1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT
1.3 Độ chính xác của robot công nghiệp
1.3.1 Tổng quan về sai số và độ chính xác của robot 1.3.1.1 Tổng quan về sai số
Trong kỹ thuật, sai số hay sai lệch là sự sai khác về giá trị thực tế đạt được của một đối tượng so với giá trị mong muốn và điều này luôn luôn tồn tại trong kỹ thuật.
Robot được cấu tạo từ nhiều phần tử khác nhau, khi chế tạo và thiết lập các phần tử này thì không thể tránh khỏi những sai số, sai lệch, do vậy trong robot cũng tồn tại các sai số.
Có nhiều nguyên nhân dẫn tới sự sai khác về giá trị thực tế đạt được so với giá trị mong muốn như khả năng gia công của các máy công cụ khi chế tạo các chi tiết cơ khí của robot, khả năng của các dụng cụ đo, khả năng tính toán của máy tính, đặc tính đàn hồi của vật liệu, sự giãn nở nhiệt của vật liệu, rung động...
Nhưng chúng ta biết rằng, trong chế tạo cơ khí luôn tồn tại dung sai chế tạo là do các máy công cụ cũng có một mức độ chính xác nhất định, không thể nào luôn thực hiện gia công chính xác các bề mặt của chi tiết cơ khí cấu tạo nên robot. Các khâu trong robot có các kích thước dài, kích thước góc mà khi chế tạo thì luôn tồn tại dung sai của các kích thước này. Tương tự như vậy, các bộ truyền động cũng tồn tại các sai số do không thể khử được hết khe hở bộ truyền bánh răng hay khe hở bộ truyền vít me...
d
d
Hình 1-6: Biểu diễn sai số do dung sai, biến dạng trong khâu
Trên Hình 1-6 a biểu diễn sai số dl do dung sai kích thước dài l từ khớp thứ nhất đến khớp thứ 2 của một khâu, làm cho sai vị trí và hướng của khớp sau so với thứ trước nó, dẫn đến trục khớp quay thứ 2 bị sai vị trí so với mong muốn của người thiết kế. Hình 1-6 b biểu diễn sai số do dung sai kích thước lỗ, tạo nên khe hở, do có khe hở này mà vị trí và
a) b)
đúng sai sai đúng
c) d)
đúng sai đúng sai
hướng của khâu thứ 2 không chính xác như thiết kế, do vậy đã gây ra sai lệch vị trí dz và hướng d. Còn ở Hình 1-6 c là trường hợp biểu diễn sai số do độ dơ của khớp quay, khe hở của bộ truyền cũng như độ biến dạng xoắn của trục khớp do mô men xoắn từ động cơ truyền vào gây ra sai số kích thước góc dq, làm sai lệch vị trí và hướng của khớp.
Về sai số trong dụng cụ đo, mặc dù được chế tạo rất chính xác để đo kiểm các kích thước của chi tiết gia công nhưng độ chính xác của dụng cụ đo cũng chỉ ở một giá trị giới hạn, độ phân giải (độ "mịn") của thang đo cũng là nguyên nhân gây sai số. Ngoài ra, khi nhận giá trị đo, cách thức đo do người đo thực hiện cũng có thể xảy ra các sai số.
Các chương trình tính toán số trong các bài toán động học, động lực học và điều khiển robot cũng là nguyên nhân gây ra sai số do đôi khi ta sử dụng phép tính xấp xỉ. Đồng thời, sự làm tròn số khi tính toán để giảm dung lượng bộ nhớ nhằm đảm bảo máy tính có thể tính toán được cũng là nguyên nhân gây sai số. Trong từng phép tính đơn lẻ thì có thể giá trị sai số do làm tròn số hoặc do phép tính xấp xỉ là không lớn, tuy nhiên nếu nhiều phép tính, với nhiều giá trị bị sai số thì cũng sẽ gây sai số tích lũy một giá trị đáng kể.
Một trong những nguyên nhân gây sai số khác trong robot cũng như máy công cụ nói chung, đó là sự biến dạng đàn hồi của vật liệu. Do vật liệu để chế tạo các khâu, khớp của robot chủ yếu là các vật liệu kim loại nên có tính đàn hồi, dưới tác dụng của lực tác động như: trọng lượng bản thân, lực dẫn động, lực quán tính khi thay đổi chuyển động, trọng lượng dụng cụ thao tác, lực tác động lên dụng cụ thao tác...
