Thiết kế chế tạo robot 6 bậc tự do gắp vật trên băng tải chống lệch

Các số liệu và dữ liệu ban đầu: - Vùng làm việc của robot 6 bậc - Các kích thước thông số của robot - Các điều kiện làm việc và những hạn chế bắt buộc của đề ra đối với băng tải - Các v

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN DUY HÙNG

LÊ ĐÌNH NGỌC

Số thẻ sinh viên : 101140143

101140191

Lớp: 14CDT1 14CDT2

1 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo robot 6 bậc tự do gắp vật trên băng tải chống lệch

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Duy Hùng Lớp: 14CDT1 MSV: 101140143

Giáo viên hướng dẫn: TS Lê Hoài Nam

TS Nguyễn Danh Ngọc

Giáo viên duyệt: TS Võ Như Thành

2 Nhu cầu thực tế của đề tài

Hiện nay, nhu cầu sử dụng robot để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc, cũng như trong những môi trường khắc nghiệt ngày càng cấp thiết Ngành công nghiệp robot đang ngày càng phát triển theo nhiều hình thức và cách sử dụng khác nhau Bên cạnh đó là vấn đề băng tải trong vận chuyển bị lệch, đây cũng là một vấn đề mà nhiều doanh nghiệp sản xuất đang muốn khắc phục và phát triển Để xây dựng lên một hệ thống, dây chuyền sản xuất tự động, không thể thiếu robot và băng tải vận chuyển Chính

vì thế, nhóm tác giả đã đi sâu nghiên cứu và giải quyết hai vấn đề này

3 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu hệ thống, thiết kế Robot 6 bậc

- Nghiên cứu mô hình cơ cấu chống lệch băng tải

- Điều khiển, thiết kế phần mềm và phần cứng cho Robot 6 bậc

- Xây dựng mô hình điều khiển robot và cơ cấu chống lệch băng tải

4 Nội dung đề tài đã thực hiện

- Tìm hiểu chung về các loại Robot, biết được ưu điểm và nhược điểm của mỗi loại

- Nắm được phần động học thuận và nghịch của Robot 6 bậc

- Nắm được phương pháp, thuật toán điều khiển

- Tìm hiểu về động cơ, driver diều khiển động cơ và thuật toán điều khiển chúng

Phần thiết kế thực tế:

- Xây dựng bài toán động học và động lực học

- Tìm hiểu phần mềm điều khiển Robot

- Xây dựng bản vẽ cơ cấu chống lệch băng tải

- Xây dựng demo cơ cấu

- Xây dựng bộ khung Robot chắc chắn

- Thiết kế tủ điện và các bộ phận điều khiển điểm làm việc

- Có mô hình kèm theo đĩa CD

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Duy Hùng Lê Đình Ngọc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Nguyễn Duy Hùng 101140143 14CDT1 Cơ Điện Tử

2 Lê Đình Ngọc 101140191 14CDT2 Cơ Điện Tử

1 Tên đề tài đồ án:

Thiết kế chế tạo robot 6 bậc tự do gắp vật trên băng tải chống lệch

Đề tài thuộc diện: ☒ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

- Vùng làm việc của robot 6 bậc

- Các kích thước thông số của robot

- Các điều kiện làm việc và những hạn chế bắt buộc của đề ra đối với băng tải

- Các vật liệu: nhôm nguyên khối, nhựa, nhôm định hình

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

TT Họ tên sinh viên Nội dung

1 Nguyễn Duy Hùng - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống và ứng dụng của

Robot trong công nghiệp

- Nghiên cứu các nguyên nhân và xây dựng các ý tưởng chống lệch băng tải

- Xây dựng hệ thống cơ khí cho đề tài

- Thiết kế hệ thống điện và tủ điện

- Xây dựng bản vẽ cho hệ thống

2 Lê Đình Ngọc

b Phần riêng:

TT Họ tên sinh viên Nội dung

1 Nguyễn Duy Hùng - Tìm hiểu cách thức hoạt động của động cơ và driver

- Giải quyết các bài toán động học, động lực học của robot

- Tìm hiểu giao diện điều khiển và tiến hành điều khiển

2 Lê Đình Ngọc - Thiết kế cơ cấu chống lệch băng tải

tài

4 Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ):

a Phần chung:

1 Nguyễn Duy Hùng “Bản vẽ sơ đồ động”.Kích thước A0

2 Lê Đình Ngọc

b Phần riêng:

1 Nguyễn Duy Hùng “Bản vẽ sơ đồ mạch điện điều khiển” Kích thước A0

“Bản vẽ các lưu đồ thuật toán” Kích thước A0

2 Lê Đình Ngọc “Bản vẽ chế tạo robot” Kích thước A0

“Bản vẽ chế tạo băng tải” Kích thước A0

5 Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:

TS Lê Hoài Nam

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tự động hóa ngày càng đóng một vai trò quan trọng Với tốc độ phát triển như hiện nay chúng ta không chỉ cần một lượng lao động khổng lồ mà còn đòi hỏi có trình độ, chất lượng tay nghề, kỹ thuật lao động và thiết bị sản xuất Mức độ phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng cao thì vấn đề tự động hoá ngày càng được chú trọng

Trong những năm gần đây, robot đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động kinh

tế, môi trường và xã hội Nó là một cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển vượt bậc của toàn nhân loại Nó giúp cho con người lao động ao toàn hơn, nâng cao hiệu quả sản xuất nhằm đẩy mạnh phát triển nền kinh tế và một phần nó còn làm giảm rác thải và ô nhiễm trong các nhà máy công nghiệp

Bên cạnh đó là vấn đề vận chuyển trong dây chuyển sản xuất, đó chính là băng tải Điều đặt ra cần giải quyết ở đây là vấn đề sai lệch băng tải trong quá trình hoạt động

