Báo cáo Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ______________***______________ BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT PHỤC VỤ SẢN XUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG ĐỘC HẠI VÀ KHÔNG AN TOÀN PGS. TS. Lê Hoài Quốc 6147 17/11/2006 TPHCM, tháng 08/2004 Bản quyền 2004 thuộc ĐHBK-ĐHQG HCM Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gởi đến Hiệu trưởng ĐHBK-ĐHQG HCM trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu. BGD&ĐT ĐHBK-ĐHQG HCM B G D & Đ T Đ H B K -Đ H Q G H C M B G D & Đ T Đ H B K -Đ H Q G H C M MỤC LỤC Chương I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP 11 1.1 Các giai đoạn thiết kế và tích hợp hệ thống 11 1.2 Nhiệm vụ thiết kế 13 1.2.1 Phân tích chức năng 14 1.2.2 Thiết kế hệ thống robot 17 1.3 Thiết kế động học robot 20 1.3.1 Cấu hình động học 21 1.3.2 Robot hoạt động trong không gian Descartes 24 1.3.3 Robot tọa độ trụ 25 1.3.4 Robot SCARA 25 1.3.5 Robot với liên kết toàn khớp bản lề 26 1.3.6 Robot lắp ghép từ các mô đun chuyển động 26 1.3.7 Robot song song 27 1.4 Điều khiển chuyển động 29 1.4.1 Tổng quát 29 1.4.2 Tính toán chuỗi truyền động 29 1.5 Nguồn dẫn động 34 1.5.1 Động cơ điện 34 1.5.1.5 Động cơ đồng bộ 35 1.5.1.2 Động cơ không đồng bộ 36 1.5.1.3 Động cơ chuyển động thẳng 36 1.5.2 Nguồn dẫn động điện – dầu ép 37 1.5.3 Cơ cấu truyền động 38 1.5.3.1 Truyền chuyển động thẳng 39 1.5.3.2 Truyền chuyển động quay 40 1.6 Khớp nối 43 1.7 Hệ thống đo 44 1.7.1 Bộ mã hóa quang điện tuyệt đối 44 1.7.2 Bộ mã hóa quang điện loại quay 45 1.7.3 Bộ đo chuyển vị góc dạng cảm ứng điện từ 47 1.8 Hiệu chỉnh chuẩn robot 48 1.8.1 Các bước hiệu chỉnh chuẩn 50 1.8.2 Kỹ thuật và thiết bị đo 52 1.8.3 Nhận dạng các thông số 55 1.8.4 Thực hiện 56 1.8.5 Thử nghiệm 57 Chương 2: CÁC BÀI TOÁN VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN & MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU ROBOT DỰ KIẾN THIẾT KẾ 60 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 60 2.2 Bài toán động học và động lực học robot 61 2.2.1 Cơ sở lý thuyết 61 2.2.2 Bài toán động học thuận 62 2.2.3 Bài roán động học ngược 64 i/ Khảo sát nhóm chuyển động chính với 3 khâu 66 định vị trí (nhóm định vị) ii/ Khảo sát nhóm 3 khâu định hướng (nhóm định hướng) 68 2.3 Bài toán động lực học 70 2.3.1 Mục đích của việc khảo sát bài toán động lực học 70 2.3.2 Khảo sát bài toán động lực học của tay máy nhiều bậc tự do 70 2.4 Kết quả áp dụng trên một số tay máy trong hạng mục của đề tài 78 2.4.1 Trên robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần 81 2.4.2 Trên Robot camera crane 85 2.4.3 Trên robot SCARA 89 2.4.2 Trên tay máy lấy sản phẩm phôi nhựa PET 93 Chương 3: MỘT SỐ PHẦN TỬ TIÊU BIỂU ĐƯỢC ỨNG DỤNG 97 TRÊN HỆ THỐNG ROBOT THIẾT KẾ 3.1 Bộ điều khiển PC-based 97 3.1.1 Cấu trúc chung 97 3.1.2 Các loại bộ điều khiển 103 3.1.3 Bộ nội suy 107 3.1.4 Giới thiệu chung về card nội suy PCL-832 114 3.1.5 Bộ điều khiển ứng dụng trong đề tài 124 3.2 Panel lập trình và điều khiển (teach pendant) 128 3.2.1 Chức năng của teach pendant 128 3.2.2 Một số loại Teach Pendant của Robot Công nghiệp 131 3.2.3 Nguyên lý cấu tạo của panel lập trình và điều khiển – 135 Teach Pendant 3.3 Kết nối hệ thống – tế bào sản xuất tự động với robot 137 3.3.1 Tế bào sản xuất tự động 137 3.3.2 Vấn đề truyền thông trên hệ thống sản xuất tự động 143 Chương 4: CÁC HẠNG MỤC PHẦN MỀM 152 4.1 Giới thiệu chung 152 4.2 Phần mềm 1: Phần mềm hỗ trợ tra cứu robot 152 4.2.1 Giới thiệu 152 4.2.2 Các tính năng của phần mềm tra cứu robot 153 4.2.3 Cách cập nhật dữ liệu cho phần mềm 167 4.2.4 Hướng phát triển trong tương lai của phần mềm 171 4.3 Phần mềm lập trình - điều khiển robot và phần mềm mô phỏng hoạt động của robot 174 4.3.1 Giới thiệu 174 4.3.2 Môđun điều khiển 175 4.3.3 Môđun mô phỏng - giám sát 177 4.3.4 Lập trình và vận hành robot 179 4.3.5 Mô phỏng và giám sát hoạt động của robot 189 4.3.6 Kết luận 192 Chương 5: Giới thiệu các hạng mục robot đã thực hiện trong đề tài 193 5.1 Robot hàn và robot phục vụ cho các quá trình hóa nhiệt luyện 193 5.1.1 Giới thiệu 193 5.1.2 Những đặc tính cơ bản 194 5.1.3 Kết cấu 196 5.1.4 Truyền động 198 5.1.5 Hệ thống điều khiển 200 5.1.6 Các thiết bị công nghệ 202 5.1.7 Ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất 203 5.2 Robot phục vụ trong quốc phòng 204 5.2.1 Chức năng của robot 204 5.2.2 Kết cấu cơ khí 207 5.2.3 Hệ thống điều khiển 207 5.2.4 Lắp đặt robot trong sản xuất 207 5.3 Robot camera crane – phục vụ cho công việc quay phim 208 5.3.1 Sơ lược quá trình phát triển 208 5.3.2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động 215 5.3.3 Bài toán ngược vị trí cho các chuyển động bù của RCC 217 để bám mục tiêu định trước 5.3.4 Chuyển động bám mục tiêu di động 220 5.3.5 Các chế độ hoạt động 221 5.4 Tay máy lấy lấy sản phẩm nhựa 224 5.4.1 Sơ lược về công nghệ sản xuất sản phẩm PET 224 trên máy ép phun 5.4.2 Một số giải pháp tăng năng suất được áp dụng trên máy ép 227 phun để tạo phôi PET 5.4.3 Tay máy lấy phôi kiểu nằm ngang – giải pháp nâng cao 228 năng suất trên máy ép 5.4.4 Tay máy lấy sản phẩm theo phương đứng, áp dụng trên 232 máy ép nhựa kiểu ép phun Chương 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KIẾN NGHỊ 236 6.1 Về kết quả nghiên cứu ứng dụng của đề tài 236 i. Về phương pháp thiết kế robot 236 ii. Về phương pháp giải bài toán động lực học tay máy trên cơ sở 237 tách nhóm 3 khâu – Xây dựng phần mềm tính toán và mô phỏng kết quả iii. Về thiết kế, tích hợp một số phần tử quan trọng của hệ thống 238 điều khiển robot: bộ điều khiển PC based và Teach pendant iv. Xây dựng phần mềm lập trình – điều khiển và mô phỏng 239 hoạt động của robot. 6.2 Về góc độ phục vụ đào tạo của đề tài 239 6.3 Các sản phẩm cụ thể của đề tài và kết quả ứng dụng thử nghiệm 240 tại cơ sở sản xuất. 6.4 Vài suy nghĩ tự đánh giá và kiến nghị. 241 Lời cảm ơn 244 Tài liệu tham khảo 245 Phần phụ lục 246 - Bản vẽ lắp của một số hạng mục tiêu biểu - Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng - Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu Đĩa minh họa các hạng mục phần mềm Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài Các tập bản vẽ thiết kế của từng hạng mục thiết bị i DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN TT Họ và tên Chức danh Cơ quan – đơn vị 1 Lê Hoài Quốc PGS. TS Chủ nhiệm đề tài Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 2 Lê Văn Ngự TS, chủ nhiệm ĐT nhánh Phòng Robot – Viện NC Điện tử, Tin học và Tự động hóa – VIELINA 3 Hoàng Văn Châu TS Viện Cơ khí – Hà Nội 4 Hồ Xuân Vĩnh TS Viện Tên lửa 5 Phạm Anh Tuấn TS Viện Cơ học VN 6 Lê Văn Dũng KS ĐT Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 7 Nguyễn Văn Thành KS CK CTM Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 8 Nguyễn Đàm Tấn Th.S CKCTM Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 9 Lê Tuấn Anh Th.S ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 10 Phan Trần Hồ Trúc KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 11 Nguyễn Bảo Tuyên KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 12 Lê Đình Phong KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 13 Phan Khánh Nam KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 14 Nguyễn Quốc Thái KS. CNTT Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 15 Phan Quốc Hưng KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 16 Lại Anh Khoa KS ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 17 Nguyễn Hoài Nhân KS CK TĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 18 Vũ Hoàng Nam KS CNTT Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 19 Bùi Thanh Luân KS CKTĐ Trường ĐHDL KT CN TP. HCM 20 Nguyễn Đức Toàn KS VIELINA 21 Nguyễn Văn Quang KS CK VIELINA 22 Nguyễn Cao Sơn KS ĐT VIELINA 23 Đạng Anh Việt KS ĐKTĐ VIELINA 24 Đặng Anh Quang KS ĐKTĐ VIELINA 25 Phạm Văn Bạch Ngọc KS Viện Cơ học VN 26 Đỗ Trần Thắng KS Viện Cơ học VN 27 LêThanh Thủy KS Viện Cơ học VN 28 Đinh Toàn Thắng KS Xưởng Vũ khí – Bộ đội Biên phòng ii GIỚI THIỆU TÓM TẮT VỀ ĐỀ TÀI Theo ước tính chưa đầy đủ trong báo cáo World Robotics 2003 của tổ chức UNECE thuộc Liên đoàn Robot quốc tế (IRF – International Robot Federation) thì hiện nay trên toàn thế giới có khoảng 770.000 robot đang được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Trong số đó, 350.000 (chiếm 45,5%) ở Nhật Bản, 233.000 (chiếm 30,3%) ở EU và khoảng 104.000 (chiếm 13,5%) ở Bắc Mỹ. Ở Châu Aâu, CHLB Đức dẫn đầu với 105.000 robot, tiếp theo là Italia với 47.000, Pháp 24.000, Tây Ban Nha 18.000 và Anh 14.000. Trong khoảng thời gian suy thoái kinh tế gần đây nhất (từ năm 1997 đến năm 2002) thị trường Robot giảm trung bình 12% – 16% /năm. Tuy nhiên nhìn chung mức độ suy giảm trong đầu tư so với các sản phẩm công nghệ cao khác (như máy công cụ CNC bị suy giảm chỉ còn 1/3) vẫn còn khả quan hơn đáng kể. Theo điều tra hàng quý của UNECE/ IFR về doanh số đặt hàng robot công nghiệp của hầu hết các hãng lớn nhất thế giới thì doanh số toàn cầu của năm 2003 tăng 26% so với cùng kỳ năm 2002. Xu thế trong giai đoạn 2003 – 2006 mức tăng trưởng về doanh số trên sản phẩm robot nói chung (trong đó robot công nghiệp chiếm hơn 65%) được dự báo như sau: Bắc Mỹ tăng 35%, Châu Aâu tăng 25%, Châu Á tăng 18%, các khu vực khác tăng 19%. Những lĩnh vực công nghiệp sử dụng robot nhiều nhất là công nghiệp Ô tô, công nghiệp Điện và Điện tử, công nghiệp Chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực phẩm. Những công việc thường được áp dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm và cấp phôi trong các dây chuyền tự động. Tính linh hoạt trong vận hành khai thác, khả năng hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, khả năng thay thế con người trong môi trường làm việc độc hại và không an toàn của robot công nghiệp là những yếu tố quyết định của việc áp dụng robot trong các lĩnh vực công nghiệp nói trên. iii Với nhu cầu rất lớn trong các lĩnh vực áp dụng chính như trên, sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất robot trên thế giới đã giúp cho sản phẩm này ngày một hoàn thiện và giá thành ngày càng hạ hơn. Robot được coi như một sản phẩm điển hình của Cơ điện tử, là kết quả tích hợp của các lĩnh vực kỹ thuật như Cơ học và Cơ khí chính xác, Điện – Điện tử, Cảm biến, Điều khiển và Máy tính. Trên hình 1.1 thể hiện sự tích hợp các lĩnh vực trên từng bộ phận của robot. Hình 1.1: Quan hệ giữa kỹ thuật robot và Cơ điện tử Sản Tích hợp hệ thống robot Hệ thống Robot công nghiệp Phát triển các hệ thống Cơ Điện tử Các hệ thống con - Các phương pháp xử lý đặc biệt: cắt bằng laser, tia nước,… - Gia công cơ - Lắp ráp - Cấp phôi - Đo, thử nghiệm, kiểm tra - Huấn luyện, đào tạo - Nghiên cứu và thiết kế các bộ phận tác động cuối: hàn, gắp kẹp, … Thiết bị ngoại vi Cơ cấu tay máy Bộ tác động cuối: bộ phận gắp kẹp, công cụ gia công Các phần tử, bộ phận chi tiết Các bộ phận giao tiếp Người – Máy Các khớp, trục quay của robot Cảm biến Bộ điều khiển PC based Mạch lái và điều khiển công suất Nghiên cứu cơ bảnCông nghệ Xử lý thông tin Vi điện tử và điện tử công suất Thu nhận, xử lý và truyền Lựa chọn và sử dụng hợp tín hiệu từ các cảm biến lý vật liệu cho từng bộ phận iv • Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và các phương pháp điều khiển thích hợp trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến và xây dựng các giải pháp phần cứng cũng như phần mềm để áp dụng trong việc thiết kế và chế tạo các robot làm việc trong các môi trường độc hại và không an toàn cho người công nhân nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, áp dụng vào sản xuất ở một số đơn vị có nhu cầu và có tính tiêu biểu trong nước để thay thế người công nhân làm việc trong môi trường không thân thiện nhằm đạt được năng suất cao hơn, an toàn và tin cậy hơn trong quá trình hoạt động của cả hệ thống thiết bị hiện hữu với chất lượng sản phẩm ổn định và sau đó tìm kiếm khả năng mở rộng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cũng như trong sinh hoạt trong nước với giá thành thấp. Mục tiêu của đề tài này được thể hiện trên các sản phẩm cụ thể đã đăng ký. Trong Báo cáo tổng kết, mục tiêu nghiên cứu được thể hiện trong các nội dung chính như sau: - Xây dựng cơ sở lý luận về phương pháp thiết kế, phương pháp tính toán động học, động lực học và các phần tử cơ bản để tích hợp hệ thống robot, được thể hiện ở các chương I, II và III. - Các kết quả thực hiện của đề tài về các hạng mục phần mềm và các sản phẩm robot được thể hiện trên các chương IV và V. Đề tài KC.03.02 – “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn”, như tên gọi của nó, nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các robot công nghiệp có tính chuyên biệt, tiêu biểu để phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại hoặc/và không an toàn, bao gồm 5 hạng mục sản phẩm: - Robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần - Robot hàn v - Robot Crane - Tay máy phục vụ trong dây chuyền sản xuất đạn, thuốc nổ - Tay máy lấy sản phẩm phôi PET trên máy ép nhựa và 3 hạng mục phần mềm là: - Phần mềm tra cứu về robot - Phần mềm lập trình và điều khiển robot - Phần mềm mô phỏng hoạt động của robot Bên cạnh quá trình nói trên, khi triển khai thực hiện những nhiệm vụ được thể hiện ở các hạng mục nội dung của đề tài này, việc nghiên cứu xây dựng phương pháp luận trong thiết kế robot và đưa các sản phẩm nghiên cứu đến những nơi ứng dụng để thu nhận những kết quả đánh giá từ thực tế sản xuất nhằm hoàn thiện sản phẩm nghiên cứu được đặc biệt quan tâm. Nhóm nghiên cứu hy vọng qua việc thực hiện đề tài nghiên cứu này có thể đóng góp phần nào về phương pháp luận, về các kết quả ứng dụng trong thực tế sản xuất, cũng như trong việc nghiên cứu, giảng dạy và ứng dụng robot trong nước, nhằm góp phần xây dựng năng lực nội sinh trong lĩnh vực nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot để có thể đáp ứng bước đầu về nhu cầu tự động hóa công nghiệp ở nước ta. Báo cáo tổng kết này tập trung trình bày các vấn đề có liên quan đến phương pháp luận – gồm những nội dung liên quan đến những vấn đề về quan điểm nghiên cứu thiết kế, các vấn đề liên quan đến cơ sở phương pháp tính toán thiết kế, giới thiệu các phần tử trong hệ thống robot và vấn đề khai thác sử dụng robot trong công nghiệp thể hiện ở mối liên kệ kết nối điều khiển phối hợp giữa robot với các thiết bị ngoại vi khác trong hệ thống. Vì vậy, trong báo cáo này không trình bày những vấn đề hiển nhiên có liên quan đến quá trình thực hiện nhưng là những công việc của kỹ sư như tính toán thiết kế chi tiết máy, tính bền,… Theo quan điểm đó, nội dung trình bày trong báo cáo tổng kết được cụ thể hóa ở các chương sau: vi - Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp. - Chương 2: Các bài toán động học và động lực học robot. Xây dựng chương trình tính toán và mô phỏng trên MATLAB các đặc điểm động học và động lực học của cơ cấu robot dự kiến thiết kế. - Chương 3: Giới thiệu các phần tử tiêu biểu được nghiên cứu, tthiết kế, tích hợp và ứng dụng trên hệ thống robot: bộ điều khiển PC based, panel hỗ trợ lập trình và điều khiển. - Chương 4: Giới thiệu các hạng mục phần mềm đã thực hiện. - Chương 5: Giới thiệu và minh họa các hạng mục robot trong đề tài: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động, đặc điểm kỹ thuật của từng hạng mục, thiết bị, hình ảnh các sản phẩm tiêu biểu của đề tài. Giới thiệu và minh họa các hạng mục phần mềm. - Chương 6: Kết quả đạt được và kiến nghị - Tài liệu tham khảo - Phần phụ lục i. Chương trình MATLAB: Tính toán và điều khiển theo mô men. ii. Bản vẽ lắp của các hạng mục sản phẩm robot của đề tài. iii. Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng. iv. Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu. v. Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài. vi. Đĩa CD ROM minh họa các hạng mục phần mềm. vii. Tập bản vẽ thiết kế và đĩa CD ROM trình bày các bản vẽ thiết kế chi tiết và cụm chi tiết của các robot. vii MỤC LỤC Danh sách những người tham gia thực hiện đề tài i Giới thiệu tóm tắt đề tài ii Mục lục vii Bảng chú giải các chữ viết tắt xiv Chương I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1 1.1 Các giai đoạn thiết kế và tích hợp hệ thống 1 1.2 Nhiệm vụ thiết kế 3 1.2.1 Phân tích chức năng 4 1.2.2 Thiết kế hệ thống robot 7 1.3 Thiết kế động học robot 10 1.3.1 Cấu hình động học 11 1.3.2 Robot hoạt động trong không gian Descartes 14 1.3.3 Robot tọa độ trụ 15 1.3.4 Robot SCARA 15 1.3.5 Robot với liên kết toàn khớp bản lề 16 1.3.6 Robot lắp ghép từ các mô đun chuyển động 16 1.3.7 Robot song song 17 1.4 Điều khiển chuyển động 19 1.4.1 Tổng quát 19 1.4.2 Tính toán chuỗi truyền động 19 1.4.3 Mạch điều khiển servo vị trí 22 1.5 Nguồn dẫn động 25 1.5.1 Động cơ điện 25 1.5.1.5 Động cơ đồng bộ 26 viii 1.5.1.2 Động cơ không đồng bộ 26 1.5.1.3 Động cơ chuyển động thẳng 27 1.5.2 Nguồn dẫn động điện – dầu ép 28 1.5.3 Cơ cấu truyền động 28 1.5.3.1 Truyền chuyển động thẳng 30 1.5.3.2 Truyền chuyển động quay 31 1.6 Khớp nối 34 1.7 Hệ thống đo 35 1.7.1 Bộ mã hóa quang điện tuyệt đối 35 1.7.2 Bộ mã hóa quang điện loại gia tăng 37 1.7.3 Bộ đo chuyển vị góc dạng cảm ứng điện từ 38 1.8 Hiệu chỉnh chuẩn robot 39 1.8.1 Các bước hiệu chỉnh chuẩn 41 1.8.2 Kỹ thuật và thiết bị đo 43 1.8.3 Nhận dạng các thông số 46 1.8.4 Thực hiện 47 1.8.5 Thử nghiệm 48 Chương 2: CÁC BÀI TOÁN VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN & MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU ROBOT DỰ KIẾN THIẾT KẾ 51 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 51 2.2 Bài toán động học và động lực học Tay máy 52 2.2.1 Cơ sở lý thuyết 52 2.2.2 Bài toán động học thuận 53 2.2.3 Bài roán động học ngược (BTĐHN) 55 Phương pháp tách nhóm 3 khâu 56 ix Giải BTĐHN bằng phương pháp tách nhóm 3 khâu 59 2.3 Bài toán động lực học 65 2.3.1 Mục đích của việc khảo sát bài toán động lực học 65 2.3.2 Khảo sát bài toán động lực học của Tay máy nhiều bậc tự do 65 2.4 Tính toán điều khiển theo mô men 73 2.4.1 Biến đổi quỹ đạo từ hệ tọa độ Descartes sang không gian khớp 73 2.4.1.1 Nội suy đường đa thức 74 2.4.1.2 Nội suy theo kiểu hàm tuyến tính kết hợp với parabolic. 76 2.4.1.3 Nội suy quỹ đạo theo thời gian nhỏ nhất 79 2.4.2 Tính toán và điều khiển theo mô men 81 2.4.2.1 Đạo hàm của vòng hồi tiếp trong 82 2.4.2.2 Thiết kế PD vòng ngoài 85 2.4.2.3 Thiết kế PID vòng ngoài 92 2.4.3 Các loại điều khiển tương tự tính toán và điều khiển mô men 96 2.4.3.1 Sai số động lực học với luật điều khiển gần đúng 97 2.4.3.2 Điều khiển PD có bù trong lực 98 2.4.3.3 Điều khiển khớp theo cách cổ điển 102 2.4.3.4 Điều khiển PD 104 2.4.3.5 Điều khiển PID 105 2.4.4 Áp dụng Matlab để khảo sát các bài toán cụ thể 108 2.5 Kết quả áp dụng trên một số tay máy trong hạng mục của đề tài 109 2.5.1 Trên robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần 111 x 2.5.2 Trên Robot camera crane 115 2.5.3 Trên robot SCARA 119 2.5.4 Trên tay máy lấy sản phẩm phôi nhựa PET 123 Chương 3: MỘT SỐ PHẦN TỬ TIÊU BIỂU ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRÊN HỆ THỐNG ROBOT THIẾT KẾ 127 3.1 Bộ điều khiển PC-based 127 3.1.1 Cấu trúc chung 127 3.1.2 Các loại bộ điều khiển 132 3.1.3 Bộ nội suy 137 3.1.4 Giới thiệu chung về card nội suy PCL-832 143 3.1.5 Bộ điều khiển ứng dụng trong đề tài 152 3.2 Panel lập trình và điều khiển (teach pendant) 156 3.2.1 Chức năng của teach pendant 156 3.2.2 Một số loại Teach Pendant của Robot Công nghiệp 159 3.2.3 Nguyên lý cấu tạo của panel lập trình và điều khiển – 163 Teach Pendant 3.3 Kết nối hệ thống – tế bào sản xuất tự động với robot 165 3.3.1 Tế bào sản xuất tự động 165 3.3.2 Vấn đề truyền thông trên hệ thống sản xuất tự động 171 Chương 4: CÁC HẠNG MỤC PHẦN MỀM 179 4.1 Giới thiệu chung 179 4.2 Phần mềm 1: Phần mềm hỗ trợ tra cứu robot 179 4.2.1 Giới thiệu 179 4.2.2 Các tính năng của phần mềm tra cứu robot 180 xi 4.2.3 Cách cập nhật dữ liệu cho phần mềm 194 4.2.4 Hướng phát triển trong tương lai của phần mềm 198 4.3 Phần mềm lập trình - điều khiển robot và phần mềm mô phỏng hoạt động của robot 201 4.3.1 Giới thiệu 201 4.3.2 Môđun điều khiển 202 4.3.3 Môđun mô phỏng - giám sát 204 4.3.4 Lập trình và vận hành robot 206 4.3.5 Mô phỏng và giám sát hoạt động của robot 215 4.3.6 Kết luận 218 CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU CÁC HẠNG MỤC ROBOT Đà THỰC HIỆN TRONG ĐỀ TÀI 219 5.1 Robot hàn và robot phục vụ cho các quá trình hóa nhiệt luyện 219 5.1.1 Giới thiệu 219 5.1.2 Những đặc tính cơ bản 220 5.1.3 Kết cấu 222 5.1.4 Truyền động 224 5.1.5 Hệ thống điều khiển 226 5.1.6 Các thiết bị công nghệ 228 5.1.7 Ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất 229 5.2 Robot phục vụ trong quốc phòng 230 5.2.1 Chức năng của robot 230 5.2.2 Kết cấu cơ khí 233 5.2.3 