T r a n g 21 | 108
1.8.1.3. Hệ toạ độ công cụ (The tool coordinate system):
Xác định vị trí của cơng cụ mà robot sử dụng khi thực hiện các mục tiêu đƣợc lập trình.
Hệ tọa độ cơng cụ có vị trí gốc O ở điểm giữa của cơng cụ. Nó xác định vị trí và hướng của dụng cụ. Hệ thống tọa độ công cụ thường được viết tắt là TCPF (Tool Centre Point Frame) và trung tâm của hệ tọa độ công cụ được viết tắt là TCP (Tool Center Point). Khi TCP robot di chuyển đến các vị trí lập trình, khi thực hiện các chương trình. Điều này có nghĩa là nếu bạn thay đổi cơng cụ (hệ tọa độ công cụ) các chuyển động của robot sẽ được thay đổi vì thế sẽ có TCP mới xuất hiện để thực hiện được mục tiêu. Tất cả các robot đều có hệ tọa độ cơng cụ được xác định trước nằm ở cổ tay của robot gợi là tool. Một hoặc nhiều hệ tọa độ cơng cụ mới có thể được xác định dựa vào tool. Khi robot hoạt động, hệ tọa độ của công cụ rất hữu ích khi người dùng khơng muốn thay đổi hướng của cơng cụ trong suốt q trình di chuyển, ví dụ như di chuyển một lưỡi cưa mà khơng cần uốn cong nó.
T r a n g 22 | 108
1.8.1.4. Hệ toạ độ World (The world coordinate system):
Dùng để xác định robot cell, tất cả các hệ tọa độ khác đều có sự liên quan đến hệ toạ độ World theo cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Đây là hệ tọa độ rất hữu ích cho việc xử lý một số robot hoặc khi robot di chuyển bởi theo các trục bên ngoài.
A: Hệ tọa độ cơ bản cho robot 1 B: Hệ tọa độ World
C: Hệ tọa độ cơ bản cho robot 2
Hệ tọa độ World có điểm gốc O nằm trên một vị trí cố định trong ơ hay trạm. Điều này làm cho nó hữu ích cho việc xử lý một số robot hoặc robot di chuyển bởi các trục bên ngoài. Theo mặc định, hệ tọa độ World trùng với hệ tọa độ cơ bản.
T r a n g 23 | 108
1.8.1.5. Hệ toạ độ người dùng ( The user coordinate system):
A: Hệ tọa độ người dùng B: Hệ tọa độ world
C: Hệ tọa độ đối tượng công việc D: Hệ tọa độ người dùng đã di chuyển
E: Hệ tọa độ đối tượng công việc đã di chuyền cùng với hệ tọa độ ngừời dùng. Hệ tọa độ ngƣời dùng có thể đƣợc sử dụng để đại diện cho các thiết bị cố định như sàn làm việc. Điều này hữu ích cho việc robot cầm nắm di chuyển hàng hóa.
T r a n g 24 | 108
1.8.1.6. Hệ tọa độ chuyển vị (The displacement coordinate system):
A Vị trí ban đầu B Hệ tọa độ C Vị trí mới
D Hệ thống tọa độ di chuyển
Đôi khi cùng một đối tượng nhưng sẽ thực hiện một số vị trí theo một đƣờng dẫn, hoặc thực hiện một số cơng việc ở vị trí kế tiếp nhau để tránh phải xác định lại vị trí ứng với mỗi lần một hệ thống chuyển vị Hệ thống này cần có sự phối hợp với các thuật tốn tìm kiếm, để bù đắp cho sự khác biệt về vị trí của từng phần. Hệ tọa độ chuyển vị được xác định dựa trên hệ tọa độ của đối tượng.
1.8.2. Quỹ đạo
Quỹ đạo là vấn đề chung trong điều khiển robot, vì để hồn thành nhiệm vụ cụ thể của mình thì trước hết phần cơng tác phải di chuyển theo đúng quỹ đạo xác định. Nói cách khác, quỹ đạo là yếu tố cơ bản để mô tả hoạt động của robot. Việc thiết kế quỹ đạo cung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển nên cũng là cơ sở trực tiếp cho việc điều khiển robot và cũng là nhân tố quan trọng trong việc thiết kế chi tiết cơ
T r a n g 25 | 108
khí của robot. Thuật ngữ quỹ đạo chuyển động hay gọi tắt là quỹ đạo gồm đồ thị hình dáng đường dịch chuyển và thời gian thực hiện chuyển động đó như vận tốc, gia tốc. Vì vậy bài tốn thiết kế quỹ đạo liên quan đến các vấn đề động học và động lực học.
Các yếu tố đầu vào của bài toán bao gồm đường dịch chuyển và các điều kiện ràng buộc về động học và động lực học.
Các yếu tố đầu ra là quỹ đạo của phần cơng tác. Nói chung, mơ tả chính xác đường dịch chuyển là rất khó khăn. Người ta giảm bớt các tham số bằng cách quy định các điểm biên của vùng hoạt động, thêm các điểm trung gian mà đường phải đi qua, sau đó xấp xỉ (nội suy) bằng các đường đơn giản. tương tự như vậy, yếu tố thời gian của quỹ đạo không thể xác định cho từng điểm mà thường quy định cho cả đoạn đường. Chúng cũng thường được quy định bằng các giá trị giới hạn như vận tốc cho phép, hay gia tốc cho phép, hoặc gán bằng các giá trị mặc định. Thuật toán thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp yêu cầu:
Khơng địi hỏi tính tốn q nhiều.
Vị trí, vận tốc, có thể cả gia tốc của các khớp phải được biểu diễn bằng các hàm liên tục;
Giảm thiểu các hiệu ứng bất lợi, ví dụ quỹ đạo khơng trơn. Dạng đơn giản của quỹ đạo là chuyển động điểm điểm, nếu thêm các điểm trung gian thì quỹ đạo có dạng chuyển động theo đường.
Chuyển động điểm điểm:
Sử dụng cho một số loại robot như robot hàn điểm, tán đinh, xếp dỡ vật liệu, trong dạng chuyển động này, người ta chỉ quan tâm đến các tọa độ điểm đầu, điểm cuối của đường dịch chuyển và thời gian chuyển động giữa các điểm đó chứ khơng quan tâm đến dạng hình học của đường dịch chuyển.
Chuyển động theo đường:
Trong nhiều hoạt động như hàn hồ quang, sơn, xếp dỡ vật liệu trong khơng gian có nhiều chướng ngại vật, robot cần được điều khiển theo đường. Khi đó số lượng
T r a n g 26 | 108
điểm của mỗi đường lớn hơn hai. Đó có thể khơng chỉ là điểm phải đi qua đơn thuần mà tại đó có thể phải khống chế cả vận tốc và gia tốc để đáp ứng yêu cầu công nghệ. Các điểm như vậy gọi là các điểm chốt, số lượng điểm này nhiều hay ít tùy thuộc yêu cầu độ chính xác của quỹ đạo.
T r a n g 27 | 108
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Sau khi đã có yêu cầu bài toán cụ thể được đặt ra ở chương 1, bước tiếp theo, ở chương 2 tiến hành phân tích, lựa chọn kết cấu tay máy, bộ phận công tác và cơ cấu tác động phù hợp, đáp ứng tốt yêu cầu chuyển đồ từ vị trí ban đầu sang điểm khác.
2.1. Yêu cầu của việc gắp và sắp xếp sản phẩm:
Để lựa chọn được kết cấu tay máy cho phù hợp, trước hết cần phải biết được yêu cầu của việc gắp và sắp xếp sản phẩm. Ngày nay trong các dây chuyền sản xuất, sản phẩm thường được đóng gói trong các hộp giấy để tiện cho quá trình lưu trữ và vận chuyển. Trong quá trình sắp xếp vận chuyển cần đảm bảo sao cho sản phẩm bên trong hộp không bị rung lắc, hoặc nghiêng gây đè nén, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của sản phẩm. Ngoài ra khi sắp xếp sản phẩm lên pallet, nếu hộp chứa sản phẩm bị nghiêng sẽ dễ dàng gây ra va chạm giữa góc hộp với pallet, gây móp hộp hoặc va chạm giữa sản phẩm đang gắp với các sản phẩm khác đã được sắp xếp trên pallet, gây mất vị trí giữa các sản phẩm. Do đó yêu cầu đặt ra là trục của bộ phận cơng tác phải ln vng góc với mặt phẳng ngang và quá trình gắp nhả sản phẩm phải diễn ra đều đặn tránh tình trạng rung lắc mạnh.
2.2. Lựa chọn cơ cấu tay máy:
Hiện tại có một số cơ cấu tay máy phù hợp với yêu cầu gắp và sắp xếp sản phẩm được nêu ra.
2.2.1. Cơ cấu tay máy 1
Cơ cấu tay máy 1 là cơ cấu tay máy Scara, một trong những tay máy phổ biến trong công nghiệp. Tay máy có cấu tạo gồm 3 khớp xoay và một khớp tịnh tiến có trục song song với nhau giúp bộ phận cơng tác của tay máy có khả năng di chuyển tốt trong không gian vùng làm việc. Các khớp xoay hoạt động nhờ động cơ điện có
T r a n g 28 | 108
cơ cấu phản hồi. Khớp tịnh tiến hoạt động nhờ xi lanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng.
❖ Ưu điểm:
Trục của bộ phận cơng tác ln vng góc với mặt phẳng ngang, phù hợp trong việc gắp và sắp xếp sản phẩm.
Cơ cấu và chuyển động của tay máy đơn giản.
❖ Khuyết điểm:
Khả năng mang tải của tay máy nhỏ hơn so với các loại tay máy khác. Không gian làm việc của tay máy bị hạn chế theo phương thẳng đứng.
Tay máy chiếm nhiều diện tích hơn so với các loại tay máy khác, do đó gặp khó khăn trong các khơng gian làm việc chật hẹp.
2.2.2. Cơ cấu tay máy 2
Nhận thấy nhu cầu cấp thiết trong việc gắp và sắp xếp sản phẩm, các hãng sản xuất tay máy công nghiệp lớn trên thế giới như ABB và Kuka đã cho ra đời dòng tay máy “Palletizing robot” chuyên dụng. Trong hình 24 và 25là hai trong số các tay máy thuộc dịng này. Tay máy 2 trong hình 24 có cấu tạo gồm 5 khớp xoay. Trong đó
T r a n g 29 | 108
động cơ được bố trí tại khớp xoay θ4 có nhiệm vụ chủ yếu, đảm bảo cho trục của khâu cuối ln vng góc với mặt phẳng ngang.
❖ Ưu điểm:
Trục của bộ phận công tác ln vng góc với mặt phẳng ngang, phù hợp trong việc gắp và sắp xếp sản phẩm.
Cơ cấu và chuyển động của tay máy đơn giản.
Tay máy khơng chiếm nhiều diện tích so với cơ cấu tay máy 1, hoạt động tốt trong vùng không gian chật hẹp.
Tay máy có khả năng vươn lên để gắp các sản phẩm trên cao.
❖ Khuyết điểm:
Do động cơ được bố trí tại các khớp xoay của tay máy, do đó khối lượng của cánh tay tăng lên đáng kể, đòi hỏi động cơ tại các khớp xoay đặc biệt là tại khớp xoay θ2 phải có cơng suất và mơ men lớn để đảm bảo khả năng mang tải của tay máy.
T r a n g 30 | 108
2.2.3. Cơ cấu tay máy 3:
Tay máy 3 trong hình 2.4 là tay máy có 4 bậc tự do và có cấu tạo gồm 4 khớp xoay: θ1 , θ2 , θ3 và θ4 . Tay máy 3 có cấu tạo gồm 2 hình bình hành là ABCD và DEFG có tác dụng đảm bảo cho trục của bộ phận công tác ln ln vng góc với mặt phẳng ngang mà không phụ thuộc vào động cơ tại các khớp xoay.
❖ Ưu điểm:
Trục của bộ phận công tác ln vng góc với mặt phẳng ngang, phù hợp trong việc gắp và sắp xếp sản phẩm.
Tay máy khơng chiếm nhiều diện tích so với cơ cấu tay máy 1, hoạt động tốt trong vùng không gian chật hẹp.
Tầm với của tay máy cao hơn so với cơ cấu tay máy 1, có khả năng vươn lên để gắp các sản phẩm trên cao.
Nhờ có cơ cấu 2 hình bình hành mà tay máy có khả năng nâng được tải nặng với động cơ có mơ men và cơng suất nhỏ hơn so với cơ cấu tay máy 1 và 2.
T r a n g 31 | 108
❖ Khuyết điểm:
Do động cơ được bố trí tại các khớp xoay của tay máy, do đó khối lượng của cánh tay tăng lên đáng kể, đòi hỏi động cơ tại các khớp xoay đặc biệt là tại khớp xoay θ2 phải có cơng suất và mơ men lớn để đảm bảo khả năng mang tải của tay máy.
Kết luận: Do bài toán được đặt ra ở là gắp sản phẩm từ băng tải và sắp xếp lên
pallet. Băng tải được bố trí ở sát góc tường, do đó môi trường làm việc bị giới hạn. Dựa vào yêu cầu và môi trường làm việc thực tế nêu trên, loại cơ cấu tay máy 1. Cơ cấu tay máy 3 có ưu điểm vượt trội hơn so với cơ cấu tay máy 2 trong việc gắp và sắp xếp sản phẩm cũng như khả năng mang tải. Do đó, loại cơ cấu tay máy 2. Vì vậy trong luận văn sẽ tiến hành thiết kế tay máy gắp sản phẩm theo cơ cấu tay máy 3.
