Nghiên cứu, sử dụng cánh tay robot mitsubishi vào đào tạo kỹ sư cơ điện tử, đh nha trang

Cĩ thể nĩi trong lĩnh vực điều khiển và trong cơng nghiệp hiện nay, các cơng việc nặng nhọc, nguy hiểm và địi hỏi độ chính xác cao đều được thay thế bằng các máy mĩc hiện đại, trong đĩ c

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC HÌNH 4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7

LỜI CẢM ƠN 8

LỜI MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT , TAY MÁY CÔNG NGHIỆP 10

1.1 Sơ lược quá trình hình thành và phát triển của robot công nghiệp ………11

1.2 Các thông số và định nghĩa về robot công nghiệp 14

1.2.1 Định nghĩa robot công nghiệp 14

1.2.2 Các thông số cơ bản của cánh tay robot 15

1.2.2.1 Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom) 15

1.2.2.2 Hệ tọa độ(Coordinate frames) 17

1.2.2.3 Trường công tác của robot(Workspace or Range of motion) 18 1.2.2.4 Tải trọng 19

1.2.2.5 Tầm với 20

1.2.2.6 Độ phân giải không gian 20

1.2.2.7 Độ chính xác 20

1.2.2.8 Độ lặp lại 20

1.2.2.9 Độ nhún 20

1.3 Phân loại robot 20

1.3.1 Robot công nghiệp 20

1.3.2 Robot di động (Mobile Robot) 23

1.4 Một số ứng dụng của cánh tay robot trong cuộc sống hiện nay 24

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁNH TAY ROBOT RV-2AJ CỦA MITSUBISHI 29

2.1 Cơ cấu chấp hành của cánh tay robot RV-2AJ 30

2.1.1 Thông số kỹ thuật và cấu tạo chung của cánh tay Robot Mitsubishi

RV-2AJ 30

2.1.2 Thành phần của tay máy 36

2.1.3 Thiết bị điều khiển 39

2.1.4 Đầu vào ra trên Robot 46

2.1.5 Hướng dẫn lập trình bằng bộ Teaching Pendant (T/B) 47

2.2 Ngôn ngữ dùng để lập trình cho cánh tay robot MELFA-BASIC IV 49 2.2.1 Thiết lập các thông số giao tiếp với máy tính 49

2.2.2 Tập lệnh của ngôn ngữ MELFA-BASIC IV 50

2.2.3 Một số lỗi thường gặp khi giao tiếp với cánh tay robot 53

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÁNH TAY ROBOT RV-2AJ VÀ XỬ LÝ ẢNH ĐỂ PHÁT HIỆN VÀ XỬ LÝ SẢN PHẨM LỖI TRONG DÂY CHUYỀN ĐÓNG GÓI SẢN PHẨM 54

3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 55

3.1.1 Cơ bản về Matlab 55

3.1.2 Khởi động Matlab 55

3.1.3 Phép toán với vector và ma trận trong Matlab 56

3.1.4 Matlab guide 58

3.1.4.1 Khởi động giao diện GUI 58

3.1.4.2 Cửa số GUI hiện ra 60

3.1.4.3 Thay đổi thuộc tính điều khiển 61

3.1.5 Cơ bản về ảnh và các hàm xử lý ảnh trong Mtalab 63

3.1.5.1 Các kiểu ảnh trong matlab 63

3.1.5.2 Các hàm xử lý cơ bản trong matlab 66

3.1.6 Phân tích thành phần chính PCA 67

3.1.6.1 Sơ lược về phân tích thành phần chính PCA 67

3.1.6.2 Thuật toán phân tích thành phần chính PCA 67

3.2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 69

3.2.1 Thiết kế băng tải 69

3.2.2 Chọn thiết bị dẫn động và phương pháp truyền động 72

3.2.2.1 Thiết bị dẫn động 72

3.2.2.2 Phương pháp truyền động 73

3.2.3 Cảm biến phát hiện khay đựng sản phẩm 76

3.2.4 Chế tạo các khối sản phẩm và khay đựng sản phẩm 77

3.2.4.1 Chế tạo các khối sản phẩm 77

3.2.4.2 Chế tạo các khay đựng sản phẩm 78

3.2.4.3 Chế tạo các tấm sàn để gá băng tải, làm kho chứa các khối sản phẩm và khay đựng 79

3.3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ TRUYỀN THÔNG 81

3.4 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 86

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG CÁNH TAY ROBOT RV-2AJ ĐỂ KHOAN MẠCH IN (PCB)……… ………88

4.1 Các công đoạn chế tạo mạch in 89

4.1.1 Thiết kế và vẽ mạch in 89

4.1.2 In và ủi mạch lên board đồng 90

4.1.3 Kiểm tra lại và rửa mạch 92

4.1.4 Khoan mạch in, lắp linh kiện, hàn linh kiện và kiểm tra 93

4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình khoan mạch in 102

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 103

5.1 Cánh tay robot dùng XLA phát hiện và xử lý sản phẩm lỗi 104

5.1.1 Thu nhận ảnh vào bằng Matlab 104

5.1.2 Tạo cơ sở dữ liệu các ảnh đầu vào 108

5.1.3 So sánh ảnh và truyền thông 108

5.1.4 Thoát chương trình 108

5.2 Cánh tay robot khoan mạch in 109

5.2.1 Vẽ mạch in dùng để khoan 109

5.2.2 Lắp và cố định mạch in vào sàn gỗ, chọn chương trình khoan 109

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 111

6.1 Kết luận 112

6.2 Đề xuất 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

PHỤC LỤC 1 114

PHỤC LỤC 2 125

PHỤC LỤC 3 131

PHỤC LỤC 4 144

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Điều khiển cánh tay bằng cơ cấu điều khiển từ xa theo kiểu chủ-tớ

Hình 1.2: Biểu diễn không gian của cánh tay máy

Hình 1.3: Robot PUMA 6 bậc tự do

Hình 1.4: B ậc tự do của robot

Hình 1.5: Các tọa độ suy rộng của robot

Hình 1.6: Quy tắc bàn tay phải

Hình 1.7: Biểu diễn trường công tác của robot

Hình 1.8: Robot LR Mate 200iB

Hình 1.9: Robot kiểu toạ độ Đề các

Hình 1.10: Robot kiểu toạ độ trụ

Hình 1.11: Robot kiểu toạ độ cầu Hình 1.12: Robot kiểu Scara

Hình 1.13: Phân loại các loại robot chuyên dùng (Nguồn : Reis Robotics, ABB

Flexible Automation, CMB Automation)

Hình 1.14: Một sản phẩm robot song song (Nguồn : PRSC’s)

Hình 1.15: Mobile robot ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau

Hình 1.16: Cánh tay robot hàn trong công ngh ệ sản xuất cơ khí của hãng ABB

Hình 1.17: Ứng dụng Robot trong các hệ thống sản xuất linh hoạt

Hình 1.18: Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp

Hình 1.19: Robot phẫu thuật (Nguồn Accury, Inc)

Hình 1.20: Các ứng dụng Robot trong các lĩnh vực thám hiểm, quân sự, vệ tinh

Hình 1.21: Cánh tay robot dùng để giảng dạy tại một số trường

Hình 1.22: Một số loại robot giải trí

Hình 2.1: Hình dáng tổng thể của cánh tay robot RV-2AJ

Hình 2.2: Sơ đồ cánh tay robot

Hình 2.3: Cấu trúc bên trong tay máy.

Hình 2.4: S ơ đồ bố trí động cơ các trục

Hình 2.5: Sơ đồ bố trí các ngõ vào/ra trên tay máy

Hình 2.6 : Sơ đồ hệ thống điện và khí nén của cánh tay Robot

Hình 2.7: Cáp máy và kết nối

Hình 2.8: Cấu trúc van solenoid

Hình 2.9: Cấu trúc cáp đầu vào

Hình 2.10: Ống khí nén

Hình 2.11: Bộ điều khiển của cánh tay robot

Hình 2.12: Mặt trước bộ điều khiển CR1-571

Hình 2.13: Mặt sau của bộ điều khiển CR1-57.

Hình 2.14: Mặt trước Bộ điều khiển bằng tay

Hình 2.15: Mặt sau bộ điều khiển bằng tay

Hình 2.16: Module vào ra của cánh tay robot

Hình 2.17: Kết nối T /B với Bộ điều khiển

Hình 3.8: Cấu tạo chung của băng tải

Hình 3.9: Băng tải đai

Hình 3.10: Băng tải con lăn

Hình 3.11: Mô hình băng tải đai được sử dụng

Hình 3.17: Truyền động xích được lắp vào băng tải

Hình 3.18: Cảm biến quang E3JK-DS30MM1 US của OMRON

Hình 3.19: Mô hình băng tải hoàn thiện

Hình 3.20: Khối sản phẩm

Hình 3.21: Khay đựng sản phẩm và các khối sản phẩm

Hình 3.22: Bản vẽ 2D của hai tấm sàn và khay đựng sản phẩm

Hình 3.23: Bố trí tổng thể trên 2 tấm sàn

Hình 3.24: Sơ đồ bố trí trên bàn ROBOT

Hình 3.25: Khối nguồn nuôi

Hình 3.26: Sơ đồ nguyên lý chân của VĐK ATmega32

Hình 3.27: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển từ USB2COM

Hình 3.28: Mạch PL2303 đã thi công

Hình 3.29: Sơ đồ nguyên lý của phần mạch công suất

Hình 3.30: Mạch giao tiếp trung gian chế tạo hoàn thiện

Hình 3.31: Lưu đồ giải thuật của chương trình xử lý SP

Hình 4.1: Một mạch in(PCB)

Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch in được vẽ bằng phần mềm Orcad

Hình 4.3: Mạch in được in ra giấy và board đồng để ủi mạch

Hình 4.4: Dùng bàn là để ủi mạch

Hình 4.5: Mạch sau khi ủi xong được ngâm vào nước

Hình 4.6: Dùng bút tô lại những đường mạch bị đứt

Hình 4.7: Pha thuốc rửa với nước ấm theo liều lượng phù hợp

Hình 4.8: Cho mạch in vào dung dịch thuốc rửa và lắc đều

Hình 4.9: Phần đồng thừa của mạch đã bị ăn mòn hết

Hình 4.10: Mạch in sau khi được lau sạch và tráng nhựa thông

Hình 4.11: Động cơ DC thường dùng để khoan mạch

Hình 4.12: Một số loại khoan bàn có thể dùng để khoan mạch

Hình 4.13: Một loại động cơ khoan mạch chuyên dụng

Hình 4.14: Adapter cung cấp nguồn cho khoan hoạt động

Hình 4.15: Đầu kẹp mũi khoan

Hình 4.16: Các loại mũi khoan thường dùng để khoan

Hình 4.17: Phần vỏ của động cơ đã được “độ” lại

Hình 4.18: Động cơ khoan sau khi gắn vào cánh tay robot

Hình 4.19: Một máy khoan mạch chuyên dụng

Hình 4.20: Mạch in được cố định trên tấm sàn

Hình 4.21: Chương trình điều khiển cánh tay khoan mạch in được nạp vào bộ

điều khiển

Hình 4.22: Thiết lập tốc độ hoạt động cho cánh tay robot

Hình 4.23: Lưu đồ giải thuật chương trình khoan mạch in

Hình 5.1: Các thành phần bên trong Image Acquisition Toolbox

Hình 5.2: Cửa sổ preview

Hình 5.3: Giao diện điều khiển chính

Hình 5.4: Mạch dùng để khoan

Hình 5.5: Cánh tay robot đang khoan mạch

Hình 5.6: Mạch in sau khi khoan xong

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Sản lượng Robot

Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật của cánh tay robot

Bảng 2.2: Bảng thông số kỹ thuật của bộ điều khiển CR1-57

Bảng 2.3 : Các phương thức di chuyển

Bảng 2.4: Bảng cài đặt giao tiếp RS-232C

Bảng 2.5: Những tập lệnh thông dụng của ngôn ngữ MELFA_BASIC IV

Bảng 3.1: Chuyển đổi giữa các kiểu ảnh

Bảng 3.2: Các loại truyền động xích và hình dạng

Bảng 3.3: Ưu nhược điểm của bộ truyền xích

Bảng 5.1: Liệt kê các thông số của thiết bị thu video

LỜI CẢM ƠN

-
-

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới nhà truờng, Khoa cơ khí, Bộ mơn CƠ ĐIỆN TỬ, các thầy cơ đã dạy dỗ và dìu dắt chúng em trong suốt 4 năm học vừa qua để cĩ được những kiến thức đại cương, cơ sở nghành

và mơn chuyên nghành để sau này em cĩ thể vào đời làm việc, sử dụng kiến thức đã được trang bị trong trường để phục vụ cho nhu cầu xã hội

Để thực hiện thành cơng đồ án là sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy trong bộ mơn CƠ ĐIỆN TỬ Và đặc biệt là thầy hướng dẫn, thầy Vũ Thăng Long, người đã hướng dẫn tận tình , giúp em định hướng, gĩp ý và cung cấp ý tưởng cũng như chỉ dẫn tài liệu và các tiến trình thực hiện đồ án Em cũng xin cảm ơn sự đĩng gĩp ý kiến và giúp đỡ của các bạn trong lớp Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn quý thầy cơ, kính chúc quý thầy cơ dồi dào sức khỏe, hạnh phúc và thành cơng trong cơng việc và cuộc sống

LỜI NÓI ĐẦU

-
-

Trong thời đại ngày nay đất nước ta đang phát triển theo xu hướng cơng

nghiệp hố hiện đại hố Mục đích đến năm 2020 đất nước ta trở thành một nước

cơng nghiệp, để đạt được mục tiêu đĩ thì khơng thể thiếu vắng ngành cơng nghệ

cơ điện tử, cơ điện tử là một ngành mà trong đĩ là sự kết hợp giữa cơ khí ,điện

tử, và tin học Và đây dược xem là một ngành của tương lai trong vịng mấy năm

tới

Cĩ thể nĩi trong lĩnh vực điều khiển và trong cơng nghiệp hiện nay, các

cơng việc nặng nhọc, nguy hiểm và địi hỏi độ chính xác cao đều được thay thế

bằng các máy mĩc hiện đại, trong đĩ cánh tay robot cơng nghiệp Việc thay thế

con người bằng các máy mĩc hiện đại khơng những đem lại sự an tồn cho

người lao động mà cịn gĩp phần tăng năng suất lao động, giảm chi phí sản suất

đem lại hiệu quả kinh tế cao

Việc nghiên cứu và tiến tới điều khiển, làm chủ các tay máy cơng nghiệp

cũng như các máy mĩc hiện đại trong thời kỳ cơng nghiệp hĩa hiện, hiện đại hĩa

như hiện nay là rất cần thiết và quan trọng để gĩp phần đưa đất nước phát triển

hịa nhập với khu vực và thế giới Chính vì lý do đĩ, em chọn đề tài: “Nghiên

cứu, sử dụng cánh tay robot Mitsubishi vào đào tạo kỹ sư cơ điện tử - ĐH Nha

Trang” làm đồ án tốt nghiệp cuối khĩa Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến

các thầy cơ trong khoa Cơ khí, bộ mơn cơ điện tử và đặc biệt là Thầy hướng dẫn

Th.S Vũ Thăng Long đã tận tình giúp đỡ em hồn thành thành được đồ án này

Tuy nhiên do thời gian và trình độ cĩ hạn nên sẽ khơng tránh khỏi sai sĩt, kính

mong các thầy cơ và các bạn đĩng gĩp ý kiến để đồ án được hồn thiện hơn Em

xin chân thành cảm ơn

Nha Trang ngày 19 tháng 6 năm 2011

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Quốc Vương

1.1 Sơ lược quá trình hình thành và phát triển của robot công nghiệp

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec(Czech) “Robota” nghĩa là công việc

tạp dịch trong vở nhạc kịch Rossoum‘s Universal Robot của Karel Capek, vào năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai ông ta đã chế tạo ra những cái máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đây là những gợi ý ban đầu cho những nhà sáng chế kỹ thuật thiết kế ra các cơ cấu máy bắt chước hoạt động cơ bắp của con người

Những thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF(American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “Người máy công nghiệp” (Industry Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng giống như tay người được điều khiển tự động để thực hiện các thao tác sản xuất

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày có nguồn gốc từ hai lĩnh vực ra đời sớm hơn đó là cơ cấu điều khiển từ xa 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 nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác, nó gồm có một bộ kẹp

ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ

ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm

Hình 1.1: Điều khiển cánh tay bằng cơ cấu điều khiển từ xa theo kiểu chủ-tớ

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

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 Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967, Thụy Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở ý - 1973

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 Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1967 tại trường đại học tổng hợp Standford(Mỹ) người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ

sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác (mắt – tay) Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool : Công cụ của tương lai) Robot này có thể nâng được vật

có khối lượng đến 40 KG

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

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 chung quanh nó, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực 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 vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại Còn ở Việt Nam, trong giai đoạn trước năm 1990 hầu như trong nước hoàn toàn chưa du nhập về kỹ thuật robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin về lĩnh vực này Giai đoạn tiếp theo từ năm 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt đầu đổi mới Nhiều cơ sở đã nhập ngoại nhiều dây chuyền thiết bị mới Đặc biệt là các cơ sở liên doanh với nước ngoài đã nhập ngoại nhiều loại robot phục

vụ cho các công việc như: tháo lắp các dụng cụ cho các trung tâm gia công và các máy CNC, lắp ráp các linh kiện điện tử, tháo sản phẩm ở các máy ép nhựa tự động, hàn vỏ xe ô tô, phun phủ các bề mặt…

Tháng 4 năm 1998, nhà máy Rorze/Robotech bước vào hoạt động, là nhà máy đầu tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp robot Đó là loại robot có cấu trúc đơn giản nhưng rất chính xác dùng trong sản xuất chất bán dẫn

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

Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng robot lại là Nhật

1.2 Các thông số và định nghĩa về robot công nghiệp

1.2.1 Định nghĩa robot công nghiệp

Tùy mỗi quốc gia, tổ chức và mục đích sử dụng hiện nay có nhiều định nghĩa

về robot công nghiệp, có thể điểm qua một số định nghĩa sau:

Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp):

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 tọa 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 hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Định nghĩa theo RIA (Robot indtitite 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, 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 lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Có thể nói robot công nghiệp là một tay máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau

Robot công nghiệp với khả năng chương trình linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng Robot công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ, hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc,lắp ráp máy…) hoặc phục

vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá…) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy linh hoạt, được gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi.

Hình 1.2: Biểu diễn không gian của cánh tay máy

1.2.2 Các thông số cơ bản của cánh tay robot

1.2.2.1 Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom)

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến).Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do (w) của nó có thể tính theo công thức:

6 1

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không gian 3 chiều robot cần 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do

để định hướng Một số công việc đơn giản như: nâng, hạ, sắp xếp… có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn Các robot hàn, sơn… thường yêu cầu 6 bậc tự do Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hóa quỹ đạo,… người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6

Hình 1.4: B ậc tự do của robot

Xác định được số khớp loại 5 là 5 (4 khớp quay và một khớp tịnh tiến ), do đó n=5 và P5 =5 nên số bậc tự do của robot này: W= 6.5 – 5.5 = 5 bậc

1.2.2.2 Hệ tọa độ(Coordinate frames)

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các biến khớp (joints) tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản (hay hệ tọa độ

chuẩn)

Hình 1.5: Các tọa độ suy rộng của robot

Các hệ tọa độ trung gian gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng Trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay(hình 1.6 ) Các tọa độ suy rộng còn được gọi là các biến khớp

Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu thứ n Như vậy hệ toạ độ cơ bản (Hệ tọa độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu là O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2, ,

On-1, Hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On

Các hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón: cái, trỏ

và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương,chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương chiều của trục y (hình 1.6 )

Hình 1.6: Quy tắc bàn tay phải

1.2.2.3 Trường công tác của robot(Workspace or Range of motion)

Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể Trườngcông tác thường bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp

Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot (hình 1.7)

Hình 1.7: Biểu diễn trường công tác của robot

1.2.2.4 Tải trọng

Là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một số đặc tính nào đó Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng định mức nhiều, nhưng robot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức, vì khi đó robot không đảm bảo được độ

1.2.2.5 Tầm với

Là khoảng cách lớn nhất robot có thể vươn tới trong phạm vi làm việc Tầm với là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc của robot

1.2.2.6 Độ phân giải không gian

Là lượng gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di chuyển trong không gian Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải điều khiển và độ chính xác cơ khí

Độ phân giải điều khiển xác định bởi độ phân giải hệ thống điều khiển vị trí và

hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển của robot

Độ di chuyển của robot là tổng các dịch chuyển thành phần Do đó độ phân giải của cả robot là tổng các độ phân giải của từng khớp robot

Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu truyền động các khớp và khâu phản hồi của

hệ thống điều khiển servo sẽ ảnh hưởng đến độ phân giải Các yếu tố làm giảm

độ chính xác cơ khí như khe hở trong hộp truyền, rò rỉ của hệ thống thủy lực, tải trọng trên tay robot, tốc độ di chuyển, điều kiện bảo dưỡng robot…

1.2.2.7 Độ chính xác

Đánh giá độ chính xác vị trí tay robot có thể đạt được Độ chính xác được định nghĩa theo độ phân giải của cơ cấu chấp hành Độ chính xác di chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ nhất của khớp

1.2.2.8 Độ lặp lại

Đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm trong nhiều lần hoạt động (ví dụ 100 lần) Do một số yếu tố mà robot không thể với tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm với của robot nằm trong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong muốn Bán kính của đường tròn đó là độ lặp lại

Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan trọng hơn độ chính xác Độ chính xác được đánh giá bằng sai số cố định; sai số cố định có thể phán đoán được và có thể hiệu chỉnh bằng chương trình Nhưng sai số ngẫu nhiên sẽ khó có thể khử được

1.2.2.9 Độ nhún

Biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lực hoặc

mômen tác dụng

1.3 Phân loại robot

Robot công nghiệp rất đa dạng và phong phú, có thể phân loại theo các cách sau:

1.3.1 Robot công nghiệp

Thực chất loại Robot này chính là các loại tay máy, các khâu và khớp nối của

chúng được thiết kết liên tiếp nhau để hình thành nên các quĩ đạo chuyển động

nhất định Đối với loại robot này, chúng ta có nhiều cách phân loại khác nhau :

a Phân loại theo kiểu kết cấu

● Robot kiểu toạ độ Đềcác:

Tay máy có 3 chuyển động tịnh

tiến theo 3 phương của hệ tọa độ

Đềcác trong không gian Thường

ứng dụng loại robot này trong việc

vận chuyển phôi liệu, lắp ráp,

hàn trong mặt phẳng… Hình 1.9: Robot kiểu toạ độ Đề các

● Robot kiểu toạ độ trụ:

Vùng làm việc của robot này có dạng

hình trụ rỗng Robot Versatran (hãng

AFM, Hoa Kỳ) là một robot

thuộc loại này

Hình 1.10: Robot kiểu toạ độ trụ

● Robot kiểu toạ độ cầu:

Vùng làm việc của robot có

dạng hình cầu Có hai loại cấu hình chính

thuộc kiểu robot này: 3 khớp quay

● Robot kiểu Scara:

Robot có cấu trúc theo kiểu

Scara ra đời từ năm 1979, tại trường

Hình 1.12: Robot kiểu Scara

b Phân loại theo nguồn truyền động

● Hệ truyền động điện

● Hệ truyền động thuỷ lực

● Hệ truyền động khí nén

c Phân loại theo các ứng dụng

Hình 1.13: Phân loại các loại robot chuyên dùng (Nguồn : Reis Robotics, ABB

Flexible Automation, CMB Automation)

2 Robot song song (Parallel robot):

Các loại Robot thuộc nhóm này có các khâu chuyển động song song tương

đối với nhau Thông thường chúng gồm 1 đế cố định và 1 đế di động

Hình 1.14: Một sản phẩm robot song song (Nguồn : PRSC’s)

Tuỳ thuộc vào số lượng các nhánh của robot song song mà ta có thể phân loại chúng với nhau Một loại robot song song có 6 nhánh được sử dụng rất phổ biến

là Hexapod

1.3.2 Robot di động (Mobile Robot)

Đây là hệ Robot có nhiều tính năng thông minh và linh hoạt trong quá trình

ứng dụng nhờ khả năng di chuyển được theo lập trình

Hình 1.15: Mobile robot ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau

Hệ thống mobile robot là lĩnh vực thật sự hấp dẫn đối với các nhà nghiên cứu cũng như những người quan tâm, không chỉ nhờ những ưu điểm nổi bậc của nó

mà còn ở tính đa dạng trong ứng dụng

Phân tích động học và động lực học mobile robot là những bài toán có

mức độ phức tạp khác nhau, nó tuỳ thuộc vào kết cấu của robot cũng như yêu

cầu về độ chính xác, tính thông minh trong xử lý tình huống…

Ngoài các cách phân loại trên chúng ta còn có cách phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển Hoặc còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đích nghiên cứu

1.4 Một số ứng dụng của cánh tay robot trong cuộc sống hiện nay

Như chúng ta đã biết ngày nay robot nói chung và cánh tay robot nói riêng xuất hiện rất nhiều trong cuộc sống, ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển robot ngày càng chứng tỏ được vai trò quan trọng của nó trong cuộc sống Con người liên tục nghiên cứu phát triển Robot để ứng dụng trong quát trình tự động hoá sản xuất để tăng hiệu quả kinh doanh, thay thế sức lao động của con người Robot còn được sử dụng thay cho con người trong các công việc ở môi trường độc hại, khắc nghiệt như robot lau nhà cao tầng, robot rà phá bom mìn, robot làm việc trong các nhà máy điện hạt nhân nơi mà yếu tố an toàn phải được đặt lên hàng đầu…Ngoài ra robot còn có một đặc điểm quan trong nữa là làm việc cực kỳ chính xác, không biết mệt mỏi, chi phí bão dưỡng rất ít Sau đây chúng ta điểm sơ qua một số ứng dụng của robot cũng như cánh tay robot trong cuộc sống hiện đại hiện nay:

a Ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí:

Trong lĩnh vực cơ khí, robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hoạt động chính xác và tính linh hoạt cao Các loại robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sản xuất ôtô, sản xuất các loại vỏ bọc cơ khí…

Hình 1.16: Cánh tay robot hàn trong công ngh ệ sản xuất cơ khí của hãng ABB

Ngoài ra người ta còn sử dụng robot phục vụ cho các công nghệ đúc, một môi trường nóng bức, bụi bặm và các thao tác luôn đòi hỏi độ tin cậy, hoặc là robot sơn trong các nhà máy sản xuất ô tô, vỏ máy tính, hộp cách điện, lõi dây quấn máy biến áp… công đoạn sơn xũng rất tốn kém, độc hại cần độ chính xác cao Đặc biệt trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), Robot đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất với nhau

Hình 1.17: Ứng dụng Robot trong các hệ thống sản xuất linh hoạt

b Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp:

Các thao tác này thường được tự động hoá bởi các robot được gia công chính xác và mức độ tin cậy cao

Hình 1.18: Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp

c Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất:

Ngày nay, việc sử dụng các tiện ích từ Robot đến các lĩnh vực quân sự, y tế,

…rất được quan tâm Nhờ khả năng hoạt động ổn định và chính xác, Robot đặc

biệt là tay máy được dùng trong kĩ thuật dò tìm, bệ phóng, và trong các ca phẫu

thuật y khoa với độ tin cậy cao

Hình 1.19: Robot phẫu thuật (Nguồn Accury, Inc)

Hình 1.20: Các ứng dụng Robot trong các lĩnh vực thám hiểm, quân sự, vệ tinh

d Ứng dụng trong hệ thống đào tạo giáo dục:

Nhằm để phục vụ việc đào tạo về kỹ thuật robot, tay máy công nghiệp ở các

trường đại học, cao đẵng, trung học chuyên nghiệp, các trường dạy nghề…Giúp

sinh viên tiếp thu nhanh và dễ hình dung hơn về môn học

Hình 1.21: Cánh tay robot dùng để giảng dạy tại một số trường

e Ứng dụng trong vui chơi giải trí:

Mức sống của con người ngày càng được nâng cao nên quan tâm nhiều hơn đến đời sống tinh thần, vui chơi giải trí Và robot phục vụ cho nhu cầu giải trí của con người cũng đã ra đời và đạt được một số thành tích đáng kể như các robot giữ nhà thông minh, robot đá bóng, robot chào khách hàng ….Và mới đây là một thành công đáng ngờ nữa là chế tạo thành công người máy ASIMO của hãng HONDA (Nhật Bản) có thể bước đi và có hình dáng khá giống con người…

(a) (b)

Hình 1.22: Một số loại robot giải trí

(a): Robot chuy ển động bốn chân có thể đá bóng được

(Nguồn : AIBO, SONY, Nhật Bản)

(b): Ng ười máy ASIMO của hãng HONDA

Ngoài ra, tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể khác mà Robot được thiết kế để phục vụ cho các mục đích khác nhau, tận dụng được các ưu điểm lớn của chúng đồng thời thể hiện khả năng công nghệ trong quá trình làm việc

CHƯƠNG 2:

RV-2AJ CỦA MITSUBISHI

Bộ thiết bị Robot MELFA RV-2AJ của hãng Mitsubishi gồm một cánh tay máy-Main Body (hình 2.1 ), bộ điều khiển CR1-571, hộp điều khiển bằng tay – Teaching pendant box(T/B) R28TB, dây cáp và các phụ tùng khác kèm theo

Ngôn ngữ lập trình cho Robot dùng ngôn ngữ MELFA-BASIC IV hoặc MOVEMASTER COMMANDS Sử dụng phần mềm RT ToolBox2 để giao

tiếp Robot với máy tính, lập trình điều khiển và mô phỏng

2.1 Cơ cấu chấp hành của cánh tay robot RV-2AJ

2.1.1 Thông số kỹ thuật và cấu tạo chung của cánh tay Robot Mitsubishi RV-2AJ

Hình 2.1: Hình dáng tổng thể của cánh tay robot RV-2AJ

a Thông số kỹ thuật của cánh tay máy

Tham số Đơn vị Thông số kỹ thuật

Công suất động cơ

của các trục

Trục J1 (trục Waist): 50W (có phanh hãm) Trục J2 (trục Shouder): 50W (có phanh hãm) Trục J3 (trục Pitch): 50W (có phanh hãm) Trục J5 (trục Pitch): 15W (có phanh hãm) Trục J6 (trục Wrist Roll): 15W (không có phanh hãm)

4 tín hiệu ngõ vào (phần bàn tay), 4 tín hiệu ngõ

ra (phần đế), ngõ ra cho tay gấp cơ khí (phần bàn tay)

Bảng 2.1: Bảng thông số kỹ thuật của cánh tay robot

Hình 2.2: Sơ đồ cánh tay robot

b Cấu trúc bên trong của các trục

Hình 2.3: Cấu trúc bên trong tay máy.

c Sơ đồ bố trí động cơ các trục trong cánh tay Robot

Hình 2.4: Sơ đồ bố trí động cơ các trục.

d Các ngõ vào / ra trên cánh tay máy

Hình 2.5: Sơ đồ bố trí các ngõ vào/ra trên tay máy

e Sơ đồ hệ thống điện và khí nén của cánh tay Robot

Trên cánh tay robot có trang bị thêm một hệ thống điều khiển khí nén để dùng

khi cánh tay được trang bị thêm tay kẹp bằng khí nén Tuy nhiên đây chỉ là

module tùy chọn, thông thường thì cánh tay sẽ được trang bị cánh tay kẹp ở khâu

cuối dùng động cơ servo Trong phạm vi đồ án chỉ trình bày về tay kẹp sử dụng

động cơ servo

Hình 2.6 : Sơ đồ hệ thống điện và khí nén của cánh tay Robot

2.1.2 Thành phần của tay máy

a Cáp máy: được thay đổi tùy theo tiêu chuẩn của cáp máy, có đồ phụ tùng để

mở rộng khoảng cách giữa tay máy và bộ điều khiển

Hình 2.7: Cáp máy và kết nối

Đặc điểm kỹ thuật của cáp::

• Bán kính uốn cong tối thiểu: 100 lần bán kính cáp hoặc hơn

• Tốc độ truyền tối đa: 2000 mm/s hay ít hơn

• Thời gian hoạt động: 7,5 triệu lần truyền

• Chống lại tác động của môi trường: vỏ bọc chống tác động của dầu

và các tác nhân gây hại khác

9 Thời gian hồi đáp: 12ms hay nhanh hơn

Đặc điểm kỹ thuật của cuộn Solenoid:

1 Phương pháp hoạt động: gắn liền diode fly – wheel với bảo vệ tràn

2 Điện áp hoạt động: 24VDC ±10%

3 Giá trị dịng điện: 40mA

4 Sự cách ly điện: loại B

5 Điện trở cách điện: 100MΩ hoặc hơn

6 Bảo vệ tràn: dùng diode fly – wheel

C ấu trúc van solenoid:

a5

Hình 2.8: Cấu trúc van solenoid

Khối giảm thanh

c Cáp đầu vào: được dùng để người sử dụng thiết kế cho tay gấp khí nén

Đặc điểm kỹ thuật:

Kích thước x số lõi cáp: 0 mm x 8 lõi .2 2

Tổng chiều dài: 370mm (bao gồm đoạn xoắn 150mm)

Hình 2.9: Cấu trúc cáp đầu vào

d Ống xoắn: dùng cho tay gấp điều khiển bằng khí nén

Đặc điểm kỹ thuật:

Vật liệu: Urethane

Kích thước: đường kính ngoài Ф4 x đường kính trong Ф2,5

Hình 2.10: Ống khí nén

Tuy nhiên đây là một module tùy chọn thêm của cánh tay Robot RV-2AJ nên chúng ta không được trang bị tay kẹp khí nén mà được trang bị tay kẹp bằng motor servo

2.1.3 Thiết bị điều khiển

Thiết bị điều khiển bao gồm bộ điều khiển (Controller box) CR1-571 và hộp điều khiển bằng tay Teachingpendant(T/B) R28TB, sử dụng ngôn ngữ

MOVEMASTER COMMAND và MELFA-BASIC IV để lập trình điều khiển

(b)

Hình 2.11: Bộ điều khiển của cánh tay robot

(a):Bộ điều khiển CR1-571

(b): Bộ điều khiển bằng tay Teaching Pendant(T/B)

robot (CR1-571):

Tham số Đơn vị Thông số kỹ thuật

Vị trí lập trình

Số bước

Điểm Bước

Ngôn ngữ lập trình MOVEMASTER COMMAND MELFA – BASIC IV hay

1 (dành cho thiết bị tay gắp bằng khí nén) Khe cắm mở

rộng

Khe cắm

3 (khi chọn sử dụng hộp mở rộng)

Kích thước bên ngoài mm 212(W) x 290(L) x 151(H) (gồm những vị trí nhô ra)