PHẦN MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Hiện nay, robot SCARA vẫn đang là đề tài nghiên cứu thú vị của nhiều trường đại học. Qua tìm hiểu một số công trình đã công bố trong nước, các tạp chí khoa học thường nghiên cứu về thiết kế, chế tạo hệ thống cơ khí, giải thuật điều khiển, giải các bài toán động học ngược,… Các nghiên cứu này chủ yếu giải quyết các vấn đề học thuật và cần được phát triển để có thể áp dụng vào thực tiễn sản xuất. Vì vậy trong đề tài lần này trình bày các phương pháp thiết kế robot SCARA cũng như hoàn thiện về việc thiết kế trên SolidWorks robot Delta.
Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng được phương trình toán cho robot SCARA hai bậc tự do. Mô phỏng vẽ quỹ đạo bằng bộ điều khiển PID. Thiết kế robot SCARA trên SolidWorks. Mô phỏng mô hình robot SCARA trên MATLAB Simulink bằng Simscape Mutibody.
Thiết kế giao diện điều khiển GUI Robot SCARA. Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế robot SCARA của hãng EPSON. Version của Robot SCARA EPSON LS3-401S. Tính mới của đề tài Mô phỏng mô hình SolidWorks robot SCARA trên MATLAB Simulink bằng Simscape Mutibody và thiết kế giao diện GUI điều khiển robot.
Ý nghĩa của đề tài Đề tài là một ứng dụng của hệ thống điều khiển tự động vào thực tiễn, tạo ra sản phẩm thực tế để gia tăng kiến thức thực tế. Ngoài ra, quá trình thực hiện luận văn là một cơ hội để em kiểm tra, tổng hợp lại những kiến thức đã học, đồng thời phát huy tính sáng tạo, khả năng nghiên cứu và giải quyết một số vấn đề mang tính tư duy trong đề tài. TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA 2 BẬC TỰ DO 1.1 Giới thiệu Từ nguồn sưu tầm [1] Robot SCARA là một lựa chọn phổ biến cho các công việc có tính chất nhỏ, cần tốc độ và độ chính xác cao. Trong bài đăng này sẽ giải thích cho bạn những kiến thức cơ bản về robot SCARA, ứng dụng, tác động của chúng đối với việc áp dụng trong sản xuất và chi phí để đầu tư lắp đặt loại robot này.
Robot SCARA Với kích thước nhỏ hơn nhiều so với các loại robot công nghiệp khác, robot SCARA đặc biệt hiệu quả trong các công việc mà chúng được thiết kế. Khả năng kết hợp giữa tốc độ, tính nhỏ gọn và độ chính xác cao làm cho chúng nổi bật trong những loại robot sản xuất hiện nay. Điều này tạo ra một vị trí đặc biệt cho chúng trong lĩnh vực công nghiệp, nơi mà sự linh hoạt và hiệu suất cao được đưa lên hàng đầu. Bài đăng này sẽ giới thiệu cho bạn về robot SCARA trong qua những chủ đề sau đây, bắt đầu với việc tìm hiểu về loại robot này.
16 Hình 1: Robot SCARA của tập đoàn FANUC 1.2 Robot SCARA là gì? SCARA là viết tắt của Selective Compliance Articulated Robot Arm hay còn gọi là “Cánh tay robot có tính tuân thủ có chọn lọc”. Đó là những cánh tay robot có phạm vi chuyển động theo hướng hơi tuân theo mặt phẳng ngang hay còn gọi là mặt phẳng X-Y trong không gian ba chiều và chúng chỉ có thể di chuyển lên xuống theo chiều dọc ở phần trục làm việc. Đặc điểm của loại robot này là chiều dọc chính giữa luôn được giữ cố định và không thế di chuyển lên xuống như những loại robot khác. Hình 2: Hình ảnh robot SCARA 17 Robot SCARA được thiết kế với sự kết hợp giữa các trục quay cứng rắn và linh hoạt, điều này làm cho chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ như vận chuyển vật phẩm cũng như giúp giúp cho quá trình sản xuất trở nên năng suất và nhanh chóng hơn.
