Thiết kế cánh tay robot, thi công và điều khiển cơ cấu pick and place gắp vật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH VIỆN KỸ THUẬT – CHUYÊN NGHÀNH CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT, THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU PICK AND PLACE GẮP VẬT Sinh viên thực hiện LÊ TRẦN QUAN VINH – 17DCTA3 – 1711030341 TRẦN VŨ NGỌC TRUNG – 17DCTA3 – 1711030364 LÂM THÁI BẢO – 17DCTA3 – 1611030004 Giảng viên hướng dẫn TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MIN.

TỔNG QUAN

Định nghĩa về robot công nghiệp

Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau:

Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp, robot công nghiệp được định nghĩa là một cơ cấu chuyển động tự động có khả năng lập trình và lặp lại các chương trình Robot này có thể tổng hợp các chương trình trên các trục tọa độ, đồng thời có khả năng định vị, định hướng và di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ và gá lắp Chúng thực hiện những hành trình đã được cài đặt để thực hiện các nhiệm vụ công nghệ đa dạng.

Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ, robot được định nghĩa là một tay máy đa năng có khả năng lặp lại các chương trình Chúng được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc thiết bị chuyên dụng thông qua các chương trình điều khiển nhằm thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau.

Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga, robot công nghiệp được định nghĩa là một máy tự động có thể cố định hoặc di động, kết nối giữa tay máy và hệ thống điều khiển theo chương trình Robot này có khả năng lặp lại các chức năng vận động và điều khiển trong quy trình sản xuất.

Robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa quan trọng, không thể thiếu trong các hệ thống sản xuất linh hoạt Chúng đóng vai trò là phương tiện hiệu quả để tự động hóa quy trình, nâng cao năng suất lao động và giảm bớt gánh nặng cho con người trong những công việc nặng nhọc, độc hại, đồng thời vẫn đảm bảo sự giám sát của con người.

Cấu trúc chung của robot công nghiệp

Robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành, cảm biến, bộ điều khiển, bảng dạy và máy tính.

Hình 1.1 Sơ đồ một hệ thống Robot công nghiệp cơ bản

Cánh tay robot, hay còn gọi là tay máy, là một cấu trúc cơ khí được hình thành từ các khâu liên kết qua những khớp động, cho phép thực hiện các chuyển động cơ bản của robot.

Hình 1.2 Phần cơ khí của cánh tay robot công nghiệp [5]

Nguồn động lực là các động cơ điện, các hệ thống thủy lực, khí nén cho tay máy hoạt động

Dụng cụ thao tác là phần gắn trên khâu cuối cùng của robot, có nhiều kiểu khác nhau như dụng cụ cầm tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài và đầu phun sơn.

Bảng dạy (Teach-Pendant) là công cụ quan trọng giúp lập trình robot thực hiện các thao tác cần thiết theo yêu cầu công việc Sau khi được dạy, robot có khả năng lặp lại chính xác các bước đã học trong quá trình làm việc.

Hình 1.3 Một bảng dạy tiêu chuẩn của hãng FANUC [6]

Các phần mềm độc lập và chương trình điều khiển robot được cài đặt trên máy tính để quản lý robot thông qua bộ điều khiển (Controller), hay còn gọi là Modun điều khiển (Unit Driver) Modun điều khiển có thể tích hợp nhiều cổng I/O, cho phép kết nối với các thiết bị khác nhau như cảm biến, giúp robot nhận biết trạng thái của mình, xác định vị trí đối tượng làm việc hoặc dò tìm vật thể khác.

Hình 1.4 Tủ điện của robot công nghiệp [6]

Tay máy là thành phần thiết yếu của robot công nghiệp, quyết định hiệu suất làm việc của nó Mặc dù nhiều tay máy được thiết kế dựa trên cấu trúc và chức năng của tay người, hiện nay có nhiều kiểu dáng tay robot khác nhau Khi thiết kế và sử dụng tay máy, cần chú ý đến các thông số quan trọng như tầm với, số bậc tự do (thể hiện sự linh hoạt), độ cứng vững, tải trọng nâng và lực kẹp để đảm bảo hiệu quả hoạt động của robot.

1.2.1 Phân loại theo phương pháp điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển robot: Điều khiển hở và Điều khiển kín Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển Kiểu này đơn giản nhưng cho độ chính xác thấp

Điều khiển kín, hay còn gọi là điều khiển kiểu servo, sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để nâng cao độ chính xác trong quá trình điều khiển Có hai loại điều khiển servo phổ biến: điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường (contour).

Có hai kiểu điều khiển chính trong robot: điều khiển điểm - điểm và điều khiển contour Kiểu điều khiển điểm - điểm cho phép phần công tác di chuyển từ điểm này đến điểm khác theo đường thẳng với tốc độ thấp, thường được sử dụng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh và bắn đinh Ngược lại, điều khiển contour đảm bảo phần công tác di chuyển theo quỹ đạo bất kỳ với tốc độ điều khiển được, thường thấy trên các robot hàn hồ quang và phun sơn.

1.2.2 Phân loại theo ứng dụng

Dựa trên ứng dụng của robot trong sản xuất, có thể phân loại thành các loại như robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot phục vụ trong ngành dịch vụ và robot chuyển phôi Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào ứng dụng của tay gắp sản phẩm của robot.

Tay gắp

Sự phát triển của tay gắp bắt đầu vào năm 1969 tại đại học Stanford do Victor Scheinman dẫn dắt, ông đã tạo ra cánh tay Stanford với bộ kẹp điều khiển đầu tiên Trước đó, tay gắp thủy lực mặc dù nhanh và hiệu quả nhưng lại tiềm ẩn nguy hiểm và khó kiểm soát Cánh tay Stanford nổi bật với khả năng điều khiển 6 bậc tự do, sử dụng các bánh răng, ổ đĩa và động cơ DC trong cơ cấu của nó.

Vào những năm 1980, sự bùng nổ của vi mạch đã thúc đẩy sự phát triển phần cứng của tay kẹp theo mô hình tay gắp Stanford, phục vụ cho các ngành công nghiệp nặng Mặc dù một số yếu tố phản hồi và kiểm soát được sao chép từ cánh tay Stanford, nhưng các cánh tay công nghiệp đã được áp dụng chủ yếu trong sản xuất vũ khí và ô tô.

Ngày nay, phần lớn các tay gắp vẫn còn là khí nén [9]

1.3.1.1 Sự phát triển của tay gắp

Cánh tay Stanford là một thiết bị cơ học với tay kẹp dạng song song, bao gồm hai ngón tay thẳng có khả năng di chuyển cùng nhau Cấu trúc này cho phép tay kẹp nhả và kẹp chặt vật thể một cách linh hoạt nhờ vào hành trình di chuyển của các ngón tay.

Cuối những năm 1970, tay gắp hai ngón được phát minh với thiết kế giống như móng vuốt của tôm hùm, mang lại sự khác biệt so với tay gắp ngón song song Thiết kế ngón tay song song đơn giản hóa cấu trúc và duy trì lực giữ ổn định trong suốt hành trình Có hai loại thiết kế cho ngón tay song song: một loại sử dụng piston tác động trực tiếp để tạo ra lực bám cao lên đến 44482.22N với hành trình ngắn, và loại còn lại sử dụng piston có lực nhỏ hơn nhưng có hành trình dài hơn.

Vào năm 1980, một cải tiến kẹp mới mang tên tay gắp ba ngón đã được phát minh tại Viện Công nghệ Massachusetts với sự cấp phép của Barrett Technology Tay gắp này được thiết kế với bộ điều khiển servo, giao tiếp với 4 động cơ brushless và phần mềm điều khiển Mặc dù công nghệ này đã được phát triển từ những năm 80, nhưng hiện nay, tay gắp ba ngón đang bắt đầu được sử dụng rộng rãi.

1.3.1.2 Cơ cấu kẹp và cơ cấu xoay

Kẹp khí nén sử dụng khí nén kết hợp với xilanh truyền thống cần nhiều nguồn cung cấp không khí, đặc biệt là khi kết hợp hai chuyển động kẹp và xoay Trong các trường hợp khác, sau khi gắp vật, một cơ cấu cơ khí sẽ giữ vật đó Cơ cấu tay gắp Standford hiện vẫn được áp dụng rộng rãi, với việc bổ sung hàm trượt và phanh điện để giữ vật ở vị trí cố định, ngăn ngừa thiệt hại.

