Nghiên cứu, sửa chữa, phục hồi và thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển cho robot cấp phôi tự động và xây dựng mô hình thí nghiệm cho robot pick up

Lời nói đầu

Sự phát triển vợt bậc của cách mạng khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong
lĩnh vực điện tử, tin học đã thúc đẩy các ngành khác, cùng phát triển. Xu hớng
phát triển trong lĩnh vực công nghiệp hiện nay trên thế giới là tự động hoá, linh
hoạt trong sản xuất theo hớng ứng dụng robot công nghiệp vào trong sản xuất.
Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay, việc ứng dụng robot vào trong sản xuất còn
rất hạn chế và mới mẻ. Những kỹ s phải có một kiến thức sâu rộng về robot công
nghiệp và ứng dụng robot công nghiệp vào trong sản xuất. Chính những suy nghĩ
này đã đa chúng em đến với đề tài: "Nghiên cứu, sửa chữa, phục hồi và thiết
kế, lắp đặt hệ thống điều khiển cho robot cấp phôi tự động và xây dựng mô
hình thí nghiệm cho robot pick-up".
Vì đây là một đề tài lớn, nên nhóm chúng em gồm 6 ngời Trần Thái Lai,
Nguyễn Ngọc Thái, Nguyễn Mạnh Toàn, Trần Minh Hải, Bùi Trung Kiên, Phạm
Đức Thành cùng thực hiện đề tài này. Trong đó nhóm ba ngời chúng em tập
trung tìm hiểu và phục hồi các kết cấu cơ khí, điều khiển các cơ cấu chấp hành,
xây dựng mô hình thí nghiệm với chi tiết dạng trụ vào lập trình cho robot chạy
theo mô hình đã xây dựng.
Là những sinh viên cơ khí chuyên ngành chế tạo máy, không có kiến thức
chuyên sâu về điện tử và điều khiển nên chúng em đã gặp không ít những bối rối
và khó khăn khi tiếp cận với đề tài này. Tuy nhiên đợc sự hớng dẫn, chỉ bảo tận
tình của TS. Phạm Văn Hùng, chúng em đã thực hiện thành công đề tài này,
robot và mô hình thí nghiệm đã hoạt động ổn định với độ tin cậy cao và là một
bài thí nghiệm sinh động cho hơn 450 sinh viên ngành chế tạo máy khoá 46.
Vừa qua đề tài của chúng em đã tham gia dự thi sinh viên nghiên cứu khoa
học và đã đợc giải khuyến khích.
Tuy bớc đầu đã có kết quả. Nhng đây là một bài toán thực tế đầu tiên mà
chúng em giải quyết nên không tránh khỏi những sai sót do thiếu kinh nghiệm
thực tế. Chúng em rất mong nhận đợc sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ
môn Máy và Ma sát học để đề tài của chúng em hoàn thành hơn.
Sau cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Phạm Văn

Hùng cùng toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn Máy và Ma sát học đã hớng
dẫn chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi giúp chúng em hoàn thành đề tài này.

1


Chơng I: giới thiệu về Robot
I. lịch sử phát triển của Robot công nghiệp:

Nhu cầu nâng cao năng xuất và chất lợng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng
dụng rộng rãi các phơng tiện tự động hoá sản xuất. Xu hớng tạo ra những 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 trờng luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại. Về kích cỡ và về
tính năng v.v Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng Robot để tạo ra
các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.
Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1922 trong tác phẩm
Rossums Universal Robot của nhà văn tiệp khắc có tên là Karel Capek. Theo
tiếng Séc thì Robot là ngời làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rossum
và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống nh con ngời để hầu hạ
con ngời.
Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở mỹ do công ty
AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một
thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng nh tay ngời đợc điều khiển tự
động thực hiện một số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran.
Quá trình phát triển của IR đợc tóm tắt nh sau:
-

Từ những năm 1950 ở mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên.

- Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là
Versatran của công ty AMF.
- ở Anh ngời ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của mỹ
từ những năm 1967.
- ở các nớc Tây âu khác nh: Đức, ý, Pháp, Thụy Điển thì bắt đầu chế
tạo IR từ những năm 1970.
- Châu á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968.
Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR trong số đó
có 80 công ty của Nhật, 90 công ty của Tây Âu, 30 công ty của Mỹ và một số
công ty của Nga, Tiệp
II. Phân loại Robot (IR):

2


1. Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin của tay
máy-ngời máy đã đợc sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các
thế hệ sau:
Thế hệ 1: thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chơng trình cứng
không có khả năng nhận biết thông tin.
Thế hệ 2: thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chơng trình mềm bớc đầu
đã có khả năng nhận biết thông tin.
Thế hệ 3: thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận biết
thông tin và bớc đầu đã có một số chức năng lý trí của con ngời.
2. Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động:
Thông thờng cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp đợc mô hình
hoá trong dạng chuỗi động với các khâu và các khớp nh trong nguyên lý máy với
các giả thuyết cơ bản sau:
-

Chỉ sử dụng các khớp động loại 5 ( khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp

-

Trục quay hớng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với

-

Chuỗi động chỉ là chuỗi động hở đơn giản:

vít).
nhau.
Ta ví dụ một chuỗi động của một tay máy công nghiệp có 6 bậc tự do, các
khớp A, B, F là các khớp tổng quát, có nghĩa là chúng có thể là khớp quay, cũng
có thể là khớp tịnh tiến, các khớp D, E, K chỉ là những khớp quay. Các khâu đợc
đánh số bắt đầu từ 0 - giá cố định, tiếp đến là các khâu 1, 2, ...n - các khâu động,
khâu tổng quát ký hiệu là khâu i, (i= 1, 2, 3, ...n), khâu n cuối cùng mang bàn
kẹp của tay máy. Tơng tự nh tay ngời để bàn kẹp gồm có 3 loại chuyển động, tơng ứng với các chuyển động này là 3 dạng của cấu trục máy nh sau:
- Cấu trúc chuyển động toàn bộ (chân ngời) cấu trúc này thực hiện
chuyển động đem toàn bộ tay máy (tay ngời) đến vị trí làm việc. Cấu trúc này
hết sức đa dạng và thông thờng nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ
thống mà chuyển động này cần có sự kiểm soát. Ngời ta thờng coi tay máy là
đứng yên, khâu 0 gọi là giá cố định của tay máy.
- Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm các khớp A, B và F các khâu 1, 2
và 3, chuyển động của cấu trúc này đem theo bàn kẹp với vị trí làm việc. Do giả
thiết về loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thờng ta có những phối
3


