Chương 1 của luận văn trình bày tổng quan về Robot công nghiệp và các ứng dụng của nó trong công nghiệp, đề xuất ứng dụng Robot và quá trình mài bề mặt phức tạp (cánh tuabin), đưa ra một số khái niệm về bề mặt phức tạp liên quan đến bề mặt cánh tuabin. Chương 2 của luận văn thực hiện khảo sát động học Robot và thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot. Chương 3 thực hiện xây dựng phần mềm mô phỏng hoạt động của Robot. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP Trong công đoạn hoàn thiện sản phẩm trong sản xuất công nghiệp, công đoạn mài là công đoạn quan trọng.
Có rất nhiều phương pháp mài trong gia công truyền thống, tuy nhiên có thể thấy các phương pháp mài truyền thống bị giới hạn rất nhiều về biên dạng đối tượng mài cũng như gặp rất nhiều khó khăn trong vấn đề kiểm soát chất lượng quá trình mài. Bằng việc ứng dụng Robot cho quá trình mài giúp đảm bảo đường mài được hình thành với các thông số kỹ thuật đã đặt ra: không bị đá cắt lẹm, góc cắt chính xác. Hơn nữa, sử dụng Robot là phù hợp xu hướng tăng khả năng khai thác các thành tựu về khoa học công nghệ và thiết bị công nghệ cao, nâng cao chất lượng, tăng năng suất làm việc, giảm chi phí chế tạo. So với các máy CNC phổ thông thì Robot có khả năng gia công linh hoạt hơn (linh hoạt hơn về cấu trúc cũng như lập trình).
Trong luận văn này nghiên cứu cụ thể về vấn đề mài cánh tuabin - là một bề mặt phức tạp. Để thực hiện được việc mài cánh tuabin bằng Robot, chúng ta cần phải dựa trên lý thuyết tam diện thuận trùng theo để thiết kế quỹ đạo chuyển động giữa cánh tay Robot và cánh tuabin. Một số định nghĩa và phân loại Robot công nghiệp 1. Định nghĩa Robot công nghiệp Theo tiêu chuẩn AFNOR của pháp: Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lập lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di chuyển các đối tượng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng 4 cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp. Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, 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. Một số khái niệm cơ bản a.
Bậc tự do của Robot Khả năng chuyển động của Robot đặc trưng bởi số khả năng chuyển động độc lập của các khâu gọi là bậc tự do của Robot. Bậc tự do chuyển động của Robot phụ thuộc vào số khâu, cấu trúc và phân bố của các khớp. Với tay máy chịu liên kết hình học, số bậc tự do chuyển động bằng số tọa độ suy rộng độc lập đủ. Để xác định số bậc tự do của Robot, ta có thể sử dụng công thức: k f =λ n k + fi +f c f p i=1 Trong đó: f là số bậc tự do của Robot.
λ là số bậc tự do của không gian trong đó Robot thực hiện chuyển động. n là số khâu động của Robot. k là số khớp động của Robot. f i là số bậc tự do chuyển động cho phép của khớp i.
f c là số ràng buộc trùng (thừa). f p là số bậc tự do thừa. Hệ tọa độ Mỗi Robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các khớp, tạo thành một chuỗi động học xuất phát từ một khâu cơ sở đứng yên. Hệ tọa độ gắn với khâu cơ sở gọi là hệ tọa độ cơ sở (hay hệ tọa độ chuẩn).
Các hệ tọa độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của Robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch 5 góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các tọa độ suy rộng còn được gọi là biến khớp. Các hệ tọa độ gắn trên khâu của Robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, năm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón tay: ngón cái, ngón trỏ và ngóngiữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngọn cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y.
Hệ tọa độ xác định theo quay tắc bàn tay phải Trong Robot, ta thường dùng chữ O và chỉ số i để chỉ hệ tọa độ gắn trên khâu thứ i. Như vậy, hệ tọa độ cơ sở (hệ tọa độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu là Oxyz 0 , hệ tọa độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là Oxyz 1 , Oxyz 2 , , Oxyzn1 và hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là Oxyz n (với i = 1, 2, 3,., n trong đó n là số khâu động của Robot). Không gian làm việc Không gian làm việc của Robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi Robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Không gian làm việc của Robot bị ràng buộc bởi các thông số hình học của Robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc 360o.
Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả không gian làm việc của một Robot. Biểu diễn không gian làm việc của Robot c. Các cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau: Tay máy: là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, các khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt và bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
Hệ thống truyền dẫn động: có thể là cơ khí, thủy lực hoặc là khí nén, là bộ phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động. Hệ thống điều khiển: bảo đảm sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt trước hoặc được nhận biết trong quá trình làm việc. Hệ thống cảm biến tín hiệu: thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân Robot và của môi trường, đối tượng mà Robot phục vụ. Phân loại Robot công nghiệp Thế giới Robot hiện nay rất phong phú và đa dạng, xuất hiện trong hầu hết các lĩnh vực nên việc phân loại chúng chỉ mang tính tương đối, tùy thuộc quan điểm và mục đích phân loại.
Sau đây là một số cách phân loại cơ bản. Phân loại theo cấu trúc động học Theo cấu trúc động học, người ta phân Robot thành: Robot nối tiếp (Robot có cấu trúc mạch hở), Robot song song (Robot có cấu trúc mạch vòng). Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu của Robot, người ta phân thành: Robot kiểu tọa độ Đề – các, kiểu tọa độ trụ, kiểu tọa độ cầu, kiểu tọa độ góc, Robot kiểu Scara, Robot kiểu tay người … c. Phân loại theo hệ thống truyền động Theo hệ thống truyền động, Robot có các dạng truyền động phổ biến: 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, có kết cấu gọn. Hệ truyền động thủy lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên, hệ thống thủy lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển. Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo khí nén.
Hệ thống 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 thao tác đơn giản. Phân loại theo phương pháp điều khiển Có 2 kiểu điều khiển Robot: Điều khiển hở: dùng động cơ bước (có thể là động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Điều khiển kiểu này đơn giản nhưng đạt độ chính xác không cao. Với điểu khiển điểm – điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (trạng thái không làm việc).
Nó chỉ làm việc tại điểm dừng. Kiểu điều khiển này dùng trên các Robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh, … Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các Robot hàn hồ quang, phun sơn… 8 e. Phân loại theo ứng dụng Dựa theo ứng dụng cụ thể của Robot: Robot dùng trong công nghiệp, Robot dùng trong quân sự, trong kỹ thuật thám hiểm vũ trụ, trong nghiên cứu khoa học, y tế, giáo dục… 1.
Ứng dụng Robot trong công nghiệp Theo ước tính chưa đầy đủ của Liên đoàn Robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có khoảng 770.000 Robot đang được sử dụng trong sản xuất công nghiệp. Trong đó, Nhật Bản sử dụng nhiều nhất với 350.000 Robot (chiếm 45,5%), EU khoảng 233.000 (30,3%) Bắc Mỹ khoảng 104.000 (13,5%), còn lại là các nước khác. Theo dự báo của IRF, mức tăng trưởng về doanh số của sản phẩm Robot nói chung (trong đó Robot công nghiệp chiếm hơn 65%) trong năm 2006 ở châu á là 18%.5% Nhật bản EU 30.3% Bắc Mĩ khác Hình 1. Biểu đồ phân bố Robot công nghiệp Tính linh hoạt trong vận hành; hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác; nhất là khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn là những yếu tố quyết định cho việc sử dụng Robot trong sản xuất công nghiệp.