Bài giảng Nhập môn cơ điện tử: Chương 7 - Robot công nghiệp được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Tìm hiểu về Robot công nghiệp; Phân loại Robot công nghiệp; Ứng dụng của Robot công nghiệp. Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết bài giảng tại đây.
12/9/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Nhập môn Cơ điện tử Introduction to Mechatronics Giảng viên: TS Nguyễn Anh Tuấn Bộ môn Cơ điện tử – ĐHBK Hà Nội Email: bktuan2000@gmail.com Content Content Introduction to Mechatronics Chương Robot công nghiệp 7.1 Khái niệm 7.2 Phân loại 7.3 Ứng dụng 12/9/2018 Giới thiệu tổng quan • 1921: Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa cơng việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots Karel Capek • 1948: Tại PTN Quốc gia Argonne, nhà nghiên cứu Goertz nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi (master-slave manipulator) điều khiển từ xa đầu tiên, năm hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự, sử dụng cấu tác động động điện kết hợp với cữ hành trình Giới thiệu tổng quan • Đầu thập kỷ 60: công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo loại máy tự động vạn gọi “Người máy cơng nghiệp” (Industrial Robot) có vài chức tay người điều khiển tự động để thực số thao tác sản xuất • Những năm 80, robot công nghiệp phát triển mạnh mẽ thám hiểm không gian công nghiệp ô tơ; sau chúng sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp vào đầu năm 90 12/9/2018 Giới thiệu tổng quan Theo tiêu chuẩn AFNOR pháp: Robot cấu chuyển đổi tự động chương trình hố, lập lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục toạ độ; có khả định vị, di chuyển đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo hành trình thay đổi chương trình hố nhằm thực nhiệm vụ cơng nghệ khác Giới thiệu tổng quan Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: Robot thiết bị có nhiều trục, thực chuyển động chương trình hóa nối ghép chuyển động chúng khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến động trình Chúng điều khiển phận hợp ghép kết nối với nhau, có khả học nhớ chương trình; chúng trang bị dụng cụ phương tiện công nghệ khác để thực nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp 12/9/2018 Giới thiệu tổng quan Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: Robot máy tự động liên kết tay máy cụm điều khiển chương trình hố, thực chu trình cơng nghệ cách chủ động với điều khiển thay chức tương tự người Giới thiệu tổng quan Robotics: Robotics nghành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot ứng dụng chúng lĩnh vực hoạt động khác xã hội loài người nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng dân sinh Robotics khoa học liên nghành gồm khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển cơng nghệ thơng tin Nó sản phẩm đặc thù nghành điện tử (mechatronics) 12/9/2018 Giới thiệu tổng quan Robot thị trường lao động Robot diện ngày nhiều lĩnh vực sống, từ nhà máy đến dịch vụ chăm sóc người già Sự phát triển mạnh mẽ robot 'cướp' công ăn việc làm nhiều người Giới thiệu tổng quan Robot thị trường lao động Mật độ robot (/10.000 công nhân) trung bình giới năm 2016 Bảng thống kê mật độ robot quốc gia dẫn đầu giới tự động hóa (nguồn: IFR- Liên đồn Robot Quốc tế) 12/9/2018 Giới thiệu tổng quan Robot thị trường lao động Mật độ robot số quốc gia công nghiệp tiên tiến Hàn Quốc Singapore Đức Nhật Mật độ 631 488 309 303 189 145 Vị trí 1st 2nd 3rd 4th 7th 13th Hoa Kỳ Canada Hàn Quốc khơng chiếm vị trí hàng đầu từ năm 2010, mà mật độ robot quốc gia cao hẳn so với quốc gia lại danh sách Trung Quốc ghi nhận phát triển mạnh mẽ mật độ trung bình tăng từ 25 robots năm 2013 lên mức 68 robots năm 2016, đưa quốc gia lên thứ 23 giới Chính phủ nước có kế hoạch biến họ trở thành quốc gia tự động hóa số giới vào năm 2020 Giới thiệu tổng quan Robot thị trường lao động Mật độ robot châu lục/10.000 công nhân năm 2016 Châu Âu Châu Mỹ Châu Á Mật độ 99 84 63 Tăng trưởng từ 2010-2016 5% 7% 9% Mật độ robot tiêu chuẩn để so sánh mức độ tự động hóa ngành công nghiệp sản xuất quốc gia Mật độ robot tăng nhanh toàn cầu 12/9/2018 Giới thiệu tổng quan Robot công nghiệp Robot công nghiệp lĩnh vực riêng robot, có đặc trưng riêng sau: - Là thiết bị vạn TĐH theo chương trình lập trình lại để đáp ứng cách linh hoạt khéo léo nhiệm vụ khác - Được ứng dụng trường hợp mang tính cơng nghiệp đặc trưng vận chuyển xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường,… Giới thiệu tổng quan Robot công nghiệp Theo Viện nghiên cứu robot Mĩ đề xuất: RBCN tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình lập trình lại để hồn thành nâng cao hiệu hoàn thành nhiệm vụ khác công nghiệp, vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng khác Hay theo định nghĩa GHOST 25686 – 85 sau: RBCN tay máy đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có số bậc tự hoạt động thiết bị điều khiển theo chương trình, tái lập trình để hồn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất 12/9/2018 Giới thiệu tổng quan Robot công nghiệp Giới thiệu tổng quan Các mô đun cấu tạo nên Robot 12/9/2018 How Robots Work Giới thiệu tổng quan Cấu trúc Robot CN COMPUTER Forward Kinematic X0,Y0,Z0 Block B Cartesian Point Storage Xf ,Yf ,Zf Block A Invers Kinematic Xd(t), Y d(t) Trajectory Planer Zd(t) TEACH PENDANT Block D θd (t), hd(t) Posititon errors Record button Switch ∑ CONTROLLER Block C θ0, h0; θf , hf θs(t), h s(t) MOTOR Dynamic ROBOT Dynamic Physical position 12/9/2018 Giới thiệu tổng quan Cấu trúc Robot CN Block A: Khối thu thập chuyển giao liệu đầu vào Block A Teach Pendant: thực trình dạy học cho Robot TEACH PENDANT Record button Record Button: Lưu trữ chuyển giao liệu cảm nhận vật lý qúa trình học, gọi “bộ liệu cảm nhận vật lý” bao gồm góc vị trí đầu, vị trí cuối động trình {(θ0, h0); (θf, hf)} θ0, h0; θf , hf Cấu trúc Robot CN Block B: Là khối não Robot, bao gồm cụm vi xử lý, giải vấn đề sau: Block B θ0, h0; θf , hf COMPUTER Forward Kinematic Inverse Kinematic X0,Y0,Z0 Xf ,Yf ,Zf Xd(t), Y d(t) Zd(t) θd(t), h d(t) Switch Cartesian Point Storage Trajectory Planer Forward kinematic: Thiết lập giảI toán động học sở thông số đầu vào {(θ0, h0); (θf, hf)} Cartesian Point storage: Lưu trữ chuyển giao kết tính tốn tốn động học thuận, vị trí hình học động trình hay cịn gọi “bộ liệu hình học” [(X0, Y0, Z0); (Xf, Yf, Zf)] Trajectory Planer: Lập trình quĩ đạo qua điểm hình học chưa “dạy” để hình thành tồn quĩ đạo chuyển động cần có [Xd(t), Yd(t), Zd(t)] cấu chấp hành cuối (tools) Inverse Kinematic: giảI tốn động học ngược tìm thơng số điều khiển “bộ liệu điều khiển” [θd(t), hd(t)] 10 12/9/2018 Động học Robot Ví dụ: Cơ cấu khâu quay Bảng thông số DenavitHartenberg z0 x2 O2 q3 a2 O1 a3 O3 z1 d1 xE zE x1 O0 αi di θi 90o d1 θ1 a2 0 θ2 a3 0 θ3 Khâu z2 q2 y0 q1 x0 Ma trận chuyển đổi hệ O0 hệ O3 là: C1.C23 S C 0 A3 = A1 A2 A3 = 23 S 23 − C1.S 23 − S1.S 23 C23 S1 C1.(a3 C23 + a2 C2 ) − C1 S1.(a3 C23 + a2 C2 ) a3 S 23 + a2 S + d1 ) Phân loại • Theo dạng hình học khơng gian hoạt động • Theo hệ robot • Theo phương thức điều khiển • Theo nguồn dẫn động • Theo số bậc tự • Theo cấu trúc động học 27 12/9/2018 Phân loại Robot tọa độ Đề các: Kết cấu gồm khớp trượt bố trí theo trục tọa độ Đề vng góc Vùng làm việc hình chữ nhật Độ cứng vững cao, độ xác đồng toàn miền làm việc, độ khéo léo thấp Ứng dụng cho vận chuyển, lắp ráp Phân loại Robot tọa độ Đề các: 28 12/9/2018 Phân loại Robot tọa độ trụ: Gồm khớp quay khớp trượt Miền làm việc hình trụ rỗng Độ cứng vững cao, phù hợp tải nặng Độ xác định vị góc mặt phẳng ngang giảm tầm với tăng Phân loại Robot tọa độ trụ: 29 12/9/2018 Phân loại Robot tọa độ cầu: Gồm khớp quay khớp trượt khớp quay Miền làm việc khối cầu rỗng Độ cứng vững thấp loại Độ xác định vị phụ thuộc vào tầm với 59 Phân loại Robot tọa độ cầu: 60 30 12/9/2018 Phân loại Phân loại theo hệ robot: Robot hoạt động nhờ người điều khiển trực tiếp- teach pendant Robot hoạt động theo chu trình cố định, robot lắp đặt Robot hoạt động theo chu trình thay đổi Robot điều khiển chương trình số Robot thơng minh - nhận biết, tương tác với mơi trường: robot tự hành, asimo robot… 61 Phân loại Phân loại theo phương thức điều khiển: Có kiểu điều khiển robot: điều khiển hở điều khiển kín Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động điện động thủy lực, khí nén, ) mà quãng đường góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu đơn giản, đạt độ xác thấp Điều khiển kín (điều khiển kiểu servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ xác điều khiển Có kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm điều khiển theo đường (contour) 62 31 12/9/2018 Phân loại Phân loại theo phương thức điều khiển: Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm đến điểm theo đường thẳng với tốc độ không cao (không làm việc) Nó làm việc điểm dừng Kiểu điều khiển dùng robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,… Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ điều khiển Có thể gặp kiểu điều khiển robot hàn hồ quang, phun sơn,… 63 Phân loại Phân loại theo phương thức điều khiển: Robot gắp đặt Robot dẫn đường liên tục 64 32 12/9/2018 Phân loại Phân loại theo nguồn dẫn động: Động điện • Các động sử dụng thường động bước, động DC servo, động AC servo Robot loại thiết kế gọn, chạy êm, định vị xác Robot dẫn động động điện 65 Phân loại Khí nén Robot dẫn động khí nén 66 33 12/9/2018 Phân loại Thủy lực • Nguồn thủy lực sử dụng chất khơng nén gọi dầu ép Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu Tay máy xy lanh thủy lực chuyển động thẳng quay động dầu Robot loại sử dụng ứng dụng có tải trọng lớn Robot dẫn động thủy lực 67 Phân loại Phân loại theo số bậc tự do: n: số khâu động pi : số khớp loại i Robot có bậc tự 68 34 12/9/2018 Phân loại Phân loại theo động lực học: Vịng hở Vịng kín 69 Robot Application Machine loading Pick and place operations Welding Painting Sampling Assembly operation Manufacturing Surveillance Medical applications Assisting disabled individuals Hazardous environments Underwater, space, and remote locations 35 12/9/2018 Ứng dụng Ứng dụng robot công nghiệp 71 Ứng dụng Kiểm tra môi trường độc hại, nguy hiểm 72 36 12/9/2018 Ứng dụng Dây chuyền tự động sơn ô tô 73 Ứng dụng Dây chuyền lắp ráp tự động linh kiện điện tử 74 37 12/9/2018 Ứng dụng Robot tay máy công nghiệp 75 Ứng dụng Lunakhod (Nga) Thám hiểm mặt trăng Sojourner Thám hiểm Hỏa Robot tự hành thám hiểm 76 38 12/9/2018 Advantages VS Disadvantages of Robots Robots increase productivity, safety, efficiency, quality, and consistency of products ♦ Robots can work in hazardous environments without the need ♦ Robots need no environmental comfort ♦ Robots work continuously without experiencing fatigue of problem ♦ Robots have repeatable precision at all times ♦ Robots can be much more accurate than human ♦ Robots replace human workers creating economic problems ♦ Robots can process multiple stimuli or tasks simultaneously ♦ ♦ Robots lack capability to respond in emergencies ♦ Robots, although superior in certain senses, have limited capabilities in Degree of freedom, Dexterity, Sensors, Vision system, real time response ♦ Robots are costly, due to Initial cost of equipment, Installation costs, Need for Peripherals, Need for training, Need for programming Bài tập θ3 a1 θ2 a2 h4 l2 l1 θ1 39 12/9/2018 z0 Z1 θ3 z2 θ2 θ1 y1 y3 x3 01 03 Y0 y1 y2 x1 x1 z4 02 θ l2 01 l1 x0 x4 y4 04 Y1 x2 y2 x2 θ2 h4 02 01 yt x1 a1 0T y0 xt x0 zt θ2 a a3 d1 θ3 θ4 a4 θ1 40 12/9/2018 Z1 θ2 01 a z0 Z2 y1 θ3 a3 02 d1 z0 θ4 03 y2 x2 a4 θ1 x0 y0 x0 y0 0t xt y zt 41 ... phương xi - di = Oi-1O’i : Khoảng cách khớp theo phương zi-1 - αi : Góc quay quanh trục xi zi-1 zi - θi : Góc quay quanh trục zi-1 xi-1 xi Trong thông số αi phụ thuộc vào kết cấu khâu i, lại... robot công nghiệp 71 Ứng dụng Kiểm tra môi trường độc hại, nguy hiểm 72 36 12/9/2018 Ứng dụng Dây chuyền tự động sơn ô tô 73 Ứng dụng Dây chuyền lắp ráp tự động linh kiện điện tử 74 37 12/9/2018 Ứng... học Robot Mô tả phép chuyển tọa độ hệ i i-1: -Tịnh tiến hệ Oi-1 dọc theo trục zi-1 khoảng di, sau quay góc θi để nhận hệ O’i Ma trận chuyển đổi hệ Oi-1 hệ O’i là: Aii''−1 = T (0,0, d i ).R( zi