GIÁO TRÌNH CAD CAM PHẦN 4 ROBOT CÔNG NGHIỆP CHƯƠNG 10

Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
Lê Trung Thực

Phần IV
ROBOT CÔNG NGHIỆP
Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
10.1 Khái niệm

Robot là 1 máy lập trình được và có công dụng chung, có những đặc điểm
giống với người. Điển hình của đặc điểm này là tay của người máy.
Tay máy cùng với khả năng có thể lập trình được của Robot được dùng vào
nhiều công việc khác nhau trong công nghiệp, bao gồm: nạp phôi cho máy, hàn
điểm, lắp ráp. Robot có thể được lập trình để thực hiện một loạt các chuyển động và
có thể lặp lại thứ tự các chuyển động mãi cho đến khi được lập trình để thực hiện
những công việc khác.
Robot công nghiệp có những điểm giống máy NC: cũng cùng loại công nghệ
NC. Điều khiển máy NC như thế nào thì điều khiển tay Robot cũng như vậy. Robot
nhẹ hơn, dễ di chuyển hơn so với máy NC. Robot được dùng cho nhiều công việc
chung hơn như cấp phôi. Tuy vậy việc lập trình cho Robot có khác so với máy NC.
Thông thường việc lập trình NC được thực hiện ngoại tuyến (Off-line) với các
lệnh được chứa trên băng lỗ. Còn lập trình Robot thường được thực hiện trực tuyến
(ON – Line) với các dòng lệnh chứa trong bộ nhớ điện tử của Robot. Ngoài những sự
khác nhau trên có rất nhiều điểm giống nhau giữa Robot và máy NC về công nghệ
điều khiển môtơ (lực), hệ thống phản hồi và xu hướng điều khiển nhờ máy tính và
ngay cả một số ứng dụng công nghiệp khác.
Khái niệm Robot được người biết đến nhờ các tiểu thuyết “chiến tranh giữa
các vì sao”, “Termination”, “ Robotcop” – Đại học Robot đònh nghóa Robot như sau:

Robot là một thiết bò có nhiều chức năng lập trình, được thiết kế để di chuyển
vật liệu, phôi, dụng cụ hoặc những thiết bò chuyên dùng qua các chuyển động được
lập trình khác nhau và thực hiện những vụ khác nhau.

Có nhiều cố gắng để đổi tên gọi Robot. George Devol là một trong những nhà
sáng chế đầu tiên trong công nghiệp Robot gọi sáng chế ứng dụng của ông là “Bộ
di chuyển đồ vật lập trình được”. Trong nhiều năm hãng Motor Ford dùng tên gọi
“Thiết bò di chuyển vạn năng” thay vì “Robot”. Ngày nay từ “Robot” đã trở nên quen
thuộc, ăn sâu vào ngôn ngữ với ý niệm một thiết bò có nhiều đặc tính giống người.

10.2 CÁC CẤU HÌNH VẬT LÝ CỦA ROBOT
Robot có 4 cấu hình:
1/ Cấu hình tọa độ cực
2/ Cấu hình tọa độ trụ
3/ Cấu hình khớp tay
4/ Cấu hình tọa độ Decart

CAD/CAM

145


Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
Lê Trung Thực
Bốn cấu hình trên được vẽ trên hình 10.1

Hình 10.1. Cấu hình Robot
a) Tọa độ cực, b) Tọa độ trụ, c) Khớp tay, d)Tọa độ Decart

10.3. CÁC CHUYỂN ĐỘNG CƠ BẢN CỦA ROBOT
CAD/CAM

146

Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
Lê Trung Thực
Các chuyển động này gồm 6 bậc tự do, 6 chuyển động gồm:
• 3 chuyển động thân và tay
• 3 chuyển động cổ tay
Không phải tất cả Robot đều có đủ cả các bậc tự do
Các chuyển động của thân và tay gồm :
1/ Xoay lên xuống
2/ Trượt hướng kính
3/ Xoay quanh trụ Z
Các chuyển động khớp:
4/ Quay khớp cổ tay
5/ Quay khớp khủy tay
6/ Quay khớp ngón tay (gắp)

Hình 10.2. Sáu bậc tự do trong chuyển động của ROBOT
Ngoài ra còn có thể có thêm chuyển động phụ, thí dụ di chuyển trên đường ray
bố trí trên nền nhà.
CAD/CAM

147


Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
Lê Trung Thực
Hệ thống chuyển động:
Giống như máy NC, hệ thống chuyển động Robot có thể được phân loại ra
thành điểm – điểm và đường cong.

