BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ______________***______________ BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT PHỤC VỤ SẢN XUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG ĐỘC HẠI VÀ KHÔNG AN TOÀN PGS. TS. Lê Hoài Quốc 6147 17/11/2006 TPHCM, tháng 08/2004 Bản quyền 2004 thuộc ĐHBK-ĐHQG HCM Đơn xin sao chép toàn bộ hoặc từng phần tài liệu này phải gởi đến Hiệu trưởng ĐHBK-ĐHQG HCM trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu. BGD&ĐT ĐHBK-ĐHQG HCM BGD&ĐT ĐHBK-ĐHQG HCM BGD&ĐT ĐHBK-ĐHQG HCM MỤC LỤC Chương I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP 11 1.1 Các giai đoạn thiết kế và tích hợp hệ thống 11 1.2 Nhiệm vụ thiết kế 13 1.2.1 Phân tích chức năng 14 1.2.2 Thiết kế hệ thống robot 17 1.3 Thiết kế động học robot 20 1.3.1 Cấu hình động học 21 1.3.2 Robot hoạt động trong không gian Descartes 24 1.3.3 Robot tọa độ trụ 25 1.3.4 Robot SCARA 25 1.3.5 Robot với liên kết toàn khớp bản lề 26 1.3.6 Robot lắp ghép từ các mô đun chuyển động 26 1.3.7 Robot song song 27 1.4 Điều khiển chuyển động 29 1.4.1 Tổng quát 29 1.4.2 Tính toán chuỗi truyền động 29 1.5 Nguồn dẫn động 34 1.5.1 Động cơ điện 34 1.5.1.5 Động cơ đồng bộ 35 1.5.1.2 Động cơ không đồng bộ 36 1.5.1.3 Động cơ chuyển động thẳng 36 1.5.2 Nguồn dẫn động điện – dầu ép 37 1.5.3 Cơ cấu truyền động 38 1.5.3.1 Truyền chuyển động thẳng 39 1.5.3.2 Truyền chuyển động quay 40 1.6 Khớp nối 43 1.7 Hệ thống đo 44 1.7.1 Bộ mã hóa quang điện tuyệt đối 44 1.7.2 Bộ mã hóa quang điện loại quay 45 1.7.3 Bộ đo chuyển vò góc dạng cảm ứng điện từ 47 1.8 Hiệu chỉnh chuẩn robot 48 1.8.1 Các bước hiệu chỉnh chuẩn 50 1.8.2 Kỹ thuật và thiết bò đo 52 1.8.3 Nhận dạng các thông số 55 1.8.4 Thực hiện 56 1.8.5 Thử nghiệm 57 Chương 2: CÁC BÀI TOÁN VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN & MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU ROBOT DỰ KIẾN THIẾT KẾ 60 2.1 Mục tiêu nghiên cứu 60 2.2 Bài toán động học và động lực học robot 61 2.2.1 Cơ sở lý thuyết 61 2.2.2 Bài toán động học thuận 62 2.2.3 Bài roán động học ngược 64 i/ Khảo sát nhóm chuyển động chính với 3 khâu 66 đònh vò trí (nhóm đònh vò) ii/ Khảo sát nhóm 3 khâu đònh hướng (nhóm đònh hướng) 68 2.3 Bài toán động lực học 70 2.3.1 Mục đích của việc khảo sát bài toán động lực học 70 2.3.2 Khảo sát bài toán động lực học của tay máy nhiều bậc tự do 70 2.4 Kết quả áp dụng trên một số tay máy trong hạng mục của đề tài 78 2.4.1 Trên robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần 81 2.4.2 Trên Robot camera crane 85 2.4.3 Trên robot SCARA 89 2.4.2 Trên tay máy lấy sản phẩm phôi nhựa PET 93 Chương 3: MỘT SỐ PHẦN TỬ TIÊU BIỂU ĐƯC ỨNG DỤNG 97 TRÊN HỆ THỐNG ROBOT THIẾT KẾ 3.1 Bộ điều khiển PC-based 97 3.1.1 Cấu trúc chung 97 3.1.2 Các loại bộ điều khiển 103 3.1.3 Bộ nội suy 107 3.1.4 Giới thiệu chung về card nội suy PCL-832 114 3.1.5 Bộ điều khiển ứng dụng trong đề tài 124 3.2 Panel lập trình và điều khiển (teach pendant) 128 3.2.1 Chức năng của teach pendant 128 3.2.2 Một số loại Teach Pendant của Robot Công nghiệp 131 3.2.3 Nguyên lý cấu tạo của panel lập trình và điều khiển – 135 Teach Pendant 3.3 Kết nối hệ thống – tế bào sản xuất tự động với robot 137 3.3.1 Tế bào sản xuất tự động 137 3.3.2 Vấn đề truyền thông trên hệ thống sản xuất tự động 143 Chương 4: CÁC HẠNG MỤC PHẦN MỀM 152 4.1 Giới thiệu chung 152 4.2 Phần mềm 1: Phần mềm hỗ trợ tra cứu robot 152 4.2.1 Giới thiệu 152 4.2.2 Các tính năng của phần mềm tra cứu robot 153 4.2.3 Cách cập nhật dữ liệu cho phần mềm 167 4.2.4 Hướng phát triển trong tương lai của phần mềm 171 4.3 Phần mềm lập trình - điều khiển robot và phần mềm mô phỏng hoạt động của robot 174 4.3.1 Giới thiệu 174 4.3.2 Môđun điều khiển 175 4.3.3 Môđun mô phỏng - giám sát 177 4.3.4 Lập trình và vận hành robot 179 4.3.5 Mô phỏng và giám sát hoạt động của robot 189 4.3.6 Kết luận 192 Chương 5: Giới thiệu các hạng mục robot đã thực hiện trong đề tài 193 5.1 Robot hàn và robot phục vụ cho các quá trình hóa nhiệt luyện 193 5.1.1 Giới thiệu 193 5.1.2 Những đặc tính cơ bản 194 5.1.3 Kết cấu 196 5.1.4 Truyền động 198 5.1.5 Hệ thống điều khiển 200 5.1.6 Các thiết bò công nghệ 202 5.1.7 Ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất 203 5.2 Robot phục vụ trong quốc phòng 204 5.2.1 Chức năng của robot 204 5.2.2 Kết cấu cơ khí 207 5.2.3 Hệ thống điều khiển 207 5.2.4 Lắp đặt robot trong sản xuất 207 5.3 Robot camera crane – phục vụ cho công việc quay phim 208 5.3.1 Sơ lược quá trình phát triển 208 5.3.2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động 215 5.3.3 Bài toán ngược vò trí cho các chuyển động bù của RCC 217 để bám mục tiêu đònh trước 5.3.4 Chuyển động bám mục tiêu di động 220 5.3.5 Các chế độ hoạt động 221 5.4 Tay máy lấy lấy sản phẩm nhựa 224 5.4.1 Sơ lược về công nghệ sản xuất sản phẩm PET 224 trên máy ép phun 5.4.2 Một số giải pháp tăng năng suất được áp dụng trên máy ép 227 phun để tạo phôi PET 5.4.3 Tay máy lấy phôi kiểu nằm ngang – giải pháp nâng cao 228 năng suất trên máy ép 5.4.4 Tay máy lấy sản phẩm theo phương đứng, áp dụng trên 232 máy ép nhựa kiểu ép phun Chương 6: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯC VÀ KIẾN NGHỊ 236 6.1 Về kết quả nghiên cứu ứng dụng của đề tài 236 i. Về phương pháp thiết kế robot 236 ii. Về phương pháp giải bài toán động lực học tay máy trên cơ sở 237 tách nhóm 3 khâu – Xây dựng phần mềm tính toán và mô phỏng kết quả iii. Về thiết kế, tích hợp một số phần tử quan trọng của hệ thống 238 điều khiển robot: bộ điều khiển PC based và Teach pendant iv. Xây dựng phần mềm lập trình – điều khiển và mô phỏng 239 hoạt động của robot. 6.2 Về góc độ phục vụ đào tạo của đề tài 239 6.3 Các sản phẩm cụ thể của đề tài và kết quả ứng dụng thử nghiệm 240 tại cơ sở sản xuất. 6.4 Vài suy nghó tự đánh giá và kiến nghò. 241 Lời cảm ơn 244 Tài liệu tham khảo 245 Phần phụ lục 246 - Bản vẽ lắp của một số hạng mục tiêu biểu - Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng - Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu Đóa minh họa các hạng mục phần mềm Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài Các tập bản vẽ thiết kế của từng hạng mục thiết bò i DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN TT Họ và tên Chức danh Cơ quan – đơn vò 1 Lê Hoài Quốc PGS. TS Chủ nhiệm đề tài Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 2 Lê Văn Ngự TS, chủ nhiệm ĐT nhánh Phòng Robot – Viện NC Điện tử, Tin học và Tự động hóa – VIELINA 3 Hoàng Văn Châu TS Viện Cơ khí – Hà Nội 4 Hồ Xuân Vónh TS Viện Tên lửa 5 Phạm Anh Tuấn TS Viện Cơ học VN 6 Lê Văn Dũng KS ĐT Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 7 Nguyễn Văn Thành KS CK CTM Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 8 Nguyễn Đàm Tấn Th.S CKCTM Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 9 Lê Tuấn Anh Th.S ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 10 Phan Trần Hồ Trúc KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 11 Nguyễn Bảo Tuyên KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 12 Lê Đình Phong KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 13 Phan Khánh Nam KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 14 Nguyễn Quốc Thái KS. CNTT Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 15 Phan Quốc Hưng KS. ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 16 Lại Anh Khoa KS ĐKTĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 17 Nguyễn Hoài Nhân KS CK TĐ Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 18 Vũ Hoàng Nam KS CNTT Trường ĐHBK – ĐHQG HCM 19 Bùi Thanh Luân KS CKTĐ Trường ĐHDL KT CN TP. HCM 20 Nguyễn Đức Toàn KS VIELINA 21 Nguyễn Văn Quang KS CK VIELINA 22 Nguyễn Cao Sơn KS ĐT VIELINA 23 Đạng Anh Việt KS ĐKTĐ VIELINA 24 Đặng Anh Quang KS ĐKTĐ VIELINA 25 Phạm Văn Bạch Ngọc KS Viện Cơ học VN 26 Đỗ Trần Thắng KS Viện Cơ học VN 27 LêThanh Thủy KS Viện Cơ học VN 28 Đinh Toàn Thắng KS Xưởng Vũ khí – Bộ đội Biên phòng ii GIỚI THIỆU TÓM TẮT VỀ ĐỀ TÀI Theo ước tính chưa đầy đủ trong báo cáo World Robotics 2003 của tổ chức UNECE thuộc Liên đoàn Robot quốc tế (IRF – International Robot Federation) thì hiện nay trên toàn thế giới có khoảng 770.000 robot đang được sử dụng trong các lónh vực sản xuất công nghiệp. Trong số đó, 350.000 (chiếm 45,5%) ở Nhật Bản, 233.000 (chiếm 30,3%) ở EU và khoảng 104.000 (chiếm 13,5%) ở Bắc Mỹ. Ở Châu u, CHLB Đức dẫn đầu với 105.000 robot, tiếp theo là Italia với 47.000, Pháp 24.000, Tây Ban Nha 18.000 và Anh 14.000. Trong khoảng thời gian suy thoái kinh tế gần đây nhất (từ năm 1997 đến năm 2002) thò trường Robot giảm trung bình 12% – 16% /năm. Tuy nhiên nhìn chung mức độ suy giảm trong đầu tư so với các sản phẩm công nghệ cao khác (như máy công cụ CNC bò suy giảm chỉ còn 1/3) vẫn còn khả quan hơn đáng kể. Theo điều tra hàng quý của UNECE/ IFR về doanh số đặt hàng robot công nghiệp của hầu hết các hãng lớn nhất thế giới thì doanh số toàn cầu của năm 2003 tăng 26% so với cùng kỳ năm 2002. Xu thế trong giai đoạn 2003 – 2006 mức tăng trưởng về doanh số trên sản phẩm robot nói chung (trong đó robot công nghiệp chiếm hơn 65%) được dự báo như sau: Bắc Mỹ tăng 35%, Châu u tăng 25%, Châu Á tăng 18%, các khu vực khác tăng 19%. Những lónh vực công nghiệp sử dụng robot nhiều nhất là công nghiệp Ô tô, công nghiệp Điện và Điện tử, công nghiệp Chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực phẩm. Những công việc thường được áp dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm và cấp phôi trong các dây chuyền tự động. Tính linh hoạt trong vận hành khai thác, khả năng hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, khả năng thay thế con người trong môi trường làm việc độc hại và không an toàn của robot công nghiệp là những yếu tố quyết đònh của việc áp dụng robot trong các lónh vực công nghiệp nói trên. iii Với nhu cầu rất lớn trong các lónh vực áp dụng chính như trên, sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất robot trên thế giới đã giúp cho sản phẩm này ngày một hoàn thiện và giá thành ngày càng hạ hơn. Robot được coi như một sản phẩm điển hình của Cơ điện tử, là kết quả tích hợp của các lónh vực kỹ thuật như Cơ học và Cơ khí chính xác, Điện – Điện tử, Cảm biến, Điều khiển và Máy tính. Trên hình 1.1 thể hiện sự tích hợp các lónh vực trên từng bộ phận của robot. Hình 1.1: Quan hệ giữa kỹ thuật robot và Cơ điện tử Sản Tích hợp hệ thống robot Hệ thống Robot công nghiệp Phát triển các hệ thống Cơ Điện tử Các hệ thống con - Các phương pháp xử lý đặc biệt: cắt bằng laser, tia nước,… - Gia công cơ - Lắp ráp - Cấp phôi - Đo, thử nghiệm, kiểm tra - Huấn luyện, đào tạo - Nghiên cứu và thiết kế các bộ phận tác động cuối: hàn, gắp kẹp, … Thiết bò ngoại vi Cơ cấu tay máy Bộ tác động cuối: bộ phận gắp kẹp, công cụ gia công Các phần tử, bộ phận chi tiết Các bộ phận giao tiếp Người – Máy Các khớp, trục quay của robot Cảm biến Bộ điều khiển PC based Mạch lái và điều khiển công suất Nghiên cứu cơ bản Công nghệ Xử lý thông tin Vi điện tử và điện tử công suất Thu nhận, xử lý và truyền Lựa chọn và sử dụng hợp tín hiệu từ các cảm biến lý vật liệu cho từng bộ phận [...]... thể hiện trên các chương IV và V Đề tài KC.03.02 – Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn , như tên gọi của nó, nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các robot công nghiệp có tính chuyên biệt, tiêu biểu để phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại hoặc /và không an toàn, bao gồm 5 hạng mục sản phẩm: - Robot vạn năng... nghiên cứu phong phú, liên quan đến kỹ thuật robot, do đó chúng tôi cũng đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu chế tạo loại robocrane đặc biệt này trong đề tài Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn 5 Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 CÁC GIAI ĐOẠN THIẾT... Lực và mômen suy rộng xv Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 CHƯƠNG 1 KHẢO SÁT NHU CẦU ỨNG DỤNG ROBOT PHỤC VỤ SẢN XUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG ĐỘC HẠI VÀ KHÔNG AN TOÀN I MỤC ĐÍCH CỦA KHẢO SÁT Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot để thay thế người làm việc trong mơi trường độc hại, khơng an tồn Theo hướng này chúng tơi đã khảo sát nhu cầu sử dụng robot. .. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và các phương pháp điều khiển thích hợp trên cơ sở ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến và xây dựng các giải pháp phần cứng cũng như phần mềm để áp dụng trong việc thiết kế và chế tạo các robot làm việc trong các môi trường độc hại và không an toàn cho người công nhân nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, áp dụng vào sản xuất ở... mạng và tài sản Các robot dùng trong an ninh, quốc phòng cũng có nhiều nội dung phong phú cần được quan tâm Một hạng mục sản phẩm của đề tài này sẽ được ứng dụng thử nghiệm trong công đoạn sản xuất quả đạn cối 81 ly tại Xưởng sửa chữa vũ khí thuộc Bộ đội Biên phòng Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn 3 Báo cáo tổng kết khoa... và không an toàn ở các khu vực trong nước như dưới đây: 3.1 Khu vực Phía Bắc – Nhu cầu có tính cấp bách được quan tâm trong các lĩnh vực sản xuất sau: • Sản xuất vật liệu xây dựng và khai thác mỏ • Đóng tàu: hàn, sơn, phun phủ Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn 4 Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02 •... đònh hình sản phẩm Xác đònh sản phẩm và lập kế hoạch thực hiện Phân thống tích hệ Thiết kế sản phẩm với các chức năng đònh rõ Thiết kế chi tiết và đánh giá thiết kế Thiết kế hệ thống - Thuận lợi trong việc thực Xác đònh các đặc điểm kỹ hiện các đặc điểm kỹ thuật thuật cơ bản của robot - Yếu tố cạnh tranh thể hiện Tạo mẫu Thiết kế phần cứng,phần mềm, chế tạo và tích hợp hệ thống Sản xuất thử sản phẩm... ĐOẠN THIẾT KẾ VÀ TÍCH HP HỆ THỐNG Quá trình lập kế hoạch để chế tạo và phát triển các vấn đề có liên quan trong việc áp dụng robot vào sản xuất, cũng giống như các sản phẩm kỹ thuật khác, là một quá trình có tính trình tự với các bước (hay các giai đoạn) phải giải quyết bao gồm từ việc xác đònh mục tiêu ứng dụng, nhiệm vụ thiết kế, các phương pháp và công cụ sử dụng trong các bước thiết kế, chế tạo, tích... nghiên cứu xây dựng phương pháp luận trong thiết kế robot và đưa các sản phẩm nghiên cứu đến những nơi ứng dụng để thu nhận những kết quả đánh giá từ thực tế sản xuất nhằm hoàn thiện sản phẩm nghiên cứu được đặc biệt quan tâm Nhóm nghiên cứu hy vọng qua việc thực hiện đề tài nghiên cứu này có thể đóng góp phần nào về phương pháp luận, về các kết quả ứng dụng trong thực tế sản xuất, cũng như trong việc nghiên. .. robot Qua các thông tin ghi nhận được nêu trên, có thể sử dụng các robot vạn năng (Universal Robot) 6 bậc tự do kết hợp với chuyển động tònh tiến của đế robot trên đường ray nhằm đáp ứng yêu cầu thay thế người công nhan trong các môi trường sản xuất này Riêng trường hợp cần tẩy sạch sản phẩm trong các bể chứa dung dòch a-xít Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện . KC.03.02 – Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn , như tên gọi của nó, nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các robot công. để phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại hoặc /và không an toàn, bao gồm 5 hạng mục sản phẩm: - Robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần - Robot hàn v - Robot Crane. làm việc trong các môi trường độc hại và không an toàn cho người công nhân nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot, áp dụng vào sản xuất ở một số đơn vò có nhu cầu và có tính tiêu biểu trong nước