Báo cáo: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn potx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
______________***______________


BÁO CÁO TỔNG KẾT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI



NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT
PHỤC VỤ SẢN XUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN
MÔI TRƯỜNG ĐỘC HẠI VÀ KHÔNG AN TOÀN



PGS. TS. Lê Hoài Quốc



6147
17/11/2006

TPHCM, tháng 08/2004

Bản quyền 2004 thuộc ĐHBK-ĐHQG HCM
Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gởi
đến Hiệu trưởng ĐHBK-ĐHQG HCM trừ trường hợp sử dụng với
mục đích nghiên cứu.
BGD&ĐT
ĐHBK-ĐHQG HCM
BGD&ĐT
ĐHBK-ĐHQG HCM
BGD&ĐT
ĐHBK-ĐHQG HCM
MỤC LỤC
Chương I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP 11
1.1 Các giai đoạn thiết kế và tích hợp hệ thống 11
1.2 Nhiệm vụ thiết kế 13
1.2.1 Phân tích chức năng 14
1.2.2 Thiết kế hệ thống robot 17
1.3 Thiết kế động học robot 20
1.3.1 Cấu hình động học 21
1.3.2 Robot hoạt động trong không gian Descartes 24
1.3.3 Robot tọa độ trụ 25
1.3.4 Robot SCARA
25
1.3.5 Robot với liên kết toàn khớp bản lề 26
1.3.6 Robot lắp ghép từ các mô đun chuyển động 26
1.3.7 Robot song song 27
1.4 Điều khiển chuyển động 29
1.4.1 Tổng quát 29

1.4.2 Tính toán chuỗi truyền động 29
1.5 Nguồn dẫn động 34
1.5.1 Động cơ điện 34
1.5.1.5 Động cơ đồng bộ 35
1.5.1.2 Động cơ không đồng bộ 36
1.5.1.3 Động cơ chuyển động thẳng 36
1.5.2 Nguồn dẫn động điện – dầu ép 37
1.5.3 Cơ cấu truyền động 38
1.5.3.1 Truyền chuyển động thẳng 39
1.5.3.2 Truyền chuyển động quay
40
1.6 Khớp nối 43
1.7 Hệ thống đo 44
1.7.1 Bộ mã hóa quang điện tuyệt đối 44
1.7.2 Bộ mã hóa quang điện loại quay 45
1.7.3 Bộ đo chuyển vò góc dạng cảm ứng điện từ 47
1.8 Hiệu chỉnh chuẩn robot 48
1.8.1 Các bước hiệu chỉnh chuẩn 50
1.8.2 Kỹ thuật và thiết bò đo 52
1.8.3 Nhận dạng các thông số 55
1.8.4 Thực hiện 56
1.8.5 Thử nghiệm 57
Chương 2: CÁC BÀI TOÁN VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN & MÔ PHỎNG
CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA
CƠ CẤU ROBOT DỰ KIẾN THIẾT KẾ 60
2.1 Mục tiêu nghiên cứu 60
2.2 Bài toán động học và động lực học robot 61
2.2.1 Cơ sở lý thuyết 61
2.2.2 Bài toán động học thuận 62
2.2.3 Bài roán động học ngược 64

i/ Khảo sát nhóm chuyển động chính với 3 khâu 66
đònh vò trí (nhóm đònh vò)
ii/ Khảo sát nhóm 3 khâu đònh hướng (nhóm đònh hướng) 68
2.3 Bài toán động lực học 70
2.3.1 Mục đích của việc khảo sát bài toán động lực học 70
2.3.2 Khảo sát bài toán động lực học của tay máy nhiều bậc tự do 70
2.4 Kết quả áp dụng trên một số tay máy trong hạng mục của đề tài 78
2.4.1 Trên robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần 81
2.4.2 Trên Robot camera crane 85
2.4.3 Trên robot SCARA
89
2.4.2 Trên tay máy lấy sản phẩm phôi nhựa PET 93

Chương 3: MỘT SỐ PHẦN TỬ TIÊU BIỂU ĐƯC ỨNG DỤNG 97
TRÊN HỆ THỐNG ROBOT THIẾT KẾ
3.1 Bộ điều khiển PC-based 97
3.1.1 Cấu trúc chung 97
3.1.2 Các loại bộ điều khiển 103
3.1.3 Bộ nội suy 107
3.1.4 Giới thiệu chung về card nội suy PCL-832 114
3.1.5 Bộ điều khiển ứng dụng trong đề tài 124
3.2 Panel lập trình và điều khiển (teach pendant) 128
3.2.1 Chức năng của teach pendant 128
3.2.2 Một số loại Teach Pendant của Robot Công nghiệp 131
3.2.3 Nguyên lý cấu tạo của panel lập trình và điều khiển – 135
Teach Pendant
3.3 Kết nối hệ thống – tế bào sản xuất tự động với robot 137
3.3.1 Tế bào sản xuất tự động 137
3.3.2 Vấn đề truyền thông trên hệ thống sản xuất tự động 143

