ghi này sẽ tăng lên 1 đơn vị và chỉ đến các lệnh tiếp theo của chương trình. +Bộ tạo dao động: Khối xử lý trung tâm nhận trực tiếp xung nhịp từ bộ tạo dao động được lắp thêm vào, linh kiện phụ trợ có thể là một khung dao động làm bằng tụ gốm hoặc thạch anh. Ngoài ra, còn có thể đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài vào. +Khối điều khiển ngắt: Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối logic ngắt bên trong.Các nguồn ngắt có thể là:các biến cố ở bên ngoài,sự tràn bộ đệm/bộ định thời hay có thể là giao tiếp nối tiếp.Tất cả các ngắt có thể được thiết lập chế độ làm việc thông qua 2 thanh ghi IE(interrupt Enable) và IP(Interrupt Priority) +Khối điều khiển và quản lý Bus : Các khối trong vi điều khiển liên lạc với nhau thông qua hệ thống Bus nội bộ được điều khiển bởi khối điều khiển quản lý Bus. +Các bộ đếm/định thời: Vi điều khiển AT89C2051 có chứa hai bộ đếm tiến 16 bit có thể hoạt động như là bộ định thời hay bộ đếm sự kiện bên ngoài hoặc như bộ phát tốc độ Baud dùng cho giao diện nối tiếp. Trạng thái tràn bộ đếm có thể được kiểm tra trực tiếp hoặc được xoá đi bằng một ngắt. +Các cổng vào/ra: Vi điều khiển AT89C2051 có hai cổng vào/ra (P1,P3), mỗi cổng chứa 8 bit, độc lập với nhau. Các cổng này có thể được sử dụng cho những mục đích điều khiển rất đa dạng. Ngoài chức năng chung, một số cổng còn đảm nhận thêm một số chức năng đặc biệt khác. +Giao diện nối tiếp: Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ làm việc độc lập với nhau. Bằng cách đấu nối các bộ đệm thích hợp, ta có thể hình thành một cổng nối tiếp RS-232 đơn giản. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt được trong một vùng rộng phụ thuộc vào một bộ định thời và tần số dao động riêng của thạch anh. +Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình thường là bộ nhớ ROM (Read Only Memory), bộ nhớ chương trình được sử dụng để cất giữ chương trình điều khiển hoạt động của vi điều khiển. +Bộ nhớ số liệu: Bộ nhớ số liệu thường là bộ nhớ RAM (Ramdom Acces Memory), bộ nhớ số liệu dùng để cất giữ các thông tin tạm thời trong quá trình vi điều khiển làm việc. III.2.2.3 Sự sắp xếp chân ra của vi điều khiển AT89C2051: Bộ vi điều khiển AT89C2051 được đóng vào vỏ theo kiểu hai hàng DIL(Dual In Line) với tổng số là 20 chân ra. Hình 5-9:Sơ đồ chân của AT 89C2051 Chân Ký hiệu Chức năng 1 Reset Lối vào Reset, khi hoạt động ở mức High(1) 2-3 P3.0-P3.1 Cổng giả hai hướng 3,truyền thông nối tiếp 4 XTAL2 Lối ra của bộ dao động thạch anh bên trong 5 XTAL1 Lối vào của bộ dao động thạch anh bên trong. 6-7 P3.2-P3.3 Cổng giả hai hướng P3,dùng làm ngắt ngoài 8-9 P3.4-P3.5 Cổng giả hai hướng P3,lối vào của Timer 10 Vss Nối mát ( 0V ) 11 P3.7 Cổng giả hai hướng P3, có thể tự do sử dụng 12-13 P1.0-->P1.1 Cổng giả hai hướng P1, sắp xếp tất cả các đường dẫn với chức năng đặc biệt 14-19 P1.2-->P1.7 Cổng giả hai hướng P1, có thể tự do sử dụng 20 Vdd Nguồn nuôi dương ( +5V ) Hình 3.11: Chức năng các chân của vi điều khiển AT89C2051 Các chân ra của bộ vi điều khiểnAT89C2051 gồm có: *Reset: Trạng thái Reset được thiết lập bằng cách giữ tín hiệu Reset ở mức cao trong thời gian ít nhất là 2 chu kỳ máy. *XTAL1, XTAL2: Một bộ tạo tín hiệu giữ nhịp với tần số được xác định bởi bộ cộng hưởng thạch anh được lắp thêm vào, tần số này xác định tốc độ làm của bộ vi điều khiển. Thông thường các lệnh được thực hiện bằng 1/12 tần số dao động của thạch anh. Các bộ đếm có thể làm việc trong nhiều chế độ khác nhau. Khi hoạt động như là bộ định thời, các bộ đếm nhận được các xung từ một bộ chia trước ở bên trong, bộ này chia tần số riêng của bộ cộng hưởng thạch anh cho 12 . Thay cho một bộ định thời 16 bit, một bộ đinh thời 8 bit có thể được tạo ra bằng việc nạp tự động sau khi cấp nguồn, các xung dẫn từ bên ngoài vào qua T0 và T1 cũng có thể được đếm, các xung này có tần số cực đại bằng 1/24 giá trị tần số của bộ cộng hưởng thạch anh. *P1.P3: Các cổng vào/ra. Cổng P3 cũng đảm nhận một số chức năng đặc biệt của bộ vi điều khiển: Chân Ký hiệu Chức năng P3.0 RxD Nhận dữ liệu vào bộ nhớ qua cổng nối tiếp P3.1 TxD Truyền dữ liệu vào bộ nhớ qua cổng nối tiếp P3.2 INT0 Ngắt ngoài 0 (Tích cực thấp) P3.3 INT1 Ngắt ngoài 1 (Tích cực thấp) P3.4 T0 Lối vào của Timer 0 III.2.3 Tổ chức bộ nhớ: III.2.3.1Cấu trúc chung của bộ nhớ: Tất cả các vi điều khiển thuộc họ MCS-51 đều phân chia bộ nhớ thành hai vùng địa chỉ cho bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình. Sự phân chia logic giữa bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình cho phép truy nhập bộ nhớ dữ liệu bằng 8 bit địa chỉ giúp cho việc lưu trữ và thao tác dữ liệu nhanh hơn.Tuy nhiên, chúng ta có thể sử dụng địa chỉ bộ nhớ dữ liệu 16 bit thông qua thanh ghi DPTR. Tuy nhiên, vi điều khiển AT89C2051 cho phép ta sử dụng đến 64kbyte bộ nhớ chương trình bằng cách sử dụng cả bộ nhớ chương trình bên trong và bên ngoài. Bộ nhớ số liệu chiếm giữ vùng địa chỉ phân chia của bộ nhớ chương trình. Dung lượng của bộ nhớ dữ liệu có thể mở rộng lên tới 64 kbyte. III.2.3.2Bộ nhớ chương trình: Sau khi Reset, CPU bắt đầu thực hiện chương trình từ địa chỉ 0000H. Vùng đầu của bộ nhớ chương trình là vùng chứa các vector ngắt, mỗi ngắt được phân chia một vùng địa chỉ cố định trong trong bộ nhớ chương trình. Khi xuất hiện ngắt, CPU sẽ nhảy tới địa chỉ này, đây cũng là địa chỉ đầu của chương trình con phục vụ ngắt. Các vector ngắt cách nhau 8 byte, vì vậy nếu chương trình con phục vụ ngắt quá dài (>8 byte) thì tại vector ngắt ta phải đặt một lệnh nhảy không điều kiện tới vùng địa chỉ khác chứa chương trình con phục vụ ngắt. III.2.3.3Bộ nhớ số liệu: Bộ nhớ số liệu được chia thành 4 vùng : +Vùng 1 :Địa chỉ từ 00H đến 1FH là phần thấp nhất được chia thành 4 khối của 8 thanh ghi . Các lệnh của chương trình sẽ gọi các thanh ghi này từ R0 đến R7 . Hai bit trong thanh ghi trạng thái (RS0,RS1 ) sẽ lựa chọn khối 4 này . +Vùng 2: Địa chỉ từ 20H đến 2FH bao gồm 16 byte là vùng ô nhớ địa chỉ theo bit . +Vùng 3: Địa chỉ từ 30H đến 7FH làm chức năng thông thường của bộ nhớ RAM. +Vùng các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR).Có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt chiếm phần trên của RAM nội từ địa chỉ 80H đến FFH. Hình 5-10 Bản đồ bộ nhớ của AT89C2051. III.2.4 Nguyên lý truyền tin nối tiếp của AT89C205. On-chip 80C51 truyền tin nối tiếp bằng cổng RxT và TxD,dữ liệu xuất nhập truyền qua cổng nối tiếp bằng tốc độ baud và đều qua vùng đệm nối tiếp.Cổng nối tiếp của on-chip là cổng truyền tin hai chiều với khả năng vừa thực hiện chức năng nhận vừa thực hiện chức năng đệm ,tức là nó có thể nhận byte kế tiếp trước khi byte được nhận trước đó được đọc từ thanh ghi đệm.(Tuy nhiên,nếu byte đầu tiên vẫn chưa được đọc tại thời điểm nhận của byte thứ 2,thì byte này sẽ bị mất).Điều khiển cổng nối tiếp bằng thanhghi ,trạng thái của 2 bit trong thiết lập lên 4 chế độ hoạt động giao tiếp nối tiếp chuẩn. III.3 Thiết kế mạch nhân 4 III.3.1 Yêu cầu đặt ra Tín hiệu ta thu được từ cảm biến là tín hiệu dạng xung vuông gồm 2 tín hiệu lệnh pha nhau là 90 độ như sau: Hình 5-11:Dạng tín hiệu thu được từ cảm biến. Đặc điểm của tín hiệu thu được là : - Độ lệch pha 2 tín hiệu là ±p/2 (tương ứng với 2 trạng thái tiến và lùi). - Khi thay đổi chiều dịch chuyển thì có sự sớm pha hoặc chậm pha giữa hai tín hiệu, nghĩa là giữa 2 đường tín hiệu có sự thay đổi vai trò cho nhau. - Tần số thay đổi vì tỉ lệ thuận theo vận tốc dài khi ta dịch chuyển hệ giao thoa để xác định kích thước của đối tượng đo. Nếu tốc độ càng cao thì tần số càng lớn và ngược lại. Với đặc điểm tín hiệu như trên, vấn đề đặt ra là xác định chính xác số xung mà cảm biến đo được từ đó chuyển đổi ra đơn vị đo góc và đồng thời phải xác định được dấu dịch pha tức là chiều dịch chuyển của khớp quay . Ngoài ra, luôn có yêu cầu nâng cao độ phân giải đối với thiết bị đo chính xác nên vấn đề nữa đặt ra là chia nhỏ xung. Các vấn đề trên đã được giải quyết bằng phần mềm máy tính. Sau đây xin đưa ra hai giải pháp giải quyết các vấn đề trên: +Mạch nhân cứng sử dụng bộ vi phân. + Cách kết hơp phần cứng mạch điên tử và vi xử lý. Giả thiết qui định dịch chuyển tín hiệu như sau: Khi dịch chuyển theo chiều tiến,tín hiệu X1 sẽ sớm pha hơn X2 . Khi dịch chuyển ngược lại tín hiệu X1 sẽ trễ pha hơn X2. X1 X 2 Nhận xét: - Trong một chu kì, cả hai tín hiệu có 4 sường xung như vậy đếm theo sườn xung cho phép ta chia nhỏ một chu kì xung ra làm 4 lần. ở một trạng thái dịch chuyển xác định, sự tương ứng của sườn tín hiệu này với mức của tín hiệu kia là xác định, điều này cho phép ta xác định xác định chiều dịch chuyển trong từng 1/4 chu kì xung. III.3.2 Mạch nhân cứng sử dụng bộ vi phân Để đếm được sườn xung tín hiệu xung vuông cần được vi phân. Tín hiệu xung vuông sau khi vi phân như sau: Hình 3.13:Sơ đồ dạng xung mạch nhân 4. Hình 5-12:Dạng xung trước và sau khi vi phân. Với sườn lên ta được xung vi phân với điện áp dương, với sườn xuống ta được xung vi phân với mức điện áp âm. Tuy nhiên các phần tử logic không làm việc với mức điện áp âm, với mức điện áp âm không qúa lớn để đánh hỏng các phần tử logic thì nó coi như mức 0. Do đó để đếm được sườn xuống ta cần đảo tín hiệu xung vuông rồi lại cho qua bộ vi phân.Công việc nay được thực hiện đối với cả 2 tín hiệu như vậy trong một chu kì xung vuông ta nhận được 4 xung vi phân.Sơ đồ biến đổi tín hiệu được cho trong cả hai trường hợp tiến và lùi.Từ sơ đồ biến đổi tín hiệu ta lập được bảng trạng thái của hai tín hiệu đó như sau: Từ hàm trạng thái trên ta có được sơ đồ nguyên lý mạch: Hinh 5-13:Sơ đồ nguyên lý mạch nhân 4. Mạch trên có ưu điểm là mạch cứng cho ta hai chùm tín hiệu thuận nghịch các bộ đo của chúng ta chỉ đếm hiệu hai xung là biết được độ dịch chuyển. Nhưng nhược điểm của mạch là rất cồng kềnh phức tạp khi lắp mạch. Để rút gọn phần cứng đơn giản hoá đi và do có sử dụng bộ vi xử lý mà ta có thể tạo ra mạch chia 4 đơn giản hơn nhiều đó là mạch XOR kết hợp với vi xử lý. III.3.3 Mạch nhân 4 dùng XOR: Dựa vào khả năng xử lý ngắt của vi xử lý theo sườn của tín hiệu, ta có thể dùng tín hiệu phản hồi của vi xử lý, để điều khiển mức tín hiệu vào chân tạo ngắt. Điều này thực hiện đảm bảo được yêu cầu tốc độ của tín hiệu. Hình 5-14:Sơ đồ nguyên lý mạch nhân 4 dùng XOR. Dạng của tín hiệu khi có sự kết hợp: Hình 5-15: Sơ đồ nguyên lý dạng xung mạch nhân 4 dùng XOR. Bảng logic cho mạch xor: III.3.4 Thiết kế nguồn cung cấp cho robot Tay máy đo bao gồm 6 modul khớp quay giống nhau(về mạch điện và động cơ) và 1 modul RS232. III.3.4.1 Tính công suất cho 1 modul điều khiển khớp Theo tính toán mạch công suất động cơ,dòng điện cần thiết cấp cho động cơ là: 0,32(A) Dòng điện tiêu tán trên mạch công suất ở trên các điện trở và tranzitor nhỏ có phụ thuộc vào hệ số khuếch đại của các tranzitor,lấy hệ số tiêu tán là 1,2 Tổng dòng điện cần cấp cho mạch điều khiển công suất động cơ là: 1,2.0,32=0,384(A) Công suất cần thiết cung cấp là: 0,384.12=4,608(W) Dòng điện cấp cho phần điều khiển tín hiệu gồm:vi xử lý AT89C2051,phần tử Xor 4030,encorder,đèn led nhỏ theo thông số kỹ thuật là AT89C2051:3(mA). Xor 4030:1(mA). Encorder:2(mA). Led :3(mA). Tổng dòng là 9(mA),chọn hệ số dự trữ là 1,2.Vậy dòng cấp cho phần điều khiển tín hiệu là : 0,009.1,2=0,0108(A) Công suất tiêu tán là : 0,0108.5=0,0540(W) Tổng công suất cấp cho modul là: 4,61+0,0540=4,66(W) III.3.4.2 Công suất cho modul bus RS232 Theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất,dòng cấp cho MAX 232 cần thiết là 5 mA. Công suất cần là : 0,005.5=0,025(W) III.3.4.3 Chọn máy biến áp và mạch chỉnh lưu,ổn áp Tổng công suất cần cấp cho cả hệ thống điều khiển là 6.4,66+0,025=28,225(W) Dòng điện cần cung cấp cho hệ điều khiển tay máy là 6.(0,384+0,009)+0,005=2,363(A) Chọn máy BA có thông số 220(V) 18(V) 3(A) Hình 5-16: Mạch nguồn của tay máy. IV. Giới thiệu về bộ ENCODE: Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để xãc định góc dịch chuyển. Một trong những cách phổ biến hiện nay cho độ chính xác cao sử dụng đơn giản là dùng bộ mã hoá góc quay còn gọi là bộ encode. Trên thế giới hiện nay có nhiều loại khác nhau do rất nhiều hãng sản xuất nhưng đều dựa trên nguyên tắc chung thu chuyển đổi quang điện. Gồm hai phần chính là đĩa chia vạch và bộ cảm biến. IV.1 Đĩa chia vạch: Đĩa chia vạch là một đĩa tròn trên đó có các vạch chia đều. Vật liệu làm đĩa đa dạng chủ yếu là đĩa nhôm, chất dẻo, thuỷ tinh…Đĩa kính chính là chuẩn đo của bộ mã hoá, được chế tạo từ loại thuỷ tinh đặc biệt, có hệ số giãn nở nhiệt thấp, chỉ khoảng 8..10ppm/K( 8.106/độ ). Trên một đĩa có một lưới chia độ gồm các vạch đen xen kẽ các khoảng trắng một cách đều đặn theo phương hương kính. Kích thước các khoang trắng đúng bằng kích thước các vạch đen. Các vạch đen có thành phần là hơi crom được ngưng tụ trên mặt đĩa ( theo quá trình xử lý của hãng HEIDENHAIN ). Các vạch đen có tác dụng chắn sáng, còn khoảng trắng trong suốt giữa các vạch đen để ánh sáng truyền qua. Hình 5-17: Hình ảnh đĩa chia vạch Đĩa kính có bán kính càng lớn thì khả năng chia độ càng cao. Khi đĩa kính quay ánh sáng từ nguồn phát truyền qua những khoảng trắng đến các diot thuđặt đối diện tạo ra những tín hiệu điện. Các tín hiệu này qua quá trình sử lý để thu được kết quả là góc quay của cánh tay đòn. Ngoài ra còn có các vạch hướng tâm đánh dấu chuẩn 0 ở phần dưới của lưới chia độ. Để tạo ra được sự thay đổi quang thông khi cho luồng ánh sáng truyền qua đĩa kính quay người ta thay đổi diện tích cản quang bắng cách sử dụng một lưới (mặt nạ) đứng yên. Tấm lưới này có cấu tạo như sau :Trên lưới có 4 ô cửa sổ, mỗi ô có các vạch khắc mà chiều rộng vạch khắc, khoảng trắng và chu kỳ vạch khắc giống hệt nhau trên đĩa kính, nhưng khoảng cách giữa các ô không đều nhau mà bố trí sao cho khi áp lưới lên trên đĩa các vạch trắng trên 4 ô lưới lệch pha nhau cả chu kỳ vạch khắc. IV.2 Bộ cảm biến Nguyên tắc bộ cảm biến dựa trên bộ chuyển đổi quang điện. Nguyên tắc chuyển đổi quang điện được xây dựng dựa trên cơ sở điều khiển luồng ánh sáng đi qua hai mành chuyển động tương đối với nhau làm cho quang thông đi tới các tế bào quang điện thay đổi. Các tế bào quang điện này có nhiệm vụ biến đổi các tín hiệu quang sang tín hiệu điện. Tín hiệu nhận được là tín hiệu thay đổi có quy luật, được cho qua bộ biến đổi để đưa về tín hiệu dạng hình sin hoặc dạng tín hiệu xung cơ bản. Bộ phận dò của đĩa quang gồm nguồn ánh sáng (LED), một thấu kín hội tụ để tập chung ánh sáng chiếu qua đĩa khắc vạch và mặt nạ. Các tế bào quang điện được đặt đối diện với các nguồn sáng sau khi đã đi qua đĩa kính và mặt nạ.Sau khi đĩa quay, có sự di chuyển tương đối giữa đĩa kính và mặt nạ.Diện tích cho ánh sáng truyền qua bị thay đổi gây ra sự thay đổi quang thông nhận được trên các tế bào quang điện thu. Sự thay đổi quang thông này được chuyển sang tín hiệu điện có chu kỳ rồi chuyển đến bộ phận thu và sau đó cho qua bộ phận sử lý tín hiệu thành các tín hiệu số tương ứng. IV.3 Ghép nối vi xử lý với máy tính qua cổng Com1 IV.3.1 Ghép nối điều khiển. Hiện nay có rất nhiều kiểu ghép nối điều khiển khác nhau, tuy nhiên việc sử dụng kiểu nào còn tuỳ thuộc vào yêu cầu của công việc,khả năng thực thi của phần cứng. Yêu cầu của ghép nối là phải đảm bảo sao cho dữ liệu phải truyền đúng, tiếp theo là đáp ứng được khối lượng dữ liệu cần truyền, kế tiếp là khả năng xử lý thông tin dữ liệu. Do dữ liệu truyền đi có độ ổn định chính xác phụ thuộc vào điều kiện môi trường, nhiễu, khoảng cách truyền tin nên lựa chọn phương pháp truyền là rất quan trọng. Việc lựa chọn còn phụ thuộc vào khả năng phần cứng cho phép. IV.3.2 Các phương pháp ghép nối giữa các vi điều khiển và lựa chọn phương án tối ưu. Để phục vụ cho việc truyền dữ liệu hầu hết các vi xử lý đều có hỗ trợ 1 hay vài kiểu truyền thông. Đơn giản nhất và hay dùng là kiểu truyền thông nối tiếp có thể là một trong các kiểu sau: RS232,IIC,SPI,CAN…Sau đây sẽ xem sét cụ thể các kiểu nối tiếp: IV.3.2.1 Truyền thông nối tiếp kiểu RS232: Kiểu truyền thông này rất phổ biến để ghép nối các hệ vi xử lý với nhau do có rất nhiều ưu điểm. Nổi bật là tính đơn giản dễ dùng cả về phần cứng và phần mềm, khung dữ liệu đơn giản dễ sử lý dữ liệu. RS232 còn có khả năng truyền dữ liệu đi xa ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. Do có nhiều ưu điểm như vậy nên kiểu truyền này ra đời và chuẩn hoá rất sớm. IV.3.3 Mạch ghép nối vi xử lý với máy tính Việc ghép nối máy tính với vi xử lý AT89C2051 được thực hiện qua cổng nối tiếp.Thông thường có hai cách ghép: -Cách đơn giản là dùng tranzitor làm bộ đệm -Ghép nối các đường dẫn truyền và nhân(TxD và RxD) của bộ vi xử lý với bộ đêm/nhân dùng làm vi mạch,chẳng hạn loại MAX 232 của hãng MAXIM.Đây cũng chính là cách dùng cho đề tài này. Vi mạch MAX 232 chuyển đổi mức TTL ở lối vào thành mức +10V hoặc -10V ở phía truyền và các mức +3V...+15V hoặc -3V...-15V thành mức TTL ở phía nhận. Đường dẫn TxD dẫn trực tiếp đến chân 11 của MAX 232,còn bộ đệm lối ra ở chân 14 được nối trực tiếp với chân 2 của cổng nối tiếp. Đường dẫn RxD dẫn trực tiếp đến chân 12 của MAX 232,còn bộ đệm lối ra ở chân 13 được nối trực tiếp với chân 3 của cổng nối tiếp. Hình 5-18: Sơ đồ ghép nối vi xử lý với máy tính. Chương 6:chế tạo mô hình thực nghiệm I.Kết quả đã chế tạo được mô hình robot đo với: d1 = 310 mm ; d3 = 200 mm ; d5 = 207 mm ; d7 = 970 mm +Giới hạn góc quay q1 = 3500 +Giới hạn góc quay q2 = 1600 +Giới hạn góc quay q3 = 1700 +Giới hạn góc quay q4 = 1800 +Giới hạn góc quay q5 = 3500 +Giới hạn góc quay q6 = 1000 Robot có thể chuyển động một cách linh hoạt với 6 khớp hoạt động tốt.Kết cấu tương đối vững chắc.Tuy nhiên vẫn chưa khắc phục được sự ổn định trong cân bằng, bị ảnh hưởng bởi quán tính. Hệ điều khiển cho robot chế tạo là hệ điều khiển kín có phản hồi. Đây là phương pháp điều khiển mới tiên tiến khắc phục được rất nhiều lỗi sai số do khe hở ăn khớp giữa các chi tiết. Kết quả vị trí đầu đo luôn được hiển thị cho ta kiểm soát được quá trình di chuyển hay vị trí của đầu đo trong khi điều khiển. Robot đã thực hiện được phép đo khoảng cách với sai số mm. Robot có thể điều khiển bằng tay hoặc điều khiển theo chương trình dạy học robot có thể lặp lại liên tục các phép đo theo chương trình dạy học do người sử dụng dạy. Trong quá trình thực hiện lệnh dịch chuyển, có thể thực hiện thứ tự từng khớp nhưng cũng có thể cho cả 6 khớp chuyển động đồng thời. Hình 6-1: Robot đang thực hiện phép đo. Hình 6-2: 6 bo mạch quản lý 6 khớp II.Một số kết quả kiểm tra phương trình động học robot(toạ độ đầu đo) Hình 6-3: Màn hình dao diện phần mềm tính toạ độ đầu đo Hình6-4: Kết quả toạ độ đầu đo khi ở vị trí ban đầu Hình 6-5: Toạ độ đầu đo khi góc q2 quay một góc –90o Hình 6-6:Kết quả toạ độ đầu đo khi góc q2 =900 , q4 =-900kết luận Hiện nay cùng với sự ứng dụng các công nghệ và thiết bị tiên tiến trên thế giới trong công nghệ chế tạo cơ khí, sự ra đời của tay máy đo đã đem lại những lợi ích to lớn trong ngành đo lường bởi tính cơ động cao, khối lượng xử lý tính toán lớn trong thời gian ngắn. Để tiếp tục phát triển những ưu điểm trên, robot đo sẽ là một xu hướng của tương lai làm tăng khả năng đo, và còn được áp dụng rất hiệu quả khi đo lường tự động trên các băng tải trong các dây truyền sản xuất tự động. Qua tháng ngày làm đồ án em đã hoàn thành nhiệm vụ được giao, đã thiết kế được cơ bản kết cấu cơ khí của robot. Tính toán động học, đánh giá sai số.Kết quả đã chế tạo được mô hình robot thực nghiệm và rất may mắn đã đạt giải nhì trong cuộc thi báo các khoa học của trường. Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin cảm ơn sự hướng dẫn nhiết tình và đúng hướng của thầy giáo hướng dẫn Nguyễn Văn Vinh. Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong bộ môn và các bạn trong lớp, nhờ những kiến thức mà thầy cô đã truyền đạt cho chúng em trong những năm qua mà chúng em hoàn thành đồ án này đúng thời hạn. Sinh viên Trần Trung Hiếu  Mục lục Lời nói đầu 1 Chương 1: tìm hiểu về robot và tay máy đo................... 3 I. Lịch sử phát triển: 3 II. Sơ đồ cấu trúc và chức năng của robot: 3 III. ứng dụng robot trong công nghiệp: 5 III.1. Mục tiêu ứng dụng robot trong công nghiệp. 5 III.2. Các ứng dụng robot trong công nghiệp. 5 III.3. Robot và hệ sản xuất linh hoạt. 6 III.4. Tay máy ứng dụng trong đo lường. 8 Chương 2 tính toán động học cho robot đo ash-45 11 I. Xây dụng sơ đồ cấu tạo. 11 II.Sơ đồ nguyên lý và số bậc tự do: 11 II.1.Sơ đồ nguyên lý. 11 II.2.xác định số bậc tự do cho robot. 11 III.Bài toán động học thuận của robot: 12 IV.Cơ sở lý thuyết để tính toán động học robot: 13 IV.1.Phép tịnh tiến trong không gian. 13 IV.2.Phép quay trong không gian. 14 IV.3.Mô hình động học. 16 IV.3.1.Ma trận quan hệ. 16 IV.3.2.Mô tả quy tắc Denavit-Hartenberg. 16 IV.3.3.Mô hình biến đổi. 18 IV.3.4.Hệ toạ độ máy. 18 IV.3.5.Hệ toạ độ chi tiết. 19 V.Hệ phương trình động học robot ASH-45: 19 V.1.Thiết lập hệ phương trình động học. 19 V.2.Các bước biến đổi. 22 V.3.Cơ sở toán học cho việc xác định các thông số hình học của chi tiết đo. 25 Chương 3: Thiết kế cơ khí. 27 I.Kết cấu cơ khí: 27 I .1.Nguyên lý kết cấu. 27 I..2.Hình dạng và kích thước của các khâu khớp. 28 I .3.Tính khối lượng. 32 II.Truyền dẫn cơ khí: 35 II.1.Truyền dẫn cơ khí trong robot ASH. 35 II.2.Động cơ và điều khiển động cơ. 36 II.2.1.ứng dụng truyền động điện. 36 II.2.2.Động cơ điện một chiều. 37 II.3.Tính toán hộp giảm tốc cho khớp 1. 39 II.3.1.Chọn động cơ và hộp giảm tốc. 39 II.3.1.1.Chọn động cơ. 39 II.3.1.2.Hộp giảm tốc. 40 II.3.1.3.Bộ truyền trục vít. 41 II.3.1.4.Bộ truyền bánh răng nghiêng. 44 II.4. Tính toán hộp giảm tốc cho khớp 2. 49 II.4.1.Chọn động cơ và hộp giảm tốc. 49 II.4.2.Bộ truyền bánh răng nghiêng. 51 II.4.3.Bộ truyền trục vít. 55 Chương 4: Sai số của phép đo toạ độ kểu tay quay 59 I. Tính sai số: 60 I.1. Sai số do một tay quay gây nên. 60 I.2. Hai tay đòn trong mặt phẳng. 61 I.3.Ba tay đòn trong mặt phẳng. 63 I.4.Hệ tay đòn không gian. 64 II. Lựa chọn thiết bị: 65 II.1. Xác định độ chính xác từng khâu. 65 II.2. Tính bán kính các thước kính. 66 Chương 5: thết kế hệ điều khển 67 I.Yêu cầu của hệ điều khiển: 67 I.1.Nguyên tắc hoạt động của robot đo. 67 I.2.Yêu cầu đặt ra. 67 I.3.Sơ đồ điều khiển toàn hệ thống. 68 I.4.Sơ đồ điều khiển từng khớp. 68 II.Thiết kế hệ truyền động điện: 69 II.1.Hệ truyền động điện một chiều. 69 II.1.1.Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng. 69 II.1.2.Hệ truyền động điện có đảo chiều. 69 II.1.2.1.Nguyên lý điều chỉnh xung áp động cơ một chiều. 69 II.2.Hệ truyền động điện điều chỉnh khớp. 70 II.2.1. Sơ đồ và nguyên lý mạch điều khiển động cơ 70 II.2.2 Động cơ điện một chiều loại nhỏ. 71 II.2.3 Sơ đồ mạch điều khiển. 71 II.2.4 Nguyên lý làm việc. 71 II.3 Tính chọn các linh kiện. 72 III. Thết kế hệ thống điều khiển vi xử lý: 72 III.1Thiết kế mạch phần cứng. 72 III.2 Bộ Vi Điều Khiển AT89C2051. 74 III.2.1. Những tính chất đặc trưng của họ vi điều khiển MCS-51. 74 III.2.2. Cấu trúc chung. 74 III.2.2.1 Sơ đồ khối. 74 III.2.2.2 Chức năng của từng khối. 75 III.2.2.3 Sự sắp xếp chân ra của vi điều khiển AT89C2051. 77 III.2.3 Tổ chức bộ nhớ. 79 III.2.3.1Cấu trúc chung của bộ nhớ. 79 III.2.3.2Bộ nhớ chương trình. 80 III.2.3.3Bộ nhớ số liệu. 80 III.2.4 Nguyên lý truyền tin nối tiếp của AT89C205. 81 III.3 Thiết kế mạch nhân 4. 81 III.3.1 Yêu cầu đặt ra. 81 III.3.2 Mạch nhân cứng sử dụng bộ vi phân. 83 III.3.3 Mạch nhân 4 dùng XOR. 85 III.3.4 Thiết kế nguồn cung cấp cho robot. 86 III.3.4.1 Tính công suất cho 1 modul điều khiển khớp. 86 III.3.4.2 Công suất cho modul bus RS232. 87 III.3.4.3 Chọn máy biến áp và mạch chỉnh lưu,ổn áp. 87 IV. Giới thiệu về bộ ENCODE: 88 IV.1 Đĩa chia vạch. 88 IV.2 Bộ cảm biến. 89 IV.3 Ghép nối vi xử lý vớ máy tính qua cổng Com1. 90 IV.3.1 Ghép nối điều khiển. 90 IV.3.2 Các phương pháp ghép nối giữa các vi điều khiển và lựa chọn phương án tối ưu. 90 IV.3.2.1 Truyền thông nối tiếp kiểu RS232. 91 IV.3.3 Mạch ghép nối vi xử lý với máy tính. 91 chương 6 chế tạo mô hình thực nghiệm 93 I. kết quả đã chế tạo được mô hình Robot đo. 93 II. Phụ lục 95 Kết luận 97