Nghiên cứu, sửa chữa, phục hồi và thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển cho robot cấp phôi tự động và xây dựng mô hình thí nghiệm cho robot pick-Up

robot công nghiệp vào trong sản xuất. Chính những suy nghĩ này đã đưa chúng em đến với đề tài: "Nghiên cứu, sửa chữa, phục hồi và thiết kế, lắp đặt hệ thống điều khiển cho robot cấp phôi tự động và xây dựng mô hình thí nghiệm cho robot pick-up". Vì đây là một đề tài lớn, nên nhóm chúng em gồm 6 người Trần Thái Lai, Nguyễn Ngọc Thái, Nguyễn Mạnh Toàn, Trần Minh Hải, Bùi Trung Kiên, Phạm Đức Thành cùng thực hiện đề tài này. Trong đó nhóm ba người chúng em tập trung tìm hiểu và phục hồi các kết cấu cơ khí, điều khiển các cơ cấu chấp hành, xây dựng mô hình thí nghiệm với chi tiết dạng trụ vào lập trình cho robot chạy theo mô hình đã xây dựng. Là những sinh viên cơ khí chuyên ngành chế tạo máy, không có kiến thức chuyên sâu về điện tử và điều khiển nên chúng em đã gặp không ít những bối rối và khó khăn khi tiếp cận với đề tài này. Tuy nhiên được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS. Phạm Văn Hùng, chúng em đã thực hiện thành công đề tài này, robot và mô hình thí nghiệm đã hoạt động ổn định với độ tin cậy cao và là một bài thí nghiệm sinh động cho hơn 450 sinh viên ngành chế tạo máy khoá 46. Vừa qua đề tài của chúng em đã tham gia dự thi sinh viên nghiên cứu khoa học và đã được giải khuyến khích. Tuy bước đầu đã có kết quả. Nhưng đây là một bài toán thực tế đầu tiên mà chúng em giải quyết nên không tránh khỏi những sai sót do thiếu kinh nghiệm thực tế. Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn Máy và Ma sát học để đề tài của chúng em hoàn thành hơn. Sau cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Phạm Văn Hùng cùng toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn Máy và Ma sát học đã hướng dẫn chỉ bảo và tạo điều kiện thuận lợi giúp chúng em hoàn thành đề tài này. Chương I: giới thiệu về Robot I. lịch sử phát triển của Robot công nghiệp: Nhu cầu nâng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị trường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại. Về kích cỡ và về tính năng v.v… Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng Robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt. Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của nhà văn tiệp khắc có tên là Karel Capek. Theo tiếng Séc thì Robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người. Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở mỹ do công ty AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động thực hiện một số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran. Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau: Từ những năm 1950 ở mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên. Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran của công ty AMF. ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của mỹ từ những năm 1967. ở các nước Tây âu khác như: Đức, ý, Pháp, Thụy Điển thì bắt đầu chế tạo IR từ những năm 1970. Châu á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968. Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR trong số đó có 80 công ty của Nhật, 90 công ty của Tây Âu, 30 công ty của Mỹ và một số công ty của Nga, Tiệp… II. Phân loại Robot (IR): Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin của tay máy-người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau: Thế hệ 1: thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 2: thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 3: thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người. Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động: Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp được mô hình hoá trong dạng chuỗi động với các khâu và các khớp như trong nguyên lý máy với các giả thuyết cơ bản sau: - Chỉ sử dụng các khớp động loại 5 ( khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít). Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với nhau. Chuỗi động chỉ là chuỗi động hở đơn giản: Ta ví dụ một chuỗi động của một tay máy công nghiệp có 6 bậc tự do, các khớp A, B, F là các khớp tổng quát, có nghĩa là chúng có thể là khớp quay, cũng có thể là khớp tịnh tiến, các khớp D, E, K chỉ là những khớp quay. Các khâu được đánh số bắt đầu từ 0 - giá cố định, tiếp đến là các khâu 1, 2, ...n - các khâu động, khâu tổng quát ký hiệu là khâu i, (i= 1, 2, 3, ...n), khâu n cuối cùng mang bàn kẹp của tay máy. Tương tự như tay người để bàn kẹp gồm có 3 loại chuyển động, tương ứng với các chuyển động này là 3 dạng của cấu trục máy như sau: Cấu trúc chuyển động toàn bộ (chân người) cấu trúc này thực hiện chuyển động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vị trí làm việc. Cấu trúc này hết sức đa dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống mà chuyển động này cần có sự kiểm soát. Người ta thường coi tay máy là đứng yên, khâu 0 gọi là giá cố định của tay máy. Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm các khớp A, B và F các khâu 1, 2 và 3, chuyển động của cấu trúc này đem theo bàn kẹp với vị trí làm việc. Do giả thiết về loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thường ta có những phối hợp sau đây của các khớp và từ đó tạo nên những cấu trúc xác định vị trí của bàn kẹp trong các không gian vị trí khác nhau của bản kẹp. Phối hợp TTT nghĩa là 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một khớp quay. Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ Đề Các so với các toạ độ So vì 3 điểm M nằm trên khâu 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một chuyển động quay (tức là hai toạ độ dài). Phối hợp TRT, RTT, hay TTR nghĩa là một khớp tịnh tiến hai khớp quay( các cấu trúc 2, 3, và 4). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ trụ so với điểm M trên khâu 3 được xác định bởi 2 chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay (tức là hai toạ độ dài một toạ độ góc). Phối hợp RTR, RRT, TTR nghĩa là hai khớp tịnh tiến và hai khớp quay ( các cấu trúc 5, 6, 7, 8, 9 và 10). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ cầu so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi một chuyển động tịnh tiến và hai chuyển động quay (tức là một toạ độ dài hai toạ độ góc). Phối hợp RRR tức là 3 khớp quay (các cấu trúc 11,12) đây là các cấu trúc hoạt trong toạ độ góc so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi ba chuyển động quay (tức là ba toạ độ góc), cấu trúc này được gọi là cấu trúc phỏng sinh học. Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng được sử dụng chuyên môn hoá và đặc biệt là để đảm bảo giá thành và giá đầu tư vào tay máy thấp, người ta không nhất thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay máy có đủ ba khớp động cho cấu trúc xác định vị trí. Đối với tay máy công nghiệp đã có hơn 250 loại, trong số đó có hơn 40% là loại tay máy có điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất. Sự xuất hiện của IR và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản xuất và xã hội loài người làm xuất hiện một nghành khoa học mới là nghành Robot học (Robotic). Trên thế giới nhiều nời đã xất hiện những viện nghiên cứu riêng về Robot. ở Việt Nam, từ những năm giữa thập kỷ 80 đã có viện nghiên cứu về Robot. III. Sơ đồ cấu trúc chức năng của Robot: Vậy Robot là gì? cho tới hiện nay chưa có một định nghĩa chính xác về Robot, và cứ hai năm một lần người ta lại tổ chức một hội nghị khoa học bàn về Robot, nhằm thông tin những thành tựu đã đạt được trong nghiên cứu và chế tạo Robot đồng thời thống kê các thuật ngữ về Robotic, để hiểu được về IR trước hết chúng ta quan sát sở đồ cấu trúc và chức năng của IR như sau: Thiết bị liên hệ với người vận hành Người vận hành Hệ thống truyền động Hệ thống chịu lực Hệ thống biến tín hiệu Môi trường bên ngoài Hệ thống điều khiển Hình 1-1: Sơ đồ cấu trúc và chức năng của Robot. Trong sơ đồ trên, các đường chỉ mối quan hệ thông tin thuận, thông tin chỉ huy nhiệm vụ Robot. Các đường chỉ mối liên hệ thông tin ngược, thông tin phản hồi về quá trình làm việc của Robot. Chức năng của bộ phận giao tiếp là liên lạc với người vận hành là thực hiện quá trình “dạy học” cho Robot, nhờ đó Robot biết được nhiệm vụ phải thực hiện. Chức năng của hệ thống điều khiển là thực hiện việc tái hiện lại các hành động nhiệm vụ đã được “học”. Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ “sức” chịu được tải trọng mà Robot phải chịu trong quá trình làm việc, bộ phận này bao gồm: Phần 1: Bộ phận chịu chuyển động , phần tạo các khả năng chuyển động cho Robot. Phần 2: Bộ phận chịu lực, phần chịu lực của Robot. Bộ cảm biến tín hiệu làm nhiệm vụ nhận biết, đo lường và biến đổi thông tin các loại tín hiệu như: các nội tín trong bản thân Robot, đó là các tín hiệu về vị trí, vận tốc, gia tốc, trong từng thành phần của bộ phận chấp hành các ngoại tín hiệu, là các tín hiệu từ môi trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của Robot. Với cấu trúc và chức năng như trên, Robot phần nào mang tính “người” còn phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc. Với IR tính chất “ người” và “máy” cũng được thể hiện đầy đủ như trên, duy trì hình thức mang dáng dấp của tay “người”. Tay máy công nghiệp thường có những bộ phận sau: Hệ thống điều khiển: Thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận hành theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín. Hệ thống chấp hành: Bào gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chịu lực như: các động cơ thuỷ, khí nén, cơ cấu servo điện tử, động cơ bước. Mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chịu lực. Bàn kẹp: Là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy, nơi cầm nắm các thiết bị công nghệ hay vật cần di chuyển. IV. ứng dụng Robot trong công nghiệp: Mục tiêu ứng dụng Robot trong công nghiệp: Nhằm góp phần nâng cao năng suất day truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động của con người. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của Robot và đã được đúc kết qua nhiều năm được ứng dụng ở nhiều nước. Những ưu điểm đó là: - Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý, bằng hoặc hơn một người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế Robot có thể nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế nữa Robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc, thích nghi nhanh với việc thay đổi mẫu mã, kích cỡ của sảm phẩm theo yêu cầu của thị trường. - Có khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là bởi vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động nhất là ở các nước phát triển có mức tiền lương của người lao động rất cao, cộng với các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội. Theo số liệu của Nhật Bản thì Robot làm việc thay cho một người thợ thì tiền mua Robot chỉ bằng tiền chi phí cho người thợ trong vòng 3-5 năm, tuỳ theo Robot làm việc một ngày mấy ca. Còn ở Mỹ, trung bình trong mỗi giờ làm việc Robot có thể đem lại tiền lợi là 13 USD. ở nước ta trong những năm gần đay có nhiều doanh nghiệp có khoản chi phí về lương bổng cũng chiếm tỷ lệ cao trong giá thành sản phẩm. Hình 1-2: ứng dụng Robot phục vụ máy công cụ - Việc ứng dụng Robot có thể làm tăng năng suất của dây truyền công nghệ. Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây truyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng Robot thì thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi. Theo tài liệu của Fanuc-Nhật Bản thì năng xuất có khi tăng 3 lần. - ứng dụng Robot có thể cải thiện được điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải lao động suốt buổi trong môi trường bụi bặm, 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... Hình 1-3: ứng dụng Robot trong quá trình hàn Các bước ứng dụng Robot: Việc ưu tiên đầu tư trước hết để nhằm để đồng bộ hoá cả hệ thống thiết bị, rồi tự động hoá và Robot hoá chúng khi cần thiết để quyết định đầu tư cho cả dây truyền công nghệ hoặc chỉ ở một vài công đoạn. Người ta thường xem xét các mặt sau: - Nghiên cứu quá trình công nghệ được Robot hoá và phân tích toàn bộ hệ thống nếu không thể hiện rõ thì việc đầu tư Robot hoá là chưa nên. - Xác định các đối tượng cần Robot hoá: Khi xác định cần phải thay thế Robot ở những nguyên công nào thì phải xem xét khả năng liệu Robot có thay thế được không và có hiệu quả hơn không. Thông thường người ta ưu tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, bụi bặm ồn ào, độc hại, căng thẳng hoặc quá đơn điệu. Xu hướng thay thế hoàn toàn bằng Robot thực tế không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà đòi hỏi sự khéo léo của con người. - Xây dựng mô hình quá trình sản xuất đã được Robot hoá: Sau khi đã xác định được mô hình tổng thể quá trình công nghệ, cần xác định rõ dòng chuyển dịch nguyên liệu và dòng thành phẩm để đảm bảo sự nhịp nhàng đồng bộ của từng hệ thống. Có thế mới phát huy được hiệu quả đầu tư vốn. - Chọn lựa mẫu Robot thích hợp hoặc chế tạo Robot chuyên dùng. Đây là bước quan trọng vì Robot có rất nhiều loại với giá tiền khác nhau. Nếu như không chọn đúng thì không những đầu tư quá đắt mà còn không phát huy được hết khả năng, như kiểu dùng người không đúng chỗ. Việc này thường xảy ra khi mua Robot nước ngoài, có những chức năng Robot được trang bị nhưng không cần dùng cho công việc cụ thể mà nó đảm nhiệm dây truyền sản xuất, vì thế mà đội giá lên rất cao, chỉ có lợi cho nơi cung cấp thiết bị. Cấu trúc Robot hợp lý nhất là cấu trúc theo modun hoá, như thế có thể hạ được giá thành sản xuất, đồng thời đáp ứng được nhu cầu phục vụ công việc đa dạng. Cấu trúc càng đơn giản càng dễ thực hiện với độ chính xác cao và giá thành hạ. Ngoài ra còn có thể tự tạo dựng các Robot thích hợp với công việc trên cơ sở mua lắp các modun chuẩn hoá. Đó là hướng triển khai hợplý đối với đại bộ phận xí nghiệp trong nước hiện nay cung như trong tương lai. 3. Các lĩnh vực ứng dụng Robot trong công nghiệp. - Một trong các lĩnh vực hay ứng dụng Robot là kỹ nghệ đúc. Thường trong phân xưởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực, bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác. Việc tự động hoá toàn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng các dây truyền tự động thông thường với các máy tự động chuyên dùng đòi hỏi phải có các thiết bị phức tạp, đầu tư khá lớn. Ngày náy ở nhiều nước trên thế giới Robot được dùng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc, nhưng chủ yếu là để phục vụ các máy đúc áp lực. Robot có thể làm được nhiều việc như rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát... Dùng Robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều ưu điểm: đảm bảo ổn định chế độ làm việc, chuẩn hoá về thời gian thao tác, về nhiệt độ và điều kiện tháo vật đúc ra khỏi khuôn ép... bởi thế chất lượng vật đúc tăng lên. Trong nghành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phần xưởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng Robot công nghiệp. Trong phân xương rèn, robót có thể thực hiện những công việc: đưa phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung ra khỏi lò, mang nó đến máy rèn, chuyển lại phôi sau khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc thùng... Sử dụng các loại Robot đơn giản nhất cũng có thể đưa năng xuất lao động tăng lên 1,5-2 lần và hoàn toàn giảm nhẹ lao động của công nhân. So với các phương tiện cơ giới và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì dùng Robot có ưu điểm là nhanh hơn, chính xác hơn và cơ động hơn. Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng Robot công nghiệp (hình 1-4). Hình 1- 4: ứng dụng Robot trong quá trình nhiệt luyện Khi sử dụng Robot trong việc hàn, đặc biệt là hàn hồ quang với mối hàn chạy theo đường cong không gian cần phải đảm bảo sao cho điều chỉnh được phương và khoảng cách của điện cực so với mặt phẳng của mối hán. Nhiệm vụ đó cần được xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng hệ thống điều khiển có liên hệ phản hồi. Kinh nghiệm cho thấy rằng có thể thực hiện tốt công việc nếu thống số chuyển động của đầu điện cực và chế độ hàn được điều khiển bằng một chương trình thống nhất, đồng thời nếu được trang bị các bộ phận cảm biến, kiểm tra và điều chỉnh. Ngoài ra Robot hàn còn phát huy tác dụng lớn khi hàn trong những môi trường đặc biệt. - Robot được dùng khá rộng rãi trong gia công và lắp ráp. Thường thường người ta sử dụng Robot chủ yếu vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động... Trong nghành chế tạo máy và dụng cụ đo chi phí về lắp ráp thường chiếm đến 40% giá thành sản phẩm. Trong khi đó mức độ cơ khí hoá lắp ráp không quá 10-15% đối với sản phẩm hàng loạt và 40% đối với sản xuất hàng loạt lớn. Bởi vậy, việc tạo ra và sử dụng Robot lắp ráp có ý nghĩa rất quan trọng. Phân tích quá trình lắp ráp chúng ta thấy rằng con người khi gá đặt các chi tiết để lắp chúng với nhau thì có thể làm nhanh hơn các thiết bị tự động. Nhưng khi thực hiện các động tác khác trong quá trình ghép chặt chúng thì chậm hơn. Bởi vậy yếu tố thời gian và độ chính xác định vị là vấn đề quan trọng cần quan tâm nhất khi thiết kế các loại Robot lắp ráp. Ngoài ra, yêu cầu hiện nay đối với các loại Robot lắp ráp là nâng cao tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại công việc, hạ giá thành và dễ thích hợp với việc sản xuất loạt nhỏ. Ngày nay đã xuất hiện nhiều loại dây chuyền tự động gồm các máy vạn năng và Robot công nghiệp. Các dây chuyền đó đạt mức độ tự động cao, tự động hoàn toàn, không có con người trực tiếp tham gia, rất linh hoạt và không đòi hỏi đầu tư lớn. ở đây các nhà máy và Robot trong dây chuyền được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình. Trong một dây chuyền tự động có các máy điều khiển theo chương trình Robot có thể đứng một chỗ hoặc theo di động trên đường ray. Kỹ thuật Robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hoá sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, Robot và máy điều khiển theo chương trình đã cho phép tìm được những phương thức mới mẻ để tạo nên các dây chuyền tự động cho sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu, loại sản phẩm. Dây chuyền tự động “cứng” gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhiều thời gian để thiết kế và chế tạo trong lúc quy trình công việc luôn luôn cải tiến, nhu cầu đối với chất lượng và quy cách của sản phẩm luôn luôn thay đổi. Bởi vậy nhu cầu “ mềm” hóa hay là linh hoạt hoá dây chuyền sản xuất ngày càng tăng. Kỹ thuật công nghiệp và máy tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt. Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá sản xuất, trong những năm gần đây không chỉ các nhà khoa học mà cả các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất tự động linh hoạt, gọi tắt là hệ sản xuất linh hoạt. Hệ sản xuất linh hoạt ngày nay thường bao gồm các thiết bị gia công được điều khiển bằng chương trình số, các phương tiện vận chuyển, kho chứa trong phân xưởng đã được tự động hoá và nhóm Robot công nghiệp ở vị trí trực tiếp làm việc với các thiết bị gia công hoặc thực hiện các nguyên công phụ. Việc điều khiển và kiểm tra điều khiển toàn hệ sản xuất linh hoạt là rất thích hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa, thích hợp với yêu cầu luôn luôn thay đổi chất lượng sảm phẩm và quy trình công nghệ. Bởi vậy ngày nay hệ sản xuất linh hoạt thu hút sự chú ý không những ở các nước phát triển mà ngay cả ở các nước đang phát triển. Trong một số tài liệu nước ngoài hệ FMS (Flexible Manufacturing System) này được diễn giải như hệ thống sản xuất linh hoạt, hoàn toàn tự động từ khâu tính toán thiết kế, điều hành sản xuất, gia công và các công việc phụ khác… tất cả đều được điều khiển bởi các máy tính và các phần mềm được lập trình sẵn. Tỷ lệ phân bố các loại công việc được dùng Robot: 1. Đúc áp lực 18,3% 2. Hàn điểm 14,7% 3. Hàn hồ quang 12,3% 4. Cấp thoát phôi 9,6% 5. Lắp ráp 9,5% 6. Nghiên cứu, đào tạo 5,7% 7. Phun phủ bề mặt 5,7% 8. Nâng chuyển sắp xếp 3,9% 9. Các việc khác 30,3% Sự phân bố tỷ lệ các loại Robot với các loại phương pháp điều khiển khác nhau: a. Tay máy điều khiển bằng tay: 4% b. Robot được điều khiển theo chu kỳ cứng: 59% c. Robot được điều khiển theo chu kỳ thay đổi theo chương trình: 11% d. Robot được điều khiển dùng chương trình dạy học: 18% e. Robot điều khiển theo chương trình số: 5% f. Robot được điều khiển có sử lý tinh khôn: 3% 4. Nội dung nghiên cứu phát triển Robot công nghiệp: 4.1. Nhận xét về quá trình phát triển Robot công nghiệp. Ra đời từ những năm năm mươi, Robot công nghiệp đã có những bước phát triển quan trọng. Từ những năm 1960 do sự phát hiện máy vi tính Robot công nghiệp đã tiếp thu được thành tựu mới đó và ngày càng hấp dẫn. Cao trào phát triển vào những năm 70 và đánh dấu bằng hội nghị quốc tế lần thứ 6 về “ Thiết kế chế tạo và ứng dụng Robot công nghiệp” tại Chicago năm 1972, sau đó lại lắng dần xuống, nhất là sau khủng hoảng dầu mỏ 1975, như để rút kinh nghiệp áp dụng vào chỗ nào là phát huy hiệu quả hơn. Đến những năm 80 thì xuất hiện nhu cầu hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS ( Flexible Manufacturing System) mà Robot như là bộ phận cấu thành FMS. Nhu cầu đó kích thích sự phát triển của Robot công nghiệp. Trong năm 90 Robot công nghiệp cũng có bước phát triển mới theo hướng đồng bộ hệ thống trên cơ sỏ vận dụng những thành tựu của công nghệ thông tin ứng dụng. Bản thân phần kỹ thuật Robot công nghiệp cũng thể hiện các xu thế phát triển sau đây: 1/ Trong giai đoạn đầu phát triển, người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị nhiều loại cảm biến(sensor) để có thể thực hiện được những công việc phức tạp, như là để chứng tỏ khả năng thay thế con người trong nhiều loại hình công việc. 2/ Khi đã tìm được các địa chỉ ứng dụng trong công nghiệp, thì việc đơn giản hoá kết cấu để tăng độ chính xác định vị và giảm giá thành đầu tư lại là những yêu cầu thực tế đối với thị trường hành hoá cạnh tranh. Ngày càng có nhiều cải tiến trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của các thiết bị điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình... 3/ Để mở rộng phạm vi ứng dụng cho Robot công nghiệp nhằm thay thế lao động với nhiều loại hình công việc, ngày càng rõ nét về xu thế tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc. Các thành tựu khoa học và tiến bộ kỹ thuật laser, kỹ thuật tia hồng ngoại, kỹ thuật xử lý ảnh... đã ngày càng hiện thực xu thế phát triển Robot công nghiệp hướng vào việc thích nghi được với môi trường làm việc. 4/ Cùng với các xu thế trên Robot công nghiệp luôn luôn được định hướng tăng cường năng lực xử lý công việc để trở thành các Robot tinh khôn nhờ áp dụng các kết quả nghiên cứu về hệ điều khiển nơron và trí khôn nhân tạo... 4.2 Cơ-tin- điện tử và Robot công nghiệp. Cơ-tin-điện tử và Robot công nghiệp là hai lĩnh vực khoa học kỹ thuật cao rất gắn bó với nhau.