ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN tử THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC TỰ DO RRRR

LỜI NÓI ĐẦU

     Trong những năm học vừa qua, chúng em đã được học rất nhiều các môn học về cơ khí, điện, điện tử. Và đồ án TỐT NGHIỆP lần này là dịp để tổng hợp lại các môn học đó. Sau một thời gian nghiên cứu về tính thực tiễn chúng em lựa chọn sản phẩm Robot 4 bậc tự do để làm đề tài cho Đồ Án tốt nghiệp. Thông qua đồ này chúng em đã tích lũy, tổng hợp và phát huy được nhiều kiến thức của ngành Cơ điện tử đã được học trong thời gian qua .

           Là sinh viên chuyên  ngành  Cơ Điện Tử  chúng em đã được trang bị các kiến thức cơ bản về chuyên  nghành cơ khí chế tạo và các kiến thức khác về điều khiển hệ thống điều khiển    

         Vì đây là đồ án lớn cuối khóa học, tổng hợp đầy đủ kiến thức của nhiều môn học nên chúng em còn gặp phải nhiều khó khăn về cả tài liệu và kinh nghiệm cho quá trình thực hiện. Tuy nhiên trong quá trình thực hiện nhờ sự động viên giúp đỡ tạo điều kiện của khoa và sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Cung, cũng như các bạn sinh viên khác đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này!     

      Chúng em xin cảm ơn các thầy giáo bộ môn cũng như thầy giáo hướng dẫn đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian qua.

       Em xin chân thành cảm ơn.

MỤC LỤC

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn. 3

Nhận xét của giáo viên phản biện. 4

LỜI NÓI ĐẦU.. 5

MỤC LỤC.. 6

Chương 1:  Tổng quan về Robot công nghiệp. 8

1.1.       Các khái niệm cơ bản. 8

1.1.1.        Robot và robotics. 8

1.1.2.        Robot công nghiệp. 10

1.2.       Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp. 11

1.2.1.        Kết cấu chung. 11

1.2.2.        Kết cấu của tay máy. 12

1.3.       Phân loại robot. 14

1.3.1.        Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động. 14

1.3.2.        Phân loại theo thế hệ. 14

1.3.3.        Phân loại theo điều khiển. 15

1.3.4.        Phân loại theo nguồn dẫn động. 16

1.4.       Ứng dụng của robot công nghiệp. 16

1.4.1.        Ứng dụng trong công nghiệp. 16

1.4.2.        Ứng dụng robot trong các thao tác cần khuếch đại lực. 17

1.4.3.        Ứng dụng robot trong lắp ráp. 18

Chương 2:  Tính toán thiết kế robot. 20

2.1.       Yêu cầu nhiệm vụ. 20

2.2.       Chọn phương án thiết kế. 20

2.2.1.        Robot 3 bậc tự do RRR.. 20

2.2.2.        Robot 4 bậc tự do RRRR.. 21

2.2.3.        Lựa chọn phương án. 21

2.3.       Tính chọn động cơ và các bộ phận của robot. 22

2.3.1.        Chọn vật liệu. 22

2.3.2.        Chọn động cơ. 22

2.3.3.        Thiết kế thân của robot. 23

2.3.4.        Thiết kế các khớp của robot. 24

2.4.       Tính chọn các bộ phận khác của hệ thống. 26

2.4.1.        Thiết kế hệ thống băng tải 26

2.4.2.        Thiết kế khay chứa sản phẩm.. 28

Chương 3:  Động học tay máy thiết kế. 29

3.1.       Động học thuận. 29

3.1.1.        Qui tắc Denavit-Hartenberg. 29

3.1.2.        Các ví dụ. 30

3.1.3.        Nguyên lí các góc Euler. 32

3.2.       Động học ngược. 33

3.2.1.        Phát biểu bài toán. 33

3.2.2.        Tách khâu động học. 34

3.2.3.        Giải phương trình động học ngược cánh tay robot. 36

Chương 4:  Thiết kế mạch điều khiển. 43

4.1.       Giới thiệu về họ vi điều khiển 8051. 43

4.1.1.        Giới thiệu chung. 43

4.1.2.        Giới thiệu về vi điều khiển 8051. 43

4.1.3.        Cấu trúc  bên trong của IC 8051. 44

4.1.4.        Chức năng các chân của vi điều khiển. 46

4.2.       Thiết kế các module điều khiển. 49

4.2.1.        Module vi điều khiển. 49

4.2.2.        Bàn phím.. 50

4.2.3.        Module công suất. 51

4.2.4.        Kết luận về việc thiết kế mạch. 54

Chương 5:  Lập trình điều khiển. 55

5.1.       Lưu đồ thuật toán. 55

5.1.1.        Lưu đồ thuật toán chương trình chính. 55

5.1.2.        Lưu đồ thuật toán hàm kiểm tra save. 57

5.1.3.        Hàm Start auto. 58

5.2.       Chương trình điều khiển. 59

KẾT LUẬN.. 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 85                                                                                                                                   

Chương 1:  Tổng quan về Robot công nghiệp

1.  Các khái niệm cơ bản
   1. Robot và robotics

Từ thời cổ xưa, con người đã mong muốn tạo ra những vật chất giống như mình để bắt chúng phục vu cho bản thân. Ví dụ, trong kho thần thoại Hy lap có chuyện người khổng lồ Promethe đúc ra con người từ đất sét và truyền cho họ sự sống, hoặc chuyện tên nô lệ Talus khổng lồ được làm bằng đồng và được giao nhiệm vụ bảo vệ hoang đảo Crete.

Đến năn 1921, từ “Robot” xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rosum’s Universal Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người séc, Karel Capek. Trong vở kịch này, ông dùng từ “Robot”, biến thể của từ gốc Slavo “Robota”, để gọi một thiết bị lao công do con người (nhân vật Rosum) tạo ra.

      Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Positron, do chính con người lập trình. Asimov cũng đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:

1. Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người.
2. Hoạt động của robot phải tuân theo các qui tắc do con người đặt ra. Các quy tắc này không phạm quy tắc thứ 1.
3. Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình nhưng không được vi phạm 2 nguyên tắc trước.

Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot.

      Từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng, robot dần dần được giới kỹ thuật hình dung như những chiếc máy đặc biệt, được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế mình trong một số công việc xác định.

      Để hoàn thành nhiệm vu đó, robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người.

      Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí.

      Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến.

      Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh “hành vi” của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin.

      Một cách đơn giản, Robotics được hiểu là một ngành 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.

      Từ hiểu biết sơ bộ về chức năng và kết cấu của robot, chúng ta hiểu Robotics là một khoa học liên ngành gồm: cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơ điện tử.

      Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học - kỹ thuật của việc sản sinh ra robot thống nhất ở một điểm: thực hiện hoài bão của con người là tạo ra thiết bị thay thế mình trong những hoạt động không thích hợp với mình như:

- Các công việc lặp đi lặp lại,nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà,…

- Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: như ngoài khoảng không vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao,…

- Những việc đòi hỏi độ chính xác cao như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch…

- Lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm. Ngày nay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thủy rất nhiều. Sự phỏng tác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng không còn ngự trị trong kỹ thuật robot nữa. Kết cấu của nhiều con robot khác xa với kết cấu các bộ phận của cơ thể người và chúng cũng có thể thực hiện được những việc vượt xa khả năng của con người.

1. Robot công nghiệp

Mặc dù, như định nghĩa chung về robot đã nêu, không có gì giới hạn phạm vi ứng dụng của robot, nhưng có một thực tế là hầu hết robot hiện đang có đều được dùng trong công nghiệp. Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng đã thống nhất hóa, thương mại hóa rộng rãi. Lớp robot này được gọi là robot công nghiệp.

      Kỹ thuật tự động hóa trong công nghiệp đã đạt tới trình độ rất cao: không chỉ tự động hóa các quá trình vật lý mà cả quá trình xử lý thông tin. Vì vậy, tự động hóa trong công nghiệp tích hợp công nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có tự động hóa nhờ máy tính.

