Tài liệu Nghiên cứu, sử dụng cánh tay robot mitsubishi vào đào tạo kỹ sư cơ điện tử, đh nha trang

- Trang 1- MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................ 7 LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 8 LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 9 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT , TAY MÁY CÔNG NGHIỆP. ..................................................................................... 10 1.1 . Sơ lược quá trình hình thành và phát triển của robot công nghiệp …………………………………………………………………………11 1.2 . Các thông số và định nghĩa về robot công nghiệp.......................... 14 1.2.1. Định nghĩa robot công nghiệp ......................................................... 14 1.2.2. Các thông số cơ bản của cánh tay robot ......................................... 15 1.2.2.1. Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom) .................. 15 1.2.2.2. Hệ tọa độ(Coordinate frames) ................................................... 17 1.2.2.3. Trường công tác của robot(Workspace or Range of motion) . 18 1.2.2.4. Tải trọng ..................................................................................... 19 1.2.2.5. Tầm với ....................................................................................... 20 1.2.2.6. Độ phân giải không gian ........................................................... 20 1.2.2.7. Độ chính xác ............................................................................. 20 1.2.2.8. Độ lặp lại ................................................................................... 20 1.2.2.9. Độ nhún ...................................................................................... 20 1.3. Phân loại robot........................................................................................ 20 1.3.1. Robot công nghiệp ............................................................................. 20 1.3.2. Robot di động (Mobile Robot) .......................................................... 23 1.4. Một số ứng dụng của cánh tay robot trong cuộc sống hiện nay........ 24 GIỚI THIỆU CÁNH TAY ROBOT RV-2AJ CỦA CHƯƠNG 2: MITSUBISHI...................................................................................................... 29 2.1. Cơ cấu chấp hành của cánh tay robot RV-2AJ ................................... 30 2.1.1. Thông số kỹ thuật và cấu tạo chung của cánh tay Robot Mitsubishi RV-2AJ ......................................................................................................... 30 2.1.2. Thành phần của tay máy .................................................................. 36 2.1.3. Thiết bị điều khiển ............................................................................ 39 2.1.4 Đầu vào ra trên Robot ....................................................................... 46 2.1.5 Hướng dẫn lập trình bằng bộ Teaching Pendant (T/B) ................... 47 2.2. Ngôn ngữ dùng để lập trình cho cánh tay robot MELFA-BASIC IV 49 2.2.1. Thiết lập các thông số giao tiếp với máy tính .................................. 49 2.2.2. Tập lệnh của ngôn ngữ MELFA-BASIC IV ................................... 50 2.2.3 Một số lỗi thường gặp khi giao tiếp với cánh tay robot .................... 53 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÁNH TAY ROBOT RV-2AJ VÀ XỬ LÝ ẢNH ĐỂ PHÁT HIỆN VÀ XỬ LÝ SẢN PHẨM LỖI TRONG DÂY CHUYỀN ĐÓNG GÓI SẢN PHẨM. .............................................................................................................................. 54 3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 55 GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 2- 3.1.1. Cơ bản về Matlab .............................................................................. 55 3.1.2. Khởi động Matlab ............................................................................. 55 3.1.3. Phép toán với vector và ma trận trong Matlab ............................... 56 3.1.4. Matlab guide .................................................................................... 58 3.1.4.1. Khởi động giao diện GUI........................................................... 58 3.1.4.2. Cửa số GUI hiện ra.................................................................... 60 3.1.4.3. Thay đổi thuộc tính điều khiển.................................................. 