ở một số nước chúng kết hợp với nhau như là một ngành học.Trong Robot công nghiệp có hầu hết các vấn đề của cơ điện tử. Đồng thời phát triển của cơ điện tử cũng đều phản ánh trong kỹ thuật Robot. Vì vậy để nghiên cứu về Robot cần xem xét các vấn đề về cơ-tin-điện tử. Thuật ngữ cơ- tin- điện tử (mechartonics) thể hiện sự kết hợp giữa cơ học máy với công nghệ thông tin vi điện tử học (micro electronics). ý tưởng chủ yếu ban đầu của cơ-tin-điện tử là cài lên các hệ máy móc các thiết bị điện tử rồi dần dần bản thân bên trong máy cũng thay đổi và chức năng của máy cũng được mở rộng thêm nhiều. Còn về thiết bị điện tử chính xác hơn và vi điện tử thì các tiến bộ mới cũng không ngừng được áp dụng. Từ các mạch tích phân IC (Intergrated circuit), đến các bộ vi sử lý (Microposessor), các bộ điều khiển lập trình được PLC, các máy tính PC... Phần nối ghép thành hệ thống giữa các thiết bị điều khiển vi điển tử với các thiết bị chấp hành trong máy (có thể là các thiết bị cơ, thiết bị thuỷ khí, thiết bị điện hoặc điển từ) chủ yếu là các bộ cảm biến (sensor), các bộ biến đổi (converter) và các thiết bị của công nghệ thông tin. 4.3. Robot và hệ thống sản xuất linh hoạt. Nhu cầu của thị trường cạnh tranh luôn luôn đòi hỏi các nhả sản xuất phải thay đổi mẫu mã, kích cỡ và thường xuyên cải tiến nâng cao chất lượng sản phẩm. Như vậy sự cạnh tranh hành hoá đặt ra một vấn đề thời sự là phải có hệ thống thiết bị sản xuất thay đổi linh hoạt được để có thể đáp ứng được với sự biến động thường xuyên của thị trường. Nhờ sự phát triển trong mấy chục năm gần đây của kỹ thuật số và công nghệ thông tin chúng ta mới có khả năng “ mềm” hoá hệ thống thiệt bị sản xuất. Trên cơ sở đó đẵ ra đời hệ thống sản xuất linh hoạt FMS là phương thức sản xuất linh hoạt hiện đại. Nó có ưu điểm là các thiết bị chủ yếu của hệ thống chỉ đầu tư một lần, còn đáp ứng lại sự thay đổi của sản phẩm bằng phần mềm máy tính điều khiển là chính. Hệ thông FMS rất hiện đại nhưng lại thích hợp với quy mô sản xuất vừa và nhỏ. Ngày nay các nước phát triển các hệ thống FMS có xu hướng thay thế dần các thiết bị tự động “ cứng” sản xuất hàng loạt lớn sản phẩm. Các hệ thống thiết bị tự động cứng này rất đắt tiền mà khi thay đổi về yêu cầu sản phẩm thì phản đổi mới gần như hoàn toàn. Như vậy, chúng nhanh chóng trở nên lạc hậu vì không thích nghi được với thị trường đầy biến động. Hình 1-5: ứng dụng Robot trong dây truyền sản xuất tự động ý tưởng chủ đạo trong việc tổ chức hệ thống sản xuất hiện đại linh hoạt là “linh hoạt hoá” và “modul hoá”. Một hệ thống sản xuất linh hoạt có thể gồm nhiều modul linh hoạt. Một trong những hệ thống như vậy là hệ thống CIM (Computer Intergrated Manufacturing)- Hệ thống tích hợp sản xuất dùng máy tính. Để tạo ra các modul sản xuất linh hoạt đó cần có một Robot như một bộ phận cấu thành. ở đây, Robot làm những công việc chuyển tiếp giữa các máy công tác (ví dụ cấp, thoát phôi và dụng cụ cho các máy công tác). Bản thân cơ cấu tay máy của Robot cũng là một cơ cấu linh hoạt. Đó là cơ cấu không gian hở (không khép kín), có bậc tự do dư thừa nên độ cơ động rất cao. Mỗi khâu của cơ cấu có động lực riêng và chúng được điều khiển bằng chương trình phần mềm thay đổi được. Có loại Robot lại có thể tự thay đổi thao tác của mình một cách linh hoạt khi nhận biết được các tín hiệu từ sự hoạt động của bản thân (nội tín hiệu). Những cơ cấu như vậy là cơ cấu điều khiển linh hoạt. 4.4. Robot song song: Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu động, còn trong Robot song song (RBSS) ở một khâu nào đó có thể nối động với các khâu khác, tức là nối song song với nhau và cùng hoạt động song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng gây nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học. Ví dụ với Robot thông thường thì giải bài toán động học thuận sẽ dễ dàng hơn nhiều so với bài toán động học ngược, còn với Robot song song thì hoàn toàn ngược lại. Vấn đề RBSS trở nên hấp dẫn nhiều nhà nghiên cứu từ giữa thập kỷ 90 khi nó được ứng dụng dưới dạng thiết bị có tên là Hexapod để tạo ra máy công cụ 5 trục CNC có trục ảo. Hexapod là một modul RBSS được kết cấu trên nguyên lý cơ câú Stewart. Cơ cấu này gồm có 6 chân có độ dài thay đổi được, nối với giá và tấm động theo ý muốn. Stewart đã đề xuất sử dụng cơ cấu này để mô phỏng hoạt động của thiết bị bay. Như đã biết, máy cắt gọt CNC 3 trục không đáp ứng được nhu cầu gia công chính xác các bề mặt phức tạp. Vì thế xuất hiện nhu cầu tạo ra các máy CNC 5 trục, tức là ngoài các trục X,Y,Z bổ xung thêm hai trục quay có thể thực hiện được trên bàn máy trên vật gia công hoặc trên giá đỡ trục dụng cụ cắt. Các máy CNC 5 trục này rất đắt tiền (gần gấp đôi máy CNC 3 trục). Nếu sử dụng cơ cấu Hexapod để tạo ra các trục hoặc tạo ra các trục bổ xung thì giá thành máy “CNC trục ảo” này có thể hạ thấp rất nhiều lần. Ngoài các ứng dụng trong nghành chế tạo máy, công cụ RBSS còn được áp dụng hiệu quả trong dụng cụ y học, trong hệ thống mô phỏng, trong thiết bị thiên văn và trong kỹ thuật phòng không ... 4.5. Các xu thế ứng dụng Robot trong tương lai: Robot ngày càng thay thế nhiều lao động ở đây chỉ đề cập đến Robot công nghiệp. Trong tương lai, kỹ thuật Robot sẽ tận dụng hơn nữa các thành tựu khoa học liên nghành, phát triển cả về phần cứng, phần mềm và ngày càng chiếm lĩnh nhiều lĩnh vực trong công nghiệp. Số lượng lao động được thay thế ngày càng nhiều vì: càng ngày giá thành Robot càng giảm, mặt khác chi phí tiền lương và các khoản phụ khác cấp cho người lao động ngày càng cao. Robot ngày càng trở nên chuyên dụng: Khi Robot công nghiệp ra đời, người ta thường cố gắng làm sao để biểu thị hết khả năng của nó. Vì thế xuất hiện rất nhiều loại Robot vạn năng có thể làm được nhiều việc trên dây chuyền. Tuy nhiên thực tế sản xuất chứng tỏ rằng, các Robot chuyển môn hoá đơn giản hơn, chính xác hơn, học việc nhanh hơn và quan trong là rẻ tiền hơn Robot vạn năng. Các Robot chuyên dụng hiện đại đều được cấu tạo thành từ các modul vạn năng. Xu thế modul hoá ngày càng phát triển nhằm chuyên môn hoá việc chế tạo các modul và từ các modul đó sẽ cấu thành nhiều kiểu Robot khác nhau thích hợp cho từng loại công việc. Robot ngày càng đảm nhận nhiều loại công việc lắp ráp: Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây chuyền. Công việc khi lắp ráp là phải đòi hỏi rất cẩn thận, không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần thợ có tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng suất cả ngày. Khả năng thay thế người lao động ở những khâu lắp ráp ngày càng h._.iện thực là do đã áp dụng được nhiều thành tựu mới về khoa học trong việc thiết kế, chế tạo Robot. Ví dụ đã tạo ra những cấu hình đơn giản và chính xác trên cơ sở sử dụng các vật liệu mới vừa bền, vừa nhẹ. Trong đó nên kể đến các loại Robot như Adept Oen, SCARA,... Đồng thời do thừa hưởng sự phát triển kỹ thuật nhận và biến đổi tín hiệu (sensor), đặc kỹ thuật nhận và xử lý tín hiệu ảnh (vision) cũng như kỹ thuật tin học với các ngôn ngữ bậc cao, Robot công nghiệp đã có mặt trên nhiều công đoạn lắp ráp phức tạp. Robot di động ngày càng trở nên phổ biến. Trong các nhà máy hiện đại, tên gọi phương tiện dẫn đường tự động AVG (Automatic Guided Vehicles) đã trở thành quen thuộc. Loại đơn giản là những chiếc xe vận chuyển nội bộ trong phân xưởng được điều khiển theo chương trình với một quỹ đạo định sẵn. Càng ngày các thiết bị loại này cũng được hiện đại hoá nhờ áp dụng kỹ thuật thông tin vô tuyến hoặc dùng tia hồng ngoại... Vì vậy AGV đã có thể hoạt động linh hoạt trong phân xưởng. Đó chính là Robot linh động và còn gọi là robocar. Một hướng phát triển linh hoạt và quan trọng của robocar là không di chuyển bằng các bánh xe mà bằng chân, thích hợp với mọi địa hình. Robot đi được bằng chân có thể tự leo thang, là một đối tượng đang rất được chú ý trong nghiên cứu không những định hướng trong công nghiệp hạt nhân hoặc trong kỹ thuật quốc phòng mà ngay cả trong công nghiệp dân dụng thông thường. ở đây việc tạo ra các cơ cấu chấp hành cơ khí bền vững, nhẹ nhàng, chính xác và linh hoạt như chân người lại là đối tượng nghiên cứu chủ yếu. Robot ngày càng trở nên tinh khôn hơn: Trí khôn nhân tạo là một vấn đề rất được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với các mục đích khác nhau. Kỹ thuật Robot cũng từng bước áp dụng các kết quả nghiên cứu về trí khôn nhân tạo và đưa vào ứng dụng công nghiệp. Trước hết là sử dụng các hệ chuyên gia, các hệ thị giác nhân tạo, mạng nơron và các phương pháp nhận dạng tiếng nói... Cùng với các thành tựu mới trong nghiên cứu về trí khôn nhân tạo, Robot ngày càng có khả năng đảm nhận được nhiều nguyên công trong dây chuyền sản xuất đòi hỏi sự tinh khôn nhất định. Vấn đề thiết bị cảm biến được nhiều ngành kỹ thuật quan tâm và cũng đạt được nhiều thành tựu mới trong thời kì phát triển sôi động của lĩnh vực vi xử lý. Đó cũng là điều kiện thuận lợi trong việc áp dụng chúng trong kỹ thuật Robot nhằm tăng cường khả năng thông minh của thiết bị. Những loại hình được quan tâm nhiều trong công nghiệp là các Robot thông minh có các modul cảm biến để nhận biết được khoảng cách đ tránh vật cản khi thao tác, cảm biến nhận biết được màu sắc khi phân loại, cảm biến nhận biết được lực khi lắp ráp... Khi được lắp thêm các modul cảm biến này Robot được gọi với nhiều tên mới. Vídụ: Robot “nhìn được” (vision Robot), Robot lắp ráp (assembli), Robot cảnh báo (alarm Robot),... Để thông minh hoá Robot bên cạnh việc cài đặt bổ xung các modul cảm biến “nội tín hiệu” và các modul cảm biến “ngoại tín hiệu” thì đồng thời có thể thông minh hoá Robot bằng các chương trình phần mềm có khả năng tự thích nghi và tự xử lý các tình huống... Như vậy bằng cách bổ xung các modul cảm biến và các phần mền phù hợp có thể nâng cấp cải tiến nhiều loại Robot. Tuy nhiên bản thân các Robot này phải có các cơ cấu chấp hành linh hoạt chính xác. Ngày nay có nhiều loại Robot thông minh không những có thể làm việc trong các phân xưởng công nghiệp mà còn thao tác được ở bên ngoài, trên các địa hình phức tạp như các loại Robot vũ trụ (space Robot), Robot tự hành (walking Robot), Robot cần cẩu (Robot crale), tạo dựng từ các modul Robot song song... V. giới thiệu về Robot Hamo. 1. Giới thiệu về Robot Hamô. Trong công nghệ ép nhựa, có một giai đoạn quan trọng đó là giai đoạn thoát phôi. Thông thường, sẽ có một xilanh thuỷ lực riêng để đẩy sản phẩm ra ngoài sau khi đã được làm nguội trong khuôn. Nhưng với những sản phẩm ép cần phải qua một khâu nữa trong quá trình công nghệ, hoặc những sản phẩm có yêu cầu cao về vấn đề vệ sinh, sạch sẽ thì trong một số máy ép nhựa hiện đại có trang bị một tay máy chuyên để gắp sản phẩm ra từ khuôn đúc và đặt ra các vị trí khác như băng chuyền, vị trí gia công tiếp theo…. Những tay máy này sẽ đảm bảo quy trình ép các sản phẩm nhựa tự động hoàn toàn trên một dây chuyền sản xuất, Hamo chính là một trong những tay máy như thế. 2. Cấu trúc tay máy. Tay máy là phần cơ sở, quết định khả năng làm việc của Robot. Đó chính là thiết bị cơ khí đảm bảo cho Robot có khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc, như nâng, hạ, lắp ráp...ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo tay máy là mô phỏng các chức năng làm việc của tay người. Về sau, đây không phải là điều bắt buộc nữa. Tay máy hiện nay rất đa dạng và phong phú và nhiều loại có dáng vẻ khác xa so với con người. Tuy nhiên trong kỹ thuật Robot ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc như vai (shoulder), cánh tay (arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hand), và các khớp (Articulation)..., 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 đến khả năng làm việc của chúng như: Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay,... Tầm với hay vùng làm việc: kích thước, hình dáng vùng mà phần công tác cơ thể với tới. 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. Để định vị và định hướng phần công tác một cách tùy ý trong không gian 3 chiều nó cần 6 bậc tự do, trong đó có 3 bậc tự do để định vị, 3 bậc tự do để định hướng. Một số công việc như nâng, hạ, xếp đỡ... yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo linh hoạt, cần sự tối ưu quỹ đạo thì cấn số bậc tự do lớn hơn 6. Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm các khâu, được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến công tắc. Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay. Hình 1 – 6: Tay máy HARMO UE700SW-2R Tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp mà ta có thể tạo ra tay máy kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, hay toạ độ cầu, SCARA và kiểu tay người. Tay máy kiểu toạ độ đề các: Hay còn gọi là kiểu hình 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 toạ 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 toạ 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 toạ độ đề các được dùng cho vận chuyển và lắp ráp. Tay máy kiểu toạ độ trụ: Khác tay máy kiểu toạ độ Đềcác 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 vào khoảng rỗng nằm ngang. Độ cứng vững của tay máy trụ rất tốt, thích hợp với tải trọng nặng, độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng ngang giảm khi tầm với tăng. Tay máy kiểu toạ độ cầu: Khác kiểu trụ do khớp thứ hai là khớp trượt được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong toạ độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể nhặt được cả vật dưới nền. SCARA được để xuất lần đầu tiên vào năm 1979 tại trường đại học Yahanashi (Nhật bản), dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một tay máy có cấu tạo đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững theo phương được chọn là phương ngang. Loại này chuyên dùng cho lắp ráp, với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của: Selective Compliance Asembly Robot Arm để mô tả các hoạt động trên. Vùng làm việc của SCARA là một hình trục rỗng. Tay máy kiểu tay người: Có cả 3 khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai, khớp thứ 3 là khớp khuỷu tay nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kiểu kết cấu này không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động giữa các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vào phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu. Toàn bộ kết cấu ở trên chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác. Muốn định hướng nó cần bổ xung phần cổ tay. Muốn định hướng một cách tuỳ ý phần cổ tay phải có ít nhất 3 chuyển động quanh 3 trục vuông góc với nhau. Trong trương hợp trục quay 3 khop gặp nhau tại một điểm thì ta gọi đó là khớp cầu. Ưu điểm lớn nhất của khớp cầu là tách được thao tác định vị và định hướng của phần công tác, làm đơn giản cho việc tính toán. Các kiểu khớp khác có thể đơn giản hơn về kết cấu cơ khí, nhưng tính toán toạ độ khó hơn, do không tách được hai loại thao tác nói trên. Phần công tác: Là bộ phận trực tiếp tác động lên đối tượng. Tuỳ theo yêu cầu làm việc mà phần công tác có thể là tay gắn hoặc công cụ . Tay máy trong Robot Harmo: Tay máy Harmo có thể chuyển động theo 4 bậc tự do khác nhau: 3 bậc tịnh tiến theo các phương X, Y, Z và một bậc quay 900 quanh trục X. Các bậc tự do theo Y, Z và quay quanh X thực hiện nhờ các xilanh khí nén, bậc tự do theo phương X được thực hiện nhờ động cơ điện. Chương II nghiên cứu về kết cấu của Robot Hamo I. Nguồn động lực của Robot. Hệ thống tay máy Harmô cấu tạo bởi các khối liên kết cơ khí với nhau, vì thế mà truyền dẫn cơ khí giữa các khâu, các khớp là truyền dẫn cơ khí thuần thuý. Một kết cấu cơ khí chỉ hoạt động khi có nguồn động lực tác động đến nó, ở tay máy này thì có nhiều nguồn động lực khác nhau đó là nguồn động lực từ Động cơ và từ Khí nén để điều khiển các kết cấu cơ khí khác nhau trong tay máy Harmo. Đi vào cụ thể từng nguồn động lực như sau: A. Nguồn động lực là động cơ điện. Hệ thống tay máy Harmo cấu tạo bởi các khối liên kết cơ khí với nhau, vì thế mà truyền dẫn cơ khí giữa các khâu, các khớp là truyền dẫn cơ khí thuần thuý. Một kết cấu cơ khí chỉ hoạt động khi có nguồn động lực tác động đến nó, ở tay máy này sử dụng nhiều nguồn động lực khác nhau: nguồn động lực là động cơ điện và nguồn động lực khí nén để dẫn động các kết cấu cơ khí khác nhau trong tay máy Harmo. 1. Động cơ điện ba pha. 1.1. Khái niệm chung. ở bậc tự do di chuyển theo trục X có sử dụng đến động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha. Động cơ điện làm việc theo nguyên lý cảm ứng từ, có tốc độ quay của roto - n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n1. Động cơ điện không đồng bộ có hai dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp) nối với lưới điện tần số không đổi f. Dây quấn roto (thứ cấp) được nối tắt lại hoặc khép kín qua điện trở. Dòng điện trong dây quấn roto được sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng có tần số f2 phụ thuộc vào tốc độ roto nghĩa là phụ thuộc vào tải ở trên trục của máy. Động cơ điện không đồng bộ so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt. Dưới đây ta chỉ xét động cơ điện không đồng bộ. Động cơ điện không đồng bộ có các loại: động cơ ba pha, hai pha và một pha. Động cơ điện không đồng bộ có công suất lớn trên 600W thường là các động cơ ba pha, trục các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 1200 điện. Các động cơ công suất nhỏ dưới 600W thường là động cơ hai pha hoặc một pha. Động cơ hai pha có 2 dây quấn làm việc, trục của 2 dây quấn đặt lệch nhau trong không gian một góc 900 điện. Động cơ điện một pha, chỉ có một dây quấn làm việc. Các số liệu định mức của động cơ không đồng bộ là: Công suất cơ có ích trên trục Pđm Điện áp dây stato U1đm Dòng điện dây stato I1đm Tần số dòng điện stato f Tốc độ quay roto nđm Hệ số công suất cosjđm Hiệu suất hđm 1.2. Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha. Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ ba pha gồm 2 bộ phận chủ yếu là stato và roto, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy. Trên hình 2.1 vẽ mặt cắt ngang trục máy, cho ta thấy rõ các lá thép stato và roto. a) Stato Stato là phần tĩnh gồm 2 bộ phấn chính là lõi thép và cuộn dây quấn , ngoài ra có vỏ máy và nắp máy. Hình2.1 b) a) Hình 2..2 * Lõi thép. Lõi thép stato hình trụ (hình 2..2a) do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong (hình 2..2), ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép càp trong vỏ máy. * Dây quấn. Dây quấn stato làm bằng dây dẫn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh của lõi thép (hình 2.2a). Trên hình 2.2b vẽ sơ đồ khai triển dây quấn ba pha đặt trong 12 rãnh, dây quấn pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B trong các rãnh 3, 6, 9, 12rãnh, pha C trong các rãnh 5, 8, 11, 2. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba pha dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay. * Vỏ máy. Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang. Dùng để giữ chặt lõi thép và cố định máy trên bệ. Hai đầu vỏ có nắp máy, ổ đỡ trục. Vỏ máy và nắp máy dùng để bảo vệ máy. b) Roto Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy. b) Hình 2.3 * Lõi thép. Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài (hình 2.4a) ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục. * Dây quấn. Dây quấn roto của máy điện không đồng bộ có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi là roto lồng sóc) và roto dây quấn. Loại roto lồng sóc thường có công suất trên 100kW, trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch bằng 2 vòng đồng tạo thành lồng sóc (hình 2.3b) ở động cơ công suất nhỏ, lồng sóc được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch và cánh quạt làm mát (hình 2.3c). Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ không đồng bộ lồng sóc được ký hiệu như hình 2.4d. Loại roto dây quấn, trong rãnh lõi thép roto, đặt dây quấn ba pha. Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và dược cách điện với trục (hình 2.4a). Nhờ ba chổi than tỳ sát vào ba vòng tiếp xúc dây quấn, roto được nối với 3 vòng tiếp xúc, nhờ chổi than dây quấn roto được nối với 3 biến trở bên ngoài, để mở máy hay điều chỉnh tốc độ (hình 2.4b. Loại động cơ này gọi là động cơ không đồng bộ roto dây quấn, trên các sơ đồ điện được ký hiệu như (hình 2.4c). a) b) c) Hình 2- 4 Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo. Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động. 1.3. Từ trường quay của dây quấn ba pha. Dòng điện xoay chiều ba pha có ưu điểm lớn là tạo ra từ trường quay trong các máy điện. a) Sự tạo thành từ trường quay. Trên hình 2.6a,b,c vẽ mặt cắt ngang của máy điện ba pha đơn giản, trong đó dây quấn ba pha đối xứng ở stato AX, BY, CZ đặt trong 6 rãnh. Trục của các dây quấn lệch nhau trong không gian một góc 120o điện. Giả thiết trong 3 dây quấn có dòng điện ba pha đối xứng chạy qua (hình 2.6) iA= Imaxsinwt iB= Imaxsin(wt-1200) iC= Imaxsin(wt-2400) Để thấy rõ sự hình thành từ trường, khi vẽ từ trường ta qui ước chiều dòng điện như sau: - Dòng điện pha nào dương có chiều từ đầu đến cuối pha, đầu được ký hiệu bằng vòng tròn có dấu nhân ở giữa , còn cuối ký hiệu bằng vòng tròn có ấu chấm ở giữa . Dòng điện pha nào âm có chiều và ký hiệu ngược lại, đầu ký hiệu bằng , cuối ký hiệu bằng . Bây giờ ta xét từ trường ở các thời điểm khác nhau: Hình 2.5 - Thời điểm pha wt=900: ở thời điểm này, dòng điện pha A cực đại và dương (Xem hình 2.5a), dòng điện pha B và C âm theo qui định trên, dòng điện pha A dương, nên đầu A ký hiệu là , cuối X ký hiệu là ; dòng điện pha B và C ký hiệu là , cuối Y và Z ký hiệu là (xem hình 2.5a). Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường do các dòng điện sinh ra (hình 2.5a), từ trường tổng có một cực S và một cực N, được gọi là từ trường một đôi cực (p=1). Trục của từ trường tổng trùng với trục dây quấn pha A là pha có dòng điện cực đại. - Thời điểm pha wt=900 +1200: Là thời điểm sau thời điểm đã xét ở trên một phần ba chu kỳ. ở thời điểm này, dòng điện pha B cực đại và dương, các dòng điện pha A và C âm (hình 2.5b). Dùng qui tắc vặn nút chai xác định chiều đường sức từ trường. Ta thấy từ trường tổng đã quay đi một góc là 1200 so với thời điểm trước. Trục của từ trường tống trùng với trục dây quấn pha B là pha có dòng điện cực đại. - Thời điểm pha wt=900+2400: Là thời điểm chậm sau thời điểm đầu 2/3 chu kỳ; lúc này dòng điện pha C cực đại và dương còn dòng điện pha A và B âm (hình 2.5c). Từ trường tổng ở thời điểm này đã quay đi một góc 2400 so với thời điểm đầu. Trục của từ trường tổng trùng với trục của dây quấn pha C là pha có dòng điện cực đại. Qua sự phân tích ở trên, ta thấy từ trường tổng của dòng điện ba pha là từ trường quay. Từ trường quay móc vòng với cả hai dây quấn stato và roto, đó là từ trường chính của máy điện, tham gia vào quá trình biến đổi nằng lượng. Với cách cấu tạo dây quấn như trên, ta có từ trường quay một đôi cực. Nếu thay đổi cách cấu tạo dây quấn, ta có từ trường 2, 3 hay 4 v..v.. đôi cực. b) Đặc điểm của từ trường quay. Từ trường quay của hệ thống dòng điện ba pha đối xứng có 3 đặc điểm quan trọng. - Tốc độ từ trường quay Tốc độ từ trường quay phụ thuộc vào tần số dòng điện stato f và số đôi cực p. Thật vậy, ở hình 2.6 khi dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay được một vòng, do đó trong một giây dòng điện stato biến thiên f chu kỳ, từ trường quay được f vòng. Vậy khi từ trường có một đôi cực, tốc độ của từ trường quay là n1=f vòng/giây. khi từ trường có 2 đôi cực, dòng điện biến thiên một chu kỳ, từ trường quay được f/2 vòng (từ cực N qua S đến N là 1/2 vòng), do đó tốc độ từ trường quay là n1=f/2. một cách tổng quát, khi từ trường quay có p đôi cực, tốc độ từ trường quay (còn gọi là tốc độ đồng bộ) là: (vòng/giây) (2.1a) Hoặc (vòng/phút) (2.1b) - Chiều quay của từ trường. Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự pha của dòng điện. Muốn đổi chiều quay của từ trường ta thay đổi thứ tự hai pha với nhau (hình2.6) Hình 2-6 Thật vậy, ở hình 2.6 khi thứ tự dòng điện các pha cực đại lần lượt là pha A, pha B rồi đến pha C một cách chu kỳ thì từ trường quay từ trục dây quấn pha A đến trục dây quấn pha B rồi đến trục dây quấn pha C một cách tương ứng. Như vậy nếu thay đổi thứ tự hai pha cho nhau, ví dụ dòng điện iB cho vào dây quấn CZ, dòng điện iC cho vào dây quấn BY, từ trướng sẽ quay theo chiều từ trục dây quấn AX đến trục dây quấn CZ (có dòng điện iB) rồi đến trục dây quấn BY (có dòng điện iC), nghĩa là từ trường quay theo chiều ngược lại. - Biên độ của từ trường quay. Từ trường quay sinh ra từ thông f xuyên qua mỗi dây quấn. ví dụ ta xét từ thông của từ trường quay xuyên qua dây quấn AX. Dây quấn các pha lệch về không gian với pha A một góc lần lượt là 1200 , 2400, từ thông xuyên qua dây quấn AX do dây quấn ba pha là: f = fA + fBcos(-1200) + fCcos(-2400) (2.2) = fA - (fB + fC) Hệ thống dòng điện ba pha đối xứng fA + fB + fC=0 hay fB + fC = - fA Do đó: (2.3) Dòng điện iA=Imaxsinwt, nên: Từ thông của dòng điện pha A là: fA =fAmaxsinwt Cuối cùng ta có: f = sinwt Vậy từ thông của từ trường quay xuyên qua dây quấn biến thiên hình sin và có biên độ bằng 3/2 từ trường cự c đại của một pha. fmax= , (2.4) Trong đó là từ thông cực đại của một pha. Đối với dây quấn m pha thì: fmax= (2.5) 1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ trường quay đôi cực, qiau với tốc độ là . Từ trường quay cắt các thanh dẫn của day quấn roto, cảm ứng các sức điện động. Vì dây quấn roto nối ngắn mạch, nên sực điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trong các thanh dẫn roto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện roto, kéo roto quay cùng chiều quây từ trường với tốc độ n. Để minh họa, trên hình 2.7 vẽ từ trường quay tốc độ n1, chiều sức điện đông và dòng điện cảm ứng trong thanh dẫn roto, chiều các lực điện từ Fđt. Khi xác định chiều sức điện động cảm ứng theo qui tắc bàn tay phải, ta căn cứ ào chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn với từ trường. hình 2.7 Nếu coi từ trường đứng yên, thì chiều chuyển động tương đối của thanh dẫn ngược với chiều n1, từ đó áp dụng qui tắc bàn tay phải, xác định được chiều sđđ như hình vẽ (dấu , chỉ chiều đi từ ngoài vào trang giấy). Chiều lực điện từ xác định theo qui tắc bàn tay trái, trùng với chiều quay n1. tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì nếu tốc độ bằng nhau điện cảm ứng, lực điện từ bằng không. Độ chênh lệch giữa tốc độ từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc độ trượt n2. n2= n1- n Hệ số trượt của tốc độ là: s (2.7) Khi roto đứng yên (n=0), hệ số trượt s=1; khi roto quay định mức s=0,02I0,06, tốc độ động cơ là: n= n1( 1 - s ) =(1-s) vg/ph. (2.8) 1.5.Mô hình tính toán của động cơ điện không đồng bộ. a) Phương trình điện áp dây quấn Stato. Dây quấn stato của động cơ điện tương tự như dây quấn sơ cấp của máy biến áp, ta có phương trình điện áp là: (2.9) Trong đó: =R1 + jX1 là tổng trở dây quấn stato. R1 là điện trở dây quấn stato. X1 = 2pfL1 là điện kháng tản dây quấn stato, đặc trưng cho từ thông tản stato. f - tần số dòng điện stato. L1 - điện cảm tản stato. E1 – sức điện động pha stato do từ thông của từ trường quay sinh ra có trị số là E1=4,44fw1kdq1fmax (2.10) w1, kdq1 thứ tự là số vòng dây và hệ số dây quấn của một pha stato. Hệ số dây quấn kdq1<1, nói lên sự giảm sức điện động của dây quấn do quấn rải trên các rãnh và bước rút ngắn, so với quấn tập trung như máy biến áp fmax – biên độ từ thông của từ trường quay. b) Phương trình dây quấn roto. Từ trường chính quay với tốc độ n1, roto quay với tốc độ n vậy từ trường chính quay đối với dây quấn roto tốc độ trượt n2=n1-n. Tần số sức điện động và dòng điện trong dây quấn roto là: f2= (2.11) Tần số dòng điện roto lúc quay bằng hệ số trượt nhân với tần số dòng điện stato f. Lúc roto đứng yên tần số dòng điện roto là f. Sức điện động pha dây quấn roto lúc quay là: E2s=4,44f2w2kdq2fmax (2.12a) =4,44sfw2kdq2fmax (2.12b) w2, kdq2 thứ tự là số vòng dây, hệ số dây quấn của dây quấn roto. Hệ số kdq2<1 nói lên sự giảm sức điện động do dây quấn roto rải trên các rãnh và bước rút ngắn. Khi roto đứng yên s=1, tần số f2=f. Sức điện động dây quấn roto lúc đứng yên là E2=4,44fw2kdq2fmax (2.13) So sánh (2.13) với (2.12b) ta thấy E2s=sE2 (2.14) Sức điện động pha roto lực quay E2s bằng sức điện động pha roto lúc không quay nhân với hệ số trượt s. Cũng tương tự như vậy điện kháng tản dây quấn roto lúc quay là: X2s = 2pf2L2=s. 2pfL2=s.X2 (2.15) Trong đó L2là điện cảm tản pha dây quấn roto, X2=2pfL2 là điện kháng tản roto lúc không quay. Điện kháng tản roto lúc quay bằng điện kháng tản roto lúc không quay nhân với hệ số trượt s. Từ (2.13) và (2.10) ta có tỷ số sđđ pha stato và roto là: ke= ke gọi là hệ số qui đổi sức điện động roto Hình 2.8 Chọn chiều E2s, I2 như hình 2.8. Vì dây quấn roto ngắn mạch, nên phương trình điện áp dây quấn roto quay là: (2.17a) Hoặc: (2.17b) Trong phương trình 2.17 dòng điện roto có tần số f2=sf và trị số hiệu dụng là (2.18) c) phương trình sức từ động của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ làm việc , từ trường quay trong máy do dòng điện của cả hai dây quấn sinh ra. Dòng điện trong dây quấn stato sinh ra từ trường quay stato quay tốc độ n1 đối với stato. Dòng điện trong dây quấn roto sinh ra từ trường quay roto, quay đối với roto tốc độ: Vì roto quay đối với stato tốc độ là n, cho nên từ trường roto sẽ quay đối với stato với tốc độ là: n2 + n = sn1 + n =sn1 + n1(1-s) =n1 Như vậy từ trường quay stato vf từ trường quay roto không chuyển động tương đối với nhau. Từ trường tổng hợp của máy sẽ là từ trường quay với tốc độ n1. Cũng lý luận như ở máy biến áp, từ thông fmax có trị số hầu như không đổỉ ứng với chế độ không tải và chế độ có tải. Do đó ta có thể viết được phương trình sức từ động của động cơ: m1w1kdq1 - m2w2kdq2= m1w1kdq1 Trong đó: là dòng điện stato lúc không tải , là dòng điện stato và roto khi động cơ kéo tải; m1,m2 là số pha của dây quấn stato và roto. Các hệ số m1w1kdq1, m2w2kdq2 nói lên từ trường quay do đồng thời m1 pha stato và m2 pha roto sinh ra và có xét đến số vòng dây và cấu tạo các dây quấn. Dấu trừ trước I2 vì ta chọn chiều I2 không phù hợp với chiều từ thông theo qui tắc vặn nút chai. Chia hai vế cho m1w1kdq1 và đặt: (2.19) Ta có: = + là dòng điện roto qui đổi về stato, hệ số ki= (2.20) gọi là hệ số qui đổi dòng điện roto. 1.6. Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ. Động cơ điện không đồng bộ nhận điện năng của lưới điện, nhờ từ trường quay, điện năng đã được biến thành cơ năng. Đồ thị quá trình năng lượng được vẽ trên hình 2.9, trong đó khi số pha stato m1=3 P1 – công suất điện động cơ tiêu thụ của lưới điện P1=3U1I1cosj Trong đó U1, I1 là điện áp pha và dòng điện pha. Hình 2-9 Pđt – công suất điện từ: Pđt=3 (2.21) Pcơ - công suất cơ trên trục: Pcơ=3 (2.22) P2 – công suất cơ hữu ích trên trục động cơ: P2=Pcơ - DPcf Hiệu suất của động cơ điện: h== DP là tổng các công suất tổn hao trong máy: DP = DPstl+DPđ1 +DPđ2 + DPcf DPstl : tổn hao sắt từ trong lõi thép stato do dòng điện xoáy và từ trễ DPđ1 : tổn hao trên điện trở dây quấn stato DPđ1=3R1I12 DPđ2 : tổn hao trên điện trở dây quấn stato DPđ2=3R2I22 DPcf : tổn hao cơ do ma sát ổ trục, quạt gió và tổn hao phụ.T Tổn hao sắt từ trong lõi thép roto nhỏ (có thể bỏ qua vì tần số dòng điện roto nhỏ.) Thông thường người ta xác định gần đúng hiệu suất như sau: h= (2.23) Trong đó: kt= hệ số tải. P0 =DPst + DPcf tổn hao không tải Pn là tổng tổn hao trên điện trở dây quấn stato và rotokhi dòng điện bằng dòng định mức. Hiệu suất định mức của động cơ điện không đồng bộ khoảng 0,75á0,95. 1.7. Mô men quay của động cơ không đồng bộ ba pha ở chế độ động cơ điện, mômen điện từ đóng vai trò mômen quay, được tính là: M=Mđt = (2.24) - Pđt là công suất điện từ được tính theo (2.21) Pđt=3 (2.25) - w1 là tần số góc của từ trường quay: w1= (2.26) w là tần số góc dòng điện stato p là số đôi cực từ. Dựa vào sơ đồ gần đúng (2.10) Hình 2-10 Dòng điện I’2 được tính là: (2.27) Thay (2.27) ,(2.25) vào (2.24) cuối cùng ta có: M= (2.28) Trên hình 2.11a vẽ quan hệ mômen theo hệ số trượt M=f(s) Nếu thay s= ta sẽ có quan hệ n=f(M), đó là đường đặc tính cơ bản của động cơ không đồng bộ (hình 2.11 b) Hình 2-11 Động cơ sẽ làm việc ở điểm mômen quay bằng mômen cản Mc. Các đặc điểm của mômen quay động cơ không đồng bộ: a) Mômen tỷ lệ với bình phương điện áp, nếu điện áp đặt vào động cơ thay đổi, mômen động cơ thay đổi rất nhiều. Trên hình 2.13a vẽ đường M=f(s) với các điện áp khác nhau U1’ < U1. b) Mô men có trị số cực đại Mmax ứng với giá trị tới hạn sth và Mmax là: sth=ằ (2.29) Mmax=ằ (2.30) Hình 2-12 Hệ số trượt tới hạn sth tỷ lệ thuận với điện trở roto, còn Mmax không phụ thuộc vào điện trở roto, khi cho thêm điện trở phụ Rp vào roto, đường đặc tính M = f(s) thay đổi như hình 2.12b. Tính chất này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ và mở máy động cơ roto dây quấn. Quan hệ giữa M, Mmax và sth có thể viết gần đúng như sau: M= (2.31) Thay s=1 vào biểu thức 2.28, mô men mở máy động cơ là: Mmở= (2.32) Đối với động cơ lồng sóc thường cho các tỷ số sau: =1,1 á1,7 ; 1.8 Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha. Động cơ không đồng bộ ba pha có mômen mở máy. Để mở máy được, mômen mở máy động cơ phải lớn hơn mômen cản của tải lúc mở máy, đồng thời mômen động cơ phải đủ lớn để thời gian mở máy trong phạm vi cho phép. Khi mở máy, hệ số trượt s=1, theo sơ đồ thay thế gần đúng, dòng điện pha lúc mở máy: Ipmở= Dòng điện mở máy lớn bằng 5á7 lần dòng điện định mức. Đối với lưới điện công suất nhỏ sẽ làm cho điện áp mạng điện tụt xuống, ảnh hưởng đến sự làm việc của các thiết bị khác. Vì thế ta cần có các biện pháp giảm dòng điện mở máy. Mở máy động cơ roto dây quấn. Khi mở máy, dây quấn roto được nối với biến trở mở máy (hình 2.14a). Đầu tiên để biến trở lớn nhất, sau đó giảm dần đến không. Đường đặc tính mômen ứng với các giá trị Rmở vẽ trên hình 2.14b. Muốn mômen mở máy cực đại, hệ số trượt tới hạn phải bằng 1: sth= (2.33) Từ đó xác định được điện trở Rmở cần thiết. Khi có Rmở dòng điện mở máy là: Ipmở= Nhờ có dòng điện mở máy giảm xuống. Như vậy, có Rmở mô men mở máy tăng, dòng điện mở máy giảm, đó là ưu điểm lớn của động cơ roto dây quấn. Hình 2-14 b) Mở máy động cơ lồng sóc. Hình 2-15 Hình 2-16 *Mở máy trực tiếp: Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ điện vào lưới điện (hình 2.15). Khuyết điểm của phương pháp này là dòng điện mở máy lớn, làm tụt điện áp mạng điện rất nhiều, nếu quán tính của máy lớn, thời gian mở má sẽ rất lâu, có thể làm chảy cầu chỉ bảo vệ. Vì thế phương pháp này dùng được khi công suất mạng điện (hoặc nguồn điện) lớn hơn công suất động cơ rất nhiều, việc mở máy sẽ rất nhanh và đơn giản. * Giảm điện áp stato khi mở máy Khi ta mở máy giảm điện áp đặt vào động cơ, để giảm dòng điện mở máy. Khuyết điểm của phương pháp này là mômen mởmáy giảm rất nhiều, vì thế nó chỉ sử dụng được đối với trường hợp không yêu cầu mômen mở máy lớn. Có các biện pháp giảm điện áp như sau: - Dùng điện kháng nối tiếp vào mạch stato. Điện áp mạng điện đặt vào động cơ qua điện kháng ĐK (hình 2.16). lúc mở máy cầu dao D2 mở, cấu dao D1 đóng. Khi động cơ đã quay ổn định thì đóng cầu dao 2 để ngắn mạch điện kháng. Nhờ có điện áp rơi trên điện kháng, điện áp trực tiếp đặ vào động cơ giảm đi k lần. Dòng điện sẽ giảm đi k lần, song mômen giảm đi k2 lần (vì mômen tỷ lệ với bình phương điện áp). - Dùng máy tự biến áp. Điện áp mạng điện đặt vào sơ cấp máy tự biến áp (hình 2.17). Điện áp thứ cấp máy tự biến áp đưa ._.thời có cả lệnh quay bàn kẹp thẳng đứng (quay đến vị trí HORIZONTAL ) và lệnh quay bàn kẹp ngang (vị trí VERTICAL) thì cả hai câu lệnh này sẽ không được thực hiện và bàn kẹp sẽ không quay mà giữ nguyên vị trí cũ. Muốn quay bàn kẹp thẳng đứng thì phải tắt lệnh quay bàn kẹp ngang và ngược lại. Vì van V3 là van điện từ nên các lệnh quay bàn kẹp thẳng đứng và quay bàn kẹp ngang không cần phải giữ để cho lệnh thực hiện như các lệnh khác, khi có đồng thời cả hai lệnh quay thì cả hai cuộn dây ở hai đầu van đều có điện, và như thế là đồng thời một lúc có hai lực điện từ ở hai đầu cùng hút con trượt của van về hai phía dẫn tới kết quả là van không dịch chuyển nghĩa là không có câu lệnh nào được thực hiện. Tóm lại bàn kẹp sẽ chỉ quay khi chỉ có một lệnh quay tác động tới van. + Tương tự như trên, khi có đồng thời cả hai lệnh chạy ra xa gốc toạ độ theo phương OX và lệnh chạy về gốc toạ độ thì cả hai lệnh này đều không được thực hiện, Robot sẽ đứng im và INVERTER sẽ báo lỗi “err” (error) Lập trình PLC cho Robot hoạt động theo mô hình đã xây dựng 2.1. Mô hình gắp chi tiết dạng hình trụ Các thao tác của Robot trong chu trình gắp chai: Gắp các chai từ trong mô hình và thả ra bốn vị trí khác nhau theo phương OX + Thao tác 1: Đưa tay máy đi ra theo phương OY + Thao tác 2: Đưa tay máy xuống dưới theo phương OZ lần 1 + Thao tác 3: Sau khi tay máy đã được đưa xuống vị trí thấp nhất (vị trí kẹp chai) thì tiến hành kẹp chặt chi tiết + Thao tác 4: Sau khi chi tiết đã được kẹp chặt thì đưa tay máy đi lên theo phương OZ lần 1. + Thao tác 5: Đưa tay máy đi vào theo phương OY + Thao tác 6: Đưa tay máy đi ra theo phương OX. + Thao tác 7: Sau khi tay máy đã được di chuyển tới vị trí cần thả chi tiết theo phương OX thì quay bàn kẹp nằm ngang (vị trí HORIZONTAL) + Thao tác 8: Đưa tay máy đi xuống theo phương OZ lần thứ 2 + Thao tác 9: Sau khi tay máy đã được hạ xuống thấp tới vị trí thả chi tiết thì tiến hành nhả kẹp + Thao tác 10: Sau khi nhả kẹp đưa tay máy đi lên theo phương OZ lần thứ 2 + Thao tác 11: Quay bàn kẹp thẳng đứng (vị trí VERTICAL). + Thao tác 12: Đưa tay máy trở về vị trí Home theo phương OX, hoàn tất một chu trình gắp chai ra. Sau khi gắp hết các chai từ mô hình và thả ra bốn vị trí khác nhau, Robot sẽ tự động gắp các chai đó thả vào mô hình, chu trình ngược này gồm các thao tác: + Thao tác 13: Đưa tay máy đi ra theo phương OX + Thao tác 14: Sau khi tay máy đã được đưa ra đến vị trí cần kẹp chi tiết theo phương OX thì quay bàn kẹp tới vị trí nằm ngang (horizontal) + Thao tác 15: Sau khi quay bàn kẹp nằm ngang thì đưa tay máy đi xuống theo phương OZ tới vị trí kẹp chi tiết. + Thao tác 16: Kẹp chặt chi tiết + Thao tác 17: Sau khi đã kẹp chặt chi tiết thì đưa tay máy đi lên theo phương OZ + Thao tác 18: Đưa tay máy đi vào theo phương OX + Thao tác 19: Sau khi tay máy đã được đưa về vị trí Home (vị trí thả chi tiết) thì nhả kẹp và hoàn tất một chu trình gắp chai vào. Các tín hiệu điều khiển cần có để điều khiển các hoạt đông (thao tác) của Robot. + Tín hiệu điều khiển dạng xung giữ (tác dụng xung xong và giữ xung tác động đó cho đến khi không cần tín hiệu điều khiển nữa hay đến khi cần tắt tín hiệu điều khiển thì dừng việc giữ lại) tới cuộn dây điện từ bên dưới của van điện từ V2 để điều khiển piston xy lanh X2 thực hiện nhiệm vụ đưa tay máy đi ra theo phương OY. Tín hiệu này được cấp ở đầu ra có địa chỉ CH010.03 + Tín hiệu điều khiển dạng xung giữ cấp tới cuộn dây điện từ bên dưới của van điện từ V4 để điều khiển piston xy lanh X4 thực hiện nhiệm vụ đưa tay máy xuống thấp theo phương OZ. Tín hiệu điều khiển này được cấp ở đầu ra có địa chỉ CH010.04. + Tín hiệu điều khiển dạng xung không cần giữ cấp tới cuộn dây điện từ bên dưới của van điện từ thuần tuý V3 để điều khiển piston xy lanh X3 thực hiện nhiệm vụ quay bàn kẹp tới vị trí thẳng đứng (vị trí VERTICAL). Tín hiệu này được cấp ở địa chỉ CH01005. + Tín hiệu điều khiển dạng xung không cần giữ cấp tới cuộn dây điện từ bên trên của van điện từ thuần tuý V3 để điều khiển piston xy lanh X3 thực hiện nhiệm vụ quay bàn kẹp tới vị trí nằm ngang (vị trí HORIZONTAL). Tín hiệu này được cấp ở địa chỉ CH01006. + Tín hiệu điều khiển dạng xung giữ cấp tới INVERTER để điều khiển động cơ ba pha thực hiện nhiệm vụ đưa tay máy đi về theo phương OX. Tín hiệu điều khiển này được cấp ở đầu ra có địa chỉ CH01001. + Tín hiệu điều khiển dạng xung giữ cấp tới INVERTER để điều khiển động cơ ba pha thực hiện nhiệm vụ đưa tay máy đi ra theo phương OX. Tín hiệu điều khiển này được cấp ở đầu ra có địa chỉ CH01002. + Tín hiệu điều khiển dạng xung giữ cấp tới IVERTER để dặt tốc độ cho động cơ ba pha chạy với tốc độ chậm. Tín hiệu này được cấp ở địa chỉ CH01000. + Tín hiệu điều khiển dạng xung giữ cấp tới van điện từ V1 điều khiển piston xy lanh X1 thực hiện nhiệm vụ kẹp chặt chi tiết. Tín hiệu này được cấp ở đầu ra có địa chỉ CH01007. Các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến và Encorder. Tín hiệu phản hồi từ cảm biến điện từ số 1 gắn trên bậc tự do tịnh tiến theo phương OX báo hiệu tay máy đang ở vị trí Home. Tín hiệu này được nạp vào PLC ở địa chỉ CH00001. Tín hiệu phản hồi từ công tắc từ số 2 gắn trên bậc tự do tịnh tiến theo phương OX báo hiệu tay máy đã dịch chuyển hết hành trình có thể theo phương OX, từ đó bộ điều khiển trung tâm sẽ dừng lệnh di chuyển theo phương OX. Tín hiệu này được nạp vào PLC ở đầu vào có địa chỉ CH00002. Tín hiệu phản hồi từ công tắc từ số 3 và số 4 gắn trên bậc tự do tịnh tiến ra vào theo phương OY. Công tắc từ số 3 báo hiệu tay máy đang ở vị trí Home theo phương OY và nó được nạp vào PLC ở đầu vào có địa chỉ CH00003. Còn công tắc từ số 4 báo hiệu tay máy đang ở vị trí bên ngoài theo phương OY, và tín hiệu này được nạp vào PLC ở đầu vào có địa chỉ CH00004. Tín hiệu phản hồi từ cẩm biến điện từ số 5 và số 6 gắn trên bậc tự do chuyển động tịnh tiến lên xuống theo phương OZ. Cảm biến điện từ số 5 báo hiệu tay máy đang ở vị trí trên cao. Tín hiệu này được nạp vào PLC ở đầu vào có địa chỉ CH00005. Cảm biến điện từ số 6 có vai trò báo hiệu tay máy đang ở vị trí thấp nhất, tín hiệu này được nạp vào PLC ở đầu vào có địa chỉ CH00006. Tín hiệu phản hồi từ các cảm biến số 7 và số 8 gắn trên bậc tự do quay quanh trục song song với trục OX. Tín hiệu từ cảm biến điện từ số 7 báo cho bộ điều khiển trung tâm của Robot biết bàn kẹp đang có vị trí nằm ngang (vị trí HORIZONTAL), tín hiệu này được nạp vào PLC ở đầu vào có địa chỉ CH00007. Còn tín hiệu từ cảm biến số 8 báo cho bộ điều khiển trung tâm biết bàn kẹp đang ở vị trí thẳng đứng (vị trí VERTICAL). Tín hiệu này được nạp vào PLC ở đầu vào có địa chỉ CH00008. - Tín hiệu phản hồi từ ENCORDER: Trong quá trình hoạt động (làm việc), thì chuyển động của tay máy theo phương OX được thực hiện bằng động cơ điện nên ta có thể điều khiển cho động cơ dừng bất kỳ lúc nào. Điều này tương đương với tay máy có thể có các vị trí bất kỳ theo phương OX. Do đó vị trí của tay máy theo phương OX so với gốc toạ độ (gốc Home) không thể được nhận biết thông qua các cảm biến vị trí mà phải được xác định thông qua quãng đường mà nó đã dịch chuyển được so với gốc Home. Quãng đường dịch chuyển này lại được xác định một cách gián tiếp thông qua số xung mà ENCORDER đã cung cấp (phát ra) (mỗi một xung tương đương với một quãng đường 1cm theo phương OX). Tín hiệu từ ENCORDER được nạp vào PLC thông qua đầu vào có địa chỉ CH00000. Một số yêu cầu khác đối với Robot khi hoạt động: + Trước và sau khi kẹp chi tiết cũng như trước và sau khi nhả kẹp thì Robot phải tạm dừng mọi chuyển động để toàn bộ hệ thống đạt tới trạng thái ổn định (không còn rung động). Có như thế thì việc kẹp và thả chi tiết mới đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Nếu không Robot sẽ kẹp (thả) chi tiết trong trạng thái hệ thống đang rung động dẫn tới việc kẹp chi tiết sẽ không chính xác, chi tiết có thể không được thả đúng vị trí yêu cầu hoặc nếu có thả đúng vị trí thì chi tiết cũng khó có thể đứng vững được. đ cần phải có các đồng hồ định giờ đảm nhiệm việc tạm dừng tất cả các hoạt động của Robot trước và sau khi kẹp, nhả kẹp. + Để xác định vị trí của Robot theo phương OX thì cần phải xác định số xung mà ENCORDER phát ra đ cần phải có bộ đếm các xung phát ra từ ENCORDER. Trong cả chương trình hoạt động, Robot sẽ gắp tất cả 4 chai nhựa và thả ra 4 vị trí khác nhau theo phương OX. Vậy để xác định 4 vị trí thả chi tiết theo phương OX đó ta cần phải sử dụng 4 bộ đếm khác nhau, mỗi một bộ đếm sẽ đảm nhiệm việc xác định một vị trí. Bảng kê các thao tác của Robot trong quá trình hoạt động và các tín hiệu điều khiển cần thiết cũng như các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến Thứ tự Thao tác Tín hiệu điều khiển yêu cầu Tín hiệu phản hồi từ cảm biến Các chức năng phụ khác Gắp chai ra 1 Đưa tay máy đi ra theo phương OY lần 1 1003- giữ 04 2 Đưa tay máy đi xuống theo phương OZ lần1 1004-giữ 06 Tạm dừng 3 Kẹp chi tiết 1007-giữ Tạm dừng 4 Đưa ra máy đi lên theo phương OZ lần 1 -thôi giữ 05 5 Đưa tay máy đi vào theo phương OY - thôi giữ -thôi giữ 03 6 Đưa tay máy đi ra theo phương OX 1002- giữ Bộ đếm 7 Quay bàn kẹp nằm ngang 1006 08 8 Đưa bàn kẹp đi xuống theo phương OZ lần 2 1004- giữ 06 Tạm dừng 9 Nhả kẹp Tạm dừng 10 Đưa tay máy đi lên theo phương OZ lần2 05 11 Quay bàn kẹp thẳng đứng 1005 07 12 Đưa tay máy đi về theo phương OX 1001-giữ 01 Gắp chai vào 13 Đưa tay máy đi ra theo phương OX 1002-giữ Bộ đếm 14 Quay bàn kẹp nằm ngang 1006 08 15 Đưa bàn kẹp đi xuống theo phương OZ 1004- giữ 06 Tạm dừng 16 Kẹp chi tiết 1007- giữ Tạm dừng 17 Đưa tay máy đi lên theo phương OZ 05 18 Đưa tay máy đi về theo phương OX 1001- giữ 01 Tạm dừng 19 Nhả kẹp Tạm dừng * Từ bảng trên ta thấy trong chu trình hoạt động của Robot có một số vấn đề cần lưu ý sau: + ở cuối mỗi hành trình đều có nhiều các tín hiệu của các cảm biến đồng thời báo hiệu vị trí hiện tại của Robot. Tuy nhiên các tín hiệu đó lại có một mối quan hệ logic về mặt thời gian (thứ tự xuất hiện), bởi các thao tác của Robot đều được thực hiện một cách tuần tự, hết thao tác này rồi mới chuyển sang thao tác tiếp theo chứ không có sự xảy ra đồng thời nhiều thao tác cùng lúc. Nếu ta đưa tất cả các tín hiệu này vào trong câu lệnh làm điều kiện để thực hiện câu lệnh tiếp theo hoặc để dừng câu lệnh hiện hành thì câu lệnh đó sẽ trở nên rất cồng kềnh gây nhiều khó khăn cho việc lập trình cũng như theo dõi, kiểm tra lỗi của chương trình. Vì vậy để thuận tiện cho việc theo dõi, kiểm tra lỗi của chương trình, ta nên giảm bớt các tín hiệu phản hồi ở cuối mỗi hành trình. Ví dụ xét một đoạn chu trình hoạt động của Robot là đi về Home theo phương OX, đi ra theo phương OY, đi xuống theo phương OZ, đi vào theo phương OY, kẹp chi tiết…. Thì cuối hành trình đi ra theo phương OY của Robot có các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến số 01, 04, 05 nhưng ở đây các tín hiệu từ các cảm biến số 01 báo Robot đang ở vị trí Home đã có từ cuối hành trình trước và số 05 báo hiệu tay máy đang ở vị trí trên cao trở nên không cần thiết vì chưa có lệnh đi xuống thì một điều hiển nhiên là tay máy đang ở vị trí trên cao nên nếu chỉ cần tín hiệu để xác định vị trí của tay máy cuối hành trình đi ra theo phương OY thì chỉ cần tín hiệu phản hồi từ cảm biến số 4 là đủ. Tuy nhiên trong cả chu trình hoạt động của Robot có một số vị trí mà nếu chỉ xét theo một phương thì sẽ trùng nhau nhưng thực chất lại không trùng nhau thì ta lại phải cần đưa thêm vào các tín hiệu để phân biệt giữa hai vị trí đó. Ví dụ như ở vị trí Home cuối của hành trình đi về theo phương OX rõ ràng là có độ cao khác so với vị trí Home khi kẹp chi tiết trong chu trình gắp ra nên ta phải đưa thêm vào tín hiệu từ cảm biến số 5 để phân biệt giữa hai vị trí này…. Tóm lại việc giảm bớt các tín hiệu phản hồi từ cảm biến là cần thiết nhưng phải đảm bảo vẫn đủ các tín hiệu thể hiện vị trí hiện tại của Robot và phân biệt được vị trí đó với các vị trí khác. + Trước và sau các thao tác kẹp, nhả kẹp đều cần sử dụng các đồng hồ định giờ để tạo ra hiệu ứng ngưng trễ (tạm dừng các hoạt động của Robot – chỉ là tạm dừng chứ không phải là huỷ bỏ các thao tác đó nên không thể cắt tín hiệu tác động được). Nhưng xét về mặt trình tự thời gian thì các thời điểm cần ngưng trễ (cần sử dụng các đồng hồ) lại không trùng nhau nên ta có thể phối kết hợp các đồng hồ riêng rẽ đó vào một đồng hồ chung nhưng có các tín hiệu đầu vào để khởi động nó lại khác nhau. + Trong quá trình hoạt động Robot phải đi ra nhiều vị trí khác nhau theo phương OX để thả (gắp) chi tiết. Điều này đòi hỏi cần có một số lượng các bộ đếm tương ứng với số vị trí cần dịch chuyển đó, mỗi một bộ đếm sẽ đảm nhiệm việc xác định một vị trí khác nhau, khi nào Robot di chuyển tới vị trí đó thì tín hiệu từ bộ đếm Counter sẽ được sử dụng để dừng lệnh chạy ra theo phương OX. Nhưng để có được các vị trí khác nhau thì các bộ đếm này phải được phối kết hợp với nhau một cách hợp lý để sau khi một bộ đếm hoàn thành nhiệm vụ xác định vị trí của nó xong (đếm xong một lần) thì nó phải được vô hiệu hoá nếu không thì trong hành trình tiếp sau đến vị trí đó thì bộ đếm đó lại tác động dừng chuyển động chạy ra theo phương OX trước khi các bộ đếm xác định vị trí tiếp theo kịp tác động. Và kết quả là Robot sẽ không chạy ra các vị trí khác nhau mà sẽ chỉ chạy đi, chạy lại một vị trí đầu tiên mà thôi. Để tránh hiện tượng này ta phải thiết kế một mạch giữ; tín hiệu ra từ bộ đếm sẽ được sử dụng làm tín hiệu vào của mạch giữ này, dầu ra của mạch giữ này sẽ được sử dụng làm khoá, khoá không cho bộ đếm đó đếm lại lần nữa và như thế là mỗi một bộ đếm sẽ chỉ được đếm một lần duy nhất. Nhưng sau khi đã gắp hết các chai ra thì Robot sẽ lại phải tự động chạy chương trình gắp vào và khi đó các vị trí này lại cần phải được xác định lại một lần nữa. Nghĩa là khi đó các bộ đếm lại phải được đếm lại một lần nữa nhưng chỉ là sau khi đã gắp hết các chai ra rồi. Vì vậy trong mỗi một mạch giữ nói trên cần có một cặp tiếp điểm thường đóng là tín hiệu báo đã gắp hết các chai ra, khi Robot gắp hết các chai ra thì tín hiệu này sẽ mở tất cả các mạch giữ ra (ngắt mạch các mạch giữ) và như thế các bộ đếm sẽ lại được đếm lại một lần nữa. + Trong quá trình di chuyển theo phương OX, nếu chỉ cho Robot chạy một tốc độ thì sẽ không ổn, nếu chỉ chạy với một tốc độ thấp thì thời gian di chuyển sẽ lớn, chu kỳ làm việc sẽ kéo dài, không đáp ứng được nhịp sản xuất chung của các máy ép nhựa. Nếu chỉ cho Robot chạy với tốc độ cao thì khi đã chạy đến vị trí cần thiết, bộ đếm dừng lệnh chạy ra nhưng do quán tính của Robot nên Robot sẽ chạy quá đi, không đúng vị trí mong muốn, điều này là không thể chấp nhận được. Cũng tương tự như vậy, khi Robot chạy về đến Home thì lẽ ra Robot phải dừng lại ngay lập tức nhưng do quán tính, nó lại chạy vượt quá đi và như vậy ngay cả vị trí Home cũng sẽ không chính xác. Để khắc phục tình trạng này ta cho Robot chạy với hai tốc độ: tốc độ cao và tốc độ thấp. Khi mới băt đầu di chuyển, ta cho Robot chạy với tốc độ cao để giảm thời gian di chuyển của Robot, và cho Robot chạy với tốc độ chậm khi tới gần vị trí cần dừng để giảm bớt quán tính của Robot, đảm bảo việc dừng lại đúng vị trí. Vậy khi gần tới vị trí cần dừng lại ta phải có một tín hiệu để đặt tốc độ thấp cho động cơ. Một giải pháp đặt ra là ta đặt đoạn đường mà Robot chạy với tốc độ thấp là cố định và bằng 15cm và tín hiệu dừng chuyển động chạy theo phương OX không phải là các bộ đếm đã trình bày ở trên nữa mà sẽ do một bộ đếm khác thực hiện. Tín hiệu dừng hẳn chuyển động chạy theo phương OX sẽ được phát ra khi Robot đi hết đoạn đường chạy tốc độ thấp. Để đạt được như vậy ta sử dụng thêm một bộ đếm nữa chỉ để xác định quãng đường mà Robot đi được kể từ khi bắt đầu có tín hiệu chạy tốc độ chậm và khi nào bộ đếm đếm hết 15 xung (tương ứng với 15cm) thì sẽ dừng chuyển động chạy theo phương OX. Các bộ đếm như đã nêu trước không có vai trò dừng chuyển động mà sẽ chỉ có vai trò làm tín hiệu vào cho lẹnh đặt tốc độ chạy chậm cho động cơ mà thôi Tương ứng với các vị trí khác nhau sẽ có các vị trí mà tại đó bắt đầu đặt tốc độ chạy chậm là khác nhau. Từ các lập luận trên ta lập được biểu đồ trạng thái và biểu đồ thời gian của các cảm biến và cơ cấu chấp hành (các đầu vào và đầu ra) hay lưu đồ thuật toán trong quá trình điều khiển Robot như sau Biểu đồ trạng thái và điều kiện chuyển tiếp giữa các trạng thái khi gắp chai ra Biểu đồ thời gian khi gắp chai ra Biểu đồ trạng thái và điều kiện chuyển tiếp giữa các trạng thái khi gắp chai vào Biểu đồ thời gian khi gắp chai vào 2.2. Mô hình gắp chi tiết dạng khối hộp. Các thao tác của Robot trong chu trình gắp hộp: Gắp các hộp từ trong mô hình và thả ra năm vị trí khác nhau theo phương OX + Thao tác 1: Đưa tay máy đi ra theo phương OY lần 1 + Thao tác 2: Đưa tay máy xuống dưới theo phương OZ lần 1 + Thao tác 3: Sau khi tay máy đã được đưa xuống vị trí thấp nhất thì đưa tay máy đi vào theo phương OY lần 1 vào vị trí kẹp chi tiết. + Thao tác 4: Sau khi đã đưa tay máy vào vị trí kẹp chi tiết thì tiến hành kẹp chặt chi tiết + Thao tác 5: Sau khi chi tiết đã được kẹp chặt thì đưa tay máy đi ra theo phương OY lần thứ 2. + Thao tác 6: Đưa tay máy đi lên theo phương OZ lần 1 + Thao tác 7: Đưa tay máy đi vào theo phương OY lần thứ 2 + Thao tác 8: Đưa tay máy đi ra theo phương OX. + Thao tác 9: Sau khi tay máy đã được di chuyển tới vị trí cần thả chi tiết theo phương OX thì đưa tay máy đi ra theo phương OY lần thứ 3 + Thao tác 10: Quay bàn kẹp thẳng đứng (vị trí VERTICAL) + Thao tác 11: Đưa tay máy đi xuống theo phương OZ lần thứ 2 + Thao tác 12: Sau khi tay máy đã được hạ xuống thấp tới vị trí thả chi tiết thì tiến hành nhả kẹp + Thao tác 13: Sau khi nhả kẹp đưa tay máy đi lên theo phương OZ lần thứ 2 + Thao tác 14: Quay bàn kẹp nằm ngang (vị trí HORIZONTAL). + Thao tác 15: Đưa tay máy đi vào theo phương OY lần thứ 3. + Thao tác 16: Đưa tay máy trở về vị trí Home theo phương OX, hoàn tất một chu trình gắp hộp ra. Sau khi gắp hết các hộp từ mô hình và thả ra năm vị trí khác nhau, Robot sẽ tự động gắp các hộp đó thả vào mô hình, gồm các thao tác: + Thao tác 17: Đưa tay máy đi ra theo phương OX + Thao tác 18: Sau khi tay máy đã được ra đến vị trí cần kẹp chi tiết theo phương OX thì đưa tay máy đi ra theo phương OY + Thao tác 19: Sau khi đưa tay máy đi ra theo phương OY thì quay bàn kẹp tới vị trí thẳng đứng + Thao tác 20: Sau khi quay bàn kẹp thẳng đứng thì đưa tay máy đi xuống theo phương OZ tới vị trí kẹp chi tiết. + Thao tác 21: Kẹp chặt chi tiết + Thao tác 22: Sau khi đã kẹp chặt chi tiết thì đưa tay máy đi lên theo phương OZ + Thao tác 23: Quay bàn kẹp về vị trí nằm ngang + Thao tác 24: Đưa tay máy đi vào theo phương OY + Thao tác 25: Đưa tay máy đi vào theo phương OX + Thao tác 26: Sau khi tay máy đã được đưa về vị trí Home (vị trí nhả kẹp ) thì tiến hành nhả kẹp và hoàn tất một chu trình gắp hộp vào. Tương tự như đối với mô hình gắp chai ta cũng lập được bảng thống kê các thao tác, tín hiệu điều khiển tương ứng, tín hiệu phản hồi từ các cảm biến ở cuối mỗi hành trình như sau: Bảng kê các thao tác của Robot trong quá trình hoạt động và các tín hiệu điều khiển cần thiết cũng như các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến Thứ tự Thao tác Tín hiệu điều khiển yêu cầu Tín hiệu phản hồi từ cảm biến Các chức năng phụ khác Gắp hộp Ra 1 Đưa tay máy đi ra theo phương OY lần 1 1003- giữ 04 2 Đưa tay máy đi xuống theo phương OZ lần1 1004-giữ 06 3 Đưa tay máy đi vào theo phương OY lần 1 -thôi giữ 03 Tạm dừng 4 Kẹp chi tiết 1007-giữ Tạm dừng 5 Đưa tay máy đi ra theo phương OY lần 2 1003-giữ 04 6 Đưa ra máy đi lên theo phương OZ lần 1 -thôi giữ 05 7 Đưa tay máy đi vào theo phương OY lần 2 -thôi giữ -thôi giữ 03 8 Đưa tay máy đi ra theo phương OX 1002- giữ Bộ đếm 9 Đưa tay máy đi ra theo phương OY lần 3 1003- giữ 04 10 Quay bàn kẹp thẳng đứng 1005 07 11 Đưa bàn kẹp đi xuống theo phương OZ lần 2 1004- giữ 06 Tạm dừng 12 Nhả kẹp 13 Đưa tay máy đi lên theo phương OZ 05 14 Quay bàn kẹp nằm ngang 1006 08 15 Đưa tay máy đi vào theo phương OY lần 3 -thôi giữ -thôi giữ 03 16 Đưa tay máy đi về theo phương OX 1001-giữ 01 Gắp hộp vào 17 Đưa tay máy đi ra theo phương OX 1002-giữ Bộ đếm 18 Đưa tay máy đi ra theo phương OY 1003-giữ 04 19 Quay bàn kẹp thẳng đứng 1005 07 20 Đưa bàn kẹp đi xuống theo phương OZ 1004- giữ 06 Tạm dừng 21 Kẹp chi tiết 1007- giữ Tạm dừng 22 Đưa tay máy đi lên theo phương OZ 05 23 Quay bàn kẹp nằm ngang 1006 08 24 Đưa tay máy đi vào theo phương OY 03 25 Đưa tay máy đi về theo phương OX 1001- giữ 01 Tạm dừng 26 Nhả kẹp Tạm dừng Cũng tương tự như trên, ta lập được các biểu đồ trạng thái, biểu đồ thời gian và lập trình được sơ đồ thang điều khiển Robot HARMO trong quá trình gắp chai như sau: Biểu đồ trạng thái và điều kiện chuyển tiếp giữa cáctrạng thái trong quá trình gắp hộp ra Biểu đồ thời gian khi gắp hộp ra Biểu đồ trạng thái và điều kiện chuyển tiếp giữa các trạng thái trong quá trình gắp hộp vào Biểu đồ thời gian khi gắp hộp vào Kết luận Sau một thời gian làm việc tích cực với thái độ nghiêm túc, tinh thần ham học hỏi, chúng em đã hoàn thành đề tài đúng tiến độ và đã đạt được một số kết quả sau: Tìm hiểu nguyên lý thiết kế chung cho robot công nghiệp Xây dựng lại các bản vẽ về điện, điện tử, khí nén và kết cấu cơ khí. Xây dựng thành công mô hình thí nghiệm với Robot cấp phôi tự động, mô tả lại được quá trình làm việc của một Robot cấp phôi trong thực tế, đồng thời lập trình cho Robot chạy theo mô hình thí nghiệm đã xây dựng. Hiện nay Robot và mô hình thí nghiệm đã hoạt động ổn định và đã trở thành một bài thí nghiệm khá phong phú cho môn học Robot công nghiệp. Khắc phục được sự cố trên robot. Đã nắm rõ được các kết cấu cơ khí của Robot Harmo, thiết kế và lắp đặt thành công hệ thống điều khiển mới cho Robot + Do được hoàn thành đúng tiến độ nên đề tài đã kịp thời đưa vào phục vụ cho hơn 450 sinh viên ngành chế tạo máy khoá 46 làm thí nghiệm về Robot công nghiệp Qua quá trình trực tiếp thực tập trên máy, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Phạm Văn Hùng chúng em đã thu nhận được khá nhiều những kiến thức về lĩnh vực Robot và đặc biệt là chúng em đã học được phương pháp tiếp cận và giải quyết các vấn đề nảy sinh trong thực tế. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng khi chúng em tiếp xúc thực tế sau này. Với những kinh nghiệm có được khi thực hiện đề tài này, chúng em có thể tính toán và thiết kế được các loại Robot công nghiệp tương tự như Robot Harmo. Tuy nhiên do thời gian quá hạn hẹp nên một số công việc và ý tưởng chưa được hoàn thiện. Một số đề hướng phát triển của đề tài trong tương lai. - Qua nghiên cứu kết cấu của mô đun dạy học của Roboot, chúng em nhận thấy: Hiện nay việc dạy học cho Robot mới chỉ được thực hiện một cách thủ công thông qua việc bấm và giữ các nút của bảng điều khiển. Điều này làm cho việc dạy học chưa chính xác và mất nhiều thời gian. Vấn đề này hoàn toàn có thể khắc phục được nếu trên mỗi một cơ cấu đặt cữ ta đặt thêm một bộ ENCORDER như trên trục OX và các tín hiệu từ bộ ENCORDER này sẽ được gửi tới một mô đun điều khiển riêng. Mô đun điều khiển này sẽ được thiết kế dựa trên thông số bước ren của các vít me sao cho khi dạy học người điều khiển chỉ cần nhập các quãng đường dịch chuyển cần thiết vào (thông qua các nút bấm có trên mô đun điều khiển) và bộ điều khiển sẽ tự động tính toán ra số vòng quay của trục vít me và số xung tương ứng sẽ nhận từ bộ ENCORDER và đưa giá trị đó vào làm giá trị đặt cho một bộ đếm. Trong quá trình dạy học, khi nào vít me quay đủ số vòng quay cần thiết thì bộ điều khiển này sẽ tự động cắt nguồn điện tới các động cơ đặt cữ và tay máy sẽ dừng đúng vị trí yêu cầu. Với việc tự động hoá thao tác đặt cữ (thao tác dạy học) sẽ giúp cho việc dạy học trở nên đơn giản, chính xác và tiết kiệm được rất nhiều thời gian. Việc phát triển này vẫn đang được chúng em tiếp tục nghiên cứu và hy vọng trong một thời gian gần nhất sẽ thành công Ngoài ra, để tăng thêm khả năng linh hoạt của Robot. Chúng ta có thể mở rộng thêm hệ thống khí nén phục vụ các chức năng khác như thiết kế thêm một bàn kẹp lắp trên cánh tay của Robot để nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau mà không cần thay đổi đồ gá (bàn kẹp) đi tới Robot có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau trong cùng một chu kỳ làm việc. Ví dụ như: Robot không chỉ gắp phôi cho máy ép mà có thể gắp các sản phẩm đóng chai từ thiết bị đóng chai và cho vào một hộp, sau khi hộp đầy (đã đủ chai) thì Robot lại sử dụng một bàn kẹp khác để gắp các hộp đó đặt lên băng tải vận chuyển tới kho…. Hoặc có thể thiết kế một hệ thống phanh hãm an toàn. Hệ thống phanh này sẽ hãm treo tay máy ở vị trí trên cao trong các trường hợp mất nguồn khí nén nhằm tránh tình trạng tay máy sẽ lao xuống gây nguy hiểm cho người vận hành và máy móc. Hệ thống phanh hãm này sẽ chỉ hoạt động khi mất nguồn khí nén cung cấp cho Robot. Một hướng phát triển nữa mà chúng em muốn đề cập tới là cải tạo lại các má kẹp hiện có của Robot để Robot có thể gắp được nhiều chi tiết có hình dạng và kích thước khác nhau mà không cần phải điều chỉnh lại bàn kẹp. Việc điều chỉnh kích thước giữa các má kẹp sẽ được tự động thực hiện bởi chính các má kẹp. Giải pháp cụ thể mà chúng em đưa ra là lắp đạt thêm trên má kẹp các má kẹp phụ có thể chuyển động tịnh tiến ra vào dọc trục piston kẹp và trên đó gắn hai nam châm điện. Việc đấu dây các nam châm điện này được thiết kế sao cho ở trạng thái nhả kẹp thì các nam châm điện này hút lẫn nhau đ khoảng cách giữa má kẹp được lới rộng thêm đ Có thể kẹp được chi tiết có kích thước lớn. Còn ở trạng thái kẹp thì các nam châm điện lại đẩy nhau. Khi đó dưới tác dụng của lực điện từ của các nam châm điện này má kẹp sẽ được tự động đẩy ra xa (tăng thêm khoảng cách kẹp giữa các má kẹp) đ Có thể kẹp được chi tiết có kích thước nhỏ. Hiện nay Robot đang hoạt động với hai chương trình độc lập: Gắp chai và gắp hộp vuông. Để bài thí nghiệm tăng thêm sinh động, chúng em đang tiến hành ghép hai chương trình này lại với nhau thành một chương trình thống nhất liên thông nhau theo hướng: Robot đi vào gắp hết các hộp vuông ra, sau đó gắp các chai ra, tiếp tới gắp các chai vào và cuối cùng là gắp các hộp vuông vào, kết thúc chu trình làm việc của Robot. Mục lục Trang Chương I: giới thiệu về Robot 1 I. lịch sử phát triển của robot công nghiệp 1 II. Phân loại robot(IR) 2 1.Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin của tay máy-người máy 2 2. Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động 2 III. Sơ đồ cấu trúc chức năng của Robot .4 IV. ứng dụng Robot trong công nghiệp 6 Mục tiêu ứng dụng Robot trong công nghiệp 6 Các bước ứng dụng Robot 8 3. Các lĩnh vực ứng dụng robot trong công nghiệp .9 4. Nội dung nghiên cứu phát triển Robot công nghiệp 13 4.1. Nhận xét về quá trình phát triển robot công nghiệp 13 4.2 Cơ-tin-điện tử và robot công nghiệp 14 4.3. Robot và hệ thống sản xuất linh hoạt 15 4.4. Robot song song 16 4.5. Các xu thế ứng dụng robot trong tương lai 17 V. giới thiệu về robot Harmo 20 1. Giới thiệu về rôbốt Harmo 20 2. Cấu trúc tay máy 20 Chương II: nghiên cứu về kết cấu của robot Harmo 25 I. Nguồn động lực của robot 25 A. Nguồn động lực là động cơ điện 25 1. Động cơ điện ba pha 25 1.1. Khái niêm chung 25 1.2. Cấu tạo động cơ điện không đồng bộ ba pha 26 1.3. Từ trường quay của dây quấn ba pha 29 1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ 33 1.5.Mô hình tính toán của động cơ điện không đồng bộ 35 1.6. Biểu đồ năng lượng và hiệu suất của động cơ điện không đồng bộ 38 1.7. Mô men quay của động cơ không đồng bộ ba pha 39 1.8 Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha 42 1.9.Điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 46 2. Động cơ điện một pha 48 B. Nguồn động lực khí nén 50 1. Lịch sử phát triển 50 2. ứng dụng của khí nén 51 2.1. trong lĩnh vực điều khiển 51 2.2. Trong hệ thống truyền động 52 3. Một số đặc điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén 52 4. Ưu nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén 53 4.1. Ưu điểm 53 4.2. Nhược điểm 53 5. Các thiết bị khí nén 54 5.1. Các thiết bị phân phối khí nén 54 5.2. Các thiết bị điều khiển trong hệ thống 59 5.3. Cơ cấu chấp hành 67 6. Mạch khí nén và điều khiển khí nén trong robot Harmo 74 II. cảm biến 77 1. Giới thiệu chung 77 1.1. Cảm biến tín hiệu gần 79 1.2. Cảm biến tín hiệu xa 80 2. Các loại cảm biến trong robot Harmo 81 III. Bộ biến tần Inverter 83 Iv. Điều khiển PLC 87 1.Các bộ phận cơ bản của hệ thống PLC 89 2.Cấu trúc chung của bộ PLC 90 3.Cấu trúc bên trong của PLC 91 V. giới thiệu kết cấu và nguyên tắc hoạt động của các bậc tự do 95 1. Bậc tự do 95 2. Giới thiệu kết cấu của các bậc tự do 97 2.1 Bậc tự do chuyển động theo trục X 97 2.2. Bậc tự do tịnh tiến dọc trục Y 102 2.3. Bậc tự do tịnh tiến dọc trục Z 109 2.4. Bậc tự do quay theo trục OX 114 Chương III: một số tính toán kiểm nghiệm 125 I. thiết lập phương trình động học cho robot harmo 125 1. Thiết lập hệ toạ độ của Robot 125 2. Xác định bộ thông số động học 126 3. Thiết lập các mô hình biến đổi và các ma trận biến đổi 128 4. Phương trình động học cơ bản của Robot 133 II. Tính khối lượng kẹp của bàn kẹp 135 III. Tính toán vận tốc và gia tốc 137 1. Tính toán vận tốc và gia tốc bậc tự do tịnh tiến theo trục X 37 2. Tính toán vận tốc và gia tốc bậc tự do tịnh tiến theo trục Y 140 3. Tính toán vận tốc và gia tốc bậc tự do tịnh tiến theo trục Z 144 4. Tính toán vận tốc và gia tốc bậc tự do quay quanh trục X 146 Chương IV: thiết kế và lắp đặt mô hình thí nghiệm 152 I. xây dựng mô hình thí nghiệm và lập trình cho Robot chạy theo mô hình vừa xây dựng 152 1. Mục đích và yêu cầu của mô hình thí nghiệm 152 2. Xây dựng mô hình 152 II. Lập trình PLC cho Robot hoạt động theo mô hình 155 Cơ sở lý thuyết lập trình plc 155 1.1. Lập trình bằng sơ đồ thang Ladder Diagram 155 1.2. Lập trình bằng phần mềm SYSWIN trên máy tính 164 Lập trình PLC cho Robot hoạt động theo mô hình đã xây dựng 169 2.1. Mô hình gắp chi tiết dạng hình trụ 169 2.2. Mô hình gắp chi tiết dạng khối hộp 183 Kết luận 192 ._.