ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO TAY MÁY THỰC HIỆN TỰ ĐỘNG DÁN KEO ĐẾ GIÀY

Mục tiêu của đề tài là thiết kế đầu dán keo và điều khiển tay máy di chuyển đầucông tác rà theo biên dạng của đế giày để thực hiện công đoạn dán keo. Tay máy phải dán keo đúng chính xác biên dạng của đế giày trong thời gian quy định, đế giày xoay nhiều hướng trên băng tải.Nhiệm vụ cần phải thực hiện của luận văn bao gồm:Tìm hiểu tổng quan và nguyên lý hoạt động của tay máy. Thiết kế cụm dán keo gắn tay máy.Thiết kế mạch điều khiển, chương trình điều khiển.Thực hiện kiểm nghiệm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH CHO TAY MÁY THỰC HIỆN TỰ ĐỘNG DÁN KEO

ĐẾ GIÀY

SVTH: NGUYỄN THÀNH NHẤT MSSV: 1412663

GVHD: TS LÊ ĐỨC HẠNH

TP HỒ CHÍ MINH, 2018

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến các Thầy cô trong

bộ môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh đã tận tình chỉ dạy em qua 4 năm đại học Thầy cô không chỉ truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm mà còn truyền đạt cả cách sống đó chính là một hành trang vững chắc cho em mang theo trong suốt những năm tháng sau này

Em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy TS Lê Đức Hạnh đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn Thầy đã tận tình tháo gỡ những khó khăn, vướng mắc, định hướng cho em các giải quyết vấn đề một cách hiệu quả và phù hợp nhất Thầy đã truyền đạt những kinh nghiệm và sự hiểu biết sâu sắc về khoa học của Thầy một cách dễ hiểu nhất đối với sinh viên và qua đó em học được rất nhiều từ Thầy phương pháp nguyên cứu và giải quyết vấn đề Sự tậm tâm của Thầy trong việc hướng dẫn học sinh là điều làm em cảm phục nhất

Con cũng xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ, người đã luôn động viên con những lúc khó khăn, ba mẹ là điểm tựa cũng là niềm động lực to lớn giúp con học tập và sống tốt hơn Rất khó để nói lời cảm ơn trực tiếp tới ba mẹ, với sự trân trọng và thành tâm nhất, con xin cảm ơn!

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh Đỗ Tấn Khoa, anh Trần Nguyên Hải và anh

Hồ Ngọc Phú đã tạo điều kiện, cho mượn các thiết bị để em có thể thực hiện tốt đề tài trong phòng thí nghiệm tự động hóa, Trung tâm đào tạo Khu Công Nghệ Cao

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 5 năm 2018

Nguyễn Thành Nhất

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, tự động hóa trong sản xuất được hầu hết các công ty quan tâm và đầu

tư phát triền nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phầm, robot là một trong những thiết bị giúp tự động hóa trong quá trình sản xuất Trong luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp sử dụng robot thay thế con người trong một số công đoạn của quy trình sản xuất, cụ thể là công đoạn dán keo đế giày

Luận văn tập trung nguyên cứu giải thuật nhận dạng biên dạng của đế giày bằng

xử lý ảnh, dùng kinect để đọc tọa độ 3D của các điểm trên biên dạng đế giày, xử lý biên dạng đế giày

Tìm hiểu và điều khiển tay máy 6 bật tự do NZ07 của hãng Nachi, thiết kế cụm dán keo gắn tay máy Sử dụng tay máy NZ07 và cụm dán keo để kiểm nghiệm giải thuật nhận dạng biên dạng và dán keo đế giày, tiến hành đánh giá sai số của quá trình thực nghiệm Luận văn gồm có 8 chương được liệt kê dưới đây

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Nguyên cứu lựa chọn phương án

Chương 3: Thiết kế cụm dán keo và hệ thống điện

Chương 4: Phân tích động học tay máy NZ07

Chương 5: Điều khiển tay máy NZ07

Chương 6:Giải thuật dán keo đế giày

Chương 7: Thực nghiệm đánh giá sai số

Chương 8: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ vii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11

1.1 Tổng quan về công đoạn dán keo trong công nghiệp giày da 11

1.2 Tổng quan về robot công nghiệp 12

1.3 Các phương pháp nhận diện 3D 13

1.3.1 Nhận diện vật 3D dùng camer 3D 14

1.3.2 Phương pháp CMM(Coordinate measuring machines) 15

1.4 Các hệ thống trên thị trường: 15

1.4.1 Máy dán keo giày Orisol 15

1.4.2 Máy dán keo tự động Cerim K300 17

1.5 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài 18

1.5.1 Mục tiêu 18

1.5.2 Nhiệm vụ 19

1.5.3 Phạm vi đề tài 19

1.5.4 Tổ chức luận văn 19

CHƯƠNG 2: NGUYÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 20

2.1 Cơ khí : 20

2.1.1 Lựa chọn dạng robot 20

2.1.2 Cơ cấu chấp hành 21

2.2 Camera 26

2.2.1 Lựa chọn loại camera 26

2.2.2 Lựa chọn cách gá đặt camera 28

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CỤM DÁN KEO VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN 31

