5.1. Các thông số kỹ thuật của robot công nghiệp:
động học
ngược điều khiển Phát động Chấp hành Tay máy
Biến đổi xd qd q - + x
điều khiển Phát động Chấp hành Tay máy
Biến đổi xd
- +
Tương tự như thiết kế máy để bắt đầu thiết kế robot công nghiệp phải bắt đầu từ xem xét các đặc tính của đối tượng. Trên cơ sở đó đặt bài toán tính toán bắt đầu với những dữ liệu nào, cần xác định những thông số nào trong điều kiện những ràng buộc nào cần thỏa mãn. Robot công nghiệp giống như máy công cụ CNC ở chỗ chúng cùng là các hệ điều khiển nhiều trục đồng thời, hệ dẫn động tương tự như nhau, nguồn chuyển động đảm nhiệm chức năng của hộp tốc độ trên phương diện điều chỉnh tốc độ phù hợp, phần cơ khí thường rất nhỏ gọn và giữ chức năng khuyếch đại mômen, tạo tính tự hãm cho cơ cấu.
Robot là một tay máy vạn năng có thể lập trình lại, song để có độ chính xác cao nhất với giá thành nhỏ nhất thì cần hạn chế tối đa tính vạn năng của nó. Các bài toán đặt ra khi thiết kế sẽ xác định mức độ chi phí của bản thiết kế khi thực hiện.
Với robot người ta quan tâm đến các thông số sau:
5.1.1. Sức nâng của tay máy:
Đó là khối lượng (kg) mà robot có thể nâng được (không kể tự trọng bản thân của các khâu thuộc cánh tay) trong những điều kiện nhất định, ví dụ khi tốc độ dịch chuyển cao nhất hoặc khi tầm với lớn nhất. Nếu robot có nhiều tay thì đó là tổng sức nâng của các tay phối hợp với nhau, thông số này quan trọng với các thông số vận chuyển lắp ráp…Các robot có sức nâng lớn thường dùng hệ truyền động điện hoặc thủy lực, khuynh hướng sử dụng động cơ điện ngày càng tăng, truyền động khí nén thường chỉ áp dụng với các tay máy đòi hỏi sức nâng dưới 40(kg). Đối với một số kiểu robot người ta còn quan tâm đến lực hoặc mô men lớn nhất mà cánh tay hoặc bàn tay có thể tạo ra.
5.1.2. Số bậc tự do của phần công tác:
Đó là tổng số các tọa độ mà phần công tác có thể dịch chuyển so với thân robot. Số bậc tự do càng lớn thì hoạt động của robot càng linh hoạt nhưng điều khiển nó càng phức tạp, thống kê thực tế cho thấy phần lơn robot có 4 – 5 bậc tự do.
Vì phần kẹp không được tính vào bậc tự do, trên thực tế bậc tự do được tạo ra bởi hai phần chính là cánh tay và cổ tay.
Công thức tổng quát để tính số bậc tự do của một cấu trúc là: DOF = 6n – i.ki
Trong đó n là số khâu chuyển động đựơc của cấu trúc, i là số khớp loại i.
Để phù hợp về dẫn động các khớp không gian (khớp cầu, khớp trụ..) được tạo thành bằng cách phối hợp các khớp loại 5, như vậy với chuỗi động hở số khâu bằng số khớp và bằng bậc tự do. Nhận định này chỉ đúng khi các điều kiện nêu trên thỏa mãn, chú ý khi vận dụng.
5.1.3. Vùng công tác:
Vùng công tác hay vùng làm việc diễn đạt không gian quanh robot, đó là tập hợp những điểm mà bàn kẹp hay dụng cụ trong bàn kẹp có thể thỏa mãn đồng thời cả định vị và định
hướng tại điểm bất kì thuộc vùng đó. Đôi khi người ta cũng hiểu là chỉ cần đạt được định vị. Khi nói đến vùng làm việc người ta nói đến hai yếu tố, là hình dạng của nó và các kích thước đặc trưng để mô tả vùng đó. Kích thước của vùng làm việc không chỉ phụ thuộc vào kích thước các khâu mà cả thứ tự chuyển động của các khâu.
Một thông số khác liên quan đến vùng làm việc là tầm với của cánh tay, tầm với tăng mức độ mất ổn định cũng gia tăng, đồng thời độ chính xác giảm.
Vùng làm việc là một miền liên tục song trong đó lại chứa những điểm mà khâu tác động sau cùng không thể vươn tới do các giới hạn về kết cấu, thuật ngữ chuyên môn gọi các điểm này là lỗ trống.
5.1.4. Độ chính xác định vị:
Độ chính xác định vị thể hiện khả năng đối tượng đạt được chính xác tới điểm đích. Đó là một thông số quan trọng, ảnh hưởng đến sự thao tác chính xác của phần công tác và khả năng bám quỹ đạo của nó. Đối với thiết bị điều khiển số, độ chính xác định vị liên quan đến hai vấn đề, độ phân giải điều khiển và độ chính xác lặp lại.
5.1.5. Tốc độ dịch chuyển:
Xét về yếu tố năng suất người ta mong muốn tốc độ dịch chuyển nói chung càng cao càng tốt. Tuy nhiên về mặt có học, tốc độ cao sẽ dẫn đến những vấn đề như giảm tính ổn định, lực quán tính lớn, các cơ cấu ma sát mòn nhanh hơn.
Xét về mặt điều khiển với độ phân giải sẵn có của bộ điều khiển, khi tăng tốc độ dịch chuyển có thể làm giảm độ chính xác định vị. Vì vậy vấn đề chọn tốc độ dịch chuyển hợp lí cũng đặt ra khi thiết kế và lựa chọn robot.
5.1.6. Đặc tính của bộ điều khiển:
Robot là sản phẩm cơ điện tử nên ngoài khâu khớp còn có bộ não của robot là các thiết bị điều khiển.
Kiểu điều khiển: có hai kiểu điều khiển hay dùng nhất cho RBCN là điều khiển điểm - điểm
và điều khiển contuor. Điều khiển điểm - điểm thường dùng cho các robot hàn điểm, tán đinh, vận chuyển. Điều khiển contuor dùng cho các robot hàn đường, phun sơn, tạo mẫu…
Dung lượng bộ nhớ: Bộ nhơ trên robot hiện đại chia làm hai phần:
Bộ nhớ hệ thống lưu trữ các phần mềm hệ thống, phần mềm công dụng chung như hệ điều hành, dữ liệu máy, các mô đun chương trình tính toán động học, động lực học.
Bộ nhớ chương trình dùng lưư trữ các chương trình ứng dụng do người dùng tạo ra. Thường bộ nhớ chương trình là RAM, dung lượng của nó là một thông số đáng quan tâm.
Giao diện với các thiết bị ngoại vi: Các thiết bị ngoại vi là các thiết bị mà robot phải phục vụ
hay phối hợp làm việc. Chẳng hạn máy công cụ, phương tiện vận chuyển như băng tải, máng tải, thiết bị đo lường, hoặc các thiết bị hiển thị, in ấn nhập dữ liệu…Hầu hết các robot phục vụ
trong dây chuyền có khả năng ghép nối trong hệ CIM thông qua giao diện truyền thông chuẩn. Điều này có thể giúp mở rộng khả năng công nghệ vốn có của robot ra ngoài đặc tính chuẩn của nó, thông qua việc xây dựng dữ liệu bằng ngôn ngữ chuẩn của nhà sản xuất sau đó kết nối vào từ bên ngoài.
Các tiện ích: Tiện ích của robot bao gồm lập trình có trợ giúp đồ họa, hệ thống dạy - học, mô
phỏng gia công. Những tiện ích này làm cho robot thân thiện hơn với người sử dụng.
5.2. Thiết kế và tổ hợp robot:
Thiết kế robot gồm hai mảng công việc chính, thiết kế cấu trúc cơ khí và thiết kế phần điều khiển. Thiết kế cấu trúc cơ khí cũng tuân thủ các nguyên tắc chung của thiết kế máy. Nhìn chung các bậc tự do dẫn động độc lập, sử dụng các nguồn dẫn động tiêu chuẩn. Những điều này là điều kiện thuận lợi để xây dựng các môđun cơ khí chuẩn. Các mô đun quay thân, mô đun cổ tay, mô đun nâng hạ cánh tay…trên cơ sở đó các robot có chức năng và hình dạng vùng làm việc được tạo ra bằng cách ghép các mô đun có chức năng và công suất tương ứng với nhau.
Xuất phát từ yêu cầu công nghệ: Robot có tính vạn năng song mỗi robot được thiết kế và chế
tạo để trực tiếp thực hiện, hoặc phục vụ cho một quá trình sản xuất cụ thể. Vì vậy các thông số kỹ thuật của robot phải đáp ứng được các yêu cầu công nghệ của quá trình sản xuất cụ thể đó. Mỗi một quá trình công nghệ có đặc điểm riêng, cần nghiên cứu kĩ trước khi bắt tay vào thiết kế.
Đảm bảo sự đồng bộ với hệ thống: Robot phải làm việc trong hệ thống công nghệ cùng với
các đối tượng khác, nên chúng phải làm việc theo đúng nhịp độ để có thể phối hợp theo đúng ý đồ. Vì vậy trạng thái của robot cũng như các đối tượng káhc phải được giám sát thường xuyên, thực chất đây là nội dung nằm trong thiết kế phần điều khiển.
Chọn kết cấu điển hình: Tương tự như thiết kế máy, quá trình thiết kế robot cũng có tính kế
thừa, căn cứ trên mẫu các thiết kế đã có, các kết cấu điển hình, đã làm việc ổn định mà không cần cải tiến sửa đổi gì hơn nữa sẽ được giữ lại. Sự phát triển cao của kỹ thuật này là tạo ra các mô đun tiêu chuẩn. Khi cần có một robot mới, sẽ tổ hợp các mô đun có chức năng và công suất phù hợp với nhau để đáp ứng tốc độ xây dựng thiết bị.
Đảm bảo sự hòa hợp giữa robot và môi trường: Để robot bền lâu, hiệu quả an toàn và tin cậy
thì cần phải làm cho giưa các đối tượng này có sự hài hòa. Hoặc cải tạo môi trường như lọc bụi, điều hòa không khí và độ ẩm, thông gió, hoặc bảo vệ robot làm kín, cách li, làm mát cục bộ cho robot khỏi các tác động bất lợi của môi trường. Các thiết bị điện tử công nghiệp ngày nay được thiết kế chuyên dụng nên có độ thích nghi rất cao với môi trường.
Thiết kế có định hướng sản xuất: Nói về tính công nghệ trong chế tạo, hay cụ thể là tính công
nghệ trong kết cấu.
5.2.2. Các bước cần thực hiện khi thiết kế:
Robot là một máy tự động khả trình, là sản phẩm điển hình của cơ điện tử. Về nguyên tắc thiết kế giống như thiết kế máy về cơ bản.
1. Phân tích quá trình công nghệ để xác định khâu nào cần phải sử dụng robot, chú ý các công đoạn có điều kiện lao động khắc nghiệt, các công đoạn lặp đi lặp lại đơn điệu. Sơ bộ đánh giá hiệu quả sử dụng robot vào khâu đó.
2. Nghiên cứu các thông số kết cấu của đối tượng dự định sẽ xử lí bằng robot, như hình dạng, khối lượng, trạng thái vật lí, sự phân bố khối lượng của vật thể.
3. Nghiên cứu điều kiện môi trường sử dụng robot như nhiệt độ, bịu, rung động, khả năng gây cháy nổ.
4. Xác định các thông số kĩ thuật chính của robot theo yêu cầu công nghệ, từ đó tính toán các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật, lựa chọn các chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật phù hợp.
5. Phân chia kết cấu thành các cụm cơ cấu chính. Xác định cụm nào có khả năng trùng với các mô đun có sẵn, cụm nào có thể sử dụng các thiết kế tương tự, cụm nào phải thiết kế chế tạo mới hoàn toàn. Phân chia nhiệm vụ cho các cụm chuyên nghành phù hợp.
6. Tổ hợp hệ thống, thử nghiệm trên mô hình. Trong giai đoạn này nên sử dụng các kĩ thuật mô phỏng, mô hình hóa trên máy tính để giảm chi phí và thời gian thử nghiệm.
7. Chế thử, thử nghiệm robot trong phòng thiết kế và trong sản xuất.
8. Đánh giá kết cấu về tính năng kĩ thuật, công nghệ chế tạo và tính kinh tế. Từ đó đề xuất các biện pháp hoàn thiện kết cấu và công nghệ chế tạo.
Trình tự nêu trên chỉ là tương đối, tùy tình hình cụ thể có thể thêm bớt thay đổi cho phù hợp, hết sức chú ý đến việc sử dụng các mô đun tiêu chuẩn, các chi tiết công dụng chung trong bản thiết kế.
5.2.3. Thiết kế theo phương pháp tổ hợp môđun:
Mục đích của phương pháp tổ hợp mô đun, là làm giảm thời gian chuẩn bị sản xuất khi có yêu cầu thay đổi thiết bị công nghệ. Dựa trên nguyên tắc tiêu chuẩn hóa kết cấu các cụm có công dụng chung, có nguồn dẫn động độc lập, có mặt lắp ghép tiêu chuẩn. Trong từng kiểu môđun lại có nhiều gam ứng với công suất khác nhau để ứng dụng cho các mục tiêu khác nhau. Về cơ bản có thể chế tạo thêm các chi tiết phụ khác nên có thể hoàn thiện thiết bị với tính năng năng mới trong thời gian ngắn nhất.
- Giảm thời gian thiết kế và chế tạo, vì sử dụng các bản thiết kế có sẵn hoặc các cụm chế tạo có sẵn trên thị trường. Nhiệm vụ của người thiết kế mới chỉ là tổ hợp các cụm được chọn theo yêu cầu thực tế và chế tạo bổ xung các chi tiết phụ.
- Thỏa mãn các điều kiện làm việc tiêu chuẩn với kết cấu đơn giản, sử dụng được các giải pháp kết cấu tối ưu, ít phạm phải các kết cấu và chức năng thừa. Khi thay đổi yêu cầu công nghệ.
- Nâng cao chất lượng và độ tin cậy của thiết bị, vì các cụm tiêu chuẩn được chế tạo với chất lượng cao, được thử nghiệm tại các cơ sở chuyên môn hóa có kinh nghiệm, được đầu tư đầy đủ các thiết bị gia công và thử nghiệm chuyên dùng.
- Giảmgiá thành thiết bị vì các cụm được sản xuất với tính loạt cao.
- Vì các mô đun được tiêu chuẩn hóa cao nên nhiều robot sẽ cùng sử dụng chung một số mô đun nào đấy, điều này tạo sự thuận lợi khi bảo trì bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế về sau. Nhược điểm cơ bản của phương pháp tổ hợp mô đun là khó thỏa mãn các yêu cầu cá biệt. Có một số trường hợp làm cho thiết bị cồng kềnh, nặng nề, tính năng kĩ thuật không hợp lí. mặt khác phải tốn kém rất nhiều cho sự thống nhất hóa tiêu chuẩn hóa kết cấu.
Sự tiêu chuẩn hóa kết cấu nhằm giảm số lượng chủng loại sản phẩm nên luôn luôn mâu thuẫn với yêu cầu đa dạng và yêu cầu sử dụng chúng. Mặt khác sự phát triển không ngừng trong kĩ thuật vật liệu, trình độ thiết kế, công nghệ chế tạo luôn luôn có xu hướng phá vỡ tiêu chuẩn đã xây dựng. Lựa chọn chỉ tiêu để tiêu chuẩn hóa và thống nhất hóa là điều khá khó khăn, đối với robot người ta dựa trên các chỉ tiêu sau: