Đang tải... (xem toàn văn)
bài tập robot công nghiệp rất cơ bản
Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R) Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay robot đã được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực như sản xuất, công nghiệp, công nghệ cao như vũ trụ, hàng không, giao thông vận tải… Các nước phát triển đã xuất hiện xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao và xu hướng này đã đạt được khá nhiều kết quả khả quan. Chính vì thế việc nghiên, ứng dụng và phát triển các hệ thống sả n xuất tự động linh hoạt ngày càng trở nên cấp thiết, nhất là các loại robot. Robot công nghiệp có cấu trúc động học nối tiếp tuy đã được nghiên cứu và phát triển mạnh song những tính toán và ứng dụng của nó luôn luôn là một lĩnh vực rất phong phú, đa dạng và đây cũng là loại robot thông dụng nhất hiện nay. Trong đó có KUKA KR - một loại tay máy 6 bậc tự do hoạt động rất linh hoạt, được ứng dụng nhi ều lĩnh vực sản xuất và trong công nghiệp. Trong đồ án này sẽ nghiên cứu loại robot này về các phần động học, động lực học, miền làm việc cũng như phần mô phỏng lập trình sử dụng các phần mềm hỗ trợ. Hà Nội, 5/2011 Vũ Ngọc Trọng Cơ điện tử 2 – K52 Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R) Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52 2 CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ ROBOT CHUỖI HỞ 1.1. Sự ra đời của robot Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người. Hơn 20 năm sau, ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệ m về vật liệu phóng xạ. Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961 ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kì. Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company). Đến năm 1990 đã có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi và Mitsubishi đã đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng. Cho đến nay, công nghệ chế tạo robot đã phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trong đời sống và sản xuất. 1.2. Phân loại robot 1.2.1. Phân loại theo số bậc tự do (BTD) trong trường công tác Robot có 2 loại chuyển động cơ bản làm chuẩn : - Chuyển động thẳng theo các trục X, Y, Z trong không gian Đề-các với các khớp lăng trụ hay khớp trượt, kí hiệu là P hoặc T. - Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu là R. Tùy số BTD và và cách tổ hợp T-R, robot sẽ hoạ t động trong trường công tác với các hình khối khác nhau. Ví dụ: Robot có trường làm việc là hình trụ như RRT, RTT… 1.2.2. Phân loại theo cấu trúc động học Một phương pháp phân loại Robot chính là phân loại theo câu trúc hình học của chúng. Một robot được gọi là robot chuỗi hở (robot tuần tự - serial robot) nếu cấu trục động học của chúng có dạng một chuỗi động hở; gọi là robot song song Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R) Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52 3 (parallel robot) nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng; và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm cả 2 loại này. 1) Robot chuỗi hở (robot nối tiếp – Serial Manipulators) Đây là dạng phổ biến nhất của robot công nghiệp. Thường có dạng cấu trúc giống cánh tay người, là một chuỗi các khâu rắn liên kết với nhau bằng các khớp (joints) có dạng như vai, khuỷu tay và cổ tay. Robot này có ưu điểm chính là vùng làm việc (workspace) r ộng và linh động. Dưới đây ta đưa ra các bộ phận chính của một robot công nghiệp: - Cấu trúc cơ khí gồm các khâu (links) và khớp (joints), - Cơ cấu chấp hành (actuators) tác động tại các khớp làm tay máy chuyển động, - Cảm biến (sensors) dùng để đo lường các trạng thái của tay máy (cảm biến trong) và trạng thái môi trường (cảm biến ngoài) nếu cần, - Một hệ thống điề u khiển (có cả máy tính) để điều khiển và giám sát chuyển động của tay máy. Nhược điểm: - Đặc điểm cố hữu là độ cứng vững thấp để tạo một cấu trúc động học. - Sai số tích lũy được khuếch đại từ khâu trước sang khâu sau. - Do phải mang và chuyển động cùng các bộ dẫn động (thường là các động cơ) có khối lượng lớn nên tố c độ nên tốc độ làm việc không cao. - Khả năng mang tải không cao. Robot loại này yêu cầu phải có ít nhất 6 BTD trong không gian (ứng với 6 BTD của đối tượng làm việc) để có thể tiếp cận được đối tượng ở vị trí bất kì với khả năng định hướng trong miền làm việc của nó. Chính vì vậy chủ yếu là robot có 6 khớp, như các loại robot Stanford (RRTRRR), KUKA (6R), Elbow (6R), Puma (6R) …với ứng dụng chính trong công nghiệp hiện nay là lắp ráp, vận chuyển phôi và sản phẩm trong quá trình sản xuất. Hình 1.1. IRB660-palletiser của hãng ABB Robotics. Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R) Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52 4 2) Robot song song (Parallel Manipulator) Loại robot song song điển hình thường có bàn chân di chuyển được nối với giá cố định bằng một số nhánh hay chân. Do vậy, các khâu chỉ chịu lực kéo hoặc lực nén, không phải chịu uốn. Thường số chân chính bằng số BTD, các chân được điều khiển bằng một nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên thân của chân. Ưu điểm: - Khả năng chịu tải l ớn vì tải trọng được chia cho các chân, - Tốc độ cao hơn và chính xác hơn, cấu trúc gọn nhẹ hơn, - Do tốc độ cao và chính xác cao nên có thể hoạt động như một máy phay, ngày nay đã được áp dụng vào việc phay các bề mặt gia công cần độ chính xác cao, năng suất. - Nhiều ứng dụng: Mô phỏng tạo song, ghế lái máy bay (Steward, 1965), bàn khung lắp ráp (Reinholtz và Gokhale, 1987), bàn điều khiển dao, gá của máy phay (Arai, 1991), các thiết bị định điể m (Gosselin và Hamel, 1994), các máy chuyển động có chân bước (Waldron, 1984). Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm vì gặp phải một số trở ngại như không gian làm việc nhỏ, các chân có thể va chạm lẫn nhau cũng như việc thiết kế rất khó khăn. 3) Robot di chuyển (Mobile Robot) Đơn giản như loại ôtô, xe đạp với các bánh lái có 2 BTD. Hiện nay dùng trong chuyên chở vật liệu trong nhà may rộng, bệnh viện, văn phòng … 4) Robot giống người (Humanoid Robot) Nói mộ t cách đơn giản, robot này có dạng hình dáng con người, 2 chân, 2 tay, đầu, và dung các cơ cấu đó với chuyển động như các bộ phận của con người. Hình 1.2. ABB’s IRB340 palletising robot Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R) Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52 5 Các kiểu phân loại khác như phân loại theo Hệ thống truyền động, theo Phương pháp điều khiển, theo Đặc điểm hoạt động… tùy các tiêu chí đặt ra mà robot được phân loại nhằm nêu bật tiêu chí đó. 1.3. Tay máy (Manipulator) Thuật ngữ “tay máy” và robot trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn trong lĩnh vực này không có sự khác biệt. Để thuận tiện trong trình bày, ở đây ta hiểu: Tay máy là một dạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc đi ểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người. Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tương đối nhau, được gọi là các khâu động. Trong đó phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay còn gọi là các phần tử thực sự thực hiện các chuyển động để vậ n hành tay máy như động cơ điện, xylanh dầu ép, xylanh khí nén ,… Phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối để thao tác trên đối tượng làm việc – thường là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng. Tay máy hay có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp thông thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được kết nối với nhau nhờ các khớp động. Khâu cuối của tay máy thường có dạng một tay g ắp hoặc được gắn dụng cụ công tác. Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chung được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí vận tốc dị ch chuyển của khâu cuối – khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển đông của các khâu thành phần. 1.4. Một số robot chuỗi hở thường gặp 1.4.1. Tay máy tọa độ vuông góc (Cartesian robot/ Gantry robot) Robot hoạt động trong hệ tọa độ này được minh họa như hình vẽ gồm ba chuyển động định vị X,Y,Z theo các trục tọa độ vuông góc: Loại robot này thích hợp với công việc gắp vật thể và đặt chúng vào vị trí khác. Các ứng dụng có thể là đóng gói, lắp ráp máy móc, cầm nắm các máy công cụ hoặc hàn theo hình cung. Đối với loại robot này, cánh tay được tạo thành từ 3 khớp trượt mà trục của chúng trùng với hệ trục tọa độ Đê-các. Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R) Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52 6 Ưu điểm: - Không gian làm việc lớn, có thể dài đến 20m, - Đối với loại gắn trên trần sẽ dành được diện tích sàn lớn cho các công việc khác, - Hệ thống điều khiển đơn giản. Hạn chế: Việc thêm vào các loại cần trục hay các loại thiết bị vận chuyển vật liệu khác trong không gian làm việc của robot không được thích hợp lắm.Vi ệc duy trì vị trí của các cơ cấu dẫn động và các thiết bị dẫn động điện đối với loại trên đều gặp nhiều trở ngại. 1.4.2. Tay máy tọa độ trụ (Cylindrical robot) Trong ba chuyển động chính , robot được trang bị hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay. Sử dụng trong công nghệ lắp ráp, cầm nắm các máy công cụ, hàn điểm. Loại robot này, trục có dạng hệ tọa độ trụ. Ưu điểm : - Có khả năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất, - Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sàn, - Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn, - Khả năng lặp lại tốt. Nhược điểm duy nhất là giới hạn tiến về phía trái và phía phải do kết c ấu cơ khí và giới hạn các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang. Hình 1.3. Tay máy tọa độ vuông góc (Cartesian Robot) Hình 1.4. Tay máy tọa độ trụ (Cylinderical Robot) Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R) Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52 7 1.4.3. Tay máy tọa độ cầu (Spherical/Polar robot) Robot loại này được bố trí có ít nhất hai chuyển động quay trong ba chuyển động định vị. Dạng robot này là dạng sử dụng điều khiển servo sớm nhất. Được sử dụng để cầm nắm các dụng cụ, hàn điểm, đánh bóng, hàn hơi hoặc hàn theo cung. Trục của robot tạo thành hệ tọa độ cầu. 1.4.4. Tay máy toàn khớp bản lề Loại cấ u hình dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho robot là dạng khớp nối bản lề và kế đó là dạng ba trục thẳng, gọi tắt là dạng SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm). Dạng này và dạng tọa độ trụ là phổ cập nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng các cơ cấu tác động quay như các động cơ đi ện, động cơ dầu ép, khí nén. Được sử dụng để gắp nhả vật, đóng gói, lắp ráp hay cầm nắm máy công cụ. Robot có 2 khớp xoay song song với nhau cho phép thao tác trên mặt phẳng. Ưu điểm : - Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn, tỉ lệ kích thước - tầm vươn được đánh giá cao. - Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nố i bản lề với ba trục quay bố trí theo phương thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu gắp đặt và đặt chi tiết theo phương thẳng. Trong trường hợp này bài toán tọa độ hoặc quỹ đạo chuyển động đối với robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y còn lại bằng cách phối hợp ba chuyển động quay quanh ba trục song song vớ i trục z. Hình 1.5. Tay máy tọa độ cầu (Polar Robot) Hình 1.6. Robot SCARA Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R) Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52 8 1.4.5. Về KUKA Robotics Hình 1.7. Robot KUKA KR 6/2 và 15/2 của KUKA Robotics Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R) Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52 9 KUKA được thành lập vào năm 1898 tại Augsburg, Đức, tên là Keller und Knappich Augsburg . Có công ty mẹ là KUKA Roboter GmbH, đặt tại Augsburg - Đức, KUKA Robotics là một trong những nhà sản xuất hàng đầu thế giới về robot công nghiệp với khối lượng hàng năm đạt gần 10.000 con. Dải robot 5 và 6 trục có tải trọng từ 3kg đến 570 kg và tầm với từ 635mm đến 3700mm, đều được điều khiển từ một nền t ảng bộ điều khiển dựa trên PC; riêng KUKA KR 1000 – robot khỏe nhất thế giới của KUKA, là loại robot có 6 trục được làm bằng titan. Khả năng nâng của nó lên đến 1000 kg và tầm với là 3200 mm. Và nó được thiết kế nhắm tới các ứng dụng đặc biệt nặng. Do vậy, nó rất lý tưởng cho các ngành công nghiệp như sản xuất vật liệu xây dựng, ôtô và giặt là. Robot của KUKA được sử dụng rộng rãi trong nhiề u ngành công nghiệp, gồm sản xuất thiết bị gia dụng, sản xuất ô tô, không gian, sản xuất hàng tiêu dùng, chế biến thực phẩm, dược, y, đúc khuôn, nhựa, và trong nhiều ứng dụng phức hợp khác như vận chuyển vật, lắp ráp, đóng gói, xếp-dỡ pallet, hàn, uốn, đánh bóng bề mặt. Thông tin chi tiết về tập đoàn có tại trang web www.kukarobotics.com. Hình 1.8. KUKA KR 1000 – robot khỏe nhất thế giới của KUKA Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R) Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52 10 Vài hình ảnh khác về robot của hãng KUKA : Hình 1.9. Zepnick Solutions đã chọn KUKA Robotics cung cấp Robot bằng thép không gỉ KUKA KR 15 SL cho hệ thống xử lý và đóng gói thực phẩm mới của công ty. Hình 1.10. Một khoang làm việc của robot hãng KUKA đang thao tác với các thùng đồ uống. Hình 1.11. Một khoang làm việc của robot đang bỏ bánh mì nhặt từ băng chuyền vào hộp. Hình 1.12. Hệ thống robot tự động phục vụ cho các quầy bar của hãng Motoman đang dùng một trong 2 bộ kẹp để lấy cốc.