CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP I. Tổng quan về Robot công nghiệp 1.1 Lịch sử phát triển Thuật ngữ robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn Tiệp Khắc tên là Karel Capek. Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động thực hiện một số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran. Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau: Từ những năm 1950 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên.
Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran của công ty AMF. Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ từ những năm 1967. Ở những nước Tây Âu khác như: Đức, Pháp, Ý, Thụy Điển thì bắt đầu chế tạo IR từ nhưng năm 1970. Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng của IR từ những năm 1968.
Đến nay, trên thế giới có trên 600 công ty sản xuất IR trong số đó có 400 công ty của Nhật Bản, 130 công ty của Tây Âu,70 công ty của Mỹ và một số công ty của Nga, Tiệp Khắc … Trong đó các công ty sản xuất Robot lớn nhất thế giới có thể kể ra như là: ABB, FANUC, YASKAWA… 1.2 Các khái niệm về Robot. Định nghĩa về robot công nghiệp: Hiện nay có rất nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau: Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR ( Pháp ): Robot công nghiệp là 1 cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chuoưng trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, đạo cụ, gá lắp,… theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. Định nghĩa theo RIA (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. Định nghĩa theo FOCT 25686-85( Nga): Robot công nghiệp là một tay máy tự động, được đặt cố định hoặc di động ngược, 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 máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoặt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau. Robot công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt 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 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 tự động linh hoạt, được gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi.3 Cấu trúc chung của Robot công nghiệp Một RBCN được cấu thành bởi các hệ thống sau: Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.
Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát vá điều khiển hoạt động của robot.4 Phân loại robot Trong coong nghiệp robot rất phong phú và đa dạng, có thể phân loại theo các cách sau: - Phân loại theo kết cấu : Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề cá, kiểu toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA như đã trình bày ở trên - Phân loại theo hệ thống truyền động : có các dạng truyền động phổ biến là : Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : Direct Current) hoặc các động cơ bước( step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu thu gọn. Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lí khi điều khiển.
Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưung lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản “nhấc lên-đặt xuống” ( Pick and Place or PTP: Point To Point) - Phân loại theo ứng dụng: Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi,… - Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển Có robot điều khiển hở ( mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), Robot điều khiển kín( hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển. Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đích nghiên cứu.5 Ứng dụng của Robot Ngày nay, chúng ta có thể thấy ứng dụng của robot có mặt hầu như ở mọi lĩnh vực, trong đó lĩnh vực công nghiệp chiếm đại đa số. Ngoài ra còn nhiều lĩnh vực khác như là quốc phòng, dân sinh, y tế.cũng rất được quan tâm Ứng dụng của robot trong công nghiệp đã có từ rất lâu với sự đa dạng về chủng loại cũng như công việc không chỉ là nâng, kéo, thả, mang vật nặng và phân loại, sắp xếp sản phẩm mà còn đảm nhận những công việc phức tạp như: - Phục vụ máy CNC và các hệ thống tự động linh hoạt.
- Tự động hàn. - Đảm nhận thực hiện cấp phôi phục vụ các nguyên công trong các dây chuyền sản xuất tự động. - Một số hình ảnh Robot công Nghiệp: Hình 1.2: Robot chuỗi Hình 1.3: Robot song song 1.6 Tổng quan robot SCARA: * Robot SCARA đời vào năm 1979, đây là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt sử dụng nhiều trong việc lắp ráp các tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng. Robot Scara bao gồm hai khớp nối và hai cánh tay, trên hai khớp nối sẽ có hai động cơ để cung cấp momen.
- Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tượng. - Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành. - Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường. - Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.
Kết cấu tay máy gắp sản phẩm. - Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của RBCN đó là thiết bị đảm bảo cho robot khả năng làm việc nâng hạ vật. - Ban đầu người ta chế tạo tay máy phỏng tay người, còn hiện nay tay máy rất đa dạng và nhiều loại khác xa tay ngƣời tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay và khớp để chỉ các bộ phận của tay máy. ∗ Trong thiết kế tay máy người ta quan tấn đến các thông số ảnh hưởng khả năng làm việc: - Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay.
- Tầm với của vùng làm việc. - Khả năng định vị, định hướng phần công tác. ∗ Một số hình ảnh robot Scara trong công nghiệp Hình 1.6 ỨNG DỤNG: - Scara robot là một trong những loại robot công nghiệp mang tính ứng dụng cao nhất hiện nay. Chuyển động tay máy của Scara giúp nó có khả năng gắp đặt vật liệu hoàn hảo.
Vì vậy, nó được ứng dụng nhiều nhất trong những dây chuyền sản xuất có công đoạn công việc này. Hơn nữa, nó cũng được sử dụng cho các công việc liên quan đến hàn xì, lái vít, lắp ráp, phân phối keo, hàn tải và đỡ, xếp chồng và kiểm tra Kết luận: Trong sự phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa, hàng loạt doanh nghiệp sản xuất chế tạo chọn lựa Scara là vì các ưu điểm nổi bật - Tốc độ: Được thiết kế tự động hóa hoạt động và có lập trình sẵn, tốc độ của Scara tốt hơn nhiều so với tốc độ của con người - Độ chính xác tuyệt đối: Khi yêu cầu của doanh nghiệp là kiểm soát các lực lượng càng chính xác càng tốt, thì Scara có lợi thế nổi bật hơn hẳn - Độ lặp lại: Một công việc mang tính lặp đi lặp lại sẽ khiến con người cảm thấy rất mệt mỏi và chán nản CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT Trong chương này nghiên cứu giải quyết Động học tay máy ta phải giải quyết hai bài toán Động học thuận và Động học ngược tay máy 2.