Cũng do vật liệu chế tạo các chi tiết của robot chủ yếu là vật liệu kim loại nên sự giãn nở nhiệt cũng là nguyên nhân gây sai số. Nhiệt độ ảnh hưởng tới các chi tiết của robot như nhiệt độ môi trường xung quanh, nhiệt phát ra từ động cơ dẫn động, bộ truyền, ma sát ở các khớp. Khi có sự thay đổi nhiệt độ thì sẽ gây biến dạng nhiệt và làm sai lệch các kích thước của các chi tiết cấu tạo nên robot, do vậy gây ra các sai số.
Như trên Hình 1-6 d biểu diễn sai số do biến dạng nhiệt, biến dạng đàn hồi của vật liệu chế tạo khâu gây ra, dưới tác dụng của lực hoặc thay đổi nhiệt độ, kích thước, hình dạng của khâu bị thay đổi, làm cho vị trí và hướng của khớp thứ 2 không còn chính xác như thiết kế, gây ra sai lệch.
Sự rung động của hệ thống công nghệ cũng ảnh hưởng đến sai số của robot.
Có nhiều nguyên nhân gây ra sai số trong robot như trình bày ở trên, tùy theo sai số tồn tại trong đối tượng, dạng sai số nào mà người ta phân loại ra các sai số trong robot: sai số hình học, động học và sai số phi hình học [10, 13, 17, 19, 20, 23, 25, 27, 30]. Sai số hình học, động học là các sai số do dung sai chế tạo, lắp ráp gây ra sai lệch về kích thước dài, kích thước góc, khe hở của các khâu, khớp. Sai số phi hình học là các sai số do tải trọng, lực tác dụng, biến dạng đàn hồi, giãn nở nhiệt, ma sát. Các sai số có thể ảnh hưởng theo hướng cùng chiều hoặc ngược chiều nay nên cũng có thể khử lẫn nhau hoặc cũng có thể là làm tăng sai số lên. Các sai số tồn tại trong các khâu, khớp này sẽ làm sai lệch chuyển động của các khâu và do vậy sẽ làm sai lệch chuyển động của khâu thao tác.
Nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng ảnh hưởng của sai số hình học, động học là lớn hơn nhiều so với sai số phí hình học. Hầu hết các nghiên cứu của nước ngoài mà tác giả thu thập được đề tập trung vào sai số hình học, động học.
1.3.1.2 Độ chính xác của robot
Trong robot công nghiệp hay cũng như là các máy công cụ, sai số và độ chính xác của robot hay máy luôn có mối quan hệ mật thiết với nhau. Độ chính xác của robot phụ thuộc vào mức độ sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác, mà mức độ sai lệch vị trí và hướng
của khâu thao tác phụ thuộc vào giá trị các sai số tồn tại trong các khâu, khớp cấu tạo nên robot.
Để làm rõ vấn đề trên, ta phân tích một ví dụ đơn giản như sau:
Giả sử ta xét một robot có một bậc tự do gồm một thanh quay quanh một trục trong một mặt phẳng như hình sau:
L là tham số hình học chiều dài của khâu, q là tham số động học của robot và p là vị trí của điểm tác động cuối đặt tại đầu mút cuối của khâu.
Hình 1-7: Sai số trong mô hình robot 1 khâu
Từ Hình 1-7 a ta xác định được tọa độ xp và yp biểu diễn vị trí của điểm p trong hệ tọa độ cơ sở oxy như sau:
cos( ) sin( )
p p
x L q
y L q
(1.1)
Phương trình (1.1) được gọi là phương trình động học của robot một khâu. Như trên hình 1.5 a, giả sử rằng robot được chế tạo với tham số hình học chiều dài của khâu là kích thước L đúng như thiết kế, và khớp quay không có độ rơ, khi ta đặt lệnh điều khiển với giá trị biến khớp là q thì vị trí của điểm p sẽ nằm ở đúng tại vị trí có tọa độ xp và yp.
Ở trên Hình 1-7 b, giả sử khi chế tạo có sai số do độ rơ của khớp quay, khi ta đặt lệnh điều khiển q thì giá trị thực tế tác động vào khớp quay sẽ là q‘ nên vị trí của điểm đầu mút cuối sẽ là p‘. Tọa độ vị trí thực tế của đầu mút p khi đó sẽ là:
' '
' '
cos( ) sin( )
p p
x L q
y L q
(1.2)
Tương tự ở trên Hình 1-7 c - khi có sai số tham số kích thước hình học L, tọa độ vị trí thực tế của đầu mút p khi đó sẽ là:
' '
' '
cos( ) sin( )
p p
x L q
y L q
(1.3)
Trên Hình 1-7 d là trường hợp khi có sai số cả tham số hình học L và tham số động học q nên khi đặt lệnh điều khiển q vào khớp quay vị trí đầu mút sẽ là p‘. Tọa độ vị trí thực tế của đầu mút p khi đó sẽ là:
' ' '
' ' '
cos( ) sin( )
p p
x L q
y L q
(1.4)
Qua ví dụ đơn giản trên, nếu các tham số hình học, động học của các khâu, khớp mà giá trị thực tế của các tham số này không đúng như robot thiết kế thì sẽ dẫn đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
Theo tiêu chuẩn ISO 9283 [7], đây là bộ tiêu chuẩn để đánh giá tính năng làm việc của robot công nghiệp, một trong các tính năng quan trọng đó là độ chính xác vị trí (Position Accuracy - APp) và khả năng lặp lại định vị (Positioning Repeatability - RPl).
Theo đó, gọi Xai,Yai, Zailà vị trí mà robot đạt được tại điểm thứ i, XC,Y ZC, Clà vị trí mà lệnh điều khiển đặt vào robot, sai số sẽ làm cho giá trị của Xai,Yai, Zaisai khác giá trị của XC,Y ZC, C. Vị trí trung bình đạt được của robot là:
1 1 1
1 1 1
, ,
N N N
ai ai ai
i i i
X X Y Y Z Z
N N N
(1.5)
Đặt:
2 2 2
( ) ( ) ( )
i ai ai ai
l X X Y Y Z Z (1.6)
1
1 N
i i
l l
N
(1.7)
2 1
( )
1
N i i l
l l
S N
(1.8)
Ta có công thức xác định độ chính xác vị trí như sau [7]:
2 2 2
( ) ( ) ( )
p C C C
AP X X Y Y Z Z (1.9)
Công thức xác định khả năng lặp lại định vị:
l 3 l
RP l S (1.10)
Như vậy, giữa sai số trong các khâu, khớp robot, sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác và độ chính xác của robot có mối liên hệ với nhau. Sai số là luôn tồn tại, việc tìm biện pháp hạn chế, khử, bù sai số để nâng cao độ chính xác cho robot công nghiệp cũng như các máy công cụ là quan trọng và rất có ý nghĩa.
1.3.2 Ảnh hưởng của sai số trong robot
Theo [8], sự khác nhau về vị trí khâu thao tác của robot giữa một robot theo thiết kế và robot thực tế chế tạo có thể từ 8 đến 15 mm, kết quả này là do dung sai chế tạo và biến dạng của kết cấu robot. Các robot hiện nay có thể đạt được khả năng lặp lại rất cao, một số robot có thể đạt dưới 0,1 mm, trong khi độ chính xác có thể trong khoảng từ 5 đến 15 mm và có thể là cao hơn phụ thuộc vào việc chế tạo và mô hình hóa của chúng [25]. Nếu một robot được chế tạo mà vị trí thực tế đạt được của khâu thao tác có sự sai lệch nhiều so với vị trí mong muốn thì sẽ gây ra phế phẩm khi ứng dụng robot trong các nhiệm vụ công nghệ. Hình ảnh dưới đây là ví dụ mô tả sự không trùng khớp giữa quỹ đạo công nghệ mong muốn và quỹ đạo thực tế mà khâu thao tác đạt được.
Hình 1-8: Sai lệch quỹ đạo của robot
Sự sai lệch quỹ đạo này sẽ gây ra những phế phẩm khi sử dụng robot thực hiện một nhiệm vụ công nghệ nào đó. Chẳng hạn với robot hàn hồ quang, nếu các phần tử cấu tạo nên robot hàn có tồn tại các sai số, khi thực hiện các thao tác công nghệ hàn các mối hàn thì các mối hàn do robot hàn đó tạo ra sẽ không đạt chất lượng mong muốn vì chúng có thể bị sai lệch vị trí mối hàn, không đủ ngẫu, không đủ điền đầy...
a) Mối hàn sai vị trí mong muốn. b) Mối hàn đúng vị trí mong muốn.
Hình 1-9: Sai số trong robot gây ảnh hưởng đến vị trí mối hàn.
Với robot sử dụng trong gia công cắt gọt, các sai số ở các phần tử cấu tạo nên robot sẽ làm cho quỹ đạo đầu dụng cụ cắt gọt di chuyển không đúng vị trí, hướng, tốc độ dịch chuyển dao... so mong muốn của lệnh điều khiển được tạo ra bởi các chương trình CAM, điều này sẽ dẫn đến bề mặt gia công bị sai lệch về kích thước, tăng độ nhám bề mặt, sai lệch về hình dạng, sai lệch quan hệ hình học (độ vuông góc, độ phẳng, độ trụ...) so với dung sai cho phép, làm tăng phế phẩm, hiệu quả kinh tế kém.
Hình 1-10 mô tả sử dụng robot có gắn dụng cụ gia công để phay bề mặt cánh tuabin thuỷ lực gồm có 1 - cánh tay robot, 2 - chi tiết gia công và 3 - là đồ gá mang chi tiết gia
Quỹ đạo công nghệ mong muốn Quỹ đạo thực tế của khâu thao tác
công. Ta mong muốn và đưa ra lệnh điều khiển robot để dẫn dụng cụ gia công phay sao cho luôn vuông góc với bề mặt gia công tại mỗi vị trí gia công, nhưng vì có sai lệch nên vị trí và hướng của dụng cụ gia công không còn đúng như mong muốn. Điều này sẽ dẫn đến năng suất gia công, chất lượng bề mặt gia công cũng không được tốt và làm cho dụng cụ cắt gọt nhanh bị mòn, hỏng.
Hình 1-10: Sai số trong robot gây sai lệch vị trí và hướng của dụng cụ cắt gọt trong robot gia công.
Tương tự, đối với các robot lắp ráp, đặc biệt là lắp ráp linh kiện điện tử, các robot tháo và cấp hàng, robot đóng hộp... các sai số tồn tại trong các phần tử cấu tạo robot gây ra sự sai lệch vị trí và hướng của dụng cụ thao tác, làm cho năng suất và chất lượng của các quá trình này giảm, kém hiệu quả thẩm trí có thể làm hư hỏng đối tượng công nghệ. Ví dụ như khi sử dụng robot lắp ráp để gắn chíp vào bản mạch, nếu vị trí và hướng của khâu thao tác trên dụng cụ thao tác bị sai lệch do các sai số gây ra, nên các chân của chip không đúng với vị trí các lỗ chân trên bản mạch làm cho các chân của chíp hoặc bản mạch bị hỏng, gây phế phẩm. Hoặc khi ta sử dụng robot để cấp phôi và gắp chi tiết sau khi gia công trên các máy CNC trong dây chuyền sản xuất tự động, mặc dù cơ cấu tay kẹp gắn trên cánh tay robot được thiết kế có tính chất tự lựa ở các má kẹp để kẹp phôi được chắc chắn, tuy nhiên do trong quá trình chế tạo robot lúc đầu có nhiều sai số lớn hoặc sau một thời gian làm việc, các khâu, khớp bị mòn nhiều mà robot chưa được hiệu chuẩn (calibration) dẫn đến sai lệch vị trí và hướng của bàn tay kẹp, làm cho việc kẹp phôi hoặc chi tiết sau khi gia công không được chắc chắn nên có thể làm rơi phôi hoặc chi tiết, gây hư hỏng sản phẩm...).
Do sai số ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của một robot công nghiệp nên các nghiên cứu về lĩnh vực sai số và độ chính xác của robot đã được nhiều tác giả quan tâm và đã có nhiều công trình đã được công bố. Dưới đây tác giả trình bày một số công trình công bố mà tác giả thu thập được.