Luận văn Thiết kế, chế tạo mô hình tay máy gắp sản phẩm (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế, chế tạo mô hình tay máy gắp sản phẩm (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN ĐỒN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 1 0 9 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2006
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN ĐOÀN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM Chuyên ngành : Cơ khí chế tạo máy Mã ngành : 605204 Học viên : KS. NGUYỄN VĂN ĐOÀN Hướng dẫn : TS LÊ HIẾU GIANG TP. HỒ CHÍ MINH – THÁNG 9 NĂM 2006
3. LỜI CẢM ƠN ™ Xin cảm ơn Đảng ủy, ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ chí minh đã tạo điều kiện cho tôi theo học lớp Cao học chuyên ngành Cơ Khí Chế Tạo Máy. ™ Xin cảm ơn qúy thầy, cô đã giảng dạy lớp cao học Cơ Khí khóa 2004 – 2006 đã tận tình trong giảng dạy và cung cấp các kiến thức nền tảng giúp tôi hoàn thành luận văn. ™ Xin cảm ơn thầy hướng dẫn TS LÊ HIẾU GIANG đã hết sức nhiệt tình trong quá trình hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này. ™ Xin cảm ơn giảng viên phản biện đã bỏ thời gian và công sức để đọc tập luận văn và đóng góp các ý kiến qúy báu giúp tôi hoàn thiện luận nội dung của luận văn. ™ Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cha mẹ tôi, người đã luôn luôn ủng hộ và tạo điều kiện cho tôi học tập và hoàn thiện luận văn. ™ Xin cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn. NGUYỄN VĂN ĐOÀN
4. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc * * * LÝ LỊCH KHOA HỌC I. BẢN THÂN: 1. Sơ yếu lý lịch Họ và tên : Nguyễn Văn Đoàn Nam, nữ: Nam Ngày, tháng, năm sinh : 05 tháng 06 năm 1981 Nơi Sinh: Hải Đông - Hải Hậu - Nam Hà. Dân tộc : Kinh Tôn giáo: Thiên chúa Hộ khẩu thường trú: Bàu Cá – Trảng Bom – Đồng Nai Chức vụ, nghề nghiệp và nơi làm việc hiện nay: Giáo viên – Giảng dạy tại trường Trung học Kỹ thuật Công nghiệp Đồng Nai. Đã tốt nghiệp ngành: Thiết kế máy khoá 99 năm 2004 của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Ngày tham gia vào đoàn TNCS HCM : 26 tháng 3 năm 1995 Thuộc diện chính sách : Không 2. Quá trình học tập và làm việc từ 15 tuổi đến nay : Ngày, tháng, Học hoặc Ở đâu Thành tích học năm làm việc gì tập, làm việc 1996 – 1999 Học sinh Trường PTTH Cư Jút – Đăklăk Học lực khá 1999 – 2004 Sinh viên Trường Đại học SPKT – Tp. HCM Học lực khá 2004 – nay Học viên Trường Đại học SPKT – Tp. HCM Học lực khá 2004 – nay Giáo viên Trường TH – KT – CN – Đồng Nai 3. Khen thưởng – Kỷ luật a. Khen thưởng . Khen thưởng, Huy chương : không . Bằng khen từ cấp tỉnh : không b. Kỷ luật : không II. PHẦN GIA ĐÌNH Họ và tên cha : Nguyễn Trọng Đoạt Sinh năm : 1947 Nghề nghiệp : Nông dân Họ và tên mẹ : Nguyễn Thị Hiên Sinh năm : 1952 Nghề nghiệp : Nông dân Họ và tên anhn chị em ruột : 1. Chị Nguyễn Thị Bình Sinh năm : 1975 Nghề nghiệp : làm nông 2. Chị Nguyễn Thị Hòa Sinh năm : 1978 Nghề nghiệp : làm nông
5. 3. Em Nguyễn Thị Huyền Sinh năm : 1984 Nghề nghiệp : học sinh 4. Em Nguyễn Tuấn Anh Sinh năm : 1991 Nghề nghiệp : học sinh III. TỰ NHẬN XÉT BẢN THÂN 1. Phẩm chất, đạo đức bản thân . Phẩm chất : tốt . Đạo đức : tốt 2. Năng lực và sở trường . Năng lực : làm việc độc lập . Sở trường : Nghiên cứu khoa học IV. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những lời khai trên là đúng sự thật, nếu có điều gì sai trái tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước pháp luật. Xác nhận của đơn vị hiện đang công tác Biên hòa, ngày 22 tháng 11 năm 2006 Người khai ký tên Nguyễn Văn Đoàn
6. MỤC LỤC Nội dung Trang CHƯƠNG I : DẪN NHẬP 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Tầm quan trọng của đề tài 1 1.3. Điểm mới của đề tài 2 1.4. Giới hạn đề tài 2 1.5. Mục đích nghiên cứu 2 1.6. Phương pháp nghiên cứu 3 1.7. Thời gian nghiên cứu 3 chương 2 : Cơ sở lý luận 2.1. Sự xuất hiện của thuật ngữ robot và tình hình nghiên cứu sử dụng robot của các nước trên thế giới 4 2.2. Tình hình phát triển của robot ở Việt Nam 5 2.3. Nhu cầu thực tế về vấn đề sử dụng robot trong sự nghiệp CNH-HĐH ở nước ta 7 2.4. Những công việc đòi hỏi nên đưa vào sử dụng các cơ cấu robot 8 2.5. Các loại robot trong công nghiệp và phạm vi ứng dụng của từng loại 9 2.5.1. Robot Scara 4 bậc tự do 9 2.5.2. Robot Puma 10 2.5.3. Robot Stanford 10 2.5.4. Một số khó khăn khi tính toán và chế tạo robot ở nước ta trong giai đoạn hiện nay 11 2.6. Cơ sở lý thuyết về ma trận chuyển, phương trình cơ bản của robot 12 2.6.1. Ma trận chuyển đổi tịnh tiến giữa hai toạ độ 12 2.6.2. Ma trận biến đổi xoay giữa hai toạ độ. 13 2.7. Ma trận biến đổi xoay quay các trục đặc biệt 15 2.7.1. Ma trận biến đổi khi xoay hệ trục toạ độ OX1Y1Z1 quanh trục X một góc α so với hệ trục toạ độ OXYZ 15 2.7.2. Ma trận biến đổi khi xoay hệ trục toạ độ OX1Y1Z1 quanh trục Y một góc β so với hệ trục toạ độ OXYZ 16 2.7.3. Ma trận biến đổi khi xoay hệ trục toạ độ OX1Y1Z1 quanh trục Z
7. một góc θ so với hệ trục toạ độ OXYZ 16 2.7.4. Bộ thông số DH(Denavit. J & Hartenberg R.S) 17 2.7.5. Thiết lập hệ trục toạ độ 18 2.7.6. Mô hình biến đổi 19 2.7.7. Phương trình động học 19 2.8. Cơ sở lý thuyết về ma trận Jacobi 20 2.9. Phương trình Lagarange bậc II ứng dụng trong phân tích động lực học cho robot 23 2.10. Cơ sở lý thuyết về họ vi xử lý 8051 24 2.10.1. Giới thiệu chung 24 2.10.2. Cấu Trúc AT89S52 25 2.10.3. Sơ đồ khối 26 2.10.4. Sơ đồ chân 27 2.10.5. Cấu trúc của vùng Ram 28 2.10.6. Ngôn ngữ điều khiển 28 2.10.7. Kết nối với máy tính 29 2.10.8. Cấu trúc cổng xuất nhập và mô tả chức năng các chân trên vi điều khiển 33 2.11. Giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước 36 2.11.1. Nguyên tắc hoạt động chung của động cơ bước 36 2.11.2. Nguyên tắc họat động của động cơ bước dạng từ dẫn thay đổi 37 2.11.3. Điều khiển động cơ bước 41 2.12. Cơ sở lý thuyết về giao tiếp máy tính 42 2.12.1.Các phương pháp giao tiếp 42 2.12.2.Các hình thức giao tiếp trên máy tính 43 2.12.3. Tiêu chuẩn giao tiếp cổng nối tiếp 43 2.12.4. Chức năng của các chân trên các cổng giao tiếp 43 2.12.5. Phương pháp kết nối 44 2.12.6. Nguyên lý truyền dữ liệu. 46 2.13. Khái quát về giao tiếp nối tiếp trong matlab 46 2.14. Trình tự thực hiện giao tiếp giữa thiết bị với cổng nối tiếp. 47 Chương III: Chọn sơ đồ cơ cấu, tính toán động học và động lực học cho robot 6 bậc tự do 49 3.1. Chọn sơ đồ kết cấu cho robot 6 bậc tự do 49 3.2. Các kích thước ban đầu. 50 3.3. Tính toán động học thuận cho robot 6 bậc tự do. 50 3.3.1. Nhiệm vụ 50
8. 3.3.2 Sơ đồ của robot gắp sản phẩm, bộ thông số DH. 51 3.3.3. Phân tích động học thuận cho robot 51 3.4. Phân tích động học ngược cho robot. 55 3.5. Ứng dụng ma trận Jacobi quay vít để tính toán vận tốc cho các khớp và bộ tác động cuối 60 3.6. Tính toán động lực học cho robot 6 bậc tự do 65 3.6.1. Tính bền cho toàn bộ cơ cấu dựa trên cơ sở tĩnh học 65 3.6.2. Kiểm tra động lực học cho tay máy khi đang thực hiện nhiệm vụ 72 Chương IV: Thiết kế bộ điều khiển và chương trình giao tiếp máy tính 78 4.1. Phân tích bộ điều khiển tay máy. 78 4.2 Thiết kế mạch điện cho các bộ giải mã. 80 4.2.1: Nhiệm vụ 80 4.2.2. Sơ đồ mạch điện điều khiển vi bước 80 4.3. Thiết kế mạch điều khiển chính. 81 4.3.1.Nhiệm vụ 81 4.3.2. Thiết kế mạch điều khiển chính. 81 4.4. Thiết kế mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến. 82 4.4.1. Nhiệm vụ 82 4.4.2. Sơ đồ mạch điện xử lý tín hiệu cảm biến. 82 4.5. Thiết kế giao diện điều khiển 83 4.5.1. Nhiệm vụ 83 4.5.2. Xử lý số liệu nhập 84 4.5.3. Giao diện điều khiển. 84 4.6. Trình tự lập trình hoạt động cho tay máy. 85 4.7. Mô phỏng hoạt động 85 4.7.1. Giới thiệu về phần mềm Solid edge 85 4.7.2. Giới thiệu về phần mềm Visual Natran. 86 4.8. Thuật toán điều khiển cho robot gắp sản phẩm 87 Chương V: Thực Nghiệm 88 5.1. Chế tạo các bộ giải mã. 88 5.1.1. Sơ đồ mạch in 88 5.1.2. Sơ đồ thực tế. 88 5.2. Chế tạo bộ điều khiển trung tâm, Bộ điều khiển trung gian và card giao tiếp. 89 5.2.1. Sơ đồ mạch in. 89 5.2.2. Sơ đồ thực tế. 89 5.3. Chế tạo mạch cảm biến 90
9. 5.3.1. Sơ đồ mạch in 90 5.3.1. Sơ đồ thực tế 90 5.4. Cấu tạo bộ điều khiển và mô hình thực tế 90 5.5. Giải quyết một bài toán thực tế 92 Chương VI: Kết luận và hướng phát triển. 96 6.1. Kết luận 96 6.2. Hướng phát triển của đề tài 96 Phụ lục 1. Chương trình viết cho bộ điều khiển trung tâm và bộ điều khiển trung gian 97 1. Chương trình viết cho bộ điều khiển trung tâm 97 2 Chương trình viết cho bộ điều khiển trung gian 1 102 3 Chương trình viết cho bộ điều khiển trung gian 2 113 Phụ lục 2: Thuật toán điều khiển động cơ vi bước, chương trình viết cho vi bước bằng hợp ngữ và chương trình matlab tính toán các dữ liệu vào 117 1. Thuật toán điều khiển vi bước 117 2. Chương trình điều khiển vi bước 117 3. Chương trình tạo giao diện và tính toán dữ liệu vào 123 Phụ lục 3: Các hệ số trong phương trình động lực học cho robot 6 bậc tự do 134 Tài liệu tham khảo 141
10. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN CHƯƠNG I DẪN NHẬP 1.1. Đặt vấn đề Hiện nay tình hình robot trên thế giới đang ở đỉnh cao của sự phát triển, việc ứng dụng robot trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống được thể hiện rõ rệt. Nhu cầu thay thế dần các công việc của con người bằng các tay máy có chức năng tương tự đã và đang tiếp tục được thực hiện, Trong khi đó, sự tiếp cận về lĩnh vực này ở Việt Nam tính đến nay vẫn còn rất nhiều hạn chế, chúng ta thiếu cả về số lượng cũng như chất lượng các sản phẩm robot thực tế, thiếu về các tài liệu tính toán, về thiết bị điều khiển cũng như công nghệ chế tạo sản phẩm robot hoàn chỉnh. Vì vậy, để tăng tốc độ tiếp cận và áp dụng rộng rãi công nghệ mới này chúng ta cần phải đẩy mạnh tốc độ phát triển cả về vấn đề tính toán cũng như công nghệ chế tạo các thiết bị hiện đại này, mà trước hết là phải triển khai và phát triển các đề tài trong nước làm tiền đề cho sự phát triển các sản phẩm thực tế sau này. Đứng trước tình hình đó nhiệm vụ của các trung tâm nghiên cứu, các trường Đại học, cao đẳng trong nước đối với vấn đề này, phải được đặt lên tầm quan trọng hàng đầu, các trường phải có nhiều đề tài nghiên cứu cả về lĩnh vực thiết kế cũng như chế tạo, làm cơ sở đào tạo ra các cán bộ kỹ thuật có năng lực, đáp ứng được nhu cầu phát triển ngành của robot trong tương lai gần. Trên cơ sở đó, đề tài “Thiết kế, chế tạo tay máy gắp sản phẩm”, với sự trình bày một cách khá tổng quát về trình tự thiết kế, chế tạo một robot hoàn chỉnh 6 bậc tự do, sẽ là một đề tài rất có ý nghĩa cho quá trình đào tạo về lĩnh vực robot ở Việt Nam, đồng thời nó còn là tiền đề cho các nhà máy, các xí nghiệp khi thực hiện quá trình sản xuất tay máy ứng dụng vào thực tế đời sống. 1.2 Tầm quan trọng của đề tài Sự thay thế dần sức người bằng sức máy là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong quá trình đất nước chuẩn bị hoàn thành giai đoạn CNH-HĐH và tiến lên chủ nghĩa xã hội, với đề tài “Thiết kế, chế tạo tay máy gắp sản phẩm” không những sẽ làm sáng tỏ các vấn đề về mối liên quan giữa các lĩnh vực Công nghệ thông tin – Điện tử – Cơ khí mà nó còn thể hiện mức độ rút ngắn khoảng cách sự tiếp cận các công nghệ mới ở Việt Nam so với các nước trên thế giới, cũng như tạo ra một đòn bẩy thúc đẩy sự phát triển nhanh lĩnh vực robot ở nước ta. Với kết cấu 6 bậc tự do, cơ cấu tay máy sẽ rất linh hoạt, điểm tác động cuối có thể chuyển động theo bất cứ một quỹ đạo nào và quay theo bất cứ một trục nào nằm trong vùng không gian hoạt động của nó. Điều này rất có ý nghĩa khi kiểm tra và thể TRANG 1
11. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN hiện một giải thuật điều khiển từ máy tính. Đồng thời nó cũng không kém phần quan trọng để sinh viên có thể thử nghiệm khi viết chương trình điều khiển quỹ đạo của robot theo ý muốn. Nếu trong dây truyền sản xuất tự động, có sự trang bị của loại robot linh hoạt này, khi có yêu cầu về thay đổi chu trình làm việc, thay vì phải thay thế bằng một cơ cấu robot khác, cơ cấu robot này chỉ cần nạp vào một chương trình điều khiển mới là có thể đáp ứng được. Điều này sẽ giúp các nhà máy giảm chi phí về thời gian, tiền của cũng như nắm bắt được các thời cơ trong chu kỳ phát triển của sản phẩm. 1.3. Điểm mới của đề tài Phần tính toán lý thuyết về động học, động lực học được thể hiện trong đề tài, không có gì mới so với các đề tài trước đây, chủ yếu vẫn dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán của các tài liệu đã có, các lý thuyết về vi xử lý nói riêng và kỹ thuật điện tử nói chung cũng chủ yếu mang tính ứng dụng vào thực tế. Tuy nhiên, với phần lập trình điều khiển, người nghiên cứu đã sử dụng trực tiếp công cụ tính toán là phần mềm Matlab để truyền tải dữ liệu cho các khối vi xử lý, các khối vi xử lý này sẽ trực tiếp điều khiển cơ cấu chấp hành. Có thể nhấn mạnh rằng, điểm mới của đề tài là : người nghiên cứu đã tổng hợp và nối kết được các mảng kiến thức của 3 lĩnh vực : Công nghệ thông tin – Điện tử – Cơ khí, để tạo nên một sản phẩm robot khá hoàn chỉnh. Ngoài ra, với sự ứng dụng của các phần mềm : Autocad, Inventer, Solid egle, Visual nastran vào việc vẽ và mô phỏng sẽ làm cho vấn đề lý