Điều khiển chuyển động của robot trong dây chuyền sản xuất đồ uống tại công ty URC hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------

TRẦN VĂN NAM

ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT TRONG DÂY
CHUYỀN SẢN XUẤT ĐỒ UỐNG TẠI CÔNG TY URC HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------

TRẦN VĂN NAM

ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT TRONG DÂY
CHUYỀN SẢN XUẤT ĐỒ UỐNG TẠI CÔNG TY URC HÀ NỘI

Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN PHẠM THỤC ANH

HÀ NỘI - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trần Văn Nam
Sinh ngày 12 tháng 3 năm 1981
Học viên lớp cao học điều khiển và tự động hóa 2013B – trường đại học Bách khoa
Hà Nội.
Xin cam đoan: đề tài “Điều khiển chuyển động của Robot trong dây chuyền
sản xuất đồ uống tại công ty URC hà nội ’’ do cô giáo PGS.TS. Nguyễn Phạm
Thục Anh hướng dẫn là của riêng tôi.
“Tôi cam đoan rằng, ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các công trình khác
như đã ghi rõ trong luận văn, các công việc trình bày trong luận văn này là do chính
tôi thực hiện và chưa có phần nội dung nào của luận văn này được nộp để lấy một
bằng cấp ở trường này hoặc trường khác”.

i


LỜI CÁM ƠN
Với tư cách là tác giả của bài luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân
thành đến cô giáo PGS.TS NGUYỄN PHẠM THỤC ANH, người đã hướng dẫn
tôi tận tình chu đáo để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này.
Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Điều Khiển Và Tự Động
Hóa , Viện điện,Viện Đào Tạo sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
giúp đỡ, tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận
văn.
Cuối cùng tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành tới gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong thời gian
tôi học tập và làm luận văn.

Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Học viên

Trần Văn Nam

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................. ii
MỤC LỤC

............................................................................................................. iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... vii
Mở Đầu

............................................................................................................. vii

Chƣơng 1.

Chƣơng I. Tổng Quan Về Robot IRB 660 – 250/3.15..................... 13

1.1. Cấu trúc tổng quan Robot IRB 660 -250/3.15 được mô tả trên hình 2. Cấu
trúc Robot bao gồm có 6 trục quay. ........................................................................ 14
1.2. Vùng làm việc của Robot .............................................................................. 18
1.3. Tiêu chuẩn thiết kế và bảo vệ Robot ............................................................. 18

Chƣơng 2.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT IRB660 ..... 20

2.1. Phương trình động học thuận vị trí ................................................................ 20
2.2. Bài toán động học ngược vị trí ...................................................................... 22
2.2.1

Xác định góc  1 ...................................................................................... 23

2.2.2

Xác định góc  2 ...................................................................................... 24

2.2.3

Xác định góc  3 ...................................................................................... 24

2.3. Tính toán ma trận Jacoby............................................................................... 25
2.3.1

Tính toán ma trận Jacoby trực tiếp từ định nghĩa ................................... 25

2.3.2

Tính toán ma trận Jacoby thông qua ma trận

2.3.2.1 Tính toán ma trận

H

H

J .................................. 25

J ......................................................................... 25

2.3.2.2 Xác định ma trận Jacoby J ................................................................... 27
Chƣơng 3PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT IRB 660 .............................. 28
3.1. Đối với thanh nối thứ nhất ............................................................................... 29
3.1.1 Động năng thanh nối thứ nhất ................................................................... 29
3.1.2 Thế năng thanh nối thứ nhất....................................................................... 30
3.2. Thanh nối thứ hai ............................................................................................. 31
3.2.1. Động năng thanh nối thứ hai ..................................................................... 31
iii


3.2.2. Thế năng thanh nối thứ 2 ......................................................................... 32
3.3 Thanh nối thứ ba ............................................................................................... 33
3.3.1 Động năng thanh nối thứ ba ....................................................................... 33
3.3.2 Thế năng thanh nối thứ 3 ........................................................................... 35
3.4. Phương trình Lagrange..................................................................................... 35
3.5. Momen lực tác dụng lên các khớp ................................................................... 36
3.5.1 Momen lực tác dụng lên khớp thứ nhất ..................................................... 36
3.5.2 Momen lực tác dụng lên khớp thứ hai ....................................................... 37
2.3.3

Momen lực tác dụng lên thanh nối thứ ba .............................................. 38

3.6. Xây dựng hệ phương trình động lực học đối với robot IRB660 ...................... 39

Chƣơng 4:THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO ........................................................................... 41
4.1. Giới thiệu và cơ sở thiết kế quỹ đạo. ............................................................ 41
4.2. Tính toán thiết kế quỹ đạo chuyển động. ..................................................... 41
4.2.1. Quỹ đạo tổng quát cho tọa độ x .............................................................. 42
4.2.2.

