NGHIÊN cứu THIẾT kế và CHẾ tạo mô HÌNH ROBOT cắt PLASMA có cấu TRÚC GANTRY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT CẮT PLASMA CÓ CẤU TRÚC GANTRY Trần Văn Châu 1 , Đặng Văn Thức 1 , Mai Ngọc Anh 1 , Lê Đình Thắng 2 1 Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT CẮT PLASMA

CÓ CẤU TRÚC GANTRY Trần Văn Châu 1 , Đặng Văn Thức 1 , Mai Ngọc Anh 1 , Lê Đình Thắng 2

1 Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân sự

Email: thuc.dangvan86@gmail.com

2 Cục Đo lường, Bộ Tổng tham mưu, Bộ Quốc phòng

TÓM TẮT:

Bài báo này trình bày về việc phát triển một mô

hình robot cắt linh hoạt liên quan đến thiết kế 3D,

mô phỏng Matlab và chế tạo mô hình thực Mô

hình robot này được thiết kế theo cấu trúc động

học TTT, thường ứng dụng cho cắt Plasma Mô

hình robot được chế tạo và thử nghiệm trong các điều kiện thực tế để kiểm tra khả năng vận hành của hệ thống Mô hình được sử dụng nhằm phục

vụ dạy học trong nhà trường

Từ khóa: robot cắt, cấu trúc gantry, thiết kế 3D, mô phỏng Matlab

1 GIỚI THIỆU

Trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện nay, nhiều

loại robot cắt đã được chế tạo và sử dụng rộng rãi

cho sản xuất trên thế giới Các robot này sử dụng

các nguồn nhiên liệu khác nhau để cắt vật liệu

như: sử dụng công nghệ laser [1], dùng tia nước

[2], dùng sóng siêu âm [3] và dùng plasma [4]

Các robot cắt tia laser sử dụng chùm tia laser tập

trung để làm nóng vật liệu trong vùng cắt cho phép

tạo ra các đường cắt đa dạng và sắc nét [5]

Robot cắt bằng tia nước sử dụng một dòng nước

có áp suất cao để cắt kim loại mà không cần nhiệt

và không gây tiếng ồn, nhưng vẫn tạo ra các

đường cắt sắc nét và sạch [6] Robot cắt siêu âm

sử dụng năng lượng siêu âm từ đầu dò áp điện để

cắt vật liệu mềm [7] Robot cắt plasma sử dụng

đầu cắt Plasma với tốc độ rất cao để cắt kim loại

có độ dày đến 20 cm ở nhiệt độ rất cao [8]

Do sự phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao của

đường cắt, người ta thường sử dụng các tay máy

nhiều bậc tự do (DOF) để cắt kim loại Ngược lại,

khi không yêu cầu cắt phức tạp mà yêu cầu an

toàn cao, người ta thường sử dụng robot cắt có

cấu trúc khung giàn khi cắt bằng tia nước và cắt

bằng plasma Lợi ích nổi bật của robot cắt plasma

là chi phí thấp, tốc độ cắt vừa phải và thời gian

chuẩn bị ngắn [9]

Các hệ thống robot khung giàn thường hoạt

động trong các không gian làm việc dạng hình hộp

với cấu trúc cơ khí vững chắc và ổn định [10] Các

robot cắt plasma có cấu trúc khung giàn cho phép

người sử dụng thay thế phần đầu cắt một cách dễ dàng và nhanh chóng

Trong điều kiện công nghiệp chưa phát triển cao của Việt Nam, các robot cắt khung giàn thường được lựa chọn để sản xuất và chế tạo nhằm đạt được hiệu quả kinh tế tốt với giá cả cạnh tranh

Trong các trường dạy nghề và kỹ thuật, các kỹ thuật viên cơ khí phải thành thạo việc vận hành nhiều máy móc khác nhau trong đó có các robot cắt Vì lý do đó, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một chương trình mô phỏng và một mô hình robot cắt kiểu khung giàn Chương trình mô phỏng và

mô hình robot có thể phục vụ các nhiệm vụ cơ bản của giáo dục đào tạo

Trong các phần tiếp theo, chúng tôi giới thiệu cấu trúc cơ khí của robot; tính toán các thông số động học; chương trình mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình robot thực tế

2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Kết cấu cơ khí của mô hình robot cắt được thể hiện như trên Hình 1 Khung cơ khí của robot bao gồm ba phần chính liên quan đến 3 trục chuyển động X, Y và Z tạo ra mô hình động học với 3 bậc

tự do (DOF)

Trang 268

Hình 1 Thiết kế chung của gantry robot

Hình 2 Cụm trục Y

Hình 3 Cụm trục X

Hình 4 Cụm trục Z

Các trục chuyển động X, Y (Hình 2, 3) được thiết kế dạng chi tiết hộp thép vuông, trên được lắp các thanh dẫn hướng cũng như trục vít me bi Đối với cấu trúc dạng khung giàn kết cấu như trên đảm bảo sự đơn giản, tiện lợi trong việc lắp ghép thay thế mà vẫn đủ cứng vững trong các điều kiện làm việc thực tế Chiều dài lần lượt của các trục X,

Y tương ứng là 450 và 600 mm

Cụm trục Z (Hình 4) có cấu trúc khác với cụm trục X, Y bởi vì nhiệm vụ của nó là mang đầu công tác và chỉ dịch chuyển trước khi gia công Nói cách khác, trong suốt thời gian gia công, tọa độ theo trục Z là không đổi Chính vì vậy việc thiết kế

và chế tạo cụm trục Z được ưu tiên đặc tính dễ dàng thay thế các đầu công tác Ngoài ra, trên trục

Z có thể được tích hợp bộ điều khiển chiều cao đầu công tác THC (Torch Height Controller) Bốn chân đế cũng được làm từ hộp thép vuông cùng có chiều dài 700 mm để tạo ra không gian làm việc quy mô nhỏ dạng lập phương Các chân được hàn bích để lắp bu lông cố định với nền, đảm bảo sự chắc chắn và cứng vững trong quá trình robot thực thi các nhiệm vụ

So với các loại mô hình robot đã được chế tạo

ở Việt Nam [11, 12], mô hình robot này có kích thước nhỏ gọn hơn nhiều, điều này cho phép mô hình được vận chuyển dễ dàng phục vụ cho các phòng thí nghiệm

Ba trục XYZ được điều khiển bởi ba động cơ servo tách biệt thông qua hệ thống truyền động bao gồm các vít me và thanh dẫn hướng dẫn Việc

sử dụng động cơ servo và các vít me giúp cho việc điều khiển và truyền động các trục được dễ dàng và chuyển động trơn tru

3 LẬP TRÌNH HỆ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Cấu trúc động học

Robot cắt này là một loại gantry robot với 3 bậc

tự do có cấu trúc động học TTT (Tịnh tiến – Tịnh tiến – Tịnh tiến) tương ứng với 3 trục XYZ

Thông qua một hệ thống điều khiển, ba trục có thể hoạt động một cách đồng bộ để điều khiển đầu cắt theo một quỹ đạo cho trước Hệ thống sử dụng các cảm biến phản hồi vị trí (encoder) để kiểm soát vị trí của đầu cắt đi theo quỹ đạo yêu cầu

Ray

trư

Giá lắp trục X

trên con trượt

Vít me bi và đai ốc

Ổ đỡ hai đầu vít me Khớp nối

Servo

Giá lắp trục Z

Khớp nối

Ray trượt

Mỏ cắt plasma Giá lắp đầu công tác

Trục chuyển tiếp

Servo

Vít me bi

Hình 5 Các tham số kích thước

Các thông số cơ khí của robot cắt được minh

họa trên Hình 5 Cấu trúc động học và các hệ tọa

độ được thể hiện trên Hình 6

Kích thước làm việc của 3 trục X, Y, Z tương

ứng là l 1 , l 2 , l 3

Hình 6 Các hệ tọa độ

Các thông số động học Denavit-Hartenberg

(D-H) của robot cắt được liệt kê trong Bảng 1:

Bảng 1 Các thông số D-H

Khớp θi bi αi ai

Trong đó:

+ θi là góc quay quanh trục Z(i-1) để xoay trục

X(i-1) đến trục X(i);

+ αi là góc quay quanh trục X(i) để trục

Z(i-1) quay đến trục Z(i);

+ bi là khoảng cách tịnh tiến dọc trục Z(i-1) để di

chuyển trục X(i-1) đến trục X(i);

+ ai là khoảng cách tịnh tiến dọc trục X(i) để di

chuyển trục Z(i-1) đến trục Z(i);

Dựa vào bảng thông số D-H, ma trận chuyển

1

01

d

2 12

d

23

3

T

Trong đó T01, T12, T23 là các ma trận biến đổi thuần nhất giữa các hệ tọa độ lân cận theo thứ tự như sau: từ hệ tọa độ {X0Y0Z0} sang hệ tọa độ {X1Y1Z1}, từ hệ tọa độ {X1Y1Z1} sang hệ tọa độ {X2Y2Z2}, và từ hệ tọa độ {X2Y2Z2} sang hệ tọa độ {X3Y3Z3}

Từ các biểu thức (1), (2), (3), ta có thể tính ma trận thuần nhất từ hệ tọa độ gốc {X0Y0Z0} đến hệ tọa độ đầu công tác {X3Y3Z3} như sau:

03 01 12 23

1 2 03

3

d d d

Đầu cắt được ký hiệu là EE Vị trí của EE được xác định từ công thức (5) bởi các biểu thức sau:

Cũng từ công thức (5), ta xác định được hướng của đầu cắt EE không thay đổi trong suốt quá trình làm việc

3.2 Lập trình quỹ đạo

3.2.1 Lập trình quỹ đạo bậc 3

Robot cắt thường đòi hỏi những điểm cho trước mà đầu cắt phải đi qua để thực hiện nhiệm

vụ cắt Do đó, hệ thống điều khiển tự động lập kế hoạch một quỹ đạo để kết nối chúng với nhau Quỹ đạo có chứa một luật thời gian cho chuyển động với vận tốc khác nhau ở các điểm trên quỹ đạo cắt Theo lý thuyết [13], phương trình quỹ đạo cắt giữa 2 điểm (i) và (i+1) được tính như sau:

Trang 270

Trong đó k0, k1, k2, và k3 là các hệ số được xác

định như sau:

2

s t k k t k t k t s (10)

2

Từ các công thức (8) đến (11) ta có thể rút ra

một biểu thức ma trận như sau:

2

2

1

'

1

'

Từ biểu thức (12), ta có thể tính các hệ số

bằng công thức sau:

1

2

2

1

'

1

'

(13)

Trong đó s0, s’0, sf, và s’f là các vị trí và vận tốc

của các điểm trên quỹ đạo cắt

3.2.2 Lập trình quỹ đạo không giật

Trong bài toán lập trình quỹ đạo không giật,

người ta quan tâm đến cả biến số gia tốc tại các

điểm quỹ đạo Lúc đó công thức tính quỹ đạo giữa

2 điểm (i) và (i+1) được tính như sau:

( )

Trong đó k0, k1, k2, k3, k4 và k5 là các hệ số

được xác định như sau:

s t k k t k t k t k t k t (15)

s t k k t k t k t k t (16)

s t k k t k t k t (17)

s t k k t k t k t (18)

4

3

Bằng cách tương tự như đã nêu ở công thức

(12), ma trận hệ số có thể xác định như sau:

1

1

'

''

'

''

(21)

Trong đó s0, s’0, s’’0, sf, s’f và s’’f là các vị trí, vận tốc và gia tốc của các điểm trên quỹ đạo cắt Dựa vào các giá trị động học cho trước, hệ thống sẽ tự động lập trình quỹ đạo giữa các điểm lân cận và kết nối chúng thành một quỹ đạo cắt tổng thể

3.3 Mô phỏng hoạt động

Chương trình mô phỏng máy tính được lập trình trên phần mềm Matlab Sơ đồ hệ thống điều khiển được thể hiện trên Hình 7 Quỹ đạo di chuyển của đầu cắt được mô phỏng trên một cửa

sổ lập trình

Hình 7 Sơ đồ hệ thống mô phỏng

Trong sơ đồ hệ thống mô phỏng có 2 bộ lập trình quỹ đạo: lập trình quỹ đạo bậc 3 và lập trình quỹ đạo bậc 5 Căn cứ vào các tham số đầu vào, chương trình sẽ chọn bộ lập trình quỹ đạo phù hợp

Hình 8 mô tả một tình huống sử dụng bộ lập trình quỹ đạo bậc 3 để cắt theo một đường thẳng Hình 9 biểu diễn một tình huống sử dụng bộ lập trình quỹ đạo bậc 5 để cắt theo một đường tròn

Chọn quỹ đạo

s ,s'f f Quỹ đạo

bậc 3

Quỹ đạo bậc 5

Bộ điều khiển

Mô phỏng robot cắt

Hiển thị quỹ đạo

s ,s'0 0

s ,s' ,s''0 0 0

s ,s' ,s''f f f

Hình 8 Lập trình quỹ đạo bậc 3 cho quỹ đạo đường

thẳng

Hình 9 Lập trình quỹ đạo bậc 5 cho quỹ đạo đường

tròn

Trong phần tiếp theo, chương trình điều khiển

đã mô phỏng sẽ được áp dụng trên mô hình thật

để kiểm tra khả năng vận hành của hệ thống

4 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

4.1 Mô hình cơ khí

Sau khi mô phỏng thành công, nhóm kỹ sư của

Trung tâm Công nghệ (TTCN) đã tiến hành chế

tạo mô hình robot và sử dụng chương trình điều

khiển đã mô phỏng với một số cải tiến cho phù

hợp với điều kiện thực tiễn Cải tiến đáng kể nhất

là việc điều khiển quỹ đạo trục Z được tiến hành

trước tiên Việc điều khiển trục X và Y được tiến

hành đồng thời Như vậy đầu cắt làm việc chủ yếu

trên mặt phẳng

Hình 10 Mô hình robot dạng gantry thực tế

Cấu trúc của mô hình robot trên Hình 10 có các kích thước đúng như bản thiết kế trên Hình 1 Các trục X và Y được chế tạo bằng các thanh thép dạng hộp cho phép robot được tháo lắp dễ dàng phục vụ cho di chuyển, lắp ghép trong phòng thí nghiệm Robot có thể mang được các đầu cắt hoặc vật nặng lên đến 5 kg

4.2 Hệ thống điều khiển

Hệ điều khiển của mô hình robot được lập trình trên bo mạch ARM STM32F4 và được tổ chức như trên Hình 11

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển này được tổ chức giống như sơ đồ trên Hình 12 Chương trình điều khiển được các kỹ sư của TTCN tự viết trên Labview, một trong các phần mềm đang được dùng phổ biến ở Việt Nam hện nay

Trang 272

Hình 12 Giao diện chương trình điều khiển

4.3 Kết quả thử nghiệm

Trong các thực nhiệm đầu tiên, mô hình robot

thực hiện nhiệm vụ vẽ một đường thẳng Bộ điều

khiển sử dụng bộ lập trình quỹ đạo bậc 3 và kết

quả cuối cùng được thể hiện trên Hình 13

Nhiệm vụ này được thực hiện nhiều lần để

kiểm tra độ lặp lại của quỹ đạo cắt Ngoài ra,

nhóm nghiên cứu đã sử dụng bút dạ như một

công cụ ghi lại quỹ đạo chuyển động của đầu cắt

Kết quả cho thấy đầu cắt đã tạo ra các đường

thẳng như nhau sau nhiều lần cắt

Hình 13 Vẽ đường thẳng

Trong các thực nghiệm thứ 2, robot thực hiện 4

đường cắt thẳng để tạo ra một hình thoi khép kín

Kết quả được ghi lại bằng bút dạ được thể hiện

như trên Hình 14

Hình 14 V ẽ 4 đường thẳng để tạo ra hình thoi

Nhiệm vụ này được thực hiện với bộ lập trình quỹ đạo bậc 3 và được lặp lại nhiều lần Các kết quả đạt được cho thấy đầu cắt luôn tạo ra các điểm khép kín mà điểm đầu và điểm cuối trùng nhau

Trong các thực nghiệm thứ 3, robot thực hiện nhiều đường cắt thẳng để tạo ra một đường cong khép kín xấp xỉ hình tròn Kết quả được ghi lại như trên Hình 15

Nhiệm vụ thứ 3 này được thực hiện với bộ lập trình quỹ đạo bậc 5 Kết quả lặp lại như nhau sau nhiều lần thực hiện cho thấy sự ổn định của hệ thống

Hình 15 Vẽ nhiều đường thẳng để tạo đường gần tròn

5 KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày các công việc thiết kế, mô

phỏng và chế tạo một mô hình robot cắt dạng

gantry với cấu trúc động học TTT Cấu trúc gantry

của mô hình này thường được dùng phổ biến trên

các robot cắt Plasma, cắt bằng tia laser, Ưu

điểm của mô hình này là kích thước nhỏ gọn và

khả năng tháo lắp dễ dàng Điều này thuận tiện

cho việc phục vụ trong môi trường đào tạo hoặc

các phòng thí nghiệm

Mô hình robot đã được thử nghiệm trong các

điều kiện thực và cho các kết quả khá tốt Tuy

nhiên, các kết quả cần được kiểm tra thêm với các

quỹ đạo phức tạp hơn

LỜI CẢM ƠN

Nhóm tác giả xin cảm ơn Học viện KTQS và

Trung tâm Công nghệ đã tài trợ cho nghiên cứu

này

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Moharana B., Rakesh G., Bashishth K K

(2014) Optimazation and design of a

International Journal of Engineering Trends

and Technology (IJETT), vol 10, no 44, pp

176-179

[2] Richard K M C (1989) Industrial robot

handbook Springer-Verlag US, ISBN

978-1-4684-6608-9, pp 267-283

[3] Dan W and Adam W (2014) Integrating

ultrasonic cutting with high accuracy robotic automatic fiber placement for production flexibility Report of SAMPLE Tecch, Seatle

WA

[4] Kjellbelrg F (2012) Plasma cutting with

robots The Fine Focus Company

[5] Academy of laser dentistry (2008)

Advantage and limitations of lasers Report

[6] KMT (2010) Water jet cutting: A technology

on the rise Report of KMT GmbH

[7] Branson (2012) Advanced Ultrasonic cutting systems Report of Emerson

[8] MacArthur B B (1976) Plasma Processes

of cutting and welding Report of Naval

Surface Warfare Center

[9] Paolo R., Alessandro T., Hermes G (2002)

Mechatronic design of a 3-DOF parallel translational manipulator International Conference on Robotics RAAD

[10] Parker (2004) Standard gantry robots

Catalogue 192-700011N5/UK, Version 5

[11] Lê Hoài Quốc (2004) Nghiên cứu thiết kế

và chế tạo robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn ĐHQG TP HCM

[12] Phạm Anh Đức (2013) Nghiên cứu và chế

tạo mô hình robot song song Luận văn

Thạc sĩ

[13] Sciavicco L and Siciliano B (2000)

Modelling and control of robot manipulators

ISBN 978-1-4471-0449-0, pp 185 - 212

RESEARCH, DESIGN AND FABRICATION OF A PLASMA CUTTING

ROBOT MODEL WITH GANTRY STRUCTURE

ABSTRACT:

This paper presents the development of a

cutting robot model including 3D design, Matlab

simulation and experimental modeling This robot

model is designed based on a TTT kinematic

structure, which is usually used for plasma cutting

The robot model is built and tested under realistic conditions to examine the system's operability The model is useful for training in universities

Keywords: cutting robot, gantry structure, 3D design, Matlab simulation