CÁC BÀI TOÁN MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC CỦA ROBOT TỌA ĐỘ CẦU CÔNG NGHIỆP Nguyễn Minh Son Khoa Điện Cữ Email sonnm@tlhhp edu vn Ngày nhận bài 09/5/2022 Ngày PB đánh giả 24/5/2022 Ngày duyệt đãng 2775/2022 TÓM[.]
CÁC BÀI TỐN MƠI TRƯỜNG LÀM VIỆC CỦA ROBOT TỌA ĐỘ CẦU CÔNG NGHIỆP Nguyễn Minh Son Khoa Điện - Cữ Email: sonnm@tlhhp.edu.vn Ngày nhận bài: 09/5/2022 Ngày PB đánh giả: 24/5/2022 Ngày duyệt đãng: 2775/2022 TÓM TẮT Các tốn mơi trường làm việc robot tọa độ cầu cơng nghiệp bao gồm xây dụng mơ hình làm việc cho robot; xác định kiểu cấu robot đáp ứng yêu cầu tương tác với đối tượng xây dựng chu trình hoạt động hợp lý sở để thiết kế kết cấu điều khiển robot hoạt động sản xuất công nghiệp Từ khóa: robot tọa độ cầu, mơ hình làm việc, sơ đồ cấu, chu trình hoạt động ■ ■ WORKING ENVIRONMENT PROBLEMS OF SPHERICAL COORDINATE ROBOTS IN INDUSTRY ABSTRACT: Problems with the working environment of spherical coordinate robots in industry include building working models for robots; Identifying the type of robot structure that meets the requữements of interacting with each object and building a reasonable operating cycle is the basis for designing structures and controlling robots to operate in industrial production Key words: spherical coordinates robots, construction ofworking models for robots, a reasonable operating cycle ■ ĐẶT VẤN ĐÈ “Theo dự báo vòng 20 năm người có nhu cầu sử dụng robot cá nhân cần máy tính PC robot tâm điểm cách mạng công nghệ lớn sau Internet” [4] Robot tọa độ cầu loại robot có tính ứng dụng sản xuất dầy chuyền chế tạo máy, công nghệ luyện kim, sản xuất điện - điện tử, gia công đồ nội thất, cấu kiện xây dựng tốn mơi trường làm việc cho phù hợp vị trí robot linh hoạt cao, khả đáp ứng thao tác phức tạp cịn dễ tương thích mồi mơ hình sản xuất bị thay đổi Tuy nhiên, giá thành robot tọa Robot công nghiệp thiết bị tự động độ cầu nhập ngoại cao nên việc nghiên cứu kỹ thuật, chinh phục lực thiết linh hoạt, thực thao tác lao động công nghiệp người điều khiển kế, chế tạo robot nhu cầu hữu theo chương trình Chúng có ưu việt đặc ích cho doanh nghiệp, sở đào tạo, cán kỹ thuật Đe thiết kế kết cẩu biệt môi trường làm việc độc hại, nguy hiểm, nặng nhọc, nhàm chán robot robot tọa độ cầu tối ưu cần giải tốt TẠP CHÍ KHOA HỌC, số 52, tháng năm 2022 91 Hình Sơ đồ robot tọa độ khối hộp a) tọa độ trụ b) tọa độ cầu c) TÔNG QUAN 2.1 Cơ sở lý luận Nếu phân loại robot theo quỹ đạo hoạt động có loại robot là: Robot tọa độ khối hộp, robot tọa độ trụ robot tọa độ cầu Robot tọa độ khối hộp robot tọa độ trụ thực thao tác đon giản, dễ thiết kế dễ chế tạo Robot tọa độ cầu thực thao tác khó hon, khó thiết kế che tạo lại có tính linh hoạt hon, dễ thích ứng với biến đổi mơi trường làm việc Trình tự thiết kế robot công nghiệp gồm nhiều bước, nhiên thu gọn theo giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Khảo sát mơ hình sản xuất giải tốn mơi trường làm việc robot Giai đoạn 2: Thiết kế động học, động lực học kết cấu robot Giai đoạn 3: Thiết kế trang bị điện điện từ cho robot Giai đoạn 4: Lập trình phần điều khiển robot Giai đoạn 5: Chế thử, lắp đặt robot vào hệ thống, chạy thử hiệu chỉnh hệ thống Như vậy, xác lập giải tốn mơi trường làm việc robot tọa độ cầu 92 TRUÔNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG frong sản xuất giai đoạn trình thiết kế robot tọa độ cầu nhàm giải mối quan hệ hữu ích robot cho hệ thống xác lập kiện đầu họp lý cho công đoạn thiết kế kỹ thuật cho robot 2.2 Đổi tượng nghiên cứu Bài báo nghiên cứu giải mối quan hệ robot tọa độ cầu với đối tượng liên quan hệ thống sản xuất công nghiệp nhằm tìm mơ hình cộng tác robot từ xác định sơ đồ kiểu dáng robot chu trình tương tác robot với phần tử trang thiết bị có liên quan hệ thống 2.3 Phương pháp nghiên cứu Trên sở lý thuyết thiết kế robot, tác giả sử dụng phương pháp khảo sát hệ thống sản xuất công nghiệp sổ sở sản xuất, khái quát hóa mơ hình cộng tác robot Phân tích so sánh mơ hình để lựa chọn mơ hình họp lý, xây dựng kiểu dáng robot thực đủ thao tác theo yêu cầu Phân tích chu trình làm việc robot mơ hình để trích xuất điều kiện thơng sổ điều khiển tương tác robot với thiết bị liên quan làm sở thiết kế điều khiển robot phù hợp mơ hình sản xuất công nghiệp để trang bị robot, đặc điểm tương tác KÉT QUẢ 3.1 Sơ đồ mơ hình hệ thống làm việc robot Trong sản xuất công nghiệp, tùy theo robot với đổi tượng hệ thống mà chọn mơ hình làm việc robot cho phù đặc trưng công nghệ sản xuất, quy mô sản hợp Sau số mơ hình sản xuất có xuất mức tự động hóa sở sản xuất trang bị robot tọa độ cầu: 3.1.1 Mơ hình robot làm việc vởi tưong tác Hình Sơ robot làm việc vói tương tác Là mơ hình hệ thống sản xuất với sản phẩm vận hành thiết bị vận chuyển động liên tục, robot thực chức tác động tới sản phẩm di chuyển theo dây chuyền tự động Trên hình 2a băng tải chuyển động liên tục, sản phẩm di chuyển theo băng tải, robot tương tác với sản phẩm Hình 2b băng tải thay bàn xoay mang sản phẩm robot 2, tương tác liên hoàn Mơ hình ứng dụng cho robot kiểm tra phân loại sản phẩm, lắp ráp thiết bị, hàn sản phẩm băng tải bàn xoay 3.1.2 Mô hình robot làm việc vói tương tác Là mơ hình hệ thống sản xuất liên tục có robot vận chuyển bán sản phẩm tương tác với hai thiết bị hệ thống Hình 3a sơ đồ robot vận chuyển bán sản phẩm băng tải sang tủ chứa Hình 3b, robot vận chuyển bán sản phẩm bàn xoay tới tủ chứa Hình 3c, robot vận chuyển bán sản phẩm băng tải sang bàn xoay Hình 3d robot tương tác với sản phẩm băng tải băng tải di chuyển liên tục ứng dụng sơ đồ xây dựng dây chuyền lắp ráp thiết bị băng tải 1, chi tiết lưu tủ chứa hình 3a Trên hình 3b có thiết bị lắp ráp đặt bàn xoay 2, chi tiết để tủ chứa Sơ đồ hình ứng dụng cho dây chuyền kiểm tra, phân loại sản phẩm thiết bị vận chuyển lọc sản phẩm chọn chuyển sang thiết bị thứ hai Mơ hình ứng dụng cho việc robot tìm, chọn tách sản phẩm để xếp vào tủ chứa robot lựa chọn chi tiết từ bàn xoay xếp vào tủ Hoặc trình tương tác ngược với giả định nêu dây chuyền sản xuất TẠP CHÍ KHOA HỌC, số 52, tháng năm 2022 93 Hình Sơ robot làm việc vói hai tương tác 3.1.3 Mơ hình robot ỉàm việc vởi tương tác công đoạn, chế biến qua nhiều thiết bị để hình thành sản phẩm có đủ phẩm Là mơ hình hệ thống sản xuất liên tục cỏ robot vận chuyển bán sản phẩm tương tác chất theo yêu cầu Robot thiết bị trung với ba thiết bị hệ thống Hình 4a, robot gian thực vận chuyển sản phẩm vận chuyển bán sản phẩm từ băng tải phối hợp nhịp nhàng hoạt động sang máy gia cơng sau chuyển sang thiết bị để thực yêu cầu chu trình sản xuất Ví dụ hình 4b, chi tủ chứa Hình 4b, robot vận chuyển bán sản phẩm từ băng tải 1, qua máy tới tiết cần gia công, ban đầu phơi băng tải Hình 4c, robot vận chuyển bán băng tải gia công máy sản phẩm từ băng tải 1, đến máy để gia tự động CNC sau chuyển qua công thành sản phẩm chuyển tới băng tải để nhập khoa Việc sử dụng robot làm tăng tính tự động bàn xoay hóa, tăng suất lao động cho dây Mơ có hình tương tác phù hợp chuyền cịn đáp ứng tính ổn định cho cho sản xuất cơng nghiệp tự động Sản dây chuyền so với mơ hình sản xuất phẩm hình thành trải qua nhiều sức người 94 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG Hình Sơ đồ robot làm việc với ba tương tác linh hoạt, thích ứng với yêu cầu tương tác thiết bị, phù hợp với nhu cầu 3.2.1 Sơ đồ cấu biến đổi sản xuất giai đoạn cần thiết Lựa chọn sơ đồ kết cấu robot hợp lý, để thiết kế kết cẩu robot đáp ứng mơ hình đáp ứng u cầu làm việc, đảm bảo tính sản xuất 3.2 Sơ đồ cấu robot tọa độ cầu dỊ Hình Sơ đồ cấu robot tọa đồ cầu bậc bậc Hình 5a, 5b biểu diễn sơ đồ robot tọa độ cầu bậc tự Sơ đồ 5a có khớp trụ đứng Rl Khớp trụ bả vai R2 khớp trụ khủy tay R3 liên kết tạo hệ chuyển động phẳng Khớp bả vai R2 nhằm nâng, hạ tay kẹp lên xuống, khớp khuỷu tay R3 để thu ngắn vươn tay kẹp xa trụ đứng khâu Sơ đồ 5b có khớp trụ đứng Rl TẠP CHÍ KHOA HỌC, số 52, tháng năm 2022 95 Khớp trụ bả vai R2 khớp trượt kéo dài T3 Cả hai sơ đồ có quỹ đạo hình cầu, sơ đồ cỏ thiết kế khí đơn giản, phạm vi ứng dụng rộng, thiết kế robot để thực thao tác đơn giản robot hàn, robot vận chuyển phôi tương tác với thiết bị sản xuẩt gắp chi tiết lắp ráp thiết bị băng chuyền Tuy nhiên khâu Hình 6b cẩu nâng cấp cao 5c với chuyển vị tịnh tiến mở rộng Cơ cấu robot bậc có khả thực thao tác phức tạp thiết kế điều khiển phức tạp nhiều, khai thác cho công việc hỗn hợp, thực nhiều thao tác bậc nên tính linh động kém, khơng Bậc tự thực thao tác phức tạp chuyển vị xác Tay máy thường cấu tạo nhiều khâu Và khâu liên kết với khớp quay khớp tịnh tiến Tay máy có nhiều khớp linh động thực nhiều thao tác số chuyển động khâu tay máy thành phần hình thành bậc tự tay máy Hình 5c, 5d biểu diễn sơ robot tọa độ cầu bậc tự Sơ đồ 5d hình 5a thêm khớp trụ cổ tay R4 nên tính linh động cao, R4 có nhiệm vụ lấy cân cho vật tay kẹp Robot ứng dụng sơ đồ thực công việc phức tạp Sơ đồ 5c hình 5a có thêm khớp trượt T4 nên có tính định hướng thực chuyển vị theo chiều sâu lớn, phù hợp cho việc lắp ghép chi tiết Đây sơ đồ cấu ứng dụng thiết kế robot ứng phổ biến nhất, thực nhiều việc hoạt động cơng nghiệp Hình Sơ đồ cấu robot bậc Hình biểu diễn sơ robot tọa độ cầu bậc Sơ đồ 6a có cấu tạo giống 5d thêm khớp trụ R5 nên mờ rộng chuyển vị phương đứng phương nghiêng nên thực nhiều cơng việc phức tạp, xác Sơ đồ 6c có cấu tạo giống 6a khớp trụ R5 có trục ngang nên khai thác sâu thao tác phương vng góc trục quay 96 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG Bậc tự tay máy sổ khả chuyển động độc lập khơng gian hoạt động Nó liên quan tới số khâu động loại khớp liên kết khâu động nối với nhau, số bậc chuyển động tối đa 6, thường gồm bậc chuyển động chuyển động định vị bậc chuyển động bổ sung chuyển động định hướng Các chuyển động chuyển động tịnh tiến chuyển động quay Từng chuyển động có nguồn dẫn động riêng Chuyển động bổ sung chuyển động quay tịnh tiến tạo tính linh hoạt cho tay máy số bậc tự tay máy tính theo cơng thức [2]: w = n -l^=1i.Pị (1) n- sổ khâu động Pi - sổ khớp loại i w = Q.n — / i.p, — 6.4 — 4.5 — Hình sơ câu robot tọa độ cầu có khâu động, khớp quay loại Sơ đồ có sổ khâu động n = 4, có khớp động (i = 4) khớp loại 5, Pi = Khâu động Khâu động Khớp quay Khớp quay Hình sơ đồ robot bậc tự Để xác định vị ưí tay kẹp cần gắn vào hệ cẩu hệ tọa độ Đồ Các thơng số R3 góc hình vẽ Vị trí tay kẹp điểm có Khâu động tọa độ Xi5, Yi5, zi5 Khớp quay z = L + L.COS0 + L COS (0 ■ 0.) 15 Khâu động v 3 L4.cos(04+ 03 -e2) V (2) Khớp quay (3) xi5 = ri5.cos0j Y = r.^.sinO, 15 15 Hình Sơ đồ khâu robot Trong 3.3 Xác định tọa độ, vị trí điểm hành trình làm việc r15;< = -L,.sinô, + L3 vsin(0, - 02Z7) 2 x + (4) L4.sin(04 + 03 - 02) 3.3.1 Tọa độ điểm làm việc = arctg ộ.} Điểm làm việc robot vị trí điểm tay kẹp robot Đó vị trí sản phẩm tay kẹp giữ di chuyển đen điểm tương tác thiết bị hệ thống sản xuất (5) rí5 Bán kính điểm làm việc là: R = cosâi5 (6) Hình So’ đồ xác định tọa độ vị trí làm việc TẠP CHÍ KHOA HỌC, số 52, tháng năm 2022 97 3.3.2 Các vị tríhành trình tương tác robot kẹp robot liên quan đến số thiết bị đặc Vị trí điểm hành trình robot điểm thao tác tay kẹp với thiết bị điểm dừng điểm chuyển hướng nằm ưên quỹ đạo di chuyển tay kẹp hệ thống, cần xác định chu trình, vị trí, thơng số vị trí làm sở để lập Đường di chuyển tương tác tay trình điều khiển hệ thống Yvt1 ị rgp = 1100' Hình Sơ đồ hệ thống vị trí hướng ga phơi Gp Hình sơ đồ robot tương tác gồm có Robot, băng tải cấp phôi, băng tải nhận sản phẩm sau gia công, Máy CNC gia cơng phơi Chu trình hoạt động robot nhận phôi gia công từ ga phôi Gp băng tải chuyển sang bàn máy M mảy gia cơng CNC, sau nhận sản phẩm sau gia công bàn máy M chuyển sang ga sản phẩm Gs băng tải để thả phôi Các thông số điều khiển robot có vị trí gốc đế robot Tại đặt hệ trục tọa độ OXYZ Các vị trí hành trình robot cầu bậc: Vị trí 1, robot hướng ga phơi Gp, 0, = -90°, tay kẹp robot chờ lẩy phôi VT1, có tọa độ Xvtl=o, Yvtl, Zvtl= Zj 5=Hvtl(hình 9) Vị trí 2, hướng ga phơi Gp, 01 = -90°, tay kẹp robot vào kẹp phơi vị trí VT2(Gp), có tọa độ Xvt2 =0; Yvt2, Z2 5=Hvt2 (hình 9) Tại Gp có phơi chờ tay kẹp VỊ trí 3, hướng ga phơi Gp, Oj = -90°, tay kẹp robot mang phơi rút vị trí chờ VT3-VT1 Tọa đọ Xvt3 =0, Yvt3, Z35=Hvt3=Hvtl (hình 9) Tại đây, tay robot nằm độ cao có bán kính quay an tồn Vị trí 4, tay kẹp robot mang phôi quay chuyển sang hướng bàn máy M, 0^0°, tay kẹp robot mang phôi chờ VT4, có tọa độ Xvt4, Yvt4=0, Z4 5=Hvt4=Hvtl (hình 10) Chờ máy mở cửa, mở gá phơi Hình 10 Sơ đồ hệ thống vị trí hướng bàn máy M 98 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHỊNG Vị trí 5, robot ruỗi tay mang phơi Zvt8=Z0.5= z0.5=z4.5=Hvt4=Hvtl (hình 10) x ' đặt vào vị trí bàn kẹp phơi VT5 0^0°, có Vị trí 9, robot kẹp mang sản tọa độ Xvt4, Yvt5 = 0, Z55=Hpm Gá phẩm quay sang hướng ga sản phẩm kẹp phôi băng tải vị trí VT9 = -90°, Vị trí 6, robot mở tay kẹp phơi, co rút tay vị trí chờ VT6=VT4, 0^0° cỏ tọa đọ Xvt6, Yvt6=0, Z6 =Z4 =Hvt4=Hvtl (hình 10) Gá kẹp phơi Đóng cửa máy, chờ máy gia cơng, mở kẹp phơi, mở cửa máy Z9 =Zg5=Hvt9=Hvt8=Hvtl (hình 11) 10 VỊ trí 10, robot ruỗi dài tay kẹp sản phẩm, hạ xuống vị trí VT10, mở kẹp thả phơi vào ga sản phẩm băng tải 0J= -90°, Z10J-Htp (hình 11) VỊ trí 7, robot ruỗi dài tay kẹp vào vị 11 Vị trí 11, robot co ngắn tay kẹp trí gá phơi bàn máy VT7=VT5 kẹp phơi (hình 10), 0^0° Tọa độ vị trí tay kẹp Xvt7, Yvt7=0, Z* 5=Hpm trống vị trí chờ VT11=VT9, chờ quay hướng = -90°, z„ =Z95= Hvt9 (hình 11) 12 Vị trí 12, robot quay trở hướng Vị trí 8, robot co ngẳn tay kẹp mang ga phôi Gp, 0J = -90°, tay kẹp robot chờ lấy sản phẩm vị trí chờ VT8-VT6, chờ quay phơi lần VT1, Z12=Z15=Hvtl hướng, 0^0° Tọa độ tay kẹp Xvt8, Yvt8=0, (hình 9) Hình 11 Sơ đồ hệ thống vị trí hưóng ga sản phẩm băng tải 3.4 Quỹ đạo hoạt động Quỹ đạo hoạt động robot không gian giới hạn phạm vi chuyển động tay kẹp robot Đổi với robot tọa độ cầu quỹ đạo hoạt động không gian giới hạn hai mặt cầu đồng tâm gốc o trụ đế quay Mặt cầu lớn hình thành khâu ruỗi dài lớn bán kính điểm tay kẹp vẽ mặt cầu Mặt cầu nhỏ khâu động cuối có xu hướng gập vào tâm điểm tay kẹp có bán kính bé vẽ mặt cầu nhỏ Trên hình 12 quỹ đạo hoạt động robot tọa độ cầu bậc tự Hình biểu diễn hình chiểu quỹ đạo làm việc robot mặt phẳng tọa độ XOY, YOZ XOZ TẠP CHÍ KHOA HỌC, số 52, tháng năm 2022 99 M tri max M tri max Hình 12 Quỹ đạo hoạt động robot tọa độ câu bậc KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Phân tích mơ hình sản xuất cơng nghiệp để phát mơ hình có sử dụng robot tọa độ cầu nhằm nâng cao tính tự động hóa, tăng tính ổn định, tính hiệu nâng cao suất hệ thống sản xuất Phân tích hoạt động sản xuất, lựa chọn sơ đồ kết cấu phù hợp để thiết kể robot thực thao tác kỹ thuật đáp ứng yêu cầu phối hợp hoạt động thiết bị Nghiên cứu đặc trưng công nghệ hệ thống sản xuất, xây dựng chu trình hoạt động, phối họp hoạt động thiết bị, phần tử phụ trợ cho robot để tạo lập chuỗi hoạt động tự động, có tính linh hoạt dây chuyền sản xuất Thực nội dung giải tốn liên quan mơi trường làm việc robot tọa độ cầu, sở để thiết phần kế kết cấu robot tọa độ cầu sử dụng cơng nghiệp 100 TRNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG Trần Văn Địch (2007), Sàn xuất linh hoạt FMS tích hợp CIM, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Bùi Lê Gôn (2020), Nguyên lý máy, Nhà xuất bàn xây dựng Nguyễn Thiện Phúc (2006), Robot công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Phạm Thượng Cát - Viện Công nghệ Thông tin, Xu phát triẻn cùa rô hot giới tỉnh hình nghiên cứu phát triển rơ bốt Việt Nam nay, Chuyên mục Tin khoa học - công nghệ tổng hợp, “Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam”, https://vast.gov.vn/tin-chi- tiet/-/chi-tiet/xu-the-phat-trien-cua-ro-bot-tren- the-gioi-va-tinh-hinh-nghien-cuu-phat-trien-ro- bot-o-viet-nam-hien-nay-2277-463.html ... Sơ đồ robot tọa độ khối hộp a) tọa độ trụ b) tọa độ cầu c) TÔNG QUAN 2.1 Cơ sở lý luận Nếu phân loại robot theo quỹ đạo hoạt động có loại robot là: Robot tọa độ khối hộp, robot tọa độ trụ robot. .. cẩu robot đáp ứng mơ hình đáp ứng yêu cầu làm việc, đảm bảo tính sản xuất 3.2 Sơ đồ cấu robot tọa độ cầu dỊ Hình Sơ đồ cấu robot tọa đồ cầu bậc bậc Hình 5a, 5b biểu diễn sơ đồ robot tọa độ cầu. .. hoạt động Quỹ đạo hoạt động robot không gian giới hạn phạm vi chuyển động tay kẹp robot Đổi với robot tọa độ cầu quỹ đạo hoạt động không gian giới hạn hai mặt cầu đồng tâm gốc o trụ đế quay Mặt cầu