Tài liệu ứng dụng robot kuka kr6r700 để phân loại và lắp ráp sản phẩm

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ......................................................................................1 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ..............................................................................1 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...................................................1 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................2 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .................................2 6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN ..................................................................................2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................4 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG .............................4 1.1.1. Lịch sử phát triển của tự động hóa và quá trình sản xuất tự động ................4 1.1.2. Các khái niệm tự động hóa ...........................................................................5 1.1.3. Các dạng tự động hóa (TĐH cứng, linh hoạt, lập trình, v..v ) ......................6 1.1.4. Hiệu quả kinh tế của tự động hóa. ................................................................7 1.2. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ........................................................8 1.2.1. Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp .....................................8 1.2.2. Kết cấu cơ bản của một robot công nghiệp ..................................................9 1.2.3. Phân loại robot công nghiệp .......................................................................10 1.3. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN. .......................................11 1.4. TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẢN XUẤT TẠI PHÒNG THỰC HÀNH CAD/CAM/CNC TRƢỜNG ĐH PHẠM VĂN ĐỒNG .......................12 1.4.1. Máy phay CNC của hãng Tormach ............................................................12 1.4.2. Hệ thống cấp phôi tự động ..........................................................................13 1.4.3. Hệ thống máy khoan tự động ......................................................................13 1.4.4. Mô tả hoạt động của hệ thống sản xuất tự động .........................................13 CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG CÁC PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌCCHO ROBOT KUKA KR6R700 .........................................................................................................16 2.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT KUKA KR6R700 SIXX ...........................................16 2.1.1. Giới thiệu về công nghệ robot của hãng Kuka ...........................................16 2.1.2. Tổng quan về hệ thống robot ......................................................................17 2.1.3. Mô tả tay máy của Kuka KR6 ....................................................................17 2.1.4. Bộ điều khiển KRC4 ..................................................................................18 2.1.5. Bộ điều khiển và lập trình dạy học KUKA smartPAD ...............................19 2.1.6. Lập trình robot ...........................................................................................21 2.2. THIẾT LẬP CÁC PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CHO ROBOT KUKA KR6R700 Sixx. ..............................................................................................................22 2.2.1. Gắn các hệ toạ độ .......................................................................................23 2.2.2. Bảng thông số DH.......................................................................................23 2.2.3. Phƣơng trình động học................................................................................24 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM .......................................................................................................................................26 3.1. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE PHÂN LOẠI SẢN PHẨM .......................26 3.1.1. Tổng quan về sản phẩm cần phân loại ........................................................26 3.1.2. Tính toán thiết kế hệ thống băng tải 2 chiều ...............................................26 3.1.3. Tính toán thiết kế hệ thống kho lƣu trữ tạm ...............................................29 3.1.4. Thiết kế hệ thống điều khiển có sử dụng cảm biến màu. ...........................32 3.2. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MODULE LẮP RÁP SẢN PHẨM. ...........................36 3.2.1. Mô hình sản phẩm cần lắp ráp ....................................................................36 3.2.2. Thiết kế module lắp ráp sản phẩm ..............................................................37 3.3. HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM........................................39 CHƢƠNG 4. LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÂN LOẠIVÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM BẰNG EASYROB 2.0 ...........................................................................42 4.1. SƠ LƢỢC VỀ PHẦN MỀM EASYROB ..............................................................42 4.1.1. Giới thiệu sơ lƣợc về EasyRob ...................................................................42 4.1.2. Tìm hiểu giao diện chính của EasyRob ......................................................43 4.2. MÔ PHỎNG ROBOT KUKA KR6R700 sixx ......................................................51 4.3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP. .....................................53 4.4. LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG. ....................................................................................55 4.4.1. Lƣu đồ thuật toán hoạt động của hệ thống .................................................55 4.4.2. Mô phỏng hoạt động phân loại và lắp ráp của robot Kuka .........................56 CHƢƠNG 5. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM .........................................................................................................60 5.1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CHO ROBOT KUKA ............................................................................................................................60 5.1.1 Các lệnh về di chuyển ..................................................................................60 5.1.2. Các lệnh làm việc với vào/ra ......................................................................60 5.1.3. Các lệnh điều khiển.....................................................................................61 5.1.4. Biến .............................................................................................................65 5.2. LẬP TRÌNH SỬ DỤNG ROBOT KUKA PHÂN LOẠI SẢN PHẨM .................66 5.2.1. Ghép nối hệ thống điều khiển KRC4 của robot KuKa với hệ thống vi điều khiển nhận biết màu sắc của sản phẩm ..........................................................................66 5.2.2. Thuật toán điều khiển robot phối hợp với hệ thống phân loại ....................68 5.3. LẬP TRÌNH ROBOT KUKA LẮP RÁP SẢN PHẨM .........................................69 5.3.1. Ghép nối điều khiển các thiết bị của hệ thống lắp ráp với bộ điều khiển KRC4 của robot lắp ráp. ................................................................................................69 5.3.2. Thuật toán điều khiển robot lắp ráp sản phẩm............................................70 KẾT LUẬN ..................................................................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) ỨNG DỤNG ROBOT KUKA KR6R700 ĐỂ PHÂN LOẠI VÀ LẮP RÁP SẢN PHẨM Học viên: Nguyễn Ngọc Thiện Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 60.52.01.03. Khóa: 31.Trƣờng Đại học Bách khoa- ĐHĐN Tóm tắt – Đề tài thực hiện việc thiết kế và chế tạo hệ thống phân loại và lắp ráp sản phẩm tự động sử dụng robot Kuka. Các chi tiết sau khi đƣợc robot đƣa vào gia công trên máy CNC sẽ đƣợc đƣa đến bộ phận phân loại và lắp ráp. Sản phẩm cần lắp ráp sử dụng hai chi tiết chính có kích thƣớc hình học giống nhau, chỉ khác nhau về màu sắc. Một cảm biến màu đƣợc tích hợp vào hệ thống để nhận biết đƣợc màu sắc và báo cho robot biết để lựa chọn thao tác lắp ráp hoặc lƣu vào kho tạm. Hệ thống lắp ráp sử dụng các xylanh khí nén, cơ cấu cấp bulông, đai ốc, cơ cấu vặn bulông cũng đƣợc thiết kế để thực hiện việc lắp ráp. Hệ thống đƣợc chế tạo, ứng dụng và thực nghiệm tại phòng thực hành CAD/CAM/CNC trƣờng ĐH Phạm Văn Đồng. Từ khóa – Robot Kuka; hệ thống phân loại; hệ thống lắp ráp; điều khiển robot, sản xuất tự động. (5 từ khóa) CLASSIFYING AND ASEMBLING PRODUCT USING KUKA KR6R700 ROBOT Abstract - This thesis deals with the design and manufacture of classification and assembly products system using Kuka robot. The parts been machined on CNC milling, after that will be taken into modules classification and module assembly. The product is assembled using 2 main parts that have the same geometry but diffrent color. A color sensor is combined on system to recognize the color and call robot chose assembly or storing program. The product assembly system includes cylinders, supply bolts and nuts modules, bolts tightening module. The system is manufactured, applied at CAD/CAM/CNC laboratory in Pham Van Dong university. Key words – Kuka robot; classification system; assembly system; control robot; automatic production DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình 1. Trang Robot Kuka KR6R700 sixx 2 1.1. Một mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt 5 1. 