Baocaorobot Nhom 5 Robot Kuka KR62 Chinhthuc [PDF]

Zitiervorschau

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP ====o0o====

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Học phần: Kỹ thuật robot ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU VỀ ROBOT KUKA KR6/2

Giảng viên hướng dẫn

: TS. Nguyễn Mạnh Tiến

Nhóm sinh viên thực hiện Trần Quang Khải

20152004

Nguyễn Minh Đức

20151038

Ngô Thiên Phú

20152845

Hà Nội, Ngày 13 Tháng 05 Năm 2019

Mục lục

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................1 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ROBOT.............................................................2 1.1 Sự ra đời của robot....................................................................................2 1.2 Phân loại robot..........................................................................................2 1.2.1 Phân loại theo số bậc tự do.................................................................2 1.2.2 Phân loại theo cấu trúc động học........................................................3 1.3 Tay máy (Manipulator).............................................................................6 1.4 Một số robot chuỗi hở thường gặp............................................................6 1.4.1 Tay máy tọa độ vuông góc (Cartesian robot/ Gantry robot)...............6 1.4.2 Tay máy tọa độ trụ (Cylindrical robot)...............................................7 1.4.3 Tay máy tọa độ cầu (Spherical/Polar robot).......................................8 1.4.4 Tay máy toàn khớp bản lề..................................................................9 1.4.5 Ứng dụng của robot............................................................................9 1.5 Về robot KUKA......................................................................................10 1.5.1 Tổng quan về robot của hãng KUKA...............................................10 1.5.2 Robot KUKA KR6/2........................................................................12 Chương 2 : TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT KUKA KR6/2 6 BẬC TỰ DO ..................................................................................................................................... 15 2.1 Tính toán động học robot KUKA 6 bậc tự do.........................................15 2.1.1 Phân tích bài toán động học.............................................................15 2.1.2 Bài toán động học thuận...................................................................17 2.1.3 Bài toán động học ngược..................................................................23 Chương 3 Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2................................28

Mục lục 3.1 Mở đầu....................................................................................................28 3.2 Bộ điều khiển..........................................................................................29 3.3 Bảng Điều khiển.....................................................................................36 3.4 Phần mềm lập trình.................................................................................42 3.4.1 Các phương pháp lập trình Robot KUKA........................................42 3.4.2 Lập trình dạy điểm...........................................................................43 3.4.3 Lập trình điều khiển theo phần mềm offline....................................45 KẾT LUẬN......................................................................................................49

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. IRB660-palletiser của hãng ABB Robotics.........................................4 Hình 1.2. ABB’s IRB340 palletising robot.........................................................5 Hình 1.3. Tay máy tọa độ vuông góc (Cartesian Robot).....................................7 Hình 1.4. Tay máy tọa độ trụ (Cylinderical Robot).............................................8 Hình 1.5. Tay máy tọa độ cầu (Polar Robot).......................................................8 Hình 1.6. Robot SCARA....................................................................................9 Hình 1.7. Robot KUKA KR 6/2 và 15/2 của KUKA Robotics.........................10 Hình 1.8. Một khoang làm việc của robot

hãng KUKA đang thao tác với

các thùng đồ uống........................................................................................................11 Hình 1.9. KUKA KR 1000 – robot khỏe nhất thế giới của KUKA...................12 Hình 1.10. Robot KUKA KR6/2.......................................................................13 Hình 1.11. Tải trọng của Robot KUKA KR6/2.................................................14 Hình 2.1. Các khớp của robot KUKA...............................................................15 Hình 2.2. Các khớp của robot KUKA...............................................................18 Hình 2.3. Các khung tọa độ đặt trên robot KUKA KR6/2................................19 Hình 2.4. Hình chiếu bằng của cánh tay............................................................24 Hình 2.5. Hình chiếu vuông góc với mặt phẳng cánh tay.................................25 Hình 3.1. Hệ thống điều khiển của Robot KUKA.............................................28 Hình 3.2. Hệ thống Robot KUKA trong dây chuyền sản xuất..........................29 Hình 3.3. Nguyên lý điều khiển Robot KUKA.................................................31 Hình 3.4. Bộ điều khiển KUKA KR C4............................................................34 Hình 3.5. Cấu tạo của Control box....................................................................34

i

Danh mục hình vẽ Hình 3.6. Cấu tạo của Drive box.......................................................................35 Hình 3.7. Bảng điều khiển................................................................................36 Hình 3.8. Màn hình HMI của bảng điều khiển..................................................38 Hình 3.9. Thanh trạng thái................................................................................39 Hình 3.10. Hệ tọa độ.........................................................................................40 Hình 3.11. Tham chiếu giữa các hệ tọa độ robot KUKA..................................41 Hình 3.12. Phần mềm KUKA SimPro..............................................................45 Hình 3.13. Giao diện phần mềm lập trình.........................................................47

i

Danh mục bảng biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Bảng giới hạn chuyển động các khớp của robot KUKA...................16 Bảng 2.2. Bảng thông số D-H...........................................................................20

ii

Lời nói đầu

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay robot đã được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực như sản xuất, công nghiệp, công nghệ cao như vũ trụ, hàng không, giao thông vận tải… Các nước phát triển đã xuất hiện xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao và xu hướng này đã đạt được khá nhiều kết quả khả quan. Chính vì thế việc nghiên, ứng dụng và phát triển các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt ngày càng trở nên cấp thiết, nhất là các loại robot. Robot công nghiệp có cấu trúc động học nối tiếp tuy đã được nghiên cứu và phát triển mạnh song những tính toán và ứng dụng của nó luôn luôn là một lĩnh vực rất phong phú, đa dạng và đây cũng là loại robot thông dụng nhất hiện nay. Trong đó có KUKA KR - một loại tay máy 6 bậc tự do hoạt động rất linh hoạt, được ứng dụng nhiều lĩnh vực sản xuất và trong công nghiệp. Trong đồ án này sẽ nghiên cứu loại robot này về các phần động học, động lực học, miền làm việc cũng như phần mô phỏng lập trình sử dụng các phần mềm hỗ trợ.

1

Chương 1: Tổng quan về Robot

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Sự ra đời của robot Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người. Hơn 20 năm sau, ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ. Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961 ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kì. Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company). Đến năm 1990 đã có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi và Mitsubishi đã đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng. Cho đến nay, công nghệ chế tạo robot đã phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trong đời sống và sản xuất.

1.2 Phân loại robot 1.2.1 Phân loại theo số bậc tự do

Robot có 2 loại chuyển động cơ bản làm chuẩn : Chuyển động thẳng theo các trục X, Y, Z trong không gian Đề-các với các khớp lăng trụ hay khớp trượt, kí hiệu là P hoặc T. Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu là R Tùy số BTD và và cách tổ hợp T-R, robot sẽ hoạt động trong trường công tác với các hình khối khác nhau. Ví dụ: Robot có trường làm việc là hình trụ như RRT, RTT… 2

Chương 1: Tổng quan về Robot 1.2.2 Phân loại theo cấu trúc động học

Một phương pháp phân loại Robot chính là phân loại theo câu trúc hình học của chúng. Một robot được gọi là robot chuỗi hở (robot tuần tự - serial robot) nếu cấu trục động học của chúng có dạng một chuỗi động hở; gọi là robot song song (parallel robot) nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng; và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm cả 2 loại này. Robot chuỗi hở (robot nối tiếp – Serial Manipulators) Đây là dạng phổ biến nhất của robot công nghiệp. Thường có dạng cấu trúc giống cánh tay người, là một chuỗi các khâu rắn liên kết với nhau bằng các khớp (joints) có dạng như vai, khuỷu tay và cổ tay. Robot này có ưu điểm chính là vùng làm việc (workspace) rộng và linh động. Dưới đây ta đưa ra các bộ phận chính của một robot công nghiệp: -

Cấu trúc cơ khí gồm các khâu (links) và khớp (joints)

-

Cơ cấu chấp hành (actuators) tác động tại các khớp làm tay máy chuyển động

-

Cảm biến (sensors) dùng để đo lường các trạng thái của tay máy (cảm biến trong) và trạng thái môi trường (cảm biến ngoài) nếu cần

-

Một hệ thống điều khiển (có cả máy tính) để điều khiển và giám sát chuyển động của tay máy.

3

Chương 1: Tổng quan về Robot

Hình 1.1.1.a.1.1.1. IRB660-palletiser của hãng ABB Robotics. Nhược điểm: -

Đặc điểm cố hữu là độ cứng vững thấp để tạo một cấu trúc động học.

-

Sai số tích lũy được khuếch đại từ khâu trước sang khâu sau.

-

Do phải mang và chuyển động cùng các bộ dẫn động (thường là các động cơ) có khối lượng lớn nên tốc độ nên tốc độ làm việc không cao.

-

Khả năng mang tải không cao.

- Robot loại này yêu cầu phải có ít nhất 6 BTD trong không gian ( ứng v ới 6 BTD của đối tượng làm việc) để có thể tiếp cận được đối tượng ở vị trí bất kì với khả năng định hướng trong miền làm việc của nó. Chính vì vậy chủ yếu là robot có 6 khớp, như các loại robot Stanford (RRTRRR), KUKA (6R), Elbow (6R), Puma (6R) …với ứng dụng chính trong công nghiệp hiện nay là lắp ráp, vận chuyển phôi và sản phẩm trong quá trình sản xuất. Robot song song (Parallel Manipulator) Loại robot song song điển hình thường có bàn chân di chuyển được nối với giá cố định bằng một số nhánh hay chân. Do vậy, các khâu chỉ chịu lực kéo hoặc lực nén, không phải chịu uốn. Thường số chân chính bằng số BTD, các chân được điều khiển bằng một nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên thân của chân. Ưu điểm: 4

Chương 1: Tổng quan về Robot -

Khả năng chịu tải lớn vì tải trọng được chia cho các chân

-

Tốc độ cao hơn và chính xác hơn, cấu trúc gọn nhẹ hơn

-

Do tốc độ cao và chính xác cao nên có thể hoạt động nh ư m ột máy phay, ngày nay đã được áp dụng vào việc phay các bề mặt gia công cần độ chính xác

cao,

năng suất. -

Nhiều ứng dụng: Mô phỏng tạo song, ghế lái máy bay (Steward, 1965), bàn khung lắp ráp (Reinholtz và Gokhale,1987), bàn điều khiển dao, gá của máy phay (Arai, 1991), các thiết bị định điểm (Gosselin và Hamel, 1994), các máy chuyển động có chân bước (Waldron,1984).

Hình 1.1.1.a.1.1.2. ABB’s IRB340 palletising robot Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm vì gặp phải một số trở ngại như không gian làm việc nhỏ, các chân có thể va chạm lẫn nhau cũng như việc thiết kế rất khó khăn. Robot di chuyển (Mobile Robot) Đơn giản như loại ôtô, xe đạp với các bánh lái có 2 BTD. Hiện nay dùng trong chuyên chở vật liệu trong nhà may rộng, bệnh viện, văn phòng … Robot giống người (Humanoid Robot) Nói một cách đơn giản, robot này có dạng hình dáng con người, 2 chân, 2 tay, đầu, và dung các cơ cấu đó với chuyển động như các bộ phận của con người. 5

Chương 1: Tổng quan về Robot Các kiểu phân loại khác như phân loại theo Hệ thống truyền động, theo Phương pháp điều khiển, theo Đặc điểm hoạt động… tùy các tiêu chí đặt ra mà robot được phân loại nhằm nêu bật tiêu chí đó.

1.3 Tay máy (Manipulator) Thuật ngữ “tay máy” và robot trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn trong lĩnh vực này không có sự khác biệt. Để thuận tiện trong trình bày, ở đây ta hiểu: Tay máy là một dạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc 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 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 phần tử thực sự thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xylanh dầu ép, xylanh khí nén ,… 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. Tay máy hay có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp thông thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được kết nối với nhau nhờ các khớp động. Khâu cuối của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc được gắn dụng cụ công tác. Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chung được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí vận tốc dịch chuyển của khâu cuối – khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển đông của các khâu thành phần.

1.4 Một số robot chuỗi hở thường gặp 1.4.1 Tay máy tọa độ vuông góc (Cartesian robot/ Gantry robot)

Robot hoạt động trong hệ tọa độ này được minh họa như hình vẽ gồm ba chuyển động định vị X, Y, Z theo các trục tọa độ vuông góc: 6

Chương 1: Tổng quan về Robot Loại robot này thích hợp với công việc gắp vật thể và đặt chúng vào vị trí khác. Các ứng dụng có thể là đóng gói, lắp ráp máy móc, cầm nắm các máy công cụ hoặc hàn theo hình cung. Đối với loại robot này, cánh tay được tạo thành từ 3 khớp trượt mà trục của chúng trùng với hệ trục tọa độ Đê-các.

Hình 1.1.1.a.1.1.3. Tay máy tọa độ vuông góc (Cartesian Robot) Ưu điểm: -

Không gian làm việc lớn, có thể dài đến 20m

-

Đối với loại gắn trên trần sẽ dành được diện tích sàn lớn cho các công vi ệc khác

-

Hệ thống điều khiển đơn giản

Hạn chế: Việc thêm vào các loại cần trục hay các loại thiết b ị vận chuyển v ật li ệu khác trong không gian làm việc của robot không được thích hợp lắm.Việc duy trì v ị trí c ủa các cơ cấu dẫn động và các thiết bị dẫn động điện đối với loại trên đều gặp nhiều tr ở ngại. 1.4.2 Tay máy tọa độ trụ (Cylindrical robot)

Trong ba chuyển động chính, robot được trang bị hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay. Sử dụng trong công nghệ lắp ráp, cầm nắm các máy công cụ, hàn điểm. Loại robot này, trục có dạng hệ tọa độ trụ.

7

Chương 1: Tổng quan về Robot

Hình 1.1.1.a.1.1.4. Tay máy tọa độ trụ (Cylinderical Robot) Ưu điểm: -

Có khả năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất

-

Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sàn

-

Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn

-

Khả năng lặp lại tốt.

Nhược điểm: Duy nhất là giới hạn tiến về phía trái và phía phải do kết cấu cơ khí và giới hạn các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang. 1.4.3 Tay máy tọa độ cầu (Spherical/Polar robot)

Robot loại này được bố trí có ít nhất hai chuyển động quay trong ba chuyển động định vị. Dạng robot này là dạng sử dụng điều khiển servo sớm nhất.

8

Chương 1: Tổng quan về Robot Hình 1.1.1.a.1.1.5. Tay máy tọa độ cầu (Polar Robot) Được sử dụng để cầm nắm các dụng cụ,hàn điểm, đánh bóng, hàn hơi hoặc hàn theo cung. Trục của robot tạo thành hệ tọa độ cầu. 1.4.4 Tay máy toàn khớp bản lề

Loại cấu hình dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho robot là dạng khớp nối bảnlề và kế đó là dạng ba trục thẳng, gọi tắt là dạng SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm). Dạng này và dạng tọa độ trụ là phổ cập nhất trong ứngdụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sử dụng mộtcách trực tiếp và dễ dàng các cơ cấu tác động quay như các động cơ điện, động cơ dầu ép, khí nén. Được sử dụng để gắp nhả vật, đóng gói, lắp ráp hay cầm nắm máy công cụ. Robot có 2 khớp xoay song song với nhau cho phép thao tác trên mặt phẳng.

Hình 1.1.1.a.1.1.6. Robot SCARA Ưu điểm: -

Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn,tỉ lệ kích th ước tầm vươn được đánh giá cao.

-

Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo phương thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu gắp đặt và đặt chi tiết theo phương thẳng. Trong trường hợp này bài toán tọa độ hoặc quỹ đạo chuyển động đối với robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y còn lại bằng cách phối hợp ba chuy ển động quay quanh ba trục song song với trục z.

9

Chương 1: Tổng quan về Robot 1.4.5 Ứng dụng của robot

Ứng dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp. Gần 25% robot công nghiệp là robot hàn. Các robot lắp ráp chiếm 33% dân số robot trên thế giới, có mặt nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử.

