Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Giới thiệu về robot a. Tổng quan về robot Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất. Xu hướng tạo ra các dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị trường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và về tính năng v.
Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt. Theo ISO thì “robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình điều khiển trợ động dùng để tháo lắp phôi dụng cụ, hoặc các vật dụng khác. Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng”. Ngày nay do số lượng các nhà sản xuất rất đa dạng nên các định nghĩa cũng rất nhiều và không hoàn toàn đồng nhất.
Chẳng hạn nếu dưới góc độ điều khiển người ta có thể tách tay máy robot thành hai phần như định nghĩa dưới đây của ghost 1980: “robot công nghiệp là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người”. Như vậy robot cần được xem như một tế bào của hệ thống sản xuất linh hoạt, hoạt động của nó cần phối hợp đồng bộ với các phần tử khác trong hệ thống. 12 Bản thân robot được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, song vì nó là thiết bị cơ điện tử có giá thành khá cao, việc ứng dụng thường chỉ phổ biến trong các lĩnh vực có doanh thu lớn, có thiết bị công nghệ cao hoạt động theo dây chuyền, như vậy chỉ hạn chế trong các ngành công nghiệp có lợi nhuận cao. Thực tế phần lớn robot được ứng dụng trong công nghiệp như công nghiệp xe hơi, đóng tàu, chế tạo máy bay hay phục vụ máy công tác và hệ thống tự động linh hoạt.
Do đó khi nói đến robot người ta thường liên tưởng ngay đến robot công nghiệp. Trước khi bước vào nghiên cứu các nội dung này chúng ta cũng cần thống nhất về thuật ngữ “robot công nghiệp” (Industrial robot). Trong nhiều tài liệu khác nhau, định nghĩa về robot cũng khác nhau. Khi robot công nghiệp đầu tiên ra đời, Công ty AMS đã quảng cáo nó là một loại máy tự động vạn năng.
Trong từ điển Webster định nghĩa robot là những máy tự động có thể thực hiện được một số chức năng của con người. Nhưng nếu vậy thì có nhiều loại máy khác nhau cũng có thể gọi là robot. Viện kỹ thuật robot của Hoa Kì định nghĩa robot là loại tay máy nhiều chức năng , với chương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực hiện một số thao tác sản xuất. Có nhiều tài liệu khi định nghĩa robot rất lưu ý đến tiêu chí điều khiển bằng máy tính.
Nhưng trong phân loại robot công nghiệp theo tiêu chuẩn của Nhật Bản (JIB 0134 - 1979) có cả nhóm tay máy điều khiển bằng tay. Robot công nghiệp (Industrial robot) có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người. Nói đến thiết bị tự động linh hoạt là nhấn mạnh đến khả năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều khiển trở động và lập trình thay đổi được. Còn nói đến sự bắt chước các chức năng lao động công nghiệp của con người là có ý nói đến sự không hạn chế từ các choc năng lao động chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tuỳ theo loại hình công việc lao động cần đến chức năng đó hay không.
Đồng thời cũng nói đến mức độ cần thiết bắt chước được như con người hay không. Phân loại Robot công nghiệp nói chung gồm hai loại xét trên quan điểm khả năng di động là robot car và robot Arm. Trong đó robot car là một robot có khả năng tự tìm được đường đi trong môi trường có cấu trúc vật lý bất định, không gian làm việc của nó không bị giới hạn. Robot arm chỉ là một tay máy có giá cố định, vùng làm việc của nó chỉ là một không gian hạn chế có hình dáng và thể tích xác định xung quanh điểm đặt.
Đây là loại robot công nghiệp phổ biến nhất trên thực tế, mục phân loại dưới đây thực hiện phân loại cho kiểu robot có cấu trúc xích động học hở trên tiêu chí hình dạng vùng làm việc. Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn: Chuyển động tịnh tiến theo các hướng x,y,z trong không gian ba chiều thông thường tạo nên những khối hình có góc cạnh gọi là Prismatic, ký hiệu là p. Chuyển động quay xung quanh các trục x, y, z gọi là rotation, ký hiệu R. Với ba bậc tự do robot sẽ hoạt động trong các trường công tác với các hình khối tùy thuộc tổ hợp P và R.
Dưới đây là các dạng tổ hợp đó: RRR RRP PPP PPR RPP Hình 1.1: Các dạng vùng làm việc của tay robot 14 Khi phân loại theo phương pháp điều khiển, có hai hình thức cơ bản: - Điều khiển điểm (point to point); - Điều khiển quỹ đạo liên tục (continuos path control) Cách phân loại này dựa vào tính chất đặc trưng của quỹ đạo điều khiển. Khi phân loại theo hệ thống năng lượng có: - Dẫn động bằng động cơ điện. - Dẫn động bằng động cơ thủy lực hoặc khí nén. Khi phân loại theo hệ thống truyền động có: - Truyền động trực tiếp không qua truyền dẫn trung gian.
- Truyền động gián tiếp qua các cơ cấu trung gian. Khi phân loại theo độ chính xác thường dựa trên ba thông số là: - Độ chính xác tuyệt đối. - Độ chính xác lặp lại. Ứng dụng Ngày nay robot được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất đòi hỏi độ chính xác, độ đồng đều, sự bền bỉ…Do khả năng làm việc trong các môi trường nhiệt độ, độ ẩm cao, áp suất lớn robot thương ứng dụng vào các công nghệ như hàn, cắt, phục vụ máy công tác, vận tải, kiểm tra, phun sơn… 15 Các tiến bộ không ngừng trong lĩnh vực cơ điện tử cho phép robot có thao tác linh hoạt hơn, giao tiếp thân thiện hơn, cho phép thực hiện các ứng dụng tinh vi như phẫu thuật, trợ giúp y khoa, lấy mẫu… Hình 1.2: Một số loại robot công nghiệp điển hình và các ứng dụng Một trong các lĩnh vực ứng dụng nhiều robot đó là kỹ nghệ đúc.
Thường trong phân xưởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng bức, bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác. Việc tự động hoá toàn phần quá trình đúc bằng các dây truyền tự động thông thường với các máy tự động chuyên dụng đòi hỏi phải có thiết bị phức tạp, đầu tư khá lớn. Ngày nay ở những nước phát triển trên thế giới robot được dùng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc, nhưng chủ yếu là để phục vụ các máy đúc áp lực. Robot có thể làm nhiều việc như rot kim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật đúc ra khỏi khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát v.
Dùng robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều ưu điểm. Ví dụ, đảm bảo chế độ làm việc; chuẩn hoá về hời gian thao tác, về nhiệt độ và điều kiện thao tác vật đúc ra khỏi khuôn ép. Bởi thế chất lượng vật đúc tăng lên. 16 Trong ngành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn đập nên đòi hỏi sớp áp dụng robot công nghiệp.
Trong phân xưởng rèn robot có thể thực hiện nhiều việc, ví dụ như đưa phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung ra khỏi lò, mang nó đến máy rèn, chuyển lật phôi trong khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc thing v. Sử dụng các loại robot đơn giản nhất cũng có thể đưa năng suất tăng 1,5 ÷ 2 lần và hoàn toàn giảm nhẹ lao động của công nhân. So với các phương tiện cơ giới và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì robot có ưu điểm nhanh hơn, chính xác hơn và cơ động hơn. Robot được dùng khá rộng rãi trong gia công và lắp ráp.
Thường thường người ta sử dụng robot chủ yếu vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động v.v Trong ngành chế tạo máy và dụng cụ đo chi phí về lắp ráp thường chiếm đến 40% giá thành sản phẩm. Trong lúc đó mức độ cơ khí hoá lắp ráp không quá 10 ÷ 15% đối với sản phẩm hàng loạt. Bởi vậy việc tạo ra và sử dụng robot lắp ráp có ý nghĩa rất quan trọng. Phân tích quá trình lắp ráp chúng ta thấy rằng con người khi gá đặt chi tiết để lắp chúng với nhau thì có thể làm nhanh hơn các thiết bị tự động, nhưng khi thực hiện các động tác khác trong quá trình ghép chặt chúng thì chậm hơn.
Bởi vậy yếu tố thời gian và độ chính xác định vị là vấn đề quan trọng cần quan tâm nhất khi thiết kế các loại robot lắp ráp. Ngoài ra yêu cầu hiện nay đối với các loại robot lắp ráp là nâng cao tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại công việc, hạ giá thành và dễ thích hợp với sản xuất loạt nhỏ. Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng kỹ thuật robot công nghiệp.
Khi sử dụng robot trong việc hàn, đặc biệt là hàn hồ quang với mối hàn chạy theo 17 đường cong không gian cần phải đảm bảo sao cho điểu chỉnh được phương và khoảng cách của điện cực so với mặt phẳng của mối hàn. Nhiệm vụ đó cần được xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng hệ thống điều khiển có liên hệ phản hồi. Kinh nghiệp cho thấy rằng có thể thực hiện tốt công việc hàn nếu thông số chuyển động của đầu điện cực và chế độ hàn được điều khiển bằng một chương trình thống nhất, đồng thời nếu được trang bị các bộ phận cảm biến, kiểm tra và hiệu chỉnh. Ngoài ra robot hàn còn phát huy tác dụng lớn khi hàn trong những môi trường đặc biệt.