Nghiên cứu một giải pháp lập trình và thiết kế công cụ hỗ trợ lập trình và điều khiển dạng teleoperation dùng cho robot sơn

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN NHƯ HÙNG

Đề tài:

NGHIÊN CỨU MỘT GIẢI PHÁP LẬP TRÌNH
VÀ THIẾT KẾ CƠNG CỤ HỖ TRỢ LẬP TRÌNH
VÀ ĐIỀU KHIỂN DẠNG TELEOPERATION
DÙNG CHO ROBOT SƠN
Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy
Mã chuyên ngành : 02.01.00

LUẬN VĂN THẠC SỸ
(PHẦN THUYẾT MINH)

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2006.


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. LÊ HOÀI QUỐC
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 :...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 :...................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,
ngày . . . . tháng . . . . năm . . . . .


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày 03 tháng 12 năm 2006 .
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
Ngày, tháng, năm sinh:
Chuyên ngành:
I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGUYỄN NHƯ HÙNG
01/ 01/ 1970
Công nghệ chế tạo máy

Phái: Nam
Nơi sinh: Thừa Thiên, Huế
MSHV: 00404076

NGHIÊN CỨU MỘT GIẢI PHÁP LẬP TRÌNH

VÀ THIẾT KẾ CƠNG CỤ HỖ TRỢ LẬP TRÌNH
VÀ ĐIỀU KHIỂN DẠNG TELEOPERATION
DÙNG CHO ROBOT SƠN
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Thiết kế công cụ lập trình dạng “mơ hình huấn luyện” (maquette) dùng trong lập
trình không trực tuyến hoặc điều khiển trực tuyến robot sơn.
2. Thiết kế và tích hợp phần cứng gồm bộ đếm tốc độ cao và lưu trữ dữ liệu lấy mẫu.
3. Xây dựng phần mềm và giao diện điều khiển robot sơn với các dữ liệu lấy mẫu từ
maquette.
4. Chế tạo mơ hình thử nghiệm và kiểm chứng kết quả.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong Quyết định giao
đề tài):
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/ 2006
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):
PGS. TS. LÊ HOÀI QUỐC
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chun ngành thơng qua.
TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH

Ngày
tháng
năm
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành với sự trân trọng và lòng biết ơn
sâu sắc đến Thầy PGS. TS. LÊ HOÀI QUỐC - Chủ nhiệm bộ mơn Điều khiển Tự
động, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Tp.HCM, đã tận tình hướng dẫn chu
đáo và nhiệt tình cho em thực hiện hồn thành luận văn này.
Và em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:
- Tập thể quý Thầy Cô thuộc Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa
Tp.HCM.
-

Bạn Trương Ngọc Anh, đã hỗ trợ thiết kế, thi công và viết chương trình cho
phần điều khiển.

-

Các bạn lớp Cao học ngành Chế tạo máy, khóa 15, trường Đại học Bách
Khoa Tp.HCM đã động viên, giúp đỡ, đặc biệt là bạn Lê Trung Can đã tận
tình giúp đỡ trong suốt thời gian vừa qua.

-

Cuối cùng xin gửi lời cảm đến vợ tôi là Nguyễn Thị Hoàng Oanh, đã động
viên, sắp xếp thời gian, chu tồn mọi cơng việc để tơi có điều kiện theo học
hết khóa học và hồn tất luận văn này.

-

Đồng thời cũng xin gửi lời cảm ơn và biết ơn chân thành và sâu sắc đến hai

đấng sinh thành đã sinh ra tôi và nuôi dạy tôi khôn lớn đến ngày hôm nay.
Tp.HCM, ngày 30 tháng 11 năm 2006

Nguyễn Như Hùng


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hiện nay, sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con
người, nhưng lại hồn tồn khơng nguy hiểm đối với robot. Ngồi ra, con người phải
mất khơng ít thời gian để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành
nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vài giờ và có khả
năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp. Điều đó thể hiện một bước
tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng cũng như cải thiện chế
độ làm việc cho con người trong môi trường độc hại.
Tất cả robot phun sơn đều được “dạy” bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu
phun và dịch chuyển nó đi đúng đường; đường đi đó được ghi lại; và khi robot thực
hiện cơng việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn đó. Như
thế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng
cho chúng.
Từ những yêu cầu thực tiễn trên, và nhu cầu sử dụng robot sơn đối với các doanh
nghiệp trong nước, người thực hiện quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu một giải
pháp lập trình và thiết kế cơng cụ hỗ trợ lập trình và điều khiển dạng teleoperation
dùng cho robot sơn”.
Luận văn gồm 6 chương (78 trang), trong đó có 80 hình minh họa và 6 bảng thể
hiện số liệu cùng với phụ lục là bộ bản vẽ thiết kế chi tiế mơ hình và giá đỡ để gia
cơng; đĩa CD-ROM: nội dung tồn bộ luận văn và chương trình (phần mềm) huấn
luyện, phần mềm mô phỏng, kết quả thử nghiệm, hướng dẫn sử dụng chương trình…
Học viên thực hiện.