Chương 4: CÁC HẠNG MỤC PHẦN MỀM 152
4.1 Giới thiệu chung 152
4.2 Phần mềm 1: Phần mềm hỗ trợ tra cứu robot 152
4.2.1 Giới thiệu 152
4.2.2 Các tính năng của phần mềm tra cứu robot 153
4.2.3 Cách cập nhật dữ liệu cho phần mềm 167
4.2.4 Hướng phát triển trong tương lai của phần mềm 171
4.3 Phần mềm lập trình - điều khiển robot và phần mềm mô phỏng
hoạt động của robot 174
4.3.1 Giới thiệu 174
4.3.2 Môđun điều khiển 175
4.3.3 Môđun mô phỏng - giám sát 177
4.3.4 Lập trình và vận hành robot 179
4.3.5 Mô phỏng và giám sát hoạt động của robot 189
4.3.6 Kết luận 192

Chương 5: Giới thiệu các hạng mục robot đã thực hiện trong đề tài 193
5.1 Robot hàn và robot phục vụ cho các quá trình hóa nhiệt luyện 193
5.1.1 Giới thiệu 193
5.1.2 Những đặc tính cơ bản 194
5.1.3 Kết cấu 196
5.1.4 Truyền động 198
5.1.5 Hệ thống điều khiển 200
5.1.6 Các thiết bò công nghệ 202
5.1.7 Ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất 203
5.2 Robot phục vụ trong quốc phòng 204
5.2.1 Chức năng của robot
204
5.2.2 Kết cấu cơ khí 207
5.2.3 Hệ thống điều khiển 207

5.2.4 Lắp đặt robot trong sản xuất 207
5.3 Robot camera crane – phục vụ cho công việc quay phim
208
5.3.1 Sơ lược quá trình phát triển 208
5.3.2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động 215
5.3.3 Bài toán ngược vò trí cho các chuyển động bù của RCC 217
để bám mục tiêu đònh trước
5.3.4 Chuyển động bám mục tiêu di động 220
5.3.5 Các chế độ hoạt động 221
5.4 Tay máy lấy lấy sản phẩm nhựa 224
5.4.1 Sơ lược về công nghệ sản xuất sản phẩm PET 224
trên máy ép phun
5.4.2 Một số giải pháp tăng năng suất được áp dụng trên máy ép 227
phun để tạo phôi PET
5.4.3 Tay máy lấy phôi kiểu nằm ngang – giải pháp nâng cao 228
năng suất trên máy ép
5.4.4 Tay máy lấy sản phẩm theo phương đứng, áp dụng trên 232
máy ép nhựa kiểu ép phun


Chương 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯC VÀ KIẾN NGHỊ 236
6.1 Về kết quả nghiên cứu ứng dụng của đề tài 236
i. Về phương pháp thiết kế robot 236
ii. Về phương pháp giải bài toán động lực học tay máy trên cơ sở 237
tách nhóm 3 khâu – Xây dựng phần mềm tính toán và mô phỏng
kết quả
iii. Về thiết kế, tích hợp một số phần tử quan trọng của hệ thống 238
điều khiển robot: bộ điều khiển PC based và Teach pendant
iv. Xây dựng phần mềm lập trình – điều khiển và mô phỏng 239
hoạt động của robot.

6.2 Về góc độ phục vụ đào tạo của đề tài 239
6.3 Các sản phẩm cụ thể của đề tài và kết quả ứng dụng thử nghiệm 240
tại cơ sở sản xuất.
6.4 Vài suy nghó tự đánh giá và kiến nghò. 241

Lời cảm ơn 244
Tài liệu tham khảo 245
Phần phụ lục 246
- Bản vẽ lắp của một số hạng mục tiêu biểu
- Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng
- Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số
đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu

Đóa minh họa các hạng mục phần mềm

Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài

Các tập bản vẽ thiết kế của từng hạng mục thiết bò

i

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN

TT Họ và tên Chức danh Cơ quan – đơn vò
1 Lê Hoài Quốc PGS. TS
Chủ nhiệm đề tài
Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
2 Lê Văn Ngự TS, chủ nhiệm
ĐT nhánh
Phòng Robot – Viện NC Điện tử, Tin

học và Tự động hóa – VIELINA
3 Hoàng Văn Châu TS Viện Cơ khí – Hà Nội
4 Hồ Xuân Vónh TS Viện Tên lửa
5 Phạm Anh Tuấn TS Viện Cơ học VN
6 Lê Văn Dũng KS ĐT Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
7 Nguyễn Văn Thành KS CK CTM Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
8 Nguyễn Đàm Tấn Th.S CKCTM Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
9 Lê Tuấn Anh Th.S ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
10 Phan Trần Hồ Trúc KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
11 Nguyễn Bảo Tuyên KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
12 Lê Đình Phong KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
13 Phan Khánh Nam KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
14 Nguyễn Quốc Thái KS. CNTT Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
15 Phan Quốc Hưng KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
16 Lại Anh Khoa KS ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
17 Nguyễn Hoài Nhân KS CK TĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
18 Vũ Hoàng Nam KS CNTT Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
19 Bùi Thanh Luân KS CKTĐ Trường ĐHDL KT CN TP. HCM
20 Nguyễn Đức Toàn KS VIELINA
21 Nguyễn Văn Quang KS CK VIELINA
22 Nguyễn Cao Sơn KS ĐT VIELINA
23 Đạng Anh Việt KS ĐKTĐ VIELINA
24 Đặng Anh Quang KS ĐKTĐ VIELINA
25 Phạm Văn Bạch Ngọc KS Viện Cơ học VN
26 Đỗ Trần Thắng KS Viện Cơ học VN
27 LêThanh Thủy KS Viện Cơ học VN
28 Đinh Toàn Thắng KS Xưởng Vũ khí – Bộ đội Biên phòng

ii
GIỚI THIỆU TÓM TẮT VỀ ĐỀ TÀI

Theo ước tính chưa đầy đủ trong báo cáo World Robotics 2003 của tổ chức
UNECE thuộc Liên đoàn Robot quốc tế (IRF – International Robot Federation) thì
hiện nay trên toàn thế giới có khoảng 770.000 robot đang được sử dụng trong các
lónh vực sản xuất công nghiệp. Trong số đó, 350.000 (chiếm 45,5%) ở Nhật Bản,
233.000 (chiếm 30,3%) ở EU và khoảng 104.000 (chiếm 13,5%) ở Bắc Mỹ. Ở Châu
u, CHLB Đức dẫn đầu với 105.000 robot, tiếp theo là Italia với 47.000, Pháp
24.000, Tây Ban Nha 18.000 và Anh 14.000.
Trong khoảng thời gian suy thoái kinh tế gần đây nhất (từ năm 1997 đến năm
2002) thò trường Robot giảm trung bình 12% – 16% /năm. Tuy nhiên nhìn chung
mức độ suy giảm trong đầu tư so với các sản phẩm công nghệ cao khác (như máy
công cụ CNC bò suy giảm chỉ còn 1/3) vẫn còn khả quan hơn đáng kể.
Theo điều tra hàng quý của UNECE/ IFR về doanh số đặt hàng robot công
nghiệp của hầu hết các hãng lớn nhất thế giới thì doanh số toàn cầu của năm 2003
tăng 26% so với cùng kỳ năm 2002. Xu thế trong giai đoạn 2003 – 2006 mức tăng
trưởng về doanh số trên sản phẩm robot nói chung (trong đó robot công nghiệp
chiếm hơn 65%) được dự báo như sau: Bắc Mỹ tăng 35%, Châu u tăng 25%, Châu
Á tăng 18%, các khu vực khác tăng 19%.
Những lónh vực công nghiệp sử dụng robot nhiều nhất là công nghiệp Ô tô,
công nghiệp Điện và Điện tử, công nghiệp Chế tạo máy và công nghiệp chế biến
thực phẩm. Những công việc thường được áp dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển
sản phẩm và cấp phôi trong các dây chuyền tự động. Tính linh hoạt trong vận hành
khai thác, khả năng hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, khả năng thay thế con
người trong môi trường làm việc độc hại và không an toàn của robot công nghiệp là
những yếu tố quyết đònh của việc áp dụng robot trong các lónh vực công nghiệp nói
trên.
iii
Với nhu cầu rất lớn trong các lónh vực áp dụng chính như trên, sự cạnh tranh
giữa các nhà sản xuất robot trên thế giới đã giúp cho sản phẩm này ngày một hoàn
thiện và giá thành ngày càng hạ hơn.

Robot được coi như một sản phẩm điển hình của Cơ điện tử, là kết quả tích
hợp của các lónh vực kỹ thuật như Cơ học và Cơ khí chính xác, Điện – Điện tử, Cảm
biến, Điều khiển và Máy tính. Trên hình 1.1 thể hiện sự tích hợp các lónh vực trên
từng bộ phận của robot.

Hình 1.1: Quan hệ giữa kỹ thuật robot và Cơ điện tử
Sản
Tích hợp hệ thống robot
Hệ thống
Robot
công
nghiệp
Phát triển các hệ thống Cơ Điện tử
Các hệ

thống con
- Các phương pháp
xử lý đặc biệt: cắt
bằng laser, tia
nước,…
- Gia công cơ
- Lắp ráp
- Cấp phôi
- Đo, thử nghiệm, kiểm tra
- Huấn luyện, đào tạo
- Nghiên cứu và thiết kế các bộ phận
tác động cuối: hàn, gắp kẹp, …


Thiết bò

ngoại vi
Cơ cấu tay máy
Bộ tác động cuối:
bộ phận gắp kẹp,
công cụ gia công
Các phần tử, bộ phận chi tiết
Các bộ phận giao tiếp
Người – Máy
Các khớp,
trục quay
của robot

Cảm biến

Bộ điều khiển
PC based

Mạch lái và điều
khiển công suất
Nghiên cứu cơ bản
Công nghệ


Xử lý thông tin Vi điện tử và
điện tử công suất

Thu nhận, xử lý và truyền Lựa chọn và sử dụng hợp


tín hiệu từ các cảm biến lý vật liệu cho

từng bộ

phận
iv

• Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và các phương pháp điều khiển
thích hợp trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến và xây dựng các giải pháp phần
cứng cũng như phần mềm để áp dụng trong việc thiết kế và chế tạo các robot làm
việc trong các môi trường độc hại và không an toàn cho người công nhân nhằm
làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, áp dụng vào sản xuất ở một số đơn vò có nhu cầu và
có tính tiêu biểu trong nước để thay thế người công nhân làm việc trong môi trường
không thân thiện nhằm đạt được năng suất cao hơn, an toàn và tin cậy hơn trong quá
trình hoạt động của cả hệ thống thiết bò hiện hữu với chất lượng sản phẩm ổn đònh
và sau đó tìm kiếm khả năng mở rộng ứng dụng vào thực tiễn sản xuất cũng như
trong sinh hoạt trong nước với giá thành thấp.
Mục tiêu của đề tài này được thể hiện trên các sản phẩm cụ thể đã đăng ký.
Trong Báo cáo tổng kết, mục tiêu nghiên cứu được thể hiện trong các nội dung chính
như sau:
- Xây dựng cơ sở lý luận về phương pháp thiết kế, phương pháp tính toán động
học, động lực học và các phần tử cơ bản để tích hợp hệ thống robot, được thể
hiện ở các chương I, II và III.
- Các kết quả thực hiện của đề tài về các hạng mục phần mềm và các sản
phẩm robot được thể hiện trên các chương IV và V.
Đề tài KC.03.02 – “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot phục vụ sản xuất
trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn”, như tên gọi của nó, nhằm
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các robot công nghiệp có tính chuyên biệt, tiêu biểu
để phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại hoặc/và không an toàn,
bao gồm 5 hạng mục sản phẩm:

- Robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần
- Robot hàn
v
- Robot Crane
- Tay máy phục vụ trong dây chuyền sản xuất đạn, thuốc nổ
- Tay máy lấy sản phẩm phôi PET trên máy ép nhựa
và 3 hạng mục phần mềm là:
- Phần mềm tra cứu về robot
- Phần mềm lập trình và điều khiển robot
- Phần mềm mô phỏng hoạt động của robot
Bên cạnh quá trình nói trên, khi triển khai thực hiện những nhiệm vụ được thể
hiện ở các hạng mục nội dung của đề tài này, việc nghiên cứu xây dựng phương
pháp luận trong thiết kế robot và đưa các sản phẩm nghiên cứu đến những nơi ứng
dụng để thu nhận những kết quả đánh giá từ thực tế sản xuất nhằm hoàn thiện sản
phẩm nghiên cứu được đặc biệt quan tâm.
Nhóm nghiên cứu hy vọng qua việc thực hiện đề tài nghiên cứu này có thể đóng
góp phần nào về phương pháp luận, về các kết quả ứng dụng trong thực tế sản xuất,
cũng như trong việc nghiên cứu, giảng dạy và ứng dụng robot trong nước, nhằm góp
phần xây dựng năng lực nội sinh trong lónh vực nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot
để có thể đáp ứng bước đầu về nhu cầu tự động hóa công nghiệp ở nước ta.
Báo cáo tổng kết này tập trung trình bày các vấn đề có liên quan đến phương
pháp luận – gồm những nội dung liên quan đến những vấn đề về quan điểm nghiên
cứu thiết kế, các vấn đề liên quan đến cơ sở phương pháp tính toán thiết kế, giới
thiệu các phần tử trong hệ thống robot và vấn đề khai thác sử dụng robot trong công
nghiệp thể hiện ở mối liên kệ kết nối điều khiển phối hợp giữa robot với các thiết bò
ngoại vi khác trong hệ thống. Vì vậy, trong báo cáo này không trình bày những vấn
đề hiển nhiên có liên quan đến quá trình thực hiện nhưng là những công việc của kỹ
sư như tính toán thiết kế chi tiết máy, tính bền,…
Theo quan điểm đó, nội dung trình bày trong báo cáo tổng kết được cụ thể hóa ở
các chương sau:

vi
- Chương 1: Tổng quan về phương pháp thiết kế robot công nghiệp.
- Chương 2: Các bài toán động học và động lực học robot. Xây dựng
chương trình tính toán và mô phỏng trên MATLAB các đặc điểm động
học và động lực học của cơ cấu robot dự kiến thiết kế.
- Chương 3: Giới thiệu các phần tử tiêu biểu được nghiên cứu, tthiết kế, tích
hợp và ứng dụng trên hệ thống robot: bộ điều khiển PC based, panel hỗ
trợ lập trình và điều khiển.
- Chương 4: Giới thiệu các hạng mục phần mềm đã thực hiện.
- Chương 5: Giới thiệu và minh họa các hạng mục robot trong đề tài:
Nguyên lý cấu tạo và hoạt động, đặc điểm kỹ thuật của từng hạng mục,
thiết bò, hình ảnh các sản phẩm tiêu biểu của đề tài. Giới thiệu và minh
họa các hạng mục phần mềm.
- Chương 6: Kết quả đạt được và kiến nghò
- Tài liệu tham khảo
- Phần phụ lục
i. Chương trình MATLAB: Tính toán và điều khiển theo mô men.
ii. Bản vẽ lắp của các hạng mục sản phẩm robot của đề tài.
iii. Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng.
iv. Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số đặc
điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu.
v. Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài.
vi. Đóa CD ROM minh họa các hạng mục phần mềm.
vii. Tập bản vẽ thiết kế và đóa CD ROM trình bày các bản vẽ thiết kế
chi tiết và cụm chi tiết của các robot.

