Tìm hiểu về rô bốt

….. ………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………….. 3.Nội dung các phần thuyết minh và phần tính toán: ………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………….. 4. Các bản vẽ (ghi rõ các loại bản vẽ về kích thước các bản vẽ) …………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… 5. Cán bộ hướng dẫn: Phần Họ tên cán bộ ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………….. 6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế…………………………………………………… 7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: …………………………………………………… Ngày tháng năm 200 Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên) nhóm học sinh đã hoàn thành (và nộp và nộp toàn bộ bản vẽ cho khoa) Nhận xét của giáo viên duyệt Nhận xét của giáo viên hướng dẫn. Lời nói đầu Cùng với sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật, ngành điều khiển và tự động hoá đã có những bước tiến quan trọng. Quá trình đó đã góp phần không nhỏ vào việc tăng cường năng suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng và độ đồng đều về chất lượng, đồng thời tạo điều khiển cải thiện môi trường làm việc của con người, đặc biệt trong một số công việc có độ an toàn thấp, hoặc có tính độc hại cao. Ngày nay, các khái niệm “dây chuyền sản xuất tự động” hay “rôbôt ” – “Người máy” – “Tay máy” đã trở nên quen thuộc đối với mọi người. Thế nhưng cách đây không lâu trong những thập niên đầu thế kỷ 20 những khái niệm ấy chỉ là những ý tưởng sơ khai trong trí tưởng tượng phong phú của con người. Năm 1920 lần đầu tiên ngôn ngữ rôbôt xuất hiện trong các tác phẩm khoa học viển tưởng của nhà soạn kịch Kapek. Với các mẫu thiết kế ban đầu, rôbôt ngày càng được nâng cao về tính năng động: linh hoạt hơn, chính xác hơn, thông minh hơn và đáp ứng nhanh hơn. Từ rôbôt đầu tiên vào đầu thập niên 60, theo mẫu Versatran của công ty AMF (American Machine Foundry) hoạt động theo chương định trước, cho đến các dạng rôbôt tự thích nghi, đủ thông minh để tự giải quyết nhiệm vụ mà con người đặt ra cho nó trong điều khiển thay đổi của môi trường hoạt động xung quanh. Nhờ đó rôbôt ngày càng có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) và hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM). Hiện nay ở rất nhiều nước rôbôt phát triển theo hướng phục vụ sản xuất công nghiệp mà còn theo hướng phục vụ trong sinh hoạt và giải trí gia đình. ở các nước có nền công nghiệp phát thì việc đưa rôbôt vào trong quá trình sản xuất trong các nhà máy để dần thay thế con người ở những nơi có môi trường độc hại, môi trường phóng xạ; đồng thời khắc phục các tình trạng không đồng về chất lượng sản phẩm được phát triển một cách mãnh mẽ trong thời gian gần đây. Đồng thời, công cuộc tự động hoá dây chuyền sản xuất là chiến lược phát triển của các tập đoàn sản xuất lớn trong tương lai. Hiện nay, ở nước ta việc áp dụng tự động hoá và trang bị Rôbôt cho các dây chuyền sản xuất trong các nhà máy là một khái niệm mới mẽ và bước đầu đang được áp dụng nhưng để quá trình áp dụng có hiệu qủa thì những người cán bộ kỹ thuật cần có một khái niệm cụ thể và kiến thức cơ bản về lĩnh vực này. Với những lý do trên thì việc tìm hiểu về Rôbôt là việc cần tiến hành nhằm mục đích trang bị những kiến thức cơ bản về rôbôt công nghiệp đặc biệt là sinh viên các trường kỹ thuật; những cán bộ kỹ thuật tương lai của đất nước Tuy nhiên trong đồ án này, do khả năng còn nhiều hạn chế, thiếu nhiều tài liệu, kinh nghiệm đồng thời là một lĩnh vực mới nên chúng em không tránh khỏi những sai sót. Chúng em mong được sự chỉ bảo của thầy giáo. Chương I Tổng quan về rôbốt I. Khái niệm về rôbôt. Theo viện nghiên cứu rôbôt Hoa Kỳ thì rôbôt được định nghĩa như sau: Rôbôt là một tay máy có nhiều chức năng thay đổi được các chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng. Định nghĩa rôbốt còn được Mikell P .groo ve, một nhà nghiên cứu rôbôt mở rộng như sau: Rôbốt công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình thể hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các qúa trình sản xuất. Không dừng lại ở những định nghĩa trên rôbôt còn được nhiều nhà khoa học đưa ra nhiều định nghĩa khác nhau với giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học tổng hợp Tokyo) rôbôt phải thỏa mãn các 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. Còn với giáo sư Mosahiro Mori (viện công nghệ Tokyo) thì rôbôt công nghiệp phải có những 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. Ngoài các ý trên, định nghĩa trong GOCT 25 686 – 85 còn bổ sung cho rôbôt công nghiệp chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất: Rôbôt công nghiệp là máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm cơ cấu chấp hành dạng tay máy và có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển chương trình có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Qua rất nhiều định nghĩa trên thì rôbôt có thể hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt bắt trước các chức năng lao động công nghiệp của con người. 1.2 Phân loại rôbôt: Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của rôbôt để giúp cho việc nhận biết dễ dàng. Có 4 yếu tố chính để phân loại rôbôt như sau: - Theo dạng hình học của không gian hoạt động . - Theo thế hệ rôbôt. - Theo hệ điều khiển. - Theo nguồn đẫn động. * Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động. Rôbôt được phân theo sự phối hợp giữa 3 trục chuyển động cơ bản rồi sau đó bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt. Vùng giới hạn tầm hoạt động của rôbôt được gọi là không gian làm việc. 1.2.1.1: Rôbôt toạ độ vuông góc (hình vẽ 1.1). Rôbôt loại này có 3 bậc chuyển động cơ bản gồm 3 chuyển động tịnh tiến dọc theo 3 trục vuông góc. Rôbôt toạ độ trụ (hình vẽ). Ba bậc chuyển động tịnh tiến và một bậc quay. Rôbôt toạ độ cầu. Ba bậc chuyển động cơ bản gồm 1 trục chuyển động tịnh tiến và 2 trục quay. Rôbôt bản lề. Ba bậc chuyển động cơ bản gồ 3 trục quay, bao gồm cả kiểu rôbôt SCARA (hình vẽ). * Phân loại rôbôt theo theo hệ. Theo quá trình phát triển ta có thể chia ra các thế hệ sau: 1.2.2.1:Rôbôt thế hệ thứ nhất. Bao gồm các dạng rôbôt hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi. Theo chương trình định trước. Chương trình ở đây có 2 dạng chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam và điều khiển với chương trình điều khiển theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng như các panel điều khiển hoặc máy tính. Đặc điểm: - Sử dụng các cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình. - Điều khiển vòng hở. - Có thể sử dụng băng từ hoặc các băng đục lỗ để đưa chương trình vào hệ điều khiển. Tuy loại này không đổi chương trình được. - Sử dụng phổ biến trong công việc lắp đặt. 1.2.1.2. Rôbôt thế hệ thứ 2: ở thế hệ này rôbôt được trang bị các thiết bị cảm biến (sensors) cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi trở lại hệ thống điều khiển về trạng thái. Vị trí không gian của rôbôt cũng như thông tin từ môi trường bên ngoài như trạng thái vị trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà rôbôt phối hợp nhiệt độ của môi trường vv....... giúp cho bộ điều khiển được có thể chọn thuật toán thích hợp để điều khiển rôbôt thực hiện những thao tác xử lý phù hợp. Nói cách khác đây cũng là rôbôt 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 với rôbôt trình độ điều khiển này còn được gọi là rôbôt thích nghi cấp thấp. Rôbôt bao gồm các rôbôt sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensors – coontrlled robôt). Cho phép tạo được những dòng điều khiển kín servo. Đặc điểm: - Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy. - Có thể tự đưa ra chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình được cài từ trước. - Hoạt động của rôbôt có thể lập trình được lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, panel điều khiển. 1.2.1.3.Rôbôt thế hệ thứ 3. Đây là dạng phát triển cao nhất của rôbôt tự cảm nhận. Các rôbôt ở đây được trang bị những thuật toán xử lý những phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng; nhờ đó rôbôt tự biết phải làm gì để hoàn thành công việc được đặt ra cho chúng. Hiện nay cũng có nhiều công bố về thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới dạng những rôbôt giải trí có hình dạng của những động vật máy. Rôbôt thế hệ này bao gồm các rôbôt được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (vision – controlled robotl ). Cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác. Đặc điểm: - Có những đặc điểm như rôbôt thế hệ thứ 2 và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh. - Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khác nhau. 1.2.1.4.Rôbôt thế hệ thứ tư. Bao gồm các loại rôbôt sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi (ada ptively) được trang bị bước đầu khái niệm 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 2 và 3, 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 biến không được xác định trước. Kết quả bài toán sẽ là tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của rôbôt. 1.2.1.5.Rôbôt thế hệ thứ 5. Là tập hợp những rôbôt được trang bị những trí tuệ nhân tạo. Đặc điểm: - Rôbôt 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 tiếp xúc. Phân loại theo điều khiển: Có 2 loại điều khiển rôbôt: Điều khiển hở và điều khiển kín. 1: Điều khiển hở: Dùng truyền động bước (động cơ điện ,động cơ thuỷ lực hoặc khí nén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điêù khiển. Kiểu điều khiển này đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp. Điều khiển kín (điều khiển servo): Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển đường. Với điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc). Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các rôbôt hàn điểm; vận chuyển; tán đinh, bắn đinh. Điều khiển theo đường đảm bảo phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ,với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển nay trên các rôbôt hàn hồ quang. 1.2.4: Phân loại theo nguồn dẫn động. 1.2.4.1: Rôbôt dùng nguồn cấp điện. Nguồn điện cấp cho rôbôt thường là DC để điều khiển động cơ DC. Hệ thống nguồn AC cũng đổi thành DC. Các động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo. Rôbôt loại này có thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác. Các ứng dụng là hàn và sơn. 1.2.4.2 rôbôt dùng nguồn khí nén. Hệ thống cần được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén. Rôbôt loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy là các xylanh khí nén, thực hiện các chuyển động thẳng và chuyển động quay. Do khí nén là lưu chất nén nên rôbôt loại này thường được sử dụng trong các thao tác lắp đặt không cần độ chính xác cao. 1.2.4.3 Rôbôt dùng nguồn thuỷ lực. Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép. Hệ thống cần được trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Tay máy là các xylanh thuỷ lực chuyển động thẳng và quay, và các động cơ dầu. Rôbôt loại này được ứng dụng cho tải trọng lớn. 1.3 ứng dụng của rôbôt. 1.3.1 Mục tiêu ứng dụng của rôbôt: Mục tiêu ứng dụng rôbôt trong công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm; Đồng thời cải tiến điều kiện lao động. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của rôbôt, đã kết thúc lại qua bao nhiêu năm được ứng dụng ở nhiều nước những ưu điểm cơ bản đó là : Rôbôt có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc.Vì thế rôbôt có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế, rôbôt còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh. Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng rôbôt là vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức tiền lương cao cho lao động, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội. Theo số liệu của Nhật Bản thì nếu một rôbôt làm việc thay cho môt người thợ thì tiền mua rôbôt chỉ bằng tiền chi phí cho người thợ đó từ 3 đến 5 năm tuỳ theo rôbôt làm việc mấy ca. Còn ở Mỹ, trung bình trong một giờ làm việc rôbôt mang lại 13USD tiền lời. ở nước ta trong những năm gần đây ở nhiều doanh nghiệp khoản chi phí lương bổng cũng chiếm tỷ lệ cao trong giá thành sản phẩm.việc áp dụng rôbôt có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ, sỡ dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng rôbôt thì người thợ sẽ không theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi. Theo số liệu của hãng Funic, Nhật Bản thì năng suất có khi tăng đến 3 lần. ứng dụng rôbôt có thể cải thiện điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật mà chúng ta cần lưu tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần. Thậm chí ở nhiều nơi người lao động còn làm việc ở môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ của con người, dễ bị cụt chân tay, dễ bị nhiễm hoá chất độc hại, nhiễm sóng điện từ và phóng xạ. 1.3.2 Các bước ứng dụng. Việc ưu tiên đầu tư trước hết phải nhằm để đồng bộ hoá cả hệ thông thiết bị, rồi tự động hoá và rôbôt hoá khi cần thiết. Để quyết định đầu tư việc rôbôt hoá 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 rôbôt hoá và phân tích toàn bộ hệ thống sản xuất của xí nghiệp. ở đây cần xét đến đầy đủ các chi phí và nếu hiệu quả tính ra cho toàn bộ hệ thống không thể hiện rõ thì việc đầu tư rôbôt hoá là chưa cần thiết. Xác định các đối tượng cần rôbôt hoá. Khi xác định thay thế rôbôt ở những nguyên công nào thì phải xem xét khả năng liệu rôbôt đó có thay thế được không và có hiệu qủa hơn không. Thông thường người ta ưu tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, bụi bặm, ồn ào, độc hại hoặc qúa đơn điệu. Xu hướng thay thế hoàn toàn bằng rôbôt thực tế không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà nó đồi hỏi sự khéo léo của con người . Xây dựng mô hình quá trình sản xuất được rôbôt hoá: Sau khi xác định sơ đồ tổng thể quá trình công nghệ, cần xác định dòng chuyển dịch nguyên liệu và dòng thành phần để đảm bảo sự nhịp nhàng đồng bộ của toàn hệ thống. Có thể phát huy hiệu quả vốn đầu tư. Chọn mẫu rôbôt thích hợp hoặc chế tạo rôbôt chuyên dùng. Đây là bước quan trọng, vì rôbôt có nhiều loại với giá tiền khác nhau, nếu không chọn đúng thì không những đầu tư quá đắt mà còn không phát huy được, như kiểu dùng người không đúng chỗ, việc này thường xẩy ra khi mua rôbôt của nước ngoài. Có những chức năng của rôbôt được trang bị nhưng không được dùng cho công việc cụ thể mà nó đảm nhận, trên dây truyền sản xuất. Vì thế mà giá thành tăng lên chỉ có lợi cho nơi cung cấp thiết bị. Cấu trúc rôbôt hợp lý nhất là cấu trúc theo modul hoá. Như thế có thể hạ giá thành sản xuất, đồng thời áp dụng được nhu cầu phục vụ đa dạng. Cấu trúc càng đơn giản càng dễ thực hiện độ chính xác cao và hạ giá thành. Ngoài ra còn có thể tự tạo dựng các rôbôt thích hợp với công việc trên cơ sở mua lắp các modul chuẩn hoá. Đó là hướng triển khai hợp lý với đại bộ phận các xí nghiệp trong nước hiện nay cũng như trong tương lai. Chương ii Cấu Tạo chung của rôbôt Về mặt truyền động và điều khiển, rôbôt được cấu tạo từ những khối cấu trúc cơ khí hoạt động nhờ các cấu tác động. Những cơ cấu tác động này có thể hoạt động phối hợp với nhau để thực hiện những công việc phức tạp dưới sự điều khiển của một bộ phận có cấu tạo như máy tính, còn gọi là những bộ phận điều khiển PC – based. Với những đặc điểm về cấu tạo và hoạt động thì rôbôt thường được sử dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt dạng Workell và các hệ thống sản xuất tích hợp máy tính. Ngày càng có nhiều các dây chuyền sản xuất tự động có sử dụng rôbôt thay thế dần các dây chuyền sản xuất tự động với chương trình hoạt động cứng trước đây. Việc ứng dụng rôbôt vào sản xuất gắn liền sự hiểu biết dầy đủ các vấn đề có liên quan chặt chẽ với nhau như các dạng nguồn dẫn động, các hệ thống và các chế độ điều khiển, các cảm biến trang bị trên rôbôt, khả năng của phần mềm và ngôn ngữ lập trình cũng như chọn lựa các bộ phận giao tiếp và xuất nhập tín hiệu phù hợp cho các bộ phận chấp hành khác nhau. Trong chương này sẽ đề cập đến những vấn đề cơ bản về các thành phần và cấu hinh của rôbôt công nghiệp . Về mặt kết cấu rôbôt được chế tạo rất khác nhau, nhưng chúng được xác định từ các thành phấn cơ bản như sau : - Tay máy. - Nguồn cung cấp. - Bộ điều khiển. 2.1 Tay máy: Thuật ngữ “Tay máy” và rôbôt trong quan niệm của những nhà chuyên môn trong lĩnh vực này không khác biệt. Để thuận tiện trong trình bày, ở đây ta hiểu tay máy là một dạng rôbôt có cấu tạo mô phỏng theo ngững dặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau, được gọi là các khâu động. Trong đó, phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay còn gọi là các trục. Tay máy cũng bao gồm cả các cơ cấu tác động là các phần tử thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xylanh, dầu ép, xylanh khi nén vv….. phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối để thao tác trên đối tượng làm việc – thường là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng khác. Tay máy hay có thể là cánh tay cơ khí của rôbôt công nghiệp thông thường là chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được liên kết với nhau nhờ các khớp động, khâu cuối (hay khâu tác động cuối) của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc gắn dụng cụ thao tác. mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng năng lượng và chuyển động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của trạng thái khâu chấp hành, trong đố vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí và tốc độ dịch chuyển của khâu cuối – khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động của các khâu thành phần . 2.1.1 Bậc tự do của tay máy. Thông thường các tay máy có trên một bậc tự do, số bậc tự do hay bậc chuyển động của tay máy là khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động. Trong lĩnh vực rôbôt học (robotics) người ta gọi mỗi khả năng chuyển động (có thể là chuyển động thẳng, dọc theo trục song song với một trục khác hoặc chuyển động quay quanh trục là một trục tương ứng theo một trục 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 bậc chuyển động cao. Tuy nhiên, số bậc chuyển động này không không nên quá sáu, lý do chính là với sáu bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý,sẽ đủ rể 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 công tác 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 sẽ được bố trí gồm: Ba bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị. Ba bậc chuyển động bổ sung hay chuyển động địng hướng. Ba bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị. Về mặt 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 3 trở lên. Trường hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả năng chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, có ít nhất là khả năng chuyển động thường là từ một trở lên. Như vậy khả năng bậc tự do hay bậc chuyển động cũng chính là 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 trên một tay máy là những chuyển động có ảnh hưởng quyết định đến dạng hình học không gian hoạt động của nó. Các chuyển động này thực hiện việc kẹp hoặc súng phun sơn, phun vữa, hoặc ống dẫn dây hàn vv….. . 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 tới tư thế làm việc với đối tượng thao tác cũng cần tới tối thiểu ba bậc chuyển động, tương tự như các chuyển động xoay của cổ tay người ba khớp quay loại năm được sử dụng để xoay khâu tác động cuối. Trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng đứng và quay xung quanh trục của nó. Lưu ý; ở đây thêm nhiều bậc tự do ngoài việc làm tăng khả năng linh hoạt cho tay máy thì làm tăng sai số dịch chuyển nghĩa là làm tăng sai số tích luỹ trong điều khiển vị trí của khâu tác động cuối dẫn đến gia tăng, chi phí và thời gian sản xuất và bảo dưỡng rôbôt. 2.1.2 Tay máy toạ độ vuông góc. ứng dụng chính của loại này là các rôbôt vận chuyển vật liệu,sản phẩm đúc, dập, chất dỡ hàng hoá, lắp ráp các chi tiết máy. ưu điểm: Không gian làm việc rộng lớn có thể dài tới 20m . Đối với loại gắn trên trần sẽ dành được diện tích sàn lớn cho việc khác. Hệ thống điều khiển đơn giản. Hạn chế: Việc thêm vào các cần trục hay các loại thiết bị vận chuyển khác nhau trong không gian làm việc của rôbôt không được thích hợp cho lắm. Việc duy trì vị trí của các cơ cấu truyền động và các thiết bị điều khiển điện đối với loại rôbôt trên đều gặp nhiều trở ngại. 2.1.3: Tay máy toạ độ trụ Trong 3 chuyển động chính, rôbôt được trang bị rôbôt được trang bị 2 chuyển động tịnh tiến và môt chuyển động quay. *ưu điểm Có khả năng chuyển động nhanh và sâu vào trong các máy sản xuất. Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sản phẩm. Kết cấu vững chắc có khả năng mang tải lớn Khả năng lặp lại lớn. *Nhược điểm. Nhược điểm duy nhất là giới hạn tiến về phía trái và phải do kết cấu cơ khí và giới hạn các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang. 2.1.4: Tay máy toạ độ cầu: Rôbôt loại này được bố trí ít nhất 2 chuyển động quay trong 3 chuyển động định vị dạng rôbôt này là dạng điều khiển servo sớm nhất. 2.1.5 Tay máy toàn khớp bản lề và SCARA. Loại cấu hình dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho rôbôt là dạng khớp nối bản lề và kế đó là dạng 3 trục thẳng đứng, gọi tắt là dạng SCARA. Dạng này và dạng toạ độ trụ phổ cập nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất rôbôt sở dụng một cách trực tiếp và dễ dàng các cơ cấu tác động quay như các động cơ điện, động cơ dầu ép, khí nén. ưu điểm: Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn. Tỷ lệ kích thước tầm vươn được đánh giá cao. Về mặt hình học cấu hình dạng khớp nối bản lề với 3 trục quay bố trí theo phương thẳng đứng. Là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp gắp và đặt chi tiết theo phương thẳng đứng. Trong trường hợp này bài toán hoặc quỹ đạo chuyển động đối với rôbôt chỉ cần giải quyết ở hai phương X và Y còn lại bằng cách phối hợp 3 chuyển động quay quanh với trục song với trục Z. robot toạ độ cầu robot dạng SCARA robot toạ độ trụ robot toạ độ vuông góc robot liên kết bản lề Hình 11: sơ đồ động học , không gian hoạt động, nguyên lý làm việccủa các dạng rôbôt 2.1.6. Cổ tay máy. Bàn tay người có 27 khúc xương với 22 bậc tự do rất phức tạp. Hiển nhiên các nhà thiết kế không bao giờ áp dụng hết các bậc tự do đó vào tay gắp của rôbôt. Nhiều nhà nghiên cứu về khoa học phân tích thao tác cũng như các nhà sản xuất đưa ra số bậc chuyển động tối đa hợp lý của tay máy là 6 như đã phân tích ở phần trước đã trình bày. ngoài 3 chuyển động cơ bản để thực hiện chuyển động định vị, tay máy sẽ được bổ sung tối đa là ba bậc chuyển động định hướng dạng 3 chuyển động quay quanh 3 trục vuông góc gồm : Chuyển động xoay cổ tay, góc quay Chuyển động gập cổ tay, canh tay d (PITCH) Chuyển động lắc cổ tay, góc quay e (YAW) Hai chuyển động gập (PITCH) và lắc cổ tay(YAW) thực hiện trên hai phương vuông góc. Loại rôbôt SCARA không cần phải bổ xung các chuyển động này vì điều đó sẽ phá vỡ đặc trưng hoạt động của nó. Tùy theo yêu cầu của thao tác công nghiệp đặt ra cho rôbôt, người thiết kế cần thực hiện sự phối hợp đa dạng các chuyển động định vị với các chuyển động định hướng. Chuyển động lắp ghép, kẹp của khâu công tác cuối thường không được tính vào lực chuyển động (hay bậc tự do) của rôbôt ngoại trừ trường hợp tay gắp có dạng tay gắp servo được điều khiển bởi một mạch riêng trên bộ điều khiển.(hình 2.15). 2.1.7. Các chế độ hoạt động của tay máy và rôbôt công nghiệp: Rôbôt công nghiệp thường có hai chế độ hoạt động: 1) Chế độ huấn luyện: ( teaching mode) Chế độ này còn gọi là chế độ lập trình, ở chế độ hoạt động này chương trình thao tác của rôbôt sẽ được người sử dụng " ước định" bằng những bước chương trình, có nghĩa là mỗi bước chương trình sẽ được nhập vào bộ điều khiển bằng những công cụ khác nhau được trang bị kèm theo như panen lập trình và điều khiển (teath pendant), bộ mô phỏng (simualator hoặc makette) hoặc bàn phím trong trường hợp điều khiển trực tiếp bằng máy tính. Trong một số trường hợp khi kích thước và trọng lượng kích thước tay máy khá bé, có thể sử dụng ngay cả cách thức dùng tay gắp trực tiếp các khâu của tay máy để đưa khâu tác động cuối tuần tự qua các điểm trên quỹ đạo dự kiến. ở mỗi bước chương trình, tọa độ các khâu sẽ được lưu lại nhằm cho phép lập thành 1 tập hợp các bước tuần tự để đưa tay gắp hay dụng cụ công nghệ gắn trên khâu tác động cuối của tay máy di chuyển trên quỹ đạo dự kiến. Toàn bộ trình tự các bước thao tác đó được lưu lại trong bộ nhớ, sau đó cho tay máy hoạt động lại toàn bộ của chu trình thao tác để kiểm tra. Trường hợp cần điều chỉnh chương trình hoạt động có thể thay đổi các bước của chương trình, chèn thêm hoặc bớt đi các chương trình cho đến khi đạt yêu cầu về quỹ đạo và tốc độ dịch chuyển đặt ra. 2) Chế độ tự động: Chế độ này còn gọi là chế độ thực hiện thao tác công nghệ, ở chế độ này khi có tín hiệu khởi động dựa theo dữ liệu chương trình gồm các bước tuần tự lưu trong bộ nhớ đã được thiết lập trong chế độ huấn luyện, tay may sẽ "tự động" thực hiện chương trình quỹ đạo. Chương iii: Cơ sở lựa chọn rôbôt Chương này sẽ khái quát kết cấu cơ khí điển hình của tay máy. Nó nhằm tạo cho người sử dụng rôbôt một cơ sở thực tiễn để chọn mua loại rôbôt phù hợp với yêu cầu của công nghệ và đặc điểm sử dụng. Đồng thời, đây cũng là tài liệu tham khảo cho người thiết kế tổ hợp rôbôt. 3.1) Các thông số kỹ thuật của rôbôt công nghiệp. RBCN rất đa dạng về kết cấu và tính năng, được đánh giá bằng các thông số kỹ thuật rất khác nhau. Tuy nhiên có những thông số kỹ thuật chung cho hầu hết rôbôt. Dựa vào những thông số kỹ thuật chung đó, người ta thống nhất hoá và tiêu chuẩn hoá kết cấu tính năng của rôbôt. Người dùng có kinh nghiệm không bao giờ cố chọn rôbôt có tính năng kỹ thuật tốt nhất mà biết chọn các thông số ưu tiên thoả mãn yêu cầu của công việc với chi phí thấp nhất: Ví dụ, với một rôbôt vận chuyển thì 3 bậc tự do có thể là đủ nhưng rôbôt phun sơn thì cần 6 bậc tự do. Rôbôt lắp ráp hoặc rôbôt phục vụ máy công cụ thường phải có độ chính xác định vị cao còn phun sơn thì không cần. Trên rôbôt hàn điểm có thể chọn kiểu điều khiển điểm- điểm cho rẻ còn trên rôbôt hàn hồ quang thì nhất thiết phải dùng điều khiển đường…Mục này nói về khái niệm và hướng lựa chọn một số thông số kỹ thuật chính. 3.1.1 Sức nâng của tay máy: Đó là khối lượng lớn nhất của vật mà rôbôt có thể nâng được( không kể khối lượng của tay máy) trong điều kiện nhất định, ví dụ khi tốc độ chuyển dịch cao nhất hoặc khi tay với dài nhất. Nếu rôbôt có nhiều tay thì đó là sức nâng tổng thể của tay máy. Thông số này quan trọng đối với các rôbôt vận chuyển, xếp dỡ, lắp ráp… Sự tham khảo các tài liệu kỹ thuật hiện nay của rôbôt cho thấy dải sức nâng của tay máy thay đổi rất rộng từ 0,1 đến hàng nghìn kg. Các rôbôt có sức nâng lớn thường dùng hệ truyền động thuỷ lực và điện, trong đó tỷ lệ ._.dùng động cơ điện ngày càng tăng. Truyền động khí nén đến nay vẫn chưa được dùng nhiều trên rôbôt nhưng chủ yếu với các rôbôt có sức nâng dưới 40 kg. Đối với một số kiểu rôbôt ngoài sức nâng người ta còn quan tâm đến lực mômen lớn nhất mà cánh tay hoặc bàn tay có thể sinh ra. 3.1.2 Số bậc tự do của phần công tác: Đó là tổng số các toạ độ mà phần công tác có thể dịch chuyển so với thân rôbôt. Số bậc tự do càng lớn thì hoạt động của rôbôt càng linh hoạt nhưng điều khiển nó càng phức tạp. Trong cơ học đã có công thức tính bậc tự do DOF của một chuỗi động học như sau: DOF = 6u - 5k5 - 4k4 - 3k3 -2k2 -k1. Trong đó: u là số khâu chuyển động được k1 k2 k3 k4 k5: là số khớp bậc I;II;III;IV;V. Cơ cấu phẳng chỉ có các khớp bậc 4 và bậc 5 nên: DOF = 6u - 5k5 - 4k4. Nếu chuỗi động học là chuỗi hở thì số khâu bằng số khớp, nghĩa là: U = k1+ k2 + k3 + k4 + k5 nên: DOF = k5 + 2k4 + 3k3 + 4k2 + 5k1. Nếu là chuỗi vừa phẳng vừa hở thì: DOF = k5 + 2k4 3.1.3: Vùng công tác. Khi nói đến vùng công tác của tay máy, người ta quan tâm đến cả thể tích (tính bằng m3) và hình dạng của nó (hình 5.3 q2) cho thấy vùng công tác của tay máy không chỉ phụ thuộc vào kết cấu cơ khí mà cả trình tự chuyển động của các khâu. Một thông số khác đến vùng công tác của tay máy là tầm với của cánh tay. Tầm với sẽ gây nên sự mất ổn định của tay máy khi làm việc. Sự phân bố của rôbôt theo phần công tác và theo tầm với được thể hiện theo biểu đồ hình 5.4 3.1.4: Độ chính xác định vị. Độ chính xác định vị được thể hiện khả năng đối tượng đạt được chính xác tới điểm đích. Đó là 1 thông số rất quan trọng, ảnh hưởng tới 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 thông số là độ phân giải điều khiển và độ lặp lại. Tuỳ theo yêu cầu công nghệ, người ta dùng rôbôt có độ chính xác định vị trong khoảng ±(0,05á5)mm. Hình 5.5 q2 cho thấy 70% số rôbôt có sai số định vị không quá ±10m. Với khả năng của máy tính và các thiết bị điều khiển hiện nay thì việc giảm sai số định vị xuống còn 0,05mm là không ảnh hưởng tới vấn đề kinh tế và kỹ thuật. 3.1.5: Tốc độ dịch chuyển. Xét về năng suất, người ta mong muốn tốc độ dịch chuyển (thẳng hoặc góc) của phần công tác hoặc của từng khâu càng cao càng tốt. Tuy nhiên, xét về mặt cơ học, tốc độ cao sẽ dẫn đến những vấn đề như giảm tính ổn định, lực quán tính lớn, sự hư mòn nhanh các cơ cấu. Xét về mặt điều khiển với độ phân giải nhất định của bộ điều khiển, muốn tăng tốc độ dịch chuyển có thể giảm độ chính xác định vị. Vì vậy vấn đề chọn tốc độ dịch chuyển hớp lý luôn phải được đặt ra khi thiết kế cũng như khi lựa chọn rôbôt. Các bộ điều khiển và hệ thống chấp hành hiện đại cho phép nâng tốc độ điều khiển tới hàng trăm met trên phút nhưng theo biểu đồ hình 5.6 q2 cho thấy phần lớn rôbôt có tốc độ dịch chuyển tối đa trong khoảng 100 á 1000 mm/s (6 á60 m/p) 3.1.6: Đặc tính của hệ điều khiển. Hệ điều khiển ảnh hưởng rất lớn tới tính năng của rôbôt. Khi chọn hệ điều khiển, người ta quan tâm tới các khía cạnh sau. 3.1.6.1: Kiểu điều khiển. Có hai kiểu điều khiển hay dùng nhất cho rôbôt công nghiệp đó là điều khiển điểm - điểm và điều khiển contour. Điều khiển được dùng cho các rôbôt hàn điểm, tán đinh, vận chuyển…. Điều khiển contour vạn năng hơn song trước đây ít dùng hơn vì phải sử dụng hệ thống điều khiển phức tạp và đắt tiền. Ngày nay, nhờ sự phát triển của kỹ thuật điều khiển số còn có sự trợ giúp của máy tính, nó được dùng ngày càng phổ biến. 3.1.6.2: Bộ nhớ. Bộ nhớ trên rôbôt hiện đại thường được chia làm hai loại: bộ nhớ hệ thống và bộ nhớ chương trình. Bộ nhớ hệ thống lưu trữ các phần mềm hệ thống, phần mềm công dụng chung như hệ điều hành dữ liệu máy, các môdul chương trình tính toán động học, động lực học. Bộ nhớ chương trình để lưu trữ các chương trình ứng dụng của người dùng và các dữ liệu liên quan. Thường thì bộ nhớ chương trình là RAM, có dung lượng hạn chế nên dung lượng của bộ nhớ chương trình một thông số kỹ thuật đáng quan tâm. Nó có thể được tính bằng số KB hoặc số từ, số câu lệnh. 3.1.6.3 Giao diện với thiết bị ngoại vi. Các thiết bị ngoại vi có thể là thiết bị công nghệ mà rôbôt phải phục vụ hay cùng làm việc như máy công cụ, phương tiện vận chuyển, thiết bị đo…hoặc các thiết bị lưu trữ, hiển thị, in ấn. Phần lớn các rôbôt phục vụ trong dây truyền sản xuất có khả năng nối ghép trong hệ CIM thông qua dao diện và mạng truyền thông chuẩn. 3.1.6.4: Các tiện ích. Đối với các thiết bị được điều khiển bằng máy tính thì các tiện ích là rất quan trọng. Đó là tiện ích lập trình có trợ giúp đồ họa, hệ thống dạng (teach-in) mô phỏng… Bộ thông số kỹ thuật chính của các rôbôt thương mại thương được các nhà chế tạo cung cấp các catolog. Trong một sổ tay cũng có các bản thống kê về thông số kỹ thuật của các rôbôt do các hãng lớn trên thế giới sản xuất. 3.2: Thiết kế và tổ hợp rôbôt. 3.2.1: Các nguyên tắc chung. Về cơ bản thiết kế rôbôt cũng tuân theo những quy tăc chung của việc thiết kế máy. Chúng ta sẽ áp dụng các nguyên tắc đó vào đối tượng cụ thể là rôbôt. 