3.1 Thiết kế cụm dán keo 31

3.1.1 Chọn động cơ: 33

3.1.2 Tính toán bộ truyền vit me bi 34

3.1.3 Tính toán chọn ổ lăn cho vit me đai ốc bi 36

3.1.4 Tính toán mối ghép ren giữa tool và robot 37

3.2 Thiết kế và tính toán hệ thống điện 39

3.2.1Sơ đồ hệ thống điện 39

3.2.2 Vi điều khiển arduino uno 40

3.2.3 Driver A4988 41

3.2.4 PLC Misubishi 42

3.2.5 Relay 42

3.2.6 Nguồn điện 43

3.2.7 Điều khiển PLC bằng máy tính 44

3.3 Kết luận 46

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC TAY MÁY VÀ THIẾT KẾ TOOL DÁN KEO 47

4.1 Động học thuận: 47

4.2 Động học ngược: 50

CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY MZ07 59

5.1 Tay máy Nachi NZ07 59

5.2 Bộ điều khiển CFD 60

5.3 Dụng cụ lập trình cầm tay Tech pendant 62

5.4 Robot language[] 63

5.5 Giao tiếp với Robot 64

5.5.1 Tổng quan về giao tiếp giữa máy tính và Nachi robot.[ ] 64

5.4.1 TCP/IP 65

5.4.2 Socketcomnication 66

5.4.3 Giải thuật 69

CHƯƠNG 6: GIẢI THUẬT DÁN KEO ĐẾ GIÀY 75

6.1.Kinect V1 75

6.2.Thư viện OpenCV 76

6.3 Giải thuật chương trình dán keo đế giày 76

6.4 Xử lý ảnh tìm biên dạng đế giày 78

6.4.1 Ảnh 2D và Ma trận tọa độ thực 3D của Kinect 79

6.4.2 Lấy ngưỡng HSV 80

6.4.3 Xử lý nhiễu và tìm contour 80

6.4.4 Xác định tâm và góc của vật 83

6.5 Giải thuật tiền xử lý biên dạng, nội suy tách điểm 84

6.4.1Xử lý biên dạng, tìm điểm nội suy biên dạng 85

6.4.2 Tìm lại biên mới cho đế giày 87

6.6 Calib camera với Robot 88

6.7 Giải thuật tracking đế giày 93

6.7.1 Tính vận tốc băng tải 94

6.7.2 Tính toán điểm gặp nhau của robot và đế giày 95

CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ SAI SỐ 96

7.1 Thực nghiệm đánh giá sai số kinect: 96

7.2 Đánh giá biên dạng nội suy và biên dạng thực 98

7.3 Đánh giá thời gian của quá trình 99

7.3 Thực nghiệm quá trình dán keo 100

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 101

8.1 Đánh giá kết quả 101

8.1.1 Nội dung đã hoàn thành 101

8.1.2 Hạn chế của luận văn 101

8.2 Hướng phát triển của đề tài 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 102

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Công đoạn dán keo đế giày 12

