Giáo trình Rô bốt công nghiệp

ộc hại và không an toàn. Việc ứng dụng Rô bốt công nghiệp vào trong sản xuất là thực sự cần thiết bởi nó sẽ làm thay đổi cục diện tại các nhà máy và bắt kịp được sự phát triển chung của thế giới. Trong những năm gần đây, việc ứng dụng của công nghệ tự động và tự động hóa vào trong sản xuất là nhu cầu bắt buộc tối thiểu. Việc biên soạn giáo trình và giảng dạy môn học “Rô bốt công nghiệp” trong các trường đại học mang tính hàn lâm nhiều hơn là tính công nghệ. Chính vì lẽ đó mà các giáo trình biên soạn khó phù hợp với đội ngũ giáo viên dạy nghề. Qua nhiều năm nghiên cứu giảng dạy, tham khảo các tài liệu liên quan và tham gia nghiên cứu tại các nhà máy chúng tôi biên soạn bài giảng “Rô bốt công nghiệp”. Bài giảng nhằm mục đích phục vụ cho học tập và nghiên cứu của học sinh – sinh viên khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Bài giảng mang tính công nghệ được biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy môn học: “Rô bốt công nghiệp” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ tự động. Nội dung của tập bài giảng gồm ba chương như sau: Chương 1: Tổng quan về Rô bốt công nghiệp Chương 2: Điều khiển rôbốt công nghiệp Chương 3: Các cơ cấu & trang bị trên rôbốt công nghiệp Bài giảng được trình bày rõ dàng ngắn gọn dễ hiểu. Nội dung từng phần thể hiện rõ sự gắn liền lý thuyết với thực tế sản xuất hiện đại ngày nay. Cuối mỗi chương đều có các câu hỏi và bài tập kèm theo để sinh viên dễ dàng củng cố được nội dung kiến thức và có khả năng áp dụng trực tiếp vào quá trình sản xuất. -1- Để có được tập bài giảng “Rô bốt công nghiệp” này chúng tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của trung tâm thực hành, các thầy cô giảng dạy phần rô bốt hàn thuộc khoa Cơ khí. Chúng tôi xin cảm ơn sự quan tâm tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, hội đồng khoa học các cấp, các phòng ban chức năng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Bài giảng được biên soạn lần đầu chắc hẳn không tránh khỏi những khiếm khuyết chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến góp ý của các thầy cô giáo và các em sinh viên. Mọi ý kiến góp ý xin gửi về bộ môn Kỹ thuật điều khiển - Khoa Điện -Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Trân trọng./. Nam định, tháng 10 năm 2013 Các tác giả -2- CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT CÔNG 1.1. Sơ lượt quá trình phát triển của Rô bốt công nghiệp (IR) : Trên thế giới Thuật ngữ "Rô bốt" xuất phát từ tiếng Sec (Czech) "Rôbốta" có nghĩa là công việc tạp dịch (trong vở kịch Rossum's Universal Rô bốt của Karel Capek, vào năm 1921). Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là "Người máy công nghiệp" (Industrial Rô bốt - IR). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay Rô bốt công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất. Về mặt kỹ thuật, những Rô bốt công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool). Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm. Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những Rô bốt đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp. Một trong những Rô bốt công nghiệp đầu tiên được chế tạo là Rô -3- bốt Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại Rô bốt Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô. Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất Rô bốt công nghiệp : Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở ý - 1973. . . Tính năng làm việc của Rô bốt ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu Rô bốt hoạt động theo mô hình "mắt-tay", có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại Rô bốt được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là Rô bốt T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Rô bốt này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40kg. Có thể nói, Rô bốt là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ "tri thức" ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia ... Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của Rô bốt không ngừng phát triển. Các Rô bốt được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ Rô bốt với nhiều tính năng đăc biệt, số lượng Rô bốt ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, Rô bốt công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Một vài số liệu về số lượng Rô bốt được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như bảng 1.1 sau : Bảng 1.1. số liệu về số lượng Rô bốt được sản xuất ở một vài nước công nghiệp Nước sản xuất Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998 Nhật 60.118 29.756 67.000 Mỹ 4.327 7.634 11.100 Đức 5.845 5.125 8.600 ý 2.500 2.408 4.000 Pháp 1.488 1.197 2.000 Anh 510 1.086 1.500 Hàn quốc 1.000 1.200 -4- Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra Rô bốt, nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng Rô bốt lại là Nhật. Ở Việt Nam Nghiên cứu phát triển rô bốt ở Việt Nam có những bước tiến đáng kể trong 25 năm qua. Vào giai đoạn 1985-1990, chương trình nghiên cứu quốc gia về tự động hóa đã có những đề tài nghiên cứu và chế tạo rô bốt do Trung tâm Tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì. Các rô bốt được chế tạo thời gian này là một số loại tay máy được điều khiển bằng khí nén rất cồng kềnh và chưa có phần điều khiển điện tử. Thiết kế rô bốt nặng về thiết kế cơ khí, chi tiết máy. Các chuyển động của các khớp chưa có vòng điều khiển servo mà chủ yếu dùng các công tắc hành trình là chính. Tuy không có khả năng ứng dụng nhưng các rô bốt này đã dấy lên hướng đào tạo về rô bốt ở Đại học Bách khoa Hà Nội trong khi ở các trường đại học khác trên toàn quốc chưa có khái niệm về môn học về rô bốt cả ở các khoa cơ khí lẫn khoa điện. Các rô bốt được thiết kế và chế tạo ở Việt Nam thực sự có nhiều khởi sắc từ khoảng 15 năm nay. Lúc này công nghệ vi xử lý, PLC, DSP, SOC đã thâm nhập sâu vào trong các trường đại học và cộng đồng công nghệ Việt Nam nên nhiều ý tưởng và đề tài nghiên cứu đã được đề xuất và triển khai. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về rô bốt. Trung tâm Tự động hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội tiếp tục phát triển các rô bốt điều khiển bằng máy PC và vi xử lý, cho ra đời rô bốt SCA mini, là một loại rô bốt lắp ráp, phục vụ tốt cho công tác đào tạo và một số rô bốt di động được điều khiển từ xa bằng con người. Đại học Bách khoa Tp.HCM phát triển rô bốt hàn, rô bốt lấy sản phẩm phôi chai nhựa PET, rô bốt phục vụ quay TV, và một số mẫu rô bốt song song hexapode phục vụ cho đào tạo. Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự nghiên cứu chế tạo rô bốt sơn xe quân giới, rô bốt phục vụ chế tạo thuốc súng, rô bốt di động gắp mìn điều khiển từ xa, máy bay không người lái Học viện Kỹ thuật Quân sự thiết kế và chế tạo rô bốt lặn dưới nước điều khiển từ xa qua dây dẫn phục vụ khảo sát các công trình dưới nước, rô bốt exoskeleton trợ giúp mang vác cho con người. Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam thiết kế chế tạo rô bốt Hexapode phục vụ gia công chính xác. Viện CNTT triển khai các nghiên cứu tích hợp hệ rô bốt-camera phân loại sản phẩm, hệ rô bốt 2 bậc tự do Pan-Tilt-Camera theo dõi bám mục tiêu di động, rô bốt di động phục vụ tự động hóa kho hàng. Gần đây, trong chương trình nghiên cứu cấp quốc gia về lĩnh vực TĐH giai đoạn 2006-2010 có nhiều đề tài sắp được nghiệm thu về thiết kế chế tạo rô bốt, trong đó Đại học Bách khoa Hà Nội chế tạo rô bốt hàn vỏ tàu thủy, Viện TĐH Viện Kỹ thuật Quân sự chế tạo rô bốt phun hạt nix cọ rửa tàu, Tp. HCM chế tạo máy gia công 3D sử dụng rô bốt song song Hexapode có độ chính -5- xác cao và hệ thống tự động sắp xếp và cấp vật tư kho gồm 3 rô bốt di động chạy trên ray. Đại học Quốc gia Hà Nội tiến hành các nghiên cứu phát triển các hệ điều khiển rô bốt di động qua truyền thông không dây và Internet Doanh nghiệp thiết kế và chế tạo rô bốt ở Việt Nam có nhiều sản phẩm quảng cáo ấn tượng trên trường quốc tế, trong đó phải kể đến Công ty Cổ phần Rô bốt TOSY. TOSY đã gây thương hiệu bằng rô bốt dáng người đánh bóng bàn TOPIO Ping Pong được trình diễn tại Hội chợ quốc tế Rô bốt IREX 2009 ở Nhật Bản năm 2009. Gần đây tại Hội chợ quốc tế về Tự động hoá 2010 ở Đức, TOSY đã giới thiệu rô bốt dịch vụ 23 bậc tự do TOPIO Dio và 2 sản phẩm rô bốt công nghiệp với giá thành chỉ bằng 1/5 các rô bốt tương đương trên thế giới. Ngoài ra, sản phẩm rô bốt đồ chơi như TOSY UFO được xuất khẩu ra nhiều thị trường trên thế giới. Phải nói lĩnh vực chế tạo rô bốt của Việt Nam đã có nhiều khởi sắc mặc dù trên thực tế rất ít rô bốt do Việt Nam thiết kế và chế tạo được đưa vào ứng dụng. Nghiên cứu về rô bốt: Song song với chế tạo rô bốt thì các công trình nghiên cứu khoa học về rô bốt được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới. Các nghiên cứu về rô bốt ở Việt Nam liên quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho rô bốt. Các nghiên cứu về động học và động lực học rô bốt được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, quan tâm cả trong dân sự và quân sự. Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại rô bốt nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế rô bốt. Các công bố liên quan về cơ học rô bốt thường do Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam, Khoa Cơ khí Chế tạo máy thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Bách khoa Tp.HCM, các bộ môn rô bốt và Cơ điện tử ở các trường Đại học khác công bố. Lĩnh vực điều khiển rô bốt rất phong phú từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho rô bốt, các hệ visual servoing Các công bố về điều khiển rô bốt cho rô bốt công nghiệp, hexapod, rô bốt di động phải kể đến các công trình của Viện CNTT Viện KH&CN Việt Nam, Đại học Bách khoa Tp.HCM và Đại học Bách khoa Hà Nội. Gần đây, đội ngũ nghiên cứu và giảng dạy ở Đại học Quốc gia Hà Nội và Học viện Kỹ thuật Quân sự cũng có nhiều công bố liên quan đến -6- lĩnh vực điều khiển rô bốt do đội ngũ giáo viên trẻ tốt nghiệp tiến sỹ ở nước ngoài về tiếp tục các nghiên cứu của mình. Lĩnh vực rô bốt di động với nhiều cảm biến dẫn đường và camera đang được nhiều đơn vị trong nước quan tâm nghiên cứu. Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa cảm biến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động tránh vật cản cho rô bốt di động đã có nhiều công bố trong các Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc năm 2002, 2004, 2006, 2008 và 2010. Các nghiên cứu về thị giác rô bốt được quan tâm cả ở rô bốt công nghiệp và rô bốt di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển rô bốt trên cơ sở thông tin hình ảnh. Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nói tiếng Việt bắt đầu được chú ý cho các lọai rô bốt dịch vụ. Các nghiên cứu cơ bản về rô bốt của Việt Nam đã được công bố nhiều trên các hội nghị và tạp chí quốc tế. Việc phối hợp với các nước như Nhật, Mỹ, Singapore, Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt Nam liên quan đến rô bốt như RESCCE’98, RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM 2009 là một chuỗi hoạt động khoa học liên tục của cộng đồng rô bốtics Việt Nam hòa nhập vào các hoạt động nghiên cứu khoa học với các nước khu vực và tiên tiến trên thế giới. Mặc dù có nhiều loại rô bốt đã được Nhà nước hỗ trợ cho nghiên cứu chế tạo qua các đề tài nghiên cứu các cấp suốt 25 năm qua nhưng hầu như các rô bốt đó ít được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Nhiều nhóm nghiên cứu phát triển rô bốt được hình thành ở các trường đại học, viện nghiên cứu ở 3 miền đất nước nhưng chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo. Ứng dụng mạnh mẽ của rô bốt trong sản xuất chỉ có hiệu quả khi dây chuyền sản xuất có nhu cầu tự động hóa hóa cao trong khi đó nền sản xuất của Việt Nam đang ở giai đoạn công nghiệp hóa sử dụng lao động thủ công với giá nhân công rẻ. Mặc dù vậy các nghiên cứu phát triển rô bốt ở Việt Nam vẫn phát triển mạnh đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực công nghệ cao đang rất thiếu cho quá trình phát triển của đất nước. Ưu điểm của Rô bốt Rô bốt có thể làm việc liên tục trong thời gian dài, chúng chỉ ngừng hoạt động khi cần duy tu, bảo dưỡng, thay thế. Rô bốt có khả năng làm việc trong môi trường độc hại, khu vực nguy hiểm, hoặc những nơi con người không thể đến được. Với chương trình được đặt trước, Rô bốt có khả năng làm việc với hiệu suất cao hơn con người, tiết kiệm nguyên vật liệu, độ chính xác làm việc cao. -7- Giá thành và chi phí lắp đặt, chế tạo Rô bốt ngày càng thấp do sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật. Khi thay đổi công việc, lập trình lại cho Rô bốt nhanh hơn và chi phí thấp hơn so với việc đào tạo một công nhân. Rô bốt 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, ẩm 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... 1.2. Các khái niệm và định nghĩa về Rô bốt công nghiệp 1.2.1. Định nghĩa Rô bốt công nghiệp Hiện nay có nhiều định nghĩa về Rô bốt, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau : Định nghĩa theo tiêu chuẩnAFNOR (Pháp) : Rô bốt 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 trụ toạ độ; có khả năng định vị, định hướng, di 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 (Rô bốt institute of America) : Rô bốt 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. Theo Artobolevski I.I., Vorobiov M.V. và các nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối SEV trước đây thì phát biểu rằng: “Rô bốt công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”. Định nghĩa theo OCT 25686-85 (Nga) : Rô bốt 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. -8- Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực rô bốt, mở rộng hơn như sau: “Rô bốt công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người”. Định nghĩa của M.P.Groover về rô bốt không dừng lại ở tay máy mà mở rộng ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người như là suy nghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểm của vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý. Những rô bốt hay tay máy dùng các cơ cấu cam trong hệ thống điều khiển có được thừa nhận hay không là không quan trọng ; điều quan trọng là chúng đã đóng vai trò đáng kể trong việc tự động hoá sản xuất ở các nhà máy. Những rô bốt, tay máy nói trên còn được gọi một cách hình tượng là “tự động hoá cứng”, ngược lại với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện của chúng là những rô bốt công nghiệp được điều khiển bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng. Một số nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực rô bốt của Nhật Bản đưa ra những định nghĩa về rô bốt dưới dạng những yêu cầu như sau: Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một rô bốt công nghiệp phải thoả mãn yếu tố sau: - Có khả năng thay đổi chuyển động; - Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác; - Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao; - Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động; - Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài. Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì rô bốt công nghiệp phải có các đặc điểm sau: - Có khả năng thay đổi chuyển động; - Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ); - Có tính vạn năng; - Có những đặc điểm của người và máy. Từ những khác biệt trong định nghĩa về rô bốt, căn cứ vào tính linh hoạt của những hệ thống sản xuất có áp dụng rô bốt P.J.McKerrow, một nhà nghiên cứu về rô -9- bốt của Úc đã đưa ra một định nghĩa ở một góc độ khác. Theo ông, rô bốt là một loại máy có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng tương tự như một máy tính, là một mạch điện tử có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng. Các rô bốt đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau; tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những công việc cực nhọc và tẻ nhạt. Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi rô bốt ngày càng thay thế các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi ích cho con người, khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại dương, rô bốt đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn. Trước khi đi vào phân tích những nội dung tiếp theo, để bạn đọc có sự nhận dạng một cách thống nhất trong quá trình khảo sát, dưới đây sẽ trình bày một số phương pháp phân loại rô bốt sử dụng trong công nghiệp. Có thể nói Rô bốt công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau. Rô bốt công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trụ chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Rô bốt công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ : hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy . . .) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá . . .) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, được gọi là "Hệ thống tự động linh hoạt Rô bốt hoá" cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi. 1.2.2. Bậc tự do của Rô bốt (DOF : Degrees Of Freedom) Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của Rô bốt phải đạt được một số bậc tự do. Thông thường các tay máy có trên một bậc tự do. Số bậc tự do hay bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động. Trong lĩnh vực rô bốt học (rô bốtic) người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động -10- (có thể là chuyển động thẳng; dọc theo hoặc song song với một trục, hoặc chuyển động quay quanh trục) là một trục, tương ứng theo đó là một toạ độ suy rộng dùng để xác định vị trí của trục trong không gian hoạt động. Mỗi trục của tay máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý riêng. Thông qua các khảo sát thực tế, người ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạt của tay máy sử dụng trong công nghiệp, các tay máy phải có số bậc chuyển động cao. Tuy nhiên, số bậc chuyển động này không nên quá 6. Lý do chính là với 6 bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng thao tác (nằm trong vùng không gian hoạt động của nó) theo mọi hướng. Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn sáu sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn. Sáu bậc chuyển động được bố trí gồm: • Ba bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị. • Ba bậc chuyển động bổ sung hay chuyển động định hướng. 1) Bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị Về nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu được liên kết với nhau thông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở. Khớp động được sử dụng trên các tay máy thường là các khớp loại 5 (khớp tịnh tiến hoặc khớp quay loại 5) để dễ chế tạo, dễ dẫn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển. Tay máy có số chuyển động độc lập thường là từ ba trở lên (dưới đây ta sẽ gọi là bậc tự do hay bậc chuyển động). Các chuyển động độc lập có thể là các chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, có ít nhất là một khả năng chuyển động độc lập và thường là một. Như vậy khái niệm bậc tự do hay bậc chuyển động cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập mà một tay máy có thể thực hiện được. Trường hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả năng chuyển động độc lập, thì tay máy có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc chuyển động và cũng có từng ấy khớp động hay trục. Các chuyển động cơ bản, hay chuyển động chính trên một tay máy là những chuyển động có ảnh hưởng quyết định đến dạng hình học của không gian hoạt động của nó như bạn đọc đã xem ở phần phân loại. Các chuyển động này thực hiện việc chuyển dời cổ tay của tay máy đến những vị trí khác nhau trong vùng -11- không gian hoạt động của tay máy vì vậy còn được gọi là các chuyển động định vị. Bên cạnh các rô bốt tĩnh tại được sử dụng phần lớn trong công nghiệp hiện nay, các loại rô bốt di động cũng được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt. Bậc chuyển động của rô bốt di động được xác định bởi số khả năng chuyển động độc lập của nó kể cả các chuyển động di động. Phần ngoài cùng của tay máy (khâu tác động cuối - End Effector) thường có dạng của một tay gấp, một bộ phận làm việc với đối tượng thao tác, có thể tác động trực tiếp với đối tượng thao tác hoặc được thay thế bởi các dụng cụ công nghệ như là ống đưa dây hàn trên rô bốt hàn, đầu phun sơn hoặc phun men, đầu vặn bu-lông, đai ốc trong dây truyền lắp ráp tự động, v.v...Chuyển động kẹp của tay gắp không được kể khi tính bậc chuyển động bởi vì chuyển động này không ảnh hưởng đến vị trí, toạ độ của tay máy. Để thuận tiện trong việc điều khiển, mỗi bậc chuyển động của tay máy thường là có nguồn dẫn động riêng, có thể là nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện. Một số tay máy dùng chung nguồn dẫn cho một nhóm các chuyển động, tuy nhiên, kiểu dùng chung này cồng kềnh và kém linh hoạt hơn. Phần lớn các rô bốt công nghiệp hiện đại có một tay máy. Tuy vậy trong ứng dụng cũng có rô bốt có nhiều tay máy. (2) Bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyển động định hướng). Một tay máy đều yêu cầu một bộ phận công tác trang bị ở khâu tác động cuối (End Effector), có thể là một bộ gắp, kẹp hoặc súng phun sơn, phun vữa, ống dẫn dây hàn,v.v... có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hoàn thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra. Để hoàn toàn định hướng đến tư thế làm việc với đối tượng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tương tự như các chuyển động xoay của cố tay người; ba khớp quay loại 5 được sử dụng để xoay khâu tác động cuối trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng thẳng đứng và quay quanh trục của nó. Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói trên được gọi là các chuyển động định hướng nhằm tăng khả năng linh hoạt, giúp tay máy có thể dễ dàng định hướng của khâu tác động cuối đạt đến tư thế cần thiết để tác động lên đối tượng thao tác, cũng như tăng khả năng tránh chướng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thiện tính chất động lực học của tay máy. -12- Tuy nhiên, điều cần lưu ý ở đây là thêm càng nhiều bậc chuyển động một mặt sẽ làm tăng khả năng linh hoạt của tay máy, mặt khác cũng kéo theo hệ quả là làm tăng thêm sai số dịch chuyển, tức là làm tăng sai số tích luỹ trong điều khiển vị trí của khâu tác động cuối. Điều này đồng nghĩa với sự gia tăng về chi phí và thời gian sản xuất và bảo dưỡng rô bốt. Nói chung cơ hệ của Rô bốt là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức : Trong đó : n - Số khâu động; pi - Số khớp loại i (i = 1,2,. . .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế). Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động . Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động. Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều Rô bốt cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng. Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp... có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn. Các Rô bốt hàn, sơn... thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo,... người ta dùng Rô bốt với số bậc tự do lớn hơn 6. 1.2.3. Hệ toạ độ (Coordinate frames) : Mỗi Rô bốt thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của Rô bốt bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc cuả các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (hình 1.1). Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp. -13- Hình 1.1: Các toạ độ suy rộng của Rô bốt. Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của Rô bốt phải tuân theo qui tắc bàn tay phải : Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón : cái, trỏ và giữ theo 3 phương pháp vuông góc với nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của truc z thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trụ x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trụ y (hình 1.2). Trong Rô bốt người ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ tọa độ gắn trên khâu thứ n. Như vậy hệ tọa độ cơ bản (hệ tọa độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu là O0; hệ tọa độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2,, On-1. Hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On. Hình 1.2: Qui tắc bàn tay phải 1.2.4. Trường công tác của Rô bốt (Workspace or Range of motion): Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của Rô bốt là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi Rô bốt thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của Rô bốt cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ -14- hơn một góc 3600. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một Rô bốt (hình 1.3). Hình chiếu đứng Hình chiếu bằng Hình 1.3: Biểu diễn trường công tác của Rô bốt. 1.2.5. Độ chính xác định vị Độ chính xác định vị thể hiện khả năng đối tượng đạt được chính xác tới điểm đích. Đó là một thông số quan trọng, ảnh hưởng đến sự thao tác chính xác của phần công tác và khả năng bám quỹ đạo của nó. Đối với thiết bị điều khiển số, độ chính xác định vị liên quan đến hai vấn đề, độ phân giải điều khiển và độ chính xác lặp lại. 1.2.6. Tốc độ dịch chuyển Xét về yếu tố năng suất người ta mong muốn tốc độ dịch chuyển nói chung càng cao càng tốt. Tuy nhiên về mặt có học, tốc độ cao sẽ dẫn đến những vấn đề như giảm tính ổn định, lực quán tính lớn, các cơ cấu ma sát mòn nhanh hơn. Xét về mặt điều khiển với độ phân ...ợc gọi là không gian làm việc. Theo đó có thể có các loại rô bốt : - Rô bốt toạ độ vuông góc - Rô bốt toạ độ trụ (cylindrical Rô bốt) - Rô bốt toạ độ cầu (spherical Rô bốt - Rô bốt khớp bản lề (articular Rô bốt) -40- 1.5.2. Phân loại theo thế hệ Theo quá trình phát triển của Rô bốt, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây: a) Rô bốt thế hệ thứ nhất: Bao gồm các dạng Rô bốt hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi (playback Rô bốts), theo chương trình định trước. Chương trình ở đây cũng có hai dạng; chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam và điều khiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính. Đặc điểm: • Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tác 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 loại này không thay đổi chương trình được. • Sử dụng phổ biến trong công việc gắp - đặt (pick and place). b) Rô bốt thể hiện thứ hai Trong trường hợp này Rô bốt được trang bị các bộ cảm biến (sensors) cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi hỗ trở lại hệ thống điều khiển về trạng thái, vị trí không gian của Rô bốt cũng như những thông tin về môi trường bên ngoài như trạng thái, vị trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà Rô bốt phối hợp, nhiệt độ của môi trường, v.v... giúp cho bộ điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp để điều khiển Rô bốt thực hiện những thao tác xử lý phù hợp. Nói cách khác, đây cũng là Rô bốt với điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với những thay đổi của môi trường thao tác. Dạng Rô bốt với trình độ điều khiển này còn được gọi là Rô bốt được điều khiển thích nghi cấp thấp. Rô bốt thế hệ này bao gồm các Rô bốt sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensor - controlled Rô bốts) cho phép tạo được những vòng điều khiển kín kiểu servo. Đặc điểm: • 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 -41- hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước. • Hoạt động của Rô bốt có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, pa-nen điều khiển. c) Rô bốt thế hệ thứ ba Đây là dạng phát triển cao nhất của Rô bốt tự cảm nhận. Các Rô bốt ở đây được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng; nhờ đó Rô bốt tự biết phải làm gì để hoàn thành được công việc đã được đặt ra cho chúng. Hiện nay cũng đã có nhiều công bố về những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới dạng những Rô bốt giải trí có hình dạng của các động vật máy. Rô bốt thế hệ này bao gồm các Rô bốt được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (Vision - controlled Rô bốts) cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác. Đặc điểm: • 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 (Vision systems - Camera). • 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. d) Rô bốt thế hệ thứ tự Bao gồm các Rô bốt sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi (adaptively controlled Rô bốt) được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác. Đặc điểm : Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự động 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 Rô bốt. e) Rô bốt thế hệ thứ năm Là tập hợp những Rô bốt được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent Rô bốt). -42- Đặc điểm: Rô bốt được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc, v.v... để ra quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó. Rô bốt được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học. Rô bốt được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tương thích với những tín hiệu nhận được từ môi trường theo những thuật toán tối ưu một hay nhiều mục tiêu đồng thời. Hiện nay trong lĩnh vựcgiải trí, nhiều dạng Rô bốt thế hệ này đang được phát triển như Rô bốt Aibo - chú chó Rô bốt của hãng Sony hay Rô bốt đi trên hai chân và khiêu vũ được của hãng Honda. Nhật Bản là đất nước có số lượng Rô bốt sử dụng trong công nghiệp nhiều nhất thế giới. Người Nhật có quan niệm khá khác biệt về Rô bốt so với các nước công nghiệp phát triển. Theo Hiệp hội Rô bốt Nhật - JIRA (Japanese Rô bốt Associasion), Rô bốt được chia thành sáu loại, theo mức độ thông minh như sau: 1- Rô bốt hoạt động nhờ người điều khiển trực tiếp từng động tác, bằng pendant hay pa-nen điều khiển. 2- Rô bốt hoạt động theo chu trình cố định (fixed sequence Rô bốts). 3- Rô bốt hoạt động theo chu trình thay đổi được (variable sequence Rô bốts): người điều khiển có thể dễ dàng chỉnh sửa trình tự hoạt động. 4- Rô bốt hoạt động theo chương trình vả lặp lại chương trình(playback Rô bốts): người điều khiển có thể lập trình cho Rô bốt trong chế độ huấn luyện (teaching mode). 5- Rô bốt điều khiển theo chương trình số (numerically controlled Rô bốts). 6- Rô bốt thông minh intelligent Rô bốts): Rô bốt có thể hiểu, nhận biết và tương tác với môi trường xung quanh. 1.4.3.Phân loại theo bộ điều khiển 1) Rô bốt gắp - đặt: Rô bốt này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén. Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở. Rô bốt hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt -43- trên các trụ của tay máy. Hình 1.28: Rô bốt gắp vật. 2) Rô bốt đường dẫn liên tục Rô bốt loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều khiển vòng kín. Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó Rô bốt được lập trình theo một đường chính xác. Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn được biểu điễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ Rô bốt, sau đó Rô bốt sẽ thực hiện lại chính xác đường dẫn đó. Hình 1.29: Một loại Rô bốt sơn thực hiện đường dẫn liên tục. 1.4.4. Phân loại Rô bốt theo nguồn dẫn động 1) Rô bốt dùng nguồn cấp điện Nguồn điện cấp cho Rô bốt thường là nguồn DC để điều khiển động cơ DC. -44- Hệ thống dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC. Các động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo. Rô bốt loại này có thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác. Các ứng dụng phổ biến là Rô bốt sơn, hàn. 2) Rô bốt dùng nguồn khí nén Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén. Rô bốt loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy là các xy-lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay. Do khí nén là lưu chất nén được nén Rô bốt loại này thường sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao. 3) Rô bốt dùng nguồn thuỷ lực Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép. Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Tay máy là các xy - lanh thuỷ lực chuyển động thẳng và quay động cơ dầu. Rô bốt loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn. Ngoài các cách phân loại trên người ta có thể phân loại Rô bốt theo một số cách theo bảng 1.2 dưới đây. Bảng 1.2: Tóm tắt các yếu tố phân loại Rô bốt. Dấu hiệu phân loại Tên gọi của tay máy Theo số bậc chuyển động ( Kể Có hai, ba hoặc nhiều hơn ở dạng: cả bậc chuyển động chuyển -Không di chuyển rời của tay máy) -Tự di chuyển Theo số lượng tay máy Một, hai hoặc nhiều tay máy được điều khiển đồng thời. -Có nguồn dẫn dẫn động và điều khiển riêng. -Có nguồn dẫn dẫn động riêng và điều khiển chung. -Có nguồn dẫn động -Tự di chuyển Theo tải trọng nâng của tay - Loại siêu nhẹ -45- máy - Loại nhẹ - Loại trung - Loại nặng - Loại siêu nặng Theo nguồn dẫn động của các - Khí nén cơ cấu chấp hành - Thủy lực - Cơ điện - Hỗn hợp Theo hệ thống điều khiển, Với điều khiển chương trình theo nguyên lý điều khiển - Theo chu kỳ - Theo vị trí - Theo chu vi - Hỗn hợp Với điều khiển theo cảm nhận có điều khiển thích nghi và không thích nghi Với trí tuệ nhân tạo Theo số rô bốt được điều - Điều khiển riêng rẽ khiển đồng thời - Điều khiển theo nhóm Theo độ chính xác Gồm các mức chính xác: 0,1,2,3 Theo kiểu bảo hiểm - Kiểu thông thường - Kiểu phòng bụi - Kiểu phòng nhiệt - Kiểu phòng chống cháy nổ -46- 1.5. Ứng dụng rôbốt trong công nghiệp. Rô bốt được sử dụng trong mọi lĩnh vực: sản xuất, quốc phòng, nghiên cứu khoa học, dân sinh,... trong đó, công nghiệp là nơi sử dụng rô bốt một cách phổ biến nhất. Trong công nghiệp, cùng với các thiết bị công nghệ và các thiết bị nâng chuyển, rô bốt cũng đã được thống nhất hoá cao về kết cấu và ứng dụng. Xu hướng ứng dụng RBCN nhằm vào một số trường hợp chính như sau: Công việc buồn tẻ, đơn điệu. hoặc làm việc liên tục cả ngày đêm, ví dụ vận chuyển. xếp dỡ hàng hoá, phục vụ máy công cụ, lắp ráp, đo lường, bao gói sản phẩm.... - Công việc nặng nhọc - Công việc gây nguy hiểm cho con người - Làm việc trong các môi trường không lợi cho sức khoẻ của con người, như nóng, độc, phóng xạ, dưới nước sâu, trong lòng đất, ngoài khoảng không vũ trụ,... Có thể xem rô bốt công nghiệp là thành phần chủ chốt để tự động hoá. Nó được thể hiện ở Tính linh hoạt trong vận hành; hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác; có khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn là những yếu tố quyết định cho việc sử dụng rô bốt trong sản xuất công nghiệp. Trên thế giới hiện nay, rô bốt chuyên dụng và rô bốt tự trị được sử dụng chủ yếu trong các ngành chế tạo ôtô, công nghiệp điện và điện tử, chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực phẩm, sản xuất vật liệu xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí, công nghiệp đóng tàu, an ninh quốc phòng và một vài lĩnh vực khác như thăm dò khai thác biển Trong sản xuất vật liệu xây dựng, rô bốt được sử dụng cho dây chuyền nghiền than tại các lò luyện cốc, một điển hình về môi trường độc hại, khói bụi và nhiệt độ cao, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Trong dây chuyền sản xuất kính, rô bốt bốc xếp thay thế công nhân ở công đoạn lấy và sắp xếp sản phẩm. Trong công đoạn đúc kim loại ở các nhà máy cơ khí và luyện kim, rô bốt được sử dụng chủ yếu ở các khâu rót kim loại và tháo dỡ khuôn - những khâu nặng nhọc, dễ gây tai nạn. Trong công nghiệp đóng tàu, rô bốt chiếm tỷ trọng lớn, có ý nghĩa quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm trong công đoạn hàn và cắt vỏ tàu ở phần đuôi. Các rô bốt tự trị nhận dạng vết hàn phục vụ cho việc tự động hoá một số công đoạn hàn trên boong và bên trong thân tàu thuỷ. Trong công đoạn sản xuất nhựa và phôi cho chai nhựa, các tay máy được sử dụng để lấy sản phẩm đang ở nhiệt độ cao trong khuôn ra ngoài, rút ngắn chu kỳ ép của máy ép nhựa. Trong ngành công nghiệp điện tử, rô bốt sử dụng tay máy SCADA di chuyển các bộ phận vi điện tử từ khay và đặt chúng vào bo mạch in PCBs với độ chính xác tuyệt đối và tốc độ lắp đặt lên -47- tới hàng trăm nghìn bộ phận trên một giờ. Còn trong vận chuyển hàng hoá, mobile rô bốt (AGVs) sử dụng thị giác, máy quét 3D hoặc laser điều khiển quá trình vận chuyển hàng hoá quanh các cơ sở lớn như nhà kho, cảng container, hoặc bệnh viện bằng cách nhận dạng không gian, loại bỏ các lỗi tích lũy trong các quá trình xác định vị trí hiện hành AGV, điều hướng thời gian thực theo nhiều phương thức tránh chướng ngại vật, không thực hiện lặp đi lặp lại... Theo Hiệp hội rô bốt quốc tế VFR, sở dĩ rô bốt được nhiều nhà máy đưa vào sản xuất để hạ giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và tự động hoá dây chuyền sản xuất, là do hiệu suất làm việc và độ ổn định lớn. Vì thế, trong những năm gần đây, mật độ rô bốt phục vụ trong các ngành công nghiệp trên thế giới tương đối cao. Năm 2006, số rô bốt công nghiệp phục vụ trong các lĩnh vực chỉ khoảng 950.000 đơn vị. Đến năm 2009, số rô bốt này đã đạt khoảng 1.031.000 đơn vị. Trong đó, rô bốt phục vụ trong các ngành công nghiệp tập trung nhiều nhất là Nhật Bản với số lượng lên tới 339.800 đơn vị. Đứng thứ hai là ở Mỹ với số lượng khoảng 172.800 đơn vị. Đứng thứ ba là Đức với số lượng khoảng 145.800 đơn vị và sau đó là các nước Hàn Quốc, Trung Quốc, Ý, các quốc gia Đông Nam Á và các nước khác. Thế nhưng, rô bốt công nghiệp được ứng dụng trong ngành chế tạo ôtô đã không tăng như trước đây mà mà chúng đang tập trung số lượng ứng dụng vào các ngành điện tử, thực phẩm và đồ uống, và các ngành công nghiệp khác. Ứng dụng rô bốt trong các ngành chế tạo máy. Trong gia công cắt gọt: Các công việc thường được phục vụ bởi rô bốt là vận chuyển phôi và sản phẩm, đưa phôi vào thiết bị gá kẹp và tháo sản phẩm sau gia công (thay phôi), đảo phôi trong khi gia công, xếp sản phẩm vào giá đo sản phẩm trên máy hoặc đưa sản phẩm lên thiết bị đo, làm sạch đồ gá hoặc bề mặt chi tiết, thay dụng cụ.... Trong sản xuất đúc, rô bốt thường được giao nhiệm vụ lắp, dỡ khuôn, rót vật liệu, làm sạch vật đúc,... Trong gia công áp lực rô bốt có thể đảm nhận việc đưa phôi vào vùng gia công và lấy sản phẩm, đảo phôi khi rèn. Có những trường hợp, như khi hàn, sơn.... rô bốt đồng thời là thiết bị công nghệ, nghĩa là nó trực tiếp điều khiển mỏ hàn hay đầu phun sơn để hoàn thành nguyên công công nghệ. -48- Hình 1.30: Máy tiện ren kiểu 1И1611M  3, được lắp rô bốt Trên hình 1.30 là sơ đồ một tổ hợp gồm máy tiện ren vít điều khiển số 2, kiểu 1И1611M  3, được lắp rô bốt 1. kiểu PИТM01-01. Phễu rung 3 để định hướng phôi trước khi đưa vào máy. Rô bốt nhặt phôi đã được định hướng từ phễu 3. Chi tiết sau gia công được rô bốt lấy khỏi mâm cặp và đặt lên khay 6. Tổ hợp này dùng để gia công các chi tiết tròn xoay, dùng phôi rời có đường kính 6,50 mm, dài 10 -50 mm, khối lượng dưới 0,1 kg. Thời gian gia công một chi tiết từ 0,15 đến 0,5ph. Năng suất gia công tăng 150% so với không dùng rô bốt. Rô bốt PИТM01-01. Nó được thiết kế để phục vụ các máy gia công cắt gọt, máy dập nguội và lắp ráp đơn giản. Các tính năng kỹ thuật chính của nó trong bảng 1.3 Bảng 1.3. Tính năng kỹ thuật chính của rô bốt PИТM01-01 Tên thông số Giá trị Tên thông số Giá trị Sức nâng (kg) 0,1 Tầm vươn lớn nhất (mm) 345 Số bậc tự do 5 Di chuyển thẳng x/r/z (mm) 50/150/50 Kiểu truyền động Khí nén Vận tốc thẳng theo x/r/z (mm) 0,17/0,6/0,17 Kiểu điều khiển chu trình Di chuyển góc  / (o) 220/90 Số tọa độ lập trình 4 Vận tốc góc theo  / (o/s) 6,2/1,53 Sai số định vị (mm)  0,1 Khối lượng (kg) 30 -49- Trên hình 1.18 là sơ đồ không gian của tổ hợp máy - rô bốt để gia công cơ khí. Đó là một thiết bị vạn năng, có khả năng thay đổi cấu hình để thích ứng với sự thay đổi trong một phạm vi hẹp kích thước và hình dạng chi tiết. Hình 1.31: Sơ đồ không gian tổ hợp máy - rô bốt Ví dụ về máy công cụ được một rô bốt độc lập phục vụ ở trên hình 1.31. Tổ hợp dùng máy tiện CNC kiểu A616  3. Rô bốt kiểu БВИГ–10Б. Có nhiệm vụ lấy phôi từ giá 3, cấp cho máy tiện và lấy chi tiết gia công xong khỏi máy, chất vào giá 5. Tổ hợp có thể gia công các chi tiết dạng đĩa, đường kính đến 100 mm, dài đến 200 mm. hoặc chi tiết dạng trục, đường kính đến 80 mm. dài đến 600 mm. Rô bốt kiểu БВИГ-10Б trên hình 4.6 được thiết kế để phục vụ các máy tiện bán tự động kiểu lA730, lA240л-6, máy phay ren 5K63, máy tiện CNC kiểu AT  P-2M12. Nó có tính năng cơ bản như trong bảng 1.4. Bảng 1.4. Tính năng kỹ thuật của rô bốt БВИГ-10Б Tên thông số Giá trị Tên thông số Giá trị Sức nâng (kg) 10 Tầm vươn lớn nhất (mm) 1260 Số bậc tự do 5 Chuyển vị dài y/r/z (mm) 200/600/100 Kiểu truyền động Khí nén Vận tốc dài theo x/r/z (m/s) 0,3/0,6/0,3 Kiểu điều khiển Chu trình Chuyển vị góc  / (o) 210/180 Số tọa độ lập trình 4 Vận tốc góc theo  / (o/s) 1,53/1,53 Sai số định vị (mm)  0,3 Khối lượng (kg) 300 -50- Ứng dụng trong công nghệ đúc: Rô bốt thường được dùng để thay thế con người trong các công việc nặng nhọc, độc hại (như nóng, bụi, ồn ...) Hình 1.32. Sơ đồ robot phục vụ thiết bị đúc áp lực Trên hình 1.32 là sơ đồ rô bốt của hãng Toshiba. làm công việc rót vật liệu ở thiết bị đúc dưới áp lực. Phần công tác của rô bốt là thìa 1, được kẹp trên cánh tay 2. Cánh tay là cơ cấu hình bình hành. Tại vị trí I, thìa múc kim loại nóng chảy trong lò. Lượng kim loại được điều chỉnh nhờ một cơ cấu quay đặc biệt 6, tuỳ theo góc quay của nó. Xi lanh thuỷ lực 5 làm quay cánh tay 