Đặt vấn đề Robot công nghiệp có vị trí rất quan trọng trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, robot công nghiệp là một trong những ứng dụng tiên tiến của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiển tự động vào trong sản xuất. Trong sản xuất tự động, robot công nghiệp đáp ứng các công việc lặp đi lặp lại nhiều lần như: lắp ráp, đóng gói, vận chuyển sản phẩm; các công việc có độ chính xác rất cao như: lắp ráp các chi tiết máy nhỏ, mạch điện tử; hoặc các công việc nguy hiểm như: các thao tác trong nhà máy điện nguyên tử, các lò luyện kim loại, những nơi có nhiệt độ áp suất cao, dễ xảy ra cháy nổ,…. Nó có vai trò rất quan trọng trong việc tạo ra những sản phẩm công nghiệp có năng suất cao, chất lượng tốt đáp ứng nhu cầu xã hội. Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã sử dụng robot vào trong sản xuất như Mỹ, Nhật, Pháp, Hàn Quốc,… với nhiều dòng sản phẩm của các hãng như: Mitsubishi, Siement, Honda, SONY….
Các loại robot phổ biến như SCARA, PUMA, ASV, STANFORD,… Từ thực tế việc ứng dụng Robot vào trong sản xuất công nghiệp thế giới đã phổ biến, còn ở Việt Nam tuy đã bắt tay vào nghiên cứu và ứng dụng nhưng vẫn còn mới mẻ. Do đó, chúng ta cần phải bắt tay đào tạo từ khi còn ở trong nhà trường để giúp ngành này theo kịp với các nước trên thế giới và đóng góp vào công cuộc xây dựng và đổi mới đất nước. Cho nên nhóm đã chọn đề tài “Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA” để thực hiện nhằm góp phần vào việc nghiên cứu và hoàn thiện Robot SCARA 4 bậc tự do, nâng cao chất lượng điều khiển với tốc độ cao hơn để đưa vào giảng dạy trong quá trình dạy học, cũng như đưa vào sản xuất thực tế.2 Định nghĩa và giới thiệu về Robot SCARA Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau: - Theo tiêu chuẩn AFNOR của 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 như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. - Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (Robot institute 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.
- Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của 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 1 do an thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Do đó, robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn. Với đặc điểm có thể lập trình lại được, robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất linh hoạt. Vì vậy, robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người.
Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về Robot theo những quan điểm khác nhau. Dưới đây là một số định nghĩa về Robot: - Robot là những máy móc có khả năng thay thế sức lao động của con người. (Soska, 1985) - Một cơ cấu chấp hành đa chức năng dùng để vận chuyển vật liệu, các chi tiết hay máy móc, thiết bị. Các cơ cấu này có thể được lập trình thay đổi chuyển động cho phù hợp với công việc.
(Schulussel, 1985) - Robot là những thiết bị có thể lập trình để làm một số công việc nào đó. Theo hướng này thì một máy tính là một mạch điện có thể được lập trình để làm một số công việc, như vậy máy tính là một Robot. (McKerrow, 1986) Robot SCARA được giới thiệu ở Nhật Bản vào năm 1979 và từ đó SCARA được nhiều hãng chế tạo để phục vụ có nhiều mục đích khác nhau như hàn, lắp ráp, vận chuyển, khoan, doa,…. Các hãng chuyên sản xuất Robot SCARA như: General motor, Hitachi, Mitsubishi, IBM, MOTOMAN, EPSON, PANASONIC, SONY,….
Ngày nay, các hãng tiếp tục hoàn thiện bộ điều khiển và kết cấu cơ khí để ngày càng được linh hoạt hơn. Tay máy SCARA có vùng không gian hoạt động có dạng hình trụ. Đây là loại cấu hình dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho robot là dạng khớp nối bản lề và kế đó là khớp trượt. Dạng này phổ biến nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng nhờ các khâu và khớp hợp lại có nhiều ưu điểm: - Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn.
- Tỉ lệ kích thước/tầm vươn được đánh giá cao. - Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo phương thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu gắp đặt và đặt chi tiết theo phương thẳng. Trong trường hợp này bài toán tọa độ hoặc 2 do an quỹ đạo chuyển động đối với robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y còn lại bằng cách phối hợp ba chuyển động quay quanh ba trục song song với trục z.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nhằm mục đích học tập và nghiên cứu lĩnh vực Robot công nghiệp nhóm đã chọn đề tài “Nghiên cứu phương án điều khiển Robot SCARA” với các mục tiêu: Tham gia nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực Robot công nghiệp. Nghiên cứu sản phẩm đáp ứng nhu cầu thực tiễn đời sống và công nghiệp.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Tìm hiểu và tính toán các bài toán động học của Robot SCARA 4 bậc tự do.
Thiết kế hệ thống truyền động và lắp đặt động cơ DC Servo cho khớp thứ 4. Lắp đặt phễu hút khí nén cho Robot SCARA. Thiết kế mạch điều khiển. Lâp sơ đồ giải thuật điều khiển cho hệ thống.
Điều khiển vị trí Robot SCARA.5 Giới hạn đề tài Đối tượng nghiên cứu. Động học Robot SCARA 4 bậc tự do. Thuật toán điều khiển vị trí Robot SCARA. Phạm vi nghiên cứu.
Nghiên cứu ứng dụng của thuật toán điều khiển Robot SCARA. Điều khiển vị trí Robot và khảo sát đáp ứng.6 Phương pháp nghiên cứu Nhóm tiến hành nghiên cứu thiết kế bổ sung thêm hệ thống truyền động và động cơ cho khớp thứ 4 của Robot SCARA, lắp đặt hệ thống phễu hút khí nén dùng để hút sản phẩm. Điều khiển Robot SCARA bằng cách nghiên cứu và hoàn thiện thuật toán điều khiển vị trí với tốc độ cao và hướng phát triển sẽ điều khiển bằng thuật toán điều khiển vận, nhằm nắm được nguyên lý làm việc của Robot SCARA và các thuật toán điều khiển Robot SCARA, từ đó rút ra những kinh nghiệm thực tế trong việc điều khiển cánh tay Robot. Nguồn tài liệu chủ yếu từ các sách báo trong nước cùng một số bài báo nghiên cứu khoa học quốc tế của Anh, Pháp, Indonesia cùng một số luận án của sinh viên khóa trước.
Từ tài liệu cùng sự tìm tòi trên Internet, nhóm tiến hành đưa ra kế hoạt thực hiện và các phương án thiết kế, tính toán động học, nghiên cứu giải thuật điều khiển tốc độ cao cho Robot SCARA. 3 do an Sau khi hoàn thiện Robot SCARA, tiến hành chạy thử và kiểm tra các lỗi, cố gắng khắc phục các vấn đề phát sinh và tăng độ ổn định, khảo sát các sai lệch khi hoạt động và rút ra kết luận.7 Một số loại Robot SCARA của các hãng sản xuất Robot SCARA là một trong những robot phổ biến nhất trong công nghiệp. Chuyển động của robot rất đơn giản nhưng lại phù hợp với các dây chuyền và ứng dụng hữu hiệu trong nhiệm vụ nhặt và đặt sản phẩm. Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các khớp điều là thẳng đứng.
Nó có cấu tạo hai khớp ở cánh tay, một khớp ở cổ tay và một khớp tịnh tiến. Các khớp quay hoạt động nhờ cơ cấu điện có phản hồi vị trí. Khớp tịnh tiến hoạt động nhờ xi-lanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng. Một số loại Robot SCARA của hãng sản xuất: 4 do an a.
SCARA Robot của DENSO b. SCARA Robot của EPSON c. SCARA Robot of ADEPT d. SCARA Robot of KUKA Hình 1.1: Một số loại Robot SCARA của các hãng 5 do an CHƯƠNG 2.
TỔNG QUAN VỀ ROBOT 2.1 Sự phát triển của robot công nghiệp Trên thế giới Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Thuật ngữ Industrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo, mô phỏng một thiết bị có dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động, thực hiện một số thao tác sản xuất có tên gọi là “Versatran”. Quá trình phát triển của Robot công nghiệp được tóm tắt như sau: - Năm 1950 ở Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên. - Đầu năm 1960 công ty AMF cho ra đời sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran.
- Từ năm 1967, ở Anh, người ta đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ. - Từ năm 1970, việc nghiên cứu các tính năng của robot đã được chú ý nhiều hơn và cũng bắt đầu xuất hiện ở các nước Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển. - Từ năm 1968, ở Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu những ứng dụng của IR. - Từ những năm 1980, nhất là vào những năm 1990, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng với nhiều tính năng vượt bậc.
Chính vì vậy mà robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại như hiện nay.