ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN PID ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT CHO DÂY CHUYỀN SƠN, SẤY HÒM BẢO QUẢN SẢN PHẨM LĂNG PHUN CHỮA CHÁY - Full 10 điểm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP _______________________ VŨ ĐÌNH TUYÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS BÙI THỊ HẢI LINH Thái Nguyên – Năm 2024 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Vũ Đình Tuyên Sinh ngày: 28 tháng 11 năm 1992 Học viên lớp cao học khoá 24 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại: Nhà máy Z115/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng ( Tên giao dịch : Công ty TNHH Một thành viên Điện cơ Hoá chất 15) Tôi xin cam đoan luận văn “Ứng dụng thuật toán PID điều khiển cánh tay Robot cho dây chuyền sơn, sấy hòm bảo quản sản phẩm lăng phun chữa cháy” do cô giáo TS Bùi Thị Hải Linh hướng dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Thái Nguyên, ngày 10 tháng 01 năm 2024 Học viên Vũ Đình Tuyên LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình giúp đỡ của cô giáo TS Bùi Thị Hải Linh , luận văn với đề tài “ Ứng dụng thuật toán PID điều khiển cánh tay Robot cho dây chuyền sơn, sấy hòm bảo quản sản phẩm lăng phun chữa cháy” đã được hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Cô giáo hướng dẫn TS Bùi Thị Hải Linh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Các thầy giáo, cô giáo tại Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận văn này Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng 01 năm 2024 Tác giả luận văn Vũ Đình Tuyên I MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH ẢNH III DANH MỤC BẢNG V MỞ ĐẦU 1 1 Tính cấp thiết của đề tài 1 2 Mục tiêu của luận văn 2 3 Kết cấu của luận văn 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN SƠN, SẤY HÒM BẢO QUẢN SẢN PHẨM LĂNG PHUN CHỮA CHÁY 3 1 1 Robot công nghiệp 3 1 1 1 Sơ lược quá trình phát triển của Robot công nghiệp 3 1 1 2 Ứng dụng của Robot công nghiệp 14 1 1 3 Các chỉ tiêu đánh giá và các thông số kỹ thuật 18 1 1 4 Các bài toán thường gặp đối với robot công nghiệp 22 1 2 Tổng quan về hệ thống dây chuyền sơn, sấy hòm bảo quản sản phẩm lăng phun chữa cháy 23 1 2 1 Robot sơn Kawasaki KJ264 23 1 2 2 Dây truyền sơn, sấy hòm bảo quản sản phẩm lăng phun chữa cháy 25 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 30 SƠN 6 BẬC 30 2 1 Phân tích động học thuận Robot 30 2 1 1 Mô hình robot và các hệ tọa độ Denavit – Hartenberg(DH) 30 2 1 2 Xác định các ma trận DH 31 2 1 3 Xác định vận tốc góc và gia tốc góc các khâu của robot 33 2 1 4 Vận tốc và gia tốc điểm định vị khâu thao tác của robot 34 2 1 5 Thiết lập phương trình động học robot 35 2 2 Phân tích động học ngược robot 36 2 2 1 Phương pháp giải tích 37 II 2 2 2 Chọn nghiệm phù hợp 46 2 2 3 Phương pháp số 46 2 3 Một số kết quả sau mô phỏng 50 2 3 1 Mô phỏng bài toán động học thuận 50 2 3 2 Mô phỏng bài toán động học ngược 53 CHƯƠNG 3 TỐI ƯU THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ROBOT 6 BẬC TRONG DÂY CHUYỀN SƠN, SẤY 57 3 1 Bộ điều khiển kỹ thuật số PID 57 3 2 Phương pháp điều chỉnh Ziegler – Nichols 61 3 3 Tự động điều chỉnh dựa trên phản hồi rơ le 63 3 4 Điều chỉnh với biên độ và pha được chỉ định 66 3 5 Relay có trễ 68 3 6 Bù(Offset) 69 3 7 Điều chỉnh tự động dựa trên vị trí cực 70 3 8 Ứng dụng thuật toán điều khiển PID cho robot 6 bậc tự do 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 III DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 1 Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1 4 Hình 1 2 Robot Shakey-robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera 4 Hình 1 3 Tay robot trên tàu thám hiểm Viking 1 5 Hình 1 4 Robot lập trình được đầu tiên do George Dovol thiết kế 6 Hình 1 5 Robot sơn chạy động cơ servo 12 Hình 1 6 Robot dùng khí nén 13 Hình 1 7 Robot thủy lực(máy ép cọc) 13 Hình 1 8 Ứng dụng của robot trong công nghệ hàn 15 Hình 1 9 Robot gắp gạch tuynel 16 Hình 1 10 Robot xếp hàng lên pallet 17 Hình 1 11 Robot gắp phôi 4 bậc tự do định thiết kế 17 Hình 1 12 Robot Kawasaki KJ264 23 Hình 1 13 Các đầu phun chữa cháy 26 Hình 1 14 Sơ đồ hệ thống 26 Hình 1 15 Khu vực giá treo 27 Hình 1 16 Buồng sơn dặm và buồng sơn Robot 27 Hình 2 1 Bộ sản phẩm robot công nghiệp 30 Hình 2 2 Mô hình chuyển động của robot 30 Hình 2 3 Đồ thị mô tả góc quay các khớp 51 Hình 2 4 Sự thay đổi về hướng của véctơ n 51 Hình 2 5 Sự thay đổi về hướng của véctơ s 52 Hình 2 6 Sự thay đổi về hướng của véctơ a 52 Hình 2 7 Quỹ đạo điểm định vị khâu thao tác 53 Hình 2 8 Đồ thị mô tả các biến khớp khi tính bằng phương pháp số cho trường hợp 1 54 Hình 2 9 Đồ thị mô tả các biến khớp khi tính bằng phương pháp giải tích cho trường hợp 1 55 IV Hình 2 10 Đồ thị mô tả các biến khớp khi tính bằng phương pháp số cho trường hợp 2 55 Hình 2 11 Đồ thị mô tả các biến khớp khi tính bằng phương pháp 56 Hình 3 1 Bộ điều chỉnh có cuộn dây chống tích hợp 59 Hình 3 2 Phương pháp Zieger-Nichols chu kỳ cực đại 62 Hình 3 3 Phản hồi theo bước 62 Hình 3 4 Phản hồi role 63 Hình 3 5 Điều chỉnh Ziegler-Nichols của bộ điều khiển PID bằng thí nghiệm rơle 65 Hình 3 6 Chuyển động của điểm A với bộ điều chỉnh PID 66 Hình 3 7 Hiệu chỉnh Ziegler-Nichols của bộ điều chỉnh PID bằng thí nghiệm rơle67 Hình 3 8 Dao động chu kỳ giới hạn ổn định 68 Hình 3 9 Phản hồi chuyển tiếp với độ lệch điều chỉnh 69 Hình 3 10 Thử nghiệm với giá trị Kp = 20, Ki = 0, Kd = 0 74 Hình 3 11 Thử nghiệm với giá trị Kp = 30, Ki = 0, Kd = 0 75 Hình 3 12 Thử nghiệm với giá trị Kp = 40, Ki = 0, Kd = 0 75 Hình 3 13 Thử nghiệm với giá trị Kp = 50, Ki = 0, Kd = 0 76 Hình 3 14 Thử nghiệm với giá trị Kp = 60, Ki = 0, Kd = 0 76 Hình 3 15 Thử nghiệm với giá trị Kp = 15, Ki = 2, Kd = 0 78 Hình 3 16 Thử nghiệm với giá trị Kp = 15, Ki = 10, Kd = 0 78 Hình 3 17 Thử nghiệm với giá trị Kp = 15, Ki = 20, Kd = 0 79 Hình 3 18 Thử nghiệm với giá trị Kp = 15, Ki = 30, Kd = 0 79 Hình 3 19 Thử nghiệm với giá trị Kp = 15, Ki = 20, Kd = 10 81 Hình 3 20 Thử nghiệm với giá trị Kp = 15, Ki = 20, Kd = 10 81 Hình 3 21 Kết quả với giá trị Kp = 15, Ki = 20, Kd = 30 82 V DANH MỤC BẢNG Bảng 1 1: Đặc trưng của robot 22 Bảng 2 1: Bảng các tham số động học DH của robot 31 Bảng 3 1: Hệ số RST 58 Bảng 3 2: Phương pháp Zieger-Nichols chu kỳ cực đại 63 Bảng 3 3: Phương pháp Zieger-Nichols phản hồi theo bước 63 Bảng 3 4: 67 1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là điều khiển chính xác, đã trở thành một phần không thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại Phần lớn các loại máy móc, thiết bị dân dụng hay trong công nghiệp sử dụng động cơ điện, từ động cơ điện trong các máy công cụ, máy CNC, các cánh tay robot,… cho đến trong những thiết bị gia dụng như máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, ngay cả trong máy vi tính Những thiết bị như vậy yêu cầu độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ và chu kì bảo dưỡng dài Một trong những yêu cầu cần được đáp ứng để đạt những chỉ tiêu trên đây là thuật toán điều khiển được thiết kế một cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru khi xác lập và khi thay đổi trạng thái Việc ứng dụng những thuật toán kinh điển vào vấn đề điều khiển tốc độ động cơ đã đạt được nhiều kết quả khả quan Ví dụ như sử dụng bộ điều khiển mờ, PI, PID… cho kết quả rất tốt ở một số đối tượng động cơ, các máy CNC, cánh tay robot Chỉnh định tham số cho bộ điều khiển PID kinh điển cũng có nhiều phương pháp Vì vậy với các thuật toán, phương pháp kinh điển, ta phải biết chính xác về đối tượng, hoặc mô hình hóa tương đối chi tiết đối tượng Một điểm nữa là trong quá trình vận hành, nếu như đối tượng được gắn với hệ thống dây chuyền thay đổi thì hệ thống sẽ có nhiều phản hồi ảnh hưởng tới thuật toán điều khiển Do đó nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển PID điều khiển cánh tay robot là một trong những hướng đi khả quan của điều khiển tự động trong hệ thống dây chuyền sơn, sấy bảo quản sản phẩm Trong điều khiển hiện đại, lý thuyết tổng quan về PID cho ta một hướng đi mới, xây dựng những hệ điều khiển PID với mục đích nâng cao chất lượng các bộ điều khiển kinh điển, cũng như điều khiển những đối tượng đã được nhận dạng Trong khuôn khổ đề tài, em xin trình bày về thuật toán PID, ngôn ngữ lập trình ladder cho PLC, hệ thống điều khiển Robot công nghiệp Vì vậy, dưới sự định hướng của giáo viên hướng dẫn, và nhu cầu làm chủ công nghệ thực tế tại đơn vị công tác em xin lựa chọn đề tài “Ứng dụng thuật toán PID điều khiển cánh tay Robot cho dây chuyền sơn, sấy hòm bảo quản sản phẩm lăng 2 phun chữa cháy” làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật của mình nhằm tìm hiểu và tự làm chủ công nghệ của dây chuyền sơn hòm bảo quản sản phẩm mới được đầu tư đồng bộ của đơn vị hiện tại 2 Mục tiêu của luận văn - Tìm hiểu được nguyên lý hoạt động của dây chuyền sơn và cánh tay robot 6 bâc - Xây dựng bài toán điều khiển cho Robot Sơn 6 bậc - Tối ưu các tham số cho bộ điều khiển PID Robot Sơn 6 bậc 3 Kết cấu của luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống dây chuyền sơn, sấy hòm bảo quản sản phẩm lăng phun chữa cháy Chương 2: Xây dựng bài toán điều khiển cho Robot sơn 6 bậc Chương 3: Tối ưu tham số bộ điều khiển PID cho Robot 6 bậc trong dây chuyền sơn, sấy 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DÂY CHUYỀN SƠN, SẤY HÒM BẢO QUẢN SẢN PHẨM LĂNG PHUN CHỮA CHÁY 1 1 Robot công nghiệp 1 1 1 Sơ lược quá trình phát triển của Robot công nghiệp Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển Năm 1968 R S Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1 400kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suất gắn 100 mã lực Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất (hình 1 2) 4 Hình 1 1 Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1 Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 1 3) Robot này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng Hình 1 2 Robot Shakey-robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera 5 Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã thiết kế robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình Joseph Engelberger, người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển những thế hệ robot điều khiển theo chương trình Năm 1962, robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors; và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả (hình 1 4) Hình 1 3 Tay robot trên tàu thám hiểm Viking 1 Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạng của “cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ người máy - tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về robot Trên hình 1 5 trình bày một robot là một cánh tay cơ khí khác xa với robot R2D2, nhưng đối với sản xuất nó mang lại lợi ích to lớn 6 Hình 1 4 Robot lập trình được đầu tiên do George Dovol thiết kế Ngày nay trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR, trong đó ở Nhật có 70 công ty, ở các nước tây âu có 90 công ty, ở Mỹ có 30 công ty Nhờ áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học kĩ thuật về xử lý, tin học cũng như vật iệu mới nên số lượng robot công nghiệp đã tăng lên nhanh chóng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều cải tiến Robot công nghiệp phát huy thế mạnh ở những lĩnh vực như hàn hồ quang, đúc, lắp ráp, sơn phủ, và trong các hệ thống điều khiển liên hợp Ở các nước có nền công nghiệp phát triển, chính phủ các nước này đã áp dụng các biện pháp hỗ trợ hữu hiệu như: coi robot công nghiệp là ngành công nghiệp quan trọng, xây dựng nhiều chương trình nhà nước về áp dụng tiến bộ khoa học kĩ thuật vào sản xuất robot Nhờ vậy sau một thời gian ngắn sử dụng robot công nghiệp trở nên rộng lớn đã dạng với cơ sở nguồn động lực phát triển là “lực đẩy’’ của công nghệ và “lực kéo’’ của thị trường Nhật Bản hiện nay là nước có số lượng robot dùng trong sản xuất công nghiệp nhiều nhất thế giới, khoảng hơn 70% trong tổng số chừng 300 000 robot công nghiệp trên toàn thế giới Người Nhật có quan niệm dễ dãi hơn về robot: theo họ ‘robot là bất cứ thiết bị nào có thể thay thế cho lao động của con người’ Trong công nghiệp Nhật Bản, những robot hay tay máy được điều khiển bằng cam cũng được liệt vào hàng ngũ robot Theo đó, Hiệp Hội robot Công nghiệp Nhật Bản (JIRA - Japan 7 Industrial Robot Association) đã phân loại robot thành sáu hạng, từ những tay máy do con người trực tiếp điều khiển từng động tác đến những robot thông minh được trang bị trí tuệ nhân tạo (theo Schlussel, 1985) Những robot hay tay máy dùng các cơ cấu cam trong hệ thống điều khiển có được thừa nhận hay không là không quan trọng ; điều quan trọng là chúng đã đóng vai trò đáng kể trong việc tự động hoá sản xuất ở các nhà máy Những robot, tay máy nói trên còn được gọi một cách hình tượng là “tự động hoá cứng”, ngược lại với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện của chúng là những robot công nghiệp được điều khiển bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng Một số nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực robot của Nhật Bản đưa ra những định nghĩa về robot dưới dạng những yêu cầu như sau: - Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot công nghiệp phải thoả mãn yếu tố sau: - Có khả năng thay đổi chuyển động - Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác - Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao - Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động - Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài - Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải có các đặc điểm sau: - Có khả năng thay đổi chuyển động - Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ) - Có tính vạn năng - Có những đặc điểm của người và máy Từ những khác biệt trong định nghĩa về robot, căn cứ vào tính linh hoạt của những hệ thống sản xuất có áp dụng robot P J McKerrow, một nhà nghiên cứu về robot của Úc đã đưa ra một định nghĩa ở một góc độ khác Theo ông, robot là một loại máy có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng tương tự như một máy tính, là một mạch điện tử có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng Các 8 robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau; tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những công việc cực nhọc và tẻ nhạt Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi robot ngày càng thay thế các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi ích cho con người, khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại dương, robot đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn Trước khi đi vào phân tích những nội dung tiếp theo, để bạn đọc có sự nhận dạng một cách thống nhất trong quá trình khảo sát, dưới đây sẽ trình bày một số phương pháp phân loại robot sử dụng trong công nghiệp Phân Loại robot: Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot để giúp cho việc nhận xét được dễ dàng Có 4 yếu tố chính để phân loại robot như sau: (1) theo dạng hình học của không gian hoạt động, (2) theo thế hệ robot, (3) theo bộ điều khiển, (4) theo nguồn dẫn động Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối tượng thao tác được cho trước trong không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị (thường dùng khớp tịnh tiến và khớp quay loại 5) Những robot công nghiệp thực tế thường không sử dụng quá bốn bậc chuyển động chuyển dời (không kể chuyển động kẹp của tay gắp) và thông thường với ba bậc chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử dụng đến bốn bậc chuyển động định vị Robot được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau đó được bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot được gọi là không gian làm việc Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot): robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc Robot toạ độ trụ (cylindrical robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay 9 Robot toạ độ cầu (spherical robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và hai trục quay Robot khớp bản lề (articular robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục quay, bao gồm cả kiểu robot SCARA Phân loại theo thế hệ: (1) Robot thế hệ thứ nhất: Bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi (playback robots), theo chương trình định trước Chương trình ở đây cũng có hai dạng; chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam và điều khiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính Đặc điểm: • Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tác giới hạn hành trình • Điều khiển vòng hở • Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều khiển, tuy nhiên loại này không thay đổi chương trình được • Sử dụng phổ biến trong công việc gắp - đặt (pick and place) (2) Robot thể hệ thứ hai Trong trường hợp này robot được trang bị các bộ cảm biến (sensors) cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi hỗ trở lại hệ thống điều khiển về trạng thái, vị trí không gian của robot cũng như những thông tin về môi trường bên ngoài như trạng thái, vị trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà robot phối hợp, nhiệt độ của môi trường, v v giúp cho bộ điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp để điều khiển robot thực hiện những thao tác xử lý phù hợp Nói cách khác, đây cũng là robot với điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với những thay đổi của môi trường thao tác Dạng robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là robot được điều khiển thích nghi cấp thấp Robot thế hệ này bao gồm các robot sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensor - controlled robots) cho phép tạo được những vòng điều khiển kín kiểu servo 10 Đặc điểm: • Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy • Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước • Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, pa-nen điều khiển (3) Robot thế hệ thứ ba Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận Các robot ở đây được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thành được công việc đã được đặt ra cho chúng Hiện nay cũng đã có nhiều công bố về những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới dạng những robot giải trí có hình dạng của các động vật máy Robot thế hệ này bao gồm các robot được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (Vision - controlled robots) cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác Đặc điểm: • Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh (Vision systems - Camera) • Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau (4) Robot thế hệ thứ tự Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi (adaptively controlled robot) được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác 11 Đặc điểm: Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự động lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biên không được xác định trước Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot (5) Robot thế hệ thứ năm Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent robot) Đặc điểm: Robot được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc, v v để ra quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó Robot được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học Robot được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tương thích với những tín hiệu nhận được từ môi trường theo những thuật toán tối ưu một hay nhiều mục tiêu đồng thời Phân loại theo bộ điều khiển Robot gắp - đặt: Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở Robot hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt trên các trục của tay máy Robot đường dẫn liên tục Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó robot được lập trình theo một đường chính xác Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn được biểu điễn bằng một loạt 12 các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ robot, sau đó robot sẽ thực hiện lại chính xác đường dẫn đó Phân loại robot theo nguồn dẫn động (1) Robot dùng nguồn cấp điện Nguồn điện cấp cho robot thường là DC để điều khiển động cơ DC Hệ thống dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC Các động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo Robot loại này có thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác Các ứng dụng phổ biến là robot sơn, hàn Hình 1 5 Robot sơn chạy động cơ servo (2) Robot dùng nguồn khí nén Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén Robot loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy là các xy-lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay Do khí nén là lưu chất nén được nén robot loại này thường sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao 13 Hình 1 6 Robot dùng khí nén Robot dùng nguồn thuỷ lực Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu Tay máy là các xy - lanh thuỷ lực chuyển động thẳng và quay động cơ dầu robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn Hình 1 7 Robot thủy lực(máy ép cọc) 14 1 1 2 Ứng dụng của Robot công nghiệp Nhằm góp phần nâng cao năng xuất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot và được đúc kết qua nhiều năm và được ứng dụng ở nhiều nước Những ưu điểm đó là: Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý, bằng hoặc hơn 1 người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế robot có thể nâng cao chất lượng và khả nặng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế nữa robot có thể nhanh chóng thay đổi công việc , thích nghi nhanh với việc thay đổi mẫu mã kích thước sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh Robot có thể thay thế con người trong những môi trường nguy hiểm như ở dưới nước, khu vực có lửa, cơ sở hạt nhân hay ngoài vũ trụ Có khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng của robot là bởi vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động nhất là ở các nước có mức cao về tiền lương người lao động Tăng tính linh hoạt: khi thêm một bước mới vào quy trình sản xuất, các nhà quản lý sẽ thường phải hướng dẫn , đào tạo người lao động về bước mới đó Tuy nhiên robot và các hệ thống máy tính hoàn toàn có thể được lập trình thực hiện các thao tác mới mà không cần qua đào tạo hay hướng dẫn, nhờ đó quy trình sản xuất trở nên linh hoạt hơn 15 Hình 1 8 Ứng dụng của robot trong công nghệ hàn Robot gắp phôi trong sản xuất: Robot gắp trong công nghiệp là tay máy tự động được đặt cố định hoặc di động bao gồm thiết bị dạng tay máy có số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chƣơng trình, có thể tái lập trình để hoàn thành Robot gắp trong công nghiệp được cấu hình bởi các yếu tố sau: Tay máy là hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường Hệ thống điều khiển cấu tay máy gắp sản phẩm Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của RBCN đó là thiết bị đảm bảo cho robot khả năng làm việc nâng hạ vật Ban đầu người ta chế tạo cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tượng các chức năng hoạt động và điều khiển trong quá trình sản xuất Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot Kết nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành 16 Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác, các robot cần tay máy phỏng tay người, còn hiện nay tay máy rất đa dạng và nhiều loại khác xa tay người tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay và khớp để chỉ các bộ phận của tay máy Trong thiết kế tay máy người ta quan tấn đến các thông số ảnh hưởng khả năng làm việc: Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay Tầm với của vùng làm việc Khả năng định vị, định hướng phần công tác Một số hình ảnh robot gắp sản phẩm trong công nghiệp: Hình 1 9 Robot gắp gạch tuynel 17 Hình 1 10 Robot xếp hàng lên pallet Hình 1 11 Robot gắp phôi 4 bậc tự do định thiết kế Đặc điểm: Cấu hình có 3 khớp quay và 1 khớp trượt Ưu điểm: - Tầm nhấc phôi lên cao không bị hạn chế - Có thể di chuyển sang 2 phía nhờ khớp trượt dưới đế Nhược điểm: - Kém vững khi gắp vật có tải trọng lớn - Những lợi ích mang lại khi sử dụng Robot trong công nghiệp 18 - Nâng cao hiệu quả hoạt động Lợi ích đầu tiên chắc chắn phải nhắc đến đó chính là khả năng giúp nâng cao năng suất, hiệu quả công việc Những cánh tay robot công nghiệp là thiết bị cơ khí, được lập trình sẵn với các chức năng tương tự như cánh tay người Với khả năng linh hoạt cao, thiết bị này được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau - Tiết kiệm không gian Cánh tay robot công nghiệp giúp tiết