Đồ án tốt nghiệp Sử dụng PLC điều khiển hệ thông truyền động trong robot công nghiệp Đ ồ án tốt nghiệp 1 Sử dụng PLC điều khiển hệ thông truyền động trong robot công nghiệp CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Lịch sử phát triển: Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn tiệp khắc có tên là Karel Capek. Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở mỹ do công ty AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức n ăng như tay người được điều khiển tự động thực hiện một số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran. Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau: - Từ những năm 1950 ở mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên. - Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran của công ty AMF. - Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của mỹ từ những năm 1967. - Ở các nước tây âu khác như: Đức, ý, Pháp, Thuỵ Điển thì bắt đầu chế tạo IR từ những năm 1970. - Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968. Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR trong số đó có 80 công ty của Nhật, 90 công ty củ a Tây Âu, 30 công ty của Mỹ và một số công ty của Nga, Tiệp… 1.2 Phân loại rôbốt công nghiệp Đồ án tốt nghiệp 2 1.2.1 Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin của tay máy-người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau: Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chươ ng trình mềm bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 3: Thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người. 1.2.2 Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động: Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp được mô hình hoá trong dạng chuỗi động với các khâu và các khớp như trong nguyên lý máy với các giả thuyết cơ bản sau: - Chỉ sử dụng các khớp động loại 5 ( khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít). - Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với nhau. - Chuỗi động chỉ là chuỗi động hở đơn giản: Ta ví dụ một chuỗi động của một tay máy công nghiệp có 6 bậc tự do, các khớp A, B, F là các khớp tổng quát, có nghĩa là chúng có thể là khớp quay, cũng có thể là khớp tịnh tiến, các khớp D, E, K chỉ là những khớp quay. Các khâu được đánh số bắt đầu từ 0-giá cố định, tiếp đến là các khâu 1, 2, n- các khâu động, khâu tổng quát ký hiệu là khâu i, (i= 1, 2, 3, n), khâu n cuối cùng mang bàn kẹp của tay máy. Tương tự như bàn tay người để bàn kẹp gồm có 3 loại chuyển động, tương ứng với các chuyển động này là 3 dạng của cấu trục máy như sau: - Cấu trúc chuyển động toàn bộ (chân người) cấu trúc này thực hiện chuyển động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vị trí làm việc. Cấu trúc này hết sức đa dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động Đồ án tốt nghiệp 3 trong hệ thống mà chuyển động này cần có sự kiểm soát. Người ta thường coi tay máy là đứng yên, khâu 0 gọi là giá cố định của tay máy. - Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm các khớp A,B và F các khâu 1, 2 và 3, chuyển động của cấu trúc này đem theo bàn kẹp với vị trí làm việc. Do giả thiết về loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thường ta có những phối hợp sau đây của các khớp và t ừ đó tạo nên những cấu trúc xác định vị trí của bàn kẹp trong các không gian vị trí khác nhau của bản kẹp. Phối hợp TTT nghĩa là 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một khớp quay. Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ Đề Các so với các toạ độ So vì 3 điểm M nằm trên khâu 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một chuyển động quay ( tức là hai toạ độ dài). Ph ối hợp TRT, RTT, hay TTR nghĩa là một khớp tịnh tiến hai khớp quay( các cấu trúc 2, 3, và 4). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ trụ so với điểm M trên khâu 3 được xác định bởi 2 chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay( tức là hai toạ độ dài một toạ độ gốc). Phối hợp RTR, RRT, TTR nghĩa là hai khớp tịnh tiến và hai khớp quay( các cấu trúc 5, 6, 7, 8, 9 và 10). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ cầu so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi một chuyển động tịnh tiến và hai chuyển động quay( tức là một toạ độ dài hai toạ độ gốc). Phối hợp RRR tức là 3 khớp quay( các cấu trúc 11,12) đây là các cấu trúc hoạt trong toạ độ góc so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi ba chuyển động quay( tức là ba toạ độ góc), c ấu trúc này được gọi là cấu trúc phỏng sinh học Đồ án tốt nghiệp 4 Hình 1-1: Một vài cấu trúc của tay máy thường gặp Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng ta chuyên môn hoá và đặc biệt đảm bảo giá thành và giá đầu tư vào tay máy thấp, người ta không nhất thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay máy có đủ số ba khớp động cho cấu trúc xác định vị trí. Đối với tay máy công nghiệp đã có hơn 250 loại, trong số đó có hơn 40% là loại tay máy có điều khiển đơn giản thuộc thế h ệ thứ nhất. Sự xuất hiện của IR và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản xuất và xã hội loài người làm xuất hiện một nghành khoa học mới là nghành Robot học(Robotic). Trên thế giới nhiều nời đã xất hiện những viện nghiên cứu riêng về Robot. Ở Việt Nam, từ những năm giữa thập kỷ 80 đã có viện nghiên cứu về Robot. 1.3 Sơ đồ cấu trúc chức nă ng của Robot: Vậy Robot là gì? Cho tới hiện nay có rất nhiều định nghĩa về Robot, và hằng năm người ta tổ chức rất nhiều hội nghị khoa học bàn về Robot, nhằm thông tin những thành tựu đã đạt được trong nghiên cứu và chế tạo Robot đồng thời thống kê các thuật ngữ về Robotic, để hiểu được về IR trước hết chúng ta quan sát sở đồ cấu trúc và chức năng của IR như sau: Đồ án tốt nghiệp 5 Hình 1-2. Sơ đồ cấu trúc và chức năng của Robot. Trong sơ đồ trên, các đường chỉ mối quan hệ thông tin thuận, thông tin chỉ huy nhiệm vụ Robot. Các đường chỉ mối liên hệ thông tin ngược, thông tin phản hồi về quá trình làm việc của Robot. Chức năng của bộ phận giao tiếp là liên lạc với người vận hành là thực hiện quá trình “dạy học” cho Robot, nhờ đó Robot biết được nhiệm vụ phải thực hiện. Chức năng của hệ thống điều khiển là thực hiện việc tái hiện lại các hành động nhiệm vụ đã được “học”. Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ “sức” chịu được tải trọng mà Robot phải chịu trong quá trình làm việc, bộ phận này bao gồm: Phần 1: Bộ phận chịu chuyển động , phần tạo các khả năng chuyển động cho Robot. Phần 2: Bộ phận chịu lực, phần chịu lực của Robot. Bộ cảm biến tín hiệu: làm nhiệm vụ nhận biết, đo lường và biến đổi thông tin các loại tín hiệu như : các nội tín trong bản thân Robot, đó là các tín Thiết bị liên hệ với người v ậ n hành Người vận hành Hệ thống truyền động Hệ thống chịu lực Hệ thống biến tín hiệu Môi trường bên ngoài Hệ thống điều khiển Đồ án tốt nghiệp 6 hiệu về vị trí, vận tốc, gia tốc, trong từng thành phần của bộ phận chấp hành các ngoại tín hiệu, là các tín hiệu từ môi trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của Robot. Với cấu trúc và chức năng như trên, Robot phần nào mang đặc tính của con người còn phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc. Với IR các tính chất trên cũng được thể hiện đầy đủ, do đó IR duy trì hình thức mang dáng d ấp của tay “người”. Tay máy công nghiệp thường có những bộ phận sau: Hệ thống điều khiển: thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận hành theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín. Hệ thống chấp hành: bao gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chịu lực như: các động cơ thuỷ, khí nén, cơ cấ u servo điện tử, động cơ bước. Mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chịu lực. - Bàn kẹp: là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy, nơi cầm nắm các thiết bị công nghệ háy vật cần di chuyển. th à cả i đã m ộ th ế H ơ nh a tr ư ph ẩ đư ợ độ n tiề n kh o T h là m m u ng ư R o R o có tro ng h nế u Đ ồ án t ố 1.4 Ứn g 1.4.1 M ụ Nhằm g à nh, nâng c i thiện lao được đúc k Những ư - Robo ộ t người t h ế Robot c ó ơ n thế nữ a a nh với vi ư ờng cạnh t - Có kh ả ẩ m do ứn g ợ c đáng k n g nhất là n lương c ủ o ản phụ c h eo số liệ u m việc tha y u a Robót ư ời thợ tr o o bot làm v i o bot có thể nhiều do a ng giá thà n - Việc ứ h ệ. Sở dĩ n u không t h ố t nghiệp g dụn g R o ụ c tiêu ứn g g óp phần n c ao chất l ư động. Điề k ết qua n h ư u điểm đ ó t có thể t h h ợ lành ng h ó thể nâng a Robot c ò ệc thay đ ổ t ranh. ả năng gi ả g dụng Ro b k ể chi p h ở các nư ớ ủ a người l a c ấp và b ả u của Nh ậ y cho một n chỉ bằng o ng vòng 3 i ệc ngày m đem lại t i a nh nghiệ p n h sản ph ẩ ứ ng dụng R n hư vậy vì h ay thế co n o bot tron g g dụn g R o n âng cao ư ợng và k h u đó xuất h iều năm đ ư ó là: h ực hiện m h ề một cá c cao chất l ư ò n có thể n ổ i mẫu mã , ả m giá th à b ot là bởi v h í cho ng ư ớ c có mức a o động, c ộ ả o hiểm x ậ t Bản thì n gười thợ tiền chi p 3 -5 năm, t u m ấy ca. C ò i ền lời là 1 p , khoản c ẩ m. R obot có t nếu tăng n n người b ằ côn g n g h i o bot tron g c năng suấ t h ẩ năng c ạ phát từ n h ư ợc ứng d ụ m ột quy trì n c h ổn địn h ư ợng và k n hanh ch ó , kích cỡ c à nh sản v ì giảm ư ời lao cao về ộ ng các x ã hội. Robot thì tiền p hí cho u ỳ theo ò n ở Mỹ, t 3 USD. Ở hi phí về t hể làm tă n n hịp độ k h ằ ng Robot t i ệp: c ôn g n g h i t dây truy ề ạ nh tranh c h ững ưu đi ụ ng ở nhi ề n h thao t á c h trong su ố k hẳ năng c ạ ó ng thay đ ổ c ủa sảm p h t rung bìn h nước ta t r lương bổ n n g năng s u h ẩn trương t hì thợ kh ô i ệp: ề n công n c ủa sản p h ểm cơ bả n ề u nước. c hợp lý, b ố t thời gia n ạ nh tranh ổ i công v i h ẩm theo y h trong mỗ r ong nhữn g n g cũng c h u ất của d â của dây t r ô ng thể th e n ghệ, giả m h ẩm, đồng n của Rob o b ằng hoặc n làm việ c của sản p h i ệc, thích n y êu cầu củ a i giờ làm g năm gần h iếm tỷ lệ â y truyền c r uyền sản x e o kịp hoặ c 7 m giá thời o t và hơn c . Vì h ẩm. n ghi a thị việc đay cao c ông x uất, c rất Đồ án tốt nghiệp 8 chóng mệt mỏi. Theo tài liệu của Fanuc-Nhật Bản thì năng xuất có khi tăng 3 lần. - Ứng dụng Robot có thể cải thiện được điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải lao động suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩ m ướt, nóng nực, hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần. Thậm trí ở nhiều nơi người lao động còn phải làm việc dưới môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con người, dễ xảy ra tai nạn, dễ bị nhiễm hoá chất độc hại, nhiễm sóng điện từ, phóng xạ 1.4.2 Các bước ứng dụng Robot: Việc ưu tiên đầu tư trước hết để nhằm để đồng bộ hoá cả hệ thống thiết bị, rồi tự động hoá và Robot hoá chúng khi cần thiết để quyết định đầu tư cho cả dây truyền công nghệ hoặc chỉ ở một vài công đoạn. Người ta thường xem xét các mặt sau: - Nghiên cứu quá trình công nghệ được Robot hoá và phân tích toàn bộ hệ thống nếu không thể hiện rõ thì việc đầu tư robot hoá là chưa nên. - Xác định các đối tượ ng cần Robot hoá: Khi xác định cần phải thay thế Robot ở những nguyên công nào thì phải xem xét khả năng liệu Robot có thay thế được không và có hiệu quả hơn không. Thông thường người ta ưu tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, Hình 1-3: Ứng dụng robot trong công nghệ hàn Đồ án tốt nghiệp 9 bụi bặm ồn ào, độc hại, căng thẳng hoặc quá đơn điệu. Xu hướng thay thế hoàn toàn bằng Robot thực tế không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà đòi hỏi sự khéo léo của con người. - Xây dựng mô hình quá trình sản xuất đã được Robot hoá: Sau khi đã xác định được mô hình tổng thể quá trình công nghệ, cần xác định rõ dòng chuyển dịch nguyên liệu và dòng thành phẩm để đảm bảo sự nhịp nhàng đồng bộ của từng hệ thống. Có thế mới phát huy được hiệu quả đầu tư vốn. - Chọn lựa mẫu robot thích hợp hoặc chế tạo robot chuyên dùng. Đây là bước quan trọng vì robot có rất nhiều loại với giá tiền khác nhau. Nếu như không chọn đúng thì không những đầu tư quá đắt mà còn không phát huy được hết khả năng, như kiểu dùng người không đúng chỗ. Việc này thường xảy ra khi mua robot nước ngoài, có những chức năng robot được trang bị nhưng không cần dùng cho công việc cụ thể mà nó đảm nhiệm dây truyền sản xuất, vì thế mà đội giá lên rất cao, chỉ có lợi cho nơi cung cấp thiết bị. Cấu trúc robot hợp lý nhất là cấu trúc theo modun hoá, như thế có thể hạ được giá thành sản xuất, đồng thời đáp ứng được nhu cầu phục vụ công việc đa dạng. Cấu trúc càng đơn giản càng dễ thực hiện với độ chính xác cao và giá thành hạ. Ngoài ra còn có thể tự tạo dựng các robot thích hợp với công việc trên cơ sở mua lắp các modun chuẩn hoá. Đó là hướng triển khai hợplý đối với đại bộ phận xí nghiệp trong nước hiện nay cung như trong tương lai. 1.4.3 Các lĩnh vực ứng dụng robot trong công nghiệp. - Một trong các lĩnh vực hay ứng dụng robot là kỹ ngh ệ đúc. Thường trong phân xưởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực, bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác. Việc tự động hoá toàn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng các dây truyền tự động thông thường với các máy tự động chuyên dùng đòi hỏi phải có các thiết bị phức tạ p, đầu tư khá lớn. Ngày náy ở nhiều nước trên thế giới robot được dùng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc, nhưng chủ yếu là để [...]... mỏy CNC trc o ny cú th h thp rt nhiu ln Ngoi cỏc ng dng trong nghnh ch to mỏy, cụng c RBSS cũn c ỏp dng hiu qu trong dng c y hc, trong h thng mụ phng, trong thit b thiờn vn v trong k thut phũng khụng 1.4.4.5 Cỏc xu th ng dng robot trong tng lai: 17 ỏn tt nghip Robot ngy cng thay th nhiu lao ng õy ch cp n robot cụng nghip Trong tng lai, k thut robot s tn dng hn na cỏc thnh tu khoa hc liờn nghnh, phỏt... hp cú th nõng cp ci tin nhiu loi robot Tuy nhiờn bn thõn cỏc robot ny phi cú cỏc c cu chp hnh linh hot chớnh xỏc Ngy nay cú nhiu loi robot thụng minh khụng nhng cú th lm vic trong cỏc phõn xng cụng nghip m cũn thao tỏc c bờn ngoi, trờn cỏc a hỡnh phc tp nh cỏc loi robot v tr ( space robot) , robot t hnh ( walking robot) , robot cn cu( robot crale), to dng t cỏc modul robot song song 20 ỏn t nghip t... cm bin 19 ỏn tt nghip c lc khi lp rỏp Khi c lp thờm cỏc modul cm bin ny robot c gi vi nhiu tờn mi Vớd: robot nhỡn c ( vision robot) , robot lp rỏp ( assembli), robot cnh bỏo ( alarm robot) , thụng minh hoỏ robot bờn cnh vic ci t b xung cỏc modul cm bin ni tớn hiu v cỏc modul cm bin ngoi tớn hiu thỡ ng thi cú th thụng minh hoỏ robot bng cỏc chng trỡnh phn mm cú kh nng t thớch nghi v t x lý cỏc tỡnh... kim tra v iu chnh Ngoi ra robot hn cũn phỏt huy tỏc dng ln khi hn trong nhng mụi trng c bit 10 ỏn t nghip t Hỡn 1- 4: dng r nh ng robot trong quỏ trỡnh nhit luy g h yn - Robot c dựn khỏ r rói tro gia cụ v lp rỏp Th t ng ng ong ụng p ng th ng ng ta s d robot ch yu vo cỏc vic thỏo l phụi v sn i ng v p ph cho cỏc mỏy gia c m c cụng bỏnh rng, mỏy khoan, m tin bỏn t ng y mỏy n Trong n nghnh ch to mỏy v... mi v khoa hc trong vic thit k, ch to robot Vớ d ó to ra nhng cu hỡnh n gin v chớnh xỏc trờn c s s dng cỏc vt liu mi va bn, va nh Trong ú nờn k n cỏc loi robot nh Adept Oen, SCARA, ng thi do tha hng s phỏt trin k thut nhn v bin i tớn hiu ( sensor), c k thut nhn v s lý tớn hiu nh (vision) cng nh k thut tin hc vi cỏc ngụn ng bc cao, robot cụng nghip ó cú mt trờn nhiu cụng on lp rỏp phc tp Robot di ng... cỏc bỏnh xe m bng chõn, thớch hp vi mi a hỡnh Robot i c bng chõn cú th t leo thang, l mt i tng ang rt c chỳ ý trong nghiờn cu khụng nhng nh hng trong cụng nghip ht nhõn hoc trong k thut quc phũng m ngay c trong cụng nghip dõn dng thụng thng õy vic to ra cỏc c cu chp hnh c khớ bn vng, nh nhng, chớnh xỏc v linh hot nh chõn ngi li l i tng nghiờn cu ch yu Robot ngy cng tr nờn tinh khụn hn Trớ khụn nhõn... ũi hi s tinh khụn nht nh Vn thit b cm bin c nhiu ngnh k thut quan tõm v cng t c nhiu thnh tu mi trong thi kỡ phỏt trin sụi ng ca lnh vc vi s lý ú cng l iu kin thun li trong vic ỏp dng chỳng trong k thut robot nhm tng cng kh nng thụng minh ca thit b Nhng loi hỡnh c quan tõm nhiu trong cụng nghip l cỏc robot thụng minh cú cỏc modul cm bin nhn bit c khong cỏch trỏnh vt cn khi thao tỏc, cm bin nhn bit... hot v kh ia, hụng 11 ỏn tt nghip ũi hi u t ln õy cỏc nh mỏy v robot trong dõy truyn c iu khin bng cựng mt h thng chng trỡnh Trong mt dõy truyn t ng cú cỏc mỏy iu khin theo chng trỡnh robot cú th ng mt ch iu chnh trờn ng ray hoc theo di ng K thut robot cú u im quan trng nht l to nờn kh nng linh hot hoỏ sn xut Vic s dng mỏy tớnh in t, robot v mỏy iu khin theo chng trỡnh ó cho phộp tỡm c nhng phng thc... nhiu lnh vc trong cụng nghip S lng lao ng c thay th ngy cng nhiu vỡ: cng ngy giỏ thnh robot cng gim, mt khỏc chi phớ tin lng v cỏc khon ph khỏc cp cho ngi lao ng ngy cng cao Robot ngy cng tr nờn chuyờn dng: Khi robot cụng nghip ra i, ngi ta thng c gng lm sao biu th ht kh nng ca nú Vỡ th xut hin rt nhiu loi robot vn nng cú th lm c nhiu vic trờn dõy truyn Tuy nhiờn thc t sn xut chng t rng, cỏc robot chuyn... thit k ch to v ng dng robot cụng nghip Chicago nm 1972, sau 13 ỏn tt nghip ú li lng dn xung, nht l sau khng hong du m 1975, nh rỳt kinh nghip ỏp dng vo ch no l phỏt huy hiu qu hn n nhng nm 80 thỡ xut hin nhu cu hỡnh thnh cỏc h thng sn xut linh hot FMS ( Flexible Manufacturing System) m robot nh l b phn cu thnh FMS Nhu cu ú kớch thớch s phỏt trin ca robot cụng nghip Trong nm 90 robot cụng nghip cng . Đồ án tốt nghiệp Sử dụng PLC điều khiển hệ thông truyền động trong robot công nghiệp Đ ồ án tốt nghiệp 1 Sử dụng PLC điều khiển. PLC điều khiển hệ thông truyền động trong robot công nghiệp CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Lịch sử phát triển: Thuật ngữ Robot xuất hiện