hợp sau đây của các khớp và từ đó tạo nên những cấu trúc xác định vị trí của bàn

kẹp trong các không gian vị trí khác nhau của bản kẹp. Phối hợp TTT nghĩa là 3
khớp đều là khớp tịnh tiến và một khớp quay. Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ
toạ độ Đề Các so với các toạ độ So vì 3 điểm M nằm trên khâu 3 khớp đều là
khớp tịnh tiến và một chuyển động quay (tức là hai toạ độ dài).
Phối hợp TRT, RTT, hay TTR nghĩa là một khớp tịnh tiến hai khớp
quay( các cấu trúc 2, 3, và 4). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ trụ so
với điểm M trên khâu 3 đợc xác định bởi 2 chuyển động tịnh tiến và một chuyển
động quay (tức là hai toạ độ dài một toạ độ góc).
Phối hợp RTR, RRT, TTR nghĩa là hai khớp tịnh tiến và hai khớp quay
( các cấu trúc 5, 6, 7, 8, 9 và 10). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ cầu
so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 đợc xác định bởi một chuyển động tịnh tiến
và hai chuyển động quay (tức là một toạ độ dài hai toạ độ góc).
Phối hợp RRR tức là 3 khớp quay (các cấu trúc 11,12) đây là các cấu trúc
hoạt trong toạ độ góc so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 đợc xác định bởi ba
chuyển động quay (tức là ba toạ độ góc), cấu trúc này đợc gọi là cấu trúc phỏng
sinh học.
Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng đợc sử dụng
chuyên môn hoá và đặc biệt là để đảm bảo giá thành và giá đầu t vào tay máy
thấp, ngời ta không nhất thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay máy có đủ ba khớp
động cho cấu trúc xác định vị trí.
Đối với tay máy công nghiệp đã có hơn 250 loại, trong số đó có hơn 40%
là loại tay máy có điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất.
Sự xuất hiện của IR và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản xuất và xã
hội loài ngời làm xuất hiện một nghành khoa học mới là nghành Robot học
(Robotic). Trên thế giới nhiều nời đã xất hiện những viện nghiên cứu riêng về
Robot.
ở Việt Nam, từ những năm giữa thập kỷ 80 đã có viện nghiên cứu về
Robot.
III. Sơ đồ cấu trúc chức năng của Robot:

Vậy Robot là gì? cho tới hiện nay cha có một định nghĩa chính xác về
Robot, và cứ hai năm một lần ngời ta lại tổ chức một hội nghị khoa học bàn về
Robot, nhằm thông tin những thành tựu đã đạt đợc trong nghiên cứu và chế tạo

4


Robot đồng thời thống kê các thuật ngữ về Robotic, để hiểu đợc về IR trớc hết
chúng ta quan sát sở đồ cấu trúc và chức năng của IR nh sau:
Ngời vận hành

Hình 1-1: Sơ đồ cấu trúc và chức năng của Robot.
Thiết
bị liên hệ
Trong sơ đồ trên, các
đờng
chỉ mối quan hệ thông tin thuận,
với ngời vận
hành
thông tin chỉ huy nhiệm vụ
Robot. Các đờng
chỉ mối liên hệ thông tin ngợc, thông tin phản hồi về quá trình làm việc của Robot.
Hệbộ
thống
Chức năng của
phậnđiều
giaokhiển
tiếp là liên lạc với ngời vận hành là thực hiện

quá trình dạy học cho Robot, nhờ đó Robot biết đợc nhiệm vụ phải thực hiện.

Hệ thống

Hệ thống

Hệ thống

Chức năng
củađộng
hệ thống điềuchịu
khiển
việc
lực là thực hiệnbiến
truyền
tín tái
hiệuhiện lại các hành
động nhiệm vụ đã đợc học.
Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ sức chịu đợc tải trọng mà
Môi trtrình
ờng bên
ngoài
Robot phải chịu trong quá
làm
việc, bộ phận này bao gồm:
Phần 1: Bộ phận chịu chuyển động , phần tạo các khả năng chuyển động
cho Robot.
Phần 2: Bộ phận chịu lực, phần chịu lực của Robot.
Bộ cảm biến tín hiệu làm nhiệm vụ nhận biết, đo lờng và biến đổi thông
tin các loại tín hiệu nh: các nội tín trong bản thân Robot, đó là các tín hiệu về vị
trí, vận tốc, gia tốc, trong từng thành phần của bộ phận chấp hành các ngoại tín
hiệu, là các tín hiệu từ môi trờng bên ngoài có ảnh hởng tới hoạt động của

Robot.
Với cấu trúc và chức năng nh trên, Robot phần nào mang tính ngời còn
phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc.
Với IR tính chất ngời và máy cũng đợc thể hiện đầy đủ nh trên, duy
trì hình thức mang dáng dấp của tay ngời.
Tay máy công nghiệp thờng có những bộ phận sau:
Hệ thống điều khiển: Thờng là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận hành
theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín.
Hệ thống chấp hành: Bào gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền động,
hệ thống chịu lực nh: các động cơ thuỷ, khí nén, cơ cấu servo điện tử, động cơ bớc. Mỗi chuyển động của IR thờng có một động cơ riêng và các thanh chịu lực.

5


Bàn kẹp: Là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy, nơi cầm nắm
các thiết bị công nghệ hay vật cần di chuyển.
IV. ứng dụng Robot trong công nghiệp:

1.

Mục tiêu ứng dụng Robot trong công nghiệp:

Nhằm góp phần nâng cao năng suất day truyền công nghệ, giảm giá thành,
nâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện
điều kiện lao động của con ngời. Điều đó xuất phát từ những u điểm cơ bản của
Robot và đã đợc đúc kết qua nhiều năm đợc ứng dụng ở nhiều nớc. Những u
điểm đó là:
- Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý, bằng hoặc hơn một
ngời thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế Robot
có thể nâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế nữa

Robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc, thích nghi nhanh với việc thay
đổi mẫu mã, kích cỡ của sảm phẩm theo yêu cầu của thị trờng.
- Có khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là bởi vì giảm
đợc đáng kể chi phí cho ngời lao động nhất là ở các nớc phát triển có mức tiền lơng của ngời lao động rất cao, cộng với các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội.
Theo số liệu của Nhật Bản thì Robot làm việc thay cho một ngời thợ thì tiền mua
Robot chỉ bằng tiền chi phí cho ngời thợ trong vòng 3-5 năm, tuỳ theo Robot làm
việc một ngày mấy ca. Còn ở Mỹ, trung bình trong mỗi giờ làm việc Robot có
thể đem lại tiền lợi là 13 USD. ở nớc ta trong những năm gần đay có nhiều
doanh nghiệp có khoản chi phí về lơng bổng cũng chiếm tỷ lệ cao trong giá
thành sản phẩm.

Hình 1-2: ứng dụng Robot phục vụ máy công cụ

6


- Việc ứng dụng Robot có thể làm tăng năng suất của dây truyền công
nghệ. Sở dĩ nh vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trơng của dây truyền sản xuất, nếu
không thay thế con ngời bằng Robot thì thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng
mệt mỏi. Theo tài liệu của Fanuc-Nhật Bản thì năng xuất có khi tăng 3 lần.
- ứng dụng Robot có thể cải thiện đợc điều kiện lao động. Đó là u điểm
nổi bật nhất mà chúng ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi
ngời lao động phải lao động suốt buổi trong môi trờng bụi bặm, ẩm ớt, nóng nực,
hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần. Thậm trí ở nhiều nơi, ngời lao động còn
phải làm việc dới môi trờng độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con ngời, dễ xảy ra
tai nạn, dễ bị nhiễm hoá chất độc hại, nhiễm sóng điện từ, phóng xạ...

Hình 1-3: ứng dụng Robot trong quá trình hàn
2. Các bớc ứng dụng Robot:
Việc u tiên đầu t trớc hết để nhằm để đồng bộ hoá cả hệ thống thiết bị, rồi

tự động hoá và Robot hoá chúng khi cần thiết để quyết định đầu t cho cả dây
truyền công nghệ hoặc chỉ ở một vài công đoạn. Ngời ta thờng xem xét các mặt
sau:
- Nghiên cứu quá trình công nghệ đợc Robot hoá và phân tích toàn bộ hệ
thống nếu không thể hiện rõ thì việc đầu t Robot hoá là cha nên.
-

Xác định các đối tợng cần Robot hoá:

Khi xác định cần phải thay thế Robot ở những nguyên công nào thì phải
xem xét khả năng liệu Robot có thay thế đợc không và có hiệu quả hơn không.
Thông thờng ngời ta u tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, bụi bặm ồn ào,
độc hại, căng thẳng hoặc quá đơn điệu. Xu hớng thay thế hoàn toàn bằng Robot

7


thực tế không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà đòi hỏi sự khéo
léo của con ngời.
-

Xây dựng mô hình quá trình sản xuất đã đợc Robot hoá:

Sau khi đã xác định đợc mô hình tổng thể quá trình công nghệ, cần xác
định rõ dòng chuyển dịch nguyên liệu và dòng thành phẩm để đảm bảo sự nhịp
nhàng đồng bộ của từng hệ thống. Có thế mới phát huy đợc hiệu quả đầu t vốn.
- Chọn lựa mẫu Robot thích hợp hoặc chế tạo Robot chuyên dùng. Đây
là bớc quan trọng vì Robot có rất nhiều loại với giá tiền khác nhau. Nếu nh
không chọn đúng thì không những đầu t quá đắt mà còn không phát huy đợc hết
khả năng, nh kiểu dùng ngời không đúng chỗ. Việc này thờng xảy ra khi mua

Robot nớc ngoài, có những chức năng Robot đợc trang bị nhng không cần dùng
cho công việc cụ thể mà nó đảm nhiệm dây truyền sản xuất, vì thế mà đội giá lên
rất cao, chỉ có lợi cho nơi cung cấp thiết bị.
Cấu trúc Robot hợp lý nhất là cấu trúc theo modun hoá, nh thế có thể hạ đợc giá thành sản xuất, đồng thời đáp ứng đợc nhu cầu phục vụ công việc đa dạng.
Cấu trúc càng đơn giản càng dễ thực hiện với độ chính xác cao và giá thành hạ.
Ngoài ra còn có thể tự tạo dựng các Robot thích hợp với công việc trên cơ sở
mua lắp các modun chuẩn hoá. Đó là hớng triển khai hợplý đối với đại bộ phận
xí nghiệp trong nớc hiện nay cung nh trong tơng lai.
3. Các lĩnh vực ứng dụng Robot trong công nghiệp.
- Một trong các lĩnh vực hay ứng dụng Robot là kỹ nghệ đúc. Thờng
trong phân xởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực, bụi
bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lợng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình
thao tác.
Việc tự động hoá toàn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng các dây
truyền tự động thông thờng với các máy tự động chuyên dùng đòi hỏi phải có
các thiết bị phức tạp, đầu t khá lớn. Ngày náy ở nhiều nớc trên thế giới Robot đợc dùng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc, nhng chủ yếu là để phục vụ các
máy đúc áp lực. Robot có thể làm đợc nhiều việc nh rót kim loại nóng chảy vào
khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách
phun cát... Dùng Robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều u điểm: đảm bảo
ổn định chế độ làm việc, chuẩn hoá về thời gian thao tác, về nhiệt độ và điều
kiện tháo vật đúc ra khỏi khuôn ép... bởi thế chất lợng vật đúc tăng lên.

8


Trong nghành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây
mệt mỏi nhất là ở trong các phần xởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng Robot
công nghiệp. Trong phân xơng rèn, robót có thể thực hiện những công việc: đa
phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung ra khỏi lò, mang nó đến máy rèn,
chuyển lại phôi sau khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc thùng... Sử dụng

các loại Robot đơn giản nhất cũng có thể đa năng xuất lao động tăng lên 1,5-2
lần và hoàn toàn giảm nhẹ lao động của công nhân. So với các phơng tiện cơ giới
và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì dùng Robot có u điểm là nhanh
hơn, chính xác hơn và cơ động hơn.
Các quá trình hàn và nhiệt luyện thờng bao gồm nhiều công việc nặng
nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng
Robot công nghiệp (hình 1-4).

Hình 1- 4: ứng dụng Robot trong quá trình nhiệt luyện
Khi sử dụng Robot trong việc hàn, đặc biệt là hàn hồ quang với mối hàn
chạy theo đờng cong không gian cần phải đảm bảo sao cho điều chỉnh đợc phơng
và khoảng cách của điện cực so với mặt phẳng của mối hán. Nhiệm vụ đó cần đợc xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng hệ thống điều
khiển có liên hệ phản hồi. Kinh nghiệm cho thấy rằng có thể thực hiện tốt công
việc nếu thống số chuyển động của đầu điện cực và chế độ hàn đợc điều khiển
bằng một chơng trình thống nhất, đồng thời nếu đợc trang bị các bộ phận cảm
biến, kiểm tra và điều chỉnh. Ngoài ra Robot hàn còn phát huy tác dụng lớn khi
hàn trong những môi trờng đặc biệt.
- Robot đợc dùng khá rộng rãi trong gia công và lắp ráp. Thờng thờng ngời
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...

