Đồ án tốt nghiệp đề tài robot đánh bóng

Một trong số thiết bị sản xuất có thể nói đến đó là cánh tay Robot công nghiệp. Cánh tay robot công nghiệp là một thiết bị tự động hóa được ứng dụng khá phổ biến trong các nhà máy sản xuất công nghiệp hiện nay. Cánh tay robot công nghiệp là bước tiến tuyệt vời trong quy trình tự động hóa sản xuất. Không chỉ phục vụ quá trình lắp ráp sản phẩm mà còn góp phần xử lý những công việc phức tạp trong sản xuất. Cánh tay Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản 11 phẩm. Hơn thế, robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh. Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây chuyền. Công việc khi lắp ráp đó lại đòi hỏi phải rất cẩn thận, không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần có thợ tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng suốt ngày. Khả năng thay thế người lao động ở những khâu lắp ráp ngày càng hiện thực là do đã áp dụng được nhiều thành tựu mới về khoa học trong việc thiết kế, chế tạo robot. Với xu thế phát triển của thời đại cùng những kiến thức quý báu được thầy cô truyền lại sau thời gian học tập tại trường và được sự đồng ý, hướng dẫn của thầy cô nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu, điều khiển robot đánh bóng MELFA RV 2SQ S80”. Với sự cố gắng của các thành viên trong nhóm và sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS. TS. Hoàng Tiến Dũng, nhóm đã hoành thành tốt đề tài được giao. Do kiến thức còn nhiều thiếu sót và thời gian hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Nhóm rất mong nhận được những lời nhận xét cũng như các ý kiến của quý thầy cô. Nhóm em xin cảm ơn thầy cô, nhà trường đã tạo điều kiện để chúng em được thực hiện đề tài đem lại nhiều kiến thức hữu ích và sẽ có nền tảng cho công việc sau này.

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT ĐÁNH BÓNG

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Tiến Dũng

Sinh viên thực hiện:

Hà Nội – 2024

2

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC BẢNG 8

DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ROBOT ĐÁNH BÓNG 13

1.1 Lịch sử thành và phát triển 13

1.2 Đối tượng nghiên cứu 22

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 35

1.4 Phương pháp thực hiện 35

1.5 Đặc điểm của robot đánh bóng 36

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ROBOT ĐÁNH BÓNG 38

2.4.1 Cấu trúc tổng thể của CPU Q172 69

2.4.2 Sơ đồ IN/OUT của CPU Q172 70

2.4.3 Cấu Tạo Của Động Cơ Servo AC 70

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ROBOT ĐÁNH BÓNG 74

3.1 Nguyên lý hoạt động của robot đánh bóng 74

3.4.2 Thiết kế mạch điện điều khiển 95

3.4.3 Thiết kế mạch điện kết nối bộ khuếch đại servo 97

3.4.4 Mạch thiết kế hệ thống cho IO của bộ điều khiển 99

3.4.5 Thiết kế mạch nguồn điện 101

3.4.6 Thiết kế mạch an toàn 102

3.5 Lập trình bằng phần mềm RT ToolBox 3 105

3.5.1 Giới thiệu phần mềm RT ToolBox 3 105

3.5.2 Sử dụng phần mềm RT ToolBox 3 106

3.6 Lưu đồ thuật toán 113

CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG 115

4.1 Sơ đồ thử nghiệm hệ thống 115

4.2 Lắp ráp hệ thống điều khiển 116

4.3 Quy tắc và chú ý an toàn trong hoạt động sản phẩm 117

4.3.1 Quy tắc an toàn trên cánh tay robot công nghiệp 117

4.3.2 Chú ý an toàn khi hoạt động sản phẩm 120

4.4 Quy trình vận hành cánh tay robot 130

4.5 Thử nghiệm và đánh giá hoạt động hệ thống 131

4.5.1 Lựa chọn vật liệu đánh bóng 131

4

4.5.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với đánh bóng bề mặt 137KẾT LUẬN 139TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

5

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: George Charles Devol Jr (ở giữa) và các cộng sự 14

Hình 1 2: Robot Unimate, robot công nghiệp đầu tiên được Devol phát triển 16

Hình 1 3: Robot của công ty Unimation, INC 17

Hình 1 4: Biểu đồ tăng trưởng robot công nghiệp trên các nước 19

Hình 1 5: Biểu đồ về chỉ số sử dụng robot 20

Hình 1 6: Biểu đồ thay đổi đơn giá robot công nghiệp qua các năm 22

Hình 1 7: Robot 3 bậc tự do hàn thiếc tự động 23

Hình 1 8: Cánh tay robot cộng tác 6 bậc tự do 24

Hình 1 9: Cánh tay robot 6 bậc tự do Mitsubishi 25

Hình 1 10: Cánh tay robot xếp hàng trên pallet 25

Hình 1 11: Cánh tay robot hàn 26

Hình 1 12: Cánh tay Robot công nghiệp trong dây chuyền sơn oto 27

Hình 1 13: Cánh tay robot đóng gói sản phẩm 27

Hình 1 14: Cánh tay robot gia công 28

Hình 1 15: Phân loại các dòng robot melfa 30

Hình 1 16: Cánh tay Robot Melfa RV-2SQ 80 31

Hình 1 17: Tín hiệu điều khiển của cánh tay robot 31

Hình 1 18: Ý nghĩa tên model của robot RV 2SQ S80 32

Hình 2 1: Động lực của quá trình đánh bóng và các ứng dụng tương ứng 39

Hình 2 2: Sơ đồ loại bỏ vật liệu đánh bóng hỗ trợ siêu âm 41

Hình 2 3: Sơ đồ cấu trúc của công cụ đánh bóng vòm 43

Hình 2 8: Ảnh SEM của các hạt sắt carbonyl 49

Hình 2 9: Sơ đồ nguyên lý đánh bóng từ trường 50

Hình 2 10: Một số ứng dụng của đánh bóng từ tính (a) hộp in 3D (b) gương không phẳng và (c) cấy ghép khớp gối 52

Hình 2 11: Sơ đồ đánh bóng điện phân 53

Hình 2 12: Đánh bóng bằng tia laze 56

Hình 2 13: Đánh bóng bằng tia ion 58

Hình 2 14: Tổng quan các khớp cánh tay robot 60

Hình 2 15: Khớp cổ tay cánh tay robot 62

Hình 2 16: Cơ cấu tay kẹp 63

Hình 2 17:Mặt sau bộ điều khiển trung tâm 64

Hình 2 18: Mặt trước bộ điều khiển trung tâm 65

Hình 2 19: Bảng điều khiển bằng tay 67

Hình 2 20: Cấu trúc tổng thể CPU Q172 69

Hình 2 21: Sơ đồ đấu nối IN/OUT của CPU Q172 70

Hình 2 22: Driver điều khiển động cơ Servo AC 71

Hình 2 23: Sơ đồ kết nối CPU đến Servo 72

Hình 2 24: Sơ đồ khuếch đại động cơ Servo 73

Hình 3 1: Đặt hệ tọa độ cho các khâu 79

Hình 3 2: Vùng làm việc của robot 84

7

Hình 3 3: Sự biến đổi các hệ tọa độ khi cánh tay chuyển động 85

Hình 3 4: Tọa độ khả thi O2 86

Hình 3 5: Sơ đồ lực đặt vào đầu ra trục khớp 2 ở trạng thái giữ 89

Hình 3 6: Mạch điện điều khiển 95

Hình 3 7: Mạch điện kết nối bộ khuếch đại servo 97

Hình 3 8: Mạch hệ thống IO cho bộ điều khiển 99

Hình 3 9: Mạch thiết kế hệ thống (Khi không sử dụng đầu cực ERR của đun nguồn điện) Error! Bookmark not defined.Hình 3 10: Mạch bảo vệ dòng rò, bảo vệ quá dòng 101

mô-Hình 3 11: Mạch nối đất 102

Hình 3 12: Mạch cưỡng bức dừng 1 103

Hình 3 13: Mạch cưỡng bức dừng 2 104

Hình 3 14: Trạng thái vận hành của dừng khẩn cấp và cưỡng bức dừng 104

Hình 3 15: Giao diện phần mềm RT ToolBox 3 105

Hình 3 16: Màn hình thao tác của phần mềm RT ToolBox 3 106

Hình 3 17: Khởi tạo chường trình điều khiển 107

Hình 3 18: Lựa chọn phương thức giao tiếp với Robot 107

Hình 3 19: Giao diện mô phỏng chính của Robot 108

Hình 3 20: Giao diện lập trình trên phần mềm điều khiển Robot đến các vị trí đã được thiết lập sẵn 108

Hình 3 21: Tọa độ các vị trí cần đến thực tế 112

Hình 3 22: Tín hiệu Input và Output của Robot 112

Hình 4 1: Sơ đồ kết nối bộ điều khiển với các thiết bị ngoại vi 116

8

Hình 4 2: Hình ảnh vật liệu SUS304 khi chịu nhiệt 133

Hình 4 3: Vật liệu đánh bóng SUS304 137

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Số lượng robot được sản xuất trên một số quốc gia 18

Bảng 1.2: Thông số kĩ thuật của Robot Melfa RV 2SQ S80 32

Bảng 2 1: Công nghệ đánh bóng bằng tia laze 57

Bảng 2 2: Các kiểu khớp của cánh tay robot 60

Bảng 3 1: Đặc tính của cơ cấu nối tiếp 78

Bảng 3 2: Bảng thông số DH (1) 80

Bảng 3 3: Khối lượng các khâu sau khi tính toán 89

Bảng 4 1: Tính năng an toàn trên cánh tay Robot 117

Bảng 4 2: Các chức năng dừng hoạt động của Robot 118

Bảng 4 3 Bảng đặc tính cơ học SUS 304 135

Bảng 4 4 Bảng tính chất vật lý của SUS304 136

Bảng 4 5 Bảng thể hiện thành phần của SUS304 136

9

DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

1 CPU Central Processing Unit

Giúp lưu trữ mọi thông tin đồng thời tính toán kỹ lưỡng mọi thao tác, dữ liệu và đưa ra lệnh điều khiển hoạt động của laptop

2 AFNOR Association Française de Normalisation

Một tổ chức tiêu chuẩn có trụ sở tại Paris và là cơ quan thành viên của Pháp tại Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO)

3 CNC Computerized Numerical Control

Điều khiển số thông qua sự hỗ trợ của máy tính

4 PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển Logic

5 MCB Miniature Circuit Breaker (Aptomat)

Bảo vệ hệ thống nói chung và các thiết bị điện (tải) nói riêng trong các trường hợp ngắn mạch, quá tải

Thiết bị điều khiển để đóng ngắt nguồn cấp cho thiết bị do đó được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống điện

7 RIA Robotics Industries Association

Tiêu chuẩn bao gồm các yêu cầu về thiết kế, tính năng an toàn, quy trình vận hành, hệ thống cảm biến và điều khiển, quản lý rủi ro, đào

10

tạo và xác nhận tuân thủ

8 T3 The tomorrow tool Công cụ của tương lai

Thành phần điều khiển sản phẩm hoặc quy trình bằng cách di chuyển hoặc định hướng

10 SCARA Articulated Robot Arm Selective Compliance Cánh tay robot lắp ráp có chọn lọc

11 AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều

11

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ số hóa, các dây chuyền tự động được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong sản xuất Các doanh nghiệp sản xuất luôn tự cải tiến công nghệ, hệ thống máy móc của mình để tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt nhất, giá cả cạnh tranh nhất Đó chính là cơ sở để nâng cao vị thế cạnh tranh, giúp doanh nghiệp đứng vững trên thị trường khốc liệt

Với việc ứng dụng công nghệ tiên tiến vào quá trình sản xuất công nghiệp nhằm chuyển một phần lớn hoặc toàn bộ hoạt động sản xuất nhờ sức lao động của con người sang cho máy móc thiết bị Theo khái niệm này, quá trình tự động sẽ không cần sự can thiệp quá sâu của con người, mà sẽ sử dụng các hệ thống điều khiển khác nhau giúp máy móc vận hành nhanh hơn, chuẩn xác hơn, giảm sự can thiệp của con người, thậm chí một số quy trình là hoàn toàn tự động Quá trình tự động hóa đang được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau: công nghiệp sản xuất, gia công cơ khí, dây chuyền lắp ráp tự động, ứng dụng kiểm soát chất lượng… Các hệ thống điều khiển thường dùng để vận hành quá trình sản xuất bao gồm servo, PLC, mạch điện tử, G code… Các hệ điều khiển này có thể bao gồm việc điều khiển từ đơn giản đến các thuật toán phức tạp, điều khiển những máy móc đơn giản cho đến những hệ thống công nghiệp lớn

Một trong số thiết bị sản xuất có thể nói đến đó là cánh tay Robot công

nghiệp Cánh tay robot công nghiệp là một thiết bị tự động hóa được ứng

dụng khá phổ biến trong các nhà máy sản xuất công nghiệp hiện nay Cánh tay robot công nghiệp là bước tiến tuyệt vời trong quy trình tự động hóa sản xuất Không chỉ phục vụ quá trình lắp ráp sản phẩm mà còn góp phần xử lý những công việc phức tạp trong sản xuất

Cánh tay Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản

12

phẩm Hơn thế, robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây chuyền Công việc khi lắp ráp đó lại đòi hỏi phải rất cẩn thận, không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần có thợ tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng suốt ngày Khả năng thay thế người lao động ở những khâu lắp ráp ngày càng hiện thực là do đã áp dụng được nhiều thành tựu mới về khoa học trong việc thiết kế, chế tạo robot

Với xu thế phát triển của thời đại cùng những kiến thức quý báu được thầy cô truyền lại sau thời gian học tập tại trường và được sự đồng ý, hướng

dẫn của thầy cô nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu, điều khiển robot đánh bóng MELFA RV 2SQ S80” Với sự cố gắng của các thành viên trong nhóm và sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS TS Hoàng Tiến Dũng, nhóm đã hoành thành tốt đề tài được giao Do kiến thức

còn nhiều thiếu sót và thời gian hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Nhóm rất mong nhận được những lời nhận xét cũng như các ý kiến của quý thầy cô

Nhóm em xin cảm ơn thầy cô, nhà trường đã tạo điều kiện để chúng em được thực hiện đề tài đem lại nhiều kiến thức hữu ích và sẽ có nền tảng cho công việc sau này

13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ROBOT ĐÁNH BÓNG

1.1 Lịch sử thành và phát triển

Định nghĩa về robot công nghiệp

Robot công nghiệp có tên tiếng anh là Industrial Robotics là một loại máy được dùng trong sản xuất công nghiệp Robot công nghiệp là loại tự động, có thể lập trình và có khả năng di chuyển trên hai hoặc nhiều trục Các ứng dụng điển hình của robot bao gồm: cnc, hàn, sơn, lắp ráp, chọn và đặt các linh kiện điện tử lên bảng mạch in, làm bao bì và dán nhãn, pallet, kiểm tra sản phẩm và thử nghiệm.

Hiện nay, Robot hiện đạingày càng được con người nghiên cứu và cải tiến để có thể nâng cao năng suất làm việc và thay thế con người làm các công việc vất vả hoặc vào những nơi nguy hiểm

Dựa theo tiêu chuẩn ta có các định nghĩa Robot công nghiệp như:

• Dựa trên tiêu chuẩn RIA (Mỹ): Industrial Robotics là một hoặc 2 cánh tay vạn năng, chúng được lập trình để có thể thay thế con người làm những công việc khác nhau

• Tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Người Pháp lại định nghĩa Robot ứng dụng trong công nghiệp là một cơ cấu chuyển động được lập trình sẵn thực hiện các công việc có tính tuần hoàn, chúng được làm việc dựa trên hệ trục tọa độ

• Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

14

Lịch sử hình thành và phát triển

George Charles Devol Jr (20 tháng 2 năm 1912 – 11 tháng 8 năm

2011) là một nhà phát minh người Mỹ, nổi tiếng với việc tạo ra Unimate, robot

công nghiệp đầu tiên Phát minh của Devol mang lại cho ông danh hiệu “Ông tổ của người máy”.

Hình 1 1: George Charles Devol Jr (ở giữa) và các cộng sự

National Inventors Hall of Fame cho biết, “Bằng sáng chế của Devol cho cánh tay robot có thể lập trình được vận hành bằng kỹ thuật số đầu tiên đại diện cho nền tảng của ngành công nghiệp robot hiện đại”

Lòng đam mê của chàng thanh niên trẻ Devol

Vào năm 1940, Chàng trai 28 tuổi mang tên Devol đã bắt đầu lưu ý đến việc đưa tự động hóa vào các nhà máy

Vào đầu những năm 1950, Devol đã cấp phép thiết bị ghi từ tính kỹ thuật số của mình cho Remington Rand ở Norwalk, CT, và trở thành người quản lý bộ phận từ tính của họ Tại đây, ông đã làm việc với một nhóm để phát triển hệ thống ghi từ tính của mình cho các ứng dụng dữ liệu kinh doanh

15

Ông cũng làm việc để phát triển hệ thống in tốc độ cao đầu tiên Trong khi hệ thống ghi từ tính tỏ ra quá chậm đối với dữ liệu kinh doanh, phát minh của Devol được tái sử dụng như một điều khiển máy móc mà cuối cùng sẽ trở thành “bộ não” của robot Unimate sau này

Bước ngoặc sự nghiệp

Năm 1954, Ý tưởng về robot công nghiệp được nảy sinh khi Devol đã gặp Joseph Frederick Engelberger, một doanh nhân và người được mệnh danh là “cha đẻ của robot”, và thuyết phục anh ta về tiềm năng của ý tưởng của mình Năm 1956 Devol cùng với Josenph Frederick đã tạo ra loại robot đầu tiên Các robot Unimation đã được gọi là các máy vận chuyển khả lập trình

(programmable transfer machines) vì các robot đầu tiên chủ yếu được sử

dụng để vận chuyển các đối tượng từ điểm này đến diểm khác với khoảng cách không quá lớn Các robot dùng cơ cấu dẫn động thuỷ lực và được lập trình trong toạ độ khớp, nghĩa là giá trị của các biến khớp được lưu giữ trong giai đoạn dạy học và thao tác được lặp lại Chúng có thể đạt độ chính xác 1/10.000 Inch Unimation sau đó đã nhượng quyền công nghệ cho các công ty khác như Kawasaki Heavy Industrics, Guest-Ncttlefolds, chế tạo Unimate ở Nhật và Anh Năm 1960, Devol thành công trong việc sản xuất thử nghiệm robot công nghiệp đầu tiên trên thế giới với tên gọi là Unimate, tổng số tiền đã chi để

nghiên cứu và phát triển con robot đầu tiên là 5 triệu USD

16

Hình 1 2: Robot Unimate, robot công nghiệp đầu tiên được Devol phát triển

Unimate ra đời và đã thu hút được sự chú ý của các nhà sản xuất ô tô

của Hoa kỳ đặc biệt là General Motors, ông lớn trong ngành công nghiệp ô tô vào thời bấy giờ đang muốn tự động hóa nhà máy cùng trong năm, Devol

bán robot Unimate đầu tiên

Năm 1961, Robot Unimate đầu tiên được vận chuyển cho General

Motors GM lần đầu tiên sử dụng máy này để xử lý khuôn đúc và hàn điểm Rô-bốt Unimate đầu tiên được lắp đặt tại Nhà máy Inland Fisher Guide của GM ở Thị trấn Ewing, New Jersey, vào năm 1961 để nhấc các mảnh kim loại nóng ra khỏi máy đúc và xếp chúng thành chồng Ngay sau đó, các công ty như Chrysler, Ford và Fiat nhận thấy sự cần thiết phải mua Unimate với số lượng lớn

17

Hình 1 3: Robot của công ty Unimation, INC

Năm 1966, sau nhiều năm khảo sát thị trường và thử nghiệm thực địa,

việc sản xuất quy mô toàn diện đã bắt đầu ở Connecticut Robot sản xuất đầu tiên của Unimation là robot xử lý vật liệu và ngay sau đó là robot hàn và các ứng dụng khác

Trong thời gian đầu, Unimation gần như chỉ có một đối thủ cạnh tranh là công ty Cincinnati Milaron ở bang Ohio Điều này thay đổi nhanh chóng vào cuối những năm 1970 khi một số tập đoàn lớn của Nhật bất đầu sản xuất các robot công nghiệp tương tự Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý

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 bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến

Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati dưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai) do giáo sư Victor Scheinman phát triển từ robot Stanford Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 45 kg cũng như di chuyển các đối tượng trên dây

18

chuyển lấp ráp 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

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Điều khiển học, Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt, số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có một vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, nhất là trong các dây chuyển sản xuất tự động linh hoạt (FMS: Flexible Manufacturing System)

Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford ngườ ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động diều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác Và thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết

Đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi và công ty Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

Một vài số liệu vẻ số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như sau:

Bảng 1.1: Số lượng robot được sản xuất trên một số quốc gia

tài liệu phổ thông viết về tổng quan qúa trình phát triển này Vì thế ở đây chỉ nêu tóm tất một số liệu minh họa hằng các biểu đồ về tình hình phát triển của

robot công nghiệp

Hình 1 4: Biểu đồ tăng trưởng robot công nghiệp trên các nước

(E): Các nước SNG (F): Các nước khác

Hình 1 5: Biểu đồ về chỉ số sử dụng robot (Số lượng robot trên 1 vạn công nhân)

22

Hình 1 6: Biểu đồ thay đổi đơn giá robot công nghiệp qua các năm

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Ngày nay với nhu cầu của các công ty, doanh nghiệp Robot đã và đang ngày càng trở thành một phần quan trọng trong các quy trình sản xuất và công nghiệp hiện đại Chúng giúp tăng cường hiệu suất, độ chính xác cao, làm việc nhanh chóng, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm

Robot công nghiệp được phân loại dựa trên 3 tiêu chí là số bậc tự do, ứng dụng của nó và phân loại robot dựa theo chủng loại Robot công nghiệp là loại tự động, có thể lập trình và có khả năng di chuyển hai hoặc nhiều trục Một robot công nghiệp điển hình được tạo thành từ các yếu tố chức năng sau:

• Bộ điều khiển: Đây là thành phần cung cấp cho robot bộ nhớ và sức mạnh xử lý cần thiết để hoạt động Bộ điều khiển của robot đóng vai trò là bộ não của toàn bộ hệ thống điều khiển

• Cảm biến: Robot sử dụng cảm biến để thu thập dữ liệu từ môi trường

xung quanh Cảm biến là tai, mắt của robot

23

• Truyền động và nguồn năng lượng: Robot có thể sử dụng truyền động

điện, khí nén, thủy lực hoặc bất kỳ truyền động nào khác để lấy và chuyển đổi năng lượng cần thiết cho hoạt động của nó

• Cánh tay robot: Được thiết kế để bắt chước cánh tay người, cánh tay robot là cấu trúc được tạo thành từ nhiều đoạn được nối với nhau bằng các khớp nối/mối liên kết Các khớp có thể được lập trình để di chuyển theo hướng mong muốn

• Dụng cụ cuối cánh tay (EOAT)/bộ tác động cuối: là thiết bị/bộ truyền động tùy chỉnh được kết nối ở phần cuối của cánh tay rô bốt được sử dụng để thực hiện các hoạt động cụ thể như hàn, xử lý vật liệu, sơn, lắp ráp, v.v Một số robot công nghiệp hỗ trợ hoán đổi của EOAT để cho phép chúng thực hiện các hoạt động khác nhau

❖ Phân loại robot dựa trên số bậc tự do Robot 3 bậc tự do

• Robot 3 bậc tự do có thể chuyển động tịnh tiến theo ba trục X, Y và Z trong tọa độ Đề các và không thể thực hiện chuyển động quay Robot ba bậc tự do có thể tự động hóa các quy trình đơn giản trong đó hướng và vị trí của chi tiết không thay đổi Hầu hết robot ba bậc tự do được sử dụng để nhặt và đặt, vận chuyển chi tiết, và xếp hàng lên pallet

Hình 1 7: Robot 3 bậc tự do hàn thiếc tự động

24

Robot 6 bậc tự do

• Robot 6 bậc tự do là một loại robot có khớp nối và là loại robot phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp Chúng cung cấp tính linh hoạt, sức mạnh và tầm với cần thiết để hoàn thành hầu hết các ứng dụng bao gồm tự động hóa hàn, xử lý vật liệu , loại bỏ vật liệu và sơn Robot sáu bậc tự do có thể di chuyển trong các mặt phẳng X, Y và Z

• Ngoài ra, robot 6 bậc tự do có thể thực hiện các động tác cuộn, cao độ, kẹp Điều này làm cho chuyển động của những robot này tương tự như chuyển động của cánh tay con người, một lý do khiến chúng trở nên lý tưởng để tiếp quản dây chuyền sản xuất

Hình 1 8: Cánh tay robot cộng tác 6 bậc tự do

25

Hình 1 9: Cánh tay robot 6 bậc tự do Mitsubishi

❖ Phân loại robot theo ứng dụng Robot gắp và đặt

• Rô-bốt gắp và đặt cung cấp các giải pháp tự động để nâng các vật thể từ một vị trí và đặt chúng ở các vị trí khác

Hình 1 10: Cánh tay robot xếp hàng trên pallet

26

Robot hàn

• Robot hàn là một loại robot đã được lập trình sẵn giúp người chủ hoàn toàn tự động hóa quá trình hàn cơ khí Tùy vào từng mục đích sử dụng mà thị trường đã cho ra đời nhiều loại robot hàn gia công cơ khí khác nhau về đầu hàn như robot hàn tích, hàn dây, hàn điểm hay hàn Laser

Hình 1 11: Cánh tay robot hàn

Robot sơn

• Robot sơn sử dụng cánh tay với sáu bậc tự do Các bề mặt khó tiếp cận thủ công thông thường có thể dễ dàng tiếp cận hơn bởi các robot sơn Ngoài ra, các bộ phận phức tạp có bề mặt góc cạnh hoặc cong có thể được sơn hoặc phủ bởi robot sơn một cách dễ dàng

Hình 1 13: Cánh tay robot đóng gói sản phẩm

28

Robot gia công

• Robot gia công được triển khai cho các quy trình gia công như một giải pháp thay thế cho các máy phay, tiện và CNC truyền thống hơn Những máy này thường lớn và thiếu tính linh hoạt trong sản xuất khi gia công các chi tiết lớn hoặc có hình dạng không đều Robot gia công giải quyết những vấn đề đau đầu này cho các nhà sản xuất, cho phép các chi tiết linh hoạt và chính xác hơn so với các thiết bị gia công khác

Hình 1 14: Cánh tay robot gia công

➢ Sau khi tham khảo các nguồn tài liệu và được sự tư vấn của thầy PSG TS

Hoàng Tiến Dũng nhóm đã quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế robot đánh bóng”

29

❖ Giới thiệu chung về dòng robot MELFA

Robot Melfa là dòng sản phẩm robot công nghiệp của công ty Mitsubishi Electric, một trong những nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp Được ra mắt vào những năm 1980, dòng sản phẩm Robot Melfa đã trở thành một trong những lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng tự động hóa trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau

Dòng sản phẩm Melfa cung cấp một loạt các robot công nghiệp có khả năng đa dạng, từ các robot SCARA nhỏ gọn đến các robot 6 trục linh hoạt và mạnh mẽ Các robot Melfa được thiết kế để thực hiện nhiều nhiệm vụ tự động hóa như lắp ráp, hàn, kiểm tra chất lượng, đóng gói và nhiều ứng dụng công nghiệp khác

Dưới đây là một số đặc điểm nổi bật về các Robot Melfa:

• Đa dạng về loại hình robot: Melfa cung cấp các loại robot khách nhau như SCARA, 4 bậc tự do, 6 bậc tự do và các dòng sản phẩm đặc biệt phục vụ các ứng dụng cụ thể

• Hiệu suất và độ chính xác cao: Các Robot Melfa được thiết kế để đạt hiệu suất và độ chính xác cao trong các ứng dụng công nghiệp, giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm

• Dễ dàng tích hợp và vận hành: Mitsubishi Electric cung cấp các công cụ phát triển phần mềm và giao diện người dùng dễ dàng tích hợp và vận hành các Robot Melfa trong các hệ thống tự động hóa

• An toàn và linh hoạt: Các Robot Melfa được thiết kế với các tính năng an toàn như các cảm biến an toàn và hệ thống kiểm soát để đảm bảo an toàn cho người và máy móc

30

Hình 1 15: Phân loại các dòng robot melfa

Nhờ vào các tính năng và hiệu suất ưu việt của mình, Robot Melfa đã trở thành lựa chọn phổ biến cho các doanh nghiệp trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao năng suất tự động hóa

❖ Giới thiệu Robot Melfa RV 2SQ S80

Robot Melfa RV 2SQ là một loại robot công nghiệp 6 trục được sản xuất bởi hãng Melfa Robot này được thiết kế cho các ứng dụng lắp ráp, hàn, sơn và kiểm tra chất lượng trong các nhà máy sản xuất

31

Hình 1 16: Cánh tay Robot Melfa RV-2SQ 80

Hình 1 17: Tín hiệu điều khiển của cánh tay robot

32

Ý nghĩa tên model của robot RV 2SQ S80

Hình 1 18: Ý nghĩa tên model của robot RV 2SQ S80

• RV : Loại cấu trúc của robot, ở đây là Vertical Type (Robot đứng) với nhiều loại khớp nối

• 2 : Tải trọng trung bình của robot là 2kg (tải trọng tối đa là 3kg) • SD : Dòng robot

• J để trống : Robot loại 6 trục • B để trống:

• C để trống : Thông số kĩ thuật tiêu chuẩn

Bảng 1.2: Thông số kĩ thuật của Robot Melfa RV 2SQ S80

33

Hệ thống truyền động

Động cơ servo AC (khớp 2,3,5: with brake ? ) Phương pháp

• Sử dụng động cơ servo Panasonic cho hiệu suất và độ bền cao

• Hệ thống điều khiển Melfa iQ-R với giao diện người dùng thân thiện • Khả năng lập trình linh hoạt với ngôn ngữ lập trình Melfa Script

• Tích hợp nhiều chức năng an toàn như cảm biến va chạm, cảm biến giới hạn và cảm biến an toàn tầm nhìn

Có hai cách chính để điều khiển robot Melfa RV 2SQ:

• Điều khiển trực tiếp:

Người vận hành sử dụng tay cầm điều khiển để di chuyển tay cầm robot đến vị trí mong muốn Tay cầm điều khiển có các nút xoay cho phép người vận hành di chuyển robot theo các trục x, y, z và quay

• Điều khiển bằng chương trình:

Điều khiển chương trình là cách phức tạp hơn để điều khiển robot Trong cách này, người vận hành lập trình robot để thực hiện một chuỗi các chuyển động Lập trình robot có tể được thực hiện bằng cách sử dụng ngôn ngữ lập trình Melfa Script Để điều khiển Robot Melfa RV-2SQ bằng ngôn ngữ lập trình Melfa Script, cần kết nối robot với máy tính bằng cáp Ethernet sau đó sử dụng phần mềm lập trình Melfa Script để tạo chương trình cho robot

Melfa Script là một ngôn ngữ lập trình bậc cao dựa trên ngôn ngữ C Nó cung cấp một số tính năng đặc biệt để hỗ trợ lập trình robot như:

+ Các lệnh để di chuyển robot theo các trục x,y,z và quay

35

+ Các lệnh để kiểm soát thiết bị ngoại vi của robot, ví dụ như bộ phận cầm nắm, cảm biến,

+ Các lệnh để xử lý tính huống, ví dụ như va chạm

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

• Mục đích của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và các phương pháp điều khiển thích hợp trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến và xây dựng những giải pháp phần cứng cũng như phần mềm để chế tạo bộ điều khiển cánh tay robot 6 bậc tự do Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, có thể áp dụng vào phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học cũng như ứng dụng sản xuất công nghiệp

• Robot có thể điều khiển hoàn toàn theo ý muốn để xác định phương hướng di chuyển trong không gian

• Tổng hợp các kiến thức, kinh nghiệm đã được học trong suốt quá trình học tập tại nhà trường Để hoàn thành nhiệm vụ học tập tại trường sau hơn bốn năm học và bước đầu tập làm quen với công việc của một kỹ sư tương lai Trên cơ sở nghiên cứu đồ án Cơ điện tử và định hướng đồ

án tốt nghiệp của khoa chúng em nhận được đề tài “Nghiên cứu, thiết kế robot đánh bóng” để làm đồ án tốt nghiệp kết thúc quá trình học tập

tại trường.

1.4 Phương pháp thực hiện

❖ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu về các bài toán, mô hình hóa giúp cho việc tính toán và chọn các trang thiết bị điện và cơ khí

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về các loại động cơ, bộ điều khiển điển hình trong điều khiển một hệ thống robot tự động

- Nghiên cứu lập trình điều khiển robot bằng phần mềm RT ToolBox 3

36

- Tìm hiểu phương pháp xây dựng hệ thống điều khiển và chương trình điều khiển

❖ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Thực hiện chế tạo cơ khí, mạch điện, chương trình điều khiển để kiểm chứng trên mô hình thực

- Mô hình hóa, tính toán thiết kế mô hình cơ khí cho hệ thống đảm bảo độ chính xác và độ cứng cần thiết đáp ứng nhu cầu hệ thống

- Sử dụng phần mềm NX và AutoCAD để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí

1.5 Đặc điểm của robot đánh bóng

Robot đánh bóng dụng cụ là một loại robot công nghiệp được thiết kế để tự động hóa quá trình đánh bóng và làm sạch về mặt các dụng cụ và sản phẩm kim loại Chúng thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không, gia dụng và cơ khí nhằm cải thiện chất lượng bề mặt và tăng hiệu suất sản xuất

Các đặc điểm của robot đánh bóng dụng cụ :

- Chính xác cao: Robot đánh bóng được trang bị các cảm biến và hệ thống điều khiển tiên tiến, giúp đảm bảo quá trình đánh bóng diễn ra chính xác và đồng đều trên toàn bộ bề mặt sản phẩm

- Tự động hóa: Với khả năng hoạt động tự động, các robot này có thể làm việc liên tục mà không cần nghỉ ngơi, tăng năng suất và giảm thiểu lỗi do con người gây ra

- Linh hoạt: Robot đánh bóng có thể được lập trình để xử lý nhiều loại sản phẩm với các hình dạng và kích thước khác nhau, từ các bộ phận nhỏ đến các bề mặt lớn

37

- An toàn: Sử dụng Robot giúp giảm thiểu rủi ro cho công nhân khi làm việc với các công đoạn đánh bóng, đặc biệt là khi xử lý các bề mặt nhọn hoặc sử dụng hóa chất nguy hiểm

Ưu điểm của Robot đánh bóng dụng cụ:

- Tăng năng suất : Nhờ khả năng làm việc liên tục và chính xác, Robot đnash bóng giúp tăng năng suất sản xuất và rút ngắn thời gian hoàn thiện sản phẩm

- Chất lượng sản phẩm cao: Robot giúp đảm bảo chất lượng bề mặt sản phẩm đồng nhất và đẹp mắt, đáp ứng các tiêu chuẩn cao của ngành công nghiệp

- Tiết kiệm chi phí : Mặc dù đầu tư ban đầu có thể cao, nhưng về lâu dài, sử dụng robot đánh bóng giúp giảm chi phí lao động, tăng hiệu quả sử dụng nguyên vật liệu và giảm tối thiêủ lỗi sản phẩm

- Giảm tải công việc nặng nhọc : Robot thay thấy công nhân trong các công việc nặng nhọc và nguy hiểm, giúp bảo vệ sức khỏe và nâng cao an toàn lao động

Phương pháp đánh bóng cơ học là sử dụng hạt mài với vận tốc quay phù hợp để tạo nên độ bóng theo yêu cầu Các hạt mài được sử dụng phổ biến đó là AL2O3, Si02, …Quá trình đánh bóng cơ học được thực hiện từ các hạt mài với kích thước lớn đến các hạt mài kích thước nhỏ hơn Để tạo ra được bề mặt bóng mịn Bước cuối cùng trong đánh bóng cơ học là sử dụng các hạt siêu mịn kết hợp với các loại bánh vải, bánh nỉ để tạo nên độ bóng tiêu chuẩn Nói chung đánh bóng siêu chính xác phải là quy trình cuối cùng trong chuỗi quy trình, sau khi tiện hoặc mài

Trong những thập kỷ qua, những phương pháp đánh bóng đã nhận được nhiều nghiên cứu mạnh mẽ nhằm giải quyết những thách thức gặp phải trong các ứng dụng khác nhau, bao gồm gương kính viễn vọng lớn phức tạp, bình quang in thạch bản, động cơ khí có độ cao lưỡi làm bằng hợp kim titan được thể hiện trong Để đáp ứng được các yêu cầu cao về độ bóng và cũng như các vật liệu bên dạng bề mặt đánh bóng để giải quyết những khó khăn đó một loạt phương pháp đánh bóng ra đời hai phương pháp chính là đánh bóng cơ học và đánh bóng phi cơ học

Hầu hết các sản phẩm sau khi chế tạo sau vẫn còn vẻ thô sơ, thiếu tính thẩm mỹ như các vết xước, độ trong, tính quang học chưa đạt Do đó, quy trình đánh bóng các sản phẩm thấu kính ra đời thực chất chính là mang lại vẻ hoàn hảo cuối cùng trước khi đưa chúng ra thị trường

Nhờ có quy trình này, các sản phẩm được tiêu thụ thường có tính thẩm mỹ cao, bề mặt mịn, sáng và bóng Cũng chính nhờ vậy mà giá thành của các sản phẩm sau khi đánh bóng sẽ cao hơn và có tính cạnh tranh tốt hơn trên thị trường so với những sản phẩm không được đánh bóng

2.2 Phân loại các phương pháp đánh bóng

Đánh bóng hỗ trợ siêu âm là một quá trình tích hợp rung siêu âm và đánh bóng cơ học Trong quá trình đánh bóng có hỗ trợ siêu âm, một chất bùn bao gồm chất mài mòn đánh bóng trong môi trường lỏng như nước khử ion được dẫn lên bề mặt và bị cuốn vào giữa bề mặt và miếng đánh bóng Áp suất giữa miếng đệm và bề mặt được kiểm soát bởi tốc độ quay của vật liệu và miếng đệm Với rung động siêu âm của miếng đánh bóng và đầu, các hạt mài liên tục tác động, cày và làm xước bề mặt với một tần số và biên độ nhất định Các tác động chính trên bề mặt là tác động cứng, thủy lực tác động và hiệu ứng xâm lấn Nó dẫn đến các phản ứng khác nhau ở bề mặt hoặc dưới bề mặt chẳng hạn như dòng chảy và đứt gãy vật liệu bao gồm cả việc loại bỏ vật liệu theo cơ chế để tạo ra bề mặt được đánh bóng

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đánh bóng bao gồm các đặc tính mài mòn như hình dạng mài mòn, lực cắt, tốc độ cắt và các đặc tính vật lý, cơ học và thậm chí cả cấu trúc vi mô của vật liệu bề mặt

41

Hình 2 2: Sơ đồ loại bỏ vật liệu đánh bóng hỗ trợ siêu âm

Hệ thống đánh bóng có hỗ trợ siêu âm bao gồm máy phát siêu âm, đầu dò siêu âm, còi siêu âm và dụng cụ đánh bóng Máy phát siêu âm, thường được gọi là nguồn cung cấp năng lượng siêu âm, chuyển đổi nguồn điện xoay chiều chính thành điện áp kích thích tần số cao cho đầu dò áp điện siêu âm dẫn đến đầu vào tần số cao cho còi siêu âm Chức năng chính của còi siêu âm là khuếch đại biên độ dịch chuyển hoặc vận tốc của đầu dò và tập trung năng lượng ở đầu dụng cụ

Việc áp dụng đánh bóng hỗ trợ siêu âm không bị giới hạn bởi đặc điểm vật chất Trong quá trình bóng, lực cắt của vật liệu mài nhỏ và những thay đổi dưới bề mặt được giảm thiểu bao gồm ứng suất dư trên bề mặt đánh bóng Vì