2.3. Lựa chọn cơ cấu tác động.
Xét về khía cạnh điều khiển và vận hành, động cơ điện dễ điều khiển và có thể thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt. Động cơ điện gồm các loại động cơ một chiều, xoay chiều thông thường và động cơ servo. Trong đó động cơ servo được sử dụng phổ biến nhất, vì được điều khiển tự động bằng một hệ thống điều khiển có phản hồi. Tín hiệu phản hồi được lấy từ cảm biến (encoder), từ đó sinh ra tín hiệu điều khiển vận tốc và chiều quay của động cơ. Do đó, trong luận văn xem xét lựa chọn một trong hai loại động cơ để truyền động cho tay máy là DC servo và AC servo.
❖ DC servo
Ưu điểm:
➢ Kích thước bên ngồi nhỏ.
➢ Mơ men của động cơ lớn.
➢ Dễ điều khiển.
T r a n g 32 | 108
Nhược điểm:
➢ Độ tin cậy thấp.
➢ Phải chuyển nguồn xoay chiều thành một chiều để sử dụng.
❖ AC servo Ưu điểm:
➢ Sử dụng trực tiếp nguồn xoay chiều.
➢ Điều khiển vị trí đạt được độ chính xác nhất định.
➢ Tốc độ động cơ cao.
➢ Mô men của động cơ lớn.
➢ Tuổi thọ cao.
Nhược điểm:
➢ Giá thành cao.
➢ Mạch điều khiển phức tạp.
Kết luận: Do động cơ AC servo có những ưu điểm vượt trội như tốc độ cao, mơ men lớn, điều khiển vị trí chính xác, phù hợp với các yêu cầu của tay máy gắp sản phẩm. Đặc biệt, động cơ sử dụng nguồn xoay chiều nên thuận tiện dùng trong cơng nghiệp. Do đó trong luận văn sử dụng động cơ AC servo để truyền động cho toàn bộ tay máy.
2.4. Lựa chọn bộ phận công tác:
Tùy theo công dụng của từng loại tay máy mà ở khâu cuối của tay máy được trang bị các bộ phận công tác khác nhau. Hiện tại trên thị trường có nhiều chủng loại bộ phận cơng tác do nhiều hãng sản xuất. Các bộ phận công tác thường được sử dụng cho tay máy gắp sản phẩm dạng hộp gồm có bộ phận cơng tác dạng giác hút chân không và bộ phận công tác dạng tay kẹp.
T r a n g 33 | 108
❖ Bộ phận công tác dạng giác hút chân không
Bộ phận công tác dạng này sử dụng các giác hút chân không được cố định trên một mặt phẳng ngang để hút lấy mặt trên của hộp chứa sản phẩm. Các giác hút này sử dụng lực hút chân không để nhấc hộp chứa sản phẩm lên và ngắt lực hút chân không để nhả sản phẩm.
Ưu điểm:
Cơ cấu đơn giản hơn so với các bộ phận công tác dạng khác.
Dễ dàng trong việc nâng các sản phẩm có bề mặt tiếp xúc rộng như các tấm kim loại.
Do sử dụng lực hút chân không tác động trực tiếp lên sản phẩm nên cơ cấu tác động nhanh.
Khuyết điểm:
Gặp khó khăn đối với các sản phẩm có bề mặt tiếp xúc nhỏ hoặc khơng bằng phẳng.
T r a n g 34 | 108
Trường hợp sản phẩm bên trong hộp quá nặng, các giác hút chân khơng có khả năng gây biến dạng nắp hộp.
Khi gặp sự cố mất điện đột ngột, lực hút chân khơng khơng cịn nữa, dẫn đến sản phẩm bị rớt, gây nguy hiểm đến người xung quanh và gây hư hại sản phẩm.
❖ Bộ phận công tác dạng tay kẹp
Bộ phận công tác dạng tay kẹp (điển hình như tay kẹp FlexGripper – Clamp của hãng ABB ) sử dụng cơ cấu chính gồm hai má kẹp song song với nhau. Trong đó, một má kẹp được giữ cố định (má kẹp A), má kẹp còn lại (má kẹp B) chuyển động tịnh tiến nhờ một xylanh khí nén chính. Trên má kẹp B cịn được bố trí thêm một giá đỡ bản lề L hoạt động nhờ một xylanh khí nén phụ để tăng khả năng mang tải của tay