3.2.1.1: Đảm bảo sự đồng bộ hệ thống. Rôbôt phải làm việc trong hệ thống công nghiệp cùng với các thiết bị khác nên chúng phải phối hợp nhịp nhàng với nhau. Ví dụ rôbôt phục vụ cho máy công cụ khi nhận được tín hiệu gia công xong chi tiết phải tác động mở kẹp, nhặt chi tiết bỏ lên băng tải, nhặt phôi từ băng tải khác đặt vào cơ cấu kẹp, kẹp phôi, lùi ra khỏi vùng gia công, phát tín hiệu kẹp xong để cho phép máy công cụ làm việc. Như vậy, trạng thái làm việc của máy, rôbôt, các băng tải phải được thường xuyên giám sát, điều khiển đồng bộ với nhau, sự trục trặc trong phối hợp sẽ gây ra rối loạn và nguy hiểm. 3.2.1.2: Xuất phát từ nhu cầu công nghệ. Mỗi rôbôt đều được thiết kế và chế tạo để trực tiếp thực hiện hoặc phục vụ một quá trình sản xuất cụ thể, vì vậy các thông số kỹ thuật của rôbôt phải đáp ứng nguyên công công nghệ. Ví dụ, rôbôt hàn hồ quang phải có khu di chuyển que hàn theo đường hàn định trước; có tốc độ di chuyển của phần công tác (kẹp que hàn ) phải phù hợp với chế độ hàn; có khả năng tự điều chỉnh để duy trì khoảng cách và góc nghiêng của que hàn so với bề mặt vật hàn, phải có cơ cấu tự động cặp que hàn, rôbôt lắp ráp phải có khả năng nắm được vật, di chuyển và đặt nó đúng chỗ cần lắp và thực hiện các thao tác lắp chúng cần độ chính xác và độ định vị cao hoặc trang bị hệ điều khiển thích nghi để thích nghi nhận biết vị trí của vật lắp hoặc lựa chọn nó theo tình huống. 3.2.1.3: Chọn kết cấu điển hình. Kế thừa kết cấu là nguyên tắc cơ bản của thiết kế máy. Khi thiết kế máy dù cố ý hay không, ít hay nhiều, người thiết cũng phải cần kế thừa kết cấu nào đó. Điển hình hoá kết cấu là sự kế thừa kết cấu một cách có ý thức, và có tổ chức bằng cách hệ thống hoá kết cấu, tổ chức kết cấu thành các nhóm điển hình. Công việc của người thiết kế là chọn kết cấu điển hình. Hiệu chỉnh nó nêú cần và tổ hợp nó vào hệ thống. Sử dụng kết cấu điển hình làm cho quá trình thiết kế và chế tạo được đơn giản, nhanh tróng chất lượng và rẻ tiền. Thiết kế rôbôt theo phương pháp tổ hợp môdul là dạng cao nhất của điển hình hoá kết cấu. 3.1.2.4: Đảm bảo sự hoà hợp giữa rôbôt và môi trường. Nguyên tắc này đảm bảo sự làm việc có hiệu quả, tin cậy, an toàn bền lâu của rôbôt. Nó tính đến nhiệt độ môi trường, độ ẩm, lượng khí hoặc chất gây hại, mức độ bụi, mức độ dung động…Có hai biện pháp đảm bảo sự hoà hợp giữa rôbôt với môi trường. Biện pháp thứ nhất là đảm bảo môi trường, như điều hoà không khí, lọc bụi, lọc độc, cách li chống dung. Biện pháp này có hiệu quả khi phạm vi của rôbôt rộng ví dụ như trong phân xưởng, hầm mỏ…khi đó người ta dùng biện pháp thứ hai là bảo vệ rôbôt hoặc các bộ phận của nó khỏi tác động có hại của môi trường ví dụ bao kín các khối điều khiển, làm mát cục bộ các bộ phận phát nhiệt hoặc tăng khả năng chịu nhiệt của chúng. Nhiều khi phối hợp các biện pháp có thể mang lại hiệu quả. 3.1.2.5: Sự hoà hợp giữa rôbôt và người dùng. Đó là tính đến sự tác động của thiết bị đến tâm lý, sinh lý của người dùng. Ngày nay người ta hay nói đến quan hệ "thân thiện" giữa máy móc với người dùng. Nó là kết hợp giữa các ngành khoa học, sự hài hoà đó thể hiện ở hình dạng kích thước, vị trí, mầu sắc, âm thanh…mà con người cảm nhận khi tiếp xúc với thiết bị. Có một ngành khoa học nghiên cứu về các giải pháp thiết kế sự hoà hợp giữa máy móc và con người gọi là Ergonomics. Đặc tính thể hiện tính phù hợp giữa thiết bị và con người được gọi là tính ergonomics. 3.2.1.6: Thiết kế có định hướng sản xuất. Nguyên tắc này nói về tính công nghệ của kết cấu. Định hướng của nó là thiết kế ra kết cấu sao cho việc chế tạo nó được rễ ràng nhất, rẻ tiền nhất. Chỉ tiêu của tính công nghệ là kinh tế nhưng biểu hiện của nó rất khác nhau. Tuỳ thuộc điều kiện sản xuất cụ thể, chính vì thế nguyên tắc này còn có tên là thiết kế định hướng phân xưởng. 3.2.2: Các công việc phải tiến hành khi thiết kế rôbôt. Rôbôt là thiết bị rất phức tạp nên thiết kế và chế tạo nó là công việc có tầm cỡ quốc gia của các ngành hoặc các hãng công nghiệp lớn. Riêng việc thiết kế rôbôt đòi hỏi công việc rất lớn, đa dạng của các tập thể cán bộ thiết kế có trình độ chuyên môn cao. Thường các tập thể đó được lãnh đạo bởi các công trình sư chịu trách nhiệm thiết kế và điều hành chung và các nhóm cán bộ thiết kế chuyên ngành, phụ trách hệ thống riêng biệt như cơ khí, thuỷ khí, khí nén điều khiển và truyền động điện…. Trong bối cảnh giao lưu kỹ thuật và kinh tế mang tính toàn cầu như hiện nay, không mấy khi người ta thiết kế và chế tạo các thiết bị từ A đến Z. Tuy nhiên để hình dung một cách tổng quát về quát trình thiết kế rôbôt chúng ta cần làm những việc sau: 1) Phân tích quá trình công nghệ để xác định khâu nào cần sử dụng rôbôt, chú ý đặc biệt các khâu phải sử dụng lao động chân tay hoặc điều kiện lao động khắc nghiệt. Sơ bộ đánh giá khả năng và hiệu quả của việc sử dụng rôbôt vào các khâu đó. 2) Nghiên cứu các thông số kết cấu của đối tượng dự định sẽ xử lý bằng rôbôt như hình dạng, kích thước, khối lượng, trạng thái vật lý (cứng, mềm, lỏng…) sự phân bố khối lượng của tải trọng. 3) Nghiên cứu điều kiện môi trường sử dụng rôbôt như nhiệt độ, bụi, rung động, khả năng gây cháy nổ. 4) Xác định các thông số kỹ thuật chính của rôbôt theo yêu cầu công nghệ. Từ đó tính toán các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, lựa chọn phương án thiết kế thích hợp về mặt kỹ thuật và kinh tế. 5) Phân chia kết cấu thành các cụm cơ cấu chính xác cụm nào có sẵn trên thị trường, có thể mua được, cụm nào có thể sử dụng thiết kế đã có, cụm nào phải thiết kế hoàn toàn. Phân chia nhiệm vụ thiết kế các cụm cho các cán bộ thiết kế chuyên ngành. 6) Tổ hợp hệ thống, thử nghiệm trên mô hình. Trong giai đoạn này nên sử dụng kỹ thuật mô hình hoá trên máy tính để giảm chi phí và thời gian thử nghiệm 7) Chế độ thử nghiệm rôbôt trong phòng thiết kế và sản xuất 8) Đánh giá tính kết cấu và tính năng kỹ thuật, công nghệ chế tạo, kinh tế. Từ đó đề xuất các biện pháp hoàn thiện kết cấu và công nghệ chế tạo rôbôt. Trong mỗi bước thiết kế cần chú ý tham khảo những mẫu rôbôt đã có hoặc tìm mua các cụm chức năng tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường. Cũng cần hết sức quan tâm đến điều kiện chế tạo các cụm kết cấu mới. Tuỳ tình hình cụ thể một số bước có thể là không cần thiết hoặc trình tự thực hiện chúng có thể thay đổi. 3.2.3: Thiết kế rôbôt theo phương pháp tổ hợp môdul. Phương pháp tổ hợp theo môdul được áp dụng trong thiết kế và sản xuất máy móc nói chung. Phương pháp này đặc biệt có hiệu quả đối với các sản phẩm thông dụng như ôtô, máy công cụ, rôbôt…bản chất của phương pháp này là tổ hợp thiết bị từ các cụm kết cấu có công dụng chung như thân các cơ cấu phát và truyền lực, phần công tác, phần điều khiển chúng được nối ghép và truyền năng lượng hoặc thông tin cho nhau nhờ các chi tiết nối ghép nhanh. Muốn thiết kế và sản xuất rôbôt theo phương pháp tổ hợp môdul thì cụm kết cấu phải được thống nhất hóa, tiêu chuẩn hóa. Phương pháp tổ hợp môdul có các ưu điểm chính sau: - Giảm thời gian thiết kế và chế tạo vì sử dụng các bản thiết kế hoặc các cụm chế tạo có sẵn trên thị trường. Nhiệm vụ của người thiết kế mới chỉ là chọn tổ hợp chúng theo yêu cầu thực tế và chế tạo bổ xung các chi tiết phụ. - Thỏa mãn các điều kiện làm việc tiêu chuẩn với kết cấu đơn giản, Sử dụng được các giải pháp tối ưu, ít chạm phải các kết cấu và chức năng thừa. Khi thay đổi theo yêu cầu công nghệ, ví dụ cải tạo dây chuyền sản xuất, không nhất thiết phải mua bán rôbôt mới mà có thể thay đổi bổ xung một số môdul làm việc của nó. - Nâng cao chất lượng và độ tin cậy của thiết bị vì các cụm tiêu chuẩn được chế tạo với chất lượng cao, được thử nghiệm tại các cơ sở chuyên môn hoá có kinh nghiệm được đầu tư đầy đủ các thiết bị gia công và thử nghiệm chuyên dùng. - Giảm giá thành thiết bị vì các cụm được sản xuất với tính hàng loạt cao. - Vì các môdul của rôbôt được chuẩn hoá cao nên nhiều rôbôt sẽ được sử dụng chung một số ít môdul giống nhau nên dễ dàng trong việc bảo dưỡng, bảo trì, sửa chữa và thay thế chúng sau này. Nhược điểm chính: Nhược điểm cơ bản của phương pháp tổ hợp môdul là khó thoả mãn các yêu cầu cá biệt. Có một số trường hợp làm cho thiết bị cồng kềnh, nặng nề, tính năng kỹ thuật không hợp lý. Mặt khác phải tốn kém rất nhiều cho việc thống nhất hoá, tiêu chuẩn hoá kết cấu. - Sự thống nhất hoá, tiêu chuẩn hoá kết cấu nhằm giảm số lượng chủng loại sản phẩm nên luôn mâu thuẫn với tính đa dạng trong kết cấu và sử dụng chúng. Mặt khác sự phát triển không ngừng trong thiết kế, công nghệ, vật liệu, kết cấu, luôn luôn có xu thế phá vỡ các tiêu chuẩn đã xây dựng. Lựa chọn chỉ tiêu đã thống nhất hoá và tiêu chuẩn hoá là việc khó khăn. Đối với rôbôt, người ta chọn các chỉ tiêu sau: +) Theo tính năng: Người ta phân ra thành các "gam" về sức nâng, tốc độ dịch chuyển, tầm với, độ chính xác, định vị…một số tính năng không thể thay đổi, một số khác có thể thay đổi được trong bộ gam. Tương tự người ta cũng phân nhóm rôbôt theo điều khiển, ví dụ điều khiển điểm- điểm, điểm- đường. +) Theo chức năng: Người ta thống nhất hoá, tiêu chuẩn hoá các cụm chức năng cơ bản, như cụm chuyển động thẳng, động thẳng góc, phần công tác, hệ điều khiển, hệ chấp hành, thiết bị đo. Chúng ta có thể tìm thấy thông số kỹ thuật của các cụm tiêu chuẩn trong các sổ tay. Môt cụm chức năng phải có vai trò độc lập nhất định, đồng thời phải có tính vạn năng. Ví dụ, hệ điều khiển cần có khả năng làm việc với hệ chấp hành điện cơ, thuỷ khí, khí nén, có thể nhận tín hiệu từ các loại sensor khác nhau. Tay có thể lắp và làm việc với các loại thiết bị kẹp khác. +) Theo công nghệ: Người ta thống nhất hoá và tiêu chuẩn hoá điều kiện sử dụng rôbôt ví dụ, rôbôt hàn, sơn, phục vụ dây chuyền sản xuất. Một ví dụ điển hình kết cấu tổ hợp môđun có thể thấy ở rôbôt MHU seuior, MHU junior của hãng Electrolux (Thụy Điển). 3.3: Một số kết cấu điển hình. Để minh hoạ các tư tưởng chung về thiết kế rôbôt đã trình bày ở trên, đồng thời giúp bạn đọc hình dung được phần nào về kết cấu của rôbôt, kế thừa có chọn lọc chúng khi cần phải thiết kế. Phần này giới thiệu một số kết cấu điển hình của các kết cấu rôbôt công nghiệp do các hãng khác nhau trên thế giới sản xuất . 3.3.1: Rôbôt cố định trên nền dùng hệ toạ độ Đêcac và toạ độ trụ. Đơn giản nhất thuộc nhóm này là rôbôt có cánh tay chuyển động trên trụ dẫn hướng Côngxôn. Một trong những đại diện của nhóm này là rôbôt Mp4 của Liên Xô cũ. Đó là loại rôbôt điện-cơ với sơ đồ động được biểu diễn trên hình 5.10 q2 trang 111. Trong thân 1 của rôbôt chứa cơ cấu nâng tay quay và quay nó quanh 1 trục thẳng đứng, chuyển động quay được phát động từ bộ động cơ giảm tốc 3 qua cặp bánh răng 4-5. Bánh răng 4 gắn liền với ống 6 và tang trống 7. Góc quay của tang trống và của cánh tay được giám sát nhờ cặp sensor không tiếp xúc 8. Xilanh khí nén 9 có tác dụng định vị chính xác vị trí góc của cánh tay. Cơ cấu nâng cánh tay gồm động cơ điện 18, bộ truyền trục vít-bánh vít 19 bánh răng 20, thanh răng găn trên ống 6, cánh tay được kẹp và lên xuống theo ống này. Cánh tay của rôbôt duỗi được nhờ động cơ 10, cặp bánh răng- thanh răng 11. Vị trí theo hướng kín của cánh tay được giám sát nhờ sensor không tiếp xúc và các "cờ" gắn trên các rãnh chữ T của tấm 12. Điểm dừng chính xác của cánh tay đạt được nhờ xilanh khí nén 14. Rôbôt được trang bị bộ điều khiển chu trình. Với cơ cấu nâng cánh tay kiểu Côngxôn như mô tả ở trên, khoảng cách dịch chuyển của cánh tay máy theo phương thẳng đứng bị hạn chế bởi chiều dài dẫn hướng nhỏ. Vì vậy nó được dùng trong các rôbôt nâng chuyển đơn giản, làm việc trong hệ tọa độ vùng góc hoặc tọa độ trụ, dùng chuyển động khí nén hoặc điện- cơ và bộ điều khiển chu trình đơn giản. Để khắc phục khuyết điểm nâng cánh tay nói trên, cánh tay được gắn bàn trượt (hình 5.11q2 trang 113). Trụ dẫn hướng tựa hai đầu cho phép nâng chiều cao của vùng công tác tới 2m, tải trọng 1á1000kg, số bậc tự do 3á7. Rôbôt thuộc nhóm này được sản xuất hầu hết các nước lớn trên thế giới. Ví dụ của Nga là Pf-100C, Bulgari có P5-231, Ba lan có HM-3,MP3, Mỹ có họ rôbôt Versatrau. Chúng dùng hệ thống chuyển động cơ khí- thuỷ lực chuyển động quay quanh trục thẳng đứng được thực hiện bởi hai xylanh thuỷ lực và truyền động xích. Chuyển động thẳng đứng của bàn trượt do các xylanh thuỷ lực đảm nhận. Hệ truyền động cho bàn tay (quay, trượt, gắp và nhả vật) được đặt trong cánh tay tuỳ theo yêu cầu sử dụng, chúng có thể được trang bị các loại điều khiển khác nhau. Loại đơn giản nhất chỉ lưu được 20 lệnh, loại hiện đại hơn có bộ nhớ trong mở rộng cho phép sử dụng chương trình con và và các chu trình chuẩn. Một dạng khác thuộc nhóm này là rôbôt có tay gắp. Đó là sản phẩm của hãng Nagoyakiko, Tokyo keiki (Nhật). Trên hình (5.12 q2 trang114) là sơ đồ động học của rôbôt MATBACiRB-10 do hãng Tokyo keiki sản xuất. Trên thân 1 lắp các hệ thống nâng hạ và quay giá cánh tay 33. Cánh tay gồm hai khâu 22 và 25 dài như nhau nối với nhau băng khớp trụ và truyền động qua nhau bằng xích. Góc quay của khâu bị động 22 gấp đôi của khâu chủ động 25 để duy trì phương chuyển động ngang của phần công tác. Phương nằm ngang của bàn tay được duy trì nhờ cơ cấu bình hành các khâu 22, 25 và các thanh nối 21, 28. Trên đầu mút khâu 22 gắn giá 20 của cổ tay và bàn tay. Động cơ thuỷ lực 15 quay cổ tay, động cơ thuỷ lực 19 tạo chuyển động ra vào (kẹp, nhả) của ngón tay. Chuyển động nâng hạ giá 33 do động cơ thuỷ lực 34 đảm nhận. Cơ cấu quay giá 33 gồm hai xylanh thuỷ lực và hai bộ truyền xích 7. Xylanh thuỷ lực 35 thực hiện co duỗi cánh tay, các cảm biến 12,32,37 dùng để giám sát vị trí bàn quay 10, cánh tay 25 và giá 33. Các rôbôt có thể được trang bị bộ điều khiển TKC-10 của hãng Keiki hoặc RC-7000 (Thuỵ điển). TKC-10 là bộ điều khiển vị trí dùng tín hiệu tương tự. Nó có thể dùng đồng thời hai toạ độ. RC-7000 là bộ điều khiển số, có thể điều khiển đồng thời 7 toạ độ, bộ nhớ có thể chứa 250 -5000 câu lệnh. Nó có 20 cổng vào ra để nối ghép thiết bị ngoại vi. 3.3.2: Rôbôt trên nền dùng toạ đô cầu. Trong hệ toạ độ cầu, để dịch chuyển bàn tay theo phương thẳng đứng cần phối hợp 3 chuyển động: Tịnh tiến cẳng tay theo hướng kính R, quay cánh tay quanh khớp vai trong mặt phẳng thẳng đứng một góc a và chuyển động quay của cánh tay quanh khớp cổ tay để bù góc quay a. Muốn chuyển động theo một quỹ đạo bất kỳ thường rôbôt phải có 5-6 bậc tự do. Các rôbôt UNIMATE của hãng Unimation inc (Mỹ) là đại diện điển hình của loại rôbôt này. Hãng sản xuất trên 10 mẫu cơ sở để thực hiện nhiệm vụ khác nhau trên dây truyền sản xuất. Ngoài ra nhiều nước đã sản xuất rôbôt toạ độ cầu theo thiết kế của Unimation. Trên hình ) là sơ đồ kết cấu của rôbôt Unimate Markii. Nó có 5 bậc tự do, cánh tay được gắn trên trụ 31, quay quanh trục thẳng đứng nhờ xylanh thuỷ lực 18. Xylanh thuỷ lực 17 tạo nên chuyển động lắc (quay) của cánh tay quanh khớp vai. Xylanh 30 tạo chuyển động ra vào (hướng, kính) của cẳng tay. Xylanh 14 tạo chuyển động quay của cổ tay quanh trục. Chuyển động cổ tay trong mặt phẳng thẳng đứng do xylanh và bộ truyền xích đặt trong ống cẳng tay thực hiện. Một phương án kết cấu của rôbôt dùng toạ độ cầu là cánh tay. Nhiều khâu ưu điểm của kết cấu này là gọn, có vùng làm việc lớn. Chúng thường sử dụng trực tiếp động cơ chuyển động quay nhưng một số vẫn dùng động cơ chuyển động thẳng kem theo một số cơ cấu biến đổi chuyển động như xích, thanh răng, đòn…để tạo chuyển động quay của thanh bị dẫn. Nhờ vậy bộ phận công tác vẫn giữ được chuyển động thẳng trong khi các khâu dẫn chuyển động quay. Cơ cấu như vậy được ứng dụng trên rôbôt phun sơn COAT-A-MATiC của hãng Retab (Thuỵ điển). Sơ đồ kết cấu trên hình (5.14 trang116 q2). Rôbôt có 6 bậc tự do, mâm 16 quay quanh trục thẳng đứng nhờ xylanh thuỷ lực 18. Cánh tay liên kết với mâm quay khớp quay. Xy lanh thuỷ lực 21 có 1 đầu gắn với mâm quay qua tấm nối 20, đầu kia gắn với khâu 8 thông qua chạc 24 tạo chuyển động lăc lư cho khâu 8. Chuyển động quay của khâu 28 do xylanh 9 thực hiện. Chuyển động lắc của cổ tay quanh hai trục vuông góc được thực hiện nhờ hai động cơ thuỷ lực quay 1 và3. Động cơ thuỷ lực 6 quay giá quay kẹp súng phun sơn quanh trục còn lại. Trạng thái của hệ thống được giám sát nhờ các sensor kiểu triết áp 2, 4, 5, 7, 15. Trên rôbôt dùng bộ điều khiển contuor, việc lập trình được thực hiện bằng phương pháp dạy, nghĩa là được vận hành dịch chuyển đầu sơn theo toạ độ cầu, thiết bị điều khiển nhớ lại quỹ đạo dưới dạng chương trình, lò xo 11 giữ vai trò cân bằng giúp cho việc dịch chuyển đầu phun sơn bằng tay được dàng. 3.3.3: Rôbôt treo. Các rôbôt được lắp và chuyển động trên các đường ray trên không. ưu điểm cơ bản của chúng là không chiếm diện tích sản xuất, ít cản trở hoạt động của các thiết bị khác và có vùng làm việc rộng. Các rôbôt treo có thể vận chuyển nguyên vật liệu thiết bị trong từng phân xưởng hoặc giữa các phân xưởng. Chúng có thể được dùng vào các công việc lắp ráp, phun sơn, hàn…Theo số phương chuyển động của cánh tay có thể phân rôbôt treo thành hai loại: Rôbôt chuyển động theo 1 phương và rôbôt chuyển động theo hai phương. Rôbôt CM40f2.80.1 (liên xô) là đại diện điển hình của rôbôt kiểu palăng. Nó được thiết kế để phục vụ cho 60 kiểu máy gia công kim loại có trục chính nằm ngang bố trí theo 1 băng hoặc hai hàng song song. Sơ đồ động học của rôbôt CM40f2.80.1 được thể hiện trên hình 5.15. Cánh tay của rro được gắn trên một giá có thể di chuyển trên ray trong khoảng 12m nhờ động cơ bước thuỷ lực M1. Hộp giảm tốc hai cấp và cơ cấu bánh răng-thanh răng. Thanh răng được gắn trên thanh ray 11. Khâu dẫn 3 và khâu bị dẫn 5 của cánh tay chuyển động nhờ các động cơ bước thuỷ lực có khuyếch đại thuỷ lực M2 và M3. Thông qua hộp giảm tốc một cấp và cặp vít me-đai ốc 9-10 và 7-8. Đó là các chuyển động quay, lắc lư quanh các trục 2 và 6. Trong các hộp giảm tốc có các ly hợp điện-từ EM1 và EM2 để phanh các cơ cấu khi ngắt dòng điện cung cấp cho động cơ. Đầu trục 4 với các xylanh thuỷ lực XL1 tạo chuyển động quay của cổ tay. Rôbôt CM40f2.80.1 được trang bị bộ điều khiển YPM-331 với dung lượng bộ nhớ 0.5kb, lập trình bằng phương pháp dạng. Rôbôt kiểu cẩu trục có tầm hoạt động, độ cứng vững và sức nâng cao hơn kiểu palăng. Tuy nhiên kết cấu cồng kềnh và phải gắn liền với nhà xưởng. Để thêm một chuyển động cho rôbôt cần trục cần bổ xung thêm hệ thống truyền động. Ngoài điều đó ra, kết cấu của phần tay máy không có gì khác kiểu palăng. 3.3.4: Rôbôt có điều khiển thích nghi. Rôbôt có điều khiển thích nghi (gọi là rôbôt thich nghi) là loại rôbôt có khả năng tự phản ứng một cách có lợi trước sự biến động không lường trước được của môi trường. Sự phản ứng đó dựa vào các thông số đo được của môi trường, ví dụ như vị trí, tính chất vật lý của đối tượng hoặc dựa vào trạng thái của các cơ cấu rôbôt. Trong trường hợp này chương trình điều khiển chỉ định hướng sơ bộ hoạt động của rôbôt. Chính nó sẽ tìm hiểu thu thập bổ xung và chính xác hoá hoạt động của mình trên cơ sở phân tích thực tế của môi trường. Nhờ khả năng thích ứng linh hoạt với môi trường mà các rôbôt thích nghi làm được những việc mà rôbôt thường không thể làm được ví dụ như tìm kiếm, nhận biết đối tượng, thay đổi lực kẹp, định vị hoặc định hướng chi tiết…Phần lớn rôbôt thông thường có thể trở thành rôbôt thích nghi nếu thêm hệ thống sensor để thu nhận thông tin về môi trường, chương trình phân tích thông tin thu được và ra quyết định theo chiến lược nhất định. Hình 5.6 mô tả hoạt động của cơ cấu thích nghi trên rôbôt kiểu Hi-T-Hand Expert-2 của hãng Hitachi (Nhật). Nó được dùng để nối hai chi tiết tròn xoay với nhau. (Hình 5.16a trang 118 q2) là sơ đồ chung của toàn hệ thống thiết bị lắp ráp gồm rôbôt chính 4 có 3 bậc tự do, dùng toạ độ đêcác và 1 rôbôt phụ 7 có 1 bậc tự do (quay quanh trục thẳng đứng). Hai máng 5 và 6 cung cấp hai chi tiết cần lắp cơ cấu thích nghi được lắp trên tay 3 của rôbôt chính 4 qua lò xo phẳng dạng chữ thập 2. Trên lò xo có dán hệ tenzomet để xác định 3 thành phần X, Y, Z của lực tiếp xúc của hai chi tiết. Tuỳ theo tỷ lệ các thành phần lực của chương trình điều khiển xác định phương di chuyển của tay sao cho tâm trục trùng với tâm lỗ để có thể lồng chúng vào nhau (hình 5.16 b). Với cơ cấu này rôbôt có thể lắp khe hở khoảng 20mm. Hình 5.17 là sơ đồ kết cấu thích nghi, phối hợp giữa thiết bị quan sát quang học và hệ thống xúc tác cơ điện được lắp trên rôbôt ETL của Nhật. Rôbôt có 6 bậc tự do, trên các ngón tay có gắn các sensor xúc giác, làm việc ở chế độ 1- 0 để giúp rôbôt tìm vị trí và hướng của các vật trong vùng công tác. Vị trí của các ngón tay khi tiếp xúc với vật được giám sát nhờ các sensor vị trí đặt trên bàn tay, từ đó xác định kích thước của vậy và thay đổi lực kẹp của ngón tay. Hệ thống quan sát gồm các camera 1 và 3 cùng kính lọc mầu 2 để nhận biết hình dạng vi trí của các vật trên mặt bàn. Các khối phân tích: 5 - mầu sắc; 6 - hình dạng; 7- vị trí; khối 8 tạo chương trình điều khiển, khối 9 điều khiển chuyển động của rôbôt, khối 10 điều khiển bàn tay theo tín hiệu xúc giác. 3.4: cơ cấu tay kẹp 3.4.1: Khái niệm và phân loại tay kẹp. Phần công tác của rôbôt rất đa dạng. Trên các rôbôt chuyên dùng thì phần công tác cũng la thiết bị chuyên dùng. Ví dụ phần công tác của rôbôt phun sơn là súng phun sơn, của rôbôt hàn là kìm kẹp dây. Trên một loạt các rôbôt vạn năng, thường là các rôbôt vận chuyển, lắp ráp, xếp dỡ…thì phần công tác có chức năng nắm giữ và thực hiện các thao tác khác nhau với đối tượng (xoay, lựa, đặt…). Bỏ qua sự khác biệt về kết cấu, căn cứ vào chức năng chính của cơ cấu ta gọi tay kẹp. Mục này sẽ nói về cơ cấu. Các đối tượng mà rôbôt phải xử lý rất khác nhau về kích thước hình dạng và tính chất vật lý nên tay kẹp cũng hết sức đa dạng. Yêu cầu cơ bản đối với tay kẹp là làm việc tin cậy: bắt đúng đối tượng, giữ chắc…nhưng không làm hỏng đối tượng. Ngoài ra nó còn gọn, nhẹ, tác động nhanh. Tính vạn năng và gọn nhẹ luôn mâu thuẫn với nhau. Một mặt người ta cố gắng mở rộng phạm vi hoạt động của từng tay kẹp. Mặt khác người ta tạo ra bộ các tay kẹp có tính năng khác nhau để dùng có thể chọn tay kẹp phù hợp nhất cho từng việc cụ thể. Tay kẹp được phân chia theo nhiều đặc trưng khác nhau như theo công dụng, theo phương pháp giữ vật, theo tính vạn năng…Chúng ta quan tâm đến các đặc trưng liên quan trực tiếp đến các cơ cấu như sau. - Theo nguyên lý tác động có tay kẹp cơ khí, chân