CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP 1. Lịch sử ra đời và phát triển của Rô bốt. Ngày nay trong sản xuất, việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm là hết sức quan trọng, giải pháp cho vấn đề này là ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá trong các quá trình sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã đạt được khá nhiều kết quả khả quan.
Chính vì thế nhu cầu ứng dụng rô bốt để tạo ra các hệ thống tự động linh hoạt ngày càng trở nên cấp thiết. Thuật ngữ “Rô bốt” lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Rô bốt” của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek. Theo tiếng Séc thì Rô bốt là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra nhứng chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người.
Năm 1950 cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số với chỗ dựa là các cơ cấu điều phối vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện toán (computation), ngay lập tức các ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa đã được hình thành và triển khai nghiên cứu…Sự kết hợp tuyệt vời giữa khả năng linh hoạt khéo léo của teleoperator với độ nhạy bén của hệ điều khiển NC đã đưa ra kết quả là một thế hệ máy móc tự động mới ra đời với tên gọi “Người máy”. Năm 1961, Mỹ cho ra thị trường một loại máy tự động vạn năng mới được gọi là người may công nghiệp có tên là UNMAT. Từ đây công nghiệp chế tạo Rô bốt tiếp tục phát triển mạnh hơn nữa trên khắp thế giới. Tiếp sau đó, các nước Anh (1967), Thụy Điển, Nhật Bản (1968), Đức (1971), Pháp (1972), Italia (1973) lần lượt đưa ra các mẫu Rô bốt công nghiệp của họ.
Cho đến năm 1980, thế giới công nghiệp có khoảng 300 mẫu hình Rô bốt công nghiệp của hơn 200 công ty. Dưới đây là tình hình phát triển Rô bốt công nghiệp ở một số nước công nghiệp phát triển: Hv: Lê Giang Nam 12 Cao học Cơ điện tử - 2009 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nước sản xuất Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998 Nhật 60.1: Số lượng rô bốt được sử dụng ở các nước Các ứng dụng trong công nghiệp: - Các ứng dụng truyền thống là áp dụng rô bốt vào những nơi mà công việc quá: • Bẩn (Dirty) • Nguy hiểm (Dangerous), • Nhàm chán - buồn tẻ đối với công nhân (Dull). - Sản xuất, lắp ráp, hàn, phun sơn, gia công, vận chuyển phôi: • Lắp ráp. • Gia công cắt gọt.
• Hàn MIG/MAG. • Hàn dầm bằng Laser YAG. • Các ứng dụng trong công nghệ bám dính, làm kín, bảo quản. Ngày nay, rô bốt được sử dụng rộng rãi không chỉ trong công nghiệp mà trong rất nhiều các lĩnh vực khác của cuộc sống như nghiên cứu khoa học, vũ trụ, trong lĩnh vực giải trí, điện ảnh và đặc biệt là trong đời sống hàng ngay rô bốt cũng ngày càng tham gia nhiều vào các công việc gia đình tại các nước phát triển.
Tuy nhiên, trong công nghiệp rô bốt vẫn được sử dụng nhiều nhất bởi tính đa năng, linh hoạt và không biết mệt mỏi của nó. Rô bốt được sử dụng thay thế giải phóng con người trong các công việc nguy hiểm, nhàm chán, buồn tẻ và trong môi trường làm việc ô nhiễm, bẩn. Hv: Lê Giang Nam 13 Cao học Cơ điện tử - 2009 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 1.1: Mô hình sử dụng rô bốt trong công nghiệp. Như vậy, có thể nói khả năng của rô bốt là vô cùng to lớn, nó có khả năng thay thế con người ở rất nhiều các công việc.
Chính vì thế tiềm năng phát triển của Rô bốt công nghiệp trong tương lai còn rất lớn. Hướng phát triển của Rô bốt trong tương lai. Ra đời từ những năm 50, rô bốt công nghiệp đã có những bước phát triển quan trọng. Từ những năm 1960 do sự phát hiện máy vi tính Rô bốt công nghiệp đã tiếp thu được thành tựu mới đó và ngày càng hấp dẫn.
Cao trào phát triển vào những năm 70 và đánh dấu bằng hội nghị quốc tế lần thứ 6 về Thiết kế chế tạo và ứng dụng Rô bốt công nghiệp tại Chicago năm 1972, sau đó lại lắng dần xuống, nhất là sau khủng hoảng dầu mỏ 1975, như để rút kinh nghiệp áp dụng vào chỗ nào là phát huy hiệu quả hơn. Đến những năm 80 thì xuất hiện nhu cầu hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS ( Flexible Manufacturing System) mà Rô bốt như là bộ phận cấu thành FMS. Nhu cầu đó kích thích sự phát triển của Rô bốt công nghiệp. Trong năm 90 Rô bốt công nghiệp cũng có bước phát triển mới theo hướng đồng bộ hệ thống trên cơ sỏ vận dụng những thành tựu của công nghệ thông tin ứng dụng.
Bản thân phần kỹ thuật Rô bốt công nghiệp cũng thể hiện các xu thế phát triển sau đây: Trong giai đoạn đầu phát triển, người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị nhiều loại cảm biến (sensor) để có thể thực hiện được những công việc phức tạp, như là để chứng tỏ khả năng thay thế con người trong nhiều loại hình công việc. Hv: Lê Giang Nam 14 Cao học Cơ điện tử - 2009 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Khi đã tìm được các địa chỉ ứng dụng trong công nghiệp, thì việc đơn giản hoá kết cấu để tăng độ chính xác định vị và giảm giá thành đầu tư lại là những yêu cầu thực tế đối với thị trường hành hoá cạnh tranh. Ngày càng có nhiều cải tiến trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của các thiết bị điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình. Để mở rộng phạm vi ứng dụng cho Rô bốt công nghiệp nhằm thay thế lao động với nhiều loại hình công việc, ngày càng rõ nét về xu thế tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc.
Các thành tựu khoa học và tiến bộ kỹ thuật laser, kỹ thuật tia hồng ngoại, kỹ thuật xử lý ảnh. đã ngày càng hiện thực xu thế phát triển Rô bốt công nghiệp hướng vào việc thích nghi được với môi trường làm việc. Cùng với các xu thế trên Rô bốt công nghiệp luôn luôn được định hướng tăng cường năng lực xử lý công việc để trở thành các Rô bốt tinh khôn nhờ áp dụng các kết quả nghiên cứu về hệ điều khiển nơron và trí khôn nhân tạo. Dưới đây là một vài hình ảnh thể hiện khả năng của rô bốt: Hình 1.2: Rô bốt tham gia vào công việc phun sơn trong công nghiệp.
Hv: Lê Giang Nam 15 Cao học Cơ điện tử - 2009 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 1.3: Rô bốt xe lăn điều khiển Hình 1.4: Rô bốt tham gia lắp rắp tự động vũ trụ Từ những ví dụ trên có thể thấy việc ứng dụng rô bốt đã mang lại rất nhiều hiệu quả: - Trong công nghiệp năng suất lao động và chất lượng sản phẩm khi có sử dụng rô bốt cao hơn hẳn nhờ khả năng làm việc lâu dài ổn định không biết mệt mỏi của rô bốt. Con người được giải phóng khỏi những công việc nhàm chán, giải phóng khỏi những môi trường làm việc độc hại. Rô bốt có thể làm việc liên tục 24h một ngày, cho phép làm việc gấp 3 người thường và có thể làm được rất nhiều công việc khác nhau mà không mất nhiều công sức đào tạo mỗi khi làm công việc mới chính vì thể rô bốt góp phần giảm giá thành sản phẩm. - Rô bốt có thể làm việc trong một chu kỳ hay một ca làm việc với một độ chính xác nhất định, trong nhiều lĩnh vực khả năng làm việc tốt hơn nhiều so với con người.
Ngoài ra, trong các lĩnh vực khác, rô bốt cũng có rất nhiều đóng góp nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống con người ngày một tốt hơn. Phân loại rô bốt công nghiệp Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của rô bốt để giúp cho việc nhận xét được dễ dàng. Có 4 yếu tố chính để phân loại rô bốt như sau: Hv: Lê Giang Nam 16 Cao học Cơ điện tử - 2009 Luận văn Thạc sỹ Khoa học - Theo dạng hình học của không gian hoạt động. - Theo thế hệ rô bốt.
- Theo bộ điều khiển. - Theo nguồn dẫn động. Phân loại Rô bốt theo số bậc tự do trong trường công tác Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của rô bốt đến vị trí của đối tượng thao tác được cho trước trong không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị (Thường dùng khớp tịnh tiến và khớp quay loại 5). Những rô bốt công nghiệp thực tế thường không dùng quá bốn bậc chuyển động chuyển dời (Không kể chuyển động kẹp của tay gắp) và thông thường với ba bậc chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử dụng đến bốn bậc chuyển động định vị.
Rô bốt được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau đó được bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt. Vùng giới hạn tầm hoạt động của rô bốt được gọi là không gian làm việc. (1) Rô bốt tọa độ vuông góc (Cartesian rô bốt): Rô bốt loại này có 3 bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo 3 trục vuông góc.5: Sơ đồ động học của rô bốt tọa độ vuông góc. (2) Rô bốt tọa độ trụ (Cylindrical rô bốt): Rô bốt loại này có 3 bậc chuyển động cơ bản gồm 2 trục chuyển động tịnh tiến và 1 trục quay.
Hv: Lê Giang Nam 17 Cao học Cơ điện tử - 2009 Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 1.6: Sơ đồ động học của rô bốt tọa độ trụ (3) Rô bốt tọa độ cầu (Spherical rô bốt): Rô bốt loại này có 3 bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và 2 trục quay.7: Sơ đồ động học của rô bốt tọa độ cầu. (4) Rô bốt khớp bản lề (Articular rô bốt): Rô bốt loại này có 3 bậc chuyển động cơ bản gồm 3 trục quay, bao gồm cả kiểu rô bốt Scara.8: Sơ đồ động học của rô bốt liên kết bản lề. Hv: Lê Giang Nam 18 Cao học Cơ điện tử - 2009 Luận văn Thạc sỹ Khoa học 1.