Giáo trình robot công nghiệp (nghề cơ điện tử trình độ cao đẳng)

UBND TỈNH NINH THUẬN TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ NINH THUẬN GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: ROBOT CƠNG NGHIỆP NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: ngày Trường cao đẳng nghề Ninh Thuận Năm 2019 tháng năm 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Cơ điện tử trình độ Cao Đẳng Nghề Trung Cấp Nghề, giáo trình Rơ bốt cơng nghiệp giáo trình mơ đun đào tạo chuyên ngành biên soạn theo nội dung chương trình khung Bộ Lao động Thương binh Xã hội Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức kỹ chặt chẽ với nhau, logíc Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiễn cao Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 90 gồm có: Bài 1: Giới thiệu chung Robot công nghiệp Bài 2: Các phép biến đổi Bài 3: Phương trình động học Robot Bài Ngơn ngữ lập trình Robot Bài Truyền động điều khiển Robot Bài Mô Phỏng Robot máy tính Trong q trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học công nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập để người học củng cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Ninh Thuận, ngày tháng năm 2019 Tham gia biên soạn Chủ biên: MỤC LỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP Sơ lược trình phát triển robot cơng nghiệp (IR: Industrial Robot): Ứng dụng robot công nghiệp sản xuất: Các khái niệm định nghĩa robot công nghiệp: .8 3.1 Định nghĩa robot công nghiệp: 3.2 Bậc tự robot (DOF:Degreees of Freedom): 3.3 Hệ toạ độ (Coordinate frames): .9 3.4 Trường công tác robot (Workspace or range of motion): 10 BÀI 12 CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP 12 Cấu trúc robot công nghiệp: 12 1.1 Các thành phần robot cơng nghiệp: 12 1.2 Kết cấu tay máy: 13 Phân loại: 15 2.1 Phân loại theo kết cấu: 15 2.2 Phân loại theo hệ thống truyền động: 15 2.3 Phân loại theo ứng dụng: 16 BÀI 17 TRUYỀN DẪN ĐỘNG ĐIỆN CƠ 17 Truyền động điện Robot: 17 1.1 Động điện chiều: 17 1.2 Động bước: 19 Truyền động khí nén thuỷ lực: 21 2.1 Truyền dẫn động khí nén: 21 2.2 Truyền dẫn động thuỷ lực: 21 Các phương pháp điều khiển Robot: 21 Điều khiển tỉ lệ - đạo hàm (PD: Propotional Derivative): 22 Điều khiển tỉ lệ - tích phân – đạo hàm (PID: Propotional Intergral Derivative): 22 Hàm truyền chuyển động khớp động: 23 Điều khiển vị trí khớp động: 26 Phương trình động học robot: 28 Dẫn nhập: 28 1.1 Bộ thông số Debavit – Hartnberg (DH) toán ứng dụng: 29 Đặc trưng ma trận A toán ứng dụng: 32 1.2 Xác định T6 theo ma trận An toán ứng dụng: 33 BÀI 35 THIẾT BỊ CẢM BIẾN 35 Cảm biến vị trí, vận tốc gia tốc Cảm biến lực cảm biến tiếp xúc Cảm biến tín hiệu gần xa Thực hành thiết bị cảm biến BÀI 78 LẬP TRÌNH VÀ MƠ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA RƠ BỐT 78 Giới thiệu chung lập trình điều khiển robot: 78 Các mức lập trình điều khiển robot: 79 2.1 Lập trình kiểu “dạy – học”: 79 2.2 Dùng ngôn ngữ lập trình: 79 2.3 Ngơn ngữ lập trình theo nhiệm vụ: 80 Phần mềm Procomm Plus For Windown: 80 3.1 Giới thiệu: 80 3.2 Ngơn ngữ lập trình Aspect Procomm: 83 3.3 Lập trình điều khiển robot TERGAN – 45 Procomm: 93 Bài tập: 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 MƠ ĐUN: ROBOT CƠNG NGHIỆP Mã mơ đun: MĐ38 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: Mơ đun Robot Cơng Nghiệp mảng kiến thức kỹ thiếu với công nhân kỹ thuật chuyên ngành Cơ điện tử Các kiến thức kỹ từ mô đun giúp học sinh, sinh viên nắm bắt kiến thức kỹ thực hành rô bốt cơng nghiệp Để thực tốt nội dung mô đun người học cần phải nắm số kiến thức kỹ mô đun kỹ thuật cảm biến, mô đun điều khiển điện khí nén,… Mục tiêu mơ đun: Sau học xong mơ đun người học có kiến thức kỹ năng: Trình bày cấu trúc rơ bốt cơng nghiệp Mơ tả q trình hoạt động rơ bốt dùng cơng nghiệp Lập trình mô chuyển động rô bốt Sử dụng, bảo trì rơ bốt cơng nghiệp qui trình kỹ thuật Sửa chữa số hư hỏng thông thường rô bốt công nghiệp - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ sinh công nghiệp - Nội dung mô đun: Thời gian Số TT Tên Giới thiệu chung rôbốt công nghiệp Tổng Lý số thuyết Thực hành Kiểm tra* 4 Cấu trúc phân loại rôbốt công 10 nghiệp Truyền dẫn động điện 20 13 Thiết bị cảm biến 28 19 Mạch điều khiển hệ thống 28 18 90 30 56 Cộng BÀI GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP Mã bài: MĐ38 – Giới thiệu: Trước bắt đầu tìm hiểu học tập robot cơng nghiệp, người học cần nắm rõ khái niệm robot công nghiệp, cấu trúc bản, phân loại ứng dụng robot công nghiệp Mục tiêu: - Trình bày trình phát triển, khái niệm định nghĩa rơ bốt cơng nghiệp - Trình bày ứng dụng xu hướng phát triển Rơbốt cơng nghiệp tương lai - Rèn luyện tính tư duy, tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: Sơ lược q trình phát triển robot cơng nghiệp (IR: Industrial Robot): Mục tiêu: giới thiệu cho người học kiến thức trình phát triển robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa cơng việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots Karel Capek, vào năm 1921 Trong kịch này, Rossum trai ông ta chế tạo máy gần giống với người để phục vụ người Có lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật cấu, máy móc bắt chước hoạt động bắp người Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine Foundary Company) quảng cáo loại máy tự động vạn gọi “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Về mặt kỹ thuật, robot công nghiệp ngày có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) máy công cụ điều khiển số (NC – Numerically Controlled machine tool) Các cấu điều khiển từ xa phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ Các cấu thay cho cánh tay người thao tác gồm có kẹp bên hai tay cầm bên Cả tay cầm kẹp nối với cấu bậc tự để tạo hướng vị trí tuỳ ý Robot cơng nghiệp chế tạo robot Versatran công ty AMF Cũng khoản thời gian Mỹ xuất loại robot Unimate-1990 dùng kỹ nghệ tơ Tiếp theo Mỹ, nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp như: Anh – 1967, Thuỵ Điển Nhật – 1968 theo quyền Mỹ, Cộng Hoà Liên Bang Đức – 1971, Pháp – 1972, Italia – 1973,… Tính làm việc robot ngày nâng cao, khả nhận biết xử lý Năm 1967, trường đại học Stanford (Mỹ) chế tạo mẫu robot hoạt động theo mơ hình “mắt – tay”, có khả nhận biết định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ cảm biến Năm 1974 công ty Cincinnati (Mỹ) đưa loại robot điều khiển máy vi tính gọi robot T3 (The Tomoorrow Tool), robot có khả nâng vật có khối lượng lên đến 40kg Có thể nói, robot tổng hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa với mức độ tri thức ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chương trình số kỹ thuật chế tạo cảm biến, cơng nghệ lập trình phát triển trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia,…Ngày nay, việc nâng cao tính robot ngày phát triển, nhiều robot thông minh nhiều, đặc biệt Nhật Bản chế tạo nhiều robot giống người Asimo, robot có cảm giác,… Một vài số liệu công nghiệp sản xuất robot sau: Nước sx Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998 Nhật 60.118 29.765 67.000 Mỹ 4.327 7.634 11.100 Đức 5.845 5.125 8.600 Italia 2.500 2.408 4.000 Pháp 1.488 1.197 2.000 Anh 510 1.086 1.500 Hàn Quốc 1.000 1.200 Ứng dụng robot công nghiệp sản xuất: Mục tiêu: giới thiệu cho người học hiểu rõ tầm quan trọng ứng dụng robot công nghiệp sản xuất Từ vừa đời robot công nghiệp ứng dụng nhiều lĩnh vực góc độ thay sức người Nhờ vậy, dây chuyền sản xuất tổ chức lại, suất hiệu sản xuất tăng lên rõ rệt Múc tiêu việc ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao suất dây chuyền cơng nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Lợi robot làm việc khơng biết mệt mỏi, có khả làm mơ trường phóng xạ độc hại, nhiệt độ cao,… Ngày nay, xuất nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm máy CNC với robot công nghiệp, dây chuyền đạt mức độ tự động hố mức độ linh hoạt cao,… Ngoài phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot sử dụng việc khai thác thềm lục địa đại dương, y học, quốc phòng, việc chinh phục vũ trụ, công nghiệp nguyên tử,… Như vậy, robot công nghiệp sử dụng nhiều lĩnh vực ưu điểm nó, nhiên chưa linh hoạt người nên cần người giám sát Các khái niệm định nghĩa robot công nghiệp: Mục tiêu: trình bày cho người học nắm rõ khái nhiệm định nghĩa robot công nghiệp 3.1 Định nghĩa robot cơng nghiệp: Hiện có nhiều định nghĩa robot, điểm qua số định nghĩa sau: Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục toạ độ; có khả định vị, định hướng, 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 Định nghĩa theo TIA (Robot Institute of America): Robot tay máy vạn lặp lại chương trình thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chun dùng thơng qua chương trình chuyển động thay đổi để hồn thành nhiệm vụ khác Định nghĩa theo FOCT 25686 – 85 (Nga): Robot công nghiệp máy tự động, đặt cố định di động được, liên kết tay máy hệ thống điều khiển theo chương trình, lập trình lại để hồn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất 3.2 Bậc tự robot (DOF:Degreees of Freedom): Bậc tự số khả chuyển động cấu (chuyển động quay tịnh tiến) Để dịch chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành robot phải đạt số bậc tự Nói chung hệ robot cấu hở, bậc tự tính theo cơng thức w  6n   ipi i 1 (1.1) Trong đó: - n: số khâu động - pi: số khớp loại i (i = 1,2,…,5: số bậc tự bị hạn chế) Đối với cấu có khâu nối với khớp quay tính tiến (khớp động loại 5) số bậc tự số khâu động Đối với cấu hở, số bậc tự tổng số bậc tự khớp động Để định vị định hướng khâu chấp hành cuối cách tuỳ ý không gian chiều robot cần có bậc tự do, bậc tự để định vị bậc tự để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, xếp,…có thể yêu cầu số bậc tự Các robot hàn, sơn,…thường yêu cầu bậc tự Trong số trường hợp cần khéo léo, linh hoạt cần phải tối ưu hoá quỹ đạo,… người ta dùng robot với số bậc tự lớn 3.3 Hệ toạ độ (Coordinate frames): Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với qua khớp (joints), tạo thành xích động học xuất phát từ câu đứng yên Hệ toạ độ gắn với khâu gọi hệ toạ độ (hay toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với khâu động gọi hệ toạ độ suy rộng Trong thời điểm hoạt động, toạ độ suy rộng xác định cấu hình robot chuyển dịch dài chuyển dịch góc khớp tịnh tiến khớp quay (hình 1.1) Các toạ độ suy rộng gọi biến khớp 84 Hình 4.2 – Cửa sổ soạn thảo dịch script file Để chạy Aspect script file thực nhiều cách:  Chọn mục Script menu chính, chọn mục Run…Lúc xuất hộp thoại để chọn file muốn thực  Ấn chuột mục Script file cơng cụ, sau chọn tên file muốn thực Nếu file chạy, tên mục Script file, muốn chạy lại ấn chuột vào biểu tượng cơng cụ  Có thể chạy script file từ cửa sổ Compile/Edit ASPECT file (chọn mục Run) (hình 5.2) 3.2.2 Kiểu liệu khai báo biến ASPECT:  Kiểu liệu: ASPECT cung cấp kiểu liệu sau:  Integer (kiểu nguyên): có giá trị từ -32768 đến 32768  Float (kiểu số thực): có giá trị từ 2.22507385072014e-308 đến 1.797693134862315e+308  Long (kiểu nguyên dài): 2147483647 có  String (kiểu chuỗi): từ đến 256 ký tự giá trị từ -2147483648 đến Tất tên phần tử ASPECT, tên từ lệnh, tên hàm thủ tục, tên nhãn biến,… có chiều dài không 30 ký tự  Các loại biến: ASPECT có loại biến sau:  Biến hệ thống: biến hệ thống biến “chỉ đọc” mà ASPECT Procomm Plus ấn định giá trị đặc biệt Ví dụ, khơng thể thay đổi giá trị biến hệ thống $ROW mà ln ln 85 vị trí dịng trỏ hình, ta đọc giá trị nơi chương trình xử lý cần thiết Biến hệ thống có dấu $ đầu  Biến người dùng định nghĩa: biến người dùng định nghĩa có hai loại sau: - Biến toàn cục (Global variables): biến tồn cục định nghĩa nơi chương trình phải bên ngồi khối thủ tục hàm Thông thường, biến tồn cục thường khai báo đầu chương trình Biến tồn cục tham chiếu đến từ hàm hay thủ tục chương trình Nếu thủ tục hàm làm thay đổi giá trị biến tồn cục giá trị trì có lệnh khác làm thay đổi giá trị - Biến địa phương (Local variables): khơng giống biến tồn cục, biến địa phương tham khảo đến phạm vi thủ tục hàm mà định nghĩa Giá trị bị xố khỏi thủ tục hàm Ta đặt tên biến địa phương giống thủ tục hàm khác chương trình, điều khơng có nghĩa giá trị biến ghi nhớ thủ tục hàm khác  Tham biến (parameter Variables): Bất thủ tục nào, ngoại trừ chương trình khai báo (định nghĩa) đến 12 tham biến Các tham biến tương tự biến địa phương, nghĩa tham chiếu đến phạm vi thủ tục hàm mà dịnh nghĩa, nhiên khác với biến địa phương, tham biến nhận giá trị ban đầu cách tự động thủ tục hàm gọi, giá trị sử dụng cung cấp câu lệnh gọi Các tham biến phải khai báo đầu thủ tục hàm, trước lệnh biến địa phương Một tham biến khai báo giống biến địa phương Thứ tự mà tham biến định nghĩa xác định thứ tự mà chúng gọi thủ tục hàm  Khai báo (định nghĩa) biến: Tất loại biến dùng chương trình phải khai báo (định nghĩa) trước Nếu biến có kiểu liệu, ta khai báo dòng cách dấu phẩy (,) Ví dụ: Integer sokhop, Tong, i = Float Goc Integer A[4][4] 86 Trong ví dụ ta khai báo biến: sokhop, Tong, i biến kiểu nguyên, biến i gán giá trị ban đầu 1, Goc biến thực, A biến mảng có kích thước 4x4, phần tử mảng kiểu nguyên Cách khai báo tham biến thủ tục hàm sau: para (kiểu liệu) (tên) [,tên]… Ví dụ: para Integer X, Y, Z Chương trình ví dụ: Proc main ; chương trình integer A,B,C ; khái báo biến kiểu nguyên integer Tong ; tổng số A=2, B=4, C=8 ; gán giá trị cho biến Tong = Sum(A,B,C) ; gọi hàm Sum để cộng số Usermsg “ Tong = %d.” Tong ; cho tổng số lên hình Endproc Func Sum : Integer ; kết thúc chương trình ; Định nghĩa hàm Sum để tính tổng Param integer X, Y, Z ; khai báo tham số biến kiểu nguyên integer Tong ; Khai báo biến tổng (biến địa phương) Tong= X+Y+Z ; Tổng số return Tong ; trả giá trị tổng số Endfunc ; kết thúc định nghĩa hàm Chú ý dấu “ ; ” dùng để ghi chương trình, nội dung sau “;” khơng biên dịch 3.2.3 Cấu trúc chương trình: Cấu trúc chương trình ASPECT script file gần giống file viết ngơn ngữ Pascal, nghĩa có chương trình thủ tục hàm khác Chỗ khác cở chương trình viết trước, chương trình gọi đến hàm thủ tục định nghĩa sau Trong chương trình khơng khai báo tham biến Khi thực chương trình, thực lệnh từ dịng đến hết chương trình Khi kết thúc hàm thủ tục gọi, tự động trả dịng lệnh Cấu trúc chung chương trình sau: ; Dịng dùng ghi nội dung chương trình, dòng thể 87 ; hộp thoại Compile/Edit để người sử dụng dễ nhận biết nội ; dung chương trình ; bắt đầu chương trình Proc main (khai báo biến) (các câu lệnh thể nội dung chương trình) …………… Endproc ; kết thúc chương trình Proc (tên thủ tục) ; bắt đầu thủ tục (khai báo tham biến có) (khai báo biến địa phương) (các câu lệnh thể nội dung thủ tục) …………… Endproc ; kết thúc thủ tục Func (tên hàm) (khai báo tham biến có) (khai báo biến địa phương) (các câu lệnh thể nội dung hàm) ……………… Return (biến) Endproc ; trả giá trị biến thủ tục gôi ; kết thúc hàm 3.2.4 Một số phép tính dùng ASPECT: ASPECT sử dụng nhiều phép tính số học logic khác nhau, giới thiệu số phép tính hay dùng: +;-;*;/ >; =;