Nguyễn Như Hùng

MỤC LỤC
* NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
* LỜI CẢM ƠN
* TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
* MỤC LỤC
Trang
Chương 1: Tổng quan................................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề.................................................................................................... 1
1.2 Các phương pháp sơn. ................................................................................. 2
1.3 Tình hình nghiên cứu và chế tạo robot........................................................ 4
1.4 Mục tiêu của đề tài ...................................................................................... 9
1.5 Phạm vi của đề tài....................................................................................... 9
1.6 Những vấn đề cần nghiên cứu . ................................................................... 9
Chương 2: Giới thiệu robot sơn................................................................................. 11
2.1 Giới thiệu robot sơn................................................................................... 11
2.2 Một số robot sơn điển hình........................................................................ 14
2.3 Điều khiển robot sơn. ................................................................................ 24
2.4. Một số phương pháp thiết lập quỹ đạo cho robot sơn. .............................. 25
Chương 3: Thiết kế mơ hình huấn luyện (maquette). ............................................. 28
3.1 Giới thiệu mơ hình huấn luyện dạng Teleoperation (maquette). .............. 28
3.2 Thiết kế tổng quát...................................................................................... 34
3.3 Thiết kế mô hình huấn luyện..................................................................... 36
Chương 4: Thiết kế điều khiển. ................................................................................. 43
4.1. Phân tích nội dung thiết kế ........................................................................ 43
4.2. Ý tưởng thiết kế......................................................................................... 43
4.3. Chọn phương án. ....................................................................................... 44
4.4 Thiết kế phần cứng theo từng khối............................................................ 46
4.5 Sơ đồ nguyên lý tổng hợp.......................................................................... 57

4.6 Thiết kế phần mềm. ................................................................................... 60
Chương 5: Chương trình mơ phỏng.......................................................................... 69
5.1. Giới thiệu phần mềm Roboworks.............................................................. 69
5.2. Các khối xây dựng mơ hình và các dạng chuyển đổi................................ 71
5.3. Các menu điển hình. .................................................................................. 74
Chương 5: Kết luận và hướng đề nghị. ..................................................................... 75
6.1 Kết luận. .................................................................................................... 75
5.2 Hướng đề nghị. .......................................................................................... 77
* PHỤ LỤC: Các bản vẽ cơ khí của các chi tiết của mơ hình, đĩa CD ROM (nội dung
tồn bộ luận văn, chương trình (phần mềm) huấn luyện, kết quả thử nghiệm, hướng
dẫn sử dụng chương trình, phần mềm mơ phỏng… ..................................................... 79


* TÀI LIỆU THAM KHẢO. ...................................................................................... 88
* Lý lịch trích ngang. ...........................................................................................................90

DANH MỤC HÌNH
Trang

Chương 1
Hình 1.1:
Hình 1.2:

Hệ thống robot song song PR6-01 (theo VietnamNet). .............................. 5
Robot quay phim do các nhà Khoa học Việt Nam nghiên cứu chế tạo
(theo VietnamNet). ...................................................................................... 5

Hình 1.3:

Robot hàn đang ứng dụng thử nghiệm tại Nhà máy đóng tàu Hà Nội

(Thanh Trì, Hà Nội). (Ảnh: TS Hồi Quốc - VietNamNet)........................ 6

Hình 1.4:

Khơng chỉ biết hàn, robot hàn cịn có thể cắt các chi tiết sản phẩm có dạng
đường cong và đường thẳng. (Ảnh: TS Hồi Quốc - VietNamNet) ................6

Hình 1.5:

Robot Crane sử dụng trong dây chuyền sản xuất thuốc nổ. (Ảnh: TS
Hoài Quốc - VietNamNet) ......................................................................... 6

Hình 1.6:

Robot Camera Crane đang được VTV đưa vào sử dụng trong cơng việc
quay phim. (Ảnh: TS Hồi Quốc - VietNamNet) ....................................... 6

Hình 1.7:

Tay lấy máy sản phẩm kiểu nằm ngang đang ứng dụng thử nghiệm tại Công
ty Nhựa Đơ Thành, TP.HCM. (Ảnh: TS Hồi Quốc - VietNamNet).................6

Hình 1.8:

Robot vạn năng đang ứng dụng thử nghiệm tại Công ty Cơng nghiệp Cơ
khí Sài Gịn, quận Tân Bình, TP.HCM. (Ảnh: TS Hồi Quốc VietNamNet) ............................................................................................... 6

Hình 1.9: Tình hình ứng dụng robot cơng nghiệp ở các nước. ................................... 8
Hình 1.10: Biểu đồ chỉ số sử dụng chiếc robot ............................................................. 9
Hình 1.11: Biểu đồ thay đổi đơn giá 1 chiếc robot ở Pháp, Đức, Italia, Hàn Quốc,

Anh và Hoa Kỳ............................................................................................ 9

Chương 2
Hình 2.1:
Hình 2.2:
Hình 2.3:
Hình 2.4:
Hình 2.5:
Hình 2.6:
Hình 2.7:
Hình 2.8:
Hình 2.9:

Chi phí nhân cơng cho sơn trong giai đoạn lắp ráp và hoàn thiện thân tàu
chiếm 23%. ................................................................................................ 12
Robot sơn hai súng phun của hãng GAROLL (Italia)............................... 12
Robot sơn hai súng phun của hãng ABB................................................... 12
Robot sơn hai súng phun của hãng KAWASAKI. ................................... 13
Robot phủ men của hãng ABB.................................................................. 13
Hệ thống robot sơn của hãng KAWASAKI. ............................................. 13
Hệ thống robot sơn của hãng FANUC. ..................................................... 14
Hệ thống robot sơn của hãng FANUC ............................................................14
Hệ thống robot sơn của hãng ABB .........................................................................14


Hình 2.10:
Hình 2.11:
Hình 2.12:
Hình 2.13:
Hình 2.14:

Hình 2.15:
Hình 2.16:
Hình 2.17:
Hình 2.18:
Hình 2.19:
Hình 2.20:
Hình 2.21:
Hình 2.22:
Hình 2.23:
Hình 2.24:
Hình 2.25:
Hình 2.26:
Hình 2.27:
Hình 2.28:
Hình 2.29:
Hình 2.30:
Hình 2.31:

Robot phủ men của hãng FANUC ............................................................ 14
Robot phủ men của hãng ABB.................................................................. 14
Một số cấu hình robot sơn của hãng KAWASAKI................................... 15
Cấu hình cổ tay robot sơn của hãng KAWASAKI. .................................. 15
Bảng thông số kỹ thuật của series robot sơn KF (KAWASAKI). ............ 16
Kích thước và khơng gian di chuyển của series robot sơn KF
(KAWASAKI) .............................................................................................. 16
Robot IRB 540 (ABB). ................................................................................. 16
Robot IRB5400 (ABB).............................................................................. 17
Các loại robot sơn IRB 5400 của hãng ABB. ........................................... 17
Vùng làm việc của robot IRB 5400........................................................... 18
Hệ thông robot sơn bên trong của hãng ABB. .......................................... 18

Hệ thống robot sơn bên ngoài của hãng ABB. .......................................... 19
Các loại cổ tay robot của hãng ABB ......................................................... 19
Robot MOTOMAN-PX1850 ..................................................................... 20
Các ứng dụng của robot sơn. ..................................................................... 21
Robot P-200E của hãng FANUC. ............................................................. 22
Hệ thống sơn xe hơi của hãng FANUC..................................................... 23
Robot mở cửa (trái) và robot sơn bên trong (phải).............................................23
Teach pendant của robot sơn C55(KAWASAKI)..................................... 25
Lưu đồ giải thuật hệ thống sơn linh hoạt................................................... 26
Chuyển động của động phun sơn theo một mặt ảo ngoải bể mặt được sơn.....26
Người thợ sơn dùng cánh tay robot để thực hiện thao tác sơn.................. 27

Chương 3
Hình 3.1a:
Hình 3.1b:
Hình 3.1c:
Hình 3.1d:
Hình 3.2:
Hình 3.3:
Hình 3.4:
Hình 3.5:
Hình 3.6:
Hình 3.7:
Hình 3.8:
Hình 3.9:

Tay máy Sarcos của MIT. ......................................................................... 29
Tay máy Stanford. ..................................................................................... 29
Tay máy Sarcos của MIT. ......................................................................... 29
Hệ thống Teleoperation của JPL. ............................................................. 30

Các dạng điều khiển trên các khâu của tay máy........................................ 32
Sơ đồ minh họa quá trình phân hoạch và nội suy. .................................... 34
Sơ đồ khối hệ thống................................................................................... 34
Sơ đồ khối chi tiết hệ thống .............................................................................35
Mẫu thứ 1 ..................................................................................................................36
Mẫu thứ 2 .................................................................................................. 36
Mẫu thứ 3................................................................................................... 36
Robot hàn AW-7000. ................................................................................ 37

Hình 3.10: Sơ đồ dộng robot 6 bậc tự do .................................................................... 40


Chương 4
Hình 4.1:
Hình 4.2:
Hình 4.3:
Hình 4.4:
Hình 4.5:
Hình 4.6:
Hình 4.7:
Hình 4.8:
Hình 4.9a:
Hình 4.9b:
Hình 4.9c:
Hình 4.10:
Hình 4.11:
Hình 4.12:
Hình 4.13:
Hình 4.14:
Hình 4.15:

Hình 4.16:
Hình 4.17:
Hình 4.18:
Hình 4.19:
Hình 4.20:
Hình 4.21:
Hình 4.22:

Sơ đồ kết nối encoder với opto-coupler. ................................................... 46
Sơ đồ nguyên lý mạch đếm xung. ............................................................. 49
Sơ đồ nguyên lý mạch dao động cung cấp cho mạch đếm........................ 50
Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp bộ đếm xung. ......................................... 52
Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị dùng LCD. ............................................... 53
Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp máy tính. ................................................ 54
Mạch nguồn cho dùng IC ổn áp. ............................................................... 55
Mạch nạp cho VĐK................................................................................... 56
Sơ đồ tổng hợp mạch giao tiếp encoder. ................................................... 57
Sơ đồ tổng hợp mạch giao tiếp encoder. ................................................... 57
Sơ đồ tổng hợp mạch giao tiếp encoder. ................................................... 58
Sơ đồ tổng hợp mạch xử lý trung tâm. ...................................................... 59
Qui trình thực hiện..................................................................................... 60
Lưu đồ chương trình chính........................................................................ 61
Lưu đồ chương trình ngắt Timer 0. .......................................................... 62
Lưu đồ chương đọc dữ liệu từ các encoder. ............................................ 63
Lưu đồ chương trình ngắt nối tiếp. ........................................................... 63
Lưu đồ chương trình khởi tạo LCD. ........................................................ 63
Lưu đồ chương trình gửi lệnh cho LCD. ................................................. 64
Lưu đồ chương trình gửi dữ liệu cho LCD. .............................................. 64
Lưu đồ chương trình chính thu thập dữ liệu trên máy tính....................... 65
Lưu đồ chương trình con huấn luyện........................................................ 66

Lưu đồ chương trình con ngắt nối tiếp trên máy tính. .............................. 67
Giao diện phần mềm huấn luyện............................................................... 68

Chương 5
Hình 5.1:
Hình 5.2:
Hình 5.3:
Hình 5.4:
Hình 5.5:

Giao diện phần mềm mơ phỏng. ............................................................... 69
Bố trí các trục tọa độ X, Y, Z trong phần mềm......................................... 70
Cửa sổ hình cây hiển thị các thành phần của mơ hình.. ............................ 70
Cấu trúc hình trụ........................................................................................ 72
Các thơng số của hình trụ. ......................................................................... 73

