Song song với sự phát triển đó, công nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng đặc biệt là ở các nước phát triển nhằm đáp các nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng… Robot có th
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN KỸ THUẬT – CHUYÊN NGHÀNH CƠ ĐIỆN TỬ
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
CƠ CẤU PICK AND PLACE GẮP VẬT
Sinh viên thực hiện: LÊ TRẦN QUAN VINH – 17DCTA3 – 1711030341
TRẦN VŨ NGỌC TRUNG – 17DCTA3 – 1711030364 LÂM THÁI BẢO – 17DCTA3 – 1611030004
Giảng viên hướng dẫn: TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2021
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN KỸ THUẬT – CHUYÊN NGHÀNH CƠ ĐIỆN TỬ
BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
CƠ CẤU PICK AND PLACE GẮP VẬT
Sinh viên thực hiện: LÊ TRẦN QUAN VINH – 17DCTA3 – 1711030341
TRẦN VŨ NGỌC TRUNG – 17DCTA3 – 1711030364 LÂM THÁI BẢO – 17DCTA3 – 1611030004
Giảng viên hướng dẫn: TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2021
Trang 8LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chúng tôi
Luận văn này là công trình nghiên cứu được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Ngô Hà Quang Thịnh Các số liệu, những kết luận được trình bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực, không sao chép Sinh viên có tham khảo các tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo
Chúng tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này
TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021
(Ký và ghi rõ họ tên)
Trang 9LỜI CẢM ƠN
Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn Đồ Án Tốt
Nghiệp – thầy Ngô Hà Quang Thịnh đã tạo điều kiện để học tập, nghiên cứu và thực
hiện đề tài thú vị, mang tính thực tiễn Quá trình thực hiện Đồ Án đã tạo cơ hội để
chúng em ứng dụng và hoàn thiện các kiến thức đã học, đồng thời học hỏi thêm nhiều
kỹ năng mới để giúp ích cho sự nghiệp tương lai của mình Sự hướng dẫn và chia sẻ
tận tình của thầy đã tạo động lực thúc đẩy chúng em hoàn thành Đồ Án trọn vẹn và
hiệu quả
Ngoài ra, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giảng viên trong Viện
Kĩ Thuật HUTECH đã cung cấp các kiến thức cần thiết để ứng dụng thực hiện Đồ Án
này, cũng như trong nghề nghiệp sau này
Bên cạnh đó, chúng em cũng muốn thể hiện sự biết ơn với gia đình, là chỗ dựa
tinh thần để giúp chúng em giữ vũng mục tiêu, vượt qua giai đoạn sinh viên đầy gian
nan, thử thách và vững bước trên con đường sự nghiệp của mình
TP Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm 2021
(Sinh viên)
Trang 10MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ix
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4
1.1 Định nghĩa về robot công nghiệp 4
1.2 Cấu trúc chung của robot công nghiệp 5
1.2.1 Phân loại theo phương pháp điều khiển 8
1.2.2 Phân loại theo ứng dụng 9
1.3 Tay gắp 10
1.3.1 Lịch sử hình thành 10
1.3.1.1 Sự phát triển của tay gắp 11
1.3.1.2 Cơ cấu kẹp và cơ cấu xoay 12
1.3.1.3 Tình hình hiện nay 13
1.3.2 Phân loại tay gắp 13
1.3.3 Một số cơ cấu thường gặp trên thị trường 18
1.3.3.1 Tay gắp hai khớp (2-Finger and Adaptive Grippers): 18
1.3.3.2 Tay gắp ba khớp (3-Finger and Adaptive Grippers): 19
1.3.3.3 Cơ cấu khí nén 20
Trang 111.5 Mục tiêu của đề tài 21
1.6 Nội dung thực hiện 21
1.7 Kế hoạch thực hiện 22
1.8 Kết cấu đề tài 22
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 23
2.1 Yêu cầu của việc gắp và sắp xếp sản phẩm 23
2.2 Lựa chọn cơ cấu tay máy 24
2.3 Lựa chọn cơ cấu tác động 28
2.4 Lựa chọn bộ phận công tác 30
2.5 Kết luận chương 2 33
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 34
3.1 Tính toán lựa chọn chiều dài các khâu 34
3.2 Thiết kế các khâu của tay máy 38
