Về hệ thống Robot Scara

Lời nói đầu Nền công nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càng cao, các hệ thống máy móc dây chuyền sản xuất đwợc hiện đại hoá, chuyên môn hoá chức năng để thực hiện các nhiệm vụ và yêu cầu sản xuất khác nhau. Các vấn đề tự động điều khiển và các thiết bị tự động hoá được đặt lên hàng đầu trong quá trinh nghiên cứu cũng như ứng dụng công nghệ mới vào trong sản xuất. Nó đòi hỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo, sự chính xác của hệ thống ngày một cao hơn để có thể đáp ứng đwợc nhu cầu về số lượng, chất lượng, thẩm mỹ ngày cáng cao của xa hội và nhu cầu giải phóng sức lao động của con người nâng cao hiệu quả lao động. Sự xuất hiện của máy tính vào nhưng năm đầu thập niên 60 đã hỗ trợ con người làm việc tốt hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong sản xuất cũng như trong nghiên cứu khoa học. Đồng thời song song với sụ phát triền của máy tinh là sụ phát triển của các dây chuyền sản xuất và các thiết bị tự động hoá. Trong các dây chuyền máy móc hiện đại và trong hệ thống sản xuất thì robot và các thiết bị tự động hoá có một vai trò quan trọng trong điều khiển tự động và công nghệ sản xuất chính xác như gắp vật từ vị trí này sang vị trí khác trong băng truyền, thực hiện đòi hỏi độ chính xác cao và độ khéo léo, thay thế cho con người làm nhũng công việc khó khăn nguy hiểm mà con người không làm được. Robot cũng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong đời sống của con người: nó phục vụ từ những yêu cầu nhỏ nhất của con người, robot không ngừng hoàn thiện nhằm vuơn tới mục tiêu robot có khả năng tư duy như con người. Ngày nay sự kết hợp giữa robot và máy tính tạo ra một thế mạnh mới cho các loại robot. Robot có thể đáp ứng được những yêu cầu khắt khe của con người trong sản xuất cũng như trong nghiên cứu, học tập và đời sống. Do đó phạm vi ứng dụng của robot không ngừng mở rộng trong mọi lĩnh vực dần dần thay thế con người trong sản xuất, tăng năng xuất xí nghiệp. Trước những yêu cầu đòi hỏi bức thiết để tìm hiểu công nghệ sản xuất hiện đại và cách hoạt động của dây chuyền máy móc dùng robot. Qua đợt thực tập ở bộ môn Tự động hoá, em đã được tìm hiểu về hệ thống Robot Scara và được thực tập lắp ráp mạch lực truyền động cho động cơ robot để cải tiến lại robot Serpent đáp ứng nhu cầu nghiên cưu và hoc tập của những khoá sau. Từ đó em thêm hiểu sâu hơn về khả năng ứng dụng của Robot, nguyên lý hoạt động, vận hành và được áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế. Trong báo cáo thực tập này em xin phép được trình bày về hệ thống Robot công nghiệp tiêu biểu là robot Serpent, hệ thống điều khiển động cơ robot, mạch lực. Bản báo cáo gồm 4 phần : Chương I :Giới thiệu chung về robot công nghiệp Chương II: Bộ băm xung áp một chiều Chương III: Mạch điều khiẻn – mạch lực cho động cơ truyền động robot Chương IV: Kết Luận. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Tiến đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ để em có thể hoàn thanh bản báo cáo này. Chương I: giới thiệu chung về robot công nghiệp I.Một số khái niệm định nghĩa về robot Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất cũng như trong đời sống. Để hiểu rõ hơn về robot ta thông qua một số khái niệm : Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình cùng với các cảm biến ở bên ngoài được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động được lập trình trước. Robot là cánh ta có vài bậc tự do và có thể thực hiện được các chuyển động như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiển bằng chương trình được nạp sẵn trong robot. Robot là thiết bị có thể thao tác như con người có thể hợp tác với nhau một cách thông minh. Robot công nghiệp là một cơ cấu lập trình được có thể thực hiện tự động các công việc có ích mà không cần trợ giúp của con người. Robot với tự động hoá : dây truyền sản xuất tự động hoá linh hoạt cần có robot. Robot là một hệ thống bao gồm 3 hệ thống nhỏ: Hệ thống chuyển động cơ khí Robot gồm: + Khớp nối, thanh nối(joint,link) : tay máy( Arm) + Bệ thân (Base) + Cổ tay(Wrist) + Bàn tay(hand) + Ngón tay(finger) -Bệ : Thông thường có 6 khớp : + 3 khớp cánh tay + 3 khớp cổ tay Có 2 loại khớp: + Khớp quay (Rotate Joint,Link) + khớp tịnh tiến (Prímatic Joint) -Cổ tay : Thanh cuối cùng q q -Bàn tay gắn vào cổ tay(hand) – End efector Có hai loại End efector : - Gripper(tay kẹp)đCầm, nắm - Tool (dụng cụ) : - Mỏ hàn - Bình sơn Hệ thống điều khiển : Chức năng các bộ phận chuyển động robot Sơ đồ khối hệ thống điều khiển: Khớp đ+ Cơ cấu truyền động : - Động cơ (Cơ cấu chấp hành) - Thuỷ lực - Khí nén + BBĐ : Bộ chỉnh lưu, băm xung áp 1 chiều + Điều khiển + Cảm biến Hệ thống điều khiển bao gồm 2 loại : Hệ thống điều khiển quỹ đạo Hệ thống điều khiển lực + Hệ thống điều khiển vị trí (quỹ đạo): Tay robot di động theo quỹ đạo theo vị trí đặt trước. Sơ đồ khối chung: q1đ - vị trí đặt khớp 1 : - Quay(q1đ) - Tịnh tiến(r,d) Khớp tính quỹ đạo khớp : + Tay đ khớp + Thiết kế quĩ đạo khớp + Hệ thống điều khiển lực: - Di chuyển - Lực Hệ thống nhận dạng. II. Lịch sử phát triển của robot Năm 1951 cơ cấu tay máy điều khiển xa ra đời Teleoperator ( làm việc trong môi trường phóng xạ). Năm 1952 mẫu máy điều khiên số MIT. Năm 1960 Robot đầu tiên ra đời (Unimate). Năm 1961 Robot công nghiệp ra đời và chính thức đi vào thương mại hoá. Càng ngày Robot càng phát triển mạnh mẽ nó đem lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp : Tăng thời gian hoạt động của máy móc, tăng độ linh hoạt, có khả năng định trước được công việc, tăng sản lượng nhờ làm ổn định quá trình lam việc. Trong công nghiệp tự động hóa bằng robot đã khắc phục tình trạng thiếu nhân công, tăng độ an toàn trong lam việc của xí nghiệp, nhà máy. Từ đó mà các xí nghiệp có thể tăng năng suất, giảm lượng vốn đầu tư và số lượng nhân công giảm Hạ giá thành sản phẩm làm tăng sức canh tranh trên thị trường thế giới. Đi kèm với sự phát triển của robot (về tính năng) là sự phát triển của ngôn ngữ lập trình nạp vào robot thưc hiện điều khiển robot. Năm 1973 ngôn ngữ lập trình Ware ra đời tiếp đó là hàng loạt các ngôn ngữ khác ra đời như Walli… làm tăng khả năng làm việc của robot, tính tự động hoá và sự ổn định tăng cao. Ngày nay robot phát triển như vũ bão, được áp dụng vào nhiều lĩnh vực sẩn xuất cũng như nghiên cứu và đời sống. Giá thành của robot đang được giảm đi trong khi tính năng cả nó được gia tăng, công nghệ ngày càng dễ sử dụng . Robot công nghiệp ngày nay kết hợp với các thiết bị ngoại vi tạo thành một hệ thống và có thể lập trình điều khiển bằng máy tính để cho chúng hoạt động theo công nghệ đã đặt ra. Có rất nhiều robot công nghiệp đang được sử dụng sau đây em xin phép tìm hiểu và khái quát chung về Robot SCARA hiện có trên phòng thí nghiệm của bộ môn và cụ thể là Robot SERPENT của hãng Feedback III. Nghiên cứu về robot scara (robot serpent) 1. Khái niệm Robot SCARA ( Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là có thể lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay Robot. Do chuyển động của Robot SCARA đơn giản , dễ dàng điều khiển nên nó được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tiêu biểu cho nhóm robot nay ta nghiên cứu Robot Serpent. Robot Serpent được thiết kế động cơ truyền động cho cổ tay được đặt trên trục cơ bản và liên hệ với cổ tay bằng đai truyền, nên nó đẩm bảo được góc quay của cổ tay không thay đổi trong quá trình máy chuyển động. Truyền động cho 2 khớp của tay máy và cổ tay bằng động cơ servo một chiều có phản hồi vị trí tạo thành một vòng điều khiển kín. Chuyển động thẳng đứng được thực hiện bằng piton khí nén.ư Chiều cao của robot có thể thay đổi dễ dàng bằng cách thay đổi vị trí gá thân robot trên trục cơ bản, giúp tay máy thuận lợi trong việc thay đổi công việc( thay đổi toạ độ, phạm vi hoạt động của robot). Robot Serpent có thể được lập trình từ máy tính bằng cách đặt dữ liệu cho mỗi trục. Hoặc điều khiển bằng tay sử dụng thiết bị lái điện ( steering) cho tay máy dùng các cuộn dây điện từ trong pendant. 2. Cấu tạo tay máy Robot Serpent . Robot Serpent được cấu tạo bởi một chuỗi các thanh cứng liên kêt với nhau bởi các khớp như hình vẽ: Cấu hình Robot Serpent Robot Serpent gồm 3 khớp chuyển động quay và một khớp chuyển động tịnh tiến. Tuỳ vào vị trí của tay mà các thanh nối cũng như các khớp sẽ có vị trí khác nhau trong không gian và ngược lại. + Khớp 1 quay quanh trục z0 góc q1. + Khớp 2 quay quanh trục z1 góc q2. + Khớp 3 chuyển động tịnh tiến theo trục z2 đoạn d3. + Khớp 4 quay quanh trục z3 góc q4. Động học vị trí Robot gồm 2 bài toán : Động học thuận : Cho biết vị trí và hướng của các khớp Robot ta xác định được vị trí và hướng của tay Robot. Động học ngược : Cho biết vị trí của tay robot, tính toán các vị trí khớp để điều khiển các khớp giúp tay chuyển động theô quĩ đạo mong muốn. 3. Thông số và giới hạn làm việc của Robot Serpent. Robot Serpent có 4 thanh nối cứng, 3 khớp quay và một khớp chuyển động tịnh tiến( các thanh nối được dịch chuyển nhờ động cơ nối với khớp quay (biến q1, q2, q4 )và dịch chuyển nhờ bộ phận khí nén đối với khớp tịnh tiến(biến d3) .)/ Các thông số kỹ thuật của robot Serpent như sau : a1 = 0.25(m) ( Chiều dài của thanh nối giữa 2 khớp main và fore = l1). a2 =0.15(m) ( Chiều dài của thanh nối giữa hai khớp main và cổ tay = l2) m1 = 4 (kg); m2 = 1.5 ( kg) m3 = 2 (kg); m4 = 0.6 (kg) Chiều dài thanh nối d3 phụ thuộc vào chế độ làm việc của tay máy. ` Các biến khớp có các giới hạn góc quay như sau: q1 = 0 á 6600 dp tương ứng với góc quay trong thực tế là -960 á 960 ( so vớí trục ox) q2 = 0 á 7900 dp tương ứng với góc quay trong thực tế là -1150 á 1150(so với trục thanh 1). Ta biểu diễn hình chiếu cánh tay của robot Serpent như sau : q2 q1 Toạ độ tay của robot Serpent Từ đó có thể nhận thấy được giới hạn không gian làm việc của nó: Như vậy khoảng không gian mà tay máy có thể với tới toàn bộ hình trụ với đáy là đường có tô màu ở trên, có đường giới hạn bên trong là một cung tròn có bán kính r = 0.2309(m), 2 điểm mút tương ứng với vị trí hai góc q1, q2 đều bằng 0 dp và vị trí q1 = 6600(dp), q2 = 7900(dp); đường giới hạn bên ngoài là đường tròn bán kính R = 0.4(m). Khi biết được vị trí nào mà tay máy có thể đến được chúng ta có thể lập trình để tìm vị trí, quĩ đạo mà tay máy có thể đến được bằng các ngôn ngữ lập trình như Matlab. chương II: Bộ băm xung áp một chiều Bộ băm xung áp một chiều có nhiều ưu điểm trong truyền động giao thông, robot. Bộ băm xung áp biến đổi được điện áp một chiều từ 0 đến giá trị điện áp nguồn US một cách trơn liên tục. I . Nguyên lý Ura t t1 t2 T Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác nhau. BBĐ một chiều US Ura Ura là một dãy xung vuông (lý tưởng) có độ rộng t1 và độ nghỉ t2. Điện áp ra bằng giá trị trung bình của điện áp xung. Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi này là điều khiền các phần tử công suất bằng phương pháp xung. Để có hiệu suất lớn thì điện áp sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ. Tải Chỉnh lu không điều khiển L2 ã ã ã ã ã ã K D C1 C2 Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc nh một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục 1 cách chu kì . Nhờ vậy mà biến đổi đợc điện áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được. Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ. Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<Utb<E. Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<Utb<0. Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế là không đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh . Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi .Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh được Momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó .Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm đợc kích thước của bộ lọc, nhưng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến .Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn được bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dới 1KHz). Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz á 600Hz. Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý được thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS). Dùng Tiristor có u điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền, tổn hao khi dẫn nhỏ nhng có nhợc điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dới 500Hz). Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz. Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz,có giá thành rẻ hơn,tổn hao ít hơn MOS. Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor .Vì vậy ở những môi trường làm việc nặng nề việc sử dụng Transistor là hạn chế. Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực tế là dựa vào khả năng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trường hợp thì việc lựa chọn không rõ ràng . Ngoài sự ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn về các linh kiện thì chất lượng điều chỉnh tốc độ động cơ còn phụ thuộc vào cả cơ cấu điều chỉnh là kín hay hở. Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi) sẽ tăng thêm tính ổn định tốc độ với một tần số đóng cắt nhất định, nâng cao được chất lượng điều chỉnh. II. Phương pháp điều chỉnh điện áp ra Có hai phương pháp: Thay đổi độ rộng xung (t1). Thay đổi tần số xung (T hoặc f). 1. Phương pháp thay đổi độ rộng xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T ị Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: trong đó đặt: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ. Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 < e Ê 1). 2. Phương pháp thay đổi tần số xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const. Khi đó: Vậy Ura=US khi và Ura=0 khi f=0. Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm. II. Các dạng cơ bản Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các dạng sơ đồ sau: 1. Biến đổi hạ áp: Sơ đồ nguyên lý nh sau: L1 D1 US Ura Clọc tải Phần tử điều chỉnh quy ước là khoá K ( thực tế là Tiristor hoặc Tranzitor). Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có tính chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Đi-ôt mắc ngược với Ura để thoát dòng tải khi khoá K ngắt. + K đóng ị US được đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tưởng thì Utải = US (nếu bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi). + K mở ị hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng Itải do năng lượng tích luỹ trong cuộn L và Ltải, dòng chạy qua D, do đó Ura=Utải’ =0. Như vậy, Utải tb Ê US. Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp. Đặc tính truyền đạt: 2. Biến đổi tăng áp: Sơ đồ như sau: L1 D1 US Ura Clọc tải K Đặc điểm: L1 nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải. Cuộn cảm L1 không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này. + K đóng, dòng điện từ +US qua L1 đ K đ -US. Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đã được tích điện trước đó). + K ngắt, dòng điện chạy từ +US qua L1 đ D đ Tải. Vì từ thông trong L1 không giảm tức thời về không do đó trong L1 xuất hiện suất điện động tự cảm eL, có cùng cực tính US. Do đó tổng điện áp: U=US+eL đ làm D thông đ Utải=US+eL. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp. Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn US ở chế độ liên tục và năng lượng truyền ra tải dới dạng xung nhọn. Đặc tính truyền đạt: L1 D1 US Ura Clọc tải K 3. Biến đổi đảo cực: Sơ đồ mắc như sau: L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lượng. C đóng vai trò lọc. + K đóng, trên L1 có US, dòng chạy từ +US đ K đ L1 đ -US. Năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Utải=UC, tụ C phóng điện qua tải. + K ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng ị D thông ị năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; Utải sẽ ngược chiều với US. Vậy điện áp ra trên tải đảo dấu so với US. Giá trị tuyệt đối |Utải| có thể lớn hơn hay nhỏ hơn US. 4. Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp: Đặc điểm: Mắc song song n bộ biến đổi riêng làm việc cùng một tải và nguồn US. Để giảm độ gợn sóng của Itải và Utải , các khoá K1, K2, K3, ẳ làm việc lệch pha nhau một góc 2p/n. Khi đó mỗi bộ biến đổi chịu dòng điện Itải/n ; tần số làm việc f=fS/n. Có thể làm việc ở hai chế độ : lần lợt và đồng thời. Nhận xét: Các bộ biến đổi (3 & 4) có u điểm ở chỗ là cho phép nhận được điện áp ra tải Utải cao hơn điện áp nguồn cung cấp US, song chúng chỉ thích hợp với dải công suất nhỏ nên ít thông dụng. III. Một số sơ đồ băm xung thường dùng: 1. Bộ băm nối tiếp : Sơ đồ nguyên lý của hệ thống được biểu diễn như sau : (-) (+) Id D0 ID0 LC DC U E Ud + ã - ã C + - ã ã ã ã ã ã VS1 ã VS2 ã Ld Rd ư Sơ đồ nguyên lý của bộ băm nối tiếp . trong đó : VS1 : là tiristor chính. VS2 : là tiristor phụ, dùng để ngắt bộ băm. LC, DC, C : là các phần tử chuyển mạch, tạo mạch cho tụ C. D0 : Diode hoàn năng lượng, duy trì dòng qua tải khi bộ băm ngắt. Bộ băm nối tiếp là một khoá điện S bằng tiristor được điều khiển đóng mở trong hệ thống một cách chu kỳ. Khi S đóng thì điện áp ngõ ra trên tải Ud = U cpnf khi S mở thì Ud = 0. Giả sử ở trạng thái ban đầu VS1 và VS2 đều bị khoá, tụ C được nạp đầy với bản cực dương ở phía trên những ghi chú trong hình trên Cho xung điều khiển kích tiristor VS1 , VS2 mở, dòng điện từ cực dương của nguồn U chạy qua VS1 vào phụ tải (R, L, E) rồi trở về cực âm của nguồn U. Đồng thời tụ C sẽ phóng điện teo vòng : VS1 - LC - DC - C và tụ C được nạp điện theo chiều ngược lại . Điện áp ra trên tải Ud = U . Khi cho xung điều khiển kích tiristor phụ VS2, VS2 mở, đặt điện áp giữa hai bản cực của tụ C lên VS1 làm cho VS1 bị khoá lại. Lúc này điện áp ra trên tải Ud =0. Thay đổi tỷ số thời gian đóng và thời gian ngắt của VS1 sẽ điều chỉnh đợc giá trị trung bình của điện áp ra trên tải. Gọi T là chu kỳ của bộ băm, T= Tđg + Tng . Trong đó : Tđg = aT là thời gian đóng mạch của VS1 . Tng = T - Tđg là thời gian ngắt mạch. a = Tđg/T là tỷ số đóng của chu kỳ. Giá trị trung bình của điên áp ra trên tải : Khi ta thay đổi tỷ số đóng a thì có thể điều chỉnh được Utb. Có hai cách để thay đổi a : - Giữ cố định chu kỳ xung T ( tần số cố định) , thay đổi thời gian đóng mạch Tđg của bộ băm. Phương pháp này đợc gọi là phương pháp điều khiển độ rộng xung . - Giữ cố định thời gian đóng mạch Tđg thay đổi chu kỳ của bộ băm T ( tần số biến thiên ) . Phương pháp này đợc gọi là phương pháp điều tần . Khi a = 0 tức là Tđg ta có Utb = 0, bộ băm thường xuyên ngắt mạch, n =0 . Khi a = 1 tức là Tđg = T ta có Utb = U, bộ băm thường xuyên đóng mạch, n = nmax. Trong hệ thống, thời gian đóng mạch Tđg có thể điều chỉnh tuỳ theo ý muốn nhưng Tđg không thể nhỏ hơn một nửa chu kỳ của mạch dao động LC, tức là phải đảm bảo : Ta có sơ đồ biểu diễn điện áp ra trên tải Ud như sau : Tủg Tng T Utb Ud U t 0 Sơ đồ biểu diễn đồ thị điện áp ngõ ra trên tải Ud Ta có đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tục và gián đoạn của bộ băm như sau : Imax Imax Imax Imin Imin Imin I t 0 U Ud t 0 T dg Tng T IS t 0 ID0 t 0 Đồ thị biểu diễn điện áp và dòng điện ngõ ra ở chế độ liên tục và gián đoạn của bộ măm nối tiếp. 2. Bộ băm song song : Sơ đồ nguyên lý của bộ băm song song đợc biểu diễn như sau : U E Ud Id IT - ã ã + ã ã D L R ư T ã Sơ đồ nguyên lý của bộ băm song song. L : là điện cảm của phần ứng động cơ kết hợp với điện cảm bổ sung để giữ cho dòng Id = const. Xét trong khoảng thời gian 0 <t < aT thì tiristor T mở, diode D được phân cực ngược nên bị khoá để tránh làm ngắn mạch nguồn U . Lúc này : Ie = 0, Ud = 0, IT = Id. Trong khoảng thời gian aT < t < T thì khoá D mở. Lúc này: Ie = Id , Ud = U, IT = 0. Giá trị trung bình của điện áp một chiều : Giá trị trung bình của dòng điện trả về nguồn : Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua tiristor : Phương trình mạch tải khi máy điện ở trạng thái hãm tái sinh : Ta có dạng sóng của điện áp ngõ ra Ud và của dòng Ie, IT nh sau : U aT T Ud t 0 Ie t 0 IT t 0 Id Sơ đồ biểu diễn dạng sóng của điện áp ngõ ra, dòng Ie và IT. 3. bộ băm xung áp loại B : L1 ã ã ã ã ã ã ã R E S1 S2 id ud C ã ã Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp loại này như sau: D2 US D1 Giải thích: + S1, S2 là loại điều khiển hoàn toàn ( Transistor công suất) + Tải của bộ băm xung áp là động cơ kích từ nối tiếp có thể thay thế bằng R-L-E; trong đó E là sức phản điện động của động cơ. + D1là Diod hoàn năng lượng ;D2 là diod có tác dụng trả năng lượng tái sinh cho nguồn. Để chiều dòng điện tải như hình vẽ ta cho S1 hoạt động như một khoá đóng cắt ;còn S2 không làm việc .Khi S1 mở dòng điện từ nguồn chảy qua S1 qua tải và trở về âm nguồn .Khi S1 khoá dòng tải được khép mạch qua điod D1 đảm bảo dòng tải là liên tục ngay cả khi S1 khoá . Để đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ (dòng id) ta cho S2 và D2 vào vận hành còn S1 ngắt. Khi đó ,do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt ra khỏi nguồn đ E > 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép mạch qua S2 đ xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu .Công suất điện từ của động cơ là:Pđt= Id.E > 0. Công suất lúc này được tích luỹ trong cuộn cảm L. Khi S2 ngắt, trên điện cảm L sinh ra sức điện động tự cảm (DUL) cùng chiều với E.Tổng hai sức điện động này lớn hơn điện áp nguồn US làm D2 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L. Để đảm bảo S2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D1 tắt ta phát xung vào mở S2 đồng thời với việc phát xung khoá S1. Sau đây là biểu đồ dạng sóng mô tả hoạt động của sơ đồ: iđk1 iđk2 ud id US iD1 iD2 iS Ud Id Biểu đồ dạng sóng dòng, áp US1 Từ biểu đồ dạng sóng ta có nhận xét : + Dòng qua phần ứng động cơ là liên tục nếu ta đảm bảo S2 dẫn trước hoặc sau khi dòng qua D1 tắt. + Dòng điện qua phần ứng động cơ có phần âm nên giá trị trung bình của nó có thể nhỏ bất kỳ ,thậm chí bằng 0 hoặc âm .Điều này có thể điều khiển được bằng cách thay đổi thời gian dẫn của S1 và S2. 4. Bộ băm xung áp loại B kép : Điều khiển xung 1 cực tính (PWM) : Giả sử T1,T3 làm việc thuận ; T2, T4 làm việc ngược đ Độ nhạy kém b. Điều khiển xung hai cực tính: Một chiều quay 4 transistor tham gia vào Khi đa điện áp dương vào động cơ ( T1 – T3 ) mở. Đa điện áp âm ( T2 –T4) mở. Do sự chậm trễ của dòng và áp đ Không đảm bảo Transistor khoá được cần phải thêm Diod. T1 – T3 đang dẫn khoá lại trong khi T2 – T4 không kịp mở dòng điện không chảy được dễ gây ra cháy mạch. Do đó phải có đoạn dòng điện suy giảm và T2, T4 vẫn mở để hứng dòng dẫn ngược. khi đảo T2,T4 đ D1,D3 đ T1, T3; đdòng suy giảm. hãm ngược Khi T2 – T4 chưa mở t4 : D1, D3 dẫn có Pbđ 0 đ Hãm trả về lới trao đổi năng lượng điện từ ( không phải hãm tái sinh). Phải có Ldi rất lớn để chống lại sự suy đổi : Phơng trình cân bằng cho đoạn t2 : L= I.R+ E +U0 Do đổi chiều i đ M đập mạch . Nhưng do có quán tính E = const và tần số đóng cắt rất lớn 1 vài KHz do vậy sự đập mạch của mômen không tác động vào động cơ. Mtb>0. Etb=U0. Etb = Nếu T1 = T2 đ Utb = 0. T1 > T2 đ Utb >0. T1 < T2 đ Utb <0. Khi Utb = 0 đ Mtb = 0. Khi f cao thì độ nhạy cao . Nhưng có nhược điểm là động cơ chịu tổn thất lớn( dù đứng im vẫn có dòng đ nóng, phát nhiệt). chương iii : mạch điều khiển – mạch lực cho động cơ truyền động robot I. Hệ thống điều khiển 1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ robot có sơ đồ khối ở hình 2.2. động cơ điện truyền động cho khớp quay robot động cơ điện một chiều (ĐM ) được cấp điện từ một bộ điều chỉnh xung áp một chiều dạng PWM ( ĐAMC ) bằng tranzitor MOSFETs. Nguồn một chiều cung cấp từ một bộ chỉnh lưu không điều khiển bằng điốt ( CL). Bộ điều chỉnh điện áp một chiều PWM được điều khiển bằng mạch điều khiển PWM. Mạch điều khiển PWM gồm bộ điều chỉnh tốc độ, bộ điều chỉnh dòng điện và mạch tạo xung điều khiển các tranzitor MOSFETS. Điện áp chủ đạo đầu vào các bộ điền khiển PWM được lấy từ nguồn + 12 thông qua biến trở VR. Đây là sơ đồ khối của hệ thống điều khiển thử nghiệm để kiểm tra mạch lực điều chỉnh điện áp một chiều của động cơ robot. Trên thực tế mạch điều khiển PWM được thay thế bằng hệ thống số sử dụng vi xử lý kết hợp với máy tính để điều khiển động cơ robot. Khi đố mạch băm xung áp một chiều nhận tín hiệu điều khiển từ bộ vi xử lý AT89C51 và chuyển tín hiệu phản hồi dòng về bộ vi xử lý. Ta cũng có hai chế độ điều khiển : bằng tay và tự động theo chương trình đặt sẵn trong bộ vi xử lý. Chúng ta điều khiển thông qua giao diện trên máy tính và ta có thể dùng máy tính để thay đổi chương trình làm việc tự động của robot, tạo cho robot có tính linh hoạt, nâng cao hiệu quả làm việc, nghiên cứu và học tập. 2. Mạch điều chỉnh điện áp một chiều (ĐAMC) Sơ đồ gồm hai khâu: bộ điều chỉnh điện áp một chiều và khâu đo dòng cách ly. Bộ điều chỉnh điện áp một chiều là sơ đồ cầu đảo chiều gồm 4 tranzitor MOSFETS. Sơ đồ mạch cầu MOSFETS được điều khiển theo phương pháp đối xứng, có ưu điểm thực hiện đảo chiều động cơ dễ dàng và không gây hiện tượng quá áp trên trazitor công suất( không gây chết MOSFETS vì không phải lam việc liên tục). ở một chiều quay của động cơ, một cặp tranzitor chéo nhau dẫn (...), cặp tranzitor ở nhánh chéo nhau còn lại (....) sẽ khoá. Các cặp Transistor này sẽ dẫn, khoá theo xung điều biến độ rộng với chu kỳ 4 kHz. Đồ thị hình dưới minh hoạ các dạng điện áp xung điều khiển, điện áp động cơ và dòng điện động cơ ở chiều quay thuận và ngược. tín hiệu xung điều khiển các MOSFETS được truyền từ mạch điều khiển qua các phần tử cách ly quang Photocoupler. Đồ thị điện áp mạch điều chỉnh điện áp một chiều Khâu đo dòng điện động cơ thực hiện theo phương pháp điều chế độ rộng và cách ly. Điện áp tỉ lệ dòng điện phần ứng động cơ lấy trên điện trở phản hồi được điều biến bằng điện áp răng cưa tần số cao. Điện áp răng cưa được tạo bởi hai IC thuật toán CL1, CL2. Điện áp tỉ lệ dòng điện được so sánh với điện áp răng cưa qua bộ so sánh CL3 ta thu được ở đầu ra CL3 là xung vuông đưa đến chân 1 bộ cách li 4N35C khi đó chỉ còn tín hiệu xung dương. Tín hiệu xung được truyền qua phần tử cách ly Photôculer sẽ được tích phân và tạo thành điện áp một chiều tỉ lệ với dòng điện phần ứng động cơ thông qua các bộ OA9, OA10, OA11,OA12. Tín hiệu phản hồi đưa ra đầu Id được nối sang mạch điều khiển ( điện áp đưa ra từ mạch lưc Ui đưa sang mạch điều khiển.) Ucl1 U4NC355 Ucl3 Uph Ucl2 t t t t Dạng điện áp ở mạch phản hồi dòng và cách ly Vì ở đây là mạch chạy thử nên các đầu tín hiệu điều khiển đóng mở van Mosfet được nối theo trình tự sau: Các đầu nối của các bộ cách ly OP1áOP4 : PWM1,PWM2,DIR1,DIR2 tương ứng điều khiển các van Q1,Q3,Q4,Q2 được đưa ra cổng nối J2. khi các đầu nối sang mạch điều khiển các đầu PWM1và DIR1 được nối chung vào đầu PWM1 của mạch điều khiển. Đầu PWM2 và DIR2 được nói chung vào đầu PWM2 của mạch điều khiển. Ngoài ra ở cổng nối J2 nối nguồn cung cấp ±12V và nối đất chung từ mạch điều khiển sang mạch lực để cung cấp nguồn cho bộ cách ly và các IC thuật toán OA9áOA12 của mạch phản hồi . Còn các IC và bộ cách ly khác trên mạch lực được cấp nguồn và nối đất từ một nguồn ±12 V riêng được lắp trên mạch lực ( Sử dụng IC 7812 và 7912). 3. Mạch điều khiển PWM Gồm các chức năng: bộ điều chỉnh tốc độ, bộ điều chỉnh dòng điện, Mạch tạo xung PWM điều khiển các tranzitor MOSFETs mạch lực, Khâu lôgic đảo chiều động cơ. Bộ điều chỉnh tốc độ có cấu trúc PI với tín hiệu phản hồi từ máy phát tốc độ gắn trên trục động cơ có trức năng duy trì sự chính xác tốc độ của động cơ mong muốn( Do đây là mạch chạy thử trong thời gian thực tập ngắn nên em chưa đưa được bộ phản hồi tốc độ và hoạt động). Bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc PI có tác dụng điều chỉnh dòng điện và hạn chế dòng điện từ động cơ, từ đó điều khiển được gia tốc của động cơ trong quá trình quá độ, nâng cao chât lượng động của hệ thống. Mạch tạo xung điều khiển gồm các khâu tạo điện áp hình răng tần số 4 kHz sử dụng các phần tử khuyếch đại thuật toán OA01,OA02 và OA03, mạch so sánh tín hiệu răng cưa và tín hiệu một chiều đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện sẽ tạo ra xung PWM. Khâu lôgíc tạo tín hiệu lôgíc đảo chiều nhờ trigơ Smith và mạch sửa xung và mạch phân phối xung. Tín hiệu vào khâu lôgíc đảo chiều là điện áp chủ đạo đặt tốc độ vào khâu trigiơ Smith, tạo tín hiệu “0” và “1” cho phép điều khiển đảo chiều động cơ. Nguyên lý điều chỉnh : Điện áp chủ đạo đặt vào chân 1, 2 của bộ nối J3. Chân 3,4 của J3 dùng cho điện áp phản hồi âm tốc độ lấy từ encorder của động cơ . Điện áp chủ đạo vừa đặt độ lớn áp cấp cho động cơ(thay đổi tốc độ của động cơ) đồng thời quyết định chiều quay của động cơ thuận hay nghịch nhờ đảo chiều điện áp Điện áp chủ đạo được khuếch đại qua bộ khuếch đại đảo OA5 sau đó bị hạn chế bởi khâu hạn chế điện áp gồm D02, D03, P03, P04. Khi điện áp ra ở OA05 >0 và > điện áp trên P04 thì D03 mở Ura của mạch hạn chế bằng điện áp trên P04(điện áp Ura dương), khi nhỏ hơn 0 và giá trị của điện áp ra OA05 > giá trị điện áp trênP03 thì D02 thông dẫn đến Ura = UP03(điện ápUra âm). Điện áp ra khâu hạn chế Ura có dấu ngược với dấu của điện áp đặt. Nếu Ura âm thì D08 thông , Nếu Ura dương thì D04 thông; điện áp vào OA07 luôn âm và có độ lớn bằng hiệu Ura và điện áp phản hồi. Điện áp ra của OA7 luôn dương được đem so sánh với xung tam giác từ bộ tạo xung tam giác gồm OA01, OA02, OA03 tương tự như mạch tạo xung ở mạch lực. Điện áp ra OA7 và điện áp xung răng cưa qua bộ so sánh tạo điện áp răng cưa điều khiển độ rộng xung mở van PWM1, PWM2 đưa sang điều khiển đóng mở van mạch lực, băm xung một chiều điều khiển điện áp cấp cho động cơ. t U1 – UId UOA03 UOA02 t t t UOA04 UPWM Điện áp tại đầu ra các khâu trong mạch điều khiển Xung phát mở van PWM là liên tục và cấp cho cả khi mở van cho động cơ chạy thuận hay động cơ chạy ngược. Chính vì vậy để điều khiển động cơ chạy thuận hay ngược thì cần có thêm tín hiệu logic và tín hiệu này do dấu điện áp đặt quy định: Khi điện áp chủ đạo >0 thì tạo tín hiệu qua mạch logic cho phép PWM2 có tín hiệu xung ra đưa đến đầu PWM2, DIR2 của bộ cách ly OP4,OP2 kích mở nối chân Cvà E của 2 bộ cách ly đó đ mở T2 và T3 đ mở Q2,Q3 động cơ được cấp điện áp ngược đ quay ngược. Trong khí đó đằu PWM1 trên mạch điều khiển bị khoá không có tín hiệu xung ra đ PWM1,DIR1 không có tín hiệu xungđ Q1,Q4 khoá. Tương tự ta có khi điện áp chủ đạo <0 thì Q1,Q4 thông; Q2,Q3 khoá đ động cơ quay thuận. Khi động cơ bắt đầu khởi động nhờ có bộ phản hồi dòng điện lam châm tốc độ tăng dòng điện phần ứng động cơ Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển II Thực tập lắp ráp mạchvà chạy thử mạch : Sơ đồ gắn linh kiện trên mạch in: Sơ đồ mạch in của mạch lực Sơ đồ đi dây mạch lực Sơ đồ ghép nối mạch điều khiển và mạch lực: Sau khi nghiên cứu về robot và các mạch điều khiển cho robot em được lắp ráp và chạy thử để kiểm nghiệm lại các thông số điều chỉnh trên thực tế với lý thuyết. Vừa củng cố kiến thức cho bản thân vừa tiếp thu được kinh nghiệm thực tế. Sau một số lần hiệu chỉnh lại mạch cuối cùng nhôm bon em đã thành công mạch đã chạy được tuy nhiên nhưng thông số thu được chưa đạt độ chính xác cao một mặt là do em chưa co kinh nghiệm lắp ráp một mặt do các yếu tố khách quan như chất lượng của linh kiện lắp ráp, đi dây mạch in. Sau đây là những thông số ma nhóm bọn em thu được sau đợt thực tập : t UĐ Điện áp cấp cho động cơ t Uvao Ura t 1.3V - 0.8V 11.5V f=1.88Khz Tín hiệu vào và ra của bộ cách ly mạch phản hồi dòng điện 4N35C trên mạch lực Điện áp cấp vào bộ băm U =23,5 V, Uđc = 18V, Các tín hiệu điều khiển hầu như không thay đổi khác với lý thuyết các mạch tạo xung đạt tần sô là 4kHz và có dạng tín hiệu giống lý thuyết. Điện áp chủ đạo đuă vào là Uvao = -0.36V, Ura OA7 = 3.8V, Ura OA5= 2.45V, Ura OA6 = -2.24, Ura OA12 = 1.6V. Nhận xét : từ những thông số thu được ta thấy ràng tín hiệu điều khiển gần như không khác so với lý thuyết nhưng các tín hiệu đáp ứng thì có sự khác biệt đôi chút. Là do các yếu tố khách quan(thiết bị linh kiện chưa tôt), còn thiếu kinh nghiệm thực tế. ở đây các tín hiệu phản hồi về chưa rõ ràng cần phải có sự hiệu chỉnh lại mạch để nâng cao chất lượng điều khiển. Và từ đồ thị điện áp cấp cho động cơ ta thấy rằng bộ băm đang làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn vì điện ap không lên dương thẳng đứng mà bị sụt một đoạn. chương iv : kết luận Trải qua 7 tuần thực tập đối với em có ý nghĩa vô cùng. Không chỉ riêng cá nhân em, mà đối với bất kể những ai từng là sinh viên của trường đại học Bách Khoa. Đợt thực tập đã trang bị cho chúng em hành trang để làm đề tài tốt nghiệp, tạo điều kiện cho chúng em có cơ hội để kiểm tra những kiến thức đã học áp dụng vào thực tế , tích luỹ kinh nghiệm làm việc. Đợt thực tập đã rèn luyện cho em tính kỷ luật, tác phong làm việc, khả năng làm việc theo nhóm. Từ đó giúp em làm quen dần với thực tế để sau này ra trường không còn bỡ ngỡ, có thể nhanh chóng thích nghi với công việc tìm được. Tuy nhiên cũng qua đợt thực tạp vưa qua em cũng nhận thấy rằng mình vẫn còn nhiều thiếu xót, còn nhiều lỗ hổng về kiến thức lý thuyết cũng như thực tế. Khi bắt tay vào làm vẫn lúng túng, mất tự tin chưa khẳng định được chính mình. Và đó là những bài học bổ ích và quý giá. Giúp em ngay càng đi lên trong cuộc sống cũng như trong học tập. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Mạnh Tiến, thầy Nguyễn Danh Huy cùng với các thầy cô trong bộ môn đã hết sức tạo điều kiện cho em có đợt thực tập vừa qua và chỉ bảo em tận tình. Mục lục Lời nói đầu trang1 Chương I: giới thiệu chung về robot công nghiệp trang 2 I.Một số khái niệm định nghĩa về robot trang 2 II. Lịch sử phát triển của robot trang 6 III. Nghiên cứu về robot scara (robot serpent) trang 7 1. Khái niệm trang 7 2. Cấu tạo tay máy Robot Serpent trang 8 3. Thông số và giới hạn làm việc của Robot Serpent. trang 10 chương II: Bộ băm xung áp một chiều trang 12 I . Nguyên lý trang 12 II. Phương pháp điều chỉnh điện áp ra trang 14 1. Phương pháp thay đổi độ rộng xung trang 14 2. Phương pháp thay đổi tần số xung trang 14 II. Các dạng cơ bản trang 15 1. Biến đổi hạ áp: trang 15 2. Biến đổi tăng áp: trang 16 3. Biến đổi đảo cực: trang16 4. Biến đổi công suất lớn theo nguyên lý nhiều nhịp: trang 17 III. Một số sơ đồ băm xung thường dùng: trang 18 1. Bộ băm nối tiếp : trang 18 2. Bộ băm song song : trang 21 3. bộ băm xung áp loại B : trang 22 4. Bộ băm xung áp loại B kép : trang 25 chương iii : mạch điều khiển – mạch lực cho động cơ truyền động robot trang 27 I. Hệ thống điều khiển trang 27 1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển: trang 27 2. Mạch điều chỉnh điện áp một chiều (ĐAMC) trang 29 3. Mạch điều khiển PWM trang 33 II Thực tập lắp ráp mạchvà chạy thử mạch : trang 37 chương iv : kết luận trang 41