CHƯƠNG II. CẤU TRÚC HỆ THỐNG CIM
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ROBOT CHO HỆ THỐNG
III. Vai trò của robot trong hệ thống MiniCIM
3.2. Đặc tính công nghệ của robot công nghiệp
Các robot công nghiệp có kết cấu và đặc tính kỹ thuật khác nhau. Từ đó xác định khả năng công nghệ và phạm vi sử dụng của robot. Để hệ thống hóa các dữ liệu cần thiết khi lựa chọn robot công nghiệp cho hệ thống người ta đưa ra phương pháp phân loại robot công nghiệp theo dấu hiệu công nghệ. Cơ sở của sự phân loại đó là chia các robot công nghiệp ra các loại theo chức năng, theo đặc điểm của các bộ phận và theo nhóm robot.
Đặc điểm phân loại được xác định kết cấu, tính di động và điều khiển robot.
Kết cấu chung được xác định dựa theo sự di động của thân robot, tải trọng của robot, số lượng tay máy, hệ tọa độ, dạng truyền động, kiểu cấu tạo, độ chính xác
định vị và tính vạn năng. Tính di động của robot công nghiệp được đặc trưng bằng mức độ di động, bước di chuyển của tay máy và tính tác động nhanh. Điều khiển robot công nghiệp được đặc trưng bằng dạng điều khiển, phương pháp lập trình, khối lượng bộ nhớ của bộ điều khiển robot.
- Tính di động của thân robot: Robot công nghiệp được chia làm hai loại là loại cố định và loại di động.
+ Loại cố định: Loại này được sử dụng cho các máy để thực hiện các nguyên công chính. Chúng được lắp trên nền xưởng gần máy mà nó phục vụ. Các robot và các máy móc được phối hợp với nhau rất nhịp nhàng, chính xác nhưng khả năng công nghệ của chúng bị hạn chế bới phạm vi vùng làm việc.
+ Loại di động: Robot di động trong quá trình làm việc, di chuyển dọc theo máy trên các thanh ray hoặc các giá treo tự động. Như vậy robot di động có thể phục vụ nhiều máy dọc đường di chuyển. Do đó khả năng công nghệ được mở rộng, tuy nhiên điều kiện vận hành phức tạp hơn.
- Trọng tải của robot: Là khả năng cầm, giữ, vận chuyển đối tượng với một khối lượng quy định. Đối với các robot có nhiều tay máy thì đặc tính trọng tải của robot được xác định bằng trọng tải của tay máy lớn nhất.
+ Các robot siêu nhẹ có trọng tải nhỏ hơn 1Kg, được dùng nhiều trong nguyên công dập và lắp ghép.
+ Các robot nhẹ với trọng tải nhỏ hơn 10Kg thường có tốc độ trung bình, được trang bị nhiều loại truyền động và cơ cấu điều khiển khác nhau.
+ Các robot trung bình có trọng tải nhỏ hơn 100Kg là các robot chuyên dùng.
Cơ cấu trong đó được truyền lực bằng thủy lực. Robot này tác động chậm.
- Số lượng tay máy: Thông số này ảnh hưởng đến năng suất của robot.
+ Các robot một tay máy được sử dụng rộng rãi như vận chuyển và gá đặt các chi tiết có khối lướng nhỏ hơn 0,5Kg. Các robot này yêu cầu di chuyển nhanh và đủ độ cứng vứng trong điều kiện làm việc với tải trọng quán tính lớn.
Ưu điêm của robot một tay: Kết cấu của hệ thống điều khiển đơn giản.
Nhược điểm: Khả năng công nghệ bị hạn chế trong điều kiện thời gian máy nhỏ, cấp gá phôi có thời gian ngắn do đó không sử dụng hết công suất của robot.
+ Các robot hai tay máy với truyền động dùng để cầm, vận chuyển, cấp và tháo phôi có khối lượng từ 0,1 đến 5Kg.
Ưu điểm: Chu kỳ làm việc ngắn, hai cánh tay robot phối hợp nhịp nhàng để cấp và tháo phôi do đó giảm được thời gian của quy trình công nghệ.
Các robot loại này hai tay máy có thể có cơ cấu truyền động chung hoặc riêng.
Truyền động và điều khiển chung có kết cấu đơn giản nhưng lại hạn chế khả năng công nghệ của robot. Các robot như vậy có thể thay thế bằng robot một tay có bộ phận tóm. Các robot hai tay máy với truyền động và điều khiển riêng biệt cho phép phục vụ các thiết bị công nghệ một cách linh hoạt hơn. Nhược điểm của các loại này là sơ đồ động và cơ cấu điều khiển phức tạp, do đó lập trình phức tạp.