Chương 6
Hình 6.1:

Mạch xử lý trung tâm và mạch xử lý tín hiệu encoder.............................. 76


DANH MỤC BẢNG
Trang
Chương 4
Bảng 4.1:
Bảng 4.2:
Bảng 4.3:
Bảng 4.4:
Bảng 4.5:

Bảng 4.6:

So sánh các phương án chọn bộ thu nhận tín hiệu. ................................... 45
So sánh các phương án chọn bộ xử lý tín hiệu.......................................... 45
Vùng địa chỉ giải mã cho các encoder....................................................... 47
Bảng chọn chế độ làm việc cho IC đếm xung........................................... 48
Sơ đồ chân kết nối giữa vi điều khiển và LCD. ........................................ 53
Sơ đồ chân kết nối giữa vi điều khiển và MAX232. ................................. 54


LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên:

Nguyễn Như Hùng

Ngày, tháng, năm sinh:

01.01.1970

Nơi sinh:

Tỉnh Thừa Thiên, Tp. Huế

Địa chỉ liên lạc:

Số 143/5A Quang Trung, phường 11, Q. Gị Vấp,
Tp.HCM

Q TRÌNH ĐÀO TẠO
1990 – 1995:

Sinh viên trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM, khoa Cơ Khí.

1997 – 2002:

Sinh viên trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM, khoa Công nghệ
thông tin (bằng 2, học buổi tối)

2004 – nay:

Học viên Cao học ngành Cơ khí Chế tạo máy,
Trường ĐH Bách khoa Tp.HCM

Q TRÌNH CƠNG TÁC
1995 – 02/2006:

Cơng tác tại phịng Kỹ thuật, Cơng ty Cơ Điện Thủ Đức (thuộc
tổng Công ty Điện Lực Việt Nam)

03/2006 – nay:

Công tác tại Bộ phận Phát triển các Dự án Vật tư (Material
Development Project Section), Công ty Fujikura Fiber Optics
Vietnam (khu công nghiệp Việt Nam-Singapore, tỉnh Bình
Dương)


1

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Môi trường sơn phủ (painting and coating) là một môi trường độc hại, ô nhiễm,
dễ cháy nổ do chứa nhiều bụi sơn, dung môi, các chất tạo màu, tạo bóng…Nhưng
hầu hết các sản phẩm cơng nghiệp đều phải thực hiện nguyên công sơn phủ trước khi
đưa ra thị trường. Từ các sản phẩm trong ngành chế tạo cơ khí như xe hơi, xe máy,
tàu thuyền, máy móc thiết bị… đến các sản phẩm tiêu dùng có nguồn gốc từ kim
loại, gỗ, nhựa (như quạt máy, nồi cơm điện, tủ lạnh, ti vi, bút viết…)… cũng được
sơn phủ để tạo nét thẩm mỹ, bảo vệ bề mặt để chống ăn mòn, chống mối mọt (sản
phẩm gỗ)...các sản phẩm sành sứ (phủ men) cũng đều phải qua nguyên công sơn
phủ. Như vậy sơn phủ là một bộ phận không thể thiếu trong các ngành sản xuất và
chế tạo.
Do đó làm việc trong mơi trường sơn, phủ rất độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe
cơng nhân. Ngồi ra, chất lượng sơn không đồng đều phụ thuộc vào tay nghề, cảm
xúc con người, năng suất thấp.
Vì thế, để tăng năng suất sơn nhằm đáp ứng nhu cầu sơn ngày càng cao của nền
công nghiệp đang phát triển và đặc biệt là trong ngành chế tạo xe hơi (kể cả các
nhành công nghiệp khác) đồng thời cách ly con người khỏi môi trường sơn để tránh
độc hại người ta đã bắt đầu nghĩ đến việc ứng dụng robot công nghiệp vào cơng nghệ
sơn phủ và từ đó ngành chế tạo robot sơn (painting robot) ra đời.
Robot phun sơn là một trong những ứng dụng đầu tiên của robot công nghiệp.
Robot phun sơn đã không ngừng phát triển để thay thế con người trong môi trường
làm việc độc hại. Hai ưu điểm của robot sơn là chống nổ và không nổ (explosion
proof and non-explosion proof).
Xét về phương pháp sơn: có rất nhiều phương pháp sơn, và muốn chọn phương
pháp nào chúng ta cần nghiên cứu nhiều vấn đề như: tính chất và chủng loại sơn, các
yêu cầu về chất lượng sơn, thiết bị và cơng cụ chúng ta đang có, hình dáng, nguyên
liệu, kích thước và bề mặt sản phẩm sơn. Việc chọn một phương pháp gia sơn nào đó
đều có ưu và khuyết điểm của nó. Vì vậy khi chọn, cũng cần chú ý đến hiệu quả kinh

tế và thỏa mãn các yêu cầu đặt ra. Các phương pháp sơn thông dụng là: sơn quét,
sơn nhúng, sơn phun, sơn tĩnh điện, sơn điện phân.. và một số phương pháp khác
như sơn lăn, sơn phun cao áp khơng có khơng khí. v.v. Sau đây xin giới thiệu sơ lược
các phương pháp sơn thông dụng.


2

1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP SƠN:
Trước hết cũng xin giới thiệu sơ qua về cấu tạo và phân loại sơn:
™ Cấu tạo của sơn gồm những phần chính sau: chất dẻo tổng hợp, chất tạo màu,
dung môi và những chất phụ gia.
™ Có ba nhóm sơn chính:
¾ Sơn dùng trong thương mại.
¾ Sơn dùng cho bảo trì.
¾ Sơn dùng trong cơng nghiệp. (Và các loại sơn công nhiệp cũng

được phân nhỏ tùy theo tính chất sử dụng. Người ta cịn phân
loại sơn công nghiệp theo chất dẻo tổng hợp, theo cấu trúc vật
lý (Physical Makeup) và theo cơ chế lưu hóa (cao su) (Cure
Mechanism).

1.2.1.

SƠN QUÉT:

Đây là phương pháp sơn cổ điển và phổ biến nhất.
Đặc điểm của sơn quét là: dụng cụ đơn giản (cọ sơn), dễ thao tác, tính linh hoạt
lớn có thể sơn bất kỳ chi tiết nào và có thể sơn được rất nhiều loại sơn khác nhau.
Dùng phương pháp sơn quét để sơn chống gỉ tương đối thích hợp, vì làm tăng độ

thấm ướt giữa bề mặt kim loại và lớp sơn lót. Do đó, làm tăng độ bám dính và vì thế
làm tăng tính chống gỉ. Khuyết điểm của sơn quét là: thao tác thủ công, cường độ
lao động lớn, năng suất thấp, khơng thích hợp với màng sơn khơ nhanh, độc hại…
Ngồi ra, nếu thao tác khơng thành thạo, lớp phủ khơng đồng đều, có vết…

1.2.2.

SƠN NHÚNG:

Sơn nhúng, từ tên gọi đã gợi ý cách sơn tức là nhúng sản phẩm vào thùng sơn,
sau đó lấy ra, để dung dịch sơn còn trên bề mặt rơi xuống tự nhiên và sấy khô.
Đặc điểm của sơn nhúng là: năng suất cao, có thể tự động hóa, kỹ thuật đơn giản,
thao tác thuận tiện. Nhưng phương pháp sơn nhúng khơng thích hợp với loại sơn bay
hơi nhanh, chất màu lắng đọng. Ngoài ra, khi dùng phương pháp nhúng, màng sơn
không đều, trên mỏng dưới dày và chảy vệt ở biên.. Phương pháp này chỉ dùng cho
những sản phẩm có u cầu thẩm mỹ khơng cao.

1.2.3.

SƠN PHUN KHƠNG KHÍ:

Sơn phun khơng khí là phương pháp dùng súng phun sơn (spray gun), nhờ dịng
khơng khí nén, dung dịch sơn thành dạng sương mù bám đồng đều trên bề mặt sản
phẩm. Đặc điểm của phương pháp này là có hiệu suất cao (từ 5 - 10 lần sơn quét),
gia công thuận tiện. Phương pháp này sử dụng được hầu hết các loại sơn và thích
ứng với các sản phẩm có hình dạng phức tạp, đặc biệt là sản phẩm có diện tích lớn,
khơ nhanh, màng sơn phân bố đồng đều (còn tùy thuộc vào tay nghề người thợ),
bằng phẳng và bóng.

3

Khuyết điểm của phương pháp sơn phun là hiệu suất sử dụng thấp, vì so với các
phương pháp khác cần rất nhiều dung mơi, và tồn bộ dung mơi bay hơi gây tổn hao
lớn, ô nhiễm môi trường, dễ cháy nổ, cuối cùng là lượng sơn bay ra ngoài bề mặt cần
sơn khoảng 20%. Khi sơn phải sơn nhiều lần và mỗi lần một lớp mỏng (nhằm tránh
các vệt chảy). Và khi sơn phun dung môi bay hơi (kể cả các hạt sơn dạng sương mù)
ảnh hưởng đến sức khỏe cơng nhân vì thế cần có dụng cụ lọc đốc tốt. Khi phun trong
điều kiện thơng gió khơng tốt, dễ bắt lửa và có thể gây nổ.

1.2.4. SƠN PHUN CAO ÁP KHƠNG CĨ KHƠNG KHÍ:
Đây là phương pháp phun sơn tương đối mới. Ban đầu tạo cho sơn có áp suất
nhất định, sơn được phân tán thành các hạt nhỏ qua vòi phun để đến bề mặt sản
phẩm.

1.2.5. SƠN TĨNH ĐIỆN:
Nguyên lý sơn tĩnh điện dựa trên đặc điểm cơ bản của điện tích: cùng dấu đẩy
nhau và trái dấu thì hút nhau. Thơng thường sản phẩm nối với đất là cực dương
(mang điện tích dương), các hạt sơn là cực âm (mang điện tích âm). Điện thế sơn từ
70 – 100 KV (khi cần vá dặm điện thế khoảng 30 – 50 KV). Hướng sung phun
(spray gun) ở khoảng cách 20 cm vào sản phẩm cần sơn; lớp sơn dày khoảng 50 –
100 µm.
Đặc điểm của sơn tĩnh điện là: năng suất lao động cao, thích hợp dùng cho sản
xuất lớn; chất lượng sản phẩm tốt, màng sơn đồng đều, độ bám dính tốt; tiết kiệm
nguyên liệu sơn, hiệu suất sử dụng cao có thể đạt đến 80-90%; thao tác đơn giản, có
thể tự động hóa, giảm nhẹ sức lao động, sơn bay ra ít; cải thiện điều kiện vệ sinh mơi
trường; có thể sơn được các loại sản phẩm khác nhau và nguyên liệu khác nhau.