Quỹ đạo tổng quát cho tọa độ y........................................................ 43

4.2.1.

Quỹ đạo tổng quát cho tọa độ z ........................................................ 43

Chƣơng 5:THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT IRB66053
5.1. Điều khiển quỹ đạo trong không gian khớp .................................................. 53
5.2. Điều khiển quỹ đạo trong không gian làm việc ............................................. 59
Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 64
Kết luận ...................................................................................................................... 65

iv


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
IRB: Industrial Robot.
EN: Safety of Machinery. Basic Concepts General Principles For Design.
ISO: International Organization Sstandardization.
ANSI: American National Standards Institute.
CAN: Canadian Deviations.
EMC: Electro magnetic Compatibility.
 EN 292-1 an toàn của máy móc, thuật ngữ
 EN 292-2 an toàn của máy móc, thông số kỹ thuật

 EN 954-1 an toàn của máy móc, liên quan đến an toàn kiểm soáthệ thống
 EN 602.041 thiết bị điện của máy móc công nghiệp
 IEC 204-1 thiết bị điện của máy móc công nghiệp
 ISO 10218, EN 775 thao tác với robot công nghiệp, an toàn
 ANSI / RIA 15.06 / 1992 robot, các yêu cầu an toàn công nghiệp
 ISO 9409-1 Thao tác với robot công nghiệp, giao diện cơ khí
 ISO 9787 Thao tác với robot công nghiệp, hệ thống phối hợpvà chuyển
động
 IEC 529 Degrees của bảo vệ của thùng loa
 EN 50081-2 EMC, Generic phát thải
 EN 50082-2 EMC, Generic miễn dịch
 ANSI / UL 1740-1996 (tùy chọn) Tiêu chuẩn cho robot công nghiệp và
robot
 CAN / CSA Z 434-94 (tùy chọn) Robot công nghiệp và Robot Systems –
chung

v


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Máy thổi chai. ................................................................................................2
Hình 1.2. Máy trích ly trà. ............................................................................................3
Hình 1.3. Hệ thống thanh trùng. ...................................................................................4
Hình 1.4. Hệ thống chiết rót. .........................................................................................5
Hình 1.5. Hệ thống băng tải và hầm cooling. ................................................................6
Hình 1.6. Máy block. .....................................................................................................7
Hình 1.7. Máy đóng thùng Dimac. ................................................................................8
Hình 1.8. Hình ảnh mặt ngang Robot IRB 660 660 – 250/3.15 ...................................9
Hình 1.9. Hình ảnh Robot IRB 660 660 – 250/3.15 đang thao tác ............................10
Hình 1.10. Hình ảnh Robot IRB 660 660 – 250/3.15 nhìn từ phía sau. ......................11

Hình 1.11. Hình ảnh khâu bàn tay Robot IRB 660– 250/3.15 ...................................12
Hình 1.12. Hình ảnh của Robot IRB 660 – 250/3.15 ..................................................14
Hình1.13. Cấu trúc Robot IRB660-250/3.15 ..............................................................14
Hình1.14. Hình chiếu của Robot lên mặt phẳng đứng. ...............................................15
Hình1.15. Hình chiếu của Robot lên mặt phẳng bằng. ...............................................16
Hình1.16. Biểu đồ dữ liệu. ..........................................................................................17
Hình 2.1. Hệ trục tọa độ đặt lên các thanh nối ............................................................20
Hình 5.1. Sơ đồ mô phỏng điều khiển trong không gian khớp ...................................56
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng Robot ................................................................................56
Hình 5.3. Đáp ứng của khớp quay thứ nhất ................................................................58
Hình 5.4. Đáp ứng của khớp quay thứ hai ..................................................................58
Hình 5.5. Đáp ứng của khớp quay thứ ba....................................................................59
Hình 5.6. Sơ đồ mô phỏng điều khiển PD – bù trọng trường kết hợp phép chuyển đổi
Jacoby chuyển vị .........................................................................................................61
Hình 5.7. Đáp ứng của vị trí bàn tay máy đối với tọa độ x .........................................62
Hình 5.8. Đáp ứng của vị trí bàn tay máy đối với tọa độ y .........................................63
Hình 5.9. Đáp ứng của vị trí bàn tay máy đối với tọa độ z .........................................63