Hình 1.2 Robot song song Yaskawa và tay máy công nghiệp Nachi 13

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động stereo vision 14

Hình 1.4 Hoạt động của structure light camera 15

Hình 1.5 Tay máy scan 3D 15

Hình 1.6 Máy phun keo ORISOL 16

Hình 1.7 Đầu phun keo của máy 16

Hình 1.8 Cảm biến laze 3D Scanner 17

Hình 1.9 Máy dán keo tự động Cerim K300 18

Hình 2.1 Robot Delta HIWIN 20

Hình 2.2 Robot Nachi MZ07 21

Hình 2.3 Động cơ DC Servo 22

Hình 2.4 Động cơ step 22

Hình 2.5 Động cơ RC servo 23

Hình 2.6 Vime đai ốc 23

Hình 2.7 Thanh răng bánh răng 24

Hình 2.8 Arduino Uno 25

Hình 2.9 PLC misubishi 25

Hình 2.10 Hình 3D tool dán keo 26

Hình 2.11 Camera Logitech 26

Hình 2.12 Stereo camera 27

Hình 2.13 Camera Creative 27

Hình 2.14 Kinect V1 28

Hình 2.15 Bố trí gá đặt camera trên tool 29

Hình 2.16 Bố trí gá đặt camera gắn liên kết với bàn Robot 30

Hình 3.1 Cơ cấu dán keo 31

Hình 3.2: Lực tác động lên pittong 32

Hình 3.3: Sơ đồ bộ truyền vitme- đai ốc bi 35

Hình 3.4 Bản vẽ 2D của cặp vit me –đai ốc bi 36

Hình 3.5 Bảng các đặc điểm của ổ bi 37

Hình 3.6 Gá cụm dán keo lên tay máy 38

Hình 3.7: Sơ đồ khối hệ thống điện 40

Hình 3.8 Giao diện chương trình điều khiển PLC 45

Hình 3.9: Lưu đồ SFC 46

Hình 3.10: Mô hình 3D cụm dán keo trong solidworks 46

Hình 4.1 Hệ trục tọa độ tay máy 47

Hình 5.1 Robot Nachi MZ07 59

Hình 5.2 Tủ điều khiển CFD 61

Hình 5.3 Kết nối an toàn cho robot 61

Hình 5.4 Teach Pendant 62

Hình 5.5: Chuyển đổi 2 dạng ngôn ngữ nguồn và chương trình thực thi 64

Hình 5.6 Giao tiếp thông qua thư viện OpenNR 65

Hình 5.7 Mô hình TCP/IP 66

Hình 5.8: Mô hình giao thức TCP và UDP 66

Hình 5.9: Giải thuật khởi tạo socket 69

Hình 5.10: Giải thuật truyền dữ liệu 70

Hình 5.11:Lưu đồ liên hệ chương trình thực thi và User task 74

Hình 6.1 Kinect V1 75

Hình 6.2 Kết nối Kinect và PC 76

Hình 6.3 Lưu đồ quá trình tìm biên dạng vật 78

Hình 6.4 Mô hình sơ đồ ảnh 79

Hình 6.5 a) Hình trước khi lọc ngưỡng HSV, b) Hình sau khi lọc ngưỡng HSV80 Hình 6.6: a) ảnh trước xử lý, b) ảnh sau xử lý 82

Hình 6.7 a) Hình trước khi tìm contour, b) hình sau khi tìm contour 82

Hình 6.8: Tọa độ tâm và góc của vật 84

Hình 6.9: Giải thuật quá trình xử lý biên dạng đế giày 84

Hình 6.10: a) Biên dạng đế giày trước xử lý, b) biên dạng đế giày sau xử lý 85

Hình 6.11: Nội suy y theo x 86

Hình 6.12: Tập hợp điểm nội suy của biên dạng đế giày 86

Hình 6.13:Vị trí tương quan của hai hệ trục đế giày và camera 87

Hình 6.14: 3D viewer trong pcl 92

Hình 6.15: a) tìm tâm trong hệ camera, b) tìm tâm trong hệ robot 93

Hình 6.16: Giải thuật tracking đế giày 94

Hình 6.17 Sơ đồ băng tải và robot 95

Hình 7.1: Tính kích thước các ô trong bàn cờ bằng camera 96

Hình 7.2 Vẽ lại biên dạng đế giày bằng lệnh Curve trong solidworks 98

Hình 7.3 Xuất biên dạng qua bản vẽ 2D 99

Hình 7.4: Biểu đồ phân bố thời gian của quá trình dán keo 100

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3-1: Số liệu thực nghiệm lực đẩy: 33

Bảng 3-2: Thông số động cơ NEMA 17 34

Bảng 3-3: Các chân điều khiển của driver A4988 41

Bảng 3-4:Bảng thống kê nguồn điện 43

Bảng 3-5: Các chương trình trong thư viện MX component 44

Bảng 3-6: Các cờ và chức năng 45

Bảng 5-1: Thông số tay máy MZ07 60

Bảng 5-2: Thông số bộ điều khiển CFD 61

Bảng 5-3: Thông số của TP 63

Bảng 5-4: Các lệnh cơ bản trong User Task 67

Bảng 7-1 Bảng thống kê sai số Kinect theo phương X 97

Bảng 7-2 Bảng thống kê sai số Kinect theo phương Y 97

Bảng 7-3 Bảng phân bố thời gian xử lý ảnh và dán keo 100

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Trong những thập niên trở lại đây, việc tự động hóa trong sản xuất ngày càng được phổ biến hơn, không chỉ có các nhà máy lớn mà các nhà máy vừa và nhỏ đang dần thay thế các công đoạn thủ công trong quy trình sản xuất bằng các máy móc tự động nhằm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm tạo ra

Robot là một trong những thiết bị tự động nhằm thay thế con người trong các công đoạn của quá trình sản xuất Tuy nhiên, trong những thập niên trước, Robot hoạt động một cách độc lập nên chỉ thực hiện được những thao tác đơn giản, cố định, được lập trình trước trong một môi trường cố định Những năm trở lại đây, sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị cảm biến giúp cung cấp các thông tin về đối tượng giúp robot hoạt động linh hoạt, tùy biến hơn Việc kết hợp các cảm biến, robot có thể thực hiện các ứng dụng phức tạp thay thế các công đoạn của con người, ví dụ như các ứng dụng như gắp vật 3D, hàn, lắp ráp, dán keo

Robot dán keo đế giày là một robot công nghiệp thực hiện việc dán keo lên đế giày Đế giày khi chạy trên băng chuyền được theo dõi bởi một cảm biến hình ảnh, cảm biến này sẽ cho thông tin về đế giày, sau khi xử lý thông tin, hệ thống điều khiển

sẽ di chuyển robot mang đầu dán keo chạy theo biên dạng đó để hoàn tất việc gián keo

1.1 Tổng quan về công đoạn dán keo trong công nghiệp giày da

Dán keo là một trong những công đoạn của quá trình sản xuất giày da, keo dán giúp gắn kết phần đế giày và thân giày lại với nhau Độ bền của mối ghép quyết định bởi chất lượng keo, lượng keo và độ đồng đều của keo trên mối ghép

Trong ngành giày da hiện này, công đoạn dán keo trong dây chuyền sản xuất chủ yêu được thực hiện thủ công, người công nhân thực hiện lặp đi lặp lại các thao tác dán keo nhiều lần dễ dẫn đến mất tập trung và sao nhãn trong công việc Do đó việc thay thế công nhân bằng robot giúp hạn chế lỗi sản phẩm đồng thời tăng năng suất và chất lượng

Hình 1.1 Công đoạn dán keo đế giày

Keo để dán đế giày là 1 loại keo lỏng, và tùy vào độ lỏng của keo mà có những phương pháp dán khác nhau Trong luận văn, keo sử dụng cho đế giày là loại keo có

độ đặc trung bình có thể phun ra bằng xilanh đẩy Do đó đề tài dùng một xilanh keo để thực hiện việc dán keo

1.2 Tổng quan về robot công nghiệp

Robot công nghiệp được phát triển từ thập niên 60 của thế kỉ trước, ngày nay robot công nghiệp cũng được phát triển không ngừng, đóng một vai trò quan trọng trong các hoạt động sản xuất Cùng với sự phát triển của các cảm biến ứng dụng công nghệ mới giúp robot có thể thực hiện nhiều thao tác phức tạp và hiệu quả hơn Theo hiệp hội Robot của Nhật bản, Robot được phân chia ra 6 loại cơ bản:

- Robot điều khiển bằng tay: Robot nhiều bậc tự do được vận hành bởi con người

- Robot chương trình tuần tự cố định: Robot thực hiện các công đoạn liên tiếp theo 1 chương trình cố định

- Robot chương trình tuần tự thay đổi được: Robot thực hiện các công đoạn được lập trình tuần tự nhau, tuy nhiên chương trình có thể tái lập trình được

- Robot kiểu học: Con người có thể chỉ dẫn, robot lưu lại các chuyển động và lặp lại các chuyển động ở lần vận hành sau

- Robot điều khiển số: Robot được cung cấp chương trình chuyển động thực hiện tuần tự một công đoạn nào đó hơn việc dạy thủ công

- Robot thông minh: Robot có khả năng hiểu và thích ứng với môi trường và hoạt tất công việc mặc cho dự thay đổi của môi trường

Robot công nghiệp hiện nay được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của sản xuất, ví dụ nhưng ứng đụng cho việc hàn, cấp phôi, bốc xếp hàng hóa, dán keo, Lý do để robot được ưu tiên sử dụng thay thế công người trong các công đoạn sản xuất là:

-Tốc độ làm việc cao, có thể hiệu chỉnh được

-Có thể làm việc 24/7

-Đầu tư một lần, được khấu hao qua nhiều năm

-Dễ dàng điều khiển, dạy làm việc thay vì tốn chi phí cho việc đào tạo lao động Hiện nay có 2 loại robot công nghiệp được sử dụng phổ biến là robot song song,

ưu điểm về tốc độ, tay máy công nghiệp ưu điểm về độ linh hoạt

Hình 1.2 Robot song song Yaskawa và tay máy công nghiệp Nachi

1.3 Các phương pháp nhận diện 3D

Để thực hiện dán keo một vật, cụ thể là đế giày, ta phải cung cấp thông tin về tọa

độ 3D của các điểm trên biên dạng cần dán keo của đế giày Để lấy được thông tin 3D của một vật có rất nhiều phương pháp, dưới đây là các phương pháp nhận diện vật 3D

1.3.1 Nhận diện vật 3D dùng camer 3D

❖ Stereo vision: Stereo vision là phương pháp lấy thông tin của một vật 3D nhờ so sánh hai ảnh của cùng một vật từ hai vị trí chụp khác nhau Bằng việc so sánh vị trí tương đối của các điểm trên vật mà có thể suy ra được thông tin 3D của vật

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động stereo vision

❖ Time of light camera: time of light camera là một camera ra 3D, việc xác định độ sâu bằng cách do thời gian của các tia sáng.Loại camera này khá chính xác đi đôi với

đó là giá thành khá đắt

Hình 1.3 Hoạt động của time of light camera

❖ Structure light camera là một cảm biến 3D sử dụng một camera 2D và một cảm biến chiều sâu để xác định chiều sâu của vật thể, từ đó có thể cung cấp thông tin 3D của vật

Hình 1.4 Hoạt động của structure light camera

1.3.2 Phương pháp CMM(Coordinate measuring machines)

Phương pháp CMM(Coordinate measuring machines) sử dụng một cánh tay máy ghi nhận tọa độ các điểm trên vật thể mà tay máy rà vào nhờ đọc các tín hiệu được ghi nhận lại từ các encoder gắn tại các khớp của tay máy Từ các tọa độ đọc về, hệ thống

sẽ tái xây dựng lai mô hình 3D của vật thể

Hình 1.5 Tay máy scan 3D

1.4 Các hệ thống trên thị trường:

1.4.1 Máy dán keo giày Orisol

Hệ thống phun keo tự động này bào gồm một robot gắn đầu tool phun keo tự động cùng với một máy Scanner 3D thực hiện gián keo một cách chính xác mà không cần sự can thiệp của con người Hệ thống đạt năng suất 5 sản phẩm/ phút và với hệ thống kiểm ra chất lượng on-the-fly

Hình 1.6 Máy phun keo ORISOL

Hình 1.7 Đầu phun keo của máy

Hình 1.8 Cảm biến laze 3D Scanner

-Đặc điểm và thông số kỹ thuật của hệ thống:

-Giao diện thân thiện với hệ điều hành window 7 trên PC

-3D Scanning camera với độ chính xác cao

-Tự động nhận diện biên dạng vật

-Thời gian nhận điện biên dạng it hơn 10s

-Robot 6 bật tự do di chuyển linh hoạt rà theo từng biên dạng của đế giày

1.4.2 Máy dán keo tự động Cerim K300

Hệ thống bao gồm 5 trục tạo chuyển động nội suy cho đầu công tác dán keo lên biên dạng đế giày

Hình 1.9 Máy dán keo tự động Cerim K300

Mục tiêu của đề tài là thiết kế đầu dán keo và điều khiển tay máy di chuyển đầu công tác rà theo biên dạng của đế giày để thực hiện công đoạn dán keo Tay máy phải dán keo đúng chính xác biên dạng của đế giày trong thời gian quy định, đế giày xoay nhiều hướng trên băng tải

1.5.2 Nhiệm vụ

Xuất phát từ mục tiêu của đề tài, nhiệm vụ cần phải thực hiện của luận văn bao gồm:

-Tìm hiểu tổng quan và nguyên lý hoạt động của tay máy

- Thiết kế cụm dán keo gắn tay máy

-Thiết kế mạch điều khiển, chương trình điều khiển

-Thực hiện kiểm nghiệm

1.5.3 Phạm vi đề tài

Với điều kiện hiện có, luận văn sẽ giới hạn và đặt ra yêu cầu bài toán như sau: -Hệ thống tự động nhận biên dạng 1 lần

-Thời gian dán keo nhỏ hơn 2s

-Mẫu đế giày là mẫu có màu đồng nhất, kích thước 160x40 mm

1.5.4 Tổ chức luận văn

Luận văn được chia làm 8 chương, nội dung các chương được trình bày dưới đây:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Nguyên cứu lựa chọn phương án

Chương 3: Thiết kế cụm dán keo và hệ thống điện

Chương 4: Phân tích động học tay máy NZ07

Chương 5: Điều khiển tay máy NZ07

Chương 6:Giải thuật dán keo đế giày

Chương 7: Thực nghiệm đánh giá sai số

Chương 8: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2: NGUYÊN CỨU LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Để điều khiển Robot di chuyển đầu công tác rà trên biên dạng vật ta cần tìm hiểu

rõ về loại robot và các thiết bị cần thiết để thực hiện công đoạn dán keo Vì vậy, trong chương 2 sẽ thực hiện việc lựa chọn loại robot, các cơ cấu cần thiết, camera cũng như cách gá camera dùng cho ứng dụng dán keo này

2.1 Cơ khí :

2.1.1 Lựa chọn dạng robot

Robot dùng cho ứng dụng dán keo nói chung có thể là delta robot, sacra robot hoặc là tay máy công nghiệp tùy vào từng yêu cầu của công đoạn dán keo mà ta có những lựa chọn khác nhau

❖ Phương án 1: Sacra và Delta Robot

Ưu điểm:

+ Tốc độ di chuyển nhanh, linh hoạt

+ Làm việc tốt trong vùng 2D

Nhược điểm:

+ Không làm việc ở các điểm bị che khuất, kì dị

Hình 2.1 Robot Delta HIWIN

❖ Phương án 2: Tay máy công nghiệp

Ưu điểm:

+ Di chuyển linh hoạt

Trong ứng dụng dán keo đế giày, Robot được dùng chủ yếu là Robot 6 bậc tự do

Do đó trong luận văn này, việc kiểm nghiệm giải thuật sẽ sử dụng tay máy 6 bậc tự do của Nachi, tay máy có kí hiệu là MZ07

Hình 2.2 Robot Nachi MZ07

2.1.2 Cơ cấu chấp hành

Cơ cấu dán keo trên thị trường nước ngoài có rất nhiều, tuy nhiên ở Việt Nam thì không có bán sản phẩm Cùng với giá thành khá cao nên tác giả quyết định thiết kế một cơ cấu phun keo để thực nghiệm để kiểm tra giải thuật điều khiển Sau đây là những phương án lựa chọn cho cơ cấu phun keo này

2.1.2.1 Động cơ:

Để cung cấp lực đẩy cho xilanh keo, ta sử dụng một động cơ để truyền động đẩy pitong ép keo phun ra, việc lựa chọn động cơ tùy thuộc vào yêu cầu phun keo, dưới đây là các phương án

Phương án 1: Động cơ DC Servo

Hình 2.3 Động cơ DC Servo

Ưu điểm:

+ Có encoder giúp điều khiển vòng kín chính xác

+ Kiểm soát được tốc độ và gia tốc

Nhược điểm:

+ Điều khiển phức tạp hơn động cơ step

Phương án 2: Động cơ step

Phương án 3: Động cơ RC Servo

Kết luận và lựa chọn phương án: Do yêu cầu thiết kế đầu dán keo đơn giản,

đảm bảo lượng keo được phun ra chính xác, nên ta chọn động cơ step

2.1.2.2 Truyền động:

Để biến đổi chuyển động quay của động cơ sang chuyển động tịnh tiến để đẩy pitong

ta cần một cơ cấu truyền động, sau đây là các phương án lựa chọn cơ cấu truyền động

Phương án 1: Vitme đai ốc

Hình 2.6 Vime đai ốc

Ưu điểm:

Phương án 2: Thanh răng bánh răng

Hình 2.7 Thanh răng bánh răng

Kết luận và lựa chọn phương án: Lựa chọn phương án dùng trục vít để đảm bảo độ

chính xác cho việc truyền động, ngoài ra giúp động cơ không bị trượt bước do momen lớn

+ Bền trong môi trường công nghiệp

+Dễ dàng tích hợp với các thiết bị chuẩn công nghiệp

Nhược điểm:

+ Giá thành cao

Kết luận và lựa chọn phương án: việc điều khiển động cơ không cần quá phức tạp

nên chọn arduino là mạch điều khiển

Sau việc lựa chọn các phương án cho việc thiết kế đầu dán keo, ta có được thiết kế đầu dán keo như hình dưới Đảm bảo yêu cầu đơn giản và lượng keo phun ra ổn định, chính xác

Hình 2.10 Hình 3D tool dán keo

2.2 Camera

2.2.1 Lựa chọn loại camera

Để nhận diện được biên dạng của vật ta cần sử dụng một camera để lấy thông tin của vật Sau đây là các phương án lựa chọn camera cho ứng dụng dán keo này

Phương án 1: Camera 2D

Hình 2.11 Camera Logitech

Ưu điểm:

+ Camera 2D có tốc độ xử lý nhanh do cung cấp thông tin 2 chiều

+ Tốc độ xử lý chậm cho lượng thông tin xử lý 2 chiều

Lựa chọn phương án: sử dụng camera 3D vì vật cần dán keo có bề mặt 3D Do có

nhiều loại camera 3D nên ta tiếp tục lựa chọn loại camera 3D cho ứng dụng

Phương án 1: Stereo camera

+ Không phát hiện được các vật thể nhỏ

Kết luận và lựa chọn phương án: Bởi vì vật thể cần phát hiện trong đề tài là đế giày

có kích thước khá lớn nên việc dùng structure of light camera đảm bảo được độ chính xác và hợp lý về giá thành

Đề tài sử dụng camera Kinect V1 để phục vụ cho việc nhận diện biên dạng vật

Hình 2.15 Bố trí gá đặt camera trên tool

Ưu điểm:

+ Không cần calib với Robot

+Quan sát chi tiết rõ hơn

Nhược điểm:

+ Camera dễ run khi làm việc

Phương án 2: Gá liên kết với bàn gắn robot

Hình 2.16 Bố trí gá đặt camera gắn liên kết với bàn Robot

Ưu điểm:

+ Vùng quan sát rộng

+ Calib một lần

Nhược điểm:

+ Run khi robot làm việc ở tốc độ cao

Kết luận và lựa chọn phương án: Ta chọn phương án với bàn máy nên lựa chọn

phương án gá liên kết với bàn máy, việc chụp ảnh được thực hiện khi robot ngừng hoạt động giúp chống run, tuy nhiên sau quá trình làm việc lâu dài cần calib lại do độ dịch chuyển khi robot hoạt động gây ra

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CỤM DÁN KEO VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

3.1 Thiết kế cụm dán keo

Hình 3.1 Cơ cấu dán keo

Yêu cầu của cơ cấu dán keo: Dán keo 1 lớp cho viền đế giày, thời gian làm việc 1000h

Theo yêu cầu ban đầu thời gian dán keo cho một đế giày nhỏ hơn 15s, để đảm bảo quá trình dán keo, thời gian phun keo phải nhỏ hơn 15s, do đó ta chọn thời gian phun keo là 10s để tính toán , do đó với thời gian đó để dán chu vi đế giày mẫu khoảng 480 mm( kích thước giày xấp xỉ hình chữ nhật 200x40) Lượng keo dán cho 1 đoạn L là:

𝑉 = 𝐿 𝜋𝑟2(3.1) Theo (3.1) với chu vi là 480, đường kính đầu phun 2r= 3mm thì lượng keo là:

𝑉 = 𝐿 𝜋𝑟2 = 480 𝜋 1.52 = 3391 𝑚𝑚3 Với r là bán kính đầu phun, L là chiều dài phun, V là lượng keo phun trên chiều dài

Lưu lượng keo được phun ra:

𝑄 =𝑉

𝑇 (3.2) Với Q là lưu lượng keo, V là thể tích keo, T là thời gian phun keo Với đầu phun keo có đường kính là 3 mm, đường kính xi lanh là 10 mm, thời gian phun keo là 10 s, chu vi phun keo là 480 mm, ta tính được vận tốc tịnh tiến của pitong

T là thời gian phun keo Theo công thức (3.5) ta tính được vân tốc tịnh tiến của pitong:

𝑣 = 𝑉

𝑇 𝑆=

3391

10 𝜋 52 = 4.31 𝑚𝑚/𝑠 Như vậy, từ yêu cầu của thời gian dán keo ta tính được vận tốc cần thiết của pitong, từ đó làm dữ liệu để tính toán chọn động cơ cho cụm dán keo

Lực đẩy cần thiết để pitong đẩy keo từ xilanh ra ngoài phải lớn hơn tổng lực ma sát giữ pitong và xilanh, lực đẩy do áp suất của khối chất lỏng tác động lên pitong, lực

ma sát giữa con trượt và ray trượt

𝐹 ≥ 𝐹𝑝 + ∑ 𝐹𝑚𝑠 (3.6)

Hình 3.2: Lực tác động lên pittong

Trong đó, 𝐹 là lực đẩy cần thiết, 𝐹𝑝 là lực đẩy do áp suất khối chất lỏng tác dụng lên đầu pitong, ∑ 𝐹𝑚𝑠 là tổng lực ma sát giữa pitong xilanh và con trượt và ray trượt

Để xác định lực F, trong luận văn tiến hành thực nghiệp để tìm ra lực F này, kết quả thực nghiệm được trình bày ở bảng dưới:

Bảng 3-1: Số liệu thực nghiệm lực đẩy:

Sau thực nghiệm ta tìm được lực đẩy lớn hơn 49.9 N

Như vậy ta có được 2 thông số lực đẩy trên khâu tịnh tiến 𝐹 = 50 𝑁, vận tốc 𝑣 =4.5 𝑚𝑚/𝑠.( ta làm tròn các thông số để tiện trong việc tính toán)

3.1.1 Chọn động cơ:

Công suất động cơ:

Công suất cần thiết trên để đẩy pitong

𝑃𝑝 = 𝐹 𝑣 (w) (3.7) Trong đó, 𝑃𝑝 là công suất cần thiết để đẩy pitong, F là lực đẩy, v là vận tốc

đẩy.Với 𝐹 = 50 𝑁, 𝑣 = 4.5 𝑚𝑚/𝑠 ta tính được công suất:

𝑃𝑝 = 50.0.0045 = 0.225 𝑊 Công suất cần thiết cho trên trục vit:

𝑃𝑡𝑣 =𝑃𝑝

𝜂 (3.8) Trong đó, 𝑃𝑡𝑣 là công suất cần thiết trên trục vít, 𝜂 là hiệu suất của bộ truyền trục vít đai ốc

Công suất cần thiết của động cơ được tính như sau:

𝑃𝑑𝑐 =𝑃𝑡𝑣

𝜂𝑡 (3.9) Trong đó, 𝑃𝑑𝑐 là công suất cần thiết của động cơ, 𝜂𝑡 là hiệu suất của nối trục

Theo (3.8), (3.9):

𝑃𝑑𝑐 = 𝑃𝑝

𝜂𝑡 𝜂=

0.2250,95.0,9 = 0.263𝑊(1)

Theo công thức (3.11), ta tìm được tốc độ là n = 270 (vg

ph)(2)

Từ công suất (1) và tốc độ (2) ta chọn được động cơ step NEMA 17

42HS4818 với các thông số ở bản dưới đây:

Bảng 3-2: Thông số động cơ NEMA 17

3.1.2 Tính toán bộ truyền vit me bi

Với số liệu lực dọc trục 𝐹𝑎 = 50𝑁 , chiều dài làm việc 𝑙0 = 100𝑚𝑚, công dụng của bộ truyền và điều kiện làm việc

Sơ đồ động của bộ truyền:

Hình 3.3: Sơ đồ bộ truyền vitme- đai ốc bi

Chọn vật liệu của bộ truyền vit me đai ốc lăn là Thép tôi- gang chống ma sát, the bảng 8.2 [7] ta tìm được giá trị áp suất cho phép [p]= 7:9 Mpa Giá trị ứng suất cho phép cho cặp vật liệu thép – gang là [𝜎𝑑]=42: 55 MPa

Đường kính trong 𝑑1 của vít được tính theo lực dọc trục 𝐹𝑎

𝑑1 ≥ √ 4𝐹𝑎

𝜋[𝜎𝑘](3.13) Với [𝜎𝑘] là ứng suất kéo cho phép của vit

[𝜎𝑘] =𝜎𝑐ℎ

390

3 = 130𝑀𝑃𝑎 Với 𝐹𝑎 = 50𝑁, ta tìm được 𝑑1 = 0.699 𝑚𝑚

Ta chọn đường kính 𝑑1 = 7.8 ,đường kính danh nghĩa chọn d=8, theo bảng trang 359[7] bước ren được chọn 𝑝 = 2

Chọn đường kính con lăn 𝑑𝑐𝑙 = (0.08 ÷ 0.15)𝑑1 = 0.64 ÷ 1.2 𝑚𝑚, làm tròn và chọn giá trị con lăn 𝑑𝑐𝑙 = 1𝑚𝑚

Bước ren được tính lại theo công thức 𝑝𝑠 = 𝑑𝑐𝑙+ (1 ÷ 5) = 2

Đường kính trung bình 𝑑𝑚 = 𝑑1+ 𝑑𝑐𝑙 , ta tính lại đường kính

𝑑1 = 𝑑𝑚− 𝑑𝑐𝑙 = 9 − 1 = 8𝑚𝑚 Góc năng ren được tính theo đường kính trung bình:

𝛾 = arctan ( 𝑝𝑠

𝜋𝑑𝑚) = 4.660

Theo các số liệu đã tìm được ở trên, ta chọn vit me đai ốc vi kí hiệu:

BSX0802-112 Của Misumi

Hình 3.4 Bản vẽ 2D của cặp vit me –đai ốc bi

Kiểm nghiệm khả năng tải cặp vit me- đai ốc bi theo điều kiện 𝜎𝑚𝑎𝑥 ≤ [𝜎𝑚𝑎𝑥]

và 𝐹𝑎 ≤ [𝐹𝑎]

Sau khi kiểm nghiệp ta thấy ứng suất nhỏ hơn ứng suất cho phép và lưc đọc trục cũng nhỏ hơn lực dọc trục cho phép nên bộ truyền này thõa mãn yêu cầu về bền

3.1.3 Tính toán chọn ổ lăn cho vit me đai ốc bi

Sau khi chọn được vit me-đai ốc bi cho cụm dán keo, ta tiến hành chọn ổ lăn cho trục vit me Với đường kính trục là d=6mm Thời gian làm việc của cụm dán keo là 1000h

Vì ổ lăn không chịu lực hướng kính nên ta chọn ổ bi đỡ chặn

• Tải trọng dọc trục tác dụng lên ổ 𝐹𝑎 = 50 𝑁

• Các hệ số Kσ, Kt, và V chọn bằng 1

• Không có lực hướng kính nên hệ số 𝑋0 = 0,6 𝑌0 = 0,5

• Tải trọng tĩnh quy ước:

𝑄0 = (𝑋0𝐹𝑟 + 𝑌0𝐹𝑎)𝐾𝜎𝐾𝑡 = 25 𝑁

Chọn ổ bi 706CE/HCP4A

với tải trọng tĩnh 𝐶0 = 500𝑁 Hình 3.4 trình bày các đặc điểm của ổ bi 706CE/HCP4A

Hình 3.5 Bảng các đặc điểm của ổ bi

Dụng sai lắp ghép: Cụm dán keo không yêu cầu độ chính xác quá cao, do đó ta

sử dụng mối lắp lỏng cho các mỗi ghép ổ lăn Cụ thể sử dụng dung sai 𝐻7

𝑒6, cho mối ghép ổ lăn với part nhôm và giữa ổ lăn với trục vit me

3.1.4 Tính toán mối ghép ren giữa tool và robot

Để cố định cụm dán keo lên mặt tựa đầu khâu thứ 6 của Robot gồm có 4 lỗ ren M5 Các mối ghép được thể hiện qua hình()

Hình 3.6 Gá cụm dán keo lên tay máy

Để đồng bộ, mối ghép sử dụng bu lông M5 và sau đó kiểm nghiệp lại mối ghép

Mối ghép ren giữa mặt đầu khâu 6 và cụm dán keo sẽ kiểm nghiệp theo trường hợp mối ghép chịu lực dọc trục đi qua trọng tâm của nhóm bu lông

Theo công thức (17.31)[7] tải trọng ngoài tác dụng lên một bu lông:

𝐹𝑖 =𝐹𝑠

𝑛 =

14.7

4 = 3.67𝑁 Trong đó, 𝐹𝑠 = 9,81.1,5 = 14.7𝑁 là tổng trọng lượng được tính toán trong phần mềm thiết kế solidwork của các chi tiết

Theo công thức (17.26b)[7], lực toàn phần tác dụng lên bu lông:

𝐹𝛴 = [ 1.3𝑘(1 − 𝜒) + 𝜒]𝐹𝑖

↔ 𝐹𝛴 = [1,3.1,5 (1 − 0,3) + 0,3] 3,67 = 6.11 𝑁 Trong đó:

[𝜎𝑐ℎ]=200Mpa: giới hạn chảy của vật liệu

Đường kính trong của bu lông M5 là 4.1 mm do đó mối ghép đủ chịu lực

3.2 Thiết kế và tính toán hệ thống điện

3.2.1Sơ đồ hệ thống điện