2 quanh trục 8 để chuyển thìa về phía phễu 4 (vị trí II). Kim loại được rót qua phễu vào buồng áp lực của máy đúc. Ứng dụng rô bốt trong công nghệ hàn. Một quá trình hàn gồm nhiều thao tác lặp đi lặp lại trên những chi tiết giống nhau sẽ thích hợp để tự động hóa. Số lượng chi tiết cần hàn trong quá trình chế tạo quyết định xem có nên tự động hóa quá trình hàn hay không. Nếu bình thường phải điều chỉnh để các -51- chi tiết ăn khớp với nhau hoặc các mối hàn quá rộng hoặc có vị trí khác nhau trên mỗi chi tiết thì không thể tự động hóa được. Những lợi ích lớn nhất của hàn tự động là có độ chính xác và năng suất cao. Hàn bằng rô bốt nâng cao độ tin cậy của mối hàn. Một khi được lập trình hợp lý, các rô bốt sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy cách.. Chuyển động của mỏ hàn được tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại. Rô bốt không những làm việc nhanh Hình 1.33: Sơ đồ robot phục vụ thiết bị đúc áp lực hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu quả hơn nhiều so với một thiết bị hàn tay. Qúa trình hàn được tự động hóa giải phóng người công nhân khỏi những tác hại khi hàn do tiếp xúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc. Trong công việc bốc xếp, vận chuyển. Trong bốc xếp, vận chuyển rô bốt được ứng dụng nhiều trong các nhà máy ở khâu đầu vào của nguyên vật liệu, hay khâu đầu ra của sản phẩm. Việc bốc xếp , vận chuyển được thực hiện tự động các rô bốt thường chạy trên đường ray trượt cố định. Trong vận chuyển các chi tiết từ vị trí sản xuất này đến vị trí sản xuất khác. -52- Hình 1.34: Hình ảnh Rô bốt của ABB đang xếp thùng tại Công ty TNHH Bia Huế. Hệ thống này gồm hai rô bốt đã được ABB bàn giao cho Bia Huế vào ngày 15/7/2012. Với lịch sử hơn 125 năm hình thành, phát triển, Tập đoàn ABB (Thụy Sỹ) hiện là một trong những nhà cung cấp hàng đầu thế giới về các sản phẩm kỹ thuật điện, tự động hóa trong lĩnh vực công nghiệp và phục vụ công cộng. Tại Việt Nam, nhiều dự án lớn có sự tham gia của ABB như: Nhà máy điện Uông Bí, Nhà máy lọc dầu Dung Quất, Trạm 500kV Tân Định, Dự án Hầm đèo Hải Vân, Tòa nhà Petro Tower tại TP. Hồ Chí Minh, Xi măng Thăng Long, Xi măng Cẩm Phả. Đây là dự án đầu tiên Ban rô bốt ABB giành được trong ngành Bia tại Việt Nam với sự hợp tác cùng Vepro, đối tác lớn nhất khu vực của ABB Rô bốtics trong ứng dụng đóng gói. Tại Nhà máy Bia Huế, IRB 760 được sử dụng để xếp các két bia chai lên pallet ở cuối dây chuyền sản xuất. Sự kiện này đã đánh dấu mốc lớn trong việc áp dụng những tiến bộ của nền khoa học – kỹ thuật thế giới, đặc biệt là công nghệ cao đến từ châu Âu, kể từ khi Công ty TNHH Bia Huế chính thức trở thành đơn vị trực thuộc Tập đoàn Carlsberg (Đan Mạch). Ứng dung trong công nghiệp nhẹ. Trước thực trạng lương nhân công và dân số già ngày càng gia tăng, giới lãnh đạo trong các doanh nghiệp sản xuất hàng điện tử cho rằng không lâu nữa, các "công nhân rô bốt" sẽ thay thế con người trong các nhà máy. Thật vậy, một làn sóng rô bốt công nghiệp mới đang được phát triển, từ những rô bốt hình người cao cấp có cả các giác quan và khả năng học hỏi đến những rô bốt giá rẻ thích hợp với mức lương thấp ở một số nước trên -53- thế giới (Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản..) Các nhà quản lý dự đoán trong 5 năm tới, những công nghệ rô bốt nói trên sẽ làm thay đổi hoạt động tại các nhà máy Trung Quốc, cũng như bù đắp cho tình trạng thiếu hụt lao động đang gia tăng trong bối cảnh lực lượng lao động trẻ của nước này ngày càng không hứng thú với công việc lao động chân tay. Bổ sung rô bốt công nghiệp vào dây chuyền sản xuất là giải pháp tự động hoá tối ưu bảo vệ lợi ích người lao động và các doanh nghiệp sản xuất. Tuy nhiên, rô bốt cũng giống như con người, nó cũng cần được bố trí vào những công việc phù hợp với kỹ năng chuyên môn của nó.Với đặc thù công việc của ngành dệt may,hiện nay con người đang dần sử dụng rô bốt thay thế con người làm việc ở những khâu độc hại,ảnh hưởng lớn tới sức khỏe của người lao động nhằm tránh những rủi ro và nâng cao năng xuất lao động. Việc ứng dụng rô bốt vào dây chuyền sản xuất dệt may đã mang lai những hiệu ứng tích cực trong quá trình sản xuất, sản lượng hàng hóa liên tục tăng trưởng góp phần đáp ứng nhu cầu không hề nhỏ của con người với loại hàng hóa trên đồng thời giải quyết được bài toán về nhân lực trong dây chuyền sản xuất. Ở Việt Nam việc ứng dụng công nghệ hiện đại để phục vụ cho các hoạt động sản xuất, kinh doanh luôn là chủ trương được Công ty TNHH Bia Huế (trực thuộc Tập đoàn Carlsberg, Đan Mạch Ứng dụng Rô bốt trong lắp ráp. Ngành công nghệ lắp ráp là ngành cần độ chính xác cao, vì vậy Rô bốt công nghiệp được ứng dụng rất nhiều trong ngành lắp ráp. Nhờ có các rô bốt công nghiệp trong sản xuất mà các giai đoạn lắp ráp các chi tiết được rút ngắn, chính xác tuyệt đối, thay thế con người trong một số ngành công nghiệp độc hại. Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng rô bốt nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi đó rô bốt di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước. Nhờ sự gia tăng toàn cầu về tính di động cá nhân, ngành công nghiệp ô tô vẫn là một lĩnh vực chủ chốt. Nếu bạn muốn củng cố vị trí của bạn trong sản xuất ô tô trong thời gian dài, bạn phải theo kịp với sự phát triển mới nhất. Kết hợp chất lượng, an toàn và tính bền vững là rất quan trọng ở đây, cũng như hiệu suất và thiết kế thân thiện với người dùng. Tất cả điều này có thể đạt được mặc dù chi phí cao. -54- Hình 1.35:Rô bốt trong nhà máy sản xuất ôtô Nhu cầu về chất lượng ngày càng tăng trong sản xuất thường liên quan chặt chẽ với việc sử dụng chi phí hợp lý cho công nghệ và các nguồn lực. Đồng thời, quá trình và trình tự sản xuất có suốt vào nhau và đảm bảo an toàn cho máy móc, nhân sự và vật chất ở tất cả các lần. Nhiều nhà sản xuất ô tô đã nhanh chóng nhận ra rằng việc giới thiệu các tiêu chuẩn giống hệt nhau cho chất lượng, an toàn, quá trình và trình tự sản xuất, cùng với một mức độ cao về tự động hóa, đảm bảo sản xuất linh hoạt và hiệu quả cao. Để giới thiệu các tiêu chuẩn tương ứng thống nhất trong công nghệ mạng là một mong muốn lâu dài của hầu hết các nhà sản xuất hiện nay. Đối với BMW AG, rõ ràng các hệ thống sản xuất hiện đại chỉ có thể được kiểm soát, theo dõi, tối ưu hóa và được chẩn đoán hiệu quả với tiêu chuẩn hóa và tích hợp thông tin liên lạc. Kể từ năm 2008, sản xuất trong bộ phận thân xe sơn lọt màu trắng của các nhà máy của BMW tại Dingolfing đã được thực hiện với Profinet IO (PN IO) trong các ô hàn của BMW series 7. Công ty (nhà sản xuất của các thương hiệu BMW, Mini và Rolls- Royce tại hơn 20 địa điểm trên bốn lục địa) là hệ thống tự động hóa tiên tiến và một trong những nhà máy đi đầu của Profinet trong ngành công nghiệp ô tô. -55- Hình 1.36: Rô bốt phun sơn ôtô Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với rô bốt. Ngoài ra, con người phải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi rô bốt có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vài giờ và có khả năng lặp 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 rô bốt phun sơn đều được ‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng đường; đường đi đó được ghi lại; và khi rô bốt thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn đó. Như thế, rô bốt phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng. Ứng dụng này đưa đến sự phát triển một loại tay rô bốt dạng ‘vòi voi’ có độ linh hoạt Trong không gian và đáy biển. Năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển. Từ những năm 1970, rô bốt dưới nước (underwater rô bốt) đã được nghiên cứu phát triển để hỗ trợ và/hoặc thay thế con người làm việc ở những vùng nước sâu (dưới đáy đại dương), những vùng nước ô nhiễm hoặc khi làm việc trong thời gian dài dưới nước. Hiện nay, rô bốt dưới nước được sử dụng nhiều trong -56- quân sự, kỹ thuật và nghiên cứu biển. Trong ngành dầu khí, rô bốt dưới nước được sử dụng để làm những công việc như kiểm tra các giàn khoan và đường ống dẫn khí, dẫn dầu. Trong ngành viễn thông, rô bốt dưới nước được sử dụng để khảo sát đáy biển trước khi đặt cáp trong lòng biển, chôn cáp và kiểm tra hiện trạng cáp truyền. Trong quân sự, rô bốt dưới nước được sử dụng để gài hoặc tìm kiếm và tháo gỡ thủy lôi, mìn hoặc phối hợp cùng con người trong việc tác chiến dưới nước. Rô bốt dưới nước còn là các thiết bị quan trọng khi cứu hộ các tàu thuyền bị đắm dưới đáy biển. Trong thám hiểm và nghiên cứu biển, rô bốt dưới nước được sử dụng để khảo sát địa hình dưới đáy biển, thu thập dữ liệu về độ phóng xạ, độ rò rỉ của các nguồn khí dưới đáy biển, theo dõi việc sinh sản của các đàn cá,... Trong ngành năng lượng nguyên tử các rô bốt dưới nước cỡ nhỏ được dùng để kiểm tra các thiết bị trong nhà máy điện nguyên tử. Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất (hình 1.37). hình 1.37: Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1 Năm 1962, rô bốt Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors; và năm 1976 cánh tay rô bốt đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả. Hình 1.38: Rô bốt trên tàu thám hiểm Viking 1 . Có nhiều loại rô bốt dưới nước khác nhau như rô bốt dịch chuyển trên nền của đáy biển nhờ các bánh xe hay bánh xích. Loại này dùng để đào rãnh để chôn các loại cáp ngầm hay dùng để thu gom các vật quý hiếm nằm dưới đáy biển. Hai loại rô bốt dưới nước được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhất là rô bốt dưới nước hoạt động độc lập (AUV) và rô bốt dưới nước điều khiển từ xa (ROV). -57- AUV là rô bốt dưới nước làm việc theo chế độ đã được lập trình trước. Năng lượng cung cấp cho rô bốt là pin hoặc ắc quy được mang trên rô bốt. Loại rô bốt này bơi được tự do trong nước và không bị hạn chế về bán kính làm việc. Tuy nhiên thời gian làm việc của nó rất hạn chế, tuỳ thuộc vào năng lượng dự trữ lắp trên nó. Các rô bốt loại này thường được trang bị các cảm biến, camera để thực hiện các nhiệm vụ thám hiểm, thu thập dữ liệu. Các AUV thường có kết cấu thân kín, hình trụ dài để giảm thiểu lực cản của nước. Hệ thống vận động thường dùng kiểu chân vịt với các cánh lái đặt ở phía đuôi hoặc hai bên sườn . ROV là rô bốt dưới nước được điều khiển và cung cấp năng lượng từ trung tâm điều khiển (trên bờ, trên tàu mẹ) thông qua cáp dẫn. Dây cáp có nhiệm vụ cung cấp điện năng và các lệnh điều khiển cho rô bốt và truyền tải dữ liệu thu nhận được từ các camera, cảm biến trên rô bốt về trung tâm điều khiển. Đôi khi dây cáp còn có tác dụng phụ giúp trục vớt các vật thể nặng và có thể làm nhiệm vụ cứu hộ rô bốt khi gặp sự cố. Bán kính làm việc của loại rô bốt này bị giới hạn bởi chiều dài dây cáp dẫn. Khác với rô bốt dưới nước hoạt động độc lập, rô bốt dưới nước điều khiển từ xa có thể làm việc trong khoảng thời gian lâu dài dưới nước mà không phải thoát lên khỏi mặt nước để nạp thêm năng lượng. Trên rô bốt loại này ngoài các cảm biến, camera để thu thập dữ liệu còn được bố trí thêm các tay máy với các dụng cụ khác nhau tuỳ theo yêu cầu của từng công việc cụ thể. Hệ thống vận động thường là các động cơ đẩy có gắn cánh quạt để tạo lực đẩy theo các phương khác nhau giúp rô bốt thực hiện các chuyển động tiến, lùi, lặn, nổi một cách dễ dàng. Các nghiên cứu cơ bản về mô hình hoá và điều khiển rô bốt dưới nước được nhiều tác giả quan tâm .Do khả năng làm việc và độ tin cậy vượt trội mà rô bốt dưới nước kiểu ROV được quan tâm phát triển và ứng dụng phổ biến trên thế giới. Đã có nhiều kiểu loại ROV được phát triển và thương mại hoá như dòng rô bốt SONIA của trường École de Technologie Supérieure (Canada), rô bốt Micro REM của hãng REMTECHSTROY Group (Bulgaria), rô bốt Nova Ray M3000 của hãng Nova+ (Đức), rô bốt dòng Seaeye Falcon của Saab Seaeye Limited (Canada),... Từ mục tiêu ch... T2 lấy phản hồi dòng điện, D10, D11 chỉnh lưu lấy điện áp phản hồi dòng điện - T1 biến áp nguồn - D6 D9 chỉnh lưu - R10, C15 R11, C16 dập điện áp ngược trên diode - L2, C22 C17, L3, C24, C23 mạch lọc nguồn ra. - R25 lấy phản hồi điện áp ra - Vr1 điều chỉnh tín hiệu phản hồi dòng, Vr2 điều chỉnh điện áp phản hồi - M1 quạt làm mát - U2D, U2C, Q5 khuếch đại điều khiển tốc độ quạt M1 theo nhiệt độ - U2B, U2A khuếch đại tín hiệu báo trạng thái điện áp đầu ra - LED1 báo hiệu trạng thái điện áp ra: + Đèn sáng màu vàng: Điện áp ra < 13,5V + Đèn sáng màu xanh: 13,5V < Điện áp ra < 14,1V + Đèn sáng màu đỏ : Điện áp ra > 14,1V * Nguyên lý hoạt động Cấp điện áp AC 220V vào jack cắm CEE-22, đóng công tắc nguồn SW1, nguồn AC đi qua bộ lọc nhiễu đường dây đi vào cầu chỉnh lưu D1. Điện áp sau chỉnh lưu tạo ra dòng quá độ chạy qua FB1  CEQ1  cuộn 1T3  cuộn 1T2  cuộn 15T1  điểm giữa. Sinh ra một sđđ cảm ứng sang thứ cấp T1, diode D6  D9 chỉnh lưu điện áp này thành DC đi qua D17  R19 và lọc bởi C32 cung cấp điện áp cho IC U1 và biến áp xung T3. Khi U1 được cấp điện, U1 hoạt động tạo xung điều khiển duy trì hoạt động của mạch. Để phân tích nguyên lý làm việc của U1 ta quan sát cấu trúc IC U1 hình 3.59. Nhờ kết hợp hệ thống đóng cắt xung cùng với các tụ điện, cuộn dây cho ta điện áp đầu ra. -167- Hình 3.59: Sơ đồ cấu trúc vi mạch SG3524 Đây là IC dao động tạo xung dao động dùng RC, tần số dao động phụ thuộc vào giá trị của CT (chân7) và RT (chân 6). Hai tín hiệu ra được đưa về khống chế 2 TZT điều khiển đóng cắt dẫn dòng để tạo hoạt động cho biến áp xung để đưa điện áp khống chế Q1, Q2 để cấp điện cho đầu ra qua hệ thống mạch lọc tụ - cảm để đưa ra điện áp đầu ra của bộ nguồn. b) Mạch điều khiển động cơ bước Để điều khiển hoạt động của động cơ bước người ta có thể sử dụng khó nhiều mạch driver khỏc nhau, có thể sử dụng linh kiện rời hoặc linh kiện tớch hợp, trên thị trường hiện nay sử dụng phổ biến là cặp vi mạch L297, L298. Phần này giới thiệu cấu trúc và chức năng các chân của 2 vi mạch L297, L298. -168- *) Vi mạch L297 Đây là vi mạch điều khiển động cơ bước thường dùng trong các ứng dụng điều khiển điện tử. Nó có chức năng tạo ra 4 pha tín hiệu điều khiển tương ứng với 2 pha của động cơ bước lưỡng cực hoặc 4 pha của động cơ bước đơn cực. Sử dụng chip này, ta có thể điều khiển mô tơ bước ở chế độ nửa bước, normal and wave drive mode và tích hợp cả mạch PWM để điều chỉnh dòng điện cuộn dây trong môtơ. Với vi mạch này, để điều khiển động cơ, ta chỉ cần tín hiệu xung clock, tín hiệu logic cho chiều quay. IC này giúp giảm việc tạo các phase điều khiển (trước đây được tạo bằng các chip vi xử lý) nên chương trình điều khiển động cơ rất gọn. IC được đóng gói trong vỏ hai hàng chân DIP20 hoặc SO20 thông dụng, và thường dùng kèm với các IC mạch cầu công suất như L298N hoặc L293E. Sơ đồ chân và sơ đồ khối Hình 3.60: Sơ đồ chân và sơ đồ cấu trúc IC L297 -169- Chức năng các chân Bảng 3.3. Chức năng các chân của vi mạch L297 Chân Tên Chức năng 1 SYNC Chân ngõ ra mạch dao động chopper bên trong chíp (on-chip). Chân này có tác dụng đồng bộ hóa xung nhịp (trong mạch nhiều L297). Sử dụng chân này như sau: + Khi cần đồng bộ hóa hai hay nhiều IC L297 trong mạch, ta nối các chân SYNC với nhau. Khi đó, ta chỉ cần 1 mạch dao động gắn ở một IC L297 bất kì. + Chân này đồng thời là ngõ vào cho nguồn clock ngoài 2 GND Chân nguồn 0V 3 HOME Chân ngõ ra cực thu để hở báo L297 đang ở trạng thái khởi tạo (ABCD=0101). Khi chân này xuất tín hiệu “tích cực” thì các transistor đang trạng thái hở. 4 A Tín hiệu phase A của mô tơ 5 INH1 Chân này tích cực mức thấp, điều khiển hai phase A, B để bảo vệ dòng xả ngược cuộn dây. Còn khi chân CONTROL mức thấp, chân này được sử dụng để ổn định dòng tải động cơ. 6 B Tín hiệu phase B của mô tơ 7 C Tín hiệu phase C của mô tơ 8 INH2 Chức năng giống chân INH2. Điều khiển phase C, D. 9 D Tín hiệu phase D của mô-tơ 10 ENABLE Chân cho phép hoạt động (enable). Khi chân này ở mức thấp, chân ngõ ra phase A, B, C, D, INH1, INH2 bị kéo xuống mức thấp. 11 CONTROL Chân điều khiển hoạt động CHOPPER. Khi chân này ở mức thấp, hoạt động CHOPPER thông qua 2 chân INH1, INH2. Khi chân này mức cao, hoạt động CHOPPER thông qua các phase A,B,C,D. 12 VS Chân nguồn 5V -170- Chân Tên Chức năng 13 SEN2 Chân ngõ vào cầu phân áp để hồi tiếp độ lớn dòng tải ở tầng công suất của phase C, D 14 SEN1 Chức năng giống chân SEN2 cho phase A, B 15 VREF Điện áp tham chiếu cho mạch chopper. Điều chỉnh áp đặt vào chân này để thay đổi dòng tải đỉnh. 16 OSC Chân ngõ vào mạch dao động RC để qui định tần số chopper. Khi dùng chức năng đồng bộ thì chân này nối với 0V (ngoại trừ chip tạo dao động cho hệ đồng bộ L297). + Tần số: f=1/0.69RC 17 CW/CCW Chân điều khiển chiều quay động cơ. Chiều quay còn phụ thuộc vào cách đấu dây cho động cơ. 18 CLOCK Chân clock cho động cơ. Loại xung tích cực mức thấp. Moto “bước” khi có cạnh xuống ở chân này. 19 HALF/FULL Chân chọn lựa chế độ quay đủ bước, nửa bước 20 RESET Ngõ vào RESET. RESET là làm cho trạng thái động cơ trở về vị trí HOME (tầng 1, ABCD=0101) Hoạt động: IC L297 được chế tạo để dùng với mạch cầu đôi (IC tích hợp hoặc linh kiện rời) trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước thông dụng. Các tín hiệu vào là: xung clock, tín hiệu chiều quay (quay thuận/nghịch), chế độ quay (đủ bước/nửa bước) và xuất tín hiệu ra điều khiển phần công suất. Nguyên lý hoạt động của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logic đơn giản thành chuỗi tín hiệu điều khiển các phase động cơ phù hợp. L297 có tích hợp mạch chopper PWM giúp ổn định dòng tải trong cuộn dây động cơ. IC L297 có thể tạo ra 3 loại chuổi xung điều khiển tùy theo tín hiệu ở chân HALF/FULL. Nhà sản xuất gọi 3 chế độ này là “bình thường” (normal – cấp điện 2 phase mỗi lần kích) và “sóng”-wave (chỉ cấp điện cho 1 phase trong mỗi lần kích) và chế độ nửa bước (luân phiên cấp điện một phase hai phase). Hai ngõ ra “cấm”-inhibit, thường được -171- kết nối trực tiếp với chân enable của L298 để xả dòng ngược cuộn dây. Khi dùng L297 điều khiển động cơ lưỡng cực, hai tín hiệu này tác động lên phase điều khiển. Chân “CONTROL” để điều chỉnh giữa 2 chế độ chopper (đóng cắt) (chọn lựa chế độ tín hiệu chopper xuất ra chân INHx hay xuất ra tín hiệu phase). Khi chopper trên các phase, phase không tích cực (của mỗi cặp AB hoặc CD) được tích cực (thay vì ngắt các phase rồi lại đóng phase). Trong ứng dụng của cặp L297+L298, kĩ thuật này giúp giảm tiêu tán công suất ở điện trở cảm biến tải. Mạch dao động nội trong chip (on-chip) kích 2 mạch chopper. Nó tạo xung để set 2 flip-flop FF1 và FF2. Khi dòng tải trong cuộn dây bằng dòng qui định, rơi áp trên 2 điện trở cảm ứng dòng (nối với 2 chân SENS1 và SENS2) bằng với VREH và do đó mạch so sánh reset flip-flop ngắt dòng tải để chờ xung dao động tiếp theo. Dòng tải đỉnh của 2 cuộn dây được đặt thông qua điện áp ở chân VREF . Với mạch có nhiều L297, vấn đề nhiễu mass được giải quyết bằng hoạt động đồng bộ (nối các chân SYNC với nhau, gắn mạch RC ở một L297 nào đó và nối chân OSC ở các L297 còn lại với mass) Chuổi xung Phase của L297: Bên dưới là giản đồ chuyển đổi xung điều khiển thành xung pha của 3 chế độ hoạt động của động cơ. Trong giản đồ là chiều quay thuận. Để có chiều quay ngược, chỉ cần đảo chân RESET để làm cho mạch xử lý trong chip (translator) về tần 1, khi đó ABCD = 0101. + Chế độ nửa bước (hình 3.61) Hình 3.61 Chế độ điều khiển nửa bước -172- Để chọn chế độ này, chân HALF/FULL phải ở mức cao. + Chế độ bình thường (hình 3.36) Chế độ bình thường còn gọi là chế độ 2-phase-mở được thiết lập khi chân FULL/HALF ở mức thấp và khi mạch điều khiển đang ở tần lẻ (1-3-5-7). Trong chế độ này, hai chân cấm INHx luôn ở trạng mức cao. Hình 3.62: Chế độ bình thường + Chế độ “sóng”-wave drive mode (hình 3.36) Chế độ điều khiển sóng còn gọi là “một phase mở” được thiết lập khi chân HALF/FULL ở mức thấp và mạch điều khiển phase đang ở tần chẵn (2-4-6-8) Hình 3.63: Chế độ sóng Đặc tính điện cơ bản của L297 Nguồn cung cấp: Vs = 4,75V đến 7V Dòng ra: Is = 50 đến 80mA Mức điện áp đầu vào: Mức thấp Vi = 0,6V, mức cao Vi = Vs Dòng điện đầu vào: Ii = 100  A -173- *) Vi mạch L298 Vi mạch L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15) và PowerSO20 (linh kiện dán công suất). Là IC mạch cầu đôi (dual full-bridge) (hình 3.64) có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao. Hình 3.64: Cấu trúc vi mạch L298 Nó được thiết kế tương thích chuẩn TTL và lõi tải cảm không như relay, cuộn solenoid, động cơ DC và động cơ bước. Nó có 2 chân enable (cho phép) để cho phép/không cho phép IC hoạt động, độc lập với các chân tín hiệu vào. Cực phát (emitter) của transistor dưới của mỗi mạch cầu được nối với nhau và nối ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dũng khi cần. Nó có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic có thể hoạt động ở điện thể thấp hơn. Hình 3.65: Sơ đồ chân vi mạch L298 -174- Chức năng các chân (bảng 3.4) Bảng 3.4. Chức năng các chân của vi mạch L298 MW.15 PowerSO Tên Chức năng 1;15 2;19 Sense A; Nối chân này qua điện trở cảm ứng dòng Sense B xuống GND để điều khiển dòng tải 2;3 4;5 Out 1; Ngõ ra của cầu A. Dòng của tải mắc giữa Out 2 hai chân này được qui định bởi chân 1. 4 6 VS Chân cấp nguồn cho tầng công suất. Cần có một tụ điện không cảm kháng 100nF nối giữa chân này và chân GND 5;7 7;9 Input 1; Chân ngõ vào của cầu A, tương thích Input 2 chuẩn TTL 6;11 8;14 Enable A; Chân ngõ vào enable (cho phép) tương EnableB thích chuẩn TTL. Mức thấp ở chân này sẽ cấm (disable) ngõ ra cầu A (đối với chân EnableA) và/hoặc cầu B (đối với chân EnableB) 8 1,10,11,20 GND Chân đất (Ground) 9 12 VSS Chân cấp nguồn cho khối logic. Cần có tụ điện 100nF nối giữa chân này với GND 10; 12 13;15 Input 3; Các chân logic ngõ vào của cầu B Input 4 13; 14 16;17 Out 3; Ngõ ra của cầu B. Dòng của tải mắc giữa Out 4 hai chân này được qui định bởi chân 15. - 3;18 N.C. Không kết nối (bỏ trống) -175- Đặc tính điện cơ bản của L298 Nguồn cung cấp: Vs = 2.5 đến 46V Nguồn cung cấp mạch logic: Vss = 4,5 đến 7V Điện áp vào mức thấp: ViL = - 0,3 đến 1,5V Điện áp vào mức cao: ViH = 2,3 đến Vss Thông tin ứng dụng Tầng công suất ngõ ra: Vi mạch L298 tích hợp 2 tầng công suất (A, B). Tầng công suất chính là mạch cầu và ngõ ra của nó có thể lái các loại tải cảm thông dụng ở nhiều chế độ hoạt động khác nhau (tùy thuộc vào sự điều khiển ở ngõ vào). Dòng điện từ chân ngõ ra chảy qua tải đến chân cảm ứng dòng. Điện trở ngoài RSA, RSB cho phép việc cảm ứng cường độ dòng điện này. Tầng ngõ vào: Mỗi cầu được điều khiển bởi 4 cổng ngõ vào In1, In2, EnA, và In3, In4, EnB. Các chân In có tác dụng khi chân En ở mức cao, khi chân En ở mức thấp, các chân ngõ vào In ở trạng thái cấm. Tất cả các chân đều tương thích với chuẩn TTL. *) Mạch ứng dụng vi mạch L297-L298 -176- Hình 3.66: Sơ đồ điều khiển rô bốt chuyển động theo tọa độ Đề các dùng động cơ bước và vi mạch L297-L298 Tóm tắt nguyên lý: -177- c) Mạch điều khiển động cơ servo 1) Mạch điều khiển động cơ DC servo Hình 3.67: Mạch điều khiển động cơ DC Servo Nguyên lý hoạt động Động cơ DC được điều khiển tốc độ và đảo chiều nhờ các TZT Q1 đến Q4. Các TZT này bị khống chế hoạt động nhờ các TZT Q8, Q9. Điện áp trên vôn kế lấy từ phản hồi vị trí từ động cơ DC. Hệ thống có một chuyển mạch chọn chế độ điều khiển. Ở vị trí trên hệ hoạt động ở chế độ điều khiển ngoài dùng xung. Vị trí dưới là vị trí đặt vị trí nhờ chiết áp VR1. Khi chuyển mạch ở vị trí trên nếu cấp xung điều khiển động cơ DC sẽ dịch chuyển đến vị trí tương ứng với độ rộng xung; sau khi cắt xung điều khiển này động cơ sẽ tự chạy ngược trở về vị trí ban đầu. Ở Chế độ phía dưới khi đó giá trị điện áp đặt được xác định nhờ VR1 tương đương với vị trí đặt ban đầu. Điện áp này đưa về Q5 còn điện áp phản hồi đưa về khống chế Q5 Sự chênh lệch của Q4 và Q6 so sánh giá trị với nhau để quyết định giá trị điều khiển tới Q9 khống chế động cơ quay thuận (ngược) dịch chuyển này làm xuất hiện điện áp trên vôn kế đưa về khống chế Q6 khống chế Q8, Q2 tới giá trị điện áp trên 2 cực của động cơ cân bằng nhau thì động cơ dừng lại tương ứng với vị trí được thiết lập. -178- 2) Mạch điều khiển động cơ AC servo Hình 3.68: Mạch điều khiển động cơ AC Servo Nguyên lý hoạt động Sơ đồ theo kết cấu của vỉ mạch điều khiển thực tế. Trong đó các chân hay tín hiệu vào ra được đánh số thứ tự và có màu sắc phân biệt bao gồm nguồn vào (1,8), ra (3,4,5), các chân tín hiệu phản hồi (7,13,14). Động cơ được điều khiển tốc độ nhờ việc khống chế các Thyristor SCR 1 và SCR2 trong cầu diode. Các thyristor này được khống chế qua mạch ghép xung lấy từ biến áp T4, T5. Vị trí phản hồi được đưa về các chân 7,13,14 giá trị phản hồi được điều chỉnh lấy điện áp phù hợp nhờ các điện trở R38, R39, R40 sau đó đưa về khống chế TZT Q1, Q2, Q3. Tín hiệu ra sau Q3 được ghép qua biến áp xung T2 đưa vào các cầu chỉnh lưu (CR 18 đến CR25) tín hiệu ra sau cầu đưa về qua Q4, Q5 để khống chế Q6, Q7 sau đó ghép qua T4, T5 để khống chế SCR và xuất ra động cơ. Tín hiệu điều khiển lấy vào từ chân 9,10 chính là giá trị đặt ban đầu tạo ra điện áp dương đưa về các điện trở R38, R39, R40 để so sánh với giá trị phản hồi (Sig input). -179- 3.4. Hiệu chỉnh động cơ tuỳ động. 3.4.1. Khái quát Hệ thống tùy động, thực chất là hệ thống ĐCTĐ TĐĐ thực hiện điều khiển vị trí với lượng đặt trước biến thiên tùy ý. Hệ thống tuỳ động được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tiễn. Nhiệm vụ cơ bản của hệ là thực hiện điều khiển cơ cấu chấp hành bám sát chính xác đối với lượng đặt vị trí, đại lượng điều khiển (lượng đầu ra) thường là vị trí không gian của cơ cấu sản xuất, lúc lượng đặt thay đổi trong quá trình làm việc thì hệ thống có thể làm cho đại lượng điều khiển bám sát và duy trì một một cách chính xác vị trí của cơ cấu sản xuất theo yêu cầu. Ví dụ điều khiển cơ cấu ép trục cán, trong quá trình cán kim loại, phải làm cho khe hở giữa hai trục có thể tiến hành tự điều chỉnh; điều khiển quỹ tích gia công của máy cắt điều khiển số và điều khiển bám của máy chép hình; cơ cấu lái tự động trên tàu thuyền; cơ cấu điều khiển anten rađa của cụm súng pháo hay kính viễn vọng điện tử nhằm đúng mục tiêu; điều khiển động tác của người máy. Những ví dụ trên đây đều là những ứng dụng cụ thể về hệ thống điều khiển tuỳ động vị trí. Nguyên lý cơ bản của hệ tùy động như hình 3. 69. Hình 3.69: Nguyên lý cơ bản mạch điều khiển tùy động Bộ đo kiểm vị trí: Do chiết áp RP1 và RP2 tạo thành bộ đo kiểm vị trí (góc), trong đó trục quay của chiết áp RP1 nối với bánh điều khiển làm góc cho trước (góc đặt), trục quay của chiết áp RP2 thông qua cơ cấu nối với bộ phận phụ tải làm phản hồi góc quay, hai bộ -180- chiết áp đều được cấp điện nhờ nguồn điện một chiều U, như vậy có thể chuyển tham số vị trí trực tiếp thành đại lượng điện ở đầu ra. Bộ khuếch đại so sánh điện áp: Do 2 bộ khuếch đại 1A, 2A tạo thành, trong đó bộ khuếch đại 1A chỉ làm nhiệm vụ đảo pha, còn 2A có tác dụng so sánh và khuếch đại điện áp, tín hiệu đầu ra làm tín hiệu điều khiển bộ khuếch đại công suất cấp tiếp theo, đồng thời có khả năng nhận biết cực tính điện áp (phương vị âm dương của góc pha). Bộ khuếch đại công suất đảo chiều: Để cung cấp cho động cơ chấp hành của hệ thống tuỳ động chỉ có khuếch đại điện áp là chưa đủ, còn phải khuếch đại công suất, các bộ khuếch đại công suất này thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặcbộ biến đổi xung áp điều chế độ rộng xung nếu động cơ truyền động là động cơ một chiều, trường hợp dùng động cơ xoay chiều thì bộ khuếch đại công suất thường là biến tần. Cơ cấu chấp hành: Động cơ bám Đ (động cơ điện một chiều, từ trường vĩnh cửu) để truyền động cơ cấu chấp hành mang phụ tải (dàn anten ra đa), giữa động cơ và phụ tải thường có bộ phận truyền lực (hộp giảm tốc). Bốn thành phần trên là các bộ phận chủ yếu, không thể thiếu để tạo nên hệ thống điều khiển tuỳ động vị trí, chỉ có linh kiện hoặc thiết bị cụ thể là có thể khác nhau, ví dụ, có thể dùng các bộ đo kiểm vị trí khác nhau, dùng động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều v.v... Qua các phân tích trên dễ dàng nhận ra những chỗ khác nhau và giống nhau giữa hệ thống tuỳ động vị trí (sau đây gọi tắt là hệ thống tuỳ động) và hệ thống điều tốc. Cả hai đều là hệ thống kín (có phản hồi), tức là thông qua việc so sánh lượng đầu ra của hệ thống với lượng cho trước (lượng đặt) để tạo ra tín hiệu điều khiển hệ thống, vì vậy nguyên lý của hai hệ thống này là giống nhau. Đại lượng cho trước của hệ thống điều tốc là hằng số, dù cho mức độ nhiễu như thế nào, đều mong đại lượng đầu ra ổn định, vì thế chất lượng chống nhiễu của hệ thống luôn tỏ ra quan trọng nhất. Còn trong hệ thống tuỳ động thì tín hiệu đặt vị trí là thường xuyên thay đổi, là đại lượng “thay đổi tuỳ ý”, yêu cầu lượng đầu ra bám chính xác theo sự thay đổi của lượng cho trước, tính nhanh nhậy, tính linh hoạt, tính chính xác thích nghi đầu ra trở thành đặc trưng chủ yếu của hệ thống tuỳ động. Hay nói cách khác chất lượng bám là chỉ tiêu chủ yếu của hệ thống này. 3.4.2. Hiêu chỉnh động cơ tùy động Thực chất của hiệu chỉnh động cơ tùy động chính là hiệu chỉnh mạch điều khiển để hệ thống hoạt động tối ưu về các chỉ tiêu như thời gian điều chỉnh, lượng quá điều chỉnh, độ trơn của quá trình điều khiển. Việc điều chỉnh thông thường là sử dụng các khâu hiệu -181- chỉnh như PI, PD, PID. Tùy vào từng ứng dụng cụ thể có thể có hiệu chỉnh nối tiếp (hình 3.69) hay song song bằng phản hồi âm tốc độ (hình 3.70) hoặc hiệu chỉnh hỗn hợp. Hình 3.70: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tuỳ động một mạch vòng vị trí Hình 3.71: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động hệ thống tuỳ động có phản hồi âm tốc độ Các mạch điều khiển tùy động thường tích hợp sẵn các mạch điều chỉnh nên trong thực tế các chuyên gia chỉ điều chỉnh các thông số cài đặt khi có sai lệch nào đó cần hiệu chỉnh. 3.5.Các mô đun của rô bốt công nghiệp 3.5.1. Nguyên tắc mô đun hóa thiết bị Thông thường các thiết bị trong hệ thống được thiết kế đồng bộ. Các bộ phân hay các khâu được xem như thiết kế đồng thời . Trong đó các cấu kiện hay các bộ phân liên kết với nhau chặt chẽ như thiết kế điều khiển trên cùng một bo mạch, cùng bảng điều khiển. Điều này gây khó khăn cho việc thay thế sửa chữa cũng như bảo hành. Để khắc phục vấn đề trên người ta chế tạo các bộ phân tách rời nhau và có khả năng tháo lắp, lắp ghép liên kết với nhau để giải quyết cùng bài toán điều khiển. Việc làm trên được xem như mô đun hóa thiết bị. -182- Các mô đun rời được chế tạo riêng biệt có khả năng kết nối với các mô đun khác tạo nên một hệ thống tổng thể hoàn thiện. Tùy từng rô bốt mà các mô đun này có thể ghép nối với nhau trong một tủ chứa duy nhất hoặc được đặt ở các vị trí khác nhau sao cho phù hợp với quá trình sản xuất. Ví dụ trong một hệ thống điều khiển động cơ tùy động người ta có thể chế tạo các mô đun riêng biệt như mô đun nguồn, mô đun điều khiển, mô đun công suất, .... Khi vì lý do nào đó cần thay thế hay sửa chữa, mỗi mô đun có thể được thay thế bằng một mô đun tương tự có cùng tính chất một cách dễ dàng mà không làm ảnh hưởng tới các mô đun khác. Trên thực tế nhiều hãng sản xuất các mô đun có thể lắp lẫn để thay thế cho các hệ thống khác nhau. Một ví dụ có thể dễ nhận thấy ở PLC S7-300 (Hình 3.72) các mô đun được thiết kế linh hoạt như mô đun nguồn, CPU, SM hay FM....Tùy theo yêu cầu của sản xuất mà người ta sử dụng các mô đun nào cho hợp lý. Khi sản xuất cần số lượng các đầu vào / ra là bao nhiêu thì chỉ cần mua và lắp 1 hay nhiều mô đun SM có số lượng các cổng vào ra phù hợp. Rack PS( Power SM SM SM SM SM SM CPU supply) §-êng bus liªn kÕt c¸c m« ®un tiÕp theo Mô đun nguồn Mô đun CPU C¸c m« ®un më réng -183- Hình 3.72: Mô tả các mô đun của PLC S7-300 Ngày nay hầu hết các thiết bị hay hệ thống đều chế tạo dưới dạng mô đun nhằm đáp ứng nhu cầu về việc thay thế, sửa chửa hay chuẩn đoán hệ thống từ xa một cách dễ dàng. Sử dụng mô đun cũng cho phép tối ưu về kinh phí đầu tư cho hệ thống. 3.5.2. Nguyên tắc mô đun của rô bốt công nghiệp Rô bốt công nghiệp nói chung đều được thiết kế chế tạo phục vụ cho các mục đích riêng biệt. Với mỗi một rô bốt có những đặc điểm riêng đặc biệt là mục đích phục vụ của rô bốt, tuy nhiên chúng vẫn giống nhau về kết cấu chung của một rô bốt. Các rô bốt ngày nay thường chế tạo dang mô đun và có những đặc trưng điển hình. Trước tiên phải nói đến bộ điều khiển các mô đun được tách rời bao gồm: Mô đun nguồn, mô đun điều khiển, mô đun lập trình, mô đun liên kết khác.... Phần cánh tay hay thân rô bốt cũng được lắp ghép riêng biệt về phần cơ khí cũng như các giắc cắm liên kết điện khí giữa các bộ phận. Các hệ thống đi kèm như thiết bị hàn, cắt... thường được đặt riêng biệt bên ngoài rô bốt. Đối với bộ điều khiển cần có các khối (modul) cơ bản: - Modul cảm biến thu nhận biến đổi, hiệu chỉnh, tổng hợp thông tin về trạng thái của hệ thống và về môi trường. - Modul tổng hợp, thiết lập mô hình tổng hợp về hệ thống và môi trường trên cơ sở thông tin do modul cảm biến cung cấp. - Modul ra quyết định, đưa ra phương thức hành động. Từ chiến lược hành động, lập kế hoạch. điều khiển hoạt động của cơ cấu để thực hiện nhiệm vụ theo tình huống cụ thể. Các modul trên tự động liên kết với nhau theo nhiệm vụ, được quy định trong chương trình có tính đến khả năng thích ứng của hệ thống trong tình huống cụ thể. Tuy vậy, vẫn cần có giao diện với người vận hành để khi cần con người có thể kiểm tra, giám sát, can thiệp vào hệ thống. Tính đến cường độ trao đổi thông tin giữa các modul với nhau và giữa hệ thống với người vận hành. cần có bộ nhớ chung để lưu trữ các thông tin ban đầu và thông tin cập nhật của hệ thống và môi trường. Mô đun cho rô bốt được thiết kế theo nguyên tắc sau: Thiết kế mô đun của rô bốt cấu trúc cơ chế. -184- Thiết kế mô đun của rô bốt bộ điều khiển (Các mô đun của phần mềm và phần cứng). Các giao diện tiêu chuẩn đặc điểm kỹ thuật của chính Rô bốt thành phần chức năng (Động cơ servo, phục vụ lái xe và giảm tốc) Các giao diện tiêu chuẩn đặc điểm kỹ thuật của rô bốt cảm biến bên ngoài (hình ảnh cảm nhận và lực lượng cảm nhận) Thiết kế mô đun của rô bốt. Trên cơ sở của sự phân chia của mô đun máy, rô bốt cơ chế được chia cho module chính của ghế thắt lưng, cánh tay chính, cẳng tay, cánh tay thùng, cổ tay, xi lanh cân bằng. Thiết kế mô đun là đạt được theo kích thước, khả năng chịu tải và khác các chỉ số, và tối ưu hóa của nó kết hợp được định hướng bởi yêu cầu ứng dụng, sau đó các dòng sản phẩm rô bốt của phạm vi làm việc khác nhau và tải trọng khác nhau accived.Các điểm quan trọng của thiết kế mô đun của cơ cấu thành phần là xây dựng một tiêu chuẩn giao diện của cơ khí mô-đun, mà đạt được khả năng trao đổi các mô đun trên cơ sở đảm bảo tính chính xác của mô đun lắp ráp cơ khí. Các giao diện của các thành phần chức năng có thể thực hiện hai chức năng. Các Chức năng đầu tiên là vị trí, có thể xác định tương đối chính xác vị trí giữa hai mô đun kết nối.Chức năng thứ hai là kết nối, có thể nhận ra sự kết nối chặt giữa hai thành phần chức năng. Thiết kế mô đun của rô bốt cấu trúc cơ chế. Thiết kế tiêu chuẩn của giao diện của thành phần quan trọng Rô bốt (Động cơ servo, giảm tốc và khác) là hữu ích cho việc cải thiện bảo trì của rô bốt và giảm chi phí của các rô bốt rất nhiều. Lấy servo động cơ là một ví dụ, giao diện của nó có thể được chia khoá sáu tham gia kết nối A đến F, và động cơ servo của mô hình khác nhau có thể được nối với nhau bằng biểu tượng chỉ và đạt được giá. Thiết kế mô đun của bộ điều khiển rô bốt. Theo nguyên tắc độc lập và chức năng tính toàn vẹn về cấu trúc, hệ thống điều khiển rô bốt công nghiệp được chia thành ba loại chính của các mô-đun: mô đun điều khiển chính, thành phần mô đun (module điều khiển, I / O module và module giảng dạy), bên ngoài mô đun cảm biến (cảm biến hình ảnh và cảm nhận hiệu lực). Mô đun điều khiển chính Các mô đun điều khiển chính là cốt lõi của bộ điều khiển rô bốt, và chức năng của nó bao gồm kế hoạch chuyển động, phối hợp chuyển đổi, hệ thống giám sát và như vậy. Thiết kế mô đun của điều khiển chính mô đun là nhằm mục đích giao diện và xe buýt thông tin đối ngoại. Giao diện cung cấp điện: DC 24V ± 10% ; -185- Giao diện truyền thông: CAN xe buýt, Ethernet, vv; Giao thức truyền thông: CANopen, EtherCAT, vv ; Truyền thông dữ liệu: dữ liệu truyền thông khác nhau mô đun tiêu chuẩn. Mô đun ổ đĩa nhận được lệnh của mô đun điều khiển chính là mức độ thực hiện các điều khiển chuyển động, và hoạt động kiểm soát động cơ servo. Mô đun ổ đĩa có thể xây dựng đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho bên ngoài giao diện, mô hình chức năng, thông tin xe buýt, vv Giao diện cung cấp điện: DC24V ± 10% ; Giao diện truyền thông: CAN xe buýt, Ethernet, vv; Giao thức truyền thông: CANopen, EtherCAT, vv; Mô hình chức năng: chế độ điều khiển vị trí và chế độ nội suy; Tham số kiểm soát: thông số PID, hạn chế bảo vệ vị trí tham số, vv . I / O module I / O module thu thập và ổ đĩa cảm biến, đèn báo, rơ le và tiếp xúc, đó là các thiết bị của bộ điều khiển rô bốt bên ngoài. I / O mô đun có thể xây dựng đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho giao diện bên ngoài, chức năng mô hình, thông tin xe buýt, vv Giao diện cung cấp điện: DC24V ± 10% ; Giao diện truyền thông: CAN xe buýt, Ethernet, vv; Giao thức truyền thông: CANopen, EtherCAT, vv; Tham số kiểm soát: thông số PID, hạn chế vị trí tham số bảo vệ, vv Mô đun cảm biến bên ngoài bao gồm cảm biến hình ảnh, cảm biến lực, vv. Nó sẽ gửi kết quả tính toán cho các mô đun chủ bằng xe buýt công nghiệp. Các tiêu chuẩn mô đun của mô đun bên ngoài được làm cho giao diện xe buýt, giao diện cung cấp điện, các đối tượng giao tiếp, cấu hình cảm biến thông tin, định dạng dữ liệu cảm biến, báo động an toàn, vv. Thiết kế tiêu chuẩn của rô bốt giao diện cảm biến bên ngoài. Hình ảnh mô đun đạt được sự công nhận và xử lý cho các đối tượng cần thiết để được nắm bắt bởi rô bốt công nghiệp.Nguyên tắc phân chia mô đun của hình ảnh mô đun cần được tương thích với các thuật toán xử lý hình ảnh của các nhà sản xuất thiết bị khác nhau. Các mô đun trực quan có thể xây dựng đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn cho giao diện bên ngoài, thông tin cấu hình, thông tin hiệu chuẩn, đối tượng giao tiếp, vv Giao diện cung cấp điện: DC24V ± 10% ; Giao diện truyền thông: Ethernet, vv; Tham số chức năng: tham số hiệu chuẩn, mô tả đối tượng, vv; Tham số kiểm soát: giao thức xe buýt, truyền tải dữ liệu, vv trực quan cảm biến 4. Thiết kế tiêu chuẩn của rô bốt giao diện cảm biến bên ngoài. Cảm biến lực, các mô đun điều khiển lực gửi tín hiệu lực thu thập bởi rô bốt đến các mô đun điều khiển chính. Nguyên tắc phân chia mô đun cần được tương thích với các sản phẩm thiết bị khác nhau các nhà sản xuất. Giao diện cung cấp điện: DC24V ± 10% ; -186- Giao diện truyền thông: Ethernet, vv; Thông số cảm biến: thông tin hiệu chuẩn, dữ liệu thu thập được, vv; Tham số kiểm soát: giao thức truyền thông, tốc độ truyền, vv . Ví dụ của mô đun rô bốt công nghiệp. Mô đun có một vị trí tốt xác định trong việc xây dựng rô bốt công nghiệp, cho những ưu điểm sau: sự thích ứng của một cấu trúc của rô bốt tương ứng với hoạt động, đa dạng hóa của các cấu trúc thông qua sự kết hợp của các đơn vị mô-đun, giảm chi phí của rô bốt thực hiện so sánh với cấu trúc tiêu chuẩn, cơ cấu lại nhanh chóng, giá rẻ của rô bốt cho một hoạt động khác, nếu được đảm bảo các điều kiện hoán đổi cho nhau của các đơn vị mô-đun. Hình 3.73: Rô bốt TRTRT công nghiệp Rô bốt được trình bày trong hình 1 bao gồm từ: module 1 dịch trên ngang từ của rô bốt cơ sở MTB-SIL, module 2 quay theo trục thẳng đứng của cánh tay của rô bốt MRV, mô đun 3 dịch dọc theo trục thẳng đứng từ các thành phần cánh tay MTV-SIL, module 4 quay xung quanh trục ngang từ cấu trúc của cánh tay của rô bốt MO và mô đun 5 dịch MT-SIL lắp ráp với thiết bị kẹp. -187- Câu hỏi ôn tập chương 3 Câu 1: Nêu đặc điểm cấu tạo và nguyên lý điều khiển các loại động cơ điện trong rô bốt công nghiệp. Câu 2: Trình bày các phương pháp điều khiển động cơ bước Câu 3: Trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống tùy động Câu 4: Trình bày đặc điểm các bộ truyền động cơ khí ( đai, răng, vít,cam..) Câu 5: Phân tích nguyên lý hoạt động nguồn switching. Câu 6: Phân tích nguyên lý hoạt động các mạch điều khiển động cơ servo Câu 7: Trình bày nguyên tắc mô đun hóa thiết bị Câu 8: Vẽ mô tả hệ thống cam, răng điều khiển các cơ cấu điện, khí nén. Câu 9 : Động cơ trục chính chạy tốc độ 60 v/p. Thiết kế cơ cấu cam răng, kết nối mạch điện điều khiển, mạch động lực thỏa mãn: - Trục chính quay 1 vòng xi lanh X1 đi ra và về trong 0,5 giây, xi lanh X2 đi ra và về 2 lần, mỗi lần 0,3 giây, van V1 đóng mở 3 lần. - Trục chính quay 2 vòng thì van V2 đóng mở 1 lần mỗi lần 0,2 giây. -188- Tài liệu tham khảo [1] PGS.TS . Đào Văn Hiệp KỸ THUẬT RÔ BốT; Nhà xuất bản: Khoa học và Kỹ thuật - 2004. [2] GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc RÔ BốT CÔNG NGHIỆP; Nhà xuất bản: Khoa học Kỹ thuật - 2006. [3] Phạm Đăng Phước RÔ BốT CÔNG NGHIỆP; Nhà xuất bản Xây Dựng Hà Nội – 2007 [4] Nguyễn Mạnh Tiến ĐIỀU KHIỂN RÔ BốT CÔNG NGHIỆP. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật-2007 [4] ôbốt-cong-nghiep/ [5] ôbốt-cong-nghiep-trong-he- san-xuat-linh-hoat-180752 [6] [7] ô bốt-Rô bốtics/Rô bốt-công-nghiệp -189-