1: Bàn cố định; 2: Bàn Quay; 3 Cơ cấu mantit nội tiếp
3.2.4 Thiết kế ROBOT cho hệ thống
Tớnh tự động húa của hệ thống thể hiện ở Robot chứ khụng thể hiện ở cỏc mỏy dụng cụ thụng thường. Chớnh vỡ vậy tỏc giả đi sõu vào thiết kế Robot ( Robot lật và Robot cấp phụi ) chứ khụng đi sõu vào thiết kế cỏc mỏy dụng cụ thụng thường. Cụ thể tớnh toỏn, thiết kế Robot lật phụi và Robot cấp phụi.
3.2.4.1 Khỏi niệm về Robot và phõn loại Robot
a. Robot và Robotics.
Robotics cú thể hiểu là một ngành khoa học, cú nhiệm vụ nghiờn cứu về thiết kế, chế tạo cỏc robot và ứng dụng chỳng trong cỏc lĩnh vực hoạt động khỏc nhau của xó hội loài người, như nghiờn cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phũng và dõn sinh.
Từ chức năng và kết cấu của robot thỡ robot là một sản phẩm của ngành cơ điện tử ( Mechatronics ).
Robot được sử dụng để thay thế con người trong những cụng việc như:
- Cỏc cụng việc lặp đi lặp lại, nhàm chỏn, nặng nhọc: vận chuyển nguyờn vật liệu, lắp rỏp, lau cọ nhà,...
- Trong mụi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: ngoài khoảng khụng vũ trụ, trờn chiến trường, dưới nước sõu, trong lũng đất, nơi cú phúng xạ, nhiệt độ cao,...
- Những việc đũi hỏi độ chớnh xỏc cao: lắp rỏp cỏc cấu tử trong cỏc vi mạch,...
b. Robot cụng nghiệp (RBCN)
- Là thiết bị vạn năng được tự động hoỏ theo chương trỡnh và cú thể lập trỡnh lại để đỏp ứng một cỏch linh hoạt, khộo lộo cỏc nhiệm vụ tiếp theo.
- Được ứng dụng trong cỏc trong những trường hợp mang tớnh cụng nghiệp đặc trưng như vận chuyển, xếp dỡ nguyờn vật liệu, lắp rỏp, đo lường,...
Dựa theo 2 đặc trưng cơ bản trờn mà hiện nay RBCN được định nghĩa như sau:
- RBCN là tay mỏy vạn năng, hoạt động theo chương trỡnh và cú thể lập trỡnh lại để hoàn thành và nõng cao hiệu quả hoàn thành cỏc nhiệm vụ khỏc nhau trong cụng nghiệp, như vận chuyển nguyờn vật liệu, chi tiết, dụng cụ và cỏc thiết bị chuyờn dựng khỏc.
Ngoài ra, định nghĩa trong IOCT 25686-85 cũn bổ xung cho RBCN chức năng điều khiển trong quỏ trỡnh sản xuất:
- RBCN là mỏy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay mỏy cú một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trỡnh, cú thể tỏi lập trỡnh để hoàn thỏnh cỏc chức năng vận động và điều khiển trong quỏ trỡnh sản xuất.
c. Bậc tự do của Robot
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong khụng gian, cơ cấu chấp hành của robốt phải đạt được một số bậc tự do. Núi chung, cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đú bậc tự do của nú cú thể tớnh theo cụng thức: 5 1 6 i i ip n w Trong đú: n: số khõu động. pi: số khớp loại i ( i = 1,2,3,4,5: số bậc tự do bị hạn chế ).
Đối với cỏc cơ cấu cú cỏc khõu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến ( khớp động loại 5) thỡ số bậc tự do bằng với số khõu động. Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng số bậc tự do của cỏc khớp động.
Để định vị và định hướng khõu chấp hành cuối một cỏch tuỳ ý trong khụng gian ba chiều thỡ robot cần 6 bậc tự do, trong đú 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng. Một sụ cụng việc đơn giản như nõng hạ, sắp xếp... cú thể yờu cầu số bậc tự do ớt hơn. Cỏc robot hàn, sơn,... thường yờu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự khộo lộo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoỏ quỹ đạo.... người ta dựng robot với số bậc tự do lớn hơn 6.
d. Kết cấu chung của Robot cụng nghiệp
Một RBCN được cấu thành từ cỏc hệ thống sau:
- Tay mỏy (Manipulator): là cơ cấu cơ khớ gồm cỏc khõu, khớp. Chỳng hỡnh thành cỏnh tay để thực hiện cỏc chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nờn sự khộo lộo, linh hoạt và bàn tay (End Effector) để hoàn thành cỏc thao tỏc trờn đối tượng.
- Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho cỏc khõu của tay mỏy. Nguồn động lực của cỏc cơ cấu chấp hành là động cơ cỏc loại: điện, thuỷ lực, khớ nộn,...
- Hệ thống cảm biến: gồm cỏc sensor và cỏc thiết bị chuyển đổi tớn hiệu khỏc. Cỏc robot cần hệ thống cảm biến để nhận biết trạng thỏi của mụi trường (sensor ngoài) và trạng thỏi của bản thõn cỏc cơ cấu của robot (sensor trong).
- Hệ thống điều khiển (controller): mỏy tớnh để giỏm sỏt và điều khiển hoạt động của robot.
* Kết cấu của tay mỏy
Tay mỏy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot cụng nghiệp. Đú là thiết bị cơ khớ đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong khụng gian và khả năng làm việc như nõng hạ vật, lắp rỏp,... Tay mỏy khụng nhất thiết phải được thiết kế và chế tạo phỏng theo chức năng của tay người. Ngày nay, tay mỏy rất đa dạng và cú nhiều loại khỏc xa tay người. Trong kỹ thuật người ta dựng cỏc thuật
ngữ như vai (shoulder), cỏnh tay (arm), bàn tay (hanhd), cỏc khớp (articulations), ...để chỉ tay mỏy và cỏc bộ phận của nú.
Khi thiết kế và sử dụng tay mỏy người ta quan tõm đến cỏc thụng số cú ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của chỳng như:
- Sức nõng, độ cứng vững, lực kẹp của chỳng,...
- Tầm với hay vựng làm việc: kớch thước và hỡnh dỏng vựng mà phần cụng tỏc cú thể với tới.
- Sự khộo lộo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần cụng tỏc trong vựng làm việc. Thụng số này liờn quan đến số bậc tự do của phần cụng tỏc.
Cỏc tay mỏy cú đặc điểm chung về kết cấu là gồm cú cỏc khõu được nối với nhau bằng cỏc khớp để hỡnh thành một chuỗi động học hở, tớnh từ thõn đến phần cụng tỏc. Cỏc khớp được dựng phổ biến là khớp trượt và khớp quay. Tuỳ theo số lượng và cỏch bố trớ cỏc khớp mà cú thể tạo ra tay mỏy kiểu toạ độ Đờcỏc, toạ độ trụ, toạ độ cầu, SCARA, kiểu tay người:
- Tay mỏy kiểu toạ độ cầu: dựng 2 khớp cầu và 1 khớp trượt. Vựng làm việc của nú là khối cầu rỗng. Độ chớnh xỏc định vị phụ thuộc vào tầm với.
Hỡnh 3.9 Robot kiểu tọa độ cầu
- SCARA: đõy là kiểu tay mỏy cú cấu tạo đặc biệt, gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt nhưng cả ba khớp đều cú trục song song với nhau. Tờn gọi SCARA là viết tắt của " Selective Compliant Articulated Robot Arm ": tay mỏy mềm dẻo tuỳ ý. Loại tay mỏy này thường dựng trong cụng việc lắp rỏp.
Hỡnh 3.10 Robot kiểu SCARA
- Tay mỏy kiểu tay người: cả 3 khớp đều là khớp quay, trong đú trục thứ nhất vuụng gúc với hai trục kia.
3.2.4.2 Thiết kế robot lật
Lật phụi chuẩn bị cho nguyờn cụng phay rónh tiếp theo trờn mỏy phay ngang. Robot này đặt tại vị trớ 3.
a. Đặc tớnh kỹ thuật
Robot được thiết kế và chế tạo trong hệ thống này là tay mỏy kiểu toạ độ trụ vỡ kết cấu robot kiều này khỏ đơn giản, dễ chế tạo, cú thể đỏp ứng được những yờu cầu của hệ thống,...
Vỡ Robot trong hệ thống chỉ dựng để lật chi tiết đó gia cụng xong một mặt trờn mỏy phay nờn chỉ cần 2 bậc tự do là đủ. Nú đũi hỏi độ chớnh xỏc định vị cao. Một số thụng số kỹ thuật của robot:
- Sức nõng của tay mỏy: là khối lượng lớn nhất của vật mà robot cú thể nõng được trong điều kiện nhất định (như khi tốc độ dịch chuyển cao nhất hoặc khi tay với dài nhất). Do đõy chỉ là mụ hỡnh thớ nghiệm nờn trọng lượng của chi tiết mà robot cần phải nõng nhỏ nờn ta dựng truyền động khớ nộn để nõng vật.
- Số bậc tự do: đõy là robot 2 bậc tự do (chuyển động quay xung quanh trục Z, chuyển động tịnh tiến theo trục X).
- Độ chớnh xỏc định vị: thể hiện khả năng chi tiết sau khi lật và đặt xuống đỳng vị trớ ban đầu sau khi tay mỏy quay 1800
. Robot trong hệ thống yờu cầu phải đạt độ chớnh xỏc định vị ±1mm. Với việc định vị bằng đầu cụn tự lựa cú độ tin cậy
tương đối cao, điều khiển động cơ bước bằng chớp và điều khiển robot bằng VĐK ta cú thể đạt độ chớnh xỏc định vị ±1mm.
- Tốc độ dịch chuyển của robot khoảng 100 mm/s ( 6m/phỳt ). - Đặc tớnh của hệ điều khiển:
- Kiểu điều khiển: ta dựng kiểu điều khiển điểm - điểm (point to point). Cỏc điểm mà robot cần tới được đặt cố định và được xỏc định bằng việc hạn chế hành trỡnh đối với chuyển động tịnh tiến, và được định vị bằng động cơ bước điều khiển bằng chớp đó được lập trỡnh trước.
- Robot sẽ được điều khiển bằng VĐK.
b. Cấu tạo
Phần cố định được gỏ trờn bàn cố định. Đế và tấm đỡ trờn gắn trục dẫn hướng để dẫn hướng cho chi tiết khối đỡ đi lờn, đi xuống nhờ xi lanh khớ nộn kộo theo toàn bộ cụm cỏnh tay của robot đi lờn, đi xuống theo.
Hỡnh 3.12 Mụ hỡnh cỏnh tay robot lật
Phần chuyển động
- Phần lờn xuống: gồm cỏc phần nối được định vị bằng cỏc cặp chốt và kẹp chặt bằng bulụng.
- Phần quay và kẹp chi tiết.
Hỡnh 3.13 Mụ hỡnh phần quay và phần kẹp chi tiết của robot lật
Chuyển động quay của tay kẹp rụbốt được tỏc động bởi động cơ bước nam chõm vĩnh cửu (sử dụng nguồn một chiều). Khi nhận được tớn hiệu điều khiển từ cụm PLC động cơ bứơc sẽ quay nửa vũng truyền chuyển động qua bỏnh răng làm cụm kẹp chi tiết cú tay kẹp và mỏ kẹp quay theo nờn chi tiết được quay 1800
.
Cơ cấu tay kẹp là cơ cấu bỡnh hành đảm bảo trong quỏ trỡnh chuyển động của mỏ kẹp thỡ 2 bề mặt đối diện của 2 mỏ kẹp luụn song song với nhau.
Nguồn cung cấp chuyển động là xilanh khớ nộn 2. Khi cấp khớ nộn vào xilanh, pittụng sẽ chuyển động tịnh tiến đẩy Cụm chuyển động gắn trờn đầu pittụng, tịnh tiến theo chiều mũi tờn, cụm này được dẫn hướng bởi 2 trục dẫn hướng đảm bảo sự ổn định cho hai tay kẹp hai bờn. Mỏ kẹp dạng ống, kết cấu chuyờn dựng để gắp cỏc phụi dạng trũn với kớch thước đường kớnh phụi khụng đổi.
Ưu điểm của hệ thống kẹp kiểu này là kết cấu đơn giản, điểu khiển hành trỡnh và tốc độ kẹp của mỏ kẹp đơn giản (nhờ van tiết lưu để điều khiển dũng khớ nộn). Đảm bảo sự làm việc ổn định, tin cậy của cơ cấu.
Nhược điểm của kết cấu mỏ kẹp: khi đường kớnh của phụi thay đổi thỡ ta lại phải thay đổi kớch thước đường kớnh mỏ kẹp bằng đường kớnh phụi. Để khắc phục nhược điểm này, ta cú thể dựng mỏ kẹp khối V để kẹp chi tiết với phạm vi thay đổi kớch thước tương đối rộng, nhưng lỳc này tiếp xỳc giữa bề mặt mỏ kẹp với bề mặt phụi là tiếp xỳc đường, nờn phải tớnh toỏn tăng lực kẹp so với trường hợp dựng mỏ kẹp dạng ống như trờn.
c. Nguyờn lý hoạt động
Thực hiện quỏ trỡnh lật phụi để gia cụng mặt đối diện. Sau khi phụi được gia cụng rónh xong ở vị trớ mỏy Phay dọc, phụi được bàn quay di chuyển đến vị trớ của robot lật, đến đõy bàn quay dừng và robot lật bắt đầu đi xuống gắp phụi rồi đi lờn nhờ xilanh khi nộn, tiếp đến nhờ động cơ bước nờn phụi được quay 1800
. Sau đú robot đi xuống và nhả phụi ra. Cuối cựng, robot đi lờn. Kết thỳc hành trỡnh chuyển động của rụbốt lật
3.2.4.3 Thiết kế Robot cấp phụi
Robot cú nhiệm vụ gắp phụi từ băng tải vào bàn gia cụng và gắp chi tiết đó gia cụng ra khỏi vựng gia cụng.
a. Đặc tớnh kỹ thuật
Robot được thiết kế và chế tạo trong hệ thống này là tay mỏy kiểu toạ độ trụ vỡ kết cấu robot kiều này khỏ đơn giản, dễ chế tạo, cú thể đỏp ứng được những yờu cầu của hệ thống,...
Vỡ Robot trong hệ thống chỉ dựng để gắp phụi vào bàn gia cụng và gắp chi tiết đó gia cụng xong ra khỏi vựng gia 2 bậc tự do là đủ. Nú đũi hỏi độ chớnh xỏc định vị cao. Một số thụng số kỹ thuật của robot:
- Sức nõng của tay mỏy: là khối lượng lớn nhất của vật mà robot cú thể nõng được trong điều kiện nhất định ( như khi tốc độ dịch chuyển cao nhất hoặc khi tay với dài nhất ). Do đõy chỉ là mụ hỡnh thớ nghiệm nờn trọng lượng của chi tiết mà robot cần phải nõng nhỏ nờn ta dựng truyền động khớ nộn để nõng vật.
- Số bậc tự do: đõy là robot 2 bậc tự do (chuyển động quay xung quanh trục Z, chuyển động tịnh tiến theo trục Z).
- Độ chớnh xỏc định vị: thể hiện khả năng sau khi gắp chi tiết ,rụbốt đi lờn rồi quay một gúc 750
và đặt xuống đỳng vị trớ gia cụng .Robot trong hệ thống yờu cầu phải đạt độ chớnh xỏc định vị ±1mm. Robot được điều khiển bằng PLC ta cú thể đạt độ chớnh xỏc định vị ±1mm.
- Tốc độ dịch chuyển của robot khoảng 100 mm/s ( 6m/phỳt ). - Đặc tớnh của hệ điều khiển:
- Kiểu điều khiển: ta dựng kiểu điều khiển điểm - điểm ( point to point ). Cỏc điểm mà robot cần tới được đặt cố định và được xỏc định bằng việc hạn chế hành trỡnh đối với chuyển động tịnh tiến, và được định vị bằng động cơ bước điều khiển bằng chip đó được lập trỡnh trước.
b. Cấu tạo
Hỡnh 3.14 Mụ hỡnh robot cấp phụi
Bảng kờ cỏc chi tiết của rụbụt
TT Tờn chi tiết Số lƣợng
1 Bàn đỡ rụbốt 1
2 Mỏ kẹp động 2
3 Mỏ kẹp tĩnh 2
4 Tay rụbốt 1
5 Xylanh kẹp chi tiết 2
6 Xylanh đẩy 1
Robot bao gồm cỏnh tay robot được thiết kế đặc biệt nờn cú thể vừa gắp phụi vào gia cụng vừa cú thể gắp chi tiết đó gia cụng đưa ra băng tải.
Thõn robot bao gồm xi lanh 3, trục chớnh và đế.
Trục được lắp với đế thụng qua 1 ổ bi đỡ chẵn và một ổ bi chặn.
Xi lanh được lắp với trục thụng qua giỏ đỡ hàn trờn đầu trục như hỡnh vẽ: Robot gồm cú ba chuyển động : 1 2 3 4 5 6
- Chuyển động quay quanh trục Z một gúc 750
để gắp phụi vào gia cụng. Chuyển động này dựng nguồn động lực là động cơ một chiều, cữ hành trỡnh được xỏc định bởi cỏc cụng tắc hành trỡnh.
- Chuyển động tịnh tiến theo trục Z và chuyển động kẹp được thực hiện nhờ nguồn động lực là xy lanh khớ nộn
c. Hệ thống khớ nộn trong robot
Hỡnh 3.15 Hoạt động của hệ thống khớ nộn trong robot
d. Nguyờn lý hoạt động của robot
Khi trạm cấp phụi của robot bỏo đó cú phụi đến robot sẽ tự động đi xuụng gắp phụi và đồng thời gắp chi tiết đó gia cụng. Robot tiến hành gắp phụi rồi di chuyển đi lờn đến vị trớ an toàn. Sau đú rụbốt xoay một gúc 750
đến vị trớ gia cụng trờn bàn gia cụng rồi lại đi xuống đặt phụi lờn bàn gia cụng và đầu kia của cỏnh tay rụbụt đặt chi tiết đó gia cụng xuụng băng tải để vận chuyển ra ngoài.
Chuyển động quay của robot được phỏt động nhờ động cơ bước thụng qua nối trục 2. Trục của thõn robot quay quanh trục Z nhờ được lắp chặt với 1ổ bi đỡ chặn
và 1 ổ bi chặn. Chuyển động tịnh tiến của robot theo trục Z được thực hiện bởi xilanh khớ nộn lắp trờn trục Z. Chuyển động tịnh tiến theo trục X cũng được thực hiện bằng 2 xilanh khớ nộn. Tay kẹp được thiết kế dưới dạng hai nữa khối trụ R15 ghộp với nhau để thuận lợi cho việc định vị cũng như kẹp chặt chi tiết khi di chuyển. Lực kẹp của tay kẹp được thực hiện nhờ xilanh. Thụng số cụ thể của cỏc