10.4. Các đặc điểm kỹ thuật khác

1/ Không gian làm việc của Robot: là phạm vi di chuyển theo mọi hướng của
robot
2/ Độ chính xác của chuyển động: là khả năng lặp lại chính xác cùng một
chuyển động của robot.
3/ Tốc độ chuyển động (max 1,5m/s )
4/ Khả năng mang nặng (từ 10 kg - 900 kg)
5/ Loại hệ điều khiển
Thủy lực – mạnh nhưng chậm
- Mô tơ điện – yếu nhưng chính xác
- Khí nén - nhỏ gọn, nhanh.

10.5. Lập trình cho Robot

Có 4 phương pháp :
1/ Phương pháp lập trình bằng tay
2/ Phương pháp lập trình dắt mũi.
3/ Phương pháp dạy robot chuyển động.
4/ Phương pháp lập chương trình ngoại tuyến.
Manual Method là phương pháp dùng cho Robot đơn giản ít chức năng, chủ yếu
là bật tắt công tắc.
Walk through Method: là điều khiển chuyển động của Robot bằng tay rồi ghi
vào bộ nhớ. Vận tốc không phụ thuộc. Dùng phun sơn, hàn.
Lead through Method: là phương pháp dạy Robot qua các chuyển động. Thiết bò
dạy thường là thiết bò với các nút nhấn và xoay để điều khiển Robot thực hiện các
chuyển động vật lý. Phương pháp Lead through được dùng rất rộng rãi trong lập trình
Robot vì dễ thích ứng.
Off–

Off–Line Programming: là phương pháp giống như NC Programming. Chương
trình được chuẩn bò bên ngoài và đưa vào bộ nhớ Robot để dùng trong chu kỳ sản
xuất. Phương pháp này có ưu điểm sau:
• Không mất thời gian dạy Robot thực hiện công việc.
• Thực hiện khi Robot đang bận công việc. Như vậy thời gian sử dụng sẽ
được nhiều hơn.
Một ưu điểm nữa trong lập trình Off – Line là triển vọng tích hợp Robot trong hệ
thống thông tin và CSDL CAD/CAM của nhà máy. Trong sản xuất tương lai, lập
trình Robot sẽ được thực hiện bởi hệ thống CAD/CAM tiên tiến, giống như chương
trình gia công NC mà công nghệ CAD/CAM hiện nay đã thực hiện.

10.6. CÁC NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH ROBOT
CAD/CAM

148


Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
Lê Trung Thực
Những Robot không dùng Computer để điều khiển thì không cần ngôn ngữ lập
trình. Chúng được lập trình bằng phương pháp Walk – through hay Lead through,
còn Robot đơn giản thì được lập trình bằng tay. Chỉ khi cần điều khiển Robot bằng
máy tính mới cần đến ngôn ngữ đònh hướng lập trình cho Robot. Trong phần này ta
sẽ bàn đến 2 ngôn ngữ lập trình Robot. Đó là:
• VAL – phát triển bởi công ty Unimation PUMA
• MCL – Phát triển bởi công ty Mcdonnell – Douglass – dựa trên ngôn ngữ
APT.
Ngôn ngữ VAL:
VAL: Được phát triển bởi Victor Shneinmam cho Robot PUMA –
Robot lắp ráp do hãng Unimation sản xuất. Vì vậy ngôn ngữ có tên là Victors

Assembly Language, viết tắt là VAL. Lập trình được thực hiện ngoại tuyến (off –
line), nhưng khác một cái là vò trí điểm khác nhau trong chu kỳ làm việc lại thường
lập trình theo phương pháp Lead through.
Các dòng lệnh được chia ra làm 2 loại: lệnh điều khiển và lệnh lập trình.
Lệnh điều khiển là lập hợp những lệnh hướng dẫn hoạt động của hệ thống
Robot.
Lệnh điều khiển dùng để thực hiện các công việc sau:
- Chuẩn bò hệ thống cho người dùng viết chương trình cho PUMA
Xác đònh các điểm trong không gian
- Điều khiển PUMA thực hiện chương trình
Liệt kê các chương trình trên màn hình CRT
Một số lệnh quan trọng này là:
• Edit (viết tắt là ED) dùng để tạo ra hay sửa một chương trình.
Thí dụ: Edit TEST
Hay
ED
TEST
ED
TOM
• EXECUTE
EXECUTE (viế
( t tắt là EX):
EX) Dùng để điều khiển Robot thực hiện 1 tên
chương trình. Người dùng có thể chỉ ra số lần lặp lại chương trình.
Thí dụ: EX TEST
EX TEST, 5
• SPEED (viết tắt là SP) : chỉ đònh tốc độ dụng cụ của Robot. Lệnh này
phải đi trước lệnh EXECUTE.
Thí dụ SPEED 50
Hay

