Thiết kế và chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng khí nén ứng dụng cho dây chuyền tự động

--- CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2018 TÊN CÔNG TRÌNH: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN ỨNG DỤNG CH

-

CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA

LẦN THỨ XX NĂM 2018

TÊN CÔNG TRÌNH: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN ỨNG DỤNG CHO DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ

CHUYÊN NGÀNH: Kỹ thuật công nghệ

Mã số công trình: ………

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH ii

TÓM TẮT 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.Lý do chọn đề tài 2

2.Mục tiêu nghiên cứu 2

3.Đối tượng nghiên cứu 2

4.Phạm vi nghiên cứu 2

5.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, quy mô và phạm vi áp dụng 2

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP 5

1 Mục tiêu 5

2 Phương pháp 5

PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 6

1 Kết quả thiết kế nguyên lý hoạt động của hệ thống 6

2 Kết quả thiết kế tay máy gắp sản phẩm 8

3 Kết quả thi công sản phẩm tay máy robot : gia công, lắp ráp, lập trình 9

PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 18

1 Kết luận 18

2 Đề xuất và kiến nghị 18

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Bản vẽ lắp tay máy robot 7

Hình 2 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển tay máy 7

Hình 3 Biểu đồ trạng thái và bảng tín hiệu điều khiển các xilanh của tay máy 8

Hình 4 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển 8

Hình 5 Hình thiết kế 3D của tay máy 9

Hình 6 Hình ảnh thực tế của tay máy hoàn chỉnh 10

Hình 7 Hình ảnh thực tế của tay máy hoàn chỉnh (nhìn từ phía sau) 10

Hình 8 Bản vẽ chi tiết khung sườn 11

Hình 9 Bản vẽ chi tiết thân Robot 11

Hình 10 Bản vẽ chi tiết ổ trượt 12

Hình 11 Bản vẽ chi tiết chi tiết giữ xi lanh A 12

Hình 12 Bản vẽ chi tiết giữ xi lanh B 13

Hình 13 Bản vẽ chi tiết ổ đỡ 13

Hình 14 Bản vẽ chi tiết tay quay 14

Hình 15 Cấu trúc vi điều khiển Arduino Mega 2560 14

Hình 16 Kết nối vi điều khiển và relay 15

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu và chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng khí nén phục vụ trong các dây chuyền sản xuất tự động Tay máy thay thế cho con người trong hệ thống sản xuất, giúp nâng cao độ tin cậy, năng suất của dây chuyền, và giảm thiểu tai nạn lao động Tay máy có 3 bậc tự do Tay máy gồm 3 chuyển động lần lượt

là xoay, trượt, trượt Mỗi chuyển động được truyền động bằng xylanh khí nén Hoạt động tự động của tay máy được điều khiển bằng chip vi điều khiển ATMega Tay

máy sau khi được tính toán, thiết kế, chế tạo đã được lắp ráp và có thể hoạt động tốt

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Lý do chọn đề tài

Công nghiệp hoá và hiện đại hoá giúp cho nền công nghiệp tăng năng suất từ đó tạo ra nhiều sản phẩm có chất lượng và giá thành phù hợp Một trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống sản xuất tự động là tay máy robot Tay máy giúp tăng năng suất, giảm thiểu tai nạn lao động và thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại, khắc nghiệt Tay máy robot được truyền động bằng nhiều dạng năng lượng khác nhau: thuỷ lực, khí nén, điện Tuỳ vào mức độ tinh vi và ứng dụng mỗi nguồn truyền động có ưu điểm khác nhau Trong các dây chuyền lắp ráp, vận chuyển linh kiện, thiết bị thì tay máy truyền động bằng khí nén thể hiện có nhiều ưu điểm hơn tay máy truyền động bằng các dạng năng lượng khác vì những lý do sau sạch, đáp ứng nhanh, dễ cung cấp, dễ chế tạo

Tay máy gắp sản phẩm được sản xuất nhiều trên thế giới và giá thành khá cao, vì thế đề tài này thực hiện việc thiết kế và chế tạo tay máy với giá thành thấp hơn rất nhiều và chủ động phát triển công nghệ trong nước Việt Nam

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tính toán, thiết kế, chế tạo tay máy ứng dụng trong dây chuyền sản xuất tự động tại Việt Nam

3 Đối tượng nghiên cứu

Tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng khí nén

4 Phạm vi nghiên cứu

Tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng khí nén tại Việt Nam

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, quy mô và phạm vi áp dụng

Ý nghĩa khoa học: thiết kế, chế tạo được tay máy robot ứng dụng trong các dây chuyền tự động nhằm nâng cao năng suất của dây chuyền, giảm thiểu tai nạn lao động

Ý nghĩa thực tiễn: giải quyết được vấn đề thiếu nguồn nhân lực phục vụ trong lĩnh vực sản xuất

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Tay máy robot được nghiên cứu và ứng dụng trong các dây chuyền tự động 8] Ưu điểm của tay máy là khả năng định vị chính xác, lặp lại chính xác và có thể thay đổi chương trình cho phù hợp với dòng sản phẩm mới trong dây chuyền sản xuất Tuỳ theo mỗi ứng dụng cụ thể, kết cấu cơ khí robot, các cảm biến trang bị, chương trình được thiết kế tương ứng phù hợp Trong các ứng dụng gắp đặt đơn giản, tay gắp robot truyền động bằng khí nén được sử dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm dễ chế tạo, đáp ứng nhanh, đơn giản và giá thành rẻ phù hợp ứng dụng đơn giản [5-7] Có nhiều kiểu thiết kế cấu trúc cơ khí tay gắp robot được nghiên cứu và trình bày trong tài liệu [3] Tay gắp 3 bậc tự do có vùng không gian làm việc là khối hình hộp hoặc cấu trúc kiểu toạ độ trụ Tuỳ mỗi ứng dụng mà cấu trúc cơ khí được thiết kế cho phù hợp [3] Hướng nghiên cứu và chế tạo tay máy khí nén gắp sản phẩm được nghiên cứu nhiều trong các trường đại học và ứng dụng cho các dây chuyền ép nhựa tại công ty sản xuất các sản phẩm nhựa Chế tạo, điều khiển tay máy sản phẩm nhựa bằng PLC, kết hợp truyền động bằng điện và khí nén được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của

[1-TS Lê Hoài Quốc tại ĐH Bách Khoa TP.HCM năm 2003 Chế tạo và điều khiển bằng PLC tay gắp sản phẩm nhựa được thực hiện tại trường ĐH Bách Khoa do ThS

Võ Anh Huy chủ trì năm 2002 Năm 2007, đề tài “Ứng dụng camera trong điều khiển tay máy gắp sản phẩm nhựa” đoạt giải ba giải thưởng Vifotec năm 2006, giải ba giải thưởng SV nghiên cứu khoa học của Bộ Giáo dục - đào tạo do TS Bùi Thanh Luân hướng dẫn

Tự động hoá quá trình sản xuất giúp tăng năng suất của quá trình sản suất, giảm thiểu sức lao động của con người, giảm thiểu tai nạn lao động Một ví dụ điển hình là tay máy gắp sản phẩm trong máy ép nhựa được thiết kế và chế tạo nhằm mục đích thay thế người lao động trong công đoạn sử dụng tay để lấy sản phẩm ra khỏi khuôn

ép Áp dụng tay máy tự động lấy sản phẩm loại bỏ nguy cơ mất an toàn lao động khi người công nhân trực tiếp lấy sản phẩm từ khuôn ép, đồng thời tăng tần suất hoạt động của máy ép, giảm chi phí thuê nhân công Vì những lý do trên, thiết kế và chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng khí nén và điều khiển sử dụng chip vi

điều khiển là thực sự cần thiết trong sản xuất vì nó mang lại lợi ích kinh tế trong sử dụng thực tế

- Phương pháp tính toán lý thuyết áp dụng trong việc tính kết cấu tay máy

- Phương pháp thiết kế cơ khí sử dụng phần mềm Autocad

- Phương pháp chế tạo chi tiết máy và lắp ráp máy

- Nghiên cứu lập trình hệ thống điện điều khiển tay máy chuyển động

- Phương pháp kiểm tra và đánh giá độ tin cậy của tay máy

PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN

1 Kết quả thiết kế nguyên lý hoạt động của hệ thống

Định hướng ứng dụng của tay máy dùng để gắp những thành phẩm trong sản xuất công nghiệp như các sản phẩm được làm ra từ khuôn nhựa, sản phẩm sau khi được đúc sẽ được tay máy gấp và chuyển trực tiếp vào thùng chứa

Cánh tay robot được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, nó giúp giảm bớt việc sử dụng sức lao động của con người vào quá trình sản xuất, năng cao năng suất và hiệu quả của công việc

Nguyên lý hoạt động: tay máy 3 bậc tự do được truyền động bằng 3 xylanh khí nén (xem hình 1): xylanh 8, xylanh 7, xylanh 9 Xylanh 9 duỗi ra truyền động khung

2 xoay quanh trục 4 Xylanh 7 duỗi ra đưa bộ phận tay kẹp tác động cuối đi xuống Xylanh 8 điều khiển cụm xylanh 7 di chuyển qua trái - phải Chuyển động của 3 xylanh này được điều khiển bằng 3 van khí nén tác động bằng cuộn từ Sơ đồ mạch khí nén được thể hiện trong hình 2 Một ứng dụng điển hình gắp sản phẩm được thể hiện trong biểu đồ trạng thái hoạt động của hệ thống như hình 3

Kích thước bao của tay gắp theo chiều dài x rộng x cao lần lượt là 485 x 160 x

563 (mm)

Hình 1 Bản vẽ lắp tay máy robot

Hình 2 Sơ đồ mạch khí nén điều khiển tay máy

Hình 3 Biểu đồ trạng thái và bảng tín hiệu điều khiển các xilanh của tay máy

2 Kết quả thiết kế tay máy gắp sản phẩm

Sơ đồ khối kết nối hệ thống của tay máy được thể hiện trong hình 4 Cụm nguồn cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống hoạt động, bộ điều khiển Arduino bật tắt các relay tương ứng để đóng ngắt các valve khí nén điều khiển hoạt động của cơ cấu chấp hành

là 3 xylanh khí nén

Hình 4 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển Kết cấu tay máy được thiết kế 3D sử dụng phần mềm Solidwork Hình 5 mô tả

Hình 5 Hình thiết kế 3D của tay máy

3 Kết quả thi công sản phẩm tay máy robot : gia công, lắp ráp, lập trình

Kết quả gia công chế tạo là sản phẩm thực tế như thể hiện trong hình 6, 7 Vật liệu chế tạo các chi tiết cơ khí là thép Bản vẽ gia công các chi tiết thể hiện trong các hình 8-14

Hình 6 Hình ảnh thực tế của tay máy hoàn chỉnh

Hình 7 Hình ảnh thực tế của tay máy hoàn chỉnh (nhìn từ phía sau)

Hình 8 Bản vẽ chi tiết khung sườn

Hình 9 Bản vẽ chi tiết thân Robot

Hình 10 Bản vẽ chi tiết ổ trượt

Hình 11 Bản vẽ chi tiết chi tiết giữ xi lanh A

Hình 12 Bản vẽ chi tiết giữ xi lanh B

Hình 13 Bản vẽ chi tiết ổ đỡ

Hình 14 Bản vẽ chi tiết tay quay

Bộ điều khiển hoạt động của tay máy là vi điều khiển được thiết kế sẵn trong module Arduino Mega 2560 Sơ đồ chân của mạch điều khiển chính được thể hiện trong hình 15 Sơ đồ kết nối dây giữ mạch Arduino và module relay được thể hiện trong hình 16