không, từ trường tĩnh điện. - Theo khả năng điều khiển có tay kẹp không có điều khiển, điều khiển cứng, điều khiển thích nghi. - Theo nguồn năng lượng có các loại tay kẹp có dẫn động và không có dẫn động. 3.4.2: Kết cấu của tay kẹp Do sự đa dạng về kết cấu của các tay kẹp, ở đây ta không thể mô tả hết các dạng kết cấu của chúng mà chỉ nghiên cứu một số tay kẹp điển hình. 3.4.2.1: Tay kẹp cơ khí: Đó là loại tay kẹp để giữ, di chuyển đối tượng bằng các mỏ kẹp, móc, càng, tấm đỡ…. Tay kẹp không có điều khiển dùng các loại mỏ, nhíp, chấu…để kẹp vật nhờ tác dụng của lò xo hoặc nhờ lực đàn hồi của chi tiết trong hệ thống (hình 5.18). Kết cấu của các tay kẹp này rất đơn giản. Chúng không có nguồn dẫn động riêng, không có cơ cấu hãm nên lực kẹp dao động theo kích thước của đối tượng. Vì vậy chúng thuộc loại tay kẹp chuyên dùng, được thiết kế cho từng loại đối tượng cụ thể với phạm vi thay đổi kích thước hẹp. Do các điểm trên, chúng được trong sản xuất hàng khối. Để đảm bảo sự làm việc tin cậy và ổn định ngay cả khi biến động kích thước của đối tượng, tay kẹp được bổ xung cơ cấu hãm. Ví dụ như cơ cấu trong hình 5.19. Nhờ cơ cấu hãm mà tay kẹp làm việc với hành trình kẹp, nhả một cách rành mặch hơn mặc dù vẫn không có nguồn dẫn động riêng. Tay kẹp trên hình 5.19 a được dùng với chi tiết tròn xoay. Lực kẹp được tạo ra khi dưới tác dụng của trọng lực, tấm nêm 4 tác dụng nên mặt phẳng nghiêng. Trên đuôi của mỏ kẹp 1. Khi đặt vật xuống, nêm 4 tiến gần đến vật, hai mỏ kẹp được giải phóng nhả vật do lực kẹp của lò xo 13. Đáng chú ý ở đây là cơ cấu hãm nó gồm thân 7 gắn liền với cần 5, chốt hãm 10 gắn trên cần 12 nhưng có thể quay tự trên đó. Trong lỗ của thân 7 có lồng ( không quay được) hai bạc 8 và 9. Bạc 8 có các vấu phía dưới, bạc 9 có các vấu cả trên và dưới. Mỗi lần ăn khớp và trượt tương đối với các vấu ở trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 450. Trong hành trình nhả, thân 7 tiến gần đến đầu 5, chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, quay 450, khi đi xuống tiếp xúc với đầu trên của bạc 9 lại quay 450 và bị mắc trong lỗ. Hai mỏ kẹp bị giữ ở trạng thái nhả. Trong hành trình kẹp, sau khi chốt 2 tiếp xúc với vật, đầu 3 và thân 7 tiến gần đến nhau. Chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, bị quay 450. Khi đi xuống chốt 10 lại tiếp xúc với bạc 9 , bị quay tiếp 450 nữa. Kết quả là chốt lọt qua được rãnh và lọt khỏi lỗ. Các mỏ 1 được khoá lại ở trạng thái kẹp. Tay kẹp trên hình 5.19 b làm việc theo nguyên lý tương tự nhưng dùng để kẹp các chi tiết dạng đĩa, bắnh răng, bạc…trong tư thế thẳng đứng. Hai loại trên được dùng trong sản xuất hàng khối, để nhấc các vật tròn xoay có khối lượng không quá 30 kg, kích thước không được giao động quá 0.05mm. Chúng được coi là tay kẹp phạm vi công tác cứng. Với nguyên lý làm việc như hai loại trên, ._.h một đường trục trung bình nào đó với vận tốc U. Sự va trạm giữa các phần tử chất lỏng (hoặc chất khí) với nhau hoặc với thành ống sẽ sinh nhiệt làm mất mát năng lượng. Năng lượng tổn thất này không phụ thuộc vào hệ số nhớt m mà xác định bởi động năng của dòng chẩy. Dp = 1/2xs(q2/s2) = rq2. Với x là hệ số không thư nguyên. Việc chuyển từ chẩy tầng sang chẩy rối sẽ xẩy ra khi lưu lượng q vượt quá một giá trị q*, ứng với một đại lượng Re không thứ nguyên nào đó, Re gọi là hệ số reynonds. Đối với ống dẫn hình trụ đường kính D: (8.7) 8.4.1.2: Các phương trình cơ bản ở chế độ làm việc chuyển tiếp. 1.Phương trình trạng thái khí. 1Ê k Ê Y (8.8) Phương trình đặc trưng trạng thái nhiệt động của chất khí là phương trình liên hệ giữa mật độ r và áp suất p. Trường hợp k = 1 quá trình là đẳng nhiệt. Khi chất khí chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác một cách chậm chạp thì qua trình trao đổi nhiệt với môi trường hoàn toàn thực hiện được và nhiệt độ của chất khí xem như không đổi. Việc chuyển tiếp đó ứng với điịnh luật Boyle – Matiotte: (8.9) Trường hợp k = Ă qua trình là đoạn nhiệt. Khi chất khí chuyển trạng thái tương đối nhanh thì quá trinh trao đổi nhiệt với môi trường hầu như không cảm thấy. Việc chuyển tiếp đó ứng với định luật Laplace : (8.10) Đối với khí nén Ă @ 1,404. Từ trường hợp chung có thể viết : (8.11) 2: Phương trình lưu lượng: Khảo sát một bình chứa có thể tích V, chịu áp áp suất đồng nhất P. Gọi q1 và q2 là lưu lượng ở dầu vào và đầu ra. Điều kiện bảo tồn khối lượng bên trong bình giữa hai thời điểm t và t + dt có thể biểu diễn dưới dạng: rq1dt – rq2dt = d(rV) = Vdr Từ đó: (8.12) thay vào ta có: (8.13) ở chế độ làm việc bình ổn vế phải của biểu thức se bằng không . 3: Độ chịu nén của chất lỏng. Chất lỏng có thể xem như môi trường không nén được. Tuy nhiên ở nhiệt độ và áp suất nào đó thì mật độ của chất lỏng thay đổi. Có thể đánh giá độ chịu nén của chất lỏng bằng chế độ nén thể tích b. Đặc trưng cho sự thay đổi thể tích tương đối khi áp lực biến đổi một đại lượng dp: (8.14) Vì khi thể tích thay đổi một đại lượng dV thì mật độ r cúng thay đổi một đại lượng dr. (8.15) Gọi modul chịu nén B là hệ số nghịch đảo củab: (8.16) Như vậy thứ nguyên của B trùng với thứ nguyên của áp suất thường B ằ 1500 Mpa. Khi áp suất tăng thì B tăng chậm, còn khi nhiệt độ tăng thì B giảm. Đặc biệt B phụ thuộc vào lượng khí lẫn vào chất lỏng. Trong trường hợp này phương trình lưu lượng có dạng: (8.17) 4: ảnh hưởng do thay đổi hình học: Xét phương trình lưu lượng khi thể tích thay đổi theo thời gian. Ví dụ, thay đổi thể tích chứa trong xylanh do vị trí của piston hoặc trong ống xếp do sự đàn hồi của ống vv … trong các trường hợp đó thì: D(rV) = Vdr + rdV (8.18) Khi thay thế cho biểu thức ta có: (8.19) Gọi là lưu lượng biến dạng. Trong đa số trường hợp thể tích các loại xylanh có quan hệ tuyến tính với độ dịch chuyển hoặc dịch chuyển gócq. V = s (x0 + x) (8.20) Hoặc V = C (q0 + q). (8.21) Do vậy : qd = S (8.22) Hoặc qd = C (8.23) Từ các phương trình trên ta có: (p1 – q2)qd = F (8.24) (p1- p2)qd = M (8.25) 8.5. truyền dẫn động khí nén. 8.5.1: Đặc điểm chung. Dùng khí nén trong hệ truyền dẫn rôbôt có nhiều thuận lợi. Trước hết do các phân xưởng công nghiệp thường có mạng lưới khí nén chung, cho nên đơn giản giản hoa được phần thiết bị nguồn động lực cho rôbôt. Vì khí nén có thể xẩy ra không khí nên đòi hỏi hệ thống đưa khí nén trở lại như đối với dầu ép. Hệ thống truyền dẫn khí nén tương đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều và không qua nhạy với nhiệt độ khi làm việc. Tuy nhiên, dùng hệ truyền dẫn khí nén cũng không ít nhược điểm. Trước hết là do đặc điểm nén của chất khí nên chuyển động do chúng thực hiện thường kèm theo dao động, không chính xác lúc dừng, nhất là ở vị trí trung gian. Ngoài ra còn dùng biện pháp phun dầu bôi trơn, lọc bị, lọc ẩm và giảm ồn. Modul truyền dẫn động khí nén cho một bậc tự do của cơ cấu tay máy thường bao gồm các bộ phận chủ yếu như động cơ, bộ phận phân phối, bộ phận điều chỉnh vận tốc. Các phần tử và thiết bị khí nén đều được tiêu chẩn hoá. Bảng dưới đây giới thiệu cá phần tử và thiết bị khí nén đều được tiêu chuẩn hoá. Bảng dưới đây giới thiệu các phần tử, thiết bị chủ yếu của hệ thống truyền dẫn động khí nén và các ký hiệu cơ bản. Ngày nay đã có những chung trình máy tính vẽ các phần tử và các mạch khí nén. Dưới đây ta sử dụng các chung. N0 Tên phần tử và thiết bị Sơ đồ 1 Máy nén khí 2 Bơm chân không 3 Động cơ nén khí tốc độ không đổi với một dòng khí 4 Động cơ khí nén tốc độ không đổi với hai dòng khí nén. 5 Động cơ khí nén với thể tích chuyển dịch điều chỉnh được một dòng 6 Động cơ khí nén với thể tích chuyển dịch điều chỉnh được hai dòng khí. 7 Xilanh tác động đơn, chuyển động lùi nhờ lực bên ngoài. 8 Xilanh các động đơn, chuyển động lùi nhờ lò xo. 9 Xylanh tác động kép với piston một đầu cần. 10 Xilanh tác động kép với piston hai đầu cần. 11 Xylanh vi sai với piston hai đầu cần. 12 Xylanh tác động kép hai đầu có gối đệm điều chỉnh được. Các thiết bị đIều chỉnh năng lượng N0 Các van điều khiển hướng Sơ đồ 1 Van dẫn hướng 2/2 thường đóng A P 2 Van dẫn hướng 2/2 thường mở A P 3 Van dẫn hướng 3/2 thường mở A P R 4 Van dẫn hướng 3/2 thường đóng A P R 5 Van dẫn hướng 3/3 ở vị trí giữa đóng A P R 6 Van dẫn hướng 4/2 B A P R 7 Van dẫn hướng 4/3 vị trí giữa đóng B A P R 8 Van dẫn hướng 4/3 Vị trí thả nổi B A P R 9 Van dẫn hướng 5/2 B A R P S 10 Van dẫn hướng 5/3 Vị trí giữa đóng B A R P S N0 Van một chiều Sơ đồ 1 Van khoá không lò xo 2 Van khoá lò xo 3 Van khoá phụ trợ 4 Van con thoi A x y Van xả nhanh x y N0 Van điều áp Sơ đồ 1 Van khống chế áp, điều chỉnh được R 2 Van đặt nối tiếp, điều chỉnh được, có lỗ xả X A 3 Van chỉnh áp không lỗ xả, điều chỉnh được p A 4 Van chỉnh áp, có lỗ xả, điều chỉnh được F R A N0 Van tiết lưu Sơ đồ 1 Van tiết lưu với mức khỗng chế không đổi. 2 Van màng với mức khống chế không đổi 3 Van tiết lưu điều chỉnh được, tác động bất kỳ 4 Van tiết lưu điều chỉnh được, tác động cơ học chống lại lò xo tự hồi ` N0 Van đóng kín (van khoá) Sơ đồ 1 Van đóng kín biểu diễn đơn giản hoá N0 Van tiết lưu với van khoá mắc song song Sơ đồ 1 Van tràn điều chỉnh được 2 Van màng tràn, đều chỉnh được N0 Nguồn truyền năng lượng Sơ đồ 1 Nguồn áp suất 2 Đường làm việc 3 Đường điều khiển 4 ống dẫn mềm 5 Đường điện 6 Điểm nối cố định 7 Các đường giao nhau 8 Điểm xả 9 Lỗ ra không nối ống dẫn N0 Nguồn truyền năng lượng Sơ đồ 10 Lỗ ra có ống dẫn 11 Điểm tiếp nối với áp suất đã đóng 12 Điểm tiếp nối với áp suất có đường nối 13 Khớp nối ngắt nhanh, đã tách, van đóng kín ống dẫn 14 Khớp nối ngắt nhanh đã tách, ống dẫn đóng 15 Thiết bị giảm âm 16 Bình tích khí 17 Bộ lọc 18 Bộ phân ly nước được thao tác bằng tay 19 Bộ phân ly nước thoát nước tự động 20 Bộ phân ly lọc nước tự động 21 Thiết bị sấy 22 Thiết bị bôi trơn 23 Thiết bị phụ trợ (bộ lọc, van chỉnh áp, thiết bị bôi trơn, áp kế) biểu diễn đơn giản hoá 24 Thiết bị làm mát N0 Thiết bị điều khiển bằng tay, chân Ký hiệu 1 Chuông 2 Nút bấm 3 Tay cầm 4 Bàn đạp N0 Điều khiển cơ Ký hiệu 1 Con trượt 2 Lò xo 3 Cần con lăn 4 Cần con lăn tự hồi N0 Điều khiển điện Ký hiệu 1 ống dây 1 cuốn tác dụng 2 ống dây 2 cuốn tác dụng ngược chiều N0 Điều khiển điện Ký hiệu 1 Trực tiếp bằng tràn áp 2 Trực tiếp bằng tràn áp 3 Gián tiếp bằng cấp áp 4 Gián tiếp bằng tràn áp N0 Điều khiển điện Ký hiệu 1 ống dây và van điều khiển 2 ống dây hoặc van điều khiển 3 ống dây và van điều khiển bằng tay có lò xo tự hồi N0 Các ống nối Ký hiệu 1 Các đường làm việc A, B, C… 2 Đường tiếp khí, tiếp nối khí nén P R, S, T… 3 Điểm xả, thảI L 4 Đường điều khiển Z, Y, X 8.5.2: Tính toán và chọn lựa xylanh khí nén. Khi thiết kế hệ thống truyền dẫn khí nén thì xylanh là phần tử cần tính toán nhất. Gọi chung tên gọi là xylanh cho cả hai trường hợp năng lượng khí nén được chuyển thành chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Trường hợp thứ hai còn gọi là xylanh quay hoặc động cơ khí nén. Trong bảng 1.1 có các loại xylanh tác động đơn và xylanh tác động kép. Trong các xylanh tác động đơn, khí nén vào một phía đẩy piston theo chiều ngược lại, trở về vị trí ban đầu với vận tốc đủ nhanh. Hành trình của piston phải nhỏ hơn hoặc bằng chiều dài của lò xo khi chưa bị nén. Các xylanh đơn cũng có nhiều kiểu khác nhau tuỳ theo công dụng. Các loại xylanh đơn dùng chủ yếu kẹp, phun, nén, nâng và cấp liệu…Lớp vật liệu phủ ngoài piston ví dụ như tefton, đảm bảo vừa kín khít, vừa ít ma sát và lâu mòn. Trong các xylanh tác động kép, khí nén có thể đẩy piston chuyển động tịnh tiến và cả chuyển động lùi. Hành trình piston không bị hạn chế nhưng phải tính tới tốc độ uốn võng của cần piston. Xylanh tác động kép của loại piston với một đầu cần hoặc hai đầu cần. Loại hai đầu cần là loại piston kéo dài cả hai phía chạy dọc suốt chiều dài xylanh. Loại này có ưu điểm như : - Lực tác động bằng nhau cả hai chiều chuyển động vì diện tích hữu ích của piston cả hai phía đều như nhau - Có thể chịu được tải ngang nhỏ vì cần piston xem như một trục lắp trên hai ổ tựa. Xylanh tác động kép thường có kết cấu hai đầu có giảm chấn điều chỉnh được. Để tránh va trạm mạnh, nhất là khi dịch chuyển khối lượng lớn, người ta tạo ra những cái đệm ở cuối hành trình. Khi đến vị trí cuối, piston đệm chặn đường ra của khí nén và thay vào đó có một lỗ thoát rất nhỏ đIều chỉnh được. Khí nén ở phần cuối xylanh được nén và thoát ra từ từ qua van tiết lưu một chiều. Vì thế piston chuyển động từ từ đến vị trí tận cùng. Có loại xylanh nối tiếp và xylanh nhiều vị trí. Cơ cấu xylanh tiếp đôi gồm hai xylanh tác động kép ghép nối tiếp nhau thành một khối duy nhât. Khi tác động đồng thời thì lực trên cần piston tăng gấp đôi. Người ta dùng loại xylanh này khi cần lực lớn mà đường kính xylanh bị giới hạn. Hình vẽ 8.1 là sơ đồ cơ cấu xylanh tiếp đôi. Xylanh nhiều vị trí gồm hai hoặc nhiều xylanh tác động kép nối tiếp nhau. Tuỳ theo từng xylanh hoạt động riêng rẽ mà tổ hợp chúng sẽ đạt được nhiều vị trí khác nhau. Với hai xylanh như hình 1.2 có bốn vị trí khác nhau. Loại xylanh nhiều vị trí thường được dùng để phục vụ các cơ cấu phân loại sản phẩm. ở mỗi vị trí ứng với mỗi loại sản phẩm. Để thực hiện nhiều vị trí còn có thể dùng các xylanh lồng tác động đơn hoặc tác động kép. Chúng có kết cấu như là các xylanh lồng vào nhau. Các xylanh có sơ đồ kết cấu tương tự như là một rotor cánh gạt nằm trong một thân hộp chính. Khí nén đưa vào thân hộp làm cho rotor quay. Chuyển động quay có thể tạo từ các xylanh tịnh tiến tác động kép. Trong trường hợp này trên một đầu hoặc một đoạn cần piston được tạo hình như thanh răng hoặc trục vít, ăn khớp với bánh răng hoặc bánh vít. Góc quay có thể thay đổi theo thông số ăn khớp bánh răng. Thường dùng các góc quay 45°, 90°, 180°, 270° đến 720°. Loại này dùng trong các khớp quay của rôbôt, trong cơ cấu đóng mở van. Tính toán lực piston Lực tác động vào piston phụ thuộc vào áp suất khí nén, đường kính trong của xylanh và ma sát ở các bộ phận tiếp xúc động: FL = A.p (8.26) Với FL – lực piston lý thuyết (N) A – Diện tích hứu ích của piston (m2) P - áp suất làm việc (pa) Trong thực tế còn có lực ma sát nên lực piston hữu dụng FN sẽ là: Đối với xylanh công tác đơn: FN = A.p – (Fr + Ff) (8.27) Đối với xylanh tác động kép: Khi tiến: FN = A.p - Fr. (8.28) Khi lùi : FN = A,p – Fr. (8.29) Trong công thức trên (8.30) (8.31) Fr: lực lò xo phản hồi (N). Ff: lực ma sát, thường Ff = (3%-20%)FL. D: đường kính trong của xylanh (m) d: đường kính của piston (m). Vận tốc của piston Vận tốc di chuyển của piston là hàm của áp suất tác động lên bề mặt của piston, lực cản do ma sát giữa piston, mặt trụ trong xylanh và sự giảm chấn cuối hành trình vv… Vận tốc thường thay đổi từ 0,1- 1,5 m/s Tính lưu lượng khí. Có thể dùng các giản đồ lập sẵn của hãng sản xuất để tính lưu lượng khí, hoặc tính theo công thức sau: Đối với xylanh tác động đơn: (8.32) Đối với xylanh tác động kép: (8.33) Trong đó: Q: lưu lượng khí (l/phút) S: hành trình piston (cm) n: số hành trình trong một phút Kp: tỷ số nén Tỷ số nén được tính theo công thức sau. (8.31) 8.4.3: Sơ đồ phương pháp cấu tạo mạch khí nén. Người ta dùng hai phương pháp cấu tạo mạch khí nén: Theo phương pháp thứ nhất các sơ đồ mạch khí nén được cấu tạo chủ yếu dựa trên cơ sở kinh nghiệm với trực giác của người thiết kế. Phương pháp này đòi hỏi tích luỹ kinh nghiệm, phân tích mức độ phù hợp của những sơ đồ tương tự trước đây mà quyết định giải pháp. Trong trường hợp này ảnh hưởng chủ quan của người thiết kế thường không nhỏ. Tuy nhiên, trong thực tế đôi khi các giải pháp như thế là cần thiết và phương pháp vẫn được áp dụng như một phương pháp truyền thống. Theo phương pháp thứ hai, còn gọi là phương pháp “hệ thống tầng” sơ đồ cấu tạo một cách logic. Chỉ khi nào các mạch cơ bản đảm bảo chức năng hoạt động thì mới xem xét đến các yêu cầu khác. Những yêu cầu này được xem xét kết hợp với nhauvà sơ đồ mở rộng từng bước một. 8.6: truyền dẫn động thuỷ lực 8.6.1: Đặc điểm chung. Hệ truyền dẫn thuỷ lực có nhiều ưu điểm, chủ yếu là gọn nhẹ, chịu được tải nặng, quán tính bé. Để thay đổi chuyển động người ta dùng các van điều chỉnh áp lực và lưu lượng, tương đối thuận tiện khi sử dụng. Tuy nhiên chúng cũng có không ít nhược điểm. Trước hết là hệ thuỷ lực luôn luôn đòi hỏi có bộ nguồn bao gồm bơm thuỷ lực, thiết bị lọc, thiết bị điều chỉnh áp suất, thiết bị làm mát, bình tích dầu vv…Ngoài ra hệ thống kiểm tra đường ống, các đường hồi dầu và thùng dầu cũng làm phức tạp thêm cho hệ thiết bị thuỷ lực dùng trong tay máy. Nhiệt độ làm việc có ảnh hưởng đến độ nhớt và áp suất của dầu ép. Nhìn chung, hệ truyền dẫn thuỷ lực trong tay máy vẫn được sử dụng rộng rãi hơn cả, nhất là trong trường hợp tải trọng nặng. Hệ truyền dẫn thuỷ lực dùng trong tay máy có những yêu cầu cao về độ chính xác, ma sát thấp, giảm độ chênh lệch giữa ma sát động và ma sát tĩnh để tăng độ nhạy mối khi ngừng hoặc thay đổi chuyển động, tăng mức điều hoà làm việc nhất là khi chuyển động chậm. Về tốc độ làm việc đòi hỏi phạm vi rộng và nhanh. Về kích thước đòi hỏi gọn nhẹ độ cứng vững cao,vv .. Đối với tay máy truyền dẫn thuỷ lực thường áp dụng hệ điều khiển theo vị trí hoặc theo chu kỳ khép kín. 8.6.2: Truyền động thuỷ lực Xylanh tịnh tiến dùng dầu ép cũng tương tự như xylanh tịnh tiến dùng khí nén, nhưng gọn nhẹ hơn nhiều khi có cùng một cỡ công suất. Trên hình là sơ đồ kết cấu của xylanh thuỷ lực tác động hai phía với hai buồng áp suất p1 và p2. Bởi vì cần piston có tiết diện ngang là nằm về một phía nên tác dụng lên tác dụng vào piston từ hai phía là không đối xứng. F = (S + s)p1 – Sp2 (8.32) Có thể khắc phục nhược điểm đó bằng cách tạo ra cần piston nằm về cả hai phía. Tuy nhiên như thế khi chuyển động cần piston lại chiếm nhiều không gian hơn. Trong trường hợp này. F = S(p1- p2) (8.33) Để lập mô hình hoá cho quá trình hoạt động của xylanh thuỷ lực tác động từ hai phía và đối xứng về hình học, ký hiệu x là toạ độ chuyển dịch của piston tính từ vị trí trung bình, v- vận tốc, 2h- hành trình. Trên cơ sở các biểu thức đã nhận được ở trên ta viết: Phương trình lưu lượng. (8.34) (8.35) Phương trình năng lượng tổn thất từ 8.32 và 8.33 1.0 1.1 Hình 8.1. Sơ đồ mạch khí nén Hình 8.2 Ký hiệu chữ số trên mạch khí nén Khi chẩy tầng: p1- p2 = Rq (8.36) Khi chẩy rối: p1- p2 = rq2 (8.37) Từ 11.11 ta có: qd = Sv (8.38) Phương trình dịch chuyển một khối lượng m với gia tốc dv/dt có lực cản tác dụng Fc và hệ số nhớt động lực j như sau: (8.39) Trên cơ sở (8.22) đến (8.28) dẫn đến hệ phương trình vi phân mô tả quan hệ giữa các biến số về trạng thái bên trong: p1; p2; u; x với các thông số bên ngoài: q1, q2, Fe. (8.40) Để thực hiện các chuyển dịch gốc trong tay máy có thể dùng các loại xylanh tịnh tiến. Ví dụ, xylanh thuỷ lực gắn liền với cơ cấu thanh răng bánh răng hoặc gắn liền với cơ cấu tay quay- thanh truyền hoặc là dùng piston chuyển động song song là các xylanh quay. Phương án hình 11.31, 8.31 a có một cánh gạt tĩnh gắn với hộp hình trụ và một cánh gạt gắn với trục ra. Còn phương án 11.31 b có hai cánh gạt tĩnh và hai cánh gạt động. Trong xylanh này thì góc quay nhỏ hơn một nửa nhưng mômen tạo ra lớn gấp đôi khi có cùng kích thước bên ngoài xylanh. Tương tự như đã làm với xylanh tịnh tiến ta lập mô hình toán đối với xylanh thuỷ lực. (8.41) Với q góc quay của xylanh, 2q0 góc hành trình, w: vận tốc góc, J: mômen quán tình, Mc: mômen cản, C: thể tích chất lỏng khi xylanh quay đi một Radial. Như vậy thể tích trung bình của chất lỏng là Cq0. Để thực hiện chuyển động mà không hạn chế phạm vi góc quay có thể dùng một số thể loại mô tơ thuỷ lực có tác động thuận nghịch vừa là bơm, vừa là mô tơ. Mô tơ thuỷ lực chia thành hai loại: chiều trục và hướng kính. Là một loại mô tơ thuỷ lực nhiều trục có đĩa nghiêng của hàm REXROTH-SIGMA. Trục quay nối liền với block với xylanh. Thường có 7 hoặc 9 lỗ với xylanh dọc theo chiều trục nằm dưới các góc đều nhau trong thân block đó. Các piston chuyển động trong các xylanh tận cùng là các khớp cầu. Các khớp cầu này nằm trong các khối tỳ. Chúng tạo với một đĩa nghiêng thành các ổ đỡ thuỷ tĩnh nhờ các lỗ khoan dẫn dầu xuyên qua các chốt tỳ. Toàn bộ block các xylanh và đĩa nghiêng đều nằm trong một thân hộp chứa các gối tựa của trục quay. áp lực của dầu tác dụng lên piston hướng dọc trục được phân ra hai thành phần: một thành phần thẳng góc với mặt đĩa nghiêng và thành phần kia theo phương tiếp tuyến. Nhờ vậy mà tạo ta mômen quay. Nếu thay đổi góc nghiêng giữa mặt đĩa với trục quay sẽ thay đổi quy luật biến thiên thể tích dầu chứa trong các xylanh ứng với một vòng quay của trục. Mô tơ thuỷ lực hướng kính của hãng SAMM. Trong thân của rôbôt thường chứa 7 hoặc 9 xylanh, trục của chúng đều hướng tâm. Các xylanh được thông với đường dầu áp suất cao hoặc áp suất thấp nhờ ví trí tương đối của mặt phân phối được gia công rất chính xác. Phần đầu của các piston chuyển động trong các xyalnh đó đều có con lăn. Chúng tỳ vào các biên dạng Cam phía trong của stator. Biên dạng có nhiều dạng khác nhau: ở đoạn a xylanh thông với đường dầu áp suất cao đẩy piston tác dụng lên con lăn F. Hợp lực này với phản lực R của biên dạng Cam tác dụng lên con lăn tạo ra lực vòng T. Chính do lực T này có mômen quay của mô tơ. Qua đoạn biên dạng chuyển tiếp b rồi đến đoạn c. Lúc này xylanh được thông với đường dầu áp suất thấp. Tiếp theo là đoạn d chuyển tiếp trung gian và cứ thế chuyển sang một chu kỳ mới lặp lại. Số lượng xylanh và số chu kỳ thay đổi của biên dạng phải chọn sao cho ở bất kỳ vị trí tương đối nào giữa rotor và stator đều có ít nhất một con lăn tiếp giáp ở biên dạng a để đảm bảo cho rotor quay liên tục. 8.6.3: Thiết bị điều khiển thuỷ lực. Đặc tính của van phân phối kiểu con trượt. Trong kỹ thuật tay máy thường gặp loại van phân phối thuỷ lực kiểu con trượt như trên hình 11.35 Tuỳ vị trí của con trượt dịch chuyển trong thân van mà lưu lượng dầu thông vào các buồng được nhiều hay ít. Vì vậy cần chú đến quan hệ hình học giữa con trượt và thân van ở vùng các cửa đường dẫn. Ví dụ: để khảo sát giữa cửa bên phải của van phân phối trên hình 11.35 sẽ xét ba trường hợp sau:a) con trượt khe hở vừa khít khe cửa van; b) đường đặc tính q(u). *Trường hợp 1 (hình 11.36a) – con trượt che vừa cửa van. Gọi u là là thông số biểu thị độ chuyển dịch của con trượt và e là chiều rộng rãnh trên thân van. Nếu e Ê u thì thì lưu lượng qua cửa đạt giá trị lớn nhất q = qM: (8.42) với pa, pb - áp suất ở buồng xilanh; K và G – các hệ số biến đổi. Nếu 0 Ê u 0 Ê e ta có: (8.43) với p = 0.5(Pa+ Pb) - áp lực trong buồng van. Nếu – e Ê u Ê 0 ta có ; (8.44) Nếu u Ê - e thì q = - qM. Từ đó xây dựng đường đặc tính q(u) *Trong trường hợp 2 (hình 11.37 ) – con trượt che cửa van có dư. Lúc này ta có : 1) e + r Ê u đ q = qM = Ge; 2) r Ê u Ê e + r đ q = G(u -r) 3) – r Ê u Ê e +r đ q = 0; 4) – e – r Ê u Ê - r đ q = G(u +r); 5) u Ê - e – r đ q = - qM = - Ge. Đường đặc tính q(u)của trường hợp này biểu thị trên hình (11.37b). *Trường hợp 3 . Con trượt che chưa khít cửa van (lượng thiếu – 2d). Nếu gọi q, là phần lưu lượng từ cửa áp suất cao pa đến buồng đang có áp suất thấp pb, thì lưu lượng hữu dụng q = q, - q” và lưu lượng tổn thất q sẽ bằng q” hoặc q, tuỳ thuộc dấu của q. Ta xét; 1) e – d Ê u đ q’ = qM q” = 0 q = qM q, = 0 2) d Ê u Ê e – d đ G(u + d) q” = 0 q = q, q* = 0 3) – d Ê u Ê + d đ q, = G(u + d) q” = - G(u - d) q = 2Gu, q* ạ 0 4 ) – e + d Ê u Ê - d đ q, = 0 q” = - G(u - d) q = G(u - d) q* = 0 5) u Ê - e + d đ q, = o, q” = +qM, q = - qM. Hệ thống trợ động thuỷ lực. Hệ thống trợ động thuỷ lực có đặc điểm là cơ cấu chấp hành (đầu ra) tái hiện các quy luật chuyển động từ cơ cấu điều khiển (đầu vào), đồng thời luôn luôn giữ liên hệ phản hồi giữa đầu ra và đầu vào. Là sơ đồ hệ thống bán thuỷ lực gồm van phân phối, con trượt và xylanh động. ở đây thân van con trượt gắn liền với thân xylanh động tạo nên một mối liên hệ cần thiết. Khi con trượt ở vị trí trung gian, dầu ép thông qua các khe có tiết diện như nhau và do vậy áp lực trong hai buồng xylanh cũng bằng nhau. Khi dịch con trượt về phía ben này hoặc bên kia so với vị trí trung gian thì áp lực trong hai buồng sẽ chênh lệch nhau làm cho thân xylanh và thân van con trượt đều dịch chuyển. Các thông số dịch chuyển được xác định bởi tỷ lệ diện tích các khe dầu. Tỷ lệ này do vị trí con trượt (so với vị trí trung gian) định đoạt và bản thân vị trí con trượt laị phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển. Tín hiệu điều khiển có thể là tín hiệu điện hoặc tín hiệu cơ …và thường hơn là tín hiệu điện. Vấn đề là độ chính xác định lượng giữa tín hiệu điện và tỷ lệ diện tích các khe dầu vào xylanh. Vì thế xuất hiện nhiều phương pháp khác nhau. Trong đó van trợ động thuỷ lực được quan tâm đặc biệt. Hệ thống trợ động thuỷ lực được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, nhất là trong kỹ thuật tự động hoá quá trình công nghệ. Liên hệ phản hồi giữa đầu ra và đầu vào của hệ thống có thể là liên hệ theo vị trí, theo vận tốc chuyển động, hoặc theo lực tải. Thường dùng hơn cả là liên hệ phản hồi theo vị trí vì nhờ liên hệ này có thể đạt được độ chính xác cao khi tái hiên quy luật điều khiển và độ ổn định chuyển động. tài liệu tham khảo Mục lục trang Lời nói đầu………………………………………………………..5 Chương I. Tổng quan về rôbôt…………………………………………8 1.1.các kháI niệm về rôbôt …………………………………………….8 1.2. Phân loại……………………………………………………... …...9 Phân loại theo hình học không gianhoạt động…………………..9 1.2.1.1. Rôbôt toạ độ vuông góc…………………………….………….9 1.2.1.2. Rôbôt toạ độ trụ………………………………………………..9 1.2.1.3. Rôbôt toạ độ cầu……………………………………………….9 1.2.1.4.Rôbôt khớp bản lề ……………………………………………...9 1.2.2. Phân loại theo thế hệ …………………………………………….9 1.2.2.1. Phân loại theo thế hệ thứ nhất………………………………….10 1.2.2.2. Phân loại theo thế hệ thứ 2………………………………….. …10 1.2.2.3. Phân loại theo thế hệ thứ 3………………………………………10 1.2.2.4. Phân loại theo thế hệ thứ 4………………………………………11 1.2.2.5. Phân loại theo thế hệ thứ 5………………………………………11 1.2.3.Phân loại theo điều khiển ………………………………………….11 1.2.3.1.Phân loại theo điều khiển hở……………………………………..12 1.2.3.2. Phân loại theo điều khiển kín…………………………………….12 1.2.4. Phân loại theo nguồn dẫn động…………………………………….12 1.2.4.1. Theo nguồn cấp đIện ……………………………………………..12 1.2.4.2. Theo nguồn khí nén……………………………………………….12 1.2.4.3. Theo nguồn thuỷ lực ……………………………………………...12 1.3. ứng dụng ……………………………………………………………..12 Mục tiêu của ứng dụng …………………………………………… 12 Các bước ứng dụng ……………………………………………….. 13 Chương II : Cấu tạo chung của rôbôt ………………………………………15 2.Tay máy …………………………………………………………………15 2.1.1.Bậc tự do của tay máy ……………………………………………….15 2.1.2.Tay máy toạ độ vuông góc…………………………………………...15 2.1.3.Tay máy toạ độ trụ …………………………………………………..17 2.1.4.Tay máy toạ độ cầu ………………………………………………….18 2.1.5.Tay máy toạ độ toàn khớp bản lề và scara ………………………18 2.1.6.Cổ tay máy ………………………………………………………….18 2.1.7.Các chế độ hoạt động của tay máy và rôbôt công nghiệp…………...19 Chương III. Cơ sở lựa chọn rôbôt………………………………………………21 3.1. Các thông số kỹ thuật ……………………………………………………..21 3.1.1. Sức nâng của tay máy ……………………………………………………21 3.1.2. Số bậc tự do của phần công tác …………………………………………..22 3.1.3. Vùng cơ công tác ………………………………………………………...22 3.1.4. Độ chính xác định vị …………………………………………………….22 3.1.5. Tốc độ định vị …………………………………………………………….23 3.1.6. Đặc tính của hệ điều khiển ………………………………………………..23 3.1.6.1. Kiểu điều khiển …………………………………………………………23 3.1.6.2. Bộ nhớ …………………………………………………………………..23 3.1.6.3. Giao diện với thiết bị ngoại vi ………………………………………..…23 3.1.6.4. Các tiện ích………………………………………………………………..24 3.2. Thiết kế và tổ hợp …………………………………………………………….24 3.2.1. Các nguyên tắc chung ………………………………………………………24 3.2.1.1. Đảm báo sự đồng bộ của hệ thống…………………..……………………24 3.2.1.2. Xuất phát từ yêu cầu công nghệ …………………………..……………...24 3.2.1.3. Chọn kết cấu điển hình …………………………………………..……….24 3.2.1.4. Đảm bảo sự hoà hợp với môi trường……………………………………...25 3.2.1.5. Sự hoà hợp giữa rôbôt với người dùng……..……………………………...25 3.2.1.6. Thiết kế có định hướng sản xuất ……………….………………………...25 3.2.2. Các công việc phải tiến hành khi thiết kế rôbôt ………..…………………..25 3.2.3. Thiết kế theo phương pháp tổ hợp modul ……………………..……………26 3.3. Một số kết cấu điển hình……………………………………………...………28 3.3.1. Rôbôt cố định trên nền……………………………………….……………..28 3.3.2. Rôbôt cố định trên nền dùng toạ độ cầu……………………………………30 3.3.3. Rôbôt treo …………………………………………………………….……31 3.3.4. Rôbôt cố định thích nghi……………………………………………………31 3.4. Cơ cấu tay kẹp …………………………………………………………….….32 3.4.1. Khái niệm và phân loại……………………………………………………..32 3.4.2. Kết cấu………………………………………………………………….33 3.4.2.1. Tay kẹp cơ khí ………………………………………………………..33 3.4.2.2.Tay kẹp dùng chân không và điện từ ………………………………….35 3.4.2.3. Tay kẹp dùng buồng đàn hồi…………………………………………..35 3.4.2.4. Tay kẹp thích nghi …………………………………………………….35 3.4.3 Phương pháp tính toán tay kẹp …………………………………………..36 3.4.3.1. Tính toán tay kẹp cơ khí……………………………………………….37 3.4.3.2. Tính toán tay kẹp chân không và điện từ……………………………….38 Chương IV: Hệ phương trình động học ………………………………………..38 4.1. Đặt vấn đề………………………………………………………………….38 4.2. Xác định trạng thái của rôbôt tại điểm tác động cuối………………….…..38 4.3. Mô hình động học của dụng cụ …………………………………………….40 4.3.1. Ma trận quan hệ …………………………………………………………..40 4.3.2. Bộ thông số DH …………………………………………………………41 4.3.2. Thiết lâp hệ toạ độ ………………………………………………………41 4.3.4. Mô hình biến đổi ………………………………………………………..42 4.3.5. Mô hình toán đồ chuyển đổi …………………………………………….43 4.4. Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của rôbôt ……………………44 4.5. Mô hình đồ toán chuyển đổi ……………………………………………….47 Chương V. Tổng hợp chuyển động của rôbôt ………………………………….48 5.1. Nhiệm vụ tổng hợp chuyển động của rôbôt ………………………………..48 5.2. Bài toán động học ngược …………………………………………………..48 5.3. Các phương pháp giải các bài toán ngược …………………………………50 5.3.1. Trường hợp n bậc tự do ………………………………………………….50 5.3.2. GiảI bài toán động học ngược của rôbôt stanford………………………..51 Chương VI. Cơ sở điều khiển rôbôt ……………………………………………59 6.1. Khái niệm chung về điều khiển rôbôt …………………………………….59 6.2. Cơ sở điều khiển rôbôt …………………………………………………….61 6.2.1. Thiết kế quỹ đạo …………………………………………………………61 6.2.1.1. Quỹ đạo trong không gian khớp………………………………………..62 6.2.1.2. Quỹ đạo trong không gian công tác ……………………………………62 6.2.2. Điều khiển chuyển động …………………………………………………62 6.2.2.1. Điều khiển trong không gian khớp ……………………………………..62 6.3. Hệ thống điều khiển rôbôt ………………………………………………… 65 6.3.1. Hệ thống chấp hành……………………………………………………….65 6.3.1.1. Hệ thống truyền dẫn cơ khí……………………………………………..66 6.3.1.2. Động cơ …………………………………………………………………66 6.3.1.3. Khuyếch đại công suất…………………………………………………..68 6.3.1.4. Nguồn cung cấp chính…………………………………………………..68 6.3.2. Điều khiển động cơ servo…………………………………………………68 6.3.2.1. Điều khiển động cơ đIện ……………………………………………….68 6.3.2.2. Điều khiển động cơ thuỷ lực ……………………………………………69 6.4. Hệ thống cảm biến…………………………………………………………..70 6.4.1.KháI niệm và phân loại ……………………………………………………70 6.4.2. Nguyên lý làm việc ……………………………………………………….72 6.5. Hệ thống điều khiển …………………………………………………………76 6.5.1. Kiến trúc chức năng……………………………………………………….76 chương VII. Lập trình rôbôt ……………………………………………………..79 7.1. Giới thiệu …………………………………………………………………...79 7.2. Mô tả vật thể và nhiệm vụ ………………………………………………….81 7.2.1.Lập trình làm kiểu mẫu……………………………………………………81 7.2.2. Lập trình hướng đối tượng ………………………………………………..83 7.3. Mô tả vật thể và nhiệm vụ ………………………………………………….83 7.3.1. Mô tả vật thể ……………………………………………………………...83 7.4. Mô tả nhiệm vụ ……………………………………………………………..85 Chương VIII. …………………………………………………………………….88 8.1. Giới thiệu chung ……………………………………………………………88 8.2. Truyền động cơ khí………………………………………………………….89 8.2.1. Bộ truyền bánh răng sóng……… …………………………………….89 8.2.2. Bộ truyền bánh răng con lăn – cycloid hành tinh…………………………90 8.2.3. Truyền vít bi đai ốc………………………………………………………..90 8.3. ứng dụng truyền động đIện …………………………………………………91 8.3.1. Động cơ 1 chiều……………………………………………………………91 8.3.2. Động cơ bước ……………………………………………………………..93 8.4. Truyền động thuỷ khí ……………………………………………………….95 8.4.1. Khái niệm cơ bản………………………………………………………….95 8.4.1.1. Các phương trình cơ bản làm việc ở chế độ bình ổn……………………..96 8.4.1.2. Các phương trình cơ bản làm việc ở chế độ chuyển tiếp………………....98 8.5. Khí nén …………………………………………………………………..…100 8.5.1. Đặc điểm chung. ………………………………………………………...100 8.5.2. Tính toán lựa chọn xylanh khí nén……………………………………….110 8.6. Truyền động thuỷ lực ……………………………………….113 6.1. Đặc điểm chung …………………………………………………113 6.2. Truyền động thuỷ lực ……………………………………………114 6.3. Thiết bị điều khiển ……………………………………………………117 Mục lục ……………………………………………………………………120 ._.