Tuy nhiên, điểm mạnh lớn nhất của robot SCARA là khi chúng được sử dụng để thực hiện các ứng dụng rắp láp. Các ứng dụng này có thể bao gồm từ việc xử lý các linh kiện bán dẫn cho đến các ứng dụng trong y tế và đóng gói sản phẩm. Hình 3: Robot SCARA của hãng EPSON Sankyo Seiki , Pentel và NEC là những công ty, tập đoàn của Nhật Bản đã giới thiệu robot SCARA như một khái niệm hoàn toàn mới của robot robot lắp ráp vào năm 1981, robot SCARA này đã được phát triển dưới sự chỉ đạo, hướng dẫn của Hiroshi Makino, giáo sư của trường đại học Yamanashi, Nhật Bản.3 Khả năng di chuyển của robot SCARA Với số lượng khớp nối mà robot có, kết hợp với số lượng trục có trong mỗi khớp thì chúng ra có thể xác định được các bậc tự do của nó. Robot SCARA là loại robot có bốn bậc tự do tức là có 3 khớp quay cùng với một khớp điều chỉnh độ cao của trục làm việc, nhờ có các khớp quay nên robot SCARA có thể di chuyển trong các mặt phẳng ngang là trục XY trong không gian và có thể xoay 360 độ quanh trục Z.
18 Hình 4: SCARA robot có bốn bậc tự do Hình 5: Robot SCARA công ty EPSON 1.4 Phạm vi làm việc và diện tích chiếm dụng của robot SCARA Phạm vi làm việc (Work Envelope) là một khoảng không gian mà robot có thể tiếp cận thực hiện các nhiệm vụ. Trong trường hợp của robot SCARA, do có khả năng quay quanh trục Z cố định tạo ra một phạm vi làm việc hình trụ, điều này có nghĩa là robot có thể di chuyển và thực hiện công viện trong một không gian hình trụ xung quanh nó. Thông thường khi lựa chọn một loại robot cho sản xuất, phạm vi làm việc là yếu tố quyết định hơn hết. Trong một số ứng dụng, phạm vi làm việc của robot 19 SCARA có thể bị hạn chế ở phía trước và cạnh bên do có nối thêm bộ cáp và ống thoát khí ở phía sau.
Tuy nhiên, nhờ khả năng làm việc trong phạm vi của mình giúp cho robot SCARA duy trì được diện tích chiếm dụng tối thiểu trong khi tối đa hóa được không gian làm việc. Hình 6: Phạm vi làm việc và diện tích chiếm dụng của robot SCARA 1.5 Tốc độ làm việc của robot SCARA Tốc độ là một yếu tố được đưa lên hàng đầu khi lựa chọn robot sản xuất. Robot SCARA là một trong những loại robot nhanh nhất trên thị trường. Với bốn bậc tự do, robot SCARA có ít khớp nối di động hơn so với những loại robot khác như robot sáu trục, giúp chúng có một tốc độ vượt trội hơn cả.
Hơn nữa, sự giảm bớt trong số khớp nối giúp đơn giản quá quá trình tình toán và lập trình trong lúc cài đặt. Khi trong một giai đoạn sản xuất mà chu kỳ thời gian được yêu cầu quá khắt khe, robot SCARA sẽ là một lựa chọn phù hợp nhất dành cho các công việc trong giai đoạn này. Hình 7: Robot SCARA có tốc độ nhanh 20 1.6 Những ứng dụng cụ thể của robot SCARA Do thiết kế cơ học của chúng, robot SCARA có những trường hợp sử dụng cụ thể khác nhau. Loại robot này là loại đặc biệt hơn so với các robot có khớp nối thông thường hoặc là robot sáu trục (six-axis robots) khác.
