Bài giảng môn Robot công nghiệp

ROBOT CÔNG NGHIỆP 
Bộ môn Máy & Tự động hóa 
Nội dung môn học gồm ba phần 
1. Các khái niệm cơ bản, nền tảng cơ học – cơ khí trong kết cấu robot. 
2. Điều khiển robot. 
3. Ứng dụng robot. 
 Tài liệu tham khảo: 
1. Modernling and control robotic. 
2. Robotic control. 
3. Robot và hệ thống công nghệ robot hoá. 
4. Kỹ thuật robot. 
5. Robot công nghiệp. 
 Các lĩnh vực có quan hệ chặt chẽ: 
1. Toán học cao cấp. 
2. Cơ lí thuyết. 
3. Cơ học máy. 
4. Kỹ thuật điều khiển. 
5. Động học và động lực học máy. 
5. Công nghệ thông tin. 
Chương 1: Các vấn đề cơ bản về robot . (3 tiết) 
1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot: 
1.1.1. Robot và robotic: 
Theo tiêu chuẩn AFNOR của pháp: 
 Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lập lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di chuyển các đối tượng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp  theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. 
Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: 
 Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp. 
Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: 
 Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người. 
 Bên cạnh khái niệm robot còn có khái niệm robotic, khái niệm này có thể hiểu như sau: 
 Robotics là một nghành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh. 
 Robotics là một khoa học liên nghành gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Nó là sản phẩm đặc thù của nghành cơ điện tử (mechatronics). 
1.1.2. Robot công nghiệp: 
 Mặc dù lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm, song theo thống kê về các ứng dụng robot sau đây chúng đựoc sử dụng chủ yếu trong công nghiệp, vì vậy khi nhắc đến robot người ta thường liên tưởng đến robot công nghiệp. 
Lĩnh vực 
1985 
1990 
Hàn 
Phục vụ máy NC và hệ thống TĐLH 
Đúc 
Lắp ráp 
Phun phủ 
Sơn 
Các ứng dụng khác 
35% 
20% 
10% 
10% 
10% 
5% 
10% 
5% 
25% 
5% 
35% 
5% 
15% 
10% 
 Robot công nghiệp là một lĩnh vực riêng của robot, nó có đặc trưng riêng như sau: 
- Là thiết bị vạn năng đựoc TĐH theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt khéo léo các nhiệm vụ khác nhau. 
- Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng như vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường. 
 Do có hai đặc trưng trên nên robot công nghiệp có thể định nghĩa như sau: 
 Theo Viện nghiên cứu robot của Mĩ đề xuất: 
 RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác. 
 Hay theo định nghĩa GHOST 25686 – 85 như sau: 
 RBCN là tay máy được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. 
 Trong môn học này chỉ đi sâu nghiên cứu về robot công nghiệp trên các khía cạnh phân tích lựa chọn sử dụng, khai thác 
1.2. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: 
1.2.1. Cấu trúc chung: 
 Một RBCN bao gồm các phần cơ bản sau: 
 Tay Máy: (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay (arm) để tạo các chuyển động cơ bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. 
 Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu 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 của môi trường. 
 Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. 
Hệ thống điều khiển: (controller) hiện nay thường là hệ thống điều khiển số có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot 
1.2.2. Kết cấu tay máy: 
 Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là phần cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc như­ nâng, hạ vật, lắp ráp...Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại khác xa với tay người. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc để chỉ các bộ phận của tay máy như vai (shoulder) , Cánh tay (Arm) , cổ tay (Wrist) , bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations) ,... 
 Trong thiết kế quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của robot như: 
- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay... 
- Tầm với hay vùng làm việc: Kích thước và hình dáng vùng mà phần làm việc có thể với tới. 
- Sự khéo léo, là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc. 
	Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu, đựơc nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đến phần công tác. 
	Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay. tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra các tay máy kiểu toạ độ Decac (Cartesian), toạ độ trụ (Cylindrical) , toạ độ cầu (Revolute), SCARA, POLAR, kiểu tay người (Anthropomorphic). 
Tay máy kiểu tọa độ đề các , còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng ba khớp trượt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song với ba trục tọa độ. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu tay máy kiểu này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo léo. Vì vậy, tay máy kiểu đề các được dùng để vận chuyển và lắp ráp. 
 Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với tay máy kiểu đềcác ở khớp đầu tiên: Dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy “thò” được vào khoang rỗng nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng. 
 Tay máy kiểu tọa độ cầu khác kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với . 
 Tay máy Scara được đề xuất dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững theo phương được chọn là phương ngang. Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương đứng. Từ Scara là viết tắt của “selective compliance assembly robot arm” để mô tả các đặc điểm trên. Vùng làm việc của Scara là một phần của hình trụ rỗng. 
 Tay máy kiểu phỏng sinh , có cả ba khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai, khớp thứ ba gọi là khớp khuỷu nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kết cấu này không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làmviệc rất khéo léo, nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu. 
 Toàn bộ dạng các kết cấu mô tả ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác muốn định hướng nó, cần bổ sung phần cổ tay. Muốn định hướng tùy ý phần công tác cổ tay phải có ít nhất ba bậc tự do. Trong trường hợp trục quay của ba khớp gặp nhau tại một điểm ta gọi đó là khớp cầu. Ưu điểm chính của khớp cầu là tách được thao tác định vị và định hướng của phần công tác, làm đơn giản việc tính toán. Các kiểu khớp khác có thể đơn giản hơn về kết cấu cơ khí, nhưng tính toán tọa độ khó hơn do không tách được hai loại thao tác trên. 
 Phần công tác là bộ phận trực tiếp tác động lên đối tượng tùy theo yêu cầu làm việc của robot phần công tác có thể là tay gắp, công cụ (súng phun sơn, mỏ hàn, dao cắt, chìa vặn ốc) 
 1.3. Phân loại Robot: 
 1.3.1. Phân loại theo kết cấu: 
 Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn: 
Chuyển động thẳng theo các hướng X, Y, Z trong không gian ba chiều thông thường tạo nên những khối hình có góc cạnh, gọi là Prismatic (P). 
Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu (R). 
Với ba bậc tự do, robot sẽ hoạt động trong trường công tác tùy thuộc tổ hợp P và R ví dụ: 
PPP trường công tác là hộp chữ nhật hoặc lập phương. 
RPP trường công tác là khối trụ. 
RRP trường công tác là khối cầu. 
RRR trường công tác là khối cầu. 
 	 Bảng thống kê sau đây trên 200 mẫu robot về phương diện tổ hợp bậc tự do, theo đó phổ biến là loại robot có trường công tác là một khối trụ với tổ hợp là một khối trụ PPR chiểm 72%. Số bậc tự do trên 4 chiếm không nhiều. 
3T 
4% 
4% 
- 
- 
2T 
3% 
3% 
3% 
- 
1T 
- 
- 
10% 
- 
0T 
- 
- 
- 
2% 
Tịnh tiến/ Quay 
0R 
0R 
2R 
3R 
 1.3.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển: 
 Có 2 kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín. 
 Điều khiển hở, dùng truyền động bước ( động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén,..) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. 
 Điều khiển kín ( điều khiển kiểu servo ), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường ( contour). 
 Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ không cao ( không làm việc ). Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh, 
 Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn. 
 1.3.3. Phân loại theo ứng dụng : 
 Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot. Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự 
 Ngoài những kiểu phân loại trên còn có : Phân loại theo hệ thống năng lượng, phân loại theo hệ thống truyền động, phân loại theo độ chính xác 
	 Chương 2: Động học tay máy. (15 tiết) 
	2.1. Vị trí và hướng của vật rắn trong không gian: 
	2.1.1. Hệ tọa độ vật: 
 Một vật rắn trong không gian hoàn toàn xác định nếu vị trí và hướng của nó được mô tả trong một hệ quy chiếu cho trước. Trong hình vẽ dưới đây hệ tọa độ Oyxz với các véc tơ đơn vị là x, y, z được dùng làm hệ quy chiếu gốc. Để mô tả vị trí và định hướng của của vật rắn trong không gian, thường phải gắn lên nó một hệ tọa độ, gọi là hệ quy chiếu địa phương, chẳng hạn hệ tọa độ O’x’y’z’ gốc của hệ tọa độ này đại diện cho vị trí của vật trong hệ quy chiếu gốc Oxyz, biểu thức sau đây nói lên quan hệ giữa chúng: 
 Trong đó là các hình chiếu vuông góc của véc tơ O’ lên hệ tọa độ Oxyz. Có thể mô tả định vị của điểm O’ qua véctơ O’(3.1) như sau: 
 Hướng của vật được đại diện bởi các véc tơ đơn vị x’, y’, z’ của hệ quy chiếu O’x’y’z’, và được mô tả bằng quan hệ sau: 
 Các thành phần của các véc tơ đơn vị (x’x, x’y, x’z) là cosin chỉ phương của các trục của hệ tọa độ địa phương so với hệ quy chiếu chung. 
	 Hình vẽ dưới đây mô tả vị trí và hướng của vật rắn trong không gian: 
 2.1.2. Ma trận quay: 
 Để cho gọn, 3 véc tơ đơn vị ở trên có thể biểu diễn dưới dạng ma trận (3.3) gọi là ma trận quay như sau: 
Phép quay quanh một trục tọa độ là trường hợp đặc biệt của phép quay một vật quanh một trục bất kì trong không gian, chiều quay được quy ước là dương nếu nhìn từ ngọn về gốc của trục thuộc hệ quy chiếu đang xét thấy ngược chiều kim đồng hồ. 
 Giả sử hệ O’x’y’z’ nhận được do quay hệ Oxyz quanh trục z một góc , véc tơ đơn vị của hệ này được biểu diễn trong hệ Oxyz như sau: 
 Lần lượt ma trận quay quanh trục z, trục y, trục x của hệ quy chiếu O’ so với hệ O có dạng: 
 Từ các phép quay căn bản quanh các trục của hệ quy chiếu cho phép thành lập ra các ma trận quay một đối tượng quanh một trục bất kì. 
 Cần lưu ý rằng các ma trận này có tính chất trực giao, ta có thể xác định nghịch đảo của nó theo hai cách, hoặc thay góc bằng giá trị đối dấu của nó vào ma trận quay, hoặc chuyển vị ma trận quay đang có. 
 2.1.3. Quay một véc tơ: 
 	 Có thể mô tả phép quay một véc tơ bằng cách sử dụng các ma trận quay nêu trên, hãy xem mô tả của điểm P trong hai hệ quy chiếu trùng gốc như sau: 
 Lần lượt mô tả điểm P trong hai hệ tọa độ rồi tiến hành đồng nhất hai tọa độ đó như sau: 
Vì cùng mô tả một điểm nên có đồng nhất thức: 
 Hay cũng có thể biến đổi để có dạng: 
Nếu viết dưới dạng khai triển ma trận quay có dạng đầy đủ của phép quay như sau: 
 Trong đó các cột của ma trận quay chính là các cosin chỉ phương của các cặp trục tương ứng giữa hai hệ quy chiếu. Vì 3 trục của một hệ quy chiếu có quan hệ đôi một vuông góc nên 9 thành phần của ma trận quay chỉ có ba thành phần thực sự độc lập tuyến tính. 
Tóm lại ma trận quay R có 3 ý nghĩa tương đương nhau: 
Biểu diễn hướng giữa hai hệ tọa độ trong đó các cột của ma trận quay là cosin chỉ phương giữa các trục tọa độ tương ứng của hai hệ mới và cũ. 
Biểu diễn sự chuyển đổi tọa độ của một véc tơ giữa hai hệ tọa độ có gốc trùng nhau. 
Biểu diễn phép quay của một véc tơ trong cùng một hệ quy chiếu . 
	2.2. Quay một véc tơ quanh một trục bất kì: 
	2.2.1. Tổng hợp các ma trận quay: 
	 Trong quá trình biến đổi đồ họa hoặc nhận diện các đối tượng trong không gian, các phép quay có thể không thực hiện đối với trục cơ sở là trục cơ bản của hệ quy chiếu, mà quanh một trục quay bất kì. Khi đó để thực hiện được phép quay cần biết 2 điểm cơ bản sau đây: 
Việc quay quanh một trục bất kì có thể tương đương với nhiều lần quay quanh các trục cơ bản của hệ quy chiếu, mà mỗi phép quay quanh các trục cơ bản của hệ quy chiếu đượcđặc trưng bởi ma trận Ai tương ứng có dạng đã nêu trên. 
Việc biểu diễn một loạt các thao tác biến đổi quay được thực hiện bằng cách nhân liên tiếp theo đúng trật tự các ma trận đặc trưng cho từng bước. 
Nếu kí hiệu Pi là điểm P ... hương trình, như ghi, đọc, chạy chương trình, 
 - Các thiết bị ngoại vi, như máy in, thiết bị lưu trữ ngoài, màn hình, 
 - Giao diện với hệ thống sensor, có thể là số hay tương tự tuỳ theo loại sensor và thiết bị xử lý. 
 - Giao diện với các thiết bị điều khiển khác, như PLC, máy CNC, robot và các thiết bị sản xuất khác, 
 - Mạng truyền thông cục bộ hay diện rộng. 
 CHƯƠNG 7: SỬ DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP 
7.1. Các ứng dụng điển hình của robot công nghiệp 
 Robot được sử dụng trong mọi lĩnh vực: sản xuất, quốc phòng, nghiên cứu khoa học, dân sinh,trong đó, công nghiệp là nơi sử dụng robot một cách phổ biến nhất. Trong công nghiệp, cùng với các thiết bị công nghệ và các thiết bị nâng chuyển, robot cũng đã được thống nhất hóa cao về một số trường hợp chính như sau: 
 - Công việc buồn tẻ, đơn điệu, hoặc làm việc liên tục cả ngày đêm, ví dụ vận chuyển, xếp dỡ hàng hóa, phục vụ máy công cụ, lắp ráp, đo lường, bao gói sản phẩm, 
 - Công việc nặng nhọc; 
 - Công việc gây nguy hiểm cho con người, như nóng, độc, phóng xạ, dưới nước sâu, trong lòng đất, ngoài khoảng không vũ trụ, 
 Tuy robot được sử dụng rộng rãi như vậy nhưng tài liệu này chủ yếu đi sâu vào lĩnh vực ứng dụng rộng rãi nhất của RBCN, là ngành chế tạo máy.	 
7.2. Các hệ thống sản xuất có sử dụng robot công nghiệp 
 Ngày nay người ta dùng tính từ robot hóa để chỉ các hệ thống sản xuất có sử dụng RBCN. Căn cứ vào hình thái tổ chức sản xuất, người ta phân biệt 4 dạng robot hóa hệ thống sản xuất. 
7.2.1. Robot hóa các thiết bị công nghệ 
 Đây là dạng ứng dụng đơn giản nhất của RBCN, trong đó thiết bị công nghiệp được phục vụ bởi một hay các robot (hoặc được trang bị cơ cấu phục vụ dạng robot) để tự động hóa các công việc phục vụ. Trong gia công cắt gọt, các công việc thường được phục vụ bởi robot là vận chuyển phôi và sản phẩm, đưa phôi vào thiết bị gá kẹp và tháo sản phẩm sau gia công, xếp sản phẩm vào giá, đo sản phẩm trên máy hoặc đưa sản phẩm lên thiết bị đo, làm sạch đồ gá hoặc bề mặt chi tiết, thay dụng cụ,Trong sản xuất đúc, robot thường được giao nhiệm vụ lắp, dỡ khuôn, rót vật liệu, làm sạch vật đúc,Trong gia công áp lực, robot có thể đảm nhận việc đua phôi vào vùng gia công và lấy sản phẩm, đảo phôi khi rèn. Có những trường hợp như khi hàn, sơn,robot đồng thời là thiết bị công nghệ, nghĩa là nó trực tiếp điều khiển mỏ hàn hay dầu phun sơn để hoàn thành nguyên công công nghệ. 
Trên hình 7.1 (b) là sơ đồ của robot PиTM-01.01. Nó được thiết kế để phục vụ các máy gia công cắt gọt, máy giập nguội và lắp ráp đơn giản. Các tính năng kỹ thuật chính của nó trong bảng sau: 
Di chuyển góc 
Vận tốc góc theo 
Tên thông số 
Giá trị 
Tên thông số 
Giá trị 
Sức nâng (kg) 
0,1 
Tầm vươn lớn nhất 
345 
Số bậc tự do 
5 
Di chuyển thẳng x/r/z (mm) 
50/150/50 
Kiểu truyền động 
Khí nén 
Vận tốc thẳng theo x/r/z (m/s) 
0,17/0,6/0,17 
Kiểu điều khiển 
Chu trình 
220/90 
Số toạ độ lập trình 
4 
 ( o /s) 
6,2/1,53 
Sai số định vị (mm) 
Khối lượng (kg) 
30 
Ví dụ về máy công cụ được một robot độc lập phục vụ ở trên hình 7.3 (a). Tổ hợp dùng máy tiện CNC kiểu A616. Robot kiểu БPиΓ-10Б có nhiệm vụ lấy phôi từ giá 3, cấp cho máy tiện và lấy chi tiết gia công xong khỏi máy, chất vào giá 5. Tổ hợp có thể gia công các chi tiết dạng đĩa, đường kính đến 100 mm, dài đến 200 mm, hoặc chi tiết dạng trục, đường kính đến 80 mm, dài đến 600 mm. Robot kiểu БPиΓ-10 trên hình 7.3 (b) được thiết kế để phục vụ các máy tiện bán tự động kiểu 1A730, 1A240Π-6, máy phen ren 5K63, máy tiện CNC kiểu ATΠP-2M12. Nó có tính năng cơ bản như trong bảng sau: 
Di chuyển góc 
Vận tốc góc theo 
Tên thông số 
Giá trị 
Tên thông số 
Giá trị 
Sức nâng (kg) 
10 
Tầm vươn lớn nhất (mm) 
1260 
Số bậc tự do 
5 
Di chuyển thẳng x/r/z (mm) 
200/600/100 
Kiểu truyền động 
Khí nén 
Vận tốc thẳng theo x/r/z (m/s) 
0,3/0,6/0,3 
Kiểu điều khiển 
Chu trình 
210/180 
Số toạ độ lập trình 
4 
 ( o /s) 
1,53/1,53 
Sai số định vị (mm) 
Khối lượng (kg) 
300 
7.2.2. Robot hóa các tế bào sản xuất 
 Tế bào sản xuất (manufacturing cell) là tổ hợp, gồm các thiết bị công nghệ, (các) robot và các thiết bị phục vụ có thể là thiết bị xếp dỡ, định hướng,Mỗi tế bào sản xuất có thể hoạt động độc lập hoặc liên kết với các thiết bị hay tế bào sản xuất khác để hình thnàh một hệ thống sản xuất (manufacturing system). Tế bào sản xuất có robot phục vụ được gọi là tế bào sản xuất robot hóa. Một tế bào sản xuất tự động hóa được điều khiển bởi một bộ điều khiển chung (cell controller). 
 Trên hình 7.7 (a) là sơ đồ một tế bào sản xuất robot hóa để tiện chi tiết khối lượng đến 40 kg. Nó gồm 2 máy tiện CNC cùng kiểu 16K30, được phục vụ bởi robot kiểu YM 160. Nó có sơ đồ như trên hình 7.7 (b). Chu trình hoạt động của tế bào như sau: Robot nhặt phôi trên bàn quay 3, đặt vào mâm cặp của máy tiện thứ nhất để gia công một đầu. Sau đó, chuyển phôi đó sang máy tiện kia để gia công đầu còn lại. Cuối cùng, chuyển chi tiết vào bàn quay. Bàn quay 180o, chuyển chi tiết về phía giá chi tiết. 
YM 160 là robot kiểu cổng, dùng để phục vụ đồng thời các máy cắt kim loại. Tính năng kỹ thuật cơ bản của nó như trong bảng sau: 
Di chuyển góc 
Vận tốc góc theo 
Tên thông số 
Giá trị 
Tên thông số 
Giá trị 
Sức nâng (kg) 
10 
Tầm vươn lớn nhất (mm) 
2300 
Số bậc tự do 
5 
Di chuyển thẳng x/r/z (mm) 
16000 
Truyền động 
Khí nén 
Vận tốc thẳng theo x/r/z (m/s) 
1,2 
Kiểu điều khiển 
YΠM-331 
90/90/90-180 
Số toạ độ lập trình 
4 
 ( o /s) 
0,51/0.51/0.25 
Sai số định vị (mm) 
Khối lượng (kg) 
6500 
7.2.3. Robot hóa hệ thống sản xuất 
 Khác với tế bào sản xuất, nhiệm vụ của hệ thống sản xuất là hoàn thành một hay một số sản phẩm hoàn chỉnh. Vì vậy, một hệ thống sản xuất được tổ hợp từ các tế bào sản xuất và các thiết bị công nghệ, thiết bị phục vụ đơn lẻ. Về tổ chức, người ta phân biệt 2 dạng hệ thống sản xuất: dây chuyền sản xuất và công đoạn sản xuất. 
 Dây chuyền sản xuất robot hóa là tổ hợp các tế bào sản xuất robot hóa, được liên kết với nhau bằng các thiết bị vận chuyển hoặc gồm một số thiết bị công nghệ, được phục vụ bởi một hay một số robot và các thiết bị vận chuyển,để hoàn thành các nguyên công công nghệ gia công sản phẩm. Dây chuyền được tổ chức một cách chặt chẽ. Về mặt không gian và thời gian, các thiết bị công nghệ được sắp xếp theo trình tự công nghệ. Về mặt thời gian, nhịp sản xuất ở từng nguyên công (nghĩa là thời gian hoàn thành nguyên công tại mỗi thiết bị) phải bằng nhau hoặc bằng bội số của nhau để đảm bảo nhịp chung của dây chuyền. Đối với sản xuất dây chuyền, phương tiện vận chuyển không chỉ có nhiệm vụ vận chuyển đơn thuần mà còn duy trì nhịp sản xuất. Chúng được bố trí theo khuôn dạng của dây chuyền và tuân theo các nguyên tắc nhất định. Trên hình 7.10 là một số sơ đồ bố trí phương tiện vận chuyển trên dây chuyền sản xuất robot hóa. Sự phối hợp một cách đồng bộ giữa các thiết bị trên dây chuyền được đảm bảo bởi một hệ điều khiển chung (global controller). 
Thiết bị trên dây chuyền gồm: thiết bị xếp dỡ 1, 2; thiết bị kiểm tra kích thước của phôi 3; các giá đựng 4; cầu trục xếp dỡ 5; băng tải 6; robot 7; thiết bị vận chuyển có bàn nâng hạ 8; đường vận chuyển một ray 9; thiết bị vận chuyển độc lập 10; tay máy treo 11. 
 Công đoạn sản xuất robot hóa không đòi hỏi phải tổ chức các thiết bị công nghệ một cách khắt khe về không gian và thời gian. 
7.2.4. Robot trong sản xuất linh hoạt	 
 Sản xuất linh hoạt xuât hiện và phổ biến vào khoảng thập kỷ 80. Nó là kết quả của sự phát triển của máy công cụ điều khiển số, RBCN, kỹ thuật điều khiển tự động nhờ máy tính,Một hệ thống sản xuất linh hoạt (Fexible Manufacturing System - FMS) trước hết phải là hệ thống sản xuất tự động hóa khả trình (Programmable Automation System), được robot hóa. 
ĐIểm mấu chốt nhất để phân biệt FMS với hệ thống sản xuất cứng (Fixed Manufacturing System) là ở chỗ FMS có khả năng thích ứng với sự thay đổi đối tượng sản xuất mà không cần sự can thiệp của con người. Sự tích hợp hệ thống thiết bị phần cứng (hệ thống sản xuất linh hoạt, mạng truyền thông, hệ máy tính và thiết bị ngoại vi) và phần mềm (hệ điều hành, hệ CSDL, các phần mềm chức năng), cho phép thực hiện tự động và trọn vẹn mọi giai đoạn của quá trình sản xuất (từ thiết kế, chuẩn bị công nghệ, điều khiển sản xuất, giám sát chất lượng, bao gói, thống kê,) hình thành hệ thống sản xuất tích hợp nhờ máy tính (Computer Integrated Manufacturing-CIM). 
 Theo БOCT 26228-85, FMS được định nghĩa như sau: 
 Hệ thống sản xuất linh hoạt là tổ hợp giữa hệ thống công nghệ (các máy điều khiển số, các thiết bị công nghệ đơn lẻ,) và hệ thống đảm bảo các chức năng làm việc tự động của hệ thống, có khả năng tự điều chỉnh để thích ứng với sự thay đổi bất kỳ đối tượng sản xuất trong danh mục. 
 Hệ thống đảm bảo chức năng gồm có các hệ thống tự động hóa thiết kế sản phẩm, chuẩn bị công nghệ, vận chuyển đối tượng, đảm bảo dụng cụ, giám sát chất lượng, thu và chuyển phoi, điều khiển. 
 Một FMS có thể là một dây chuyền sản xuất linh hoạt, một công đoạn sản xuất linh hoạt, một phân xưởng sản xuất linh hoạt. Nó cũng được hình thành từ các tế bào sản xuất linh hoạt (Fixed Manufacturing Cell - FMC). 
 Ví dụ sau giúp so sánh giữa một tổ hợp sản xuất robot hóa thông thường và một tổ hợp sản xuất linh hoạt. 
Tế bào sản xuất tự động hóa thông thường 
 Trên hình 7.11 là sơ đồ tế bào sản xuất tự động hóa để hàn đầu nối lên bảng mạch điện tử. Các thiết bị trong hệ thống gồm: 1- bộ điều khiển robot; 2- băng tải nạp bảng mạch; 3- bộ logic khả trình (PLC); 4- chảo quay; 5- bộ điều khiển nhiệt độ; 6- gá hàn; 7- robot; 8- băng tải cho sản phẩm “tốt”; 9- băng tải cho sản phẩm “hỏng”; 10- bàn kiểm tra; 11- máy tính (PC) có card giao diện và chương trình điều khiển thiết bị kiểm tra. 
 Quá trình làm việc của tế bào có 2 giai đoạn: 
 Giai đoạn 1: Bảng mạch cơ sở được chuyển vào nhờ băng tải 2. Bảng gá đặt cuối băng tải, được điều khiển bởi PLC 3 định hướng bảng mạch để robot có thể nhặt được. Robot 7 chuyển bảng mạch từ băng tải lên bàn gá hàn 6. Các đầu nối được chứa trong chảo quay 4. Cũng nhờ sự điều khiển của PLC 3, các đầu nối được tách riêng và định hướng ở đầu ra của chảo. Robot 1 nhặt đầu nối, đặt vào đúng vị trí quy định trên bảng cơ sở đã đặt trước lên bàn gá hàn. Mỏ hàn thiếc, có bộ phận ổn nhiệt tự động, hàn chắc đầu nối vào bảng mạch. 
 Giai đoạn 2: (sơ đồ logic trên hình 7.12). Robot chuyển bảng mạch đã được hàn đầu nối từ gá hàn 6 lên bàn của thiết bị thử 10. Quá trình thử được điều khiển bằng máy tính 11. Kết quả thử (tốt hay hỏng) được chuyển đến robot. Tuỳ theo kết quả nhận được, robot sẽ chuyển sản phẩm tới băng tải tương ứng. Trong trường hợp này, robot không chỉ làm nhiệm vụ vận chuyển mà còn giữ vai trò điều khiển trung tâm. Các bộ điều khiển khác không liên hệ trực tiếp với nhau mà qua bộ điều khiển của robotot. 
 Toàn bộ chu trình gồm 6 bước: 
1. Robot chờ tín hiệu từ PLC, báo bảng mạch đã sẵn sàng trên bảng gá của băng tải. Nếu có tín hiệu thì robot nhấc bảng mạch lên, báo cho PLC biết và đặt bảng mạch lên gá hàn. 
2. Lặp lại công việc như bước 1, nhưng với đối tượng là đầu nối. 
3. Nếu bộ điều khiển hàn KHÔNG báo hiệu “nhiệt độ OK” thì robot chờ cho mỏ hàn được đốt nóng. Nếu có tín hiệu “nhiệt độ OK” thì robot tác động lên cơ cấu kẹp của máy hàn. Nửa giây sau (chờ kẹp xong), robot tác động lên cơ cấu nâng cho mỏ hàn (có thiếc) tiếp xúc với các chân của đầu nối. Chờ 5 giây cho quá trình hàn hoàn thành, robot điều khiển các cơ cấu hạ mỏ hàn, tháo kẹp, chuyển bảng mạch sang thiết bị thử. 
4. Robot phát tín hiệu, báo cho biết thiết bị thử đã có bảng mạch và chờ kết quả. 
5. Robot “đọc” kết quả thử. Nếu “ON” thì chuyển bảng mạch sang băng tải của sản phẩm tốt. Nếu “OFF” thì chuyển sang phía sản phẩm hỏng. 
6. Robot báo cho thiết bị thử biết là bảng mạch đã được lấy đi 
 Tế bào sản xuất linh hoạt 
 Để có thể nhận biết đối tượng gia công và tự quyết định giải pháp công nghệ tương ứng, so với tế bào tự động hóa thông thường vừa mô tả ở phần trên, FMC trên hình 7.13 có thêm bộ phận sau: thiết bị đọc mã vạch 1 để nhận biết đối tượng gia công; bộ điều khiển chung của 2 tế bào để phối hợp các thiết bị; các chảo quay 4 chứa lẫn lộn tất cả các loại đầu nối. So với hệ TĐH thông thường, quá trình làm việc của nó có các đặc điểm sau: 
1. Tế bào có thể nhận một số bảng mạch khác nhau. Các bảng mạch được đưa vào từ băng tải một cách ngẫu nhiên. Thiết bị đọc mã vạch có nhiệm vụ “nhận dạng” loại bảng mạch. Nó sẽ báo cho bộ điều khiển trung tâm biết mã của bảng mạch. Bộ điều khiển trung tâm sẽ yêu cầu các bộ điều khiển khác thực hiện các chương trình tương ứng. Do đó 
2. Đầu nối được chọn chính xác từ chảo tương ứng để hàn, 
3. Mỏ hàn được đưa đúng vị trí của đầu nối trên bảng mạch, 
4. Máy tính điều khiển trạm thử theo đúng chương trình kiểm tra phù hợp từng bảng mạch. 
 Để FMC có thể nối ghép và làm việc trong FMS, bộ điều khiển tế bào cần được nối với bộ điều khiển hệ thống (gọi là Plant Controller). Khi đó, loại bảng mạch có thể do plant controller chỉ định nên không cần có thiết bị đọc mã vạch trên các tế bào nữa. 
 7.3. Phương pháp tính kinh tế khi sử dụng robot công nghiệp 
 7.3.1. Xác định nhu cầu sử dụng robot 
 Số lượng robot phục vụ cho một hệ thống sản xuất phụ thuộc số thiết bị công nghệ chính mà chúng phục vụ. Vì vậy, trước hết phải tính số lượng thiết bị công nghệ chính để hoàn thành nhiệm vụ sản xuất. 
 Số thiết bị kiểu r được tính theo công thức: 
 Trong đó: 
 T lc.i - thời gian để hoàn thành một sản phẩm thứ I trên nhóm thiết bị r (ph) 
 N i - số lượng sản phẩm thứ I cần được hoàn thành trong 1 năm; 
 n- số loại sản phẩm được hoàn thành trên nhóm thiết bị kiểu r; 
 F o - quỹ thời gian hoạt động của nhóm thiết bị thứ r trong 1 năm (giờ). 
Khi tính số lượng robot phục vụ cho từng nhóm máy, cần tính đến khả năng phục vụ nhiều loại máy khác nhau. Điều kiện để một robot có thể phục vụ nhiều loại máy khác nhau. Điều kiện để một robot có thể phục vụ nhiều máy là sự tương tự về kết cấu, tính chất vật lý của các chi tiết để không được quá nhỏ, ví dụ . Với các điều kiện đó, số lượng robot cần thiết để phục vụ các nhóm thiết bị xác định là: 
Trong đó: 
S- số thiết bị công nghệ cần được phục vụ; 
k nm - hệ số phục vụ nhiều máy của robot, không nên chọn quá 4 
 7.3.2. Tính toán hiệu quả kinh tế 
 Hiệu quả kinh tế của việc trang bị robot được tính như mọi trường hợp đầu tư cơ bản. 
 Chỉ tiêu kinh tế quan trọng nhất là hiệu quả kinh tế quy đổi: 
 Trong đó: 
H- hiệu quả kinh tế hàng năm nhờ trang bị robot; 
C, C o - chi phí quy đổi khi sử dụng và không sử dụng robot; 
G, G o - tổng chi phí thường xuyên để sản xuất lượng sản phẩm hàng năm khi sử dụng và không sử dụng robot; 
K, K o - đầu tư cơ bản khi sử dụng và không sử dụng robot; 
T lc - thời hạn thu hồi vốn tiêu chuẩn (năm). 
 Việc sử dụng robot chỉ có hiệu quả nếu H > 0. 
 Chỉ tiêu kinh tế thứ hai là thời hạn thu hồi vốn đầu tư. Việc xác định nó xuất phát từ điều kiện, tổng tiết kiệm do giảm chi phí sản xuất trong T năm phải lớn hơn hoặc bằng vốn đầu tư thêm do trang bị robot: 
 Từ đây ta rút ra điều kiện để trang bị robot là: 
THANK YOU FOR YOUR ADTENTION!!!