kiệm không gian một cách đáng kể đáng kể Giờ đây, cùng một công việc, bạn không cần phải sử dụng đến nhiều nguồn nhân lực hay các máy móc nặng nề nữa Chỉ cần một cánh tay robot đã “dư sức” hoàn thành những công việc này một cách nhanh chóng và đúng chuẩn Không những vậy chúng còn giúp “mở rộng” không gian lắp đặt các thiết bị máy móc cồng kềnh, phức tạp - Tiết kiệm chi phí Cùng lúc có thể đảm nhiệm nhiều công việc, cánh tay robot giúp tiết kiệm hàng loạt các khoản chi phí như: chi phí thuê nhân công, chi phí bảo trì, bảo dưỡng máy móc, chi phí thuê mặt bằng,… - Hạn chế sai sót Cho dù đội ngũ nhân công có được đào tạo bài bản đến đâu đi chăng nữa thì tất nhiên trong quá làm việc, việc phát sinh các sai sót là điều khó tránh khỏi Với sự lập trình, tính toán cẩn thận trong từng chi tiết, những cánh tay robot chắc chắn sẽ chẳng bao giờ khiến bạn phải đau đầu xử lý các lỗi sai, các vấn đề trục trặc có thể xảy ra trong quá trình sản xuất - Kinh tế an toàn Các thiết bị này luôn được trang bị những tính năng an toàn, bao gồm các bộ cảm biến phát hiện lực tác động hoặc chướng ngại trong khu vực hoạt động, đảm bảo chắc chắn rằng các robot sẽ không gây hại cho con người 1 1 3 Các chỉ tiêu đánh giá và các thông số kỹ thuật Để các cơ cấu tay máy hoạt động linh hoạt tức là có thể thực hiện được dễ dàng các chuyển dịch muôn màu muôn vẻ, chúng cần phải có một số bậc tự do chuyển động cần thiết Như đã biết, với các cơ cấu tay máy dùng các cơ cấu hở không gian 19 có các khớp động loại 5 thì số bậc tự do bằng số khâu động Khi tăng số bậc tự do tức là tăng số khâu động và tăng số thiết bị động lực cho các khâu động đó nên sẽ tăng độ phức tạp về kết cấu và chế tạo Vấn đề đặt ra là khi cùng số bậc tự do có thể chọn lựa cơ cấu tay máy nào đảm bảo tính linh hoạt cao hơn Tính linh hoạt của cơ cấu tay máy là một chỉ tiêu tổng hợp được thể hiện qua các yếu tố sau đây: 1 1 3 1 Độ động của cơ cấu Khâu thao tác robot được xác định bằng 6 thông số x y z E E E , , , , ,    , trong đó 3 thông số đầu là vị trí của gốc hệ tọa độ gắn với khâu thao tác, còn 3 thông số sau xác định hướng của khâu thao tác Trong lúc mỗi cấu hình của cơ cấu tay máy được xác định bằng n giá trị biến khớp q1, , qn Số bậc tự do n của cơ cấu tay máy có thể bằng hoặc khác 6 Có thể xảy ra 3 trường hợp sau: + Nếu n=6, khi điểm E thực hiện di chuyển nhỏ       x y z E E E , , , , , sang một vị trí mới nào đó, thì có thể xác định   q q 1, , n một cách đơn trị + Nếu n  6 thì không phải lúc nào điểm E cũng đạt tới vị trí với định hướng như yêu cầu được + Nếu n  6 thì có nhiểu lời giải để điểm E đạt tới vị trí với định hướng đã yêu cầu Hiệu số n-6=m được gọi là độ cơ động của tay máy Có thể xác định độ cơ động m bằng số bậc tự do còn lại của cơ cấu nếu giữ cố định bàn kẹp lại Sự tồn tại độ cơ động (m  1) là có lợi vì khi đó cơ cấu tay máy có thể đạt tới đích với nhiều phương án khác nhau Điều đó càng quan trọng nhất là khi môi trường làm việc có các chướng ngại Tuy nhiên dễ có độ cơ động cao, tức là cần số bậc tự do cao thì độ phức tạp kết cấu tay máy cũng tăng theo và sẽ không tránh khỏi việc tăng giá thành và giảm độ chính xác chuyển động 1 1 3 2 Hệ số phục vụ Trong vùng làm việc, tức là trong khoảng không gian mà bàn kẹp tay máy có thể thao tác được, không phải ở bất cứ điểm nào trong vùng này bàn kẹp tay máy 20 cũng thao tác dễ dàng như nhau Để đánh giá mức độ dễ dàng thao tác đó người ta dùng khái niệm hệ số phục vụ Hệ số phục vụ  là tỷ số giữa góc phục vụ  so với 4  Góc phục vụ  là góc nón quét một vùng không gian mà chỉ ở phía trong đó bàn kẹp mới có thể hướng tới tọa độ cần thiết: Giá trị của  và  không những phụ thuộc vào vị trí điểm thao tác trong vùng làm việc, mà còn phụ thuộc vào kết cấu của tay máy 1 1 3 3 Độ dễ điều khiển của cơ cấu tay máy Trong thực tế điều khiển hoạt động của tay máy, từ khi nhận được tín hiệu về định vị và định hướng của” điểm tác động cuối” E tại một điểm của quỹ đạo, cho tới khi điều khiển để đạt được mục tiêu đó, robot phải thực hiện hoạt động đó trong một khoảng thời gian nhất định Thời gian đó bao gồm thời gian tính toán để xác định các thông số điều khiển và thời gian thực hiện di chuyển Tổng các thời gian đó có thể gọi là thời gian điều khiển Trong đó thời gian tính toán giá trị các biến khớp qi theo các thông số định vị và định hướng tại điểm phụ thuộc vào loại cơ cấu tay máy Qua thông số thời gian điều khiển nói trên có thể xác định mức độ khó dễ điều khiển, như một chỉ tiêu đánh giá cơ cấu tay máy 1 1 3 4 Các thông số kỹ thuật của robot công nghiệp Robot công nghiệp thường được đặc trưng bằng bảng các thông số kỹ thuật cơ bản Hệ truyền dẫn động được ghi rõ là thủy lực, khí nén, động cơ điện một chiều, động cơ bước Hệ điều khiển được xác định theo chu kỳ hoặc theo vị trí Sai số định vị của bàn kẹp  (mm) là độ sai lệch giữa vị trí thực so với vị trí yêu cầu Mức chính xác thấp  >  1(mm) áp dụng cho các loại robot vận chuyển, phun phủ 21 Mức chính xác trung bình 0,1    1,0(mm) thích hợp với các việc như lắp ráp có khe hở, vặn vít, hàn hồ quang Mức chính xác cao   0,1(mm) dùng khi đo lường, lắp ráp khít 22 Bảng 1 1: Đặc trưng của robot Thông số kỹ thuật Đơn vị Thông số kỹ thuật Đơn vị Số bậc tự do Tải nâng Giá trị giới hạn (max, min) * Biến khớp quay * Biến khớp tịnh tiến Vận tốc góc lớn nhất khi quay - Kg rad mm rad/s Vận tốc tịnh tiến lớn nhất Tầm với (max/min) Tầm cao (max/min) Sai số định vị Hệ truyền dẫn động Hệ điều khiển mm/s mm mm mm - - 1 1 4 Các bài toán thường gặp đối với robot công nghiệp Trong thực tế, để chế tạo ra một robot công nghiệp hoàn chỉnh và có thể thương mại hóa nó phải trải qua rất nhiều bước Tuy nhiên, ở đây ta chỉ giới hạn ở các vấn đề tính toán lý thuyết cơ bản thì các bài toán liên quan đến robot công nghiệp bao gồm: + Phân tích động học: Tìm mối quan hệ giữa chuyển động của khâu thao tác (bàn kẹp, đầu hàn, sơn, phun phủ,…) và chuyển động của các khớp (góc quay của các động cơ hoặc chuyển động tịnh tiến đặt ở mỗi khớp) Sau đó, chúng ta cần phải giải mối quan hệ này theo cả hai chiều: cho trước chuyển động của khâu thao tác, cần tìm chuyển động của các khớp hoặc ngược lại Bên cạnh đó, vấn đề tính toán vận tốc dài, vận tốc góc cũng là 1 vấn đề quan trọng, làm đầu vào cho bài toán động lực học Các yếu tố đầu vào của bài toán động học bao gồm cấu trúc động học và kích thước các khâu của robot + Phân tích động lực học: Ở bài toán động lực học, chúng ta cần quan tâm đề nguyên nhân gây ra chuyển động tức là mối quan hệ giữa momen (hoặc lực) đặt vào các khớp quay (hoặc tịnh tiến) và chuyển động tương ứng của các khớp đó Các yếu tố đầu vào của bài toán động lực học bao gồm kết quả của bài toán động học và các yếu tố về khối lượng, momen quán tính khối của các khâu của robot 23 + Thiết kế quỹ đạo và điều khiển: Đây là bài toán sau cùng cũng là bài toán phức tạp nhất của tính toán robot Chúng ta cần thiết kế đường di chuyển cho khâu thao tác và chuyển động của các khớp cùng với các yếu tố về vận tốc, gia tốc để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất Bài toán điều khiển nhằm đảm bảo robot sẽ hoạt động bám theo đúng những thông số ta đã thiết kế trước, chất lượng của điều khiển quan hệ mật thiết với chất lượng của một robot 1 2 Tổng quan về hệ thống dây chuyền sơn, sấy hòm bảo quản sản phẩm lăng phun chữa cháy 1 2 1 Robot sơn Kawasaki KJ264 Hình 1 12 Robot Kawasaki KJ264 Thông số kỹ thuật: Loại: 3Rø70 Bậc tự do (trục): 6 Tải trọng (kg): Cổ tay:15 Cánh tay: 25 Tối đa Tầm với (mm) 2: 2 640 Độ lặp lại vị trí (mm): ±0,5 Phạm vi chuyển động (°): Xoay cánh tay (JT1): +30 - −120 24 Vai trò robot sơn trong sản xuất công nghiệp thế hệ mới Robot phun sơn là một trong những sản phẩm đang được ứng dụng nhiều trong hệ thống phun sơn tĩnh điện tự động, giúp làm giảm đi những nỗi lo về an toàn và yêu cầu tay nghề của lao động trong công nghiệp sản xuất Hiện nay robot phun sơn đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp Robot sơn hay robot phun sơn là một thiết bị trong dây chuyền phun sơn tĩnh điện tự động, có thể sơn được nhiều vật liệu như gỗ, kim loại,… hay bề mặt phức tạp Cánh tay robot gắn với đầu phun sơn có khả năng di chuyển linh hoạt, giúp dễ dàng phun sơn lên cả những vị trí khó Đồng thời, chúng đảm bảo độ chính xác cao nhờ hoạt động theo lập trình cho sẵn Nhờ khả năng kết nối với dây chuyền sản xuất tốt và hoạt động linh hoạt, robot phun sơn có thể được cài đặt sử dụng tùy theo nhu cầu của từng ngành nghề Robot phun sơn được ứng dụng trong vô số lĩnh vực sản xuất công nghiệp như chế tạo ô tô, tàu thủy, gia công cơ khí,… Robot phun sơn đóng một vai trò thiết yếu trong dây chuyền phun sơn tĩnh điện tự động, đồng thời đem lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp sản xuất Sơn chứa những hóa chất vô cùng độc hại và có tác động xấu tới sức khỏe con người nếu tiếp xúc trực tiếp trong thời gian dài Vì vậy, sử dụng robot sơn sẽ thay thế con người làm những công việc nguy hiểm đó, giảm thiểu tối đa sự tiếp xúc với các loại bụi sơn độc hại Nhờ đó cũng góp phần đảm bảo an toàn sức khỏe cho nhân công, giảm thiểu rủi ro tai nạn lao động không đáng có Robot phun sơn với khả năng hoạt động tự động, xuyên suốt sẽ giúp cho quá trình sản xuất diễn ra liên tục, không bị gián đoạn Hơn nữa với khả năng phun sơn linh hoạt, robot sơn cũng giúp con người thao tác nhanh hơn, đều hơn ngay cả trên những bề mặt khó tiếp xúc Điều này sẽ giúp bề mặt sản phẩm đều màu và láng mịn hơn 25 Robot phun sơn hoạt động chính xác và tự động theo chương trình đã được cài đặt sẵn Từ đó giúp giảm thiểu các thao tác thừa và các sản phẩm bị lỗi Chất lượng sản phẩm đầu ra sẽ đồng đều và tốt hơn, nâng cao năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp Hơn nữa việc hạn chế được sản phẩm lỗi và thay thế con người làm việc