3.3 Thiết kế bộ phận công tác dạng tay kẹp 43
3.3.1 Tính toán lựa chọn xylanh chính cho tay kẹp 44
3.3.2 Tính toán lựa chọn xylanh phụ cho tay kẹp 48
3.3.3 Thiết kế tay kẹp 49
3.4 Tính toán mô men và lựa chọn động cơ 56
3.5 Tính toán bộ truyền bánh răng 62
3.6 Kết luận chương 3 66
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY 67
4.1 Bài toán động học thuận 67
4.2 Bài toán động học ngược 70
4.3 Kiểm tra bài toán động học 73
Trang 124.3.1 Kiểm tra bài toán động học thuận 76
4.3.2 Kiểm tra bài tập động toán ngược 80
4.4 Kết luận chương 4 85
CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN 86
5.1 Hệ thống điện sử dụng cho tay máy 86
5.2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho tay máy 95
5.3 Xây dựng giải thuật điều khiển 98
5.4 Kết luận chương 5 104
CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO 107
Trang 13DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ một hệ thống Robot công nghiệp cơ bản 5
Hình 1.2 Phần cơ khí của cánh tay robot công nghiệp [5] 6
Hình 1.3 Một bảng dạy tiêu chuẩn của hãng FANUC [6] 7
Hình 1.4 Tủ điện của robot công nghiệp [6] 8
Hình 1.5 Robot ABB [7] 9
Hình 1.6 Universal Robot-U [8] 10
Hình 1.7 Cánh tay Stanford [9] 11
Hình 1.8 Kẹp dạng song song [6] 14
Hình 1.9 Khớp nối kẹp [6] 14
Hình 1.10 Giác hút [9] 15
Hình 1.11 Kẹp điện từ [9] 16
Hình 1.12 Kẹp dạng khí nén [5] 16
Hình 1.13 Tay gắp thủy lực [5] 17
Hình 1.14 Robotiq 2-Finger Adaptive Robot Gripper for Universal Robots [6] 18
Hình 1.15 Robotiq 3-Finger Adaptive Robot Gripper for Universal Robots [6] 19
Hình 1.16 RGN CLASSIC 2-Jaw Parallel Grippers [6] 20
Hình 2.1 Sơ đồ cơ cấu tay máy 1 và tay máy điển hình Scara RH-20SDH của Mitsubishi [4] 24
Hình 2.2 Sơ đồ cơ cấu tay máy 2 và tay máy điển hình KR 180 R3200 PA của Kuka [5] 26
Hình 2.3 Sơ đồ cơ cấu tay máy 3 và tay máy điển hình KR 700 PA của Kuka [5] 27
Hình 2.4 Bộ phận công tác dạng giác hút FlexGripper – Vacuum của ABB [6] 31
Hình 2.5 Tay kẹp FlexGripper – Clamp của hãng ABB [7] 32
Hình 3.1 Sơ đồ tay máy được chọn trong luận văn 34
Hình 3.2 Sơ đồ tay máy khi K ≡ S 36
Hình 3.3 Khâu 1 của tay máy 39
Trang 14Hình 3.5 Khâu 2 của tay máy 41
Hình 3.6 Khâu 3 của tay máy 41
Hình 3.7 Khâu 4 của tay máy 42
Hình 3.8 Khâu tam giác của tay máy 42
Hình 3.9 Thanh truyền của tay máy 42
Hình 3.10 Sơ đồ phân bố lực trên tay kẹp 45
Hình 3.11 Trường hợp pittong tiến vào 46
Hình 3.12 Xylanh khí nén FDXS10 của hãng Fabco Air [9] 47
Hình 3.13 Vị trí của giá đỡ L tương ứng với chuyển động của pittong xylanh phụ 49 Hình 3.14 Hai má kẹp của tay kẹp 50
Hình 3.15 Mặt chính của tay kẹp 51
Hình 3.16 Các loại bát L sử dụng cho tay kẹp 51
Hình 3.17 Thanh nối 52
Hình 3.18 Bộ phận liên kết giữa tay kẹp và khâu bốn của tay máy 52
Hình 3.19 Giá đỡ L của tay kẹp 53
Hình 3.20 Xylanh khí nén tác động kép FJU16 của hãng Fabco Air [6] 53
Hình 3.21 Kết quả kiểm tra bền cho má kẹp cố định 54
Hình 3.22 Kết quả kiểm tra bền cho giá đỡ L của tay kẹp 55
Hình 3.23 Thiết kế 3D của tay kẹp trên SolidWorks 56
Hình 3.24 Sơ đồ phân bố trọng lực trên tay máy 57
Hình 4.1 Sơ đồ hệ trục tọa độ của tay máy 67
Hình 4.2 Thiết kế 3D của tay máy trong Solidworks 74
Hình 4.3 Sơ đồ khối ban đầu sau khi xuất mô hình 3D của tay máy sang Matlab 74
Hình 4.4 Sơ đồ khối được sử dụng trong quá trình mô phỏng 75
Hình 4.5 Giao diện GUI kiểm tra động học thuận và động học ngược tay máy 76
Hình 4.6 Cửa sổ thông báo lỗi 77
Hình 4.7 Lưu đồ kiểm tra động học tay máy 78
Hình 4.8 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp T1 79
Hình 4.9 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp T2 79
Trang 15Hình 4.10 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp T3 80
Hình 4.11 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp N1 82
Hình 4.13 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp N3 83
Hình 4.14 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp N4 84
Hình 5.1 HA-800A Series AC Servo Driver [6] 86
Hình 5.2 Chế độ xung điều khiển dạng Open Collector [6] 88
Hình 5.3 Card PCI - 8134 [6] 89
Hình 5.4 Vị trí cài đặt Jumpers cho chế độ xung Open Collector [6] 91
Hình 5.5 Cảm biến quang điện PN-R02 [6] 92
Hình 5.6 G5V-DPDT 24VDC Relay của hãng Omron [6] 92
Hình 5.7 Sơ đồ đấu dây cho một driver 93
Hình 5.8 Sơ đồ đấu dây giữa card điều khiển với mạch khí nén 94
Hình 5.9 Lưu đồ giải thuật chính 98
Hình 5.10 Vị trí Home của tay máy 99
Hình 5.11 Lưu đồ điều khiển tay máy theo chế độ tự động 100
Hình 5.12 Giao diện GUI điều khiển tay máy 101
Hình 5.13 Đồ thị biểu diễn tọa độ của bộ phân công tác theo thời gian 102
Hình 5.14 Quỹ đạo một lần gắp và sắp xếp sản phẩm của tay máy trong không gian 102
Hình 5.15 Lưu đồ điều khiển tay máy theo chế độ điều khiển bằng tay 104
Trang 16DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Kích thước các khâu của tay máy 38
Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của mâm xoay PRT-01 40
Bảng 3.3 Giới hạn các giá trị biến khớp của tay máy 43
Bảng 3.4 Lực tác dụng (N) của xylanh khí nén dòng FDXS [9] 47
Bảng 3.5 Các thông số của xylanh khí nén tác động kép FJU16 54
Bảng 3.6 Khối lượng các thành phần của tay máy 56
Bảng 3.7 Thông số cơ bản của động cơ SHA20A50CG 59
Bảng 3.8 Thông số cơ bản của động cơ SHA25A160CG 60
Bảng 3.9 Thông số cơ bản của động cơ SHA32A160CG 61
Bảng 4.1: Bảng thông số D-H 68
Bảng 4.2 Các số liệu tính toán động học thuận bằng Matlab 78
Bảng 4.3 Các số liệu tính toán động học ngược bằng Matlab 81
Bảng 5.1 Thông số của driver sử dụng trong luận văn 87
Bảng 5.2 Các chân tín hiệu điều khiển của driver 87
Bảng 5.3 Các chân của cổng CN1 89
Bảng 5.4 Các chân của cổng CN2 được dùng cho một driver 90
Trang 17LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng Việc áp dụng các máy móc hiện đại vào sản xuất là một nhu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng suất, tăng chất lượng và giảm chi phí nhân công Song song với sự phát triển đó, công nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng đặc biệt là ở các nước phát triển nhằm đáp các nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt, quốc phòng… Robot có thể thực hiện những công việc mà con người khó thực hiện và thậm chí không thực hiện được như: làm những công việc đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm như
lò phản ứng hạt nhân, dò phá mìn trong quân sự, thám hiểm không gian vũ trụ …
Trong các họ Robot, chúng ta không thể không nhắc tới Robot Pick and Place với những đặt thù riêng mà những loại Robot khác không có Robot Pick and Place được dùng cho việc gắp đặt sản phẩm từ vị trí cố định hoặc di động sang vị trí Robot
có thể được sử dụng trong tất cả các giai đoạn của quá trình sản xuất, từ cấp nhiên vật liệu đầu vào đến đóng gói sản phẩm ở đầu ra Đặc biệt các nhà máy của nghành thực phẩm - giải khát, hàng tiêu dùng, dược phẩm - hóa chất
Cùng với đó việc áp dụng cánh tay Robot Pick and Place có kích thước nhỏ, nhẹ, sẽ hoạt động tốt trong nhiều không gian, cả những không gian nhỏ hẹp Sử dụng cánh tay Robot gắp sản phẩm giúp tăng sản lượng, đặc biệt hiệu quả trong quá trình gói hàng hóa, xây dựng nhà kho thông minh, tạo tỉ lệ hoàn vốn cao trong sản xuất
Từ những suy nghĩ đó chúng em sử dụng những kiến thức còn hạn chế của mình để nghiên cứu chế tạo cánh tay Robot Pick and Place trong phạm vi đồ án tốt nghiệp với ước muốn đóng góp vào công nghệ chế tạo Robot của nước nhà trong thời gian tới
Trang 18❖ Lịch sử phát triển của robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rosum’s Robot của Karel Capek, vào năm 1921 [1] Thuật ngữ Industrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên tại Mỹ do công ty AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo, mô phỏng một thiết bị có dáng dấp và tính năng như tay người được điều khiển tự động, thực hiện một số thao tác sản xuất có tên “Versatran” [1]
Quá trình phát triển của Robot công nghiệp được tóm tắt như sau:
- Năm 1950, Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên
- Đầu năm 1960, công ty AMF cho ta đời sản phẩm đầu tiên có tên Versatran
- Từ năm 1967, ở Anh người ta đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ
- Từ năm 1970, việc nghiên cứu các tính năng của robot đã được chú ý nhiều hơn và bắt đầu xuất hiện ở các nước như: Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển…
- Từ năm 1968, Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu về IR
- Từ 1980-1990, Robot có vị trí quan trọng trong các dây chuyển sản xuất tự động hiện đại
❖ Sơ lược về quá trình phát triển
• Thế giới
Từ những năm 80 đến nay có khoảng 200 công ty sản xuất IR trên thế giới:
- Ở Mỹ có gần 30 công ty: Robots.Pro, Vecna Robotics, Robot Dynamics, …
- Cùng với những sản phẩm nổi tiếng như: robot lấy sách tự động, robot tự hành Spirit and Opportunity…
- Ở Nhật có khoảng 80 công ty, điển hình như: Yaskawa (Motoman), Fanuc,
Trang 19Ngoài ra, trên thế giới còn có 90 công ty Tây Âu và một số công ty của Nga,
… Do đó, ta có thể nói rằng robot là một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng không thể thiếu của những nước phát triển
• Tại Việt Nam Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong
25 năm qua Nhiều đơn vị trên toàn quốc đã thực hiện các nghiên cứu cơ và và các ứng dụng của robot như: Trung tâm Tự động hóa - Đại học Bách khoa Hà Nội, viện Điện tử - Tin học, viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Học viện Kỹ thuật quân sự Bên cạnh đó, còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY - Doanh nghiệp thiết
kế và chế tạo robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên thị trường quốc tế Các nghiên cứu về động học và động lực học robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy của các trường đại học và viện nghiên cứu quan tâm, Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại robot nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết quả chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế robot
Trang 20CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1 Định nghĩa về robot công nghiệp
Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau:
Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt
ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được cài đặt nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau
Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (Robot Institute of America): Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dụng thông qua các chương trình điều khiển để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau
Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga: Robot công nghiệp là một máy tự động được đặt cố định hoặc có thể di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất
Do đó, robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất linh hoạt Vì vậy robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người
Trang 211.2 Cấu trúc chung của robot công nghiệp
Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính sau: cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành (tool), các cảm biến, bộ điều khiển, bảng dạy, máy tính…
Hình 1.1 Sơ đồ một hệ thống Robot công nghiệp cơ bản
Nguồn
Dụng cụ
Trang 22
Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng các khớp động để có thể tạo những chuyển động cơ bản của robot
Hình 1.2 Phần cơ khí của cánh tay robot công nghiệp [5]
Nguồn động lực là các động cơ điện, các hệ thống thủy lực, khí nén cho tay máy hoạt động
Dụng cụ thao tác được gắn lên khâu cuối cùng của robot, dụng cụ của robot có thể nhiều kiểu khác nhau như: dạng bằng tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn…
Trang 23Bảng dạy (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu trong quá trình làm việc, sau đó robot sẽ lặp lại các bước trong quá trình dạy
Hình 1.3 Một bảng dạy tiêu chuẩn của hãng FANUC [6]
Các phần mềm độc lập và các chương trình điều khiển robot được cài đặt trên máy tính, dùng để điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller) Bộ điều khiển còn được gọi là Modun điều khiển (Unit Driver) Một modun điều khiển có thể
có các cổng I/O để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc dò tìm vật khác, …
Trang 24
Hình 1.4 Tủ điện của robot công nghiệp [6]
Tay máy là phần quan trọng của một robot công nghiệp, nó quyết định đến khả năng làm việc của robot Các kết cấu nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người, tuy nhiên ngày nay tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình dáng khác xa so với cánh tay người Trong thiết kế và sử dụng, chúng ta cần quan tâm đến những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như: tầm với, số bậc tự do (Thể hiện sự khéo léo, linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp…
1.2.1 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 xung điều khiển Kiểu này đơn giản nhưng cho độ chính xác thấp
Trang 25Điều khiển kín: (điều khiển kiểu servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng
độ chính xác điều khiển Có hai kiểu điều khiển servo: Điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường (contour)
Kiểu điều khiển điểm - điểm: phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ không cao Kiểu điều khiển này thường được dùng trên các Robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh và bắn đinh
Điều khiển contour: đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất
kì, với tốc điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các Robot hàn hồ quang và phun sơn
1.2.2 Phân loại theo ứng dụng
Dựa vào những ứng dụng của robot trong sản xuất ta có những loại robot sau: robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot dùng trong ngành dịch vụ, robot chuyển phôi Ở đề tài này, chúng em tập trung vào ứng dụng tay gắp sản phẩm của robot
Hình 1.5 Robot ABB [7]
Trang 27
Hình 1.7 Cánh tay Stanford [9]
Trong những thập niên 1980, sự phát triển mạnh của vi mạch đã cho phép phát triển phần cứng của tay kẹp theo hướng của tay gắp Stanford để sử dụng trong các ngành công nghiệp nặng Ngay cả khi một số yếu tố phản hồi và kiểm soát được sao chép từ cánh tay Stanford, các cánh tay công nghiệp được giới thiệu trong sản xuất
vũ khí và ô tô
Ngày nay, phần lớn các tay gắp vẫn còn là khí nén [9]
1.3.1.1 Sự phát triển của tay gắp
Cánh tay Stanford bao gồm một tay kẹp dạng song song Cấu trúc này còn phổ biến và tới hiện nay, bao gồm hai ngón tay thẳng (thanh) trượt ra hoặc di chuyển cùng nhau để nhả và kẹp chặt vật thể Điều này có được nhờ sự linh hoạt của hành trình [9]
Trang 28Vào cuối những năm 1970, tay gắp dạng hai ngón đã được phát minh Các ngòn tay được thiết kế như móng vuốt của tôm hùm Sự khác nhau giữa thiết kế ngón tay này và ngón tay song song là hàm song song đơn giản hóa thiết kế và lực giữ nguyên trong suốt hành trình Các ngón tay song song có hai thiết kế: Piston tác động trực tiếp vào thêm cho lực bám cao (đến 44482.22N) và hành trình ngắn hơn Hoặc có thể
sử dụng trực tiếp piston có lực nhỏ hơn nhưng hành trình dài hơn
Một cải tiến kẹp mới đã được phát minh năm 1980 Tay gắp ba ngón được thiết
kế tại Viện Công nghệ Masshchusetts được cấp bởi Barrett Technology Cấu tạo của tay Barret được xây dựng với bộ điều khiển servo, giao tiếp 4 động cơ brushless và phần mềm Mặc dù ba ngón đã được tạo ra vào những năm 80 nhưng chúng bắt đầu được sử dụng rộng rãi ngay bây giờ
1.3.1.2 Cơ cấu kẹp và cơ cấu xoay
Kẹp khí nén chạy bằng khí nén với xilanh truyền thống đòi hỏi nhiều nguồn cung cấp không khí Đối với trường hợp kết hợp hai chuyển động kẹp và xoay thì điều này đúng Trong các trường hợp khác, sau khi gắp được vật có một cơ cấu cơ khí để giữ vật Cơ cấu tay gắp Standford vẫn được áp dụng nhiều ở hiện tại, với việc thêm hàm trượt và phanh điện để giữ ở một vị trí nhất định và ngăn ngừa thiệt hại [9] Schunk Inc đã thu nhỏ mô hình tay gắp Họ sản xuất và lắp ráp các thành phần nhỏ hơn Một dụng cụ kẹp song song được kết hợp với một mô đun quay Schunk
RM, có thể thiết kế để đảm bảo yêu cầu cho lực kẹp khác nhau cũng như thiết bị an toàn khác nhau cho thiết kế bán dẫn Sự kết hợp giữa kẹp và xoay đòi hỏi một vài thay đổi trong thiết kế, ta phải thêm piston dài hơn cho qua trình điều khiển để hoạt động trên các mô đun quay
Trang 291.3.1.3 Tình hình hiện nay
Đến tận ngày nay, tay gắp robot đã bị giới hạn ở hai và ba ngón Nhưng trong các công ty như Fesst Corp đã giới thiệu công nghệ mới kết hợp cơ điện tử và sinh học, hơn 30 bó cơ khí nén, xương bàn tay và xương ngón tay [9]
Sử dụng khí nén và ống đàn hồi làm thay đổi đường kính và chiều dài phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ Một lợi thế từ con người là cơ bắp không cần cung cấp năng lượng sau khi di chuyển hoặc giữ trọng lượng ở một nơi, độ bền kéo và động cơ lực được kiếm tiền bằng cảm biến chiều dài và áp suất Một bộ điều chỉnh áp lực trong một mô hình cung cấp lực, tinh chỉnh và nhanh chóng
Có nhiều ý tưởng về tay gắp đang được phát triển trên thế giới, ví dụ như bàn tay robot với sự khéo léo và sức mạnh của con người Bộ điều khiển mới mang đến khả năng thực hiện những tác vụ phức tạp với nhiều bộ truyền động hơn và tăng thêm sức mạnh cho ngón tay, giúp tạo ra các cấu trúc mới linh hoạt và hiệu quả hơn cho các ứng dụng rộng rãi
1.3.2 Phân loại tay gắp
Phần cuối của cánh tay phải tiếp xúc với các vật thể và tương tác với chúng Với mỗi ứng dụng trong công nghiệp thì cần một loại tay gắp khác nhau Ta có thể chia làm bốn loại chính như sau: Kẹp chân không, kẹp thủy lực, kẹp khí nén và kẹp điện servo
- Tay gắp điện - servo:
Các tay gắp servo đang được sử dụng nhiều hơn trong công nghiệp; nhờ sự kiểm soát dễ dàng của chúng Các chuyển động kẹp được điều khiển bởi động cơ điện Những tay gắp này rất kinh hoạt và xử lí được dung sai của các vật liệu khác nhau Ngoài ra, chúng có hiệu quả về chi phí vì chúng không có dây chuyền và sạch sẽ
Trang 31- Kẹp chân không:
Thường được sử dụng trong các ứng dụng gắp vật không chứa sắt Nó thường sử dụng giác hút chân không làm thiết bị kẹp Loại kẹp này thường hoạt động tốt khi đối tượng trơn nhẵn, bằng phẳng và sạch sẽ Chỉ có một bề mặt để kẹp vật nên giới hạn với các vật có bề mặt gồ ghề, quan trọng nhất, không phù hợp với các vật có nhiều lỗ
Hình 1.10 Giác hút [9]
Được sử dụng trong các ứng dụng để gắp các vật liệu kim loại màu
Trang 33- Tay gắp thủy lực:
Tay kẹp thủy lực được áp dụng trong những công việc đòi hỏi một lực lớn Lực được cung cấp từ các máy bơm có thể tạo ra tới 13789,51 KPa Mặt dù keo thủy lực mạnh, tuy nhiên chúng lại phức tạp hơn khác loại tay kẹp khác bởi vì chúng sử dụng máy bơm dầu Ngoài ra cần phải bảo trì nhiều vì các thiết bị phải chịu áp lực lớn khi làm việc
Hình 1.13 Tay gắp thủy lực [5]
Trang 341.3.3 Một số cơ cấu thường gặp trên thị trường
1.3.3.1 Tay gắp hai khớp (2-Finger and Adaptive Grippers):
Trang 351.3.3.2 Tay gắp ba khớp (3-Finger and Adaptive Grippers):
Trang 371.4 Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời đại ngày nay, vai trò của robot công nghiệp ngày càng trở nên quan trọng Chúng đang dần thay thế con người trong một số tình huống nhất định Vì vậy,
đề tài “Điều khiển vị trí và lực trong tay máy gắp sản phẩm” với mục tiêu giới thiệu thiết kế và mô phỏng 3D cơ cấu tác động cuối, thiết kế mạch điện điều khiển, đề xuất
bộ điều khiển và lập trình vận hành cơ cấu thực hiện các nhiệm vụ khác nhau Kết quả của đề tài có thể ứng dụng trong các công đoạn gắp sản phẩm như đồ hộp, dây chuyền sản xuất văn phòng phẩm, linh kiện và phụ tùng
1.5 Mục tiêu của đề tài
Thiết kế tay gắp cho robot để điều khiển lực tác dụng lên sản phẩm:
- Đối tượng: Mẫu gắp có kích thước 40x40x40mm, vật liệu mút xốp
1.6 Nội dung thực hiện
- Thiết kế mô hình cơ khí và mô phỏng 3D cho tay gắp
- Thiết kế mạch điện điều khiển và truyền dữ liệu
- Lập trình vận hành điều khiển thiết bị
Trang 381.7 Kế hoạch thực hiện
Đề tài được thực hiện dựa trên cơ cấu tay máy FANUC, quá trình điều khiển
vị trí được thực hiện bằng teach-pendant và điều khiển lực bằng máy tính Giả sử các vị trí trong không gian được biết trước và có thể lập trình được, giá trị lực cần thiết để gắp được hiệu chỉnh trước, cơ chế chuyển từ điều khiển vị trí sang điều khiển lực nhờ cảm biến proximity phát hiện sản phẩm, chuyển từ điều khiển lực
sang điều khiển vị trí nhờ timer định thời
1.8 Kết cấu đề tài
Đề tài được phân chia thành 6 chương, mỗi chương có nội dung cụ thể như sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY
CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN
CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Trang 39CHƯƠNG 2 : PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG
ÁN
Sau khi đã có yêu cầu bài toán cụ thể được đặt ra ở chương 1, bước tiếp theo, ở chương 2 tiến hành phân tích, lựa chọn kết cấu tay máy, bộ phận công tác và cơ cấu tác động phù hợp, đáp ứng tốt yêu cầu gắp và sắp xếp sản phẩm dạng hộp lên pallet
2.1 Yêu cầu của việc gắp và sắp xếp sản phẩm
Để lựa chọn được kết cấu tay máy cho phù hợp, trước hết cần phải biết được yêu cầu của việc gắp và sắp xếp sản phẩm Ngày nay trong các dây chuyền sản xuất, sản phẩm thường được đóng gói trong các hộp giấy để tiện cho quá trình lưu trữ và vận chuyển Trong quá trình sắp xếp vận chuyển cần đảm bảo sao cho sản phẩm bên trong hộp không bị rung lắc, hoặc nghiêng gây đè nén, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của sản phẩm Ngoài ra khi sắp xếp sản phẩm lên pallet, nếu hộp chứa sản phẩm bị nghiêng sẽ dễ dàng gây ra va chạm giữa góc hộp với pallet, gây móp hộp hoặc va chạm giữa sản phẩm đang gắp với các sản phẩm khác đã được sắp xếp trên pallet, gây mất vị trí giữa các sản phẩm Do đó yêu cầu đặt ra là trục của bộ phận công tác phải luôn vuông góc với mặt phẳng ngang và quá trình gắp nhả sản phẩm phải diễn ra đều đặn tránh tình trạng rung lắc mạnh
Trang 402.2 Lựa chọn cơ cấu tay máy
Hiện tại có một số cơ cấu tay máy phù hợp với yêu cầu gắp và sắp xếp sản phẩm được nêu ra ở mục 2.1
❖ Cơ cấu tay máy 1
Cơ cấu tay máy 1 là cơ cấu tay máy Scara, một trong những tay máy phổ biến trong công nghiệp Tay máy trong hình 2.1 có cấu tạo gồm ba khớp xoay và một khớp tịnh tiến có trục song song với nhau giúp bộ phận công tác của tay máy có khả năng di chuyển tốt trong không gian vùng làm việc Các khớp xoay hoạt động nhờ động cơ điện có cơ cấu phản hồi Khớp tịnh tiến hoạt động nhờ xilanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng