Bài giảng robot công nghiệp

ROBOT CÔNG NGHIỆP BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ROBOT CÔNG NGHIỆP GIẢNG VIÊN: VŨ ĐÌNH ĐẠT LÊ THỊ MINH TÂM HƯNG YÊN, 10/2015 Page ROBOT CÔNG NGHIỆP TỔNG QUAN VỀ ROBOT.(3 tiết) 1.1.Sơ lược trình phát triển robot - Nhu cầu nâng cao suất chất lượng sản phẩm ngày đòi hỏi ứng dụng rông rãi phương tiện tự đông hoá sản xuất Xu hướng tạo dây chuyền thiết bị tự động có tính linh hoạt cao hình thành Các thiết bị thay dần máy tợ động ‘cứng’ đáp ứngmột việc định thị trường đòi hỏi thay đổi mặt hàng chủng loại, kích cỡ tính vv… Vì ngày tăng nhanh nhu cầu ứng dụng rôbôt để tạo hệ thống sản xuất tự đông linh hoạt - Thuật ngữ ‘rôbôt’ lần xuất năm 1922 tác phẩm ‘Rossum’s Universal Robot’ Karel Capek Theo tiếng Séc robot người làm tạp dịch Trong tác phẩm nhân vật Rossum trai ông tạo máy gần giống người để hầu hạ người - Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng Karel Capek bắt đầu thực Ngay sau chiến tranh giới lần thứ 2, Hoa Kỳ xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa phòng thí nghiệm vâth liệu phóng xạ - Vào cuối năm 50 bên cạnh tay máy chép hình khí đó, xuất loại tay máy chép hình thuỷ lực điện từ, tay máy Minitaur I tay máy Handyman Genaral Electric Năm 1954 George C Devol thiết kế thiết bị có tên ‘Cơ cấu lề dùng để chuyển hàng theo chương trình’ Đến năm 1956 Devol với Joseph F Engelber, kĩ sư trẻ công nghiệp hàng không, tạo loại robot công nghiệp năm 1959 công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 côngty Unimation bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot - Chiếc robot công nghiệp đưa vào ững dụng đầu tiên, năm 1961, nhà máy ô tô General Motors Trenton, New Jersey Hoa Kỳ - Năm 1967 Nhật Bản nhập robot công nghiệp từ công ty AMF Hoa Kỳ Đến năm 1990 có 40 công ty Nhật Bản, có công ty khổng lồ Công ty Hitachi công ty Mitsubishi, đưa thị trường quốc tế nhiều loại robot tiếng - Từ năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính robot ý nhiều đến lắp đặt thêm cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford người ta tạo loại robot lắp ráp tự động điều khiển máy tính sở xử lí thông tin từ cảm biến lực thị giác Vào thời gian Công ty IBM chế tạo loại robot có cảm biến xúc giác cảm biến lực, điều khiển máy tính để lắp ráp máy in gòm 20 cụm chi tiết - Vào giai đoạn nhiều nước khác tiến hành công trình nghiên cứu tương tự, tạo loại robot điều khiển máy vi tính, có lắp đặt thiết bị cảm biến thiết bị giao tiếp người - máy - Một lĩnh vực mà nhiều phòng thí nghiệm quan tâm việc chế tạo robot tự hành Các công trình nghiên cứu tạo robot tự hành theo hướng bắt chước chân người súc vật Các robot chưa có nhiều ứng dụng công nhiệp Tuy nhiên loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng đưa vào hoạt động hệ thống sản xuất tự động linh hoạt - Từ năm 80, vào năm 90, áp dụng rộng rãi tiến kỹ thuật vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng, giá thành giảm rõ rệt, tính có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ robot công nghiệp có vị trí quan trọng day truyền sản xuất đại Page ROBOT CÔNG NGHIỆP Ngày chuyên ngành khoa học robot ‘robotics’ trở thành lĩnh vực rông khoa học, bao gồm vấn đề cấu trúc đọng học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động vv… - Robot công nghiệp hiểu thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước chức lao động công nghiệp người Nói đến thiết bị tự đọng linh hoạt nói đến khả thao tác với nhiều bậc tự do, điều khiển trợ đông lập trình thay đổi Còn nói đến bắt chước chức lao động công nghiệp người có ý nói đến không hạn chế từ chức lao đông chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tuỳ theo loại hình công việc lao đông cần đến chức hay không Đồng thời nói đến mức độ cần thiết bắt chước người hay không 1.2.Những ứng dụng điển hình robot 1.2.1 Ứng dụng công nghiệp - Gắp đặt vật liệu, hàn điểm phun sơn - Phục vụ máy công cụ , làm khuôn công nghiệp đồ nhựa, … 1.2.2 Ứng dụng robot phòng thí nghiệm - Dùng để thực công việc thủ công, thực công việc lập lập lại 1.2.3 Ứng dụng robot thao tác cần khuếch đại lực - Dùng khu vực nguy hiểm (nhiễm xạ…) - Dùng bốc dỡ hàng hóa, vật liệu, phôi có trọng lượng lớn cồng kềnh ngành công nghiệp nặng… 1.2.4 Ứng dụng robot nông nghiệp - Robot cắt lông cừu, mổ xẻ thịt heo…Trong lĩnh vực robot đảm nhiệm công việc mang tính lặp lại, nhiều thao tác đòi hỏi phối hợp tay nghề cao lanh lợi đôi mắt 1.2.5 Ứng dụng robot không gian - Tay máy chế tạo nhằm tăng cường khả bốc dỡ hàng hóa tiếp tế , lắp ghép với trạm không gian khác - Các xe tự hành trang bị tay máy linh hoạt, robot công dụng chung trạm không gian , bảo trì vệ tinh, xây dựng không gian… 1.2.6 Ứng dụng robot tàu lặn - Phát triển tàu lặn không người lái công tác kiểm tra, dò tìm, bảo trì , thám hiểm đáy đại dương 1.2.7 Ứng dụng robot giáo dục - Robot sử dụng làm phương tiện giảng dạy chương trình giáo dục - Robot sử dụng kết hợp với ngôn ngữ LOGO để giảng dạy nhận thức máy tính - Tạo phòng học robot 1.2.8 Ứng dụng robot hỗ trợ người tàn tật - Thông qua xung não để điều khiển tay máy làm thao tác mong muốn, phận thay thể 1.2.9 Ứng dụng robot sinh hoạt giải trí - Các loại đồ chơi trẻ em, robot thong minh sử dụng nhà văn phòng… 1.3.Một số định nghĩa - Viện nghiên cứu Mỹ :Rôbốt tay máy nhiều chức năng, thay đổi chương trình hoạt động, dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy dụng cụ dùng cho công việc đặc biệt thông qua chuyển động khác lập trình nhằm mục đích hoàn thành nhiệm vụ đa dạng - Page ROBOT CÔNG NGHIỆP - - - - - - - Theo Groover: Rôbốt công nghiệp những, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có đặc điểm định tương tự người Theo nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối SEV trước đây: Rôbốt công nghiệp máy hoạt động tự động điều khiển theo chương trình để thực việc thay đổi vị trí đối tượng thao tác khác với mục đích tự động hóa trình sản xuất Theo tiêu chuẩn AFNOR pháp: Robot cấu chuyển đổi tự động chương trình hoá, 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 hoá nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác 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 Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: Robot máy tự động liên kết tay máy cụm điều khiển chương trình hoá, thực chu trình công nghệ cách chủ động với điều khiển thay chức tương tự người Bên cạnh khái niệm robot có khái niệm robotic, khái niệm hiểu sau: 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 công nghệ thông tin Nó sản phẩm đặc thù nghành điện tử (mechatronics) V.v Rôbốt CN thỏa mãn năm yếu tố sau:  Có khả thay đổi chuyển động  Có khả cảm nhận đối tượng thao tác  Có số bậc chuyển động cao  Có khả thích nghi với môi trường hoạt động  Có khả hoạt động tương hỗ với đối tượng bên Đặc điểm:  Có khả thay đổi chuyển động  Có khả xử lý thông tin (biết suy nghĩ)  Có tính vạn  Có đặc điểm người máy 1.4.Phân loại robot 1.4.1 Phân loại robot theo dạng hình học không gian hoạt động - Các khớp sử dụng: Page ROBOT CÔNG NGHIỆP - Miền làm việc: toàn thể tích quét khâu chấp hành cuối robot thực tất chuyển động - Robot tọa độ vuông góc: Có bậc chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc Page ROBOT CÔNG NGHIỆP RECTILINEAR or COORDINATE (X, Y & Z) ROBOT X - Horizontal, left and right motions Y - Vertical, up and down motions Z - Horizontal, forward and backward motions - Robot tọa độ trụ: Có bậc chuyển động gồm CĐ tịnh tiến trục quay CYLINDRICAL ROBOT X - Horizontal rotation of 360°, left and right motions Y - Vertical, up and down motions Z - Horizontal, forward and backward motions Page ROBOT CÔNG NGHIỆP - Robot tọa độ cầu: Có trục tịnh tiến hai trục quay SPHERICAL ROBOT X - Horizontal rotation of 360°, left and right motions Y - Vertical rotation of 270°, up and down motions Z - Horizontal, forward and backward motions - Robot khớp lề: Có trục quay Page ROBOT CÔNG NGHIỆP ARTICULATED ROBOT X - Horizontal rotation of 360°, left and right motions Y - Vertical rotation of 270°, up and down motions Z - Horizontal & vertical rotation of 90° to 180°, forward and backward motions 1.4.2 Phân loại robot theo hệ - Rôbốt hệ thứ nhất: bao gồm dạng robot hoạt động lặp lại theo chu trình không thay đổi, theo chương trình định trước Đặc điểm:  Sử dụng tổ hợp cấu cam với công tắc hành trình  Điều khiển vòng hở  Sử dụng phổ biến công việc gắp – đặt - Robot hệ thứ 2: robot với điều khiển theo chương trình tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với thay đổi môi trường thao tác(được trang bị cảm biến cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi lại hệ thống điều khiển) Đặc điểm:  Điều khiển vòng kín chuyển động tay máy  Có thể lựa chọn CT dựa tín hiệu phản hồi từ cảm biến  Hoạt động Rôbốt lập trình - Robot hệ thứ 3:robot trang bị thuật toán xử lý phản xạ logic thích nghi theo thông tin tác động môi trường lên chúng, trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh điều khiển Đặc điểm:  Có đặc điểm loại  Có khả nhận dạng mức độ thấp - Robot hệ thứ tư: robot sử dụng thuật toán chế điều khiển thích nghi trang bị khả lựa chọn đáp ứng tuân theo mô hình tính toán xác định trước có ứng xử phù hợp với điều kiện môi trường thao tác Đặc điểm:  Có đặc điểm tương tự loại trên, có khả tự động lựa chọn chương trình hoạt động lập trình lại hoạt động dựa tín hiệu thu nhận từ cảm biến  Bộ điều khiển phải có nhớ tương đối lớn - Robot hệ thứ 5: tập hợp robot trí tuệ nhân tạo Đặc điểm:  Được trang bị kĩ thuật trí tuệ nhân tạo để định giải vấn đề nhiệm vụ đặt cho  Được trang bị mạng Neuron có khả tự học  Được trang bị thuật toán dạng Neuron Fuzzy/ Fuzzy Logic để tự suy nghĩ định cho ứng xử 1.4.3 Phân loại robot theo hệ điều khiển - Robot gắp đặt: thường sử dụng nguồn dẫn động khí nén, điều khiển phổ biến điều khiển lạpp trình (PLC) thực điều khiển vòng hở - Robot dẫn đường liên tục: sử dụng điều khiển servo thực điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển liên tục hệ thống robot lập trình theo đường xác 1.4.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động Page ROBOT CÔNG NGHIỆP - - Robot dùng nguồn cấp điện: nguồn DC, AC Robot loại có thiết kế gọn, chạy êm, định vị xác Robot dùng nguồn khí nén: hệ thống cần trang bị máy nén, bình khí động kéo máy nén Robot loại dùng thao tác gắp đặt không cần độ xác cao Robot dùng nguồn thủy lực: sử dụng dầu ép Robot loại dùng ứng dụng có tải trọng lớn Bảng phân loại Rôbốt: Page ROBOT CÔNG NGHIỆP CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG Câu 1: Trình bày ứng dụng điển hình robot? Câu 2:Trình bày định nghĩa robot? Câu 3:Trình bày loại khớp sử dụng kỹ thuật robot(tên, lược đồ, ký hiệu, sơ đồ, bậc tự do)? Câu 4: Trình bày định nghĩa miền làm việc robot?Vẽ lược đồ hình dạng miền làm việc tương ứng robot tọa độ vuông góc, tọa độ trụ, tọa độ cầu robot toàn khớp lề? Page 10 ROBOT CÔNG NGHIỆP - - - - - - - kilowat Do đặc điểm sử dụng robot, chẳng hạn yêu cầu bám sát quỹ đạo thiết kế, định vị xác nên động sử dụng phải đáp ứng tính chất sau:  Quán tính nhỏ tỉ số tiêu hao / trọng lượng cao  Có khả chịu tải xung lực  Có khả gia tốc tốt  Dải tốc độ làm việc rộng từ – 10.000 (v/p)  Độ xác định vị cao (ít 1/1000 vòng tròn)  Có thể làm việc trơn tru vận tốc thấp Động khí nén khó đáp ứng yêu cầu trên, khắc phục tính nén môi chất thể khí Chúng dùng cho chuyển động đóng mở, ví dụ dùng cho tay kẹp chuyển động điểm - điểm Động điện gồm loại chiều, xoay chiều thông dụng, động servo, động servo dùng thông dụng Động servo khác với động thường chỗ điều khiển phản hồi hệ thống điều khiển điện tử có phản hồi, tín hiệu phản hồi lấy từ sensor vận tốc, sensor vị trí giám sát liên tục vị trí tương đối rotor stator, sở sinh tín hiệu điều khiển vận tốc chiều quay rotor Động servo có đặc tính động lực học tốt, kết cấu đơn giản làm việc tin cậy nên ngày ưa dùng Động điện chiều cổ điển không đựơc ưa chuộng có góp điện gây nhiều phiền phức sử dụng, thay loại động điện chiều không cổ góp Động bước có công suất nhỏ, độ xác thấp mạch phản hồi vị trí, đặc tính động lực học phụ thuộc tải trọng, có tượng bỏ bước tải lớn loại động rẻ tiền động servo nên thường dùng cho nơi không đòi hỏi độ xác cao Động thủy lực có đặc tính tương đương với động điện, trực tiếp sinh chuyển động tịnh tiến chuyển động quay Mặc dù động điện động thủy lực tương đương song chúng khác đặc điểm sử dụng: Động điện có ưu điểm sau:  Dễ cung cấp lượng hệ thống điện có khắp nơi;  Giá rẻ, chủng loại phong phú dải công suất rộng;  Hiệu suất biến đổi lượng cao;  Dễ sử dụng chăm sóc;  Không gây ô nhiễm môi trường; Bên cạnh chúng có nhược điểm sau:  Phát nhiệt trạng thái tĩnh tốc độ thấp phải dùng phanh  Cần bảo vệ đặc biệt làm việc môi trường dễ cháy Ngược lại động thủy lực có ưu điểm:  Làm việc tốt trạng thái tĩnh tốc độ thấp mà không phát nhiệt  Tự bôi trơn làm mát tốt nhờ lưu thông chất lỏng làm việc  An toàn môi trường  Có công suất riêng theo trọng lượng cao Page 77 ROBOT CÔNG NGHIỆP - - - - - - - Bên cạnh chúng có nhược điểm sau:  Cần trạm cung cấp thủy lực riêng  Đắt tiền, chủng loại, khó lắp đặt chăm sóc bảo trì  Hiệu suất biến đổi lượng thấp  Dễ gây ô nhiểm môi trường dầu hệ thống dò gỉ vận hành, có dầu thải sửa chữa bảo dưỡng Xét khía cạnh điều khiển vận hành động điện dễ điều khiển thay đổi chế độ làm việc cách linh hoạt Đặc tính động lực động thủy lực phụ thuộc vào nhiệt độ dầu Động điện làm việc tốt tốc độ cao tải trọng nhỏ nên thường phải dùng truyền động khí trung gian Ngược lại động thủy lực làm việc tốt tốc độ thấp tải trọng lớn nên thường truyền động trực tiếp Khuyếch đại công suất: Khuyếch đại công suất có chức biến đổi trạng thái lượng nguồn cung cấp cho phù hợp với yêu cầu động Công suất cung cấp tỉ lệ với tín hiệu điều khiển pc thường lớn công suất điều khiển nên biến đổi có tên bộu khuếch đại công suất Một phận công suất vào, gồm pc pp, sau biến đổi cung cấp cho động (pa) Phần khác (pda) bị tổn thất thân biến đổi Đối với động điện, biến đổi thường phải biến đổi điện dạng xoay chiều thông dụng, thí dụ 230/380 V – 50 Hz thành điện chiều (cho động điện chiều) thành điện xoay chiều với điện áp tần số thích hợp (cho động xoay chiều) Các biến đổi dùng cho động điện chiều gọi AC to DC converter chopper Động thủy lực thường điều khiển cách thay đổi lưu lượng chất lỏng cung cấp cho Cơ cấu điều khiển thường van tiết lưu, cho phép thay đổi lưu lượng theo tín hiệu điện Nguồn cung cấp chính: Nhiệm vụ nguồn cung cấp cung cấp lượng tới đầu vào biến đổi Nếu điện nguồn cung cấp thường biến áp Nếu dùng dòng điện chiều phải có chỉnh lưu Nguồn cung cấp cho động thủy lực trạm bơm loại, bơm bánh răng, bơm cánh gạt, bơm piston…Truyền động cho chúng động sơ cấp, thường động điện xoay chiều không đồng Ngoài hệ thống cung cấp có bể chứa, lọc, van an tòan, van tràn…giúp cho hệ thống làm việc ổn định, an toàn Vai trò chúng giống tụ điện phẳng kiểu lọc khác hệ thống Điều khiển động secvô Vì động điện động thủy lực dùng nhiều kĩ thuật robot, phần giới thiệu sâu mô hình toán học sơ đồ điều khiển chúng 4.4.2.1.Điều khiển động điện: - Các loại động điện phổ biến bao gồm động điện xoay chiều có cổ góp, động điện xoay chiều đồng không đồng Các động điện dùng điều khiển tự động cần 4.4.2 Page 78 ROBOT CÔNG NGHIỆP - ó tính chất đặc biệt, dễ điều khiển, quán tính nhỏ, làm việc ổn định tốc độ thấp trạng thái tĩnh Tuy có khác kết cấu nguyên lí làm việc, động điện chiều động servo mô hình hóa giống Thông qua biến phức s, cân điện phần ứng mô tả phương trình: Va  ( Ra  sLa ) I a  Vg - Trong đó:  Va , Ra , La, I a điện áp, điện trở, điện kháng dòng điện phần ứng  Vg sức điện động phần ứng, tỷ lệ với vận tốc góc rotor: Vg  k v  Hệ số kv thể quan hệ vận tốc góc rotor với sức điện động Nó phụ thuộc kết cấu động tính chất điện từ phần cảm  Tương tự phương trình cân học động có dạng: Cm  ( sI m  Fm )  C Cm  kl I a -  Trong đó: Cm Cr momen chủ động momen phản lực, Im Fm momen quán tính hệ số cản nhớt trục động Hệ số tỷ lệ kl biểu diễn quan hệ momen động dòng điện phần ứng Trong hệ đơn vị SI, giá trị kv Đối với phận khuếch đại công suất, quan hệ điện áp vào Vc điện áp phần ứng Va hàm truyền Va Gv  Vc l  sTv - Trong đó: Gv hệ số điện áp - Tv số thời gian Giá trị Tv nhỏ so với số thời gian khác hệ thống nên bỏ qua Ví dụ dùng biến tần khoảng () kHz giá trị Tv nằm khoảng () giây Bên cạnh khối thể quan hệ nói trên, có yếu tố sau:  Vòng phản hồi dòng điện phần ứng thông qua biến đổi ki cuộn dây phần ứng khuếch đại công suất  Khối hiệu chỉnh dòng điện Ci(s) có đặc tính phi tuyến trạng thái bão hòa Vòng phản hồi dùng với mục đích Một mặt, điện áp V’c đóng vai trò điện áp chuẩn Nếu chọn Ci(s) thích hợp độ trễ Ia so với V’c nhỏ độ trễ Ia Vc Mặt khác, tính phi tuyến trạng thái bão hòa cho phép hạn chế tăng V’c Nó có tác dụng hạn chế dòng điện, bảo vệ khối khuếch đại công suất Từ sơ đồ trên, cách chọn Ci(s), nhận hệ điều khiển vận tốc hệ điều khiển momen Nếu ki = 0, hệ số cản nhớt nhỏ so với hệ số hãm điện năng, nghĩa (Fm