Hình 15 Cấu trúc vi điều khiển Arduino Mega 2560

Hình 16 Kết nối vi điều khiển và relay Chi tiết kết nối đầu giữa mạch Arduino và mạch module relay như sau:

- Modul relay 8 kênh (kích mức 0)

- Chân VCC relay được nối với chân 5 V của Arduino

- Chân GND của relay nối với chân GND của Arduino

- Các chân để xuất tín hiệu điều khiển từ mạch Arduino sang Module relay được sắp xếp theo thứ tự như sau:

o Chân số 13 của Arduino nối với chân IN1 của Module relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 1

o Chân số 12 của Arduino nối với chân IN2 của Module relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 1

o Chân số 11 của Arduino nối với chân IN3 của Module relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 2

o Chân số 10 của Arduino nối với chân IN4 của Module relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 2

o Chân số 9 của Arduino nối với chân IN5 của Module relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 3

o Chân số 8 của Arduino nối với chân IN6 của Module relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 3

o Chân số 7 của Arduino nối với chân IN7 của Modul relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 4

o Chân số 6 của Arduino nối với chân IN8 của Modul relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 4

Chương trình điều khiển hoạt động của tay máy được viết dựa trên ngôn ngữ lập trình C trên máy tính Sau đó nạp vào chip vi điều khiển Chương trình trong chip vi điều khiển vận hành hoạt động của tay máy

Chương trình điều khiển hoạt động gấp sản phẩm của cánh tay robot được thể hiện chi tiết như sau:

void setup()

{

// initialize digital pin LED_BUILTIN as an output

pinMode(13, OUTPUT); //Thiết lập chân số 13 trên mạch là chân xuất tín hiệu pinMode(12, OUTPUT); //Thiết lập chân số 12 trên mạch là chân xuất tín hiệu pinMode(11, OUTPUT); //Thiết lập chân số 11 trên mạch là chân xuất tín hiệu pinMode(10, OUTPUT) //Thiết lập chân số 10 trên mạch là chân xuất tín hiệu pinMode(9, OUTPUT); //Thiết lập chân số 9 trên mạch là chân xuất tín hiệu

pinMode(8, OUTPUT); //Thiết lập chân số 8 trên mạch là chân xuất tín hiệu

pinMode(7, OUTPUT); //Thiết lập chân số 7 trên mạch là chân xuất tín hiệu

pinMode(6, OUTPUT); //Thiết lập chân số 6 trên mạch là chân xuất tín hiệu

}

// the loop function runs over and over again forever

void loop()

{

digitalWrite(13, 1); //Tắt cuộn coil số 1 trên valve 1

delay(500); //delay 0.5 giây

digitalWrite(12, 1); //Tắt cuộn coil số 2 trên valve 1

delay(500); //delay 0.5 giây

digitalWrite(11, 1); //Tắt cuộn coil số 1 trên valve 2

delay(500); //delay 0.5 giây

digitalWrite(10, 1); //Tắt cuộn coil số 2 trên valve 2

delay(500); //delay 0.5 giây

digitalWrite(9, 1); //Tắt cuộn coil số 1 trên valve 3

delay(500); //delay 0.5 giây

digitalWrite(8, 1); //Tắt cuộn coil số 2 trên valve 3

delay(500); //delay 0.5 giây

digitalWrite(7, 1); //Tắt cuộn coil số 1 trên valve 4

delay(500); //delay 0.5 giây

digitalWrite(6, 1); //Tắt cuộn coil số 2 trên valve 4

delay(1000); //delay 1 giây

digitalWrite(13, 0); //Cuộn coil 1 trên valve 1 bật cho tay máy đi xuống sản phẩm delay(1000); //delay 1 giây

digitalWrite(6, 0); // Cuộn coil 2 trên valve 4 bật cho xi lanh 4 kẹp chặt sản phẩm delay(1000); //delay 1 giây

digitalWrite(13, 1); //Cuộn coil 1 trên valve 1 tắt để cuộn coid 2 bật

delay(10); //delay 1 giây

digitalWrite(12, 0); //Cuộn coil 2 trên valve 1 bật cho tay máy đi lên

delay(1000); //delay 1 giây

digitalWrite(10, 1); //Cuộn coil 2 trên valve 2 tắt để cuộn coid 1 bật

delay(10); //delay 1 giây

digitalWrite(11, 0); //Cuộn coil 1 trên valve 2 bật cho xilanh 2 đi ra

delay(1000); //delay 1 giây

digitalWrite(9, 0); //Cuộn coil 1 trên valve 3 bật cho tay xilanh 3 đi ra tay máy xoay delay(1000); //delay 1 giây

digitalWrite(12, 1); // Cuộn coil 2 trên valve 1 tắt để cuộn coid 1 bật

delay(10); //delay 1 giây

digitalWrite(13, 0); // Cuộn coil 1 trên valve 1 bật cho tay máy đi xuống gần thùng chứa sản phẩm

delay(1000); //delay 1 giây

digitalWrite(6, 1); // Cuộn coil 2 trên valve 4 tắt để cuộn coi 1 bật

delay(10); //delay 1 giây

digitalWrite(7, 0); //Cuộn coil 1 trên valve 4 bật cho xi lanh 4 đi ra để thả sản phẩm vào thùng chứa

delay(1000); //delay 1 giây

digitalWrite(13, 1); //Cuộn coil 1 trên valve 1 tắt để cuộn coid 2 bật

delay(10); //delay 1 giây

digitalWrite(12, 0); //Cuộn coil 2 trên valve 1 bật cho tay máy đi lên

delay(1000); //delay 1 giây

digitalWrite(9, 1); // Cuộn coil 1 trên valve 3 tắt để cuộn coi 2 bật

delay(10); //delay 1 giây

digitalWrite(8, 0); // Cuộn coil 2 trên valve 3 bật cho xi lanh 3 rút về xoay tay máy về vị trí ban đầu

delay(3000); //delay 3 giây

}

PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ

1 Kết luận

Đề tài này thực hiện việc tính toán, thiết kế và chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng khí nén Tay máy có 3 bậc tự do, mỗi một bậc tự do được truyền động bằng 1 xylanh khí nén Hoạt động của tay máy được điều khiển mạch Arduino (chip vi điều khiển ATmega) Tay máy sau khi được chế tạo và lắp ráp đã hoạt động đúng yêu cầu thiết kế Tốc độ chuyển động có thể điều chỉnh được cho phù hợp với từng ứng dụng trong công nghiệp

2 Đề xuất và kiến nghị

Kết nối internet để có thể điều khiển và kiểm soát hoạt động tay gắp từ xa Truyền động cho 3 chuyển động tay máy sử dụng động cơ servo, bộ điều khiển PID và trục visme Động cơ servo và bộ điều khiển PID giúp các chuyển động đáp ứng nhanh, không vọt lố và giảm tốc, dừng đúng vị trí mong muốn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 M VukobratovićD Stokić, Application of robots in assembly automation, Journal

of Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 4, Issues 1-2, 1988, Pages 175-180

2 KeshengWangTerje K.Lien , The structure design and kinematics of a robot manipulator—I Theory, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume

Simple-6 S Maeda, N Tsujiuchi, T Koizumi, M Sugiura and H Kojima, "Development and control of pneumatic robot arm for industrial fields," IECON 2011 - 37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Melbourne, VIC, 2011, pp 86-91

7 G Carducci Mario, Massimo Foglia ,Angelo Gentile ,Nicola Ivan, Giannoccaro A Messina, “Pneumatic robotic arm controlled by on-off valves for automatic harvesting based on vision localization” ,January 2005

8 Swapnil Gurav, Chetan Bagul, Rahul Ramole, Pukhraj Patil, 5 Prof Sneha Bire , “ Review on design and fabrication of pneumatic gripper for material handling”, Feb

2008

9 Milind R Shinde, V N Bhaiswar, B G Achmare ,“Designing a suitable robotic arm for loading and unloading of material on lathe machine using workspace simulation software” ,Jan-2016