Schunk Inc đã phát triển một mô hình tay gắp nhỏ gọn hơn, chuyên sản xuất và lắp ráp các thành phần nhỏ Họ cũng đã kết hợp một dụng cụ kẹp song song với mô đun quay Schunk để nâng cao hiệu suất hoạt động.

RM có khả năng thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về lực kẹp và các thiết bị an toàn khác nhau trong ngành thiết kế bán dẫn Sự kết hợp giữa kẹp và xoay cần một số điều chỉnh trong thiết kế, bao gồm việc bổ sung piston dài hơn để đảm bảo quá trình điều khiển hoạt động hiệu quả trên các mô đun quay.

1.3.1.3 Tình hình hiện nay Đến tận ngày nay, tay gắp robot đã bị giới hạn ở hai và ba ngón Nhưng trong các công ty như Fesst Corp đã giới thiệu công nghệ mới kết hợp cơ điện tử và sinh học, hơn 30 bó cơ khí nén, xương bàn tay và xương ngón tay [9]

Sử dụng khí nén và ống đàn hồi giúp điều chỉnh đường kính và chiều dài theo yêu cầu nhiệm vụ Một ưu điểm của con người là cơ bắp không cần năng lượng sau khi đã di chuyển hoặc giữ trọng lượng, trong khi độ bền kéo và động cơ lực được đo bằng cảm biến chiều dài và áp suất Bộ điều chỉnh áp suất trong mô hình cung cấp lực, cho phép tinh chỉnh và thực hiện nhanh chóng.

Trên thế giới, nhiều ý tưởng về tay gắp đang được phát triển, bao gồm bàn tay robot kết hợp sự khéo léo và sức mạnh của con người Bộ điều khiển mới cho phép thực hiện các tác vụ phức tạp với nhiều bộ truyền động hơn, tăng cường sức mạnh cho ngón tay, từ đó tạo ra các cấu trúc linh hoạt và hiệu quả hơn cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Phần cuối của cánh tay robot đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp xúc và tương tác với các vật thể Mỗi ứng dụng công nghiệp yêu cầu một loại tay gắp phù hợp, và có thể phân loại chúng thành bốn loại chính: kẹp chân không, kẹp thủy lực, kẹp khí nén và kẹp điện servo.

Tay gắp servo ngày càng được ưa chuộng trong ngành công nghiệp nhờ khả năng kiểm soát dễ dàng và chính xác Chuyển động kẹp của chúng được điều khiển bởi động cơ điện, mang lại sự linh hoạt trong việc xử lý các loại vật liệu khác nhau Hơn nữa, tay gắp servo còn có hiệu quả về chi phí, vì không cần dây chuyền phức tạp và đảm bảo môi trường làm việc sạch sẽ.

Loại tay gắp này thường được sử dụng cho các vật có thể chịu được áp lực bởi tay gắp mà không biến dạng

Hình 1.8 Kẹp dạng song song [6]

Loại kẹp này thường được sử dụng với các vật có đường kính lớn và không thể bị ép bởi kẹp

Kẹp chân không thường được sử dụng để gắp các vật không chứa sắt, với giác hút chân không làm thiết bị chính Loại kẹp này hoạt động hiệu quả nhất trên các bề mặt trơn nhẵn, bằng phẳng và sạch sẽ Tuy nhiên, do chỉ có một bề mặt kẹp, nó không phù hợp với các vật có bề mặt gồ ghề hoặc có nhiều lỗ.

Hình 1.10 Giác hút [9] Được sử dụng trong các ứng dụng để gắp các vật liệu kim loại màu

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào việc phát triển một thiết bị gắp với nhiều hình dạng và vật liệu khác nhau, đồng thời đảm bảo tay gắp dễ dàng chế tạo Do đó, lựa chọn đầu tiên của chúng tôi là sử dụng loại kẹp áp lực.

Tay gắp dạng khí nén thường phổ biến do trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ gọn

Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh hiện đại, robot công nghiệp đang ngày càng đóng vai trò quan trọng và thay thế con người trong nhiều tình huống Đề tài “Điều khiển vị trí và lực trong tay máy gắp sản phẩm” nhằm giới thiệu thiết kế và mô phỏng 3D của cơ cấu tác động cuối, thiết kế mạch điện điều khiển, đề xuất bộ điều khiển và lập trình để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau Kết quả của nghiên cứu có thể được ứng dụng trong các quy trình gắp sản phẩm như đồ hộp, dây chuyền sản xuất văn phòng phẩm, linh kiện và phụ tùng.

Mục tiêu của đề tài

Thiết kế tay gắp cho robot để điều khiển lực tác dụng lên sản phẩm:

- Đối tượng: Mẫu gắp có kích thước 40x40x40mm, vật liệu mút xốp

- Kích thước tổng thể tay gắp: 200x120mm

- Tốc độ gắp tối đa: 0,31 m/s

- Tải trọng gắp vật: 0,5 kg

- Lực gắp tối đa: 1 kg

Nội dung thực hiện

- Thiết kế mô hình cơ khí và mô phỏng 3D cho tay gắp

- Thiết kế mạch điện điều khiển và truyền dữ liệu

- Lập trình vận hành điều khiển thiết bị

Kế hoạch thực hiện

Đề tài này nghiên cứu cơ cấu tay máy FANUC, trong đó quá trình điều khiển vị trí được thực hiện thông qua thiết bị teach-pendant, còn điều khiển lực được thực hiện bằng máy tính Các vị trí trong không gian được lập trình trước và giá trị lực cần thiết để gắp được đã được điều chỉnh sẵn Cơ chế chuyển đổi giữa điều khiển vị trí và điều khiển lực sử dụng cảm biến proximity để phát hiện sản phẩm, trong khi việc chuyển từ điều khiển lực sang điều khiển vị trí được thực hiện nhờ timer định thời.

Kết cấu đề tài

Đề tài được phân chia thành 6 chương, mỗi chương có nội dung cụ thể như sau:

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Yêu cầu của việc gắp và sắp xếp sản phẩm

Để chọn kết cấu tay máy phù hợp, cần xác định yêu cầu gắp và sắp xếp sản phẩm Hiện nay, sản phẩm thường được đóng gói trong hộp giấy để thuận tiện cho lưu trữ và vận chuyển Trong quá trình sắp xếp, cần đảm bảo sản phẩm bên trong hộp không bị rung lắc hay nghiêng, ảnh hưởng đến chất lượng Khi sắp xếp lên pallet, nếu hộp nghiêng sẽ gây va chạm, dẫn đến móp hộp hoặc làm mất vị trí sản phẩm Do đó, trục của bộ phận công tác phải vuông góc với mặt phẳng ngang và quá trình gắp nhả cần diễn ra đều đặn để tránh rung lắc mạnh.

Lựa chọn cơ cấu tay máy

Hiện tại có một số cơ cấu tay máy phù hợp với yêu cầu gắp và sắp xếp sản phẩm được nêu ra ở mục 2.1

Cơ cấu tay máy 1, hay còn gọi là tay máy Scara, là một trong những loại tay máy phổ biến trong ngành công nghiệp Cấu tạo của tay máy này bao gồm ba khớp xoay và một khớp tịnh tiến, với các trục song song giúp di chuyển linh hoạt trong không gian làm việc Các khớp xoay được điều khiển bởi động cơ điện với cơ cấu phản hồi, trong khi khớp tịnh tiến hoạt động nhờ vào xilanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng.

