Nghiên cứu tích hợp điều khiển PLC trong rô bốt công nghiệp 4 bậc tự do
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.24 MB, 99 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ THỊ THỦY
NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP ĐIỀU KHIỂN PLC TRÊN
ROBOT CÔNG NGHIỆP 4 BẬC TỰ DO
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH CHẾ TẠO MÁY
HÀ NỘI - 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VŨ THỊ THỦY
NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP ĐIỀU KHIỂN PLC TRÊN
ROBOT CÔNG NGHIỆP 4 BẬC TỰ DO
Chuyên ngành
: CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH CHẾ TẠO MÁY
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS PHẠM VĂN HÙNG
HÀ NỘI - 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan những nội dung mà tác giả viết trong Luận văn này là
do sự tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân, cùng với sự hƣớng dẫn tận tình của
PGS.TS Phạm Văn Hùng. Mọi số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung
thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các
phần tham khảo đã đƣợc trích dẫn nguồn gốc cụ thể trong Luận văn.
Hà Nội, tháng 12 năm 2013
Tác giả
Vũ Thị Thủy
1
LỜI CẢM ƠN
Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn
chân thành tới PGS.TS Phạm Văn Hùng, ngƣời đã dành nhiều thời gian, công sức
để hƣớng dẫn và giúp đỡ tác giả từ định hƣớng đề tài, tổ chức thực nghiệm đến
quá trình viết, hoàn thành Luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô giáo trong bộ môn Máy và
Ma sát học, xƣởng Cơ khí, Viện Cơ khí và Ban lãnh đạo Viện đào tạo Sau đại
học của trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả
học tập, nghiên cứu và hoàn thành bản Luận văn.
Qua đây, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo trƣờng, khoa Cơ
Khí Động lực, các phòng, khoa, Trung tâm của Trƣờng trung cấp nghề Giao
thông vận tải Hải Phòng đã tạo điều kiện giúp đỡ trong quá trình học tập và hoàn
thiện Luận văn này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế
nên trong quá trình xây dựng luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu
sót nhất định.
Tác giả rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của Hội đồng chấm luận văn
tốt nghiệp, của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn
đƣợc hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả
2
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan .................................................................................................................... 0
Các ký hiệu và chữ viết tắt .............................................................................................. 6
Danh mục các bảng ........................................................................................................ 7
Danh mục các hình vẽ ...................................................................................................... 8
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 10
1. Lý do chọn đề tài. ................................................................................................. 10
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................... 11
2.1. Mục đích nghiên cứu...................................................................................... 11
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 12
3. Nội dung nghiên cứu. ........................................................................................... 12
4. Phƣơng pháp nghiên cứu. .................................................................................... 12
5. Dự kiến kết quả..................................................................................................... 12
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ..................................... 13
1.1. Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp. ................................................... 13
1.1.1. Quá trình hình thành của Robot công nghiệp......................................... 13
1.1.2. Quá trình phát triển của robot công nghiệp ............................................ 13
1.2. Tổ chức kỹ thuật của robot công nghiệp....................................................... 17
1.3. Động học robot. .............................................................................................. 19
1.3.1. Bậc tự do của robot. ................................................................................. 19
1.3.2. Hệ tọa độ của robot .................................................................................. 20
1.3.3. Thông số động học và bảng thông số DH. ............................................ 21
1.3.4. Phƣơng trình động học của Robot. ......................................................... 21
3
1.4. Truyền động trong robot công nghiệp. ......................................................... 23
1.4.1. Truyền động khí nén. (Pneumatic Systems)........................................... 23
1.4.2. Hệ thống truyền động điện. ..................................................................... 25
1.5. Các tham số kỹ thuật của Robot .................................................................... 26
1.6. Ứng dụng của robot công nghiệp........................................................... 27
1.6.1. Sự cần thiết phải ứng dụng Robot trong công nghiệp .............................. 27
1.6.2. Những ứng dụng điển hình của Robot.................................................... 28
CHƢƠNG 2. ROBOT HARMO ................................................................................... 32
2.1. Giới thiệu về robot Harmo............................................................................. 32
2.2. Động học robot Harmo .................................................................................. 33
2.2.1. Thiết lập hệ tọa độ của robot. .................................................................. 34
2.2.2. Xác định bộ thông số DH ........................................................................ 35
2.2.3. Thiết lập các ma trận biến đổi ................................................................. 36
2.2.4. Thiết lập phƣơng trình động học ............................................................. 37
2.3. Kết cấu của robot Harmo. .............................................................................. 38
2.3.1. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của bậc tự do chuyển động theo phƣơng Zo ..... 38
2.3.2. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của bậc tự do chuyển động theo phƣơng Xo. 42
2.3.3. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của bậc tự do chuyển động theo phƣơng Yo. 45
2.3.4. Kết cấu và nguyên lý hoạt động của bậc tự do quay theo phƣơng Zo.. 47
2.4. Truyền động trong robot Harmo. .................................................................. 50
2.4.1. Hệ thống khí nén trong robot Harmo. ..................................................... 50
2.4.2. Hệ thống điện điều khiển robot Harmo. ................................................. 52
2.5. Bộ biến tần (INVERTER) ............................................................................. 53
2.6. Kiểm nghiệm khối lƣợng kẹp của vật kẹp. ................................................... 57
2.7. Tính toán vận tốc và gia tốc bậc tự do tịnh tiến theo trục Zo. ..................... 58
4
CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC; LẬP TRÌNH PLC CHO RÔ BỐT
HARMO TRONG QUÁ TRÌNH CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG.......................................... 62
3.1. Hệ thống điều khiển PLC .............................................................................. 62
3.1.1. Các bộ phận cơ bản của hệ thống điều khiển PLC ................................ 62
3.1.2. Cấu trúc bên trong của bộ PLC ............................................................... 63
3.1.3. Ƣu, nhƣợc điểm của PLC ........................................................................ 66
3. 2. Ngôn ngữ lập trình cho PLC .......................................................................... 67
3.3. Lập trình bằng ngôn ngữ sơ đồ thang (LADDER DIAGRAM – LADDER LOGIC)... 67
3.4. Lập trình bằng phần mềm CX-PROGRAMMER ......................................... 71
3.5. Lập trình PLC cho robot Harmo trong quá trình gắp sản phẩm tự động từ máy
ép nhựa............................................................................................................................. 74
3.5.1. Sơ đồ thực hiện bài toán lập trình cho PLC ........................................... 75
3.5.2. Lập trình PLC cho robot Harmo trong quá trình gắp sản phẩm tự động
từ máy ép nhựa ............................................................................................................... 76
3.6. So sánh điều khiển PLC với các phƣơng pháp điều khiển khác. ................ 92
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 97
PHỤ LỤC
5
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CNC (Computer Numerical Control) – Điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính;
NC (Number Control) – Điều khiển số;
PLC (Programmable Logic Controller) – Hệ thống điều khiển logic;
CPU (Central Processor) – Bộ xử lý tín hiệu trung tâm;
CD (Direct Curent) – Dòng điện một chiều;
ROM (Read only Memory) – Bộ nhớ chỉ đọc;
RAM (Ramden Access Memory) – Bộ nhớ thay đổi;
EEPROM (Ellectrically Erasable Programable Read only Memory) – Bộ nhớ tĩnh
có khả năng xóa bằng lập trình lại;
I (In) – Đầu vào;
O (Out) – Đầu ra.
6
DANH MỤC CÁC BẢNG
1
2
4
5
Bảng
số
2.1
2.2
2.3
3.1
6
3.2
7
3.3
8
9
10
11
3.4
3.5
3.6
3.7
12
3.8
Các thao tác trong chu trình robot gắp chai từ máng
trượt và thả chai ở vị trí i (hàng 1)
83
13
3.9
Bảng trạng thái điều khiển robot Harmo gắp vật từ máng
trượt rồi thả vật tại vị trí i (hàng 1)
84
14
3.10
Các thao tác trong chu trình robot gắp chai từ máng
trượt và thả chai ở vị trí i (hàng 2)
85
15
3.11
Bảng trạng thái điều khiển robot Harmo gắp vật từ máng
trượt rồi thả vật tại vị trí i (hàng 2)
86
16
3.12
17
3.13
18
3.14
19
3.15
20
3.16
STT
Nội dung
Bảng thông số DH của robot Harmo
Các phần tử trong mạch khí nén
Các thông số kỹ thuật của Bộ biến tần 3G3MV – A2007
Các loại Bus trong hệ thống điều khiển PLC
Cổng vào của bộ điều khiển PLC OMRON SYSMAC
CPM2A
Cổng ra của bộ điều khiển PLC OMRON SYSMAC
CPM2A
Các tín hiệu từ cảm biến
Các tín hiệu đầu vào điều khiển động cơ
Các tín hiệu đầu ra điều khiển động cơ
Các tín hiệu điều khiển Piston xylanh
Các thao tác trong chu trình robot gắp vật tại vị trí i
(hàng 2) rồi thả vào máng trượt
Bảng trạng thái điều khiển robot Harmo gắp vật từ vị trí i
hàng 2 thả vào máng trượt
Các thao tác trong chu trình robot gắp vật tại vị trí i
(hàng 1) rồi thả vào máng trượt
Bảng trạng thái điều khiển robot Harmo gắp vật từ vị trí i
(hàng 1) thả vào máng trượt.
Bảng so sánh phương pháp điều PLC với phương pháp
điều khiển bằng vi xử lý
7
Trang
36
50
54
65
79
79
79
81
81
82
87
88
89
90
92
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ khối tổ chức kỹ thuật của robot .......................................................... 17
Hình 1.2. Cơ cấu tay máy Scara.................................................................................... 19
Hình 1.3. Các hệ tọa độ đối với 2 khâu động liên tiếp................................................. 20
Hình 1.4. Robot DTM-Motoman ................................................................................... 29
Hình 2.1. Cấu hình robot Harmo .................................................................................. 33
Hình 2.2. Sơ đồ động học của robot Harmo................................................................. 34
Hình 2.3. Hệ tọa độ các khâu của robot Harmo .......................................................... 35
Hình 2.4. Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo phương Zo ................................................. 38
Hình 2.5. Bộ truyền thanh răng – bánh răng ............................................................... 40
Hình 2.6. Bộ trượt ma sát bi đuôi én ............................................................................. 40
Hình 2.7. Bộ đếm Encorder ........................................................................................... 41
Hình 2.8. Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo trục Xo ....................................................... 42
Hình 2.9. Sơ đồ động bậc tự do tịnh tiến dọc trục Xo. ................................................. 43
Hình 2.10. Kết cấu của bánh đai liền đai ốc ................................................................ 44
Hình 2.11. Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo trục Yo ..................................................... 45
Hình 2.12. Kết cấu cổ tay robot Harmo........................................................................ 47
Hình 2.13. Kết cấu bàn kẹp robot Harmo..................................................................... 48
Hình 2.14. Kết cấu xylanh kẹp robot Harmo................................................................ 49
Hình 2.15. Sơ đồ mạch điều khiển khí nén trong robot Harmo .................................. 50
Hình 2.16. Cấu tạo các phím trên REMOTE................................................................ 53
Hình 2.17. INVERTER 3G3MV ..................................................................................... 54
Hình 2.18. Sơ đồ các đầu dây tiêu chuẩn của INVERTER 3G3MV – A2007 ............ 55
Hình 2.19. Sơ đồ nối dây INVERTER điều khiển động cơ .......................................... 56
8
Hình 2.20. Sơ đồ kiểm nghiệm khối lượng của vật kẹp................................................ 57
Hình 3.1. Mô hình cấu tạo của PLC. ............................................................................ 62
Hình 3.2. Cấu trúc bên trong của bộ PLC .................................................................... 64
Hình 3.3. Bộ định thời gian - Timer .............................................................................. 70
Hình 3.4. Bộ đếm Counter ............................................................................................. 70
Hình 3.5. Cửa sổ chương trình CX - Programmer ...................................................... 71
Hình 3.6. Các thành phần trên khung làm việc của chương trình CX - Program ..... 72
Hình 3.7. Màn hình làm việc của CX - Program ......................................................... 73
Hình 3.8. Màn hình làm việc của CX – Program khi thực hiện một Network mới .... 73
Hình 3.9. Màn hình làm việc của CX – Program khi chọn lệnh Output..................... 74
Hình 3.10. Sơ đồ thực hiện bài toán lập trình cho PLC .............................................. 75
Hình 3.11. Bàn thí nghiệm ............................................................................................. 76
Hình 3.12. Bản vẽ chi tiết chai nhựa ............................................................................. 77
Hình 3.13. PLC OMRON SYSMAC CPM2A................................................................ 79
Hình 3.14. Chu trình robot gắp chai từ máng trượt và thả chai ở vị trí i (hàng 1). .. 83
Hình 3.15. Chu trình robot gắp chai từ máng trượt và thả chai ở vị trí i (hàng 2). .. 85
Hình 3.16. Chu trình robot gắp vật tại vị trí i (hàng 2) rồi thả vào máng trượt ........ 89
Hình 3.17. Chu trình robot gắp vật tại vị trí i (hàng 1) rồi thả vào máng trượt ........ 87
9
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Hiện nay, ngành nhựa là một trong những ngành tăng trƣởng ổn định của
thế giới, trung bình 9% trong vòng 50 năm qua. Sự phát triển liên tục và bền
vững của ngành nhựa là do nhu cầu thế giới đang trong giai đoạn tăng cao. Sản
lƣợng nhựa tiêu thụ trên thế giới ƣớc tính đạt 500 triệu tấn năm 2010 với tăng
trƣởng trung bình 5% /năm (theo BASF). Nhu cầu nhựa bình quân trung bình của
thế giới năm 2010 ở mức 40Kg/năm, cao nhất là khu vực Bắc Mỹ và Tây Âu với
hơn 100 Kg/năm. Dù khó khăn, nhu cầu nhựa không giảm ở hai thị trƣờng này
trong năm 2009 – 2010 và thậm chí tăng mạnh nhất ở khu vực châu Á khoảng 12
– 15 %. Các sản phẩm nhựa rất phong phú và đa dạng bao gồm: Các sản phẩm
nhựa bao bì: đồ uống, dƣợc phẩm… chiếm 40% tổng sản phẩm nhựa; các sản
phẩm nhựa xây dựng chiếm 20 % tổng sản phẩm nhựa trong đó sản phẩm ống
nhựa có tỷ trọng lớn nhất (Dự kiến sản phẩm ống nhựa tăng 6,6 % lên 38,6 tỷ
USD trong giai đoạn 2010 – 2015 tại thị trƣờng Mỹ); sản phẩm phụ kiện xe hơi
chiếm 7%; sản phẩm thiết bị điện tử chiếm 5,6 %.