vii



MỤC LỤC
Danh sách những người tham gia thực hiện đề tài i
Giới thiệu tóm tắt đề tài ii
Mục lục vii
Bảng chú giải các chữ viết tắt xiv
Chương I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1
1.1 Các giai đoạn thiết kế và tích hợp hệ thống 1
1.2 Nhiệm vụ thiết kế 3
1.2.1 Phân tích chức năng 4
1.2.2 Thiết kế hệ thống robot 7
1.3 Thiết kế động học robot 10
1.3.1 Cấu hình động học 11
1.3.2 Robot hoạt động trong không gian Descartes 14
1.3.3 Robot tọa độ trụ 15
1.3.4 Robot SCARA
15
1.3.5 Robot với liên kết toàn khớp bản lề 16
1.3.6 Robot lắp ghép từ các mô đun chuyển động 16
1.3.7 Robot song song 17
1.4 Điều khiển chuyển động 19
1.4.1 Tổng quát 19
1.4.2 Tính toán chuỗi truyền động 19
1.4.3 Mạch điều khiển servo vò trí 22
1.5 Nguồn dẫn động 25
1.5.1 Động cơ điện 25

1.5.1.5 Động cơ đồng bộ 26
viii
1.5.1.2 Động cơ không đồng bộ 26
1.5.1.3 Động cơ chuyển động thẳng 27
1.5.2 Nguồn dẫn động điện – dầu ép 28
1.5.3 Cơ cấu truyền động 28
1.5.3.1 Truyền chuyển động thẳng 30
1.5.3.2 Truyền chuyển động quay
31
1.6 Khớp nối 34
1.7 Hệ thống đo 35
1.7.1 Bộ mã hóa quang điện tuyệt đối 35
1.7.2 Bộ mã hóa quang điện loại gia tăng 37
1.7.3 Bộ đo chuyển vò góc dạng cảm ứng điện từ 38
1.8 Hiệu chỉnh chuẩn robot 39
1.8.1 Các bước hiệu chỉnh chuẩn 41
1.8.2 Kỹ thuật và thiết bò đo 43
1.8.3 Nhận dạng các thông số 46
1.8.4 Thực hiện 47
1.8.5 Thử nghiệm 48

Chương 2: CÁC BÀI TOÁN VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN & MÔ PHỎNG
CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA
CƠ CẤU ROBOT DỰ KIẾN THIẾT KẾ 51

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 51
2.2 Bài toán động học và động lực học Tay máy 52
2.2.1 Cơ sở lý thuyết 52
2.2.2 Bài toán động học thuận 53
2.2.3 Bài roán động học ngược (BTĐHN) 55

Phương pháp tách nhóm 3 khâu 56
ix
Giải BTĐHN bằng phương pháp tách nhóm 3 khâu 59
2.3 Bài toán động lực học 65
2.3.1 Mục đích của việc khảo sát bài toán động lực học 65
2.3.2 Khảo sát bài toán động lực học của Tay máy nhiều bậc tự do 65
2.4 Tính toán điều khiển theo mô men 73
2.4.1
Biến đổi quỹ đạo từ hệ tọa độ Descartes sang không gian khớp 73
2.4.1.1 Nội suy đường đa thức 74
2.4.1.2 Nội suy theo kiểu hàm tuyến tính kết hợp với parabolic. 76
2.4.1.3 Nội suy quỹ đạo theo thời gian nhỏ nhất 79
2.4.2 Tính toán và điều khiển theo mô men 81
2.4.2.1 Đạo hàm của vòng hồi tiếp trong 82
2.4.2.2 Thiết kế PD vòng ngoài 85
2.4.2.3 Thiết kế PID vòng ngoài 92
2.4.3 Các loại điều khiển tương tự tính toán và điều khiển mô men 96
2.4.3.1 Sai số động lực học với luật điều khiển gần đúng 97
2.4.3.2 Điều khiển PD có bù trong lực 98
2.4.3.3 Điều khiển khớp theo cách cổ điển 102
2.4.3.4 Điều khiển PD 104
2.4.3.5 Điều khiển PID 105
2.4.4 Áp dụng Matlab để khảo sát các bài toán cụ thể 108
2.5 Kết quả áp dụng trên một số tay máy trong hạng mục của đề tài 109
2.5.1 Trên robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần 111
x
2.5.2 Trên Robot camera crane 115
2.5.3 Trên robot SCARA
119
2.5.4 Trên tay máy lấy sản phẩm phôi nhựa PET 123

Chương 3: MỘT SỐ PHẦN TỬ TIÊU BIỂU ĐƯC ỨNG DỤNG
TRÊN HỆ THỐNG ROBOT THIẾT KẾ 127
3.1 Bộ điều khiển PC-based 127
3.1.1 Cấu trúc chung 127
3.1.2 Các loại bộ điều khiển 132
3.1.3 Bộ nội suy 137
3.1.4 Giới thiệu chung về card nội suy PCL-832 143
3.1.5 Bộ điều khiển ứng dụng trong đề tài 152
3.2 Panel lập trình và điều khiển (teach pendant) 156
3.2.1 Chức năng của teach pendant 156
3.2.2 Một số loại Teach Pendant của Robot Công nghiệp 159
3.2.3 Nguyên lý cấu tạo của panel lập trình và điều khiển – 163
Teach Pendant
3.3 Kết nối hệ thống – tế bào sản xuất tự động với robot 165
3.3.1 Tế bào sản xuất tự động 165
3.3.2 Vấn đề truyền thông trên hệ thống sản xuất tự động 171

Chương 4: CÁC HẠNG MỤC PHẦN MỀM 179
4.1 Giới thiệu chung 179
4.2 Phần mềm 1: Phần mềm hỗ trợ tra cứu robot 179
4.2.1 Giới thiệu 179
4.2.2 Các tính năng của phần mềm tra cứu robot 180
xi
4.2.3 Cách cập nhật dữ liệu cho phần mềm 194
4.2.4 Hướng phát triển trong tương lai của phần mềm 198
4.3 Phần mềm lập trình - điều khiển robot và phần mềm mô phỏng
hoạt động của robot 201
4.3.1 Giới thiệu 201
4.3.2 Môđun điều khiển 202

4.3.3 Môđun mô phỏng - giám sát 204
4.3.4 Lập trình và vận hành robot 206
4.3.5 Mô phỏng và giám sát hoạt động của robot 215
4.3.6 Kết luận 218

CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU CÁC HẠNG MỤC ROBOT ĐÃ
THỰC HIỆN TRONG ĐỀ TÀI 219
5.1 Robot hàn và robot phục vụ cho các quá trình hóa nhiệt luyện 219
5.1.1 Giới thiệu 219
5.1.2 Những đặc tính cơ bản 220
5.1.3 Kết cấu 222
5.1.4 Truyền động 224
5.1.5 Hệ thống điều khiển 226
5.1.6 Các thiết bò công nghệ 228
5.1.7 Ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất 229
5.2 Robot phục vụ trong quốc phòng 230
5.2.1 Chức năng của robot
230
5.2.2 Kết cấu cơ khí 233
5.2.3 Hệ thống điều khiển 233
5.2.4 Lắp đặt robot trong sản xuất 233
xii
5.3 Robot camera crane – phục vụ cho công việc quay phim
234
5.3.1 Sơ lược quá trình phát triển 234
5.3.2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động 241
5.3.3 Bài toán ngược vò trí cho các chuyển động bù của RCC 242
để bám mục tiêu đònh trước
5.3.4 Chuyển động bám mục tiêu di động 246
5.3.5 Các chế độ hoạt động 247

5.4 Tay máy lấy lấy sản phẩm nhựa 250
5.4.1 Sơ lược về công nghệ sản xuất sản phẩm PET 250
trên máy ép phun
5.4.2 Một số giải pháp tăng năng suất được áp dụng trên máy ép 253
phun để tạo phôi PET
5.4.3 Tay máy lấy phôi kiểu nằm ngang – giải pháp nâng cao 254
năng suất trên máy ép
5.4.4 Tay máy lấy sản phẩm theo phương đứng, áp dụng trên 259
máy ép nhựa kiểu ép phun


Chương 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯC VÀ KIẾN NGHỊ 263
6.1 Về kết quả nghiên cứu ứng dụng của đề tài 263
i. Về phương pháp thiết kế robot 263
ii. Về phương pháp giải bài toán động lực học tay máy trên cơ sở 264
tách nhóm 3 khâu – Xây dựng chương trình phần mềm tính toán và mô
phỏng kết quả
iii. Về thiết kế, tích hợp một số phần tử quan trọng của hệ thống 265
điều khiển robot: bộ điều khiển PC based và Teach pendant
iv. Xây dựng phần mềm lập trình – điều khiển và mô phỏng 266
hoạt động của robot.
xiii
6.2 Về góc độ phục vụ đào tạo của đề tài 266
6.3 Các sản phẩm cụ thể của đề tài và kết quả ứng dụng thử nghiệm 267
tại cơ sở sản xuất.
6.4 Vài suy nghó tự đánh giá và kiến nghò. 268

Lời cảm ơn 271
Tài liệu tham khảo 272
Phần phụ lục 274

- Chương trình MATLAB: Tính toán và điều khiển theo mô men
- Bản vẽ lắp của các hạng mục sản phẩm của đề tài
- Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng
- Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số
đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu.
- Biên bản nghiệm thu kết quả thực hiện của nhánh đề tài
-

Kèm theo phần Phụ lục của báo cáo tổng kết này còn có các tài liệu sau:

1. Đóa CD ROM minh họa các hạng mục phần mềm

2. Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài

3. Các tập bản vẽ thiết kế và dóa CD ROM các bản vẽ chi tiết của từng hạng mục
sản phẩm












xiv

BẢNG CHÚ GIẢI CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Nguyên gốc Nghóa tạm dòch
A/D converters
Analog to digital converters – ADC Bộ chuyển đổi tương tự – số
AC servo motor
Alternative Current servo motor Động cơ servo xoay chiều
CAD
Computer – Aided Design Thiết kế với sự trợ giúp của
máy tính
CAM
Computer – Aided Manufacturing Sản xuất / gia công với sự trợ
giúp của máy tính
CC
Camera Crane Cần trục quay phim
CIM
Computer – Integrated
Manufacturing
Sản xuất trên cơ sở điều
khiển tích hợp nhờ máy tính
CNC
Computer Numerical Control Điều khiển theo chương trình số
CPU

Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm
D/A converters
Digital to analog converters – DAC Bộ chuyển đổi số – tương tự
DC servo motor
Direct Current servo motor Động cơ servo một chiều
DH matrix
Denavitz – Hartenberg matrix Ma trận Denavitz –
Hartenberg sử dụng trong
phương pháp tọa độ thuần nhất
DOF
Degree of Freedom Bậc tự do
EEPROM
Electronic EPROM Bộ nhớ ROM có thể đọc và
ghi bằng tín hiệu điện
ENQ
Enquiry Ký tự yêu cầu truyền thông
từ máy gửi đến máy nhận
FMS
Flexible Manufacturing Systems Các hệ thống sản xuất linh
hoạt
HMI
Human – Machine Interface Giao tiếp giữa người điều
khiển và máy
IRF
International Robot Federation Liên đoàn robot quốc tế
ISO
International Standards Organization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
xv
NC
Numerical Control Điều khiển chương trình số

PC – based
Controller
Personal Computer - based
Controller
Bộ điều khiển có cấu tạo trên
cơ sở của máy vi tính
PLC
Programmable Logic Controller Bộ điều khiển khả lập trình
PWM
Pulse width Modulation Điều chế độ rộng xung
RCC
Robot Camera Crane Cần trục quay phim có cấu
tạo và tính năng như robot
SCADA
Supervisory Control And Data
Acquisition
Điều khiển giám sát và thu
nhận dữ liệu
SCARA
Selective Compliance Articulated
Robot Arm/Actuator
Dạng robot với liên kết có bù
trừ chuyển động của khớp
bản lề thường dùng trong
công việc lắp ráp
SCR
Silicon Controlled Rectifiers


KÝ HIỆU

q

Tọa độ suy rộng

q
&

Vận tốc suy rộng

q
&&

Gia tốc suy rộng

ω

Vận tốc góc

ν

Vận tốc dài

τ

Lực và mômen suy rộng

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02

Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường
độc hại và không an toàn

1
CHƯƠNG 1
KHẢO SÁT NHU CẦU ỨNG DỤNG ROBOT PHỤC VỤ SẢN XUẤT TRONG
CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG ĐỘC HẠI VÀ KHÔNG AN TOÀN


I. MỤC ĐÍCH CỦA KHẢO SÁT
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot để thay thế người làm
việc trong mơi trường độc hại, khơng an tồn. Theo hướng này chúng tơi đã khảo sát nhu
cầu sử dụng robot ở một số cơ sở thuộc các lĩnh vực sản xuất vật liệu xây dựng, luyện kim,
chế tạo cơ khí, cơng nghiệp chế tạo tàu thuỷ, cơng nghiệp quốc phòng và một vài lĩnh vực
khác nh
ư thăm dò và khai thác biển, robot dùng trong an ninh. Quá trình khảo sát được
thực hiện trên cơ sở tìm hiểu thực tế sản xuất và thông qua trao đổi trực tiếp với cơ sở
sản xuất. Mặc dù không tiến hành những khảo sát thăm dò quy mô mang tính chuyên

nghiệp thể hiện qua các bảng câu hỏi và trả lời (kiểu Questionaire), tuy nhiên, những
thông tin thu nhận được thông qua tham quan thực tế sản xuất và những ghi nhận được từ
môi trường sản xuất thực tế đủ để minh chứng nhu cầu có thực trong sản xuất, làm chỗ
dựa vững chắc cho việc đònh hướng các hạng mục sản phẩm sẽ thực hiện trong đề tài
nghiên cứu.


II. CÁC LĨNH VỰC SẢN XUẤT CĨ NHU CẦU TRANG BỊ ROBOT

2.1 Trong sản xuất vật liệu xây dựng
Hiện nay nước ta có khoảng 500 dây chuyền sản xuất gạch theo cơng nghệ này với
cơng suất trung bình mỗi dây chuyền khoảng 20-30 triệu viên/ năm. Ở đây có cơng đoạn
nghiền than thành bột (để trộn với đất theo tỉ lệ nhất định) và khâu cấp than từ nóc lò cho
lò nung liên tục kiểu tuy nen có mơi trường độc hại do bụi bẩn, khí độc và nhiệt độ cao (Đã
Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02

Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường
độc hại và không an toàn

2
nghiên cứu úng dụng robot trong dây chuyền sản xuất gạch theo cơng nghệ nung liên tục
bằng lò kiểu tuy nen). Chúng tơi đã chế tạo robot cho dây chuyền nghiền than tại Cơng ty
gốm xây dựng Hạ Long vào năm 2000. Cơng đoạn cấp than cho lò luyện cốc tại nhà máy
Cốc hố thuộc Cơng ty gang thép Thái Ngun là một điển hình về mơi trường độc hại.
Cơng nhân phải thường xun trực tiếp làm việc trong mơi trường có nhiều loại khí thải
độc hại, khói bụi và nhiệt
độ cao, sức khoẻ giảm sút nhanh. Những người làm việc liên tục
ở đây 15 năm là phải nghỉ hưu và ít người sống được 10 năm sau nghỉ hưu. Chúng tơi đã
nghiên cứu thử nghiệm phương án sử dụng robot cho khâu cấp liệu (than) từ phía đỉnh lò
và đề xuất phương án sử dụng robot ở một số khâu khác thuộc cơng ty gang thép Thái

Ngun.
Một trường hợp ứng dụng robot bốc xếp khác phục vụ thay thế người công nhân
là giai đoạn lấy và sắp xếp sản phẩm trong dây chuyển sản xuất kính ở nhà máy
VIGLACERA thuộc Bộ Công nghiệp tại Khu Công nghiệp Tân Đông Hiệp (Bình
Dương) cũng là moat nhu cầu nhằm tự động hóa khép kín quy trình sản xuất loại vật
liệu có nhu cầu cao trong lónh vực sản xuất vật liệu xây dựng.

2.2
Trong cơng đoạn đúc kim loại ở các nhà máy Cơ khí và luyện kim có thể sử dụng
robot ở các khâu rót kim loại và tháo dỡ khn là những khâu nặng nhọc, và dễ gây tai
nạn do bỏng và bụi bẩn. Các khâu xử lí bề mặt sản phẩm như và các cơng đoạn nhiệt
luyện như tơi trên các máy tơi cao tần, tơi trong lò buồng, bể muối, xi mạ, nhuộm đen,
sơn,… là những khâu sản xuất độc hại do mơi trường hố chất c
ũng là những nơi có
nhu cầu cao về sử dụng robot.

Qua các thông tin ghi nhận được nêu trên, có thể sử dụng các robot vạn năng
(Universal Robot) 6 bậc tự do kết hợp với chuyển động tònh tiến của đế robot trên
đường ray nhằm đáp ứng yêu cầu thay thế người công nhan trong các môi trường sản
xuất này. Riêng trường hợp cần tẩy sạch sản phẩm trong các bể chứa dung dòch a-xít
Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02

Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường
độc hại và không an toàn

3
của quy trình xi mạ các chi tiết lớn, có thể sử dụng kiểu robot dạng cổng trục
(Robocrane dạng Gantry Robot hay Cartesian Robot) được lập trình theo yêu cầu
công nghệ của quá trình tẩy, xi ma,… để có thể đáp ứng yêu cầu đặt ra.

2.3 Trong cơng nghiệp đóng tàu đang được Nhà nước đầu tư phát triển. Các nhà máy
đóng tàu thuộc Tổng Cơng ty Cơng Nghiệp tàu thuỷ Việt Nam đều có các dự án đầu tư
mở rộng để đóng được tàu trọng tải tới 100.000 tấn vào vài năm tới. Việc làm sạch bề
mặt thép trước khi sơn bằng cách phun cát hiện nay khơng chỉ gây bụi bẩn cho người
trực ti
ếp lao động mà làm bụi bẩn cả khu vực sản xuất cùng với khu dân cư xung
quanh. Đây là khâu bức xúc của nhiều nhà máy hiện nay và có thể sử dụng robot để tự
động hố. Hàn và cắt kim loại là cơng nghệ chiếm tỉ trọng lớn trong chế tạo tàu thuỷ và
có ý nghĩa quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Nhu cầu sử dụng robot
hàn, cắt là sản phẩm của
đề tài và đề xuất một số phương án ứng dụng robot trong một
số công đoạn hàn vỏ tàu của tàu thuỷ. Trong giai đoạn trước mắt, ở đề tài này, chúng
tôi sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế robot hàn loại tónh tại nhằm đáp ứng cho nhu cầu
hàn, cắt một số chi tiết của vỏ tàu thủy. Trong giai đoạn sắp tới, sau đề tài này, sẽ
tiếp tục nghiên cứu chế tạo các dạng robot tự hành trên đường ray, có khả năng nhận
dạng vết hàn để hàn các đoạn thân tàu.

2.4 Trong cơng nghiệp quốc phòng - bảo đảm an tồn về cháy nổ trong sản xuất tránh
những tai nạn chết người là điều được đặc biệt quan tâm trong cơng nghiệp quốc phòng.
Chỉ một sai sót nhỏ cũng có thể gây tai hại làm tổn thất lớn về tính mạng và tài s
ản. Các
robot dùng trong an ninh, quốc phòng cũng có nhiều nội dung phong phú cần được
quan tâm. Một hạng mục sản phẩm của đề tài này sẽ được ứng dụng thử nghiệm
trong công đoạn sản xuất quả đạn cối 81 ly tại Xưởng sửa chữa vũ khí thuộc Bộ đội
Biên phòng.