Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Robot Harmo

Mục lục


Danh mục hình ảnh


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các
ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng. Việc áp dụng các máy móc
hiện đại vào sản suất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm
tăng năng suất, tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm.
Robot có thể thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện và
thậm chí không thực hiện được như: làm những công việc đòi hỏi độ chính
xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm (như lò phản ứng hạt nhân , dò
phá mìn trong quân sự), thám hiểm không gian vũ trụ…
Trong các họ Robot, chúng ta không thể không nhắc tới Robot Harmo với
những đặt thù riêng mà những loại Robot khác không có. Nhờ nó mà quá trình
gắp phôi, đưa phôi và nhiều công việc khác hiện nay được thực hiện tự động.
Nhóm em xin được gửi lời cám ơn trân trọng và sâu sắc nhất tới thầy,
PGS.TS Phạm Văn Hùng đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, động
viên chúng em trong suốt quá thực hiện đồ án này.
Một lần nữa em xin cảm ơn.
Trân trọng!
Sinh viên thực hiện
.

3

Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Một số thông số cơ bản:
+ Số bậc tự do: 4 (3 tịnh tiến, 1 quay)
+ Khối lượng vật nặng: 2kg
+ Khối lượng chuyển động theo X0=7kg, Y0=12kg, Z0=17kg
+ Kích thước cơ bản và hành trình chuyển động: tham khảo robot Harmo
UE700SW-2R
+ Nguồn động lực cơ bản: tham khảo robot Harmo UE700SW-2R
+ Bàn tay kẹp: tham khảo robot Harmo UE700SW-2R

4


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Chương 1
THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CHO ROBOT
1.1 THIẾT LẬP SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC
Để thiết lập được các phương trình động học của Robot nói riêng cũng như của
các vật khác nói chung thì trước hết ta phải thiết lập được hệ tọa độ cho vật dó bởi
phương trình động học sẽ chỉ tương ứng với một hệ tọa độ nhất định. Theo quy tắc
đặt hệ tọa độ thì gốc của hệ tọa độ thứ i gắn liền với chính khâu thứ i đó và được đặt
tại giao điểm của đường vuông góc chung giữa hai trục khớp động thứ i + 1 và khớp

động thứ i với chính trục khớp động thứ i + 1. Trong trường hợp hai trục của khớp
động giao nhau thì gốc tọa độ sẽ được lấy trùng với chính giao điểm đó. Còn nếu hai
trục song song với nhau thì gốc tọa độ được chọn là điểm bất kỳ trên trục khớp động
i+1.
Trục Zi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động thứ i+1.
Trục Xi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung hướng từ
khớp động i đến khớp động i+1. Trường hợp hai trục giao nhau, hướng trục X i sẽ
trùng với hướng vecto ZixZi-1, tức là vuông góc cới mặt phẳng chứa Zi, Zi-1.
Áp dụng nguyên tắc đặt hệ trục tọa độ trên vào robot Harmo ta có hệ tọa độ của
robot Harmo như hình vẽ.

Hình 1.1 Sơ đồ động học Robot Harmo.

5


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

1.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC
1.2.1. Xác định bộ thông số DH
Bộ thông số DH bao gồm các thông số cơ bản giữa hai khâu liên tiếp nhau. Cụ thể
là:
+ ai: Độ dài của đường vuông góc giữa hai trục khớp động liền kề.
+ αi: Góc lệch giữa hai trục của hai khớp động liền kề, là góc quay quanh trục X i
sao cho Zi-1 chuyển đến Zi theo quy tắc bàn tay phải
+ di: Khoảng dịch chuyển tịnh tiến giữa hai đường vuông góc chung của hai trục
+ θi: Góc giữa hai đường vuông góc chung. Là góc quay quanh trục Z i-1 để trục
Xi-1 chuyển đến trục Xi.

Trong bộ thông số trên có một thông số là đặc trưng và cũng là thông so thể hiện
chuyển động tương đối giữa hai khâu (thể hiện chuyển động của khớp). Thông số đó
được là biến khớp. Biến khớp sẽ là θ i với khớp động là khớp quay, và là d i nếu khớp
động là khớp tịnh tiến. Để phân biệt giữa biến khớp và các thông số khác, ta dùng
thêm dấu * bên cạnh thông số đó để ký hiệu rằng đó là biến khớp.
Trong robot Harmo thì các thông số xác định như sau:
+ a1: là khoảng cách giữa trục khớp động 1 và khớp động 2
+ a2: là khoảng cách giữa trục khớp động 2 và khớp động 3
+ a3: là khoảng cách giữa trục khớp động 3 và khớp động 4
+ a4: là khoảng cách giữa tâm quay và tay kẹp
+ h: là khoảng cách giữa gốc tọa độ O và trục khớp động 1
Ban đầu dịch chuyển dọc theo trục Z một khoảng h, quay theo trục X một góc
-90 , sau đó các trục khớp động 1, 2, 3, 4 lần lượt vuông góc với nhau nên ta có:
0

α1 = α4 =900
Và α2 = α3 = -900
Các thông số khác của robot:
θ1 = 900
θ2 = -900
θ3 = 00
θ4 = θ4
Các khớp động 1, 2, 3 đều là các khớp tịnh tiến nên d 1, d2, d3, đều khác 0. Còn d4
=0
6


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Trong đó d1, d2, d3, θ4 là các khớp biến. Từ các phần tích trên ta lập được bảng
thông số DH của robot Harmo như sau.
Khâu

θi

αi

ai

di

Biến khớp

1

900

900

a1

d1*

d1*

2

-900

-900

a2

d2*

d2*

3

00

900

a3

d3*

d3*

4

θ4*

-900

a4

0

θ4*

1.2.2. Thiết lập các mô hình biến đổi và các ma trận biến đổi.
Trên cơ sở đã được xây dựng được các hệ tọa độ với hai khâu động liên tiếp
nhau và bộ thông số DH, có thể thiết lập mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ liên tiếp
nhau theo các bước sau:
+ Quay quanh trục Zi-1 một góc θi
+ Tịnh tiến dọc trục Zi-1 một khoảng di
+ Tịnh tiến dọc trục Xi-1 (đã trùng với Xi) một khoảng ai
+ Quay quanh trục Xi-1 một góc αi
Bốn bước này được thể hiện bằng tích các ma trận thuần nhất sau:
Ai = R(z, θi).Tp(0,0,di).Tp(ai,0,0).R(x, αi)
Các ma trận ở vế phải được tính theo công thức của các phép biến đổi ma trân:
-

Quay quanh trục OX một góc α:

R (x, α) =
-

0
1
0 cos α

0 sin α

0
0

0
− sin α
cos α
0

0
0 
0

1

Quay quanh trục OZ một góc θ:

7


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

R (z, θ) =
-

cos θ
 sin θ

 0

 0

− sin θ
cos θ
0
0

0
0
1
0

0
0 
0

1

Tịnh tiến theo phương P(Px, Py, Pz)T:

T=

1
0

0

0

0
1
0

0

0 Px 
0 Py 
1 Pz 

0 1

Áp dụng công thức này ta có ma trận biến đổi sau:

Ai =

=

 cos θ
 sin θ

 0

 0
cos θ
 sin θ

 0

 0

− sin θ
cos θ
0

0

0
0
1
0

0
0 
0

1

1
0

0

0

0
1
0
0

0 0  1
0 0   0
1 di  0

0 1  0

− cos α .sin θ
cos α .cos θ
sin α

sin α .sin θ
− sin α .cos θ
cos α

0

0

0
1
0
0

0 ai  1
0


0 0  0 cos α
1 0  0 sin α

0 1  0
0

0
− sin α

cos α
0

0
0 
0

1

ai .cos θ 
ai .sin θ 
di 

1 

Thay các thông số tương ứng các khâu vào ta có:
0
1
0
A1 = 
0

0

0 1 0
0 0 a1 
1 0 d1 

0 0 1

0 0
 −1 0
1
A2 = 
 0 −1

0 0

1
0
2
A3 = 
0

0

0 0 a3 
0 −1 0 
1 0 d3 

0 0 1

 cos θ 4
 sin θ
4
3
A4 = 
 0

 0

1 0 
0 − a2 
0 d2 

0 1 
0 − sin θ 4
0 cos θ 4
−1
0
0
0

a4 .cos θ 4  1
a4 .sin θ 4  0
.
 0
0

1
 0

0
1
0
0

0
0
1

0

0
0
l
1

Phương trình động học cơ bản của robot được thành lập dựa trên cơ sở của các
ma trận i-1Ai đã tính ở bước trên. Ma trận T i là tích của các ma trận A i và là ma trận
mô tả vị trí và hướng của tọa độ gắn liền với khâu thứ i so với hệ tọa độ cố định.
8


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Trong trường hợp i = n, với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với “điểm tác động
cuối” và được viết ở dạng tường minh như sau:

Tn = A1. A2 ... An = TE
Trong đó TE là ma trận mô tả trạng thái của “điểm tác động cuối” và được viết ở
dạng tường minh như sau:
U x Vx Wx
U V W
y
y
TE =  y
U z Vz Wz


0 0 0

Px 
Py 
Pz 

1

Các phần tử của ma trận 3x1 là tọa độ P x, Py, Pz của điểm tác động cuối E. Mỗi
ma trận quay 3x3 là một véc tơ đơn vị chỉ phương một trục tọa độ động UVW (gắn
liên với khâu cuối cùng của Robot và có gốc là điểm tác động cuối) biểu diễn trong
tọa độ cố định XYZ. Suy ra:
U x Vx Wx
U V W
y
y
Tn =  y
U z Vz Wz

0 0 0

Px 
Py 
Pz 

1

Đây là phương trình động học cơ bản của robot, nó mô tả trang thái (tọa độ,
phương chiều) của điểm tác động cuối.
Ứng dụng vào thực tế trên robot Harmo ta có phương trình động học cơ bản của

robot harmo là:
U x Vx Wx
U V W
y
y
0 0
1
2
3
T4 = TP (0, 0, h).R(x,90 ). A1. A2 . A3 . A4 =  y
U z Vz Wz

0 0 0
1
0
=
0

0

0
1
0
0

0
0
1
0

0  1 0
0  0 0
.
h  0 −1
 
1  0 0

0
1
0
0

0  0
0  1
.
0  0
 
1  0

0
0
1
0

1 0 0 0
0 a1   −1 0
.
0 d1   0 −1
 
0 1 0 0

Px 
Py 
Pz 

1
1 0  1
0 −a2  0
.
0 d 2  0
 
0 1  0

0 0 a3 
0 −1 0 
.
1 0 d3 

0 0 1

9


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT
 cos θ 4
 sin θ
4

 1


 0

=

 0
 − cos θ
4

 − sin θ 4

 0

0 − sin θ 4
0 cos θ 4
−1
0
0
0
−1
0
0
sin θ 4
0 − cos θ 4
0
0

a4 .cos θ 4  1
a4 .sin θ 4  0
.
 0

0
 
1
 0

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng
0
1
0
0

0
0
1
0

0
0 
l

1

d2

l.sin θ 4 − a 4.cos θ 4 + d1 − a3 − a2 
−l.cos θ 4 − a 4.sin θ 4 − d 3 − a1 + h 

1


10


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Chương 2
CÁC NGUỒN ĐỘNG LỰC CỦA ROBOT
2.1 GIỚI THIỆU NGUỒN ĐỘNG LỰC
2.1.1 Nguồn động lực khí nén
a. Lịch sử phát triển
Sử dụng khí nén đã có từ trước công nguyên. Nhà triết học người Hylạp tên
là Ktesibios (khoảng năm 140 Tr. Cn) và một người nữa được xem là học trò của
ông đó là Heron (năm 100 Tr. CN) đã phát minh ra máy ném đá cũng như là máy
bắn tên. Kể từ đó trở đi hàng loạt các phát minh của hai nhà nhà triết học như: thiết
bị đóng, mở cửa bằng khí nén; bơm; súng phun lửa...
Sự phát triển khoa học kỹ thuật thời kỳ này còn chưa được đồng bộ, thiếu hệ
thống, nhất là sự kết hợp các kiến thức về cơ học, vật lý, vật liêu... còn thiếu, cho
nên phạm vi ứng dụng của khí nén còn rất hạn chế.
Cho tới tận thế kỷ thứ 17, một kỹ sư chế tạo người Đức tên là Otto Von Guerike
( 1602- 1686), nhà toán học và triết học người Pháp tên là Blaise Pascal ( 16231662), và một nhà vật lý người Pháp tên là Denis Papin ( 1647-1712) đã xây dựng
nên nền tảng cơ bản cho ứng dụng khí nén.
Trong thế kỷ thứ 19, các máy móc, thiết bị sử dụng khí nén lần lượt được phát
minh như: Thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835), Phanh bằng khí nén
(1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861) của Josef Ritter người Austraylia. Trong
lĩnh vực xây dựng đường hầm xuyên dãy núi Alpes ở Thuỵ Sỹ (1857) lần đầu tiên
người ta sử dụng khí nén với công suất lớn. Vào những năm 70 của thế kỷ thứ 19,
xuất hiện ở Pari một trong tâm sử dụng năng lượng khí nén với công suất 7350 kw.
Khí nén đã được vận chuyển bằng đường ống có đường kính 500mm và dài hàng

trăm km tới nơi tiêu thụ. Tại đó khí nén được nung nóng tới nhiệt độ từ 50-1500C để
tăng công suất truyền động động cơ, các thiết bị búa hơi...
Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượng
bằng khí nén giảm dần. Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng
một vai trò cốt yếu trong các lĩnh vực mà sử dụng năng lượng điện sẽ gây nguy
hiểm và tốn kém. Sử dụng năng lượng khí nén ở những thiết bị có công suất nhỏ
nhưng làm việc với vận tộc truyền động lớn như búa hơi, dụng cụ đập, tán đinh... và
nhiều nhất là các đổ gá kẹp trên các máy.
Thời kỳ sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, việc sử dụng năng lượng khí nén
trong kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh mẽ. Những dụng cụ, thiết bị, phần tử khí
11


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

nén mới được sáng chế và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự kết hợp
giữa khí nén với điện- điện tử là nhân tố quyết định cho sự phát triển của kỹ thuật
điều khiển trong tương lai.
b. Ứng dụng của khí nén
- Trong lĩnh vực điều khiển:
Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, nhất là vào những năm 50-60 của thế kỷ 20
là thời gian phát triển của giai đoạn tự đông hoá quá trình sản xuất. Kỹ thuật điều
khiển bằng khí nén được phát triển rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau. Hệ thống điều khiển bằng khí nén được sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó có
sự nguy hiểm hay xảy ra những vụ nổ như thiết bị phun sơn các loại đổ gá kẹp các
chi tiết nhựa, chất dẻo hoặc được ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất các linh kiện
điện tử. Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khí nén còn được ứng dụng trong các
thiết bị vận chuyển và kiểm tra thiết bị của lò hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì

và trong công nghiệp hoá chất.
-Trong hệ thống truyền động:
Các dụng cụ, các thiết bị máy va đập: Các thiết bị máy móc trong lĩnh vực
khai thác đá, khai thác than, trong các công trình xây dựng, xây dựng hầm mỏ,
đường hầm...
Truyền đông quay: Tuy truyền đông quay bằng năng lượng khí nén ở mức công
suất lớn thì không kinh tế bằng năng lượng điện. Nhưng những thiết bị vừa và nhỏ
như dụng cụ vặn vít từ M4 - M30, máy khoan công suất khoảng 3,5kw, máy mài
công suất khoảng 2,5kw cũng như máy mài công suất nhỏ nhưng số vòng quay lớn
(khoảng 100.000v/p) thì khả năng sử dụng động cơ truyền động bằng khí nén là rất
phù hợp.
Truyền động thẳng: Vận dụng truyền động thẳng trong các dụng cụ đổ gá kẹp
chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các loại máy gia công gỗ, trong các thiết bị
làm lạnh cũng như trong các hệ thống phanh hãm ôtô...
Trong các hệ thống đo và kiểm tra: dùng trong hệ thống đo và kiểm tra chất
lượng sản phẩm.
c. Một số đặc điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén.
Độ an toàn khi quá tải: Khi hệ thống đạt được áp suất làm việc tới hạn thì
chuyển động vẫn an toàn không có sự cố hay hư hỏng xảy ra.
Sự truyền tải năng lượng: Tổn thất áp suất và giá đầu tư cho mạng truyền tải
năng lượng tương đối thấp.
12


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Tuổi thọ và bảo dưỡng: Hệ thống điều khiển và truyền đông bằng khí nén hoạt
đông tốt khi mạng đạt tới áp suất tới hạn và không gây ảnh hưởng tới môi trường,

tuy nhiên hệ thống đòi hỏi rất cao vấn đề lọc chất bẩn của khí dùng trong hệ thống.
Khả năng thay đổi các phần tử, thiết bị: Trong hệ thống truyền đông bằng khí
nén, khả năng thay thế các phần tử rất dễ dàng.
Vận tốc truyền động: Do trọng lượng của các phần tử trong hệ thống truyền
động bằng khí nén nhỏ, hơn nữa khả năng dãn nở của áp suất khí lớn nên truyền
động có thể đạt tới vân tốc rất cao.
Khả năng điều chỉnh lưu lượng dòng và áp suất: Truyền đông bằng khí nén có
khả năng điều chỉnh lưu lượng và áp suất môt cách đơn giản. Tuy nhiên với sự thay
đổi tải trọng tác đông thì vận tốc bị thay đổi.
d. Ưu nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén
- Ưu điểm:
+ Do khả năng chịu nén (đàn hổi) lớn của không khí, cho nên có thể tích chưa
khí nén môt cách thuận lợi, do vây có thể thành lập được môt trạm tích chứa năng
lượng cho toàn bô hệ thống.
+ Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa mà tổn thất nhỏ bởi vì đô nhớt
đông học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường đi ít.
+ Đường xả không phải đưa trở lại mà xả trực tiếp ra ngoài không khí nên rất
tiên và không gây ô nhiễm.
+ Chi phí thấp để thiết lập môt hê thống truyền đông bằng khí nén, bởi vì
phần lớn trong các xí nghiệp hê thống đường ống dẫn khí đã có.
+ Hệ thống phòng ngừa quá áp được đảm bảo tốt.
- Nhược điểm:
+ Lực truyền tải trọng thấp.
+ Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi do khả năng
đàn hổi của khí lớn. Vì vậy, không thể thực hiện được các chuyển đông thẳng hay
quay đều.
+ Dòng khí thoát ra ở cửa xả gây ra tiếng ổn.
Trên đây là những ưu nhược điểm của hệ thống tự đông bằng khí nén. Để phát
huy ưu điểm, hạn chế khuyết điểm người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển
bằng khí nén với cơ, điện và điện tử.

13


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

2.1.2 Nguồn động lực động cơ sevro
a. Khái niệm chung
Động cơ Servo là một trong những dòng động cơ phổ biến, được dùng trong các
máy công nghiệp nhờ vào hiệu suất làm việc và khả năng làm việc chính xác cũng
như tự động hoàn toàn được lập trình bằng máy tính, do đó động cơ Servo đang dần
thay thế động cơ thường trong các ngành công nghiệp.
Động cơ Servo là những hệ hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối
với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về
mạch điều khiển này. Nếu có bất kì lý do nào ngăn cản chuyển động của động cơ, cơ
cấu hồi tiếp sẽ nhận được tín hiệu và chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều
khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác.
b. So sánh động cơ thường và động cơ servo
Về cơ bản thì động cơ servo và động cơ thường là tương tự nhau về kết cấu
và hoạt động. tuy nhiên, động cơ servo được thiết kế để đáp ứng yêu cầu cao về độ
chính xác, tốc độ và tần số cao kiểm soát tốc độ cũng như vị trí các phương tiện cơ
khí.
Không phải bất kì động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ servo. động cơ
servo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ. chính vì thế
nó phải được thiết kế sao cho các đáp ứng là phù hợp với nhu cầu điều khiện. về cơ
bản thì một động cơ servo motor và một động cơ bình thường giống nhau về mặt
cấu tạo và nguyên lý hoạt động ( cũng có phần cảm ứng , khe hở từ thông, cách đấu
dây… ) mặc dù vậy tùy vào nhu cầu điều khiển mà nó có một số điểm thay đổi sao

cho phù hợp ( dành cho những mục đích đặc biệt ) so với động cơ thường. sau đây là
một vài ví dụ về nét đặc trưng của động cơ servo:
+ Tự động tăng tốc độ: Với những loại động cơ thường để chuyển từ tốc độ này
sang tốc độ khác thì nhất định phải có một khoảng thời gian quá độ. Tuy nhiên trong
thực tế, đôi khi đòi hỏi phải có một động cơ tăng/ giảm tốc độ một cách nhanh
chóng để đạt được tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn nhất hoặc tới một vị trí
trong thời gian ngắn nhất.
+ Tăng khả năng đáp ứng: Đáp ứng ở đây cần phải hiểu đó là sự giảm / tăng tốc
cần phải ” mềm ” nghĩa là gia tốc có thể coi là một hằng số. Một số động cơ như
thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi đáp ứng tốc độ của cơ cấu phải ”
Mềm ” , nghĩa là quá trình thay đổi vận tốc phải diễn ra một cách tuyến tính. Để có
thể làm được việc này thì yêu cầu cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ để
bỏ đi khả năng chống lại sự thay đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu. Các
14


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

động cơ Servo thuộc dòng này thường hay được thiết kế hạn chế số cuộn dây có ở
bên trong mạch & có khả năng thu hẹp các vòng từ trong mạch từ khe hở không khí.
+ Mở rộng vùng điều khiển: Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều khiển
động cơ ở một dải tốc độ lớn hơn định mức rất nhiều. Động cơ bình thường chỉ cho
phép điện áp đặt lên nó phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường
không quá lớn so với điện áp điện mức. Động cơ Servo thuộc loại này có thiết kế
đặc biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựng hoặc tăng khả năng bão hòa mạch từ trong
động cơ. Như vậy động cơ Servo thuộc loại này phải được tăng cường cách điện và
sử dụng sắt Ferrit hoặc nam châm đất hiếm (Rate Earth).
+ Khả năng ổn định tốc độ: Vận tốc quay của động cơ Sevro được nhà sản xuất

thiết kế sao cho ổn định nhất so với các động cơ thường. Như các ta biết là không có
mạch điện hoàn hảo, không có từ trường hoàn hảo trong thực tế. Chính vì vậy một
động cơ quay 1750 rpm không có nghĩa là nó luôn luôn quay ở 1750 rpm mà nó chỉ
dao động quanh giá trị này. Động cơ Servo khác biệt với động cơ thường ở chỗ độ
ổn định tốc độ khá cao. Các động cơ Servo loại này thường được sử dụng trong các
ứng dụng đòi hỏi tốc độ chính xác ( như Robot ). Nó được thiết kế sao cho có thể gia
tăng được dòng từ trong mạch từ lên khác cao và gia tăng từ tính của cực từ. Các
rãnh rotor được thiết kế với hình dáng đặc biệt và các cuộn dây rotor cũng được bố
trí khác biệt để có thể đáp ứng được yêu cầu này.
+ Tăng khả năng chịu đựng của động cơ: Một số động cơ Servo được thiết kế
sao cho có thể chịu đựng được các tín hiệu điều khiển ở tần số rất cao và có khả
năng chịu được những yêu cầu tăng tốc bất ngờ từ bộ điều khiển. Những động cơ
như thế này thường được cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chống lại
được sự hao mòn do ma sát trên ổ bi bạc đạn cũng như trên chổi than (đối với DC).
Hệ thống tay máy Harmo cấu tạo bởi các khối liên kết cơ khí với nhau, vì thế
mà truyền dẫn cơ khí giữa các khâu, các khớp là truyền dẫn cơ khí thuần thuý. Một
kết cấu cơ khí chỉ hoạt đông khi có nguồn đông lực tác đông đến nó, ở tay máy này
thì có nhiều nguồn động lực khác nhau đó là nguồn động lực từ Động cơ và từ Khí
nén để điều khiển các kết cấu cơ khí khác nhau trong tay máy Harmo. Đi vào cụ thể
từng trục chuyển động như sau.

15


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

2.2 NGUỒN ĐỘNG LỰC TRÊN CÁC TRỤC CỦA ROBOT HARMO
2.2.1 Nguồn động lực của bậc tự do tịnh tiến dọc trục Y

Chuyển động tịnh tiến dọc trục Y có nhiệm vụ đưa toàn bộ tay máy cùng di
chuyển. Bậc tự do này được dẫn động bằng động cơ điện servo lắp qua hộp giảm tốc
với tỷ số truyền 1:10 đưa ra vận tốc cuối cho bậc tự do.

Hình 2.1 Sơ đồ mô phỏng theo trục Y.

Cơ cấu chuyển động:
+ Động cơ Servo AC M1 (P = 0.2KW; n = 1800 vòng/phút) – nguồn động lực
dẫn động.
+ Hộp giảm tốc với tỷ số truyền 1:10.
+ Thanh răng, bánh răng.
+ Thanh trượt đuôi én có tác dụng dẫn hướng.

16


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý theo trục Y.

2.2.2 Nguồn động lực của bậc tự do tịnh tiến dọc trục X
Bậc tự do tịnh tiến dọc trục X được thực hiện nhờ chuyển động tịnh tiến khứ hồi
của piston trong xylanh, trong đó trục của piston va xylanh trùng với trục X, xilanh
gắn cố định piston dịch chuyển.

Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng theo trục X.

Bậc tự do này sử dụng ba khớp tịnh tiến làm việc độc lập với nhau. Trong đó

một khớp gắn với chuyển động của piston - xylanh tham gia thực hiện thao tác của
robot, khi muốn đưa tay robot ra thì ta đưa khí nén vào buồng phía sau xylanh, dưới
tác dụng của khí nén piston bị đẩy ra phía trước, và ngược lại khi muốn đưa tay
robot vào thì ta đưa khí nén vào buồng phía trước xylanh, dưới tác dụng của khí nén
piston bị đẩy về phía sau. Hai khớp tịnh tiến còn lại sử dụng cho quá trình đặt cữ
làm việc, điều chỉnh qua truyển động cho cơ cấu vitme – đai ốc thực hiện nhờ các
động cơ điện.
Các khớp tịnh tiến được dẫn hướng nhờ các sống trượt hình trụ gắn cố định trên
trục X (dẫn hướng bằng ma sát lăn). Hệ thống sử dụng nguồn khí nén P = 0.2MPa
điều chỉnh thông qua van tiết lưu.
17


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý theo trục X.

2.2.3 Nguồn động lực của bậc tự do tịnh tiến dọc trục Z
Chuyển động tịnh tiến lên xuống dọc trục Z được thực hiện nhờ chuyển động
tịnh tiến khứ hồi của piston trong xilanh, trục của piston va xilanh trùng với trục Z,
xilanh gắn cố định piston dịch chuyển. Khi muốn đưa tay robot lên thì ta đưa khí
nén vào buồng phía dưới xylanh, dưới tác dụng của khí nén piston bị đẩy lên trên, và
ngược lại khi muốn đưa tay robot xuống thì ta đưa khí nén vào buồng phía trên
xylanh. Hành trình làm việc của piston chỉ giới hạn trên chiều dài xylanh nhưng nhờ
cơ cấu bánh răng - đai răng nên không gian làm việc của bàn tay kẹp robot Harmo
được mở rộng thêm, do đó nó có thể làm việc với chiều dài gấp đôi chiều dài hành
trình piston trong xylanh.

Hình 2.5 Sơ đồ mô phỏng theo trục Z.

Robot có thể gắp và thả vật ở những độ cao khác nhau nhờ cơ cấu vitme - đai ốc
được sử dụng để đạt cữ hành trình trong chuyển động dọc trục Z. Dẫn động cho cơ
18


Đồ án thiết kế hệ thống CĐT

GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

cấu vitme-đai ốc là một động cơ điện một pha đảo chiều bằng cuộn dây. Trục động
cơ không trùng với trục vitme, chuyển động quay của trục động cơ được chuyền tới
vitme thông qua cơ cấu bánh răng - đai răng. Nguồn động lực dẫn động của cơ cấu
là xylanh khí nén tác động hai chiều.

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý theo trục Z.

2.2.4 Nguồn động lực của bậc tự do quay quanh trục X

Hình 2.7 Sơ đồ mô phỏng quay quanh trục X.

Bậc tự do quay này thực hiện nhiệm vụ quay bàn kẹp quay trục OX để đưa bàn
kẹp tới hai vị trí song song với phương ngang và vị trí vuông góc với phương ngang
19