Các robot hai tay máy thường là các robot chuyên dùng vì nó thích hợp với biện pháp công nghệ tập trung nguyên công cao vì nó có khả năng phục vụ nhiều máy.
- Hệ tọa độ của robot: Hệ tọa độ của robot có ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng công nghệ. Các loại hệ tọa độ trong robot:
+ Hệ tọa độ hình chữ nhật.
+ Hệ tọa độ trụ.
+ Hệ tọa độ cầu.
- Dạng truyền động của robot: Cơ cấu truyền động đảm bảo cho tay máy của robot di chuyển theo hướng xác định. Các hệ thống truyền động ảnh hưởng rất lớn đến khả năng công nghệ của robot.
+ Hệ truyền động khí nén được sử dụng rộng rãi trong các robot chuyên dụng và đôi khi trong robot vạn năng có trọng tải nhỏ hơn 10Kg. Với hệ thống truyền động khí nén thì kết cấu đơn giản, an toàn, vệ sinh và giá thành chế tạo thấp. Tuy nhiên khả năng công nghệ bị hạn chế vì hệ này chỉ di chuyển cơ cấu chấp hành từ cữ chặn đến cữ chặn. Vị trí dừng trung gian chỉ có thể thực hiện được nhờ các cơ cấu phức tạp. Ngoài ra nó không điều khiển được tốc độ khi di chuyển.
+ Hệ truyền động thủy lực: Trên cơ sở xy lanh thủy lực được sử dụng rộng rãi trong các robot có trọng tải trên 5Kg.
Ưu điểm: Kết cấu nhỏ gọn, tạo ra áp lớn, cho phép điều chỉnh lực và tốc độ di chuyển của cơ cấu chấp hành. Khả năng công nghệ của robot dùng thủy lực cao hơn so với robot dùng khí nén.
Nhược điểm: Di chuyển chậm, độ nhớt của dầu phụ thuộc vào nhiệt độ. Áp suất, áp lực dầu không ổn đinh vì có sự thất thoát.
+ Hệ truyền động điện: Trong các robot công nghiệp chưa được sử dụng rộng rãi lắm vì còn thiếu những động cơ có những đặc tính yêu cầu kỹ thuật cao. Nếu được thì hệ thống này có rất nhiều ưu điểm. Trong các hệ thống truyền động điện người ta sử dụng các động cơ điện một chiều, xoay chiều và động cơ bước. Hệ truyền động điện được sử dụng trong các robot vạn năng có tải trọng khác nhau với các loại điều khiển theo vị trí, theo đường viền và theo chu kỳ.
Ưu điểm: Các robot trong truyền điện có tính linh hoạt cao, đơn giản cho sử dụng và an toàn cho hệ thống sản xuất.Các robot này tiếp xúc rất nhẹ nhàng với các thiết bị công nghệ.
Nhược điểm: Phạm vi khối lượng chưa cao vì còn thiều các hệ truyền động chuyên dùng.
- Kiểu cấu tạo của robot: Phụ thuộc vào điều kiện sản xuất và vận hành robot như môi trường nhiều bụi, thừa khí nén, nhiệt độ, độ ẩm, nguy cơ cháy nổ, các tác động điện từ, cơ khí… Các robot có kiểu cấu tạo chuẩn được sử dụng trong điều kiện bình thường. Khi điều kiện khác nhau thì dùng các kiểu robot khác nhau như robot chịu được bụi… Khi dùng trong trường hợp dễ cháy nổ thì vận tốc robot bị hạn chế, thường không vượt quá 0,5m/s.
- Độ chính xác định vị của robot: Là độ chính xác khi cánh tay robot di chuyển đến một điểm nào đó và độ chính xác lặp lại quỹ đạo đã định. Độ chính xác vị trí phải rất cao để robot có thể cầm chi tiết từ ổ tích trữ và chuyển nó đến vùng gia công. Độ chính xác định vị của robot phải phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật khi
gia công hoặc lắp ráp sản phẩm. Để nâng cao độ chính xác cần giảm tốc độ, điều này sẽ làm giảm năng suất:
+ Các robot có độ chính xác thấp với độ chính xác định vị lớn hơn 1mm được sử dụng để vận chuyển trong các nguyên công sơn, hàn.