9


Trong nghành chế tạo máy và dụng cụ đo chi phí về lắp ráp thờng chiếm
đến 40% giá thành sản phẩm. Trong khi đó mức độ cơ khí hoá lắp ráp không quá
10-15% đối với sản phẩm hàng loạt và 40% đối với sản xuất hàng loạt lớn. 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 ngời khi gá đặt các chi
tiết để lắp chúng với nhau thì có thể làm nhanh hơn các thiết bị tự động. Nhng

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 việc sản xuất loạt nhỏ.
Ngày nay đã xuất hiện nhiều loại dây chuyền tự động gồm các máy vạn
năng và Robot công nghiệp. Các dây chuyền đó đạt mức độ tự động cao, tự động
hoàn toàn, không có con ngời trực tiếp tham gia, rất linh hoạt và không đòi hỏi
đầu t lớn. ở đây các nhà máy và Robot trong dây chuyền đợc điều khiển bằng
cùng một hệ thống chơng trình.
Trong một dây chuyền tự động có các máy điều khiển theo chơng trình
Robot có thể đứng một chỗ hoặc theo di động trên đờng ray.
Kỹ thuật Robot có u điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt
hoá sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, Robot và máy điều khiển theo chơng trình đã cho phép tìm đợc những phơng thức mới mẻ để tạo nên các dây
chuyền tự động cho sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu, loại sản phẩm. Dây chuyền
tự động cứng gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu t lớn,
nhiều thời gian để thiết kế và chế tạo trong lúc quy trình công việc luôn luôn cải
tiến, nhu cầu đối với chất lợng và quy cách của sản phẩm luôn luôn thay đổi. Bởi
vậy nhu cầu mềm hóa hay là linh hoạt hoá dây chuyền sản xuất ngày càng tăng.
Kỹ thuật công nghiệp và máy tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các
dây chuyền tự động linh hoạt.
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá sản xuất, trong những năm
gần đây không chỉ các nhà khoa học mà cả các nhà sản xuất đã tập trung sự chú
ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất tự động linh hoạt, gọi tắt là hệ
sản xuất linh hoạt. Hệ sản xuất linh hoạt ngày nay thờng bao gồm các thiết bị gia
công đợc điều khiển bằng chơng trình số, các phơng tiện vận chuyển, kho chứa
trong phân xởng đã đợc tự động hoá và nhóm Robot công nghiệp ở vị trí trực tiếp
làm việc với các thiết bị gia công hoặc thực hiện các nguyên công phụ. Việc điều
10

khiển và kiểm tra điều khiển toàn hệ sản xuất linh hoạt là rất thích hợp với quy
mô sản xuất nhỏ và vừa, thích hợp với yêu cầu luôn luôn thay đổi chất lợng sảm
phẩm và quy trình công nghệ. Bởi vậy ngày nay hệ sản xuất linh hoạt thu hút sự
chú ý không những ở các nớc phát triển mà ngay cả ở các nớc đang phát triển.
Trong một số tài liệu nớc ngoài hệ FMS (Flexible Manufacturing System) này đợc diễn giải nh hệ thống sản xuất linh hoạt, hoàn toàn tự động từ khâu tính toán
thiết kế, điều hành sản xuất, gia công và các công việc phụ khác tất cả đều đợc
điều khiển bởi các máy tính và các phần mềm đợc lập trình sẵn.
Tỷ lệ phân bố các loại công việc đợc dùng Robot:
1. Đúc áp lực

18,3%

2. Hàn điểm

14,7%

3. Hàn hồ quang

12,3%

4. Cấp thoát phôi

9,6%

5. Lắp ráp

9,5%

6. Nghiên cứu, đào tạo

5,7%

7. Phun phủ bề mặt

5,7%

8. Nâng chuyển sắp xếp

3,9%

9. Các việc khác

30,3%

Sự phân bố tỷ lệ các loại Robot với các loại phơng pháp điều khiển khác
nhau:
a. Tay máy điều khiển bằng tay: 4%
b. Robot đợc điều khiển theo chu kỳ cứng: 59%
c. Robot đợc điều khiển theo chu kỳ thay đổi theo chơng trình: 11%
d. Robot đợc điều khiển dùng chơng trình dạy học: 18%
e. Robot điều khiển theo chơng trình số: 5%
f. Robot đợc điều khiển có sử lý tinh khôn: 3%
4. Nội dung nghiên cứu phát triển Robot công nghiệp:
4.1. Nhận xét về quá trình phát triển Robot công nghiệp.

11


Ra đời từ những năm năm mơi, Robot công nghiệp đã có những bớc phát

triển quan trọng. Từ những năm 1960 do sự phát hiện máy vi tính Robot công
nghiệp đã tiếp thu đợc thành tựu mới đó và ngày càng hấp dẫn. Cao trào phát
triển vào những năm 70 và đánh dấu bằng hội nghị quốc tế lần thứ 6 về Thiết
kế chế tạo và ứng dụng Robot công nghiệp tại Chicago năm 1972, sau đó lại
lắng dần xuống, nhất là sau khủng hoảng dầu mỏ 1975, nh để rút kinh nghiệp áp
dụng vào chỗ nào là phát huy hiệu quả hơn. Đến những năm 80 thì xuất hiện nhu
cầu hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS ( Flexible Manufacturing
System) mà Robot nh là bộ phận cấu thành FMS. Nhu cầu đó kích thích sự phát
triển của Robot công nghiệp. Trong năm 90 Robot công nghiệp cũng có bớc phát
triển mới theo hớng đồng bộ hệ thống trên cơ sỏ vận dụng những thành tựu của
công nghệ thông tin ứng dụng.
Bản thân phần kỹ thuật Robot công nghiệp cũng thể hiện các xu thế phát
triển sau đây:
1/ Trong giai đoạn đầu phát triển, ngời ta rất quan tâm đến việc tạo ra
những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, đợc trang bị nhiều loại cảm biến(sensor)
để có thể thực hiện đợc những công việc phức tạp, nh là để chứng tỏ khả năng
thay thế con ngời trong nhiều loại hình công việc.
2/ Khi đã tìm đợc các địa chỉ ứng dụng trong công nghiệp, thì việc đơn
giản hoá kết cấu để tăng độ chính xác định vị và giảm giá thành đầu t lại là
những yêu cầu thực tế đối với thị trờng hành hoá cạnh tranh. Ngày càng có nhiều
cải tiến trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của các thiết bị điều
khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình...
3/ Để mở rộng phạm vi ứng dụng cho Robot công nghiệp nhằm thay thế
lao động với nhiều loại hình công việc, ngày càng rõ nét về xu thế tăng cờng khả
năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trờng làm việc. Các thành tựu khoa học
và tiến bộ kỹ thuật laser, kỹ thuật tia hồng ngoại, kỹ thuật xử lý ảnh... đã ngày
càng hiện thực xu thế phát triển Robot công nghiệp hớng vào việc thích nghi đợc
với môi trờng làm việc.
4/ Cùng với các xu thế trên Robot công nghiệp luôn luôn đợc định hớng
tăng cờng năng lực xử lý công việc để trở thành các Robot tinh khôn nhờ áp

dụng các kết quả nghiên cứu về hệ điều khiển nơron và trí khôn nhân tạo...
4.2 Cơ-tin- điện tử và Robot công nghiệp.

