Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn pptx

Hình 1.1: Quan hệ giữa kỹ thuật robot và Cơ điện tử Sản Tích hợp hệ thống robot Hệ thống Robot công nghiệp Phát triển các hệ thống Cơ Điện tử Các hệ thống con - Các phương pháp xử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ***

BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT PHỤC VỤ SẢN XUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG ĐỘC HẠI VÀ KHÔNG AN TOÀN

PGS TS Lê Hoài Quốc

6147

17/11/2006

TPHCM, tháng 08/2004

Bản quyền 2004 thuộc ĐHBK-ĐHQG HCM

Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gởi đến Hiệu trưởng ĐHBK-ĐHQG HCM trừ trường hợp sử dụng với

mục đích nghiên cứu

BGD&ĐT ĐHBK-ĐHQG HCM

Chương I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP 11

1.1 Các giai đoạn thiết kế và tích hợp hệ thống 11

1.3.2 Robot hoạt động trong không gian Descartes 24

25

1.3.5 Robot với liên kết toàn khớp bản lề 26

1.3.6 Robot lắp ghép từ các mô đun chuyển động 26

1.4 Điều khiển chuyển động 29

40

1.7.1 Bộ mã hóa quang điện tuyệt đối 44 1.7.2 Bộ mã hóa quang điện loại quay 45 1.7.3 Bộ đo chuyển vị góc dạng cảm ứng điện từ 47

Chương 2: CÁC BÀI TOÁN VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN & MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA

CƠ CẤU ROBOT DỰ KIẾN THIẾT KẾ 60

2.2 Bài toán động học và động lực học robot 61

i/ Khảo sát nhóm chuyển động chính với 3 khâu 66 định vị trí (nhóm định vị)

ii/ Khảo sát nhóm 3 khâu định hướng (nhóm định hướng) 68

2.3.1 Mục đích của việc khảo sát bài toán động lực học 70 2.3.2 Khảo sát bài toán động lực học của tay máy nhiều bậc tự do 70

2.4.1 Trên robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần 81

2.4.3 Trên robot SCARA

89

Chương 3: MỘT SỐ PHẦN TỬ TIÊU BIỂU ĐƯỢC ỨNG DỤNG 97

TRÊN HỆ THỐNG ROBOT THIẾT KẾ

3.1.4 Giới thiệu chung về card nội suy PCL-832 114 3.1.5 Bộ điều khiển ứng dụng trong đề tài 124 3.2 Panel lập trình và điều khiển (teach pendant) 128

3.2.2 Một số loại Teach Pendant của Robot Công nghiệp 131 3.2.3 Nguyên lý cấu tạo của panel lập trình và điều khiển – 135 Teach Pendant

3.3 Kết nối hệ thống – tế bào sản xuất tự động với robot 137

3.3.2 Vấn đề truyền thông trên hệ thống sản xuất tự động 143

4.1 Giới thiệu chung 152

4.2.1 Giới thiệu 152 4.2.2 Các tính năng của phần mềm tra cứu robot 153 4.2.3 Cách cập nhật dữ liệu cho phần mềm 167 4.2.4 Hướng phát triển trong tương lai của phần mềm 171 4.3 Phần mềm lập trình - điều khiển robot và phần mềm mô phỏng

4.3.5 Mô phỏng và giám sát hoạt động của robot 189

Chương 5: Giới thiệu các hạng mục robot đã thực hiện trong đề tài 193

5.1 Robot hàn và robot phục vụ cho các quá trình hóa nhiệt luyện 193

5.1.7 Ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất 203

204

5.3 Robot camera crane – phục vụ cho công việc quay phim

208

5.3.2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động 215 5.3.3 Bài toán ngược vị trí cho các chuyển động bù của RCC 217 để bám mục tiêu định trước

5.3.4 Chuyển động bám mục tiêu di động 220

5.4.1 Sơ lược về công nghệ sản xuất sản phẩm PET 224 trên máy ép phun

5.4.2 Một số giải pháp tăng năng suất được áp dụng trên máy ép 227 phun để tạo phôi PET

5.4.3 Tay máy lấy phôi kiểu nằm ngang – giải pháp nâng cao 228 năng suất trên máy ép

5.4.4 Tay máy lấy sản phẩm theo phương đứng, áp dụng trên 232 máy ép nhựa kiểu ép phun

6.1 Về kết quả nghiên cứu ứng dụng của đề tài 236

ii Về phương pháp giải bài toán động lực học tay máy trên cơ sở 237 tách nhóm 3 khâu – Xây dựng phần mềm tính toán và mô phỏng

6.2 Về góc độ phục vụ đào tạo của đề tài 239 6.3 Các sản phẩm cụ thể của đề tài và kết quả ứng dụng thử nghiệm 240 tại cơ sở sản xuất

6.4 Vài suy nghĩ tự đánh giá và kiến nghị 241

- Bản vẽ lắp của một số hạng mục tiêu biểu

- Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng

- Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số

đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu

Đĩa minh họa các hạng mục phần mềm

Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài

Các tập bản vẽ thiết kế của từng hạng mục thiết bị

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN

Chủ nhiệm đề tài

7 Nguyễn Văn Thành KS CK CTM Trường ĐHBK – ĐHQG HCM

8 Nguyễn Đàm Tấn Th.S CKCTM Trường ĐHBK – ĐHQG HCM

10 Phan Trần Hồ Trúc KS ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM

11 Nguyễn Bảo Tuyên KS ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM

14 Nguyễn Quốc Thái KS CNTT Trường ĐHBK – ĐHQG HCM

17 Nguyễn Hoài Nhân KS CK TĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM

19 Bùi Thanh Luân KS CKTĐ Trường ĐHDL KT CN TP HCM

28 Đinh Toàn Thắng KS Xưởng Vũ khí – Bộ đội Biên phòng

ii

Theo ước tính chưa đầy đủ trong báo cáo World Robotics 2003 của tổ chức UNECE thuộc Liên đoàn Robot quốc tế (IRF – International Robot Federation) thì hiện nay trên toàn thế giới có khoảng 770.000 robot đang được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp Trong số đó, 350.000 (chiếm 45,5%) ở Nhật Bản, 233.000 (chiếm 30,3%) ở EU và khoảng 104.000 (chiếm 13,5%) ở Bắc Mỹ Ở Châu Aâu, CHLB Đức dẫn đầu với 105.000 robot, tiếp theo là Italia với 47.000, Pháp 24.000, Tây Ban Nha 18.000 và Anh 14.000

Trong khoảng thời gian suy thoái kinh tế gần đây nhất (từ năm 1997 đến năm 2002) thị trường Robot giảm trung bình 12% – 16% /năm Tuy nhiên nhìn chung mức độ suy giảm trong đầu tư so với các sản phẩm công nghệ cao khác (như máy công cụ CNC bị suy giảm chỉ còn 1/3) vẫn còn khả quan hơn đáng kể

Theo điều tra hàng quý của UNECE/ IFR về doanh số đặt hàng robot công nghiệp của hầu hết các hãng lớn nhất thế giới thì doanh số toàn cầu của năm 2003 tăng 26% so với cùng kỳ năm 2002 Xu thế trong giai đoạn 2003 – 2006 mức tăng trưởng về doanh số trên sản phẩm robot nói chung (trong đó robot công nghiệp chiếm hơn 65%) được dự báo như sau: Bắc Mỹ tăng 35%, Châu Aâu tăng 25%, Châu

Á tăng 18%, các khu vực khác tăng 19%

Những lĩnh vực công nghiệp sử dụng robot nhiều nhất là công nghiệp Ô tô, công nghiệp Điện và Điện tử, công nghiệp Chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực phẩm Những công việc thường được áp dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm và cấp phôi trong các dây chuyền tự động Tính linh hoạt trong vận hành khai thác, khả năng hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, khả năng thay thế con người trong môi trường làm việc độc hại và không an toàn của robot công nghiệp là những yếu tố quyết định của việc áp dụng robot trong các lĩnh vực công nghiệp nói trên

giữa các nhà sản xuất robot trên thế giới đã giúp cho sản phẩm này ngày một hoàn thiện và giá thành ngày càng hạ hơn

Robot được coi như một sản phẩm điển hình của Cơ điện tử, là kết quả tích hợp của các lĩnh vực kỹ thuật như Cơ học và Cơ khí chính xác, Điện – Điện tử, Cảm biến, Điều khiển và Máy tính Trên hình 1.1 thể hiện sự tích hợp các lĩnh vực trên từng bộ phận của robot

Hình 1.1: Quan hệ giữa kỹ thuật robot và Cơ điện tử

Sản

Tích hợp hệ thống robot

Hệ thống Robot công nghiệp

Phát triển các hệ thống Cơ Điện tử

Các hệ thống con

- Các phương pháp xử lý đặc biệt: cắt bằng laser, tia nước,…

- Gia công cơ

- Lắp ráp

- Cấp phôi

- Đo, thử nghiệm, kiểm tra

- Huấn luyện, đào tạo

- Nghiên cứu và thiết kế các bộ phận

tác động cuối: hàn, gắp kẹp, …

Thiết bị ngoại vi

Cơ cấu tay máy

Bộ tác động cuối:

bộ phận gắp kẹp,

công cụ gia công

Các phần tử, bộ phận chi tiết

Các bộ phận giao tiếp Người – Máy

Các khớp, trục quay của robot

Cảm biến Bộ điều khiển

PC based

Mạch lái và điều

khiển công suất

Nghiên cứu cơ bản

Công nghệ

Xử lý thông tin Vi điện tử và điện tử công suất

Thu nhận, xử lý và truyền Lựa chọn và sử dụng hợp

tín hiệu từ các cảm biến lý vật liệu cho từng bộ phận

iv

• Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và các phương pháp điều khiển thích hợp trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến và xây dựng các giải pháp phần

cứng cũng như phần mềm để áp dụng trong việc thiết kế và chế tạo các robot làm việc trong các môi trường độc hại và không an toàn cho người công nhân nhằm

làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, áp dụng vào sản xuất ở một số đơn vị có nhu cầu và có tính tiêu biểu trong nước để thay thế người công nhân làm việc trong môi trường không thân thiện nhằm đạt được năng suất cao hơn, an toàn và tin cậy hơn trong quá trình hoạt động của cả hệ thống thiết bị hiện hữu với chất lượng sản phẩm ổn định và sau đó tìm kiếm khả năng mở rộng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cũng như trong sinh hoạt trong nước với giá thành thấp

Mục tiêu của đề tài này được thể hiện trên các sản phẩm cụ thể đã đăng ký Trong Báo cáo tổng kết, mục tiêu nghiên cứu được thể hiện trong các nội dung chính như sau:

- Xây dựng cơ sở lý luận về phương pháp thiết kế, phương pháp tính toán động học, động lực học và các phần tử cơ bản để tích hợp hệ thống robot, được thể hiện ở các chương I, II và III

- Các kết quả thực hiện của đề tài về các hạng mục phần mềm và các sản phẩm robot được thể hiện trên các chương IV và V

Đề tài KC.03.02 – “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot phục vụ sản xuất

trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn”, như tên gọi của nó, nhằm

nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các robot công nghiệp có tính chuyên biệt, tiêu biểu để phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại hoặc/và không an toàn, bao gồm 5 hạng mục sản phẩm:

- Robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần

- Robot hàn

- Tay máy phục vụ trong dây chuyền sản xuất đạn, thuốc nổ

- Tay máy lấy sản phẩm phôi PET trên máy ép nhựa

và 3 hạng mục phần mềm là:

- Phần mềm tra cứu về robot

- Phần mềm lập trình và điều khiển robot

- Phần mềm mô phỏng hoạt động của robot

Bên cạnh quá trình nói trên, khi triển khai thực hiện những nhiệm vụ được thể

hiện ở các hạng mục nội dung của đề tài này, việc nghiên cứu xây dựng phương

pháp luận trong thiết kế robot và đưa các sản phẩm nghiên cứu đến những nơi ứng dụng để thu nhận những kết quả đánh giá từ thực tế sản xuất nhằm hoàn thiện sản

phẩm nghiên cứu được đặc biệt quan tâm

Nhóm nghiên cứu hy vọng qua việc thực hiện đề tài nghiên cứu này có thể đóng góp phần nào về phương pháp luận, về các kết quả ứng dụng trong thực tế sản xuất, cũng như trong việc nghiên cứu, giảng dạy và ứng dụng robot trong nước, nhằm góp phần xây dựng năng lực nội sinh trong lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot để có thể đáp ứng bước đầu về nhu cầu tự động hóa công nghiệp ở nước ta

Báo cáo tổng kết này tập trung trình bày các vấn đề có liên quan đến phương pháp luận – gồm những nội dung liên quan đến những vấn đề về quan điểm nghiên cứu thiết kế, các vấn đề liên quan đến cơ sở phương pháp tính toán thiết kế, giới thiệu các phần tử trong hệ thống robot và vấn đề khai thác sử dụng robot trong công nghiệp thể hiện ở mối liên kệ kết nối điều khiển phối hợp giữa robot với các thiết bị

ngoại vi khác trong hệ thống Vì vậy, trong báo cáo này không trình bày những vấn

đề hiển nhiên có liên quan đến quá trình thực hiện nhưng là những công việc của kỹ

sư như tính toán thiết kế chi tiết máy, tính bền,…

Theo quan điểm đó, nội dung trình bày trong báo cáo tổng kết được cụ thể hóa ở các chương sau:

vi

- Chương 2: Các bài toán động học và động lực học robot Xây dựng

chương trình tính toán và mô phỏng trên MATLAB các đặc điểm động học và động lực học của cơ cấu robot dự kiến thiết kế

- Chương 3: Giới thiệu các phần tử tiêu biểu được nghiên cứu, tthiết kế, tích

hợp và ứng dụng trên hệ thống robot: bộ điều khiển PC based, panel hỗ trợ lập trình và điều khiển

- Chương 4: Giới thiệu các hạng mục phần mềm đã thực hiện

- Chương 5: Giới thiệu và minh họa các hạng mục robot trong đề tài:

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động, đặc điểm kỹ thuật của từng hạng mục, thiết bị, hình ảnh các sản phẩm tiêu biểu của đề tài Giới thiệu và minh họa các hạng mục phần mềm

- Chương 6: Kết quả đạt được và kiến nghị

- Tài liệu tham khảo

- Phần phụ lục

i Chương trình MATLAB: Tính toán và điều khiển theo mô men

ii Bản vẽ lắp của các hạng mục sản phẩm robot của đề tài

iii Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng

iv Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu

v Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài

vi Đĩa CD ROM minh họa các hạng mục phần mềm

vii Tập bản vẽ thiết kế và đĩa CD ROM trình bày các bản vẽ thiết kế chi tiết và cụm chi tiết của các robot

MỤC LỤC

Danh sách những người tham gia thực hiện đề tài i

Chương I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1

1.1 Các giai đoạn thiết kế và tích hợp hệ thống 1

1.3.2 Robot hoạt động trong không gian Descartes 14

15

1.3.5 Robot với liên kết toàn khớp bản lề 16

1.3.6 Robot lắp ghép từ các mô đun chuyển động 16

1.4 Điều khiển chuyển động 19

viii

1.5.3.2 Truyền chuyển động quay

31

1.7.3 Bộ đo chuyển vị góc dạng cảm ứng điện từ 38

Chương 2: CÁC BÀI TOÁN VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN & MÔ PHỎNG

CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA

2.2 Bài toán động học và động lực học Tay máy 52

2.3 Bài toán động lực học 65 2.3.1 Mục đích của việc khảo sát bài toán động lực học 65

2.3.2 Khảo sát bài toán động lực học của Tay máy nhiều bậc tự do 65

2.4.1.2 Nội suy theo kiểu hàm tuyến tính kết hợp với parabolic 76

2.4.1.3 Nội suy quỹ đạo theo thời gian nhỏ nhất 79 2.4.2 Tính toán và điều khiển theo mô men 81

2.4.2.1 Đạo hàm của vòng hồi tiếp trong 82

2.4.3 Các loại điều khiển tương tự tính toán và điều khiển mô men 96

2.4.3.1 Sai số động lực học với luật điều khiển gần đúng 97

2.4.3.3 Điều khiển khớp theo cách cổ điển 102

2.4.4 Áp dụng Matlab để khảo sát các bài toán cụ thể 108

x

119

Chương 3: MỘT SỐ PHẦN TỬ TIÊU BIỂU ĐƯỢC ỨNG DỤNG

3.1.4 Giới thiệu chung về card nội suy PCL-832 143

3.1.5 Bộ điều khiển ứng dụng trong đề tài 152 3.2 Panel lập trình và điều khiển (teach pendant) 156

3.2.2 Một số loại Teach Pendant của Robot Công nghiệp 159

3.2.3 Nguyên lý cấu tạo của panel lập trình và điều khiển – 163 Teach Pendant

3.3 Kết nối hệ thống – tế bào sản xuất tự động với robot 165

3.3.2 Vấn đề truyền thông trên hệ thống sản xuất tự động 171

4.2.2 Các tính năng của phần mềm tra cứu robot 180

4.2.4 Hướng phát triển trong tương lai của phần mềm 198 4.3 Phần mềm lập trình - điều khiển robot và phần mềm mô phỏng

4.3.5 Mô phỏng và giám sát hoạt động của robot 215

CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU CÁC HẠNG MỤC ROBOT ĐÃ

5.1 Robot hàn và robot phục vụ cho các quá trình hóa nhiệt luyện 219

230

xii

234

5.3.3 Bài toán ngược vị trí cho các chuyển động bù của RCC 242 để bám mục tiêu định trước

5.4.1 Sơ lược về công nghệ sản xuất sản phẩm PET 250 trên máy ép phun

5.4.2 Một số giải pháp tăng năng suất được áp dụng trên máy ép 253 phun để tạo phôi PET

5.4.3 Tay máy lấy phôi kiểu nằm ngang – giải pháp nâng cao 254 năng suất trên máy ép

5.4.4 Tay máy lấy sản phẩm theo phương đứng, áp dụng trên 259 máy ép nhựa kiểu ép phun

6.1 Về kết quả nghiên cứu ứng dụng của đề tài 263

ii Về phương pháp giải bài toán động lực học tay máy trên cơ sở 264 tách nhóm 3 khâu – Xây dựng chương trình phần mềm tính toán và mô

phỏng kết quả

iii Về thiết kế, tích hợp một số phần tử quan trọng của hệ thống 265 điều khiển robot: bộ điều khiển PC based và Teach pendant

iv Xây dựng phần mềm lập trình – điều khiển và mô phỏng 266 hoạt động của robot

6.3 Các sản phẩm cụ thể của đề tài và kết quả ứng dụng thử nghiệm 267 tại cơ sở sản xuất

- Chương trình MATLAB: Tính toán và điều khiển theo mô men

- Bản vẽ lắp của các hạng mục sản phẩm của đề tài

- Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng

- Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số

đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu

- Biên bản nghiệm thu kết quả thực hiện của nhánh đề tài

-

Kèm theo phần Phụ lục của báo cáo tổng kết này còn có các tài liệu sau:

1 Đĩa CD ROM minh họa các hạng mục phần mềm

2 Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài

3 Các tập bản vẽ thiết kế và dĩa CD ROM các bản vẽ chi tiết của từng hạng mục

sản phẩm

xiv

BẢNG CHÚ GIẢI CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A/D converters Analog to digital converters – ADC Bộ chuyển đổi tương tự – số

AC servo motor Alternative Current servo motor Động cơ servo xoay chiều

CAD Computer – Aided Design Thiết kế với sự trợ giúp của

máy tính

CAM Computer – Aided Manufacturing Sản xuất / gia công với sự trợ

giúp của máy tính

Manufacturing Sản xuất trên cơ sở điều khiển tích hợp nhờ máy tính

CNC Computer Numerical Control Điều khiển theo chương trình số

D/A converters Digital to analog converters – DAC Bộ chuyển đổi số – tương tự

DC servo motor Direct Current servo motor Động cơ servo một chiều

DH matrix Denavitz – Hartenberg matrix Ma trận Denavitz –

Hartenberg sử dụng trong phương pháp tọa độ thuần nhất

EEPROM Electronic EPROM Bộ nhớ ROM có thể đọc và

ghi bằng tín hiệu điện

từ máy gửi đến máy nhận

FMS Flexible Manufacturing Systems Các hệ thống sản xuất linh

hoạt

HMI Human – Machine Interface Giao tiếp giữa người điều

khiển và máy

IRF International Robot Federation Liên đoàn robot quốc tế

ISO International Standards Organization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế

PC – based

Controller

Personal Computer - based Controller Bộ điều khiển có cấu tạo trên cơ sở của máy vi tính

PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển khả lập trình

tạo và tính năng như robot

SCADA Supervisory Control And Data

Acquisition Điều khiển giám sát và thu nhận dữ liệu

SCARA Selective Compliance Articulated

Robot Arm/Actuator Dạng robot với liên kết có bù trừ chuyển động của khớp

bản lề thường dùng trong công việc lắp ráp

SCR Silicon Controlled Rectifiers

KÝ HIỆU

q& Vận tốc suy rộng

q&& Gia tốc suy rộng

Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn

1

CHƯƠNG 1

KHẢO SÁT NHU CẦU ỨNG DỤNG ROBOT PHỤC VỤ SẢN XUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG ĐỘC HẠI VÀ KHÔNG AN TOÀN

I MỤC ĐÍCH CỦA KHẢO SÁT

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot để thay thế người làm việc trong mơi trường độc hại, khơng an tồn Theo hướng này chúng tơi đã khảo sát nhu cầu sử dụng robot ở một số cơ sở thuộc các lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí, cơng nghiệp chế tạo tàu thuỷ, cơng nghiệp quốc phịng và một vài lĩnh vực khác như thăm dị và khai thác biển, robot dùng trong an ninh Quá trình khảo sát được thực hiện trên cơ sở tìm hiểu thực tế sản xuất và thông qua trao đổi trực tiếp với cơ sở sản xuất Mặc dù không tiến hành những khảo sát thăm dò quy mô mang tính chuyên nghiệp thể hiện qua các bảng câu hỏi và trả lời (kiểu Questionaire), tuy nhiên, những thông tin thu nhận được thông qua tham quan thực tế sản xuất và những ghi nhận được từ môi trường sản xuất thực tế đủ để minh chứng nhu cầu có thực trong sản xuất, làm chỗ dựa vững chắc cho việc định hướng các hạng mục sản phẩm sẽ thực hiện trong đề tài nghiên cứu

II CÁC LĨNH VỰC SẢN XUẤT CĨ NHU CẦU TRANG BỊ ROBOT

2.1 Trong sản xuất vật liệu xây dựng

Hiện nay nước ta cĩ khoảng 500 dây chuyền sản xuất gạch theo cơng nghệ này với cơng suất trung bình mỗi dây chuyền khoảng 20-30 triệu viên/ năm Ở đây cĩ cơng đoạn nghiền than thành bột (để trộn với đất theo tỉ lệ nhất định) và khâu cấp than từ nĩc lị cho

lị nung liên tục kiểu tuy nen cĩ mơi trường độc hại do bụi bẩn, khí độc và nhiệt độ cao (Đã

Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường 2

nghiên cứu úng dụng robot trong dây chuyền sản xuất gạch theo cơng nghệ nung liên tục bằng lị kiểu tuy nen) Chúng tơi đã chế tạo robot cho dây chuyền nghiền than tại Cơng ty gốm xây dựng Hạ Long vào năm 2000 Cơng đoạn cấp than cho lị luyện cốc tại nhà máy Cốc hố thuộc Cơng ty gang thép Thái Nguyên là một điển hình về mơi trường độc hại Cơng nhân phải thường xuyên trực tiếp làm việc trong mơi trường cĩ nhiều loại khí thải độc hại, khĩi bụi và nhiệt độ cao, sức khoẻ giảm sút nhanh Những người làm việc liên tục

ở đây 15 năm là phải nghỉ hưu và ít người sống được 10 năm sau nghỉ hưu Chúng tơi đã nghiên cứu thử nghiệm phương án sử dụng robot cho khâu cấp liệu (than) từ phía đỉnh lị

và đề xuất phương án sử dụng robot ở một số khâu khác thuộc cơng ty gang thép Thái Nguyên

Một trường hợp ứng dụng robot bốc xếp khác phục vụ thay thế người công nhân là giai đoạn lấy và sắp xếp sản phẩm trong dây chuyển sản xuất kính ở nhà máy VIGLACERA thuộc Bộ Công nghiệp tại Khu Công nghiệp Tân Đông Hiệp (Bình Dương) cũng là moat nhu cầu nhằm tự động hóa khép kín quy trình sản xuất loại vật liệu có nhu cầu cao trong lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng

2.2 Trong cơng đoạn đúc kim loại ở các nhà máy Cơ khí và luyện kim cĩ thể sử dụng robot ở các khâu rĩt kim loại và tháo dỡ khuơn là những khâu nặng nhọc, và dễ gây tai

nạn do bỏng và bụi bẩn Các khâu xử lí bề mặt sản phẩm như và các cơng đoạn nhiệt luyện như tơi trên các máy tơi cao tần, tơi trong lị buồng, bể muối, xi mạ, nhuộm đen,

sơn,… là những khâu sản xuất độc hại do mơi trường hố chất cũng là những nơi có nhu cầu cao về sử dụng robot

Qua các thông tin ghi nhận được nêu trên, có thể sử dụng các robot vạn năng (Universal Robot) 6 bậc tự do kết hợp với chuyển động tịnh tiến của đế robot trên đường ray nhằm đáp ứng yêu cầu thay thế người công nhan trong các môi trường sản xuất này Riêng trường hợp cần tẩy sạch sản phẩm trong các bể chứa dung dịch a-xít

Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn

3

của quy trình xi mạ các chi tiết lớn, có thể sử dụng kiểu robot dạng cổng trục (Robocrane dạng Gantry Robot hay Cartesian Robot) được lập trình theo yêu cầu công nghệ của quá trình tẩy, xi ma,… để có thể đáp ứng yêu cầu đặt ra

động hố Hàn và cắt kim loại là cơng nghệ chiếm tỉ trọng lớn trong chế tạo tàu thuỷ và

cĩ ý nghĩa quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm Nhu cầu sử dụng robot hàn, cắt là sản phẩm của đề tài và đề xuất một số phương án ứng dụng robot trong một số công đoạn hàn vỏ tàu của tàu thuỷ Trong giai đoạn trước mắt, ở đề tài này, chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế robot hàn loại tĩnh tại nhằm đáp ứng cho nhu cầu hàn, cắt một số chi tiết của vỏ tàu thủy Trong giai đoạn sắp tới, sau đề tài này, sẽ tiếp tục nghiên cứu chế tạo các dạng robot tự hành trên đường ray, có khả năng nhận dạng vết hàn để hàn các đoạn thân tàu

2.4 Trong cơng nghiệp quốc phịng - bảo đảm an tồn về cháy nổ trong sản xuất tránh

những tai nạn chết người là điều được đặc biệt quan tâm trong cơng nghiệp quốc phịng Chỉ một sai sĩt nhỏ cũng cĩ thể gây tai hại làm tổn thất lớn về tính mạng và tài sản Các robot dùng trong an ninh, quốc phịng cũng cĩ nhiều nội dung phong phú cần được quan tâm Một hạng mục sản phẩm của đề tài này sẽ được ứng dụng thử nghiệm trong công đoạn sản xuất quả đạn cối 81 ly tại Xưởng sửa chữa vũ khí thuộc Bộ đội Biên phòng

Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường 4

2.5 Trong khảo sát, thăm dị và khai thác biển dự báo sẽ được quan tâm nhiều vào những năm tới Nhu cầu sử dụng robot thay thế người làm việc dưới nước sâu sẽ là rất lớn vì khả năng lặn sâu của người rất hạn chế, thơng thường vào khoảng 20 m Những phác thảo về robot làm việc dưới nước sâu đã được chúng tơi đề cập từ vài năm trước

2.6 Trong cơng nghiệp sản xuất nhựa nĩi chung và sản xuất phơi (form) cho chai nhựa PET Nhu cầu tăng năng suất và bảo đảm chất lượng sản phẩm ổn định trên cơ sở

sử dụng các Tay máy lấy sản phẩm, đưa quá trình làm nguội trong khuơn ra ngồi để rút ngắn chu kỳ ép của máy ép nhựa Do hiệu quả mang lại rất cao trong việc tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm, trong lĩnh vực này đã có một số nhà sản xuất trong nước nhập các tay máy lấy sản phẩm từ nước ngoài như Công ty Bavico (Bình Dương), Công ty Ngọc Nghĩa (Khu công nghiệp Tân Bình – TP HCM) nhập Tay máy của hãng HUSKY (Canada) với chi phí rất cao Hạng mục sản phẩm này được quan tâm trong đề tài nhằm làm chủ công nghệ và hướng đến chuyển giao cho nhiều nhà sản xuất nhựa trong nước với giá thành thấp, chủ động trong bảo trì, khai thác

III NHU CẦU CĨ TÍNH CẤP BÁCH Ở CÁC KHU VỰC

Qua các phân tích dựa trên kết quả khảo sát nêu trên, có thể tóm tắt nhu cầu sử dụng robot trong các môi trường độc hại và không an toàn ở các khu vực trong nước như dưới đây:

3.1 Khu vực Phía Bắc

• Sản xuất vật liệu xây dựng và khai thác mỏ

• Đĩng tàu: hàn, sơn, phun phủ

Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn

5

• Cơng nghiệp quốc phịng: dây chuyển sản xuất quả đạn pháo, đặt chất gởi

nỗ vào quả đạn,…

3.2 Khu vực Phía Nam

– Nhu cầu có tính cấp bách được quan tâm trong các lĩnh vực sản xuất sau:

• Đĩng tàu: các khâu hàn vỏ, phun cát, sơn

• Sản xuất nhựa

• Sản xuất sành sứ, thủy tinh

• Chế biến gỗ xuất khẩu: khâu sơn tĩnh điện

• Sản xuất sản phẩm kim khí phục vụ xuất khẩu: hàn, sơn

Bên cạnh đó, trong lĩnh vực quay phim ở các Đài truyền hình, nhu cầu trang bị

các cần cẩu quay phim (Boom) có các chức năng hoạt động tự động theo chương trình lập trước như một robot với các chức năng hỗ trợ cho quá trình quay phim như bù

chuyển động và bám mục tiêu làm cơ sở ban đầu để nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật phim trường ảo cũng là một nhu cầu có tính cấp bách của Đài truyền hình Việt Nam và các Đài truyền hình địa phương Trên cơ sở nhu cầu này và những nội dung nghiên cứu phong phú, liên quan đến kỹ thuật robot, do đó chúng tôi cũng đặt ra nhiệm vụ nghiên

cứu chế tạo loại robocrane đặc biệt này trong đề tài

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 CÁC GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG

Quá trình lập kế hoạch để chế tạo và phát triển các vấn đề có liên quan

trong việc áp dụng robot vào sản xuất, cũng giống như các sản phẩm kỹ thuật

khác, là một quá trình có tính trình tự với các bước (hay các giai đoạn) phải giải

quyết bao gồm từ việc xác định mục tiêu ứng dụng, nhiệm vụ thiết kế, các phương

pháp và công cụ sử dụng trong các bước thiết kế, chế tạo, tích hợp hệ thống cụ

thể, hình thành sản phẩm, thử nghiệm, hiệu chỉnh và đưa vào sử dụng Hình 1.2

trình bày quá trình thiết kế và tích hợp robot công nghiệp

Những yếu tố phát triển Kết quả trung gian Công việc thiết kế robot Kết quả thiết kế

Ý tưởng hình thành sản phẩm

- Hiệu quả thời gian

Xác định đặc điểm chức năng

- Tiếp thị Xây dựng ý tưởng về hệ

thống sẽ hình thành

- Thuận lợi trong việc thực

hiện các đặc điểm kỹ thuật

Xác định các đặc điểm kỹ thuật cơ bản của robot

- Yếu tố cạnh tranh thể hiện

ở khả năng đáp ứng yêu cầu

của khách hàng

Tạo mẫu

- Hiệu quả tiết kiệm chi phí Sản xuất thử sản phẩm

- Yếu tố đổi mới, sáng kiến Sản xuất hàng loạt

Hình 1.2: Quá trình thiết kế robot công nghiệp

Thiết kế chi tiết và đánh giá thiết kế

Nghiên cứu sản phẩm và thị trường

Xác định sản phẩm và lập kế hoạch thực hiện Thiết kế sản phẩm với các chức năng định rõ

Thiết kế phần cứng,phần mềm, chế tạo và tích hợp hệ thống

Hiệu chỉnh thiết kế / Thiết kế lại

Thử nghiệm loạt lớn, thiết kế lại sản phẩm

Thiết kế hệ thống

Kế hoạch thiết kế và định hình sản phẩm

Phân tích hệ thống

Thiết kế lại hệ thống

Sản phẩm Robot

Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 7

Trong quá trình thiết kế hệ thống robot có các giai đoạn quan trọng và rất tiêu biểu như sau:

- Giai đoạn lập kế hoạch cho sản phẩm bao gồm tất cả các bước từ ý tưởng

thiết kế sản phẩm cho đến đặc điểm kỹ thuật của một sản phẩm sơ khai bao hàm tất cả các thông tin cơ bản của một robot như không gian làm việc, số bậc

tự do cần thiết, cấu tạo các khớp, tải trọng nâng, độ chính xác định vị, độ chính xác lặp lại vị trí, chi phí dự kiến, số lượng sản phẩm, thời gian thực hiện,…

- Giai đoạn thiết kế và phân tích hệ thống bao gồm việc xác định những đặc

điểm kỹ thuật theo chức năng làm việc dự kiến thỏa mãn mục đích sử dụng,

phân tích và lựa chọn phương án thiết kế thỏa mãn các yêu cầu kinh tế và kỹ thuật đặt ra, thiết kế chi tiết phần cơ, phần cứng và xây dựng phần mềm tương ứng phục vụ cho việc lập trình và điều khiển robot cũng như lập các tài liệu kỹ thuật với đầy đủ các thông tin cho người chế tạo, lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng robot trong quá trình sử dụng, khai thác Quá trình thiết kế chỉ kết thúc

với việc thẩm định hoạt động của robot thông qua thực nghiệm trên robot mẫu

để hoàn chỉnh thiết kế và rút kinh nghiệm cho quá trình triển khai chế tạo hàng loạt về sau

- Giai đoạn thiết kế lại hệ thống bao gồm các công việc hiệu chỉnh và hoàn

thiện dựa trên cơ sở phát hiện những chỗ còn thiếu sót trong thiết kế ban đầu Hình 1.3 chỉ ra một mô hình kỹ thuật tổng quát của giai đoạn thiết kế theo

phương pháp kỹ thuật hệ thống của Daenzer và Huber, 1994

Hình 1.3: Mô hình kỹ thuật tổng quát của các giai đoạn thiết kế

Mô hình quá trình thiết kế

Kiến thức và các kỹ thuật về

hệ thống và quản lý dự án

Kiến thức và các kỹ thuật về

phân tích hệ thống công việc

Mô hình các nhiệm vụ

Phân tích và phát triển hệ thống Giải pháp

Chế tạo robot mẫu

Nhiệm vụ

Triển khai chế tạo

một ro bot Phân tích chức năng Thiết kế hệ thống robot

Mô hình hệ thống robot Kiến thức và các kỹ thuật

về thiết kế hệ

á

Ở mô hình này, việc phân tích và phát triển hệ thống bao gồm hai phương

pháp và ba mô hình Công việc này trợ giúp cho người kỹ sư cả trong quá trình

phân tích chức năng và thiết kế hệ thống robot Trong đó, công việc phân tích

chức năng nhằm chỉ ra tất cả các chức năng hoạt động, các yêu cầu tự động hóa

thoả mãn phù hợp với môi trường hoạt động căn cứ vào nhiệm vụ đặt ra ban đầu cho robot Công việc này góp phần quyết định để hình thành các đặc điểm kỹ thuật của thiết bị tạo ra như cấu tạo, kiểu dáng, phương thức điều khiển,…

I.2 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

Ngày nay việc thiết kế robot thường được đặt ra theo hướng thiết kế robot

chuyên dùng cho một công việc trong một môi trường hoạt động cụ thể nào đó

Việc thiết kế robot chuyên dùng có tác động trực tiếp đến mọi mục tiêu nghiên cứu và phát triển tiếp theo Trong quá khứ, ở giai đoạn phát triển ban đầu của công nghiệp chế tạo robot, các loại robot vạn năng hoặc robot có nhiều công dụng là mục tiêu chính của thiết kế robot Tuy nhiên, khi số lượng những công việc chuyên biệt trong sản xuất công nghiệp ngày càng gia tăng, đặt ra yêu cầu phải sản xuất các robot có tính chuyên dùng ngày càng cao nhằm mục tiêu tăng tốc độ và độ linh hoạt trong từng công việc cụ thể và hạ giá thành Hình 1.4 và 1.5 dưới đây thể hiện các dạng robot sử dụng cho những mục đích công việc khác nhau

Hình 1.4: Một số mẫu robot chuyên dùng (theo tư liệu của Reis Robotics, ABB

Flexible Automation, CMB Automation)

Robot vạn năng Reis RV6 Robot bốc dỡ ABB Modular Robot CMB Robot nạp xăng IPA

- Thiết kế cho các áp dụng chuẩn

- Sản phẩm thay đổi theo tải trọng

nâng, độ linh hoạt, vùng không

gian hoạt động

- Sử dụng các linh kiện theo yêu

cầu của khách hàng

- Số lượng sản xuất: hàng loạt

- Thiết kế theo yêu cầu sử dụng định trước

- Có các chức năng điều khiển tích hợp của workcell

- Có thể định trước cấu hình

của workcell

- Số lượng sản xuất: loạt vừa

- Thiết kế cho mục đích sử dụng đặc biệt

- Tích hợp từ các mô đun tiêu chuẩn

- Phù hợp với công việc bốc xếp vật liệu

- Sản xuất đơn chiếc

- Thiết kế cho nhiệm vụ chuyên biệt

- Không sử dụng trong khu vực sản xuất

- Cấu trúc động học theo

yêu cầu của công việc

- Sản xuất theo yêu cầu của khách hàng

CÁC DẠNG ROBOT CHUYÊN DÙNG

ROBOT VẠN NĂNG ROBOT CHUYÊN

DÙNG

MÔ ĐUN CHUYÊN DÙNG ROBOT THIẾT KẾ THEO

YÊU CẦU CỦA KHÁCH HÀNG

Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 9

1.2.1 Phân tích chức năng

Để đi đến việc xác định về cấu tạo hình học, cấu tạo động học và kết cấu cơ khí của robot, mặc dù có thể mới ở giai đoạn hình thành ý tưởng thiết kế, ta nhận thấy nhiều yêu cầu có thể là hiển nhiên hoặc đã được xác định từ trước

Tuy nhiên trong quá trình phân tích chức năng một cách có hệ thống ta có thể

nhận ra một số thông số thiết kế trọng tâm phải được xem xét và hiệu chỉnh lại Việc phân tích này thường tập trung vào đặc điểm của đối tượng mà robot phải tương tác (như gắp kẹp, di chuyển đối tượng hoặc phối hợp hoạt động với các máy khác trong hệ thống sản xuất tự động, …) hoặc dựa trên sự phân tích công việc mà robot phải đảm trách như hàn, sơn, … Việc phân tích chức năng theo

cách tiếp cận loại suy trình tự (Top – Down Method) cho phép người thiết kế

Hình 1.5: Một số mẫu robot chuyên dùng (theo tư liệu của FANUC

Robotics, CLOOS,

- Vùng KG hoạt động lớn

- Tốc độ cao

- Gia tốc lớn

- Mặt đế tựa bé

- 4 hoặc 5 bậc tự do

- Tốc độ cao

- Độ chính xác cao

- Trang bị cảm biến để phát hiện sản phẩm, kiểm tra chất lượng sản phẩm

- 4 - 6 bậc tự do

- Giao tiếp với thiết bị hàn

- Trang bị cảm biến để bám theo đường hàn

- Tải trọng bé

- 6 bậc tự do

- Độ linh hoạt cao

- Tốc độ cao

- Chống nổ

- 5 hoặc 6 bậc tự do

- Lập trình off-line được

- Có chức năng điều khiển quá trình

Đo và kiểm tra chất lượng SP Tự động hóa công việc trong PTN Vận chuyển, bốc xếp SP dập, rèn Gia công cơ

- Độ chính xác cao

- Sử dụng cảm biến xúc giác

và camera

- Độ linh hoạt cao

- 5 hoặc 6 bậc tự do

- Dễ lập trình

- Giá thành thấp

- Lắp đặt trên bàn

- 3 - 5 bậc tự do

- Tải trọng nâng hạn chế

- Tải trọng nâng lớn

- Trọng lượng lớn

- Tác động nhanh

- 4 - 6 bậc tự do

- Sử dụng đối trọng để cân

- Độ cứng vững cao

- Độ chính xác định vị cao

- Trang bị cảm biến xúc giác,

camera

- 6 bậc tự do

nhận ra những vấn đề không phù hợp trong ý tưởng thiết kế ban đầu Qua các bước phân tích ta có thể nhận ra một tác vụ định trước nào đó không thể thực hiện được hoặc cần phải sửa đổi cho phù hợp hơn nữa Trọng tâm của việc mô

tả các chức năng/nhiệm vụ của các tác vụ là phân tích về hình học, chuyển động và lực tác động, công cụ hoặc các thiết bị tương tác với robot từ môi trường hoạt động và các khả năng phản hồi, giám sát trực tuyến nhờ cảm biến

Việc xác định phương thức thực hiện cũng như độ lớn của dịch chuyển của

các khâu trong quá trình chuyển động để thực hiện các tác vụ theo mục tiêu đặt

ra sẽ dẫn tới việc xác định cấu tạo hình học, cấu tạo động học, kết cấu động học truyền dẫn và các đặc điểm động lực học đóng vai trò trọng tâm trong quá trình thiết kế robot Hình 1.6 trình bày một mô hình phân tích để xem xét các khả năng thực thi của robot thiết kế Bảng 1.1 là một mẫu trình bày các phân tích chức năng tiêu chuẩn Ở bảng này ta nhận thấy yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất

đến độ phức tạp của robot không chỉ là khả năng công nghệ mà còn là giá

thành Độ phức tạp này thể hiện ở số bậc tự do hay bậc chuyển động của robot,

quỹ đạo chuyển động mà bộ phận tác động cuối của robot phải thực hiện Kết quả của quá trình phân tích chức năng/nhiệm vụ được trình bày trên một

bảng các chỉ tiêu được lượng hóa với các mục chính như:

- Các tiêu chuẩn khẳng định phải đạt được

- Các tiêu chuẩn cố gắng đạt

- Các chỉ tiêu hy vọng đạt được

Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 11

Thực hiện tác vụ bằng tay hoặc cơ khí hóa

Chất lượng Chi phí Độ linh hoạt

- Kiến thức

- Độ khéo léo trong chuyển động

- Độ khéo léo trong nhận thức

- Hình học

- Chức năng

- Chi phí

Cảm biến

- các đặc tính hình học

- các đặc tính cơ khí

Hoạch định và điều khiển chuyển động

- Với sự trợ giúp của cảm biến - Không có sự trợ giúp của cảm biến

Các

thông

số:

- Hệ tọa độ gốc, quỹ đạo

- Không gian hoạt động

- Số bậc tự do tối thiểu

- Hướng chuyển động thích hợp

- Dung sai cho phép

- Ràng buột hình học

- Tốc độ chuyển động

- Gia tốc

- Thời gian xác lập

- Dạng chuyển động

- Lực, mô men

- Lực tác động trên khâu cuối

- Trọng lượng của đối tượng

thao tác

Hình 1.6: Mô hình nhiệm vụ của giai đoạn phân tích chức năng của robot

Bảng 1.1: Các tiêu chuẩn về chức năng và khả năng thực hiện cơ bản của một robot

Tiêu chuẩn Đặc điểm thể hiện

Khả năng tải - Trọng lượng, quán tính của đối tượng tác động và bộ phận tác

động - Yêu cầu về mức độ linh hoạt trong chuyển động của bộ phận tác động cuối

- Số bậc tự do của các thiết bị phối hợp bên ngoài

Đối tượng tác động và

công cụ trang bị trên bộ

phận tác động cuối của

robot

- Kích cỡ của đối tượng/chi tiết

- Loại công cụ trang bị trên bộ phận tác động cuối: đầu hàn, hàm kẹp, đá mài,…

- Cách giao tiếp truyền thông với robot

Đặc điểm của tác vụ - Thay đổi từ gắp kẹp sang gia công

Công cu

Đối tượng

Ngoai vi

Hệ thống tham chiếu

Môi trường

Hệ thống công việc

Phân tích công việc

Lượng hóa

Yêu cầu của tác vu

- Dạng hình học của đối tượng/chi tiết Khả năng tiếp cận của bộ phận tác động cuối với đối tượng/chi tiết

- Dung sai kích thước của chi tiết/đối tượng thao tác

- Dừng và định vị qua các điểm trung gian hay liên tục

- Vận tốc, gia tốc dịch chuyển của bộ phận tác động cuối

Độ chính xác - Độ chính xác định vị

- Độ chính xác lặp lại vị trí

- Độ chính xác quỹ đạo dịch chuyển của bộ phận tác động cuối Phương thức điều khiển - Điểm – tới – điểm (PTP – Point-to-point)

- Đường dẫn liên tục (CP – Continuous Path)

- Chuyển động theo chu vi kín (Rounding) Điều kiện môi trường - Các thông số có thể lượng hóa: nhiễu, rung động, nhiệt độ,…

- Các thông số không thể ước lượng

Chỉ tiêu kinh tế - Chi phí sản xuất, chi phí phát triển

- Điểm hòa vốn

- Thời gian xuất xưởng

- Chất lượng

- Năng suất

- Hình thức cung cấp (robot, tế bào sản xuất tự động, đường dây tự động)

Sửa chữa, bảo dưỡng - Lắp đặt

- Lập trình (trực tuyến, không trực tuyến)

- Phục vụ từ xa

- Khối lượng tác vụ bảo dưỡng và chu kỳ bảo dưỡng

- Khả năng thay thế từng module hoặc chi tiết

Độ linh hoạt - Tế bào sx tự động, hệ thống tích hợp CIM (giao tiếp hình học

và logic)

- Hiệu chỉnh sai số và chẩn đoán

- Khả năng làm việc kết hợp với các thiết bị khác như bàn xoay, thiết bị cấp phôi, robot khác,…

1.2.2 Thiết kế hệ thống robot

Trong việc thiết kế robot, giải pháp thiết kế được xây dựng phải dựa trên

các yêu cầu về chức năng và đặc điểm kỹ thuật mà robot dự kiến cần phải có

Việc tìm lời giải cho những yêu cầu và nhiệm vụ cho trước là một quá trình vừa

có tính hệ thống và vừa có tính trực giác hay kinh nghiệm Việc triển khai thiết

kế theo trình tự giúp cho ta tiếp cận dần đến giải pháp tối ưu Việc chia nhỏ hệ thống robot ra thành những hệ thống con hoặc từng mô-đun giúp bảo đảm tính hệ thống và thuận tiện cho quá trình nghiên cứu hoàn thiện, sửa chữa, thay thế về lâu dài Thông thường các hãng sản xuất robot thường sử dụng bảng hình thái học

(Morphological) để phân chia các hệ thống con hoặc mô-đun trong quá trình thiết

Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 13

kế cũng như hoạch định kế hoạch triển khai và trên cơ sở đó tích hợp trở lại hệ thống

Theo những phân tích về cấu tạo và hoạt động đặc trưng của robot, việc tổ chức theo cấu trúc mô-đun trong thiết kế và chế tạo robot là điều hợp lý hiển nhiên (hình 1.7) Trong đó với mỗi hệ thống con giải pháp có thể được lựa chọn từ các catalogue Quá trình thiết kế robot có thể chia ra làm ba giai đoạn (bảng 1.2) với mức độ chi tiết được gia tăng dần:

1 Giai đoạn hình dung khái quát với cách tiếp cận theo trình tự là sự phát

triển dần từ cấu trúc hình động học bên ngoài của robot đến kết cấu động học, cấu trúc truyền động bên trong bám sát mục tiêu và yêu cầu được đặt

ra ban đầu

2 Giai đoạn tiếp theo là thiết kế phương án về cấu trúc và kết cấu tổng thể

của robot, phân tích và lựa chọn phương án tối ưu hoặc phương án hợp lý nhất, có tính công nghệ nhất nhằm hoàn thiện các ý tưởng thiết kế đã hình thành trong giai đoạn 1

3 Giai đoạn cuối là thiết kế các chi tiết và tối ưu hóa thiết kế để đưa ra các

bản vẽ chế tạo, bản vẽ lắp, tài liệu kỹ thuật hướng dẫn lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng robot

Bộ phận tác

động Tay máy

Bảng 1.2: Ba giai đoạn của quá trình thiết kế robot

I Hình dung khái quát

- Lựa chọn cấu trúc động học: số khâu, số khớp,

loại khớp

- Dự kiến các thông số của khâu, khớp: kích

thước động, tầm với xa nhất, gần nhất, vùng

không gian hoạt động

- Lựa chọn phương án truyền động

- Lựa chọn các phần tử, chi tiết truyền động

- Cấu trúc động học

- Mô hình động học (các ma trận DH), hành trình của các khớp

- Cấu trúc của hệ thống dẫn động cho các khớp

- Các dữ liệu về hình học, tỷ số truyền, kết cấu

II Thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc Robot

- Tối ưu hóa các thông số của khâu và khớp

(Các thông số DH)

- Tối ưu hóa hiệu suất động lực

- Lựa chọn động cơ, truyền động, ổ đỡ, khớp

nối

- Kết nối các đường dây dẫn: nguồn và tín

hiệu điều khiển, tín hiệu phản hồi

- Lựa chọn vật liệu

- Định các kích thước: của các trục, kích

thước bao bên ngoài, kích thước đế, kích

thước mặt bích nối với dụng cụ (bộ phận tác

động cuối)

- Số bậc tự do bé nhất, độ linh hoạt động học

- Không gian hoạt động lớn nhất

- Thời gian chuyển động ngắn nhất

- Gia tốc của khớp bé nhất

- Mô men lớn nhất

- Mô men đỉnh bé nhất

- Độ tản nhiệt tốt nhất

- Chiếm không gian và bị uốn ít nhất

- Trọng lượng, khối lượng gia công, bé nhất, khả năng chống mòn cao nhất

- Độ cứng cao nhất

-Số lượng chi tiết và khối lượng lắp ráp ít nhất

III Thiết kế chi tiết

- Thiết kế chi tiết

- Thiết kế lắp ráp hệ thống robot

- Thiết kế phần điện, điện tử, tủ điều khiển

- Lập tài liệu thiết kế

- Tập bản vẽ chi tiết

- Danh mục chi tiết và vật liệu, tài liệu hướng dẫn lắp ráp, hiệu chỉnh

- Bản vẽ mạch điện, danh mục linh kiện, vật liệu

- Tài liệu hướng dẫn vận hành và bảo trì

Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 15

Bảng 1.3: Công cụ hỗ trợ cho quá trình thiết kế robot

- Phần mềm hỗ trợ tính toán thiết kế robot

- Phần mềm mô phỏng hoạt động của cơ hệ

nhiều bậc tự do

- Phần mềm tính toán cơ học bằng phần tử

hữu hạn

- Phần mềm hỗ trợ thiết kế CAD

- Phần mềm hỗ trợ gia công, chế tạo (CAE)

- Thế hệ các mô hình tính toán động học robot, phân tích và tối ưu hóa động học robot

- Mô hình hóa, phân tích và tổng hợp động lực học

cơ hệ nhiều bậc tự do

- Phân tích cấu trúc, phương thức và dao động của các khâu trên cơ hệ nhiều khâu

- Thể hiện bằng bản vẽ kết cấu của chi tiết và các bản vẽ lắp từng cụm và tổng thể robot

- Các công cụ toàn diện và linh hoạt hỗ trợ tất cả các bước trong quá trình chuẩn bị và chế tạo sản phẩm

1.3 THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC ROBOT

Nhiệm vụ chung của một robot công nghiệp, cấu tạo từ cơ cấu hở nhiều bậc tự do (thường có tối đa là 6 bậc tự do), là di chuyển một vật thể từ một trạng thái

vị trí nào đó (gồm vị trí và hướng) đến một trạng thái vị trí khác trong không gian làm việc của nó Độ phức tạp của nhiệm vụ sẽ quyết định cấu hình động học yêu cầu của robot

Theo tiêu chuẩn ISO 8373 thì robot công nghiệp là một chuỗi động với tối thiểu ba khâu ba khớp Số bậc tự do của hệ thống quyết định số chuyển động độc lập cần phải điều khiển để di chuyển vật thể theo một quỹ đạo cho trước trong không gian Khi mô tả động học của robot ta cần phân biệt giữa chuyển động của phần cánh tay và cổ tay:

- Cánh tay: là một tập hợp các khâu và khớp được liên kết và cấp cho chuyển

động, thường là ba khâu thực hiện ba chuyển động chính (hay chuyển động định vị), nhằm di chuyển một cổ tay và bàn tay hoặc bộ phận tác động cuối thực hiện một chuyển dời ở khoảng cách lớn trong không gian

- Cổ tay: là tập hợp các khớp làm nhiệm vụ liên kết giữa cánh tay và bàn tay,

cho phép phần bàn tay mang bộ phận tác động cuối tiếp cận theo hướng chính

xác đến đối tượng thao tác Cổ tay và chuyển động của nó cũng có công dụng gíup cho bàn tay thực hiện sự thay đổi nhỏ về vị trí

1.3.1 Cấu hình động học

Với cấu hình chung là những cơ cấu hở nhiều khâu, chỗ liên kết (nối động)

giữa hai khâu kế tiếp hình thành một khớp động hay còn gọi là trục Do yêu cầu

của kết cấu mô đun và yêu cầu điều khiển, thông thường khớp động trên cơ cấu robot là những khớp động loại 5 Như vậy, một cơ cấu robot có bao nhiêu bậc tự

do (hay bậc chuyển động) sẽ có bấy nhiêu trục Các trục của cơ cấu robot được

phân biệt như sau:

- Trục quay: thường có dạng khớp bản lề, là một kết nối động giữa hai khâu,

cho phép khâu này có chuyển động quay tương đối so với khâu kia quanh trục cố định của khớp

- Trục tịnh tiến: thường được gọi là khớp trượt, là một kết nối động giữa hai

khâu, cho phép một khâu có chuyển động tịnh tiến tương đối so với khâu kia

- Trục phức: là một kết nối động giữa hai hai khâu, cho phép một khâu thực

hiện chuyển động quay tương đối so với khâu kia quanh một trục chuyển động

Với yêu cầu dễ điều khiển, mỗi khâu trên robot chỉ thực hiện một chuyển động độc lập Nói cách khác một robot có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu trục và tương ứng là chừng ấy bậc tự do Trên cơ sở kết hợp các chuyển động quay và tịnh tiến của các khâu có thể tạo ra những chuỗi động phức tạp tùy ý Các phương án liên kết có thể có của một robot công nghiệp xác định theo công thức:

V = 6 n

Với: V – là số phương án liên kết, n – là số bậc tự do

Khảo sát trên cho thấy sẽ có rất nhiều phương án liên kết giữa các khâu để tạo thành các chuỗi động có thể Chẳng hạn như với chuỗi động 6 trục, ta có thể

Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 17

có 66 = 46.656 phương án liên kết tổ hợp Tuy nhiên chỉ một số ít phương án liên kết có thể áp dụng để tạo ra những cấu hình robot có ích Ngoài ra, ta cũng dễ nhận thấy rằng một robot có nhiều bậc tự do sẽ cho phép thực hiện những chuyển động phức tạp của khâu cuối nhưng bên cạnh đó điều này cũng dẫn tới những hệ quả không có lợi:

- Độ chính xác định vị giảm khi số bậc tự do tăng

- Hiệu suất tĩnh động phụ thuộc trực tiếp vào việc chọn lựa cấu hình

động học của robot cũng như kích thước động của các khâu

- Việc truyền động sẽ khó khăn hơn khi số bậc tự do tăng

Nhiều nghiên cứu đã xác định số bậc tự do hợp lý cho chuyển động chuyển dời của phần cánh tay là không quá 4 (thường là 3) và số bậc tự do của phần cổ tay, để thực hiện các chuyển động định hướng, là 3 Các phân tích về cơ học và khoa học về thao tác (E V Vôrôbiôp) đã xác định tay máy với 6 khả năng chuyển động độc lập (bậc tự do) gồm 3 bậc chuyển động định vị và 3 bậc chuyển động định hướng là đủ để thực hiện các thao tác cần thiết trong vùng không gian hoạt động Nếu số khả năng chuyển động độc lập của robot lớn hơn 6, ta nói cơ cấu tay máy có bậc tự do thừa Việc tăng số khả năng chuyển động độc lập cho robot cần phải cân nhắc kỹ khi có yêu cầu đặc biệt nhằm gia tăng độ linh hoạt Với các phương án kết hợp khác nhau giữa số khâu, số khớp và loại khớp, ta có thể tạo ra những cấu hình động học hữu ích, đã trở nên phổ biến ở các ứng dụng trong công nghiệp và được tổng kết trong hình 1.9 dưới đây:

Trong tất cả các tài liệu tham khảo và giáo trình về robot công nghiệp đều đã trình bày về cách phân loại robot theo dạng hình học của không gian hoạt

động Trong hạng mục phần mềm hỗ trợ tra cứu về robot của đề tài này cũng đã

Hình 1.9: Các cấu hình cánh tay và cổ tay tiêu biểu của robot công nghiệp

Robot Các dạng chuỗi động liên kết

Dạng cánh tay Lược đồ cơ cấu Không gian làm

Lược đồ các dạng cổ tay và số bậc tự do

có thể liên kết với phần cánh tay