Điều khiển và ứng dụng kỹ thuật thủy khí trong điều khiển robot công nghiệp

Năm 2010 Các kỹ sư tại phòng thí nghiệm Johns Hopkins vừa phát minh ra một loại động cơ bước hoạt động bằng khí nén, được ứng dụng trong các robot y học hình 1.2 robot khí nén dùng trong

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội

Hà quyết tiến

Điều khiển và ứng dụng kỹ thuật thủy khí trong điều khiển robot công nghiệp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành: chế tạo máy

Hà nội – 2012

Lời cam đoan

Tôi cam đoan đây là công trình khoa học của tôi Các kết quả nghiên cứu

trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Qúy

lực Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là trung thực và có nguồn

gốc cụ thể, rõ ràng Ngoài phần tài liệu tham khảo đã liệt kê, các số liệu và kết quả thực nghiệm là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Hà nội,….tháng….năm 2012

Tác giả

Hà Quyết Tiến

Lời cảm ơn

Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Bùi Qúy lực Viện Cơ khí, Trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài

đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Viện đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành Luận văn này

Tác giả cũng chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Long giáo viên

khoa hàng không vũ trụ Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự Ban lãnh đạo khoa Cơ Khí –

Vũ khí Trường Cao đẳng Công nghiệp Quốc Phòng đã giúp đỡ tác giả thực hiện thí nghiệm tại trung tâm công nghệ cao của trường

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội,ngày tháng….năm 2012

Tác giả

Hà Quyết Tiến

DANH MụC CáC BảNG BIểU

1 1.1 Bảng 1.1 Sự khác nhau giữa cơ cấu kẹp điện - Từ và khí nén 35

2 2.1 Bảng 1.2: Công thức tính toán lực tại các điểm tiếp xúc mỏ kẹp và

3 3.1 Bảng 1.3 Công thức tính toán lực tại các điểm tiếp xúc mỏ kẹp và

4 3.2 Bảng 1.4: Công thức tính ứng suất tiếp xúc 42

5 3.3 Bảng 2.1 Thông tin chi tiết của Gripper chuyển động kép 57

6 Bảng 2.2 Thông tin chi tiết về loại Gripper Miniature

7 Bảng 2.3 Thông tin chi tiết của Gripper song song siêu nhẹ 58

8 Bảng 2.4 Thông tin chi tiết của Gripper song song dãnh dẫn

9 Bảng 2.5 Thông tin chi tiết của Gripper khí nén hàm song song 59

10 Bảng 2.6 Thông tin chi tiết của Gripper khí nén hàm song song

11 Bảng 3.1 Các chi tiết và phụ kiện của gripper 69

12 Bảng 3.1 Các chi tiết cơ khí dùng chế tạo gripper 82

13 Bảng 3.2 Gía trị áp suất và độ biến dạng của lò xo và lực kẹp

14 Bảng 3.2 Bảng hướng dẫn khắc phục lỗi khi vận hành gripper 90

15 Bảng 3.3 Quan hệ giữa lực kẹp và khối lượng vật kẹp 88

Hình 2.8 Sơ đồ tính ứng suất tiếp xúc 68

Mở đầu

Con người từ lâu đã muốn chế tạo một cỗ máy có thể bắt chước kỹ năng lao động của con người, có thể làm thay con người trong những công việc nặng nhọc và nguy hiểm

Robot là đối tượng được con người gửi gắm nhiều tri thức về y khoa, cơ khí, điện - điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển học

Từ chỗ vô tri vô giác, chuyên đảm nhiệm những công việc lao động cơ bắp đơn thuần Robot ngày nay có khả năng quan sát, cảm nhận bản thân và môi trường xung quanh Việc thành công bước đầu trong những nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, hứa hẹn robot trong tương lai có những hành xử giống như con người

Vào những năm 1920 khái niệm robot đã xuất hiện, đến cuối những năm 1940

có những robot thực sự đầu tiên

Vào những năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và tự động hóa làm cho các thiết bị điều khiển nhiều trục như robot và máy CNC có sự chuyển biến đáng kể về mặt công nghệ

Những năm gần đây các thành tựu về cơ tin - điện tử, các hệ chuyên gia, mạng nouron và công nghệ nano, làm cho lĩnh vực robot có một bước tiến dài, mở rộng phạm vi ứng dụng ra nhiều mặt và trở thành một chuyên ngành hấp dẫn nhất của kỹ thuật

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngành công nghiệp thế giới đã trải qua nhiều cuộc cách mạng trong quá khứ, một trong những cuộc cách mạng mà chúng ta phải kể tới đó là cách mạng công nghệ làm thay đổi cả thế giới chúng ta đang sống

Robot và tự động hóa là một cuộc cách mạng vĩ đại, vì mục đích của nó là giải phóng con người ra khỏi lao động nặng nhọc, độc hại Vì mục đích đó ngày càng nhiều nước có nhu cầu sử dụng robot thay thế lao động cơ bắp

Mặc dù robot và robot công nghiệp đã và đang được sử dụng rộng rãi song bản thân là giao thoa của nhiều lĩnh vực kỹ thuật mũi nhọn, không ngừng phát triển nên luôn có những giới hạn bị đẩy lên cao hơn

Bên cạnh các mặt như động học, động lực học robot, việc thiết kế gripper kẹp nói chung và các thông số kỹ thuật của gripper kẹp như: Lực kẹp, hệ số ma sát,

độ cứng vững của hàm kẹp vẫn là vấn đề cần phải quan tâm Đây là một vấn đề vô cùng quan trọng, nó đòi hỏi độ tin cậy cao và mang tính công nghệ trong quá trình sản xuất công nghiệp hiện đại

Ngày nay robot đã được sử dụng phổ biến trên thế giới nhưng vẫn chưa được khai thác đúng mức ở Việt Nam