SP 50
• HERE:
HERE xác đònh vò trí hiện tại của Robot bằng 1 ký hiệu do người dùng
chỉ đònh.
Thí dụ: HERE A
HERE PR1.
Người dùng di chuyển Robot đến vò trí cần thiết bằng tay nhờ thiết bò dạy học.
Khi Robot ở vò trí cần thiết rồi, người dùng xác đònh vò trí đó với lệnh HERE.
HERE Màn

CAD/CAM

149


Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
Lê Trung Thực
hình CRT cho hiện 6 vò trí trục của PUMA. Người dùng sau đó nhấn nút ENTER để
tiếp tục.
Các lệnh
nh lập trình là tập các lệnh được dùng để viết chương trình cho Robot.
Các chương trình trong VAL hướng dẫn thứ tự các chuyển động của PUMA. Mỗi một
câu lệnh thường là ứng với 1 chuyển động của tay hoặc bàn tay Robot.
Các thí dụ về lệnh chương trình gồm:
Move to a point
Move to a point in a Straight – Line Motion.
Open gripper
Close gripper.
Các lệnh được nhập vào bộ nhớ để hình thành chương trình với việc trước tiên là
dùng lệnh EDIT. Việc này chuẩn bò để hệ thống nhận chương trình theo một thứ tự

cần thiết. Một số các lệnh quan trọng là:
• MOVE:
MOVE Di chuyển Robot đến vò trí điểm hoặc đường thẳng và đònh
hướng theo ký hiệu. Thí dụ MOVE A.
• APPRO:
APPRO thí dụ APPRO A, 50 có nghóa chuyển đến vò trí cách điểm A
50mm theo chiều Z của dụng cụ.
• APPROS:
APPROS giống như APPRO nhưng có khác là chỉ chuyển động đến gần
điểm mong muốn theo qũy đạo đường thẳng.
Thí dụ APPROS A, 50
• DEPART:
DEPART Di chuyển dụng cụ theo trụ Z
Thí dụ DEPART, 50
• OPENI và CLOSEI:
CLOSEI Điểu khiển khí nén để mở hoặc đóng tay máy ngay
tức thì.
Thí dụ OPENI
CLOSEI
• EXIT:
EXIT Thoát khỏi chương trình và hệ thống điểu khiển trở về mode
Giám sát.

Ngôn ngữ MCL:
MCL

Là tên gọi của Machine Control Language và được phát triển bởi Mcdonall –
Douglas Corporation theo hợp đồng với Không lực Hoa kỳ ICAM (Integrated
Computer – Aided Manufacturing). Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ APT, nhưng
dùng để thiết kế chương trình điều khiển một tế bào sản xuất hoàn thiện, kể cả một

tế bào có Robot. Ngôn ngữ MCL là sự cải tiến của APT, có những chọn lựa và đặc
điểm cần thiết để lập trình ngoài máy cho tế bào làm việc có Robot.
Ngôn ngữ MCL có thêm một số từ để tăng thêm khả năng như :
• VISION
• INSPECTION
• Điểu khiển tín hiệu
Một số lệnh được giới thiệu dưới đây :
• DEVICE:
DEVICE Lệnh cho thiết bò của tế bào làm việc

CAD/CAM

150


Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
Lê Trung Thực
• SEND:
SEND Truyền tín hiệu đi
• RECEIVE:
RECEIVE Nhận tín hiệu về
• WORKPT:
WORKPT ( Work point) xác đònh đầu dụng cụ.
• ABORT:
ABORT Dừøng các hoạt động của Robot
• REGION:
REGION Xác đònh đường đi 2 chiều (2D) để kiểm soát (Vision
Processing)
• LOCATE:
LOCATE Tìm và xác đònh phôi trong vùng thấy được và để xác đònh vò

trí và đònh hướng của chi tiết.
MCL cũøng cho phép xác đònh các câu lệnh như MACRO. Sau khi chương
trình được viết, nó được biên dòch để tạo ra CLFILE. Việc đònh nghóa CLFILE là mở
rộng các khả năng của MCL để thích ứng với APT. Sự mở rộng này gồm:
- Xác đònh các thiết bò khác nhau bên trong tế bào sản xuất và các nhiệm
vụ do thiết bò thực hiện.
- Xác đònh trước các khung tham chiếu liên kết với các máy khác nhau
hoặc các thiết bò khác nhau trong tế bào làm việc.
- Các khung tham chiếu do người dùng xác đònh có thể được dùng để xác
đònh hình dạng vật thể.
MCL có thể dùng để thực hiện việc lập trình ngoài máy cho những tế bào phức
tạp làm việc có Robot.

10.7. END EFEECTOR - BÀN TAY ROBOT
Bàn tay Robot có 2 loại:
1/ Tay gắp
2/ Dụng cụ

Tay gắp gồm:
-

Tay gắp cơ khí
Tay hút khí
Tay hút bằng nam châm
Câu (móc)
Xúc, múc, muỗng.

Các đầu dụng cụ khác:

- Mũi hàn điểm

- Đầu hàn, cắt bằng gió đá
- Súng phun sơn
- Chổi cạo rỉ, đá mài
Trong các đầu này có những cơ cấu thay nhanh khi cần đổi từ đầu này sang đầu
kia. Một số tay gắp được vẽ trên hình 10.3.

CAD/CAM

151


Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
Lê Trung Thực

Hình 10.3. Một số thí dụ tay gắp của người máy
a) Tay gắp kiểu khớp xoay; b) Tay gắp kiểu khớp trượt,
b) c) Tay gắp kép; d) Tay gắp châm không.

10.8. ĐIỂU KHIỂN WORKCELL VÀ KHÓA LẪN
(INTERLOCKS)
♦ Điểu khiển Workcell

1. Điểu khiển trậït tự hoạt động các thành phần của Workcell
2. Điểu khiển hoạt động đồng thời
3. Quyết đònh tiếp trên cơ sở tín hiệu vào
Các chức năng phụ có thể là:
4. Ra quyết đònh Logic
5. Thực hiện việc tính toán
6. Xử lý sự cố máy hỏng
7. Thực hiện chu kỳ không thường xuyên, thí dụ thay dụng cụ theo chu

kỳ.
Để có thể thực hiện các chức năng trên bộ điểu khiển Workcell phải nhận tín
hiệu từ các thiết bò khác trong Workcell và nó phải giao tiếp với các tín hiệu của
các phần tử của Workcell. Các tín hiệu này được thực hiện nhờ interlock và sensor
♦ Interlock: Khóa lẫn là một đặc điểm của tế bào sản xuất, dùng để ngăn
ngừa sự tiếp tục chu kỳ làm việc cho đến khi thỏa mãn một hoặc nhiều điều kiện
nhất đònh. Trong một tế bào làm việc có robot, có hai loại khóa lẫn: ra (outgoing) và
CAD/CAM

152


Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
Lê Trung Thực
vào (incoming). Khóa lẫn ra là tín hiệu được hệ thống điều khiển máy gửi tới máy
hoặc thiết bò bên ngoài cho nó làm việc hoặc thôi làm việc. Thí dụ khóa lẫn ra được
dùng để ngăn ngừa việc khởi động máy chừng nào chưa nhận được tín hiệu từ hệ
thống điều khiển của tế bào máy. Khóa lẫn vào là tín hiệu từ máy hoặc thiết bò bên
ngoài tới bộ điều khiển của tế bào máy xác đònh bước công nghệ được lập trình có
được thực hiện hay không. Thí dụ khóa lẫn vào ngăn ngừa việc tiếp tục một chy kỳ
được lập trình cho đến khi máy được thông báo là đã hoàn tất việc gia công.
Việc sử dụng khóa lẫn có một ưu điểm quan trọng trong việc kiểm soát chu kỳ làm
việc của tế bào vì nó ngăn chặn hoặc cho phép việc xảy ra những hành động cần
thiết.
Khi thiết kế việc khóa lẫn, các kỹ sư ứng dụng phải xem xét hai yếu tố: hoạt động
bình thường của chu kỳ và những sự cố có thể xảy ra. Sau đó các hoạt động bình
thường được giới hạn bởi các công tắc hành trình, giới hạn áp suất, các thiết bò điện
cơ và các thành phần khác của hệ thống. Những sự cố có thể xảy ra được ngăn ngừa
bởi bằng các thiết bò tương tự.

10.9. ROBOTIC SENSORS

(Các cảm biến dùng trong Robot)
Robotic Sensor có 3 loại:
1/ Vision sensor - Cảm biến thò giác
2/ Tactile and Proximity sensor - Cảm biến xúc giác và cận kề
3/ Voice sensorsensor- Cảm biến thính giác
Vision Sensors
Cảm biến thò giác là một trong những lónh vực thu hút nhiều sự quan tâm
trong nghiên cứu Robot. Công nghệ Vision rất quan trọng trong sản xuất tương lai.
Để nhìn, Robot dùng một máy quay vidéo, một nguồn đủ sáng, và một máy tính
được lập trình để nhận dạng dữ liệu hình ảnh. Camera được đặt trên Robot hay một
vò trí cố đònh bên trong Robot sao cho có thể thấy hết vùng làm việc của Robot.
Phần mềm máy tính sẽ làm cho hệ thống có thể cảm nhận được sự có mặt của
vật thể tại vò trí và sự đònh hướng của nó. Khả năng này cho phép Robot thực hiện
các công việc sau:
- Lấy phôi từ băng tải đưa đến
- Nhận ra những phân tử riêng biệt lẫn lộn trong số các phần tử khác.
- Thực hiện sự kiểm tra kết qủa nhìn thấy
- Thực hiện việc lắp ráp có đònh hướng
Những công việc này được thực hiện trong phòng thí nghiệm nghiên cứu.

Các cảm biến xúc giác và cận kề

Có 2 loại cảm biến xúc giác:
- Cảm biến tiếp xúc
- Cảm biến ứng lực (cảm biến lực)

CAD/CAM

153


Chương 10. CÔNG NGHỆ ROBOT
Lê Trung Thực

Cảm biến xúc giác được dùng đơn giản để chỉ ra sự tiếp xúc với vật được xảy ra
ở đâu, chỉ cần một công tắc đơn giản cũng có thể làm cảm biến tiếp xúc.
Cảm biến lực được dùng để đo độ lớn của lực tiếp xúc. Thường đây là những
cảm biến đo lực.
Các cảm biến gần đúng dùng để cảm nhận một vật gần với vật khác.
Cảm biến
loại này thường gắn trên tay gắp hoặïc gần chỗ gắp. Khả năng cảm
nhận được tính toán nhờ thiết bò gần đúng kiểu quang học, thiết bò phát hiện gần
đúng kiểu dòng khí xoáy, các cảm biến từ trường, v.v.
Trong công nghiệp Robot cảm biến gần đúng được dùng để phát hiện sự có
mặt hay không của vật trong vùng làm việc. Chúng cũng có ích trong việc ngăn ngừa
những tai nạn đối với những người làm việc với Robot trong nhà máy.

Cảm biến thính giác: (Voice Senser)

Robot được trang bò một hệ thống nhận ra tiếng nói. Thiết bò này dùng giọng nói
khi nhập dữ liệu và so sánh với tập giọng được lưu trong bộ nhớ. Khi giọng nói nằm
trong vùng chấp nhận được, Robot sẽ thực hiện lệnh. Cảm biến thính giác được
dùng trong lập trình Robot để lập trình, giống như lập trình NC. Nó cũng có ích trong
môi trường làm việc mạo hiểm để thực hiện một công việc đặc biệt như bảo trì và
sửa chữa. Robot có thể đặt trong vùng nguy hiểm để thực hiện việc sửa chữa nhờ sự
ra lệnh bằng giọng nói của người lập trình .
Câu hỏi ôn tập
1. Robot là gì? Robot có mấy cấu hình? Robot thường có những chuyển động

nào? Những thông số nào đặc trưng cho đặc tính kỹ thuật của Robot?
2. Robot được lập trình như thế nào? Có giống như lập trình NC không? Có
những ngôn ngữ nào dùng để lập trình ngoại tuyến cho robot?
3. Như thế nào là khóa lẫn trong tế bào máy. Khóa lẫn vào và khóa lẫn ra khác
nhau như thết nào? Việc khóa lẫn được thự hiện như thế nào khi lên kế
hoạch làm việc cho tế bào máy?
4. Có những loại cảm biến nào được dùng trong robot? Hãy cho biết ưu nhược
điểm của chúng?

HẾT CHƯƠNG 10

CAD/CAM

154