Tại Việt Nam ngành sản xuất sản phẩm nhựa cũng là một trong những ngành
công nghệ đang phát triển nhanh nhất với mức tăng tổng sản lƣợng khoảng 15 –
20%. Theo khảo sát của Cục xúc tiến thƣơng mại Việt Nam, ở nƣớc ta có khoảng
2000 doanh nghiệp nhựa trong đó có một số nhà máy sản xuất nguyên liệu nhựa
lớn đang đƣợc triển khai và đã đi vào hoạt động với số lƣợng lớn gồm nhiều chủng
loại khác nhau nhƣ nhà máy lọc dầu Dung Quất (150,000 tấn nhựa PP), dự án lọc
dầu Nghi Sơn (300,000 tấn nhựa PP và 60,000 tấn nhựa PS), công ty cổ phần Nhựa
thiếu niên tiền phong Hải Phòng…Mặt khác, nƣớc ta đang trong tiến trình hội
nhập, tham gia vào các tổ chức quốc tế nhƣ APEC, AFTA, WTO, các hiệp định
thƣơng mại song phƣơng. Đây chính là cơ hội cho các doanh nghiệp sản xuất nhựa
xây dựng một chiến lƣợc kinh doanh hƣớng về xuất khẩu trong điều kiện hội nhập
quốc tế ngày càng mở rộng. Trong xu thế đó, chất lƣợng sản phẩm, sự hợp lý về
giá cả và dịch vụ thuận lợi sẽ là yếu tố quyết định sự thành bại của công ty.
10
Tuy nhiên, trang thiết bị và công nghệ để phục vụ cho công nghiệp sản xuất
nhựa ở nƣớc ta hiện nay vẫn còn lạc hậu. Nếu nhƣ trên thế giới đã sử dụng robot
vào phục vụ cho quá trình cấp, thoát phôi để thay thế con ngƣời thì ở Việt Nam
hầu hết các nhà máy vẫn còn sử dụng tay ngƣời để thực hiện quá trình này. Sử
dụng robot hiệu quả sẽ góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm
giá thành, nâng cao chất lƣợng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời
cải thiện điều kiện làm việc.
Thực tiễn cho thấy rằng, trong công nghệ ép nhựa, có một giai đoạn quan
trọng, đó là giai đoạn thoát phôi. Thông thƣờng sẽ có 1 xi lanh thủy lực riêng để
đẩy sản phẩm ra ngoài sau khi đã đƣợc làm nguội trong khuôn. Nhƣng với những
sản phẩm này cần phải qua một khâu nữa trong quá trình công nghệ hoặc những
sản phẩm có yêu cầu cao về vấn đề vệ sinh thì trong một số máy hiện đại có trang
bị một tay máy Harmo chuyên để gắp sản phẩm ra từ khuôn đúc. Những tay máy
Harmo này sẽ đảm bảo quy trình ép tự động hoàn toàn cho những công đoạn tiếp
theo. Vì vậy, vấn đề đặt ra là cần phải nắm rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động của
robot Harmo để điều khiển robot Harmo nhƣ thế nào cho hiệu quả là hết sức cần
thiết.
Ở Việt Nam hiện nay có rất nhiều hệ thống điều khiển tự động linh hoạt
nhỏ; điều khiển PLC Robot công nghiệp bắt đầu đƣợc sử dụng. Do đó, tác giả lựa
chọn nội dung cho luận văn cao học là:“Nghiên cứu tích hợp điều khiển PLC
trong Rô bốt công nghiệp 4 bậc tự do” nhằm đánh giá những ƣu, khuyết điểm
trong quá trình điều khiển, nhằm nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm
giá thành, nâng cao chất lƣợng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu tích hợp điều khiển PLC trong Robot công nghiệp bốn bậc tự do nhằm:
+ Làm chủ đƣợc giải pháp tích hợp PLC cũng nhƣ lập hệ PLC cho robot công
nghiệp.
+ Nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lƣợng
11
và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc.
+ Tăng cƣờng khả năng linh hoạt của robot khi thay đổi sản phẩm.
2.2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tƣợng nghiên cứu
- Robot Harmo nhãn hiệu UE700SW – 2R chuyên dụng , cho máy ép nhựa
tại bộ môn “Máy và ma sát học” – Trƣờng đại học Bách khoa Hà Nội.
- Động học robot Harmo.
- Kết cấu robot Harmo.
- Bộ điều khiển PLC.
- Phƣơng án tích hợp PLC, lựa chọn bộ điều khiển PLC và lập trình PLC.
b. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu động học và kết cấu robot Harmo.
- Lập trình PLC để điều khiển quá trình cấp phôi tự động của Robot Harmo
nhãn hiệu UE700SW – 2R .
3. Nội dung nghiên cứu.
- Nghiên cứu tổng quan về robot và robot Harmo.
- Nghiên cứu tổng quan về điều khiển PLC và bộ điều khiển PLC Omron.
- Nghiên cứu tích hợp điều khiển PLC trong Robot công nghiệp bốn bậc tự do.
- Đánh giá điều khiển PLC với các phƣơng pháp điều khiển khác.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Đề tài đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với
thực nghiệm:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết robot.
- Tiến hành thực nghiệm: Lập trình để chạy thử robot Harmo.
- Phân tích và đánh giá kết quả, từ đó ứng dụng thực tế.
5. Dự kiến kết quả
- Lập trình tích hợp điều khiển PLC trong Robot Harmo để thực hiện nhiệm
vụ cấp chai nhựa (có bản vẽ kèm theo); mô phỏng quá trình cấp phôi đó.
12
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp.
1.1.1. Quá trình hình thành của Robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1921 trong tác phẩm
“Rossum’s Universal Robots” của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek.
Trong tác phẩm này Rossum và con trai của ông đã chế tạo ra những chiếc máy
gần giống với con ngƣời để phục vụ con ngƣời. Năm 1922, trên sân khấu múa rối
Châu Âu đã xuất hiện con rối Robota với tên gọi là lực sỹ do các nghệ sỹ Tiệp
Khắc trình diễn. Từ đó xuất hiện ý tƣởng sáng chế kỹ thuật những cơ cấu máy có
khả năng bắt chƣớc các hoạt động của con ngƣời với mục đích robot công nghiệp
thay cho cơ bắp con ngƣời.
Trƣớc đại chiến thế giới thứ hai, việc triển khai ứng dụng những cơ cấu nhƣ
vậy trong kỹ thuật trở thành nhu cầu thực sự trong lĩnh vực quân sự. Ngay sau
đó, cơ cấu điều khiển từ xa đã ra đời. Đó là những cơ cấu phỏng sinh học. Trong
cơ cấu này, các khâu và các dây chằng gắn với nhau đƣợc điều khiển bởi các
cánh tay của ngƣời thao tác thông qua các cơ cấu cơ khí. Cơ cấu điều khiển từ xa
có thể cầm, nắm, nâng hạ, dịch chuyển, đảo lật, buông thả các đối tƣợng trong
một không gian hoạt động xác định. Thao tác khá tinh vi khéo léo nhƣng tốc độ
hoạt động chậm, lực tác dụng hạn chế và hệ điều khiển ở đây mới chỉ thuần túy là
cơ học.
Về mặt kỹ thuật, những Robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ 2 lĩnh
vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều
khiển số.
Nhƣ vậy, những Robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí
của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển
số.
1.1.2. Quá trình phát triển của robot công nghiệp
Robot công nghiệp hình thành và phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Quá trình
phát triển của robot công nghiệp đƣợc chia làm 3 thời kỳ sau:
13
- Thời kỳ sơ khai (Trước năm 1946):
Đây là giai đoạn phát triển sản xuất tiến dần đến tự động hóa cơ khí (tự động
hóa sản xuất cứng).
- Thời kỳ tiền robot (1946 – 1960):
Trong thời kỳ này, các robot đầu tiên phục vụ cho công nghiệp nguyên tử,
đây là giai đoạn phát triển mạnh của Kỹ thuật – Công nghiệp – Sản xuất. Cụ thể
nhƣ sau:
Năm 1946: Xuất hiện máy tính điện tử đầu tiên có tên là ENIAC (Electronic
Numerical Integrator and Caculartor).
Năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi
điều khiển từ xa đầu tiên và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần
tƣơng tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cữ hành
trình.
Năm 1950: Chế tạo thành công “Máy phay điều khiển số NC” tại viện công
nghệ Massachuset MIT, đây là thời kỳ phát triển Công nghệ khoa học – Kỹ thuật
thông tin – Điều khiển với khởi đầu quá trình NC trí tuệ nhân tạo. Từ đó ý tƣởng
“Kết hợp hệ điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa với độ thông minh
nhạy bén của hệ điều khiển NC đã đƣa ra một thế hệ máy tự động cao cấp. Đó là
ngƣời máy.
Năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ
servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối.
Năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc
khảo sát đáy biển.
- Thời kỳ kỷ nguyên của robotic (Từ năm 1960):
Đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của robot công nghiệp:
Năm 1961: Robot Unimate – USA của hãng General Motors đƣợc sử dụng
14
trong phân xƣởng đúc, đây là thời kỳ của robot thế hệ thứ nhất. Lập trình điều
khiển để robot lặp lại các thao tác đã đƣợc định trƣớc. Nhờ vậy mà robot có các
khả năng:
+ Một là: Làm việc liên tục trong 24 giờ và nắm vững các công việc trong
vòng vài phút.
+ Hai là: Làm việc trong mọi điều kiện: nóng bức, khó chịu, nguy hiểm và độc hại.
Trên cơ sở bản quyền phát minh sáng chế của Mỹ, các nƣớc trên thế giới cũng
bắt đầu chế tạo robot công nghiệp. Ví dụ: nƣớc Anh (1967) với robot Scara; Thụy
điển, Nhật Bản (1968) với robot Fanuc; Đức (1971), Pháp (1972), Ý (1973) với
robot Sigma.
Năm 1967, Nhật Bản nhập robot công nghiệp đầu tiên của Hoa Kỳ. Đến nay
đã có hơn 40 công ty Nhật Bản chế tạo robot nhƣ công ty Panasonic, Hitachi,
Mitsubishi..
Từ năm 1960 – 1970: Ra đời robot công nghệ mạch tích hợp IC (Integrated
Circuit), LSIC (Large Scale Integrated Circuit), bộ vi xử lý (Microprocessor) và
máy vi tính PC (Personal Computer)
Từ năm 1968 – 1972: Đây là giai đoạn phát triển mạnh mẽ của robot trong
công nghiệp ô tô, đặc biệt tại Nhật Bản với công ty YASKAWA – một trong
những nơi đầu tƣ và nghiên cứu ứng dụng robot hàng đầu thế giới. Thuật ngữ Cơ
– Điện tử (Mechatronics) đã xuất hiện và luôn gắn liền với robot CN, CNC. Năm
1970 xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 đƣợc điều khiển
từ trái đất.
Từ năm 1972: Viện nghiên cứu thuộc Trƣờng đại học Stanford đã thiết kế
robot Shakey di động tinh vi để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử
dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tƣợng. Robot này đƣợc lập
trình trƣớc để nhận dạng đối tƣợng bằng camera, xác định đƣờng đi đến đối
15
tƣợng và thực hiện một số tác động trên đối tƣợng. Do đó, robot thể hiện đƣợc sự
tổng hợp của Khoa học – Kỹ thuật – Công nghệ cơ khí – Điện – Điện tử - Tự
động điều khiển – Máy tính – Tin học. Vì vậy, đây chính là thời kỳ của các robot
thế hệ thứ hai: robot điều khiển bằng máy tính có các cảm biến liên hệ ngƣợc.
Năm 1972 cũng là năm hội nghị đầu tiên của thế giới về robot đƣợc tổ chức tại
Chicago, Hoa Kỳ. Từ đó, robot bắt đầu đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực từ sản xuất đến nghiên cứu khoa học, y tế và đời sống hàng ngày.
Năm 1976: Ra đời máy công cụ CNC đƣợc điều khiển bằng Microcomputer,
từ đó bắt đầu một thời kỳ ra đời ý tƣởng Robot thông minh và thích nghi.
Từ năm 1980 – 1990: Đây là giai đoạn phát triển nhƣ vũ bão của Khoa học –
Kỹ thuật – Công nghệ - Quy mô sản xuất và nghiên cứu khoa học, đặc biệt về
máy tính và tin học nhờ đó mà robot ngày càng chính xác, mạnh, linh hoạt, thích
nghi và điều khiển thân thiện hơn. Nhiều hiệp hội nghiên cứu về robot trên thế
giới đƣợc hình thành và phát triển nhƣ hiệp hội RIA (Hoa Kỳ), BRA (Anh),
AFRI (Pháp), SIRI (Italia), JIRA (Nhật Bản), SWIRA (Thụy Điển).
Thế kỷ 21 là thế kỷ của robot với sự phát triển theo các thế hệ sau:
+ Robot điều khiển theo chƣơng trình đƣờng dẫn: điều khiển theo thao tác,
điều khiển dẫn dạy.
+ Robot có lập trình điều khiển thích nghi, thông minh.
+ Robot có trí khôn nhân tạo.
Hiện nay, trên thế giới có khoảng trên 500 công ty và hàng nghìn mẫu robot;
robot ngày càng hiện đại, đa dạng về chủng loại và lĩnh vực ứng dụng rất phong
phú.
16
1.2. T chc k thut ca robot cụng nghip
Block B
Computer
Thiết lập và giải
bài toán động học
Xo, Yo, Zo
Xd(t)
Bộ dữ liệu điều khiển
Block A
(t)
d
Bộ dữ liệu hình học
Xf, Yf, Zf
Lập trình quỹ đạo
Yd(t), Zd(t)
hd(t)
Block D
Block C
Quá trình
dạy học
Bộ
điều khiển
Nguồn
động lực
Cơ cấu
chấp hành
Bộ dữ liệu
cảm nhận
vật lý
,ho,
o
f
,hf
d
(t),hd(t)
Bộ cảm nhận
vật lý
Hỡnh 1.1. S khi t chc k thut ca robot
S cu trỳc ca robot cụng nghip c chia lm 4 khi ln cú mi liờn h
trc tip ln nhau:
- Block A: L khi thc hin nhim v thu thp v chuyn giao d liu u
vo. Khi ny bao gm:
+ B thc hin quỏ trỡnh dy hc cho robot.
+ B d liu cm nhn vt lý: Lu tr v chuyn giao d liu cm nhn
vt lý trong quỏ trỡnh hc. B ny bao gm cỏc ta gúc ca v trớ u, v trớ
cui ca mt ng trỡnh {(o,ho); (f, hf)}.
- Block B: L khi b nóo ca Robot, bao gm cỏc cm vi x lý, gii quyt
cỏc vn sau:
+ Thit lp v gii bi toỏn ng hc trờn c s b thụng s u vo
{(o,ho); (f, hf)}.
+ B d liu hỡnh hc: Lu tr v chuyn giao cỏc kt qu gii bi toỏn
17
động học thuận, vị trí hình học của động trình với các tọa độ [(Xo, Yo, Zo) (Xf,
Yf, Zf)].
+ Lập trình quỹ đạo đi qua các điểm hình học đã hoặc chƣa “dạy” để hình
thành toàn bộ quỹ đạo chuyển động cần có [(Xd(t)), (Yd(t)),Zd(t))] của cơ cấu
chấp hành cuối.
+ Bộ dữ liệu điều khiển: Giải bài toán động học ngƣợc để tìm ra các thông
số điều khiển [(θd(t), (hd (t))].
- Block C: Là khối điều khiển bao gồm bộ so sánh giá trị cần – thực, các bộ
biến đổi khuyếch đại và phát tín hiệu điều khiển theo nguyên tắc điều khiển NC.
- Block D: Là khối cơ cấu chấp hành, bao gồm nguồn động lực, các cơ cấu
chấp hành, các bộ cảm nhận vật lý.
Căn cứ vào tổ chức kỹ thuật của robot, ta thấy có 03 bộ thông số kỹ thuật chủ
yếu sau:
- Bộ thông số cảm nhận vật lý: {(θo,ho); (θf, hf)}.
- Bộ thông số vị trí hình học: [(Xo, Yo, Zo) (Xf, Yf, Zf)].
- Bộ thông số điều khiển: [(θd(t), (hd (t))].
Đƣợc “Biến và Chuyển” liên tục từ cụm chức năng này sang cụm chức năng
khác thông qua các bƣớc thể hiện ở các hệ thống phƣơng trình động học thuận và
ngƣợc, đồng thời không tách rời quỹ đạo chuyển động tổng quát trong công tác
của robot.
Bởi vậy, quá trình thiết kế động học Robot công nghiệp là việc thiết lập và
giải các hệ phƣơng trình động học thuận và nghịch.
Kết quả tìm đƣợc là cơ sở trong việc giải các phƣơng trình động lực học và
trong tính toán điều khiển của robot đƣợc thiết kế.
18
1.3. Động học robot.
1.3.1. Bậc tự do của robot.
Robot công nghiệp là loại thiết bị tự động nhiều công dụng. Cơ cấu tay máy
của chúng phải đƣợc cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật kẹp theo một hƣớng nhất
định nào đó và di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc. Muốn vậy cơ cấu tay máy
phải đạt đƣợc một số bậc tự do chuyển động.
Các khâu của cơ cấu tay máy đƣợc nối ghép với nhau bằng các khớp quay
hoặc khớp tịnh tiến. Trong cơ cấu tay máy, các khâu nối liên tiếp với nhau gọi là
cơ cấu hở và thông thƣờng mỗi khâu động gắn liền với nguồn động lực riêng, cho
nên đối với các loại cơ cấu dùng các khớp động loại 5 thì số bậc tự do của cơ cấu
bằng số khâu động.
Ví dụ: Cơ cấu tay máy Scara có “Số bậc tự do của cơ cấu = số khâu động = 4”.
Hình 1.2. Cơ cấu tay máy Scara
Theo Nguyên lý máy, số bậc tự do của cơ cấu đƣợc tính theo công thức sau:
5
W = 6n -
iP
i
1
Trong đó:
- n: Số khâu động
- Pi: Số khớp loại i
19
(1.1)
1.3.2. Hệ tọa độ của robot
Việc gắn hệ tọa độ với các khâu có vai trò rất quan trọng khi thiết lập hệ
phƣơng trình động học của robot. Nguyên tắc chung nhƣ sau:
Gốc của hệ tọa độ gắn liền với khâu thứ i (gọi là hệ tọa độ thứ i) đặt tại giao
điểm giữa đƣờng vuông góc chung (ai) và trục khớp động i+1.
Trƣờng hợp 2 trục giao nhau thì gốc hệ tọa độ lấy trùng với giao điểm đó; 2
trục song song với nhau thì chọn gốc tọa độ là điểm bất kỳ trên trục i+1.
Trục z của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động i+1.
Trục xi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đƣờng vuông góc chung hƣớng từ
khớp động i đến khớp động i+1. Trƣờng hợp 2 trục giao nhau, hƣớng trục xi
vuông góc với mặt phẳng chứa zi.zi-1.
Zi-1
Zi-2
Zi
i
i+1
i-1
i
i-1
i-2
i+1
ai
Hi-1
ai
di
Zi-2
Xi-1
Oi-1
Oi
Xi
i
Hình 1.3. Các hệ tọa độ đối với 2 khâu động liên tiếp
Trong thực tế, các trục nối khớp động của robot thƣờng song song hoặc
vuông góc nhau nên dễ gây nhầm lẫn. Hơn nữa việc xác định các hệ tọa độ cần
phải phù hợp với các phép biến đổi của ma trận Ai để có thể sử dụng đƣợc bộ
thông số DH. Vì vậy, trình tự xác định các hệ tọa độ cần đƣợc lƣu ý các điểm
sau:
- Trục zi phải chọn cùng phƣơng với trục khớp động i +1. Hƣớng của phép
20
quay và phép tịnh tiến đƣợc chọn tùy ý.