Ngoài nguyên nhân về đầu tư ban đầu lớn, thì một trong những nguyên nhân khác là lĩnh vực khoa học Robotics chưa được quan tâm đúng mức trong nước, khiến cho việc ứng dụng robot vào các lĩnh vực trong nước còn hạn

Mặt khác có những kỹ thuật đang sử dụng rất phức tạp, việc tiếp cận đối với những vấn đề này có nhiều trở ngại, nếu có thể thay thế bằng một kỹ thuật đơn giản hơn sẽ tạo thuận lợi đáng kể

Các thông số điều khiển robot như quỹ đạo, vận tốc, gia tốc, lực trên các robot nhập ngoại đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên thiết bị

Trong khi đó để thực hiện công việc phức tạp như: Kẹp các chi tiết có thành mỏng thì cần có một Gripper kẹp làm việc có độ tin cậy cao, không gây biến dạng chi tiết đang là vấn đề đang được quan tâm ở Việt Nam

Nhằm đáp ứng một phần nhu cầu trên, đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết vấn đề: “ứng dụng khí nén trong điều khiển Gripper kẹp song song”

2 Mục đích của đề tài

ứng dụng khí nén vào điều khiển tay kẹp (Gripper) của robot công nghiệp

Trọng tâm của đề tài là: “Thiết kế, chế tạo thử nghiệm gripper khí nén cho robot công nghiệp”

3 Phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ứng dụng khí nén trong điều khiển gripper của robot Tập trung vào thiết kế, chế tạo thử nghiệm cơ cấu kẹp bao gồm: Lực kẹp, độ cứng vững, tính linh động của cơ cấu kẹp

Xác định các thông số này phục vụ việc điều khiển cơ cấu kẹp cho an toàn và hiệu quả nhất Các thông số này được xác định qua mô hình toán, sau đó chế tạo thử nghiệm

4 Nội dung của luận văn

điều khiển robot công nghiệp

- Chương 2: Tính toán, thiết kế gripper khí nén hai hàm song song

Hà Nội, ngày….tháng….năm 2012

Tác giả

Hà Quyết Tiến

Chương 1 Tổng quan về robot công nghiệp và ứng dụng khí nén trong điều khiển robot

công nghiệp

I Robot công nghiệp

1.1.Sơ lược quá trình phát triển

Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch

Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy

Vào 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 cử hành trình

Đến 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 Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển

Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1

được điều khiển từ trái đất

Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế robot Shakey di động tinh vi hơn 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

Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã

thiết kế robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình

Joseph Engelberger, người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển những thế hệ robot điều khiển theo chương trình Năm 1962, robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors, và năm 1976 cánh tay robot sử dụng khí nén đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa

Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả (hình 1.1)

Hình 1.1 Tay robot trên tàu thám hiểm Viking 1

Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạng của

“cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ người máy - tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về robot

Năm 2010 Các kỹ sư tại phòng thí nghiệm Johns Hopkins vừa phát minh ra một loại động cơ bước hoạt động bằng khí nén, được ứng dụng trong các robot y học (hình 1.2 robot khí nén dùng trong y học) giúp lấy sinh thiết của các khối u ung thư và chẩn đoán bằng hình ảnh qua máy MRI (máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ) Robot không sử dụng điện và được làm hoàn toàn bằng nhựa, cao su và cramic, động cơ này - được đặt tên PneuStep - khá tương thích với máy MRI do an toàn và khá chính xác PneuStep gồm 3 piston liên kết với một hệ thống bánh răng Các bánh răng này quay bằng khí nén và được điều khiển hoàn toàn bằng máy tính

Chân khí

nén

đặt bên ngoài máy MRI, giúp nó di chuyển khá vững và chính xác hơn so với tay người

Hình 1.2 Robot khí nén dùng trong y học Vào năm 2011 Các nhà khoa học tại Trường ĐH California, Los Angeles (UCLA) đã tạo ra một cánh tay máy khá nhỏ với kích thước chưa tới 1mm, được điều khiển bằng khí nén, hoạt động khá an toàn và hiệu quả trong môi trường sinh học (hình 1.3)

Hình 1.3 Cánh tay khí nén ứng dụng trong y học

Động cơ

khí nén

Đây có thể coi là một bước tiến cho việc mở rộng ứng dụng của robot vào những lĩnh vực mới như những ca vi phẫu thuật trong y học

Tại phòng thí nghiệm ở UCLA, cơ cấu tay máy này đã gắp được một cái trứng

cá từ một ổ trứng dưới nước Đây được xem là cánh tay máy nhỏ nhất trên thế giới

có thể phục vụ cho các ca vi phẫu thuật

Dụng cụ này đặc biệt an toàn cho các ứng dụng trong lĩnh vực sinh học Nó không dùng động cơ điện để tạo ra chuyển động cho các cơ cấu gắp mà hoạt động bằng khí nén Với hệ thống khí nén này, cánh tay máy có thể hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau như khô, ẩm …

Cũng trong lĩnh vực này Công ty chế tạo robot Squse giới thiệu bàn tay robot mềm mại có 21 cơ nhân tạo, hoạt động nhờ được cung cấp lực bằng khí nén, có thể

co, duỗi từng khớp nối tất cả các ngón của bàn tay (hình 1.4)

Hình 1.4 Cánh tay robot khí nén

Vì vậy, bàn tay robot có thể cầm nắm chặt các đồ vật giống như bàn tay của con người Hãng Squse làm bàn tay này để lắp vào các cánh tay nhân tạo cho những người tàn tật, giúp họ khắc phục khó khăn trong cuộc sống

1.2 Tình hình tiếp cận và ứng dụng robot công nghiệp ở việt nam

Trong giai đoạn trước năm 1990 trong nước hầu như hoàn toàn chưa du nhập

kỹ thuật robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin về kỹ thuật về lĩnh vực này

Tuy vậy với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận kỹ thuật mới mẻ này, trong nước đã triển khai đề tài khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58-01-03 trong giai đoạn năm 81-

Cánh tay khí nén Cánh tay

người

85 đề tài 52 - B03-01 trong giai đoạn năm 86 -89 Kết quả của những đề tài này không những đáp ứng được nhu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu trong kỹ thuật bảo hộ lao động và đào tạo cán bộ kỹ thuật nước ta

Giai đoạn tiếp theo từ những năm 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt đầu đổi mới

Đặc biệt là ở một số cơ sở liên doanh với nước ngoài đã nhập ngoại về một số loại robot: Tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công và các máy CNC, lắp ráp các linh kiện điện tử

Một sự kiện đáng quan tâm là 4/1998 nhà máy Rorze/robotech đã bước vào hoạt động ở khu công nghiệp Nomura ở Hải Phòng, đây là nhà máy đầu tiên ở việt nam chế tạo và lắp ráp robot Đó là các loại robot có cấu trúc đơn giản nhưng rất chính xác dùng trong sản xuất chất bán dẫn nhà máy này do nhật đầu tư với số vốn

46 triệu đô la Mỹ do nhật bản đầu tư

Trong những năm gần đây đại học bách khoa hà nội đã chế tạo một số loại robot như robot RP dùng chủ yếu trong lĩnh vực đào tạo, ngày nay RP có 2 mẫu, RPS - 406 dùng để phun men có hệ thống truyền dẫn thủy lực với 5 bậc tự do, RPS

- 4102 dùng trong công nghệ bề mặt có 6 bậc tự do có 3 động cơ điện một chiều và

3 động cơ bước

Ngoài ra đại học bách khoa còn nghiên cứu robot SCK mi ni do trung tâm nghiên cứu tự động hóa đại học bách khoa hà nội thiết kế, chế tạo cung cấp cho một số trường, chủ yếu dùng để giảng dạy, học tập, nhưng đồng thời có thể sử dụng để lắp ráp hoặc sắp xếp các vật nhỏ dưới 1kg là robot SCK mi ni

Ngoài ra trường đại học bách khoa hà nội còn đạt nhiều thành công trong thiết kế chế tạo robot công nghiệp, tất cả những thành công đó đã góp phần đào tạo nhân lực cho quá trình công nghiệp hóa, tự động hóa nước nhà, giảm được kinh phí nhập khẩu robot từ nước ngoài

1.3 Khái niệm robot

Theo viện nghiên cứu rôbôt Hoa Kỳ thì rôbôt được định nghĩa như sau:

Rôbôt là một tay máy có nhiều chức năng thay đổi được các chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho

những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng

Định nghĩa rôbốt còn được Mikell P.groove, một nhà nghiên cứu rôbôt mở rộng như sau:

Rôbốt công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình thể hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các qúa trình sản xuất

Không dừng lại ở những định nghĩa trên, rôbôt còn được nhiều nhà khoa học đưa ra các định nghĩa khác nhau với giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học tổng hợp Tokyo) rôbôt phải thỏa mãn các yếu tố sau:

- Có khả năng thay đổi chuyển động

- Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác

- Có số bậc chuyển động (bậc tự do cao)

- Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động

- Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài

Còn với giáo sư Mosahiro Mori (viện công nghệ Tokyo) thì rôbôt công nghiệp phải có những đặc điểm sau:

- Có khả năng thay đổi chuyển động

- Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ)

- Có tính vạn năng

- Có những đặc điểm của người và máy

Ngoài các ý trên, định nghĩa trong ΓOCT 25 686 - 85 còn bổ sung cho rôbôt công nghiệp chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất:

Rôbôt công nghiệp là máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm cơ cấu chấp hành dạng tay máy và có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển chương trình có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Qua rất nhiều định nghĩa trên thì rôbôt có thể hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt bắt trước các chức năng lao động công nghiệp của con người

1.4 Phân loại robot

Căn cứ vào đặc điểm khác nhau của robot thì có 4 căn cứ khác nhau để phân loại robot:

- Theo dạng hình học của không gian hoạt động

- Theo thế hệ rôbôt

- Theo hệ điều khiển

- Theo nguồn đẫn động

- Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động

Rôbôt được phân theo sự phối hợp giữa 3 trục chuyển động cơ bản rồi sau đó

bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt

Vùng giới hạn tầm hoạt động của rôbôt được gọi là không gian làm việc Rôbôt loại này có 3 bậc chuyển động cơ bản gồm 3 chuyển động tịnh tiến dọc theo

3 trục vuông góc

+ Rôbôt toạ độ trụ (hình 1.5)

Hình 1.5 Robot tọa độ trụ

Ba bậc chuyển động tịnh tiến và một bậc quay

+ Rôbôt toạ độ cầu

Ba bậc chuyển động cơ bản gồm 1 trục chuyển động tịnh tiến và 2 trục quay

Hình 1.6 Robot tọa độ cầu

+Rôbôt bản lề

Hình 1.7 Robot bản lề

- Phân loại rôbôt theo thế hệ robot

Theo quá trình phát triển robot được chia ra 5 thế hệ:

- Sử dụng các cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình

- Điều khiển vòng hở

- Có thể sử dụng băng từ hoặc các băng đục lỗ để đưa chương trình vào hệ điều khiển Tuy loại này không đổi chương trình được

- Sử dụng phổ biến trong công việc lắp đặt

Nói cách khác đây cũng là rôbôt với điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều chỉnh hoạt động, thích ứng với những thay đổi của môi trường Thao tác với rôbôt trình độ điều khiển này còn được gọi là rôbôt thích nghi cấp thấp Rôbôt bao gồm các rôbôt sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensors- coontrlled robôt) Cho phép tạo được những vòng điều khiển kín servo

Đặc điểm:

- Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy

- Có thể tự đưa ra chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình được cài từ trước

- Hoạt động của rôbôt có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, panel điều khiển

+ Rôbôt thế hệ thứ 3

Đây là dạng phát triển cao nhất của rôbôt tự cảm nhận Các rôbôt ở đây được trang bị những thuật toán xử lý, những phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng, nhờ đó rôbôt tự biết phải làm gì để hoàn thành công việc được đặt ra cho chúng

Hiện nay cũng có nhiều công bố về thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới dạng những rôbôt giải trí có hình dạng của những động vật máy Rôbôt thế hệ này bao gồm các rôbôt

được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (vision - controlled robotl) Cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác

Đặc điểm:

- Có những đặc điểm như rôbôt thế hệ thứ 2 và điều khiển hoạt động trên cơ

sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh

- Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khác nhau

- Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biến không được xác định trước Kết quả bài toán sẽ là tập hợp các tín hiệu điều khiển đáp ứng các thao tác của rôbôt

- Phân loại theo điều khiển:

Có 2 loại điều khiển rôbôt: Điều khiển hở và điều khiển kín

+ Điều khiển hở:

Dùng truyền động bước (động cơ điện ,động cơ thuỷ lực hoặc khí nén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu điều khiển này có ưu điểm là kết cấu đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp

+ Điều khiển kín (điều khiển servo):

Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển đường

Với điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc) Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng Kiểu điều khiển này được dùng trên các rôbôt hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh

Điều khiển theo đường đảm bảo phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển nay trên các rôbôt hàn hồ quang

Điều khiển điểm - điểm:

Phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc)

Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh

Điều khiển theo đường:

Đảm bảo phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các rôbôt hàn hồ quang

- Phân loại theo nguồn dẫn động

+ Robot dùng nguồn cấp điện

Nguồn điện cấp cho rôbôt thường là DC để điều khiển động cơ DC Hệ thống nguồn AC cũng đổi thành DC Các động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo Rôbôt loại này có thiết kế gọn, chạy

êm, định vị rất chính xác Các ứng dụng là hàn và sơn

+ Robot dùng nguồn khí nén

Hệ thống cần được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén Rôbôt loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy là các xy lanh khí nén, thực hiện các chuyển động thẳng và chuyển động quay Do khí nén là lưu chất nén nên rôbôt loại này thường được sử dụng trong các thao tác lắp đặt không cần độ chính xác cao

+ Robot dùng nguồn thuỷ lực

Nguồn thuỷ lực sử dụng chất lưu không nén được là dầu ép Hệ thống cần được trang bị bơm để tạo áp lực dầu Tay máy là các xy lanh thuỷ lực chuyển động thẳng và quay, và các động cơ dầu Rôbôt loại này được ứng dụng cho tải trọng lớn

1.5 ứng dụng của robot

1.5.1 Mục tiêu ứng dụng của rôbôt

Mục tiêu ứng dụng rôbôt trong công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của rôbôt đã đúc kết lại qua nhiều năm được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới, những ưu điểm cơ bản đó là :

Rôbôt có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế rôbôt có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế, rôbôt còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh

Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng rôbôt là vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức tiền lương cao cho lao động, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội

Theo số liệu của Nhật Bản thì nếu một rôbôt làm việc thay cho môt người thợ thì tiền mua rôbôt chỉ bằng tiền chi phí cho người thợ đó từ 3 đến 5 năm tuỳ theo rôbôt làm việc mấy ca Còn ở Mỹ, trung bình trong một giờ làm việc rôbôt mang lại 13USD tiền lời

ở nước ta trong những năm gần đây ở nhiều doanh nghiệp khoản chi phí lương bổng cũng chiếm tỷ lệ cao trong giá thành

sản phẩm Việc áp dụng rôbôt có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ, sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng rôbôt thì người thợ sẽ không theo kịp hoặc rất

chóng mệt mỏi Theo số liệu của hãng Funic Nhật Bản thì năng suất có khi tăng đến 3 lần

ứng dụng rôbôt có thể cải thiện điều kiện lao động, đó là ưu điểm nổi bật mà chúng ta cần quan tâm

Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc nhiều giờ trong môi trường mà điều kiện vệ sinh công nghiệp khó khăn, độc hại, hoặc ồn

ào quá mức cho phép nhiều lần Việc ứng dụng robot trong môi trường sản suất này sẽ đem lại hiệu quả cao

1.5.2 Các bước ứng dụng

Việc ưu tiên đầu tư trước hết phải nhằm để đồng bộ hoá cả hệ thông thiết

bị, rồi tự động hoá và rôbôt hoá khi cần thiết Để quyết định đầu tư việc rôbôt hoá cho cả dây truyền công nghệ hoặc chỉ ở một vài công đoạn, người ta thường xem xét các mặt sau:

- Nghiên cứu quá trình công nghệ được rôbôt hoá và phân tích toàn bộ hệ thống sản xuất của xí nghiệp

ở đây cần xét đến đầy đủ các chi phí và nếu hiệu quả tính ra cho toàn bộ hệ thống không thể hiện rõ thì việc đầu tư rôbôt hoá là chưa cần thiết

- Xác định các đối tượng cần rôbôt hoá

Khi xác định thay thế rôbôt ở những nguyên công nào thì phải xem xét khả năng liệu rôbôt đó có thay thế được không và có hiệu qủa hơn không

Thông thường người ta ưu tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, bụi bặm, ồn ào, độc hại hoặc qúa đơn điệu Xu hướng thay thế hoàn toàn bằng rôbôt thực tế không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà nó đồi hỏi sự khéo léo của con người

- Xây dựng mô hình quá trình sản xuất được rôbôt hoá:

Sau khi xác định sơ đồ tổng thể quá trình công nghệ, cần xác định dòng chuyển dịch nguyên liệu và dòng thành phần để đảm bảo sự nhịp nhàng đồng bộ của toàn hệ thống Có thể phát huy hiệu quả vốn đầu tư

- Chọn mẫu rôbôt thích hợp hoặc chế tạo rôbôt chuyên dùng

Đây là bước quan trọng, vì rôbôt có nhiều loại với giá tiền khác nhau, nếu không chọn đúng thì không những đầu tư quá đắt mà còn không phát huy được, như kiểu dùng người không đúng chỗ, việc này thường xẩy ra khi mua rôbôt của nước ngoài

Có những chức năng của rôbôt được trang bị nhưng không được dùng cho công việc cụ thể mà nó đảm nhận, trên dây truyền sản xuất Vì thế mà giá thành tăng lên chỉ có lợi cho nơi cung cấp thiết bị

Cấu trúc rôbôt hợp lý nhất là cấu trúc theo modul hoá Như thế có thể hạ giá thành sản xuất, đồng thời áp dụng được nhu cầu phục vụ đa dạng Cấu trúc càng đơn giản càng dễ thực hiện độ chính xác cao và hạ giá thành Ngoài ra còn có thể tự tạo dựng các rôbôt thích hợp với công việc trên cơ sở mua lắp các modul chuẩn hoá Đó là hướng triển khai hợp lý với đại bộ phận các xí nghiệp trong nước hiện nay cũng như trong tương lai

1.5.3 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 Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng

Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy

là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được

sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn

Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy

Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước

Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot

Ngoài ra, con người phải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vài giờ và có khả năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng cũng như cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi trường độc hại

Tất cả robot phun sơn đều được ‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng đường, đường đi đó được ghi lại, và khi robot thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn đó Như thế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng ứng dụng này đưa đến sự phát triển một loại tay robot dạng

‘vòi voi’ có độ linh hoạt cao

Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa 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 ở mục sau, ba ứng dụng của robot trong công nghiệp được khảo sát ở các giai đoạn nghiên cứu khác nhau Robot trong công nghệ hàn đường (hàn theo vết hoặc đường dẫn liên tục)

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàng liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi

trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn

Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại Những hệ thống hàn đường thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn, và sau đó robot di chuyển dọc theo quĩ đạo được lập trình trước

Ưu điểm duy nhất so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định Người vận hành chỉ còn thực hiện một việc đơn giản là kẹp chặt các chi tiết Có thể thực hiện tăng năng suất bằng cách trang bị hàn định vị quay nhờ đó người vận hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong khi thực hiện việc hàn chi tiết khác

Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong không đồng dạng Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt

là đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng

Hơn nữa, đường hàn có thể không xử lý được với mỏ hàn vì nó bị che khuất bởi chi tiết khác Thợ hàn tay phải xử lý khó khăn nhiều loại mối nối và vị trí các chi tiết khác nhau

Gần đây các nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục đích giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất lượng mối hàn lại tăng Cảm biến trang bị trên các robot hàn đường phải có khả năng xác định vị trí

đúng của đường hàn

Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và kích thước thì robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của đường hàn với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi

Xác định đường hàn cho các vật thể ba chiều thì phức tạp hơn cho các tấm phẳng vi thường cần phải mô hình hoá hình học để định ra đường di chuyển của robot (hình 1.13) trình bày một robot có trang bị cảm biến laser để dò đường đi của đầu hàn Thông thường để đào tạo một thợ hàn bậc cao phải mất nhiều năm, nhưng việc đưa robot vào sản xuất nhà máy tạo khả năng có thể thu nhận công nhân cả trẻ lẫn lớn tuổi, có kinh nghiệm nghề nghiệp rất khác nhau Hàn đường, một lãnh vực tiềm năng cho việc ứng dụng robot, được xếp vào lĩnh vực kỹ thuật cao

- ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất

Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hoá 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

Chỉ với vài người giám sát công việc, các máy móc này có thể hoạt động suốt ngày đêm, các robot làm tất cả các công việc như: gắp sản phẩm (hình 1.8) vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn sản xuất khác, kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho

Hình 1.8 Tay máy gắp sản phẩm bằng khí nén Các nhà máy lớn thì thường sản xuất một số mặt hàng nhất định trên các dây chuyền hiện đại Các nhà máy cỡ vừa và nhỏ, như nhà máy sản xuất phụ tùng xe đạp chẳng hạn, thì thường sản xuất sản phẩm đa dạng với số lượng không lớn Robot được sử dụng trên máy ép nhựa để lấy thành phẩm

Robot không phải lúc nào cũng thích hợp với những công việc như vậy, nhưng nhà máy loại này có thể giải quyết vấn đề đó bằng cách tran bị nhiều thiết bị

đa dạng cho tay gấp của robot nhằm cho phép robot có khả năng điều chỉnh nhanh chóng thiết bị công nghệ đáp ứng linh hoạt với nhiều dạng công việc khác nhau

1.6 Cấu tạo chung của robot

Về mặt truyền động và điều khiển, rôbôt được cấu tạo từ những khối cấu trúc cơ khí hoạt động nhờ các cấu tác động Những cơ cấu tác động này có thể hoạt động phối hợp với nhau để thực hiện những công việc phức tạp dưới sự điều khiển của một bộ phận có cấu tạo như máy tính, còn gọi là những bộ phận điều khiển PC

- based

Với những đặc điểm về cấu tạo và hoạt động thì rôbôt thường được sử dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt dạng Workell và các hệ thống sản xuất tích hợp máy tính Ngày càng có nhiều các dây chuyền sản xuất tự động có sử dụng

rôbôt thay thế dần các dây chuyền sản xuất tự động với chương trình hoạt động cứng trước đây

Việc ứng dụng rôbôt vào sản xuất gắn liền sự hiểu biết dầy đủ các vấn đề

có liên quan chặt chẽ với nhau như các dạng nguồn dẫn động, các hệ thống và các chế độ điều khiển, các cảm biến trang bị trên rôbôt, khả năng của phần mềm và ngôn ngữ lập trình cũng như chọn lựa các bộ phận giao tiếp và xuất nhập tín hiệu phù hợp cho các bộ phận chấp hành khác nhau

Về mặt kết cấu rôbôt được chế tạo rất khác nhau, nhưng chúng được xác định từ các thành phấn cơ bản như sau:

Tay máy cũng bao gồm cả cơ cấu tác động là các phần tử thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xy lanh thủy lực, xy lanh khi nén vv phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối

để thao tác trên đối tượng làm việc - thường là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng khác

Tay máy hay có thể là cánh tay cơ khí của rôbôt công nghiệp thông thường

là chuỗi động hở, được tạo thành từ nhiều khâu được liên kết với nhau nhờ các khớp động Khâu cuối (hay khâu tác động cuối) của tay máy thường có dạng một tay gắp sản phẩm như (hình 1.9), hoặc gắn dụng cụ thao tác

Hình 1.9 Tay gắp sản phẩm điều khiển bằng khí nén Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được

từ bộ phận phản hồi

Các tín hiệu là các biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của khâ

u chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí và tốc độ dịch chuyển của khâu cuối - khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động của các khâu thành phần

1.8 Cơ cấu tay kẹp

1.8.1 Khái niệm và phân loại tay kẹp

Phần công tác của rôbôt rất đa dạng Trên các rôbôt chuyên dùng thì phần công tác cũng là thiết bị chuyên dùng

Ví dụ phần công tác của rôbôt phun sơn là súng phun sơn, của rôbôt hàn là kìm kẹp dây

Trên một loạt các rôbôt vạn năng, thường là các rôbôt vận chuyển, lắp ráp, xếp dỡ thì phần công tác có chức năng nắm giữ và thực hiện các thao tác khác nhau với đối tượng (xoay, lựa, đặt ) Bỏ qua sự khác biệt về kết cấu, căn cứ vào chức năng chính của cơ cấu ta gọi là tay kẹp

Các đối tượng mà rôbôt phải xử lý rất khác nhau về kích thước, hình dạng

và tính chất vật lý nên tay kẹp cũng hết sức đa dạng Yêu cầu cơ bản đối với tay kẹp là làm việc tin cậy (bắt đúng đối tượng, giữ chắc nhưng không làm hỏng đối tượng) Ngoài ra nó còn gọn, nhẹ, tác động nhanh

Tính vạn năng và gọn nhẹ luôn mâu thuẫn với nhau Một mặt người ta cố gắng mở rộng phạm vi hoạt động của từng tay kẹp Mặt khác người ta tạo ra bộ các tay kẹp có tính năng khác nhau để dùng trong từng công việc cụ thể

Tay kẹp được phân chia theo nhiều đặc trưng khác nhau như theo công dụng, theo phương pháp giữ vật, theo tính vạn năng Chúng ta quan tâm đến các đặc trưng liên quan trực tiếp đến các cơ cấu như sau

- Theo nguyên lý tác động có tay kẹp cơ khí, tay kẹp chân không, tay kẹp từ trường tĩnh điện

- Theo khả năng điều khiển: Có tay kẹp không có điều khiển, điều khiển cứng, điều khiển thích nghi

- Theo nguồn năng lượng: Có các loại tay kẹp có dẫn động và không có dẫn động

1.8.2 Kết cấu của tay kẹp

Do sự đa dạng về kết cấu của các tay kẹp, ở đây ta không thể mô tả hết các dạng kết cấu của chúng mà chỉ nghiên cứu một số tay kẹp điển hình

Hình 1.10 kết cấu của tay kẹp cơ khí không có điều khiển

Để đảm bảo quá trình làm việc tin cậy, ổn định ngay cả khi biến động kích thước của đối tượng tay kẹp được bổ xung cơ cấu hãm

Nhờ cơ cấu hãm mà tay kẹp làm việc với hành trình kẹp, nhả một cách rành mạch hơn mặc dù vẫn không có nguồn dẫn động riêng

Tay kẹp trên (hình 1.11) được dùng với chi tiết tròn xoay Lực kẹp được tạo

ra dưới tác dụng của trọng lực, tấm nêm 4 tác dụng lên mặt phẳng nghiêng Trên đuôi của mỏ kẹp 1 Khi đặt vật xuống, nêm 4 tiến gần đến vật, hai mỏ kẹp được giải phóng nhả vật do lực kẹp của lò xo 13

Đáng chú ý ở đây là cơ cấu hãm: Gồm thân 7 gắn liền với cần 5, chốt hãm

10 gắn trên cần 12 nhưng có thể tự quay quanh nó Trong lỗ của thân 7 có lồng (không quay được) hai bạc 8 và 9

Bạc 8 có các vấu phía dưới, bạc 9 có các vấu cả trên và dưới Mỗi lần ăn khớp và trượt tương đối với các vấu ở trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 450

Trong hành trình nhả, thân 7 tiến gần đến đầu 5, chốt 10 tiếp xúc với bạc 8 quay 450, khi đi xuống tiếp xúc với đầu trên của bạc 9 lại quay 450 và bị mắc trong

lỗ

Hai mỏ kẹp bị giữ ở trạng thái nhả

Trong hành trình kẹp, sau khi chốt 2 tiếp xúc với vật, đầu 3 và thân 7 tiến gần đến nhau Chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, bị quay 450

Khi đi xuống chốt 10 lại tiếp xúc với bạc 9 bị quay tiếp 450 nữa Kết quả là chốt lọt qua được rãnh và lọt khỏi lỗ Các mỏ 1 được khoá lại ở trạng thái kẹp

Hình 1.11 Tay kẹp cơ khí có cơ cấu hãm Tay kẹp trên (hình 1.12) làm việc theo nguyên lý tương tự nhưng dùng để kẹp các chi tiết dạng đĩa, bánh răng, bạc trong tư thế thẳng đứng

Hình 1.12 Tay kẹp cơ khí có cơ cấu hãm Hai loại trên được dùng trong sản xuất hàng khối, để nhấc các vật tròn xoay

có khối lượng không quá 30 kg, kích thước không được giao động quá 0,05mm Chúng được coi là tay kẹp phạm vi công tác cứng

7

1 2 3 4

5 6

Với nguyên lý làm việc như hai loại trên, tay kẹp trong (hình 1.13) thuộc loại có phạm vi công tác hẹp, cho phép dao động kích thước lớn hơn từ 1,5 ÷ 2

Hình 1.13 Tay kẹp cơ khí có cơ cấu hãm

Để tăng độ tin cậy kẹp và nhả, để có lực kẹp lớn phạm vi công tác rộng người ta dùng tay kẹp có dẫn động Nguồn động lực thường là động cơ thuỷ lực hoặc khí nén (hình 1.14) tay kẹp có truyền động thủy lực

Hình 1.14 Tay kẹp có truyền động thủy lực

Trên (hình 1.14) là hai tay kẹp, dùng chung cụm cơ sở là xy lanh thuỷ lực

và hai càng dẫn động

Mỏ kẹp có thể thay được vì vậy có thể kẹp vào mặt trong hoặc mặt ngoài của chi tiết Kết cấu tay kẹp trên (hình 1.14) cho phép điều chỉnh khoảng cách giữa hai mỏ kẹp

Trên (hình 1.15) là sơ đồ kết cấu các tay kẹp với truyền động khí nén Các tay kẹp kiểu a và b có mỏ kẹp thay đổi được để dùng với các bề mặt khác nhau về hình dạng và kích thước

Tay kẹp kiểu “c” được sử dụng cơ cấu hình bình hành duy trì được độ song song giữa hai mỏ kẹp ngay cả khi độ mở trong phạm vi rộng

Hình 1.15 Tay kẹp có truyền động khí nén Thay cho cơ cấu bằng càng, tay đòn… Trên nhiều tay kẹp người ta dùng thanh răng trong đó đuôi các mỏ kẹp có dạng quạt răng (hình 1.16)

ưu điểm chính của cơ cấu này là gọn, làm việc tin cậy

Các sơ đồ trên hình vẽ cũng biểu diễn các dạng mỏ tự định tâm Chúng có thể làm việc ở hai vị trí, ví dụ vị trí kẹp phôi và vị trí đưa phôi vào mâm của máy tiện

Kết cấu cho phép định vị chi tiết tại 3 điểm Sự kết hợp giữa truyền động thanh răng với đòn cũng gặp trên nhiều kiểu tay kẹp

Hình 1.16 Tay kẹp có truyền động thanh răng Khi đã có nguồn dẫn động riêng, các tay kẹp có thể được điều khiển từ chương trình bằng các lệnh nhả, kẹp đơn giản hoặc có chu trình điều khiển phức tạp hơn như thay đổi khoảng công tác làm việc nhiều vị trí

b) Tay kẹp chân không và điện từ

Kết cấu của tay kẹp điện từ và chân không được thể hiện trên (hình 1.17) Các tay kẹp kiểu này dùng lực hút (chân không hoặc từ lực) để nhấc và di chuyển đối tượng

Trong một vài trường hợp người ta còn dùng cả lực hút tĩnh điện ưu điểm của loại này là có kết cấu đơn giản, có thể dùng với các bề mặt hay vật mà tay kẹp

cơ khí khó đáp ứng

Ví dụ chi tiết phẳng, rộng nhưng mỏng như tấm tôn, giấy mỏng hình dạng chi tiết thay đổi ngẫu nhiên Tuy có nhiều điểm giống nhau, cơ cấu kẹp điện từ và khí nén có những đặc điểm sử dụng khác nhau như kê trong (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Sự khác nhau giữa cơ cấu kẹp điện - Từ và khí nén

Tính chất Tay kẹp kiểu điện - từ Tay kẹp kiểu chân không Vật liệu vật kẹp Phải có từ tính Bất kỳ

Hình dạng vật kẹp Bất kỳ Mặt phẳng

Trạng thái bề mặt Không cần nhẵn Phải nhẵn, sạch

Lực kẹp Lớn, ít phụ thuộc vào diện Hạn chế, phụ thuộc vào

tích tiếp xúc diện tích tiếp xúc Thời gian kẹp Nhanh Chậm, phải đạt độ chân

không Kết cấu Đơn giản Phức tạp, cần đường ống,

đầu nối, nguồn khí… Thời gian sử dụng Bền lâu Hạn chế

ảnh hưởng đến vật kẹp Để lại từ từ, phải khử từ Không gây hại cho vật

kẹp ảnh hưởng môi trường Không Gây tiếng ồn

Hình 1.17 Sơ đồ tay kẹp chân không “a”; tay kẹp điện từ “b”

c) Tay kẹp dùng buồng đàn hồi

Buồng đàn hồi thường được làm bằng cao su, chất dẻo, lực kẹp sinh ra do sự biến dạng của buồng đàn hồi dưới tác dụng của khí nén hoặc thuỷ lực

B

Hình 1.18 Sơ đồ tay kẹp dùng buồng đàn hồi Trên (hình 1.18) là sơ đồ các tay kẹp dùng buồng đàn hồi do hãng Simrit (Pháp) chế tạo

Chi tiết có thể được định vị và kẹp tại mặt trụ trong, mặt ngoài nhờ buồng đàn hồi hình trụ (a) hoặc định vị nhờ khối v và kẹp nhờ vòng ôm đàn hồi (b)

d) Tay kẹp thích nghi

Trên các tay kẹp kiểu này, người ta đặt các sensor để thu nhận thông tin về

sự tồn tại, vị trí, hình dáng, kích thước, khối lượng, trạng thái bề mặt, màu sắc của đối tượng

Để rôbôt tự động tìm cách xử lý thích hợp như nhận hay không nhận, thay đổi nơi chuyển đến, vị trí và lực kẹp

Trên (hình 1.19a) là sơ đồ tay kẹp kiểu Authropomorphic (tay người) Tay kẹp có 3 ngón các đốt nối với nhau và nối với bàn tay bằng các chốt và có thể chuyển động và quay tương đối với nhau ±450 nhờ các động cơ điện một chiều

Toàn bộ các ngón có 11 bậc tự do và phạm hoạt động lớn hơn tay người cùng kích thước Chuyển động quay quanh các khớp được giám sát bằng các sensor chuyển vị

Lực kẹp được giám sát và điều chỉnh theo thông tin từ các sensor áp lực Bàn tay có khối lượng là 240g, sức nâng 0,5 kg

Bàn tay trên (hình 1.19b) có 6 sensor xúc giác 3, kiểu Miccroswitch để nhận biết đối tượng khi chạm vào nó

Phía trong, trên đầu các ngón và trên càng 1 giữa các ngón có 17 sensor áp lực 2, 4, 6 kiểu biến trở

Hai photodiode 5 trên đầu các ngón tay để định vị đối tượng và để "dẫn đường" cho bàn tay tiếp cận tới nó

Tay kẹp trên (hình 1.20c) có khả năng tự định tâm và kẹp chi tiết dạng bạc

Nó có sensor lực 2 lắp trên đầu dò 3

Trên đầu các ngón có các sensor đo xạ quang học 5 Đầu dò 3 sau khi chạm vào đối tượng sẽ di chuyển tiếp xúc với mặt trụ của đối tượng

Xác định tâm và chuyển động tới tâm của nó Sau đó nhờ các sensor 5, mỏ kẹp được đưa đến tiếp xúc với bề mặt kẹp chi tiết

Hình 1.20 Sơ đồ tay kẹp thích nghi

1.8.3 Phương pháp tính toán tay kẹp

Khi tính toán cần tính lực kẹp cần thiết để nhấc và di chuyển đối tượng ,tính lực hoặc công suất của cơ cấu dẫn động

Kiểm nghiệm các chi tiết cơ cấu theo điều kiện bền, kiểm nghiệm khả năng phá hỏng bề mặt của đối tượng do tác dụng của lực kẹp

Trong một số các trường hợp, phải tính toán hình học để đảm bảo độ chính xác định vị

Về nguyên tắc trung ta có thể áp dụng các phương pháp tính toán cơ học như với mọi cơ cấu khác

Phần này sẽ đề cập đến phương pháp tính toán các thông số đặc trưng cho một số cơ cấu điển hình

Tính toán tay kẹp cơ khí

Bảng 1.2: Công thức tính toán lực tại các điểm tiếp xúc mỏ kẹp và đối tượng

(1 ).sin( )

(1 ) sin( ) sin( ) sin( )

5 0

1 90

ϕ = , ϕ2 = ϕ

sin cos

Q- Tải trọng tính toán; l- Kích thước tay kẹp; c- Khoảng cách từ điểm đặt tải đến

mỏ kẹp đang xét; Rn- Phản lực trên mỏ kẹp thứ n θ- Góc giữa trục phôi và lực Rn;

Ni- Lực tiếp xúc giữa mỏ kẹp và vật; ϕi- Góc giữa hình chiếu của lực Rn lên mặt phẳng và lực Ni µ- Hệ số ma sát giữa vật liệu mỏ kẹp và vật liệu của vật

- Đối tượng được đỡ bởi cơ cấu kẹp (sơ đồ 1 và 4 ) vì vậy lực ma sát ảnh hưởng rất ít đến lực kẹp

- Đối tượng được giữ bởi cơ cấu hãm (sơ đồ 2 và 5), lực ma sát có ảnh hưởng nhất định đến lực kẹp

- Đối tượng được giữ nhờ ma sát (sơ đồ 3 và 6), vì vậy ảnh hưởng của nó rất lớn Trên thực tế người ta áp dụng tổng hợp các phương pháp kẹp Trong quá trình làm việc ảnh hưởng của các yếu tố luôn thay đổi nên khi tính toán phải xét đến trường hợp tới hạn

- Tính lực dẫn động: Trong một số trường hợp nhất là khi kẹp nhờ lực ma sát thì ứng suất tiếp xúc khá lớn Điều đó có thể dẫn đến hư hỏng bề mặt mỏ kẹp hoặc đối tượng, nhất là các chi tiết máy đã được gia công tinh Vì vậy điều kiện chung là ứng suất thực tế phải nhỏ hơn giá trị cho phép Công thức tính ứng suất tiếp xúc cho các điều kiện thông thường được cho trong (bảng 1.3) Trong đó giá trị µ đươc cho trong (bảng 1.5)

Bảng 1.3 Công thức tính toán lực tại các điểm tiếp xúc mỏ kẹp và đối tượng

m j j

M tg P

b ρ

β ρ η

j

M tg P

b ρ

β ρ η

+

≥M=2; ηp = 0,9; β = ÷ 4 8 0; β = 1 10' 0khi dùng làm ổ trượt; β = 3 0 khi dùng làm ổ lăn

m j j

M P

α η

=

≥ ∑

Trường hợp đối xứng:

2 .cos

j M P

α η

.

m j j

c c p

M P