Nghiên cứu khả năng ứng dụng robot công nghiệp trong hệ thống sản xuất linh hoạt

- NGUYỄN ĐÌNH TÂN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HOẠT LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TRẦN THỊ THANH HẢI HÀ NỘI LỜI NÓI ĐẦU Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước là mục tiêu hàng đầu trong công cuộc xây dựng phát triển của nước ta, "Đến năm 2020 đất nước ta về cơ bản phải trở thành nước công nghiệp".
- Robot là thành phần chủ chốt trong tự động hóa công nghiệp.
- Yếu tố quyết định cho việc sử dụng robot trong sản xuất công nghiệp một cách khá phổ biến hiện nay là do tính linh hoạt trong vận hành, hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, có khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn.
- Việc ứng dụng robot công nghiệp vào trong sản xuất là thực sự cần thiết bởi nó sẽ làm thay đổi cục diện tại các nhà máy và bắt kịp được sự phát triển chung của thế giới.
- Vì vậy chúng tôi Nghiên cứu khả năng ứng dụng robot - 2 - công nghiệp trong hệ sản xuất linh hoạt.
- Qua đó có cái nhìn khái quát về hệ thống sản xuất linh hoạt, robot công nghiệp và khả năng ứng dụng robot công nghiệp trong hệ thống sản xuất linh hoạt trên thế giới cũng như ở Việt Nam.
- Luận văn bao gồm 3 chương: Chương I, trình bày khái quát về robot công nghiệp bao gồm: Lịch sử phát triển, các định nghĩa về robot, cách phân loại, cấu tạo, điều khiển, lập trình… Chương II, trình bày khái quát về hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm: Lịch sử phát triển, các khái niệm cơ bản, nguyên tắc hình thành hệ thống FMS, các hệ thống trong hệ thống FMS… Chương III, trình bày về khả năng ứng dụng robot công nghiệp trong hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm: Các yêu cầu, đặc tính công nghệ, phương pháp lập trình cho robot công nghiệp trong hệ thống sản xuất linh hoạt.
- Bên cạnh đó chúng tôi còn trình bày các vị trí, các hệ thống, các công việc mà robot công nghiệp có thể được sử dụng trong hệ thống sản xuất linh hoạt cũng như kinh nghiệm ứng dụng các hệ thống sản xuất linh hoạt có sử dụng các robot công nghiệp ở các nước phát triển trên thế giới.
- 3 - CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP Khi nghiên cứu về khả năng ứng dụng của robot công nghiệp, chúng ta không thể không nghiên cứu về lịch sử phát triển, các định nghĩa về robot, cách phân loại, cấu tạo, điều khiển, lập trình cho robot… Trong chương này luận văn, trình bày khái quát về robot công nghiệp nói chung.
- Nhằm có cái nhìn tổng quan về robot công nghiệp 1.1.
- Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) của Mỹ đã quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot).
- Ngày nay, người ta đặt tên cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất là người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp).
- Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool).
- Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai.
- Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay.
- 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.
- 4 - Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp.
- Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ.
- Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ.
- Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng ban kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến.
- Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia.
- Về sau, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển.
- Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
- 1.2 Định nghĩa robot công nghiệp Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có một số định nghĩa như sau: Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp.
- 5 - Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: Chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
- Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
- Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga) Robot công nghiệp là một máy tự động, đặt cố định hoặc di động, được liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng và điều khiển trong quá trình sản xuất.
- Từ các định nghĩa trên đây, chúng tôi đưa ra một định nghĩa về robot công nghiệp như sau: “Robot công nghiệp là một cơ cấu máy có thể lập trình được, có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con người.
- Sơ đồ cấu trúc chức năng của Robot Để hiểu được về robot trước hết chúng ta quan sát sơ đồ cấu trúc và chức năng của robot trong hình I.1 Trong sơ đồ trên, các đường (đậm) chỉ mối quan hệ thông tin thuận, thông tin chỉ huy nhiệm vụ Robot.
- Chức năng của hệ thống điều khiển là thực hiện việc tái hiện lại các hành động nhiệm vụ đã được “học”.
- 6 - Hình I.1: Sơ đồ cấu trúc và chức năng của Robot Phần 1: Bộ phận chịu chuyển động, phần tạo các khả năng chuyển động cho Robot.
- Tay máy công nghiệp thường có những bộ phận sau.
- Hệ thống điều khiển: Thường 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: Bao gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chịu lực như: Các động cơ thuỷ, khí nén, cơ cấu servo điện tử,động cơ bước.
- Mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chịu lực.
- Cấu tạo Các robot công nghiệp ngày nay thường được đặt trên đế và gắn chặt với sàn.
- Quan hệ chuyển động giữa các phần tử khác nhau của cơ thể như: Cổ tay, cánh tay được thực hiện qua một chuỗi các khớp nối.
- Các chuyển động bao gồm chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến.
- Các thanh nối được ghép với nhau bởi các khớp, cho phép robot có các chuyển động đa dạng.
- Các chuyển động của Robot Robot được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong sản xuất.
- Các công việc được thực hiện bởi khả năng chuyển động của cơ thể, cánh tay, cổ tay của Robot qua một chuỗi các chuyển động và vị trí.
- Cổ tay được sử dụng cho Robot thực hiện chính xác công việc.
- Các chuyển động của Robot được chia làm hai chuyển động cơ bản là chuyển động của cổ tay và chuyển động của toàn bộ cơ thể.
- Các chuyển động riêng lẻ được ghép nối và gắn chặt với hai dạng chuyển động này và chúng được giới hạn bởi số bậc tự do (deggrees of freedom).
- Các chuyển động cơ bản được thực hiện bởi các ghép nối về năng lượng.
- Trong một chuỗi các chuyển động đều có liên hệ với nhau.
- Chuyển động đầu ra có liên hệ với chuyển động đầu vào.
- 8 - Các khớp nối được sử dụng trong thiết kế robot công nghiệp điển hình là khớp tịnh tiến và khớp quay.
- Cánh tay robot được thiết kế cho phép robot có thể chuyển động tự do trong giới hạn về kích thước.
- Giới hạn chuyển động của robot phụ thuộc vào hình dạng vật lý của robot, kích thước các phần tử (cánh tay, cổ tay), giới hạn chuyển động của các khớp nối.
- Hệ thống truyền động Có 3 dạng hệ thống truyền động chính của robot là:Truyền động bằng thuỷ lực, truyền động điện, truyền động khí nén.
- Truyền động khí nén thường sử dụng trong các robot có số bậc tự do nhỏ, yêu cầu độ tác động nhanh cao.
- Hệ thống nhận dạng Cảm biến được sử dụng như thiết bị ngoại vi của robot, gồm 2 loại đơn giản như: Công tắc hành trình và hệ thống camera.
- Cảm biến cũng được dùng như các phần tử tích hợp của hệ thống phản hồi vị trí.
- Camera được sử dụng thực hiện việc kiểm tra, quan sát.
- Phân loại Robot công nghiệp 1.4.1.
- Phân loại theo dạng hình học: 1.4.1.1 Dạng Đecac (hình I.2) Dạng Đecac sử dụng 3 đường trượt vuông góc nhau trong không gian là các trục toạ độ x, y, z.
- Robot chuyển động theo 3 trục toạ độ.
- Sử dụng các khớp tịnh tiến, phạm vi làm việc của Robot được mở rộng theo hình chữ nhật.
- 9 - Hình I.2: Cấu hình Robot dạng Decac 1.4.1.2 Dạng hình trụ (hình I.
- 3) Trục cơ bản là một trụ dọc, robot chuyển động lên và xuống dọc theo trục.
- Bằng các chuyển động quay quanh trục, tịnh tiến dọc trục phạm vi làm việc của robot được mở rộng theo một hình trụ bao quanh trục cơ bản.
- Hình I.3: Cấu hình Robot dạng hình trụ 1.4.1.3 Dạng hình cầu (hình I.4) Sử dụng các khớp lồng vào nhau, giúp cho Robot có khả năng chuyển động lên hoặc xuống theo chiều ngang của trục quay.
- 10 - Hình I.4: Cấu hình Robot dạng hình cầu 1.4.1.4 Dạng khớp nối (hình I.5) Tương tự như cánh tay con người, nó gồm hai phần tử thẳng tương ứng với cánh tay và cẳng tay.
- Hình I.5: Cấu hình Robot dạng khớp nối 1.4.1.5.
- Robot kiểu SCARA (hình I.6) Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất.
- Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng.
- 11 - Hình I.6: Robot kiểu SCARA Tay máy kiểu tay người: Có cả 3 khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia.
- Với kiểu kết cấu này không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động giữa các khâu và số bậc tự do.
- Muốn định hướng một cách tuỳ ý phần cổ tay phải có ít nhất 3 chuyển động quanh 3 trục vuông góc với nhau.
- Phân loại theo phương pháp điều khiển 1.4.2.1.
- Robot giới hạn chuyển động liên tục Robot giới hạn chuyển động liên tục không sử dụng hệ điều khiển bám để di chuyển tới các vị trí lân cận trong các khớp nối.
- Chúng được giới hạn điều khiển bằng các công tắc hành trình để dừng và thiết kế điểm cuối cho mỗi chuyển động cho mỗi khớp nối.
- Robot lặp lại với điều khiển từ điểm tới điểm Robot lặp lại sử dụng hệ điều khiển với một chuỗi các vị trí hoặc chuyển động được dạy cho robot, ghi lại trong bộ nhớ và được lặp lại dưới sự điều khiển của chính nó.
- Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục Robot chuyển động với quỹ đạo đã được xác định trước.
- Quỹ đạo chuyển động là một chuỗi các điểm mô tả trên đường chuyển động.
- Tín hiệu đặt là vị trí mong muốn của cổ tay, robot chuyển động theo luật điều khiển xác định trước để đến đích.
- Phân loại theo số bậc tự do Mỗi bậc tự do tương ứng với một chuyển động độc lập của robot.
- Thông thường số bậc tự do của robot là số khớp nối từ thân đến cổ tay.
- Mô hình toán học hệ thống truyền động Các khớp trong robot được truyền động bởi hệ thống truyền động điện, thuỷ lực hoặc khí nén.
- Mỗi hệ thống truyền động có ưu, nhược điểm khác nhau.
- Hệ thống truyền động điện sử dụng các động cơ điện một chiều hoặc động cơ đồng bộ.
- Sơ đồ cấu trúc động học hệ thống điều khiển cho khớp như hình I.7.
- Hình I.7: Mô hình truyền động + Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu.
- Mô hình toán học động cơ và hệ truyền động khớp: Hình I.8: Mô hình toán học động cơ Trong đó: E(p) là sức điện động bộ biến đổi.
- Các phương pháp điều khiển Theo nhiệm vụ làm việc của robot có thể chia làm 2 bài toán điều khiển: Bài toán điều khiển thô và bài toán điều khiển tinh.
- Hình I.9: Phân loại các phương pháp điều khiển Robot Điều khiển Robot Điều khiển thô Điều khiển tinh Toạ độ khớp Toạ độ tay Thụ động Tích cực - 14 - Giai đoạn vận chuyển chi tiết trong quá trình lắp ráp, robot chuyển động trong không gian theo một quỹ đạo nào đó gọi là chuyển động tự do, không tiếp xúc với đối tượng.
- Trong giai đoạn này chỉ điều khiển quỹ đạo, gọi là điều khiển thô, tay robot chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước.
- Khi tay robot tiếp xúc với đối tượng, robot phải sinh ra một lực phù hợp để đưa các chi tiết cần lắp ráp vào đúng vị trí, gọi là điều khiển tinh, liên quan đến điều khiển lực, đồng thời cũng vừa điều khiển quỹ đạo.
- Điều khiển quỹ đạo có thể thông qua điều khiển quỹ đạo khớp hoặc điều khiển trực tiếp quỹ đạo tay.
- Điều khiển quỹ đạo khớp Thiết kế quỹ đạo điều khiển cho từng khớp.
- Chuyển động của tay phụ thuộc vào chuyển động của từng khớp riệng biệt.
- Điều khiển trực tiếp động cơ truyền động khớp về tốc độ và mô men.
- Nhược điểm: Do không trực tiếp điều khiển vị trí của tay nên khó đảm bảo được đường di chuyển bám theo quỹ đạo đặt trước.
- Điều khiển quỹ đạo tay Thiết kế quỹ đạo điều khiển trực tiếp cho tay ỷobot, chuyển động của các khớp phụ thuộc vào chuyển động của tay.
- Điều khiển lực Ở giai đoạn lắp ráp, robot phải sinh ra lực phù hợp để đưa chi tiết vào vị trí êm, đồng thời vừa phải thực hiện điều khiển quỹ đạo.
- Điều khiển trở kháng thụ động + Điều khiển trở kháng tích cực fđk x Hình I.10: Sơ đồ mạch vòng phản hồi lực 1.6.4.
- Điều khiển vị trí Tín hiệu đặt là góc quay hoặc mô men, tín hiệu ra là vị trí của tay máy.
- Luật điều khiển phản hồi: qđ ε q Mđk .q Hình I.11: Sơ đồ điều khiển phản hồi Trong trường hợp đơn giản, ta dùng bộ biến đổi PD.
- q qđ Mđk .qđ .q Hình 1.12: Sơ đồ điều khiển PD đơn giản Bộ điều khiển Robot KP KD Kf Robot Ke fđ ∆f -f

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt