Giáo trình Rôbốt công nghiệp (Nghề Điện tử công nghiệp)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ THƯƠNG MẠI GIÁO TRÌNH Tên mơ đun: Rơ bốt cơng nghiệp NGHỀ: ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG NGHỀ Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-CĐCNPY, ngày tháng năm 2018 Hiệu trưởng trường Cao đẳng Công nghiệp Thương mại Vĩnh Phúc, năm 2018 MỤC LỤC TRANG CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN ……3 BÀI GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sơ lược q trình phát triển robot cơng nghiệp: 1.2 Các khái niệm định nghĩa robot công nghiệp……………………7 1.3 Ứng dụng Rô bốt công nghiệp 1.4 Nội dung nghiên cứu phát triển Rô bốt công nghiệp .8 1.5 Tiếp cận ứng dụng rô bốt công nghiệp Việt Nam BÀI 2: CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI ROBOT CÔNG NGHIỆP 10 2.1 Các phận cấu thành robot công nghiệp 10 2.2 Bậc tự toạ độ suy rộng 10 2.3 Nhiệm vụ lập trình điều khiển rô bốt 11 2.4 Hệ toạ độ vùng làm việc 12 2.5 Chỉ tiêu đánh giá tham số kỹ thuật 12 2.6 Phân loại robot công nghiệp 12 BÀI 3: THIẾT BỊ CẢM BIẾN 13 3.1 Giới thiệu chung…………………………………………………… 13 3.2 Phương trình động học ngược: 14 3.3 Cảm biến lực cảm biến tiếp xúc 17 3.4 Cảm biến tín hiệu gần xa 23 3.5 Thực hành thiết bị cảm biến 28 BÀI 4: LẬP TRÌNH VÀ MƠ PHỎNG CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA RÔBỐT…………………………………………………………………… 35 4.1 Khái niệm chung 35 4.2 Nghiên cứu nhiệm vụ lập trình 36 4.3 Phần mềm lập trình rơ bốt 38 4.4 Phương pháp lập trình rơ bốt 40 Phần mềm mô rô bốt 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: RƠ BỐT CƠNG NGHIỆP Mã mô đun: MĐTC14020050 Thời gian thực mô đun: 75 (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành: 57 giờ; Kiểm tra: giờ) I Vị trí, tính chất mơ đun: - Vị trí mơ đun: Mơ đun bố trí dạy sau học song mô đun kỹ thuật sở nghề chuyên môn nghề bắt buộc - Tính chất mơ đun: Là mơ đun tự chọn chương trình đào tạo CĐ nghề Điện tử công nghiệp II Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức + Trình bày cấu trúc rôbốt công nghiệp + Mô tả trình hoạt động rơbốt dùng cơng nghiệp - Về kỹ Lập trình mơ chuyển động rô bốt + Sử dụng, bảo trì rơbốt cơng nghiệp qui trình kỹ thuật + Sửa chữa số hư hỏng thông thường rôbốt công nghiệp - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ sinh cơng nghiệp + III Nội dung mô đun: Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: Thời gian Thực Số TT Tên mô đun Tổng số Bài 1: Giới thiệu chung rôbốt công nghiệp 1.1 Sơ lược q trình phát triển Rơ bốt công nghiệp 1.2 Các khái niệm định nghĩa Rơ 2 hành, thí Kiểm Lý nghiệm, tra thuyết thảo luận, tập bốt công nghiệp 1.3 Ứng dụng Rô bốt công nghiệp 1.4 Nội dung nghiên cứu phát triển Rô bốt công nghiệp 1.5 Tiếp cận ứng dụng rô bốt công nghiệp Việt Nam Bài 2: Cấu trúc phân loại rôbốt công nghiệp 2.1 Các phận cấu thành rô bốt công nghiệp 2.2 Bậc tự toạ độ suy rộng 15 10 30 25 28 22 75 15 57 2.3 Nhiệm vụ lập trình điều khiển rơ bốt 2.4 Hệ toạ độ vùng làm việc 2.5 Chỉ tiêu đánh giá tham số kỹ thuật 2.6 Phân loại rô bốt công nghiệp Bài 3: Thiết bị cảm biến 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Cảm biến vị trí, vận tốc gia tốc 3.3 Cảm biến lực cảm biến tiếp xúc 3.4 Cảm biến tín hiệu gần xa 3.5 Thực hành thiết bị cảm biến Bài 4: Lập trình mơ chuyển động rô bốt 4.1 Khái niệm chung 4.2 Nghiên cứu nhiệm vụ lập trình 4.3 Phần mềm lập trình rơ bốt 4.4 Phương pháp lập trình rơ bốt 4.5 Phần mềm mơ rơ bốt 4.6 Thực hành lập trình mô chuyển động rô bốt Cộng BÀI GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP Giới thiệu: Trước bắt đầu tìm hiểu học tập robot cơng nghiệp, người học cần nắm rõ khái niệm robot công nghiệp, cấu trúc bản, phân loại ứng dụng robot công nghiệp Mục tiêu: - Trình bày trình phát triển, khái niệm định nghĩa rô bốt công nghiệp - Trình bày ứng dụng xu hướng phát triển Rôbốt công nghiệp tương lai - Rèn luyện tính tư duy, tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: 1.1 Sơ lược q trình phát triển robot công nghiệp (IR: Industrial Robot): Mục tiêu: giới thiệu cho người học kiến thức trình phát triển robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa cơng việc tạp dịch kịch Rossum’s Universal Robots 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 Foundary Company) quảng cáo loại máy tự động vạn gọi “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Về mặt kỹ thuật, robot cơng nghiệp ngày 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 phát triển mạnh chiến tranh giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu vật liệu phóng xạ Các cấu thay cho cánh tay người thao tác gồm có kẹp bên hai tay cầm bên Cả tay cầm kẹp nối với cấu bậc tự để tạo hướng vị trí tuỳ ý Robot công nghiệp chế tạo robot Versatran công ty AMF Cũng khoản thời gian Mỹ xuất loại robot Unimate-1990 dùng kỹ nghệ ô tô Tiếp theo Mỹ, nước khác bắt đầu sản xuất robot cơng nghiệp như: Anh – 1967, Thuỵ Điển Nhật – 1968 theo quyền Mỹ, Cộng Hoà Liên Bang Đức – 1971, Pháp – 1972, Italia – 1973,… Tính làm việc robot ngày nâng cao, khả nhận biết xử lý Năm 1967, trường đại học Stanford (Mỹ) chế tạo mẫu robot 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 Cincinnati (Mỹ) đưa loại robot điều khiển máy vi tính gọi robot T3 (The Tomoorrow Tool), robot có khả nâng vật có khối lượng lên đến 40kg Có thể nói, robot tổng 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, cơng nghệ lập trình phát triển trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia,…Ngày nay, việc nâng cao tính robot ngày phát triển, nhiều robot thông minh nhiều, đặc biệt Nhật Bản chế tạo nhiều robot giống người Asimo, robot có cảm giác,… Một vài số liệu công nghiệp sản xuất robot sau: Nước sx Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998 Nhật 60.118 29.765 67.000 Mỹ 4.327 7.634 11.100 Đức 5.845 5.125 8.600 Italia 2.500 2.408 4.000 Pháp 1.488 1.197 2.000 Anh 510 1.086 1.500 Hàn Quốc 1.000 1.200 Mục tiêu: giới thiệu xuất:cho người học hiểu rõ tầm quan trọng ứng dụng robot công nghiệp sản xuất Từ vừa đời robot công nghiệp ứng dụng nhiều lĩnh vực góc độ thay sức người Nhờ vậy, dây chuyền sản xuất tổ chức lại, suất hiệu sản xuất tăng lên rõ rệt Múc tiêu việc ứng dụng robot cơng nghiệp nhằm góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Lợi robot làm việc khơng biết mệt mỏi, có khả làm mơ trường phóng xạ độc hại, nhiệt độ cao,… Ngày nay, xuất nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm máy CNC với robot công nghiệp, dây chuyền đạt mức độ tự động hố mức độ linh hoạt cao,… Ngồi phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot sử dụng việc khai thác thềm lục địa đại dương, y học, quốc phòng, việc chinh phục vũ trụ, công nghiệp nguyên tử,… Như vậy, robot công nghiệp sử dụng nhiều lĩnh vực ưu điểm nó, nhiên chưa linh hoạt người nên cần người giám sát 1.2 Các khái niệm định nghĩa robot cơng nghiệp Mục tiêu: trình bày cho người học nắm rõ khái nhiệm định nghĩa robot công nghiệp Định nghĩa robot cơng nghiệp: Hiện có nhiều định nghĩa robot, điểm qua số định nghĩa sau: Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục 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 TIA (Robot Institute of America): Robot tay máy vạn lặp lại chương trình thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ thiết bị chun dùng thơng qua chương trình chuyển động thay đổi để hồn thành nhiệm vụ khác Định nghĩa theo FOCT 25686 – 85 (Nga): Robot 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 1.3 Ứng dụng Rơ bốt cơng nghiệp Bậc tự số khả chuyển động cấu (chuyển động quay tịnh tiến) Để dịch chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành robot phải đạt số bậc tự Nói chung hệ robot cấu hở, bậc tự tính theo cơng thức w = 6n - å ipi i =1 (1.1) Trong đó: - n: số khâu động - pi: số khớp loại i (i = 1,2,…,5: số bậc tự bị hạn chế) Đối với cấu có khâu nối với khớp quay tính tiến (khớp động loại 5) số bậc tự số khâu động Đối với cấu hở, số bậc tự tổng số bậc tự khớp động Để định vị định hướng khâu chấp hành cuối cách tuỳ ý không gian chiều robot cần có bậc tự do, bậc tự để định vị bậc tự để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, xếp,…có thể yêu cầu số bậc tự Các robot hàn, sơn,…thường yêu cầu bậc tự Trong số trường hợp cần khéo léo, linh hoạt cần phải tối ưu hoá quỹ đạo,… người ta dùng robot với số bậc tự lớn 1.4 Nội dung nghiên cứu phát triển Rô bốt công nghiệp Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với qua khớp (joints), tạo thành xích động học xuất phát từ câu đứng yên Hệ toạ độ gắn với khâu gọi hệ toạ độ (hay toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với khâu động gọi hệ toạ độ suy rộng Trong thời điểm hoạt động, toạ độ suy rộng xác định cấu hình robot chuyển dịch dài chuyển dịch góc khớp tịnh tiến khớp quay (hình 1.1) Các toạ độ suy rộng cịn gọi biến khớp Hình 1.1 – Các toạ độ suy rộng robot Các hệ toạ độ gắn khâu robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải: dùng tay phải, nắm hai ngón tay út áp út vào lịng bàn tay, xoè ngón cho ngón cái, ngón trỏ ngón theo phương vng góc, chọn ngón phương chiều trục z, ngón trỏ phương chiều trục x ngón biểu thị phương chiều trục y (hình 1.2) Hình 1.2 – Qui tắc bàn tay phải Trong robot ta thường dùng chữ O số n để hệ toạ độ gắn khâu thứ n Như vậy, hệ toạ độ ký hiệu O 0, hệ toạ độ gắn khâu trung gian tương ứng O1, O2,…,O n-1, hệ toạ độ gắn khâu chấp hành cuối ký hiệu On 1.5 Tiếp cận ứng dụng rô bốt công nghiệp Việt Nam Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) robot tồn thể tích qt khâu chấp hành cuối robot thực tất chuyển động Trường cơng tác bị ràng buộc thơng số hình học robot ràng buộc học khớp Người ta thường dùng hai hình chiếu để mơ tả trường cơng tác robot hình 1.3 Hình 1.3 – Biểu diễn trường công tác robot Bài 2: CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1 Các phận cấu thành robot công nghiệp: Một robot cơng nghiệp thường bao gồm thành phần như: cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, cảm biến, điều khiển, thiết bị dạy học, máy tính,… phần mềm lập trình nên coi thành phần hệ thống robot Mối quan hệ thành phần robot mơ tả hình 1.4 Hình 1.4 – thành phần hệ thống robot Cánh tay robot kết cấu khí gồm khâu liên kết với khớp động để tạo nên chuyển động robot Nguồn động lực động điện, hệ thống xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt Dụng cụ thao tác gắn khâu cuối robot, dụng cụ robot có nhiều kiểu khác như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng công cụ làm việc mỏ hàn, đá mài, dầu phun sơn,… Thiết bị dạy học dùng để dạy cho robot thao tác cần thiết theo yêu cầu trình làm việc, sau robot tự lặp lại động tác dạy để làm việc Các phần mềm để lập trình chương trình điều khiển robot cài đặt máy tính, dùng để điều khiển robot thông qua điều khiển Bộ điều khiển gọi module điều khiển (hay Unit, Driver), chúng thường kết nối với máy tính Một module điều khiển cịn có cổng Vào – Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái thân, xác định vị trí đối tượng làm việc dị tìm khác,… v Các lệnh bản: · call: gọi thủ tục hàm từ chương trình từ thủ tục khác Cú pháp: Khi gọi hàm: call [WITH ][INTO] gọi thủ tục: call [WITH] Tên: tên thủ tục hàm gọi Danh sách tham biến: tên tham biến thủ tục hàm INTO: dùng gọi hàm, biến chứa giá trị trả lại hàm · Case/endcase: Câu lệnh lựa chọn, dùng với từ lệnh Switch Cú pháp: switch (string | integer | long) case (string | integer | long) [exitswitch] ; thoát khỏi khối lệnh switch không điều kiện [endcase] [default] ; thực trường hợp so sánh không Endcase endswitch Ví dụ: proc main integer Alpha = ; gán giá trị ban đầu cho biến Alpha = switch Alpha case ; tìm giá trị biến số ; trường hợp biến có giá trị usermsg “Alpha = 0”; xuất kết cửa sổ hình endcase ; hết trường hợp so sánh thứ 46 case ; tương tự usermsg "Alpha = 1" endcase case usermsg "Alpha = 2" endcase endswitch ; kèm với switch để kết thúc khối lệnh switch endproc · If/endif: câu lệnh điều kiện Cú pháp: ; bắt đầu khối lệnh if if … [elseif ] … [else] … endif ; kết thúc khối lệnh if · While/endwhile: lặp lại số câu lệnh điều kiện kiểm tra sai Ví dụ: Proc main integer SoLanLap = ; biến nguyên dùng để đếm số lần lặp while (SoLanLap++)