Đã có rất nhiều phương án được nêu ra và sử dụng Từ những phương án sử dụng cơ cấu cơ khí, đến những phương án kết hợp điều khiển tự động đều đem đến mục tiêu duy nhất là khắc phục vấn đề lệch băng tải

Kết hợp xu thế phát triển của thời đại cũng những kiến thức quý báu được thầy cô truyền đạt qua 5 năm học tại trường Nhóm tác giả quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế

và chế tạo robot 6 bậc tự do gắp vật trên băng tải chống lệch.” nhằm đáp ứng nhu cầu trong các dây chuyển sản suất trong các nhà máy công nghiệp sao cho hệ thống là tối ưu nhất

Trong thời gian làm đồ án, được sự chỉ bảo tận tình của thầy TS Nguyễn Danh

Ngọc cùng sự hỗ trợ từ công ty Sunfiled Việt Nam, Maruyashu Kikai, công ty SMC, và

phía sau là sự giúp đỡ to lớn từ gia đình, bạn bè Nhóm tác giả đã thực sự cố gắng hoàn thành đề tài một cách tốt nhất Tuy nhiên, với kiến thức còn hạn chế, kinh nghiệm, kĩ năng còn thiếu, mặc dù cố gắng nhiều bên cạnh đó vẫn còn nhiều thiếu sót cần bổ sung, hoàn thiện hơn Mong thầy cô thông cảm và góp ý để đề tài của nhóm hoàn thiện hơn,

có thể phát triển và được ứng dụng trong thời gian sắp tới

Một lần nữa nhóm xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã động viên, giúp

đỡ trong suốt quá trình thực hiện đồ án này

Đặc biệt, nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đặc biệt là các Thầy đã trực tiếp hướng dẫn nhóm trong đề tài tốt nghiệp này

Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt các quy định về liêm chính học thuật:

Không bịa đặt, đưa ra thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn

Không ngụy tạo số liệu trong quá trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập hoặc hoạt động học thuật khác

Không sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt động học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình

Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của người khác như thể là của mình, trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tưởng của người khác mà không trích dẫn Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà không có trình dẫn hoặc phân mảnh thông tin về kết quả nghiên cứu của mình để công bố trên nhiều ấn phẩm

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Duy Hùng Lê Đình Ngọc

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3

LỜI NÓI ĐẦU 5

CAM ĐOAN 6

MỤC LỤC 7

DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ 10

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 3

1.1 Vấn đề cánh tay robot 3

1.2 Vấn đề băng tải 4

1.3 Mục tiêu đồ án 4

CHƯƠNG II: VẤN ĐỀ LỆCH BĂNG TẢI VÀ PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ 5

2.1 Nguyên nhân lệch băng tải 5

2.2 Một số phương án giải quyết vấn đề băng tải lệch 9

2.3 Đề tài nghiên cứu 10

2.4 Phương án thứ nhất 14

2.1.1 Ý tưởng 14

2.1.2 Demo cơ cấu và kết luận 15

2.5 Phương án thứ hai 16

2.2.1 Cấu tạo 16

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 18

CHƯƠNG III: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT 20

3.1 Yêu cầu công nghệ 20

3.1.1 Sức nâng tay máy 20

3.1.2 Số bậc tự do của phần công tác ( DOP: Degrees Of Freedom) 20

3.1.3 Độ chính xác vị trí 21

3.1.4 Tốc độ dịch chuyển 21

3.2 Phương án thiết kế về mặt động học 22

3.3 Tính toán động lực học, sức bền kết cấu 22

3.3.3 Nguyên tắc chung tính chọn hệ dẫn động 23

3.3.4 Phân tích lực do trọng trường tác dụng lên trục 24

3.4 Thiết kế bộ truyền 27

3.4.1 Khâu 1 27

3.4.2 Khâu 2 28

3.4.3 Khâu 3 28

3.4.4 Khâu 4 28

3.4.5 Khâu 5 29

3.5 Chế tạo mô hình robot 29

3.5.1 Đế và khâu 1 29

3.5.2 Khâu 2 30

3.5.3 Khâu 4 32

3.5.4 Chế tạo các trục 35

3.5.5 Mô hình hoàn chỉnh 37

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN, MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 38

4.1 Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển 38

4.2 Tính toán động học 39

4.2.1 Bài toán động học thuận 39

4.2.2 Bài toán động học ngược 42

4.3 Driver điều khiển động cơ DM542T 46

4.3.1 Giới thiệu 46

4.3.2 Thông số kỹ thuật 46

4.3.3 Kối nối các khối 47

4.3.4 Cấu hình công tắc DIP 48

4.3.5 Biểu đồ trình tự các tính hiệu điều khiển 50

4.4 Driver điều khiển động cơ DM320 51

4.4.1 Giới thiệu 51

4.4.2 Thông số kỹ thuật điện 51

4.4.3 Cấu hình công tắc DIP 51

4.4.4 Biểu đồ các tín hiệu điều khiển 53

4.7.1 Cách bố trí tủ điện 58

4.7.2 Contactor (MS) 58

4.7.3 Kết nối các khối thực tế 58

4.8 Thuật toán điều khiển 61

4.9 Giao điện điều khiển 62

4.9.1 Giao tiếp 62

4.9.2 Tốc độ, tăng tốc, giảm tốc 62

4.9.3 Di chuyển từng bước 63

4.9.4 Chương trình điều khiển 63

4.9.5 TÍNH TOÁN 68

4.9.6 IO TAB 69

CHƯƠNG V: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 70

5.1 Kết quả 70

5.2 Đánh giá 71

5.3 Kết luận 71

5.4 Hướng phát triển đề tài 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 74

Bảng 3.1 Khối lượng sơ bộ các chi tiết tính bằng phần mềm solidworks………… 24

Bảng 4.1 Bảng thông số DH……… 40

Bảng 4.2 Bảng thông số kỹ thuật điện………46

Bảng 4.3 Bảng các chân kết nối khối P1………47

Bảng 4.4 Bảng các chân kết nối khối P2……… 48

Bảng 4.5 Bảng cấu hình độ phần giải Microstep……… 49

Bảng 4.6 Bảng bộ chia dòng điện DM542……….49

Bảng 4.7 Bảng thông số kỹ thuật điện DM320……… 51

Bảng 4.8 Bảng bộ chia microstep……… 52

Bảng 4.9 Bảng bộ chia dòng điện DM320………52

Bảng 4.11 Thông số kỹ thuật của Board Arduino Mega……… 54

Bảng 7 1 Thông số chính ……….70

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống ……… 4

Hình 2.1 Sự liên kết giữa tang và băng tải……….5

Hình 2.2 Các mối nối băng tải tiêu biểu……….6

Hình 2.3 Vật liệu bám dính trên mặt băng và con lăn hồi về……….6

Hình 2.5 Trục và tang không song song với nhau………7

Hình 2.5 Cơ cấu dẫn hướng băng tải kết hợp gạt sạch……… 8

Hình 2.6 Các con lăn dẫn hướng băng tải……….8

Hình 2.7 Hệ thống gạt sach băng tải tự động……… 9

Hình 2.8 Các cơ cấu dẫn hướng cho băng tải……… 9

Hình 2.9 Dải dẫn hướng của đai……….10

Hình 2.10 Các nguyên nhân gây lệch băng tải đề ra……… 10

Hình 2.11 Cơ cấu căng đai bằng lò xo……… 11

Hình 2.12 Cơ cấu căng đai sử dụng đối trọng……….11

Hình 2.13 Băng tải đã được gắn rãnh dẫn hướng……… 12

Hình 2.14 Roller đã được xẻ rãnh……… 12

Hình 2.15 Một cách xẻ rãnh khác cho roller………13

Hình 2.19 Cơ cấu từ bài báo có số hiệu US20090166159A1……….14

Hình 2.20 Cơ cấu điều chỉnh băng tải Version 1……… 15

Hình 2.21 Roller điều chỉnh……… 16

Hình 2.22 Roller truyền động………17

Hình 2.23 Cơ cấu điều chỉnh roller……… 17

Hình 2.24 Động cơ dẫn và bộ cằng đai………18

Hình 2.25 Mặt dưới mô hình……… 18

Hình 2.26 Mặt trên mô hình………19

Hình 3.1 Mô hình cánh tay trên phần mềm solidworks……….22

Hình 3.2 Bảng thông số tay kẹp khí……… 23

Hình 3.3 Sơ đồ lực đặt vào đầu ra trục khớp 2 ở trạng thái giữ……….25

Hình 3.4 Thống số động cơ trục 2……….26

Hình 3.5 Bộ truyền đai khâu 1………27

Hình 3.6 Bộ truyền xích trục 3……… 28

Hình 3.7 Bộ truyền đai khâu 4……… 29

Hình 3.8 Bộ truyền khâu 5……….29

Hình 3.9 Mặt trên và mặt dưới khâu 1 và đế……….30

Hình 3.10 Mặt bên đỡ trục và động cơ………31

Hình 3.11 Độ dài khâu 2………31

Hình 3.12 Bộ phận kết nối động cơ 5……… 32

Hình 3.13 Gia đỡ động cơ 4 và kết nối hộ bộ truyền khâu 5……… 32

Hình 3.14 Bánh đai truyền động khâu 4……….33

Hình 3.15 Hộp chứa bộ truyền khâu 5………33

Hình 3.16 Khâu kết nối trục 5……… 34

Hình 3.17 Khâu kết nối và bộ phận che hộp bộ truyền………34

Hình 3.18 Khâu kết nối tay kẹp………35

Hình 3.19 Trục 1……….35

Hình 3.20 Trục 2……….36

Hình 3.21 Trục 4……….36

Hình 6.14 Trục 5……….37

Hình 6.15 Mô hình hoàn chỉnh……….37

Hình 4.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển……… 38

Hình 4.2 Hệ tọa độ trục lên các khâu……… 40

Hình 4.3 Khảo sát vùng làm việc……… 43

Hình 4.6 Kết nối với tín hiệu mở (anode chung) và Kết nối với tín hiệu PNP

(cathode chung )………48

Hình 4.7 Các công tắc DIP………48

Hình 4.8 Biểu đồ trình tự các tín hiệu điều khiển……… 50

Hình 4.9 Các công tắc DIP………52

Hình 4.10 Biểu đồ trình tự các tín hiệu điều khiển………53

Hình 4.11 Arduino Mega 2560……… 53

Hình 4.12 Sơ đồ chân board mega 2560 ………54

Hình 4.13 Sơ đồ kết nối các khối điều khiển……… 56

Hình 4.14 Sơ đồ kết nối dây……… 57

Hình 4.15 Contactor……… 58

Hình 4.16 Kết nối các khối driver điều khiển động cơ………59

Hình 4.17 Kết nối khối mạch xử lý arduino và relay……… 59

Hình 4.18 Kết nối khối khí nén và khối nguồn AC……… 60

Hình 4.19 Tủ điện hoàn chỉnh……… 60

Hình 4.20 Thuật toán điều khiển arduino……… 61

Hình 4.21 Giao điện điều khiển giao tiếp bằng máy tính………62

Hình 7 1 Hoàn thiện sản phẩm………70

