Bài giảng robot công nghiệp

Bài giảng robot công nghiệpRobot lần đầu tiên xuất hiện năm 1920 trong một tác phẩm văn học viễn tưởngNăm 1921 xuất hiện 1 con rối Robota do các nghệ sỹ trình diễnXuất hiện ý tưởng sáng chế kỹ thuật những cơ cấu máy móc bắt chước sự hoạt động của con người

PHẦN III – ROBOT CÔNG

NGHIỆP (IR – Industrial Robotion)

CHƯƠNG I – Lịch sử phát triển

của Robot công nghiệp

1 Sự ra đời của Robot CN

- Robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1920 trong một tác

phẩm văn học viễn tưởng

- Năm 1921 xuất hiện 1 con rối Robota do các nghệ sỹ

trình diễn

- Xuất hiện ý tưởng sáng chế kỹ thuật những cơ cấu

máy móc bắt chước sự hoạt động của con người

- Trong công nghiệp thì không cần mo phỏng toàn bộ

các chức năng của con người như nghe, nhìn, cảm

giác,… vì nó không có tính thực tiễn mà thực dụng hơn

là Robot công nghiệp thay thế các chức năng cơ bắp của con người

• Quỏ trỡnh hỡnh thành và phỏt triển

- Trước đại chiến thế giới lần thứ 2 việc triển khai và ứng

dụng các cơ cấu nói trên đã trở thành nhu cầu thự sự

- Xuất hiện các cơ cấu TeleOperator và các cơ cấu điều khiển từ xa đã ra đời, đó

là các cơ cấu phỏng sinh học thuần tuý bao gồm các khâu, khớp, dây chằng gắn liền với bộ điều khiển và đ ợc thao tác bởi cánh tay con ng ời.

Nó có thể cầm nắm, nâng hạ, đảo lật, buông thả các đối t ợng trong một không gian xác định, các thao tác linh hoạt, khéo léo, nh ng tốc độ hoạt động chậm và lực hạn chế vì hệ điều khiển thuần tuý cơ học  hạn chế về lực và quãng đ ờng di chuyển.

ớc, giai đoạn này chủ yếu là cơ khí hoá (lợi lực, thiệt đ ờng đi)

- 1946-1960: các Robot đầu tiên phục vụ cho công nghiệp nguyên tử, trong giai đoạn này:

→ Sự kết hợp điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa sẽ đ a ra một thế hệ máy tự cao cấp mà thời đó gọi là “ng ời máy”

- 1960 là kỷ nguyên của Robot với các mốc:

- 1961 Hãng Robot General đã đ a ra Robot th ơng mại đầu tiên Unimate, đ ợc sử dụng trong phân

x ởng đúc, nó là thời kỳ Robot thế hệ 1, lập trình điều khiển để Robot lạp lại các thao tác đã

-Trên cơ sở bản quyền phát minh sáng chế của Mỹ, các n ớc: Anh (1967) – Scare, Thuỵ Điển, Nhật (1968) – Fanuc,

Đức (1971), Pháp (1972), Italy (1973).

+ Nhật: năm 1961 mua bản quyền sáng chế Robot

+ Đến nay đã có hơn 40 chế tạo Robot

- 1960 - 1970 ra đời công nghệ tích hợp IC

(Integrate Circuit), bộ vi xử lý và máy tính PC

- 1968 – 1972: Phát triển mạnh mẽ Robot trong CN ôtô, đặc biệt tại Nhật với công

ty Yaslawa – một trong những nơi đầu t và nghiêm cứu, ứng dụng Robot hàng

đầu thế giới Thuật ngữ Cơ-Điện tử đã xuất hiện, luôn gắn liền với CNC, Robot

- Năm 1976, máy công cụ CNC ra đời  cho ra đời một

thời kỳ mới của Robot thích nghi, thông minh,…

- 1980 – 90: víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña tin häc, …, Robot cµng

chÝnh x¸c, m¹nh, linh ho¹t, thÝch nghi vµ ®iÒu khiÓn th©n thiÖn h¬n.

- Robot ®k theo ch ¬ng tr×nh ® êng dÉn (Online programming) ®iÒu khiÓn theo thao t¸c, ®iÒu khiÓn dÉn - d¹y (Teach by lead

though)

- Robot §K thÝch nghi vµ th«ng minh (Off – line)

- Robot cã trÝ tuÖ nh©n t¹o

- Trªn thÕ giíi hiÖn nay cã trªn 500 c«ng ty s¶n

xuÊt vµ hµng ngh×n mÉu kh¸c nhau.

- 1990: 300.000 IR  10.000 – 250.000 USD

- 1995: 650.000 IR

- 200: > 1.000.000 IR – 5000USD (min)

Robot Units Shipped

05000

của khoa học kỹ thuật, công nghệ, sản xuất, trong đó cơ khí chính xác, máy tính và công gnhệ thông tin là động lực chủ yếu.

2 Phạm vi ứng dụng của Robot

- Trong môi tr ờng khắc nghiệt:

Bẩn (Dirty), nguy hiểm (Dangerous): mt phóng xạ, t0 , áp suất quá cao, thấp: Rèn, dập,…, độc hại (sơn, bụi), P lớn, V lớn,…

Nhàm chán - buồn tẻ đối với công nhân (Dull)

1 Định nghĩa về Robot CN (IR)

- Là 1 máy tự động linh hoạt có khả năng thay thế từng

bộ phận hoặc toàn phần các chức năng cơ bắp hoặc trí tuệ của con ng ời với những khả năng và mức độ

thích nghi khác nhau.

- Robot phải liên hệ chặt chẽ với máy móc, công cụ trong

một hệ thống tự động tổng hợp cho phép thích ứng nhanh và đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi với các đặc điểm sau:

o Thủ pháp cầm nắm và di chuyển tối u

o Trình độ hành nghề khôn khéo và linh hoạt (Robot hàn)

o Lập trình dễ dàng và độ tin cậy cao

CHƯƠNG II – Định nghĩa và phân loại

Robot

2 Phân loại Robot CN

1 Phân loại theo công dụng:

- Robot hàn

- Robot cấp phôi, lắp ráp, phun phủ, vũ trụ, sinh hoạt,…

2 Phân loại theo bậc tự do:

Mỗi chuyển động độc lập đ ợc coi là một bậc tự do, dựa trên 2 cđ cơ bản:

- Chuyển động thẳng: bậc tự do thẳng: Translation – T

- Chuyển động quay: bậc tự do quay: Rotation – R

Tổ hợp các bậc tự do để hình thành không gian làm việc của Robot

Kh«ng gian lµm viÖc

T 1

T 2

T 3 R(3T)

T 1

T 2 R(2T1R)

R

R(3R)

3 Phân loại theo ph ơng pháp điều khiển:

- Điều khiển theo điểm: PTP

- Điều khiển theo quỹ đạo liên tục: Xẫp xỉ / chính xác

4 Phân loại theo nguồn động lực:

5 Phân loại theo hệ thống truyền động:

- Truyền động gián tiếp: tồn tại truyền động cơ khí: BR,

Bđai, vitme, Dẫn đến tính phi tuyến, tính trễ và bị mòn, tạo khe hở động học,…

- Hệ truyền động trực tiếp: cơ cấu chấp hành đ ợc nối tiếp

với nguồn động lực: kết cấu nhỏ gọn và loại đ ợc những hạn chế hệ truyền động gián tiếp Nh ợc điểm: Đc có số vòng quya thích hợp và điều khiển vô cấp trêm dải rộng

1 Sơ đồ cấu trúc của IR

CHƯƠNG III – Cấu trúc của Robot công

nghiệp

 Teach Pendant: thực hiện quá trình dạy học cho Robot

 Record Button: L u trữ và chuyển giao dữ liệu cảm nhận vật lý trong qúa trình học, gọi là “bộ dữ liệu cảm nhận vật lý” bao gồm các

độ góc của vị trí đầu, vị trí cuối của một động trình {( θ0, h0); ( θf, hf)}

 Forward kinematic: Thiết lập và giảI bài toàn động học trên cơ sở bộ thông số đầu vào {( θ0, h0); ( θf, hf)}

 Cartesian Point storage: L u trữ và chuyển giao các kết quả tính toán của bài toàn động học thuận, vị trí hình học của độngtrình hay

còn goik là “bộ dự liệu hình học” [(X0, Y0, Z0); (Xf, Yf, Zf)]

 Trajectory Planer: Lập trình quĩ đạo đI qua các điểm hình học đã hoặc ch a “dạy” để hình thành toàn bộ quĩ đạo

chuyển động cần có [Xd(t), Yd(t), Zd(t)] của cơ cấu chấp hành cuối (tools)

 Invers Kinematic: giảI bài toán động học ng ợc tìm ra các thông số điều khiển hay là “bộ dữ liệu điều khiển” [ θd(t), hd(t)]

và phát tín hiệu điều khiển (theo nguyen tắc điều khiển NC).

(Robot Dynamic), các bộ cảm nhận vật lý trên chúng (Physical Positions).

ROBOT Dynamic

Physical position

→ Qua phân tích tổ chức ký thuật của Robot có thể nhận thấy các bộ thông số kỹ thuật chủ yếu sau:

Bộ thông số cảm nhận vật lý {( θ 0 , h 0 ); ( θ f , h f )}

Bộ thông số vị trí hình học [(X 0 , Y 0 , Z 0 ); (X f , Y f , Z f )]

Bộ thông số điều khiển {( θ 0 , h 0 ); ( θ f , h f )}

→ Quá trình thiết kế động học Robot công nghiệp

là việc thiết lập và giải các hệ ph ơng trình

động học thuận và ng ợc.

Kết quả tìm đ ợc là cơ sở trong việc giảI các ph

ơng trình động lực học và trong tính toán điều khiển Robot đ ợc thiết kế.

2 Hệ thống cơ cấu chấp hành

1 Vùng làm việc:

đồng nhất có thể mô ta vị trí t ơng đối h ớng giữa các hệ toạ độ này.

 Để đánh giá mức độ thao tác dễ dàng, ng ời ta sử dụng hệ số phục vụ ζ = θ /4 π Trong đó θ là góc nón bao trùm toàn bộ h

ớng của cơ cấu chấp hành Robot tại vị trí định vị; ζ - phụ thuộc vào kết cấu của Robot và vị trí điểm làm việc.

2 Cơ cấu bàn tay kẹp và hệ toạ độ:

a) Cơ cấu bàn tay kẹp (dụng cụ, khâu cuối cùng)

 Cầm nắm đối t ợng, má kẹp tự định tâm

 Nguòn động lực có thể là khí nén, thuỷ lực, điện

b) Hệ toạ độ bàn tay kẹp:

 Gốc toạ độ trùng tâm bàn tay kẹp 0

 Trục Z h ớng theo ph ơng tiép cận đối t ợng

 Trục Y h ớng theo ph ơng cầm nắm đối t ợng

 Trục X là trục còn lại của hệ toạ độ phải

Cơ cấu hình bình hành Bàn kẹp

Má kẹp

c) Hệ toạ độ các khâu:

 Robot có nhiều khâu, các khâu đ ợc liên kết qua các khớp

 Thông th ờng Robot có n bậc tự do sẽ có n khâu và n khớp

 Gốc chuẩn của Robot coi là khâu 0 và không coi là một trong n khâu của Robot

 Đặc tr ng:

 độ dài pháp tuyến chung a n của hai trục khớp

 Góc giữa các trục khớp trong mặt phẳng vuông góc với a n là α n

 Mỗi trục khớp có pháp tuyến tr ớc và pháp tuyến sau:

 d n khoảng cách giữa 2 pháp tuyến

 θ n góc trong mặt phẳng vuông góc với trục

 Gốc của hệ toạ độ khâu n đặt tại giao điểm của pháp tuyến chung giữa trục khớp n & n+1 với trục khớp n+1

 Nếu trục khớp căt nhau, điểm gốc đặt tại giao điểm

 Nếu trục khớp // gốc đặt trên trục khớp kế tiếp

 Trục Z của khâu n đặt dọc theo trục khớp n+1

 Trục X dọc theo pháp tuyến chung, h ớng từ n tới n+1

 Gốc của khâu cơ bản đ ợc đặt trùng với gốc khâu 1

3 Các phép biến đổi đồng nhất:

b i

0 0

1 0

0

0 1

0

0 0

1 )

, ,

(

c b

a c

b a Trans H

0 0

0 cos

sin 0

0 sin

cos 0

0 0

0 1

) ,

α α

α

α α

0 0

0 cos

0 sin

0 0

1 0

0 sin

0 cos

) ,

α α

α α

α

Y Rot

0

0 1

0 0

0 0

cos sin

0 0

sin cos

) ,

α α

α

Z Rot

4 Ph ơng trình động học

5 Ma trận mô tả bàn tay kẹp trong hệ toạ độ gốc T 6

2 Ph ơng trình động học:

 A 1 ma trận mô tả vị trí và h ớng của khâu đầu tiên so với hệ toạ độ gốc.

 A 2 ma trận mô tả vị trí và h ớng của khâu thứ 2 so với khâu đầu tiên.

 Vị trí và h ớng của khâu thứ 2 so với gốc: T 2 = A 1 A 2

 T ơng tự đối với các khâu thứ 3 so với gốc: T 3 = A 1 A 2 A 3

 Robot có 6 bậc tự do, có 6 khâu  vị trí và h ớng của khâu cuối (bàn tay kẹp) so với hệ toạ độ gốc (hệ toạ độ chuẩn):

x x x

x x x

x x x

c b a

Ma trận định h ớng

Ma trận

địn

h vị

Coordinate Systems

• Joint jogging

Mỗi trục của rôbốt được dịch chuyển trên trục riêng theo chiều dương hoặc âm

• WORLD coordinate system

Hệ toạ độ vuông góc cố định, với điểm gốc là tại điểm tâm của

đế rôbốt.

• TOOL coordinate system

Hệ toạ độ đề các cố định với gốc đặt tâm của dụng cụ.

• BASE coordinate system

Hệ toạ độ đề các cố định với gốc tại phôi (chi tiết).

Joint jogging

Mỗi trục của rôbốt được dịch chuyển trên trục riêng theo chiều dương hoặc âm.

WORLD coordinate

system

Hệ toạ độ vuông góc cố định, với điểm gốc là tại điểm tâm của

đế rôbốt.

TOOL coordinate system

Hệ toạ độ đề các cố định với gốc đặt tâm của dụng cụ.

BASE coordinate system

Hệ toạ độ đề các cố định với gốc tại phôi (chi tiết).

+X +Y

Kiểu chuyển động (kiểu nội suy) của rôbốt KUKA

PTP motion with exact

Motion profile (synchronized)

e.g Axis 2: trục quay nhanh

e.g Axis 3 phù hợp theo e.g Axis 6 tự động phù hợp theo

PTP-motion with approximate positioning

Ở một đường dẫn liên tục sự chuyển động tới điểm đích không chính xác mà là xấp xỉ Do đó rôbốt không có một điểm dừng khi giảm tốc ưu điểm:

• Giảm mòn của cơ cấu

• Tốt hơn cho chu kỳ lặp

P 1

P 2

P 3

X Y

Z

LIN motion with exact

CIRC motion with exact

P2 điểm giữa (MP) ,

P3 điểm cuối (EP)

CIRC motion with approximate positioning

Dich chuyển phi tuyến (cung tròn) CIRC P3

P2 điểm giữa (EP) ,

P3 điểm cuối (EP)

KUKA Roboter GmbH, Blücherstr 144, D-86165 Augsburg, Tel.: +49 (0) 8 21/7 97-40 00, Fax: +49 (0) 8 21/7 97-16 16, http://www.kuka-roboter.de I 26.09.00 I College I ML I 41

lÖnh -CÊu tróc mét ch ¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn

Robot Kuka

Endless loop

Example:

DEF EXAMPLE ( ) PTP HOME

LOOP

LIN P1 CIRC P2, P3 LIN P4

ENDLOOP

PTP HOME END

Instruction 1

KUKA Roboter GmbH, Blücherstr 144, D-86165 Augsburg, Tel.: +49 (0) 8 21/7 97-40 00, Fax: +49 (0) 8 21/7 97-16 16, http://www.kuka-roboter.de I 26.09.00 I College I ML I 43

Condition TRUE?

yes

no

Counting loop

Example:

E6POS POSITION[4,4]

INT X, Y

FOR X=1 TO 4 STEP 1

FOR Y=4 TO 1 STEP -1

POSITION[X,Y]=P1 POSITION[X,Y].X=P1.X+50 POSITION[X,Y].Y=P1.Y+50

ENDFOR ENDFOR

KUKA Roboter GmbH, Blücherstr 144, D-86165 Augsburg, Tel.: +49 (0) 8 21/7 97-40 00, Fax: +49 (0) 8 21/7 97-16 16, http://www.kuka-roboter.de I 26.09.00 I College I ML I 45

LOKAL2 ( )

END

DEF LOKAL1 ( )

LOKAL2 ( )

END

DEF LOKAL2 ( )

END

Global subprograms

MAINPR.SRC

DEF MAINPR ( )

EXT GLOBAL1 ( ) EXT GLOBAL2 ( ) GLOBAL1 ( )

GLOBAL2 ( )

KUKA Roboter GmbH, Blücherstr 144, D-86165 Augsburg, Tel.: +49 (0) 8 21/7 97-40 00, Fax: +49 (0) 8 21/7 97-16 16, http://www.kuka-roboter.de I 17.08.00 I College I ML I 47

approximation exact

positioning

Programming a LIN motion

type of motion

name of point

velocity

motion parameters

approximation exact

KUKA Roboter GmbH, Blücherstr 144, D-86165 Augsburg, Tel.: +49 (0) 8 21/7 97-40 00, Fax: +49 (0) 8 21/7 97-16 16, http://www.kuka-roboter.de I 17.08.00 I College I ML I 49

Programming a CIRC motion

type of motion

name of middle point

velocity

motion parameters

name of end point

exact approximation