Luận văn Nghiên cứu động học và động lực học robot Scara bốn bậc tự do dùng trong công nghệ hàn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về quá trình phát triển của robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” đã được sử dụng lần đầu tiên bởi Karel Capek trong vở kịch của ông Rossum’s Universal Robots được xuất bản vào năm 1921. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về việc sáng chế những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động của con người. Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) và các máy công cụ điều khiển số (NC- Numerically Controlled Machine Tool). Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ trong các viện nghiên cứu nguyên tử lực. Đó là những cơ cấu phỏng sinh học bao gồm những khâu khớp và các dây chằng gắn liền với hệ điều hành chính là cánh tay của người, thao tác thông qua các cơ cấu khuyếch đại cơ khí. Cụ thể, nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý cho tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu này dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm. Chính vì vậy, mặc dù người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát, vẫn có thể nhìn thấy và thực hiện các thao tác ở bên trong một cách bình thường. Vào khoảng năm 1949 các máy công cụ điều khiển số ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Đầu thập kỷ 1960, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) cho ra đời robot công nghiệp được đặt tên là Versatran, do Harry Johnson và Veljko Milenkovic thiết kế. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot điều khiển băng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool:công cụ của tương lai). Robot này có thể nâng được vật có khối lượng lên đến 45kg. Những năm 80, nhất là những năm 90,do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có những bước tiến vượt bực. Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động…. Định nghĩa về robot công nghiệp do Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất được sử dụng rộng rãi: “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.” Ngoài các ý trên, định nghĩa trong
25686-85 còn bổ sung cho RBCN chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất: “ RBCN là tay máy tự động được đặt cố định hay di động bao gồm thiết bị dạng thừa hành 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”. Chức năng vận động bao gồm các hoạt động “cơ bắp” như vận chuyển, định hướng, xếp đặt, gá kẹp, lắp ráp…đối tượng. Chức năng điều khiển ám chỉ vai trò của robot như một phương tiện điều hành sản xuất, như cung cấp dịch vụ và vật liệu, phân loại và phân phối sản phẩm, duy trì sản xuất và thậm chí điêù khiển các thiết bị liên quan. Với các đặc điểm có thể lập trình lại, RBCN là thiết bị tự động hóa khả trình và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các tế bào hoặc hệ thống sản xuất linh hoạt. 1.2 Ứng dụng của robot trong công nghệ hàn. Có thể nói, robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa, với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia… Tính năng hoạt động của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý, nhiều loại robot có những khả năng đặc biệt. Số lượng robot ngày càng được gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Trong công nghiệp gia công vật liệu, robot thực hiện nhiệm vụ như một máy gia công. Do đó tay robot sẽ gắn một dụng cụ thay cho một cơ cấu kep. Ứng dụng của robot trong công nghiệp gia công vật liệu bao gồm các công nghệ sau: Hàn điểm; hàn hồ quang lien tục….. Hàn điểm là một ứng dụng phổ biến của robot công nghiệp, đặc biệt trong công nghiệp lắp ráp ôtô.
Hình 1.1 Robot hàn trong dây chuyền sản xuất ôtô. Hàn điểm có thể thực hiện bằng hai phương pháp: dùng máy hàn điểm và dùng súng hàn điểm. Máy hàn điểm gồm hai điện cực ép chặt hai chi tiết và cho dòng điện có giá trị lớn chạy qua, kết quả là hai chi tiết sẽ được hàn dính nhau ở một điểm. Dùng hàn điểm gồm hai điện cực và một khung có thể mở hoặc đóng hai điện cực; một cáp lớn dẫn dòng chạy qua. Hệ thống súng hàn điểm có trọng lượng và kích thước lớn và gây khó khăn cho người điều khiển trong một dây chuyền sản xuất với tốc độ lớn. Robot sẽ được sử dụng rất hiệu quả trong công nghệ hàn điểm này. Ở dây chuyền lắp ráp ôtô, hàng chục robot hàn điểm sẽ làm việc với nhau theo một chương trình lập sẵn.. Robot hàn điểm phải có kích thước lớn, có khả năng mang tải trọng để điều khiển súng hàn có khối lượng lớn một cách chính xác. Robot cần phải đưa súng hàn vào đúng vị trí và đúng hướng ở những vị trí người khó thực hiện được. Do đó số bậc tự do robot phải lớn và bộ nhớ máy tính phải có dung lượng lớn. Lợi ích của tự động hóa công nghệ hàn điểm sử dụng robot là nâng cao chất lượng sản phẩm, thao tác an toàn và điều khiển tốt hơn quá trình hàn. Hàn hồ quang liên tục sử dụng trong công nghệ hàn đường: ghép hai bộ phận kim loại hoặc hàn ống,…Môi trường làm việc đối với người công nhân hàn hồ quang rất nguy hiểm và độc hại: nhiệt độ cao. Tia cực tím sinh ra trong quá trình hàn sẽ gây nguy hiểm đến thị giác con người …Việc ứng dụng robot trong nghệ hàn hồ quang sẽ cải thiện đáng kể điều kiện làm việc của con người, đồng thời nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên do một số vấn đề về kỹ thuật như nâng cao chất lượng hàn khi có sự thay đổi các thành phần của vật liệu hàn và vấn đề kinh tế, nên robot chỉ được sử dụng trong công nghệ hàn hồ quang ở các dây chuyền sản xuất có sản lượng trung bình và lớn Hệ thống robot hàn gồm hai bộ phận: robot hàn với que hàn, hệ thống cấp dây hàn và bộ phận giữ chi tiết hàn có khả năng định vị và định hướng chi tiết hàn tương đối so với robot. Ngoài các phân xưởng, nhà máy, robot cũng được sử dụng rộng rãi trong các ngành khác như: khai thác thềm lục địa, thám hiểm đại duơng, thám hiểm vũ trụ, robot dùng trong y học để chẩn đoán và giải phẫu, sử dụng robot trong công nghiệp hạt nhân, công nghiệp quốc phòng, và cả trong các lĩnh vực sinh hoạt xã hội khác… 1.3 Phân loại robot. Ta có thể phân loại theo 3 cách cơ bản: 1.3.1 Phân loại theo kết cấu. * Tay máy kiểu tọa độ Descarte: là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn rong mặt phẳng….

Hình 1.2 Robot kiểu tọa độ Đề các * Tay máy kiểu tọa độ trụ: khác với kiểu tay máy Descartes ở khớp đầu tiên, dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy thò được vào trong khoảng nằm ngang. Độ cứng vững của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.

Hình 1.3 Robot kiểu tọa độ trụ * Tay máy kiểu tọa độ cầu: khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là một khối trụ rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn.

Hình 1.4 Robot kiểu tọa độ cầu * Tay máy SCARA: Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp. Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo phương được chọn, là phương ngang. Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective Compliance Articulated Robot Actuato” để mô tả các đặc điểm trên. Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng.

Hình 1.5 Robot SCARA * Tay máy kiểu tay người: tất cả các khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Do sự tương tự giữa tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder joint), khớp thứ ba là khớp khủy (Elbow joint), nối cẳng tay với khủy tay. Tay máy làm việc rất khéo léo. Nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của vùng làm việc.
Hình 1.6 Tay máy kiểu tay người Toàn bộ kết cấu ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác. Muốn định vị nó, cần bổ sung cổ tay. Muốn định hướng tùy ý phần công tác, cổ tay phải có ít nhất ba chuyển động quay quanh ba trục vuông góc với nhau. 1.3.2 Phân loại theo điều khiển. Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở va điều khiển kín. * Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số sung điều khiển. Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. * Điều khiển kín (hay điều khiển servo): sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour).
Hình 1.7 Một dạng Robot điều khiển servo * Với kiểu điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao. Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh,… * Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn.
Hình 1.8 Robot hàn 1.3.3 Phân loại theo ứng dụng Cách phân loại này dựa vào các 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, dân dụng…
Hình 1.9 Robot tự hành của NASA 1.4 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp. 1.4.1 Kết cấu chung. Một RBCN được cấu thành bởi các hệ thống sau: + Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. + 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, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. + Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết 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. + Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát vá điều khiển hoạt động của robot. 1.4.2 Bậc tự do và các tọa độ suy rộng. * Bậc tự do (DOF: degrees of freedom) - Robot công nghiệp là loại thiết bị tự động nhiều công dụng. Cơ cấu tay máy của chúng phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật theo một hướng nhất định nào đó và di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc. Muốn vậy cơ cấu tay máy phải đạt được một số bậc tự do chuyển động. - Thông thường các khâu của tay máy được ghép nối với nhau bằng các khớp động. - Có thể tính được số bậc tự do theo công thức thông dụng trong “Nguyên lý máy”:
(1.1) n : số khâu động. pi : số khớp loại i. - Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động. - Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không gian 3 chiều, Robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng. Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp…có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn. Các robot hàn, sơn…thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hóa quỹ đạo,…người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6.
Hình 1.10: Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp * Tọa độ suy rộng. - Các cấu hình khác nhau của cơ cấu tay máy trong từng thời điểm được xác định bằng các độ dịch chuyển góc hoặc các độ dịch chuyển dài của các khớp động hoặc các khớp tịnh tiến. - Các độ dịch chuyển tức thời đó, so với giá trị ban đầu nào đó lấy làm mốc tính toán được gọi là các tọa độ suy rộng (generalized joint coordinates) trong nhiều tài liệu về robot công nghiệp. Ở đây còn gọi chúng là các giá trị biến khớp (joint variable)
Hình 1.11 Các tọa độ suy rộng của Robot - Trong trường hợp chung ta gọi qi, i=1,…,n là các biến khớp của cơ cấu tay máy và biểu thị bằng
Với
đối với khớp quay
đối với khớp tịnh tiến
độ dịch góc của khớp quay Si độ dịch chuyển khớp tịnh tiến của khớp tịnh tiến. + Vùng làm việc - Vùng làm việc của robot là khoảng không gian mà nó có thể thao tác được
Hình 1.12 Vùng làm việc công tác Trong hình 1.12, giới thiệu một trong năm loại Robot được nghiên cứu thiết kế, chế tạo tại Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội. Loại này ký hiệu là Robot RP. Chữ P để chỉ đặc điểm ở đây sử dụng cơ cấu Pantograph có 2 con trượt dẫn động như một modul cơ cấu tay máy chuyển hóa.
Hình 1.13 Robot RP Loại hình cơ cấu tay máy này có các ưu điểm sau: - Có thể bố trí nguồn động lực gắn với thân tay máy nhưng vẫn đảm bảo chuyển động độc lập của các khâu chấp hành. - Đảm bảo đơn giản về kết cấu, linh hoạt về cấu trúc và nhỏ gọn về kích thước. - Dễ dàng giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau và ít tiêu hao năng lượng. - Dễ tính toán điều khiển do có thể thực hiện dễ dàng các chuyển dịch các con trượt riêng rẽ và do các bài toán động học đều có thể đưa về bài toán phẳng.