1.5 Về robot KUKA 1.5.1 Tổng quan về robot của hãng KUKA

KUKA được thành lập vào năm 1898 tại Augsburg, Đức, tên là Kellerund Knappich Augsburg. Có công ty mẹ là KUKA Roboter GmbH, đặt tại Augsburg Đức, KUKA Robotics là một trong những nhà sản xuất hang đầu thế giới về robot công nghiệp với khối lượng hàng năm đạt gần 10.000 con. Dải robot 5 và 6 trục có tải trọng từ 3kg đến 570 kg và tầm với từ 635mm đến 3700mm, đều được điều khiển từ một nền tảng bộ điều khiển dựa trên PC; riêng KUKA KR 1000 – robot khỏe nhất thế giới của KUKA, là loại robot có 6 trục được làm bằng titan. Khả năng nâng của nó lên đến 1000 kg và tầm với là 3200 mm. Và nó được thiết kế nhắm tới các ứng dụng đặc biệt nặng. Do vậy, nó rất lý tưởng cho các ngành công nghiệp như sản xuất vật liệu xây dựng, ôtô và giặt là.

10

Chương 1: Tổng quan về Robot Hình 1.1.1.a.1.1.7. Robot KUKA KR 6/2 và 15/2 của KUKA Robotics Robot của KUKA được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, gồm sản xuất thiết bị gia dụng, sản xuất ô tô, không gian, sản xuất hàng tiêu dùng, chế biến thực phẩm, dược, y, đúc khuôn, nhựa, và trong nhiều ứng dụng phức hợp khác như vận chuyển vật, lắp ráp, đóng gói, xếp-dỡ pallet, hàn, uốn, đánh bóng.Thông tin chi tiết về tập đoàn có tại trang web www.kukarobotics.com. Vài hình ảnh khác về robot của hãng KUKA:

Hình 1.1.1.a.1.1.8. Một khoang làm việc của robot hãng KUKA đang thao tác với các thùng đồ uống

11

Chương 1: Tổng quan về Robot

Hình 1.1.1.a.1.1.9. KUKA KR 1000 – robot khỏe nhất thế giới của KUKA 1.5.2 Robot KUKA KR6/2

Tên gọi cho Robot Kuka được ký hiệu như sau:

KR x/y Trong đó: -

Chữ KR chính là chữ viết tắt của Kuka industrial Robot.

-

Ký hiệu x chính là con số biểu hiện cho tải trọng chính mà robot có thể tải được tính bằng đơn vị Kilogam

-

Chữ cái y là con số biểu hiện thế hệ của robot Kuka.

Robot KUKA KR6/2: Đây là loại robot công nghiệp Kuka có tải trọng chính 6 kg và thế hệ của nó là thế hệ thứ 2.

12

Chương 1: Tổng quan về Robot

Hình 1.1.1.a.1.1.10. Robot KUKA KR6/2 -

Số bậc tự do: 6

-

Tải trọng: + Tải trọng chính: 6 kg + Tải trọng phụ: 10 kg +Tổng tải trọng: 16 kg

-

Vận tốc max của tay máy: 2 m/s

-

Khối lượng: 205 kg

-

Độ chính xác lặp: ±0,1 mm

13

Chương 1: Tổng quan về Robot

Hình 1.1.1.a.1.1.11. Tải trọng của Robot KUKA KR6/2

14

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do

Chương 2 : TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT KUKA KR6/2 6 BẬC TỰ DO 2.1 Tính toán động học robot KUKA 6 bậc tự do 2.1.1 Phân tích bài toán động học

Hình 1.1.1.a.1.1.12. Các khớp của robot KUKA Đây là bước cơ sở cho việc thiết kế Robot, từ đó có thể giải bài toán điều khiển robot theo quỹ đạo. Từ đây ta mới có đủ thông số để điều khiển robot theo một quỹ đạo cho trước hoặc với lực cho trước ta tìm được quỹ đạo chuyển động nhất định. Sau đây là phần tính toán động học cho Robot KUKA 6 bậc tự do mà cụ thể ứng dụng để giải bài toán động học cho robot KUKA KR6/2. Thực chất của việc giải bài toán động học là đi giải hai bài toán động học sau:  Bài toán động học thuận: Biết góc quay của các khớp, tìm vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối cùng.

15

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do  Bài toán động học ngược: cho biết vị trí của khâu chấp hành cuối cùng, tìm góc quay của các khớp tương ứng, tức là tìm thông số điều khiển cho từng khâu để đảm bảo vị trí của khâu chấp hành Do tính chất công việc của từng robot mà quỹ đạo hoạt động của nó tạo ra một số bài toán về điều khiển như sau:  Nếu không quan tâm đến quỹ đạo chuyển động mà chỉ quan tâm đến trong khoảng thời gian cho trước robot đi đến đúng vị trí điểm làm việc. Do vậy mà bài toán trở nên đơn giản hơn. Nó chỉ cần thỏa mãn điều kiện trong phần thiết kế quỹ đạo là được. Tức là vận tốc điểm đầu và điểm cuối bằng 0.  Do điều kiện làm việc mà khi di chuyển từ điểm đầu đến điểm cuối, chúng ta bắt buộc phải đi qua một số điểm trung gian nhất định. Dạng này chúng ta có thể dùng phép nội suy để tạo ra một quỹ đạo trơn đi qua các điểm đó. Điều kiện liên tục về quỹ đạo và vận tốc được thỏa mãn.  Khâu chấp hành phải đi theo một quỹ đạo cho trước và có thể biết trước luật chuyển động dọc theo quỹ đạo nào đó. Đây là bài toán điều khiển robot đi theo quỹ đạo với vận tốc biết trước. Ở đây chúng ta trình bày phần tính toán cho trường hợp: Điều khiển robot đi theo quỹ đạo cho trước.

16

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do 2.1.2 Bài toán động học thuận

Bảng 2.1.2.a.1.1. Bảng giới hạn chuyển động các khớp của robot KUKA Trục

Giới hạn chuyển động

Tốc độ ( /sec)

1

1850

152

2

1150 tới 550

152

3

700 tới 2100

152

4

3500

250

5

1300

357

6

3500

660

0

Bộ thông số D-H: Ta xây dựng động học qua bộ thông số DH: Theo Denavit và Hartenberg, hai ông đã đề xuất dùng mà trận đồng nhất 4x4 để mô tả quan hệ giữa hai khâu liên tiếp trong cơ cấu không gian. Trước hết ta xác định bộ thông số cơ bản giữa hai trục quay của hai khớp i+1 và i: 

ai là độ dài đường vuông góc chung giữa hai trục khớp động i+1 và i

  i là góc chéo giữa hai trục khớp động i+1 và i 

d i là khoảng cách đo dọc trục khớp động i kể từ đường vuông góc chung

giữa khớp động i+1 và trục khớp động i tới đường vuông góc chung giữa trục khớp động i và khớp động i-1.  i là góc giữa hai đường vuông góc nói trên Biến khớp:  Nếu khớp động i là khớp quay thì biến khớp là i  Nếu khớp động i là khớp tịnh tiến thì biến khớp là di

17

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do

Hình 1.1.1.a.1.1.13. Các khớp của robot KUKA Hình trên biểu diễn các khớp quay của robot KUKA KR6/2. Trong đó có thể gọi các khớp A1, A2, A3 lần lượt là: Khớp hông (waist), khớp bả vai (shoulder), khớp khuỷu tay (elbow), tập hợp cả 3 khớp này gọi là cánh tay (arm), các khớp A1, A2, A3 quyết định vị trí của khâu chấp hành cuối cùng (điểm P trên hình 2.3 dưới đây). Các khớp A4, A5, A6 còn lại gọi chung là khớp cổ tay (wrist), chúng quyết định hướng của khâu chấp hành cuối cùng có tâm quay đặt tại điểm P. Thiết lập các hệ tọa độ: Khi gắn các hệ tọa độ với các khâu, có một số lưu ý sau: Gốc của hệ tọa độ gắn liền với khâu thứ i (gọi là hệ tọa độ thứ i) đặt tại giao điểm giữa hai đường vuông góc chung a i và trục khớp i+1. Trường hợp hai trục giao nhau thì gốc hệ tọa độ lấy trùng với giao điểm đó. Nếu hai trục song song với nhau thì chọn gốc hệ tọa độ là điểm bất kì trên trục khớp i+1. Trục zi của hệ tọa độ thứ i nằm nằm dọc theo trục khớp i+1. 18

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do Trục x i của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung và hướng từ khớp i đến khớp i+1. Trường hợp hai trục giao nhau thì hướng của trục x i trùng với hướng của vecto tích z i  zi1 , tức là vuông góc với mặt phẳng chứa hai trục zi , zi1 và phương trùng phương với vecto tích có hướng của hai trục. Hinh vẽ sau đây thể hiện các khung tọa độ đặt trên robot KUKA KR6/2:

X1

Z1

Hình 1.1.1.a.1.1.14. Các khung tọa độ đặt trên robot KUKA KR6/2 Sau khi gắn các khung tọa độ trên các khâu và khớp của robot theo nguyên tắc ta có các thông số cho bảng D-H như sau:

19

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do Khâu

i

di

ai

i

Khớp

1

1

0

a1  300

900

R

2

2

0

a2  650

00

R

3

3

0

a3  155

900

R

4

4

d 4  600

0

900

R

5

5

0

0

900

R

6

6

d 6  125

0

00

R

Bảng 1.1.1.a.1.2. Bảng thông số D-H Mô hình biến đổi: Trên cơ sở đã xây dựng các hệ tọa độ với 2 khâu động liên tiếp như trên đã trình bày, ta có thể thiết lập mối quan hệ giữa 2 hệ tọa độ liên tiếp theo 4 bước sau đây: 1- Quay quanh trục zi-1 một góc i 2- Tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di 3- Tịnh tiến dọc trục x i-1 (đã trùng với x i ) một đoạn ai 4- Quay quanh trục x i một góc  i Bốn bước này được biểu diễn bằng tích các ma trận thuần nhất sau: A i =R(z,θi ).Tp (0,0,d i ).Tp (a i ,0,0).R(x,α i )

Sau khi thực hiện các phép nhân ma trận đơn giản (quay, tịnh tiến), ta có: Cθi S i-1 Ai =  θi  0   0

-Sθi Cαi

SθiSαi

Cθi Cαi Sαi 0

-CθiSαi Cαi 0

a i Cθi  a iSθi  di   1 

Thay các giá trị trong bảng DH ta được các ma trận:  C1 S 0 A1 =  1 0  0

0 S1 a1C1   C2  S 0 -C1 a1S1  1 A2 =  2 0 1 0 0    0 0 1 ; 0

-S2 C2 1 0

20

0 a 2C2  C3 0 S3   S 0 -C 0 a 2S2  2 3 A3 =  3 0 1 1 1 0    0 1 ; 0 0 0

a 3C 3  a 3S3  0   1 

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do  C4 S 3 A4 =  4 0  0

0 -S4 0 C4 -1 0 0 0

0  C5  S 0 4 A5 =  5 0 d4    1; 0

0 S5 0 -C5 1 0 0 0

0  C6  S 0 5 A6 =  6 0 0   1 ; 0

-S6 C6 0 0

0 0 0 0  1 d6   0 1

Phương trình động học thuận: Ma trận tích Ti là tích các ma trận A i là ma trận mô tả vị trí và hướng của hệ tọa độ gắn liền với khâu thứ i, so với hệ tọa độ cố định: Ti =A1.A 2…A i , i=1…n. Trong trường hợp i = n, với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với điểm tác động cuối (End-Effector) thì ta có: TE =Tn  nx n Tn  A1.A 2 …A n   y n z  0

sx

ax

sy sz 0

ay az 0

Ở đây tọa độ điểm cuối là:

px  p y  pz   1

D(d x ,d y ,d z )

, còn điểm P quyết định vị trí của điểm

D. Vì vậy vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối được cho bởi ma trận:  nx n  y n z  0 A 6 = 0 A1.1A 2 .2 A 3 .3A 4 .4 A 5 .5A 6 =  0

sx sy sz 0

ax ay az 0

px  p y  pz   1

Nhân 3 ma trận đầu với nhau ta được: C1C23 S C 0 A 3 = 0 A1.1A 2 .2 A 3   1 23  S23   0

S1 C1S23 -C1 S1S23 0 -C 23 0 0

C1 (a1 +a 2C2 +a 3C 23 )  S1 (a1 +a 2C 2 +a 3C23 )   a 2S2 +a 3S23  1 

Nhân 3 ma trận còn lại với nhau ta được:

21

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do  C4 C5C6 -S4S6 S C C +C S 3 3 4 5 A6 = A 4 . A5. A6 =  4 5 6 4 6  -S5C6  0 

-C4 C5S6 -S4 C6 -S4 C5S6 +C 4C 6 S5S6 0

C4S5 S4S5 C5 0

0 0 3 Ta có phương trình cân bằng sau: A 6 = A 3 . A 6

Trong các phương trình trên: Ci =cosθi ; Si =sinθi ; Cij =cos(θi +θ j ) ; Sij =sin(θi  θ j ) ; 0 Tính toán nhân các ma trận ta thu được ma trận A 6 là:

n x n  y nz  0 A6 =  0

sx sy

ax ay

sz 0

az 0

px  p y  pz   1 ;

Với: n x =C1[C23 (C 4C5C6 -S4S6 )-S23S5C 6 ]+S1 (S4C5C 6 +C 4S6 ) n y =S1[C23 (C 4C5C6 -S4S6 )-S23S5C 6 ]-C1 (S4C5C 6 +C 4S6 )

n z =S23 (C 4C5C6 -S4S6 )+C23S5C6 s x =C1[-C 23 (C 4C5C6 +S4S6 )+S23S5C 6 ]+S1 (-S4C5S6 +C 4C6 ) s y =S1[-C23 (C 4C5C 6 +S4S6 )+S23S5C6 ]-C1 (-S4C5S6 +C 4C 6 )

s z =-S23 (C 4C5C6 +S4S6 )-C23S5S6 a x =C1 (C 23C 4S5 +S23C5 )+S1S4S5 a y =S1 (C23C 4S5 +S23C5 )-C1S4S5

a z =S23C 4S5 +C 23C5 d x =C1[a1 +a 2C 2 +a 3C23 +d 4S23 +d 6 (C 23C 4S5 +S23C5 )]+d 6S1S4S5 d y =S1[a1 +a 2 C2 +a 3C23 +d 4S23 +d 6 (C 23C4S5 +S23C5 )]-d 6S1S4S5

22

d 6C 4S5  d 6S4S5  d 4 +d 6 C5   1 

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do d z =a 2S2 +a 3S23 +d 4 C23 +d 6 (S23C 4S5 -C 23C5 )

Như vậy khi biết được các giá trị của θi ta hoàn toàn có thể xác định được hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối bằng cách thay các giá trị trên để tính. 2.1.3 Bài toán động học ngược

Theo phương pháp chung khi giải bài toán động học ngược với n=6, khó khăn ở chỗ làm sao xác định được phương trình nào là phương trình để tìm ra góc θi ở dạng công thức với các ký hiệu tổng quát. Có thể nói chưa có một thuật toán chung nào mà nhờ đó có thể tìm ra được tập nghiệm của bài toán động học ngược cho mọi robot. Phương pháp giới thiệu sau đây có thể xác định được góc θi một cách dễ dàng và trực giác hơn: phương pháp “các nhóm 3”. Như đã biết, vị trí của một điểm hoàn toàn được xác định trong không gian 3 chiều, nên có thể phân robot ra những nhóm 3, nói chung được viết thành n=3+3+3… Tuy nhiên, gốc tọa độ của những nhóm 3 kể từ nhóm thứ 2 trở đi đều là đối tượng cần được xác định. Còn đối với những robot trong công nghiệp thường có không quá 6 bậc tự do nên việc phân nhóm 3+3 lại phù hợp với các thao tác trong thực tế. Thao tác đầu tiên là robot đưa bàn kẹp đến gần vị trí làm việc. Có thể gọi tên là thao tác “thô”. Sau đó bàn kẹp được xê dịch nhỏ và xoay hướng sao cho phù hợp với công việc, gọi là thao tác “tinh”. Vậy các nhóm 3+3 tương ứng với các thao tác “thô+tinh”. Việc giải bài toán động học ngược trở nên đơn giản hơn tuy nhiên phải lưu ý các vấn đề sau: Đối với nhóm 3 thực hiện thao tác “thô” thì thường chỉ quan tâm đến vị trí, và không quan tâm đến định hướng nên các thành phần của vector n, s, a đều bằng 0 Đối với nhóm 3 thực hiện thao tác “tinh” thì ngược lại, cho các thành phần của vector p bằng 0. Nhược điểm của phương pháp này như đã nói ở trên, gốc tọa độ của các nhóm 3, kể từ nhóm thứ 2 trở đi đều là những vị trí cần xác định hoặc cho trước. Thông thường người ta cho trước chúng như điểm tựa công nghệ. 23

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do Mặc dù có thể dùng 12 phương trình trong phần tính toán đông học thuận để giải bài toán động học ngược nhưng do chúng đều là các phương trình phi tuyến nên rất khó giải. Tuy vậy, ở robot KUKA là loại robot có đặc điểm là 6 khớp đều là khớp quay, trong đó tâm trục quay của 3 khớp cuối giao nhau tại 1 điểm, thông thường với cấu trúc này thì mỗi điểm trong không gian robot sẽ có 8 khả năng để đạt đến điểm này, hay nói cách khác, với mỗi điểm xác định thì bài toán động học ngược sẽ có 8 nghiệm. Vì vậy, để giải bài toán động học ngược ta chia làm 2 bước: bước 1 dựa vào phương pháp hình học giải tích để tìm các góc liên quan đến vị trí của khâu chấp hành cuối (θ1 ,θ 2 ,θ3 ) - “phương trình động học ngược – vị trí”. Sau đó bước 2 có nhiệm vụ tính nốt các góc còn lại từ các góc đã tìm được “phương trình động học ngược – hướng”. 0 0 3 Từ các thành phần trong phương trình: A 6 = A 3 . A 6 và 12 phương trình thành

phần ta có thể biết được vị trí của điểm tâm quay:  p x  d x -d 6 a x   p  =  d -d a   y  y 6 y  p z   d z -d 6a z  ;

Phương trình động học ngược – vị trí (position): Trên hình sau là hình chiều bằng của cánh tay trong 2 trường hợp góc θ1 :

24

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do Hình 1.1.1.a.1.2.1. Hình chiếu bằng của cánh tay -

P Góc θ1 được tính từ Px và y :

θ1 =atan2(Py ,Px )

;

0 Theo hình vẽ, góc θ1 có hai nghiệm là θ1 và ( θ1 +180 ) đều thỏa mãn nghiệm của

P phương trình trên. Trường hợp Px = y =0, phương trình trên sẽ có vô số nghiệm, do vậy

hàm atan2 sẽ chọn nghiệm θ1 =0. -

Góc θ3 được tính dựa vào hình vẽ sau:

Hình 1.1.1.a.1.2.2. Hình chiếu vuông góc với mặt phẳng cánh tay Sử dụng định lý hàm số cos, ta có: q 2 + r 2 =a 22 + a 32 + d 42 - 2a 2 a 32 + d 42 .cos(1800 - θ3 )  θ3 = atan2(± 1 + D 32 ,D 3 ) + atan2(d 4 ,a 3 )

;

25

;

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do D3 =

q 2 + r 2 - a 22 - a 32 - d 42 2a 2 a 32 + d 42

Với: -

;

Góc θ 2 tính dựa vào góc ψ, γ như trên hình 2.5:

2 2 2 2 2 2 2 Ta có: a 3 + d 4 = a 2 + q + r - 2a 2 q + r .cosψ ;

 ψ = atan2( ± 1 - D 22 ,D 2 ) D2 =

;

a 32 + d 24 - a 22 - q 2 - r 2

Với:

-2a 2 q 2 + r 2

;

Từ đó: θ 2 = γ - ψ = atan2( r , q ) - atan2( ± 1 - D22 ,D 2 )

;

Như vậy các góc (θ1 ,θ 2 ,θ3 ) đã được tính và tổ hợp của chúng sẽ cho ra 8 nghiệm của bộ (θ1 ,θ 2 ,θ3 ) . Phương trình động học ngược – hướng (Orientation): Hướng của khâu chấp hành cuối (gắn dụng cụ) được giải sau khi đã biết được vị trí của các góc (θ1 ,θ 2 ,θ3 ) . Trong công thức

0

A 6 = 0 A 3 .3A 6 , nếu ta chỉ xét đến thành phần định hướng (ma

trận R 3x3 ), ta có: 0

R 6 = 0 R 3 .3R 6 3 R 6 =( 0 R 3 ) 1.0 R 6

0 Ta có R 6 đã giải ở phần động học thuận, còn

0

R 3 đã có khi giải các góc

(θ1 ,θ 2 ,θ 3 ) theo phương trình động học ngược – vị trí ở trên. 3 Còn R 6 bao gồm thành phần ma trận quay của các góc (θ 4 ,θ5 ,θ 6 ) và là các giá

trị cần xác định:

26

Chương 2: Tính toán động học Robot KUKA KR6/2 6 bậc tự do

3

Ta có:

 C 4C5C6 -S4S6 R 6  S4C5C6 +C 4S6  -S5C6

-C 4C5S6 -S4C 6 -S4C5S6 +C 4C6 S5S6

C 4S5  S4S5  C5 

;

Giả sử tích: ( R 3 ) . R 6   bij  3x3 0

1 0

C1C 23 S1C23   S1 -C1  C1S23 S1S23

Theo đó ta có các giá trị

bij

S23   n x 0  n y -C 23   n z

sx sy sz

a x   b11 b12 a y   b 21 b 22 a z   b31 b32

b13  b 23  b33 

;

3 rồi đồng nhất với các thành phần của ma trận R 6

ta sẽ tìm được biểu thức tính các góc (θ 4 ,θ 5 ,θ 6 ) như sau, ta có 2 bộ nghiệm (θ 4 ,θ5 ,θ 6 ) : θ 4 = atan2( b 23 , b13 );

θ 4 = atan2( b 23 , b13 ) + 1800 ;

2 θ5 = atan2( 1 - b 33 , b 33 );

2 θ5 = atan2(- 1 - b 33 , b33 );

θ 6 = atan2(b32 , - b31 );

θ 6 = atan2(b 32 , - b 31 ) + 1800 ;

27

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2

Chương 3 Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 3.1 Mở đầu KUKA Robotics là công ty chế tạo đến từ Đức, đã hơn 100 năm thành lập chuyên sản xuất robot công nghiệp và cung cấp các giải pháp tự động hóa. Công ty đã chế tạo nhiều chủng loại Robot KUKA với sự linh hoạt và chính xác cao nhờ hệ thống điều khiển hoàn hảo được tối ưu và áp dụng nhiều công nghệ hiện đại; được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực.

Hình 1.1.1.a.1.2.3. Hệ thống điều khiển của Robot KUKA 1 là tay máy Robot KUKA 2 là bảng điều khiển (Teach pendant hoặc Control Panel) 3,5,6,7 là các cáp kết nối 4 là bộ điều khiển Robot KUKA không chỉ có khả năng làm việc riêng rẽ hiệu quả cao trong dây chuyền sản xuất mà còn có khả năng kết nối thành hệ thống tự động hóa nâng cao được năng suất và chất lượng sản phẩm của dây chuyền sản xuất, tạo nên sự phối hợp đồng bộ giữa các dây chuyền với phần điều khiển cấp trên và trong cả nhà máy. 28

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2

Hình 1.1.1.a.1.2.4. Hệ thống Robot KUKA trong dây chuyền sản xuất Robot KUKA có bộ điều khiển đi kèm chuyên xử lý tính toán, lưu trữ, kết nối bên ngoài, đưa lệnh thực hiện gửi đến các động cơ trên tay máy robot để thực hiện nhiệm vụ nào đó. Phần điều khiển cấp trên và giám sát là nhiệm vụ của các PLC, các máy tính và chương trình phần mềm đi kèm. Điều khiển trên một cấp đó là các bộ PLC điều khiển quá trình cho phép chuyển động, nhận lỗi, khởi động chương trình. Cấp điều khiển máy tính sẽ đảm nhiệm việc lập trình chương trình hoạt động của robot, giám sát, lưu trữ dữ liệu của tay máy robot.

3.2 Bộ điều khiển Bộ điều khiển giống như bộ não robot, điều khiển tay máy hoạt động theo chương trình có sẵn hoặc điều khiển trực tiếp trên bảng điều khiển. Bộ điều khiển cũng thu thập dữ liệu từ các cảm biến gửi về máy tính và đưa lệnh thực hiện gửi tới tay máy để thực hiện nhiệm vụ. Bộ điều khiển có các đặc điểm chính như sau: - Nhớ, lưu chương trình điều khiển và trạng thái của hệ thống cấp bởi cảm biến. - Một khối tính toán (CPU) để xử lý các thông tin và đưa ra các lệnh điều khiển. 29

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 - Phần cứng thích hợp để giao tiếp với thế giới bên ngoài (cảm biến, nguồn truyền động,..) - Phần cứng cho giao diện người máy. - Các thông tin về trạng thái của hệ thống được cung cấp bởi các cảm biến được lưu lại bên trong bộ nhớ của thiết bị thường là máy tính. Khối tính toán (CPU) của máy tính sẽ thực hiện việc xử lý các thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển cho tay máy hoạt động thực hiện một chương trình lập trình sẵn. Như vậy, bộ điều khiển có vai trò rất quan trọng trong quá trình hoạt động của Robot KUKA, tốc độ xử lý cũng có sự ảnh hưởng rất lớn tới sự linh hoạt và chính xác của tay máy robot.

Ngoài ra, bộ điều khiển Robot KUKA cũng có khả năng quan trọng đó là dễ dàng lập trình và sửa đổi chương trình lại nhiều lần thông qua bảng điều khiển hoặc máy tính với phần mềm chuyên dụng.

30

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2

Hình 1.1.1.a.1.2.5. Nguyên lý điều khiển Robot KUKA Hiện nay, hãng KUKA cung cấp nhiều dòng bộ điều khiển như KUKA KR C1, KUKA KR C2, KUKA KR C3, KUKA KR C4, KUKA Sunrise.Với mỗi dòng bộ điều khiển lại được chia thành các loại bộ điều khiển phù hợp với từng nhu cầu,quy mô từng ứng dụng cụ thể của khách hàng; ví dụ như dòng KUKA KRC4 chia thành 5 loại : KRC4 compact, KRC4 smallsize-2, KRC4, KRC4 midsize, KRC4 extended có sự khác biệt nhau về kích cỡ, cấu hình phần cứng, cấp bảo vệ IP, khả năng điều khiển nâng cao. KUKA KR C1: mang đến cho người dùng một chiếc tủ nhỏ gọn, có thể xếp chồng lên nhau, mang đến sự tiết kiệm không gian tuyệt đối cho dây chuyền sản xuất. KR C1 có chức năng tích hợp để chẩn đoán robot cung cấp hoạt động master/slave và chẩn đoán từ xa thông qua mạng internet. KR C1 hỗ trợ chuẩn DeviceNet và Ethernet và cung cấp chức năng cấu hình chuyển động để đáp ứng tối ưu giữa động cơ robot với vận tốc của chúng. KUKA KR C2: Ưu điểm của bộ điều khiển KR C2 là hệ thống bảo trì thấp, có thể tùy chọn phần cứng và phần mềm tùy theo công nghệ được phục vụ. KR C2 có thể hoạt động với phạm vi tải trọng robot rộng và cung cấp khả năng cho một số robot hoạt động cùng nhau. Ngoài ra, có chức năng cắm và chạy cho phép khởi động nhanh. 31

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 KUKA KR C3: Tủ nặng 31kg có cùng công nghệ ở đĩa ở định dạng nhỏ hơn, cung cấp chương trình ứng dụng định hướng công nghệ và được xếp hạng IP20. Nó được cung cấp bộ xử lý Intel Celeron. Nó sử dụng lập trình ứng dụng định hướng công nghệ để tương tác với robot KUKA và hoạt động với bảng điều khiển. Bộ điều khiển cung cấp tiêu chuẩn DeviceNet và CAN với tùy chọn INTERBUS có sẵn. KUKA KR C4: Mang đến sự an toàn hơn, linh hoạt hơn, KUKA KR C4 mang đến sức mạnh và sự thông minh cao hơn bao giờ hết. KR C4 là một bộ điều khiển cung cấp các tiêu chuẩn dữ liệu mạnh mẽ với kiến trúc mới được phát triển, đột phá, có cấu trúc rõ ràng. Hơn nữa, việc tích hợp và bảo trì KR C4 giúp cung cấp các chức năng hoàn hảo. Có cơ sở dữ liệu chung và kiến trúc phần cứng phối hợp của SafetyControl, RobotControl và MotionControl, LogicControl và ProcessControl để tất cả sử dụng và chia sẻ thông minh. KR C4 có thể điều khiển dễ dàng, kiến trúc mở để cải thiện tính linh hoạt với robot KUKA và các bộ CNC, PLC. KUKA Sunrise Cabin: Cung cấp một thiết kế mạnh mẽ nhưng khối lượng nhẹ.KUKA Sunrise Cabin là một bộ điều khiển tương lai, mang đến sức mạnh, an toàn, linh hoạt và thông minh. Nó cũng cung cấp các tùy chọn lắp đặt một các đa dạng với các bộ phận độc lập. KUKA Sunrise Cabin cung cấp xử lý cảm biến tích hợp và thay thế các giải pháp phần cứng bằng các giải pháp dựa trên phần mềm để cung cấp các giải pháp bảo trì thấp. Phần này sẽ đi sâu vào trình bày chi tiết bộ điều khiển KUKA KR C4.

32

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 Tính năng của bộ điều khiển KUKA KR C4: -

Đơn giản để lên kế hoạch, vận hành và bảo trì

-

Tiếp tục các công nghệ điều khiển dựa trên máy tính đã được chứng minh bởi thực tế

-

Hoạt động nhanh chóng và dễ dàng nhờ tiếp tục sử dụng các khái niệm điều khiển toán tử quen thuộc

-

Mở rộng tập hợp các lệnh để lập trình đường dẫn thân thiện với người dùng hơn

-

Khả năng tương thích cao với các chương trình điều khiển trước đây

-

SafetyControl, RobotControl, LogicControl, MotionControl, ProcessControl trong một hệ thống điều khiển đơn

-

Giao tiếp thời gian thực giữa các quá trình điều khiển chuyên dụng

-

Các dịch vụ cơ bản trung tâm cho tính nhất quán dữ liệu tối đa

-

Tích hợp liền mạch công nghệ an toàn cho các lĩnh vực ứng dụng hoàn toàn mới

-

Tường lửa tích hợp phần mềm để bảo mật tốt hơn

-

Các chức năng phần mềm sáng tạo để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng

-

Nền tảng công nghệ tương thích trong tương lai không có phần cứng độc quyền

-

Hỗ trợ bộ xử lý đa lõi cho hiệu năng có thể mở rộng

-

Thẻ nhớ tích hợp cho dữ liệu hệ thống quan trọng

-

Được thiết kế cho 400-480VAC

-

Khái niệm quạt mới cho hiệu suất năng lượng tối ưu

-

Bảo trì miễn phí làm mát mà không có bộ lọc thảm

-

Hiệu suất cao nhất trong không gian nhỏ nhất có thể

-

Tính khả dụng tối đa

Cấu tạo của một bộ điều khiển KUKA KRC4 gồm 2 box chính: 1 là phần điều khiển (Control box) 2 là phần nguồn (Drive box)

33

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2

Hình 1.1.1.a.1.2.6. Bộ điều khiển KUKA KR C4  Phần Control box: Phần Control box gồm các bộ phận dưới đây:

Hình 1.1.1.a.1.2.7. Cấu tạo của Control box 1 là quạt

7 là công tắc nguồn

2 là ổ cứng

8 là phần giao diện kết nối

3 là bộ cấp nguồn điện áp thấp

9 là tùy chọn 34

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 4 là thẻ nhớ

10 là bảng mạch chủ

5 là bộ điều khiển tủ

11 là pin

6 là phần ngoài của giao diện kết nối Control box chịu trách nhiệm cho các chức năng sau của robot: -

Bộ điều khiển

-

Giao diện đồ họa người dùng

-

Tạo chương trình, chỉnh sửa, lưu trữ và bảo trì

-

Điều khiển tuần tự

-

Quy hoạch đường đi

-

Điều khiển mạch truyền động

-

Giám sát

-

Thiết bị an toàn

-

Giao tiếp với ngoại vi bên ngoài (bộ điều khiển khác, máy tính chủ, PC, mạng)  Phần Drive box:

Hình 1.1.1.a.1.2.8. Cấu tạo của Drive box 1 Đầu nối động cơ X20; 2 Điện trở xả; 3 Phần cấp nguồn nhỏ; 4 Bộ lọc chính; 5 Phần điều khiển Servo KUKA; 6 Quạt. 35

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 Drive box làm nhiệm vụ sau: -

Tạo điện áp nguồn trung gian

-

Điều khiển động cơ

-

Kiểm soát hãm

-

Kiểm tra điện áp mạch nguồn trung gian ở chế độ hãm

3.3 Bảng Điều khiển Bảng điều khiển KUKA là giao diện giữa bộ điều khiển robot và robot. Phần này sẽ trình bày tổng quan về các nút và biểu tượng, giao diện HMI với người dùng.

Hình 1.1.1.a.1.2.9. Bảng điều khiển

36

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2  Các phím chức năng quan trọng: -

Một hành động đã được bắt đầu có thể bị hủy bỏ bất cứ lúc nào bằng phím ESC.

-

Có thể chuyển đổi giữa các chương trình, trạng thái và thông báo bằng sử dụng phím window selection. Cửa sổ hoạt động được chỉ định bởi một nền màu xanh.

-

Bấm phím Stop sẽ dừng chương trình đang chạy ở chế độ tự động.

-

Nhấn phím Program start forwards sẽ bắt đầu một chương trình đã được chọn.

-

Nếu phím Program start backwards được nhấn, các khối chuyển động được thực hiện từng bước vào đầu chương trình.

-

Phím Enter được sử dụng, để hoàn thành các lệnh hoặc để xác nhận các mục trong biểu mẫu ....

-

Các phím menu được sử dụng để mở các menu trong thanh menu. Điều hướng được thực hiện với sự trợ giúp của các phím mũi tên.

-

Các phím status được sử dụng để chọn tùy chọn vận hành, chuyển đổi riêng lẻ chức năng và giá trị cài đặt.

-

Các chức năng của phím softkeys được điều chỉnh linh hoạt với dòng điện yêu cầu, tức là việc gán thanh phím chức năng bị thay đổi.

-

Công tắc chọn chế độ mode selector lựa chọn các chế độ T1(Test 1), T2(Test 2), Automatic, Automatic External.

-

Chế độ Jog và thực hiện chương trình  Jogging bằng cách sử dụng các phím trạng thái + Jogging sử dụng 6D mouse  Chế độ chương trình: Jogging bị vô hiệu hóa  Chế độ GO: Việc thực hiện chương trình được tiếp tục miễn là “Program start forwards” vẫn được nhấn  Chế độ một bước: Đối với mỗi lệnh chuyển động, “Program start forwards” được nhả ra và nhấn lại một lần nữa.

37

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2  Di chuyển lùi: Xuất hiện tự động khi nhấn “Program start backwards”.  Vận tốc chương trình tính theo% (POV): Vận tốc chuyển động của robot trong quá trình thực hiện chương trình T1: tối đa 250 mm / giây; T2: tối đa vận tốc quá trình  Vận tốc Jog tính theo% (HOV): Vận tốc chuyển động của robot khi Jog bằng phím Jog hoặc chuột 6D, T1 & T2: tối đa. 250 mm / giây  Màn hình HMI:

Hình 1.1.1.a.1.2.10. Màn hình HMI của bảng điều khiển 1 cửa sổ chính -

2 cửa sổ tùy chọn

3 cửa sổ thông báo

Main window: cửa sổ chính hiển thị Bộ điều hướng hoặc chọn hoặc mở chương trình. 38

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 -

Option window: cửa sổ tùy chọn được liên kết với chức năng chuyên dụng hoặc làm việc tuần tự. Nó không vĩnh viễn hiển thị trong giao diện người dùng. Không thể có nhiều hơn một cửa sổ tùy chọn mở bất cứ lúc nào.

-

Message window: Cửa sổ thông báo hiển thị thông báo lỗi, tin nhắn hệ thống và tin nhắn hộp thoại. Cửa sổ thông báo không được hiển thị nếu không có tin nhắn hiện tại, ví dụ nếu tất cả các tin nhắn đã được thừa nhận.

Màn hình chia thành các box:  Input box: nhập vào một giá trị hoặc một văn bản  List box: Một tham số có thể được chọn từ một danh sách  Check box: Một hoặc nhiều tùy chọn có thể được chọn  Option box: Một tùy chọn có thể được chọn  Thanh trượt: Một giá trị theo tỷ lệ có thể được chọn  Nhóm: Hộp này có thể được sắp xếp theo nhóm. Một nhóm được chỉ địn bởi một khung. Tên của nhóm thường được chỉ định ở góc trên bên trái của khung. Thanh trạng thái:

39

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 Hình 1.1.1.a.1.2.11. Thanh trạng thái 1 Trạng thái của bàn phím số

2 Trạng thái chữ hoa / chữ thường

3 S: Trạng thái của trình thông dịch; I / O: Trạng thái của các ổ đĩa; R: Trạng thái của chương trình 4 Tên của chương trình đã chọn

5 Số khối hiện tại

6 Chế độ hoạt động hiện tại

7 Cài đặt ghi đè hiện tại

8 Tên người máy

9 Giờ hệ thống

Hệ tọa độ trên HMI:

Hình 1.1.1.a.1.2.12. Hệ tọa độ

 

JOGGING - Hệ tọa độ theo từng khâu khớp của robot. Mỗi trục có thể

được di chuyển riêng theo hướng thuận hoặc nghịch. Khu vực ứng dụng: Phương pháp thô cho giải quyết việc xác định các điểm. Đổi chế độ bằng việc tác động bằng phần mềm

40

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2

WORLD - Hệ thống tọa độ vuông góc có gốc được đặt tại góc phòng. Khu vực ứng dụng: Chuyển động của robot đến bất kỳ điểm nào trong không gian bằng bàn phím hoặc chuột 6D. Là công cụ và hiệu chuẩn BASE.

TOOL - Hệ tọa độ vuông góc nằm trên công cụ robot. Khu vực ứng dụng: Chuyển động với công cụ cùng một đường thẳng nếu định hướng của công cụ là nghiêng.Ví dụ điểm hàn trên công cụ làm việc hoặc chức năng kẹp trên công cụ làm việc.

ROBROOT- Hệ tọa độ nằm ở đế robot

BASE - Hệ tọa độ vuông góc nằm trên đối tượng làm việc. Khu vực ứng dụng: Chuyển động của đối tượng làm việc với xác định BASE. Dùng “Chuột” Jogging điều chỉnh tay máy tác động đến đối tượng làm việc nếu trục X dương của hệ tọa độ BASE là chỉ về phía lập trình viên.

Hình 1.1.1.a.1.2.13. Tham chiếu giữa các hệ tọa độ robot KUKA Việc chuyển đổi giữa các hệ tọa độ robot được bộ điều khiển đảm nhiệm:

41

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2

3.4 Phần mềm lập trình 3.4.1 Các phương pháp lập trình Robot KUKA

Thứ nhất, có thể dùng bảng điều khiển để điều khiển hoạt động của robot. Khi điều khiển robot bằng phương tiện này chúng ta có thể cầm bẳng điều khiển trên ta và hướng về phía robot để quan sát vị trí của cánh tay robot. Dùng các khối nút nhấn và chuột 6D đưa khâu dụng cụ cũng như tay máy đến mỗi vị trí quan trọng cần thiết, ta có thể đánh dấu các điểm đó bằng ký hiệu P1, P2…. Lưu các vị trí mà robot cần đến trong quá trình thực hiện công việc. Cứ như vậy tiếp tục đưa cánh tay robot đến các vị trí khác cần đi tới và thao tác trong quá trình thực hiện công việc rồi lưu lại các điểm đó cho tới khi hoàn thành chương trình. Tuy nhiên, một khó khăn lớn trong quá trình điều khiển robot bằng bảng điều khiển là khó đưa cánh tay robot đến đúng hoàn toàn tọa độ vị trí cần thiết mà chỉ mang tính tương đối do quan sát bằng mắt thường. Chính vì thế, cách điều khiển này không được sử dụng nhiều và nếu có thì thường là các công việc đơn giản không đòi hỏi độ chính xác cao. Sau khi được dạy học xong, robot hoàn toàn có thể thực hiện lại những động tác mà ta đã dạy để thực hiện công việc. Thứ hai, có thể lập trình điều khiển robot qua máy tính sau đó đưa chương trình hoạt động qua robot để robot thực hiện các lệnh này. Như vậy, với cách điều khiển này người lập trình không cần quan sát vị trí các điểm cần đưa robot tới bằng mắt thường nhưng thay vào đó người điều khiển cần biết tọa độ các điểm đó để tiến hành lập trình chính xác. 42

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 Ưu điểm lớn của phương pháp này là cho kết quả các điểm mà robot cần tới trong quá trình làm việc rất là chính xác nhưng ngược lại nó có nhược điểm là đòi hỏi sự tỉ mỉ tính toán kỹ lưỡng trong quá trình lập trình cho robot. Trong thực tế thì phương pháp điều khiển robot này được sử dụng nhiều hơn nhờ tính chính xác của nó. Ngoài ra, chúng ta còn có thể lập trình, điều khiển hoạt động cho robot theo cách điều khiển theo đường dẫn. Bản chất của phương pháp này là người điều khiển cầm trực tiếp khâu dụng cụ di chuyển chính xác, máy tính sẽ ghi nhớ lại và điều khiển robot thực hiện lại một cách chính xác Như vậy, các phương pháp điều khiển robot: + Điều khiển theo đường dẫn: cầm trực tiếp khâu dụng cụ để di chuyển chính xác, máy tính sẽ ghi nhớ lại và điều khiển robot thực hiện lại một cách chính xác. + Dạy học robot: thông qua bảng điều khiển, robot sẽ ghi nhớ những vị trí được dạy và sẽ được điều khiển tuần tự chuyển động + Lập trình offline: dùng phần mềm máy tính lập kế hoạch và chương trình chuyển động mà không cần dùng tới phần cứng của robot. +Lập trình Autonomous(tự trị): được điều khiển bởi máy tính kết hợp các cảm biến không có sự can thiệp của con người. + Điều khiển từ xa: chuyển động của robot được thông qua một cần điều khiển, người dùng sẽ cảm nhận những gì robot cảm thấy được qua các giao tiếp xúc giác. + Telerobotic: kết hợp giữa điều khiển tự vận hành và điều khiển từ xa 3.4.2 Lập trình dạy điểm

Sau khi di chuyển robot đến vị trí như mong muốn bằng cách hiệu chỉnh theo các hệ tọa độ của robot bằng bảng điều khiển. Trong phần mềm chuyên dụng, chọn vào Menu Commands/Motion/ chọn kiểu chuyển động, nhập các thông số chuyển động:

43

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2

Ta được 3 kiểu chuyển động như sau:  Điều khiển dịch chuyển theo điểm PTP

 Điều khiển dịch chuyển đường thẳng (tuyến tính) LIN

 Điều khiển dịch chuyển theo đường tròn(phi tuyến)CIRC

Các lệnh này phải được đặt giữa đoạn chương trình đã mặc định của robot 44

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 01 INT 02 PTP HOME VEL =100% DEFAULT 03 …. Các lệnh dạy điểm 04…. 05 PTP HOME VEL=100% DEFAULT 06 END Sau khi thực hiện xong công việc dạy điểm và nhập xong các dòng lệnh, ta thực hiện việc kiểm tra lỗi chương trình, nếu chương trình không có lỗi gì thì máy tính sẽ báo sẵn sàng chạy chương trình điều khiển. 3.4.3 Lập trình điều khiển theo phần mềm offline

a) Đặc điểm của phần mềm: Phần mềm lập trình được trình bày là KUKA SimPro. Với KUKA SimPro, chúng ta có thể tối ưu hóa việc sử dụng các hệ thống và robot của mình và đạt được mức độ linh hoạt và năng suất cao hơn. Định hướng tương lai, lập trình đồ họa trong môi trường ảo giúp hệ thống luôn sẵn sàng cho nhiệm vụ, quy trình sản xuất.

45

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 Hình 1.1.1.a.1.2.14. Phần mềm KUKA SimPro KUKA SimPro được sử dụng để lập trình ngoại tuyến hoàn toàn cho robot KUKA. Sản phẩm này cho phép phân tích thời gian theo chu kỳ và tạo ra các chương trình robot. Nó cũng cho phép kết nối thời gian thực với bộ điều khiển robot KUKA ảo, KUKA OfficeLite. KUKA SimPro được sử dụng để xây dựng các thành phần tham số và xác định hệ thống động học được sử dụng trong KUKA Sim, KUKA OfficeLite được bao gồm trong gói KUKA SimPro. Bằng cách sử dụng KUKA SimPro, được hưởng lợi từ các chức năng sau: -

Ứng dụng toàn diện, tích hợp CAD CATIA V5, JT, STEP, v.v.

-

Ứng dụng 64 bit cho hiệu suất CAD cao nhất

-

Chức năng xuất video AVI HD và 3D PDF

-

Xuất tập tin animation

-

Giao diện PLC OPC UA cho Beckhoff TwinCat, CODESYS hoặc SIEMENS PLCSIM Advanced

-

KUKA.OfficeLite

+ Chức năng của phần mềm KUKA.Sim Với giao diện người dùng trực quan và vô số chức năng và mô-đun khác nhau, KUKA SimPro cung cấp giải pháp tối ưu và mức độ hiệu quả cao nhất trong lập trình ngoại tuyến. + Tạo bố cục dễ dàng Có thể tạo bố cục tối ưu cho các hệ thống sản xuất của mình ở giai đoạn đầu của dự án. Chỉ cần kéo các thành phần từ danh mục điện tử và đặt chúng vào vị trí cần thiết. + Danh mục điện tử và mô hình tham số Hầu hết các thành phần trong các eCatalog được định nghĩa tham số. Điều này có nghĩa là có thể chọn một hàng rào an toàn, ví dụ: điều chỉnh chiều cao hoặc chiều rộng của theo yêu cầu của người dùng; kẹp, băng tải, hàng rào an toàn và nhiều thành phần khác được bao gồm trong danh mục điện tử. 46

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 + Kiểm tra khả năng tiếp cận và phát hiện va chạm Với tính năng kiểm tra khả năng tiếp cận và phát hiện va chạm, có thể đảm bảo khả năng tồn tại của các chương trình robot và bố trí vị trí. + Lập trình ngoại tuyến mạnh mẽ, thân thiện với người dùng Bằng cách viết các chương trình robot của bạn trực tiếp bằng Ngôn ngữ Robot KUKA (KRL), bạn có thể loại bỏ các phần xử lý phía sau. Trong quá trình lập trình ngoại tuyến, các công cụ sẽ hỗ trợ bạn khi bạn hiệu chỉnh phôi. Ngoài ra, bất kỳ chương trình nào được tạo tại chỗ đều có thể được nhập vào KUKA OfficeLite mộtmột, cho phép bạn kiểm tra các chương trình. KUKA SimPro phân biệt giữa người dùng cơ bản và các chuyên gia. Đối với người dùng cơ bản không đòi hỏi nhiều kiến thức về lập trình, họ tạo ra chương trình theo phương tiện memu. Đối với các chuyên gia, có thể sử dụng ngôn ngữ lập trình KRL phù hợp với nhiều nhiệm vụ phức tạp. b) Lập trình

Hình 1.1.1.a.1.2.15. Giao diện phần mềm lập trình

Sử dụng ngôn ngữ lập trình KRL, cấu trúc một chương trình điều khiển cơ bản như sau: DEF tên() Khai báo ( Declarations) 47

Chương 3: Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2 Khối lệnh ( Instructions) END Ví dụ một chương trình đơn giản: DEF PROG1() ;----phần khai báo---INT J ;----khối các lệnh---$VEL_AXIS[1]=100; xác định vận tốc các trục $VEL_AXIS[2]=100 ------$ACC_AXIS[1]=100; xác định gia tốc các trục $ACC_AXIS[2]=100 ------PTP{P1 0,P2 -90,P3 90,P4 0,P5 0,P6 0} END Khi lập trình ta có thể thiết lập hình ảnh các điểm ví dụ như lập trình vẽ hình ngôi sao 5 cánh sẽ được như sau:

48

Kết luận

KẾT LUẬN Qua bài tập lớn chúng em đã đạt được: -

Hiểu biết thêm về robot nói chung và về robot của hãng KUKA nói riêng.

-

Biết tính toán động học thuận nghịch cho robot

-

Biết cách mô phỏng robot KUKA KR6/2 trên phần mềm KUKA simpro

Từ bài tập lớn chúng em cũng học thêm được các kỹ năng mô phỏng, tính toán, tìm tài liệu. Chúng em thấy rất bổ ích. Mong việc này vẫn được thầy duy trì cho các khóa học tiếp theo. Chúng em xin trân thành cảm ơn!

49