sẽ giúp nhà máy tiết kiệm được tối đa chi phí trong sản xuất 1 2 2 Dây truyền sơn, sấy hòm bảo quản sản phẩm lăng phun chữa cháy Hệ thống có thể sơn sấy được các sản phẩm theo quy cách sau: - Kích thước sản phẩm tối đa: (d x r x c) ± 5 mm + Thùng loại A: 518 x 316 x 161 + Thùng loại B: 626 x 316 x 216 + Thùng loại C: 82 x 531 x 419 + Thùng loại D: 689 x 274 x 164 + Thùng loại E: 856 x 361 x 244 + Thùng loại F: 689 x 424 x 244 - Tốc độ tối đa thiết kế của dây chuyền sơn: 2 5 m/phút - Khoảng cách giữa hai giá treo: 1200 mm - Tốc độ tối đa thiết kế của chuyền treo phơi khô: 1 2 m/phút - Khoảng cách giữa hai giá treo: 600 mm - Sản phẩm sơn: thùng gỗ - Nhiệt độ sấy khô sản phẩm trong lò sấy chuyền sơn: 40 - 60 o C - Áp suất khí nén cấp cho dây chuyền: 5 – 8 bar • Một số lăng phun chữa cháy dùng bảo quản trong hòm gỗ: a Lăng phun chữa cháy đồng DN50 - TMK-NZL-BR-50B b Lăng phun chữa cháy đồng DN65 - TMK-NZL-BR-65B c Lăng phun chữa cháy nhôm DN50 - TMK-NZL-BR-50A d Lăng phun chữa cháy nhôm DN65 - TMK-NZL-BR-65A 26 Hình 1 13 Các đầu phun chữa cháy Hệ thống dây chuyền sơn, sấy tự động hòm bảo quản sản phẩm lăng phun chữa cháy Trong đó: 1 Khu vực treo hàng 2 Khu vực buồng sơn tay 3 Khu vực buồng phun Robot 4 Khu vực ổn định lớp sơn 5 Khu vực lò sấy sơn 6 Khu vực làm nguội sản phẩm 7 Khu vực vận chuyển sản phẩm Hình 1 14 Sơ đồ hệ thống 27 • Khu vực treo hàng - Hệ thống treo hàng gồm các dãy treo hòm và băng tải nhằm mục đích chuyền đến khu vực cần sơn - Thông số kỹ thuật của xích treo như sau: - Loại xích tải: Xích tải treo - Độ dài băng tải: 248 m - Tải trọng xích tải: 7-8 tấn - Móc treo chữ Y: 208 pcs - Driver xích tải: 1 set (Co tăng giảm, bộ truyền động 5HP, điều tốc) - Bộ châm nhớt tự động: 1 set Hình 1 15 Khu vực giá treo • Khu vực buồng sơn tay và buồng phun Robot Hình 1 16 Buồng sơn dặm và buồng sơn Robot 28 - Trước khi sử dụng Robot để phun sơn thì sản phẩm cần được qua khu vực sơn tay để sơn dặm các phần góc cạnh, các điểm mà Robot có thể sẽ không đảm bảo được yêu cầu công nghệ - Sau khi ra khỏi buồng sơn dặm bằng tay, sản phẩm sẽ được đưa vào buồng sơn robot tại đây sản phẩm sẽ được sơn phủ bởi robot kawasaki KJ264 Trong đó: 1 Buồng sơn dặm Buồng sơn dặm bằng tay: Kích thước: 3000 x 4500 x 2800 mm 1 quạt hút sử dụng động cơ ABB 5 HPx4P 1 quạt cấp 1 bộ báo khói, 1 bộ báo lửa 4 bộ đèn 36 w phòng nổ Bộ súng sơn tay Wagner Germany 2 Buồng sơn Robot Kawasaki KJ264 Kích thước: 5000 x 4500 x 2800 mm 2 quạt hút sử dụng động cơ ABB 5 HPx4P, 2 quạt cấp 1 bộ báo khói, 1 bộ báo lửa 4 bộ đèn 36 w phòng nổ Robot Kawasaki KJ264, bộ súng tự động Wager GA4000ACIC và Sensor nhận biết sản phẩm • Khu vực ổn định lớp sơn - Sau khi sản phẩm đi qua các buồng sơn thì không thể đưa vào buồng sấy ngay vì vậy cần qua khu vực ổn định lớp sơn • Khu vực lò sấy sơn - Sản phẩm cần đi qua khu vực sấy trong 60 phút để làm khô lớp sơn theo yêu cầu kỹ thuật Thông số kỹ thuật: Nhiệt độ vận hành: 40 o C – 60 o C 29 • Khu vực làm nguội và vận chuyển sản phẩm Sản phẩm sau khi qua lò sấy ở đầu ra cần được làm nguội tự nhiên trên các giá treo và được vận chuyển theo day chuyền Kết luận chương Chương này cho chúng ta thấy lịch sử hình thành robot công nghiệp, ứng dụng về robot công nghiệp, các chỉ tiêu đánh giá và thông số kỹ thuật và các bài toán thường gặp khi sử dụng robot công nghiệp Tổng quan về dây chuyền sơn sấy hòm bảo quản sản phẩm lăng phun chữa cháy Trong dây chuyền có sử dụng robot Kawasaki KJ264 6 bậc làm nhiệm vụ phun sơn 30 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT SƠN 6 BẬC 2 1 Phân tích động học thuận Robot 2 1 1 Mô hình robot và các hệ tọa độ Denavit – Hartenberg(DH) Trên hình 2 1 là hinh ảnh của một số dạng robot, các robot đó có kích thước khác nhau nhưng hình dáng nói chung là giống nhau, xuất phát từ hình ảnh thực tế, ta xây dựng được mô hình chuyển động của các robot có dạng như trên hình 2 2 dưới đây, trong đó ta đặt các kích thước trên hình bằng các tham số như sau: O0O1 = d1, O1A = d2, AO2 = a2, O2B = d3, BC = a3, CO3 = d4, O4O5 = d5, O5O6 = d6 Dựa vào phương pháp ma trận DH [1, 2], ta xây dựng được các hệ trục tọa độ khớp đối với rôbốt có dạng như trên hình 2 2 Sau khi xây dựng được các hệ tọa độ khớp, ta xác định được bảng các tham số động học DH được cho như trong bảng 2 2 Hình 2 1 Bộ sản phẩm robot công nghiệp Hình 2 2 Mô hình chuyển động của robot 31 Bảng 2 1: Bảng các tham số động học DH của robot 2 1 2 Xác định các ma trận DH Từ cách xây dựng hệ trục ở trên ta thấy, để chuyển hệ trục thứ i – 1 sang hệ trục thứ i ta cần thực hiện bốn bước như sau [1, 2]: đầu tiên là quay quanh trục zi1 một góc  i, tiếp theo dịch chuyển dọc trục zi-1 một đoạn di sau đó dịch chuyển dọc trục xi một đọa ai và cuối cùng là quay quanh trục xi một góc  i Vậy khi đó ma trận chuyển từ hệ trục i – 1 sang hệ trục i là tích của 4 ma trận quay thuần nhất cơ bản nói trên, khi đó ta có