Nghiên cứu tích hợp điều khiển PLC trong rô bốt công nghiệp 4 bậc tự do

Ở Việt Nam hiện nay có rất nhiều hệ thống điều khiển tự động linh hoạt nhỏ; điều khiển PLC Robot công nghiệp bắt đầu được sử dụng.. Như vậy, những Robot đầu tiên thực chất là sự nối kết

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ THỊ THỦY

NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP ĐIỀU KHIỂN PLC TRÊN

ROBOT CÔNG NGHIỆP 4 BẬC TỰ DO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

HÀ NỘI - 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VŨ THỊ THỦY

NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP ĐIỀU KHIỂN PLC TRÊN

ROBOT CÔNG NGHIỆP 4 BẬC TỰ DO

Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS PHẠM VĂN HÙNG

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan những nội dung mà tác giả viết trong Luận văn này là

do sự tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân, cùng với sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Phạm Văn Hùng Mọi số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Trừ các phần tham khảo đã được trích dẫn nguồn gốc cụ thể trong Luận văn

Hà Nội, tháng 12 năm 2013

Tác giả

Vũ Thị Thủy

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô giáo trong bộ môn Máy và

Ma sát học, xưởng Cơ khí, Viện Cơ khí và Ban lãnh đạo Viện đào tạo Sau đại học của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành bản Luận văn

Qua đây, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo trường, khoa Cơ Khí Động lực, các phòng, khoa, Trung tâm của Trường trung cấp nghề Giao thông vận tải Hải Phòng đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình học tập và hoàn thiện Luận văn này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình xây dựng luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót nhất định

Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp, của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan 0

Các ký hiệu và chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ 8

PHẦN MỞ ĐẦU 10

1 Lý do chọn đề tài 10

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

2.1 Mục đích nghiên cứu 11

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

3 Nội dung nghiên cứu 12

4 Phương pháp nghiên cứu 12

5 Dự kiến kết quả 12

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 13

1.1 Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp 13

1.1.1 Quá trình hình thành của Robot công nghiệp 13

1.1.2 Quá trình phát triển của robot công nghiệp 13

1.2 Tổ chức kỹ thuật của robot công nghiệp 17

1.3 Động học robot 19

1.3.1 Bậc tự do của robot 19

1.3.2 Hệ tọa độ của robot 20

1.3.3 Thông số động học và bảng thông số DH 21

1.3.4 Phương trình động học của Robot 21

1.4 Truyền động trong robot công nghiệp 23

1.4.1 Truyền động khí nén (Pneumatic Systems) 23

1.4.2 Hệ thống truyền động điện 25

1.5 Các tham số kỹ thuật của Robot 26

1.6 Ứng dụng của robot công nghiệp 27

1.6.1 Sự cần thiết phải ứng dụng Robot trong công nghiệp 27

1.6.2 Những ứng dụng điển hình của Robot 28

CHƯƠNG 2 ROBOT HARMO 32

2.1 Giới thiệu về robot Harmo 32

2.2 Động học robot Harmo 33

2.2.1 Thiết lập hệ tọa độ của robot 34

2.2.2 Xác định bộ thông số DH 35

2.2.3 Thiết lập các ma trận biến đổi 36

2.2.4 Thiết lập phương trình động học 37

2.3 Kết cấu của robot Harmo 38

2.3.1 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của bậc tự do chuyển động theo phương Zo 38

2.3.2 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của bậc tự do chuyển động theo phương Xo 42 2.3.3 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của bậc tự do chuyển động theo phương Yo 45 2.3.4 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của bậc tự do quay theo phương Zo 47

2.4 Truyền động trong robot Harmo 50

2.4.1 Hệ thống khí nén trong robot Harmo 50

2.4.2 Hệ thống điện điều khiển robot Harmo 52

2.5 Bộ biến tần (INVERTER) 53

2.6 Kiểm nghiệm khối lượng kẹp của vật kẹp 57

2.7 Tính toán vận tốc và gia tốc bậc tự do tịnh tiến theo trục Zo 58

CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC; LẬP TRÌNH PLC CHO RÔ BỐT

HARMO TRONG QUÁ TRÌNH CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG 62

3.1 Hệ thống điều khiển PLC 62

3.1.1 Các bộ phận cơ bản của hệ thống điều khiển PLC 62

3.1.2 Cấu trúc bên trong của bộ PLC 63

3.1.3 Ưu, nhược điểm của PLC 66

3 2 Ngôn ngữ lập trình cho PLC 67

3.3 Lập trình bằng ngôn ngữ sơ đồ thang (LADDER DIAGRAM – LADDER LOGIC) 67

3.4 Lập trình bằng phần mềm CX-PROGRAMMER 71

3.5 Lập trình PLC cho robot Harmo trong quá trình gắp sản phẩm tự động từ máy ép nhựa 74

3.5.1 Sơ đồ thực hiện bài toán lập trình cho PLC 75

3.5.2 Lập trình PLC cho robot Harmo trong quá trình gắp sản phẩm tự động từ máy ép nhựa 76

3.6 So sánh điều khiển PLC với các phương pháp điều khiển khác 92

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 PHỤ LỤC

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính;

NC (Number Control) – Điều khiển số;

PLC (Programmable Logic Controller) – Hệ thống điều khiển logic;

CPU (Central Processor) – Bộ xử lý tín hiệu trung tâm;

CD (Direct Curent) – Dòng điện một chiều;

ROM (Read only Memory) – Bộ nhớ chỉ đọc;

RAM (Ramden Access Memory) – Bộ nhớ thay đổi;

EEPROM (Ellectrically Erasable Programable Read only Memory) – Bộ nhớ tĩnh

có khả năng xóa bằng lập trình lại;

I (In) – Đầu vào;

O (Out) – Đầu ra

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Bảng

14 3.10 Các thao tác trong chu trình robot gắp chai từ máng

16 3.12 Các thao tác trong chu trình robot gắp vật tại vị trí i

17 3.13 Bảng trạng thái điều khiển robot Harmo gắp vật từ vị trí i

18 3.14 Các thao tác trong chu trình robot gắp vật tại vị trí i

19 3.15 Bảng trạng thái điều khiển robot Harmo gắp vật từ vị trí i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối tổ chức kỹ thuật của robot 17

Hình 1.2 Cơ cấu tay máy Scara 19

Hình 1.3 Các hệ tọa độ đối với 2 khâu động liên tiếp 20

Hình 1.4 Robot DTM-Motoman 29

Hình 2.1 Cấu hình robot Harmo 33

Hình 2.2 Sơ đồ động học của robot Harmo 34

Hình 2.3 Hệ tọa độ các khâu của robot Harmo 35

Hình 2.4 Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo phương Zo 38

Hình 2.5 Bộ truyền thanh răng – bánh răng 40

Hình 2.6 Bộ trượt ma sát bi đuôi én 40

Hình 2.7 Bộ đếm Encorder 41

Hình 2.8 Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo trục Xo 42

Hình 2.9 Sơ đồ động bậc tự do tịnh tiến dọc trục Xo 43

Hình 2.10 Kết cấu của bánh đai liền đai ốc 44

Hình 2.11 Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo trục Yo 45

Hình 2.12 Kết cấu cổ tay robot Harmo 47

Hình 2.13 Kết cấu bàn kẹp robot Harmo 48

Hình 2.14 Kết cấu xylanh kẹp robot Harmo 49

Hình 2.15 Sơ đồ mạch điều khiển khí nén trong robot Harmo 50

Hình 2.16 Cấu tạo các phím trên REMOTE 53

Hình 2.17 INVERTER 3G3MV 54

Hình 2.18 Sơ đồ các đầu dây tiêu chuẩn của INVERTER 3G3MV – A2007 55

Hình 2.19 Sơ đồ nối dây INVERTER điều khiển động cơ 56

Hình 2.20 Sơ đồ kiểm nghiệm khối lượng của vật kẹp 57

Hình 3.1 Mô hình cấu tạo của PLC 62

Hình 3.2 Cấu trúc bên trong của bộ PLC 64

Hình 3.3 Bộ định thời gian - Timer 70

Hình 3.4 Bộ đếm Counter 70

Hình 3.5 Cửa sổ chương trình CX - Programmer 71

Hình 3.6 Các thành phần trên khung làm việc của chương trình CX - Program 72

Hình 3.7 Màn hình làm việc của CX - Program 73

Hình 3.8 Màn hình làm việc của CX – Program khi thực hiện một Network mới 73

Hình 3.9 Màn hình làm việc của CX – Program khi chọn lệnh Output 74

Hình 3.10 Sơ đồ thực hiện bài toán lập trình cho PLC 75

Hình 3.11 Bàn thí nghiệm 76

Hình 3.12 Bản vẽ chi tiết chai nhựa 77

Hình 3.13 PLC OMRON SYSMAC CPM2A 79

Hình 3.14 Chu trình robot gắp chai từ máng trượt và thả chai ở vị trí i (hàng 1) 83

Hình 3.15 Chu trình robot gắp chai từ máng trượt và thả chai ở vị trí i (hàng 2) 85

Hình 3.16 Chu trình robot gắp vật tại vị trí i (hàng 2) rồi thả vào máng trượt 89

Hình 3.17 Chu trình robot gắp vật tại vị trí i (hàng 1) rồi thả vào máng trượt 87

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, ngành nhựa là một trong những ngành tăng trưởng ổn định của thế giới, trung bình 9% trong vòng 50 năm qua Sự phát triển liên tục và bền vững của ngành nhựa là do nhu cầu thế giới đang trong giai đoạn tăng cao Sản lượng nhựa tiêu thụ trên thế giới ước tính đạt 500 triệu tấn năm 2010 với tăng trưởng trung bình 5% /năm (theo BASF) Nhu cầu nhựa bình quân trung bình của thế giới năm 2010 ở mức 40Kg/năm, cao nhất là khu vực Bắc Mỹ và Tây Âu với hơn 100 Kg/năm Dù khó khăn, nhu cầu nhựa không giảm ở hai thị trường này trong năm 2009 – 2010 và thậm chí tăng mạnh nhất ở khu vực châu Á khoảng 12 – 15 % Các sản phẩm nhựa rất phong phú và đa dạng bao gồm: Các sản phẩm nhựa bao bì: đồ uống, dược phẩm… chiếm 40% tổng sản phẩm nhựa; các sản phẩm nhựa xây dựng chiếm 20 % tổng sản phẩm nhựa trong đó sản phẩm ống nhựa có tỷ trọng lớn nhất (Dự kiến sản phẩm ống nhựa tăng 6,6 % lên 38,6 tỷ USD trong giai đoạn 2010 – 2015 tại thị trường Mỹ); sản phẩm phụ kiện xe hơi chiếm 7%; sản phẩm thiết bị điện tử chiếm 5,6 %

Tại Việt Nam ngành sản xuất sản phẩm nhựa cũng là một trong những ngành công nghệ đang phát triển nhanh nhất với mức tăng tổng sản lượng khoảng 15 – 20% Theo khảo sát của Cục xúc tiến thương mại Việt Nam, ở nước ta có khoảng

2000 doanh nghiệp nhựa trong đó có một số nhà máy sản xuất nguyên liệu nhựa lớn đang được triển khai và đã đi vào hoạt động với số lượng lớn gồm nhiều chủng loại khác nhau như nhà máy lọc dầu Dung Quất (150,000 tấn nhựa PP), dự án lọc dầu Nghi Sơn (300,000 tấn nhựa PP và 60,000 tấn nhựa PS), công ty cổ phần Nhựa thiếu niên tiền phong Hải Phòng…Mặt khác, nước ta đang trong tiến trình hội nhập, tham gia vào các tổ chức quốc tế như APEC, AFTA, WTO, các hiệp định thương mại song phương Đây chính là cơ hội cho các doanh nghiệp sản xuất nhựa xây dựng một chiến lược kinh doanh hướng về xuất khẩu trong điều kiện hội nhập quốc tế ngày càng mở rộng Trong xu thế đó, chất lượng sản phẩm, sự hợp lý về giá cả và dịch vụ thuận lợi sẽ là yếu tố quyết định sự thành bại của công ty

Tuy nhiên, trang thiết bị và công nghệ để phục vụ cho công nghiệp sản xuất nhựa ở nước ta hiện nay vẫn còn lạc hậu Nếu như trên thế giới đã sử dụng robot vào phục vụ cho quá trình cấp, thoát phôi để thay thế con người thì ở Việt Nam hầu hết các nhà máy vẫn còn sử dụng tay người để thực hiện quá trình này Sử dụng robot hiệu quả sẽ góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc

Thực tiễn cho thấy rằng, trong công nghệ ép nhựa, có một giai đoạn quan trọng, đó là giai đoạn thoát phôi Thông thường sẽ có 1 xi lanh thủy lực riêng để đẩy sản phẩm ra ngoài sau khi đã được làm nguội trong khuôn Nhưng với những sản phẩm này cần phải qua một khâu nữa trong quá trình công nghệ hoặc những sản phẩm có yêu cầu cao về vấn đề vệ sinh thì trong một số máy hiện đại có trang

bị một tay máy Harmo chuyên để gắp sản phẩm ra từ khuôn đúc Những tay máy Harmo này sẽ đảm bảo quy trình ép tự động hoàn toàn cho những công đoạn tiếp theo Vì vậy, vấn đề đặt ra là cần phải nắm rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của robot Harmo để điều khiển robot Harmo như thế nào cho hiệu quả là hết sức cần thiết

Ở Việt Nam hiện nay có rất nhiều hệ thống điều khiển tự động linh hoạt nhỏ; điều khiển PLC Robot công nghiệp bắt đầu được sử dụng Do đó, tác giả lựa

chọn nội dung cho luận văn cao học là:“Nghiên cứu tích hợp điều khiển PLC

trong Rô bốt công nghiệp 4 bậc tự do” nhằm đánh giá những ưu, khuyết điểm

trong quá trình điều khiển, nhằm nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.1 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu tích hợp điều khiển PLC trong Robot công nghiệp bốn bậc tự do nhằm: + Làm chủ được giải pháp tích hợp PLC cũng như lập hệ PLC cho robot công nghiệp

+ Nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng

và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc + Tăng cường khả năng linh hoạt của robot khi thay đổi sản phẩm

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

- Robot Harmo nhãn hiệu UE700SW – 2R chuyên dụng , cho máy ép nhựa tại bộ môn “Máy và ma sát học” – Trường đại học Bách khoa Hà Nội

- Nghiên cứu động học và kết cấu robot Harmo

- Lập trình PLC để điều khiển quá trình cấp phôi tự động của Robot Harmo nhãn hiệu UE700SW – 2R

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về robot và robot Harmo

- Nghiên cứu tổng quan về điều khiển PLC và bộ điều khiển PLC Omron

- Nghiên cứu tích hợp điều khiển PLC trong Robot công nghiệp bốn bậc tự do

- Đánh giá điều khiển PLC với các phương pháp điều khiển khác

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết robot

- Tiến hành thực nghiệm: Lập trình để chạy thử robot Harmo

- Phân tích và đánh giá kết quả, từ đó ứng dụng thực tế

5 Dự kiến kết quả

- Lập trình tích hợp điều khiển PLC trong Robot Harmo để thực hiện nhiệm

vụ cấp chai nhựa (có bản vẽ kèm theo); mô phỏng quá trình cấp phôi đó

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp

1.1.1 Quá trình hình thành của Robot công nghiệp

Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1921 trong tác phẩm

“Rossum’s Universal Robots” của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek Trong tác phẩm này Rossum và con trai của ông đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Năm 1922, trên sân khấu múa rối Châu Âu đã xuất hiện con rối Robota với tên gọi là lực sỹ do các nghệ sỹ Tiệp Khắc trình diễn Từ đó xuất hiện ý tưởng sáng chế kỹ thuật những cơ cấu máy có khả năng bắt chước các hoạt động của con người với mục đích robot công nghiệp thay cho cơ bắp con người

Trước đại chiến thế giới thứ hai, việc triển khai ứng dụng những cơ cấu như vậy trong kỹ thuật trở thành nhu cầu thực sự trong lĩnh vực quân sự Ngay sau

đó, cơ cấu điều khiển từ xa đã ra đời Đó là những cơ cấu phỏng sinh học Trong

cơ cấu này, các khâu và các dây chằng gắn với nhau được điều khiển bởi các cánh tay của người thao tác thông qua các cơ cấu cơ khí Cơ cấu điều khiển từ xa

có thể cầm, nắm, nâng hạ, dịch chuyển, đảo lật, buông thả các đối tượng trong một không gian hoạt động xác định Thao tác khá tinh vi khéo léo nhưng tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng hạn chế và hệ điều khiển ở đây mới chỉ thuần túy là

cơ học

Về mặt kỹ thuật, những Robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ 2 lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số

Như vậy, những Robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển

số

1.1.2 Quá trình phát triển của robot công nghiệp

Robot công nghiệp hình thành và phát triển mạnh mẽ trên thế giới Quá trình phát triển của robot công nghiệp được chia làm 3 thời kỳ sau:

- Thời kỳ sơ khai (Trước năm 1946):

Đây là giai đoạn phát triển sản xuất tiến dần đến tự động hóa cơ khí (tự động hóa sản xuất cứng)

- Thời kỳ tiền robot (1946 – 1960):

Trong thời kỳ này, các robot đầu tiên phục vụ cho công nghiệp nguyên tử, đây là giai đoạn phát triển mạnh của Kỹ thuật – Công nghiệp – Sản xuất Cụ thể như sau:

Năm 1946: Xuất hiện máy tính điện tử đầu tiên có tên là ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Caculartor)

Năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cữ hành trình

Năm 1950: Chế tạo thành công “Máy phay điều khiển số NC” tại viện công nghệ Massachuset MIT, đây là thời kỳ phát triển Công nghệ khoa học – Kỹ thuật thông tin – Điều khiển với khởi đầu quá trình NC trí tuệ nhân tạo Từ đó ý tưởng

“Kết hợp hệ điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa với độ thông minh nhạy bén của hệ điều khiển NC đã đưa ra một thế hệ máy tự động cao cấp Đó là người máy

Năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối

Năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển

- Thời kỳ kỷ nguyên của robotic (Từ năm 1960):

Đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của robot công nghiệp:

Năm 1961: Robot Unimate – USA của hãng General Motors được sử dụng

trong phân xưởng đúc, đây là thời kỳ của robot thế hệ thứ nhất Lập trình điều khiển để robot lặp lại các thao tác đã được định trước Nhờ vậy mà robot có các khả năng:

+ Một là: Làm việc liên tục trong 24 giờ và nắm vững các công việc trong vòng vài phút

+ Hai là: Làm việc trong mọi điều kiện: nóng bức, khó chịu, nguy hiểm và độc hại Trên cơ sở bản quyền phát minh sáng chế của Mỹ, các nước trên thế giới cũng bắt đầu chế tạo robot công nghiệp Ví dụ: nước Anh (1967) với robot Scara; Thụy điển, Nhật Bản (1968) với robot Fanuc; Đức (1971), Pháp (1972), Ý (1973) với robot Sigma

Năm 1967, Nhật Bản nhập robot công nghiệp đầu tiên của Hoa Kỳ Đến nay

đã có hơn 40 công ty Nhật Bản chế tạo robot như công ty Panasonic, Hitachi, Mitsubishi

Từ năm 1960 – 1970: Ra đời robot công nghệ mạch tích hợp IC (Integrated Circuit), LSIC (Large Scale Integrated Circuit), bộ vi xử lý (Microprocessor) và máy vi tính PC (Personal Computer)

Từ năm 1968 – 1972: Đây là giai đoạn phát triển mạnh mẽ của robot trong công nghiệp ô tô, đặc biệt tại Nhật Bản với công ty YASKAWA – một trong những nơi đầu tư và nghiên cứu ứng dụng robot hàng đầu thế giới Thuật ngữ Cơ – Điện tử (Mechatronics) đã xuất hiện và luôn gắn liền với robot CN, CNC Năm

1970 xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển

từ trái đất

Từ năm 1972: Viện nghiên cứu thuộc Trường đại học Stanford đã thiết kế robot Shakey di động tinh vi để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng Robot này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường đi đến đối

tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng Do đó, robot thể hiện được sự tổng hợp của Khoa học – Kỹ thuật – Công nghệ cơ khí – Điện – Điện tử - Tự động điều khiển – Máy tính – Tin học Vì vậy, đây chính là thời kỳ của các robot thế hệ thứ hai: robot điều khiển bằng máy tính có các cảm biến liên hệ ngược Năm 1972 cũng là năm hội nghị đầu tiên của thế giới về robot được tổ chức tại Chicago, Hoa Kỳ Từ đó, robot bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực từ sản xuất đến nghiên cứu khoa học, y tế và đời sống hàng ngày

Năm 1976: Ra đời máy công cụ CNC được điều khiển bằng Microcomputer,

từ đó bắt đầu một thời kỳ ra đời ý tưởng Robot thông minh và thích nghi

Từ năm 1980 – 1990: Đây là giai đoạn phát triển như vũ bão của Khoa học –

Kỹ thuật – Công nghệ - Quy mô sản xuất và nghiên cứu khoa học, đặc biệt về máy tính và tin học nhờ đó mà robot ngày càng chính xác, mạnh, linh hoạt, thích nghi và điều khiển thân thiện hơn Nhiều hiệp hội nghiên cứu về robot trên thế giới được hình thành và phát triển như hiệp hội RIA (Hoa Kỳ), BRA (Anh), AFRI (Pháp), SIRI (Italia), JIRA (Nhật Bản), SWIRA (Thụy Điển)

Thế kỷ 21 là thế kỷ của robot với sự phát triển theo các thế hệ sau:

+ Robot điều khiển theo chương trình đường dẫn: điều khiển theo thao tác, điều khiển dẫn dạy

+ Robot có lập trình điều khiển thích nghi, thông minh

+ Robot có trí khôn nhân tạo

Hiện nay, trên thế giới có khoảng trên 500 công ty và hàng nghìn mẫu robot; robot ngày càng hiện đại, đa dạng về chủng loại và lĩnh vực ứng dụng rất phong phú

1.2 Tổ chức kỹ thuật của robot cụng nghiệp

Hỡnh 1.1 Sơ đồ khối tổ chức kỹ thuật của robot

Sơ đồ cấu trỳc của robot cụng nghiệp được chia làm 4 khối lớn cú mối liờn hệ trực tiếp lẫn nhau:

- Block A: Là khối thực hiện nhiệm vụ thu thập và chuyển giao dữ liệu đầu

vào Khối này bao gồm:

+ Bộ thực hiện quỏ trỡnh dạy học cho robot

+ Bộ dữ liệu cảm nhận vật lý: Lưu trữ và chuyển giao dữ liệu cảm nhận vật lý trong quỏ trỡnh học Bộ này bao gồm cỏc tọa độ gúc của vị trớ đầu, vị trớ cuối của một động trỡnh {(θo,ho); (θf, hf)}

- Block B: Là khối bộ nóo của Robot, bao gồm cỏc cụm vi xử lý, giải quyết

Bộ dữ liệu điều khiển Lập trình quỹ đạo

Bộ cảm nhận vật lý

động học thuận, vị trí hình học của động trình với các tọa độ [(Xo, Yo, Zo) (Xf,

Yf, Zf)]

+ Lập trình quỹ đạo đi qua các điểm hình học đã hoặc chưa “dạy” để hình thành toàn bộ quỹ đạo chuyển động cần có [(Xd(t)), (Yd(t)),Zd(t))] của cơ cấu chấp hành cuối

+ Bộ dữ liệu điều khiển: Giải bài toán động học ngược để tìm ra các thông

số điều khiển [(θd(t), (hd (t))]

- Block C: Là khối điều khiển bao gồm bộ so sánh giá trị cần – thực, các bộ

biến đổi khuyếch đại và phát tín hiệu điều khiển theo nguyên tắc điều khiển NC

- Block D: Là khối cơ cấu chấp hành, bao gồm nguồn động lực, các cơ cấu

- Bộ thông số điều khiển: [(θd(t), (hd (t))]

Được “Biến và Chuyển” liên tục từ cụm chức năng này sang cụm chức năng khác thông qua các bước thể hiện ở các hệ thống phương trình động học thuận và ngược, đồng thời không tách rời quỹ đạo chuyển động tổng quát trong công tác của robot

Bởi vậy, quá trình thiết kế động học Robot công nghiệp là việc thiết lập và giải các hệ phương trình động học thuận và nghịch

Kết quả tìm được là cơ sở trong việc giải các phương trình động lực học và trong tính toán điều khiển của robot được thiết kế

1.3 Động học robot

1.3.1 Bậc tự do của robot

Robot công nghiệp là loại thiết bị tự động nhiều công dụng Cơ cấu tay máy của chúng phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật kẹp theo một hướng nhất định nào đó và di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc Muốn vậy cơ cấu tay máy phải đạt được một số bậc tự do chuyển động

Các khâu của cơ cấu tay máy được nối ghép với nhau bằng các khớp quay hoặc khớp tịnh tiến Trong cơ cấu tay máy, các khâu nối liên tiếp với nhau gọi là

cơ cấu hở và thông thường mỗi khâu động gắn liền với nguồn động lực riêng, cho nên đối với các loại cơ cấu dùng các khớp động loại 5 thì số bậc tự do của cơ cấu bằng số khâu động

Ví dụ: Cơ cấu tay máy Scara có “Số bậc tự do của cơ cấu = số khâu động = 4”

Hình 1.2 Cơ cấu tay máy Scara

Theo Nguyên lý máy, số bậc tự do của cơ cấu được tính theo công thức sau:

i

iP

1.3.2 Hệ tọa độ của robot

Việc gắn hệ tọa độ với các khâu có vai trò rất quan trọng khi thiết lập hệ phương trình động học của robot Nguyên tắc chung như sau:

Gốc của hệ tọa độ gắn liền với khâu thứ i (gọi là hệ tọa độ thứ i) đặt tại giao

điểm giữa đường vuông góc chung (ai) và trục khớp động i+1

Trường hợp 2 trục giao nhau thì gốc hệ tọa độ lấy trùng với giao điểm đó; 2 trục song song với nhau thì chọn gốc tọa độ là điểm bất kỳ trên trục i+1

Trục z của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động i+1

Trục xi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung hướng từ khớp động i đến khớp động i+1 Trường hợp 2 trục giao nhau, hướng trục xivuông góc với mặt phẳng chứa zi.zi-1

Hình 1.3 Các hệ tọa độ đối với 2 khâu động liên tiếp

Trong thực tế, các trục nối khớp động của robot thường song song hoặc vuông góc nhau nên dễ gây nhầm lẫn Hơn nữa việc xác định các hệ tọa độ cần phải phù hợp với các phép biến đổi của ma trận Ai để có thể sử dụng được bộ thông số DH Vì vậy, trình tự xác định các hệ tọa độ cần được lưu ý các điểm sau:

- Trục zi phải chọn cùng phương với trục khớp động i +1 Hướng của phép

quay và phép tịnh tiến được chọn tùy ý

- Trục xi được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp động

thứ i và (i+1), hướng từ khớp động thứ i tới trục (i+1)

- Trục yi được xác định theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận)

- Khi gắn hệ tọa độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma trận

- ai: Khoảng dịch chuyển giữa 2 trục khớp động kề nhau

- αi: Góc lệch giữa trục của 2 khớp động liền kề, là góc quay quanh trục xi sao

cho trục zi-1 chuyển đến trục zi theo quy tắc bàn tay phải

- di: Dịch chuyển tịnh tiến giữa hai đường vuông góc chung của 2 trục; di =

|Oi-1Hi-1| là dương nếu vector Oi-1Hi-1 theo chiều dương của trục Zi-1, âm trong

trường hợp ngược lại

- θi: Góc giữa 2 đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi-1để trục

xi-1 chuyển đến trục xi theo quy tắc bàn tay phải

Bộ thông số: di, θi, ai, αi được gọi là bộ thông số Denavit – Hartenberg hoặc

viết tắt là bộ thông số DH

1.3.4 Phương trình động học của Robot

Ma trận Ai là ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu thứ i so với khâu thứ i -1

và được xác định như sau:

Ai = R(z, i) Tp(0,0,di).Tp(ai,0,0).R(x, i) (1.2) Trong đó:

+ Phép biến đổi tịnh tiến:

[

Ai được gọi là ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Danavit – Hartenberg của khâu

thứ i so với khâu thứ i-1

- Ma trận Ti là tích các ma trận Ai

Ti = A1 A2… Ai với i = 1,2, ,n (1.7)

Trong đó:

+ Ma trận A1: Mô tả vị trí và hướng của khâu đầu tiên

+ Ma trận A2: Mô tả vị trí và hướng của khâu thứ 2 so với khâu đầu tiên

+ Ma trận Ai : Mô tả vị trí và hướng của khâu thứ i so với khâu thứ i -1

Ti được gọi là ma trận mô tả vị trí và hướng của hệ tọa độ gắn liền với khâu thứ

i, so với hệ tọa độ cố định Trong trường hợp i = n, với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ

gắn liền với “điểm tác động cuối” (E) thì ta có:

Tn= A1 A2… An

Mặt khác, hệ tọa độ tại “điểm tác động cuối” này được mô tả bằng ma trận TE

TE = (1.8)

Các phần tử của ma trận 3x1 là tọa độ px,py,pz của điểm tác động cuối E Mỗi cột của ma trận quay 3 x 3 là một véc tơ chỉ phương một trục của hệ tọa độ động UVW (gắn liền với khâu cuối cùng của robot và có gốc là điểm tác động cuối) biểu diễn trong hệ tọa độ cố định XYZ

Vì vậy hiển nhiên là:

Tn= TE

Hoặc

Tn = (1.9)

Đây là phương trình động học cơ bản của robot

1.4 Truyền động trong robot công nghiệp

1.4.1 Truyền động khí nén (Pneumatic Systems)

Hệ thống khí nén được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến, gia công cơ khí, khai thác khoáng sản, đặc biệt ở những lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trường độc hại

p z

w z

v z u

y

p y

w y

v y u

x

P x

w x

v x u

p z

w z

v z u

y

p y

w y

v y u

x

P x

w x

v x u

- Hệ thống điều khiển điện – khí nén: Các phần tử điều khiển hoạt động bằng tín hiệu điện hoặc kết hợp điện – khí nén

- Khối các thiết bị chấp hành: Xi lanh, động cơ khí nén…

c Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén

- Ưu điểm:

+ Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và tích chứa trong bình chứa với áp sất cao thuận lợi, xem như một kho chứa năng lượng Trong thực tế vận hành, người ta thường xây dựng trạm nguồn khí nén dùng chung cho nhiều mục đích khác nhau như công việc làm sạch, truyền động trong các máy móc ;

+ Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ;

+ Khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây tổn hại cho môi trường;

+ Tốc độ truyền động cao, linh hoạt, dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác;

+ Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén đã có sẵn;

+ Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được đảm bảo

- Nhược điểm:

+ Lực truyền tải trọng thấp;

+ Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn cho nên không thể thực hiện những chuyển

động thẳng hay quay đều;

+ Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn lớn

Ngày nay, để nâng cao khả năng ứng dụng của hệ thống khí nén, người ta thường kết hợp linh hoạt chúng với các hệ thống điện cơ khác và ứng dụng sâu rộng các giải pháp điều khiển khác nhau như điều khiển bằng các bộ điều khiển lập trình, máy tính…

1.4.2 Hệ thống truyền động điện

Với những công việc đòi hỏi chính xác, loại robot với truyền động điện tỏ ra đắc dụng nhất vì chúng cho phép bảo đảm được độ chính xác dịch chuyển cao và khả năng thực hiện những thao tác phức tạp

a Các dạng hệ thống truyền động điện

Trong kỹ thuật robot thường dùng các hệ thống truyền động sau:

- Động cơ bước

- Động cơ điện một chiều

- Động cơ điện xoay chiều

b Cấu trúc của hệ thống truyền động điện

Gồm 2 thành phần cơ bản Đó là:

- Stato: Là phần tĩnh gồm 2 bộ phận chính: lõi thép và cuộn dây cuốn; ngoài

ra có vỏ máy và nắp máy

- Roto: Là phần quay gồm lõi thép, dây cuốn và trục máy

c Ưu, nhược điểm của hệ thống truyền động điện

- Ưu điểm:

+ Cơ cấu tác động nhanh và chính xác;

+ Có khả năng áp dụng kỹ thuật điều khiển phức tạp cho các chuyển động;

+ Giá thành không cao;

+ Nhiều động cơ có mômen quay cao, trọng lượng giảm, và thời gian đáp ứng nhanh

- Nhược điểm:

+ Tốc độ cao;

+ Khe hở bộ truyền bánh răng làm giảm độ chính xác;

+ Gây quá nhiệt khi hệ thống bị dừng hoạt động do quá tải;

1.5 Các tham số kỹ thuật của Robot

Có nhiều tham số kỹ thuật xác định đặc tính của Robot Tiêu biểu như sau:

- Số lượng trục chuyển động: Cần có ít nhất hai trục chuyển động để đi đến bất

kỳ một điểm nào trên mặt phẳng, cần có ít nhất 3 trục để đi đến một điểm bất kỳ trong không gian Để điều khiển một cách tổng quát khâu cuối cùng của một dụng cụ thì cần có 3 chuyển động để đảm bảo định vị và 3 trục quay để đảm bảo định hướng

- Động học: Sự sắp xếp thực tế của các khâu và các khớp trong robot quyết định khả năng di chuyển của robot Theo cấu trúc động học, Robot được chia thành các loại Robot có khớp, Robot đề các, song song và Scara

- Tầm hoạt động: Không gian làm việc của Robot

- Khả năng tải: Khối lượng mà robot có thể di chuyển

- Tốc độ dịch chuyển: Tốc độ robot di chuyển cơ cấu cuối cùng của robot (bàn tay kẹp)

- Độ chính xác: Độ chính xác khi di chuyển đến một điểm bất kỳ được ra lệnh

Độ chính xác có thể khác nhau ở những tốc độ và vị trí khác nhau trong không gian làm việc của Robot

- Nguồn động lực: Một số robot dùng động lực là động cơ điện, một số khác dùng động cơ thủy lực Nguồn động lực động cơ điện có đặc điểm nhanh, công suất trung bình, còn động cơ thủy lực thì có đặc điểm lực đẩy lớn, công suất lớn, truyền động êm, dễ điều chỉnh tốc độ, dễ đảo chiều nhưng tốc độ thường chậm Nguồn động lực khí nén có đặc điểm công suất nhỏ nhưng vận tốc lớn, khó điều chỉnh chính xác vận tốc, làm việc ổn hay gây rung động

- Phương án truyền động: Có 2 phương án truyền động cho Robot:

+ Một là phương án truyền động trực tiếp: Động cơ dẫn động trực tiếp cơ cấu chấp hành

+ Hai là: Phương án truyền động gián tiếp: Động cơ dẫn động gián tiếp cơ cấu chấp hành thông qua hệ thống truyền động cơ khí

- Tóm lại một robot công nghiệp phải có ít nhất 3 đặc điểm sau:

+ Thứ nhất: Có khả năng thay đổi chuyển động

+ Thứ hai: Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ)

+ Thứ ba: Có tính vạn năng

1.6 Ứng dụng của robot công nghiệp

1.6.1 Sự cần thiết phải ứng dụng Robot trong công nghiệp

Các robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau: tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và an toàn lao động, giải phóng con người khỏi những công việc cực nhọc

và tẻ nhạt Robot công nghiệp đã và đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Chúng có những ưu điểm sau:

- Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý, bằng hoặc hơn một người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc

- Có khả năng giảm giá thành sản phẩm vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động nhất là ở các nước có mức lương cao đối với người lao động, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội

- Việc ứng dụng robot có thể làm tăng năng suất của dây truyền công nghệ Theo tài liệu của Fanuc – Nhật Bản thì năng suất lao động có thể tăng 3 lần so với con người làm việc vì trong quá trình làm việc, sức người có giới hạn do đó con người dễ bị mệt mỏi

- Ứng dụng Robot có thể cải thiện được điều kiện lao động của con người

1.6.2 Những ứng dụng điển hình của Robot

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn Đây là những công việc có điều kiện làm việc khắc nghiệt, nặng nhọc và độc hại đối với sức khỏe của con người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot Ngoài

ra, robot công nghiệp còn ứng dụng vào việc phóng xạ, vào môi trường có nhiệt

độ cao (đúc), nhiệt độ thấp (rèn, dập), nơi có áp suất cao, áp suất thấp (thao tác dưới đáy biển)

Trong công nghiệp robot tham gia vào nhiều lĩnh vực khác nhau như phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian Dưới đây là một số ứng dụng điển hình của robot công nghiệp:

a Ứng dụng robot trong công nghệ hàn

Trước đây, hàn thường được thực hiện bằng tay bởi người công nhân hàn Tuy nhiên khi hàn thủ công bằng tay sẽ cho năng suất thấp, chất lượng mối hàn không được ổn định do sẽ phụ thuộc tâm sinh lý và sự tập trung của người thợ khi hàn Mặt khác, khi hàn thì nhiệt độ và khói hàn sinh ra sẽ ảnh hưởng rất lớn đến khả năng quan sát của người thợ hàn Đặc biệt là có những trường hợp vị trí hàn không thuận lợi, chỉ đủ không gian để người thợ hàn đưa kìm hàn vào khu vực cần hàn mà không thể quan sát được đường hàn một cách rõ ràng

Khi thay thế người thợ hàn bằng robot hàn, quá trình hàn được thực hiện hoàn toàn tự động, người vận hành chỉ cần tiến hành “dạy học” cho robot một lần cho mỗi thao tác hàn, sau đó robot sẽ thực hiện các thao tác hàn một cách hoàn toàn

tự động mà không cần tới bất kỳ sự can thiệp nào của người vận hành Quá trình dạy học cho robot cũng rất đơn giản, hiện nay để dạy học cho các robot hàn, người vận hành chỉ cần điều khiển robot tới vị trí điểm đầu và điểm cuối của mỗi đường hàn, sau đó khai báo dạng quỹ đạo đường hàn, trong quá trình dạy học

robot sẽ không thực hiện thao tác hàn nên người vận hành có thể quan sát vị trí các kìm hàn bằng mắt thường Bởi vậy, quá trình dạy học cho robot càng trở nên

dễ dàng hơn Vì sau khi dạy học xong, robot sẽ tự động thực hiện quá trình hàn

đã được dạy học và lặp lại quá trình hàn đó đối với chi tiết tiếp theo nên chất lượng các mối hàn cũng như quá trình hàn luôn được đảm bảo và ổn định Thông thường để đào tạo một thợ hàn bậc cao phải mất nhiều năm, nhưng để “đào tạo” công việc cho một robot hàn chỉ mất một thời gian ngắn từ một vài phút đến một vài giờ, tùy theo mức độ phức tạp của chi tiết cần hàn

Hình 1.4 Robot DTM-Motoman

b Ứng dụng robot trong gia công và lắp ráp

Robot được sử dụng chủ yếu vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động…Trong ngành chế tạo máy và dụng cụ đo, chi phí lắp ráp thường chiếm đến 40% giá thành sản phẩm, trong khi đó mức độ cơ khí hóa trong lắp ráp không quá 10 – 15% đối với sản phẩm hàng loạt và 40% đối với sản xuất hàng loạt lớn Bởi vậy việc chế tạo và sử dụng robot lắp ráp có ý nghĩa rất quan trọng và được thực hiện từ khá sớm, ngay

từ những ngày đầu khi Robot được phát minh

c Ứng dụng của robot trong các nhà máy sản xuất

Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hóa hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử Các robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp các sản phẩm vào kho

d Ứng dụng robot trong tương lai

Robot ngày càng thay thế nhiều lao động bởi những ưu điểm vượt trội về năng suất, mức độ ổn định, độ chính xác giá thành sản phẩm, khả năng làm việc đáp ứng được những yêu cầu cao trong sản xuất Trong tương lai, kỹ thuật robot

sẽ tận dụng hơn nữa các thành tựu khoa học liên ngành, phát triển cả về phần cứng, phần mềm và ngày càng chiếm lĩnh nhiều lĩnh vực trong công nghiệp Ngày nay, nếu như trên thế giới, Robot thông minh có thể thăm dò sao hỏa, mặt trăng, hay lòng đại dương … thì ở Việt Nam các nghiên cứu về Robot mới chỉ chủ yếu dừng lại ở các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử

lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh

Vì vậy, vấn đề đặt ra là cần phải tăng cường năng lực trong nước để thiết kế, lắp đặt và ứng dụng các hệ thống tự động linh hoạt trong các ngành công nghiệp mũi nhọn của Việt Nam

Kết luận chương 1

Robot công nghiệp là máy, thiết bị tự động linh hoạt cố định hoặc di động,

được tích hợp từ nhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm:

- Cơ cấu chấp hành

- Hệ thống dẫn động

- Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt

- Hệ thống thông tin giám sát

Vì vậy, có thể nói robot là sự tổng hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các

cơ cấu với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo, cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo

Quá trình phát triển của robot là sự kết hợp phát triển của Khoa học – Kỹ thuật – Công nghệ - Sản xuất trong đó cơ khí chính xác, máy tính và công nghệ thông tin hiện là động lực chủ yếu.Thiết kế động học Robot công nghiệp là việc thiết lập và giải các hệ phương trình động học

Robot công nghiệp ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên tất cả các lĩnh vực

và đã đem lại hiệu quả kinh tế cao Do đó, việc nghiên cứu về tổ chức kỹ thuật,

hệ tọa độ, phương trình động học cũng như các nguồn động lực và điều khiển của Robot công nghiệp cho phép người vận hành sử dụng Robot ngày càng hiệu quả hơn Kết quả nghiên cứu chương 1 tạo điều kiện để đi sâu nghiên cứu Robot Harmo 4 bậc tự do dùng trong công nghiệp chất dẻo với bộ điều khiển PLC Omron cho phép lập trình linh hoạt và tin cậy

CHƯƠNG 2 ROBOT HARMO 2.1 Giới thiệu về robot Harmo

Robot Harmo là một trong những tay máy chuyên dùng để gắp sản phẩm từ khuôn đúc của công nghiệp ép nhựa Trong công nghệ này, thông thường sẽ có một xi lanh thủy lực riêng để điều khiển đóng mở khuôn và đẩy sản phẩm ra ngoài sau khi đã được làm nguội trong khuôn Nhưng những sản phẩm ép đó cần chuyển qua một khâu vệ sinh sạch sẽ Để đáp ứng yêu cầu đó, dây chuyền ép nhựa tự động có trang bị tay máy Harmo làm nhiệm vụ gắp sản phẩm từ máy ép

và chuyển đến băng tải Do đó, tay máy Harmo sẽ bảo đảm quy trình sản xuất nhựa tự động hoàn toàn

- Đặc tính kỹ thuật

Robot Harmo có 4 bậc tự do với 3 bậc tịnh tiến, 1 bậc tự do quay (90o) Robot Harmo nhãn hiệu UE700SW – 2R, sử dụng động cơ điện 3 pha điều khiển tốc độ bằng biến tần, với các thông số ở tần số 50Hz: Công suất điện động cơ 0,2

KW, nguồn điện 220V – 3 pha, tốc độ động cơ n = 1450 vòng/phút để biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của tay máy, Robot

sử dụng cơ cấu Bánh răng - Thanh răng với thông số là 1860 x 20 x20 mm; mô đun răng m = 2; Bánh răng với Z = 30; m = 2 Hộp giảm tốc có tỷ số truyền k

=1/10; chiều dài hành trình theo OXo= 1200mm, chiều dài hành trình theo OYo = 1200mm, chiều dài hành trình theo OZo = 1600mm

Với chuyển động tịnh tiến theo phương OXo và OYo, chuyển động quay theo phương OZo, Robot sử dụng nguồn động lực là các xylanh khí nén Trong

đó, chuyển động tịnh tiến theo OXo có hành trình lớn nhất là: 400mm, khả năng tải của Robot: 4,5 Kg, vận tốc dịch chuyển lớn nhất: OXo=10 m/ph;

OYo=10m/ph, OZo=4 m/ph

Cấu hình của robot Harmo được thể hiện như hình sau:

Hình 2.1 Cấu hình robot Harmo

2.2 Động học robot Harmo

Để thiết lập được phương trình động học của một robot nói chung trước hết ta phải xác định được số bậc tự do của robot, sơ đồ kết cấu động học của Robot Đối với robot Harm, ta có thể mô phỏng sơ đồ khâu, khớp như hình sau:

Hình 2.2 Sơ đồ động học của robot Harmo

Dựa trên sơ đồ, ta thấy rằng kết cấu của robot Harmo gồm có 4 khâu, 4 khớp Trong đó có 3 khớp tịnh tiến và 1 khớp quay Khớp giữa khâu 1 và 2, khớp giữa khâu 2 và 3 là khớp tịnh tiến loại 5, khớp giữa khâu 3 và 4 là khớp quay loại 5

2.2.1 Thiết lập hệ tọa độ của robot

Vận dụng nguyên tắc đặt hệ trục tọa độ của robot vào robot Harmo, ta đƣợc hệ tọa độ của robot Harmo nhƣ hình vẽ sau:

3

90 o

2

1

4

5 1

i

iP

Hình 2.3 Hệ tọa độ các khâu của robot Harmo

2.2.2 Xác định bộ thông số DH

Áp dụng phương pháp Danavit – Hartenberg, ta xác định được các tham số động học như sau:

- Thông số αi của robot Harmo được xác định α1 = - 90o, α2 = 90o, α3 = 0o,α4 = 90o

- Do các khớp động 1, 2, 3 đều là khớp tịnh tiến nên d1, d2, d3 ≠ 0 Khớp động 4

là khớp quay nên d4 = 0

- Các khớp động giữa các khâu 0, 1, 2, 3 đều là khớp tịnh tiến nên a1 = a2 = a3=

0 Khớp động giữa khâu 3 và khâu 4 là khớp quay nên có a4 ≠0, a4 = khoảng cách giữa tâm trục quay và tâm má kẹp

- Thông số θi của robot Harmo được xác định: θ1 = θ2 = 90o, θ3= 0o, θ4= θ4

Bảng 2.1 Bảng thông số DH của robot Harmo

2.2.3 Thiết lập các ma trận biến đổi

Khởi động chương trình Maple 15, sau đó khai báo dạng tổng quát ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Danavit – Hartenberg của khâu thứ i so với khâu thứ i-1

- Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu 3 so với khâu 2 là:

A3= [

- Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu 4 so với khâu 3 là:

0 0

0 0

1 0

sin cos

0 sin

cos sin

0 cos

4 4 4 4

4 4 4 4

0 0

cos sin

0 cos

0 1 0

sin cos

0 sin

1 4 4 4 4

3

2 4 4 4

4

d a

d

d a

Cho cân bằng các phần tử ma trận T4 với ma trận tổng quát, ta được một hệ các phương trình sau:

z

p z

w z

v z u

y

p y

w y

v y u

x

P x

w x

v x u

2.3 Kết cấu của robot Harmo

2.3.1 Kết cấu và nguyên lý hoạt động của bậc tự do chuyển động theo phương Zo

a Kết cấu

Hình 2.4 Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo phương Zo

Bậc tự do chuyển động theo phương Zo gồm các thành phần cơ bản sau:

- Nguồn dẫn động động cơ điện M1: có nhiệm vụ đưa tay máy vào, ra theo phương trục Zo, với hành trình làm việc là 1,6 m Động cơ không đồng bộ ở tần

số 50Hz có các thông số : Nguồn điện 220V – 3 pha; Công suất P = 0,2 KW; số vòng quay n = 1450 vòng/phút

- Tốc độ của động cơ được điều khiển vô cấp bởi bộ biến tần: Nguồn điện vào 220V một pha; Nguồn điện ra 220 V ba pha; Công suất 375 W

- Hộp giảm tốc với thông số tỷ số truyền là 1:10

- Encorder (bộ mã hóa vòng quay, 1 tín hiệu vào, 1 tín hiệu ra) cho phép bộ