      Hiện nay, trong công nghiệp tồn tại 3 dạng tự động hóa :

1. Tự động hóa cứng (Fixed Automation): được hình thành dưới dạng các thiết bị dây chuyền chuyên môn hóa theo đối tượng (sản phẩm). Nó được ứng dụng có hiệu quả trong điều kiện sản xuất hàng khối với sản lượng rất lớn các sản phẩm cùng loại.
2. Tự động hóa khả trình (Programmable Automation): được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất loạt nhỏ, loạt vừa, đáp ứng phần lớn nhu cầu sản phẩm công nghiệp. Hệ thống thiết bị dạng này là các thiết bị vạn năng điều khiển số, cho phép dễ dàng lập trình lại để có thể thay đổi chủng loại (tức là thay đổi quy trình công nghệ sản xuất ) sản phẩm.
3. Tự động hóa linh hoạt (Flexible Automation): là dạng phát triển của tự động hóa khả trình. Nó tích hợp công nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính, cho phép thay đổi đối tượng sản xuất mà không cần hạn chế (hoặc hạn chế) sự can thiệp của con người. Tự động hóa linh hoạt được biểu hiện dưới 2 dạng: tế bào sản xuất linh hoạt và hệ thống sản xuất linh hoạt.

      Robot công nghiệp có 2 đặc trưng cơ bản:

1. Là thiết bị vạn năng, được tự động hóa theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau.
2. Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng như vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường,…

      Vì thể hiện 2 đặc trưng cơ bản trên của robot công nghiệp, hiện nay định nghĩa sau đây về robot công nghiệp do viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất được sử dụng rộng rãi:  

      Robot công nghiệp 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 theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga còn bổ sung cho robot công nghiệp chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất :

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 thêt lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

      Với đặc điểm có thể lập trình lại, robot công nghiệp 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.  Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
   1. Kết cấu chung

Mọi RBCN được cấu thành bởi các hệ thống sau:

1. 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 nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (end effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
2. 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.
3. 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 và điều khiển hoạt động của robot.

1.  Kết cấu của tay máy

Tay máy là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của RBCN. Đó là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc như nâng hạ vật, lắp ráp,…Ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo tay máy là phỏng tác cấu tạo và chức năng của tay người. Về sau, đây không còn là điều bắt buộc nữa. Tay máy hiện nay rất đa dạng và có nhiều loại có dáng vẻ khác rất xa với tay người. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot người ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc như: vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay và các khớp… để chỉ tay máy và các bộ phận của nó.

      Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của chúng như:

1. Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay,…
2. Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dạng vùng mà phần công tác có thể với tới.
3. Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác.

      Ngoài ra để định vị và định hướng phần công tác một cách tùy ý trong không gian 3 chiều cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị trí, 3 bậc tự do để định hướng.

1) Robot tọa độ góc (cartesian robot)

      Còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp trượt,cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục tọa độ. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu, tay máy kiểu này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc nhưng ít khéo léo. Vì vậy,tay máy kiểu tọa độ góc được dùng để vận chuyển lắp ráp.

2) Robot tọa độ trụ (cylindrical robot)

      Khác với tay máy kiểu tọa độ góc 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 khoang rỗng nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.

3) Robot toa độ cầu (spherical robot)

      Khác kiểu trụ do khớp thứ 2 (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn 2 loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể nhặt được vật dưới nền.

4) Scara

      Được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại trường đại học Yamasashi (Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương đứng nhưng kém cứng vững theo phương ngang. Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương đứng.

5) Tay máy kiểu tay người (anthropomorphic)

      Có cả 3 khớp đều xoay, trong đó trục quay thứ nhất vuông góc với 2 trục kia. Do sự tương tự với tay người, khớp thứ 2 được gọi là khớp vai, khớp thứ 3 là khớp khuỷu nối cẳng tay cới khuỷu tay. Với kết cấu này, không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy này gần giống một khối cầu.