2. Máy phay CNC 3 trục Tormach 12 1. 3. Hệ thống cấp phôi 13 1. 4. Máy khoan tự động 13 1. 5. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 14 2. 1. Robot công nghiệp FAMULUS năm 1973 16 2. 2. Một phiên bản robot của Kuka 17 2. 3. Một mô hình của robot Kuka AGILUS sixx 17 2. 4. Mô hình robot Kuka KR6 18 2. 5. Tủ điều khiển KR C4 18 2. 6. Lựa chọn giao tiếp KR C4 19 2. 7. KUKA smartPAD 19 2. 8. Các chức năng của KUKA smartPAD 20 2. 9. Lập trình robot với KUKA smartPAD 22 2. 10. Mô phỏng làm việc trực quan với Robot KUKA 22 2. 11. Gắn hệ tọa độ lên robot Kuka KR6R700 sixx 23 3. 1. Sơ đồ tính lực cản trên băng tải 27 3. 2. Cơ cấu Man trong hệ thống 32 3. 3. Mạch nguồn 33 3. 4. Khối vi điều khiển và dao động 33 3. 5. Khối I/O 34 3. 6. Khối Led hiển thị 34 3. 7. Khối hiển thị LCD 35 3. 8. Khối công suất 36 3. 9. Bản vẽ chi tiết các chi tiết chính 36 Số hiệu Tên hình hình Trang 3. 10. Mô hình sản phẩm cần lắp ráp 37 3. 11. Cụm định vị chi tiết 38 3. 12. Định vị chi tiết 38 3. 13. Bản vẽ chi tiết cụm chứa và nạp đai ốc 39 3. 14. Mô phỏng lắp ráp trên hệ thống 39 3. 15. Các hình chiếu toàn hệ thống 40 3. 16. Hình chiếu trục đo toàn hệ thống 41 4. 1. Giao diện làm việc của EasyRob 43 4. 2. Menu chính của chƣơng trình 43 4. 3. Menu file 44 4. 4. Menu Robotics 44 4. 5. Menu mô phỏng 44 4. 6. Menu thiết kế 3D 45 4. 7. Menu view 45 4. 8. Menu điều chỉnh khi lập trình 45 4. 9. Thanh công cụ ngang 46 4. 10. Thanh công cụ ngang dƣới 46 4. 11. Thanh công cụ dọc 47 4. 12. Giao diện lập trình robot 50 4.13. Mô hình động học robot Kuka 52 4. 14. Hệ tọa độ của robot Kuka Kr6R700sixx trên EasyRob 53 4. 15. Mô hình robot Kuka trên EasyRob 53 4. 16. Mô hình hệ thống cấp phôi tự động 54 4. 17. Mô hình hệ thống băng tải 2 chiều 54 4. 18. Mô hình hệ thống lắp ráp tự động 55 4. 19. Mô hình toàn hệ thống 55 4. 20. Lƣu đồ thuật toán hoạt động của hệ thống 56 4. 21. Robot lấy sản phẩm từ hệ thống cấp phôi 57 Số hiệu Tên hình hình Trang 4. 22. Robot đặt sản phẩm lên băng tải 57 4. 23. Băng tải chuyển sản phẩm đến vị trí robot 2 58 4. 24. Robot đƣa sản phẩm thứ nhất vào vị trí lắp ráp 58 4. 25. Robot đƣa sản phẩm 2 vào lắp ráp 59 4. 26. Kết quả lắp ráp 59 5.1. Các dạng di chuyển của robot 60 5.2. Vào/ra trên Robot 61 5.3. Cấu trúc IF-ELSE 62 5.4. Cấu trúc SWICH-CASE 63 5.5. Cấu trúc vòng lặp FOR 63 5.6. Cấu trúc vòng WHILE 64 5.7. Cấu trúc REPEAT 65 5.8. Sơ đồ ghép nối hệ thống phân loại và robot 67 5.9. Lƣu đồ thuật toán phối hợp giữa robot và hệ thống phân loại sản 68 phẩm 5.10. Sơ đồ ghép nối hệ thống lắp ráp và KRC4 69 5.11. Thuật toán lập trình robot lắp ráp sản phẩm 70 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong sự nghiệp công nghiệp hiện đại hoá đất nƣớc, yêu cầu ứng dụng tự động hoá ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ ). Một trong những khâu trong dây chuyền sản xuất tự động là phân loại và lắp ráp sản phẩm. Chính nhờ những hệ thống trên mà năng suất sản xuất đƣợc tăng lên. Tuy nhiên, việc phân loại và lắp ráp sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào kết cấu của hệ thống, khi muốn thay đổi hình thức phân loại hoặc dạng lắp ráp khác thì ta phải thay đổi kết cấu hệ thống. Điều đó dẫn đến hệ thống không linh hoạt, khó khăn cho việc thay đổi quy trình công nghệ. Để khắc phục tình trạng trên, ta cần một thiết bị khả lập trình. Hành trình của thiết bị có thể lập trình lại và thay đổi theo hình thức sản xuất. Một thiết bị đáp ứng đƣợc các tiêu chí đó là robot công nghiệp. Hiện nay, tại phòng thực hành của trƣờng ĐH Phạm Văn Đồng đã đƣợc trang bị 2 robot 6 bậc tự do của hãng Kuka. Robot trên đáp ứng đƣợc các tiêu chí cần thiết của một robot công nghiệp loại nhỏ nhƣ khả năng lập trình bằng dạy học, bằng ngôn ngữ riêng, khả năng thu nhận và xuất dữ liệu từ bộ điều khiển để giao tiếp với môi trƣờng bên ngoài…Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng của robot vẫn còn hạn chế do những hạn chế về thiết bị tại phòng thực hành. Đề tài nhằm trang bị thêm cho phòng thực hành các module phân loại và lắp ráp sản phẩm sử dụng robot Kuka, giúp tăng hiệu quả khai thác và sử dụng robot. Góp phần nâng cao chất lƣợng đào tạo lĩnh vực sản xuất tự động tại trƣờng, Từ những lý do đó, tôi nhận thấy cần thiết phải tiến hành nghiên cứu ứng dụng robot Kuka KR6R700 tại phòng thực hành CAD/CAM/CNC của trƣờng ĐH Phạm Văn Đồng vào việc phân loại và lắp ráp sản phẩm. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu thiết kế các module phân loại và lắp ráp sản phẩm có sử dụng robot Kuka. - Tính toán, phân tích và lập trình robot thực hiện các thao tác phân loại và lắp ráp sản phẩm theo yêu cầu. - Thay đổi yêu cầu lắp ráp một cách linh hoạt. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tƣợng nghiên cứu: Hệ thống phân loại sản phẩm ( phân loại theo màu sắc ), hệ thống lắp ráp sản phẩm, robot Kuka KR6R700 sixx sử dụng bộ điều khiển KRC4. 2 Hình 1. Robot Kuka KR6R700 sixx Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về robot, cơ sở về phân loại và lắp ráp sản phẩm. Ứng dụng thực tiễn trong phân loại và lắp ráp sản phẩm sử dụng robot Kuka KR6R700. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu về mặt lý thuyết: các lý thuyết về robot công nghiệp. - Thực nghiệm: Thiết kế và chế tạo module phân loại, module lắp ráp sản phẩm. Phối hợp 2 module với bộ điều khiển KRC4 của robot. Lập trình điều khiển robot thực hiện phân loại và lắp ráp sản phẩm. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Từ những lý do phân tích ở trên, ta thấy rằng việc thực hiện đề tài ứng dụng robot Kuka vào phân loại và lắp ráp sản phẩm sẽ giúp tăng năng lực sử dụng robot Kuka tại phòng thực hành. Đồng thời xây dựng mô hình học tập các môn liên quan đến sản xuất tự động cho sinh viên, nâng cao năng lực nghiên cứu, tiếp cận kỹ thuật robot và sản xuất tự động cho tác giả. 6. CẤU TRÖC LUẬN VĂN Chƣơng 1. Tổng quan Chƣơng này trình bày tổng quan về các hệ thống sản xuất tự động, tổng quan về robot công nghiệp. Đồng thời quan trọng hơn, chƣơng 1 cũng trình bày tổng quan các nghiên cứu trong nƣớc về nghiên cứu robot, nghiên cứu phân loại và lắp ráp sản phẩm. 3 Chƣơng 2. Xây dựng các phƣơng trình động học cho robot Kuka KR6R700 Chƣơng này trình bày tổng quan về robot Kuka KR6R700 sixx, trình bày về hệ tọa độ gắn lên robot Kuka KR6R700 sixx, thiết lập bảng DH và phƣơng trình động học của nó. Chƣơng 3. Thiết kế hệ thống phân loại và lắp ráp sản phẩm Chƣơng này trình bày các kết quả thiết kế hệ thống phân loại và lắp ráp sản phẩm. Chƣơng 4. Lập trình mô phỏnghệ thống phân loại và lắp ráp sản phẩm bằng EasyRob 2.0 Chƣơng này trình bày các kết quả nghiên cứu về lập trình điều khiển robot phân loại và lắp ráp sản phẩm trên phần mềm mô phỏng EasyRob. Chƣơng 5. Lập trình điều khiển hệ thống phân loại và lắp ráp sản phẩm Chƣơng này trình bày các kết quả nghiên cứu sử dụng robot KuKa KR6R700 sixx để phối hợp với các module khác để phân loại và lắp ráp sản phẩm. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG[6] 1.1.1. Lịch sử phát triển của tự động hóa và quá trình sản xuất tự động Tự động hóa theo tiếng Hy lạp có nghĩa là “ tự chuyển động ”. Ở đây chúng ta hiểu thuật ngữ tự động hóa là thực hiện quá trình sản xuất mà trong đó tất cả các tác động cần thiết để thực hiện nó, kể cả việc điều khiển quá trình đƣợc tiến hành không có sự tham gia của con ngƣời. Hiện nay tự động hóa đã đƣợc áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất và trong công nghiệp ngƣời ta nói thế kỷ 21 này là thế kỷ của tự động hóa và điều khiển tự động. Nhƣng nếu nhìn nhận kỹ nguồn gốc thì ta thấy tự động hóa có nguồn gốc từ cổ xƣa. + Vào thế kỷ thứ nhất sau công nguyên, Heerron ở Ai Cập đã làm những màn múa rối với nhiều loại con rối tự động. + Đến thế kỷ 17-18 nhiều loại đồ chơi tự động và đồng hồ tự động đã xuất hiện. + Sau đó đến thế kỷ 18 đầu thế kỷ 19 trong giai đoạn cách mạng công nghiệp ở Châu Âu tự động hóa mới thâm nhập vào thực tế sản xuất. + Năm 1765 xuất hiện bộ điều chỉnh tự động mức trong nồi hơi của Pôndunnop + Năm 1784 bộ điều chỉnh tốc độ trong nồi hơi của Giôn Oát đã xuất hiện. + Năm 1798 Henry Nandsley ở nƣớc Anh mới dùng vít-đai ốc để dịch bàn máy. + Năm 1873 Spender đã chế tạo máy tiện tự động có ổ cấp phôi và trục phân phối với cam đĩa và cam thùng. Đến năm 1880 thì nhiều hãng trên thế giới nhƣ Pittler Ludwig Lowe (Đức), RSA (Anh ) …đã chế tạo máy tiện tự động Rowvonve dùng phôi thép thanh. Sau đó xuất hiện máy tiện tự động tiện dọc định hình. Vào đầu thế kỷ 20 bắt đầu có máy tự động nhiều trục chính máy tự động tổ hợp đƣờng dây tự động liên kết mềm và liên kết cứng dùng trong sản xuất hàng loạt hàng khối. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của điều khiển học và các quy luật chung của quá trình điều khiển và truyền tin trong các hệ thống có tổ chức đã góp phần đẩy mạnh sự phát triển và ứng dụng của tự động hóa các quá trình sản xuất vào công nghiệp. Trong những năm gần đây, các nƣớc có nền công nghiệp phát triển tiến hành rộng rãi tự động hóa trong sản xuất loạt nhỏ. Điều này phản ánh xu thế chung của một nền kinh tế thế giới chuyển từ sản xuất loạt lớn và hàng khối sang sản xuất loạt nhỏ và hàng khối thay đổi. 5 Nhờ những thành tựu to lớn của công nghệ thông tin và các lĩnh vực khoa học khác, ngành công nghiệp gia công cơ của thế giới trong những năm cuối của thế kỷ 20 đầu thế kỷ 21 đã có những thay đổi sâu sắc. 1.1.2. Các khái niệm tự động hóa Tự động hóa quá trình sản xuất là một công nghệ sản xuất sử dụng các hệ thống cơ khí, điện tử, máy tính để hoạt động và điều khiển quá trình sản xuất. Tự động hóa quá trình sản xuất chia ra làm hai mức: 1.1.2.1. Tự động hóa từng phần. Tự động hóa từng phần là tự động hóa từng nguyên công riêng biệt, ví dụ nguyên công trên các máy có điều khiển tự động các máy CNC. 1.1.2.2. Tự động hóa toàn phần Tự động hóa toàn phần là tự động hóa quá trình gia công, kiểm tra lắp ráp nhờ các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS ( Flexible Manufacturing systems ). Máy tự động là một cơ cấu tác động độc lập hoặc tổ hợp các cơ cấu có khả năng thực hiện tất cả các quá trình nhƣ tiếp nhận, truyền tải và sử dụng năng lƣợng mà không có sự tham gia trực tiếp của con ngƣời. Các thiết bị công nghệ tự động hiện đại đƣợc dùng để hình thành kích thƣớc, hình dáng và tính chất của chi tiết đồng thời cũng có khẳ năng hình thành thông tin (chƣơng trình gia công, kết quả kiểm tra kích thƣớc của chi tiết v…v) Với sự tăng lên của mức độ tự động hóa vai trò của các quá trình thông tin trong sản xuất cũng tăng theo đó chính là nguyên nhân tăng mức độ sử dụng máy tính để thiết kế và điều khiển sản xuất. Trong tự động hóa hoàn toàn thì công đoạn sản xuất, phân xƣởng sản xuất và nhà máy sản xuất hoạt động nhƣ một khối thống nhất. Tự động hóa hoàn toàn có tính ƣu việt trong điều kiện sản xuất phát triển ở trình độ cao trên cơ sở các phƣơng pháp công nghệ tiên tiến và các phƣơng pháp điều khiển có sự trợ giúp của máy tính. Hình 1.1. Một mô hình hệ thống sản xuất linh hoạt 6 1.1.2.3. Dây chuyền sản xuất Dây chuyền là hệ thống các máy móc đƣợc lắp đặt cạnh nhau. hoạt động độc lập với nhau, còn chi tiết gia công đƣợc chuyển từ máy này sang máy khác để thực hiện tất cả các nguyên công. Máy của dây chuyền về nguyên tắc thƣờng là máy bán tự động, do đó việc cấp tháo phôi, vận chuyển phôi giữa các máy và kiểm tra chi tiết đƣợc thực hiện bằng tay. 1.1.3. Các dạng tự động hóa ( tự động hóa cứng, linh hoạt, lập trình,v..v ) Hệ thống sản xuất tự động có thể phân loại thành 3 hình thức cơ bản sau: + Tự động hóa cứng. + Tự động hóa lập trình đƣợc. + Tự động hóa linh hoạt. 1.1.3.1. Tự động hóa cứng Là một hệ thống trong đó một chuỗi các hoạt động xử lý (hay lắp ráp ) cố định theo một cấu hình thiết bị. Các nguyên công trong dây chuyền này thƣờng là đơn giản. Chính sự hợp nhất và phối hợp các nguyên công nhƣ vậy vào một thiết bị làm cho hệ thống trở nên phức tạp. Những đặc trƣng chính của tự động hóa cứng là: - Đầu tƣ ban đầu cao cho những thiết kế theo đơn đặt hàng - Năng suất máy cao - Tƣơng đối không linh hoạt trong việc thích nghi với các thay đổi sản phẩm. Sự biện hộ kinh tế cho tự động hóa cứng cũng đƣợc tìm thấy ở những sản phẩm với số lƣợng và tốc độ tiêu thụ cao. Chi phí ban đầu cao của thiết bị có thể đƣợc trải rộng ra trên một số lƣợng lớn sản phẩm so với các phƣơng pháp khác. 1.1.3.2. Tự động hóa lập trình Thiết bị sản xuất đƣợc thiết kế với khả năng có thể thay đổi trình tự các nguyên công để thích ứng với những cấu hình sản phẩm khác nhau. Chuỗi các hoạt động đƣợc điều khiển bởi một chƣơng trình, tức là một tập lệnh đƣợc mã hóa để hệ thống có thể đọc và diễn dịch chúng. Những chƣơng trình mới có thể đƣợc chuẩn bị và nhập vào thiết bị để tạo ra sản phẩm mới. Một vài đặc trƣng của tự động hóa quá trình lập trình là: + Đầu tƣ cao cho những thiết bị có mục đích tổng quát + Năng suất tƣơng đối thấp so với tự động hóa cứng + Sự linh hoạt khi có sự thay đổi trong cấu hình sản phẩm + Thích hợp nhất là sản xuất hàng loạt. Những hệ thống sản xuất tự động mà có thể lập trình đƣợc sử dụng trong sản xuất với sản lƣợng thấp và trung bình. Các bộ phận hoặc sản phẩm đƣợc sản xuất chủ yếu là hàng loạt. Để sản xuất một loạt sản phẩm khác, hệ thống phải đƣợc lập trình ứng với sản phẩm mới. Sự thiết lập vật lý của máy móc cũng phải đƣợc thay đổi, các 7 công cụ phải đƣợc nạp vào, các đồ gá phải đƣợc gắn vào bàn làm việc và những cài đặt máy móc cân thiết cần phải đƣợc nạp vào. Thủ tục thay đổi này tốn nhiều thời gian. Hậu quả là chu kỳ chính thức của một sản phẩm cho trƣớc bao gồm nhiều giai đoạn trong đó việc cài đặt và lập trình theo sau đó là một giai đoạn các loạt đƣợc sản xuất. 1.1.3.3. Tự động hóa linh hoạt Là sự mở rộng của tự động hóa lập trình đƣợc. Khái niệm của tự động hóa linh hoạt đã đƣợc phát triển trong khoảng 25 hay 30 năm vừa qua, và những nguyên lý vẫn còn đang phát triển. Hệ thống tự động linh hoạt là một hệ thống có khả năng sản xuất rất nhiều sản phẩm hay bộ phận khác nhau mà hầu nhƣ không mất thời gian cho việc chuyển đổi từ sản phẩm này sang sản phẩm khác. Không mất thời gian sản xuất cho việc lập trình lại và thay thế các cài đặt vật lý ( công cụ, đồ gá, cài đặt máy móc). Kết quả là hệ thống có thể lên kế hoạch kết hợp sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau thay vì theo từng loạt riêng biệt. Đặc trƣng của tự động hóa linh hoạt có thể tóm tắt nhƣ sau: + Đầu tƣ cao cho thiết bị. + Sản xuất liên tục những sản phẩm hỗn hợp khác nhau. + Tốc độ sản xuất trung bình + Tính linh hoạt khi sản phẩm thay đổi thiết kế. Những đặc trƣng cần phân biệt tự động hóa linh hoạt với tự động hóa lập trình đƣợc là: + Khả năng thay thế các chƣơng trình gia công mà không tốn thời gian sản xuất + Khả năng thay đổi các cài đặt vật lý mà cũng không mất thời gian sản xuất, Những đặc trƣng này cho phép hệ thống sản xuất tự động tiếp tục sản xuất mà không tốn thời gian nhƣ so với việc sản xuất các loạt khác nhau trong tự động hóa lập trình đƣợc. Thay đổi một chƣơng trình gia công thƣờng đƣợc hoàn thành bởi việc chuẩn bị các chƣơng trình trên hệ thống máy tính và truyền chƣơng trình vào hệ thống sản xuất tự động. Vì vậy, thời gian cần thiết để lập trình cho công việc kế tiếp không cản trở việc sản xuất hiện tại. Những tiến bộ trong công nghệ hệ thống máy tính cho khả năng lập trình một cách linh hoạt. Thay đổi các cài đặt vật lý giữa các công việc đƣợc hoàn thành bằng cách lập chƣơng trình ngoại tuyến (bên ngoài máy) và sau đó thực hiện đồng thời với việc cho chi tiết mới vào gia công. Việc sử dụng các đồ gá vệ tinh mang chi tiết và di chuyển các chi tiết và đúng vị trí gia công cũng là một phƣơng thức để thực hiện việc này. Để các phƣơng pháp này có hiệu quả, ngƣời ta phải hạn chế tính đa dạng của những sản phẩm đƣợc chế tạo trên hệ thống sản xuất linh hoạt. 1.1.4. Hiệu quả kinh tế của tự động hóa. Các ƣu điểm của tự động hóa trong quá trình sản xuất: 8 - Nâng cao năng suất lao động. - Giảm chi phí vật liệu và năng lƣợng. - Đảm bảo chất lƣợng và sản phẩm ổn định. - Giảm thời gian từ khâu thiết kế đến chế tạo hoàn chỉnh sản phẩm. - Có khả năng mở rộng sản xuất mà không cần tăng nguồn lực lao động. - Tăng năng suất lao động trong tự động hóa sản xuất có thể đạt đƣợc nhờ: - Sử dụng toàn bộ thời gian làm việc của thiết bị tự động hóa. - Tăng tốc độ thực hiện quá trình sản xuất mà không bị giới hạn bởi khả năng của con ngƣời. - Giải phóng đƣợc số lƣợng lớn công nhân phục vụ sản xuất. Về ý nghĩa xã hội, ƣu điểm của tự động hóa sản xuất bao gồm: - Nâng cao mức sống của toàn dân nhờ tăng năng suất lao động. - Tăng sản phẩm có chất lƣợng cao mà vẫn giảm đƣợc khối lƣợng lao động, nguyên vật liệu và năng lƣợng. - Giải phóng con ngƣời khỏi lao động cơ bắp nặng nhọc, đơn điệu, độc hại và nguy hiểm. - Có khả năng giảm thời gian làm việc nhờ tăng năng suất lao động. - Nâng cao trách nhiệm của ngƣời lao động. Vai trò của tự động hóa với nền kinh tế nƣớc ta: Tự động hoá đóng vai trò quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa nền kinh tế. Đây là ngành tích hợp các bộ môn khoa học rất phát triển nhƣ cơ khí, cơ điện tử, robot, công nghệ điều khiển, công nghệ thông tin,... Phát triển Tự động hóa tức là phát triển hệ thống các loại công nghệ cao, tạo nền tảng cơ bản để đẩy mạnh quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa. 1.2. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP [8] 1.2.1. Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot công nghiệp, ta có thể xem qua một số định nghĩa sau: Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chƣơng trình, tổng hợp các chƣơng trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hƣớng, di chuyển các đối tƣợng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp…theo những hành trình thay đổi đã chƣơng trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. Theo tiêu chuẩn OCT 25686-85 (Nga) thì robot công nghiệp là một máy tự động, đƣợc đặt cố định hay di động đƣợc, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chƣơng trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. 9 Theo tiêu chuẩn RIA (Robot Institude of America ) thì robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chƣơng trình đƣợc thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chƣơng trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau. Có thể nói robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt, thực hiện đồng thời hai chức năng: vận động và điều khiển, đƣợc dùng để thay thế một phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con ngƣời trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau. Khả năng thay đổi chƣơng trình giúp robot có tính linh hoạt cao, mức độ linh hoạt còn thể hiện qua số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp đƣợc trang bị những dụng cụ để thực hiện những nhiệm vụ xác định trong quá trình công nghệ hoặc trực tiếp tham gia các nguyên công ( sơn, hàn, cắt kim loại, mài bóng chi tiết, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy, kiểm tra chi tiết…) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá trên các máy…). Các robot có thể đƣợc đặt cố định hoặc có thể di chuyển giữa các trạm công nghệ để vận chuyển và trao đổi các đối tƣợng trong dây chuyển sản xuất tự động linh hoạt (FMS) hoặc trong các hệ thống sản xuất tích hợp (CIM) cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi. 1.2.2. Kết cấu cơ bản của một robot công nghiệp 1.2.2.1. Kết cấu chung Một robot công nghiệp đƣợc cấu thành bởi các thành phần sau: Tay máy: là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tƣợng. Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là các loại động cơ điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái môi trƣờng. Hệ thống điều khiển hiện nay thƣờng là các máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot. 1.2.2.2. Kết cấu tay máy Tay máy là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của robot công nghiệp. Đó là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khản năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc nhƣ nâng, hạ vật, lắp ráp… Ý tƣởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo tay máy là phỏng tác các cấu tạo và chức năng của tay ngƣời. Về sau, đây 10 không còn là điều bắt buộc nữa. Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại có dáng vẻ rất khác xa với cánh tay ngƣời. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, ngƣời ta quan tâm đến các thông số có ảnh hƣởng lớn đến khả năng làm việc của chúng nhƣ: Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay… Tầm với hay vùng làm việc: kích thƣớc và hình dáng của vùng mà phần công tác có thể với tới. Sự khéo léo: nghĩa là khả năng định vị và định hƣớng 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 hƣớng phần công tác một cách tùy ý trong không gian 3 chiều nó cần 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị, 3 bậc tự do đển định hƣớng. Một số công việc nhƣ nâng hạ, xếp dỡ… yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6. Robot hàn, sơn thƣờng có 6 bậc tự do. Trong một số trƣờng hợp, khi cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc cần tối ƣu hóa quỹ đạo…ngƣời ta có thể dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6. 1.2.3. Phân loại robot công nghiệp Robot công nghiệp rất phong phú và đa dạng, có thể phân loại theo cách sau: 1.2.3.1. Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu của tay máy, ngƣời ta phân thành robot kiểu tọa độ Đề các, kiểu tọa độ trụ, kiểu tọa độ cầu, kiểu tọa độ góc, SCARA nhƣ đã trình bày ở trên. 1.2.3.2. Phân loại theo hệ thống truyền động Có các dạng truyền động phổ biến là: Hệ thống truyền động điện: thƣờng dùng các động cơ điện một chiều hoặc các động cơ bƣớc. Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn. Hệ truyền động thủy lực: có thể đạt đƣợc công suất cao, đáp ứng đƣợc điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên, hệ thống thủy lực thƣờng có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn rất khó xử lý khi điều khiển. Hệ thống truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngƣợc nhƣng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác và thƣờng chỉ thích hợp với robot hoạt động theo chƣơng trình định sẵn với các thao tác đơn giản “ nhấc lên – đặt xuống”. 1.2.3.3. Phân loại theo ứng dụng Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi… 1.2.3.4. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển Có robot điều khiển hở ( mạch điều khiển không có quan hệ phản hồi ), robot điều khiển kín ( hay điều khiển servo): sử dụng mạch cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển. 11 Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tùy theo quan điểm và mục đích nghiên cứu. 1.3. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN. Trong các hệ thống sản xuất linh hoạt đƣợc trang bị đồng bộ tại các trƣờng Đại học, các viện nghiên cứu, việc phân loại và lắp ráp sản phẩm đƣợc sử dụng các robot công nghiệp cỡ nhỏ, hoạt động đồng bộ với hệ thống. Do đó, muốn thay đổi quy trình lắp ráp hoặc sản phẩm lắp ráp rất khó khăn. Một số các mô hình lắp ráp của các đồ án tốt nghiệp Đại học, Cao học thì lại hạn chế ở mức độ mới là mô hình, một số thì chỉ là hệ thống lắp ráp cố định bằng các đồ gá hoặc các cơ cấu tự động, chƣa sử dụng robot nên không có sự linh hoạt. Nguyễn Hữu Dự trong [1] đã thực hiện việc nghiên cứu thiết kế hệ thống thực hiện việc phân loại sản phẩm theo chiều cao với 3 mức kích thƣớc. Hệ thống điều khiển bằng cách sử dụng PLC để điều khiển. Điểm hạn chế của đề tài là chƣa kết nối với máy tính để quản lý số liệu; Hệ thống chỉ dừng lại ở mô hình, không có ứng dụng vào thực tế. Trong khi đó, Nguyễn Văn Đoàn trong [2] đã nghiên cứu động học và động lực học tay máy 6 bậc tự do để trên cơ sở đó chế tạo mô hình tay máy sử dụng để lắp ráp sản phẩm; Thiết kế phần mềm để điều khiển từ máy tính. Tuy vậy, đề tài chỉ mới dừng lại tìm hiểu cơ sở lý thuyết về robot, thiết kế và chế tạo mô hình robot, robot không có chức năng hoạt động theo quỹ đạo, các khớp truyền động bằng động cơ bƣớc, không có hồi tiếp nên độ chính xác chƣa cao. Lê Minh Sơn trong [5] đã chế tạo cơ cấu cấp phôi, đo, kiểm tra và phân loại nhóm chi tiết trụ trơn. Hệ thống đƣợc điều khiển tự động có giám sát từ máy tính, có phân loại thành nhóm chi tiết phục vụ cho lắp ráp tự động hoặc đóng gói. Chỉ mới dừng lại nhóm chi tiết trụ trơn, chƣa linh hoạt khi chuyển đổi sản phẩm khác. Với một số các nghiên cứu ứng dụng robot chỉ mới hạn chế ở mức độ mô hình. Đào Đăng Quang trong [4] đã chế tạo tay máy 3 bậc tự do,sử dụng họ vi điều khiển 8051 để điều khiển. Tuy vậy, việc điều khiển còn đơn giản, chỉ mới điều khiển kiểu PTP (Point to Point). Phạm Trƣờng Tùng trong [7-10] đã chế tạo mô hình robot 4 bậc tự do với các trục đƣợc điều khiển đồng thời. Robot có thể lập trình từ bộ lập trình dạy học (teachPendant) hoặc từ phần mềm EasyRob. Do đó, đã điều khiển đƣợc robot theo quỹ đạo mong muốn. Tuy nhiên, đề tài hạn chế ở điểm mới điều khiển theo quỹ đạo, chƣa ứng dụng vào thực tế để phân loại hoặc lắp ráp sản phẩm Trên một số cơ sở nghiên cứu tổng quan đó, tôi tiến hành nghiên cứu theo hƣớng sử dụng robot KuKa KR6R700 sixx đang đƣợc trang bị tại phòng thực hành CAD/CAM/CNC của trƣờng ĐH Phạm Văn Đồng, phối hợp với một số thiết bị khác nhƣ máy CNC, máy khoan tự động đồng thời chế tạo thêm các module phân loại và lắp ráp để tiến hành phân loại và lắp ráp sản phẩm. 12 1.4. TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẢN XUẤT TẠI PHÕNG THỰC HÀNH CAD/CAM/CNC TRƢỜNG ĐH PHẠM VĂN ĐỒNG Hệ thống sản xuất tại phòng thực hành CAD/CAM/CNC gồm các thiết bị riêng lẻ phục vụ cho công tác đào tạo các môn Công nghệ CAD/CAM/CNC, Robot công nghiệp, Tự động hóa quá trình sản xuất...cho sinh viên ngành Kỹ thuật cơ khí tại trƣờng ĐH Phạm Văn Đồng. Các thiết bị chính gồm: 1 máy tiện CNC của hãng Tormach, 1 máy phay CNC 3 trục của hãng Tormach, 2 robot công nghiệp của hãng Kuka, một hệ thống cấp phôi tự động, 2 băng tải trong đó có một băng tải hai chiều, một hệ thốngmáy khoan tự động. Tất cả các thiết bị hiện có đang đƣợc nghiên cứu để kết hợp với nhau, kết hợp với hệ thống phân loại và lắp ráp sản phẩm của đề tài để hoàn thành một hệ thống sản xuất tự động. 1.4.1. Máy phay CNC của hãng Tormach Máy phay CNC 2 trục đƣợc trang bị tại phòng thực hành CAD/CAM/CNC của trƣờng ĐH Phạm Văn Đồng là model PCNC 1100 của hãng Tormach. Đây là dòng máy CNC cá nhân (personal CNC) đƣợc thiết kế với kích thƣớc nhỏ, phù hợp để gia công các vật liệu khác nhau nhƣ gia công mạch in, nhôm, các loại nhựa tổng hợp để tạo thành các mẫu vật cho nghiên cứu trƣớc khi sản xuất thật bằng các vật liệu đắt tiền nhƣ sắt, thép, titan... Một số thông số kỹ thuật: - Tốc độ trục chính tối đa là 5400 RPM, công suất 1.5HP và điều khiển có hồi tiếp. - Sử dụng điện áp một pha 220VAC 50/60Hz. - Tổng trọng lƣợng máy khoảng 635 Kg (1400 lbs). Hình 1.2. Máy phay CNC 3 trục Tormach 13 1.4.2. Hệ thống cấp phôi tự động Hệ thống cấp phôi tự động đƣợc thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man ngoài có 6 rãnh ăn khớp. Tại một vị trí cố định có trang bị một cảm biến tiệm cận dùng để phát hiện vị trí có phôi. Số lƣợng phôi cấp tối đa là 6 (sau khi hết phôi ta phải thao tác nạp phôi lại cho cơ cấu để cấp cho hệ thống). Hình 1.3. Hệ thống cấp phôi 1.4.3. Hệ thống máy khoan tự động Hệ thống máy khoan tự động đƣợc điều khiển theo kiểu logic, có sử dụng 2 cảm biến từ để giới hạn hành trình lên xuống trong quá trình khoan. Trục di chuyển mũi khoan sử dụng một vime bi. Tốc độ trục chính đƣợc điều chỉnh bằng một biến tần. Đồng bộ theo hệ thống khoan là các thanh dẫn phôi, hệ thống xilanh khí nén để kẹp phôi, hệ thống cảm biến tiệm cận để phát hiện sản phẩm đã gia công xong. Hình 1.4. Máy khoan tự động Hệ thống robot Kuka sẽ đƣợc giới thiệu ở chƣơng 2. 1.4.4. Mô tả hoạt động của hệ thống sản xuất tự động Hệ thống phân loại và lắp ráp sản phẩm là một phần của hệ thống sản xuất tự động đang đƣợc triển khai tại phòng thực hành CAD/CAM/CNC của trƣờng ĐH Phạm