Bài giảng Robot công nghiệp - Chương I: Các khái niệm cơ bản và phân loại robot công nghiệp - Nhữ Quý Thơ

Nội dung text: Bài giảng Robot công nghiệp - Chương I: Các khái niệm cơ bản và phân loại robot công nghiệp - Nhữ Quý Thơ

1. Robot công nghiệp Handout for mechatronics class 2011 © Giảng viên: Nhữ Quý Thơ Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội Khoa cơ khí – Bộ môn Cơ điện tử Phone: 04.37655121(Ext 324) Mobile: 0947593636 Email: nhuquytho@haui.edu.vn Homepage: www.haui.edu.vn Copyright NhuQuyTho 2011 1
2. Quy định chung Thời lượng: 3 tín chỉ: 30 tiết LT + 30h TH, 4 tiết/tuần Hình thức đánh giá: 1 bài ktLT+ 1 BTL+ 1 bài kt TH+ 1Chuyên cần + Thi cuối kỳ Tài liệu giảng dạy: 1. Bài giảng robot CN- ĐHCN 2. Kỹ thuật robot – Đào Văn Hiệp- NXB KHKT 2006 Tài liệu tham khảo: 1. Robot công nghiệp- Phạm Đăng Phước- Ebook 2. Robot manipulator control- Frank. Lewis, - Ebook Hình thức thi: Tự luận (Không sử dụng tài liệu) Sử dụng ngân hàng câu hỏi. Copyright NhuQuyTho 2011 2
3. Mục tiêu của học phần - Giới thiệu khái niệm robot công nghiệp, các đặc điểm cấu tạo, phân loại và lựa chọn robot công nghiệp. - Giải quyết các bài toán cơ học tay máy: bài toán động học thuận, bài toán động học ngược, bài toán động lực học. - Phân tích cơ sở lý thuyết điều khiển robot công nghiệp, giải quyết bài toán thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot công nghiệp. - Phân tích đặc điểm, chức năng và mối quan hệ giữa các hệ thống điển hình của robot công nghiệp. - Phân tích phương pháp thiết kế và tính toán hiệu quả kinh tế của việc sử dụng robot công nghiệp. - Thiết kế không gian làm việc cho robot công nghiệp bằng phần mềm. - Lập trình và vận hành cho robot công nghiệp. Copyright NhuQuyTho 2011 3
4. Nội dung giảng dạy Phần I: Lý thuyết 1 Chương 1: Các khái niệm cơ bản và phân loại robot công nghiệp 2 Chương 2: Động học tay máy 3 Chương 3: Động lực học tay máy 4 Chương 4: Cơ sở điều khiển robot 5 Chương 5: Các hệ thống điển hình của robot công nghiệp 6 Chương 6: Cơ sở thiết kế robot công nghiệp 7 Chương 7: Sử dụng robot trong công nghiệp Phần II: Thực hành 1 Bài 1: An toàn lao động và vận hành robot công nghiệp 2 Bài 2: Thiết kế không gian làm việc của tay máy bằng phần mềm AX – On Desk 3 Bài 3: Lập trình offline cho robot công nghiệp 4 Bài 4: Vận hành robot công nghiệp theo chương trình tự động 5 Bài 5: Vận hành theo phương pháp dạy học cho robot công nghiệp Copyright NhuQuyTho 2011 4
5. Chương I Các khái niệm cơ bản và phân loại robot công nghiệp Giới thiệu các khái niệm robot, robot công nghiệp, khoa học robot; đặc điểm cấu tạo, phân loại robot công nghiệp Copyright NhuQuyTho 2011 5
6. 1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot 1.1.1. Robot và robotic: ThuËt ng÷ “Robot” xuÊt ph¸t tõ tiÕng Sec (Czech) “Robota” cã nghÜa lµ c«ng viÖc t¹p dÞch trong vë kÞch Rossum’s Universal Robots cña Karel Capek, vµo n¨m 1921. Vào những năm1940 nhà văn Issac Asimov mô tả robot là chiếc máy tự động có các nguyên tắc cơ bản: - Robot không xúc phạm và gây tổn thương cho con người - Hoạt động của robot do con người đặt ra và ko vi phạm nguyên tắc 1 - Robot phải bảo vệ được sự sống của mình và ko vi phạm 2 nguyên tắc trên Copyright NhuQuyTho 2011 6
7. 1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot 1.1.1. Robot và robotic: Theo tiêu chuẩn AFNOR của pháp: Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lập lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di chuyển các đối tượng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp. Copyright NhuQuyTho 2011 7