1.  Phân loại robot

 Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot để giúp cho việc nhận biết được dễ dàng. Có bốn yếu tố chính để phân loại robot như sau :

*    Theo dạng hình học của không gian hoạt động.

*    Theo thế hệ robot.

*    Theo họ điều khiển.

*    Theo nguồn dẫn động.

1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động

     a) Robot tọa độ góc (cartesian robot).

b) Robot tọa độ trụ (cylindrical robot).

      c) Robot toa độ cầu (spherical robot).

4.  Robot khớp bản lề.

1.  Phân loại theo thế hệ

 Theo quá trình phát triển của robot,ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây:

1) Robot thế hệ thứ nhất

      - Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình.

      - Điều khiển vòng hở.

      - Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều khiển,tuy nhiên không thể thay đổi chương trình được.

      - Sử dụng phổ biến trong công việc gắp-đặt (pick and place)

2) Robot thế hệ thứ hai

      - Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy.

      - Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước.

      - Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, panen điều khiển.

3) Robot thế hệ thứ ba

      - Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh.

      - Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau.

4) Robot thế hệ thứ tư

      - Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự lựa chọn chương trình  hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến.

            - Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biên không được xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot.

1. Phân loại theo điều khiển

  a) 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 xung điều khiển. Kiểu điều khiển này đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp.

      b) 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).

      Với kiểu điều khiển điểm - điểm phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc ). Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn 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.

1. Phân loại theo nguồn dẫn động

a) Robot dùng nguồn cấp điện.

      b) Robot dùng nguồn khí nén.

      c) Robot nguồn thủy lực.

1.  Ứng dụng của robot công nghiệp
   1.  Ứng dụng trong công nghiệp

 Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn.

      Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn luyện kim loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng. Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn và xưởng hàn. Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ.

Hình 1.1:  Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất cơ khí

      Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa đi khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước.

Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khỏe của con người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot. Ngoài ra, con người phải mất hai năm để nắm kĩ được kĩ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vòng  vài giờ và có khả năng lập lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp. Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng cũng như cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi trường độc hại. Tất cả các robot phun sơn đều được “dạy” bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng hướng, đường đi nó ghi lại và khi robot thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn. Như thế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng.
     Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn trong cong nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hang ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm trung chuyển.

1.   Ứng dụng robot trong các thao tác cần khuếch đại lực

  Kỹ thuật robot được ứng dụng đầu tiên trong công nghiệp hạt nhân với sự phát triển của điều khiển qua màn hình để xử lý vật liệu phóng xạ. Gần đay hơn robot được sử dụng để hàn từ xa và kiểm tra đường ống trong vùng nhiễm xạ nặng. Tai nạn nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island ở Pennsylvania năm 1979 thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của robot vào công nghiệp hạt nhân. Lò phản ứng số 2 (TMI-2) mất chất làm nguội, làm cho lò phản ứng chính bị hư hại nặng, đặt một vùng rộng lớn trong tình trạng không thể can thiệp được bởi con người. Do sự phát xạ nặng, các công việc dọn dẹp chỉ có thể được thực hiện thông qua điều khiển từ xa qua robot. Một ứng dụng phổ biến nữa là dùng robot để bốc dỡ hàn hóa, vật liệu, phôi có trọng lượng lớn, cồng kềnh trong các ngành công nghiệp nặng. Robot loại  này có thể nâng tải trọng lên đến tối đa một tấn một cách dễ dàng với độ chính xác vị trí nhỏ hơn 1mm. Hình 1.2 trình bày một robot được gọi là “Hercules of Today”, thể hiện sự kết hợp của kỹ thuật điều khiển chính xác, thủy lực và kỹ thuật điện tử.

 

Hình 1.2:   Robot dùng trong thao tác động lực học của Đức

1.   Ứng dụng robot trong lắp ráp

 Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự  động hoàn toàn, ở đó một bản thiết kế được thể  hiện tại mộ t trạm thiết kế bằng máy tính, không có sự can thiệp của con người vào quá trình sản xuất. Hãy thử hình dung một môi trường sản xuất tự   động hoàn toàn; từ ý tưởng sản phẩm, gồm các chỉ tiêu kỹ thuật cấp cao, người ta thiết kế  ra sản phẩm; sau  đó  đặt vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiế t trong nhà máy; điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy gia công CNC và các robot tĩnh và robot di động.

Những thành tựu của một môi trường sản xuất như thế đã và đang được đầu tư nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm qua. Hiện nay các nhà máy lớn hiện đại đều áp dụng mô hình tự động hoá hoàn toàn, đặc biệt là phần thiết kế ở cấp cao và phần xử lý chi tiết ở cấp thấp. Một trong những trở ngại chính là liên kết các tầng với nhau. Một khó khăn khác là nhu cầu phương pháp xuất ra các đặc tả thủ tục từ mô hình máy tính của sản phẩm. Ví dụ, việc lập ra một cách tự động trình tự lắp ráp các chi tiết với nhau trong khâu lắp ráp.

Robot được sử dụng để tự động hoá quá trình lắp ráp trong những nhà máy như thế. Khâu này tập trung nhiều lao động và khó hơn nhiều so với dự tính. Ví dụ, cầm một cái mỏ hàn tay đơn giản và tháo nó ra từng phần. Có bao nhiêu chi tiết? Có bao nhiêu cách lắp ráp nó? Bạn có thể  lắp ráp nó bằng một tay hay không? Bạn có thể  nhắm mắt lắp  được nó hay không? Bây giờ bạn đang gặp phải sự giới hạn của robot. Sự phát triển của cảm biến và sự ứng dụng nó vào robot là yếu tố quan trọng cơ bản để ứng dụng robot trong lắp ráp. Lấy ví dụ, đầu mỏ hàn là một vật thể  nhỏ, nên để lắp ráp nó chúng ta cần tập trung mọi chi tiết lại, tìm vị trí và hướng lắp ráp cho từng chi tiết, lấy chi tiết đầu tiên và đặt nó vào cơ cấu kẹp chặt, lấy một chi tiết nữa theo đúng thứ  tự và lắp vào chi tiết  đầu tiên.

 Việc lắp ráp còn liên quan đến nhiều xử lý khác nhau: đưa một chi tiết vào một chi tiết kia, đặt một chi tiết trên một chi tiết khác, siết chặt đai ốc, siết vít, hay phun keo, v.v... Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể để quyết định có sử dụng robot trong công đoạn lắp ráp hay không. Trong thực tế , khi sản phẩm được thiết kế khéo léo thì người công nhân có thể lắp ráp sản phẩm trong một thời gian rất ngắn.

 

Hình 1.3 Robot lắp ráp Misubishi RV – 2AJ

Chương 2:  Tính toán thiết kế robot

2. 1. Yêu cầu nhiệm vụ

 Với đề tài được chọn là robot lắp ráp, nhiệm vụ của robot là lắp ráp một sản phẩm được định trước, trong nội dung đề tài robot sẽ thực hiện công việc lắp ráp giống như robot RV-2AJ của hệ thống CIM thuộc Viện công nghệ cơ khí và tự động hóa. Như vậy ta có chu trình làm việc của robot như sau: sau khi nhận được tín hiệu bắt đầu hoạt động ( có khay đựng sản phẩm tới ), robot sẽ gắp khay đựng bỏ lên giá, tiếp đó robot sẽ đi gắp bút và đồng hồ cho lên khay, tiếp tục robot gắp khay đã chứa sản phẩm đặt trở lại băng tải.

Để hoàn thành công việc lắp ráp thì robot phải thực hiện các công việc sau: gắp khay lên giá đỡ, sau đó thực hiện hai lần gắp đồng hồ và một lần gắp bút cho vào khay chứa và cuối cùng là gắp khay chứa sản phẩm trên giá đỡ trở lại băng tải để chuyển sản phẩm đi.

Để gắp được 1 vật robot phải thực hiện các chuyển động sau: bao gồm chuyển động xoay thân tới phía có vật, gập thân tiếp cận vật cần gắp, kẹp vật, nâng thân lên, xoay về vị trí khay, gập thân xuống và thả vật vào trong khay chứa.

1. Chọn phương án thiết kế
   1. Robot 3 bậc tự do RRR

Robot với cấu hình 3 bậc tự do RRR, bao gồm : khớp đầu tiên là khớp xoay giúp cánh tay xoay sang hai bên, tiếp đó là 2 khớp xoay giúp cánh tay gập lên xuống để nâng hạ vật và tay kẹp dùng để gắp vật.

Hình 2.1: Sơ đồ động của robot 3 bậc tự do RRR

• Ưu điểm:

+   Thiết kế cơ khí không phức tạp.

           +   Có thể thực hiện được yêu cầu của đề tài

• Nhược điểm:

+   Tầm với của robot không lớn do đó không gian làm việc hạn chế.

+   Robot ít linh động nên việc điều khiển tiếp cận vật khó khăn.

1. Robot 4 bậc tự do RRRR

  Robot với cấu hình 4 bậc tự do RRRR, bao gồm : khớp đầu tiên là khớp xoay giúp cánh tay xoay sang hai bên, tiếp đó là 3 khớp xoay giúp cánh tay gập lên xuống để nâng hạ vật và tay kẹp dùng để gắp vật.

Hình 2.2: Sơ đồ động của robot 4 bậc tự do RRRR

• Ưu điểm:

+   Tầm với của robot lớn hơn so với robot 3 bậc tự do RRR. Do đó không gian làm việc lớn hơn, phù hợp hơn với công việc.

           +   Với 4 bậc tự do robot linh hoạt hơn trong việc di chuyển tiếp cận vật.

• Nhược điểm:

+   Thiết kế cơ khí phức tạp hơn so với robot 3 bậc tự do RRR.

      +   Điều khiển robot cũng phức tạp hơn.

1.  Lựa chọn phương án

Ta lựa chọn phương án thiết kế là robot 4 bậc tự do RRRR.

Vì không gian làm việc lớn hơn, robot linh hoạt hơn và phù hợp với yêu cầu của đề tài.

Vậy nội dung thực hiện đề tài sẽ là thiết kế và chế tạo robot 4 bậc tự do RRRR. Robot sẽ thực hiện công việc lắp ráp sản phẩm mô phỏng theo công việc robot lắp ráp trong phòng CIM của Viện công nghệ cơ khí và tự động hóa.

Robot gồm 4 khâu ( 3 thanh truyền nồi giữa các khớp và tay kẹp) và 4 khớp xoay.

Hình 2.3: Sơ đồ động cánh tay robot

1. Tính chọn động cơ và các bộ phận của robot
   1. Chọn vật liệu

• Vật liệu làm robot chủ yếu là nhựa cứng.
• Đế được làm bằng thép, tay kẹp làm bằng nhôm.

1.  Chọn động cơ

Cánh tay robot phải được điều khiển một cách chính xác nên ta chon động cơ bước để điều khiển các khớp.

Hình 2.4: Động cơ bước

      Động cơ sử dụng nguồn 12V, DC.
      Dòng khởi động của động cơ 1.3A.

• Để truyền chuyển động cho các khớp quay ta nối trục của động cơ bước với bộ truyền trục vít bánh vít. Ở đây ta dùng bộ truyền bánh vít trục vít của động cơ gạt nước của ôtô.

Hình 2.5: Sơ đồ ghép nối động cơ bước và bộ truyền trục vít bánh vít

1. Thiết kế thân của robot

 Thân được làm từ vật liệu là nhựa cứng.

Bị hạn chế trong các thiết bị gia công cơ khí chính xác nên để định đồng tâm hai lỗ để gắn trục khớp trên hai mặt bên của khớp là rất khó. Vậy nên em chọn phương án ghép hai mặt bên lại với nhau, kẹp giữ chặt sau đó gia công khoan lỗ. Về cơ bản đã triệt tiêu đáng kể sai số trong quá trình lắp ráp robot cũng như độ đồng tâm của trục.

Hình 2.6: Hình dạng thân robot

1.  Thiết kế các khớp của robot

1.  Khớp 1 ( Khớp đế )

     Đây là khớp đế xoay của cánh tay, chủ yếu chịu lực uốn và nén.

Thiết kế:

-   Trục xoay là trục thép Ө30, được cố định theo phương đứng bằng 2 ổ bi đỡ; ổ bi được giữ bằng 2 thanh nhôm song song, có lót lớp đệm mỏng chống rung và trượt.

-  Hệ thống truyền động là bộ giảm tốc TV-BV có tỉ số truyền i = 60.

Sơ đồ khớp quay 1(khớp đế).

Hình 2.7: Cấu tạo khớp 1

1. Trục khớp; 2. Ổ bi. 3. Bộ truyền TV-BV; 4.Động cơ bước.

2. Khớp 2, 3, 4

• Trục khớp này chủ yếu chịu lực cắt tại 2 vị trí nối với khâu tiếp theo, sử dụng trục Ө10.
• Truyền động bằng hộp giảm tốc trục vít bánh vít của động cơ gạt nước có tỷ số truyền i = 50.

Hình 2.8: Sơ đồ khớp 2, 3, 4
1. Động cơ bước; 2. Trục vít; 3.Bánh vít

Truyền động cho khớp bằng động cơ bước, được nối với bộ truyền động cơ gạt nước qua một nối trục, khớp được gắn chặt vào trục tâm của bánh vít trong bộ truyền. Do đó khi động cơ quay sẽ làm cho khớp quay theo, nâng cánh tay lên xuống.

3. Tay kẹp

 Ứng dụng nguyên lý tay kẹp hình bình hành để có thể đóng mở má kẹp song song, tiếp xúc tốt hơn với vật công tác. Truyền động cho má kẹp đóng mở bằng xilanh khí nén.

Hình 2.9: Tay kẹp của robot.

• Chọn xylanh: Chọn xylanh tác động 2 chiều hành trình 100mm để đóng mở tay kẹp.

Hình 2.10: Xylanh

• Van điều khiển xylanh:

 Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng khí nén bằng cách đóng mở hay chuyển đổi vị trí để thay đổi hướng của dòng năng lượng. Trong đề tài này em dùng loại van đảo chiều 5 của 2 vị trí.
      Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều như sau: Khi có tín hiệu tác động sẽ làm cửa P thông với cửa A. Khi không có tín hiệu tác động thì dưới tác dụng của lò xo cửa P sẻ thông với cửa B.

Hình 2.11: Van đảo chiều

1.  Tính chọn các bộ phận khác của hệ thống
   1. Thiết kế hệ thống băng tải

1.  Chọn sơ đồ động

Hình 2.12: Sơ đồ động băng tải

1. Động cơ; 2 Bộ truyền TV-BV; 3.Bộ truyền xích; 4.Băng tải

2.  Chọn động cơ

Băng tải hoạt động với tốc độ chậm nên ta chọn động cơ gạt nước ôtô có tích hợp sẵn hộp giảm tốc trục vít bánh vít có thông số như sau:

Hình 2.13: Cấu tạo động cơ gạt nước

• Công suất định mức 12 Kw
• Tốc độ quay 3000 vg/ph
• Tốc độ quay đầu ra 90 vg/ph

3. Bộ truyền xích

• Chọn đĩa xích chủ động có đường kính 3cm, đĩa xích bị động có đường kính 6cm.
• Chọn xích loại xích ống con lăn.

4. Băng tải

• Chọn vật liệu làm băng tải là vải bạt.
• Chiều rộng băng tải  : 15cm
• Chiều dài băng tải    : 75cm
• Đường kính tang      : 3cm

1.  Thiết kế khay chứa sản phẩm

Khay dùng để chứa sản phẩm  yêu cầu gọn nhẹ, dễ thực hiện thao tác lắp ráp cho cánh tay robot.

• Chọn vật liệu là gỗ mềm vì dễ chế tạo.
• Khay chứa có cấu tạo và kích thước như hình 3.14.

Hình 2.14: Cấu tạo khay chứa

 

...............................................................................

MOV              P0,#0FFH      

MOV              P1,#0FFH

CALL             HAM_KT_SAVE_B3_4

MOV              P0,#0FFH      

MOV              P1,#0FFH

SETB              ROLE

CALL             DELAY_500MS

JMP    X

END

KẾT LUẬN

Qua 15 tuần thực hiện đồ án, tuy thời gian tương đối ngắn nhưng nhóm chúng em đã hết sức cố gắng để có thể thu thập những thông tin và các vấn đề liên quan đến đồ án về lý thuyết – bản vẽ – mô hình thực tế và cuối cùng đã hoàn thành đúng thời gian quy định. Cũng qua đồ án này em đã học hỏi thêm được nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu về nghề nghiệp của mình trong tương lai. Hiểu rõ những khó khăn cần phải giải quyết khi bắt tay vào đồ án tốt nghiệp cuối khóa, cách bố trí thời gian một cách hợp lý khoa học thì mới có thể hoàn thành. Tuy nhiên đo kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót nhưng nhờ sự giúp đỡ của các bạn, Thầy Lê Cung và khoa sư phạm kỹ thuật đã giúp em hoàn thành đồ án này.

Những kết quả đạt được: Qua quá trình thực hiện đề tài nhóm đã hoàn thành thuyết minh, các bản vẽ và mô hình của hệ thống. Robot chế tạo đã thực hiện được công việc lắp ráp do yêu cầu đề ra một cách tương đối chính xác.

Những hạn chế của đề tài: Do khả năng và kinh nghiệm còn hạn chế nên việc thực hiện đề tài còn có những hạn chế như sau:

• Tốc độ di chuyển của robot còn chậm.
• Độ chính xác khi lắp ráp chưa cao.
• Sử dụng động cơ bước điều khiển theo vòng hở nên động cơ dễ bị lạc bước và dẫn đến sự mất chính xác khi làm việc của robot.

Hướng phát triển của đề tài:

• Giao tiếp hệ thống với máy tính để điều khiển trực tiếp hệ thống trên máy tinh.
• Sử dụng động cơ RC servo thay cho động cơ bước để điểu khiển theo vòng kín, theo đó robot sẽ di chuyển được nhanh hơn và chính xác hơn.
• Sử dụng các cơ cấu chính xác và cứng vững hơn để robot hoạt động một cách chắc chắn và linh hoạt.

Một lần nữa em chân thành cảm ơn quí Thầy, Cô trong Khoa Cơ Khí và thầy Lê Cung đã nhiệt tình hướng dẫn, cùng tất cả các bạn đã giúp em hoàn thành đồ án này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Chi tiết máy tập I. Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm. Nxb Giáo dục, Hà nội 1997.

[2] Chi tiết máy tập II. Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm. Nxb Giáo dục, Hà nội 1994.

[3] Thiết kế chi tiết máy. Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm. Nxb Giáo dục, Hà nội 1998.

[4] Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Tập I, Trịnh Chất, Lê Văn Uyển. Nxb Giáo dục, Hà nội 1997.

[5] Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Tập II, Trịnh Chất, Lê Văn Uyển. Nxb Giáo dục, Hà nội 2000.

[6] Dung sai và lắp ghép. Ninh Đức Tốn. Nxb Giáo dục, Hà nội 2001.

[7] Vẽ Kỹ thuật cơ khí tập I. Trần Hữu Quế. Nxb Giáo dục, Hà nội 1996.

[8] Vẽ Kỹ thuật cơ khí tập II. Trần Hữu Quế. Nxb Giáo dục, Hà nội 1998.

[9] Họ vi điều khiển 8051. Tống Văn Ôn. Nxb Lao động – Xã hội, Hà nội 2001.

[10] Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051. Nxb Khoa học kĩ thuật, Hà nội 2004.