Hình 2.1 Sơ đồ cơ cấu tay máy 1 và tay máy điển hình Scara RH-20SDH của

- Trục của bộ phận công tác luôn vuông góc với mặt phẳng ngang, phù hợp trong việc gắp và sắp xếp sản phẩm

- Cơ cấu và chuyển động của tay máy đơn giản

- Khả năng mang tải của tay máy nhỏ hơn so với các loại tay máy khác

- Không gian làm việc của tay máy bị hạn chế theo phương thẳng đứng

- Tay máy chiếm nhiều diện tích hơn so với các loại tay máy khác, do đó gặp khó khăn trong các không gian làm việc chật hẹp

Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong việc gắp và sắp xếp sản phẩm, các hãng sản xuất robot công nghiệp hàng đầu như ABB và Kuka đã phát triển dòng robot chuyên dụng mang tên “Palletizing robot” Hình 2.2 và 2.3 minh họa cho hai mẫu robot thuộc dòng này Robot trong hình 2.2 được thiết kế với 5 khớp xoay, trong đó động cơ tại khớp xoay θ4 đóng vai trò quan trọng, giúp duy trì trục của khâu cuối luôn vuông góc với mặt phẳng ngang.

- Trục của bộ phận công tác vuông góc với mặt phẳng ngang, phù hợp trong việc gắp và sắp xếp sản phẩm

- Cơ cấu tay máy đơn giản

- Tay máy không chiếm nhiều diện tích so với cơ cấu tay máy 1, hoạt động tốt trong vùng không gian chật hẹp

- Tay máy có khả năng vươn lên để gắp các sản phẩm trên cao

Động cơ được lắp đặt tại các khớp xoay của tay máy làm tăng đáng kể khối lượng cánh tay, vì vậy động cơ tại các khớp xoay, đặc biệt là khớp xoay θ2, cần có công suất và mô men lớn để đảm bảo khả năng mang tải hiệu quả của tay máy.

- Độ vuông góc của trục bộ phận công tác và mặt phẳng ngang phụ thuộc hoàn toàn vào động cơ tại khớp xoay θ4

Hình 2.2 Sơ đồ cơ cấu tay máy 2 và tay máy điển hình KR 180 R3200 PA của

Tay máy 3 trong hình 2.3 là loại tay máy có 4 bậc tự do, bao gồm 4 khớp xoay: θ1, θ2, θ3 và θ4 Cấu trúc của tay máy 3 gồm hai hình bình hành ABCD và DEFG, giúp đảm bảo trục của bộ phận công tác luôn vuông góc với mặt phẳng ngang, không phụ thuộc vào động cơ tại các khớp xoay.

Hình 2.3 Sơ đồ cơ cấu tay máy 3 và tay máy điển hình KR 700 PA của Kuka

- Trục của bộ phận công tác luôn vuông góc với mặt phẳng ngang, phù hợp trong việc gắp và sắp xếp sản phẩm

- Tay máy không chiếm nhiều diện tích so với cơ cấu tay máy 1, hoạt động tốt trong vùng không gian chật hẹp

- Tầm với của tay máy cao hơn so với cơ cấu tay máy 1, có khả năng vươn lên để gắp các sản phẩm trên cao

Cấu trúc hai hình bình hành giúp tay máy nâng được tải nặng với động cơ có mô men và công suất nhỏ hơn so với tay máy một và hai.

Do động cơ được lắp đặt tại các khớp xoay của tay máy, khối lượng cánh tay tăng lên đáng kể Điều này yêu cầu động cơ tại các khớp xoay, đặc biệt là khớp xoay θ2, phải có công suất và mô men lớn để đảm bảo khả năng mang tải hiệu quả của tay máy.

Kết luận: Bài toán trong mục 1.5 liên quan đến việc gắp sản phẩm từ băng tải trên cao và sắp xếp lên pallet Với băng tải được bố trí sát góc tường, môi trường làm việc bị hạn chế Dựa trên yêu cầu và điều kiện làm việc thực tế, cơ cấu tay máy 3 cho thấy ưu điểm vượt trội so với cơ cấu tay máy 2 về khả năng gắp và sắp xếp sản phẩm cũng như khả năng mang tải Do đó, cơ cấu tay máy 2 không được ưu tiên.

Vì vậy trong luận văn sẽ tiến hành thiết kế tay máy gắp sản phẩm theo cơ cấu tay máy 3.

Lựa chọn cơ cấu tác động

Động cơ điện, với khả năng điều khiển linh hoạt, bao gồm các loại động cơ một chiều, xoay chiều và động cơ servo, trong đó động cơ servo được ưa chuộng nhất do khả năng điều khiển tự động qua hệ thống phản hồi Tín hiệu phản hồi từ cảm biến (encoder) giúp điều chỉnh vận tốc và chiều quay của động cơ Luận văn này tập trung vào việc lựa chọn giữa hai loại động cơ DC servo và AC servo để truyền động cho tay máy.

- Kích thước bên ngoài nhỏ

- Mô men của động cơ lớn

- Phải chuyển nguồn xoay chiều thành một chiều để sử dụng

- Sử dụng trực tiếp nguồn xoay chiều

- Điều khiển vị trí đạt được độ chính xác nhất định

- Tốc độ động cơ cao

- Mô men của động cơ lớn

- Mạch điều khiển phức tạp

Kết luận: Động cơ AC servo nổi bật với tốc độ cao, mô men lớn và khả năng điều khiển vị trí chính xác, rất phù hợp cho các ứng dụng tay máy gắp sản phẩm Hơn nữa, việc sử dụng nguồn xoay chiều giúp động cơ này trở thành lựa chọn lý tưởng trong ngành công nghiệp.

Do đó trong luận văn sử dụng động cơ AC servo để truyền động cho toàn bộ tay máy.

Lựa chọn bộ phận công tác

Tùy vào công dụng của từng loại tay máy, phần cuối của tay máy được trang bị các bộ phận công tác khác nhau Trên thị trường hiện nay có nhiều loại bộ phận công tác từ nhiều hãng sản xuất Các bộ phận công tác phổ biến cho tay máy gắp sản phẩm dạng hộp bao gồm bộ phận giác hút chân không và bộ phận tay kẹp.

❖ Bộ phận công tác dạng giác hút chân không

Bộ phận công tác này sử dụng các giác hút chân không cố định trên mặt phẳng ngang để hút và nâng hộp chứa sản phẩm Các giác hút hoạt động bằng cách tạo lực hút chân không để nhấc hộp lên và ngắt lực hút để thả sản phẩm Ưu điểm của phương pháp này là tính hiệu quả và độ chính xác cao trong việc xử lý sản phẩm.

- Cơ cấu đơn giản hơn so với các bộ phận công tác dạng khác

- Dễ dàng trong việc nâng các sản phẩm có bề mặt tiếp xúc rộng như tấm kim loại

- Do sử dụng lực hút chân không tác động trực tiếp lên sản phẩm nên cơ cấu tác động nhanh

Hình 2.4 Bộ phận công tác dạng giác hút FlexGripper – Vacuum của ABB [6]

- Gặp khó khăn đối với các sản phẩm có bề mặt tiếp xúc nhỏ hoặc không bằng phẳng

- Trường hợp sản phẩm bên trong hộp quá nặng, các giác hút chân không có khả năng gây biến dạng nắp hộp

Khi xảy ra sự cố mất điện đột ngột, lực hút chân không sẽ biến mất, khiến sản phẩm rơi xuống Điều này không chỉ gây nguy hiểm cho những người xung quanh mà còn làm hư hại sản phẩm.

❖ Bộ phận công tác dạng tay kẹp

Bộ phận công tác tay kẹp, như tay kẹp FlexGripper – Clamp của ABB, hoạt động dựa trên cơ cấu hai má kẹp song song, giúp tăng cường hiệu quả trong việc giữ và thao tác các vật thể.

Má kẹp A được giữ cố định trong khi má kẹp B chuyển động tịnh tiến nhờ xylanh khí nén chính Để tăng cường khả năng mang tải, má kẹp B còn được trang bị giá đỡ bản lề L hoạt động bằng xylanh khí nén phụ.

- Gắp và sắp xếp sản phẩm mà không làm biến dạng nắp hộp

- Có khả năng gắp các sản phẩm có bề mặt tiếp xúc nhỏ hoặc không bằng phẳng

- Có khả năng cùng một lúc gắp nhiều sản phẩm đang xếp chồng lên nhau

- Gặp khó khăn trong việc nâng các sản phẩm có bề mặt tiếp xúc rộng như các tấm kim loại

- Chỉ kẹp và nâng được các sản phẩm có khối lượng nhất định nằm trong giới hạn cho phép

Hình 2.5 Tay kẹp FlexGripper – Clamp của hãng ABB [7]

Để đáp ứng yêu cầu gắp và sắp xếp các sản phẩm hộp nặng 2kg lên pallet mà không làm ảnh hưởng đến hộp chứa sản phẩm, luận văn đã sử dụng bộ phận công tác dạng tay kẹp.

