Kỹ thuật lập trình robot công nghiệp

Báo cáo môn kỹ thuật lập trình robot công nghiệp

1 Giới thiệu chung về lập trình điều khiển robot

Tổng quan về robot công nghiệp :

Hiện nay robot đang được ứng dụng rất nhiều trong tự động hóa sản xuất Theo ước tính chưa đầy đủ của Liên đoàn robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có khoảng 770.000 robot đang được sử dụng trong sản xuất công nghiệp Trong đó, Nhật Bản sử dụng nhiều nhất với 350.000 robot (chiếm 45,5%), EU khoảng

233.000 (30,3%) Bắc Mỹ khoảng 104.000 (13,5%), còn lại là các nước khác Theo

dự báo của IRF, mức tăng trưởng về doanh số của sản phẩm robot nói chung (trong

đó robot công nghiệp chiếm hơn 65%) trong năm 2006 ở châu á là 18%

Hình: Biểu đồ sử dụng robot trên thế giới

Các ứng dụng robot trong công nghiệp:

Hình: Robot lắp ráp

Hình: Robot hàn

Tính linh hoạt trong vận hành; hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác; nhất là khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn là những yếu tố quyết định cho việc sử dụng robot trong sản xuất công nghiệp Trên thế giới, robot được ứng dụng vào những công việc nào được lặp đi lặp lại nhiều lần và cụ thể nó đã được dùng để hàn, tán đinh ri vê, sơn, mài, đánh bóng khuân vác trong những nhà máy sản xuất robot được sử dụng nhiều nhất trong các ngành chế tạo ôtô, công nghiệp điện và điện tử, chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực phẩm Các công việc thường sử dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm

và cấp phôi trong các dây chuyền tự động

Ưu điểm và nhược điểm của robot:

Ưu điểm:

- Có khả năng thay thế con người làm việc trong các môi trường độc hại: việc nặng nhọc, gây nguy hiểm cho con người, như nóng, độc, phóng xạ, dưới nước sâu, trong lòng đất, ngoài khoảng không vũ trụ,…

- Tính chính xác cao, có khả năng tự động hoá cao, có tính lặp lại

- Tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm: do robot có thể làm việc nhiều ca mà không mệt mỏi, không cần ăn trưa, không đòi hỏi lương…

Nhược điểm:

- Giá thành đầu tư cho dây truyền sử dụng robot công nghiệp là cao đối với các doanh nghiệp trong nước.

- Việc ứng dụng robot công nghiệp vào sản xuất thì cần phải có kiến thức cũng như nhân công kĩ thuật sử dụng và vận hành chúng, cùng những chi phí tốn kém trong việc bảo dưỡng và sửa chữa

Với Việt Nam robot ứng dụng trong sản xuất đang rất ít Nên việc nghiên cứu phát triển lập trình điều khiển robot là vấn đề quan trọng cần được tìm hiểu nghiên cứu.

Lập trình điều khiển robot thể hiện mối quan hệ giữa người điều khiển robot công nghiệp Tính phức tạp của việc lập trình càng tăng khi các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi sử dụng đồng thời nhiều robot với các máy tự động khả lập trình khác tạo nên hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Robot khác với các máy tự động cố định ở tính “linh hoạt”, nghĩa là có thể lập trình được (Programmable; khả lập trình) Không những chỉ có các chuyển động của robot mà ngay cả việc sử dụng các cảm biến cũng như những thông tin quan hệ với máy tự động khác trong phân xưởng cũng có thể lập trình Robot có thể dễ dàng thích nghi với sự thay đổi cua nhiệm vụ sản xuất bằng cách thay đổi chương trình điều khiển nó

Khi xem xét đến vấn đề lập trình robot, chúng ta nên nhớ rằng robot là thành phần của một quá trình tự động hóa Thuật ngữ, workcell được dùng để mô tả một tập hợp các thiết bị mà nó bao gồm một hoặc nhiều robot, hệ thống băng chuyền, các cơ cấu cấp phôi và đồ gá Ơ mức cao hơn Workcell có thể được liên kết trong mạng lưới các phân xưởng vì thế máy tính điều khiển trung tâm có thể điều khiển toàn bộ các hoạt động của phân xưởng Vì vậy, việc lập trình điều khiển robot trong thực tế sản xuất cần phải được xem xét trong mối quan hệ rộng hơn

2 Khái niệm lập trình robot online

Lập trình online robot là phương pháp lập trình robot theo kiểu dạy học (Teach by showing), robot được điều khiển để di chuyển đến các điểm mong muốn và các vị trí đó được ghi lại tuần tự trong bộ nhớ của máy tính thông qua các bộ phận phản hồi vị trí Sau đó các dữ liệu sẽ được đọc tuần tự va robot thực hiện lại các động

tác đã được học Để dạy robot, người sử dụng 2 phương pháp để lập trình online cho robot.

Hình 1 Phương pháp teach pendant

Phương pháp Teach pendant người sử dụng thông qua một thiết bị dạy học được gọi là teach pendant để điều khiển robot di chuyển đến các điểm mong muốn Thiết

bị dạy học bao gồm một hộp nhỏ cầm tay (teaching box) có các nút bấm và card điều khiển mà nó cho phép điều khiển các khớp của robot đạt được các giá trị mong muốn Hệ điều hành của robot lưu giữ lại các tọa độ của các điểm mà người

sự dụng đã nhập vào robot sẽ đọc dữ liệu được lưu giữ và thực hiện tuần tự lại các động tác đã được học Phương pháp này hiện ứng dụng cho rất nhiều robot trong công nghiệp

Hình 2 Phương pháp lead through

Phương pháp Lead Through người sự dụng sẽ dạy học robot thông qua việc điều khiển robot di chuyển các điểm mong muốn trực tiếp bằng tay Các nhiệm vụ của robot sẽ được người lập trình di chuyển trực tiếp Điều này gây nhiều khó khăn, đối với ứng dụng cho các robot lớn, bất kỳ các lý do gây ra các chuyển động không chính xác trong quá trình lập trình thì chương trình không thể được chỉnh sửa một cách dễ dàng mà cần lập trình lại toàn bộ công việc Các tín hiệu lưu giữ sẽ được robot tuần tự thực hiện lại Phương pháp lập trình này của robot hiện nay ít được

sử dụng chỉ được sử dụng trong robot phun sơn nhỏ

3 Cấu trúc chức năng hoạt động của bộ lập trình online

Bộ lập trình online tùy theo phương pháp lập trình online sẽ có các cấu trúc khác nhau nhưng về tương đối có thể xem chúng gồm có các 3 bộ phận

Bộ phận phản hồi các vị trí mà người lập trình điều khiển robot điều khiển robot tới Các bộ phận phản hồi này có thể là các cảm biến hành trình, cảm biến vị trí, cảm biến góc….

Bộ nhớ ghi lại các điểm mong muốn mà người lập trình chỉ dẫn robot đến Bộ nhớ

có thể tích hợp trong bộ điều khiển của robot

Bộ điều khiển đọc các dữ liệu được ghi từ trước và gửi tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số đến các cơ cấu chấp hành để thực hiện lại các động tác mà người lập trình mong muốn

Bộ kết nối nhiệm vụ truyền tải thông tin phản hồi về bộ điều khiển, truyền tín hiệu

từ bộ điều khiển đến các cơ cấu chấp hành

Với phương pháp Teach pendant ngoài các bộ phận trên bộ lập trình thì còn có thiết bị dạy học bao gồm một hộp nhỏ cầm tay gọi là teaching box có các nút bấm

và card điều khiển mà nó cho phép điều khiển các khớp của robot đạt được các giá trị mong muốn Bộ phận teaching box đối với mỗi hãng lại có thiết kế khác nhau nhưng chung lại cũng có có bộ phận sau:

Bộ phận điều khiển

Bộ phận chấp hành

Bộ phận phản hồiThiết bị dạy

học

1 Nút để ngắt kết nối smartpad

2 Phím lựa chọn quản lý kêt nối

3 Nút dừng khẩn cấp

4 Space mouse: Cho chuyển động robot bằng tay

5 Jog key : Cho chuyển động robot bằng tay

10 Start key Phím bắt đầu chạy chương trình

11 Start backwards key Phím bắt đầu chạy lại chương trình theo trình tự thực hiện ở trước

Chức năng của bộ lập trình Online điều khiển robot di chuyển đến các điểm mong muốn và các vị trí đó được ghi lại tuần tự trong bộ nhớ của máy tính thông qua các

bộ phận phản hồi vị trí Sau đó các dữ liệu sẽ được đọc tuần tự va robot thực hiện lại các động tác đã được học

4 Hệ tọa độ trong dạy học robot và hệ thống kết nối tín hiệu

Hệ tọa độ : Mỗi robot thường bao gồm nhiều (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints) tọa thành một xích động học xuất phát từ một khâu cố định đứng yên Hệ

tọa độ gắn với khâu cố định được gọi là hệ tọa độ chuẩn Các hệ tọa độ trung gian khác gắn với các khâu động được gọi là hệ tọa độ suy rộng Trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay Các tọa độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.

Hình : Các tọa độ suy rộng của robot

Các hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải : Dùng tay phải, nắm hai ngón út và áp út vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón: cái trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y

Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ tọa độ gắn trên khâu thứ n như vậy hệ tọa độ cơ bản gắn với khaai cố định sẽ được ký hiệu là O0, hệ tọa độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2,…On-1 Hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On

Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:

• Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z trong không gian Descarde, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này ký hiệu là T

(Translation) hoặc P (prismatic)

• Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation)

Từ đó có 3 hệ tọa độ hay được sử dụng cho dạy học robot:

Hệ tọa độ Đề các: Hệ tọa độ xác định một điểm trong không gian bằng 3 chỉ

số tọa độ (x,y,z) theo 3 phương vuông x, y, z vuông góc với nhau tạo thành một tam diện thuận

Hình: Hệ tọa độ đề các

Ví dụ hệ tọa độ này sử dụng trong robot kiểu tọa độ đề các: tay máy có 3 chuyển động tịnh tiến cơ bản theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng hình khối chữ nhật Do kết cấu đơn giản loại tay máy này

có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng…

Hình: Robot kiểu tọa độ đề các

Hệ tọa độ trụ : Hệ tọa độ xác định một điểm trong không gian bằng bộ 3 chỉ

số tọa độ ( ,r,z) ϕ

Khoảng cách r từ điểm đó tới trục cực z, ϕ

góc tạo bởi véc tơ tạo bởi gốc tạo độ và hình chiếu của điểm đó xuống mặt phẳng xy với hướng gốc cho trước, z là độ cao của điểm đó.

Hình : Robot kiểu tọa độ trụ

số tọa độ ( , ,r) ϕ ϑ

Hình : Hệ tọa độ cầu

Robot kiểu tọa dộ cầu: Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu, thường độ cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên Ví dụ 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu

Hình : Robot kiểu tọa độ cầu

Các thành phần của robot công nghiệp:

Một robot công nghiệp thương bao gồm các thành phần chính như : cánh tay robot nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biên, bộ điều khiển, thiết bị dạy học, máy tính… các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành phần của hệ thống robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot:

Hình Thành phần chính của hệ thống robot

Trong sơ đồ ở trên việc kết nối giữa thiết bị dạy học và bộ điều khiển và kết nối giữa bộ điều khiển máy tính và nguồn động lực là quan trọng trong việc lập trình robot Hệ kết nối tín hiệu bao gồm kết nối tín hiệu số giữa thiết bị dạy học với bộ điều khiển giúp gửi thông tin điều khiển robot đến các vị trí mong muốn đến bộ điều khiển, từ bộ điều khiển gửi tín hiệu số hoặc tương tự đến nguồn động lực thực hiện các thao tác Hệ thống kết nối còn có nhiệm vụ nhận tín hiệu

từ các cảm biến giúp phản hồi lại các vị trí của robot một cách liên tục từ đó đưa ra các lệnh điều khiển Sau khi nhận tín hiệu thực hiện lại các thao tác, bộ điều khiển lấy tín hiệu từ bộ nhớ sau đó đưa ra các lệnh thông qua các hệ thống kết nối đến nguồn động lực điều khiển nguồn động lực thực hiện các thao tác

5 Các nguyên tắc cơ bản trong lập trình online

Trong lập trình robot online có 3 nguyên tắc cơ bản cần phải nắm rõ để thực hiện lập trình cũng như có thể hiểu về nguyên tắc lập trình online

Các nguyên tắc đấy bao gồm :

• Các thông số tại các điểm cụ thể phải được xác định và ghi lại Ví dụ nhưu tốc độ, tọa độ, đường dịch chuyển

• Các dữ liệu tại các điểm sẽ tạo thành tập hợp các đường dịch chuyển, cần kiểm tra và lựa chọn đường di chuyển phù hợp nhất

• Các thông số tại các điểm cụ thể phải được xác định và ghi lại Ví dụ nhưu tốc độ, tọa độ, đường dịch chuyển

6 Khái niệm lập trình offline, so sánh lập trình online và offline

Để hiểu rõ sự khác biệt giữa lập trình online và lập trình offline Trước hết chúng ta cần phải hiểu được lập trình online là gì

Khái niệm lập trình online:

Lập trình offline có thể được coi là quá trình phát triển một phần hoặc hoàn toàn các chương trình robot mà không đòi hỏi phải thao tác trực tiếp trên robot Bao gồm việc tạo các dữ liệu về tọa độ điểm, các hàm, chu kỳ logic Sự phát triển của robot, cả về phần cứng và phần mềm, góp phần giúp cho việc lập trình offline trở nên dễ dàng hơn Sự phát triển này bao gồm việc đơn giản hóa khả năng điều khiển robot, cải thiện độ chính xác vị trí, áp dụng các công nghệ về cảm biến.

Vì sao nên lập trình offline:

Việc lập trình robot bằng cách “dạy trực tiếp” có thể tốn nhiều thời gian, không phù hợp trong những công việc đòi hỏi độ phức tạp cao Không những thế, việc lập trình bằng cách này không sử dụng được hết khả năng của robot nên

không kinh tế

Nhiều robot tham gia vào các quá trình sản xuất hàng khối như hàn điểm trên ô tô, thời gian yêu cầu cho việc tái lập trình là rất nhỏ, có thể bằng không Tuy nhiên, đối với các robot làm việc trong sản xuất hàng loạt vừa và nhỏ, cần phải lập trình lại nhiều lần, lúc này việc sử dụng hệ thống lập trình offline là cần thiết Sự phức tạp ngày càng tăng của các công việc ứng dụng về robot, đặc biệt liên quan đến các công việc lắp ráp, giúp cho lập trình offline được chú trọng hơn Những lợi thế của lập trình offline có thể được tóm tắt như sau:

• Giảm thời gian “chết” của robot: Các robot vẫn có thể hoạt động các chương trình cũ trong khi chương trình mới đang được lập trình Từ đó mà việc sử dụng robot sẽ linh hoạt và hiệu quả hơn

• Các lập trình viên sẽ không cần phải tiếp xúc trực tiếp với vùng nguy hiểm khi làm việc với robot: Khi không cần phải tiếp xúc trực tiếp với robot để lập trình, các lập trình viên sẽ tránh được các rủi ro khi robot gặp một sự cố nào

đó gây ra

• Hệ thống lập trình đơn giản: Có thể dùng phần mềm lập trình offline để lập trình cho nhiều robot mà không cần quan tâm đến sự khác biệt của từng bộ điều khiển mỗi robot Bởi vì các phần mềm lập trình offline sẽ xử lý và xuất

ra tín hiệu thích hợp, giảm thời gian đào tạo cần thiết cho các lập trình viên

• Tích hợp với các hệ thống CAD/CAM đang được sử dụng hiện nay, cho phép trực tiếp truy cập các phần dữ liệu chuẩn mà không cần phải đưa từ bên ngoài vào

• Đơn giản hóa các nhiệm vụ phức tạp Việc sử dụng một ngôn ngữ lập trình cấp cao trên máy tính cho hệ thống lập trình offline giúp các lập trình viên có thể lập trình các chương trình robot phưc tạp hơn

• Kiểm tra chương trình trước khi chạy Các hệ thống CAD/CAM sẵn có, hoặc các hệ thống offline có thể được sử dụng để tạo ra mô hình của robot và cài đặt các phần mềm mô phỏng phù hợp để kiểm tra va chạm trước khi đưa chương trình vào sử dụng thực tế

Lập trình trực tiếp trên thiết bị robot

hoặc các thiết bị phụ trợ kèm theo

Lập trình thông qua máy tính

Không sử dụng ngôn ngữ lập trình Sử dụng ngôn ngữ lập trình

Chỉ lập trình được các thao tác đơn giản Có thể lập trình được các thao tác phưc

Robot vẫn có thể chạy các chương trình

cũ khi đang lập trình chương trình mới

7 Lập trình offline điều khiển tây máy robot sử dụng EASY ROB

7.1 Giới thiệu phần mềm EASY-ROB 2.0

EASY-ROB là công cụ mô phỏng robot sử dụng đồ hoạ trong không gian 3 chiều (3D) và các hình ảnh có thể hoạt động được Một hệ thống 3D-CAD đơn giản cho phép tạo ra các khối hình học cơ bản như khối trụ, khối cầu, khối chữ nhật, khối tam giác, khối hình thang, để vẽ kết cấu của robot Trong EASY-ROB chúng ta

có thể dùng chuột để quay hoặc tịnh tiến robot đến một toạ độ tuỳ ý EASY-ROB

cũng có các chức năng phóng to, thu nhỏ đối tượng vẽ như nhiều phần mềm thiết

kế khác Chương trình cho phép thiết kế các robot đến 12 bậc tự do Chuyển động của Robot có thể được điều khiển theo các biến khớp hoặc các toạ độ Đề-cát Chúng ta cũng có thể mô tả động học của robot theo kiểu DH hoặc trong hệ toạ độ toàn cục (Universa Coordinates) Easy-Rob đã có sẵn các trình điều khiển động học thuận và ngược của các cấu hình robot thông dụng, khi thiết kế ta chỉ cần khai báo kiểu động học thích hợp Trong trường hợp robot có kết cấu đặc biệt hoặc có các khâu bị động gắn với các chuyển động của các khớp thì cần phải giải bài toán động học ngược hoặc xác định hàm toán học mô tả sự phụ thuộc của khâu bị động đối với khớp quay, viết chương trình xác định sự phụ thuộc đó bằng ngôn ngữ C và sau đó dùng tập tin MAKE.EXE trong C để dịch thành tập tin thư viện liên kết động er_kin.dll (Easy- Rob kinematic Dynamic link library), khi chạy chương trình, EASY-ROB sẽ liên kết với tập tin nầy và thực hiện kiểu động học đã được khai báo trong chương trình điều khiển

Easy-ROB có một số các lệnh điều khiển riêng, Chương trình được viết theo kiểu

xử lý tuần tự, tập tin dạng Text, có thể soạn thảo chương trình trong bất kỳ trình soạn thảo nào Các công cụ gắn trên khâu chấp hành cuối có thể thay đổi được Chúng ta có thể viết một chương trình chuyển động cho một robot theo một quỹ đạo mong muốn, có thể kiểm tra khả năng vươn tới của cánh tay, xác định vùng làm việc của robot Robot mô phỏng có thể cầm nắm hoặc thả các đối tượng làm việc Các chuyển động của robot có thể ghi vào một tập tin và có thể thực hiện lại

Phần mềm cho phép ta xem được các hệ toạ độ đã gắn trên các khâu của robot, xem được quỹ đạo chuyển động của điểm cuối công cụ gắn trên khâu chấp hành cuối Phần mềm còn có nhiều tiện ích khác như : cho phép ta lập trình điều khiển robot bằng phương pháp dạy học, thiết kế các đối tượng làm việc của robot, có các cửa sổ về toạ độ và giá trị góc quay của các khớp tại từng thời điểm khi robot hoạt động

Việc sử dụng phần mềm EASY-ROB để mô phỏng robot giúp chúng ta hai khả năng nghiên cứu :

a Mô phỏng lại một robot đã có và các đối tượng làm việc của nó Đánh giá khả năng làm việc và mức độ linh hoạt của robot, xác định các thông số điều khiển, quỹ đạo chuyển động để dùng trong điều khiển thực.

b Nghiên cứu thiết kế động học, các kích thước và kết cấu của robot trên máy tính

để có thể chọn được phương án động học tốt nhất, đảm bảo cho robot hoàn thành các nhiệm vụ yêu cầu

7.2 Hướng dẫn sử dụng EASY ROB 2.0

7.2.1 Giao diện làm việc của phần mềm

Khởi động chương trình

EASY ROB 2.0 là chương trình tự chạy bạn không cần phải cài đặt Để chạy chương trình bạn kích vào tập tin EASYROBW.EXE Giao diện làm việc của phần mềm gồm 3 phần chính:

• Cửa sổ làm việc

• Các thanh công cụ

• Thanh menu chính

Hình 2.2 Màn hình làm việc của EASY ROB 2.0

a Thanh menu chính của chương trình