8. 1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot 1.1.1. Robot và robotic: Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người. Bên cạnh khái niệm robot còn có khái niệm robotics, khái niệm này có thể hiểu như sau: Robotics là một nghành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh. Robotics là một khoa học liên nghành gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Nó là sản phẩm đặc thù của nghành cơ điện tử (mechatronics). Copyright NhuQuyTho 2011 8
9. 1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot Copyright NhuQuyTho 2011 9
10. 1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot 1.1.2. Robot công nghiệp Theo định nghĩa của tổ chức ISO: Robot công nghiệp là một tay máy đa mục đích có thể điều khiển tự động, lập trình lại nhiều hơn hoặc bằng 3 trục. Theo Viện nghiên cứu robot của Mĩ đề xuất: RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác. Hay theo định nghĩa GHOST 25686 – 85 như sau: RBCN là tay máy được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Copyright NhuQuyTho 2011 10
11. 1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot 1.1.2. Robot công nghiệp Ứng dụng của robot công nghiệp Lĩnh vực 1985 1990 Hàn 35% 5% Phục vụ máy NC và hệ thống TĐLH 20% 25% Đúc 10% 5% Lắp ráp 10% 35% Phun phủ 10% 5% Sơn 5% 15% Các ứng dụng khác 10% 10% Copyright NhuQuyTho 2011 11
12. 1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot Xem tài liệu bổ sung Xem videos ứng dụng robot công nghiệp Copyright NhuQuyTho 2011 12
13. 1.2. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 1.2.1. Cấu trúc chung Một RBCN bao gồm các phần cơ bản sau: Tay Máy: (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay(arm) để tạo các chuyển động cơ bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. Copyright NhuQuyTho 2011 13
14. 1.2. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường. Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. Hệ thống điều khiển: (controller) hiện nay thường là hệ thống điều khiển số có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot Copyright NhuQuyTho 2011 14
15. 1.2. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường. Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. Hệ thống điều khiển: (controller) hiện nay thường là hệ thống điều khiển số có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot Copyright NhuQuyTho 2011 15
16. 1.2.2. Kết cấu tay máy Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là phần cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc như­ nâng, hạ vật, lắp ráp Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại khác xa với tay người. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc để chỉ các bộ phận của tay máy như vai (shoulder), Cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations), Trong thiết kế quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của robot như: - Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay - Tầm với hay vùng làm việc: Kích thước và hình dáng vùng mà phần làm việc có thể với tới. - Sự khéo léo, là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc. Copyright NhuQuyTho 2011
17. 1.2.2. Kết cấu tay máy Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu, đựơc nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đến phần công tác. Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay. tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra các tay máy kiểu toạ độ Decac (Cartesian), toạ độ trụ (Cylindrical), toạ độ cầu (Revolute), SCARA, POLAR, kiểu tay người (Anthropomorphic). Copyright NhuQuyTho 2011
18. 1.2.2. Kết cấu tay máy Copyright NhuQuyTho 2011
19. 1.2.2. Kết cấu tay máy Copyright NhuQuyTho 2011
20. 1.2.2. Kết cấu tay máy Copyright NhuQuyTho 2011
21. 1.2.2. Kết cấu tay máy Copyright NhuQuyTho 2011
22. 1.2.2. Kết cấu tay máy Robot kiểu SCARA Copyright NhuQuyTho 2011