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Tính toán lựa chọn chiều dài các khâu

Hình 3.1 Sơ đồ tay máy được chọn trong luận văn

Đặt các điểm O, A, B, C, D, E, F, G, K, M như trong hình 4.1 Kẻ MK vuông góc với AO và cắt AO tại P N là hình chiếu vuông góc của A lên cạnh EM Để thuận tiện cho tính toán, quy ước hai khâu AD và DE có chiều dài bằng nhau; EM = 7 (mm); MK = 130 (mm); OA = 470 (mm) Từ tính chất hình bình hành ABCD và DEFG, suy ra AD = BC = DE = GF Xét tam giác cân ADE, chiều dài các cạnh AD, DE và AE luôn thỏa mãn bất đẳng thức.

Mà AD = DE nên bất phương trình (3.1) trở thành:

Để xác định chiều dài các khâu AD, BC, DE, GF của tay máy, cần tính toán chiều dài AE lớn nhất, nhằm đảm bảo tay máy có thể tiếp cận các vị trí S, T, U được nêu trong mục 1.5 ở chương 1.

- Điểm S (725, 1000, 730): điểm cao nhất mà tay máy cần phải với tới khi gắp các sản phẩm trên băng tải

- Điểm T (500, 0, 200): điểm gần nhất mà tay máy cần với tới khi đặt sản phẩm xuống pallet

- Điểm U (1300, -400, 200): điểm xa nhất mà tay máy cần với tới khi đặt sản phẩm xuống pallet

❖ Xét trường hợp tay máy đến vị trí cao nhất S:

Hình 3.2 Sơ đồ tay máy khi K ≡ S

❖ Xét trường hợp tay máy đến vị trí gần nhất T:

❖ Xét trường hợp tay máy đến vị trí xa nhất U:

Từ 3 trường hợp trên, suy ra được giá trị lớn nhất của AE là: AE = 1234 (mm) Theo phương trình (3.2) có:

⟹ BC = GF = AD = DE > 617 (mm) (3.10) Chọn BC = GF = AD = DE = 700 (mm)

Chọn kích thước các khâu còn lại như sau:

AB = DC = 250 (mm); DG = EF = 200 (mm); 𝐶𝐷𝐺̂ = 80 o

Bảng 3.1 Kích thước các khâu của tay máy

Thiết kế các khâu của tay máy

Dựa trên kích thước các khâu được liệt kê trong bảng 3.1 và tham khảo hình dạng tay máy gắp sản phẩm tiêu biểu của các hãng ABB và Kuka, chúng tôi tiến hành thiết kế các khâu của tay máy như thể hiện trong hình 3.3, 3.5 đến 3.9.

Khâu 1 của tay máy (hình 3.3) có hai vị trí cố định động cơ 1 và 2 Bên trong phần đế của khâu 1 là một bộ truyền bánh răng với một bánh răng cố định với phần đế của tay máy và một bánh răng chuyển động lắp trên trục đầu ra của động cơ 1 để truyền chuyển động xoay cho khâu 1 Ngoài ra để khâu 1 có thể xoay trên phần đế của tay máy, sử dụng một mâm xoay PRT-01-300 (PRT-Slewing Ring Bearing) của hãng Igus (hình 3.4) để nối phần đế và khâu 1 Các thông số của mâm xoay cho trong bảng 3.2

Hình 3.3 Khâu 1 của tay máy

Hình 3.4 Mâm xoay dòng PRT-01 của hãng Igus [8]

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của mâm xoay PRT-01

Type Weight (kg) Axial Load (kg) Radial Load (kg)

Hình 3.5 Khâu 2 của tay máy

Hình 3.6 Khâu 3 của tay máy

Khâu 3 và khâu tam giác của tay máy được kết nối thông qua mâm xoay PRT-01-100 (PRT-Slewing Ring Bearing) của hãng Igus Thông số kỹ thuật của mâm xoay này được trình bày chi tiết trong bảng 3.2.

Hình 3.7 Khâu 4 của tay máy

Hình 3.8 Khâu tam giác của tay máy

Hình 3.9 Thanh truyền của tay máy

Hình dáng và kích thước của các khâu được thiết kế theo hình 3.3 và từ hình 3.5 đến 3.9, trong khi các giá trị biến khớp của tay máy được giới hạn trong bảng 3.3 dưới đây.

Bảng 3.3 Giới hạn các giá trị biến khớp của tay máy

Thiết kế bộ phận công tác dạng tay kẹp

Sản phẩm dạng hộp được thiết kế với bề mặt ngoài có độ cứng cần thiết, giúp tận dụng trọng lượng của sản phẩm để tạo ra lực ma sát giữa hai má kẹp và sản phẩm, từ đó giữ và nâng sản phẩm hiệu quả Để tăng cường ma sát, hai lớp cao su dày 1 mm được cố định ở mặt trong của hai má kẹp, tại vị trí tiếp xúc với sản phẩm, với hệ số ma sát giữa cao su và giấy là μ = 0,84 Để đảm bảo lực ma sát Fms đủ lớn nhằm giữ tải trọng P, cần tạo ra lực F nén vuông góc với lực ma sát.

Với kết cấu bộ phận công tác dạng tay kẹp đã được chọn ở mục 2.4 Tiến hành tính toán lựa chọn xylanh khí nén chính và phụ cho tay kẹp

3.3.1 Tính toán lựa chọn xylanh chính cho tay kẹp Để đảm bảo sản phẩm không bị biến dạng do lực kẹp, trong quá trình tính toán, chỉ tính lực kẹp vừa đủ để sản phẩm được giữ cân bằng giữa hai má kẹp Khi đó, theo hình 3.10 biểu thức (3.11) cần thỏa

- Fms: lực ma sát tại bề mặt tiếp xúc giữa má kẹp và sản phẩm

- P: trọng lực của sản phẩm

Từ hình 3.10, cho tổng lực tác dụng theo phương ngang bằng 0, có thể suy ra: F 2.N

Hình 3.10 Sơ đồ phân bố lực trên tay kẹp

❖ Tính áp suất làm việc của xylanh khí nén:

Công thức tính lực tác động của xylanh khí nén:

- F (N): lực tác động của xylanh khí nén

- p (MPa): áp suất khí nén trong xylanh

- A (mm 2 ): diện tích pittong Với:

Hình 3.11 Trường hợp pittong tiến vào

Trong quá trình gắp và nhả sản phẩm, áp suất trong xylanh khí nén được duy trì ổn định Dựa vào bất phương trình (3.18), pittong sẽ tiến vào kẹp sản phẩm (hình 3.11) với lực kẹp nhỏ hơn so với lực khi pittong tiến ra để nhả sản phẩm.

Do đó cần phải lựa chọn xylanh khí nén và áp suất làm việc của xylanh sao cho F1

Xylanh khí nén FDXS10 của hãng Fabco Air là loại xylanh kép, với diện tích pittong khi tiến được tính là A ′ 2 = 2A2 và diện tích pittong khi lùi là A ′ 1 = 2A1 Thông số kỹ thuật chi tiết của sản phẩm được trình bày trong bảng 4.4, và các thông số này có thể được áp dụng theo phương trình (3.17).

Với F1 = F = 23,36 (N), từ phương trình (3.16) suy ra áp suất làm việc cần thiết của xylanh

Khí nén vào Khí thoát ra

Hình 3.12 Xylanh khí nén FDXS10 của hãng Fabco Air [9]

Bảng 3.4 Lực tác dụng (N) của xylanh khí nén dòng FDXS [9]

Diện tích pittong (mm 2 ) Á p suất làm việc p (MPa)

Kết luận: lựa chọn xylanh FDXS10 của hãng Fabco Air với áp suất làm việc là

Lực kẹp hiện tại là 0,2336 MPa, nhưng chỉ đủ để giữ sản phẩm ổn định giữa hai má kẹp trong trạng thái tĩnh Trong quá trình di chuyển, ngoại lực có thể làm sản phẩm mất vị trí cân bằng Để khắc phục điều này, có hai biện pháp: tăng lực kẹp hoặc thêm giá đỡ tay kẹp L ở phần đáy sản phẩm Do yêu cầu không làm biến dạng sản phẩm, phương án sử dụng giá đỡ tay kẹp L được ưu tiên Giá đỡ này được điều khiển bởi một xylanh khí nén phụ, gắn cố định trên mặt bên ngoài của má kẹp chuyển động tịnh tiến.

