Tiểu luận robot CN cnc

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰCKHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

BÀI TIỂU LUẬN

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓACHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN

HỌC PHẦN: ROBOT CÔNG NGHIỆP CNC

Giảng viên hướng dẫn : TS.Trịnh Thị Khánh Ly

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đăng Quang Huy- 19810410265

Lớp : D14CNKTDK2

Hà Nội, tháng 3/2022

MỤC LỤC

I.ĐỀ BÀI 4

CHƯƠNG 1: Giải bài toán động học thuận, động học ngược Robot 5

1.Bài toán động học thuận 5

2.Bài toán động học ngược 8

CHƯƠNG 2: Thiết kế quỹ đạo ở động cơ 10

1.Phương Trình quỹ đạo chuyển động của các khớp Robot dưới dạng đa thức

bậc 3: 10

2.Ví dụ về thiết kế quỹ đạo bậc 3 cho Robot 11

CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CẤU TRÚC PHẦN CỨNG, HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 13

3.1 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CNC 13

3.1.1 Lịch sử phát triển của bộ điều khiển số CNC 13

3.1.2 Cấu trúc 13

3.1.3 Chức năng 14

3.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 26

Hình 3.4 Thay đổi biên dạng xung sau điều khiển Acc/Dec 19 Hình 3.5 Sơ đồ NCK thực hiện điều khiển Acc/Dec sau nội suy 19 Hình 3.6 Sơ đồ NCK thực hiện điều khiển Acc/Dec trước nội suy 20

Hình 3.15 Hệ thống điều khiển theo chu trình kín (có hồi tiếp vị trí và

I.ĐỀ BÀI

BÀI TẬP CHUYÊN ĐỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

I.Nhiệm vụ thiết kế: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT

CÔNG NGHIỆP

II.Số liệu cho trước:

Chiều dài các khâu:

III Nội dung

1.Giải bài toán động học thuận, động học ngược Robot CN 2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot

- Yêu cầu: thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp - Quỹ đạo là đa thức bậc 3

3 Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC

CHƯƠNG 1: Giải bài toán động học thuận, động học ngược Robot

1.Bài toán động học thuận

Hình vẽ đề bài :

Hình 1.1: Hình vẽ Rô-bốt

Từ (hình 1.1) ta nhận thấy mô hình gồm có 4 khâu động và 4 khớp động,từ đó ta thực hiện đặt hệ quy chiếu theo phương pháp D-H (Denavit-Hartenberg) như sau:

+ Khâu 0: đế ta chọn hệ tọa độ x0y0z0 có trục z0 có dọc theo trục của khâu 0, x0 được chọn như trong hình vẽ, y0 được xác định theo quy tắc bàn tay phải.

+ Khâu 1: ta chọn hệ tọa độ x1y1z1 có trục z1 dọc theo trục của khớp nối khâu 1 với khâu 2, x1 chọn song song theo khâu 1 có hướng về phía khâu 2, y1 được xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.

+ Khâu 2: ta chọn hệ tọa độ x2y2z2 có trục z2 trùng trục của khâu 3 có hướng xuống phía dưới, x2 chọn dọc theo trục của khâu 2 hướng về phía ra xa khâu 1, y2 được xác định theo quy tắc bàn tay phải.

+ Khâu 3: ta chọn hệ tọa độ x3y3z3 có trục z3 cùng phương cùng chiều với trục z2 , x3 chọn song song và cùng chiều với x2 , y3 được xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.

+ Khâu 4: Ta chọn hệ x4y4z4 có trục z4 cùng phương cùng chiều với trục z2, x4 chọn song song và cùng chiều với x2 , y4 được xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ

Ta có các ma trận hàm truyền của khâu thứ i đối với khâu thứ i = 1 được xác định công thức như sau:

2.Bài toán động học ngược

+ Giải bằng phương pháp giải tích

Nghiệm của bài toán động học ngược của robot Scara là nghiệm của phương trình:

Ta có ma trận R là ma trận biểu diễn phép quay của hệ tọa độ x4y4z4 vẽ hệ tọa độ

x0y0z0 phép biến đổi quay quanh trục z0, trục z0 và z4 ngược cùng nhau và ma trận có

Hình 1.2: Hình chiếu điểm P trên mặt phẳng Oxy Dựa vào hình vẽ ta áp dụng định lí cos trong tam giác:

CHƯƠNG 2: Thiết kế quỹ đạo ở động cơ

1.Phương Trình quỹ đạo chuyển động của các khớp Robot dưới dạng đa thức

Từ 4 hệ số trên ta sẽ có quỹ đạo đa thức (3) rồi từ đó xác định vị trí của các khớp tại thời điểm bất kì Những giá trị đó là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển vị trí để truyền động khớp di chuyển đến vị trí tương ứng.

2.Ví dụ về thiết kế quỹ đạo bậc 3 cho Robot

Bài toán ví dụ: thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot từ vị trí A đến vị trí B trong khoảng thời gian 5s với điểm A (800 0 0) đến vị trí điểm B(-150 200√3 -300)

3.1 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CNC3.1.1 Lịch sử phát triển của bộ điều khiển số CNC

Máy công cụ là loại máy cơ khí gia công khuôn hoặc linh kiện để cấu tạo nên các máy móc khác, vì vậy có người còn gọi máy công cụ là máy mẹ Có những máy công cụ

như máy tiện, máy phay, máy cắt răng, máy khoan lỗ, máy tiện doa lỗ, máy cắt, máy bào Chiếc máy công cụ NC đầu tiên được phát minh bởi phòng thí nghiệm MIT servomechanism vào năm 1952, sau đó thì cùng với sự phát triển của Khoa Học Công Nghệ, Những Chiếc Máy Công Cụ Cũng Được Phát Triển Lên Rất Nhiều Cả về mặt cơ khí, cũng như bộ điều khiển để phù hợp với yêu cầu công nghệ cũng như kinh tế Sự xuất hiện của máy công cụ, mà đặc biệt là máy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi nền sản xuất công nghiệp với một tốc độ chóng mặt, với khả năng tăng năng xuất và chất lượng đáng kinh ngạc Đây là bước ngoặt lớn trong nền công nghiệp nặng của cả thế giới, giúp tiết kiệm một lượng lớn nhân lực trong quá trình gia công, tự động hóa các dây chuyền sản xuất.

Hình 3.1: Máy CNC

3.1.2 Cấu trúc

Mục tiêu thiết kế cuối cùng cho hệ thống MMI là cung cấp một cách dễ dàng hoạt động và chức năng khác nhau cho người sử dụng Theo xu hướng này, MMI đã trở thành máy tính dựa trên MMI được vận hành bởi một bộ xử lý cá nhân và cho phép các chức năng khác nhau Máy tính dựa trên MMI cho phép người sử dụng một giao diện đồ họa Người dùng có thể thay thế đơn giản giao diện trước đó Nó cũng cho phép một hệ thống CAM được xây dựng trên hệ thống CNC chính nó cho phép hệ thống CNC giao tiếp với thiết bị bên ngoài Như thể hiện ở hình trên, cấu trúc phần mềm MMI có thể chia thành ba phần là: lớp ứng dụng, lớp trung tâm và lớp hệ điều hành

3.1.3 Chức năng

Bảng điều khiển: giúp người dùng vận hành máy một cách hiệu quả và sử dụng các chức năng của máy tối ưu Bảng điều khiển hoạt động cho khả năng sử dụng theo đặc điểm riêng của máy Hình dưới đây minh họa một bảng điều khiển hoạt động tiêu biểu Nói chung các hoạt động của bảng điều khiển có thể chia làm bốn khu vực

Hình 3.2 Bảng điều khiển

∙ Khu vực hiển thị trạng thái: vùng này sẽ hiển thị tình trạng máy và các thông

số NC, nó cung cấp giao diện đồ họa người dùng (GUI) cho sự tương tác giữa CNC và người dùng

∙ Khu vực dữ liệu đầu vào: khu vực này như bàn phím để nhập dữ liệu người

dùng cho hệ thống CNC, nó bao gồm nút đầu vào là chữ, số và các phím nóng để thực hiện các chức năng của CNC

∙ Khu vực xử lý bằng tay: khu vực này bao gồm các MPG (Manual Pulse

Generator), MPG xử lý ON/OFF chuyển đổi và phím chọn tỷ lệ tốc độ cho người sử dụng di chuyển mỗi động cơ Ngoài ra, phím đóng/mở kẹp và các nút dừng khẩn cấp được đặt tại đây

∙ Khu vực máy hoạt động: khu vực này bao gồm nhiều loại công tắc, đèn và

cung cấp các chức năng khác nhau như sau: - Chuyển đổi chế độ lựa chọn

- Phần sửa đổi chương trình Lock/Unlock key - Door Interlock key.

3.1.4 Cấu trúc chức năng của bộ điều khiển cốt lõi NCK

Các bộ điều khiển trung tâm (Numerical Control Kernel) là một trong những đơn vị của hệ thống CNC, các NCK là các đơn vị điều khiển các động cơ NCK bao gồm một chương trình dịch, bộ nội suy, bộ điều khiển tăng/giảm tốc và bộ điều khiển vị trí là các thành phần chính và quan trọng không chỉ của hệ thống CNC mà còn là một bộ điều khiển vị trí điển hình, cần thiết để điều khiển động cơ Có hai loại NCK chính là NCK của điều khiển tăng/giảm tốc trước nội suy và sau nội suy

3.1.5 Chương trình dịch

Chương trình dịch là một modul phần mềm, có thể dịch các chương trình vào lệnh nội bộ để di chuyển các công cụ và thực hiện các chức năng phụ trợ trong một hệ thống CNC

Một phần chương trình được lập trình viên phát triển dựa trên biên dạng của các phần, điều kiện cắt, và các công cụ được nhập vào CNC thông qua hệ thống giao diện người dùng và bộ xử lý trung tâm, sau đó tạo ra các lệnh điều khiển cho các trình điều khiển từ phần chương trình thông qua các giai đoạn khác nhau; tính toán quãng đường di chuyển bởi việc dịch chương trình, tạo dữ liệu riêng và vận tốc cho mỗi trục nhờ bộ nội suy, làm mịn vận tốc bằng bộ điều khiển Acc/Dcc và tạo ra lệnh điều khiển vị trí Trong giai đoạn này, chương trình dịch có thể được coi như một nhiệm vụ đơn giản cho chuyển đổi G/M code để các cấu trúc dữ liệu của hệ thống CNC dễ hiểu Tuy nhiên, việc thiết kế và thực hiện các thông dịch và biên dịch của chương trình dịch là một nhiệm vụ lớn và toàn diện, bởi vì quy tắc lập hay ngữ pháp lập trình được diễn tả trong sổ tay lập trình và một khái niệm điều hành được hiển thị trong một cẩm nang hoạt động cần được xem xét khi phát triển các trình thông dịch Vì vậy, chương trình dịch là chỉ số đại diện cho thấy

các khái niệm thiết kế và các khái niệm thiết kế và các khía cạnh chức năng của CNC và là một phần của CNC, nó thường dành hơn 50% tổng số thời gian để phát triển chương trình dịch

Chương trình dịch đóng vai trò chuyển đổi một phần chương trình người dùng thay đổi nội dung sang định dạng dữ liệu nội bộ để thực hiện Để hiểu được cấu trúc và xử lý bên trong của chương trình dịch, nó là cần thiết để hiểu được cấu trúc của chương trình và các lệnh được sử dụng trong đó Trong một hệ thống CNC, hệ tọa độ khác nhau, chẳng hạn như hệ tọa độ máy, hệ tọa độ phôi và hệ tọa độ cơ sở, được hỗ trợ để thuận tiện cho chỉnh sửa một chương trình và thiết lập máy Ngoài ra, di chuyển, đối xứng, và lấy tỷ lệ của hệ tọa độ được cung cấp và sử dụng các chức năng này có thể dễ dàng chỉnh sửa các chương trình Để kiểm soát công cụ chuyển động dọc theo một đường thẳng, vòng cung, đường xoắn ốc, hoặc một đường cong spline, các chức năng nội suy như lệnh G01, G02, G03, hoặc lệnh F- để xác định tốc độ cắt, và lệnh S- để xác định tốc độ trục chính được sử dụng Để thực hiện các chương trình mà hình dạng công cụ à lắp ghép là không khả quan, chức năng bù bán kính và bù chiều dài dao được cung cấp Hơn nữa các chức năng vĩ mô, cái gọi là

Hình 3.3 Cấu trúc hoạt động của hệ thống CNC

“chức năng chu kỳ” được cung cấp để tiện chỉnh sửa một chương trình và đơn giản hóa các chương trình Gần đây, để thực hiện yêu cầu về gia công tốc độ cao và gia công có độ chính xác cao, các chức năng tiên tiến khác nhau như các chức năng look-ahead, chức năng điều khiển feedforward, và chức năng nội suy NURBS đã được áp dụng

Cuối cùng, chương trình dịch thực hiện các chức năng nói trên, bao gồm phân tích cú pháp, thực hiện, phát triển, thực hiện vĩ mô và xử lý các lỗi Các chương trình dịch chuyển đổi các khỗi dữ liệu đọc từ bộ nhớ văn bản vào các dữ liệu cấu trúc bên trong Dựa trên các dữ liệu giải thích, vị trí của một block được tính toán bằng cách thực hiện các phép toán khác nhau như xoay phối hợp và công cụ bù và được lưu trữ trong bộ nhớ

3.1.6 Bộ nội suy

Trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình số, những đường tác dụng giữa dụng cụ và chi tiết được hình thành nhờ các dịch chuyển trên nhiều trục Để sản sinh một đường cong trên một máy điều khiển theo chương trình số, giữa các chuyển động

trên từng trục riêng lẻ phải có một quan hệ hàm số (điều khiển phi tuyến) Các điểm tựa phải nằm dày đặc đến mức sao cho đường cong nội suy trong chuyển động phi tuyến tả chính xác và không có vị trí nào vượt qua vùng dung sai cho phép Trái với các hệ điều khiển đơn giản như dạng điều khiển điểm và điều khiển đường thì số dữ liệu cần thiết là rất lớn

Nội suy chỉ có thể làm việc theo nguyên tắc số Nó có thể được thực hiện bằng các mạch logic nối cứng (chương trình hóa các mối liên hệ NC) hoặc bằng các phần mềm nội suy được lập trình (CNC) Bộ nội suy thực chất là một máy tính phát hàm số, nó đưa ra các lệnh thích hợp với

điều khiển ban đầu, điều khiển chạy dao trên các trục tọa độ riêng lẻ, trùm lên một quỹ đạo cong cho trước theo mong muốn

Bộ nội suy có nhiệm vụ:

∙ Tìm ra các điểm trung gian cho phép hình thành một biên dạng cho trước trong một giới hạn dung sai cho trước

∙ Có thể nội suy một cách thích hợp với các yếu tố biên dạng đòi hỏi Thông thường những yếu tố biên dạng cơ bản có trong các chi tiết kỹ thuật là những đoạn thẳng và những đường cong Tương ứng với thực tế đó, các bộ điều khiển thường giới hạn trong bộ nội suy tuyến tính và nội suy đường cong

∙ Tốc độ đưa ra tọa độ vị trí trung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao cho trước ∙ Đi tới một cách chính xác các điểm kết thúc chương trình đã đưa ra trước chương trình

Các dạng nội suy: các hàm số sinh ra từ bộ nội suy chủ yếu là các đường thẳng và các đường cong, đó là những biên dạng của các yếu tố kết cấu thường dùng của các đường cong bâc cao như các parabol hay hypebol thường không thực hiện trong các hệ điều khiển số vì chúng hầu như không có trong đòi hỏi thực tế Về măt tính toán có ưu điểm là quan tâm đến các sai lệch của dụng cụ cắt (ví dụ bán kính dao phay) các khoảng cách đối xứng giữ được những giá trị ngang bằng Ngoài ra còn sử dụng được “đường cong chuẩn” Thông thường trong các máy CNC là dạng nội suy thẳng và nội suy vòng (nội suy tuyến tính và nội suy phi tuyến)

3.1.7 Điều khiển tăng/giảm tốc

Để cho chuyển động của máy được mịn, không bị giật cục thì việc tăng tốc và giảm tốc sự chuyển động của trục máy cần được kiểm soát Đối với hệ thống CNC, hai dạng phương pháp điều khiển tăng tốc và giảm tốc (Acc/Dec) được phát triển; điều khiển Acc/ Dec trước nội suy (ADCBI) và điều khiển Acc/Dec sau nội suy (ADCAI) Chúng được phân loại dựa trên thứ tự trong việc kiểm soát Acc/Dec được thực hiện

Phương pháp điều khiển Acc/Dec có thể được phân loại điều khiển Acc/Dec trước nội suy và điều khiển Acc/Dec sau nội suy đối với việc xử lý để tăng tốc và điều khiển

giảm tốc độ Điều khiển Acc/Dec trước nội suy (ADCBI) được xây dựng khác nhau tùy theo loại nội suy như tuyến tính, hàm số mũ và đường cong Vì ADCBI cần nắm bắt nhiều thông tin liên quan đến tất cả các điểm nội suy, một lượng lớn bộ nhớ cần thiết để thực hiện loại điều khiển Acc/Dec Tuy nhiên, vì số lượng lớn các thông tin điều khiển Acc/Dec không gây ra lỗi gia công vì tăng độ chính xác Mặt khác, điều khiển Acc/Dec sau nội suy được áp dụng giống hệt nhau cho tất cả các phương pháp nội suy Vì vậy, việc thực hiện rất đơn giản nhưng lỗi gia công xảy ra bởi vì mỗi di chuyển của trục được xác định riêng Kể từ điều khiển Acc/Dec trong ADCAI được áp dụng riêng biệt cho từng trục, gia tốc và giảm tốc cho các di chuyển của mỗi trục không phụ thuộc vào vị trí Theo đó, các điểm nội suy đi chệch khỏi con đường mong muốn Một điển hình ví dụ về độ lệch này xảy ra trong quá trình gia công góc và kéo dài thời gian Acc/Dec, lớn hơn các lỗi gia công Ngược lại, lỗi gia công do ADCBI không xảy ra vì phần lệnh giống hệt với phần mong muốn Chìa khóa để thực hiện điều khiển Acc/Dec trước khi nội suy là tìm thời điểm tăng tốc và giảm tốc thời gian dựa trên tốc độ cắt, chuyển phần còn lại của lệnh, giá trị Acc/Dec và vận tốc hiện tại Vì vậy, ADCBI đòi hỏi khả năng tính toán và bộ nhớ lớn hơn ADCAI Từ điểm nhìn của thực tế thực hiện, ADCBI phức tạp hơn nhiều so với ADCAI

Điều khiển Acc/Dec sau nội suy:

Trong trường hợp của ADCAI , trước hết là NCK, Numerical Control Kernel, giải thích chương trình sử dụng các module thông dịch và tính toán khoảng cách dịch chuyển

cho mỗi trục, ΔX , ΔY , ΔZcho mỗi khoảng thời gian nội suy dựa trên các trình dịch kết

quả bằng cách sử dụng module nội suy thô Tiếp theo, điều khiển Acc/Dec độc lập mỗi

trục được thực hiện đối với ΔX , ΔY , ΔZvà nội suy tinh sau đó Cuối cùng, tổng số

chuyển động còn lại của từng trục cho từng vị trí điều khiển thời gian kiểm soát được tính toán bằng các module điều khiển vị trí.

Acc/Dec thuật toán điều khiển của điều khiển Acc/Dec sau nội suy là khác của điều khiển Acc/Dec trước nội suy Hình 1.4 cho thấy sơ đồ để NCK thực hiện với điều khiển Acc/Dec sau nội suy Sự khác biệt lớn với điều khiển Acc/Dec trước nội suy là sự dịch chuyển còn lại của mỗi trục được tính theo mỗi lần nội suy bằng cách nội suy thô điều khiển Acc/Dec của mỗi trục được thực hiện riêng rẽ Hình 1.3 cho thấy xự thay đổi của xung biên dạng sau khi điều khiển Acc/Dec có thể thấy rằng các biên dạng của xung mỗi trục được tạo ra bởi bộ nội suy thô và gia tốc và chương trình giảm tốc được áp dụng cho mỗi xung riêng

Hì nh 3.4 Thay đổi biên dạng xung sau điều khiển Acc/Dec