TẬP bài GIẢNG ROBOT CÔNG NGHIỆP

Nội dung môn học gồm ba phần Các khái niệm bản, tảng học – khí kết cấu robot Điều khiển robot Ứng dụng robot Tài liệu tham khảo: Modernling and control robotic Robotic control Robot hệ thống cơng nghệ robot hố Kỹ thuật robot Robot cơng nghiệp Các lĩnh vực có quan hệ chặt chẽ: Tốn học cao cấp Cơ lí thuyết Cơ học máy Kỹ thuật điều khiển Động học động lực học máy Công nghệ thông tin Chương 1: Các vấn đề robot (3 tiết) 1.1 Các khái niệm phân loại robot: 1.1.1 Robot robotic: Theo tiêu chuẩn AFNOR pháp: Robot cấu chuyển đổi tự động chương trình hố, 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 hố nhằm thực nhiệm vụ cơng 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 hố, thực chu trình cơng nghệ cách chủ động với điều khiển thay chức tương tự người Bên cạnh khái niệm robot cịn 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 cơng nghệ thơng tin Nó sản phẩm đặc thù nghành điện tử (mechatronics) 1.1.2 Robot công nghiệp: Mặc dù lĩnh vực ứng dụng robot rộng ngày mở rộng thêm, song theo thống kê ứng dụng robot sau chúng đựoc sử dụng chủ yếu công nghiệp, nhắc đến robot người ta thường liên tưởng đến robot công nghiệp Lĩnh vực Hàn Phục vụ máy NC hệ thống TĐLH Đúc Lắp ráp Phun phủ Sơn Các ứng dụng khác 1985 1990 35% 20% 10% 10% 10% 5% 10% 5% 25% 5% 35% 5% 15% 10% Robot công nghiệp lĩnh vực riêng robot, có đặc trưng riêng sau: - Là thiết bị vạn đựoc TĐH theo chương trình lập trình lại để đáp ứng cách linh hoạt khéo léo nhiệm vụ khác - Được ứng dụng trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng vận chuyển xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường Do có hai đặc trưng nên robot cơng nghiệp định nghĩa sau: Theo Viện nghiên cứu robot Mĩ đề xuất: RBCN tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình lập trình lại để hoàn thành nâng cao hiệu hoàn thành nhiệm vụ khác công nghiệp, vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng khác Hay theo định nghĩa GHOST 25686 – 85 sau: RBCN tay máy đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có số bậc tự hoạt động thiết bị điều khiển theo chương trình, tái lập trình để hồn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất Trong môn học sâu nghiên cứu robot cơng nghiệp khía cạnh phân tích lựa chọn sử dụng, khai thác… 1.2 Các cấu trúc robot công nghiệp: 1.2.1 Cấu trúc chung: Một RBCN bao gồm phần sau: Tay Máy: (Manipulator) cấu khí gồm khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay(arm) để tạo chuyển động bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên khéo léo, linh hoạt bàn tay (Hand) phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng Hệ thống cảm biến: gồm sensor thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác Các robot cần hệ thống sensor để nhận biết trạng thái thân cấu robot sensor để nhận biết trạng thái môi trường Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho khâu tay máy Nguồn động lực cấu chấp hành động loại: Điện, thuỷ lực, khí nén kết hợp chúng Hệ thống điều khiển: (controller) thường hệ thống điều khiển số có máy tính để giám sát điều khiển hoạt động robot 1.2.2 Kết cấu tay máy: Tay máy phần sở định khả làm việc robot Đó phần khí đảm bảo cho robot khả chuyển động không gian khả làm việc nâng, hạ vật, lắp ráp Tay máy đa dạng nhiều loại khác xa với tay người Tuy nhiên, kỹ thuật robot dùng thuật ngữ quen thuộc để phận tay máy vai (shoulder), Cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hand) khớp (Articulations), Trong thiết kế quan tâm đến thơng số có ảnh hưởng lớn đến khả làm việc robot như: - Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp tay - Tầm với hay vùng làm việc: Kích thước hình dáng vùng mà phần làm việc với tới - Sự khéo léo, khả định vị định hướng phần công tác vùng làm việc Các tay máy có đặc điểm chung kết cấu gồm có khâu, đựơc nối với khớp để hình thành chuỗi động học hở tính từ thân đến phần công tác Các khớp dùng phổ biến khớp trượt khớp quay tuỳ theo số lượng cách bố trí khớp mà tạo tay máy kiểu toạ độ Decac (Cartesian), toạ độ trụ (Cylindrical), toạ độ cầu (Revolute), SCARA, POLAR, kiểu tay người (Anthropomorphic) 7.2.2 Robot hóa tế bào sản xuất • Tế bào sản xuất (manufacturing cell) tổ hợp, gồm thiết bị công nghệ, (các) robot thiết bị phục vụ thiết bị xếp dỡ, định hướng,…Mỗi tế bào sản xuất hoạt động độc lập liên kết với thiết bị hay tế bào sản xuất khác để hình thnàh hệ thống sản xuất (manufacturing system) Tế bào sản xuất có robot phục vụ gọi tế bào sản xuất robot hóa Một tế bào sản xuất tự động hóa điều khiển điều khiển chung (cell controller) • Trên hình 7.7 (a) sơ đồ tế bào sản xuất robot hóa để tiện chi tiết khối lượng đến 40 kg Nó gồm máy tiện CNC kiểu 16K30, phục vụ robot kiểu YM 160 Nó có sơ đồ hình 7.7 (b) Chu trình hoạt động tế bào sau: Robot nhặt phôi bàn quay 3, đặt vào mâm cặp máy tiện thứ để gia cơng đầu Sau đó, chuyển phơi sang máy tiện để gia cơng đầu cịn lại Cuối cùng, chuyển chi tiết vào bàn quay Bàn quay 180o, chuyển chi tiết phía giá chi tiết YM 160 Φ 2.81.02 robot kiểu cổng, dùng để phục vụ đồng thời máy cắt kim loại Tính kỹ thuật bảng sau: Tên thông số Giá trị Tên thông số Giá trị Sức nâng (kg) 10 Tầm vươn lớn (mm) 2300 Số bậc tự Di chuyển (mm) 16000 thẳng x/r/z Truyền động Khí nén Vận tốc thẳng theo x/r/z (m/s) Kiểu điều khiển YΠM331 Số toạ độ lập trình Sai số định vị (mm) ± 0,5 Di chuyển góc ϕ / α 1,2 90/90/90180 Vận tốc góc theoϕ / α (o/s) 0,51/0.51/0 25 Khối lượng (kg) 6500 7.2.3 Robot hóa hệ thống sản xuất • Khác với tế bào sản xuất, nhiệm vụ hệ thống sản xuất hoàn thành hay số sản phẩm hồn chỉnh Vì vậy, hệ thống sản xuất tổ hợp từ tế bào sản xuất thiết bị công nghệ, thiết bị phục vụ đơn lẻ Về tổ chức, người ta phân biệt dạng hệ thống sản xuất: dây chuyền sản xuất công đoạn sản xuất • Dây chuyền sản xuất robot hóa tổ hợp tế bào sản xuất robot hóa, liên kết với thiết bị vận chuyển gồm số thiết bị công nghệ, phục vụ hay số robot thiết bị vận chuyển,…để hồn thành ngun cơng cơng nghệ gia công sản phẩm Dây chuyền tổ chức cách chặt chẽ Về mặt không gian thời gian, thiết bị cơng nghệ xếp theo trình tự công nghệ Về mặt thời gian, nhịp sản xuất ngun cơng (nghĩa thời gian hồn thành nguyên công thiết bị) phải bội số để đảm bảo nhịp chung dây chuyền Đối với sản xuất dây chuyền, phương tiện vận chuyển khơng có nhiệm vụ vận chuyển đơn mà cịn trì nhịp sản xuất Chúng bố trí theo khn dạng dây chuyền tuân theo nguyên tắc định Trên hình 7.10 số sơ đồ bố trí phương tiện vận chuyển dây chuyền sản xuất robot hóa Sự phối hợp cách đồng thiết bị dây chuyền đảm bảo hệ điều khiển chung (global controller) • Thiết bị dây chuyền gồm: thiết bị xếp dỡ 1, 2; thiết bị kiểm tra kích thước phơi 3; giá đựng 4; cầu trục xếp dỡ 5; băng tải 6; robot 7; thiết bị vận chuyển có bàn nâng hạ 8; đường vận chuyển ray 9; thiết bị vận chuyển độc lập 10; tay máy treo 11 • Cơng đoạn sản xuất robot hóa khơng địi hỏi phải tổ chức thiết bị công nghệ cách khắt khe không gian thời gian 7.2.4 Robot sản xuất linh hoạt • Sản xuất linh hoạt xuât phổ biến vào khoảng thập kỷ 80 Nó kết phát triển máy công cụ điều khiển số, RBCN, kỹ thuật điều khiển tự động nhờ máy tính,… Một hệ thống sản xuất linh hoạt (Fexible Manufacturing System - FMS) trước hết phải hệ thống sản xuất tự động hóa khả trình (Programmable Automation System), robot hóa • ĐIểm mấu chốt để phân biệt FMS với hệ thống sản xuất cứng (Fixed Manufacturing System) chỗ FMS có khả thích ứng với thay đổi đối tượng sản xuất mà không cần can thiệp người Sự tích hợp hệ thống thiết bị phần cứng (hệ thống sản xuất linh hoạt, mạng truyền thơng, hệ máy tính thiết bị ngoại vi) phần mềm (hệ điều hành, hệ CSDL, phần mềm chức năng), cho phép thực tự động trọn vẹn giai đoạn trình sản xuất (từ thiết kế, chuẩn bị cơng nghệ, điều khiển sản xuất, giám sát chất lượng, bao gói, thống kê,…) hình thành hệ thống sản xuất tích hợp nhờ máy tính (Computer Integrated Manufacturing-CIM) Theo БOCT 26228-85, FMS định nghĩa sau: • Hệ thống sản xuất linh hoạt tổ hợp hệ thống công nghệ (các máy điều khiển số, thiết bị công nghệ đơn lẻ,…) hệ thống đảm bảo chức làm việc tự động hệ thống, có khả tự điều chỉnh để thích ứng với thay đổi đối tượng sản xuất danh mục • Hệ thống đảm bảo chức gồm có hệ thống tự động hóa thiết kế sản phẩm, chuẩn bị công nghệ, vận chuyển đối tượng, đảm bảo dụng cụ, giám sát chất lượng, thu chuyển phoi, điều khiển • Một FMS dây chuyền sản xuất linh hoạt, công đoạn sản xuất linh hoạt, phân xưởng sản xuất linh hoạt Nó hình thành từ tế bào sản xuất linh hoạt (Fixed Manufacturing Cell - FMC) • • • • • • Ví dụ sau giúp so sánh tổ hợp sản xuất robot hóa thơng thường tổ hợp sản xuất linh hoạt Tế bào sản xuất tự động hóa thơng thường Trên hình 7.11 sơ đồ tế bào sản xuất tự động hóa để hàn đầu nối lên bảng mạch điện tử Các thiết bị hệ thống gồm: 1- điều khiển robot; 2- băng tải nạp bảng mạch; 3- logic khả trình (PLC); 4- chảo quay; 5- điều khiển nhiệt độ; 6- gá hàn; 7- robot; 8- băng tải cho sản phẩm “tốt”; 9- băng tải cho sản phẩm “hỏng”; 10- bàn kiểm tra; 11- máy tính (PC) có card giao diện chương trình điều khiển thiết bị kiểm tra Q trình làm việc tế bào có giai đoạn: Giai đoạn 1: Bảng mạch sở chuyển vào nhờ băng tải Bảng gá đặt cuối băng tải, điều khiển PLC định hướng bảng mạch để robot nhặt Robot chuyển bảng mạch từ băng tải lên bàn gá hàn Các đầu nối chứa chảo quay Cũng nhờ điều khiển PLC 3, đầu nối tách riêng định hướng đầu chảo Robot nhặt đầu nối, đặt vào vị trí quy định bảng sở đặt trước lên bàn gá hàn Mỏ hàn thiếc, có phận ổn nhiệt tự động, hàn đầu nối vào bảng mạch Giai đoạn 2: (sơ đồ logic hình 7.12) Robot chuyển bảng mạch hàn đầu nối từ gá hàn lên bàn thiết bị thử 10 Q trình thử điều khiển máy tính 11 Kết thử (tốt hay hỏng) chuyển đến robot Tuỳ theo kết nhận được, robot chuyển sản phẩm tới băng tải tương ứng Trong trường hợp này, robot không làm nhiệm vụ vận chuyển mà giữ vai trò điều khiển trung tâm Các điều khiển khác không liên hệ trực tiếp với mà qua điều khiển robotot • • • • • • • Tồn chu trình gồm bước: Robot chờ tín hiệu từ PLC, báo bảng mạch sẵn sàng bảng gá băng tải Nếu có tín hiệu robot nhấc bảng mạch lên, báo cho PLC biết đặt bảng mạch lên gá hàn Lặp lại công việc bước 1, với đối tượng đầu nối Nếu điều khiển hàn KHƠNG báo hiệu “nhiệt độ OK” robot chờ cho mỏ hàn đốt nóng Nếu có tín hiệu “nhiệt độ OK” robot tác động lên cấu kẹp máy hàn Nửa giây sau (chờ kẹp xong), robot tác động lên cấu nâng cho mỏ hàn (có thiếc) tiếp xúc với chân đầu nối Chờ giây cho q trình hàn hồn thành, robot điều khiển cấu hạ mỏ hàn, tháo kẹp, chuyển bảng mạch sang thiết bị thử Robot phát tín hiệu, báo cho biết thiết bị thử có bảng mạch chờ kết Robot “đọc” kết thử Nếu “ON” chuyển bảng mạch sang băng tải sản phẩm tốt Nếu “OFF” chuyển sang phía sản phẩm hỏng Robot báo cho thiết bị thử biết bảng mạch lấy • • • • • Tế bào sản xuất linh hoạt Để nhận biết đối tượng gia công tự định giải pháp công nghệ tương ứng, so với tế bào tự động hóa thơng thường vừa mơ tả phần trên, FMC hình 7.13 có thêm phận sau: thiết bị đọc mã vạch để nhận biết đối tượng gia công; điều khiển chung tế bào để phối hợp thiết bị; chảo quay chứa lẫn lộn tất loại đầu nối So với hệ TĐH thông thường, q trình làm việc có đặc điểm sau: Tế bào nhận số bảng mạch khác Các bảng mạch đưa vào từ băng tải cách ngẫu nhiên Thiết bị đọc mã vạch có nhiệm vụ “nhận dạng” loại bảng mạch Nó báo cho điều khiển trung tâm biết mã bảng mạch Bộ điều khiển trung tâm yêu cầu điều khiển khác thực chương trình tương ứng Do đó… Đầu nối chọn xác từ chảo tương ứng để hàn, Mỏ hàn đưa vị trí đầu nối bảng mạch, Máy tính điều khiển trạm thử theo chương trình kiểm tra phù hợp bảng mạch Để FMC nối ghép làm việc FMS, điều khiển tế bào cần nối với điều khiển hệ thống (gọi Plant Controller) Khi đó, loại bảng mạch plant controller định nên khơng cần có thiết bị đọc mã vạch tế bào 7.3 Phương pháp tính kinh tế sử dụng robot cơng nghiệp 7.3.1 Xác định nhu cầu sử dụng robot • Số lượng robot phục vụ cho hệ thống sản xuất phụ thuộc số thiết bị cơng nghệ mà chúng phục vụ Vì vậy, trước hết phải tính số lượng thiết bị cơng nghệ để hồn thành nhiệm vụ sản xuất • Số thiết bị kiểu r tính theo cơng thức: Sr • • • • ∑ = n i =1 Tlc.i N i 60Fo Trong đó: Tlc.i- thời gian để hoàn thành sản phẩm thứ I nhóm thiết bị r (ph) Ni- số lượng sản phẩm thứ I cần hoàn thành năm; n- số loại sản phẩm hồn thành nhóm thiết bị kiểu r; Fo- quỹ thời gian hoạt động nhóm thiết bị thứ r năm (giờ) • Khi tính số lượng robot phục vụ cho nhóm máy, cần tính đến khả phục vụ nhiều loại máy khác Điều kiện để robot phục vụ nhiều loại máy khác Điều kiện để robot phục vụ nhiều máy tương tự kết cấu, tính chất vật lý chi tiết để khơng q nhỏ, ví dụ Với điều kiện đó, số lượng robot cần thiết để phục vụ nhóm thiết bị xác định là: S R= k nm Trong đó: • S- số thiết bị cơng nghệ cần phục vụ; • knm- hệ số phục vụ nhiều máy robot, không nên chọn q 7.3.2 Tính tốn hiệu kinh tế • Hiệu kinh tế việc trang bị robot tính trường hợp đầu tư • Chỉ tiêu kinh tế quan trọng hiệu kinh tế quy đổi: Ko K H = C o − C = (G o + ) − (G + ) Tlc Tlc • • • • • Trong đó: H- hiệu kinh tế hàng năm nhờ trang bị robot; C, Co- chi phí quy đổi sử dụng không sử dụng robot; G, Go- tổng chi phí thường xuyên để sản xuất lượng sản phẩm hàng năm sử dụng không sử dụng robot; K, Ko- đầu tư sử dụng không sử dụng robot; Tlc- thời hạn thu hồi vốn tiêu chuẩn (năm) Việc sử dụng robot có hiệu H > • Chỉ tiêu kinh tế thứ hai thời hạn thu hồi vốn đầu tư Việc xác định xuất phát từ điều kiện, tổng tiết kiệm giảm chi phí sản xuất T năm phải lớn vốn đầu tư thêm trang bị robot: • Từ ta rút điều kiện để trang bị robot là: (G o − G )T ≥ K − K o K − Ko T ≤ Tlc = Go − G ... – khí kết cấu robot Điều khiển robot Ứng dụng robot Tài liệu tham khảo: Modernling and control robotic Robotic control Robot hệ thống công nghệ robot hố Kỹ thuật robot Robot cơng nghiệp Các lĩnh... Động học động lực học máy Công nghệ thông tin Chương 1: Các vấn đề robot (3 tiết) 1.1 Các khái niệm phân loại robot: 1.1.1 Robot robotic: Theo tiêu chuẩn AFNOR pháp: Robot cấu chuyển đổi tự động... mở rộng thêm, song theo thống kê ứng dụng robot sau chúng đựoc sử dụng chủ yếu cơng nghiệp, nhắc đến robot người ta thường liên tưởng đến robot công nghiệp Lĩnh vực Hàn Phục vụ máy NC hệ thống