Nghiên cứu thiết kế và điều khiển tay máy gắp các thùng carton sắp xếp lên pallet

TÓM TẮT LUẬN VĂN Xuất phát từ nhu cầu thực tế tại nơi làm việc của tôi là tại xưởng sản xuất của Công Ty TNHH Giải Pháp Tự Động Hóa TECHKING, trong quá trình sản xuất ở tại khâu đóng thù

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN DUY ANH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM

Ngày 7 tháng 8 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : NGUYỄN NGỌC LONG Giới tính: nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/07/1986 Nơi sinh: BÌNH PHƯỚC Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1341840016

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP CÁC THÙNG CARTON SẮP XẾP LÊN PALLET

II- Nhiệm vụ và nội dung:

Thiết kế mô hình tay máy gắp sản phẩm

Tìm hiểu và mô phỏng thuật toán tối ưu việc sắp xếp các thùng carton

Mô phỏng động học và giải thuật sắp xếp các thùng carton lên pallet

III- Ngày giao nhiệm vụ: 25 tháng 8 năm 2014

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10 tháng 7 năm 2015

V- Cán bộ hướng dẫn: TS NGUYỄN DUY ANH

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô phụ trách giảng dạy hệ cao học Cơ Điện

Tử trường đại học Công Nghệ TP.HCM đặc biệt là TS Nguyễn Duy Anh, thầy là giảng viên chính phụ trách việc hướng dẫn giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn của tôi

Thời gian thực hiện luận văn tuy chỉ trong vài tháng những kiến thức học được là rất nhiều, rất bổ ích.Tôi sẽ luôn ghi nhớ những kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn mà thầy đã truyền thụ và lưu giữ những kỷ niệm trong suốt thời gian thực hiện luận văn này, lấy đó làm nền tảng để tiếp tục phát triển kiến thức và nghề nghiệp của mình trong tương lai

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015

Học viên

NGUYỂN NGỌC LONG

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Xuất phát từ nhu cầu thực tế tại nơi làm việc của tôi là tại xưởng sản xuất của Công Ty TNHH Giải Pháp Tự Động Hóa TECHKING, trong quá trình sản xuất ở tại khâu đóng thùng thành phẩm, hiện tại chúng tôi đang cần 1 cánh tay robot công nghiệp

để làm nhiệm vụ gắp các thùng carton thành phẩm sắp xếp lên pallet để đưa đi nhập kho Trong thực tế sản xuất thì các thùng thành phẩm có trọng lượng 25 kg, sử dụng sức người để nâng lên và sắp xếp lên các pallet gỗ Việc này mất nhiều sức lực, đặc biệt thao tác lao động này dễ làm tổn thương cột sống lưng và năng suất lao động cũng không cao

Luận văn trình bày việc nghiên cứu và xây dựng một mô hình cánh tay robot 5 bậc tự do phối hợp hoạt động trong một dây chuyền sản xuất, các thùng carton sau khi được đóng gói thành phẩm thì đi qua máy dán thùng để dán băng keo, đầu ra của máy dán thùng là các thùng hàng thành phẩm Robot có nhiệm vụ gắp các thùng hàng thành phẩm này sắp xếp lên pallet theo thứ tự các lớp thùng được lập trình sẵn Vì vậy, mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển quĩ đạo cánh tay robot có thể thực hiện việc gắp các thùng carton lên pallet theo đúng thứ tự các lớp thùng được quy định và đưa ra kiểm chứng bằng mô hình thực nghiêm Ứng dụng của robot có thể được dùng cho các nghiên cứu lớn hơn sau này khi đó có thể tích hợp để toàn bộ dây chuyền sản xuất là robot và các máy móc thông minh, vai trò của con người chỉ là thực hiện việc giám sát trên máy vi tính

ABSTRACT

I am working for the limited liability automation solutions company Tecking Now, at the stage of crating in this company, our need a industrial robot arm to lift up and arrange the finished cartons to pallets after that this robot will takes its to storage

In fact, our company are using human power to lift up and arrange the finished cartons which are 25 kilograms that is takes a lot of strength, expecially it can make hurt the lumbar spine of labors while the productivity is not high

My thesis presents the studying and building a model of the five degrees of freedom arm robot which have coordinate of activities in a production line The cartons are packed after that through the machine sealing and become finished goods

at the output The mission of robot are lifting up the packages and arranging them into pallet in sequence which is preprogrammed Therefore, the main objective of this thesis are studying and designing trajectory controller of robot arm This arm robot may lift up the cartons into pallet and arrange them in the order which is preprogrammed Be verifiable by empirical model Application of this robot can be used for the larger studying In that time, in the production line may be use all of robots and intelligent machines while the people just monitor it in computers

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT iv

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG ix

TỔNG QUAN .1

CHƯƠNG 1: 1.1 Tổng quan về robot 1

1.2 Cấu trúc cơ bản của tay máy công nghiệp 5

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và tổ chức luận văn 6

MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA ROBOT IRB6600 8

CHƯƠNG 2: 2.1 Giới thiệu chương trình RobotStudio: 8

2.2 Các bước lập trình bằng phần mềm RobotStudio 9

2.3 Rapid programing 9

MÔ HÌNH ROBOT 5 BẬC TỰ DO 12

CHƯƠNG 3: 3.1 Tổng quan về robot 5 bậc tự do sử dụng trong luận văn 12

3.2 Thiết kế tay gắp 15

3.3 Sơ lược động học vị trí của robot 26

3.4 Thiết kế nạch điện 34

3.5 Mạch điều khiển 38

3.6 Giao diện điều khiển 45

GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ROBOT GẮP VẬT 47

CHƯƠNG 4: 4.1 Bài toán điều khiển 47

4.2 Quỹ đạo chuyển động 47

4.3 Hoạch định quỹ đạo 50

4.4 Phương pháp điều khiển 53

4.5 Giải thuật điều khiển 55

THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 59

CHƯƠNG 5: 5.1 Giới thiệu 59

5.2 Quá trình thực nghiệm 60

5.3 Đánh giá sai số 63

5.4 Kết luận 63

TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 69

CHƯƠNG 6: 6.1 Đánh giá kết quả đạt được 69

6.2 Hướng phát triển của đề tài 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Robot hàn trong công nghiệp 1

Hình 1.2: Robot gắp thùng carton lên pallet của hãng 3

Hình 1.3 : Robot gắp thùng carton lên băng tải của hãng Yaskawa Nhật Bản…4 Hình 1.4: Hệ thống AKB robot do nhóm nghiên cứu của kỹ sư Lê Anh 4

Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản robot công nghiệp 4

Hình 2.1: Mô tả các bước lập trình bằng phần mềm RobotStudio 9

Hình 2.2: Cấu trúc chương trình trong RAPID 9

Hình 2.3: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển của 11

Hình 2.4: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển của robot 11

Hình 3.1: Mô hình thực tế robot sử dụng trong luận văn 12

Hình 3.2: Kích thước các chi tiết trên mô hình robot 13

Hình 3.3: Sơ đồ động học robot 13

Hình 3.4: Cánh tay robot trên SolidWork 14

Hình 3.5: Cơ cấu 3 chấu kẹp và 4 chấu kẹp 19

Hình 3.6: Cơ cấu tay quay con trượt 19

Hình 3.7: Mô hình cơ cấu gắp phương án 2 và sơ đồ động 20

Hình 3.8: Minh họa cơ cấu 20

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý 20

Hình 3.10: Tọa độ điểm cần điều khiển 21

Hình 3.11: Kích thước tay gắp 21

Hình 3.12: Lực kẹp giữ vật không rơi 22

Hình 3.13: Sơ đồ tác động lực của tay gắp ở vị trí kẹp 23

Hình 3.14: Sơ đồ tác động lực một bên tay gắp ở vị trí kẹp 24

Hình 3.15: Mô hình cánh tay robot 3D và không gian hoạt động 26

Hình 3.16: Định nghĩa các thông số DH cho khớp và khâu thứ I 28

Hình 3.17: Kết cấu robot khảo sát 28

Hình 3.18: Đặt hệ tọa độ cho các khâu và khớp 29

Hình 3.19: Hình ảnh ứng với trạng thái 34

Hình 3.20: Hình ảnh ứng với trạng thái 35

Hình 3.21: Sơ đồ khối kết nối hệ thống 38

Hình 3.22: Sơ đồ mạch điện vi điều khiển Transmit 39

Hình 3.23: Sơ đồ mạch điện vi điều khiển Receive 40

Hình 3.24: Sơ đồ giao tiếp RS232 41

Hình 3.25: Sơ đồ CAN bus 41

Hình 3.26: Driver DCS3T-25 42

Hình 3.27: Sơ đồ mạch kết nối nguồn 24V, động cơ và driver 43

Hình 3.28: Sơ đồ mạch nguồn cho vi điều khiển và cảm biến tiệm cận 43

Hình 3.29: Mạch 3D được thiết kế băng phần mềm Altium 44

Hình 3.30: Mạch điều khiển sau khi được chế tạo 44

Hình 3.31: Hệ thống mạch điện điều khiển 45

Hình 3.32: Giao diện điều khiển trên máy tính 46

Hình 3.33: Lấy giá trị tọa độ các điểm tựa theo quỹ đạo 47

Hình 3.34: Lấy giá trị tọa độ ra file excel nhờ chương trình xyzPathMac 47

Hình 4.1: Đường biểu diễn vị trí, tốc độ, gia tốc của khớp 1 theo thời gian 53

Hình 4.2: Vòng điều khiển hướng đối tượng 55

Hình 4.3: Lưu đồ tổng quát điều khiển cánh tay lắp vật 57

Hình 4.4: Lưu đồ giải thuật điều khiển trên Transmit khi tiến hành lắp vật 58

Hình 4.5: Lưu đồ giải thuật điều khiển cho Receive khớp tay máy 59

Hình 4.6: Lưu đồ giải thuật điều khiển cho Receive tay gắp 60

Hình 5.1: Mô hình khối lập phương 61

Hình 5.2: Mô hình robot thực nghiệm 61

Hình 5.3: Ảnh chụp trong quá trình robot gắp khối lập phương 62

Hình 5.4: Kết quả gắp khối lập phương 63

Hình 5.5: Kết quả gắp khối lập phương lặp lại 5 lần liên tục 64

Hình 5.6: Kết quả sai lệch lắp vật giữa 5 lần là 2,6 mm 64

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số các động cơ tại khớp của robot 14

Bảng 3.2: Bảng so sánh động cơ bước và động cơ servo 17

Bảng 3.3: Bảng so sánh các loại động cơ servo 18

Bảng 3.4: Bảng thông số D-H 29

Bảng 3.5: Bảng so sánh các loại giao tiếp 36

Bảng 5.1: Bảng khảo sát 63

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP, ỨNG DỤNG, CHƯƠNG 1:

MỤC TIÊU, TỔ CHỨC LUẬN VĂN

1.1 Tổng quan về robot

1.1.1 Giới thiệu sơ lược về robot

Khoa học công nghệ đã và đang từng bước thay đổi cuộc sống của chúng ta, với sự phát triển không ngừng của khoa học, con người đã và đang biến những điều không thể thành có thể Một trong số những phát minh lớn nhất mà chúng ta đã tạo

ra chính là những con Robot Với những Robot đủ lĩnh vực và kích cỡ, chúng ta có thể thực hiện được nhiều việc nặng nhọc hơn, tỉ mỉ hơn và nhất là tăng hiệu quả công việc một cách nhanh chóng

Hình 1.1: Robot hàn trong công nghiệp

Ngày nay, ngành công nghiệp chiếm một vai trò rất quan trọng trong nền kinh

tế của mỗi quốc gia Từ những ngành sản xuất, chế biến lương thực thực phẩm, nước uống cho đến các ngành công nghệ chế tạo máy, công nghệ chế tạo ôtô, các ngành công nghệ cao Tất cả những ngành đó ngày càng phát triển đòi hỏi nhu cầu

về nâng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm

Robot công nghiệp có khả năng chương trình hóa linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng Robot công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ , trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công ( sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy…) hoặc phục vụ các

quá trình công nghệ ( tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá ) với những thao tác

cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một

hệ thông máy tự động linh hoạt, được gọi là “ Hệ thống tự động linh hoạt hóa” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi có thay đổi trong nhiệm vụ sản xuất Tuy nhiên các định nghĩa về robot cũng rất đa dạng , Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hóa, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ có khả năng định vị, di chuyển các đối tượng vật chất, chi tiết, dao cụ, gá lắp Theo những hành trình thay đổi đã chương

trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau (Theo tiêu chuẩn

AFNOR của Pháp) Hoặc Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển

động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình, chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực

hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp (Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD)

Hoặc Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều

khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người (Theo tiêu chuẩn

GHOST 1980)

Tổng hợp lại thì robot cần có những đặc điểm, có khả năng nhận biết môi trường xung quanh, tương tác với những vật thể trong môi trường, tự động thực hiện tác vụ đã lập trình sẵn, có khả năng điều khiển được bằng các lệnh có thể thay đổi tùy theo yêu cầu người sử dụng đống thời có sự uyển chuyển và khéo léo trong vận động

1.1.2 Tình hình phát triển Robot công nghiệp trên thế giới và tại Việt Nam

Có thể nói robot làm nhiệm vụ gắp các thùng carton sắp xếp lên pallet được ứng dụng khá phổ biến trong các dây chuyền sản xuất đóng gói của các nhà máy xí nghiệp Chúng đã thay thế toàn bộ các hoạt động cơ bắp của con người trong khâu sắp xếp thùng carton lên pallet, giúp nâng cao năng suất và hiệu quả trong quá trình sản xuất công nghiệp

Hình 1.2 : Robot gắp thùng carton lên pallet của hãng Kawasaki Nhật Bản

Từ những năm 1960 người Mỹ đã có những nghiên cứu và ứng dụng robot trong công nghiệp trong đó có ứng dụng robot gắp các thùng carton sắp xếp lên pallet Sau đó thì tới các nước châu âu khác như Anh , Đức, Pháp ,Ý, Thụy Điển Tại châu á thì từ những năm 1968 người Nhật cũng đã có những nghiên cứu và ứng dụng robot đầu tiên

Với sự áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng với nhiều tính năng vượt bậc Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty chuyên sản xuất robot điển hình

như: Robots.Pro, Vecna Robotics, Robot Dynamics của Mỹ (với những sản phẩm

nổi tiếng như: robot lấy sách tự động, robot HOAP-3, robot BEAR, robot tự hành Spirit and Opportunity…) Các công ty Yaskawa ( Motoman), Fanuc, Toyota,

Honda, Hitachi, Kawasaki, shikawajima-Harima, Yasukawa của Nhật (với những

sản phẩm: robot Asimo, robot EMIEW 2, robot Simroid, robot chơi vĩ cầm, robot phẫu thuật ) và các công ty nỗi tiếng khác của Tây Âu và của Nga Do đó, ta có

thể thấy rằng việc nghiên cứu và ứng dụng robot công nghiệp nói chung và ứng dụng robot công nghiệp sắp xếp các thùng carton lên pallet trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp riêng nói là một lĩnh vực rất quan trọng và được các nước phát triển đặc biệt quan tâm

Hình 1.3: Robot gắp thùng carton lên băng tải của hãng Yaskawa Nhật Bản

Còn tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm vừa qua Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản

và nghiên cứu ứng dụng về robot như trung tâm tự động hoá, Đại học Bách Khoa

Hà Nội, Viện Điện tử, Tin học, Tự động hoá thuộc Bộ Công Nghiệp, Đại học Bách khoa TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN

Tuy nhiên thực tế thì các công trình nghiên cứu của chúng ta vẫn chưa thể đưa

ra thương mại hóa trên thị trường, vì về cơ bản các yếu tố trình độ khoa học và công nghệ chúng ta vẫn đi sau thế giới nhiều thập kỷ Hiện nay Việt Nam vẫn chưa có công ty nào nghiên cứu chế tạo và thương mại hóa thành công các robot ứng dụng trong công nghiệp Những năm vừa qua thì cũng chỉ ghi nhận những bước đột phá nhất định trong nghiên cứu và chế tạo mô hình robot tay máy 5 bậc tự do của nhóm nghiên cứu của kỹ sư Lê Anh Kiệt, giám đốc Công ty cơ khí chế tạo máy AKB Anh là người đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu và chế tạo thành công hệ thống robot loại 5 bậc tự do ứng dụng cho đào tạo tại các trường cao đẳng, đại học

Hình 1.4: Hệ thống AKB robot do nhóm nghiên cứu của kỹ sư Lê Anh Kiệt chế tạo

1.2 Cấu trúc cơ bản của tay máy công nghiệp

Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp , chúng hình thành cánh tay (arm) để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo, linh hoạt

và bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các các thao tác trên đối tượng Dụng cụ thao tác là phần cuối cùng của robot thực hiện

tác vụ yêu cầu Hệ thống dẫn động có thể là cơ khí, thủy khí hoặc điện khí, là bộ phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường, đối tượng mà robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu) Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển sau khi xử lí bằng máy tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay máy Hệ thống điều khiển là bộ phận quan trọng nhất giúp lập trình toàn bộ chuyển động của robot có 3 nhiệm vụ chính là nhận dữ liệu từ cảm biến và phân tích, quyết định chuyển động của robot, giao tiếp với người sử dụng

Một robot công nghiệp bao gồm các phần cơ bản sau:

Cảm biến ngoại tín hiệu

Hệ thống điều khiển

Cảm biến nội tín hiệu

Hệ thống dẫn động Dụng cụ thao tácMáy tính

Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản robot công nghiệp

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và tổ chức luận văn

1.3.1 Mục tiêu của đề tài

Vấn đề cần quan tâm khi nghiên cứu về robot tay máy chính là tối ưu hóa đường đi của cánh tay robot khi thực hiện các thao tác sản xuất và lựa chọn kết cấu

thiết bị phù hợp cùng giải thuật điều khiền để nâng cao tối đa sự chính xác trên từng thao tác của robot đáp ứng được yêu cầu thực tế đặt ra

Đề tài chỉ nghiên cứu mô hình robot tay máy cho ứng dụng gắp các thùng carton sắp xếp lên pallet, xây dựng giải thuật tối ưu hóa đường đi của cánh tay robot Xây dựng mô hình toán, mô phỏng đường đi của cánh tay robot, thiết kế mô hình thực nghiệm

1.3.2 Nhiệm vụ của đề tài

Thiết kế mô hình cơ khí tay gắp vật cho robot, thiết kế mạch điện điều khiển

mô hình robot, xây dựng giải thuật gắp các thùng carton sắp xếp lên pallet và thực nghiệm kiểm chứng giải thuật gắp vật

Chương 3: Mô hình robot 5DOF sử dụng trong luận văn

Chương 4: Giải thuật điều khiển robot gắp vật

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển đề tài

MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA ROBOT IRB6600 CHƯƠNG 2:

SỬ DỤNG PHẦN MỀM ROBOTSTUDIO CỦA HÃNG ABB 2.1 Giới thiệu chương trình RobotStudio:

RobotStudio là phần mềm lập trình và mô phỏng của hãng ABB, tạo nên môi trường gần giống với thực tế sản xuất nhất nhờ các tính năng tiên tiến nhằm nâng cao và tối ưu hiệu quả hoạt động của robot trước khi đưa hệ thống vào sản xuất thực

tế

Các tính năng nổi bật của phần mềm RobotStudio gồm , CAD Import các dữ liệu CAD được thiết kế với các phần mềm chuyên dụng như SOLIDWORKS, CATIA, INVENTOR có thể được IMPORT dễ dàng vào môi trường làm việc trong RobotStudio Điều này giúp cho việc lập trình có thể diễn ra chính xác và gần gũi với thực tế Auto Path từ dữ liệu CAD của chi tiết cần gia công, tính năng Auto Path giúp tạo ra đường đi của của Robot một cách chính xác, tính năng Auto Reach sẽ giúp kiểm tra khả năng với tới mục tiêu hay không để từ đó có thể bố trí không gian làm việc một cách chính xác và hợp lý nhất Collision detection phát hiện xung đột

là một đặc tính giúp ngăn chặn các thiệt hại về chi phí đối với thiết bị bằng cách cho phép người sử dụng lựa chọn các chi tiết nhất định để RobotStudio có thể tự động giám sát và để ý xem có xung đột hay không khi chạy một chương trình Robot Virtual FlexPendant là bản sao đồ hoạ chính xác của FlexPendant “thực tế” và được

hỗ trợ bởi “Virtual Robot” Về cơ bản, tất cả những gì được thực hiện được bằng FlexPendant thực tế thì có thể được thực hiện trên “Virtual FlexPendant”, khiến cho chương trình này trở thành một công cụ giảng dạy và đào tạo tuyệt vời True Upload và Download, toàn bộ chương trình robot có thể tải về từ RobotStudio xuống hệ thống thực tế mà không cần thêm bất cứ sự chuyển đổi nào

Lợi ích cho quá trình sản xuất thực tế RobotStudio sẽ giúp cho các nhà sản xuất tiết kiệm thời gian và tiền bạc, giảm rủi ro bằng cách mô phỏng, xác định các giải pháp và các cách bố trí hợp lý Lập trình cho các chi tiết mới mà không làm ảnh

hưởng tới dây chuyển sản xuất Tối ưu hóa các chương trình của Robot để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm thông qua tạo ra các đường đi chính xác hơn

bộ nhớ khi được cài đặt)

Hình 2.2: Cấu trúc chương trình trong RAPID

Lập trình Mô phỏng Tối ưu hóa hệ thống

Các Data thông dụng:

Speed data: dùng để thiết lập tốc độ chuyển động

Ví dụ: v5, v10 có TCP (tool center point) lần lượt là: 5 mm/s, 10 mm/s

Robtarget: dùng để xác định 1 vị trí cho Robot

Ví dụ:

CONST robtarget

T1_P1:=[[145,15,110],[0,0,1,0],[0,0,1,1],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]];

Tên của target: T1_P1

Tọa độ so với robot base: (x,y,z) = (145,15,110)

Hình 2.3: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển của robot bằng phần mềm RobotStudio

Hình 2.4: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển của robot xếp thùng carton lên pallet bằng

phần mềm RobotStudio

MÔ HÌNH ROBOT 5 BẬC TỰ DO ĐƯỢC SỬ DỤNG CHƯƠNG 3:

TRONG LUẬN VĂN

3.1 Tổng quan về robot 5 bậc tự do sử dụng trong luận văn

Robot được sử dụng trong luận văn là cánh tay robot 5 bậc tự do gồm 5 khớp xoay được thiết kế sẵn Robot bao gồm phần tay máy được thiết kế với 3 bậc tự do

và phần cổ tay được thiết kế với 2 bậc tự do Do được thiết kế như vậy, vị trí x, y, z của end-effector sẽ được quyết định bởi 3 khớp xoay đầu tiên, 2 khớp xoay còn lại

sẽ điều khiển hướng của end-effector

Hình 3.1: Mô hình thực tế robot sử dụng trong luận văn

Hình 3.2: Kích thước các chi tiết trên mô hình robot

Hệ dẫn động của robot là các động cơ điện DC servo của hãng Harmonic Driver, nguồn cấp động cơ là nguồn 24V, encoder có độ phân giải là 200 xung/vòng Động cơ sử dụng hộp giảm tốc Harmonic Dựa vào datasheet động cơ của hãng ta có được các thông số động cơ tại các khớp như sau:

Bảng 3.1: Thông số các động cơ tại khớp của robot

Khớp Tỉ số truyền

hộp giảm tốc

Tỉ số truyền ngoài bánh răng

Độ phân giải encoder (xung/vòng)

Maximum output Torque (N.m)

3.2 Thiết kế tay gắp

Tùy theo công dụng của robot được sử dụng trong quá trình công nghệ , phần công tác cuối cùng của tay máy được trang bị những bộ phận công tác khác nhau,

có thể là những thiết bị gắp, kẹp để thực hiện việc gắp và giữ đối tượng, cũng có thể

là những dụng cụ khác như đầu hàn hồ quang tự động, đầu phun sơn, phun men Theo mục tiêu của luận văn cần thiết kế một tay kẹp để lắp sản phẩm trên băng tải Cơ cấu đầu gắp đảm nhiệm vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển chính xác vị trí của robot cũng như điều khiển bám quỹ đạo Ngoài ra đầu gắp còn rất quan trọng trong nhiệm vụ chính là gắp chính xác để giữ vật Do đó thiết kế cơ cấu đầu gắp cho robot 5 bậc tự do cần phải có sự đòi hỏi về độ chính xác, khả năng linh hoạt theo các hướng, kết cấu đơn giản, đảm bảo lực kẹp giữ vật chắc chắn, nhanh và chính xác, tải nhẹ và dễ dàng di chuyển trong không gian Từ những yêu cầu trên, dưới đây là một số phương án phân tích lựa chọn

3.2.1 Phương án hệ dẫn động cho tay gắp

Tay gắp sử dụng động cơ điện

Ưu điểm : nhỏ gọn là một trong những ưu điểm nổi bật, cơ cấu tác động nhanh và chính xác Có thể thay đổi áp suất kẹp ,có khả năng áp dụng kỹ thuật điều khiển phức tạp cho các chuyển động, giá thành không cao và nhiều động cơ có momen lớn

Nhược điểm : khe hở bộ truyền bánh răng làm giảm độ chính xác, có thể gây quá nhiệt khi quá tải

Tay gắp sử dụng xi lanh thủy lực

Ưu điểm : lực kẹp lớn, có thể chịu tải trọng nặng, tốc độ chạy êm

Nhược điểm : Giá thành chi phí cao, không thích hợp với cơ cấu tác động nhanh Cần có hệ thống xả dầu, chiếm diện tích so với các nguồn dẫn động khác Sự

rò rỉ dầu dây ô nhiễm và nguy hiểm

Kết luận : Từ những yêu ưu và nhược điểm của từng hệ, chọn phương án tay

kẹp sử dụng nguồn dẫn động là động cơ điện Do tay kẹp sử dụng động cơ điện có khả năng kẹp giữ vật nhanh, chính xác, có thể điều chỉnh được lực kẹp dễ dàng

3.2.2 Phân tích lựa chọn động cơ điện cho tay gắp

Động cơ bước

Ưu điểm : điều khiển chính xác góc quay, giá thành rẻ

Nhược điểm : dòng từ driver tới cuộn dây động cơ không thể tăng hoặc giảm trong lúc hoạt động Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai lệnh trong điều khiển Động cơ bước gây nhiễu ,rung động và không thích hợp cho các

ứng dụng cần tốc độ cao

Động cơ servo

Ưu điểm : vòng điều khiển là vòng kín ,nếu tải đặt vào động cơ tăng bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới cuộn dây động cơ giúp tiếp tục quay, tránh hiện tượng trượt bước động cơ và có thể hoạt động ở tốc độ cao

Nhược điểm : động cơ servo hoạt động không trùng khớp với lệnh điều khiển bằng động cơ bước, giá thành cao Khi dừng lại, động cơ servo thường dao động tại vị trí dừng dây rung lắc

Bảng 3.2: Bảng so sánh động cơ bước và động cơ servo

Các tính năng Động cơ bước Động cơ servo

Mạch driver Đơn giản Người dùng

có thể chế tạo chúng

Mạch phức tạp Thông thường người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất

Hiện tượng trượt bước Có thể xảy ra (Nếu tải

quá lớn) Khó xảy ra Khó xảy ra (Động cơ vẫn

chạy trơn tru nếu tải đặt

vào tăng)

Phương pháp điều

khiển

Vòng hở (không encoder) Vòng kín (có encoder)

5 pha HB: 0.72° (500 ppr) hoặc 0.36° (1000

Kết luận : dựa vào yêu cầu của tay gắp cần đảm bảo độ cứng vững, ít

rung động có thể hoạt động ở tốc độ cao Do đó, phương án sử dụng động cơ servo được chọn để đáp ứng yêu cầu trên

Bảng 3.3: Bảng so sánh các loại động cơ servo

R/C servo DC servo có

chổi than

DC servo không chổi than

Có thể tăng tốc trong thời gian ngắn, hiệu suất cao

Có những ưu điểm và khắc phục được những nhược điểm của động

cơ DC có chổi than

Điều khiển chính xác moment lớn, chi phí bảo trì thấp, khả năng dùng ngõ ra đồng bộ AC cao

có chổi than là chổi than bị mòn, phát sinh tia lửa điện, động cơ thoát nhiệt khó khăn

Do động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửa nên giá thành cao

Cuộn dây là stato có thể nặng, khó gia tốc

Hệ điều chỉnh tốc độ phức tạp

và đắt tiền

Kết luận : Tay gắp cần một động cơ có monent đủ để kẹp giữ vật khi di

chuyển, kết cấu gọn nhẹ để đảm bảo khối lượng tải nhẹ dễ dàng di chuyển, có thể điều khiển dễ dàng chính xác Do đó động cơ R/C servo được chọn

3.2.3 Phương án thiết kế cơ khí cho tay gắp

Phương án 1 : Sử dụng cơ cấu có nhiều hơn 2 chấu kẹp

Hình 3.5: Cơ cấu 3 chấu kẹp và 4 chấu kẹp

Ưu điểm: gắp được vật có hình dạng phức tạp

Nhược điểm: Kết cấu, tính toán và điều khiển phức tạp

Phương án 2: Thiết kế sử dụng cơ cấu tay quay con trượt để đảm bảo sự di

chuyển song song của 2 má kẹp

Hình 3.6: Cơ cấu tay quay con trượt

(1 Má kẹp , 2 Khớp trượt , 3 Thanh nối , 4 Tay quay, 5 Đế , 6 Động cơ , 7 Khớp gắn trục động cơ, 8 Bạc nối động cơ , 9 Động cơ R/C servo , 10/ Thanh dẫn)

Hình 3.7: Mô hình cơ cấu gắp phương án 2 và sơ đồ động

Ưu điểm : kết cấu có độ cứng vững cao, có thể kẹp giữ vật nhanh và không rung động , dễ dàng tính toán động học vị trí cho cơ cấu để xác định vị trí end ‒effector Do đó, thuận lợi cho quá trình tính toán vị trí điều khiển của robot, cơ cấu gọn, nhẹ và linh hoạt trong việc gắp vật, có thể thay đổi khoảng cách hai má kẹp để tăng giảm phạm vi kẹp vật

Nhược điểm : việc gia công, chế tạo và lắp ráp khó khăn

Phương án 3:

Hình 3.8: Minh họa cơ cấu Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý

Ưu điểm : cơ cấu đơn giản

Nhược điểm : xuất hiện lực dọc trong quá trình kẹp , khó khăn trong việc tính toán, thiết kế và chế tạo bánh răng

Kết luận : Từ những yêu cầu đặt, chọn phương án 2 là phương án sử dụng cơ

cấu tay quay con trượt do cơ cấu có kích thước gọn, kết cấu cứng vững, đảm bảo kẹp vật chính xác và nhanh chóng, có thể gia công và thỏa mản yêu cầu thích ứng linh hoạt cho việc điều khiển đã nêu ra ở đầu bài toán

3.2.4 Động học vị trí cho cơ cấu tay kẹp

Để xác định động học vị trí cho cơ cấu tay kẹp, ta phân tích chuyển động của tay kẹp trong hệ tọa độ XYZ gắn liền với khớp xoay thứ 5 của trục động cơ thứ 5 Sau khi gắn tay kẹp tọa độ (x,y,z) cần điều khiển sẽ phụ thuộc vào kích thước của tay kẹp Do đó ta tiến hành khảo sát kích thước tay kẹp để các định giá trị a của khâu 5 (trình bày trong chương 2 tính toán động học cho robot) Từ đó, ta xác định được giá trị tọa độ (x,y,z) điều khiển

a

Hình 3.10: Tọa độ điểm cần điều khiển

Khảo sát kích thước end-effector với vật kẹp có đường kính 30mm Độ rộng mở tối đa lựa chọn là 40mm , các bộ phận khác của tay gắp được thiết kế theo yêu cầu về độ rộng mở

Hình 3.11: Kích thước tay gắp

Sau khi gắn tay gắp giá trị a trong phương trình tọa độ (x, y, z) của end-effector ở chương 2 sẽ thay đổi có tọa độ điều khiển :

x = T 05 [1,4] = ac1s234 L1c1c2 L2c1c23 L3c1c234 (3.1)

y = T 05 [2,4] = as1s234 L1c2s1 L2s1c23 L3s1c234 (3.2)

z = T 05 [3,4] = -ac234 L1s2 L2s23 L3s234 (3.3) Với : a = 51+100 = 151 (mm)

3.2.5 Tính toán lực kẹp cho tay gắp

Lực tác động do động cơ R/C dẫn động sinh ra, đặt lên đầu vào của tay kẹp Yêu cầu lực kẹp đủ lớn giữ vật trong tư thế làm việc, thông qua quan hệ cơ bản của

cơ cấu lực kẹp của tay gắp được tính toán như sau :

Vật kẹp được giữ bằng 2 tấm phẳng dựa vào ma sát

Hình 3.12: Lực kẹp giữ vật không rơi

Vật nhựa có khối lượng m = 20g ,vuông = 30 mm, má kẹp (nhôm) Hệ số ma sát giữa má kẹp và vật µ= 0,61 trọng lực tác dụng lên vật Xét một bên của má kẹp:

Ta có:

R1 R2 Rn

2

m.9,81220.10 3.9,81

Để vật được giữ, lực ma sát giữa vật với má kẹp phải bằng với trọng lực tác dụng lên vật Ta được phương trình cân bằng lực theo phương đứng

(3.5)

(3.6) Suy ra:

N1 N2 0,0981

0,61 0,16(N) Vậy lực kẹp tác dụng cần thiết để vật được giữ là :

Moment động cơ R/C cần thiết để cung cấp lực kẹp

Do hai bên lực của ta gắp đối xứng nhau, ta chỉ cần xét một bên của tay gắp

Ta có:

Khối lượng má kẹp: mA 14g

Khối lượng con trượt: mB 9g

Khối lượng thanh dẫn: mC 3g

Khối lượng tay quay: mD 1g

Hệ số ma sát giữa nhôm và nhôm 1,05 ; Góc β 52,730

Thanh E và khoảng D dài 13,5 mm và 16,5 mm

F kep1

F dc1

A B C

Hình 3.14: Sơ đồ tác động lực một bên tay gắp ở vị trí kẹp

Trọng lực tác dụng lên con trượt B :

N1 P1 (mA mB mC mD).10-3.9,81 0,265(N) (3.8)

Áp dụng phương trình cân bằng lực theo phương ngang ta có :

Suy ra lực và moment cần thiết để giữ vật :

Mô hình tay kẹp được chế tạo gia công từ vật liệu nhôm đảm bảo yêu cầu đặt

ra Mô hình 3D cánh tay robot sau khi gắn tay kẹp và không gian hoạt động

140º

140º

Hình 3.15: Mô hình cánh tay robot 3D và không gian hoạt động

3.3 Sơ lƣợc động học vị trí của robot

Một tay máy có thể biểu diễn bằng một chuỗi động học kín hoặc hở, bao gồm các khâu liên kết với nhau thông qua các khớp quay hoặc tịnh tiến với mục đích là thay đổi tư thế, tầm với, điểm tác động của robot Để điều khiển được chuyển động

đó, ta cần xác định được vị trí của từng khâu, khớp robot trong không gian Có hai bài toán cơ bản về động học vị trí của robot

Động học thuận: Bài toán cho trước góc quay, khoảng cách tịnh tiến của các

khâu trong cơ cấu ứng với gốc tọa độ mỗi khâu đã được gắn và yêu cầu xác định vị trí, hướng của cơ cấu tác động cuối cùng robot so với hệ tọa độ gốc

Động học ngƣợc: Bài toán cho trước vị trí, hướng của khâu tác động cuối

cùng robot và yêu cầu xác định các góc quay, khoảng tịnh tiến của từng khâu cần thiết để robot có vị trí cho trước đó

3.3.1 Hệ tọa độ - thông số DH

Để giải bài toán động học thuật của robot, Denavit và Hartenberg đã đề xuất phương án gắn hệ trục tọa độ lên các khâu của robot, để từ đó chuyển đổi tọa độ của điểm thao tác về hệ tọa độ gắn liền với hệ quy chiếu cố định Hệ tọa độ Denavit – Hartenberg được xây dựng như sau :

Trục Zi của hệ tọa độ gắn lên khâu thứ i đặt dọc theo trục khớp thứ i+1

Trục Xi thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và hướng từ trục Zi-1 đến Zi

Trục Yi xác định theo quy tắc bàn tay phải Yi = Zi x Xi

Sau khi đặt hệ tọa độ, ta xác định được các thông số theo nguyên tắc Hartenberg

Denavit-ai: khoảng cách giữa 2 trục Zi-1 và Zi theo chiều Xi

i: góc quay cần thiết của trục Zi-1 theo chiều trục Xi đến khi song song với trục Zi

di: khoảng cách giữa trục Xi-1 và Xi theo chiều Zi-1

: góc quay cần thiết của trục Xi-1 theo chiều chục Zi-1 đến khi song song với trục