Lập trình cho Robot hàn Almega AX-V6 để hàn một số đường cong phức tạp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

LẬP TRÌNH CHO ROBOT HÀN ALMEGA AX-V6

ĐỂ HÀN MỘT SỐ ĐƯỜNG CONG PHỨC TẠP

Ngành : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Mã số:23.04.3898

Học viên: TRƯƠNG ĐÌNH LUÂN

Người HD khoa học : GS.TS. TRẦN VĂN ĐỊCH

THÁI NGUYÊN - 2009

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2

LỜI NÓI ĐẦU

- Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá sản

xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.

- Mục tiêu ứng dụng Robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất dây

chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm,

đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một vấn đề

thời sự là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính linh hoạt cao

nhằm đáp ứng sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hoá cạnh tranh.

Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những

hệ thống sản xuất linh hoạt đó.

- Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, Robot công nghiệp đã có một lịch sử phát

triển hấp dẫn. Ngày nay robot công nghiệp đã được dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh

vực sản xuất. Ở giai đoạn trước những năm 1990 hầu như trong nước ta hoàn

toàn chưa du nhập về kỹ thuật robot, thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông

tin kỹ thuật về lĩnh vực này. Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu

nhập ngoại nhiều loại robot để phục vụ sản xuất như tháo lắp dụng cụ cho các

trung tâm gia công CNC, lắp giáp các linh kiện điện tử, thao tác ở các máy ép

nhựa, hàn vỏ xe ôtô, xe máy, phun sơn v.v…

Ở nhiều trường đại học, cao đẳng và cao đẳng nghề đã bắt đầu giảng dạy về Robot.

Đặc biệt trong những năm gần đây xu thế nhập Robot công nghiệp ở các trường nghề

ngày càng gia tăng để phục vụ cho học sinh, sinh viên thực tập, tiếp cận dần với nền

sản xuất hiện đại. Tuy nhiên sự chuyển giao công nghệ của nhà sản xuất chưa thật như

ý muốn, chưa tận dụng khai thác triệt để của thiết bị. Là một kỹ sư, đồng thời là một

giáo viên tôi mong muốn góp phần nhỏ bé của mình vào công cuộc chung của nhà

trường là đào tạo các công nhân trình độ cao, tôi mạnh dạn chọn đề tài này làm luận

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3

văn tốt nghiệp: “Lập trình cho Robot hàn Almega AX-V6 để hàn một số đường cong

phức tạp .”

- Tôi rất vinh dự được học tập và nghiên cứu tại khoá đào tạo thạc sỹ khoá 9 của

trường, đề tài tốt nghiệp của tôi được hoàn thành đúng thời hạn với sự hướng

dẫn tận tình của GS.TS Trần Văn Địch, các thầy cô giáo trong và ngoài nhà

trường, các bạn đồng nghiệp và sự nỗ lực của bản thân, và tôi hy vọng rằng đề

tài của tôi sẽ được ứng dụng thực tế vào trong công tác đào tạo của trường Cao

đẳng nghề NN&PTNT Phú Thọ, nơi tôi đang công tác.

- Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô trong khoa Cơ khí,

phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã

giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn. Tôi

lấy làm biết ơn trường Cao đẳng nghề NN&PTNT Phú Thọ đã tạo điều kiện cho

tôi học tập, mở mang kiến thức. Tôi xin chân thành cảm ơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RÔBÔT CÔNG NGHIỆP(IR)

Chương này giới thiệu lịch sử ra đời của Robot công nghiệp, định nghĩa, ứng dụng và

phân loại Robot

1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp

1.2 Định nghĩa về Robot công nghiệp

1.3 Phân loại Robot

1.3.1 Phân loại theo hình học

1.3.2 Phân loại theo điều khiển

1.4 Ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất

1.5 Ứng dụng Robot trong ngành hàn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

5

1.1 Sự ra đời của rôbốt công nghiệp (Inductrial robot)

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi các ứng

dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây

chuyền về thiết bị có tính linh hoạt cao đang dần hình thành. Các thiết bị này đang thay

thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị trường

luôn đòi hỏi mặt hàng thay đổi về chủng loại, tính năng, mỹ thuật, vv,… Vì thế ngày

càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng về robot để tạo ra các hệ thống sản suất linh hoạt.

Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1892 trong tác phẩm “Rossum’

s

Unicersal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là người tạp dịch. Trong

tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra 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 hiện thực. Ngay sau

chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những cánh tay máy bất kỳ điều

khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.

Vào những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại

tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minotaur hoặc tay máy Handyman

của General Electric. Năm 1954 George C. Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “ Cơ

cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình”. Đến năm 1956 Devol cùng với

Joseph F. Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot

công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation. Chỉ đến năm 1975 công ty

Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này.

Chiếc Robot công nghiệp được đưa và ứng dụng đầu tiên năm 1961 , ở một nhà

máy ôtô 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 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

6

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. Tại

trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo loại robot lắp giáp tự động điều khiển

bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào thời

gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều

khiển bằng máy vi tính để lắp giáp các máy in gồm 20 cụm chi tiết.

Vào thời điểm này ở nhiều nước khác cũng tiến hành công trình nghiên cứu tương tự,

tạo ra các robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và các

thiết diện giao tiếp người với máy.

Một lĩnh vực được nhiều người quan tâm là robot tự hành. Các công trình nghiên

cứu tạo ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người hoặc súc vật. Các robot này

còn chưa ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại

nhanh chóng đưa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.

Từ 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 đã ra tăng, giá thành

giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp có

vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.

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 v.v…

1.2 Định nghĩa về robot công nghiệp

Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau

• Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) : Robot công nghiệp là một cơ cấu

chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các

chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, định hướng, di

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

7

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.

• Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) : Robot là một tay máy vạn

năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết,

dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động

có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.

• Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga) : Robot công nghiệp là một máy tự

động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ

thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức

năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

1.3 Phân loại Robot

- Có hai phương pháp phân loại robot. Một là theo tính chất vật lý hay hình học

của chúng. Hai là theo cách chúng được điều khiển.

1.3.1 Phân loại theo hình học

Ngành công nghiệp dùng các thiết kế các robot khác nhau với các ưu nhược điểm

riêng. Về cơ bản, một robot phải có 3 bậc tự do để tiếp cận tới tất cả các điểm trong

không gian. Tuy nhiên nó phải có 3 bậc tự do để kẹp 1 vật thể trong không gian. Có 5

loại robot có tính chất không gian làm việc khác nhau, đó là:

1. Loại có dạng đề các (chữ nhật) (x,y,z)

2. Loại có dạng trụ (kiểu trụ) (r,θ ,z)

3. Loại có dạng cầu (kiểu toạ độ cực) (r,θ,φ )

4. Kiểu nối (nhân hình hoá hay nhân tạo) ( 1 2 3 θ ,θ ,θ )

5. SCARA (cánh tay máy có kết cấu lắp chọn) ( 1 2 3 θ ,θ ,θ )

Mỗi loại robot trên được mô tả theo 3 khớp nối đầu tiên bao gồm bậc tự do của khớp.

Mỗi khớp có thể mô tả bằng toán học hoặc theo chính hệ toạ độ của chúng, mô tả này

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

8

có thể vẽ trong hệ toạ độ đề các. Chú ý rằng chuyển động tịnh tiến và quay của cánh

tay Robot bị hạn chế bởi thiết kế robot.

1.Kiểu đề các (hình 1-1)

Robot kiểu này còn gọi là tay máy kiểu giàn, có các khớp dịch chuyển theo hướng

dạng hình chữ nhật. Đây là dạng mô hình hoá và về dạng toán học vì các hệ toạ độ

tương ứng với hệ trục toạ độ đề các. Robot này được dùng ở những nơi cần độ chính

xác rất cao, tuy nhiên không gian làm việc của nó rất hạn chế.

Hình 1-1: Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

9

2. Kiểu trụ: Robot này có một khớp quay và khớp tịnh tiến, 3 khớp đầu tiên của loại

này ứng với 3 biến cơ bản của hệ toạ độ trụ.

Chuyển động quay: θ

Chuyển động cao: h

Tầm với: r

Hình 2-2: Robot có không gian làm việc dạng trụ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

10

Nếu vị trí của điểm tham chiếu của tay ký hiệu là (θ,h,r ), khi đó vị trí sẽ dễ dàng xác

định tại tất cả các thời điểm, nhưng nếu vị trí được cho ở một thời điểm, tức là (x,y,z)

như trong trường hợp bình thường, sau đó cần thực hiện một vài phép biến đổi tay 2 hệ

trục toạ độ, áp dụng phép tiếp cận mềm và giải bài toán cho 3 khớp đầu tiên, trục z có

vẻ giống như trục thẳng đứng của Robot:

z = h

Mặt phẳng xy vuông góc với trục z và do đó song song với mặt phẳng ở đó θ quay

(quanh trục z) và khoảng cách r.

x = rcosθ , y = rsinθ

Loại robot này đa năng hơn loại đề các. Tuy nhiên nó có độ chính xác thấp hơn.

3. Loại không gian làm việc hình cầu:

Loại robot này có một khớp tịnh tiến và 2 khớp quay, 3 khớp đầu tiên của robot này

tương ứng với 3 biến cơ bản của một hệ toạ độ cầu.

Hình 1-3: Robot có không gian làm việc dạng cầu