thuyết được sáng tỏ hơn, thêm vào đó các công cụ tạo giao diện sẽ đơn giản hoá quá trình thiết lập quy luật điều khiển cho tay máy, điều này sẽ giảm thiểu thời gian cho người sử dụng cũng như độc giả có quan tâm. 1.4. Giới hạn đề tài Do thời gian nghiên cứu và điều kiện vật chất có hạn nên trong đề tài này người nghiên cứu mới chỉ tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm một mô hình robot 6 bậc tự do. Mô hình này có thể nâng vật nặng tối đa là 1kg, và vận tốc tối đa là 0.05m/s, bộ tác động cuối là bộ phận chỉ gắp các chi tiết dạng hộp có kích thước tối đa là 60 x 60 x 60 và tối thiểu là 30 x 30 x 30 và ứng dụng chủ yếu trong công tác đào tạo ở các trường Đại Học, Cao Đẳng và Trung Học Trong nước. 1.5. Mục đích nghiên cứu. Với đề tài ““Thiết kế, chế tạo tay máy gắp sản phẩm” người nghiên cứu thể hiện với các mục đích sau: TRANG 2
12. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN - Hoàn thiện một lượng kiến thức khá lớn về tin học và điện tử nói chung, công nghệ tự động hoá nói riêng. - Giới thiệu cho học sinh các trường kỹ thuật một sản phẩm khá hoàn chỉnh về một tay máy với 6 bậc tự do bao gồm phần tính toán cơ học, thiết kế mạch điều khiển, các chương trình điều khiển. - Góp phần phát triển nghành công nghệ tự động của nước nhà. 1.6. Phương pháp nghiên cứu. - Phương pháp tham khảo tài liệu : Tài liệu về robot công nghiệp, tài liệu về thiết kế mô phỏng, tài liệu về lập trình bằng ngôn ngữ matlab, tài liệu về động cơ bước, động cơ Servo, tài liệu về vi xử lý và các linh kiện bán dẫn, linh kiện điện tử công suất. - Phương pháp thực nghiệm : Lắp ráp và thí nghiệm các mạch điều khiển động cơ bước, Bộ điều khiển chính, cổng truyền thông nối tiếp với phần mềm matlab, gia công toàn bộ các chi tiết và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình robot 6 bậc tự do. 1.7. Thời gian nghiên cứu. - Từ tháng 2/2006 đến tháng 3/2006, tham khảo các tài liệu và tính toán các thông số cơ bản để thiết kế và chế tạo mô hình robot. - Từ tháng 3/2006 đến tháng 6/2006, thiết kế và chế tạo mô hình robot 6 bâc tự do. - Từ tháng 6/2006 đến tháng 8/2006, thử nghiệm và chế tạo bộ điều khiển, Card giao tiếp với phần mềm matlab. - Từ tháng 8/2006 đến 15/9/2006,Tổng kết và hoàn thành thuyết minh. TRANG 3
13. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1. Sự xuất hiện của thuật ngữ robot và tình hình nghiên cứu sử dụng robot của các nước trên thế giới Thuật ngữ “robot” bắt đầu xuất hiện vào khoảng năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng séc có nghĩa là người tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai ông ta đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người. Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu trở thành hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép hình điểu khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ. Vào giữa những năm 50 thì hàng loạt các tay máy dạng chép hình đã xuất hiện nhưng mãi đến năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ những sản phẩm robot đầu tiên. Khái niệm robot công nghiệp được ra đời và đưa vào ứng dụng đầu tiên vào năm 1961 ở hoa kỳ. Năm 1967 nhật bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF tại hoa kỳ, và đến năm 1990 có hơn 40 công ty nhật bản, trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng. Từ ngay sau đó việc đưa vào ứng dụng những loại robot được phát triển rất mạch ở nhật, trong khi mỹ thì nghiêng về phần tính toán cơ sở lý thuyết. Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc, các robot này có thể có một vài chức năng nhận biết giống như con người. Tại trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Cũng vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết. Từ những năm 80 nhất là vào khoảng những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm rõ rệt so với trước đó nhưng các tính năng được phát triển vượt bậc, hầu như có thể thay thế toàn bộ các công việc nặng nhọc và độc hại cho con người. TRANG 4
14. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN Chính từ những ứng dụng này lên chuyên ngành khoa học về robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng rãi trong khoa học, bao gồm các vấn đề về động học, động lực học, tính toán điều khiển theo quỹ đạo, cảm biến tín hiệu điều khiển chuyển động v.v Việc ứng dụng robot trên thế giới đã được nghiên cứu và phát triển mạnh ở các nước : Pháp, Đức, Italia, Nhật, Anh, Mỹ và đến nay thì đã lan rộng sang các nước châu Á như : Hàn Quốc, Singapo, Đài Loan. Tuy nhiên, trong những năm 1991 thì việc ứng dụng công nghệ robot ở các nước ở Châu Á còn thấp nhưng đến năm 2000 thì mức độ sử dụng và phát triển gần ngang bằng với các nước phát triển. Robot được ứng dụng nhiều nhất ở các nước trên thế giới là trong công nghệ chế tạo lắp ráp xe hơi và lắp ráp một số sản phẩm khác. Cho đến nay công nghệ sử dụng robot ở các nước phát triển đã ở giai đoạn phát triển cao nhất, từ các công việc như giúp việc nhà, trang trí, khuôn dỡ hàng hoá, lắp ráp kiểm tra sản phẩm, an ninh quốc phòng, thám hiểm v.v.v đều có sự tham gia của robot. Đặc biệt là các công việc nặng nhọc và mang tính độc hại thì sử dụng robot là một trong các phương pháp nâng cao hiệu quả nhất. Các công ty nhật cho đến hiện nay nhờ sự phát triển với tốc độ rất nhanh của nghành điện tử và công nghệ thông tin họ đã giới thiệu các sản phẩm robot với hình dạng và các tính năng giống hệt như con người, ví dụ như robot leo cầu thang, vỗ tay, cúi chào khán giả v.vv Robot có thể ứng dụng trong nhiều công việc khác nhau, như đã đề cập, những khái niệm robot công nghiệp vẫn luôn là điểm mấu chốt trong công nghệ chế tạo robot, thuật ngữ robot công nghiệp được rất nhiều các tác giả định nghĩa khác nhau nhưng theo ISO thì robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khá. Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng. Nói một cách đầy đủ hơn, Robot công nghiệp là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người. 2.2. Tình hình phát triển của robot ở Việt Nam Đối với nước ta, việc đưa vào sử dụng robot có thể nói là một trong những nước chậm nhất tuy vậy với mục tiêu tiếp cận kỹ thuật mới về lĩnh vực này, trong nước đã triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước : đề tài 58.01.03 trong giai đoạn 81-85 và đề tài 52B.03.01 trong giai đoạn 86-89. Kết quả nghiên cứu của các đề tài này khong những đáp ứng được nhu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu trong kỹ thuật bảo hộ lao động và phục vụ công tác đào tạo cán bộ kỹ thuật ở nước ta. TRANG 5
15. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 1990 các nghành công nghiệp trong nước bắt đầu được đổi mới. Nhiều cơ sở cần phải trang bị một số các hệ thống thiết bị mới nhưng chủ yếu là nhập dây truyền từ các nước phát triển để phục vụ cho một số các công việc sau đây: - Tháo lắp các dụng cụ cho các trung tâm gia công và các máy CNC. - Lắp ráp các linh kiện điện tử. - Tháo các sản phẩm ở máy ép nhựa tự động, trong đó có loại thao tác phối hợp với hệ thống giám sát, điều khiển bằng camera. - Hàn vỏ xe hơi. - Phun sơn, phủ các bề mặt. Từ tháng 4/98 nhà máy Rorze/Robotech đã bước vào hoạt động ở khu công nghiệp Nonura Hải Phòng. Đây là nhà máy đầu tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp robot. Đó là loại robot có cấu trúc đơn giản nhưng rất chính xác trong sản xuất chất bán dẫn. Nhà máy Rorze Robotech có vốn đầu tư là 46 triệu đôla mỹ do Nhật Bản đầu tư. Trong những năm gần đây Trung Tâm Nghiên Cứu Kỹ Thuật (NCKT) tự động hoá, trường Đại Học Bách Khoa (ĐHBK) – Hà Nội đã nghiên cứu tính toán thiết kế một kiểu robot mới ký hiệu là robot RP. Robot RP thuộc loại robot phỏng sinh (Bắt trứơc cơ cấu tay người). Sự khác biệt của robot này với các kiểu robot phỏng sinh khác là ở đây dùng cơ cấu pantograph với 2 con trượt dẫn động làm mô đun chủ yếu của cơ cấu tay máy. Trung tâm nghiên cứu đã chế tạo thử nghiệm các robot với tên RPS-406 dùng để phun men, Robot RPS – 4102 dùng trong công nghệ bề mặt có 6 bậc tự do, Robot SCA mini dùng để phục vụ cho các trường tham khảo và nghiên cứu, ngoài ra trung tâm còn xây dựng một thư viện tính toán mô phỏng một số loại robot hiện có trên thế giới. Một số các trường đại học cao đẳng ở phía nam và miền trung trong thời gian này thì mới chỉ trong giai đoạn nghiên cứu lại những thành quả robot đã có sẵn của trung tâm nghiên cứu và của các trường đại học nổi tiếng trên thế giới. Từ sau năm 2003 thì tình hình phát triển và ứng dụng robot ở phía nam đã phát triển những bước vượt bậc, các trường chủ chốt như Đại học Bách Khoa TP.HCM và Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đã mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới đó là lĩnh vực về điều khiển tự động rất thích hợp cho sự phát triển về robot. Trong những năm gần đây để lĩnh vực robot của nước nhà hàng năm chính phủ phát động cuộc thi robocon, cuộc thi này được các sinh viên hưởng ứng và tham gia tích cực. Tuy nhiên, đây chỉ là sự phát triển về ý tưởng sáng tạo về robot chưa đi sâu vào chế tạo và tính toán kết cấu thực tế của robot, trong khi đó ở các nước phát triển trong thời gian này họ chủ yếu nghiên cứu về công nghệ ứng dụng các TRANG 6
16. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN loại robot mới và các thiết bị trang bị trên nó nhằm nâng cao tốc độ và độ chính xác cùng với năng suất làm việc. Nhưng cũng cần phải nhấn mạnh đây là bước đi đầu tiên tạo tiền đề vững chắc cho lĩnh vực phát triển về robot sau này. Trong các nhà máy xí nghiệp thì sự ứng dụng của robot trong các dây truyền sản xuất đã trong giai đoạn phổ biến, việc nghiên cứu tính toán thì hầu như không xuất hiện ở đây mà chủ yếu là ở các trung tâm nghiên cứu và ở các trường đại học sau đó chuyển giao công nghệ cho các nhà máy xí nghiệp. Gần đây nhất là sự ra đời của robot song song với độ cứng vững rất cao do viện nghiên cứu cơ học Hà Nội chế tạo sử dụng trong việc gia công chính xác các chi tiết. Nói chung sự phát triển của lĩnh vực robot đối với Việt Nam hiện nay là một bước phát triển vượt bặc so với trước đây, nhưng so với các nước trên thế giới thì vẫn còn thua kém rất nhiều đặc biệt là trong công nghệ chế tạo và điều khiển robot. 2.3. Nhu cầu thực tế về vấn đề sử dụng robot trong sự nghiệp CNH-HĐH ở nước ta Trong sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá của nước nhà và đồng thời để theo kịp đà tiến của các nước phát triển đặc biệt là các nước láng giềng như Trung Quốc thì nhu cầu hiện đại hoá và sử dụng các dây truyền sản xuất hoàn toàn tự động là cực kỳ bức thiết. Tất cả các công nghệ tiên tiến ở nước ta hiện có hầu như đều nhập từ các nước trên thế giới mà bản thân nước nhà hầu như chưa thể thực hiện được. Trong các nhà máy xí nghiệp đặc biệt đối với xí nghiệp có môi trường làm việc độc hại và nóng bức thì hiện nay công nhân vẫn phải trực tiếp thực hiện, các công việc đơn điệu trong các dây truyền như phân loại sản phẩm theo hình dáng số lượng, hoạc khối lượng và ngay cả các công việc tỉ mỉ như lắp ráp những linh kiện nhỏ vào trong bo mạch, khuân dỡ hàng hoá ở các cảng v.v vẫn là công việc của con người, các công việc mang tính lặp đi lặp lại nếu được thực hiện bởi con người thì không những năng suất mà chất lượng sẽ giảm đáng kể, nếu thay bằng hệ thống các robot tự động thì không những tăng năng suất, chất lượng và nhịp độ sản xuất không đổi mà còn có thể tăng được một khoảng thời gian lớn nếu robot làm việc 24/24. Tuy năm thứ nhất mức đầu tư cho một robot so với mức thuê mướn nhân công thì có thể việc đầu tư cho một robot trong giai đoạn hiện nay có giá thành cao hơn rất nhiều, nhưng nếu so sánh trong những năm tiếp theo thì lợi nhuận từ robot sẽ lại cao hơn rất nhiều so với mức thuê mướn nhân công. Nếu xét trong một khía cạnh khác của mức độ ổn định sản xuất thì sử dụng robot trong tất cả các công đoạn cũng sẽ giảm đi một số lượng lớn bộ phận nhân sự khi đào tạo đầu vào của nhân công, Trong khi với robot thì việc học việc chỉ đơn giản là nạp chương trình vào bộ nhớ của nó.v.v TRANG 7
17. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN Với các công việc nguy hiểm như làm việc trực tiếp với các hoá chất độc hại có thể gây cháy nổ, thám hiểm núi lửa mặt trăng, hay một hành tinh lạ nào đóv.v thì chắc chắn sự tham gia của robot là phù hợp hơn cả. Mặt khác, để tiến tới mức độ tự động hoá hoàn toàn các khâu trong sản xuất và trong hầu hết các lĩnh vực về xã hội và nhằm nâng cao năng lực sáng tạo của con người thì sự phát triển các robot tự động là hoàn toàn phù hợp. Trên cơ sở này thì giờ đây công việc của con người chỉ là ở mức độ lập trình hướng dẫn cho robot làm việc. Lĩnh vực y tế hiện nay cũng đã đưa vào sử dụng rất nhiều các hệ thống robot, Điều này là do với sự phát triển như vũ bão của hệ thống thông tin, sự đa dạng về các chíp điện tử, sự phát triển của các vi mạch có ổn định cao, sự gia công chính xác của các phương pháp gia công tiên tiến, sự ra đời của các loại vật liệu nhẹ nhưng có độ cứng và bền cao v.v với sự tổng hợp của các yếu tố này thì độ chính xác và độ tin cậy của robot đã được nâng lên rất cao và h ầu như không gặp bất cứ một sự cố gì trong quá trình thực hiện công việc. Trong giai đoạn đất nước đang chuẩn bị tham gia tổ chức thương mại quốc tế “WTO” thì giá thành hàng hoá có xu hướng giảm đi rất nhiều, nếu dây truyền sản xuất hiện nay của các xí nghiệp trong nước không được thay đổi và trang bị thêm các hệ thống tự động thì chắc chắn rằng hàng hoá trong nước sẽ không thể cạch tranh được với hàng hoá từ các nước khác đưa vào. Khi đó, nền kinh tế của nước ta có thể bị phụ thuộc nhiều vào các nước khác, điều này sẽ ảnh hưởng không tốt đến vấn đề an ninh độc lập chủ quyền của nước ta mà bao đời nay đã giữ vững được. Từ những yếu tố trên chúng ta có thể khẳng định rằng, việc đầu tư nghiên cứu và phát triển các hệ thống tự động nói chung và các hệ thống robot nói riêng phải là vấn đề được quan tâm hàng đầu, việc đầu tư cho lĩnh vực này chính là một trong những phương pháp nhanh nhất để nước ta hoàn thành sớm sự nghiệp CNH – HĐH đất nước. 2.4. Những công việc đòi hỏi nên đưa vào sử dụng các cơ cấu robot Như đã đề cập ở phần trên chúng ta có thể đưa ra những công việc mà nếu sử dụng robot thì hiệu quả công việc sẽ tăng lên rất nhiều cụ thể như : - Những công việc mang tính đơn điều nhàm chán như : lắp ráp các linh kiện điện tử, lắp ráp những chi tiết bulông đai ốc, chuyển sản phẩm từ vị trí này đến một vị trí khác. - Những công việc mang tính nguy hiểm như : thám hiểm núi nửa, đại dương, thăm dò những hành tinh mới, mài cơ với tốc độ cao. TRANG 8
18. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN - Những công việc mang tính độc hại và môi trường làm việc nóng bức như: vận chuyển hoá chất, gắp sản phẩm trong các lò nung, tôi, đúc vv - Những công việc cần độ chính xác cao và mang tính ổn định. Những công việc này trong giai đoạn hiện nay thì nên đưa vào sử dụng các cơ cấu robot và trong tương lai thì chắc chắn rằng phải có sự tham gia của robot thì mới đảm bảo được các vấn đề về sức khoẻ cho con người, hiệu quả sản xuất cũng như vấn đề về tiếp cận các công nghệ mới của thời đại. 2.5. Các loại robot trong công nghiệp và phạm vi ứng dụng của từng loại Tuỳ theo từng loại và đặc điểm của công việc mà đưa vào kết cấu robot cho phù hợp, cho đến nay do tính đa dạng của các loại công việc và hình thức sử dụng robot trong các lĩnh vực khác nhau lên có rất nhiều kết cấu robot khác nhau, nhưng xét cho cùng thì chỉ có 2 dạng kết cấu đó là robot với kết cấu nối tiếp và robot với kết cấu song song. Với robot nối tiếp thì các khâu sẽ nối tiếp nhau, từ khâu có định đến khâu cuối cùng, xét về nguyên lý máy thì đó là cơ cấu hở, loại robot này có tính uyển chuyển rất cao và kết cấu cũng khá gọn lên thường ứng dụng trong các công việc như lắp ráp, di chuyển các sản phẩm, phun sơn, hàn các kết cấu phức tạp v.v tuy nhiên do là cơ cấu hở lên độ cứng vững và độ ổn định không được cao vì vậy để đảm bảo độ chính xác thì tốc độ của các robot này thường là rất thấp. Với robot song song thì tất cả các khâu sẽ tạo thành một chuỗi khép kín, xét về nguyên lý máy thì đó là cơ cấu kín, vì là cơ cấu kín lên độ cứng vững rất cao nó được ứng dụng trong các công việc cần độ ổn định lớn và tải trọng cao ví dụ như làm bàn dao cho các máy phay CNC hay các máy gia công tia lửa điện. Mặt khác tốc độ của robot song song cũng cao hơn nhiều do độ cứng vững và việc sử dụng các loại vật liệu nhẹ, nên nó còn được ứng dụng trong các công việc cần tốc độ cao như lắp ráp các linh kiện trong công nghệ lắp ráp tốc độ cao, tuy nhiên do kết cấu phức tạp lên độ linh động của cơ cấu thấp thường phải làm việc ở vùng không gian ít chướng ngại vật. 2.5.1. Robot Scara 4 bậc tự do Hình 1: Robot Scara 4 bậc tự do TRANG 9
19. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN Ưu điểm: Kết cấu khá đơn giản, dễ chế tạo, vùng không gian hoạt động tương đối rộng. Nhược điểm: độ linh hoạt không cao, hướng của cơ cấu tác động cuối chỉ có thể xoay quanh trục thẳng đứng. Phạm vi ứng dụng: ứng dụng trong các dây truyền lắp ráp các chi tiết có định hướng theo một phương, di chuyển sản phẩm giữa các dây truyền, đóng gói, phân chia sản phẩm, máy cắt bằng tia nước. 2.5.2. Robot Puma. Ưu điểm: Với kết cấu 6 bậc tự do toàn khớp quay, sự linh hoạt của tay máy này rất cao, nó có thể chuyển động theo mọi quỹ đạo trong vùng làm việc, đáp ứng được nhu cầu thay đổi của hệ thống công nghệ. Hình 2: Robot Puma 6 bậc tự do Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, giá thành cao, tính toán phức tạp, Phạm vi ứng dụng: Ứng dụng trong các dây truyền lắp ráp phức tạp, công nghệ phun sơn tự động, công nghệ hàn v.vv. 2.5.3. Robot Stanford ưu điểm: Với kết cấu 6 bậc tự do( 5 khớp quay, một khớp Hình 3: Robot Stanford 6 bậc tự do TRANG 10
20. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN tịnh tiến), robot này cũng có độ linh hoạt cao hơn nhiều so với robot Scara, kết cấu đơn giản hơn robot Puma. Nhược điểm: Kết cấu tương đối phức tạp, độ linh hoạt thấp hơn robot Puma. Phạm vi ứng dụng: Ứng dụng trong công nghệ lắp ráp tương đối phức tạp, công nghệ hànv.v 2.5.4. Một số khó khăn khi tính toán và chế tạo robot ở nước ta trong giai đoạn hiện nay. Trong giai đoạn của nước ta hiện nay đối với toàn bộ quá trình thiết kế và sản xuất robot là còn rất thấp, chủ yếu vẫn còn dừng ở phần thiết kế tính toán và mô phỏng trên máy tính, còn hạn chế nhiều ở khâu chế tạo hoàn chỉnh một robot cụ thể, ở các trưỡng đại học, cao đẳng thì với các mô hình robot mang tính mô phỏng thử nghiệm các lý thuyết đã tính toán tức mô hình chỉ mang tính kiểm nghiệm là chủ yếu, sở dĩ như vậy là do tình hình phát triển robot của đất nước ta còn gặp nhiều các khó khăn mà điển hình nhất là các khó khăn sau đây: - Sản phẩm robot là sản phẩm của nghành cơ điện tử, tức là phải có sự phối hợp hài hoà cả về nghành công nghệ thông tin, công nghệ truyền tải dữ liệu từ máy tính, cả về lĩnh vực về điện tử, công nghệ vi xử lý đồng thời cả một lý thyết tính toán rộng lớn của cơ học và sức bền vật liệu. Chính vì vậy với các nghành đạo tạo hiện có ở các trường thì một học viên không thể lĩnh hội được một mảng tri thức khổng lồ như thế với thời gian đào tạo không quá 5 năm. Đứng trước vấn đề này thì hiện nay các trường cũng đã bổ sung thêm một nghành mới với tên là ngành cơ điện tử hoạc ngành điều khiển tự động, nhưng như thế vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu đặt ra, mặt khác nếu làm việc theo tập thể dựa trên sự phối hợp của 3 mảng kiến thức thì chúng ta lại gặp phải những khó khăn về cách thức tổ chức làm việc. - Kinh phí để cho ra một sản phẩm robot hoàn hảo là rất lớn, đặc biệt là trong thời gian thử nghiệm, trong khi đó nhà nước vẫn chưa có một chính sách về vốn đầu tư thoả đáng cho lĩnh vực này. - Công nghệ chế tạo các chi tiết của nước ta còn quá lạc hậu, cụ thể là với các công nghệ này chúng ta không thể chế tạo được các chi tiết trang bị trên robot điển hình với các chi tiết đòi hỏi phải có trọng lượng nhẹ có độ cứng vững cao, chịu mài TRANG 11
21. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN mòn và phải làm việc tốt trong môi trường có điều kiện khắc nghiệt mà vẫn phải giữ được độ chính xác về hình dạng hơn nữa các thiết bị về cảm biến ngoại vi cho đến nay hầu như chúng ta vẫn phải nhập từ nước ngoài lên giá thành còn rất cao. - Nhu cầu sử dụng robot trong các dây truyền ở các xí nghiệp nói chung là còn rất thấp, bởi vì để lập trình điều khiển được các hệ thống này đòi hỏi phải có một nền tảng kiến thức tầm cỡ. - Các lý thuyết tính toán về robot với các tài liệu tiếng việt còn hạn chế vì vậy việc tính toán về sức bền độ ổn định còn rất nhiều khó khăn, chưa mang tính phổ biến cho các cán bộ kỹ thuật có trình độ tương đối. Với một vài lý do trên, nên hiện nay sự phát triển về lĩnh vực robot của nước ta vẫn còn bị hạn chế và cản trở nhiều, trong các cuộc triển lãm về công nghệ tự động mới của thế giới hầu như vẫn chưa thấy sự có mặt của nước nhà, đó là một thiệt thòi to lớn trong sự nghiệp phát triển của đất nước. 2.6. Cơ sở lý thuyết về ma trận chuyển, phương trình cơ bản của robot 2.6.1. Ma trận chuyển đổi tịnh tiến giữa hai toạ độ. Cho toạ độ gốc OXYZ, một hệ tọa độ O1X1Y1Z1 tịnh tiến so với hệ toạ độ gốc theo các trục X,Y,Z lần lượt là a,b,c, như vậy các điểm trong toạ độ O1X1Y1Z1 được xác định trong toạ độ gốc là: Z1 X = X1 + a ; Y = Y1 + b ; Z = Z1+c Z Y1 Hay viết dưới dạng khai triển. Y X=1 × X1+ 0 × Y1 + 0 × Z1+1× a X1 b O1 Y=0 × X1 +1 × Y1+ 0 × Z1+ 1× b c X Z=0 × X1+ 0 × Y1+1× Z1+1× c O Hay dưới dạng ma trận. X 1 0 0 a X ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ 1 ⎤ a ⎢Y ⎥ = ⎢0 1 0 b⎥⎢ Y ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ 1 ⎥ Hình 4: Sơ đồ tịnh tiến 2 toạ độ ⎣⎢Z ⎦⎥ ⎣⎢0 0 1 c⎦⎥⎣⎢Z1 ⎦⎥ Hình 1.1 TRANG 12