- Phương án thiết kế cơ khí và tính toán động học, động lực học

- Xây dựng mạch điều khiển, thuật toán điều khiển và giao diện điều khiển

- Tiến hành xay dựng mô hình và điều khiển mô hình

• Cơ cấu chống lệch băng tải

- Giới thiệu

- Nguyên nhân và cách khắc phục vấn đề lệch băng tải

- Lên ý tưởng và tiến hành Demo cơ cấu bằng thiết kế cơ khí

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Trong cách mạng công nghệ 4.0 việc ứng dụng tự động hóa, trí tuệ nhân tạo vào sản xuất, kinh doanh là một xu hướng tất yếu nhằm tạo ra năng suất lao động cao Trên thế giới đã có nhiều nhà máy sử dụng toàn bộ hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa, đưa rô-bốt vào thay thế sức lao động của con người, tạo ra các sản phẩm tốt, độ chính xác cao Khi phân tích đến một dây chuyền sản xuất tự động, chúng ta không thể thiếu robot và băng chuyền sản phẩm

Khi nói tới khái niệm “tính linh hoạt” trong sản xuất, chúng ta chắc hẳn sẽ nghĩ tới các robot Nhờ có các hệ thống thị giác máy, các bộ điều khiển khả trình và thiết bị tay cuối mà robot có thể thực hiện được rất nhiều các tác vụ lặp đi lặp lại trong các nhà máy, các khu công nghiệp Robot có tất cả các ứng dụng từ lắp ráp với số lượng lớn cho tới các ứng dụng có độ phức tạp cao đều đòi hỏi phải ứng dụng tự động hóa linh hoạt Robot

có khả năng làm việc ở tần suất cao, độ chính xác đảm bảo, cũng như khả năng linh hoạt

ở nhiều môi trường làm việc khác nhau

Song song bên cạnh robot chính là băng tải, băng chuyển, một phần không thể thiếu trong dây chuyền sản xuất tự động Hệ thống băng tải giúp vận chuyển hàng hóa nhanh chóng và hiệu quả, giúp tăng năng suất và giảm lượng nhân công cho doanh nghiệp: Vấn đề đặt ra là giải quyết bài toán kết nối khả năng làm việc của robot và băng tải lại với nhau

1.1 Vấn đề cánh tay robot

Đối với các loại cánh tay robot, chúng ta cần phải đi sâu tìm hiểu khả năng làm việc

và mục đích sử dụng, rồi từ đó mới đi xây dựng các nền tảng như số bậc, độ bền, vùng làm việc,…

Với mỗi loại robot thì có nhu cầu sử dụng khác nhau Từ việc lắp đặt thiết bị cơ khí, robot hàn, robot vận chuyển, cũng như robot phục vụ trong các ngành y tế

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động

Vùng làm việc chỉ là một mặt phẳng, nên muốn tăng vùng làm việc robot, ta thiết kế một bậc tự do xoay quanh trục với trục vuông góc với mặt phẳng nằm ngang để biến

so với băng tải pvc do đó tốc độ sẽ chậm hơn

Khi băng tải di chuyển, do nhiều nguyên nhân mà băng tải sẽ có xu hướng bị lệch

về một phía bất kì, đây là điều không thể tránh khỏi Nó là vấn đề nghiêm trọng của băng tải trong suốt quá trình hoạt động của chúng, có thể là nguyên nhân gây ra hỏng mép băng tải, các cấu kiện và kết cấu của hệ thống băng tải, vật liệu, hoặc đồ dùng có thể rơi xuống đất gây tổn thất, hỏng hóc Lệch băng tải là một trong những nguyên nhân làm giảm tuổi thọ của toàn bộ hệ thống băng chuyền, giảm độ tin cậy của hệ thống, tăng thời gian vệ sinh giảm thời gian làm việc

Vấn đề đặt ra đối với băng tải luôn là xử lý được vấn đề lệch băng trong quá trình vận chuyển, mà vẫn giữ được độ bền cũng như nhiều điều kiện khác của băng tải khi hoạt động

1.3 Mục tiêu đồ án

Với những nhu cầu trong ngành công nghiệp hiện nay, kết hợp với yêu cầu được đặt

ra từ phía công ty Maruyashu Kikai, nhóm đã đưa đến một đề tài cho đồ án tốt nghiệp năm nay với mục đích xây dựng thành công mô hình

Ở quy mô đồ án tốt nghiệp này, nhóm đã lên ý tưởng thiết kế và xây dựng một hệ

thống tự động gôm cánh tay robot và băng tải đã được chống lệch Việc sử dụng robot

để gắp các vật trên băng tải cũng giống như thay thế con người trong các dây chuyền sản xuất, đóng gói sản phầm,…

Cấu trúc đồ án gồm hai phần chính:

- Xây dựng cơ cấu chống lệch băng tải phù hợp với yêu cầu công ty đề ra

- Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 6 bậc tự do

CHƯƠNG II: VẤN ĐỀ LỆCH BĂNG TẢI VÀ PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ

2.1 Nguyên nhân lệch băng tải

Vấn đề lệch băng tải có rất nhiều nguyên nhân, có thể do khách quan và cũng có thể

do chủ quan, dưới đây là một số nguyên nhân tiêu biểu trực tiếp tác động đến vấn đề làm lệch băng tải

o Mất cân bằng kết cấu hoặc tang của băng tải

Mất cân bằng không chỉ là nguồn gây rung động thường gặp nhất trong các máy có chuyển động quay mà còn gây ra nhiều hư hại cho máy Nó được xem như là KHUYẾT TẬT cần khắc phục trước tất cả các vấn đề khác Mất cân bằng ở các máy quay ngày càng trở thành một yếu tố quan trọng trong việc phát triển các thiết bị hiện đại đặc biệt đối với các thiết bị đòi hỏi tốc độ /hoặc độ tin cậy cao Sự mất cân bằng máy nói chung

là một hiện tượng có hại do đó cần phải xác định và khi cần thiết phải giảm thiểu hoặc trừ khử hoàn toàn

Hình 2.1 Sự liên kết giữa tang và băng tải

o Chất lượng mối nối băng tải kém, điều chỉnh độ căng đai

băng tải, góc tiếp xúc giữa ròng rọc và đai có hệ số ma sát là các thông số thiết kế quan trọng Cụ thể, độ căng của đai là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến lực ma sát và đai được điều chỉnh không phù hợp thường xuyên gây ra các vấn đề, chẳng hạn như uốn khúc Do đó, cơ chế điều chỉnh độ căng của băng tải là một hệ thống rất quan trọng

o Vật liệu bám dính trên bề mặt băng và con lăn hồi về

Vật liệu bám dính thường là những hạt nhỏ và có thành phần độ ẩm cao hơn vật liệu vốn được vận chuyển trên băng tải.Bảng tải rung khi chạy trên cấc con lăn, gây ra hiệu

Hình 2.2 Các mối nối băng tải tiêu biểu

Hình 2.3 Vật liệu bám dính trên mặt băng và con lăn hồi về

khỏi mặt băng, hỗn hợp dính này bám vào các mặt phẳng khác, bao gồm hệ thống gạt sạch băng tải và thành đứng của máng xả vật liệu Khi khô lại, những mảng bám này kết cứng, giảm hiệu quả làm sạch, gây hư hại mặt băng và có thể dẫn đén tắc máng liệu

o Trục, tang của băng tải không song song với nhau

o Chất lượng dây đai kém với các sợi dệt / vải không đối xứng với đường trung tâm Băng tải cao su dãn không đều

o Con lăn băng tải có đường kính khác nhau

o Trình điều khiển chuyển tiếp không được cài đặt hoặc điều chỉnh không đồng đều

o Mặt pully bị mòn, pully bị mòn không đều

o Khung idler (pully đệm) bị hư hỏng

Hình 2.5 Trục và tang không song song với nhau

o Băng chạy lệch có thể là do các kết cấu dẫn hướng của băng tải, băng chuyền bị

thiếu

o Do hệ thống các con lăn dẫn hướng bị sai lệch

Con lăn dẫn hướng không loại trừ được nguyên nhân thực tế gây lệch, băng tải cao

su có thể nhẩy lên trên con lăn dẫn hướng hoặc xoắn lại

Hình 2.5 Cơ cấu dẫn hướng băng tải kết hợp gạt sạch

Hình 2.6 Các con lăn dẫn hướng băng tải

o Do cửa đổ, hay các máng dẫn hướng liệu bị lệch

2.2 Một số phương án giải quyết vấn đề băng tải lệch

o Kiểm tra kết cấu của băng tải thường xuyên

o Vệ sinh băng tải

o Kiểm tra kĩ thuật phần cơ khí của băng tải, độ song song giữa hai tang băng tải, hoặc roller

o Kiểm tra băng tải, mối nối của băng tải trước khi lắp vào hệ thống sử dụng

o Điều cần thiết là phải kiểm tra thường xuyên để đảm bảo khung băng tải được đặt vuông góc và mọi thứ được xếp chính xác

o Tiến hành lắp đặt các cơ cấu dẫn hướng cho băng tải

Hình 2.7 Hệ thống gạt sach băng tải tự động

Hình 2.8 Các cơ cấu dẫn hướng cho băng tải

o Lắp dải dẫn hướng cho đai

2.3 Đề tài nghiên cứu

• Tiến hành đi sâu nghiên cứu nguyên nhân gây lệch băng tải

• Tập trung nghiên cứu nguyên nhân lệch hiện có

✓ Xây dựng ý tưởng các phương án

✓ Chọn lọc phương án, tiến hành xây dựng test thử

Để giải quyết vấn đề băng tải lệch, chúng ta phải hiểu rõ bản chất của vấn đề lệch băng tải là như thế nào Dựa vào các nguyên nhân đã tổng hợp ta có thể tóm tắt các vị trí tác động để giải quyết vấn đề lệch băng tải như sau:

a, Tác động vào đai (belt)

• Phương pháp căng đai :

Có rất nhiều phương án căng đai có thể sử dụng như sau:

Hình 2.9 Dải dẫn hướng của đai

Hình 2.10 Các nguyên nhân gây lệch băng tải đề ra

o Phương án căng đai bằng lò xo :

Phương án căng đai bằng lò xo là phương án căng đai tự động khá là tối ưu cho các

cơ cấu dây đai, băng tải cần căng đai thường xuyên.Thiết kế khá là nhỏ gọn, dễ áp dụng

Hình 2.11 Cơ cấu căng đai bằng lò xo

Hình 2.12 Cơ cấu căng đai sử dụng đối trọng

• Phương án tạo dẫn hướng cho đai bằng cách xẻ rãnh và gắn gờ lên đai

b, Phương án tác động vào con lăn (roller)