12


Cơ-tin-điện tử và Robot công nghiệp là hai lĩnh vực khoa học kỹ thuật cao
rất gắn bó với nhau.ở một số nớc chúng kết hợp với nhau nh là một ngành
học.Trong Robot công nghiệp có hầu hết các vấn đề của cơ điện tử. Đồng thời
phát triển của cơ điện tử cũng đều phản ánh trong kỹ thuật Robot. Vì vậy để
nghiên cứu về Robot cần xem xét các vấn đề về cơ-tin-điện tử.
Thuật ngữ cơ- tin- điện tử (mechartonics) thể hiện sự kết hợp giữa cơ học
máy với công nghệ thông tin vi điện tử học (micro electronics). ý tởng chủ yếu
ban đầu của cơ-tin-điện tử là cài lên các hệ máy móc các thiết bị điện tử rồi dần
dần bản thân bên trong máy cũng thay đổi và chức năng của máy cũng đợc mở
rộng thêm nhiều. Còn về thiết bị điện tử chính xác hơn và vi điện tử thì các tiến
bộ mới cũng không ngừng đợc áp dụng. Từ các mạch tích phân IC (Intergrated
circuit), đến các bộ vi sử lý (Microposessor), các bộ điều khiển lập trình đợc
PLC, các máy tính PC...
Phần nối ghép thành hệ thống giữa các thiết bị điều khiển vi điển tử với
các thiết bị chấp hành trong máy (có thể là các thiết bị cơ, thiết bị thuỷ khí, thiết
bị điện hoặc điển từ) chủ yếu là các bộ cảm biến (sensor), các bộ biến đổi
(converter) và các thiết bị của công nghệ thông tin.
4.3. Robot và hệ thống sản xuất linh hoạt.
Nhu cầu của thị trờng cạnh tranh luôn luôn đòi hỏi các nhả sản xuất phải
thay đổi mẫu mã, kích cỡ và thờng xuyên cải tiến nâng cao chất lợng sản phẩm.
Nh vậy sự cạnh tranh hành hoá đặt ra một vấn đề thời sự là phải có hệ thống thiết
bị sản xuất thay đổi linh hoạt đợc để có thể đáp ứng đợc với sự biến động thờng
xuyên của thị trờng. Nhờ sự phát triển trong mấy chục năm gần đây của kỹ thuật
số và công nghệ thông tin chúng ta mới có khả năng mềm hoá hệ thống thiệt

bị sản xuất. Trên cơ sở đó đẵ ra đời hệ thống sản xuất linh hoạt FMS là phơng
thức sản xuất linh hoạt hiện đại. Nó có u điểm là các thiết bị chủ yếu của hệ
thống chỉ đầu t một lần, còn đáp ứng lại sự thay đổi của sản phẩm bằng phần
mềm máy tính điều khiển là chính. Hệ thông FMS rất hiện đại nhng lại thích hợp
với quy mô sản xuất vừa và nhỏ. Ngày nay các nớc phát triển các hệ thống FMS
có xu hớng thay thế dần các thiết bị tự động cứng sản xuất hàng loạt lớn sản
phẩm. Các hệ thống thiết bị tự động cứng này rất đắt tiền mà khi thay đổi về yêu
cầu sản phẩm thì phản đổi mới gần nh hoàn toàn. Nh vậy, chúng nhanh chóng trở
nên lạc hậu vì không thích nghi đợc với thị trờng đầy biến động.

13


Hình 1-5:
ứng dụng Robot trong dây truyền sản xuất tự động
ý tởng chủ đạo trong việc tổ chức hệ thống sản xuất hiện đại linh hoạt là
linh hoạt hoá và modul hoá. Một hệ thống sản xuất linh hoạt có thể gồm
nhiều modul linh hoạt. Một trong những hệ thống nh vậy là hệ thống CIM
(Computer Intergrated Manufacturing)- Hệ thống tích hợp sản xuất dùng máy
tính.
Để tạo ra các modul sản xuất linh hoạt đó cần có một Robot nh một bộ
phận cấu thành. ở đây, Robot làm những công việc chuyển tiếp giữa các máy
công tác (ví dụ cấp, thoát phôi và dụng cụ cho các máy công tác).
Bản thân cơ cấu tay máy của Robot cũng là một cơ cấu linh hoạt. Đó là cơ
cấu không gian hở (không khép kín), có bậc tự do d thừa nên độ cơ động rất cao.
Mỗi khâu của cơ cấu có động lực riêng và chúng đợc điều khiển bằng chơng
trình phần mềm thay đổi đợc. Có loại Robot lại có thể tự thay đổi thao tác của
mình một cách linh hoạt khi nhận biết đợc các tín hiệu từ sự hoạt động của bản
thân (nội tín hiệu). Những cơ cấu nh vậy là cơ cấu điều khiển linh hoạt.
4.4. Robot song song:

Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thờng là một chuỗi nối tiếp các khâu
động, còn trong Robot song song (RBSS) ở một khâu nào đó có thể nối động với
các khâu khác, tức là nối song song với nhau và cùng hoạt động song song với
nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng gây nhiều đặc điểm khác biệt về động
học và động lực học. Ví dụ với Robot thông thờng thì giải bài toán động học
thuận sẽ dễ dàng hơn nhiều so với bài toán động học ngợc, còn với Robot song
song thì hoàn toàn ngợc lại.

14


Vấn đề RBSS trở nên hấp dẫn nhiều nhà nghiên cứu từ giữa thập kỷ 90 khi
nó đợc ứng dụng dới dạng thiết bị có tên là Hexapod để tạo ra máy công cụ 5
trục CNC có trục ảo. Hexapod là một modul RBSS đợc kết cấu trên nguyên lý cơ
câú Stewart. Cơ cấu này gồm có 6 chân có độ dài thay đổi đợc, nối với giá và
tấm động theo ý muốn. Stewart đã đề xuất sử dụng cơ cấu này để mô phỏng hoạt
động của thiết bị bay.
Nh đã biết, máy cắt gọt CNC 3 trục không đáp ứng đợc nhu cầu gia công
chính xác các bề mặt phức tạp. Vì thế xuất hiện nhu cầu tạo ra các máy CNC 5
trục, tức là ngoài các trục X,Y,Z bổ xung thêm hai trục quay có thể thực hiện đợc trên bàn máy trên vật gia công hoặc trên giá đỡ trục dụng cụ cắt. Các máy
CNC 5 trục này rất đắt tiền (gần gấp đôi máy CNC 3 trục). Nếu sử dụng cơ cấu
Hexapod để tạo ra các trục hoặc tạo ra các trục bổ xung thì giá thành máy CNC
trục ảo này có thể hạ thấp rất nhiều lần.
Ngoài các ứng dụng trong nghành chế tạo máy, công cụ RBSS còn đợc áp
dụng hiệu quả trong dụng cụ y học, trong hệ thống mô phỏng, trong thiết bị
thiên văn và trong kỹ thuật phòng không ...
4.5. Các xu thế ứng dụng Robot trong tơng lai:
Robot ngày càng thay thế nhiều lao động
ở đây chỉ đề cập đến Robot công nghiệp. Trong tơng lai, kỹ thuật Robot sẽ
tận dụng hơn nữa các thành tựu khoa học liên nghành, phát triển cả về phần

cứng, phần mềm và ngày càng chiếm lĩnh nhiều lĩnh vực trong công nghiệp.
Số lợng lao động đợc thay thế ngày càng nhiều vì: càng ngày giá thành
Robot càng giảm, mặt khác chi phí tiền lơng và các khoản phụ khác cấp cho ngời
lao động ngày càng cao.
Robot ngày càng trở nên chuyên dụng: Khi Robot công nghiệp ra đời, ngời
ta thờng cố gắng làm sao để biểu thị hết khả năng của nó. Vì thế xuất hiện rất
nhiều loại Robot vạn năng có thể làm đợc nhiều việc trên dây chuyền. Tuy nhiên
thực tế sản xuất chứng tỏ rằng, các Robot chuyển môn hoá đơn giản hơn, chính
xác hơn, học việc nhanh hơn và quan trong là rẻ tiền hơn Robot vạn năng. Các
Robot chuyên dụng hiện đại đều đợc cấu tạo thành từ các modul vạn năng. Xu
thế modul hoá ngày càng phát triển nhằm chuyên môn hoá việc chế tạo các
modul và từ các modul đó sẽ cấu thành nhiều kiểu Robot khác nhau thích hợp
cho từng loại công việc.

15


Robot ngày càng đảm nhận nhiều loại công việc lắp ráp: Công đoạn lắp
ráp thờng chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây chuyền.
Công việc khi lắp ráp là phải đòi hỏi rất cẩn thận, không đợc nhầm lẫn, thao tác
nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần thợ có tay nghề cao và phải làm việc
căng thẳng suất cả ngày.
Khả năng thay thế ngời lao động ở những khâu lắp ráp ngày càng hiện
thực là do đã áp dụng đợc nhiều thành tựu mới về khoa học trong việc thiết kế,
chế tạo Robot. Ví dụ đã tạo ra những cấu hình đơn giản và chính xác trên cơ sở
sử dụng các vật liệu mới vừa bền, vừa nhẹ. Trong đó nên kể đến các loại Robot
nh Adept Oen, SCARA,... Đồng thời do thừa hởng sự phát triển kỹ thuật nhận và
biến đổi tín hiệu (sensor), đặc kỹ thuật nhận và xử lý tín hiệu ảnh (vision) cũng
nh kỹ thuật tin học với các ngôn ngữ bậc cao, Robot công nghiệp đã có mặt trên
nhiều công đoạn lắp ráp phức tạp. Robot di động ngày càng trở nên phổ biến.

Trong các nhà máy hiện đại, tên gọi phơng tiện dẫn đờng tự động AVG
(Automatic Guided Vehicles) đã trở thành quen thuộc. Loại đơn giản là những
chiếc xe vận chuyển nội bộ trong phân xởng đợc điều khiển theo chơng trình với
một quỹ đạo định sẵn. Càng ngày các thiết bị loại này cũng đợc hiện đại hoá nhờ
áp dụng kỹ thuật thông tin vô tuyến hoặc dùng tia hồng ngoại... Vì vậy AGV đã
có thể hoạt động linh hoạt trong phân xởng. Đó chính là Robot linh động và còn
gọi là robocar. Một hớng phát triển linh hoạt và quan trọng của robocar là không
di chuyển bằng các bánh xe mà bằng chân, thích hợp với mọi địa hình.
Robot đi đợc bằng chân có thể tự leo thang, là một đối tợng đang rất đợc
chú ý trong nghiên cứu không những định hớng trong công nghiệp hạt nhân hoặc
trong kỹ thuật quốc phòng mà ngay cả trong công nghiệp dân dụng thông thờng.
ở đây việc tạo ra các cơ cấu chấp hành cơ khí bền vững, nhẹ nhàng, chính xác và
linh hoạt nh chân ngời lại là đối tợng nghiên cứu chủ yếu.
Robot ngày càng trở nên tinh khôn hơn: Trí khôn nhân tạo là một vấn đề
rất đợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với các mục đích khác nhau. Kỹ
thuật Robot cũng từng bớc áp dụng các kết quả nghiên cứu về trí khôn nhân tạo
và đa vào ứng dụng công nghiệp. Trớc hết là sử dụng các hệ chuyên gia, các hệ
thị giác nhân tạo, mạng nơron và các phơng pháp nhận dạng tiếng nói... Cùng với
các thành tựu mới trong nghiên cứu về trí khôn nhân tạo, Robot ngày càng có
khả năng đảm nhận đợc nhiều nguyên công trong dây chuyền sản xuất đòi hỏi sự
tinh khôn nhất định.

16


Vấn đề thiết bị cảm biến đợc nhiều ngành kỹ thuật quan tâm và cũng đạt
đợc nhiều thành tựu mới trong thời kì phát triển sôi động của lĩnh vực vi xử lý.
Đó cũng là điều kiện thuận lợi trong việc áp dụng chúng trong kỹ thuật Robot
nhằm tăng cờng khả năng thông minh của thiết bị.
Những loại hình đợc quan tâm nhiều trong công nghiệp là các Robot thông

minh có các modul cảm biến để nhận biết đợc khoảng cách tránh vật cản khi
thao tác, cảm biến nhận biết đợc màu sắc khi phân loại, cảm biến nhận biết đợc
lực khi lắp ráp... Khi đợc lắp thêm các modul cảm biến này Robot đợc gọi với
nhiều tên mới. Vídụ: Robot nhìn đợc (vision Robot), Robot lắp ráp (assembli),
Robot cảnh báo (alarm Robot),...
Để thông minh hoá Robot bên cạnh việc cài đặt bổ xung các modul cảm
biến nội tín hiệu và các modul cảm biến ngoại tín hiệu thì đồng thời có thể
thông minh hoá Robot bằng các chơng trình phần mềm có khả năng tự thích
nghi và tự xử lý các tình huống...
Nh vậy bằng cách bổ xung các modul cảm biến và các phần mền phù hợp
có thể nâng cấp cải tiến nhiều loại Robot. Tuy nhiên bản thân các Robot này
phải có các cơ cấu chấp hành linh hoạt chính xác. Ngày nay có nhiều loại Robot
thông minh không những có thể làm việc trong các phân xởng công nghiệp mà
còn thao tác đợc ở bên ngoài, trên các địa hình phức tạp nh các loại Robot vũ trụ
(space Robot), Robot tự hành (walking Robot), Robot cần cẩu (Robot crale), tạo
dựng từ các modul Robot song song...
V. giới thiệu về Robot Hamo.

1. Giới thiệu về Robot Hamô.
Trong công nghệ ép nhựa, có một giai đoạn quan trọng đó là giai đoạn
thoát phôi. Thông thờng, sẽ có một xilanh thuỷ lực riêng để đẩy sản phẩm ra
ngoài sau khi đã đợc làm nguội trong khuôn. Nhng với những sản phẩm ép cần
phải qua một khâu nữa trong quá trình công nghệ, hoặc những sản phẩm có yêu
cầu cao về vấn đề vệ sinh, sạch sẽ thì trong một số máy ép nhựa hiện đại có trang
bị một tay máy chuyên để gắp sản phẩm ra từ khuôn đúc và đặt ra các vị trí khác
nh băng chuyền, vị trí gia công tiếp theo. Những tay máy này sẽ đảm bảo quy
trình ép các sản phẩm nhựa tự động hoàn toàn trên một dây chuyền sản xuất,
Hamo chính là một trong những tay máy nh thế.
2. Cấu trúc tay máy.

17


Tay máy là phần cơ sở, quết định khả năng làm việc của Robot. Đó chính
là thiết bị cơ khí đảm bảo cho Robot có khả năng chuyển động trong không gian
và khả năng làm việc, nh nâng, hạ, lắp ráp...ý tởng ban đầu của việc thiết kế và
chế tạo tay máy là mô phỏng các chức năng làm việc của tay ngời. Về sau, đây
không phải là điều bắt buộc nữa. Tay máy hiện nay rất đa dạng và phong phú và
nhiều loại có dáng vẻ khác xa so với con ngời. Tuy nhiên trong kỹ thuật Robot ta
vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc nh vai (shoulder), cánh tay (arm), cổ tay
(Wrist), bàn tay (Hand), và các khớp (Articulation)..., để chỉ tay máy và các bộ
phận của nó.
Trong thiết kế và sử dụng tay máy, ngời ta quan tâm đến các thông số có
ảnh hởng đến khả năng làm việc của chúng nh:
-

Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay,...

Tầm với hay vùng làm việc: kích thớc, hình dáng vùng mà phần công
tác cơ thể với tới.
Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hớng phần công tác
trong vùng làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác.
Để định vị và định hớng phần công tác một cách tùy ý trong không gian 3
chiều nó cần 6 bậc tự do, trong đó có 3 bậc tự do để định vị, 3 bậc tự do để định
hớng. Một số công việc nh nâng, hạ, xếp đỡ... yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6.
Trong một số trờng hợp cần sự khéo léo linh hoạt, cần sự tối u quỹ đạo thì cấn số
bậc tự do lớn hơn 6.
Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm các khâu, đợc nối với
nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến công
tắc. Các khớp đợc dùng phổ biến là khớp trợt và khớp quay.

Hình 1 6: Tay máy HARMO UE700SW-2R

18


Tuú theo sè lîng vµ c¸ch bè trÝ c¸c khíp mµ ta cã thÓ t¹o ra tay m¸y kiÓu
to¹ ®é §Ò c¸c, to¹ ®é trô, hay to¹ ®é cÇu, SCARA vµ kiÓu tay ngêi.

19


Tay máy kiểu toạ độ đề các: Hay còn gọi là kiểu hình chữ nhật, dùng 3
khớp trợt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động
thẳng, song song với 3 trục toạ độ. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp
chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu, tay máy kiểu này có toạ độ cứng vững cao,
độ chính xác đợc đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhng ít khéo
léo. Vì vậy, tay máy kiểu toạ độ đề các đợc dùng cho vận chuyển và lắp ráp.
Tay máy kiểu toạ độ trụ: Khác tay máy kiểu toạ độ Đềcác ở khớp đầu tiên:
dùng khớp quay thay cho khớp trợt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng.
Khớp trợt nằm ngang cho phép tay máy thò vào khoảng rỗng nằm ngang. Độ
cứng vững của tay máy trụ rất tốt, thích hợp với tải trọng nặng, độ chính xác
định vị góc trong mặt phẳng ngang giảm khi tầm với tăng.
Tay máy kiểu toạ độ cầu: Khác kiểu trụ do khớp thứ hai là khớp trợt đợc
thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác đợc mô tả
trong toạ độ cầu thì mỗi bậc tự do tơng ứng với một khả năng chuyển động và
vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của loại tay máy này thấp
hơn hai loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại
này có thể nhặt đợc cả vật dới nền.
SCARA đợc để xuất lần đầu tiên vào năm 1979 tại trờng đại học

Yahanashi (Nhật bản), dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một tay máy có cấu tạo
đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trợt, nhng cả 3 khớp đều có trục song
song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phơng thẳng đứng
nhng kém cứng vững theo phơng đợc chọn là phơng ngang. Loại này chuyên
dùng cho lắp ráp, với tải trọng nhỏ, theo phơng thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt
của: Selective Compliance Asembly Robot Arm để mô tả các hoạt động trên.
Vùng làm việc của SCARA là một hình trục rỗng.
Tay máy kiểu tay ngời: Có cả 3 khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ
nhất vuông góc với hai trục kia. Do sự tơng tự với tay ngời, khớp thứ hai đợc gọi
là khớp vai, khớp thứ 3 là khớp khuỷu tay nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kiểu
kết cấu này không có sự tơng ứng giữa khả năng chuyển động giữa các khâu và
số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo nhng độ chính xác định vị phụ thuộc
vào phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần
giống một phần khối cầu.
Toàn bộ kết cấu ở trên chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công
tác. Muốn định hớng nó cần bổ xung phần cổ tay. Muốn định hớng một cách tuỳ
ý phần cổ tay phải có ít nhất 3 chuyển động quanh 3 trục vuông góc với nhau.
20


Trong trơng hợp trục quay 3 khop gặp nhau tại một điểm thì ta gọi đó là khớp
cầu. Ưu điểm lớn nhất của khớp cầu là tách đợc thao tác định vị và định hớng
của phần công tác, làm đơn giản cho việc tính toán. Các kiểu khớp khác có thể
đơn giản hơn về kết cấu cơ khí, nhng tính toán toạ độ khó hơn, do không tách đợc hai loại thao tác nói trên.
Phần công tác: Là bộ phận trực tiếp tác động lên đối tợng. Tuỳ theo yêu
cầu làm việc mà phần công tác có thể là tay gắn hoặc công cụ .
Tay máy trong Robot Harmo: Tay máy Harmo có thể chuyển động theo 4
bậc tự do khác nhau: 3 bậc tịnh tiến theo các phơng X, Y, Z và một bậc quay 900
quanh trục X. Các bậc tự do theo Y, Z và quay quanh X thực hiện nhờ các xilanh
khí nén, bậc tự do theo phơng X đợc thực hiện nhờ động cơ điện.

Chơng II
nghiên cứu về kết cấu của Robot Hamo
I. Nguồn động lực của Robot.

Hệ thống tay máy Harmô cấu tạo bởi các khối liên kết cơ khí với nhau, vì
thế mà truyền dẫn cơ khí giữa các khâu, các khớp là truyền dẫn cơ khí thuần
thuý. Một kết cấu cơ khí chỉ hoạt động khi có nguồn động lực tác động đến nó, ở
tay máy này thì có nhiều nguồn động lực khác nhau đó là nguồn động lực từ
Động cơ và từ Khí nén để điều khiển các kết cấu cơ khí khác nhau trong tay máy
Harmo. Đi vào cụ thể từng nguồn động lực nh sau:
A. Nguồn động lực là động cơ điện.

Hệ thống tay máy Harmo cấu tạo bởi các khối liên kết cơ khí với nhau, vì
thế mà truyền dẫn cơ khí giữa các khâu, các khớp là truyền dẫn cơ khí thuần
thuý. Một kết cấu cơ khí chỉ hoạt động khi có nguồn động lực tác động đến nó, ở
tay máy này sử dụng nhiều nguồn động lực khác nhau: nguồn động lực là động

21


cơ điện và nguồn động lực khí nén để dẫn động các kết cấu cơ khí khác nhau
trong tay máy Harmo.
1. Động cơ điện ba pha.
1.1. Khái niệm chung.
ở bậc tự do di chuyển theo trục X có sử dụng đến động cơ xoay chiều
không đồng bộ ba pha. Động cơ điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng từ, có tốc
độ quay của roto - n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trờng n1.
Động cơ điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp) nối
với lới điện tần số không đổi f. Dây quấn roto (thứ cấp) đợc nối tắt lại hoặc khép

kín qua điện trở. Dòng điện trong dây quấn roto đợc sinh ra nhờ sức điện động
cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ roto nghĩa là phụ thuộc vào tải ở trên
trục của máy.
Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và
vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên đợc sử dụng nhiều
trong sản xuất và sinh hoạt. Dới đây ta chỉ xét động cơ điện không đồng bộ.
Động cơ điện không đồng bộ có các loại: động cơ ba pha, hai pha và một pha.
Động cơ điện không đồng bộ có công suất lớn trên 600W thờng là các
động cơ ba pha, trục các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 120 0
điện.
Các động cơ công suất nhỏ dới 600W thờng là động cơ hai pha hoặc một
pha. Động cơ hai pha có 2 dây quấn làm việc, trục của 2 dây quấn đặt lệch nhau
trong không gian một góc 900 điện. Động cơ điện một pha, chỉ có một dây quấn
làm việc.
Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ là:
Công suất cơ có ích trên trục Pđm
Điện áp dây stato

U1đm

Dòng điện dây stato

I1đm

Tần số dòng điện stato

f

Tốc độ quay roto

nđm

Hệ số công suất

cosđm

Hiệu suất

đm

1.2. Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha.

22


Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ ba pha gồm 2 bộ phận chủ yếu là
stato và roto, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy. Trên hình 2.1 vẽ mặt cắt ngang
trục máy, cho ta thấy rõ các lá thép stato và roto.
a) Stato
Stato là phần tĩnh gồm 2 bộ phấn chính là lõi thép và cuộn dây quấn ,
ngoài ra có vỏ máy và nắp máy.
Stato

Rôto

Hình2.1

1

a

iA

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2

1

3

C5
12

4

n
5

11

C3

X

iA

6

10

a

7

9
8

Z

B

c

b)

x

y

Hình 2..2
a)
* Lõi thép. Lõi thép stato hình trụ (hình 2..2a) do các lá thép kỹ thuật điện
đợc dập rãnh bên trong (hình 2..2), ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hớng trục. Lõi thép đợc ép càp trong vỏ máy.
* Dây quấn. Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ)
đợc đặt trong các rãnh của lõi thép (hình 2.2a). Trên hình 2.2b vẽ sơ đồ khai triển
dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh, dây quấn pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10,
pha B trong các rãnh 3, 6, 9, 12rãnh, pha C trong các rãnh 5, 8, 11, 2.
Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba pha dây quấn stato sẽ tạo ra từ
trờng quay.

23


* Vỏ máy. Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang. Dùng để giữ chặt lõi
thép và cố định máy trên bệ. Hai đầu vỏ có nắp máy, ổ đỡ trục. Vỏ máy và nắp
máy dùng để bảo vệ máy.
b) Roto
Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy.

c

b)

a)

d)

Hình 2.3

* Lõi thép. Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện đợc dập rãnh mặt ngoài
(hình 2.4a) ghép lại, tạo thành các rãnh theo hớng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục.
* Dây quấn. Dây quấn roto của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: roto
ngắn mạch (còn gọi là roto lồng sóc) và roto dây quấn. Loại roto lồng sóc thờng
có công suất trên 100kW, trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh đồng,
hai đầu nối ngắn mạch bằng 2 vòng đồng tạo thành lồng sóc (hình 2.3b)
ở động cơ công suất nhỏ, lồng sóc đợc chế tạo bằng cách đúc nhôm vào
các rãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch và
cánh quạt làm mát (hình 2.3c). Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ
không đồng bộ lồng sóc đợc ký hiệu nh hình 2.4d.
Loại roto dây quấn, trong rãnh lõi thép roto, đặt dây quấn ba pha. Dây
quấn roto thờng nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định
trên trục roto và dợc cách điện với trục (hình 2.4a). Nhờ ba chổi than tỳ sát vào
ba vòng tiếp xúc dây quấn, roto đợc nối với 3 vòng tiếp xúc, nhờ chổi than dây
quấn roto đợc nối với 3 biến trở bên ngoài, để mở máy hay điều chỉnh tốc độ
(hình 2.4b. Loại động cơ này gọi là động cơ không đồng bộ roto dây quấn, trên
các sơ đồ điện đợc ký hiệu nh (hình 2.4c).

Hình 2- 4
a)

b)
24

c)


Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo.
Động cơ roto dây quấn có u điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá
thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc nên chỉ đợc dùng khi
động cơ lồng sóc không đáp ứng đợc các yêu cầu về truyền động.
1.3. Từ trờng quay của dây quấn ba pha.
Dòng điện xoay chiều ba pha có u điểm lớn là tạo ra từ trờng quay trong
các máy điện.
a) Sự tạo thành từ trờng quay.
Trên hình 2.6a,b,c vẽ mặt cắt ngang của máy điện ba pha đơn giản, trong
đó dây quấn ba pha đối xứng ở stato AX, BY, CZ đặt trong 6 rãnh. Trục của các
dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 120o điện.
Giả thiết trong 3 dây quấn có dòng điện ba pha đối xứng chạy qua (hình
2.6)
iA= Imaxsint
iB= Imaxsin(t-1200)
iC= Imaxsin(t-2400)
Để thấy rõ sự hình thành từ trờng, khi vẽ từ trờng ta qui ớc chiều dòng
điện nh sau:
- Dòng điện pha nào dơng có chiều từ đầu đến cuối pha, đầu đợc ký hiệu
bằng vòng tròn có dấu nhân ở giữa , còn cuối ký hiệu bằng vòng tròn có ấu
chấm ở giữa . Dòng điện pha nào âm có chiều và ký hiệu ngợc lại, đầu ký hiệu
bằng , cuối ký hiệu bằng .
Bây giờ ta xét từ trờng ở các thời điểm khác nhau:

25