Tổng quan về robot cầu trục và ứng dụng trong công nghiệp
Hiện nay, phân loại sản phẩm là một công đoạn quan trọng trong sản xuất, nhưng việc thực hiện bằng sức người thường gặp khó khăn do yêu cầu cao về sự tập trung và tính lặp lại, dẫn đến khả năng chính xác không đảm bảo Hơn nữa, nhiều yêu cầu phân loại dựa trên các tiêu chí kỹ thuật nhỏ mà mắt thường khó nhận biết, ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng sản phẩm Do đó, việc sử dụng robot (cánh tay máy) để thay thế con người và linh hoạt thích ứng với sự thay đổi trong quy trình công nghệ đã trở thành một giải pháp hiệu quả trong quá trình phân loại.
Trong ngành công nghiệp tự động hóa, các loại robot phổ biến bao gồm robot có khớp nối, robot SCARA và robot gantry Mỗi loại robot này đều sở hữu những đặc điểm riêng nhưng đều có khả năng phục vụ cho hệ thống phân loại trong công nghiệp Nhằm tận dụng robot cầu trục Kestrel có sẵn trong phòng thí nghiệm, nhóm đồ án của chúng tôi đã sử dụng để phát triển hệ thống phân loại sản phẩm.
Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của robot cầu trục Gantry
Robot Gantry, hay còn gọi là robot tọa độ Descartes, là một loại robot công nghiệp với ba trục điều khiển chính di chuyển theo đường thẳng và vuông góc với nhau Ba khớp trượt của robot cho phép di chuyển cổ tay lên xuống, vào ra và tới lui, giúp đơn giản hóa cấu trúc cơ khí của hệ thống điều khiển Các robot kiểu Descartes với thanh ngang hỗ trợ ở cả hai đầu thường được gọi là robot cầu trục Mặc dù chúng có cấu trúc giống như cầu trục, nhưng không được xem là robot thông thường và thường có kích thước khá lớn.
Một ứng dụng phổ biến của robot tọa độ Descartes là trong máy tính điều khiển số (CNC) và in 3D Ứng dụng đơn giản nhất của nó được thấy trong máy phay và máy vẽ, nơi bút hoặc bộ định tuyến di chuyển qua mặt phẳng x-y, trong khi công cụ được nâng lên và hạ xuống để tạo ra thiết kế chính xác Ngoài ra, các máy gắp và đặt cũng hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản của loại robot này.
Tay máy Kestrel
Tay máy Kestrel là một sản phẩm của Feedback Instruments Ltd, là một dạng robot phục vụ giảng dạy về robot trong công nghiệp.
Tay máy Kestrel, với thiết kế dạng cầu trục, được xem là robot lớn nhất trong các sản phẩm phục vụ giảng dạy Robotic và CNC hiện nay.
Hình 1.2 : Hình dạng của robot tay máy Kestrel
Robot Kestrel, giống như các robot khác trong series của Feedback Instruments Ltd, được điều khiển bằng máy tính Phiên bản máy tính hỗ trợ điều khiển là của IBM, chạy hệ điều hành Windows 3.1, với phần mềm điều khiển WALLI for Windows cũng do Feedback Instruments Ltd phát triển.
1.2 Cấu tạo tay máy Kestrel
Robot Kestrel được trang bị bốn trục điều khiển: trục X, Y, Z và trục cổ tay Các trục X, Y, Z sử dụng vít me và động cơ bước để dẫn động, trong khi trục cổ tay kết nối trực tiếp với trục động cơ thông qua khớp nối mềm.
Trục X được gắn cố định trên khung robot, bao gồm hai trục dẫn hướng ở hai bên và một trục dẫn động bằng vít me Chức năng của trục X là di chuyển cơ cấu định vị cho trục Y, trục Z và trục cổ tay.
Trục Y nằm trên cơ cấu định vị chạy dọc theo trục X, có 2 trục dẫn hướng và 1 trục dẫn động.
Trục Z được thiết kế trên cơ cấu định vị, chạy dọc theo trục Y với 4 trục dẫn hướng và 1 trục dẫn động, nhằm tối ưu hóa độ chính xác và ổn định tốc độ của tay máy.
Trục cổ tay gắn trên trục Z thông qua khớp nối mềm, có thể thay đổi được tùy theo đối tượng tải.
Thông số hoạt động của các trục:
- Khối lượng tối đa của tải cho phép: 2 kg
- Tốc độ tối đa cho phép: 120 mm/s
- Độ phân giải Encoder: 22 bit
1.3 Khối lượng công việc cần thực hiện
- Nghiên cứu và tìm hiểu các thành phần cấu tạo của hệ tay máy Kestrel
- Xây dựng thuật toán xử lý ảnh
- Lập trình và cấu hình cho hệ thống điều khiển trực tiếp.
- Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát tay máy trên PC.
CHƯƠNG 2 : NGHIÊN C U, TÌM HI UỨ Ể H ỆSERVO MR-J4 C AỦ
MITSUBISHI 2.1 Giới thiệu về hệ AC servo dùng động cơ PMSM
2.1.1 Giới thiệu cơ bản về hệ AC servo
Trong lĩnh vực tự động hóa sản xuất hiện nay, điều khiển vị trí là một yếu tố thiết yếu, đặc biệt trong các kỹ thuật gia công và lắp ráp Điều khiển vị trí yêu cầu cung cấp một lực cơ học cụ thể trong một khoảng thời gian nhất định để đảm bảo chuyển động chính xác Để đạt được độ chính xác cao trong việc điều khiển vị trí, hệ thống động cơ servo được sử dụng rộng rãi.
Hệ thống servo hoạt động bằng cách sử dụng động cơ servo để tạo ra chuyển động quay Để thay đổi phương pháp chuyển động, người ta trang bị thêm các bộ dẫn động như vít me cho chuyển động tịnh tiến và hộp số cho khuếch đại, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng Để đạt được vị trí mong muốn một cách chính xác, hệ thống cần liên tục so sánh vị trí hiện tại với vị trí đích.
Trong một hệ thống điều khiển servo cơ bản, cần chú ý đến các yếu tố như vận tốc và momen Động cơ servo hoạt động cùng với bộ điều khiển, bộ khuếch đại và bộ mã hóa xung vòng quay Nhiệm vụ của bộ điều khiển là tạo ra xung chứa thông số về tốc độ và vị trí, trong khi bộ khuếch đại chuyển đổi tín hiệu xung đó thành điện áp lớn để điều khiển động cơ servo hoạt động hiệu quả.
2.1.2 Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu a) Cấu trúc động cơ Servo PMSM
Động cơ đồng bộ có khả năng chạy ở tốc độ không đổi, không phụ thuộc vào tải trọng, mang lại hiệu quả cao cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác Đặc tính này xuất phát từ sự tương tác giữa từ trường không đổi do rô tơ tạo ra và từ trường quay do stator tạo ra, với cuộn dây stator được kích thích bởi nguồn điện AC ba pha Rô tơ có thể được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu hoặc nguồn điện DC So với động cơ PMSM, động cơ Servo được trang bị bộ mã hóa để dò vị trí tuyệt đối, giúp tính toán chính xác tốc độ và vị trí hiện tại với độ phân giải lên tới hàng triệu xung/vòng.
Động cơ đồng bộ AC servo PMSM sử dụng dòng điện xoay chiều 3 pha, giúp loại bỏ chổi than như trong động cơ điện một chiều, đồng thời cải thiện khả năng tản nhiệt Nhờ vào thiết kế không có chổi than, động cơ này có khả năng đáp ứng mô men cao trong dải tốc độ lớn và yêu cầu bảo trì thấp, cho phép sử dụng lâu dài mà không cần thay thế linh kiện.
Hình 2.2 : Mặt cắt động cơ AC servo PMSM
Các phương pháp điều khiển tốc độ phổ biến cho động cơ đồng bộ servo bao gồm điều khiển vector (Space Vector Control – FOC) Phương pháp này sử dụng toán học số phức để biểu diễn và phân tích các thành phần điện áp, dòng điện, và từ thông trong stator và rotor của động cơ Từ đó, nó xây dựng mô hình điều khiển tốc độ và dòng điện của động cơ, đảm bảo đáp ứng tiêu chí nhanh chóng, chính xác và không tương tác.
Encoder, hay còn gọi là bộ mã hóa, là một thiết bị cơ điện chuyển đổi chuyển động thành tín hiệu số Nó hoạt động như một cảm biến chuyển động, tạo ra tín hiệu kỹ thuật số phản ứng với chuyển động, giúp đọc được tốc độ và vị trí của động cơ thông qua các xung vuông có tần số thay đổi tùy thuộc vào tốc độ động cơ.
Cấu tạo của Encoder bao gồm :
- 1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động cơ.
- 1 đèn Led dùng làm nguồn phát sáng.
- 1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng.
- Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu.
Hình 2.3 : Cấu tạo encorder quang học
Một bộ mã hóa thường được phân loại theo các phương tiện đầu ra của nó, gồm 2 loại chính: Encoder tuyệt đối và Encoder tương đối
Sự khác biệt chính giữa encoder tuyệt đối và encoder tương đối nằm ở đĩa mã hóa Encoder tuyệt đối sử dụng đĩa mã nhị phân hoặc mã gray, cho phép người dùng nhận tín hiệu chính xác về vị trí mà không cần xử lý thêm Trong khi đó, encoder tương đối sử dụng đĩa chia thành nhiều lỗ đều nhau, nhưng chỉ có 1, 2 hoặc tối đa 3 vòng lỗ, dẫn đến giá thành rẻ và quy trình chế tạo đơn giản Tuy nhiên, nhược điểm của encoder tương đối là dễ bị sai lệch xung khi hoạt động lâu dài, gây tích lũy sai số.
Hình 2.4 : Đĩa mã hóa encorder
Khi Encoder hoạt động, nó sẽ chuyển đổi các chuyển động thành tín hiệu điện Những tín hiệu này sau đó được gửi đến các thiết bị điều khiển PLC, nơi chúng được xử lý để hiển thị các giá trị cần đo đạt thông qua một chương trình chuyên biệt.
Ví dụ: trên đĩa có 1 lỗ duy nhất, khi mỗi lần con mắt thu nhận được 1 tín hiệu đèn Led thì có nghĩa là đĩa đã quay được 1 vòng.
Hình 2.5 : Nguyên lý làm việc của encorder
Nguyên lý điều khiển servo bao gồm các thành phần chính như bộ điều khiển, module định vị, drive, servo, encoder và các cơ cấu chấp hành, giúp điều khiển chuyển động một cách chính xác và hiệu quả.
Hình 2.6 : Nguyên lý làm việc của hệ AC servo đầy đủ
AC servo chủ yếu được cấu hình với 2 thiết bị:
- Bộ khuếch đại servo ( là bộ điều khiển)
- Động cơ servo (là thiết bị dò và dẫn động)