• Phương án tạo rãnh cho roller: Phương án này phải kết hợp với tạo gờ cho băng

tải

Để ngăn chặn sự uốn khúc của vành đai, có những trường hợp các bộ phận bổ sung được gắn vào mặt sau của băng tải cùng với tất cả chiều dài của nó, một ở giữa hoặc một cho mỗi cạnh bên (= hoàn toàn là hai phần) Các bộ phận bổ sung có hình dạng như vành đai V Dây đeo chéo phía sau này chạy cùng với mương của con lăn và ngăn ngừa uốn khúc Các con lăn được tạo rãnh để có rãnh phù hợp với các thanh ngang phía sau và có

thể ngăn chặn được sự uốn khúc

Hình 2.13 Băng tải đã được gắn rãnh dẫn hướng

Hình 2.14 Roller đã được xẻ rãnh

Hình 2.15 Một cách xẻ rãnh khác cho roller

• Phương án xây dựng cơ cấu để điều chỉnh hành trình roller

Hình 2.17 Cơ cấu điều chỉnh hành trình lên xuống của roller

Hình 2.16 Cơ cấu điều chỉnh hành trình ra vào của roller

2.4 Phương án thứ nhất

Với những yêu cầu đặt ra, và khả năng làm việc, nhóm đã phát triển 1 số ý tưởng dựa trên những nguyên nhân vốn có gây ra sự lệch băng tải trong quá trình dẫn động bài toán đặt ra là phải có một cơ cấu thuần cơ khí, tự động phát hiện và điều chỉnh khi băng tải bị lệch Với điều kiện cơ cấu không vi phạm những yêu cầu đặt ra của đề bài

đã nêu ở mục I

2.1.1 Ý tưởng

Nhóm đã tham khảo những bài báo khoa học và đưa ra ý tưởng phát triển từ cơ cấu

ở hình dưới rồi đưa ra phiên bản demo như sau

• Cấu tạo:

Cơ cấu gồm 2 phần đối xứng với nhau, với những chi tiết nhỏ như sau

Hình 2.18 Cơ cấu điều chỉnh hành trình lên xuống của roller

Hình 2.19 Cơ cấu từ bài báo có số hiệu US20090166159A1

Phần roler băng tải (41): Đây là con lăn hình côn có tác dụng làm giá đỡ và là truyền động cho băng tải nằm ở phía trên

Phần roler dẫn (9): Roler dẫn nằm chắn 1 bên băng tải, chuyển động lăn theo băng tải khi băng tải đụng vào Con lăn sẽ giữ cho băng tải ít bị mòn khi bị lệch

Phần điều chỉnh roler (46,48 ): Đây là phần chính có nhiệm vụ chuyển động nâng

hạ roler khi phát hiện băng tải bị lệch Các khớp được xây dựng trên cơ cấu khớp gập,

có độ bền tương đối cao, chuyển động nhờ ổ bi bên trong

Phần lò xo kéo (50): Khi điều chỉnh xong độ lệch băng tải thì càn phải có chuyển động kéo về để đưa roler về vị trí ban đầu Lò xo được chọn có độ co dãn tương đối, đủ

để giữ cơ cấu không bị đổ về một phía

Ngoài ra còn có một số bộ phận khác như thanh dẫn, băng tải, giá đỡ,…

• Nguyên lý hoạt động:

Khi băng tải bị lệch về một phía bất kì, đụng vào con lăn dẫn hướng chắn phía bên băng tải Con lăn khi đó chuyển động lăn theo băng tải để giảm độ mòn băng cũng như không gây giảm tốc độ băng tải Con lăn nghiêng về một phía kết hợp với các thanh dẫn hướng và các khớp điều chỉnh roler giúp kéo roler lên cao về phía bị lệch Khi đó roler

sẽ có xu hương dốc về phía không lệch, vì thế băng tải sẽ dần trôi về phía không lệch và

ổn định trạng thái ban đầu Khi không tồn tại độ lệch, đồng nghĩa với không còn lực kéo làm phần điều chỉnh hoạt động, khi đó lực kéo lò xo sẽ thắng lực kéo của cơ cấu đièu chỉnh làm băng tải quay trở về vị trí ban đầu Roler cân bằng, không tồn tại độ dốc Cứ thế hai bên sẽ tự động điều chỉnh cơ cấu lên xuống để đảm báo băng tải không lệch

2.1.2 Demo cơ cấu và kết luận Sau khi lên ý tưởng và tính toán thiết kế bằng phần mềm Solidworks, nhóm đã đi

đến bản thiết kế demo bằng nhựa như hình dưới

Roler truyền động kết hợp căng đai có tác dụng gắn liền với động cơ để truyền động cho băng tải, kết hợp với 2 roler nhỏ tạo thành cơ cấu căng đai Roler này được thiết kế

có răng để tạo ma sát tốt nhằm dẫn động băng tải

- Cơ cấu điều chỉnh độ ra vào của roler được nối với roler dẫn tạo nên chuyển động

vào ra khi băng tải bị lệch

Hình 2.22 Roller truyền động

- Động cơ dẫn và bộ căng đai giúp truyền động băng tải khi hoạt động

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.24 Động cơ dẫn và bộ cằng đai

Khi băng tải hoạt động, cơ cấu căng đai kết hợp roler dẫn động sẽ giữ cho băng tải chuyển động ổn định Khi có xu hướng băng tải bị lệch về một phía, đè lên con lăn của

cơ cấu điều chỉnh, làm cơ cấu điều chỉnh kéo về một phía Kết hợp với thanh kéo ở dưới, kéo roler nghiêng vào trong, đồng thời phía còn lại sẽ nghiêng ra ngoài Làm con lăn có

xu hướng nghiêng ngược lại so với chiều bị lệch, dẫn tới băng tải sẽ có xu hướng trượt

về lại để đảm bảo độ cân băng như cũ Khi trượt lại sẽ đụng vào con lăn bên này, và cứ thế sẽ tự điều chỉnh về vị trí cân bằng ban đầu

- Cơ cấu chưa điều chỉnh được độ lệch ở cường độ lớn

- Cơ cấu bằng nhựa khó đảm bảo để làm việc lâu dài và cường độ lớn

- Các khớp cầu chưa đảm bảo được biến thiên biên độ lớn, chỉ điều chỉnh ở biên độ nhỏ

Hình 2.26 Mặt trên mô hình

CHƯƠNG III: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH

ROBOT

3.1 Yêu cầu công nghệ

Robot cần thiết kế là robot dùng trong lắp ráp các chi tiết cơ khí tương đối nhẹ, có thể đặt trong những nơi khác nhau với các công việc khác nhau, các yêu cầu kỹ thuật cụ thể như sau:

3.1.1 Sức nâng tay máy

Đó là khối lượng lớn nhất của vật thể mà robot có thể nâng được (không kể khối lượng của các cơ cấu trong tay máy) trong điều kiện nhất định, ví dụ khi tốc độ dịch chuyển cao nhất hoặc khi tay với dài nhất Nếu robot có nhiều tay thì đó là tổng sức nâng của các cánh tay Thông số này quan trọng với các robot vận chuyển, xếp dỡ, lắp ráp,… Dải sức nâng của tay máy thay đổi rất rộng từ 0.1 đến hàng nghìn kilogram Các robot có sức nâng lớn thường dùng hệ truyền động thủy lực và điện, trong đó tỉ lệ dùng động cơ điện ngày càng tăng Truyền động khí nén cho đến nay vẫn dùng nhiều trong robot công nghiệp nhưng chủ yếu với các robot có sức nâng dưới 40kg

Với những yêu cầu đó, ta chọn sức nâng tay máy là 1kg

3.1.2 Số bậc tự do của phần công tác ( DOP: Degrees Of Freedom)

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do

Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động Đối với cơ cấu hở, số bậc tự

do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều, robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn Các robot hàn, sơn thường yêu cầu 6 bậc tự do Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6

Robot phải có xoay tay để xoay các đối tượng theo yêu cầu đặt ra Vì vật khớp phải

có là khớp xoay tay Khớp này được thiết kế là khớp quay

Robot cần tiếp cận đối tượng nên cần 2 khớp loại 5 là khớp vai và khớp khuỷu tay Đồng thời để tránh chướng ngại, hoạt động linh hoạt, robot cần thêm khớp cổ tay bố trí

Vùng làm việc chỉ là một mặt phẳng, nên muốn tăng vùng làm việc robot, ta thiết kế một bậc tự do xoay quanh trục với trục vuông góc với mặt phẳng nằm ngang để biến vùng làm việc từ một mặt phẳng thành một phần của hình cầu Theo phân tích, ta dùng khớp loại 5

Vậy tổng số bậc tự do thiết kế là 6 Các khớp quay đó bao gồm:

và khả năng bám quỹ đạo của nó

Đối với thiết bị điều khiển số, độ chính xác định vị liên quan đến 2 thông số là độ phân giải điều khiển (control resolution) và độ lặp lại (respeatability)

Tùy theo yêu cầu công nghệ, người ta dùng các robot có độ chính xác định vị trong khoảng (0.05-5) mm Với khả năng của máy tính và các thiết bị điều khiển hiện nay thì việc giảm sai số định vị xuống 0.05 mm không gây vấn đề về kinh tế và kỹ thuật

Ở đây độ chính xác định vị cần thiết là 0.5 mm

3.1.4 Tốc độ dịch chuyển

Về năng suất, người ta mong muốn tốc độ dịch chuyển của phần công tác hoặc từng khâu càng cao càng tốt Tuy nhiên, xét về mặt cơ học, tốc độ cao sẽ gây dẫn đến các vấn

đề như giảm tính ổn định, lực quán tính lớn, sự hao mòn nhanh của các cơ cấu,…

Về điều khiển, với độ phân giải nhất định của bộ điều khiển, muốn tăng tốc độ dịch chuyển có thể làm giảm độ chính xác định vị Vì vậy, vấn đề chọn tốc độ dịch chuyển hợp lý luôn phải được đặt ra khi thiết kế cũng như lựa chọn robot

Vì vậy chọn vận tốc các khớp của robot tối đa 10 vòng/phút

Chọn hộp giảm tốc phụ thuộc tốc độ động cơ bước và yêu cầu vận tốc góc của các khớp cánh tay Tốc độ yêu cầu của mỗi khớp là 10 vòng/phút, với tốc độ tối đa của động

cơ bước ta chọn 600 vòng/phút Nếu chọn tốc độ lớn hơn có thể không đảm bảo về momen lực Để lựa chọn chính xác ta phải tìm ra được đồ thị mô men – vận tốc của động

cơ nhưng thường thì trong catalog của các hãng không đưa ra Do đó:

+ Khớp quay thứ nhất được dẫn động qua bộ truyền đai răng với tỉ số truyền 1:6 và hộp giảm tốc với bộ chia 20

+ Khớp quay thứ hai được dẫn động với tỉ số truyền 1:1 và hộp giảm tốc với tỉ số

Hình 3.1 Mô hình cánh tay trên phần mềm solidworks

+ Khớp quay thứ ba được dẫn động qua bộ truyền xích với tỉ số truyền 1:1 và hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1:50

+ Khớp quay thứ tư được dẫn động qua bộ truyền đai răng với tỉ số truyền 1:2 và hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1:14

+ Khớp quay thứ năm: …

3.3.2 Chọn tay kẹp

Đầu tiên ta chọn tay kẹp khí theo khối lượng và bề mặt vật kẹp Do khối lượng vật và

kích thước không lớn nên ta chọn tay kẹp của SMC có mã MHZL2-10D như sau:

Hành trình kẹp 8mm, tay kẹp này thích hợp để kẹp vật có dạng lập phương kích thước 15mm, khối lượng 0,1kg Lực kẹp trong tối đa 11N, kẹp ngoài 17N, tùy vào bề mặt vật nâng mà lực kẹp có thể tùy chỉnh dựa vào áp lực khí nén đưa vào Khối lượng tay kẹp là 0,06kg

3.3.3 Nguyên tắc chung tính chọn hệ dẫn động

Thiết kế chi tiết từng khâu, khớp từ khớp trên cùng xuống khớp thấp nhất

Thiết kế chi tiết hệ dẫn động và kết cấu cho từng khâu, khớp theo các bước sau:

• Chọn vị trí nguy hiểm nhất, lực ma sát trên ổ trục sinh ra lớn nhất và momen sinh ra

Hình 3.2 Bảng thông số tay kẹp khí

• Vẽ sơ đồ phân bố lực và tính được momen sinh ra trên trục

• Chọn động cơ bước theo momen làm việc, tốc độ, độ phân giải, kích thước cánh tay…

• Phân phối lại tỉ số truyền nếu cần

• Thiết kế chi tiết trên phần mềm SolidWork, gán vật liệu tính khối lượng của khâu chứa trục khớp

3.3.4 Phân tích lực do trọng trường tác dụng lên trục

Sau khi ta tính toán chọn cơ cấu phù hợp cho các trục khớp 3, 4, 5 và 6 ta thiết kế chi tiết các khâu này trên phần mềm SolidWork Gán vật liệu cho từng chi tiết sau đó tính toán được khối lượng các chi tiết theo bảng sau:

Bảng 3.1 Khối lượng sơ bộ các chi tiết tính bằng phần mềm solidworks

STT Tên chi tiết Vật liệu Khối lượng (g) Chú thích

15 Khâu 5 Nhôm 37

nén

- Khối lượng khâu 2: m2 = 4829 g

- Khối lượng khâu 4: m3 = 1614 g

- Khối lượng khâu 5: m4 = 542 g

- Khối lượng khâu 6, tay kẹp và vật kẹp: m5 = 280 g Tính mô men tĩnh tác dụng lên trục 2:

Chọn vị trí nguy hiểm nhất chính là khi các khâu 2, 3, 4, 5, 6 duỗi thẳng ở vị trí nằm ngang, lúc này momen tĩnh do trọng trường gây ra là lớn nhất:

Tổng mô men tĩnh do trọng lực gây ra trên trục O2:

Hình 3.3 Sơ đồ lực đặt vào đầu ra trục khớp 2 ở trạng thái giữ

Ngoài ra khi làm việc từ trạng thái ban đầu là đứng yên, lực quán tính sinh ra kết hợp với tải trọng tĩnh sẽ gây ra lực cản lớn nhất đặt lên trục khớp 2 Ở đây ta bỏ qua ma sát

ổ trục do sử dụng ổ bi có hiệu suất truyền động cao (hệ số ma sát thấp 0,0015 – 0.006) Tính mô men cản do quán tính của các bộ phận chuyển động:

Để đơn giản trong việc tính toán ta xem các khâu là các thanh thẳng và vật nâng là chất điểm trong quá trình tính mô men quán tính

Mô men quán tính khâu 2 đối với trục O2: I2 = 4,83 0,3052/3 = 0,15 Nm2

I4 = 1,61 0,2082/12 + 1,61.0,4162= 0,2844 Nm2.( định lí dời trục Huygens)

Mô men cản trên trục 2: Mc2= Mt2 + Mqt2 = 18,32 + 0,12 ≈ 18440 Nmm

Suy ra mô men yêu cầu trên trục động cơ: Mdcyc = 18440/60 = 307, 3 Nmm

Ta chọn động cơ Step nema 23HS22-2804S-HG50 có các thông số kỹ thuật như sau

3.4 Thiết kế bộ truyền

Dựa theo từng tỷ số truyền cần đạt và động cơ có hộp giảm tốc đã dùng mà mỗi khâu

có sử dụng những bộ truyền khác nhau

3.4.1 Khâu 1

- Ta có khâu 1 là khâu đế xoay có phạm vi hoạt động là -170 đến 170 độ

- Động cơ sử dụng là Step nema 17HS15-1684S-HG20 bộ chia hộp giảm tốc là 20:1

- Yêu cầu đặt ra là cần truyền động ở một khoảng cách vừa phải do thiết kế, kết cấu đơn giản, cần truyền động với vận tốc đủ lớn, tỷ số truyền 1:6

⟹ Dựa theo yêu cầu ta chọn bộ truyền là bộ truyền đai thang như hình

Hình 3.4 Thống số động cơ trục 2

3.4.2 Khâu 2

- Ta có khâu 2 là khâu gập có phạm vi hoạt động từ -132 đến 0 độ

- Động cơ sử dụng là Step nema 23HS22-2804S-HG50 có bộ chia hộp giảm tốc là 50:1

- Khâu 2 không sử dụng bộ truyền, dùng động cơ gắn liền với trục 2

3.4.3 Khâu 3

- Khâu gập có phạm vi hoạt động từ 1-141 độ

- Yêu cầu đặt ra là truyền động cho khâu 3 là truyền động giữa 2 trục song song

có khoảng cách khá xa, cần bộ truyền nhỏ gọn, tỷ số truyền ổn định, hiệu suất cao để dùng được hết khả năng tải, lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ

- Động cơ sử dụng ở đây là Step nema 17HS15-1684S-HG50 có bộ chia hộp giảm tốc là 50:1

⟹ Dựa theo yêu cầu ta chọn bộ truyền là bộ truyền xích như hình

3.4.4 Khâu 4

- Khâu 4 là một khâu xoay có phạm vi hoạt động từ -165 đến 165 độ

- Động cơ sử dụng là Step nema 11HS20-0674S-PG14 có bộ chia hộp giảm tốc là 14:1

- Yêu cầu đặt ra là bộ truyền có khoảng cách vừa phải, kết cấu đơn giản, chống ồn, truyền động được với vận tốc đủ lớn Tỷ số truyền 1:2

⟹ Dựa theo yêu cầu ta chọn bộ truyền là bộ truyền đai thang như hình

Hình 3.6 Bộ truyền xích trục 3