Thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC S7300

Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 1-
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và đặc biệt
là ngành tự động hóa, công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đang diễn
ra rất tốt đẹp. Trước tình hình đó cũng đặt ra nhiều thách thức cho giới trí thức -
những người tiếp thu và kế thừa sự tiến bộ trên.
Robot công nghiệp là một lĩnh vực mới mà ở Việt Nam đang nghiên cứu và
từng bước chế tạo để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần tự động hóa trong
quá trình sản xuất, nâng cao năng xuất lao động.
Sự ra đời của hệ thống điều khiển PLC đã thay thế được hệ thống điều khiển
cồng kềnh bằng rơle và các dây nối. Với nhiều ưu điểm nổi bật, ngày nay hệ thống
điều khiển bằng PLC đã trở nên ưu việt và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực của cuộc sống. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng PLC là rất cần thiết.
Để tìm hiểu về việc ứng dụng PLC trong hệ thống điều khiển robot công
nghiệp và cụ thể là robot hàn, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo
robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC ”. Đề tài đã thể hiện một phần trong
những kiến thức mà chúng em đã đạt được sau bốn năm học tập tại trường.
Do có sự hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và kinh nghiệm nên chúng
em không thể tránh khỏi những sai sót.
Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn sinh viên
Khoa Điện – Điện tử về đề tài này.

Hưng yên, Ngày 10 Tháng 08 Năm 2013


Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 2-
Lời cảm ơn
Đồ án được hoàn thành như là một bước ngoặt báo hiệu kết thúc thời gian học
tập tại trường ĐHSP Kỹ Thuật Hưng Yên. Nếu không có sự đóng góp từ nhiều phía

chắc chắn chúng em khó mà đạt được những kết quả như vậy.
Đó là sự đóng góp tích cực về vật chất, sự ủng hộ động viên tinh thần về phía
gia đình – đã hình thành một chỗ dựa vững chắc. Mỗi chúng em sẽ mãi mãi ghi
nhớ!
Được học môn PLC và các môn khác cùng với sự trực tiếp hướng dẫn nhiệt
tình của thầy Bùi Trung Thành và cô Lê Thị Minh Tâm giúp chúng em thực hiện
đề tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trong số kiến thức mà chúng em đạt được có sự đóng góp của nhiều thầy cô,
cùng với sự giúp đỡ, những lời động viên đúng lúc trong khi học và trong thời gian
thực hiện đề tài của các bạn sinh viên lớp ĐK3, có lẽ chúng em không thể nào quên!

Hưng Yên, Ngày 10 Tháng 08 Năm 2013
Sinh viên thực hiện
Phạm Việt Dũng
Trần Thị Thanh Loan
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 3-
NHẬN XÉT CỦA GVHD
……………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
……………………….…………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………
Hưng Yên, Ngày… Tháng… Năm…




T.S: Bùi Trung Thành
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 4-
NHẬN XÉT CỦA GV PHẢN BIỆN

……………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
……………………….…………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

……………………………………………………

Hưng Yên, Ngày…
Tháng… Năm…

Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 5-

MỤC LỤC
Trang
Lời nói đầu 1
Lời cảm ơn 2
Tóm tắt đồ án 3
Chương 1: Giới thiệu chung 4
1.1. Đặt vấn đề 5
1.2. Mục đích nghiên cứu 6
1.3. Phạm vi nghiên cứu 6
1.4. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu 6
1.5. Cấu trúc đồ án 7
Chương 2: Tổng quan về robot hàn 8
2.1. Giới thiệu sơ lược về robot công nghiệp 9
2.1.1. Lịch sử phát triển của robot 9
2.1.2. Hệ thống chuyển động robot 10
2.1.3. Hệ thống điều khiển robot 14
2.1.4. Ứng dụng của robot công nghiệp 15
2.2. Giới thiệu về robot hàn 15
2.2.1. Đặc điểm của robot hàn 15
2.2.2. Công nghệ hàn đường, hàn điểm 16
2.2.3. Các nghiên cứu về robot hàn 17
Chương 3: Xây dựng mô hình cánh tay robot hàn 3 bậc tự do 20