Điều này có nghĩa là robot SCARA không có quá nhiều ứng dụng trong việc sản xuất như những robot khác, nhưng loại robot này sẽ là lựa chọn xuất sắc nhất cho mỗi ứng dụng mà nó được chế tạo. Các ứng dụng đấy bao gồm: Hình 8: Robot sáu trục Lắp ráp (Assembly): Robot SCARA thường được sử dụng để thực hiện quy trình lắp ráp nhanh chóng và có độ chính xác cao trong dây chuyền sản xuất. Hình 9: Lắp ráp (Assembly) 21 Tháo rời (Disassembly): Trong quy trình tái sử dụng và bảo dưỡng thiết bị, robot SCARA có thể thực hiện công việc tháo rời các thành phần một cách nhanh chóng và hiệu quả. Hình 10: Tháo rời (Disassembly) Nhặt lên và đặt xuống (Picking and Placing): Khả năng linh hoạt của robot SCARA làm cho chúng có khả lý tưởng để nhặt lên và đặt xuống các sản phẩm, linh kiện ở các vị trí chính xác trong quá trình sản xuất hoặc đóng gói.
Hình 11: Nhặt lên và đặt xuống (Picking and Placing) 22 Xử lý vật liệu (Material Handling): Robot SCARA có thể dùng để di chuyển và xử lý vật liệu để tạo thành thành phẩm trong quy trình sản xuất. Hình 12: Xử lý vật liệu (Material Handling) Hàn PCB (PCB Soldering): Trong ngành công nghiệp điện tử, robot SCARA có thể thực hiện quy trình hàn PCB với độ đồng đều và chính xác cao. Hàn PCB là quá trình hàn (gắn kết) các linh kiện điện tử vào PCB (Printed Circuit Board - Bảng Mạch In) để tạo ra các mạch và thiết bị điện tử. Hình 13: Hàn PCB (PCB Soldering) Phân phối chất lỏng (Dispensing): Robot SCARA có thể được tích hợp 23 vào hệ thống phân phối chất lỏng nhằm thực hiện việc chính xác và kiểm soát lượng chất lỏng được phân phối.
Hình 14: Phân phối chất lỏng (Dispensing) Bạn hoàn toàn có thể giao các nhiệm vụ trên cho nhiều loại robot khác nhau trong sản xuất nhưng điều gì khiến cho robot SCARA trở thành một lựa chọn tốt hơn cả so với các loại robot khác. Ví dụ như: Các ứng dụng nhỏ, cần tốc độ cao thì không cần đến loại robot có tính linh hoạt cao như robot sáu trục (six-axis robot) mà chỉ cần một loại robot có tính chính xác cao với mức chi phí tiết kiệm hơn, đây là điều kiện hoàn hảo để có thể triển khai robot SCARA vào trong dây chuyền sản xuất thay vì chọn những loại robot khác. Hình 15: Điều gì khiến robot SCARA trở thành lựa chọn tốt hơn cả Cấu trúc cơ học của robot SCARA thường có lợi thế cao hơn so với các loại 24 robot khác khi thực hiện các nhiệm vụ trên. Tính tuân thủ có chọn lọc (Selective compliance) có nghĩa là các cánh tay của robot chỉ có thể di chuyển tuân theo các chiều cụ thể.
Điều này khác biệt đáng kể so với các loại robot sáu trục thông thường khác có thể uốn cong và xoắn ở bất kỳ góc nào mà bạn có thể tưởng tượng. Việc di chuyển tuân thủ theo chọn lọc nghe có vẻ sẽ hạn chế trong nhiều ứng dụng khác nhưng lại mang lại những lợi ích đáng kể đối với những ứng dụng cụ thể như trên. Tính cứng cáp trong những chuyển động của robot SCARA cho phép robot có mức độ làm việc chính xác cao hơn so với những loại robot khác. Hình 16: Thực hiện những nhiệm vụ có quy mô nhỏ với tốc độ cao 1.