1.2.6. SƠN PHUN GIA NHIỆT:
Đây là phương pháp sơn mới, đang phát triển.

Nguyên lý phun sơn gia nhiệt dựa vào đặc tính độ nhớt giảm đi khi tăng nhiệt độ,
có thể tiết kiệm nhiều dung mơi để pha lỗng. Nhiệt độ thích hợp khoảng 70oC. Phun
sơn gia nhiệt có nhiều ưu điểm như: dung mơi tiêu hao ít, khoảng 2/3 so với phun
sơn ở nhiệt độ thường; số lần phun ít vì độ dày màng sơn lớn, nâng cao năng suất lao
động; màng sơn bằng phẳng, ít biến trắng…

1.2.7. SƠN ĐIỆN HĨA:
Phương pháp sơn điện hóa đã phát triển khoảng hơn 60 năm. Sơn điện hóa có
nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp sơn khác. Sơn điện hóa được áp dụng
rộng rãi trong các ngành chế tạo xe hơi, xe máy, tàu thuyền và các sản phẩm công
nghiệp nhẹ khác.
Đặc điểm sơn điện hóa:
-

Dung mơi sơn là nước, khơng có bụi sơn và dung môi bay hơi, cải thiện điều
kiện lao động và đảm bảo sức khỏe cơng nhân.

-

Có thể sản xuất tự động, vì thế giảm cường độ lao động, nâng cao năng suất
lao động.


4

-

Nâng cao chất lượng sản phẩm. Độ dày lớp sơn đồng đều, bám tốt, sơn được
những chi tiết có hình dáng phức tạp.

-

Tiết kiệm dung môi, giá thành sản phẩm giảm, hiệu suất sử dụng đạt đến
95%. Dung môi là nước nên khơng gây cháy, sản xuất an tồn. Sau khi xử lý
bề mặt có thể sơn ngay khơng cần sấy khơ, vì thế tiết kiệm năng lượng.

1.2.8. SƠN BỘT:
Sơn bột có ý nghĩa rất lớn trong ngành cơng nghiệp sơn. Vì nó cho phép sử dụng
các polyme khơng tan trong dung môi, mà trước đây không dùng làm sơn được.
Những loại polyme dùng sản xuất sơn bột là: epoxy, polyester, polyuretan,
polypropylene, polyvinyl clorua, polyvil butan… Những loại polyme này rất khó hịa
tan trong dung mơi thơng thường, nên khơng sử dụng chế tạo sơn truyền thống được,
nhưng chế tạo sơn bột thì chúng tạo màng sơn rất tốt. Sơn bột phát triển nhanh nhờ
các ưu điểm sau:
-

Màng sơn bột có độ bền va chạm, độ mài mịn cao.

-

Màng sơn bột không rổ, khả năng bảo vệ bề mặt sản phẩm cao.

-

Bền với hóa chất, cách điện tốt, có nhiều màu sắc và sơn được nhiều loại sản
phẩm có hình dáng phức tạp.

-

Màng sơn bột bám dính tốt trên thủy tinh, sành sứ và kim loại, sơn dày mỏng

tùy ý.

-

Sơn bột không chứa dung môi, không gây độc hại, cháy nổ.

-

Giá thành thấp.

1.2.9. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SƠN KHÁC:
Ngoài các phương pháp sơn kể trên cị có phương pháp sơn mài (lacquer), phủ
men (enamel)…

1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO
ROBOT:
1.3.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CƯU VÀ CHẾ TẠO ROBOT TRONG
NƯỚC:
Trước nhu cầu sản xuất ngày càng cao và nhằm thúc đẩy nền công nghiệp phát
triển. Vào cuối tháng tư năm ngối, Sở Khoa học Cơng nghệ (KH-CN) TP.HCM đã
tổ chức cuộc họp nhằm tìm hiểu nhu cầu của doanh nghiệp đối với robot công
nghiệp. Mục tiêu đặt ra, đến 2006, có 4 loại robot cơng nghiệp do giới khoa học
TP.HCM nghiên cứu, chế tạo và cung cấp theo đơn đặt hàng của các doanh nghiệp
trong nước.
Robot công nghiệp là tên gọi chung của những máy móc, thiết bị có khả năng tự
động hoá cao nhằm đáp ứng một yêu cầu sản xuất cụ thể nào đó của doanh nghiệp.
Trước đó, vào tháng 3/2005, Sở KH-CN TP.HCM đã hoàn thành Dự thảo Chương
trình chế tạo robot với mục tiêu sử dụng đội ngũ các nhà khoa học trong nước để

5

nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các loại robot công nghiệp chuyên dùng cho các
doanh nghiệp. Sau đây là một số thành quả đạt được (theo VietnamNet):
Sau hai năm nghiên cứu, phòng Cơ điện tử, Viện Cơ học đã thiết kế và chế tạo
hoàn chỉnh một robot song song 6 chân (Hexapod), dùng cho các ngành kỹ thuật
hiện đại, trước mắt là trong gia cơng cơ khí chính xác.

Hình 1.1: Hệ thống của robot song Hình 1.2: Robot quay phim do các nhà
song PR6-01
khoa học Việt Nam nghiên cứu chế tạo.
(theo VietnamNet)
Đây là kết quả nghiên cứu ròng rã trong ba năm của gần 30 nhà khoa học
thuộc ĐH Bách khoa TP HCM. Robot này có thể thay thế con người làm việc
trong môi trường độc hại và không an tồn.
Robot có thể hoạt động nhanh và chuẩn xác trong các công việc: hàn, lắp
ráp, vận chuyển sản phẩm và cấp phơi trong các dây chuyền tự động. Đó là: robot
vạn năng phục vụ cho q trình hố luyện nhiệt; robot hàn; robot Crane; tay máy
phục vụ trong dây chuyền sản xuất đạn, thuốc nổ; tay máy lấy sản phẩm phôi PET
trên máy ép nhựa (gồm tay máy theo phương ngang và tay máy theo phương
đứng).
Thực tế cho đến nay, nhiều cơ sở nghiên cứu như ĐH Bách khoa Hà Nội, ĐH
Bách khoa TP HCM, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin... đã chế tạo được một
số robot mẫu ứng dụng trong công nghiệp như robot lấy sản phẩm phôi chai nhựa
PET, robot MSR 50 bốc dỡ và vận chuyển vật liệu rời, robot hàn…
Một số hình ảnh minh họa:


6

Hình 1. 3: Robot hàn đang
ứng dụng thử nghiệm tại Nhà
máy đóng tàu Hà Nội (Thanh
Trì, Hà Nội). (Ảnh: TS Hồi
Quốc - VietNamNet)

Hình 1.6: Robot Camera Crane
đang được VTV đưa vào sử dụng
trong cơng việc quay phim. (Ảnh:
TS Hồi Quốc - VietNamNet)

Hình 1.4: Khơng chỉ biết hàn, robot
hàn cịn có thể cắt các chi tiết sản
phẩm có dạng đường cong và
đường thẳng. (Ảnh: TS Hồi Quốc VietNamNet)

Hình 1.7: Tay lấy máy sản phẩm
kiểu nằm ngang đang ứng dụng
thử nghiệm tại Cơng ty Nhựa Đơ
Thành, TP.HCM. (Ảnh: TS Hồi
Quốc - VietNamNet)

Hình 1.5: Robot Crane sử dụng
trong dây chuyền sản xuất thuốc
nổ. (Ảnh: TS Hồi Quốc VietNamNet)

Hình 1.8: Robot vạn năng đang
ứng dụng thử nghiệm tại Cơng
ty Cơng nghiệp Cơ khí Sài Gịn,
quận Tân Bình, TP.HCM. (Ảnh:

TS Hồi Quốc - VietNamNet)

1.3.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ROBOT
TRÊN THẾ GIỚI:
Việc nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới đã được quan tâm từ rất lâu. Vào năm
1954 George Devol đã thiết kế robot đầu tiên có khả năng lập trình được, và quá
trình nghiên cứu chế tạo và ứng dụng robot đã không ngừng phát triển cho đến nay.
Phần lớn robot được ứng dụng trong các ngành sản xuất nặng nhọc, độc hại như khai
thác mỏ, luyện kim, sản xuất hóa chất, chế tạo xe hơi… các công ty hang đầu về sản
xuất robot công nghiệp như GAROLL (Italia), ABB (Thụy Điển), FANUC,
KAWASAKI, PANASONIC, YASKAWA… đã chế tạo nhiều loại robot chuyên
dùng trong các lĩnh vực như hàn, sơn, vận chuyển, lắp ráp…
Trên tồn thế giới hiện có khoảng 770.000 robot đang được sử dụng trong các
lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Trong đó, Nhật Bản sử dụng 350.000 robot (chiếm
45,5%). Còn lại là EU (30,3%) và Mỹ (13,5%). (Theo sở KH-CN tpHCM)


7

Theo điều tra của Liên đoàn Robot Quốc tế (IRF-International Robot Federation),
doanh số đặt hàng robot cơng nghiệp trên tồn cầu của hầu hết các hãng lớn trên thế
giới trong năm 2003 đã tăng 26% so với năm 2002.
Những lĩnh vực công nghiệp sử dụng robot nhiều nhất là ngành ô tô, điện-điện tử,
chế biến thực phẩm và công nghiệp chế tạo máy.
¾ Hình 9 là biểu đồ về tình hình ứng dụng robot cơng nghiệp ở các nước.
¾ Hình 10 là biểu đồ về chỉ số sử dụng robot ở các nước và ở trong ngành công
nghiệp ô tô, biểu thị qua số lượng robot trên 1 vạn công nhân.
¾ Hình 11 là biểu đồ về sự thay đổi giá thành trung bình 1 chiếc robot của các
nước Pháp, Đức, Italia, Hàn Quốc, Anh và Mỹ.
Các số liệu ở các biểu đồ lấy theo các tài liệu của Liên đồn quốc tế về robot

(International Federation of Robotics).

Hình 1.9: Tình hình ứng dụng robot cơng nghiệp ở các nước trên thế giới.


8

Số robot trên 10 ngàn dân
300

264.6

250
200
150
79.3

100
37.9

50

16.6

22.1

23

Spain

Russian

0
Japan

USA

England

Germany

Hình 1.10: Biểu đồ chỉ số sử dụng robot
x 1000 USD
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

Hình 1.11: Biểu đồ thay đổi đơn giá 1 chiếc robot ở
Pháp, Đức, Italia, Hàn Quốc, Anh và Hoa Kỳ


9

Ngày nay, nền công nghiệp Việt Nam đang trên đà phát triển, cơng nghệ sơn,
phủ cũng góp phần khơng kém quan trọng trong bước phát triển này. Đặc biệt là
công nghệ sơn xe hơi hiện nay ở Việt Nam, hầu hết các hãng xe hơi lớn đầu tư vào
Việt Nam đều sử dụng nguồn nhân công nội địa với giá rẻ để sơn trực tiếp.
Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khỏe của con người,
nhưng lại hồn tồn khơng nguy hiểm đối với robot. Ngoài ra, con người phải mất
nhiều thời gian để nắm được kỹ thuật và các kỹ năng để trở thành một thợ sơn lành
nghề trong khi robot có thể học được tất cả các kiến thức đó chỉ trong vài giờ và có
khả năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp. Điều đó thể hiện một
bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất với chất lượng cũng như cải
thiện điều kiện làm việc của con người trong môi trường sơn độc hại.
Hiện nay, trên thế giới người ta đã nghiên cứu nhiều phương pháp điều khiển
quỹ đạo chuyển động của đầu phun sơn của robot sơn (sẽ được đề cập trong chương
2, mục 2.4.1. Các phương pháp thiết lập quỹ đạo cho robot sơn).
Nhằm đóng góp một chút cơng sức nhỏ nhoi để nghiên cứu những ứng dụng
robot công nghiệp vào công nghệ sơn phủ đồng thời cũng cải thiện điều kiện làm

việc của công nhân trong môi trường sơn phủ độc hại.
Chính vì vậy u cầu đặt ra nghiên cứu một giải pháp tối ưu, phù hợp với điều
kiện kỹ thuật và kinh tế ở Việt Nam, dễ thực hiện và có giá thành thấp để ứng dụng
robot sơn thay thế con người. Mục đích là dùng robot sơn thay thế con người trong
môi trường sơn độc hại, tạo ra sản phẩm sơn có chất lượng tốt và ổn định đồng thời
thừa hưởng được kinh nghiệm của người thợ bậc cao.

1.4. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI:
“Nghiên cứu một giải pháp lập trình và thiết kế cơng cụ hỗ trợ lập trình và
điều khiển dạng teleoperation dùng cho robot sơn”.

1.5. PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI:
1. Thiết kế cơng cụ lập trình dạng “mơ hình huấn luyện” (maquette) dùng trong
lập trình khơng trực tuyến hoặc điều khiển trực tuyến robot sơn.
2. Thiết kế và tích hợp phần cứng gồm bộ đếm tốc độ cao và lưu trữ dữ liệu lấy
mẫu.
3. Xây dựng phần mềm và giao diện điều khiển robot sơn với các dữ liệu lấy
mẫu từ maquette.
4. Chế tạo mơ hình thử nghiệm và kiểm chứng kết quả.

1.6. NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU:
1. Thiết kế maquette với các cảm biến góc/vị trí phù hợp, các cơng cụ gắn trên
maquette để dễ thao tác…


10

2. Kết nối điều khiển:
¾ Cơ chế đọc và xuất dữ liệu.
¾ Tốc độ lấy mẫu, lưu trữ dữ liệu.

¾ Tạo giao diện lập trình để nhận dữ liệu
¾ Cơ chế điều khiển:
9 Điều khiển trực tiếp đến các driver của robot.
9 Điều khiển gián tiếp thong qua PC_Based của hệ thống điều khiển
robot.
3. Thử nghiệm và đánh giá kết quả.


11

CHƯƠNG 2:

GIỚI THIỆU ROBOT SƠN

2.1. GIỚI THIỆU ROBOT SƠN:
2. 1.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA ROBOT SƠN:
¾ Robot sơn thường dùng để sơn những đối tượng lớn.
¾ Robot sơn có cánh tay dài và cổ tay hẹp có thể vươn tới những vị trí chật
hẹp.
¾ Vùng khơng gian làm việc lớn có thể vươn đến những điểm xa nhất.
¾ Tất cả các trục được vận hành nhờ các xi lanh thủy lực và được điều
khiển bằng các động cơ servo, vì vậy cho phép cánh tay di chuyển nhanh
an tồn trong mơi trường dễ cháy.

2.1.2. PHÂN LOẠI CÁC ROBOT SƠN:
Thông thường người ta phân loại robot sơn tùy theo bậc tự do, có robot sơn 4
bậc tự do, 5 bậc tự do và 6 bậc tự do. Nếu chỉ cần sơn các mặt phẳng thì chỉ cần
robot sơn có 4 bậc tự do; cịn nếu sản phẩm cần sơn có nhiều góc cạnh thì chọn
robot sơn có 5 bậc tự do; và khi bề mặt có biên dạng phức tạp thì nên chọn robot
sơn có 6 bậc tự do để cho linh hoạt. Nhưng robot sơn có 6 bậc tự do là thông

dụng hơn cả.

2.1.3. MỘT SỐ ỨNG DỤNG ROBOT SƠN TRONG CƠNG
NGHIỆP:
Theo thống kê của ngành đóng tàu Nhật Bản năm 1991 (Japanese Shipyard),
chi phí về nhân cơng cho sơn trong giai đoạn lắp ráp và hoàn thiện thân tàu
chiếm đến 23% và bằng với chi phí về hàn.


12

Hình 2.1: Chi phí nhân cơng cho sơn trong giai đoạn lắp ráp và hoàn thiện
thân tàu chiếm 23%.
Để tăng năng suất khi sơn những bề mặt lớn người ta có thể lắp nhiều súng
phun lên robot sơn.

Hình 2.2: Robot sơn hai súng Hình 2.3: Robot sơn hai súng phun của hãng ABB.
phun của hãng GAROLL
(Italia).


13

Hình 2.4: Robot sơn hai súng phun của Hình 2.5: Robot phủ men của hãng ABB.
hãng KAWASAKI.

Hình 2.6: Hệ thống robot sơn của hãng KAWASAKI.


14

Hình 2.7: Hệ thống robot sơn của hãng Hình 2.8: Hệ robot thống sơn
FANUC.
hãng FANUC.

của

Hình 2.9: Hệ thống robot sơn của hãng Hình 2.10: Robot phủ men của hãng
ABB.
FANUC

Hình 2.11: Robot phủ men của hãng ABB.

2.2. MỘT SỐ ROBOT SƠN ĐIỂN HÌNH: