Bài giảng mang tính công nghệ được biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy môn học: “Rô bốt công nghiệp” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ tự động. Nội dung của tập bài giảng gồm ba chương như sau: Tổng quan về Rôbốt công nghiệp; Điều khiển rôbốt công nghiệp; Các cơ cấu & trang bị trên rôbốt công nghiệp.
LỜI NĨI ĐẦU Cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước mục tiêu hàng đầu công xây dựng phát triển nước ta, "Đến năm 2020 đất nước ta phải trở thành nước công nghiệp" Rô bốt thành phần chủ chốt tự động hóa cơng nghiệp Yếu tố định cho việc sử dụng Rô bốt sản xuất công nghiệp cách phổ biến tính linh hoạt vận hành, hoạt động tinh vi, nhanh chuẩn xác, có khả thay người làm việc mơi trường độc hại khơng an tồn Việc ứng dụng Rô bốt công nghiệp vào sản xuất thực cần thiết làm thay đổi cục diện nhà máy bắt kịp phát triển chung giới Trong năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ tự động tự động hóa vào sản xuất nhu cầu bắt buộc tối thiểu Việc biên soạn giáo trình giảng dạy mơn học “Rơ bốt cơng nghiệp” trường đại học mang tính hàn lâm nhiều tính cơng nghệ Chính lẽ mà giáo trình biên soạn khó phù hợp với đội ngũ giáo viên dạy nghề Qua nhiều năm nghiên cứu giảng dạy, tham khảo tài liệu liên quan tham gia nghiên cứu nhà máy biên soạn giảng “Rô bốt công nghiệp” Bài giảng nhằm mục đích phục vụ cho học tập nghiên cứu học sinh – sinh viên khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Bài giảng mang tính cơng nghệ biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy mơn học: “Rô bốt công nghiệp” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ tự động Nội dung tập giảng gồm ba chương sau: Chương 1: Tổng quan Rô bốt công nghiệp Chương 2: Điều khiển rôbốt công nghiệp Chương 3: Các cấu & trang bị rôbốt công nghiệp Bài giảng trình bày rõ dàng ngắn gọn dễ hiểu Nội dung phần thể rõ gắn liền lý thuyết với thực tế sản xuất đại ngày Cuối chương có câu hỏi tập kèm theo để sinh viên dễ dàng củng cố nội dung kiến thức có khả áp dụng trực tiếp vào trình sản xuất -1- Để có tập giảng “Rơ bốt cơng nghiệp” xin cảm ơn giúp đỡ trung tâm thực hành, thầy cô giảng dạy phần rơ bốt hàn thuộc khoa Cơ khí Chúng tơi xin cảm ơn quan tâm tạo điều kiện Ban Giám hiệu, hội đồng khoa học cấp, phòng ban chức trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Bài giảng biên soạn lần đầu hẳn không tránh khỏi khiếm khuyết mong nhận ý kiến góp ý thầy cô giáo em sinh viên Mọi ý kiến góp ý xin gửi mơn Kỹ thuật điều khiển - Khoa Điện -Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Trân trọng./ Nam định, tháng 10 năm 2013 Các tác giả -2- CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT CÔNG 1.1 Sơ lượt q trình phát triển Rơ bốt cơng nghiệp (IR) : Trên giới Thuật ngữ "Rô bốt" xuất phát từ tiếng Sec (Czech) "Rơbốta" có nghĩa cơng việc tạp dịch (trong kịch Rossum's Universal Rô bốt Karel Capek, vào năm 1921) Trong kịch này, Rossum trai ông ta chế tạo máy gần giống với người để phục vụ người Có lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật cấu, máy móc bắt chước hoạt động bắp người Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo loại máy tự động vạn gọi "Người máy công nghiệp" (Industrial Rô bốt - IR) Ngày người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay Rô bốt công nghiệp) cho loại thiết bị có dáng dấp vài chức tay người điều khiển tự động để thực số thao tác sản xuất Về mặt kỹ thuật, Rơ bốt cơng nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool) Các cấu điều khiển từ xa (hay thiết bị kiểu chủ-tớ) phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ Người thao tác tách biệt khỏi khu vực phóng xạ tường có vài cửa quan sát để nhìn thấy cơng việc bên Các cấu điều khiển từ xa thay cho cánh tay người thao tác; gồm có kẹp bên (tớ) hai tay cầm bên (chủ) Cả hai, tay cầm kẹp, nối với cấu sáu bậc tự để tạo vị trí hướng tuỳ ý tay cầm kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển kẹp theo chuyển động tay cầm Vào khoảng năm 1949, máy công cụ điều khiển số đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công chi tiết ngành chế tạo máy bay Những Rô bốt thực chất nối kết khâu khí cấu điều khiển từ xa với khả lập trình máy công cụ điều khiển số Dưới điểm qua số thời điểm lịch sử phát triển người máy công nghiệp Một Rô bốt công nghiệp chế tạo Rô -3- bốt Versatran công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian Mỹ xuất loại Rô bốt Unimate -1900 dùng kỹ nghệ ôtô Tiếp theo Mỹ, nước khác bắt đầu sản xuất Rô bốt công nghiệp : Anh -1967, Thuỵ Điển Nhật -1968 theo quyền Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ý - 1973 Tính làm việc Rô bốt ngày nâng cao, khả nhận biết xử lý Năm 1967 trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) chế tạo mẫu Rô bốt hoạt động theo mơ hình "mắt-tay", có khả nhận biết định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa loại Rơ bốt điều khiển máy vi tính, gọi Rô bốt T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ tương lai) Rơ bốt nâng vật có khối lượng đến 40kg Có thể nói, Rơ bốt tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa với mức độ "tri thức" ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chương trình số kỹ thuật chế tạo cảm biến, công nghệ lập trình phát triển trí khơn nhân tạo, hệ chuyên gia Trong năm sau này, việc nâng cao tính hoạt động Rơ bốt khơng ngừng phát triển Các Rô bốt trang bị thêm loại cảm biến khác để nhận biết môi trường chung quanh, với thành tựu to lớn lĩnh vực Tin học - Điện tử tạo hệ Rơ bốt với nhiều tính đăc biệt, số lượng Rô bốt ngày gia tăng, giá thành ngày giảm Nhờ vậy, Rô bốt công nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất đại Một vài số liệu số lượng Rô bốt sản xuất vài nước công nghiệp phát triển bảng 1.1 sau : Bảng 1.1 số liệu số lượng Rô bốt sản xuất vài nước công nghiệp Nước sản xuất Nhật Mỹ Đức ý Pháp Anh Hàn quốc Năm 1990 60.118 4.327 Năm 1994 29.756 7.634 5.845 5.125 1.488 1.197 2.500 510 1.000 -4- 2.408 1.086 1.200 Năm 1998 67.000 11.100 8.600 4.000 2.000 1.500 Mỹ nước phát minh Rô bốt, nước phát triển cao lĩnh vực nghiên cứu chế tạo sử dụng Rô bốt lại Nhật Ở Việt Nam Nghiên cứu phát triển rơ bốt Việt Nam có bước tiến đáng kể 25 năm qua Vào giai đoạn 1985-1990, chương trình nghiên cứu quốc gia tự động hóa có đề tài nghiên cứu chế tạo rô bốt Trung tâm Tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì Các rô bốt chế tạo thời gian số loại tay máy điều khiển khí nén cồng kềnh chưa có phần điều khiển điện tử Thiết kế rô bốt nặng thiết kế khí, chi tiết máy Các chuyển động khớp chưa có vịng điều khiển servo mà chủ yếu dùng cơng tắc hành trình Tuy khơng có khả ứng dụng rô bốt dấy lên hướng đào tạo rô bốt Đại học Bách khoa Hà Nội trường đại học khác tồn quốc chưa có khái niệm môn học rô bốt khoa khí lẫn khoa điện Các rơ bốt thiết kế chế tạo Việt Nam thực có nhiều khởi sắc từ khoảng 15 năm Lúc công nghệ vi xử lý, PLC, DSP, SOC thâm nhập sâu vào trường đại học cộng đồng công nghệ Việt Nam nên nhiều ý tưởng đề tài nghiên cứu đề xuất triển khai Nhiều đơn vị toàn quốc thực nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng rơ bốt Trung tâm Tự động hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội tiếp tục phát triển rô bốt điều khiển máy PC vi xử lý, cho đời rô bốt SCA mini, loại rô bốt lắp ráp, phục vụ tốt cho công tác đào tạo số rô bốt di động điều khiển từ xa người Đại học Bách khoa Tp.HCM phát triển rô bốt hàn, rô bốt lấy sản phẩm phôi chai nhựa PET, rô bốt phục vụ quay TV, số mẫu rô bốt song song hexapode phục vụ cho đào tạo Viện Khoa học Công nghệ Quân nghiên cứu chế tạo rô bốt sơn xe quân giới, rô bốt phục vụ chế tạo thuốc súng, rơ bốt di động gắp mìn điều khiển từ xa, máy bay không người lái… Học viện Kỹ thuật Quân thiết kế chế tạo rô bốt lặn nước điều khiển từ xa qua dây dẫn phục vụ khảo sát cơng trình nước, rơ bốt exoskeleton trợ giúp mang vác cho người Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam thiết kế chế tạo rơ bốt Hexapode phục vụ gia cơng xác Viện CNTT triển khai nghiên cứu tích hợp hệ rơ bốt-camera phân loại sản phẩm, hệ rô bốt bậc tự Pan-Tilt-Camera theo dõi bám mục tiêu di động, rơ bốt di động phục vụ tự động hóa kho hàng Gần đây, chương trình nghiên cứu cấp quốc gia lĩnh vực TĐH giai đoạn 2006-2010 có nhiều đề tài nghiệm thu thiết kế chế tạo rơ bốt, Đại học Bách khoa Hà Nội chế tạo rô bốt hàn vỏ tàu thủy, Viện TĐH Viện Kỹ thuật Quân chế tạo rô bốt phun hạt nix cọ rửa tàu, Tp HCM chế tạo máy gia công 3D sử dụng rô bốt song song Hexapode có độ -5- xác cao hệ thống tự động xếp cấp vật tư kho gồm rô bốt di động chạy ray Đại học Quốc gia Hà Nội tiến hành nghiên cứu phát triển hệ điều khiển rô bốt di động qua truyền thông không dây Internet… Doanh nghiệp thiết kế chế tạo rơ bốt Việt Nam có nhiều sản phẩm quảng cáo ấn tượng trường quốc tế, phải kể đến Cơng ty Cổ phần Rơ bốt TOSY TOSY gây thương hiệu rô bốt dáng người đánh bóng bàn TOPIO Ping Pong trình diễn Hội chợ quốc tế Rô bốt IREX 2009 Nhật Bản năm 2009 Gần Hội chợ quốc tế Tự động hoá 2010 Đức, TOSY giới thiệu rô bốt dịch vụ 23 bậc tự TOPIO Dio sản phẩm rô bốt công nghiệp với giá thành 1/5 rô bốt tương đương giới Ngồi ra, sản phẩm rơ bốt đồ chơi TOSY UFO xuất nhiều thị trường giới Phải nói lĩnh vực chế tạo rơ bốt Việt Nam có nhiều khởi sắc thực tế rơ bốt Việt Nam thiết kế chế tạo đưa vào ứng dụng Nghiên cứu rô bốt: Song song với chế tạo rơ bốt cơng trình nghiên cứu khoa học rô bốt công bố nhà khoa học Việt Nam đa dạng theo sát hướng nghiên cứu giới Các nghiên cứu rô bốt Việt Nam liên quan nhiều đến vấn đề động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cấu chấp hành, điều khiển phát triển trí thơng minh cho rơ bốt Các nghiên cứu động học động lực học rô bốt khoa khí, chế tạo máy trường đại học viện nghiên cứu học, chế tạo máy, quan tâm dân qn Ngồi việc tìm phương pháp giải toán liên quan đến học loại rơ bốt nối tiếp, song song, di động, chương trình mơ kết cấu chuyển động 3D áp dụng phát triển để minh họa phục vụ cho phân tích, thiết kế rơ bốt Các công bố liên quan học rô bốt thường Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam, Khoa Cơ khí Chế tạo máy thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội Đại học Bách khoa Tp.HCM, môn rô bốt Cơ điện tử trường Đại học khác công bố Lĩnh vực điều khiển rô bốt phong phú từ phương pháp điều khiển truyền thống PID, phương pháp tính mơ men, phương pháp điều khiển trượt đến phương pháp điều khiển thông minh điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen phương pháp điều khiển tự thích nghi, phương pháp học cho rô bốt, hệ visual servoing… Các công bố điều khiển rô bốt cho rô bốt công nghiệp, hexapod, rơ bốt di động phải kể đến cơng trình Viện CNTT Viện KH&CN Việt Nam, Đại học Bách khoa Tp.HCM Đại học Bách khoa Hà Nội Gần đây, đội ngũ nghiên cứu giảng dạy Đại học Quốc gia Hà Nội Học viện Kỹ thuật Qn có nhiều cơng bố liên quan đến -6- lĩnh vực điều khiển rô bốt đội ngũ giáo viên trẻ tốt nghiệp tiến sỹ nước tiếp tục nghiên cứu Lĩnh vực rô bốt di động với nhiều cảm biến dẫn đường camera nhiều đơn vị nước quan tâm nghiên cứu Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa cảm biến, định vị lập đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động tránh vật cản cho rô bốt di động có nhiều cơng bố Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc năm 2002, 2004, 2006, 2008 2010 Các nghiên cứu thị giác rô bốt quan tâm rô bốt công nghiệp rô bốt di động, lĩnh vực nhận dạng điều khiển rơ bốt sở thơng tin hình ảnh Các vấn đề xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng tổng hợp tiếng nói tiếng Việt bắt đầu ý cho lọai rô bốt dịch vụ Các nghiên cứu rô bốt Việt Nam công bố nhiều hội nghị tạp chí quốc tế Việc phối hợp với nước Nhật, Mỹ, Singapore, Đức tổ chức hội nghị quốc tế Việt Nam liên quan đến rô bốt RESCCE’98, RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM 2009 chuỗi hoạt động khoa học liên tục cộng đồng rơ bốtics Việt Nam hịa nhập vào hoạt động nghiên cứu khoa học với nước khu vực tiên tiến giới Mặc dù có nhiều loại rơ bốt Nhà nước hỗ trợ cho nghiên cứu chế tạo qua đề tài nghiên cứu cấp suốt 25 năm qua rơ bốt ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Nhiều nhóm nghiên cứu phát triển rơ bốt hình thành trường đại học, viện nghiên cứu miền đất nước chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu đào tạo Ứng dụng mạnh mẽ rô bốt sản xuất có hiệu dây chuyền sản xuất có nhu cầu tự động hóa hóa cao sản xuất Việt Nam giai đoạn công nghiệp hóa sử dụng lao động thủ cơng với giá nhân công rẻ Mặc dù nghiên cứu phát triển rô bốt Việt Nam phát triển mạnh đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực công nghệ cao thiếu cho trình phát triển đất nước Ưu điểm Rô bốt Rô bốt làm việc liên tục thời gian dài, chúng ngừng hoạt động cần tu, bảo dưỡng, thay Rơ bốt có khả làm việc môi trường độc hại, khu vực nguy hiểm, nơi người đến Với chương trình đặt trước, Rơ bốt có khả làm việc với hiệu suất cao người, tiết kiệm nguyên vật liệu, độ xác làm việc cao -7- Giá thành chi phí lắp đặt, chế tạo Rơ bốt ngày thấp tiến khoa học kỹ thuật Khi thay đổi cơng việc, lập trình lại cho Rơ bốt nhanh chi phí thấp so với việc đào tạo công nhân Rô bốt cải thiện điều kiện lao động Đó ưu điểm bật mà cần quan tâm Trong thực tế sản xuất có nhiều nơi người lao động phải lao động suốt buổi mơi trường bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực, ồn mức cho phép nhiều lần Thậm trí nhiều nơi người lao động phải làm việc môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ người, dễ xảy tai nạn, dễ bị nhiễm hố chất độc hại, nhiễm sóng điện từ, phóng xạ 1.2 Các khái niệm định nghĩa Rô bốt công nghiệp 1.2.1 Định nghĩa Rô bốt công nghiệp Hiện có nhiều định nghĩa Rơ bốt, điểm qua số định nghĩa sau : Định nghĩa theo tiêu chuẩnAFNOR (Pháp) : Rô bốt công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trụ toạ độ; có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp theo hành trình thay đổi chương trình hố nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác Định nghĩa theo RIA (Rô bốt institute of America) : Rô bốt tay máy vạn lặp lại chương trình thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chuyên dùng thông qua chương trình chuyển động thay đổi để hồn thành nhiệm vụ khác Theo Artobolevski I.I., Vorobiov M.V nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối SEV trước phát biểu rằng: “Rơ bốt cơng 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 hố q trình sản xuất” Định nghĩa theo OCT 25686-85 (Nga) : Rô bốt công nghiệp máy tự động, đặt cố định di động được, liên kết tay máy hệ thống điều khiển theo chương trình, lập trình lại để hồn thành chức vận động điều khiển trình sản xuất -8- Mikell P.Groover, nhà nghiên cứu hàng đầu lĩnh vực rô bốt, mở rộng sau: “Rô bốt công nghiệp máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có đặc điểm định tương tự người” Định nghĩa M.P.Groover rô bốt không dừng lại tay máy mà mở rộng cho nhiều đối tượng khác có đặc tính tương tự người suy nghĩ, có khả đưa quy định nhìn thấy cảm nhận đặc điểm vật hay đối tượng mà phải thao tác xử lý Những rô bốt hay tay máy dùng cấu cam hệ thống điều khiển có thừa nhận hay khơng khơng quan trọng ; điều quan trọng chúng đóng vai trị đáng kể việc tự động hoá sản xuất nhà máy Những rơ bốt, tay máy nói cịn gọi cách hình tượng “tự động hoá cứng”, ngược lại với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện chúng rô bốt công nghiệp điều khiển chương trình, thay đổi nhiệm vụ thao tác đặt cách nhanh chóng Một số nhà khoa học hàng đầu lĩnh vực rô bốt Nhật Bản đưa định nghĩa rô bốt dạng yêu cầu sau: Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) rơ bốt cơng nghiệp phải thoả mãn yếu tố sau: - Có khả thay đổi chuyển động; - Có khả cảm nhận đối tượng thao tác; - Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao; - Có khả thích nghi với mơi trường hoạt động; - Có khả hoạt động tương hỗ với đối tượng bên Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện cơng nghệ Tokyo) rơ bốt cơng nghiệp phải có đặc điểm sau: - Có khả thay đổi chuyển động; - Có khả xử lý thơng tin (biết suy nghĩ); - Có tính vạn năng; - Có đặc điểm người máy Từ khác biệt định nghĩa rô bốt, vào tính linh hoạt hệ thống sản xuất có áp dụng rơ bốt P.J.McKerrow, nhà nghiên cứu rô -9- bốt Úc đưa định nghĩa góc độ khác Theo ơng, rơ bốt loại máy lập trình để thực công việc đa dạng tương tự máy tính, mạch điện tử lập trình để thực cơng việc đa dạng Các rơ bốt đóng góp vào phát triển cơng nghiệp nhiều dạng khác nhau; tiết kiệm sức người, tăng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm an tồn lao động giải phóng người khỏi công việc cực nhọc tẻ nhạt Tất nhiên, tương lai nhiều vấn đề nảy sinh rô bốt ngày thay hoạt động người, việc đem lại lợi ích cho người, khám phá vũ trụ, khai thác nguồn lợi đại dương, rô bốt thực làm cho sống tốt đẹp Trước vào phân tích nội dung tiếp theo, để bạn đọc có nhận dạng cách thống trình khảo sát, trình bày số phương pháp phân loại rơ bốt sử dụng cơng nghiệp Có thể nói Rơ bốt công nghiệp máy tự động linh hoạt thay phần toàn hoạt động bắp hoạt động trí tuệ người nhiều khả thích nghi khác Rơ bốt cơng nghiệp có khả chương trình hố linh hoạt nhiều trụ chuyển động, biểu thị cho số bậc tự chúng Rô bốt công nghiệp trang bị bàn tay máy cấu chấp hành, giải nhiệm vụ xác định q trình cơng nghệ : trực tiếp tham gia thực ngun cơng (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy ) phục vụ q trình cơng nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá ) với thao tác cầm nắm, vận chuyển trao đổi đối tượng với trạm công nghệ, hệ thống máy tự động linh hoạt, gọi "Hệ thống tự động linh hoạt Rô bốt hố" cho phép thích ứng nhanh thao tác đơn giản nhiệm vụ sản xuất thay đổi 1.2.2 Bậc tự Rô bốt (DOF : Degrees Of Freedom) Bậc tự số khả chuyển động cấu (chuyển động quay tịnh tiến) Để dịch chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành Rô bốt phải đạt số bậc tự Thông thường tay máy có bậc tự Số bậc tự hay bậc chuyển động tay máy số khả chuyển động độc lập khơng gian hoạt động Trong lĩnh vực rô bốt học (rô bốtic) người ta hay gọi khả chuyển động -10- Chức chân (bảng 3.4) Bảng 3.4 Chức chân vi mạch L298 MW.15 PowerSO 2;3 4;5 5;7 7;9 Input 1; 6;11 8;14 Enable A; 1;15 2;19 Tên Sense A; Sense B Out 1; Out VS Input EnableB Chức Nối chân qua điện trở cảm ứng dòng xuống GND để điều khiển dòng tải Ngõ cầu A Dòng tải mắc hai chân qui định chân Chân cấp nguồn cho tầng công suất Cần có tụ điện khơng cảm kháng 100nF nối chân chân GND Chân ngõ vào cầu A, tương thích chuẩn TTL Chân ngõ vào enable (cho phép) tương thích chuẩn TTL Mức thấp chân cấm (disable) ngõ cầu A (đối với chân EnableA) và/hoặc cầu B 1,10,11,20 GND 10; 12 13;15 Input 3; 13; 14 16;17 Out 3; - 3;18 12 VSS Input Out N.C (đối với chân EnableB) Chân đất (Ground) Chân cấp nguồn cho khối logic Cần có tụ điện 100nF nối chân với GND Các chân logic ngõ vào cầu B Ngõ cầu B Dòng tải mắc hai chân qui định chân 15 Không kết nối (bỏ trống) -175- Đặc tính điện L298 Nguồn cung cấp: Vs = 2.5 đến 46V Điện áp vào mức thấp: ViL = - 0,3 đến 1,5V Nguồn cung cấp mạch logic: Điện áp vào mức cao: Thông tin ứng dụng Vss = 4,5 đến 7V ViH = 2,3 đến Vss Tầng công suất ngõ ra: Vi mạch L298 tích hợp tầng cơng suất (A, B) Tầng cơng suất mạch cầu ngõ lái loại tải cảm thơng dụng nhiều chế độ hoạt động khác (tùy thuộc vào điều khiển ngõ vào) Dòng điện từ chân ngõ chảy qua tải đến chân cảm ứng dịng Điện trở ngồi RSA, RSB cho phép việc cảm ứng cường độ dòng điện Tầng ngõ vào: Mỗi cầu điều khiển cổng ngõ vào In1, In2, EnA, In3, In4, EnB Các chân In có tác dụng chân En mức cao, chân En mức thấp, chân ngõ vào In trạng thái cấm Tất chân tương thích với chuẩn TTL *) Mạch ứng dụng vi mạch L297-L298 -176- Hình 3.66: Sơ đồ điều khiển rơ bốt chuyển động theo tọa độ Đề Tóm tắt nguyên lý: dùng động bước vi mạch L297-L298 -177- c) Mạch điều khiển động servo 1) Mạch điều khiển động DC servo Nguyên lý hoạt động Hình 3.67: Mạch điều khiển động DC Servo Động DC điều khiển tốc độ đảo chiều nhờ TZT Q1 đến Q4 Các TZT bị khống chế hoạt động nhờ TZT Q8, Q9 Điện áp vơn kế lấy từ phản hồi vị trí từ động DC Hệ thống có chuyển mạch chọn chế độ điều khiển Ở vị trí hệ hoạt động chế độ điều khiển dùng xung Vị trí vị trí đặt vị trí nhờ chiết áp VR1 Khi chuyển mạch vị trí cấp xung điều khiển động DC dịch chuyển đến vị trí tương ứng với độ rộng xung; sau cắt xung điều khiển động tự chạy ngược trở vị trí ban đầu Ở Chế độ phía giá trị điện áp đặt xác định nhờ VR1 tương đương với vị trí đặt ban đầu Điện áp đưa Q5 điện áp phản hồi đưa khống chế Q5 Sự chênh lệch Q4 Q6 so sánh giá trị với để định giá trị điều khiển tới Q9 khống chế động quay thuận (ngược) dịch chuyển làm xuất điện áp vôn kế đưa khống chế Q6 khống chế Q8, Q2 tới giá trị điện áp cực động cân động dừng lại tương ứng với vị trí thiết lập -178- 2) Mạch điều khiển động AC servo Nguyên lý hoạt động Hình 3.68: Mạch điều khiển động AC Servo Sơ đồ theo kết cấu vỉ mạch điều khiển thực tế Trong chân hay tín hiệu vào đánh số thứ tự có màu sắc phân biệt bao gồm nguồn vào (1,8), (3,4,5), chân tín hiệu phản hồi (7,13,14) Động điều khiển tốc độ nhờ việc khống chế Thyristor SCR SCR2 cầu diode Các thyristor khống chế qua mạch ghép xung lấy từ biến áp T4, T5 Vị trí phản hồi đưa chân 7,13,14 giá trị phản hồi điều chỉnh lấy điện áp phù hợp nhờ điện trở R38, R39, R40 sau đưa khống chế TZT Q1, Q2, Q3 Tín hiệu sau Q3 ghép qua biến áp xung T2 đưa vào cầu chỉnh lưu (CR 18 đến CR25) tín hiệu sau cầu đưa qua Q4, Q5 để khống chế Q6, Q7 sau ghép qua T4, T5 để khống chế SCR xuất động Tín hiệu điều khiển lấy vào từ chân 9,10 giá trị đặt ban đầu tạo điện áp dương đưa điện trở R38, R39, R40 để so sánh với giá trị phản hồi (Sig input) -179- 3.4 Hiệu chỉnh động tuỳ động 3.4.1 Khái quát Hệ thống tùy động, thực chất hệ thống ĐCTĐ TĐĐ thực điều khiển vị trí với lượng đặt trước biến thiên tùy ý Hệ thống tuỳ động ứng dụng rộng rãi thực tiễn Nhiệm vụ hệ thực điều khiển cấu chấp hành bám sát xác lượng đặt vị trí, đại lượng điều khiển (lượng đầu ra) thường vị trí khơng gian cấu sản xuất, lúc lượng đặt thay đổi trình làm việc hệ thống làm cho đại lượng điều khiển bám sát trì một cách xác vị trí cấu sản xuất theo yêu cầu Ví dụ điều khiển cấu ép trục cán, trình cán kim loại, phải làm cho khe hở hai trục tiến hành tự điều chỉnh; điều khiển quỹ tích gia cơng máy cắt điều khiển số điều khiển bám máy chép hình; cấu lái tự động tàu thuyền; cấu điều khiển anten rađa cụm súng pháo hay kính viễn vọng điện tử nhằm mục tiêu; điều khiển động tác người máy Những ví dụ ứng dụng cụ thể hệ thống điều khiển tuỳ động vị trí Nguyên lý hệ tùy động hình 69 Hình 3.69: Nguyên lý mạch điều khiển tùy động Bộ đo kiểm vị trí: Do chiết áp RP1 RP2 tạo thành đo kiểm vị trí (góc), trục quay chiết áp RP1 nối với bánh điều khiển làm góc cho trước (góc đặt), trục quay chiết áp RP2 thông qua cấu nối với phận phụ tải làm phản hồi góc quay, hai -180- chiết áp cấp điện nhờ nguồn điện chiều U, chuyển tham số vị trí trực tiếp thành đại lượng điện đầu Bộ khuếch đại so sánh điện áp: Do khuếch đại 1A, 2A tạo thành, khuếch đại 1A làm nhiệm vụ đảo pha, cịn 2A có tác dụng so sánh khuếch đại điện áp, tín hiệu đầu làm tín hiệu điều khiển khuếch đại công suất cấp tiếp theo, đồng thời có khả nhận biết cực tính điện áp (phương vị âm dương góc pha) Bộ khuếch đại công suất đảo chiều: Để cung cấp cho động chấp hành hệ thống tuỳ động có khuếch đại điện áp chưa đủ, phải khuếch đại công suất, khuếch đại công suất thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặcbộ biến đổi xung áp điều chế độ rộng xung động truyền động động chiều, trường hợp dùng động xoay chiều khuếch đại cơng suất thường biến tần Cơ cấu chấp hành: Động bám Đ (động điện chiều, từ trường vĩnh cửu) để truyền động cấu chấp hành mang phụ tải (dàn anten đa), động phụ tải thường có phận truyền lực (hộp giảm tốc) Bốn thành phần phận chủ yếu, thiếu để tạo nên hệ thống điều khiển tuỳ động vị trí, có linh kiện thiết bị cụ thể khác nhau, ví dụ, dùng đo kiểm vị trí khác nhau, dùng động điện chiều xoay chiều v.v Qua phân tích dễ dàng nhận chỗ khác giống hệ thống tuỳ động vị trí (sau gọi tắt hệ thống tuỳ động) hệ thống điều tốc Cả hai hệ thống kín (có phản hồi), tức thông qua việc so sánh lượng đầu hệ thống với lượng cho trước (lượng đặt) để tạo tín hiệu điều khiển hệ thống, ngun lý hai hệ thống giống Đại lượng cho trước hệ thống điều tốc số, mức độ nhiễu nào, mong đại lượng đầu ổn định, chất lượng chống nhiễu hệ thống tỏ quan trọng Cịn hệ thống tuỳ động tín hiệu đặt vị trí thường xuyên thay đổi, đại lượng “thay đổi tuỳ ý”, yêu cầu lượng đầu bám xác theo thay đổi lượng cho trước, tính nhanh nhậy, tính linh hoạt, tính xác thích nghi đầu trở thành đặc trưng chủ yếu hệ thống tuỳ động Hay nói cách khác chất lượng bám tiêu chủ yếu hệ thống 3.4.2 Hiêu chỉnh động tùy động Thực chất hiệu chỉnh động tùy động hiệu chỉnh mạch điều khiển để hệ thống hoạt động tối ưu tiêu thời gian điều chỉnh, lượng điều chỉnh, độ trơn trình điều khiển Việc điều chỉnh thông thường sử dụng khâu hiệu -181- chỉnh PI, PD, PID Tùy vào ứng dụng cụ thể có hiệu chỉnh nối tiếp (hình 3.69) hay song song phản hồi âm tốc độ (hình 3.70) hiệu chỉnh hỗn hợp Hình 3.70: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tuỳ động mạch vịng vị trí Hình 3.71: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống tuỳ động có phản hồi âm tốc độ Các mạch điều khiển tùy động thường tích hợp sẵn mạch điều chỉnh nên thực tế chuyên gia điều chỉnh thông số cài đặt có sai lệch cần hiệu chỉnh 3.5.Các mô đun rô bốt công nghiệp 3.5.1 Ngun tắc mơ đun hóa thiết bị Thơng thường thiết bị hệ thống thiết kế đồng Các phân hay khâu xem thiết kế đồng thời Trong cấu kiện hay phân liên kết với chặt chẽ thiết kế điều khiển bo mạch, bảng điều khiển Điều gây khó khăn cho việc thay sửa chữa bảo hành Để khắc phục vấn đề người ta chế tạo phân tách rời có khả tháo lắp, lắp ghép liên kết với để giải toán điều khiển Việc làm xem mơ đun hóa thiết bị -182- Các mơ đun rời chế tạo riêng biệt có khả kết nối với mô đun khác tạo nên hệ thống tổng thể hồn thiện Tùy rơ bốt mà mơ đun ghép nối với tủ chứa đặt vị trí khác cho phù hợp với q trình sản xuất Ví dụ hệ thống điều khiển động tùy động người ta chế tạo mô đun riêng biệt mô đun nguồn, mô đun điều khiển, mô đun công suất, Khi lý cần thay hay sửa chữa, mơ đun thay mơ đun tương tự có tính chất cách dễ dàng mà không làm ảnh hưởng tới mô đun khác Trên thực tế nhiều hãng sản xuất mơ đun lắp lẫn để thay cho hệ thống khác Một ví dụ dễ nhận thấy PLC S7-300 (Hình 3.72) mô đun thiết kế linh hoạt mô đun nguồn, CPU, SM hay FM Tùy theo yêu cầu sản xuất mà người ta sử dụng mô đun cho hợp lý Khi sản xuất cần số lượng đầu vào / cần mua lắp hay nhiều mô đun SM có số lượng cổng vào phù hợp Rack Các mô đun mở rộng -183- SM SM Mụ đun CPU SM CPU PS( Power supply) Mô đun nguồn Đ-ờng bus liên kết mô đun Hỡnh 3.72: Mô tả mô đun PLC S7-300 Ngày hầu hết thiết bị hay hệ thống chế tạo dạng mô đun nhằm đáp ứng nhu cầu việc thay thế, sửa chửa hay chuẩn đoán hệ thống từ xa cách dễ dàng Sử dụng mơ đun cho phép tối ưu kinh phí đầu tư cho hệ thống 3.5.2 Nguyên tắc mô đun rơ bốt cơng nghiệp Rơ bốt cơng nghiệp nói chung thiết kế chế tạo phục vụ cho mục đích riêng biệt Với rơ bốt có đặc điểm riêng đặc biệt mục đích phục vụ rô bốt, nhiên chúng giống kết cấu chung rô bốt Các rô bốt ngày thường chế tạo dang mô đun có đặc trưng điển hình Trước tiên phải nói đến điều khiển mơ đun tách rời bao gồm: Mô đun nguồn, mô đun điều khiển, mơ đun lập trình, mơ đun liên kết khác Phần cánh tay hay thân rô bốt lắp ghép riêng biệt phần khí giắc cắm liên kết điện khí phận Các hệ thống kèm thiết bị hàn, cắt thường đặt riêng biệt bên ngồi rơ bốt Đối với điều khiển cần có khối (modul) bản: - Modul cảm biến thu nhận biến đổi, hiệu chỉnh, tổng hợp thông tin trạng thái hệ thống môi trường - Modul tổng hợp, thiết lập mơ hình tổng hợp hệ thống mơi trường sở thông tin modul cảm biến cung cấp - Modul định, đưa phương thức hành động Từ chiến lược hành động, lập kế hoạch điều khiển hoạt động cấu để thực nhiệm vụ theo tình cụ thể Các modul tự động liên kết với theo nhiệm vụ, quy định chương trình có tính đến khả thích ứng hệ thống tình cụ thể Tuy vậy, cần có giao diện với người vận hành để cần người kiểm tra, giám sát, can thiệp vào hệ thống Tính đến cường độ trao đổi thông tin modul với hệ thống với người vận hành cần có nhớ chung để lưu trữ thơng tin ban đầu thông tin cập nhật hệ thống môi trường Mô đun cho rô bốt thiết kế theo nguyên tắc sau: Thiết kế mô đun rô bốt cấu trúc chế -184- cứng) Thiết kế mô đun rô bốt điều khiển (Các mô đun phần mềm phần Các giao diện tiêu chuẩn đặc điểm kỹ thuật Rơ bốt thành phần chức (Động servo, phục vụ lái xe giảm tốc) Các giao diện tiêu chuẩn đặc điểm kỹ thuật rơ bốt cảm biến bên ngồi (hình ảnh cảm nhận lực lượng cảm nhận) Thiết kế mô đun rô bốt Trên sở phân chia mô đun máy, rô bốt chế chia cho module ghế thắt lưng, cánh tay chính, cẳng tay, cánh tay thùng, cổ tay, xi lanh cân Thiết kế mô đun đạt theo kích thước, khả chịu tải khác số, tối ưu hóa kết hợp định hướng yêu cầu ứng dụng, sau dịng sản phẩm rơ bốt phạm vi làm việc khác tải trọng khác accived.Các điểm quan trọng thiết kế mô đun cấu thành phần xây dựng tiêu chuẩn giao diện khí mơ-đun, mà đạt khả trao đổi mơ đun sở đảm bảo tính xác mơ đun lắp ráp khí Các giao diện thành phần chức thực hai chức Các Chức vị trí, xác định tương đối xác vị trí hai mơ đun kết nối.Chức thứ hai kết nối, nhận kết nối chặt hai thành phần chức Thiết kế mô đun rô bốt cấu trúc chế Thiết kế tiêu chuẩn giao diện thành phần quan trọng Rô bốt (Động servo, giảm tốc khác) hữu ích cho việc cải thiện bảo trì rơ bốt giảm chi phí rơ bốt nhiều Lấy servo động ví dụ, giao diện chia khố sáu tham gia kết nối A đến F, động servo mơ hình khác nối với biểu tượng đạt giá Thiết kế mô đun điều khiển rô bốt Theo nguyên tắc độc lập chức tính tồn vẹn cấu trúc, hệ thống điều khiển rơ bốt cơng nghiệp chia thành ba loại mơ-đun: mơ đun điều khiển chính, thành phần mơ đun (module điều khiển, I / O module module giảng dạy), bên ngồi mơ đun cảm biến (cảm biến hình ảnh cảm nhận hiệu lực) Mơ đun điều khiển Các mơ đun điều khiển cốt lõi điều khiển rô bốt, chức bao gồm kế hoạch chuyển động, phối hợp chuyển đổi, hệ thống giám sát Thiết kế mơ đun điều khiển mơ đun nhằm mục đích giao diện xe bt thơng tin đối ngoại Giao diện cung cấp điện: DC 24V ± 10% ; -185- Giao diện truyền thông: CAN xe buýt, Ethernet, vv; Giao thức truyền thông: CANopen, EtherCAT, vv ; Truyền thông liệu: liệu truyền thông khác mô đun tiêu chuẩn Mô đun ổ đĩa nhận lệnh mơ đun điều khiển mức độ thực điều khiển chuyển động, hoạt động kiểm sốt động servo Mơ đun ổ đĩa xây dựng đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho bên ngồi giao diện, mơ hình chức năng, thơng tin xe buýt, vv Giao diện cung cấp điện: DC24V ± 10% ; Giao diện truyền thông: CAN xe buýt, Ethernet, vv; Giao thức truyền thơng: CANopen, EtherCAT, vv; Mơ hình chức năng: chế độ điều khiển vị trí chế độ nội suy; Tham số kiểm sốt: thơng số PID, hạn chế bảo vệ vị trí tham số, vv I / O module I / O module thu thập ổ đĩa cảm biến, đèn báo, rơ le tiếp xúc, thiết bị điều khiển rơ bốt bên ngồi I / O mơ đun xây dựng đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho giao diện bên ngồi, chức mơ hình, thơng tin xe buýt, vv Giao diện cung cấp điện: DC24V ± 10% ; Giao diện truyền thông: CAN xe buýt, Ethernet, vv; Giao thức truyền thông: CANopen, EtherCAT, vv; Tham số kiểm sốt: thơng số PID, hạn chế vị trí tham số bảo vệ, vv Mô đun cảm biến bên ngồi bao gồm cảm biến hình ảnh, cảm biến lực, vv Nó gửi kết tính tốn cho mô đun chủ xe buýt công nghiệp Các tiêu chuẩn mơ đun mơ đun bên ngồi làm cho giao diện xe buýt, giao diện cung cấp điện, đối tượng giao tiếp, cấu hình cảm biến thơng tin, định dạng liệu cảm biến, báo động an tồn, vv Thiết kế tiêu chuẩn rơ bốt giao diện cảm biến bên ngồi Hình ảnh mơ đun đạt công nhận xử lý cho đối tượng cần thiết để nắm bắt rô bốt cơng nghiệp.Ngun tắc phân chia mơ đun hình ảnh mơ đun cần tương thích với thuật tốn xử lý hình ảnh nhà sản xuất thiết bị khác Các mơ đun trực quan xây dựng đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho giao diện bên ngồi, thơng tin cấu hình, thơng tin hiệu chuẩn, đối tượng giao tiếp, vv Giao diện cung cấp điện: DC24V ± 10% ; Giao diện truyền thông: Ethernet, vv; Tham số chức năng: tham số hiệu chuẩn, mô tả đối tượng, vv; Tham số kiểm soát: giao thức xe buýt, truyền tải liệu, vv trực quan cảm biến Thiết kế tiêu chuẩn rô bốt giao diện cảm biến bên ngồi Cảm biến lực, mơ đun điều khiển lực gửi tín hiệu lực thu thập rơ bốt đến mơ đun điều khiển Ngun tắc phân chia mơ đun cần tương thích với sản phẩm thiết bị khác nhà sản xuất Giao diện cung cấp điện: DC24V ± 10% ; -186- Giao diện truyền thông: Ethernet, vv; Thông số cảm biến: thông tin hiệu chuẩn, liệu thu thập được, vv; Tham số kiểm sốt: giao thức truyền thơng, tốc độ truyền, vv Ví dụ mơ đun rơ bốt cơng nghiệp Mơ đun có vị trí tốt xác định việc xây dựng rô bốt công nghiệp, cho ưu điểm sau: thích ứng cấu trúc rô bốt tương ứng với hoạt động, đa dạng hóa cấu trúc thơng qua kết hợp đơn vị mô-đun, giảm chi phí rơ bốt thực so sánh với cấu trúc tiêu chuẩn, cấu lại nhanh chóng, giá rẻ rô bốt cho hoạt động khác, đảm bảo điều kiện hoán đổi cho đơn vị mơ-đun Hình 3.73: Rơ bốt TRTRT cơng nghiệp Rơ bốt trình bày hình bao gồm từ: module dịch ngang từ rô bốt sở MTB-SIL, module quay theo trục thẳng đứng cánh tay rô bốt MRV, mô đun dịch dọc theo trục thẳng đứng từ thành phần cánh tay MTV-SIL, module quay xung quanh trục ngang từ cấu trúc cánh tay rô bốt MO mô đun dịch MT-SIL lắp ráp với thiết bị kẹp -187- Câu hỏi ôn tập chương Câu 1: Nêu đặc điểm cấu tạo nguyên lý điều khiển loại động điện rô bốt cơng nghiệp Câu 2: Trình bày phương pháp điều khiển động bước Câu 3: Trình bày nguyên lý hoạt động hệ thống tùy động Câu 4: Trình bày đặc điểm truyền động khí ( đai, răng, vít,cam ) Câu 5: Phân tích nguyên lý hoạt động nguồn switching Câu 6: Phân tích nguyên lý hoạt động mạch điều khiển động servo Câu 7: Trình bày ngun tắc mơ đun hóa thiết bị Câu 8: Vẽ mô tả hệ thống cam, điều khiển cấu điện, khí nén Câu : Động trục chạy tốc độ 60 v/p Thiết kế cấu cam răng, kết nối mạch điện điều khiển, mạch động lực thỏa mãn: - Trục quay vòng xi lanh X1 0,5 giây, xi lanh X2 lần, lần 0,3 giây, van V1 đóng mở lần - Trục quay vịng van V2 đóng mở lần lần 0,2 giây -188- Tài liệu tham khảo [1] PGS.TS Đào Văn Hiệp KỸ THUẬT RÔ BốT; Nhà xuất bản: Khoa học Kỹ thuật - 2004 [2] GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc RÔ BốT CÔNG NGHIỆP; Nhà xuất bản: Khoa học Kỹ thuật - 2006 [3] Phạm Đăng Phước RÔ BốT CÔNG NGHIỆP; Nhà xuất Xây Dựng Hà Nội – 2007 [4] Nguyễn Mạnh Tiến ĐIỀU KHIỂN RÔ BốT CÔNG NGHIỆP Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật-2007 [4] http://matlabs.wordpress.com/2012/07/29/su-phat-trien-va-ung-dung-cua-Rôbốt-cong-nghiep/ [5] http://www.doko.vn/luan-van/nghien-cuu-kha-nang-ung-dung-Rôbốt-cong-nghiep-trong-hesan-xuat-linh-hoat-180752 [6] http://www.khoahoc.com.vn/congnghemoi/cong-nghe-moi [7] http://automation.net.vn/Rô bốt-Rô bốtics/Rô bốt-công-nghiệp -189- ... Điện -? ?iện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Trân trọng./ Nam định, tháng 10 năm 2013 Các tác giả -2 - CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT CÔNG 1.1 Sơ lượt q trình phát triển Rơ bốt cơng nghiệp. .. 7: Cáp công suất động CN1 -3 7- 1.4 Thông số rô bốt công nghiệp Thông số rô bốt công nghiệp bao gồm: - Tên rô bốt - Số trục chuyển động hay số bậc tự - Kết cấu tay máy - Tải trọng cho phép - Hệ... niệm định nghĩa Rô bốt công nghiệp 1.2.1 Định nghĩa Rô bốt công nghiệp Hiện có nhiều định nghĩa Rơ bốt, điểm qua số định nghĩa sau : Định nghĩa theo tiêu chuẩnAFNOR (Pháp) : Rô bốt công nghiệp