+ Các robot có độ chính xác trung bình, độ chính xác định vị từ 0,1 đến 1mm được sử dụng rộng rãi hơn. Có thể đạt được độ chính xác này bằng hệ thống điều khiển theo chu kỳ, theo vị trí và theo đường viền với tốc độ di chuyển trong phạm vi từ 0,1 đến 1m/s. Các robot này đáp ứng được nhiều yêu cầu phục vụ khác nhau.
+ Các robot có độ chính xác định vị cao với sai số định vị nhỏ hơn 0,1mnm được sử dụng trong lắp ráp với hệ thống điều khiển theo vị trí.
- Tính vạn năng của robot: Thông số này được xác đinh theo độ phù hợp giữa robot công nghiệp với quá trình thực hiện gia công. Các robot chuyên dùng đêu đáp ứng được yêu cầu đó, vì vậy chúng đơn giản hơn, kinh tế hơn và thuận tiện hơn trong quá trình sử dụng. Các robot công nghiệp chuyên dùng có khả năng thực hiện các nguyên công cùng loại và trong phạm vi của nguyên công này có tính linh hoạt cần thiết. Khả năng công nghệ của các robot chuyên dùng được mở rộng nhờ thay đổi kết cấu của robot cho phù hợp với điều kiện sản xuất. Các robot vạn năng có khả năng thực hiện nhiều nguyên công khác nhau đối với nhiều chủng loại chi tiết. Các robot này từ năm bậc tự do trở lên, chúng có khả năng được chuyển đổi sang công việc khác và có khả năng lập trình lại nhanh chóng tuy nhiên giá thành các loại robot này cao hơn các robot công nghiệp chuyên dùng và sử dụng cũng phức tạp hơn.
- Bậc tự do của robot. Đặc tính này để thực hiện các chuyển động phức tạp.
Bậc tự do được chia ra bậc tự do di chuyển và bậc tự do định hướng. Bậc tự do di chuyển thực hiện các chuyển động vận chuyển bằng tay máy còn bậc tự do định hướng thực hiện gá đặt phôi. Tính vạn năng của robot công nghiệp được xác định bằng số bậc tự do của nó. Số bậc tự do ≤ 3 đặc trưng cho robot chuyên dùng, số bậc tự do trung bình ≤ 6 được dùng cho các robot vạn năng và chuyên dùng. Số bậc tự do >6 được dùng rất ít vì nó làm cho kết cấu và việc lập trình rất phức tạp.
Từ đó ta thấy robot 5 ÷ 6 bậc tự do cho phép phối hợp tối ưu các dịnh chuyển cần thiết cho các thiết bị công nghệ.
- Bước di chuyển của cánh tay robot là đại lượng dịch chuyển của nó khi phục vụ thiết bị công nghệ hoặc khi thực hiện các nguyên công chính. Bước di chuyển xác định khả năng chuyển đối tượng vào vùng gia công hoặc lắp ráp và nó là thông số chính khi chọn robot để phục vụ thiết bị công nghệ.
Các tay máy có bước di chuyển ≤ 300mm được dùng cho các robot chuyên dùng cỡ nhỏ. Bước di chuyển trung bình <1000mm được dùng cho các robot trọng tải và tính vạn năng khác nhau với các hệ tọa độ chữ nhật, hình trụ đôi khi cả hình cầu. Bước di chuyển >1000mm được dùng cho các robot chuyên dùng và vạn năng tải trọng trung bình và lớn với hệ tọa độ cầu. Nếu bước di chuyển của robot tăng thì tính công nghệ của robot cũng tăng.
- Tính tác động nhanh của robot là tốc độ di chuyển trung bình của các đối tượng khi được vận chuyển. Một robot muốn hoạt động nhanh phải có tính tác
động nhanh. Tính tác động nhanh được xác định bằng tốc độ di chuyển theo các bậc tự do khác nhau, tốc độ này phụ thuộc vào khối lượng di chuyển, bước di chuyển, độ phức tạp của quỹ đạo di chuyển…Tính tác động nhanh của robot chia ra các loại sau:
+ Thấp: Tốc độ di chuyển nhỏ hơn 0,5m/s. Các robot thuộc nhóm này có trọng tải vừa và lớn, phục vụ thiết bị với chu kỳ lớn.
+ Trung bình: Tốc độ di chuyển nhỏ hơn 1m/s. Các robot này có trọng tải nhỏ và trung bình với các hệ truyền động và mức độ vạn năng hóa khác nhau. Tốc độ di chuyển này tương ứng với tốc độ chuyển động của cánh tay con người. Loại robot này được sử dụng rộng rãi.
+ Cao: Tốc độ di chuyển >1m/s. Các robot này hiện nay còn sử dụng hạn chế do thiết kết, chế tạo, vận hành phức tạp.
- Dạng điều khiển:
+ Điều khiển theo chương trình đơn giản nhất là điều khiển theo chu kỳ. Nó đảm bảo vị trí hai điểm theo các bậc tự do riêng biệt. Lập trình thông thường bằng các cữ chặn cơ khí. Hệ thống điều khiển theo chu kỳ là hệ thống đơn giản, rẻ tiền.
Các hệ thống này chủ yếu dùng trong các robot chuyên dùng để thực hiện các nguyên công với số vị trí điểm nhỏ nhất theo từng bậc tự do. Tuy nhiên điều khiển theo loại này tính vạn năng kém. Khi thay đổi công việc rất khó điều chỉnh robot do tính linh hoạt thấp.
+ Điều khiển theo vị trí có thể có từ 10 đến 100 điểm lập trình theo từng bậc tự do. Điều khiển theo vị trí tính vạn năng được tăng lên nhưng loại này không điều chỉnh được quỹ đạo chuyển động giữa các điểm cho trước và rất khó đạt được độ đồng đều của quỹ đạo chuyển động.
+ Điều khiển theo contour đảm bảo dịch chuyển của tay máy theo những quỹ đạo liên tục với một tốc độ chuyển động được lập trình liên tục. Hệ thống điều khiển được thiết lập trên nguyên tắc điều khiển liên tục và điều khiển số. Điều khiển cho phép nâng cao độ chính xác định vị và rất thuận tiện cho việc nối kết với các thiết bị công nghệ và máy tính. Tính vạn năng của điều khiển contour cao nhưng giá thành cũng cao.
+ Điều khiển theo tổ hợp là sự kết hợp các ưu điểm của các loại điều khiển theo chu kỳ, vị trí và contour.
+ Điều khiển thích nghi cho phép xác định vị trí, hình dạng và các đặc điểm khác của đối tượng thao tác. Hệ thống này cho phép tự động thay đổi chương trình điều khiển tương ứng với các tín hiệu nhận được. Điều khiển thích nghi cho phép hạn chế các đồ gá phức tạp để dịnh hướng và định vị chi tiết, do đó giảm được thời gian điều chỉnh robot khi chuyển sang nguyên công mới.
- Phương pháp lập trình là viết và nạp chương trình điều khiển với mục đích điều khiển robot. Khi lập trình nhất thiết phải viết dưới dạng chương trình các dạng thông tin sau đây:
+ Thứ tự thực hiện các thành phần của chuyển động.
+ Vị trí các cơ cấu của cánh tay robot.
+ Cơ cấu dịch chuyển thân robot.
+ Thời gian thực hiện các thành phần chuyển động.
Ngoài ra có lúc cần phải ghi cả tốc độ dịch chuyển của các cơ cấu của cánh tay robot, lực tác động, các lệnh điều khiển công việc. Tất cả các lệnh và thông tin được chuyển đến máy tính để điều khiển robot. Tùy thuộc vào phương pháp nạp thông tin vào cơ cấu điều khiển của robot người ta phân biệt các phương pháp lập trình sau:
+ Lập trình bằng tay là phương pháp lập trình đơn giản nhất, nó được sử dụng nhiều, thực hiện bằng sự tham gia trực tiếp của cán bộ phục vụ. Phương pháp này sử dụng cho các robot với hệ thống điều khiển theo chu kỳ, vị trí và contour.
+ Lập trình tự động là phương pháp lập trình có sự trợ giúp của các hệ thống tự động hóa và được sử dụng cho các robot với hệ thống điều khiển theo vị trí và contour.
+ Tự lập trình được ứng dụng trong các robot công nghiệp với các cơ cấu cảm biến hiện đại và điều khiển thích nghi.
- Khối lượng bộ nhớ của cơ cấu điều khiển robot.
Đặc trưng cho cơ cấu điều khiển của robot là khối lượng bộ nhớ xác định lượng thông tin này thường được nạp dưới dạng các lệnh. Lệnh mà phần tử riêng biệt của chương trình được cấu tạo từ nhóm lệnh xác định địa chỉ mà trong đó các lệnh được thực hiện và đảm bảo quá trình kiểm tra và việc thực hiện các lệnh.
Khối lượng bộ nhớ nhỏ từ 10 đến 100 lệnh được đặc trưng cho các robot với hệ điều khiển theo chu kỳ, vị trí, contour. Khối lượng bộ nhớ lớn hơn 600 lệnh đặc trưng cho các robot điều khiển theo contour và điều khiển thích nghi.
B - TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ROBOT.