3.3.2 Tính toán lựa chọn xylanh phụ cho tay kẹp

Xylanh phụ truyền động cho giá đỡ tay kẹp L thông qua một thanh nối được thiết kế đặc biệt Khi giá đỡ L ở vị trí vuông góc và song song, thanh nối cũng sẽ có trục vuông góc và song song tương ứng với mặt phẳng ngang.

Khi xem xét giá đỡ L ở vị trí bất kỳ như hình 3.13 b, pittong của xylanh phụ sẽ di chuyển lùi vào trong xylanh, giúp đưa giá đỡ L về vị trí vuông góc như thể hiện trong hình 3.13 a.

Cần phải tính lực kéo FK của pittong đủ để nâng giá đỡ L lên

- PTN: trọng lượng của thanh nối

- PL: trọng lượng của giá đỡ L

49 a) Vị trí vuông góc φ = 90 0 b) Vị trí bất kỳ c) Vị trí song song φ = 0 0

Để xác định trọng lượng của thanh nối và giá đỡ L tương ứng với chuyển động của pittong xylanh phụ, trước tiên cần thiết kế 3D trên phần mềm SolidWorks Sau khi thiết kế, cần gán vật liệu và sử dụng chức năng Mass Properties để tính toán khối lượng của vật thể.

Hai má kẹp dày 5mm được làm từ nhôm tấm 6061 với khối lượng riêng là

2700 kg/mm 3 và được thiết kế như trong hình 3.14

50 a) Má kẹp tịnh tiến của tay kẹp b) Má kẹp cố định của tay kẹp

Hình 3.14 Hai má kẹp của tay kẹp

Hình 3.15 Mặt chính của tay kẹp

Hình 3.16 Các loại bát L sử dụng cho tay kẹp a) Bát L vuông góc b) Bát L phẳng

Bát L vuông góc được sử dụng để cố định vuông góc từng má kẹp thông qua hai con trượt tịnh tiến, trong khi bát L phẳng giúp định vị má kẹp cố định vào cạnh bên của mặt chính Ngoài ra, bộ phận liên kết có chức năng truyền chuyển động xoay từ động cơ bốn xuống tay kẹp.

Hình 3.18 Bộ phận liên kết giữa tay kẹp và khâu bốn của tay máy

Hình 3.19 Giá đỡ L của tay kẹp

Giá đỡ L (hình 3.19) và thanh nối (hình 3.17) của tay kẹp có khối lượng đo được trong SolidWorks lần lượt là 0,0357 (kg) và 0,0003 (kg) Thay vào phương trình (3.22) có được:

Lựa chọn xylanh khí nén tác động kép FJU16 từ hãng Fabco Air làm xylanh phụ cho tay kẹp là quyết định hợp lý, nhờ vào kích thước phù hợp và lực tác động đáp ứng yêu cầu của phương trình (3.22) với các thông số được chỉ định trong bảng 3.5.

Hình 3.20 Xylanh khí nén tác động kép FJU16 của hãng Fabco Air [6]

Bảng 3.5 Các thông số của xylanh khí nén tác động kép FJU16

Thông số Giá trị Đường kính xylanh D 16 (mm) Đường kính trục pittong d 6 (mm) Áp suất làm việc tối thiểu pmin 0.3 (MPa)

❖ Kiểm tra bền cho tay kẹp

Hình 3.21 Kết quả kiểm tra bền cho má kẹp cố định

Trong quá trình thiết kế, hai má kẹp và giá đỡ L được xác định là vị trí có nguy cơ kém bền nhất, vì vậy đã tiến hành kiểm tra độ bền cho các chi tiết này Kết quả cho thấy, với lực kẹp bằng phản lực N 11,68 (N), ứng suất lớn nhất trên hai má kẹp là 5,048 N/mm², thấp hơn nhiều so với ứng suất cho phép 275 N/mm² Mặc dù lực kẹp đủ để giữ sản phẩm, giá đỡ L chỉ đóng vai trò phụ, nhưng vẫn cho thấy đủ độ bền khi chịu trọng lực của toàn bộ sản phẩm Do đó, tay kẹp được xác nhận đủ bền để gắp và sắp xếp sản phẩm dạng hộp nặng 2 kg lên pallet.

Hình 3.22 Kết quả kiểm tra bền cho giá đỡ L của tay kẹp

Hình 3.23 Thiết kế 3D của tay kẹp trên SolidWorks

Tính toán mô men và lựa chọn động cơ

Với thiết kế tay máy và bộ phận công tác theo mục 3.2 và 3.3, việc sử dụng chức năng Mass Properties giúp xác định khối lượng và thống kê chi tiết như trong bảng 3.6.

Bảng 3.6 Khối lượng các thành phần của tay máy

Chi tiết Khối lượng (kg) Chi tiết Khối lượng (kg)

Khâu 1 M1 = 87 Khâu tam giác Mtg = 2,2 Khâu 2 M2 = 25,2 Thanh truyền Mtt = 1,75 Khâu 3 M3 = 10,8 Bộ phận công tác Mct = 2,2

Sau khi xác định khối lượng của các khâu, bước tiếp theo là tính toán mô men và lựa chọn động cơ phù hợp Để đơn giản hóa quá trình tính toán cho tay máy có nhiều khâu, ta giả định rằng trọng lực của các khâu được đặt tại trung điểm trục của từng khâu, như minh họa trong hình 3.24.

Hình 3.24 Sơ đồ phân bố trọng lực trên tay máy

 : trọng lực của thanh truyền ( là khối lượng thanh truyền)

 : trọng lực của khâu 2 ( là khối lượng khâu i với i =1 5)

 : tổng trọng lực của khâu tam giác và động cơ 3

 : tổng trọng lực của khâu 4, bột phận công tác, sản phẩm và động cơ 4

❖ Mô men tại khớp quay thứ tư:

Khớp quay thứ tư hoạt động độc lập với trọng lực và chỉ chịu tác động từ mô men quán tính Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần cung cấp mô men đủ lớn tại khớp quay này để vượt qua mô men quán tính của bộ phận công tác và sản phẩm Để đơn giản hóa việc tính toán mô men quán tính, có thể coi bộ phận công tác và sản phẩm của tay máy như một đĩa tròn xoay có tổng khối lượng và bán kính xoay là 175 mm.

 I là mô men quán tính và là gia tốc góc

Dựa trên kết quả từ phương trình (3.24), động cơ SHA20A50CG thuộc dòng SHA Series của HarmonicDrive đã được chọn cho khớp thứ 4 của tay máy, với các thông số chính được trình bày trong bảng 3.7 Động cơ trong dòng SHA Series được trang bị hộp giảm tốc harmonic tích hợp, giúp tăng cường mô men xoắn cho động cơ.

Bảng 3.7 Thông số cơ bản của động cơ SHA20A50CG

Thông số Đơn vị Giá trị

Mô men xoắn lớn nhất N.m 73

Tốc độ lớn nhất r/min 120

Tỷ số truyền hộp số harmonic 1:50

❖ Mô men tại khớp quay thứ ba:

Dựa trên kết quả từ phương trình (3.25), động cơ SHA25A80CG thuộc dòng SHA Series của HarmonicDrive đã được chọn cho khớp thứ 3 của tay máy, với các thông số kỹ thuật chính được trình bày trong bảng 3.8.

Bảng 3.8 Thông số cơ bản của động cơ SHA25A160CG

Thông số Đơn vị Giá trị

Mô men xoắn lớn nhất N.m 178

Tốc độ lớn nhất r/min 70

Tỷ số truyền hộp số harmonic 1:80

❖ Mô men tại khớp quay thứ hai:

Dựa trên kết quả tính toán từ phương trình (3.26), động cơ SHA32A160CG thuộc dòng SHA Series của hãng HarmonicDrive đã được lựa chọn cho khớp thứ hai của tay máy, với các thông số chính được trình bày trong bảng 3.9.

Bảng 3.9 Thông số cơ bản của động cơ SHA32A160CG

Thông số Đơn vị Giá trị

Mô men xoắn lớn nhất N.m 484

Tốc độ lớn nhất r/min 30

Tỷ số truyền hộp số harmonic 1:160 Khối lượng (Mđ𝑐2 = Mđ𝑐1) kg 8

❖ Mô men tại khớp quay thứ nhất:

Mô men tại khớp quay thứ nhất được tính giống như mô men tại khớp thứ tư Để đơn giản hóa việc tính mô men quán tính, khâu 1 của tay máy được coi như một đĩa tròn xoay có khối lượng và bán kính r1, trong khi các khâu còn lại của tay máy được xem như một thanh đồng chất với khối lượng Mtay may và chiều dài Ltay may.

 Mtay may = M2 + M3 + M4 + Mtg + 2 Mtt + Mct + Msp + Mđc3 + Mđc4 = 57,2 (kg)

Do ở khớp thứ nhất này sử dụng một bộ truyền bánh răng có tỷ số truyền u 4, do đó mô men thực sự cần ở động cơ là:

Dựa trên kết quả từ phương trình (3.29), động cơ SHA32A160CG thuộc dòng SHA Series của hãng HarmonicDrive được lựa chọn cho khớp thứ nhất, tương tự như động cơ sử dụng cho khớp thứ hai.

Tính toán bộ truyền bánh răng

Hai cấp bánh răng chọn cùng vật liệu: thép 45 được cải thiện Theo bảng 6.13[5] đối với:

- Bánh dẫn: chọn độ rắn trung bình HB1 ≈ 250 HB Giới hạn bền σ b = 850 (MPa) Giới hạn chảy σ c = 580 (MPa)

Bánh bị dẫn HB2 được tính toán bằng công thức HB2 = HB1 - (10 ÷ 15) ≈ 235 HB, với giới hạn bền σ b là 750 MPa và giới hạn chảy σ c là 450 MPa Do bộ truyền sử dụng là bộ truyền hở, việc thiết kế sẽ dựa trên ứng suất uốn với tỷ số truyền được chọn là u = 4.

- Mô men xoắn trên trục của bánh dẫn: T1 = 109945 (N mm)

- Theo bảng 6.15[5]: Ψba = 0,3 ÷ 0,5 Chọn Ψba = 0,3 theo tiêu chuẩn Khi đó:

- Theo bảng 6.4[5], ta chọn KHβ = 1,03; KFβ = 1,05

- Khoảng cách trục: aw = 150 (mm)

- Bề rộng răng: bw = Ψba aw = 0,3.150 = 45 (mm)

- Xác định môđun mn: mn = (0,01 ÷ 0,02) aw = (0,01 ÷ 0,02).150 = 1,5 ÷ 3 Chọn mn 2

- Từ điều kiện: 20 0 ≥ β ≥ 8 0 Suy ra số răng bánh dẫn:

- Số răng bánh bị dẫn: z2 = u z1 = 4.29 = 116 răng

- Theo các công thức trong bảng 6.11[5] ta có:

+ Đường kính đỉnh răng: da1 = d1 + 2mn = 60 + 2.2 = 64 (mm) da2 = d2 + 2mn = 240 + 2.2 = 244 (mm) + Đường kính đáy răng: df1 = d1 – 2,5mn = 60 – 2,5.2 = 55 (mm) df2 = d2 – 2,5mn = 240 – 2,5.2 = 235 (mm)

❖ Kiểm tra độ bền uốn:

Theo bảng 6.13, giới hạn mỏi uốn của bánh răng được xác định với công thức σOF lim = 1,8 HB Cụ thể, σOF lim1 = 1,8.250 = 450 (Mpa) và σOF lim2 = 1,8.235 = 423 (Mpa) Đây là các giá trị ứng suất uốn cho phép.

- Hệ số dạng răng YF

+ Đối với bánh bị dẫn:

- Đặc tính so sánh độ bền uốn các bánh răng:

+ Đối với bánh bị dẫn:

- Vận tốc vòng bánh răng:

Theo bảng 6.3 [5] chọn cấp chính xác 9 với vgh = 3 (m/s)

- Kiểm tra độ bền uốn theo bánh dẫn có độ bền thấp hơn với hệ số KFV = 1,04 tra theo bảng 6.6 [5]

Vậy bộ truyền bánh răng thỏa yêu cầu về độ bền uốn

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY

Bài toán động học thuận

Hình 4.1 Sơ đồ hệ trục tọa độ của tay máy y 1 x 1 z 1 y 2 x 2 z 2 z 0 x 0 y 3 ≡ y 4 x 3 z 3 ≡ z l2 l3

Bảng 4.1: Bảng thông số D-H i αi a𝑖 di θi

Từ bảng thông số D-H có được các ma trận chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ như sau:

Với ci = cosθi cij = cos (θi + θj) = cicj − sisj si = sinθi sij = sin (θi + θj) = sicj − cisj

Bài toán động học ngược

❖ Tọa độ tại cuối khâu 3:

Từ thiết kế của tay máy và bộ phận công tác, suy ra tọa độ của tay kẹp:

Bình phương hai vế của phương trình (4.15)

Bình phương hai vế của phương trình (4.17)

Tính tổng hai phương trình (4.16) và (4.18) có

Từ phương trình (4.17) suy ra:

Dựa vào phương trình (4.26) để lựa chọn cặp nghiệm cho tay máy

Kiểm tra bài toán động học

Trong chương 3, thiết kế cơ khí các khâu của tay máy được thực hiện, sau đó mô hình 3D của tay máy được tạo ra trong Solidworks (hình 4.2) Tiếp theo, Add-ins SimMechanics Link trong Solidworks được sử dụng để xuất mô hình 3D dưới dạng SimMechanics First Generation vào môi trường Matlab Simulink Kết quả là sơ đồ khối ban đầu được hình thành như hình 4.3, bao gồm một số khối cơ bản.

- Khối Body: biểu diễn một vật thể cứng, cụ thể là các khâu của tay máy

- Khối Revolute: biểu diễn một khớp quay xung quanh một trục xác định giữa hai Body

Khối Ground trong SimMechanics đóng vai trò quan trọng, biểu diễn một điểm cố định trên nền hoặc giá đỡ, nơi đặt gốc của hệ tọa độ World Mọi mô hình SimMechanics đều yêu cầu ít nhất một khối Ground để đảm bảo tính chính xác trong việc xác định vị trí và chuyển động.

- Khối Cylindrical: biểu diễn một khớp kết hợp với một bậc tự do tịnh tiến Trục quay và trục tịnh tiến phải là song song

Hình 4.2 Thiết kế 3D của tay máy trong Solidworks

Hình 4.3 Sơ đồ khối ban đầu sau khi xuất mô hình 3D của tay máy sang

Khối Weld biểu thị một khớp không có bậc tự do, nơi hai Body được kết nối ở các phía khác nhau của khối Weld Hai phần này bị khóa chặt với nhau, không cho phép chuyển động tương đối giữa chúng.

Sau khi hoàn thành việc tính toán động học tay máy và xây dựng sơ đồ khối ban đầu như hình 4.3, bước tiếp theo để kiểm tra bài toán động học là bổ sung cụm khối tác động cùng với các cụm khối hiển thị Kết quả sẽ tạo ra sơ đồ khối hoàn chỉnh như trong hình 4.4.

Hình 4.4 Sơ đồ khối được sử dụng trong quá trình mô phỏng

❖ Cụm khối tác động gồm có:

- Khối Joint Actuator: tác dụng lực hoặc mô men tạo chuyển động cho một khớp

- Khối Derivative: tính đạo hàm của dữ liệu đầu vào

Khối From - Workspace trong Simulink có chức năng trích xuất dữ liệu từ Matlab Workspace để cung cấp cho mô hình Dữ liệu được lấy vào cần phải được định dạng theo các khai báo trong mục Data.

❖ Cụm khối hiển thị gồm có:

- Khối Joint Sensor: đo góc, vận tốc góc, gia tốc góc hoặc mô men của một khớp

- Khối Scope: hiển thị dạng tín hiệu đo được từ khối Joint Sensor trong suốt thời gian mô phỏng

- Khối Body Sensor: dò tìm vị trí, vận tốc hoặc gia tốc của Body

4.3.1 Kiểm tra bài toán động học thuận Để dễ dàng trong việc kiểm tra bài toán động học thuận và nghịch, tiến hành thiết kế giao diện GUI (Graphical User Interface) như hình 4.5

Hình 4.5 Giao diện GUI kiểm tra động học thuận và động học ngược tay máy

Để kiểm tra bài toán động học thuận theo lưu đồ hình 4.7 a, người dùng cần nhập các giá trị θ1, θ2, θ3, θ4 vào ô tương ứng ở mục “Input Joint Angles” và nhấn nút “Forward Calculate” Nếu một trong các giá trị này nằm ngoài giới hạn biến khớp theo bảng 4.3, thông báo lỗi sẽ xuất hiện yêu cầu nhập lại Nếu tất cả các giá trị đều hợp lệ, các giá trị Pxk, Pyk, Pzk sẽ được tính toán và hiển thị trong ô giá trị x, y, z ở mục “End Effector Position” Sau khi hoàn tất tính toán tọa độ của khâu tác động cuối, nhấn “Simulink” để mô phỏng và kiểm tra tọa độ của bộ phận công tác Nếu giá trị x, y, z trùng khớp với tọa độ trong hình 4.4, điều đó chứng tỏ các phương trình động học thuận và quá trình mô phỏng là chính xác Các số liệu tính toán động học thuận qua Matlab được thể hiện trong bảng 4.2.

Hình 4.6 Cửa sổ thông báo lỗi

Bảng 4.2 Các số liệu tính toán động học thuận bằng Matlab

Trường hợp Giá trị nhập (độ) Giá trị tính toán được (mm)

T3 30 30 -60 -60 1150,08 692,868 293 a) Kiểm tra bài toán thuận b) Kiểm tra bài toán nghịch

Hình 4.7 Lưu đồ kiểm tra động học tay máy

Hình 4.8 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp T1

Hình 4.9 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp T2

Hình 4.10 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp T3

Kết luận, các kết quả mô phỏng hiển thị trong hình 4.8, 4.9 và 4.10 hoàn toàn khớp với các giá trị tính toán được trình bày trong bảng 4.2 Điều này chứng tỏ rằng các phương trình động học thuận và quá trình mô phỏng động học thuận là chính xác.

4.3.2 Kiểm tra bài tập động toán ngược

Để kiểm tra bài toán động học ngược theo lưu đồ hình 4.7 b, người dùng cần nhập tọa độ và hướng của bộ phận công tác vào các ô x, y, z và Theta4 tại mục “End Effector Position” Sau khi nhấn nút “Inverse Calculate”, các giá trị θ1, θ2, θ3, θ4 sẽ được tính toán dựa trên các phương trình (4.13), (4.22) và (4.25) Nếu bất kỳ giá trị nào trong θ1, θ2, θ3, θ4 vượt quá giới hạn biến khớp quy định trong bảng 4.3, thông báo lỗi (hình 4.6) sẽ xuất hiện, yêu cầu nhập lại tọa độ Ngược lại, nếu các giá trị đều hợp lệ, kết quả sẽ được hiển thị trong các ô Theta1, Theta2, Theta3, Theta4 ở mục “Input Joint Angles” Sau khi hoàn tất tính toán các giá trị góc quay, người dùng có thể nhấn “Simulink” để tiếp tục.

Để kiểm tra tọa độ của bộ phận công tác trong cụm khối hiển thị, mô phỏng được thực hiện với các giá trị x, y, z ở mục “End Effector Position” Nếu các giá trị này trùng khớp với tọa độ của bộ phận công tác, điều này chứng tỏ rằng các phương trình động học ngược và quá trình mô phỏng động học ngược là chính xác Các số liệu tính toán động học ngược được thực hiện bằng Matlab thông qua giao diện GUI, như thể hiện trong bảng 4.3.

- Trường hợp N1: nhập giá trị x, y, z giống như giá trị tính toán được ở trường hợp T2

- Giá trị nhập vào của trường hợp N2, N3, N4 tương ứng với tọa độ các điểm cao nhất S (725, 1000, 730), gần nhất T (500, 0, 200) và xa nhất U (1300, -400, 200) đã được đề cập ở mục 1.5 chương 1

Bảng 4.3 Các số liệu tính toán động học ngược bằng Matlab

Giá trị nhập (mm) Giá trị tính toán được (độ) x y z Theta4 Theta1 Theta2 Theta3 Theta4

Hình 4.11 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp N1

Khi nhập giá trị x, y, z tương tự như trong trường hợp T2 ở N1 (hình 4.11), quá trình tính toán động học ngược cho ra các giá trị góc Theta1, Theta2, Theta3 và Theta4 giống hệt với các giá trị đầu vào của T2 Điều này cho thấy rằng kết quả của bài toán động học ngược, khi sử dụng kết quả từ bài toán động học thuận làm đầu vào, hoàn toàn trùng khớp với giá trị đầu vào ban đầu Như vậy, các phương trình trong bài toán động học nghịch được xác nhận là chính xác.

Hình 4.12 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp N

Hình 4.13 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp N3

Hình 4.14 Kết quả mô phỏng tay máy ứng với trường hợp N4

Nhận xét từ các hình 4.11 đến 4.14 cho thấy bộ phận công tác của tay máy đã đạt được các vị trí mong muốn một cách chính xác nhờ vào bài toán động học nghịch đã tính toán các giá trị biến khớp Hình 4.12 đến hình 4.14 cũng minh chứng rằng với thiết kế cơ khí ở chương 3, bộ phận công tác có khả năng di chuyển đến các điểm cao nhất S, gần nhất T và xa nhất U theo yêu cầu thiết kế.

Kết luận từ các nhận xét trong mục 4.3.2 cho thấy các phương trình động học nghịch và quá trình mô phỏng động học nghịch là chính xác Hơn nữa, thiết kế cơ khí của tay máy được trình bày trong chương 3 đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế ban đầu nêu trong mục 1.5.

HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN

Hệ thống điện sử dụng cho tay máy

Trong chương 3, chúng tôi đã thực hiện tính toán và lựa chọn bốn động cơ AC servo kết hợp với hộp giảm tốc HarmonicDrive cho bốn khớp của tay máy Để cung cấp nguồn và điều khiển các động cơ, chúng tôi sử dụng bốn driver cùng hãng: driver HA-800A-6D/E-200 cho hai động cơ ở khớp 1 và 2, và driver HA800A-3D/E-200 cho hai động cơ ở khớp 3 và 4 Các thông số cơ bản của driver được trình bày trong bảng 5.1.

Hình 5.1 HA-800A Series AC Servo Driver [6]

Bảng 5.1 Thông số của driver sử dụng trong luận văn

Trong bảng 5.2 là một số chân trong cổng CN2 của driver được dùng để nối với các chân tương ứng của card điều khiển để điều khiển động cơ

Bảng 5.2 Các chân tín hiệu điều khiển của driver

Chân số Tín hiệu Ký hiệu

1 or 8 Input signal common IN-COM

17 Servo – On input enable OUT2

❖ Lựa chọn chế độ xung cấp cho driver

Xung điều khiển được lựa chọn cho driver có dạng Open Collector, cho phép động cơ quay thuận khi nhận tín hiệu từ chân "Forward command pulse signal input" Khi xung được cấp vào chân này, động cơ sẽ hoạt động theo hướng mong muốn.

“Reverse command pulse signal input” động cơ đang được điều khiển sẽ quay nghịch

Hình 5.2 Chế độ xung điều khiển dạng Open Collector [6]

Card PCI - 8134 được sử dụng để xuất xung điều khiển cho bốn driver động cơ AC servo, cho phép điều khiển tối đa bốn động cơ cùng lúc Card này bao gồm các chân kết nối quan trọng như CN1 (Nguồn cấp bên ngoài), CN2 (Kết nối chính), CN3 (Đầu vào pulser thủ công) và CN4 (Khởi động/Dừng đồng thời).

Bảng 5.3 Các chân của cổng CN1

CN1 PIN Ký hiệu Tính năng

2 EX+24V Cấp nguồn ngoài +24V DC ± 5%

Bảng 5.4 Các chân của cổng CN2 được dùng cho một driver

CN2 PIN Ký hiệu Tính năng

4 OUT1- Cấp xung quay thuận cho driver

6 DIR1- Cấp xung quay nghịch cho driver

7 SVON1 Cấp tín hiệu Servo-On

9 ALM1 Nhận tín hiệu Alarm từ driver

10 INP1 Nhận tín hiệu Inposition từ driver

11 RYD1 Nhận tín hiệu Servo-On input enable

13 EA1+ Nhận tín hiệu encoder A-phase (+)

14 EA1- Nhận tín hiệu encoder A-phase (-)

15 EB1+ Nhận tín hiệu encoder B-phase (+)

16 EB1- Nhận tín hiệu encoder B-phase (-)

17 EZ1+ Nhận tín hiệu encoder Z-phase (+)

18 EZ1- Nhận tín hiệu encoder Z-phase (-)

❖ Lựa chọn chế độ xung cho card điều khiển

Jumpers J1 và J8 trên card điều khiển được sử dụng để lựa chọn chế độ xung điều khiển cho driver Như đã nêu, xung điều khiển được cấp cho driver có dạng Open Collector Vị trí cài đặt của các Jumpers được thể hiện trong hình 5.4.

Hình 5.4 Vị trí cài đặt Jumpers cho chế độ xung Open Collector [6]

❖ Cảm biến xác định sản phẩm và pallet

Trong luận văn, cảm biến quang điện PNR02 của hãng Hanyoung được lựa chọn để phát hiện sản phẩm và pallet nhờ vào những ưu điểm như không tiếp xúc với vật thể, không bị hao mòn và thời gian đáp ứng nhanh Cảm biến hoạt động với nguồn 24VDC, có dòng điện tối đa 100mA và thời gian đáp ứng tối đa 3ms Tín hiệu đầu ra (OUT) của cảm biến được kết nối với chân L1 của Relay 24VDC để điều khiển đóng ngắt relay, cung cấp tín hiệu cho các chân PEL1, MEL1 và PSD1 của card điều khiển, giúp tay máy nhận biết sản phẩm và pallet đã ở đúng vị trí, phục vụ cho quá trình điều khiển tay máy sẽ được trình bày ở mục 5.3.

Hình 5.5 Cảm biến quang điện PN-R02 [6]

Hình 5.6 G5V-DPDT 24VDC Relay của hãng Omron [6]

Sau khi xác định các thành phần trong hệ thống điện của tay máy, bao gồm động cơ, driver, card điều khiển và cảm biến, bước tiếp theo là kết nối chúng thành một hệ thống hoàn chỉnh Hình 5.6 minh họa sơ đồ nối dây cho một driver, và các driver khác cũng được kết nối tương tự với card điều khiển để đảm bảo hoạt động đồng bộ của hệ thống.

Hình 5.7 Sơ đồ đấu dây cho một driver

❖ Mạch điều khiển xylanh tay kẹp

Sơ đồ nối dây giữa card điều khiển và mạch khí nén điều khiển cho xylanh chính (9) và xylanh phụ (7) của tay kẹp được thể hiện trong hình 5.8 Khí nén từ nguồn sẽ đi qua bộ lọc trước khi được phân phối cho các xylanh.

Van điều áp, đồng hồ đo áp và bộ tra dầu được kết nối với van điều khiển 5/2 và bộ tiết lưu, sau đó dẫn vào xylanh khí nén tác động kép Mỗi xylanh đều có hai chức năng hoạt động.

Cảm biến hành trình loại NPN (8) được sử dụng để giới hạn hành trình của pittong Các tín hiệu từ cảm biến sẽ được gửi đến card điều khiển, từ đó card điều khiển sẽ xuất tín hiệu để đóng ngắt hai relay 4 và 5, điều khiển hai cuộn solenoid của van 5/2 (5) Để điều khiển tay kẹp bằng tay, người dùng cần bật công tắc gạt 3 (CTG3 ON), cho phép hai cuộn solenoid của van 5/2 được điều khiển bằng tay thông qua hai công tắc gạt 1 và 2.

Hình 5.8 Sơ đồ đấu dây giữa card điều khiển với mạch khí nén

Sau khi thiết lập hệ thống điện cho tay máy và các bộ phận làm việc, bước tiếp theo là thiết kế quỹ đạo chuyển động cho tay máy, điều này sẽ là cơ sở quan trọng để điều khiển tay máy hiệu quả.

Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho tay máy

Để gắp và sắp xếp sản phẩm, tay máy cần di chuyển giữa các vị trí mong muốn theo quỹ đạo thiết kế trong không gian làm việc nhằm giảm thiểu va chạm với chướng ngại vật Quỹ đạo này bao gồm các đoạn thẳng Q1Q2, Q2Q3 và Q3Q4, trong đó Q1 là vị trí sản phẩm trên băng tải, Q2 là vị trí nhấc sản phẩm lên trước khi di chuyển đến pallet Việc lựa chọn quỹ đạo trong không gian làm việc giúp kiểm soát lộ trình của tay máy, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình gắp và sắp xếp sản phẩm.

Trong bài toán được trình bày ở mục 1.5 chương 1, có tổng cộng tám tọa độ tương ứng với vị trí của sản phẩm cần sắp xếp trên pallet Đối với hai điểm A và B bất kỳ, phương trình (5.1) được xác định là phương trình đoạn thẳng AB trong không gian.

Trường hợp này được áp dụng cho quỹ đạo và

Từ phương trình (5.1) có thể suy ra:

Chọn quỹ đạo thiết kế là đa thức hàm bậc 3 theo thời gian có dạng như sau:

Với thời gian tay máy đi từ A đến B là T (s) và vận tốc tại hai vị trí A và B bằng 0

Từ đó có hệ phương trình sau:

Trường hợp này được áp dụng cho quỹ đạo và

Xây dựng giải thuật điều khiển

Hình 5.9 Lưu đồ giải thuật chính

Tay máy hoạt động theo lưu đồ giải thuật chính, với hai chế độ điều khiển: chế độ tự động và chế độ điều khiển bằng tay Sau khi cấp nguồn cho tay máy, cần đưa thiết bị về vị trí Home với tọa độ (430, ).

Khi tay máy đã trở về vị trí Home, việc chọn chế độ và điều khiển tay máy mới có thể được thực hiện Trong suốt quá trình hoạt động, nếu xảy ra sự cố, tay máy sẽ ngay lập tức dừng lại khi nhấn nút Stop.

Tay máy đang ở vị trí Home

Chọn chế độ tự động

Chế độ điều khiển bằng tay

Chế độ tự động Đưa tay máy về vị trí Home Đ

Hình 5.10 Vị trí Home của tay máy

❖ Chế độ điều khiển tự động

Sau khi tay máy được đưa về vị trí Home và chọn chế độ điều khiển tự động, tay máy sẽ hoạt động theo lưu đồ hình 5.11 Để điều khiển tay máy tự động, cần xác định tọa độ của 4 vị trí trong chu trình gắp và sắp xếp sản phẩm: Q1, Q2, Q3, Q4 (hình 1.5), dựa trên điều kiện làm việc thực tế Các tọa độ này sẽ được nhập vào chương trình điều khiển, từ đó chương trình sẽ tính toán tọa độ các điểm trên quỹ đạo và các giá trị biến khớp tương ứng Cuối cùng, từ các giá trị biến khớp, card điều khiển sẽ xuất xung cho driver điều khiển động cơ.

Hình 5.11 Lưu đồ điều khiển tay máy theo chế độ tự động

Để mô phỏng quá trình điều khiển tay máy, luận văn thiết kế giao diện GUI cho cả hai chế độ điều khiển: tự động và bằng tay Trong chế độ tự động, chỉ thực hiện mô phