thu hoạch môn học máy cnc và robot công nghiệp

z


THU HOẠCH MÔN HỌC
MÁY CNC VÀ ROBOT
CÔNG NGHIỆP
Giáo viên h
Giáo viên h
ướng dẫn
ướng dẫn
:
:
Sinh viên thực hiện
Sinh viên thực hiện
:
:
1 Vũ Quang Lương
2 Vũ Quang Lương
3 Vũ Quang Lương
1. Máy CNC
Tín hiệu là một đại lượng vật lý bất kỳ thay đổi theo một hay nhiều biến độc
lập. Các biế độc lập trên thực tế thường là thời gian, không gian hoặc các đại lượng
vật lý khác. Hầu hết các tín hiệu trên thực tế đều là các tín hiệu tương tự
(analog).Đó là các tín hiệu được mô tả bằng các hàm biến thiên liên tục theo thời
gian và nhận các giá trị liên tục trong miền giá trị của chúng.Các tín hiệu như vậy
có thể đựơc cử lý một cách trực tiếp bằng các thiết bị điện tử tương tự. Nhược
điểm của các thiết bị này là dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, các tham số dễ bị
thay đổi (trôi) theo thời gian, nhiệt độ và các tác động của môi trường.
Kỹ thuật xử lý tín hiệu hiện đại sử dụng các thiết bị xử lý số, khắc phục được
các nhược điểm của thiết bị xử lý tương tự.Muốn vậy tín hiệu phải đựơc số hoá
bằng một thiết bị gọi là bôk chuyển đổi tương tự - số (ADC).Việc biến đổi này

đựơc thực hiện qua 3 bước: lấy mâu( gián đoạn theo thời gian), lượng hoá ( gián
đoạn theo định mức) và mã hoá. Một tín hiệu đã đựơc biểu diễn bằng tập các điểm
rời rạc.
Trong quá trình điều khiển, để đi tới các điểm dịch chuyển mong muốn, máy
CNC cần phải đựơc trang bị một hệ thống đo lường dịch chuyển chính xác, các
động cơ chạy dao điều khiển vô cấp, các trục truyền động không có khe hở và các
hệ thống đo đường hướng masát nhỏ.Chính vì vậy trong cấu tạo máy CNC các
động cơ được dùng là động cơ servo, các trục truyền động được dùng là trục vít me
đai ốc bi, và điều khiển dịch chuyển vị trí trong mạch tác động kín.
1.1. Động cơ servo
1.1.1 Đặc điểm, vai trò của động cơ bước
Động cơ bước (Steping Motor - SM) chuyển đổi những xung điện thành những tăng
lượng bằng nhau gọi là bước - của chuyển động trục Roto, một xung điện tương ứng với
một bước của động cơ. SM có thể quay theo cả hai chiều, quay chiều nào là phụ thuộc
vào tín hiệu mệnh lệnh từ mạch dẫn động, đây là mạch chuyển đổi xung điện thành
những tín hiệu điều khiển chuyển động quay của Motor.
4 Vũ Quang Lương
Cấu tạo của SM rất giống với động cơ điện một chiều không chổi góp với Stato đa
cực và Roto không có cuộn kích thích.
Vịêc sử dụng động cơ bước trong điều khiển có rất nhiều thuận lợi:
•SM rất thích hợp với tín hiệu do máy tính cung cấp.
•Mạch điều khiển đơn giản do không cần mạch phản hồi cho cả điều khiển vị trí và
điều khiển tốc độ.
•Sai số vị trí không tích luỹ.
•SM thích hợp với các thiết bị điều khiển hiện đại.
→ Chính vì vậy mà các loại SM được sử dụng ghép nối với ngoại vi máy tính và các hệ
thống tương tự.
Các thông số của SM
a) Góc bước:
Với mỗi xung kích thích thì động cơ bước quay đi một góc bước (đo bằng độ). Góc

bước càng nhỏ thì độ phân giải vị trí càng cao, việc xác định vị trí càng chính xác.
Góc bước được xác định bằng:
S
360
=
θ
với S: là số bước của SM
S = tích số cực trên Roto và số cặp cực trên Stato.
b) Độ chính xác vị trí:
Đây là một yếu tố quan trọng quyết định chất lượng của SM. SM được chế tạo sao
cho chúng có thể quay các góc xác định đáp ứng các tín hiệu xung và dừng ở các vị trí
chính xác. Độ chính xác phụ thuộc độ chính xác cơ khí của Roto và Stato nên SM được
chế tạo rất cẩn thận. Khe hở không khí giữa Stato và Roto được chế tạo rất cẩn thận. Khe
hở nhỏ sẽ tạo ra mômen giữ lớn. Độ chính xác của động cơ bước phụ thuộc vào đặc tính
của động cơ và mạch điều khiển.
5 Vũ Quang Lương
•Mômen tĩnh lớn nhất:
- Mômen giữ: là mômen lớn nhất có thể đưa tới trục của SM được kích thích mà
không gây ra chuyển động liên tục.
- Mômen hãm: là mômen lớn nhất có thể đưa tới trục của động cơ không được
kích thích mà không gây ra chuyển động liên tục. Mômen này chỉ có ở các động cơ nam
châm vĩnh cửu.
•Vị trí dừng:
- Vị trí dừng (điểm cân bằng): xác định vị trí tại đó động cơ dừng ở trạng thái
không có tải.
- Vị trí hãm: vị trí tại đó động cơ bước nam châm vĩnh cửu dừng ở chế độ không
kích hoạt và không có tải.
•Độ chính xác vị trí:
- Sai số vị trí bước: là góc lớn nhất của sai số vị trí (so với góc quay điều khiển) có
thể xuất hiện khi Roto chuyển từ vị trí dừng đến vị trí tiếp theo, vị trí dừng là vị trí tại đó

động cơ dừng ở trạng thái không có tải.
- Độ chính xác vị trí: là góc sai số lớn nhất của vị trí dừng sau nhiều bước, có thể
xuất hiện trên một vòng quay khi động cơ chuyển động từ một vị trí xác định.
c) Tỉ số mômen quay và quán tính phải cao:
Đây là điều kiện cần thiết khi SM chuyển động, không những cần khởi động nhanh
mà còn phải dừng tại một vị trí xác địng sau xung cuối cùng. Để đảm bảo điều đó thì tỉ số
giữa mômen và quán tính phải lớn hơn nhiều so với động cơ điện thông thường.
d) Tốc độ bước và tần số xung:
Tốc độ quay của động cơ bước cho bởi số bước trong một giây, thuật ngữ “ tốc độ
bước” thường được dùng để chỉ tốc độ. Đối với hầu hết các động cơ bước, số xung cấp
cho động cơ bằng số bước nên tốc độ có thể cho bằng tần số xung. Tuy nhiên, tốc độ
bước không phải là tốc độ quay của động cơ. Tốc độ quay phải là số vòng trên giây.
Ta có quan hệ:
s
f
n
60
=
6 Vũ Quang Lương
Trong đó : n là tốc độ quay (v/s)
f là tốc độ bước (Hz)
s là số bước
1.2 Vít me đai ốc bi
Để có thể dịch chuyển chính xác trên các biên dạng, các trục truyền
dẫn không được phép có khe hở và cũng không được phép có hiệu ứng stick-
slip ( hiện tượng trượt lùi do lực cản masat).Bộ vít me/ đai ốc/ bi có khả
năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng, ít masat và không có khe hở khi truyền
dẫn với tốc độ cao
Phương thức tác dụng của vitme đai ôc bi:
Các viên bi nằm trong rãnh vitme và đai ốc đảm bảo cho truyền lực ít

masat từ trục vitme qua đai ốc vào bàn máy.nhờ hai nửa đai ốc lắp theo
chiều dài, giữa chúng có vòng cách có thể điều chỉnh khử khe hở theo hai
chiều đối ngược.
7 Vũ Quang Lương

Trong một số giải pháp kết cấu nâng cao của bộ truyền này, bước nâng của rãnh
trục trên trục và trên đai ốc có giá trị khác nhau.
Việc dẫn bi hồi rãnh được thực hiện nhờ các rãnh dẫn hướng bố trí bên trong
hoặc các ống dẫn bố trí bên ngoài trục.
1.3 Điều khiển dịch chuyển trong mạch tác động kín
Để đi tới các điểm dịch chuyển mong muốn, các máy CNC cần phải được
trang bị một hệ thống đo lường dịch chuyển làm việc chính xác.
Các máy CNC phải điều khiển tự động các quá trình chuyển động theo các
lệnh điều khiển đưa ra và ở đây điều khiển máy dịch chuyển máy phải đi theo
8 Vũ Quang Lương
một cách chính xác nhất có thể, toạ độ của cá điểm trên biên dang.Điều này có
thể đạt được nhờ 1 mạch điều chỉnh vị trí.
Những vị trí bàn máy đã được thực hiện theo các lệnh dịch chuyển thu được
thu thập một cách tự động bởi một hệ thống đo lường dịch chuyển như là các
giá trị thực về vị trí và phản hồi về bộ điều khiển CNC.
Hệ thông điều khiển máy nhận đựơc các giá trị đo – trong khi chuyển động –
các vị trí tức thời của bàn máy ( giá trị thực) và so sánh chúng với cá giá trị
mong muốn đưa ra từ hệ thống điều khiển ( giá trị cần).bàn máy chuyển động
cho đến khi nào giá trị thực bằng đúng giá trị cần.Các sai lệch vị trí cần sẽ được
chỉnh sửa nhờ các tín hiệ chạy dao, nhời vậy ta có sự điều chỉnh vị trí theo một
mạch tác động kín.Mạch tác dụng này được gọi là mạch điều chỉnh vị trí tác
dụng kín.
9 Vũ Quang Lương

2. Robot công nghiệp

Cơ cấu chấp hành của robot thường là một cơ cấu hở, gồm một chuỗi các
khâu (links) nối với nhau bằng các khớp ( joints). Các khớp động này là khớp
quay (R) hoặc khớp tịnh tiến (T). Để robot có thể thao tác linh hoạt, cơ cấu chấp
hành của nó phải cấu tạo sao cho điểm mút của khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng
di chuyển theo một quỹ đạo nào đó đồng thời khâu này có một định hướng nhất
định theo yêu cầu. Khâu cuối cùng thường là bàn kẹp (gripper) hoặc là khâu gắn
liền với dụng cụ làm việc (tools). Điểm mút của khâu cuối cùng là điểm đáng
quan tâm nhất vì đó là điểm tác động của robot lên đối tác và được gọi là “ điểm
tác động cuối” (end – effector). Chính ở điểm này cần quan tâm không những vị
trí nó chiếm trong không gian, mà cả hướng tác động của khâu cuối đó.
Gắn vào “điểm tác động cuối” này một hệ tọa độ động thứ n và gắn với mỗi
khâu động một hệ tọa độ động khác, còn gắn liền giá đỡ với hệ tọa độ cố định.
Đánh số ký hiệu các hệ này từ 0 đến n bắt đầu từ giá cố định. Khi khảo sát
chuyển động của robot cần biết “ định vị và định hướng” tại điểm tác động cuối
trong mọi thời điểm. Nhiều khi lại cần biết cả vận tốc và gia tốc chuyển động
của robot tại điểm tác động cuối đó cũng như tại các điểm khác trên robot. Đó là
nội dung quan trọng của bài toán về động học robot. Các lời giải của bài toán
này được xác định từ những phương trình động học của robot. Các phương trình
này là mô hình động học của robot. Chúng được xây dựng trên cơ sở thiết lập
các mối quan hệ giữa hệ tọa độ động nói trên so với hệ tọa độ cố định.
Trình tự thiết lập các hệ phương trình động học của robot.
Bứơc 1: Xác định các hệ toạ độ
Bứơc 2: Lập bảng thông số động học
Bứơc 3: Xác định các ma trận A
1
theo thông số DH ( Denavit – Hartenberg)
Bứơc 4: Tính các ma trận T
i
Bứơc 5: Lập các phương trình động học cơ bản
10 Vũ Quang Lương

Ví dụ: Robot có 6 khâu với khớp thứ 3 là tịnh tiếnT , 5 khớp còn lại là quay
R.
Hệ toạ độ gắn lên các khâu của robot như hình dưới đây:
Ta quy ước các cách viết tắt như sau:
C
1
= Cosθ
1
, C
2
= Cosθ
2
S
1
= Sinθ
1
,S
2
=Sinθ
2
C
12
= Cos(θ
1
+θ
2
); S
12
= Sin(θ
1

+θ
2
);
C
234
=Cos(θ
2
+θ
3
+θ
4
), S
234
=Sin(θ
2
+θ
3
+θ
4
)
Ta có bảng thông số DH như sau:
11 Vũ Quang Lương
Các ma trận được xác định như sau:
12 Vũ Quang Lương
13 Vũ Quang Lương
Các phương trình trên được gọi là phương trình động học của robot.
14 Vũ Quang Lương
Ta ến hành nghiên cứu bài toán ngược cùng với hệ robot như trên:
Ta có:
A

1
-1
T
6
=
1
T
6
A
2
-1
A
1
-1
T
6
=
2
T
6
A
3
-1
A
2
-1
A
1
-1
T

6
=
3
T
6
A
4
-1
A
3
-1
A
2
-1
A
1
-1
T
6
=
4
T
6
A
5
-1
A
4
-1
A

3
-1
A
2
-1
A
1
-1
T
6
=
5
T
6
Từ các tính toán của phần bài toán thuận ta có:
Từ đó ta có: -S
1
p
x
+C
1
p
y
= d
2
Với: p
x
=r.Cosϕ ; p
y
=r.Sinϕ

22
yx
ppr +±=
Φ= arctg2(p
x
,p
y
)
15 Vũ Quang Lương
Ta có: SinϕCosθ
1
- CosϕSinθ
1
= d
2
/r
Với 0 < d
2
/r < 1
Hay là:
Sin(ϕ - θ
1
) = d
2
/r, Với o < (ϕ - θ
1
) < π
Từ đó có:
2
2

1
1)(






−±=−
r
d
Cos
θφ
Cuối cùng ta có:
2
2
2
21
,(2),(2 drdarctgpparctg
yx
−±−=
φ
(1)
Tiếp tục tính tính toán ta sẽ lần lượt có được:
),(2
112 zyx
ppSpCarctg +=
φ
(2)
d

3
=S
2
(C
1
p
x
+S
1
p
y
) + C
2
p
z
(3)
))(,(2
2112114 zyxyx
aSaSaCCaCaSarctg −++−=
φ
(4)
[ ]
{ }
zyxyxzyx
aCaSaCSaCaSSaSaSaCCCarctg
2112114211245
)(),())(2 +++−+−+=
φ

(5)

),(2
666
CSarctg=
φ
(6)
Các biểu thức (1), (2), (3), (4), (5), (6) xác định bài tệp nghiệm của bài toán động
học ngược trên đây.
16 Vũ Quang Lương