61 3.1.5. Cơ bản về ảnh và các hàm xử lý ảnh trong Mtalab ....................... 63 3.1.5.1. Các kiểu ảnh trong matlab ........................................................ 63 3.1.5.2. Các hàm xử lý cơ bản trong matlab .......................................... 66 3.1.6. Phân tích thành phần chính PCA.................................................... 67 3.1.6.1. Sơ lược về phân tích thành phần chính PCA ........................... 67 3.1.6.2. Thuật toán phân tích thành phần chính PCA .......................... 67 3.2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ............................................................................... 69 3.2.1. Thiết kế băng tải ............................................................................... 69 3.2.2. Chọn thiết bị dẫn động và phương pháp truyền động ..................... 72 3.2.2.1. Thiết bị dẫn động ....................................................................... 72 3.2.2.2. Phương pháp truyền động ......................................................... 73 3.2.3. Cảm biến phát hiện khay đựng sản phẩm ........................................ 76 3.2.4. Chế tạo các khối sản phẩm và khay đựng sản phẩm ...................... 77 3.2.4.1. Chế tạo các khối sản phẩm........................................................ 77 3.2.4.2. Chế tạo các khay đựng sản phẩm ............................................. 78 3.2.4.3. Chế tạo các tấm sàn để gá băng tải, làm kho chứa các khối sản phẩm và khay đựng .................................................................................. 79 3.3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ TRUYỀN THÔNG .................................. 81 3.4. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ............................................ 86 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CÁNH TAY ROBOT RV-2AJ ĐỂ KHOAN MẠCH IN (PCB)………………………………..……………………………88 4.1. Các công đoạn chế tạo mạch in ............................................................. 89 4.1.1. Thiết kế và vẽ mạch in ....................................................................... 89 4.1.2. In và ủi mạch lên board đồng....................................................... 90 4.1.3. Kiểm tra lại và rửa mạch ................................................................... 92 4.1.4. Khoan mạch in, lắp linh kiện, hàn linh kiện và kiểm tra ............... 93 4.2. Lưu đồ giải thuật chương trình khoan mạch in ................................ 102 CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ.................... 103 5.1. Cánh tay robot dùng XLA phát hiện và xử lý sản phẩm lỗi ............ 104 5.1.1. Thu nhận ảnh vào bằng Matlab..................................................... 104 5.1.2. Tạo cơ sở dữ liệu các ảnh đầu vào................................................. 108 5.1.3. So sánh ảnh và truyền thông.......................................................... 108 5.1.4. Thoát chương trình......................................................................... 108 5.2. Cánh tay robot khoan mạch in............................................................ 109 5.2.1. Vẽ mạch in dùng để khoan............................................................. 109 5.2.2. Lắp và cố định mạch in vào sàn gỗ, chọn chương trình khoan ... 109 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT. ......................................................... 111 6.1. Kết luận ................................................................................................ 112 6.2. Đề xuất .................................................................................................. 112 GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 3- TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 113 PHỤC LỤC 1 .................................................................................................... 114 PHỤC LỤC 2 .................................................................................................... 125 PHỤC LỤC 3 .................................................................................................... 131 PHỤC LỤC 4 .................................................................................................... 144 GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 4- DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Điều khiển cánh tay bằng cơ cấu điều khiển từ xa theo kiểu chủ-tớ. Hình 1.2: Biểu diễn không gian của cánh tay máy. Hình 1.3: Robot PUMA 6 bậc tự do. Hình 1.4: Bậc tự do của robot. Hình 1.5: Các tọa độ suy rộng của robot. Hình 1.6: Quy tắc bàn tay phải. Hình 1.7: Biểu diễn trường công tác của robot. Hình 1.8: Robot LR Mate 200iB. Hình 1.9: Robot kiểu toạ độ Đề các. Hình 1.10: Robot kiểu toạ độ trụ. Hình 1.11: Robot kiểu toạ độ cầu. Hình 1.12: Robot kiểu Scara. Hình 1.13: Phân loại các loại robot chuyên dùng. (Nguồn : Reis Robotics, ABB Flexible Automation, CMB Automation). Hình 1.14: Một sản phẩm robot song song (Nguồn : PRSC’s). Hình 1.15: Mobile robot ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Hình 1.16: Cánh tay robot hàn trong công nghệ sản xuất cơ khí của hãng ABB. Hình 1.17: Ứng dụng Robot trong các hệ thống sản xuất linh hoạt. Hình 1.18: Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp. Hình 1.19: Robot phẫu thuật (Nguồn Accury, Inc). Hình 1.20: Các ứng dụng Robot trong các lĩnh vực thám hiểm, quân sự, vệ tinh. Hình 1.21: Cánh tay robot dùng để giảng dạy tại một số trường. Hình 1.22: Một số loại robot giải trí. Hình 2.1: Hình dáng tổng thể của cánh tay robot RV-2AJ. Hình 2.2: Sơ đồ cánh tay robot. Hình 2.3: Cấu trúc bên trong tay máy. Hình 2.4: Sơ đồ bố trí động cơ các trục Hình 2.5: Sơ đồ bố trí các ngõ vào/ra trên tay máy. Hình 2.6 : Sơ đồ hệ thống điện và khí nén của cánh tay Robot. Hình 2.7: Cáp máy và kết nối. Hình 2.8: Cấu trúc van solenoid. Hình 2.9: Cấu trúc cáp đầu vào. Hình 2.10: Ống khí nén. Hình 2.11: Bộ điều khiển của cánh tay robot. Hình 2.12: Mặt trước bộ điều khiển CR1-571. Hình 2.13: Mặt sau của bộ điều khiển CR1-57. Hình 2.14: Mặt trước Bộ điều khiển bằng tay GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 5- Hình 2.15: Mặt sau bộ điều khiển bằng tay. Hình 2.16: Module vào ra của cánh tay robot. Hình 2.17: Kết nối T /B với Bộ điều khiển. Hình 2.18: Đóng mở cánh tay kẹp. Hình 2.19: Khai báo các thông số khi giao tiếp với cánh tay Robot. Hình 3.1: Cửa số GUIDE. Hình 3.2: Cửa số biên soạn GUI. Hình 3.3: Cửa sổ thuộc tính. Hình 3.4: Ảnh Index. Hình 3.5: Ảnh xám. Hình 3.6: Ảnh nhị phân. Hình 3.7: Ảnh màu RGB. Hình 3.8: Cấu tạo chung của băng tải. Hình 3.9: Băng tải đai. Hình 3.10: Băng tải con lăn. Hình 3.11: Mô hình băng tải đai được sử dụng. Hình 3.12: Động cơ bước. Hình 3.13: Động cơ servo. Hình 3.14: Động cơ 1 chiều. Hình 3.15: Các loại truyền động quay. Hình 3.16: Bộ truyền xích. Hình 3.17: Truyền động xích được lắp vào băng tải. Hình 3.18: Cảm biến quang E3JK-DS30MM1 US của OMRON. Hình 3.19: Mô hình băng tải hoàn thiện. Hình 3.20: Khối sản phẩm. Hình 3.21: Khay đựng sản phẩm và các khối sản phẩm. Hình 3.22: Bản vẽ 2D của hai tấm sàn và khay đựng sản phẩm. Hình 3.23: Bố trí tổng thể trên 2 tấm sàn. Hình 3.24: Sơ đồ bố trí trên bàn ROBOT. Hình 3.25: Khối nguồn nuôi. Hình 3.26: Sơ đồ nguyên lý chân của VĐK ATmega32. Hình 3.27: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển từ USB2COM. Hình 3.28: Mạch PL2303 đã thi công. Hình 3.29: Sơ đồ nguyên lý của phần mạch công suất. Hình 3.30: Mạch giao tiếp trung gian chế tạo hoàn thiện. Hình 3.31: Lưu đồ giải thuật của chương trình xử lý SP. Hình 4.1: Một mạch in(PCB). Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch in được vẽ bằng phần mềm Orcad. Hình 4.3: Mạch in được in ra giấy và board đồng để ủi mạch. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 6- Hình 4.4: Dùng bàn là để ủi mạch. Hình 4.5: Mạch sau khi ủi xong được ngâm vào nước. Hình 4.6: Dùng bút tô lại những đường mạch bị đứt. Hình 4.7: Pha thuốc rửa với nước ấm theo liều lượng phù hợp. Hình 4.8: Cho mạch in vào dung dịch thuốc rửa và lắc đều. Hình 4.9: Phần đồng thừa của mạch đã bị ăn mòn hết. Hình 4.10: Mạch in sau khi được lau sạch và tráng nhựa thông. Hình 4.11: Động cơ DC thường dùng để khoan mạch. Hình 4.12: Một số loại khoan bàn có thể dùng để khoan mạch. Hình 4.13: Một loại động cơ khoan mạch chuyên dụng. Hình 4.14: Adapter cung cấp nguồn cho khoan hoạt động. Hình 4.15: Đầu kẹp mũi khoan. Hình 4.16: Các loại mũi khoan thường dùng để khoan. Hình 4.17: Phần vỏ của động cơ đã được “độ” lại. Hình 4.18: Động cơ khoan sau khi gắn vào cánh tay robot. Hình 4.19: Một máy khoan mạch chuyên dụng. Hình 4.20: Mạch in được cố định trên tấm sàn. Hình 4.21: Chương trình điều khiển cánh tay khoan mạch in được nạp vào bộ điều khiển. Hình 4.22: Thiết lập tốc độ hoạt động cho cánh tay robot. Hình 4.23: Lưu đồ giải thuật chương trình khoan mạch in. Hình 5.1: Các thành phần bên trong Image Acquisition Toolbox. Hình 5.2: Cửa sổ preview. Hình 5.3: Giao diện điều khiển chính. Hình 5.4: Mạch dùng để khoan. Hình 5.5: Cánh tay robot đang khoan mạch. Hình 5.6: Mạch in sau khi khoan xong. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 7- DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Sản lượng Robot. Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật của cánh tay robot. Bảng 2.2: Bảng thông số kỹ thuật của bộ điều khiển CR1-57. Bảng 2.3 : Các phương thức di chuyển. Bảng 2.4: Bảng cài đặt giao tiếp RS-232C. Bảng 2.5: Những tập lệnh thông dụng của ngôn ngữ MELFA_BASIC IV. Bảng 3.1: Chuyển đổi giữa các kiểu ảnh. Bảng 3.2: Các loại truyền động xích và hình dạng. Bảng 3.3: Ưu nhược điểm của bộ truyền xích. Bảng 5.1: Liệt kê các thông số của thiết bị thu video. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 8- LÔØI CAÛM ÔN -----------
----------- Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới nhà truờng, Khoa cơ khí, Bộ môn CƠ ĐIỆN TỬ, các thầy cô đã dạy dỗ và dìu dắt chúng em trong suốt 4 năm học vừa qua để có được những kiến thức đại cương, cơ sở nghành và môn chuyên nghành để sau này em có thể vào đời làm việc, sử dụng kiến thức đã được trang bị trong trường để phục vụ cho nhu cầu xã hội. Để thực hiện thành công đồ án là sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy trong bộ môn CƠ ĐIỆN TỬ. Và đặc biệt là thầy hướng dẫn, thầy Vũ Thăng Long, người đã hướng dẫn tận tình , giúp em định hướng, góp ý và cung cấp ý tưởng cũng như chỉ dẫn tài liệu và các tiến trình thực hiện đồ án. Em cũng xin cảm ơn sự đóng góp ý kiến và giúp đỡ của các bạn trong lớp. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong công việc và cuộc sống. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 9- LÔØI NOÙI ÑAÀU -----------
----------- Trong thời đại ngày nay đất nước ta đang phát triển theo xu hướng công nghiệp hoá hiện đại hoá. Mục đích đến năm 2020 đất nước ta trở thành một nước công nghiệp, để đạt được mục tiêu đó thì không thể thiếu vắng ngành công nghệ cơ điện tử, cơ điện tử là một ngành mà trong đó là sự kết hợp giữa cơ khí ,điện tử, và tin học. Và đây dược xem là một ngành của tương lai trong vòng mấy năm tới. Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp hiện nay, các công việc nặng nhọc, nguy hiểm và đòi hỏi độ chính xác cao đều được thay thế bằng các máy móc hiện đại, trong đó cánh tay robot công nghiệp. Việc thay thế con người bằng các máy móc hiện đại không những đem lại sự an toàn cho người lao động mà còn góp phần tăng năng suất lao động, giảm chi phí sản suất đem lại hiệu quả kinh tế cao. Việc nghiên cứu và tiến tới điều khiển, làm chủ các tay máy công nghiệp cũng như các máy móc hiện đại trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện, hiện đại hóa như hiện nay là rất cần thiết và quan trọng để góp phần đưa đất nước phát triển hòa nhập với khu vực và thế giới. Chính vì lý do đó, em chọn đề tài: “Nghiên cứu, sử dụng cánh tay robot Mitsubishi vào đào tạo kỹ sư cơ điện tử - ĐH Nha Trang” làm đồ án tốt nghiệp cuối khóa. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong khoa Cơ khí, bộ môn cơ điện tử và đặc biệt là Thầy hướng dẫn Th.S Vũ Thăng Long đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành thành được đồ án này. Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn nên sẽ không tránh khỏi sai sót, kính mong các thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Nha Trang ngày 19 tháng 6 năm 2011 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc Vương GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 10 - CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT , TAY MÁY CÔNG NGHIỆP. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 11 - 1.1 . Sơ lược quá trình hình thành và phát triển của robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec(Czech) “Robota” nghĩa là công việc tạp dịch trong vở nhạc kịch Rossoum‘s Universal Robot của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai ông ta đã chế tạo ra những cái máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đây là những gợi ý ban đầu cho những nhà sáng chế kỹ thuật thiết kế ra các cơ cấu máy bắt chước hoạt động cơ bắp của con người. Những thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF(American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “Người máy công nghiệp” (Industry Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng giống như tay người được điều khiển tự động để thực hiện các thao tác sản xuất. Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày có nguồn gốc từ hai lĩnh vực ra đời sớm hơn đó là cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled Machine Tool). Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác, nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 12 - Hình 1.1: Điều khiển cánh tay bằng cơ cấu điều khiển từ xa theo kiểu chủ-tớ. Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô. Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967, Thụy Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp 1972; ở ý - 1973. . . Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 tại trường đại học tổng hợp Standford(Mỹ) người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác (mắt – tay). Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết. Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool : Công cụ của tương lai). Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 13 - Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia ... Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh nó, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt, số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Còn ở Việt Nam, trong giai đoạn trước năm 1990 hầu như trong nước hoàn toàn chưa du nhập về kỹ thuật robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin về lĩnh vực này. Giai đoạn tiếp theo từ năm 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt đầu đổi mới. Nhiều cơ sở đã nhập ngoại nhiều dây chuyền thiết bị mới. Đặc biệt là các cơ sở liên doanh với nước ngoài đã nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ cho các công việc như: tháo lắp các dụng cụ cho các trung tâm gia công và các máy CNC, lắp ráp các linh kiện điện tử, tháo sản phẩm ở các máy ép nhựa tự động, hàn vỏ xe ô tô, phun phủ các bề mặt… Tháng 4 năm 1998, nhà máy Rorze/Robotech bước vào hoạt động, là nhà máy đầu tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp robot. Đó là loại robot có cấu trúc đơn giản nhưng rất chính xác dùng trong sản xuất chất bán dẫn. Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như sau : Nước SX Năm 1990 Năm 1994 Nhật Mỹ Đức Ý Pháp Anh Hàn Quốc 60.118 4.327 5.845 2.500 510 1.000 29.756 7.634 5.125 2.408 1.197 1.086 1.200 Năm 1998 (Dự tính) 67.000 11.100 8.600 4.000 2.000 1.500 Bảng 1.1: Sản lượng Robot. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 14 - Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng robot lại là Nhật. 1.2 . Các thông số và định nghĩa về robot công nghiệp 1.2.1. Định nghĩa robot công nghiệp Tùy mỗi quốc gia, tổ chức và mục đích sử dụng hiện nay có nhiều định nghĩa về robot công nghiệp, có thể điểm qua một số định nghĩa sau: Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ; có khả năng định vị, định hướng,di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp…theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. Định nghĩa theo RIA (Robot indtitite of America): Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau. Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Có thể nói robot công nghiệp là một tay máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau. Robot công nghiệp với khả năng chương trình linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ, hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc,lắp ráp máy…) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá…) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy linh hoạt, được gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 15 - Hình 1.2: Biểu diễn không gian của cánh tay máy. 1.2.2. Các thông số cơ bản của cánh tay robot 1.2.2.1. Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom) Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến).Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do (w) của nó có thể tính theo công thức: w = 6 n − 6 ∑ ip i i = 1 Trong đó : n – số khâu động; pi – số khớp loại i (i=1, 2, …, 6 : Số bậc tự do bị hạn chế). Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 16 - Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không gian 3 chiều robot cần 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng. Một số công việc đơn giản như: nâng, hạ, sắp xếp… có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn. Các robot hàn, sơn… thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hóa quỹ đạo,… người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6. Hình 1.3: Robot PUMA 6 bậc tự do. Ví dụ về xác định bậc tự do của mô hình cánh tay robot sau: Hình 1.4: Bậc tự do của robot. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 17 - Xác định được số khớp loại 5 là 5 (4 khớp quay và một khớp tịnh tiến ), do đó n=5 và P5 =5 nên số bậc tự do của robot này: W= 6.5 – 5.5 = 5 bậc. 1.2.2.2. Hệ tọa độ(Coordinate frames) Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các biến khớp (joints) tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản (hay hệ tọa độ chuẩn). Hình 1.5: Các tọa độ suy rộng của robot. Các hệ tọa độ trung gian gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay(hình 1.6 ). Các tọa độ suy rộng còn được gọi là các biến khớp. Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu thứ n. Như vậy hệ toạ độ cơ bản (Hệ tọa độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu là O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2,..., On-1, Hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On. Các hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón: cái, trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương,chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương chiều của trục y (hình 1.6 ). GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 18 - Hình 1.6: Quy tắc bàn tay phải. 1.2.2.3. Trường công tác của robot(Workspace or Range of motion) Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trườngcông tác thường bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot (hình 1.7). GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 19 - Hình 1.7: Biểu diễn trường công tác của robot. 1.2.2.4. Tải trọng Là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một số đặc tính nào đó. Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng định mức nhiều, nhưng robot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức, vì khi đó robot không đảm bảo được độ chính xác di chuyển. Ví dụ, robot LR Mate 200iB (hình 1.8) của hãng Fanuc có trọng lượng 45kg chỉ mang trọng lượng 5kg. Hình 1.8: Robot LR Mate 200iB. GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long - Trang 20 - 1.2.2.5. Tầm với Là khoảng cách lớn nhất robot có thể vươn tới trong phạm vi làm việc. Tầm với là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc của robot. 1.2.2.6. Độ phân giải không gian Là lượng gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di chuyển trong không gian. Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải điều khiển và độ chính xác cơ khí. Độ phân giải điều khiển xác định bởi độ phân giải hệ thống điều khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển của robot. Độ di chuyển của robot là tổng các dịch chuyển thành phần. Do đó độ phân giải của cả robot là tổng các độ phân giải của từng khớp robot. Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu truyền động các khớp và khâu phản hồi của hệ thống điều khiển servo sẽ ảnh hưởng đến độ phân giải. Các yếu tố làm giảm độ chính xác cơ khí như khe hở trong hộp truyền, rò rỉ của hệ thống thủy lực, tải trọng trên tay robot, tốc độ di chuyển, điều kiện bảo dưỡng robot…. 1.2.2.7. Độ chính xác Đánh giá độ chính xác vị trí tay robot có thể đạt được. Độ chính xác được định nghĩa theo độ phân giải của cơ cấu chấp hành. Độ chính xác di chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ nhất của khớp. 1.2.2.8. Độ lặp lại Đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm trong nhiều lần hoạt động (ví dụ 100 lần). Do một số yếu tố mà robot không thể với tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm với của robot nằm trong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong muốn. Bán kính của đường tròn đó là độ lặp lại. Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan trọng hơn độ chính xác. Độ chính xác được đánh giá bằng sai số cố định; sai số cố định có thể phán đoán được và có thể hiệu chỉnh bằng chương trình. Nhưng sai số ngẫu nhiên sẽ khó có thể khử được. 1.2.2.9. Độ nhún Biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lực hoặc mômen tác dụng. 1.3. Phân loại robot Robot công nghiệp rất đa dạng và phong phú, có thể phân loại theo các cách sau: 1.3.1. Robot công nghiệp 1. Robot nối tiếp (Series robot): GVHD: Th.S Vuõ Thaêng Long