- Trục xi đƣợc xác định dọc theo đƣờng vuông góc chung giữa trục khớp động
thứ i và (i+1), hƣớng từ khớp động thứ i tới trục (i+1).
- Trục yi đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận).
- Khi gắn hệ tọa độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma trận
Ai. Đó là 4 phép biến đổi:
R(z,θi),Tp(0,0,di), Tp(ai 0,0), R(x,αi)
1.3.3. Thông số động học và bảng thông số DH.
Vị trí tƣơng đối giữa hai hệ tọa độ liên tiếp (i – 1) và i đƣợc mô tả bởi 4 tham
số động học Denavit – Hartenberg: di, θi, ai, αi (Hình 1.3)
- ai: Khoảng dịch chuyển giữa 2 trục khớp động kề nhau.
- αi: Góc lệch giữa trục của 2 khớp động liền kề, là góc quay quanh trục xi sao
cho trục zi-1 chuyển đến trục zi theo quy tắc bàn tay phải.
- di: Dịch chuyển tịnh tiến giữa hai đƣờng vuông góc chung của 2 trục; di =
|Oi-1Hi-1| là dƣơng nếu vector Oi-1Hi-1 theo chiều dƣơng của trục Zi-1, âm trong
trƣờng hợp ngƣợc lại.
- θi: Góc giữa 2 đƣờng vuông góc chung. Là góc quay quanh trục zi-1để trục
xi-1 chuyển đến trục xi theo quy tắc bàn tay phải.
Bộ thông số: di, θi, ai, αi đƣợc gọi là bộ thông số Denavit – Hartenberg hoặc
viết tắt là bộ thông số DH.
1.3.4. Phƣơng trình động học của Robot.
Ma trận Ai là ma trận mô tả vị trí và hƣớng của khâu thứ i so với khâu thứ i -1
và đƣợc xác định nhƣ sau:
Ai = R(z, i) .Tp(0,0,di).Tp(ai,0,0).R(x, i)
Trong đó:
+ Phép biến đổi tịnh tiến:
21
(1.2)
[
] =TP (Px, Py, Pz)
(1.3)
+ Phép biến đổi quay:
[
]
(1.4)
[
]
(1.5)
Cuối cùng ta đƣợc ma trận:
Ai = [
]
(1.6)
Ai đƣợc gọi là ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Danavit – Hartenberg của khâu
thứ i so với khâu thứ i-1.
- Ma trận Ti là tích các ma trận Ai
Ti = A1. A2… Ai với i = 1,2,..,n
(1.7)
Trong đó:
+ Ma trận A1: Mô tả vị trí và hƣớng của khâu đầu tiên.
+ Ma trận A2: Mô tả vị trí và hƣớng của khâu thứ 2 so với khâu đầu tiên.
+ Ma trận Ai : Mô tả vị trí và hƣớng của khâu thứ i so với khâu thứ i -1.
Ti đƣợc gọi là ma trận mô tả vị trí và hƣớng của hệ tọa độ gắn liền với khâu thứ
i, so với hệ tọa độ cố định. Trong trƣờng hợp i = n, với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ
gắn liền với “điểm tác động cuối” (E) thì ta có:
Tn= A1. A2… An
22
Mặt khác, hệ tọa độ tại “điểm tác động cuối” này đƣợc mô tả bằng ma trận TE
u
x
u
TE = y
u
z
0
v
v
x
y
v
z
0
w
w
x
y
w
z
0
P
x
p
y
p
z
1
(1.8)
Các phần tử của ma trận 3x1 là tọa độ px,py,pz của điểm tác động cuối E. Mỗi
cột của ma trận quay 3 x 3 là một véc tơ chỉ phƣơng một trục của hệ tọa độ động
UVW (gắn liền với khâu cuối cùng của robot và có gốc là điểm tác động cuối)
biểu diễn trong hệ tọa độ cố định XYZ.
Vì vậy hiển nhiên là:
Tn= TE
Hoặc
u
x
u
Tn = y
u
z
0
v
v
v
x
y
z
0
w
w
w
x
y
z
0
P
x
p
y
p
z
1
(1.9)
Đây là phƣơng trình động học cơ bản của robot.
1.4. Truyền động trong robot công nghiệp.
1.4.1. Truyền động khí nén. (Pneumatic Systems)
Hệ thống khí nén đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến,
gia công cơ khí, khai thác khoáng sản, đặc biệt ở những lĩnh vực cần phải đảm
bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trƣờng độc hại.
a. Các dạng hệ thống khí nén.
Dựa vào dạng năng lƣợng của tín hiệu điều khiển, ngƣời ta chia ra hai hệ
thống khí nén sau:
- Hệ thống điều khiển bằng khí nén: Tín hiệu điều khiển bằng khí nén nên kéo
theo các phần tử xử lý và điều khiển sẽ tác động bởi khí nén.
23