Hệ thống điều khiển 233 5.2.4 Lắp đặt robot trong sản xuất 233 xii 5.3 Robot camera crane – phục vụ cho công việc quay phim 234 5.3.1 Sơ lược quá trình phát triển 234 5.3.2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động 241 5.3.3 Bài toán ngược vị trí cho các chuyển động bù của RCC 242 để bám mục tiêu định trước 5.3.4 Chuyển động bám mục tiêu di động 246 5.3.5 Các chế độ hoạt động 247 5.4 Tay máy lấy lấy sản phẩm nhựa 250 5.4.1 Sơ lược về công nghệ sản xuất sản phẩm PET 250 trên máy ép phun 5.4.2 Một số giải pháp tăng năng suất được áp dụng trên máy ép 253 phun để tạo phôi PET 5.4.3 Tay máy lấy phôi kiểu nằm ngang – giải pháp nâng cao 254 năng suất trên máy ép 5.4.4 Tay máy lấy sản phẩm theo phương đứng, áp dụng trên 259 máy ép nhựa kiểu ép phun Chương 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KIẾN NGHỊ 263 6.1 Về kết quả nghiên cứu ứng dụng của đề tài 263 i. Về phương pháp thiết kế robot 263 ii. Về phương pháp giải bài toán động lực học tay máy trên cơ sở 264 tách nhóm 3 khâu – Xây dựng chương trình phần mềm tính toán và mô phỏng kết quả iii. Về thiết kế, tích hợp một số phần tử quan trọng của hệ thống 265 điều khiển robot: bộ điều khiển PC based và Teach pendant iv. Xây dựng phần mềm lập trình – điều khiển và mô phỏng 266 hoạt động của robot. xiii 6.2 Về góc độ phục vụ đào tạo của đề tài 266 6.3 Các sản phẩm cụ thể của đề tài và kết quả ứng dụng thử nghiệm 267 tại cơ sở sản xuất. 6.4 Vài suy nghĩ tự đánh giá và kiến nghị. 268 Lời cảm ơn 271 Tài liệu tham khảo 272 Phần phụ lục 274 - Chương trình MATLAB: Tính toán và điều khiển theo mô men - Bản vẽ lắp của các hạng mục sản phẩm của đề tài - Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng - Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu. - Biên bản nghiệm thu kết quả thực hiện của nhánh đề tài - Kèm theo phần Phụ lục của báo cáo tổng kết này còn có các tài liệu sau: 1. Đĩa CD ROM minh họa các hạng mục phần mềm 2. Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài 3. Các tập bản vẽ thiết kế và dĩa CD ROM các bản vẽ chi tiết của từng hạng mục sản phẩm xiv BẢNG CHÚ GIẢI CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nguyên gốc Nghĩa tạm dịch A/D converters Analog to digital converters – ADC Bộ chuyển đổi tương tự – số AC servo motor Alternative Current servo motor Động cơ servo xoay chiều CAD Computer – Aided Design Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAM Computer – Aided Manufacturing Sản xuất / gia công với sự trợ giúp của máy tính CC Camera Crane Cần trục quay phim CIM Computer – Integrated Manufacturing Sản xuất trên cơ sở điều khiển tích hợp nhờ máy tính CNC Computer Numerical Control Điều khiển theo chương trình số CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm D/A converters Digital to analog converters – DAC Bộ chuyển đổi số – tương tự DC servo motor Direct Current servo motor Động cơ servo một chiều DH matrix Denavitz – Hartenberg matrix Ma trận Denavitz – Hartenberg sử dụng trong phương pháp tọa độ thuần nhất DOF Degree of Freedom Bậc tự do EEPROM Electronic EPROM Bộ nhớ ROM có thể đọc và ghi bằng tín hiệu điện ENQ Enquiry Ký tự yêu cầu truyền thông từ máy gửi đến máy nhận FMS Flexible Manufacturing Systems Các hệ thống sản xuất linh hoạt HMI Human – Machine Interface Giao tiếp giữa người điều khiển và máy IRF International Robot Federation Liên đoàn robot quốc tế ISO International Standards Organization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế xv NC Numerical Control Điều khiển chương trình số PC – based Controller Personal Computer - based Controller Bộ điều khiển có cấu tạo trên cơ sở của máy vi tính PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển khả lập trình PWM Pulse width Modulation Điều chế độ rộng xung RCC Robot Camera Crane Cần trục quay phim có cấu tạo và tính năng như robot SCADA Supervisory Control And Data Acquisition Điều khiển giám sát và thu nhận dữ liệu SCARA Selective Compliance Articulated Robot Arm/Actuator Dạng robot với liên kết có bù trừ chuyển động của khớp bản lề thường dùng trong công việc lắp ráp SCR Silicon Controlled Rectifiers KÝ HIỆU q Tọa độ suy rộng q& Vận tốc suy rộng q&& Gia tốc suy rộng ω Vận tốc góc ν Vận tốc dài τ Lực và mômen suy rộng Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn 1 CHƯƠNG 1 KHẢO SÁT NHU CẦU ỨNG DỤNG ROBOT PHỤC VỤ SẢN XUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG ĐỘC HẠI VÀ KHÔNG AN TOÀN I. MỤC ĐÍCH CỦA KHẢO SÁT Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot để thay thế người làm việc trong mơi trường độc hại, khơng an tồn. Theo hướng này chúng tơi đã khảo sát nhu cầu sử dụng robot ở một số cơ sở thuộc các lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí, cơng nghiệp chế tạo tàu thuỷ, cơng nghiệp quốc phịng và một vài lĩnh vực khác như thăm dị và khai thác biển, robot dùng trong an ninh. Quá trình khảo sát được thực hiện trên cơ sở tìm hiểu thực tế sản xuất và thông qua trao đổi trực tiếp với cơ sở sản xuất. Mặc dù không tiến hành những khảo sát thăm dò quy mô mang tính chuyên nghiệp thể hiện qua các bảng câu hỏi và trả lời (kiểu Questionaire), tuy nhiên, những thông tin thu nhận được thông qua tham quan thực tế sản xuất và những ghi nhận được từ môi trường sản xuất thực tế đủ để minh chứng nhu cầu có thực trong sản xuất, làm chỗ dựa vững chắc cho việc định hướng các hạng mục sản phẩm sẽ thực hiện trong đề tài nghiên cứu. II. CÁC LĨNH VỰC SẢN XUẤT CĨ NHU CẦU TRANG BỊ ROBOT 2.1 Trong sản xuất vật liệu xây dựng Hiện nay nước ta cĩ khoảng 500 dây chuyền sản xuất gạch theo cơng nghệ này với cơng suất trung bình mỗi dây chuyền khoảng 20-30 triệu viên/ năm. Ở đây cĩ cơng đoạn nghiền than thành bột (để trộn với đất theo tỉ lệ nhất định) và khâu cấp than từ nĩc lị cho lị nung liên tục kiểu tuy nen cĩ mơi trường độc hại do bụi bẩn, khí độc và nhiệt độ cao (Đã Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn 2 nghiên cứu úng dụng robot trong dây chuyền sản xuất gạch theo cơng nghệ nung liên tục bằng lị kiểu tuy nen). Chúng tơi đã chế tạo robot cho dây chuyền nghiền than tại Cơng ty gốm xây dựng Hạ Long vào năm 2000. Cơng đoạn cấp than cho lị luyện cốc tại nhà máy Cốc hố thuộc Cơng ty gang thép Thái Nguyên là một điển hình về mơi trường độc hại. Cơng nhân phải thường xuyên trực tiếp làm việc trong mơi trường cĩ nhiều loại khí thải độc hại, khĩi bụi và nhiệt độ cao, sức khoẻ giảm sút nhanh. Những người làm việc liên tục ở đây 15 năm là phải nghỉ hưu và ít người sống được 10 năm sau nghỉ hưu. Chúng tơi đã nghiên cứu thử nghiệm phương án sử dụng robot cho khâu cấp liệu (than) từ phía đỉnh lị và đề xuất phương án sử dụng robot ở một số khâu khác thuộc cơng ty gang thép Thái Nguyên. Một trường hợp ứng dụng robot bốc xếp khác phục vụ thay thế người công nhân là giai đoạn lấy và sắp xếp sản phẩm trong dây chuyển sản xuất kính ở nhà máy VIGLACERA thuộc Bộ Công nghiệp tại Khu Công nghiệp Tân Đông Hiệp (Bình Dương) cũng là moat nhu cầu nhằm tự động hóa khép kín quy trình sản xuất loại vật liệu có nhu cầu cao trong lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng. 2.2 Trong cơng đoạn đúc kim loại ở các nhà máy Cơ khí và luyện kim cĩ thể sử dụng robot ở các khâu rĩt kim loại và tháo dỡ khuơn là những khâu nặng nhọc, và dễ gây tai nạn do bỏng và bụi bẩn. Các khâu xử lí bề mặt sản phẩm như và các cơng đoạn nhiệt luyện như tơi trên các máy tơi cao tần, tơi trong lị buồng, bể muối, xi mạ, nhuộm đen, sơn,… là những khâu sản xuất độc hại do mơi trường hố chất cũng là những nơi có nhu cầu cao về sử dụng robot. Qua các thông tin ghi nhận được nêu trên, có thể sử dụng các robot vạn năng (Universal Robot) 6 bậc tự do kết hợp với chuyển động tịnh tiến của đế robot trên đường ray nhằm đáp ứng yêu cầu thay thế người công nhan trong các môi trường sản xuất này. Riêng trường hợp cần tẩy sạch sản phẩm trong các bể chứa dung dịch a-xít Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn 3 của quy trình xi mạ các chi tiết lớn, có thể sử dụng kiểu robot dạng cổng trục (Robocrane dạng Gantry Robot hay Cartesian Robot) được lập trình theo yêu cầu công nghệ của quá trình tẩy, xi ma,… để có thể đáp ứng yêu cầu đặt ra. 2.3 Trong cơng nghiệp đĩng tàu đang được Nhà nước đầu tư phát triển. Các nhà máy đĩng tàu thuộc Tổng Cơng ty Cơng Nghiệp tàu thuỷ Việt Nam đều cĩ các dự án đầu tư mở rộng để đĩng được tàu trọng tải tới 100.000 tấn vào vài năm tới. Việc làm sạch bề mặt thép trước khi sơn bằng cách phun cát hiện nay khơng chỉ gây bụi bẩn cho người trực tiếp lao động mà làm bụi bẩn cả khu vực sản xuất cùng với khu dân cư xung quanh. Đây là khâu bức xúc của nhiều nhà máy hiện nay và cĩ thể sử dụng robot để tự động hố. Hàn và cắt kim loại là cơng nghệ chiếm tỉ trọng lớn trong chế tạo tàu thuỷ và cĩ ý nghĩa quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Nhu cầu sử dụng robot hàn, cắt là sản phẩm của đề tài và đề xuất một số phương án ứng dụng robot trong một số công đoạn hàn vỏ tàu của tàu thuỷ. Trong giai đoạn trước mắt, ở đề tài này, chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế robot hàn loại tĩnh tại nhằm đáp ứng cho nhu cầu hàn, cắt một số chi tiết của vỏ tàu thủy. Trong giai đoạn sắp tới, sau đề tài này, sẽ tiếp tục nghiên cứu chế tạo các dạng robot tự hành trên đường ray, có khả năng nhận dạng vết hàn để hàn các đoạn thân tàu. 2.4 Trong cơng nghiệp quốc phịng - bảo đảm an tồn về cháy nổ trong sản xuất tránh những tai nạn chết người là điều được đặc biệt quan tâm trong cơng nghiệp quốc phịng. Chỉ một sai sĩt nhỏ cũng cĩ thể gây tai hại làm tổn thất lớn về tính mạng và tài sản. Các robot dùng trong an ninh, quốc phịng cũng cĩ nhiều nội dung phong phú cần được quan tâm. Một hạng mục sản phẩm của đề tài này sẽ được ứng dụng thử nghiệm trong công đoạn sản xuất quả đạn cối 81 ly tại Xưởng sửa chữa vũ khí thuộc Bộ đội Biên phòng. Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn 4 2.5 Trong khảo sát, thăm dị và khai thác biển dự báo sẽ được quan tâm nhiều vào những năm tới. Nhu cầu sử dụng robot thay thế người làm việc dưới nước sâu sẽ là rất lớn vì khả năng lặn sâu của người rất hạn chế, thơng thường vào khoảng 20 m. Những phác thảo về robot làm việc dưới nước sâu đã được chúng tơi đề cập từ vài năm trước. 2.6 Trong cơng nghiệp sản xuất nhựa nĩi chung và sản xuất phơi (form) cho chai nhựa PET. Nhu cầu tăng năng suất và bảo đảm chất lượng sản phẩm ổn định trên cơ sở sử dụng các Tay máy lấy sản phẩm, đưa quá trình làm nguội trong khuơn ra ngồi để rút ngắn chu kỳ ép của máy ép nhựa. Do hiệu quả mang lại rất cao trong việc tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm, trong lĩnh vực này đã có một số nhà sản xuất trong nước nhập các tay máy lấy sản phẩm từ nước ngoài như Công ty Bavico (Bình Dương), Công ty Ngọc Nghĩa (Khu công nghiệp Tân Bình – TP. HCM) nhập Tay máy của hãng HUSKY (Canada) với chi phí rất cao. Hạng mục sản phẩm này được quan tâm trong đề tài nhằm làm chủ công nghệ và hướng đến chuyển giao cho nhiều nhà sản xuất nhựa trong nước với giá thành thấp, chủ động trong bảo trì, khai thác. III. NHU CẦU CĨ TÍNH CẤP BÁCH Ở CÁC KHU VỰC Qua các phân tích dựa trên kết quả khảo sát nêu trên, có thể tóm tắt nhu cầu sử dụng robot trong các môi trường độc hại và không an toàn ở các khu vực trong nước như dưới đây: 3.1 Khu vực Phía Bắc – Nhu cầu có tính cấp bách được quan tâm trong các lĩnh vực sản xuất sau: • Sản xuất vật liệu xây dựng và khai thác mỏ • Đĩng tàu: hàn, sơn, phun phủ Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn 5 • Cơng nghiệp quốc phịng: dây chuyển sản xuất quả đạn pháo, đặt chất gởi nỗ vào quả đạn,… 3.2 Khu vực Phía Nam – Nhu cầu có tính cấp bách được quan tâm trong các lĩnh vực sản xuất sau: • Đĩng tàu: các khâu hàn vỏ, phun cát, sơn • Sản xuất nhựa • Sản xuất sành sứ, thủy tinh • Chế biến gỗ xuất khẩu: khâu sơn tĩnh điện • Sản xuất sản phẩm kim khí phục vụ xuất khẩu: hàn, sơn Bên cạnh đó, trong lĩnh vực quay phim ở các Đài truyền hình, nhu cầu trang bị các cần cẩu quay phim (Boom) có các chức năng hoạt động tự động theo chương trình lập trước như một robot với các chức năng hỗ trợ cho quá trình quay phim như bù chuyển động và bám mục tiêu làm cơ sở ban đầu để nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật phim trường ảo cũng là một nhu cầu có tính cấp bách của Đài truyền hình Việt Nam và các Đài truyền hình địa phương. Trên cơ sở nhu cầu này và những nội dung nghiên cứu phong phú, liên quan đến kỹ thuật robot, do đó chúng tôi cũng đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu chế tạo loại robocrane đặc biệt này trong đề tài. Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 CÁC GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG Quá trình lập kế hoạch để chế tạo và phát triển các vấn đề có liên quan trong việc áp dụng robot vào sản xuất, cũng giống như các sản phẩm kỹ thuật khác, là một quá trình có tính trình tự với các bước (hay các giai đoạn) phải giải quyết bao gồm từ việc xác định mục tiêu ứng dụng, nhiệm vụ thiết kế, các phương pháp và công cụ sử dụng trong các bước thiết kế, chế tạo, tích hợp hệ thống cụ thể, hình thành sản phẩm, thử nghiệm, hiệu chỉnh và đưa vào sử dụng. Hình 1.2 trình bày quá trình thiết kế và tích hợp robot công nghiệp. Những yếu tố phát triển Kết quả trung gian Công việc thiết kế robot Kết quả thiết kế Ý tưởng hình thành sản phẩm - Hiệu quả thời gian Xác định đặc điểm chức năng - Tiếp thị Xây dựng ý tưởng về hệ thống sẽ hình thành - Thuận lợi trong việc thực hiện các đặc điểm kỹ thuật Xác định các đặc điểm kỹ thuật cơ bản của robot - Yếu tố cạnh tranh thể hiện ở khả năng đáp ứng yêu cầu của khách hàng Tạo mẫu - Hiệu quả tiết kiệm chi phí Sản xuất thử sản phẩm - Yếu tố đổi mới, sáng kiến Sản xuất hàng loạt Hình 1.2: Quá trình thiết kế robot công nghiệp Thiết kế chi tiết và đánh giá thiết kế Nghiên cứu sản phẩm và thị trường Xác định sản phẩm và lập kế hoạch thực hiện Thiết kế sản phẩm với các chức năng định rõ Thiết kế phần cứng,phần mềm, chế tạo và tích hợp hệ thống Hiệu chỉnh thiết kế / Thiết kế lại Thử nghiệm loạt lớn, thiết kế lại sản phẩm Thiết kế hệ thống Kế hoạch thiết kế và định hình sản phẩm Phân tích hệ thống Thiết kế lại hệ thống Sản phẩm Robot Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 7 Trong quá trình thiết kế hệ thống robot có các giai đoạn quan trọng và rất tiêu biểu như sau: - Giai đoạn lập kế hoạch cho sản phẩm bao gồm tất cả các bước từ ý tưởng thiết kế sản phẩm cho đến đặc điểm kỹ thuật của một sản phẩm sơ khai bao hàm tất cả các thông tin cơ bản của một robot như không gian làm việc, số bậc tự do cần thiết, cấu tạo các khớp, tải trọng nâng, độ chính xác định vị, độ chính xác lặp lại vị trí, chi phí dự kiến, số lượng sản phẩm, thời gian thực hiện,… - Giai đoạn thiết kế và phân tích hệ thống bao gồm việc xác định những đặc điểm kỹ thuật theo chức năng làm việc dự kiến thỏa mãn mục đích sử dụng, phân tích và lựa chọn phương án thiết kế thỏa mãn các yêu cầu kinh tế và kỹ thuật đặt ra, thiết kế chi tiết phần cơ, phần cứng và xây dựng phần mềm tương ứng phục vụ cho việc lập trình và điều khiển robot cũng như lập các tài liệu kỹ thuật với đầy đủ các thông tin cho người chế tạo, lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng robot trong quá trình sử dụng, khai thác. Quá trình thiết kế chỉ kết thúc với việc thẩm định hoạt động của robot thông qua thực nghiệm trên robot mẫu để hoàn chỉnh thiết kế và rút kinh nghiệm cho quá trình triển khai chế tạo hàng loạt về sau. - Giai đoạn thiết kế lại hệ thống bao gồm các công việc hiệu chỉnh và hoàn thiện dựa trên cơ sở phát hiện những chỗ còn thiếu sót trong thiết kế ban đầu. Hình 1.3 chỉ ra một mô hình kỹ thuật tổng quát của giai đoạn thiết kế theo phương pháp kỹ thuật hệ thống của Daenzer và Huber, 1994. Hình 1.3: Mô hình kỹ thuật tổng quát của các giai đoạn thiết kế Mô hình quá trình thiết kế Kiến thức và các kỹ thuật về hệ thống và quản lý dự án Kiến thức và các kỹ thuật về phân tích hệ thống công việc Mô hình các nhiệm vụ Phân tích và phát triển hệ thống Giải pháp Chế tạo robot mẫu Nhiệm vụ Triển khai chế tạo một ro bot Phân tích chức năng Thiết kế hệ thống robot Mô hình hệ thống robot Kiến thức và các kỹ thuật về thiết kế hệ á Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 8 Ở mô hình này, việc phân tích và phát triển hệ thống bao gồm hai phương pháp và ba mô hình. Công việc này trợ giúp cho người kỹ sư cả trong quá trình phân tích chức năng và thiết kế hệ thống robot. Trong đó, công việc phân tích chức năng nhằm chỉ ra tất cả các chức năng hoạt động, các yêu cầu tự động hóa thoả mãn phù hợp với môi trường hoạt động căn cứ vào nhiệm vụ đặt ra ban đầu cho robot. Công việc này góp phần quyết định để hình thành các đặc điểm kỹ thuật của thiết bị tạo ra như cấu tạo, kiểu dáng, phương thức điều khiển,… I.2 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ Ngày nay việc thiết kế robot thường được đặt ra theo hướng thiết kế robot chuyên dùng cho một công việc trong một môi trường hoạt động cụ thể nào đó. Việc thiết kế robot chuyên dùng có tác động trực tiếp đến mọi mục tiêu nghiên cứu và phát triển tiếp theo. Trong quá khứ, ở giai đoạn phát triển ban đầu của công nghiệp chế tạo robot, các loại robot vạn năng hoặc robot có nhiều công dụng là mục tiêu chính của thiết kế robot. Tuy nhiên, khi số lượng những công việc chuyên biệt trong sản xuất công nghiệp ngày càng gia tăng, đặt ra yêu cầu phải sản xuất các robot có tính chuyên dùng ngày càng cao nhằm mục tiêu tăng tốc độ và độ linh hoạt trong từng công việc cụ thể và hạ giá thành. Hình 1.4 và 1.5 dưới đây thể hiện các dạng robot sử dụng cho những mục đích công việc khác nhau. Hình 1.4: Một số mẫu robot chuyên dùng (theo tư liệu của Reis Robotics, ABB Flexible Automation, CMB Automation) Robot vạn năng Reis RV6 Robot bốc dỡ ABB Modular Robot CMB Robot nạp xăng IPA - Thiết kế cho các áp dụng chuẩn - Sản phẩm thay đổi theo tải trọng nâng, độ linh hoạt, vùng không gian hoạt động - Sử dụng các linh kiện theo yêu cầu của khách hàng - Số lượng sản xuất: hàng loạt - Thiết kế theo yêu cầu sử dụng định trước - Có các chức năng điều khiển tích hợp của workcell - Có thể định trước cấu hình của workcell - Số lượng sản xuất: loạt vừa - Thiết kế cho mục đích sử dụng đặc biệt - Tích hợp từ các mô đun tiêu chuẩn - Phù hợp với công việc bốc xếp vật liệu - Sản xuất đơn chiếc - Thiết kế cho nhiệm vụ chuyên biệt - Không sử dụng trong khu vực sản xuất - Cấu trúc động học theo yêu cầu của công việc - Sản xuất theo yêu cầu của khách hàng CÁC DẠNG ROBOT CHUYÊN DÙNG ROBOT VẠN NĂNG ROBOT CHUYÊN DÙNG MÔ ĐUN CHUYÊN DÙNG ROBOT THIẾT KẾ THEO YÊU CẦU CỦA KHÁCH HÀNG Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 9 1.2.1 Phân tích chức năng Để đi đến việc xác định về cấu tạo hình học, cấu tạo động học và kết cấu cơ khí của robot, mặc dù có thể mới ở giai đoạn hình thành ý tưởng thiết kế, ta nhận thấy nhiều yêu cầu có thể là hiển nhiên hoặc đã được xác định từ trước. Tuy nhiên trong quá trình phân tích chức năng một cách có hệ thống ta có thể nhận ra một số thông số thiết kế trọng tâm phải được xem xét và hiệu chỉnh lại. Việc phân tích này thường tập trung vào đặc điểm của đối tượng mà robot phải tương tác (như gắp kẹp, di chuyển đối tượng hoặc phối hợp hoạt động với các máy khác trong hệ thống sản xuất tự động, …) hoặc dựa trên sự phân tích công việc mà robot phải đảm trách như hàn, sơn, … Việc phân tích chức năng theo cách tiếp cận loại suy trình tự (Top – Down Method) cho phép người thiết kế Hình 1.5: Một số mẫu robot chuyên dùng (theo tư liệu của FANUC Robotics, CLOOS, Bốc dỡ các pallet Hàn Lắp ráp Sơn, phun phủ - Vùng KG hoạt động lớn - Tốc độ cao - Gia tốc lớn - Mặt đế tựa bé - 4 hoặc 5 bậc tự do - Tốc độ cao - Độ chính xác cao - Trang bị cảm biến để phát hiện sản phẩm, kiểm tra chất lượng sản phẩm - 4 - 6 bậc tự do - Giao tiếp với thiết bị hàn - Trang bị cảm biến để bám theo đường hàn - Tải trọng bé - 6 bậc tự do - Độ linh hoạt cao - Tốc độ cao - Chống nổ - 5 hoặc 6 bậc tự do - Lập trình off-line được - Có chức năng điều khiển quá trình Đo và kiểm tra chất lượng SP Tự động hóa công việc trong PTN Vận chuyển, bốc xếp SP dập, rèn Gia công cơ - Độ chính xác cao - Sử dụng cảm biến xúc giác và camera - Độ linh hoạt cao - 5 hoặc 6 bậc tự do - Dễ lập trình - Giá thành thấp - Lắp đặt trên bàn - 3 - 5 bậc tự do - Tải trọng nâng hạn chế - Tải trọng nâng lớn - Trọng lượng lớn - Tác động nhanh - 4 - 6 bậc tự do - Sử dụng đối trọng để cân - Độ cứng vững cao - Độ chính xác định vị cao - Trang bị cảm biến xúc giác, camera - 6 bậc tự do Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 10 nhận ra những vấn đề không phù hợp trong ý tưởng thiết kế ban đầu. Qua các bước phân tích ta có thể nhận ra một tác vụ định trước nào đó không thể thực hiện được hoặc cần phải sửa đổi cho phù hợp hơn nữa. Trọng tâm của việc mô tả các chức năng/nhiệm vụ của các tác vụ là phân tích về hình học, chuyển động và lực tác động, công cụ hoặc các thiết bị tương tác với robot từ môi trường hoạt động và các khả năng phản hồi, giám sát trực tuyến nhờ cảm biến. Việc xác định phương thức thực hiện cũng như độ lớn của dịch chuyển của các khâu trong quá trình chuyển động để thực hiện các tác vụ theo mục tiêu đặt ra sẽ dẫn tới việc xác định cấu tạo hình học, cấu tạo động học, kết cấu động học truyền dẫn và các đặc điểm động lực học đóng vai trò trọng tâm trong quá trình thiết kế robot. Hình 1.6 trình bày một mô hình phân tích để xem xét các khả năng thực thi của robot thiết kế. Bảng 1.1 là một mẫu trình bày các phân tích chức năng tiêu chuẩn. Ở bảng này ta nhận thấy yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến độ phức tạp của robot không chỉ là khả năng công nghệ mà còn là giá thành. Độ phức tạp này thể hiện ở số bậc tự do hay bậc chuyển động của robot, quỹ đạo chuyển động mà bộ phận tác động cuối của robot phải thực hiện. Kết quả của quá trình phân tích chức năng/nhiệm vụ được trình bày trên một bảng các chỉ tiêu được lượng hóa với các mục chính như: - Các tiêu chuẩn khẳng định phải đạt được. - Các tiêu chuẩn cố gắng đạt. - Các chỉ tiêu hy vọng đạt được. Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 11 Thực hiện tác vụ bằng tay hoặc cơ khí hóa Chất lượng Chi phí Độ linh hoạt - Kiến thức - Độ khéo léo trong chuyển động - Độ khéo léo trong nhận thức - Hình học - Chức năng - Chi phí Cảm biến - các đặc tính hình học - các đặc tính cơ khí Hoạch định và điều khiển chuyển động - Với sự trợ giúp của cảm biến - Không có sự trợ giúp của cảm biến Các thông số: Hình học Động lực học Cơ khí - Hệ tọa độ gốc, quỹ đạo - Không gian hoạt động - Số bậc tự do tối thiểu - Hướng chuyển động thích hợp - Dung sai cho phép - Ràng buột hình học - Tốc độ chuyển động - Gia tốc - Thời gian xác lập - Dạng chuyển động - Lực, mô men - Lực tác động trên khâu cuối - Trọng lượng của đối tượng thao tác Hình 1.6: Mô hình nhiệm vụ của giai đoạn phân tích chức năng của robot Bảng 1.1: Các tiêu chuẩn về chức năng và khả năng thực hiện cơ bản của một robot Tiêu chuẩn Đặc điểm thể hiện Khả năng tải - Trọng lượng, quán tính của đối tượng tác động và bộ phận tác động cuối. - Lực/chuyển động bên ngoài trên bộ phận tác động cuối hoặc trên các trục. - Đặc tính của tải: tĩnh, thay đổi theo chu kỳ, thay đổi ngẫu nhiên,… Bậc tự do / bậc chuyển động - Yêu cầu về mức độ linh hoạt trong chuyển động của bộ phận tác động cuối. - Số bậc tự do của các thiết bị phối hợp bên ngoài. Đối tượng tác động và công cụ trang bị trên bộ phận tác động cuối của robot - Kích cỡ của đối tượng/chi tiết. - Loại công cụ trang bị trên bộ phận tác động cuối: đầu hàn, hàm kẹp, đá mài,… - Cách giao tiếp truyền thông với robot. Đặc điểm của tác vụ - Thay đổi từ gắp kẹp sang gia công. Công cu Đối tượng Ngoai vi Hệ thống tham chiếu Con người Ràng buộc Môi trườngHệ thống công việc Phân tích công việc Lượng hóa Yêu cầu của tác vu Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 12 - Dạng hình học của đối tượng/chi tiết. Khả năng tiếp cận của bộ phận tác động cuối với đối tượng/chi tiết. - Dung sai kích thước của chi tiết/đối tượng thao tác. - Dừng và định vị qua các điểm trung gian hay liên tục. - Vận tốc, gia tốc dịch chuyển của bộ phận tác động cuối. Độ chính xác - Độ chính xác định vị. - Độ chính xác lặp lại vị trí. - Độ chính xác quỹ đạo dịch chuyển của bộ phận tác động cuối Phương thức điều khiển - Điểm – tới – điểm (PTP – Point-to-point) - Đường dẫn liên tục (CP – Continuous Path) - Chuyển động theo chu vi kín (Rounding) Điều kiện môi trường - Các thông số có thể lượng hóa: nhiễu, rung động, nhiệt độ,… - Các thông số không thể ước lượng. Chỉ tiêu kinh tế - Chi phí sản xuất, chi phí phát triển. - Điểm hòa vốn. - Thời gian xuất xưởng. - Chất lượng. - Năng suất. - Hình thức cung cấp (robot, tế bào sản xuất tự động, đường dây tự động). Sửa chữa, bảo dưỡng - Lắp đặt. - Lập trình (trực tuyến, không trực tuyến). - Phục vụ từ xa. - Khối lượng tác vụ bảo dưỡng và chu kỳ bảo dưỡng. - Khả năng thay thế từng module hoặc chi tiết. Độ linh hoạt - Tế bào sx tự động, hệ thống tích hợp CIM (giao tiếp hình học và logic). - Hiệu chỉnh sai số và chẩn đoán. - Khả năng làm việc kết hợp với các thiết bị khác như bàn xoay, thiết bị cấp phôi, robot khác,… 1.2.2 Thiết kế hệ thống robot Trong việc thiết kế robot, giải pháp thiết kế được xây dựng phải dựa trên các yêu cầu về chức năng và đặc điểm kỹ thuật mà robot dự kiến cần phải có. Việc tìm lời giải cho những yêu cầu và nhiệm vụ cho trước là một quá trình vừa có tính hệ thống và vừa có tính trực giác hay kinh nghiệm. Việc triển khai thiết kế theo trình tự giúp cho ta tiếp cận dần đến giải pháp tối ưu. Việc chia nhỏ hệ thống robot ra thành những hệ thống con hoặc từng mô-đun giúp bảo đảm tính hệ thống và thuận tiện cho quá trình nghiên cứu hoàn thiện, sửa chữa, thay thế về lâu dài. Thông thường các hãng sản xuất robot thường sử dụng bảng hình thái học (Morphological) để phân chia các hệ thống con hoặc mô-đun trong quá trình thiết Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 13 kế cũng như hoạch định kế hoạch triển khai và trên cơ sở đó tích hợp trở lại hệ thống. Theo những phân tích về cấu tạo và hoạt động đặc trưng của robot, việc tổ chức theo cấu trúc mô-đun trong thiết kế và chế tạo robot là điều hợp lý hiển nhiên (hình 1.7). Trong đó với mỗi hệ thống con giải pháp có thể được lựa chọn từ các catalogue. Quá trình thiết kế robot có thể chia ra làm ba giai đoạn (bảng 1.2) với mức độ chi tiết được gia tăng dần: 1. Giai đoạn hình dung khái quát với cách tiếp cận theo trình tự là sự phát triển dần từ cấu trúc hình động học bên ngoài của robot đến kết cấu động học, cấu trúc truyền động bên trong bám sát mục tiêu và yêu cầu được đặt ra ban đầu. 2. Giai đoạn tiếp theo là thiết kế phương án về cấu trúc và kết cấu tổng thể của robot, phân tích và lựa chọn phương án tối ưu hoặc phương án hợp lý nhất, có tính công nghệ nhất nhằm hoàn thiện các ý tưởng thiết kế đã hình thành trong giai đoạn 1. 3. Giai đoạn cuối là thiết kế các chi tiết và tối ưu hóa thiết kế để đưa ra các bản vẽ chế tạo, bản vẽ lắp, tài liệu kỹ thuật hướng dẫn lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng robot. Cảm biến bên Môi trường bên Đối tượng thao tác Thiết bị ngoại vi Bộ phận tác động Tay máyBộ phận truyền Máy tính điều khiển Cảm biến bên Hình 1.7: Mô hình hệ thống robot Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 14 Bảng 1.2: Ba giai đoạn của quá trình thiết kế robot I. Hình dung khái quát Các bước thực hiện Kết quả - Lựa chọn cấu trúc động học: số khâu, số khớp, loại khớp. - Dự kiến các thông số của khâu, khớp: kích thước động, tầm với xa nhất, gần nhất, vùng không gian hoạt động. - Lựa chọn phương án truyền động. - Lựa chọn các phần tử, chi tiết truyền động. - Cấu trúc động học. - Mô hình động học (các ma trận DH), hành trình của các khớp. - Cấu trúc của hệ thống dẫn động cho các khớp. - Các dữ liệu về hình học, tỷ số truyền, kết cấu. II. Thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc Robot Các bước thực hiện Tiêu chuẩn tối ưu hóa - Tối ưu hóa các thông số của khâu và khớp (Các thông số DH). - Tối ưu hóa hiệu suất động lực. - Lựa chọn động cơ, truyền động, ổ đỡ, khớp nối. - Kết nối các đường dây dẫn: nguồn và tín hiệu điều khiển, tín hiệu phản hồi. - Lựa chọn vật liệu - Định các kích thước: của các trục, kích thước bao bên ngoài, kích thước đế, kích thước mặt bích nối với dụng cụ (bộ phận tác động cuối) - Số bậc tự do bé nhất, độ linh hoạt động học - Không gian hoạt động lớn nhất. - Thời gian chuyển động ngắn nhất. - Gia tốc của khớp bé nhất. - Mô men lớn nhất. - Mô men đỉnh bé nhất. - Độ tản nhiệt tốt nhất. - Chiếm không gian và bị uốn ít nhất. - Trọng lượng, khối lượng gia công, bé nhất, khả năng chống mòn cao nhất. - Độ cứng cao nhất. -Số lượng chi tiết và khối lượng lắp ráp ít nhất. III. Thiết kế chi tiết Các bước thực hiện Kết quả - Thiết kế chi tiết - Thiết kế lắp ráp hệ thống robot - Thiết kế phần điện, điện tử, tủ điều khiển - Lập tài liệu thiết kế - Tập bản vẽ chi tiết - Danh mục chi tiết và vật liệu, tài liệu hướng dẫn lắp ráp, hiệu chỉnh - Bản vẽ mạch điện, danh mục linh kiện, vật liệu - Tài liệu hướng dẫn vận hành và bảo trì Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 15 Bảng 1.3: Công cụ hỗ trợ cho quá trình thiết kế robot Loại công cụ Mục đích - Phần mềm hỗ trợ tính toán thiết kế robot - Phần mềm mô phỏng hoạt động của cơ hệ nhiều bậc tự do - Phần mềm tính toán cơ học bằng phần tử hữu hạn - Phần mềm hỗ trợ thiết kế CAD - Phần mềm hỗ trợ gia công, chế tạo (CAE) - Thế hệ các mô hình tính toán động học robot, phân tích và tối ưu hóa động học robot. - Mô hình hóa, phân tích và tổng hợp động lực học cơ hệ nhiều bậc tự do. - Phân tích cấu trúc, phương thức và dao động của các khâu trên cơ hệ nhiều khâu. - Thể hiện bằng bản vẽ kết cấu của chi tiết và các bản vẽ lắp từng cụm và tổng thể robot. - Các công cụ toàn diện và linh hoạt hỗ trợ tất cả các bước trong quá trình chuẩn bị và chế tạo sản phẩm. 1.3 THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC ROBOT Nhiệm vụ chung của một robot công nghiệp, cấu tạo từ cơ cấu hở nhiều bậc tự do (thường có tối đa là 6 bậc tự do), là di chuyển một vật thể từ một trạng thái vị trí nào đó (gồm vị trí và hướng) đến một trạng thái vị trí khác trong không gian làm việc của nó. Độ phức tạp của nhiệm vụ sẽ quyết định cấu hình động học yêu cầu của robot. Theo tiêu chuẩn ISO 8373 thì robot công nghiệp là một chuỗi động với tối thiểu ba khâu ba khớp. Số bậc tự do của hệ thống quyết định số chuyển động độc lập cần phải điều khiển để di chuyển vật thể theo một quỹ đạo cho trước trong không gian. Khi mô tả động học của robot ta cần phân biệt giữa chuyển động của phần cánh tay và cổ tay: - Cánh tay: là một tập hợp các khâu và khớp được liên kết và cấp cho chuyển động, thường là ba khâu thực hiện ba chuyển động chính (hay chuyển động định vị), nhằm di chuyển một cổ tay và bàn tay hoặc bộ phận tác động cuối thực hiện một chuyển dời ở khoảng cách lớn trong không gian. - Cổ tay: là tập hợp các khớp làm nhiệm vụ liên kết giữa cánh tay và bàn tay, cho phép phần bàn tay mang bộ phận tác động cuối tiếp cận theo hướng chính Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 16 xác đến đối tượng thao tác. Cổ tay và chuyển động của nó cũng có công dụng gíup cho bàn tay thực hiện sự thay đổi nhỏ về vị trí. 1.3.1 Cấu hình động học Với cấu hình chung là những cơ cấu hở nhiều khâu, chỗ liên kết (nối động) giữa hai khâu kế tiếp hình thành một khớp động hay còn gọi là trục. Do yêu cầu của kết cấu mô đun và yêu cầu điều khiển, thông thường khớp động trên cơ cấu robot là những khớp động loại 5. Như vậy, một cơ cấu robot có bao nhiêu bậc tự do (hay bậc chuyển động) sẽ có bấy nhiêu trục. Các trục của cơ cấu robot được phân biệt như sau: - Trục quay: thường có dạng khớp bản lề, là một kết nối động giữa hai khâu, cho phép khâu này có chuyển động quay tương đối so với khâu kia quanh trục cố định của khớp. - Trục tịnh tiến: thường được gọi là khớp trượt, là một kết nối động giữa hai khâu, cho phép một khâu có chuyển động tịnh tiến tương đối so với khâu kia. - Trục phức: là một kết nối động giữa hai hai khâu, cho phép một khâu thực hiện chuyển động quay tương đối so với khâu kia quanh một trục chuyển động. Với yêu cầu dễ điều khiển, mỗi khâu trên robot chỉ thực hiện một chuyển động độc lập. Nói cách khác một robot có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu trục và tương ứng là chừng ấy bậc tự do. Trên cơ sở kết hợp các chuyển động quay và tịnh tiến của các khâu có thể tạo ra những chuỗi động phức tạp tùy ý. Các phương án liên kết có thể có của một robot công nghiệp xác định theo công thức: V = 6n Với: V – là số phương án liên kết, n – là số bậc tự do. Khảo sát trên cho thấy sẽ có rất nhiều phương án liên kết giữa các khâu để tạo thành các chuỗi động có thể. Chẳng hạn như với chuỗi động 6 trục, ta có thể Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 17 có 66 = 46.656 phương án liên kết tổ hợp. Tuy nhiên chỉ một số ít phương án liên kết có thể áp dụng để tạo ra những cấu hình robot có ích. Ngoài ra, ta cũng dễ nhận thấy rằng một robot có nhiều bậc tự do sẽ cho phép thực hiện những chuyển động phức tạp của khâu cuối nhưng bên cạnh đó điều này cũng dẫn tới những hệ quả không có lợi: - Độ chính xác định vị giảm khi số bậc tự do tăng. - Hiệu suất tĩnh động phụ thuộc trực tiếp vào việc chọn lựa cấu hình động học của robot cũng như kích thước động của các khâu. - Việc truyền động sẽ khó khăn hơn khi số bậc tự do tăng. Nhiều nghiên cứu đã xác định số bậc tự do hợp lý cho chuyển động chuyển dời của phần cánh tay là không quá 4 (thường là 3) và số bậc tự do của phần cổ tay, để thực hiện các chuyển động định hướng, là 3. Các phân tích về cơ học và khoa học về thao tác (E. V. Vôrôbiôp) đã xác định tay máy với 6 khả năng chuyển động độc lập (bậc tự do) gồm 3 bậc chuyển động định vị và 3 bậc chuyển động định hướng là đủ để thực hiện các thao tác cần thiết trong vùng không gian hoạt động. Nếu số khả năng chuyển động độc lập của robot lớn hơn 6, ta nói cơ cấu tay máy có bậc tự do thừa. Việc tăng số khả năng chuyển động độc lập cho robot cần phải cân nhắc kỹ khi có yêu cầu đặc biệt nhằm gia tăng độ linh hoạt. Với các phương án kết hợp khác nhau giữa số khâu, số khớp và loại khớp, ta có thể tạo ra những cấu hình động học hữu ích, đã trở nên phổ biến ở các ứng dụng trong công nghiệp và được tổng kết trong hình 1.9 dưới đây: Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 18 Trong tất cả các tài liệu tham khảo và giáo trình về robot công nghiệp đều đã trình bày về cách phân loại robot theo dạng hình học của không gian hoạt động. Trong hạng mục phần mềm hỗ trợ tra cứu về robot của đề tài này cũng đã Hình 1.9: Các cấu hình cánh tay và cổ tay tiêu biểu của robot công nghiệp Robot Các dạng chuỗi động liên kết Dạng cánh tay Lược đồ cơ cấu Không gian làm Lược đồ các dạng cổ tay và số bậc tự do có thể liên kết với phần cánh tay HTĐ vuông HTĐ trụ HTĐ ù cầu Robot SCARA Robot toàn Robot song song Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 19 trình bày. Vì vậy báo cáo này không nhắc lại mà chỉ minh họa một số hình ảnh và trình bày thêm phần modular robot và robot song song. 1.3.2 Robot hoạt động trong không gian Descartes 1.3.3 Robot tọa độ trụ Hình 1.7: Dạng robot cổng (gantry robot) hoạt động trong không gian Descartes sử dụng động cơ điện kết hợp với đai răng và được lắp ghép từ các mô đun chuyển động độc lập Cáp truyền nguồn và tín hiệu điều khiển Động cơ bước hoặc động cơ servo Bộ giảm tốc BR hành tinh Gối đỡ Chân đỡ Hàm kẹp liên kết Tấm dẫn hướng Cữ chặn Công tắc hành trình Động cơ Bàn trượt Mặt liên kết Hộp giảm tốc Bộ truyền đai răng Bàn trượt Mặt liên kết Động cơ servo + GT Tấm dẫn Tấm dẫn hướng Bộ dẫn động Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 20 1.3.4 Robot SCARA Hình 1.8: Robot hoạt động trong không gian tọa độ trụ 5 b.t.d (nguồn: Reis Robotics) Stator của khớp 2 Rotor khớp 1 Stator khớp 1 Encoder khớp 1 Trụ xoay khớp 1 Oáng truyền động khớp 2 Tang truyền động khớp 2 Encoder khớp 2 Truyền động cho Encoder khớp 2 Đ/cơ khớp 1 Tr/ động đai răng Đ/cơ khớp 1 Tang TĐ khớp 2 Khâu 2 Vòng phanh hiệu chỉnh khớp 1 Rotor khớp 2 Vòng hiệu chỉnh khớp 2 Hình 1.9: Một dạng robot SCARA và cấu tạo bên trong (nguồn: Adept Technology) Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 21 1.3.5 Robot với liên kết toàn khớp bản lề 1.3.6 Robot lắp ghép từ các mô-đun chuyển động độc lập (Modular Robot) Với nhiều ứng dụng trong sản xuất và sinh hoạt, một loạt các tác vụ có thể được thực hiện bởi các robot được hình thành trên cơ sở lắp ráp từ những mô-đun được chế tạo sẵn (hình 1.7). Loại robot lắp ráp từ các mô-đun này có ưu điểm là có thể dễ dàng được lắp ráp lại để phục vụ cho những ứng dụng khác. Khái niệm modular robot cho thấy nó được cấu tạo từ những mô-đun mà trong đó từng mô- đun có khả năng chuyển động và có khả năng kết nối: ƒ Mỗi mô-đun có cấu tạo phần nguồn, phần động lực thường sử dụng động cơ AC servo và bộ giảm tốc bánh răng sóng. ƒ Một cáp với nguồn DC và bus truyền thông (kiểu field bus) kết nối đường điều khiển đến các mô-đun. ƒ Phần mềm điều khiển được thiết kế sẵn để nhanh chóng định dạng cho phù hợp với cấu hình động học của robot. ƒ Một bộ nguồn và một máy tính PC với phần kết nối thích hợp thay chỗ cho tủ điều khiển. Hình 1.10: Robot liên kết toàn khớp bản lề (KUKA) và vùng không gian hoạt động của nó. Vấn đề cân bằng động cơ cấu tay máy được lưu ý khi thiết kế (nguồn: KUKA) Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 22 1.3.7 Robot song song Robot song song được cấu tạo bởi các khớp trượt và khớp quay đồng quy. Có nhiều cấu hình robot song song được đề nghị, trong số đó hai cấu hình động học sau đây là phổ biến hơn cả: i. Loại ba chân (tripod) với 3 trục tịnh tiến nối tấm hoạt động với tấm đế. Bên trên tấm hoạt động có mang bộ phận tác động cuối, thường là một cơ cấu dạng cổ tay có 2 hoặc 3 bậc tự do. ii. Loại sáu chân (hexapod) với 6 trục tịnh tiến cho phép tấm hoạt động thực hiện chuyển động tổng quát trong không gian. Hình 1.11: Hệ robot mô-đun gồm các mô-đun trục chuyển động thẳng và chuyển động quay, hàm kẹp, phần mềm tương ứng cho phép khai báo cấu hình (nguồn: Amtec) Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 23 Liên kết ở hai đầu của mỗi chân nối với hai tấm phẳng là các khớp cầu. Với kiểu kết nối này cấu trúc động học của cơ cấu hình thành có nhiều ưu điểm như: độ chính xác và cứng vững cao, khả năng tải lớn, khả năng giảm chấn tốt. Tuy nhiên độ linh hoạt động học và tầm hoạt động của dạng robot này bị hạn chế. Với đặc điểm cấu tạo như vậy, dạng robot song song mở ra những ứng dụng mới với lực tương tác lớn và độ chính xác cao như công việc gia công cơ, nâng hạ vật nặng,… mà các dạng robot truyền thống với cấu tạo từ các chuỗi động gồm nhiều khâu nối tiếp nhau khó thực hiện được. Với cấu tạo như trên ta cũng nhận thấy việc thiết kế robot song song khá đơn giản và độ chính xác định vị cao nhờ sự phối hợp giữa các chuyển động tịnh tiến của các trục với nguồn dẫn động điện hoặc dầu ép. Hình 1.12 minh họa các kiểu robot song song. Mặc dù robot song song được giới thiệu mới chỉ trong khoảng một thập niên và thiết kế của chúng cũng khá khác biệt so với các loại truyền thống, ưu điểm Hình 1.12: Hai dạng robot song song 6 b.t.d. của hãng COMAU (trái) và FANUC (phải) dựa trên nguyên lý của cơ cấu Steward. Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 24 của chúng khi áp dụng ở các tác vụ của robot là rõ ràng, vì vậy mà loại này sẽ trở nên không thể thiếu trong các ứng dụng trong tương lai gần. 1.4 ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG 1.4.1 Tổng quát Sơ đồ khối tổng quát về hệ điều khiển chuyển động trên một trục bất kỳ của robot được trình bày trên hình 1.13. Bộ điều khiển nhận được tín hiệu yêu cầu thực hiện chuyển động của khớp động từ khối chương trình và đưa ra lệnh điều khiển cho bộ khuếch đại servo công suất để vận hành động cơ servo. Bộ phát tốc và bộ mã hóa vị trí được đặt trên trục động cơ cho phép phản hồi tín hiệu cho các vòng điều khiển tốc độ và vị trí. Mô-men tạo ra trên trục động cơ được truyền đến cho trục/khâu chấp hành thông qua khớp nối và bộ truyền (giảm tốc). 1.4.2 Tính toán chuỗi truyền động Việc tính toán chuỗi truyền động cho các trục được bắt đầu sau khi đã giải quyết các bài toán động học, lựa chọn sơ bộ động cơ và xác định các bộ truyền giảm tốc và bộ truyền chấp hành (hình 1.14). Trên cơ sở đó, xác định các thông Hình 1.13: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển tổng quát của một robot công nghiệp Bộ nội suy quỹ đạo chuyển động Bộ điều khiển Bộ khuếch đại servo công suất Động cơ servo Khớp nối Bộ giảm tốc Bộ truyền chấp hành Trục của robot Cảm biến vận tốc Cảm biến vị trí Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 25 số chuyển động cho từng trục; gồm vị trí, vận tốc và gia tốc chuyển động. Hiệu suất mong muốn của robot được xác định trong toàn bộ chu kỳ làm việc. Việc tính toán mô men cần cung cấp trên các trục dựa trên mô hình động lực học có tính đến trọng lượng các khâu, lực và mô men ma sát của các khâu bên cạnh lực công tác. Tổng quát thì hệ phương trình của mô men cần cung cấp cho từng khớp và vị trí, vận tốc, gia tốc của khớp động liên hệ chặt chẽ với nhau (sẽ được trình bày rõ hơn trong phần phân tích động lực học ở Chương 2) và được giải quyết nhờ phần mềm tính toán và mô phỏng động lực học. Mô men lớn nhất (đỉnh) và mô men tương đương được tính toán như là hàm của mô men khớp, tỷ lệ giữa thời gian của chu kỳ làm việc và dừng và giá trị trung bình của vận tốc ngõ vào. Việc tính toán này cho phép ta chọn sơ bộ công suất động cơ cho từng trục. Trên cơ sở đó khi ta tính toán và thiết kế hoặc lựa chọn các chi tiết máy và kiểm tra lại. Nếu công suất và tỷ số truyền không đáp ứng được yêu cầu thực hiện mong muốn của robot, có hai cách xử lý: - Tăng công suất động cơ và tỷ số truyền. - Giảm yêu cầu thực hiện đặt ra cho robot. Sau đó lặp lại quá trình tính toán cho đến khi sai lệch về lực/mô men giữa yêu cầu thực hiện và khả năng thực tế tính toán nằm trong khoảng sai lệch có thể chấp nhận được. Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 26 Vị trí mục tiêu Vị trí bắt đầu - Xác đinh các thông số động học - Chọn sơ bộ động cơ và bộ truyền, tỷ số truyền bằng kinh nghiệm kết hợp với quy luật động học cơ bản Động cơ, bộ truyền, tỷ số truyền Hình 1.14: Sơ đồ trình tự xác định mô men của động cơ cần cung cấp trên các trục của robot Điểm bắt đầu Tăng Giảm Công việc mong muốn tay máy phải thực hiện được Dịch chuyển đối tượng thao tác từ vị trí ban đầu đến vị trí mục tiêu trong khoảng thời gian x cho trước Đặc điểm động học của chu kỳ làm việc Giải bài toán động lực học tay máy Xác định mô men các khớp Phân tích tính toán có kể đến trọng lực và ma sát ở các khớp, mô phỏng kết quả trên máy tính Mô men đỉnh yêu cầu Mô men tương đương yêu Chọn bộ truyền và tỷ số truyền Mô men đỉnh yêu cầu Mô men thường trực yêu cầu Lựa chọn động cơ phù Mô men tương đương là hàm của: mô men khớp, tỷ lệ thời gian của chu kỳ làm việc, tốc độ của trục ngõ ra Sự thay đổi của mô men thông qua các bộ truyền Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 27 1.4.3 Mạch điều khiển servo vị trí Nhiệm vụ của các mạch điều khiển servo vị trí áp dụng cho robot là chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển thành chuyển động của các khâu trên robot theo cơ chế điều khiển servo, thể hiện ở quá trình phối hợp chặt chẽ giữa vận tốc chuyển động và hành trình chuyển động phải thực hiện như sơ đồ khối trên hình 1.13 với hai vòng hồi tiếp về vận tốc và vị trí. Hình 1.15 thể hiện chi tiết hơn sơ đồ điều khiển servo vị trí và hình 1.16 thể hiện nguyên lý của mạch điều khiển servo vị trí áp dụng trên các hạng mục robot của đề tài này. Chu kỳ hoạt động của các robot công nghiệp được đặc trưng bởi quá trình gia tốc và giảm tốc nhanh và vì vậy thời gian chu kỳ thực hiện các tác vụ thường khá ngắn. Do đó các động cơ servo sử dụng trên robot công nghiệp phải có đặc tính đáp ứng động lực học cao. Nhờ khả năng điều khiển tốt và chính xác, dãy tốc độ và công suất rộng nên chỉ có các mạch điện điều khiển servo đáp ứng được yêu cầu hoạt động của robot công nghiệp. Mạch lái (drive) điều khiển động cơ điện dẫn động trực tiếp chuyển động của các trục chỉ áp dụng ở một số ít robot dạng SCARA (hình 1.9). Ở các dạng robot khác, các trục nhận được truyền động từ động cơ thông qua bộ giảm tốc. Mạch điều khiển servo dầu ép chỉ được sử dụng ở các robot có tải trọng nâng lớn hoặc trong không gian hoạt động lớn do tỉ số công suất/trọng lượng lớn. Bảng 1.4: Các dạng và ưu nhược điểm của mạch điều khiển servo vị trí. Nguyên lý truyền dẫn Lĩnh vực áp dụng Ưu điểm Nhược điểm Dầu ép Cho các tay máy có tải trọng nâng hoặc/và không gian làm việc lớn - Đáp ứng động lực học tốt - Tỷ số công suất/trọng lượng rất cao - Yêu cầu thiết bị nhiều: bơm, đường ống, servo van,… - Môi trường không sạch - Yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên - Hiệu suất thấp Điện Là tiêu chuẩn cho lĩnh vực robot công nghiệp - Đáp ứng động lực học rất tốt - Dễ điều khiển - Dãy công suất rộng - Dãy tốc độ rộng - Cần phải qua bộ giảm tốc - Sinh nhiệt Lệnh điều khiển phụ trợ DỮ LIỆU TỌA ĐỘ THANH GHI CÁC LỆNH PHỤ TRỢ THANH GHI LỆNH VỊ TRÍ VỊ TRÍ YÊU CẦU Sai số vị trí Giới hạn tốc độ Bộ đếm vị trí góc Vòng điều khiển vị trí Vòng điều khiển vận tốc Vòng điều khiển mô Khuếch đại GIỚI HẠN MÔ MEN Sai lệch vận tốc CHỈNH ĐỘ LỢI HỒI TIẾP VẬN TỐC BỘ BÙ EG ĐIỀU CHỈNH ĐỘ LỢI TỶ LỆ KP ĐIỀU CHỈNH ĐỘ LỢI TÍCH PHÂN KI Vận tốc Vận tốc LỆNH CHỈNH TỐC ĐỘ ĐIỀU KHIỂN MÔ MEN Điều khiển PWM Bộ tích phân Về bộ điều khiển PC based Bảo vệ Anti- wind up Vận tốc Động Encode Hình 1.15: Sơ đồ khối của mạch điều khiển servo vị trí trên các trục của robot Bộ điều khiển PC based BỘ ĐIỀU KHIỂN BỘ NỘI SUY MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT DC SERVO MẠCH GIAO TIẾP SERVO Hình 1.16: Sơ đồ mạch động lực và điều khiển động cơ DC servo sử dụng trên các robot của đề tài Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 30 1.5 NGUỒN DẪN ĐỘNG 1.5.1 Động cơ điện Trên các hệ thống động lực của robot công nghiệp, các động cơ điện được ưu tiên sử dụng do các đặc điểm về dãy công suất, tính dễ điều khiển, đặc điểm đáp ứng động lực học rất tốt, sạch, dễ bảo trì, sửa chữa, thay thế. Một số dạng động cơ điện thường được sử dụng trên robot là động cơ DC servo, AC servo có hoặc không có chổi than. Động cơ bước ít được sử dụng do công suất bé. Ngoài ra hiện nay với những tiến bộ trong lĩnh vực khoa học vật liệu và điều khiển, các dạng động cơ AC đồng bộ và không đồng bộ sử dụng kết hợp với biến tần để điều khiển vị trí đạt được yêu cầu đáp ứng động lực học cao và công suất rất lớn đang được khai thác sử dụng. Bên cạnh đó, động cơ chuyển động thẳng (Linear Drives) cũng bắt đầu được áp dụng trên các robot của Fanuc, Mitsubishi,… Phần dưới đây chỉ trình bày qua các loại động cơ đồng bộ và động cơ chuyển động thẳng. Các loại động cơ khác đã được đề cập ở nhiều tài liệu tham khảo sẽ không trình bày ở đây. Bảng 1.5: Các dạng động cơ servo Dạng động cơ servo Công suất ngõ ra lớn nhất Đặc điểm Động cơ bước 1 kW Điều khiển vòng hở Nóng khi dừng Đáp ứng động lực học kém Động cơ DC chổi than 5 kW Dễ điều khiển dòng phần ứng Mô men khởi động lớn Chổi than bị mòn dần Động cơ DC không chổi than 10 kW Không cần bảo dưỡng Chuyển mạch kích từ nhờ tín hiệu phản hồi từ resolver, hiệu ứng Hall hoặc cảm biến quang Mô men lực điện từ lớn khi sử dụng nam châm vĩnh cữu trên rotor bằng vật liệu đất hiếm Động cơ AC đồng bộ Động cơ AC không đồng bộ 20 kW 80 kW Không cần bảo dưỡng Độ bền vững cao Dãy tốc độ cao Chi phí cao cho phần điều khiển Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 31 1.5.1.1 Động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ được sản xuất với công suất lớn bằng cách thay thế nam châm Oxide Ceramic truyền thống bởi các nam châm đất hiếm (như Somarium Cobalt, Neodymium Ferrite Boron) có mật độ công suất cao hơn nhiều. Công nghệ mới của thiết bị công suất bán dẫn đã cho ra đời các loại transistor IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) đã giúp cải thiện khả năng đáp ứng động lực học và có tính điều khiển được rất cao cho các loại động cơ đồng bộ. Động cơ đồng bộ được sử dụng trên các robot có công suất đến 20 kW và tốc độ quay đạt đến 3000 vòng/phút. 1.5.1.2 Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ mạnh hơn loại đồng bộ và mật độ công suất cao hơn. Trong lĩnh vực robot, loại này được sử dụng có công suất đến 80 kW và tốc Rotor đĩa - Mô men quán tính rất bé - Dãy tốc độ rộng - Độ chính xác định vị cao - Kết cấu dẹp Rotor rỗng Mô men quán tính bé Tốc độ quay lớn (đến 10.000 vòng/phút) Yêu cầu giảm tốc cơ khí Mô men lớn ở tốc độ quay thấp Phù hợp với các truyền động trực tiếp không qua giảm tốc cơ khí Kết cấu cồng kềnh Rotor dây quấn (Torque drive) Hình 1.17: Một số kết cấu phần ứng thông dụng của động cơ DC servo Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 32 độ quay đến 10.000 vòng/phút. Nhờ làm suy giảm từ trường, các động cơ không đồng bộ có thể hoạt động trong một miền có số vòng quay thay đổi rộng với công suất ngõ ra không đổi, vượt xa hơn số vòng quay danh nghĩa, điều này mang lại một ưu điểm lớn so với các động cơ đồng bộ. 1.5.1.3 Động cơ chuyển động thẳng (Linear motors) Ta có thể hình dung nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của động cơ điện chuyển động thẳng (còn gọi là động cơ tuyến tính) bằng cách cắt động cơ điện thông thường dọc theo một đường sinh dọc trục rồi khai triển thẳng ra (xem hình 26). Việc dẫn động cho các trục chuyển động tịnh tiến (chẳng hạn như trên loại robot có các chuyển động chính dọc theo các trục của hệ tọa độ vuông góc) bằng động cơ loại này sẽ rất thuận tiện. Ưu điểm của loại động cơ này so với các động cơ đồng bộ và không đồng bộ chuyển động quay là tốc độ cao (đạt đến 3m/s) và gia tốc lớn (đạt đến 10 g). Trong tương lai gần loại động cơ này sẽ thật sự thay thế cho các loại động cơ điện truyền thống ở những ứng dụng yêu cầu chuyển động tịnh tiến với tốc độ cao (hình 1.18). Hình 1.18: Động cơ chuyển động thẳng: a/ Sơ đồ nguyên lý cấu tạo, b, c/ Một số dạng cấu tạo thực tế được sử dụng trên robot công nghiệp a/ b/ c/ Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 33 1.5.2 Nguồn dẫn động điện dầu ép Nguồn dẫn động điện dầu ép bao gồm động cơ dầu ép hoặc xy lanh dầu ép và van servo để điều khiển động cơ. Kết hợp với bộ mã hóa vị trí, các bộ servo điều khiển điện dầu ép cho thấy đáp ứng động lực học rất tốt trong các vòng điều khiển kín. Nhược điểm của dạng này là cần nhiều chi tiết trên thiết bị, yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên và hiệu suất thấp. Hình 1.19 trình bày một loạt robot dùng nguồn dẫn động dầu ép. 1.5.3 Cơ cấu truyền động Các động cơ điện servo hoạt động có hiệu suất tương đối cao (đến 95%) ở mức tốc độ khoảng 1000 vòng/phút. Vì vậy việc kết nối truyền động trực tiếp từ trục động cơ đến trục của khâu chấp hành là không hợp lý về nhiều mặt. Bộ giảm tốc với truyền động bánh răng là giải pháp hợp lý để một mặt đưa tốc độ của trục Hình 1.19: Tay máy “Skywash” 11 bậc tự do với nguồn dẫn dầu ép (nguồn: tzmeister) Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 34 ngõ ra của nó đến khoảng giá trị tốc độ làm việc phù hợp của khâu chấp hành của robot, mặt khác giúp tăng mô men cung cấp trên trục chấp hành. Mặt khác, bộ giảm tốc cũng đồng thời giúp giảm tác động của mô men quán tính của khâu chấp hành trên hệ điều khiển động lực. Bên cạnh các ưu điểm nêu trên, truyền động bánh răng cũng có những nhược điểm gây ra cho hệ thống truyền động như: - Bộ truyền bánh răng luôn luôn tồn tại khe hở cạnh răng, đây là nguyên nhân gây ra sai số cho quá trình điều khiển định vị và lặp lại vị trí. - Truyền động bánh răng có thể gây ra dao động xoắn vì bản thân bánh răng, trục truyền động là những chi tiết đàn hồi. Bảng 1.6: Yêu cầu chất lượng của cơ cấu truyền động, giảm tốc trên robot. Yêu cầu Giá trị tiêu biểu Khe hở cạnh răng rất bé Vài phần trăm của 1 độ Hiệu suất cao 80 – 95 % Tỷ số truyền lớn, kích thước nhỏ gọn 100 – 320 Quán tính và ma sát bé Phụ thuộc vào kích cỡ bộ truyền Độ chịu mô men xơắn cao -“- Trọng lượng bé nhưng công suất truyền cao Những yêu cầu thể hiện ở bảng 1.6 cần được cố gắng thỏa mãn. Tuy nhiên cũng khó có thể thỏa mãn đồng thời được tất cả những yêu cầu này cùng một lúc. Chẳng hạn như để giảm thiểu khe hở cạnh răng, tăng hệ số ăn khớp thì phải tăng số răng, giảm mô đun nhưng hệ quả là ma sát tăng, hiệu suất truyền động giảm. Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 35 1.5.3.1 Truyền chuyển động thẳng Chuyển động thẳng là một dạng chuyển động giúp chuyển dời và mở rộng không gian hoạt động của khâu tác động cuối mà vẫn giữ nguyên hướng của nó hoặc của đối tượng được gắp kẹp, giữ trên nó. Có thể tìm thấy dạng chuyển động này trên: a. Robot có các chuyển động chính là chuyển động tịnh tiến dọc theo các trục tọa độ vuông góc. b. Chuyển động tịnh tiến lên xuống của khâu cuối trên robot SCARA. c. Chuyển động tịnh tiến lên xuống của cánh tay trên robot hoạt động trong hệ tọa độ trụ. d. Chuyển động tịnh tiến hướng kính để thay đổi tầm với trên robot hoạt động trong hệ tọa độ cầu. Bảng 1.7 trình bày các dạng bộ truyền chuyển động thẳng với các đặc điểm về tầm dịch chuyển, độ chính xác định vị và khả năng tải. Dạng truyền động Tầm xa truyền động Độ chính xác Tải trọng Đai răng < 10 m Cao nhất là 0.1 mm Nhỏ và trung bình Vít me – đai ốc < 5 m Cao nhất là 0.001 mm Nhỏ và trung bình Thanh răng – bánh răng Không giới hạn (về mặt lý thuyết) Cao nhất là 0.01 mm Hình 1.20 : a/ Truyền động bánh răng – thanh răng, b/ Truyền động vít me – đai ốc a/ b/ Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 36 1.5.3.2 Truyền chuyển động quay Chuyển động quay của khâu có thể được tìm thấy ở hầu hết các dạng robot công nghiệp. Những yêu cầu chính đặt ra đối với các bộ giảm tốc truyền chuyển động quay áp dụng trên robot là: - kết cấu nhỏ gọn, - cho tỷ số truyền lớn, - khe hở cạnh răng bé, - quán tính và ma sát thấp, - truyền được công suất cao. Một số bộ truyền đáp ứng được những yêu cầu nêu trên được tổng hợp trên bảng 1.8 và các hình minh họa 1.21 đến 1.24. Bảng 1.8: Đặc điểm của các bộ giảm tốc bánh răng thường được sử dụng trên robot Dạng cơ cấu bánh răng Đặc điểm tiêu biểu Vị trí thường áp dụng Bánh răng hành tinh Hiệu suất cao Các trục định vị (cánh tay và cẳng tay) Bánh răng sóng (Harmonic) Rất nhỏ gọn Các trục định hướng (cổ tay) Bánh răng cycloid - Hiệu suất cao - Mô men truyền lớn Các trục định vị (cánh tay và cẳng tay) Bánh răng Involute - Rất nhỏ gọn - Tỷ số truyền lớn với một cấp truyền động - Mô men truyền cỡ bé và trung bình Các trục định hướng (cổ tay) Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 37 Cơ cấu bánh răng hành tinh Bánh răng quay hành tinh Bánh răng quay lệch tâm Dạng truyền động ăn khớp bằng cam Cơ cấu bánh răng Cơ cấu bánh răng Cycloid (Bánh răng – Con lăn) Cơ cấu bánh răng Involute (Bánh răng chốt) Hình 1.21: Một số cơ cấu bánh răng thường sử dụng trong truyền động giảm tốc trên các trục của robot Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 38 Hình 1.22: Robot Fanuc với bộ giảm tốc Cycloid (nguồn: Teijin Seiki) Hình 1.23: a/ Bộ giảm tốc bánh răng hành tinh, b/ Bộ giảm tốc bánh răng Cycloid (bánh răng con lăn). Nguồn: ZF Friedrichshafen. Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 39 1.6 KHỚP NỐI Khớp nối là bộ phận kết nối truyền chuyển động quay và mô men giữa các trục quay, thường dùng để kết nối giữa trục động cơ servo với trục đầu vào của bộ giảm tốc, giữa trục động cơ với bộ mã hóa vị trí (Encoder) hoặc/và bộ phát tốc. Khớp nối cũng là một khâu có ảnh hưởng đến việc truyền động trên cả xích động. Khi sử dụng khớp nối, ta cần lưu ý các yếu tố sau: - Khả năng chống xoắn của khớp nối. - Khả năng giảm chấn của khớp nối. Hình 1.25 trình bày một số dạng khớp nối hay dùng trên robot. Tuy nhiên, thời gian gần đây nhiều hãng sản xuất robot đã áp dụng trên robot liên kết toàn khớp bản lề (Articulated Robot) với nối động trực tiếp giữa động cơ với bộ giảm tốc mà không dùng khớp nối. Vành răng – răng trong cố định Oáng răng đàn hồi nối cứng với trục bị động, có răng ngoài ăn khớp đúng với vành răng cố định ở vùng tiếp xúc nhờ đĩa ellipse Đĩa ellipse – bánh tạo sóng, nối cứng với trục động cơ Oáng răng đàn hồi quay ngược chiều với bánh tạo sóng Hình 1.24: Bộ giảm tốc bánh răng sóng được sử dụng phổ biến trên robot công nghiệp, được sử dụng ở nhiều hạng mục robot của đề tài này. (nguồn: Harmonic Drive Technologies, Teijin Seiki Boston Inc., Peabody, Massachusetts). Đĩa ellipse - bánh tạo sóng Đĩa ellipse – bánh tạo sóng Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 40 1.7 HỆ THỐNG ĐO Hệ thống đo lường với các cảm biến giúp phản hồi lượng dịch chuyển và vận tốc dịch chuyển về bộ điều khiển và mạch lái servo. Độ phân giải của cảm biến vị trí là yếu tố quyết định độ chính xác dịch chuyển. Ba dạng cảm biến vị trí dưới đây được sử dụng nhiều trên robot. 1.7.1 Bộ mã hóa quang điện tuyệt đối (OAE - Optical Absolute Encoder) Tín hiệu điện ở ngõ ra của OAE cung cấp một tín hiệu số thể hiện vị trí tuyệt đối của trục hay vị trí của khâu trên robot (hình 1.25 mô tả nguyên lý cấu tạo chung và 1.26 mô tả nguyên lý cấu tạo của đĩa mã 4 bit). Aùnh sáng từ dãy đèn LED đi qua khe hẹp đi đến đĩa mã nhị phân được lắp trên trục động cơ. Ở những vị trí mà đĩa mã cho phép ánh sáng đi qua, nhờ điốt quang, ta sẽ nhận được tín hiệu điện ở mức 1, ngược lại sẽ là mức 0. Đĩa mã n bit sẽ cho ta độ phân giải 2n. Một chip ASIC gồm một dãy điốt quang (photovoltaic diode array), bộ so sánh, bộ nhớ, bộ giải mã sẽ giúp chuyển đổi dãy bit tín hiệu nhận được thành tín hiệu điện thể hiện vị trí tức thời của trục động cơ và giá trị góc quay đã thực hiện. Thông thường trên các robot hay sử dụng loại OAE từ 12 đến 16 bits. Hình 1.25: Một số dạng khớp nối tiêu biểu: a/ loại lồng đèn, b/ khớp Oldham, c/ loại khớp màng Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 41 Mã thường được sử dụng trên các OAE để thể hiện thành giá trị số là mã Gray thay vì dùng mã nhị phân do ưu điểm ở chỗ là giữa hai giá trị số thập phân kế tiếp mã Gray chỉ có một bit thay đổi. 1.7.2 Bộ mã hóa quang điện loại gia tăng (IOE - Incremental Optical Encoder) So với bộ mã hóa tuyệt đối thì bộ mã hóa loại gia tăng cung cấp chỉ một tín hiệu vị trí tương đối của trục động cơ thể hiện qua số lượng xung được đếm so với vị trí cố định ban đầu (hình 1.27 trình bày một IOE loại quay). Khi ngắt điện giá trị xung này bị mất, nghĩa là mất vị trí tham chiếu ban đầu và vì vậy ta phải tìm lại vị trí này. Đây là nhược điểm cơ bản khi áp dụng trên các hệ điều khiển vị trí trên robot bởi vì ta phải tìm lại vị trí tham chiếu cho nhiều trục (đến 6 trục) đồng thời. Hình 1.27: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ tạo nguồn sáng và giải mã Đèn hồng ngoại Thấu kính phân kỳ Thấu kính lọc và tạo chùm tia song song Thấu kính trụ để tập trung chùm tia song song thành khe sáng phân giải của cảm biến Đĩa mã nhiều rãnh tương ứng với số bit thể hiện độ Dãy photodiode đọc và chip ASIC giải mã Dãy photodiode Tín hiệu ngõ ra Đĩa mã tuyệt đối Nguồn sáng: dãy LED hồng ngoại Hình 1.26: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ mã hóa quang điện tuyệt đối loại quay (4 bit) Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 42 Hướng chuyển động của đĩa mã được xác định bằng cách xác nhận góc pha của tín hiệu xung từ hai điốt quang đặt cách nhau một phần tư chu kỳ xung. Tín hiệu ngõ ra của các điốt quang sẽ được xử lý bởi một trigger (Schmitt trigger) và một bộ đếm lên/xuống. Bộ mã hóa loại gia tăng có độ phân giải đến 5000 xung/vòng. Bằng cách xác định cạnh xung, với cách thiết kế như đã trình bày, độ phân giải của loại này được tăng lên 4 lần (20.000 tín hiệu xung/vòng). Nếu bộ mã hóa cung cấp tín hiệu ngõ ra dạng tín hiệu sin, bằng cách nội suy tín hiệu, độ phân giải có thể tăng lên 10 lần. Như vậy trong các ứng dụng yêu cầu dịch chuyển thẳng với độ chính xác cực cao (đến µm hoặc cao hơn), chỉ có các bộ mã hóa quang loại gia tăng có thể đáp ứng được. 1.7.3 Bộ đo chuyển vị góc dạng cảm ứng điện từ (Resolver) Resolver là một bộ đo chuyển vị góc nhờ nguyên lý cảm ứng điện từ với tín hiệu ngõ ra là tín hiệu tương tự thể hiện giá trị góc quay của trục động cơ (hình 1.28). Để tăng độ phân giải, resolver thường được bố trí để nhận chuyển động quay từ trục động cơ thông qua một bộ tăng tốc với một hoặc vài bộ truyền bánh răng. - calibration - direction - resolution grating light emitter light sensor decode circuitry A B A leads B Hình 1.28: Sơ đồ nguyên lý của bộ mã hóa quang điện loại gia tăng (IOE) với hai đầu đọc tín hiệu lệch nhau ¼ chu kỳ xung Động cơ Bộ giải mã vị trí, nhận biết: - Góc quay – Chiều quay Bộ mã hóa IOE loại quay Bộ phận đọc xung Đĩa khắc rãnh để tạo xung khi quay Trạng thái Kênh A Kênh B Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp 43 Ngay sau khi khởi động, resolver chỉ vị trí chính xác của trục quay, trục quay không cần phải dịch chuyển về vị trí tham chiếu hay vị trí gốc. Đây là ưu điểm cơ bản của resolver. Thông qua một biến áp quay loại không dùng chổi than, dòng điện xoay chiều được cấp vào rotor. Stator được bố trí hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc 900 sẽ xuất hiện dòng điện nhờ nguyên tắc cảm ứng điện từ. Các tín hiệu ngõ ra của hai cuộn dây stator sẽ được đưa vào một chip ASIC để tính toán, xác định vị trí của trục động cơ. Độ phân giải của loại này thường ở mức 12 đến 16 bits. Resolver là loại cảm biến vị trí có độ phân giải cao, bền, giá không đắt, với trục rỗng nên dễ sử dụng trong các thiết kế. Với các ưu điểm nêu trên, resolver được sử dụng làm cảm biến vị trí trên các trục của robot ngày càng nhiều. Bảng 1.9: Đặc điểm của các bộ mã hóa vị trí Loại thiết bị đo chuyển vị Ứng dụng cho chuyển động Tín hiệu ngõ ra Độ phân giải Đặc điểm Bộ mã hóa quang điện tuyệt đối Thẳng/quay Giá trị tín hiệu số tuyệt đối 12 – 16 bit - Không mất vị trí khi ngắt nguồn. - Có thể quay nhiều vòng. Bộ mã hóa quang điện