23. 1.3. Phân loại Robot 1.3.1. Phân loại theo kết cấu: v Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn: – Chuyển động thẳng theo các hướng X, Y, Z trong không gian ba chiều thông thường tạo nên những khối hình có góc cạnh, gọi là Prismatic (P). – Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu (R). v Với ba bậc tự do, robot sẽ hoạt động trong trường công tác tùy thuộc tổ hợp P và R ví dụ: • PPP trường công tác là hộp chữ nhật hoặc lập phương. • RPP trường công tác là khối trụ. • RRP trường công tác là khối cầu. • RRR trường công tác là khối cầu. Copyright NhuQuyTho 2011
24. 1.3. Phân loại Robot 1.3.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển CCóó 22 kiểukiểu điềuđiều khiểnkhiển robot:robot: điềuđiều khiểnkhiển hởhở vvàà điềuđiều khiểnkhiển kkíín.n. • ĐiềuĐiều khiểnkhiển hở,hở, ddùùngng truyềntruyền độngđộng bướcbước (( độngđộng cơcơ điệnđiện hoặchoặc độngđộng cơcơ thủythủy lực,lực, khkhíí nnéén, )n, ) mmàà quãngquãng đườngđường hoặchoặc ggóócc dịchdịch chuyểnchuyển tỷtỷ lệlệ vớivới sốsố xungxung điềuđiều khiển.khiển. KiểuKiểu nnààyy đơnđơn giản,giản, nhưngnhưng đạtđạt độđộ chchíínhnh xxáácc thấp.thấp. • ĐiềuĐiều khiểnkhiển kkíínn (( điềuđiều khiểnkhiển kiểukiểu servoservo ),), sửsử dụngdụng ttíínn hiệuhiệu phảnphản hồihồi vịvị trtríí đểđể tăngtăng độđộ chchíínhnh xxáácc điềuđiều khiển.khiển. CCóó 22 kiểukiểu điềuđiều khiểnkhiển servo:servo: điềuđiều khiểnkhiển điểmđiểm điểmđiểm vvàà điềuđiều khiểnkhiển theotheo đườngđường (( contour).contour). Copyright NhuQuyTho 2011
25. 1.3. Phân loại Robot 1.3.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển CCóó 22 kiểukiểu điềuđiều khiểnkhiển robot:robot: điềuđiều khiểnkhiển hởhở vvàà điềuđiều khiểnkhiển kkíín.n. • ĐiềuĐiều khiểnkhiển hở,hở, ddùùngng truyềntruyền độngđộng bướcbước (( độngđộng cơcơ điệnđiện hoặchoặc độngđộng cơcơ thủythủy lực,lực, khkhíí nnéén, )n, ) mmàà quãngquãng đườngđường hoặchoặc ggóócc dịchdịch chuyểnchuyển tỷtỷ lệlệ vớivới sốsố xungxung điềuđiều khiển.khiển. KiểuKiểu nnààyy đơnđơn giản,giản, nhưngnhưng đạtđạt độđộ chchíínhnh xxáácc thấp.thấp. • ĐiềuĐiều khiểnkhiển kkíínn (( điềuđiều khiểnkhiển kiểukiểu servoservo ),), sửsử dụngdụng ttíínn hiệuhiệu phảnphản hồihồi vịvị trtríí đểđể tăngtăng độđộ chchíínhnh xxáácc điềuđiều khiển.khiển. CCóó 22 kiểukiểu điềuđiều khiểnkhiển servo:servo: điềuđiều khiểnkhiển điểmđiểm điểmđiểm vvàà điềuđiều khiểnkhiển theotheo đườngđường (( contour).contour). Copyright NhuQuyTho 2011
26. 1.3. Phân loại Robot 1.3.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển ü VớiVới kiểukiểu điềuđiều khiểnkhiển điểmđiểm điểm,điểm, phầnphần côngcông ttáácc dịchdịch chuyểnchuyển từtừ điểmđiểm nnààyy đếnđến điểmđiểm kiakia theotheo đườngđường thẳngthẳng vớivới tốctốc độđộ khôngkhông caocao (( khôngkhông llààmm việcviệc ).). NNóó chỉchỉ llààmm việcviệc tạitại ccáácc điểmđiểm dừng.dừng. KiểuKiểu điềuđiều khiểnkhiển nnààyy đượcđược ddùùngng trêntrên ccáácc robotrobot hhàànn điểm,điểm, vậnvận chuyển,chuyển, ttáánn đinh,đinh, bắnbắn đinh,đinh, ü ĐiềuĐiều khiểnkhiển contourcontour đảmđảm bảobảo chocho phầnphần côngcông ttáácc dịchdịch chuyểnchuyển theotheo quỹquỹ đạođạo bấtbất kỳ,kỳ, vớivới tốctốc độđộ ccóó thểthể điềuđiều khiểnkhiển được.được. CCóó thểthể gặpgặp kiểukiểu điềuđiều khiểnkhiển nnààyy trêntrên ccáácc robotrobot hhàànn hồhồ quang,quang, phunphun sơn.sơn. Copyright NhuQuyTho 2011
27. 1.3. Phân loại Robot 1.3.3. Phân loại theo ứng dụng: Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot. Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự Ngoài những kiểu phân loại trên còn có : Phân loại theo hệ thống năng lượng, phân loại theo hệ thống truyền động, phân loại theo độ chính xác Copyright NhuQuyTho 2011
28. Industrial Robot Thank you very much! Me. Nhu Quy Tho Lecturer of Hanoi University of Industry Faculty: Mechanical Engineering Dept.: Mechatronics Phone: 04.37655121(Ext 324) Mobile: 0947593636 Email: nhuquytho@haui.edu.vn Homepage: www.haui.edu.vn Copyright NhuQuyTho 2011 28