Ứng dụng robot kuka KR6R700 để phân loại và lắp ráp sản phẩm

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC THIỆN ỨNG DỤNG ROBOT KUKA KR6R700 ĐỂ PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM Chuyên ngành : Kỹ thuật khí Mã số : 60.52.01.03 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Đà Nẵng – Năm 2017 Cơng trình hồn thành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM ĐĂNG PHƢỚC Phản biện 1: PGS.TS LÊ CUNG Phản biện 2: TS NGUYỄN XUÂN HÙNG Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật khí họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 29 tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong nghiệp cơng nghiệp đại hố đất nước, yêu cầu ứng dụng tự động hoá ngày cao vào đời sống sinh hoạt, sản xuất Một khâu dây chuyền sản xuất tự động phân loại lắp ráp sản phẩm Chính nhờ hệ thống mà suất sản xuất tăng lên Tuy nhiên, việc phân loại lắp ráp sản phẩm phụ thuộc nhiều vào kết cấu hệ thống, muốn thay đổi hình thức phân loại dạng lắp ráp khác ta phải thay đổi kết cấu hệ thống Điều dẫn đến hệ thống khơng linh hoạt, khó khăn cho việc thay đổi quy trình cơng nghệ Để khắc phục tình trạng trên, ta cần thiết bị khả lập trình Hành trình thiết bị lập trình lại thay đổi theo hình thức sản xuất Một thiết bị đáp ứng tiêu chí robot cơng nghiệp Hiện nay, phòng thực hành trường ĐH Phạm Văn Đồng trang bị robot bậc tự hãng Kuka Robot đáp ứng tiêu chí cần thiết robot cơng nghiệp loại nhỏ khả lập trình dạy học, ngôn ngữ riêng, khả thu nhận xuất liệu từ điều khiển để giao tiếp với mơi trường bên ngồi…Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng robot hạn chế hạn chế thiết bị phòng thực hành Đề tài nhằm trang bị thêm cho phòng thực hành module phân loại lắp ráp sản phẩm sử dụng robot Kuka, giúp tăng hiệu khai thác sử dụng robot Góp phần nâng cao chất lượng đào tạo lĩnh vực sản xuất tự động trường, Từ lý đó, nhận thấy cần thiết phải tiến hành nghiên cứu ứng dụng robot Kuka KR6R700 phòng thực hành CAD/CAM/CNC trường ĐH Phạm Văn Đồng vào việc phân loại lắp ráp sản phẩm 2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Từ lý phân tích trên, ta thấy việc thực đề tài ứng dụng robot Kuka vào phân loại lắp ráp sản phẩm giúp tăng lực sử dụng robot Kuka phòng thực hành Đồng thời xây dựng mơ hình học tập mơn liên quan đến sản xuất tự động cho sinh viên, nâng cao lực nghiên cứu, tiếp cận kỹ thuật robot sản xuất tự động cho tác giả CẤU TRÖC LUẬN VĂN Chƣơng Tông quan Chƣơng Xây dựng phƣơng trình động học cho robot Kuka KR6R700 Chƣơng Thiết kế hệ thống phân loại lắp ráp sản phẩm Chƣơng Lập trình mơ hệ thống phân loại lắp ráp sản phẩm EasyRob 2.0 Chƣơng Lập trình điều khiển hệ thống phân loại lắp ráp sản phẩm CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG[6] 1.1.1 Lịch sử phát triển tự động hóa trình sản xuất tự động 1.1.2 Các khái niệm tự động hóa 1.1.2.1 Tự động hóa phần 1.1.2.2 Tự động hóa tồn phần 1.1.2.3 Dây chuyền sản xuất 1.1.3 Các dạng tự động hóa (tự động hóa cứng, linh hoạt, lập trình, v v ) 1.1.3.1 Tự động hóa cứng 1.1.3.2 Tự động hóa lập trình 1.1.3.3 Tự động hóa linh hoạt 1.1.4 Hiệu kinh tế tự động hóa 1.2 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CƠNG NGHIỆP [8] 1.2.1 Các khái niệm định nghĩa robot công nghiệp 1.2.2 Kết cấu robot công nghiệp 1.2.2.1 Kết cấu chung 1.2.2.2 Kết cấu tay máy 1.2.3 Phân loại robot công nghiệp 1.2.3.1 Phân loại theo kết cấu 1.2.3.2 Phân loại theo hệ thống truyền động 1.2.3.3 Phân loại theo ứng dụng 1.2.3.4 Phân loại theo cách thức đặc trưng phương pháp điều khiển 1.3 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Trong hệ thống sản xuất linh hoạt trang bị đồng trường Đại học, viện nghiên cứu, việc phân loại lắp ráp sản phẩm sử dụng robot công nghiệp cỡ nhỏ, hoạt động đồng với hệ thống Do đó, muốn thay đổi quy trình lắp ráp sản phẩm lắp ráp khó khăn 1.4 TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẢN XUẤT TẠI PHÕNG THỰC HÀNH CAD/CAM/CNC TRƢỜNG ĐH PHẠM VĂN ĐỒNG Hệ thống sản xuất phòng thực hành CAD/CAM/CNC gồm thiết bị riêng lẻ phục vụ cho công tác đào tạo môn Công nghệ CAD/CAM/CNC, Robot cơng nghiệp, Tự động hóa q trình sản xuất cho sinh viên ngành Kỹ thuật khí trường ĐH Phạm Văn Đồng Các thiết bị gồm: máy tiện CNC hãng Tormach, máy phay CNC trục hãng Tormach, robot công nghiệp hãng Kuka, hệ thống cấp phôi tự động, băng tải có băng tải hai chiều, hệ thống máy khoan tự động Tất thiết bị có nghiên cứu để kết hợp với nhau, kết hợp với hệ thống phân loại lắp ráp sản phẩm đề tài để hoàn thành hệ thống sản xuất tự động 1.4.1 Máy phay CNC hãng Tormach 1.4.2 Hệ thống cấp phôi tự động 1.4.3 Hệ thống máy khoan tự động 1.4.4 Mô tả hoạt động hệ thống sản xuất tự động CHƢƠNG XÂY DỰNG CÁC PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CHO ROBOT KUKA KR6R700 2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT KUKA KR6R700 SIXX 2.1.1 Giới thiệu công nghệ robot hãng Kuka[11] 2.1.2 Tổng quan hệ thống robot[11] 2.1.3 Mô tả tay máy Kuka KR6 2.1.4 Bộ điều khiển KRC4 2.1.5 Bộ điều khiển lập trình dạy học KUKA smartPAD 2.1.5.1 Đặc điểm KUKA smartPAD: 2.1.5.2 Các chức smartPAD 2.1.6 Lập trình robot 2.2 THIẾT LẬP CÁC PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CHO ROBOT KUKA KR6R700 Sixx 2.2.1 Gắn hệ toạ độ Z6   Z5 Y6 X6 d6 Z4 Y5 Y4 X4 X  X Z3  Y Z2 d4 X Y2 Z0 X0 X1Y0  Z1 Y1 a2  Hình Gắn hệ tọa độ lên robot Kuka KR6R700 sixx 2.2.2 Bảng thơng số DH Ta có bảng thơng số DH sau: θi θ1 + 90° θ2* θ3* + 90° θ4* θ5* θ6* Khâu 01 02 03 04 05 06 * αi -90 90 -90 90 a2 0 0 di 0 d4 d6 2.2.3 Phƣơng trình động học Ma trận Ai có dạng: cos -sin cos sin sin acos   sin cos cos -cos sin asin   (2.1) Ai    sin  cos d    0   Thay thơng số DH vào ma trận Ai ta có:  S1  C A1   0  0  S3  C A3   0  0 0 C1 0 S1 1 0  C3   S3  0      C2  S  S C 0 A2   0     0 0 a2C2  a2 S2      C4  S  S C4  A4   0 1 d    1 0 C6  S6 S C A6   6 0  0 C5 S A5   0  0 0 S5 C5 0 0  0  1 0 0  d6   1 Với quy ước viết tắt hàm lượng giác sau: C1 = cos1; S1 = sin1; C2 = cos2; S2 = sin2; C12 = cos(1 + 2); S12 = sin(1 + 2)… Phương trình động học robot là: nx = S1(S23(C4C5C6-S4S6)+C23S5C6)+C1(S4C5C6+C4S6) ny = C1(-C23(C4C5C6-S4S6)-C23S5C6)+S1(S4C5C6+C4S5) nz =C23(C4C5C6-S4S6)+S23S5C6 ox = S1(S23(-C4C5S6-S4C6)-C23S5S6)+C1(-S4C5S6+C4C6) oy = -C1(-C23(-C4C5S6-S4C6)-C23S5S6+S1(-S4C5S6+C4C6) oz =(-C23(C4C5S6+S4C6)+S23S5S6) ax = S1(S23C4S5-C23C5)+C1S4S5 ay = -C1(S23C4S5-C23C5)+S1S4S5 az =-(-C23C4S5-S23C5) px = S1(a2C2+S23C4S5d6-C23(C5d6+d4) py = -C1(a2C2+S23C4S5d6-C23(C5d6+d4) pz=-(a2S2-C23C4S5d6-S23(C5d6+d4) CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM 3.1 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 3.1.1 Tổng quan sản phẩm cần phân loại 3.1.2 Tính tốn thiết kế hệ thống băng tải chiều 3.1.2.1 Tính tốn thơng số bản: Thời gian vận chuyển sản phẩm băng tải là: t 3600 3600   10( s) Z 360 (3.1) Vận tốc băng tải: v a 1500   150(mm / s) t 10 (3.2) Năng suất khối lượng lớn băng tải: Q  m.g.Z  0.5.10.360  1800( N / h) Trọng lượng sản phẩm mét băng tải là: Qvl  m 0,5   0,33(kg / m) a 1.5 (3.3) Khi trọng lượng vải bạt mét băng tải là: 3.1.2.2 Xác định lực cản chuyển động kéo căng băng 3.1.2.3 Chọn động điện 3.1.3 Tính tốn thiết kế hệ thống kho lƣu trữ tạm 3.1.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 3.1.3.2 Cơ sở động học 10 3.1.4.5 Mạch giao tiếp máy tính vi điều khiển 3.1.4.6 Mạch công suất 3.2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE LẮP RÁP SẢN PHẨM 3.2.1 Mơ hình sản phẩm cần lắp ráp Hình Mơ hình sản phẩm cần lắp ráp 3.2.2 Thiết kế module lắp ráp sản phẩm Các phương án lắp ráp sau: - Sử dụng robot để định vị chi tiết màu đỏ theo hướng lắp ráp - Sử dụng robot để lắp sơ chi tiết màu xanh lên chi tiết màu đỏ - Sử dụng cấu định vị tự động để định vị xác chi tiết vào vị trí lắp ráp - Sử dụng cấu để đưa đai ốc đến vị trí lỗ - Sử dụng robot để đưa bulông M10 từ vị trí chứa đến lỗ, định vị xác đến vị trí lỗ - Robot sử dụng cầu vặn vít để siết bulông M10 vào đai ốc 11 - Cơ cấu định vị kẹp chặt tự động nhả để robot lấy sản phẩm 3.2.2.1 Cụm định vị chi tiết Hình 3 Định vị chi tiết 3.2.2.2 Cụm chứa nạp đai ốc đến vị trí lắp ráp Các đai ốc thiết kế để chứa vào ống dẫn, cụm đai ốc nằm phía cụm định vị cho lỗ đai ốc trùng với lỗ chi tiết Các đai ốc đẩy lên xylanh khí nén (1) Tấm kẹp; (2) Giá đỡ; (3) Ống chứa đai ốc; (4) Xylanh khí nén; (5) Đai ốc Hình Bản vẽ chi tiết cụm chứa nạp đai ốc 12 Trên thiết kế cấu phục vụ lắp ráp sản phẩm Cụm cấu kết hợp với robot để thực việc lắp ráp sản phẩm theo u cầu Hình Mơ lắp ráp hệ thống 3.3 HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM Trên sở cụm thiết kế trên, phối hợp với robot hệ thống phụ trợ khác, ta có vẽ tồn hệ thống sau: 13 Hình Hình chiếu trục đo toàn hệ thống 14 CHƢƠNG LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM BẰNG EASYROB 2.0 4.1 SƠ LƢỢC VỀ PHẦN MỀM EASYROB 4.1.1 Giới thiệu sơ lƣợc EasyRob 4.1.2 Tìm hiểu giao diện EasyRob 4.1.2.1 Khởi động chương trình 4.1.2.2 Giao diện làm việc phần mềm 4.1.2.3 Thao tác chuột 4.1.2.4 Xây dựng hệ tọa độ 4.1.2.5 Thiết kế hình dáng robot 4.1.2.6 Lập trình điều khiển robot 4.1.2.7 Một số lệnh thường dùng lập trình 4.2 MƠ PHỎNG ROBOT KUKA KR6R700 sixx Hình 15 Mơ hình robot Kuka EasyRob 15 4.3 MƠ PHỎNG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP Hình 29 Mơ hình tồn hệ thống 4.4 LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG 4.4.1 Lƣu đồ thuật toán hoạt động hệ thống Hệ thống sử dụng robot Kuka, băng tải chuyển sản phẩm (màu đỏ xanh) từ robot đến hệ thống phân loại, kho chứa tạm sử dụng để lưu tạm sản phẩm thời gian chờ lắp ráp (mục đích để giải phóng robot để robot làm nhiệm vụ khác) Thuật toán hoạt động hệ thống sau: 16 Hình 20 Lưu đồ thuật tốn hoạt động hệ thống 4.4.2 Mơ hoạt động phân loại lắp ráp robot Kuka Dưới kết mô hoạt động robot 17 Hình 36 Kết lắp ráp 18 CHƢƠNG LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM 5.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH CHO ROBOT KUKA 5.1.1 Các lệnh di chuyển Hình 5.1 Các dạng di chuyển robot 5.1.2 Các lệnh làm việc với vào/ra 5.1.3 Các lệnh điều khiển 5.1.3.1 Cấu trúc điều khiển IF 5.1.3.2 Cấu trúc Switch 5.1.3.3 Cấu trúc vòng lặp FOR 5.1.3.4 Vòng lặp WHILE 5.1.3.5 Vòng lặp REPEAT 5.1.4 Biến 19 5.2 LẬP TRÌNH SỬ DỤNG ROBOT KUKA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 5.2.1 Ghép nối hệ thống điều khiển KRC4 robot KuKa với hệ thống vi điều khiển nhận biết màu sắc sản phẩm Như trình bày chương 3, hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng cảm biến màu TCS3200 Vi điều khiển sử dụng để xử lý tín hiệu nhận từ TCS3200 để phân biệt màu sắc PIC18F4431 Vi điều khiển PIC18F4431 sử dụng hai chân RB0 RB1 để làm cổng báo cho điều khiển KRC4 robot Kuka biết màu sắc sản phẩm Cụ thể sau: TCS3200 RB0 RB1 KRC4 Màu đỏ $IN[1]=TRUE $IN[2]=FALSE Màu xanh $IN[1]=FALSE $IN[2]=TRUE Khơng có sản 0 $IN[1]=FALSE $IN[2]=FALSE phẩm Hình 5.8 Sơ đồ ghép nối hệ thống phân loại robot 20 5.2.2 Thuật toán điều khiển robot phối hợp với hệ thống phân loại Hình 5.9 Lưu đồ thuật tốn phối hợp robot hệ thống phân loại sản phẩm 21 Chương trình robot phối hợp với hệ thống phân loại sản phẩm để phân loại sản phẩm trình bày phần phụ lục 5.3 LẬP TRÌNH ROBOT KUKA LẮP RÁP SẢN PHẨM 5.3.1 Ghép nối điều khiển thiết bị hệ thống lắp ráp với điều khiển KRC4 robot lắp ráp Như trình bày phần thiết kế chương 2, hệ thống lắp ráp sản phẩm sử dụng xy lanh khí nén để phục vụ lắp ráp Bộ điều khiển KRC4 robot lắp ráp có nhiệm vụ điều khiển van điện từ để điều khiển xylanh khí nén Để điều khiển xylanh này, ta sử dụng cổng KRC4, cổng $OUT[10] $OUT[11] Trong chức tương ứng sau: Cổng Trạng thái Van điện từ Van điệu từ cổng TRUE Đóng X $OUT[10] FALSE Mở X TRUE X Đóng $OUT[11] FALSE X Mở Hình 5.10 Sơ đồ ghép nối hệ thống lắp ráp KRC4 22 5.3.2 Thuật toán điều khiển robot lắp ráp sản phẩm Hình 5.11 Thuật tốn lập trình robot lắp ráp sản phẩm Chương trình lập trình KRC4 ngôn ngữ KRL để robot lắp ráp sản phẩm trình bày phần phụ lục 23 KẾT LUẬN Đề tài hoàn thành việc thiết kế chế tạo hệ thống phân loại lắp ráp sản phẩm sử dụng robot Kuka KR6R700 Trên sở số cụm thiết bị có phòng thực hành CAD/CAM/CNC trường ĐH Phạm Văn Đồng robot, hệ thống cấp phôi tự động, tác giả thiết kế chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm gồm: băng tải chiều, hệ thống cảm biến màu, hệ thống vi điều khiển Để phân loại sản phẩm, tác giả thiết kế chế tạo kho lưu trữ tạm sử dụng cấu Man Cuối cùng, tác giả thiết kế chế tạo cụm lắp ráp sản phẩm Mục đích cụm định vị chi tiết để robot Kuka lắp ráp xác sản phẩm Trên sở phần khí chế tạo, tác giả phối hợp với điều khiển robot để tiến hành lập trình điều khiển hệ thống Tất thiết bị chế tạo hoạt động thử nghiệm thành công trường ĐH Phạm Văn Đồng Tuy vậy, đề tài số hạn chế sử dụng đồng thời robot chưa tối ưu mặt hiệu kinh tế, sản phẩm lắp ráp mơ hình sử dụng để dạy học, chưa thiết kế cho việc lắp ráp sản phẩm thực tế.Tốc độ robot hoạt động thấp (hạn chế có nguyên nhân độ cứng vững mặt chân đế lắp đặt robot, thực tế thực nghiệm, robot hoạt động với 10% tốc độ tối đa) Trên sở nghiên cứu hồn chỉnh, tơi đề nghị hướng nghiên cứu như: - Gia cố chân đế lắp đặt robot để robot hoạt động với tốc độ cao - Thiết kế hệ thống di chuyển robot tự động, phối hợp với tồn hệ thống để sử dụng robot 24 - Phối hợp với máy CNC có xưởng để tự động hóa ln cơng đoạn gia cơng chi tiết (tạo thành hệ CIM) Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Đăng Phước tận tình hướng dẫn, giúp tơi hồn chỉnh luận văn này./ ... KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE LẮP RÁP SẢN PHẨM 3.2.1 Mơ hình sản phẩm cần lắp ráp Hình Mơ hình sản phẩm cần lắp ráp 3.2.2 Thiết kế module lắp ráp sản phẩm Các phương án lắp ráp sau: - Sử dụng robot để. .. thống phân loại sản phẩm để phân loại sản phẩm trình bày phần phụ lục 5.3 LẬP TRÌNH ROBOT KUKA LẮP RÁP SẢN PHẨM 5.3.1 Ghép nối điều khiển thiết bị hệ thống lắp ráp với điều khiển KRC4 robot lắp ráp. .. Trên thiết kế cấu phục vụ lắp ráp sản phẩm Cụm cấu kết hợp với robot để thực việc lắp ráp sản phẩm theo u cầu Hình Mơ lắp ráp hệ thống 3.3 HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM Trên sở cụm thiết