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phạm vi quay của các thanh nối trên Robot ...............................................18
Bảng 1.2. Tốc độ quay của thanh nối ..........................................................................18
Bảng 5.1 Bảng tham số bộ điều khiển và giá trị đặt ...................................................57
Bảng 5.2 Bảng tham số giá trị bộ điều khiển và giá trị đặt .........................................61

vii

Mở Đầu
Giới thiệu về nhà máy URC HÀ NỘI: Nhà máy URC HÀ NỘI – Là công ty 100%
vốn đầu tư nước ngoài(Philippine) có trụ sở tại khu công nghiệp THẠCH THẤTQUỐC OAI huyện THẠCH THẤT thành phố HÀ NỘI cách trung tâm thành phố
khoảng 18 km từ đại lộ THĂNG LONG đi về hướng XUÂN MAI. Công ty với sản
phẩm chính là nước trà xanh thương hiệu C2 – sản phẩm đang dần trở lên quen
thuộc với người dân Việt Nam. Ngoài ra nhà máy URC hà nội còn sản xuất nước
tăng lực RỒNG ĐỎ với sản lượng hàng năm đạt được khoảng 10.000.000 sản phẩm.
Toàn bộ quy trình sản xuất ra sản phẩm được thực hiện với công nghệ tiên tiến và
phù hợp với các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm. Quy trình sản xuất ra sản
phẩm trà xanh thương hiệu C2 bao gồm các bước cơ bản như sau: Nguyên liệu trà
xanh được nhập về từ nhà cung cấp sau đó được trích ly tiếp theo qua bước ly tâm
để loại bỏ xác trà và được chuyển qua khâu phối trộn với các hương liệu đã được
cho phép. Sau đó trà đã được phối trộn hương liệu được đưa qua khâu sử lý nhiệt độ
trước khi đưa sang hệ thống chiết rót và được in ngày tháng sản xuất và hạn sử dụng,
toàn bộ khâu này được thực hiện hoàn toàn khép kín. Song song với quy trình này
là quá trình tạo ra chai đựng trà trước khi được đưa vào hệ thống chiết rót. Đó là
quy trình tạo chai được thực hiện từ các hạt nhựa được cung cấp từ khách hàng
nước ngoài chai sau khi được hình thành được sử lý nhiệt độ rồi được chuyển qua
máy sắp chai và được đưa vào hệ thống chiết rót. Sản phẩm sau khi qua hệ thống
chiết rót được đưa qua hệ thống sử lý nhiệt độ trước khi đưa đến máy dán nhãn các
chai không đủ tiêu chuẩn như biến dạng…vân vân được hệ thống máy móc và con
người kết hợp loại bỏ sản phẩm hoàn chỉnh được đưa qua hệ thống bao phim(block)
và hệ thống băng tải làm nhiệm vụ vận chuyển các block này đến thiết bị đóng
thùng và các thùng này được hệ thống băng tải vận chuyển đến khâu xếp kệ mà
nhiệm vụ chính của khâu này chính là Robot IRB 660 kết thúc toàn bộ quy trình sản
xuất ra sản phẩm trà xanh mang thương hiệu C2 của nhà máy URC hà nội. Với mức
độ tự động hóa quá trình sản xuất đạt được ở mức tương đối cao so với các nhà máy
khác.
Với sản lượng hàng năm đạt được khoảng 488.400.000 sản phẩm.Hiện nay nhà
máy URC HÀ NỘI sử dụng 01 robot IRB660 thương hiệu ABB. Robot này sử dụng

để vận chuyển, và xếp thành phẩm lên các pallet. Là khâu cuối cùng của toàn bộ
quá trình sản xuất ra sản phẩm.

1


Sơ đồ công nghệ cơ bản để sản xuất trà xanh C2.

Hình 1.1. Máy thổi chai.

Là một trong các khâu quan trọng trong toàn bộ quy trình sản xuất ra sản phẩm. với
công nghệ đến từ tập đoàn SIPA. Sản lượng đạt được khoảng 24.000 sản phẩm hoàn
thiện trong một giờ.

2


Hình 1.2. Máy trích ly trà
.
Khâu này thực hiện công việc trích ly trà từ sản phẩm trà xanh được nhập từ thị
trường sau khi đã đạt được chất lượng sau khâu kiểm định. Với công nghệ đến từ
ĐÀI LOAN.

3


Hình 1.3. Hệ thống thanh trùng.
Hệ thống thanh trùng làm nhiệm vụ sử lý nhiệt độ trà sau khi phối trộn với các
hương liệu từ khoảng 25 độ C lên đến 90-125 độ C. Công nghệ được cung cấp bởi
Đài Loan.

4


Hình 1.4.Hệ thống chiết rót.

Hệ thống chiết rót này thực hiện nhiệm vụ. Chiết rót sản phẩm sau khi qua khâu
thanh trùng vào các chai 360ml. với sản lượng khoảng 24.000 – 30.000. Sản phẩm
một giờ. Toàn bộ máy này được nhập khẩu từ tập đoàn SiPa – Italy.

5


Hình 1.5. Hệ thống băng tải và hầm Cooling.
Khâu này thực hiện việc giải nhiệt độ cho chai sản phẩm từ khoảng 80 – 90 độ C
xuống khoảng 25 – 30 độ C. Và vận chuyển các chai sản phẩm xuống máy dán
nhãn. Công nghệ được nhập từ nhà cung cấp Đài Loan.

6


Hình 1.6.Máy block.

Máy Block thực hiện việc chia các chai thành các Block 6 chai. Và bọc chúng bởi
các màng PE. Với tốc độ khoảng 30 -50 block một phút. Máy này được nhập khẩu
từ hãng DIMAC – ITALY.

7

Hình 1.7. Máy đóng thùng Dimac.
Với tốc độ khoảng 25 -30 thùng trên một phút khâu này là khâu áp chót trong toàn
bộ quy trình sản xuất ra sản phẩm C2. Máy này được nhập khẩu đồng bộ từ tập
đoàn DIMAC – ITALY.

8


Sau đây là một số hình ảnh về Robot IRB 660 hiện đang vận hành tại nhà máy URC
HÀ NỘI

Hình 1.8. Hình ảnh mặt ngang Robot IRB 660 – 250/3.15.
Với không gian tương đối rộng dành cho Robot làm việc. Robot là khâu cuối cùng
trong toàn bộ quà trình sản xuất ra sản phẩm.

9


Hình 1.9. Hình ảnh Robot IRB 660 660 – 250/3.15 đang thao tác.
Khả năng làm việc với độ tin cậy và hiệu suất cao. Hiện tại Robot đang hoạt động
rất hiệu quả tại công ty TNHH URC Hà Nội.

10


Hình 1.10.Hình ảnh Robot IRB 660 660 – 250/3.15 nhìn từ phía sau.
Được lắp đặt đồng bộ từ nhà cung cấp từ hang ABB tích hợp Robot làm việc liên
tục 3 ca/ ngày.

11

Hình 1.11. Hình ảnh khâu bàn tay Robot IRB 660– 250/3.15
Kể từ khi đưa vào hoạt động chính thức 2/2014 Robot cần rất ít thời gian bảo trì,
bảo dưỡng. không đòi hỏi nhiều nhân viên vận hành

12


Chƣơng 1. Chƣơng I. Tổng Quan Về Robot IRB 660 – 250/3.15
IRB 660 là một robot công nghiệp 4-trục, thiết kế sử dụng rông rãi cho sản
xuất các ngành công nghiệp tự động hóa sử dụng linh hoạt robot như thực phẩm và
các nghành sản xuất khác. Các robot có cấu trúc mở, đặc biệt được thiết kế thích
hợp cho việc sử dụng linh hoạt và có thể giao tiếp rộng rãi với các hệ thống bên
ngoài.
IRB 660 xuất hiện trong các phiên bản khác nhau, với khả năng mang tải lên
đến 250 kg, tầm hoạt động tối đa là 3.15m, cũng như thao tác trong các môi trường
khắc nghiệt.
Robot được trang bị với một hệ điều hành được gọi là BaseWare OS.
BaseWare OS kiểm soát mọi khía cạnh của các robot, giống như điều khiển chuyển
động, phát triển và thực hiện các chương trình ứng dụng, thông tin liên lạc.
Đối với chức năng bổ sung các robot có thể được trang bị với phần mềm tùy
chọn hỗ trợ ứng dụng hàn điểm, dán, các tính năng truyền thông mạng thông tin liên
lạc và nâng cao chức năng đa nhiệm, cảm biến điều khiển.
Các phiên bản khác nhau RobotIRB 660, như đã đề cập ở trên, có sẵn trong
các phiên bản khác nhau, được nêu ra dưới đây.
 IRB 660 -180/3.15
 IRB 660 -250/3.15
Hình ảnh ROBOT IRB660 được thể hiện qua hình 1.

13


Hình 1.12. Hình ảnh của Robot IRB 660 – 250/3.15
1.1. Cấu trúc tổng quan Robot IRB660 -250/3.15đƣợc mô tả trên hình1.12.
Cấu trúc Robot bao gồm có 4 trục quay.

Hình1.13. Cấu trúc Robot IRB660-250/3.15

14


Mô tả hình chiếu của Robot trên các mặt bên, mặt đứng và mặt bằng. Thông số chi
tiết kích thước của Robot cũng đã được xác định rõ trên các hình vẽ.

Hình1.14. Hình chiếu của Robot lên mặt phẳng đứng.

15


Hình1.15. Hình chiếu của Robot lên mặt phẳng bằng.

16