3.1. Xây dựng mô hình cánh tay robot 21
3.1.1. Mô hình robot hàn trên thiết kế 21
3.1.2. Mô hình robot hàn thực tế 21
3.2. Xây dựng phương trình động học cho robot hàn 3 khớp quay 22
3.2.1. Cơ sở lý thuyết 22
3.2.2. Phương trình động học thuận robot 24
3.2.3. Xác định quỹ đạo chuyển động của robot trong không gian 28
3.2.4. Phương trình động học ngược robot 28
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 6-
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và lựa chọn động cơ 31
4.1. Bộ điều khiển dùng PLC 32
4.1.1. Giới thiệu về PLC 32
4.1.2. Ưu và nhược điểm khi sử dụng hệ thống dùng PLC 32
4.1.3. Lý do sử dụng PLC cho đề tài 33
4.2. Động cơ bước 34
4.2.1. Cấu tạo của động cơ bước 34
4.2.2. Nguyên lý hoạt động 35
4.2.3. Điều khiển động cơ bước 36
4.2.4. Phân loại và ứng dụng động cơ bước 41
4.2.5. Lý do sử dụng động cơ bước cho đề tài 41
4.2.6. Lựa chọn động cơ bước 42
4.3. Mạch driver, cảm biến và giao diện 42
4.3.1. Khối mạch tạo xung 42
4.3.2. Mạch driver của động cơ bước 51
4.3.3. Khối cảm biến 61
4.4. Sơ đồ ghép nối hệ thống điều khiển 63
Chương 5: Lập trình điều khiển robot 64
5.1. Yêu cầu điều khiển của hệ thống 65
5.2. Cách thức hàn 67

5.2.1. Hàn điểm 67
5.2.2. Hàn đường 70
5.3. Tính toán chuyển động các khớp của robot 71
5.3.1. Tính toán tỷ số truyền 72
5.3.2. Tính toán góc quay của các khớp 72
5.3.3. Tính toán thời gian cấp xung cho động cơ 73
5.4. Lưu đồ thuật toán 75
5.5. Khai báo phần cứng 76
5.6. Chương trình điều khiển 76
5.6.1. Bảng symbols 76
5.6.2. Chương trình điều khiển 76
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 7-
Chương 6: Kết quả và thảo luận 78
6.1. Kết quả thử nghiệm 79
6.1.1. Quá trình test mạch 79
6.1.2. Quá trình thử nghiệm chương trình điểu khiển 80
6.2. Thảo luận 82
Chương 7: Kết luận và kiến nghị 83
7.1. Kết quả thực hiện đồ án 84
7.1.1. Kết quả đạt được 84
7.1.2. Kết quả chưa đạt được 84
7.2. Hướng khắc phục và phát triển của đồ án 84
7.3. Những thuận lợi và khó khăn 85
7.3.1. Những thuận lợi của đề tài 85
7.3.2. Những khó khăn của đề tài 85
7.4. Kết luận 85
7.5. Kiến nghị 86
Phụ lục 1: Bảng symbols 87
Phụ lục 2: Chương trình điều khiển 90

Tài liệu tham khảo 122


Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 8-
DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 2.1. Các bộ phận của robot 10
Hình 2.2. Dạng khớp của robot 11
Hình 2.3. Cơ cấu cổ tay 3 bậc tự do 11
Hình 2.4. Cơ cấu tọa độ Đecac 12
Hình 2.5. Cơ cấu toạ độ trụ 12
Hình 2.6. Cơ cấu tọa độ cầu 13
Hình 2.7. Cơ cấu toạ độ góc 13
Hình 2.8. Cơ cấu kiểu SCARA 14
Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí robot 14
Hình 2.10. Hình vẽ tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng robot 15
Hình 2.11. Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi 16
Hình 2.12. Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC 17
Hình 2.13. Robot hàn VR – 006AL của hãng Panasonic (Nhật) 18
Hình 2.14. Robot hàn KR6ARC của hãng KUKA của Đức 18
Hình 2.15.Robot hàn của Việt Nam 19
Hình 3.1. Mô hình robot hàn thiết kế 21
Hình 3.2. Mô hình robot hàn thực tế 21
Hình 3.3. Sơ đồ minh họa các giá trị trong bộ thông số D – H 22
Hình 3.4. Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot 25
Hình 3.5. Không gian làm việc của robot 28
Hình 4.1. Hình dạng một loại động cơ bước điển hình 34
Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực
và các lực điện từ 35

Hình 4.3. Sơ đồ nối các cuộn dây Stato điển hình 38
Hình 4.4. Các chế độ điều khiển một động cơ bước điển hình 40
Hình 4.5. Hình dạng động cơ bước được sử dụng trong đề tài 42
Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý khối mạch tạo xung 43
Hình 4.7. Sơ đồ bố trí linh kiện khối mạch tạo xung 44
Hình 4.8. Sơ đồ board mạch khối mạch tạo xung 45
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 9-
Hình 4.9. Hình dạng của7806 46
Hình 4.10. Sơ đồ chân của NE555 47
Hình 4.11. Sơ đồ khối của NE555 47
Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý khối mạch driver 51
Hình 4.13. Sơ đồ bố trí linh kiện của khối mạch driver 52
Hình 4.14. Sơ đồ đi board khối mạch driver 52
Hình 4.15. Hình dạng thực tế của B688 53
Hình 4.16. Sơ đồ chân của 74LS192 53
Hình 4.17. Chuỗi đếm minh họa của 74LS192 54
Hình 4.18. Sơ đồ chân và kí hiệu logic của 74LS138 55
Hình 4.19. Cấu trúc của 74LS138 56
Hình 4.20. Sơ đồ chân và kí hiệu logic của 74HC14 57
Hình 4.21. Sơ đồ logic và dạng sóng của 74HC14 57
Hình 4.22. Sơ đồ chân và sơ đồ tương đương của Tip 122 58
Hình 4.23. Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình điện cơ 61
Hình 4.24. Cấu trúc của cảm biến từ tiệm cận 62
Hình 4.25. Hình dạng thực tế của cảm biến từ tiệm cận 62
Hình 4.26. Sơ đồ ghép nối của cảm biến tiệm cận NPN 63
Hình 4.27. Sơ đồ ghép nối đầu vào / ra với PLC 63
Hình 5.1.Hình vẽ vật hàn và các điểm cần hàn 65
Hình 5.2. Vị trí ban đầu của robot so với vật hàn 65
Hình 5.3. Quy trình hàn điểm A 67

Hình 5.4. Quy trình hàn điểm B 68
Hình 5.5. Quy trình hàn điểm C 68
Hình 5.6. Quy trình hàn điểm D 69
Hình 5.7. Quy trình hàn điểm E 69
Hình 5.8. Quy trình hàn điểm F 70
Hình 5.9. Quy trình hàn đường FA 70
Hình 5.10. Quy trình hàn đường AC 71
Hình 5.11. Lưu đồ thuật toán 75

Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 10-
Tóm tắt đồ án
Như ta đã biết, ngày nay robot công nghiệp được ứng dụng rất nhiều trong các
ngành công nghiệp đòi hỏi sự tự động trong quá trình sản xuất. Trong đó, robot hàn
chiếm tỷ lệ ứng dụng cao nhất (27%). Chúng em thực hiện đề tài “thiết kế và chế
tạo mô hình robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC” với mong muốn tìm hiểu
về công nghệ của robot hàn và củng cố những kiến thức đã thu được.
Trong đồ án này, chúng em đã thực hiện được các nội dung sau:
Giới thiệu tổng quan về robot công nghiệp nói chung và robot hàn nói riêng.
Nắm được lịch sử phát triển robot công nghiệp, đặc điểm chuyển động và điều
khiển, vai trò cũng như một số nghiên cứu và ứng dụng của robot hàn.
Trình bày được cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, nguyên tắc điều khiển động cơ
bước - động cơ ứng dụng trong các hệ thống cần sự điều khiển chính xác cao. Chế
tạo và phân tích được các mạch điều khiển cho động cơ bước.
Xây dựng mô hình robot hàn 3 khớp quay, tính toán bài toán động học thuận
và ngược của robot. Từ đó đưa ra bài toán điều khiển và viết chương trình điều
khiển cho robot bằng phần mềm PLC S7 – 300 để robot hoạt động, hàn điểm và hàn
đường theo một quỹ đạo cho trước.
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 11-

Chương 1
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 12-
1.1 Đặt vấn đề:
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa
sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng. Mục tiêu ứng dụng robot trong công nghiệp
là nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả
năng cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động.
Ở nước ngoài, robot công nghiệp đã được nghiên cứu và ứng dụng vào sản
xuất từ rất sớm. Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên vào năm
1961 tại Hoa Kỳ.
Ở nước ta, giai đoạn trước năm 1990 hầu như chưa du nhập về kỹ thuật robot,
thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật từ lĩnh vực này. Cho đến nay,
ở nước ta đã có rất nhiều cơ sở thiết kế, chế tạo và lắp ráp được robot. Trung tâm
Nghiên cứu ứng dụng và Dịch vụ khoa học kỹ thuật cho biết, đến năm 2010, TP Hồ
Chí Minh sẽ đưa ra thị trường robot công nghiệp hoàn chỉnh, có khả năng cạnh
tranh với các sản phẩm ngoại nhập. Hơn nữa, mấy năm trở lại đây Việt Nam luôn
đạt giải cao trong các cuộc thi robocon Châu Á – Thái Bình Dương. Những chiến
thắng này đã thổi một luồng sinh khí mới vào phong trào sáng tạo robot của sinh
viên. Hàng loạt robot mới ra đời từ những cuộc thi này.
Ứng dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp. Gần 25% robot
công nghiệp là robot hàn. Những lợi ích lớn nhất của robot hàn tự động là có độ
chính xác và năng suất cao. Hàn bằng robot nâng cao độ tin cậy của mối hàn. Một
khi được lập trình hợp lý thì robot hàn có thể tạo ra các mối hàn y như nhau trên các
vật hàn cùng kích thước và quy cách. Chuyển động của que hàn được tự động hóa
sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lượng công
việc phải làm lại. Robot không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động
liên tục suốt ngày đêm, hiệu quả hơn nhiều so với một hệ thống hàn tay. Quá trình
hàn được tự động hóa giải phóng người công nhân khỏi những tác hại khi hàn do

tiếp xúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc. Với những ưu điểm như
vậy, ngày nay ở nước ta, một triển vọng mới đã được mở ra cho ngành công nghiệp
đóng tàu khi ứng dụng công nghệ robot hàn.
Ở nhiều trường đại học, cao đẳng và dạy học kỹ thuật trong đó có trường ta, đã
bắt đầu giảng dạy về robot công nghiệp. Với sở thích tìm hiểu về robot, đặc biệt là
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 13-
robot hàn – robot được ứng dụng khá phổ biến trong công nghiệp và mong muốn
ứng dụng lý thuyết đã được học vào thực tiễn, cũng như thúc đẩy phong trào nghiên
cứu, chế tạo robot của các bạn sinh viên trong và ngoài trường, nhóm chúng em đã
thực hiện đề tài “thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC”.
1.2 Mục đích nghiên cứu:
Thực hiện đề tài “thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC”
giúp cho người thực hiện không chỉ ứng dụng những kiến thức đã học về lập trình
PLC vào thực tế mà còn có thể nâng cao kiến thức về robot, thiết kế cơ khí, điều
khiển động cơ…Đặc biệt nó cung cấp một cái nhìn tổng quan về robot công nghiệp.
Sản phẩm làm ra trước tiên có thể ứng dụng trong việc giảng dạy trong nhà
trường, sau đó nếu có điều kiện phát triển và mở rộng hơn thì sẽ có khả năng ứng
dụng vào thực tế sản xuất công nghiệp.
Mục tiêu cụ thể:
 Chế tạo thành công mô hình phần cứng cho robot hàn (phần cơ khí và phần
điện – điều khiển).
 Lập trình điều khiển robot dùng PLC.
1.3 Phạm vi nghiên cứu:
Do hạn chế về thời gian và ngân sách, đồ án chỉ tập trung nghiên cứu chế tạo
và điều khiển 3 khớp của cánh tay robot hàn. Không có cơ cấu tác động cuối (bàn
tay robot – mỏ hàn).
1.4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu:
Phương pháp:
 Tham khảo tài liệu: chủ yếu là các tài liệu về robot công nghiệp, điều khiển

động cơ, lập trình PLC.
 Thực nghiệm: Test thử mạch điều khiển động cơ trên Panel. Chạy thử
chương trình trên modul PLC.


Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 14-
Phương tiện:
 Sách tham khảo, các tài liệu trên mạng.
 Modul PLC….
 Phần mềm eagle, phần mềm Proteus, phần mềm PLC, phần mềm
solidworks.
1.5 Cấu trúc của đồ án:
Chương 1: Giới thiệu chung.
Chương 2: Tổng quan về robot hàn.
Chương 3: Xây dựng mô hình cánh tay robot hàn 3 bậc tự do.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và lựa chọn động cơ.
Chương 5: Lập trình điều khiển robot.
Chương 6: Kết quả và thảo luận.
Chương 7: Kết luận và kiến nghị.
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 15-


Chương 2
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 16-
2.1 Giới thiệu sơ lược về robot công nghiệp:
2.1.1 Lịch sử phát triển của robot:
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robata” có nghĩa là công

việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s universal robots của Karel Capek, vào năm
1921. Trong vở kịch này, ông đã mô tả một “nhân vật” có thể ứng xử như con
người, có khả năng làm việc khỏe gấp đôi con người, nhưng không có cảm tính,
cảm giác như con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ
thuât về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Sự
phát triển của lĩnh vực robot bắt đầu từ 40 năm sau đó.
Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran
của công ty AMF, Mỹ dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô. Tiếp theo Mỹ, các nước
khác bắt đầy sản xuất robot công nghiệp: Anh – 1967, Thụy Điển và Nhật – 1968
theo bản quyền của Mỹ, CHLB Đức – 1971, Pháp – 1972, ở Ý – 1973
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không
ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận
biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực tin học
– điện tử đã tạo ra cá thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt, số lượng robot ngày
càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí
quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp
phát triển như sau:
Nước sản xuất
Năm 1990
Năm 1994
Năm 1998
Nhật
60118
29756
67000
Mỹ
4327
7634
11100

Đức
58445
5125
8600
Ý
2500
2408
4000
Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot, nhưng nước phát triển cao nhất lĩnh
vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng robot lại là Nhật.

Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 17-
2.1.2 Hệ thống chuyển động robot:
Hệ thống chuyển động robot công nghiệp đảm bảo cho robot có thể thực hiện
các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của thân, cánh
tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước. Bộ phận cơ
bản của robot là: Cánh tay (gồm một số thanh nối cứng liên kết vớ nhau bởi các
khớp mềm); thân (bệ); cổ tay; bàn tay.

Hình 2.1: Các bộ phận của robot
2.1.2.1 Bậc tự do của robot:
Bậc tự do của robot là khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động
quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu
chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do. Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do
bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
Một con robot công nghiệp dùng trong nhà máy có từ 3 đến 6 bậc tự do. Số
bậc tự do của robot càng cao thì robot hoạt động càng linh hoạt. Như robot Asimo
của Honda có 34 bậc tự do, robot Qrio của Sony 38 bậc tự do
2.1.2.2 Khớp robot:

Khớp là khâu liên kết hai thanh nối có chức năng truyền chuyển động để thực
hiện di chuyển của robot.
Khớp robot gồm hai loại: khớp tịnh tiến và khớp quay.
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 18-

Khớp quay
khớp tịnh
tiến

Hình 2.2: Dạng khớp của robot
2.1.2.3 Cổ tay robot:
Cổ tay robot có nhiệm vụ định hướng chính xác bàn tay robot (cơ cấu tác động
cuối) trong không gian làm việc. Thông thường cổ tay robot có 3 bậc tự do tương
ứng với 3 chuyển động có cấu tạo điển hình như hình 2.3: Cổ tay xoay xung quanh
trục thanh nối cuối cùng (Roll), cổ tay xoay xung quanh trục nằm ngang tạo chuyển
động lên xuống của bàn tay (Pitch) quay xung quanh trục thẳng đứng tạo chuyển
động lắc phải, trái của bàn tay (Yaw).

Hình 2.3: Cơ cấu cổ tay 3 bậc tự do
2.1.2.4 Bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối):
Bàn tay được gắn lên cổ tay robot đảm bảo cho robot thực hiện các nhiệm vụ
khác nhau trong không gian làm việc. Cơ cấu bàn tay có hai dạng khác nhau tùy
theo chức năng của robot trong dây chuyền sản xuất: cơ cấu tay kẹp và cơ cấu dụng
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 19-
cụ (Các dụng cụ là: mũi hàn, dụng cụ cắt đá, mài đá, một bình sơn, cơ cấu hàn
điểm, hàn hồ quang )
2.1.2.5 Các dạng cơ cấu hình học và không gian làm việc của robot:
a) Cơ cấu robot tọa độ Đecac: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến

theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TTT). Không gian làm việc của
bàn tay có dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại cơ cấu này có độ cứng
vững cao, độ chính xác cơ khí dễ, đảm bảo, vì vậy nó được dùng để vận chuyển
phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng

Hình 2.4: Cơ cấu tọa độ Đecac
b) Cơ cấu robot tọa độ trụ: Không gian làm việc của robot có dạng hình trụ
rỗng. Thường khớp thứ nhất là chuyển động quay.Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình
là RTT như hình vẽ.

Hình 2.5: Cơ cấu tọa độ trụ
c) Cơ cấu robot tọa độ cầu: Không gian làm việc của robot có dạng hình cầu.
Thường độ cứng vững của loại robot này kém hơn so với 2 loại trên. Ví dụ robot 3
bậc tự do, cấu hình là RRT hoặc RRR.
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 20-

Hình 2.6: Cơ cấu tọa độ cầu
d) Cơ cấu robot kiểu tọa độ góc (hệ tọa độ phỏng sinh): Đây là kiểu robot
được dùng phổ biến hơn cả. Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển
động quay. Không gian làm việc của robot này gần giống một phần của khối cầu.
Ưu điểm nổi bật của robot hoạt động theo hệ tọa độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng
làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân robot, độ linh hoạt cao.Ví dụ
một robot hoạt động theo hệ tọa độ góc có cấu hình RRR.RRR:

Hình 2.7: Cơ cấu tọa độ góc
e) Cơ cấu robot SCARA: Robot SCARA ra đời năm 1979 tại Nhật Bản là
một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất. Loại robot
này thường dùng trong công việc lắp ráp. Sơ đồ robot theo kiểu SCARA như sau:
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp

-Trang 21-

Hình 2.8: Cơ cấu kiểu SCARA
2.1.3 Hệ thống điều khiển robot:
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chuyển động robot được vẽ ở hình 2.9. Robot
n khớp và mỗi khớp sẽ được truyền động bởi một động cơ và một hệ thống truyền
động riêng. Bộ điều khiể vị trí (Đki) có chức năng điều khiển chuyển động của
robot. Khâu tạo quỹ đạo chuyển động sẽ tính toán các quỹ đạo chuyển động mong
muốn của từng khớp (q
đi
) từ quỹ đạo mong muốn của tay robot (x
đ
, y
đ
, z
đ
). Quỹ đạo
chuyển động mong muốn khớp (q
đi
) là tín hiệu đặt vị trí của các bộ điều khiển vị trí
từng khớp. Tín hiệu ra của các bộ điều khiển (u
i
) là tín hiệu điều khiển hệ truyền
động của khớp tương ứng. Mỗi bộ điều khiển vị trí của từng khớp là bộ điều khiển
secvo với tín hiệu phản hồi là vị trí của khớp tương ứng được đo bởi các cảm biến
vị trí (CBi).
Tạo quỹ
đạo chuyển
động
Bộ ĐK1

Bộ ĐK2
Bộ ĐKn
ROBOT
CBn
CB1
CB2
Vị trí khớpTín hiệu ĐK khớp
Quỹ đạo đặt khớp
Quỹ đạo tay
)(
1đ
q
)(
2đ
q
)(
đn
q
)(
1
u
)(
2
u
)(
n
u
)(
1
q

)(
2
q
)(
n
q
),,(
đđđ
zyx

Hình 2.9: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí robot

Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 22-
2.1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp:
Robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Có
thể phân loại ứng dụng của robot làm các lĩnh vực chính: Vận chuyển, bốc dỡ vật
liệu, gia công, lắp ráp thăm dò và các ứng dụng khác.
Hiệp hội robot nước Anh (BRA – British Robot Association) đã cung cấp số
liệu về tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng robot.
18.3
14.7
12.3
9.6
9.5
5.7
5.7
3.9
20.3
1. Đúc áp lực

2. Hàn điểm
3. Hàn hồ quang
4. Cấp thoát phôi
5. Lắp ráp
6.Nghiên cứu, đào tạo
7. Phun phủ bề mặt
8. Nâng chuyển, sắp xếp
9. Các công việc khác
18.3%
14.7%
12.3%
9.6%
9.5%
5.7%
5.7%
3.9%
20.3%

Hình 2.10: Hình vẽ tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng robot
2.2 Giới thiệu về robot hàn:
2.2.1 Đặc điểm của robot hàn:
Công nghệ hàn tự động với robot đã được ứng dụng từ lâu trong ngành công
nghiệp sản xuất ô-tô ở các nước công nghiệp phát triển, tiêu biểu trong số đó như
Hoa Kỳ, Nhật Bản, CHLB Ðức, Pháp, Ý, Hàn Quốc, Trung Quốc,… và gần đây là
các nước trong khu vực Ðông Nam Á. Sau đó, công nghệ hàn tự động với robot
được áp dụng trong các ngành đóng tàu biển, chế tạo máy.
Các robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay có khớp hoặc xoay. Loại robot trục
Đe-cac chỉ được dùng cho các robot rất lớn hoặc rất nhỏ. Cánh tay robot được sử
dụng nhiều do nó cho phép súng hàn chuyển động như cách con người thao tác. Góc
súng hàn và góc di chuyển có thể thay đổi để hàn ở mọi vị trí, nhất là ở những vị trí

khó tiếp cận, Cánh tay robot gọn nhẹ và có tầm với lớn. Thường các robot hàn có 5
– 6 bậc tự do, lập trình được.
Khi nào dùng robot hàn? Một quá trình hàn gồm nhiều thao tác lặp đi lặp lại
trên những chi tiết giống nhau sẽ thích hợp để tự động hóa. Số lượng chi tiết cần
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 23-
hàn trong quá trình chế tạo cũng quyết định có nên sử dụng robot hàn hay không.
Nếu bình thường phải điều chỉnh để các chi tiết ăn khớp với nhau hoặc các mối hàn
quá rộng hoặc có vị trí khác nhau trên mỗi chi tiết thì không thể tự động hóa bằng
việc dùng robot hàn được.
2.2.2 Công nghệ hàn đường, hàn điểm:
Robot hàn được ứng dụng trong công nghệ hàn đường và hàn điểm. Trong các
nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng nhiều robot nhất. Mỗi
khung xe được cố định vào một palette và được điều khiển di chuyển khắp nhà máy.
Khi khung xe đến trạm hàn, bộ phận kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần
thiết, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước.


Hình 2.11: Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi
Robot cũng được ứng dụng nhiều trong công nghệ hàn theo vết hoặc hàn theo
đường dẫn liên tục – còn gọi là hàn đường.
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 24-

Hình 2.12: Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC
Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong
kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại. Những hệ thống
hàn đường thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết
được hàn và sau đó robot di chuyển dọc theo quỹ đạo được lập trình trước. Ưu điểm
so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định. Người vận hành chỉ thực

hiện công việc kẹp chặt các chi tiết và lấy sản phẩm sau khi hàn xong.
Cảm biến trang bị trên các robot hàn đường phải có khả năng xác định vị trí
đúng của đường hàn. Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về
hình dáng và kích thước thì robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của đường hàn
với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không
đổi sao cho lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi. Xác định đường hàn cho các
vật thể ba chiều phức tạp hơn so với các tấm phẳng vì thường cần phải mô hình hóa
hình học để định ra đường di chuyển của robot.
2.2.3 Các nghiên cứu về robot hàn:
Trên thế giới, có nhiều nước nhiều hãng chế tạo thành công robot hàn và bán
phổ biến trên thị trường như hãng Panasonic của Nhật, hãng KuKa của Đức
Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp
-Trang 25-

Hình 2.13: Robot hàn VR-006AL của hãng Panasonic (Nhật)
Robot hàn VR-006AL của Nhật với đặc tính đa dụng và linh hoạt với khả
năng thực hiện quá trình lập trình, hàn gia công chi tiết tự động, độ vươn của robot
1.75m, khả năng di chuyển theo 6 phương tự do. Robot này được lập trình cho các
ứng dụng tự động trong ngành công nghiệp hàn như CO2/MAG/pulse/MIG/TIG.

Hình 2.14: Robot hàn KR 6ARC của hãng KUKA của Đức
Với các đặc tính tiêu biểu: Thiết kế chắc chắn, tiết kiệm diện tích, sử dụng
động cơ servo AC với 6 bậc tự do, tầm với 1.611mm, thích hợp ở mọi vị trí, có
phanh ở tất cả các trục, khả năng lưu chương trình hàn không giới hạn, vận hành và
lập trình dễ dàng.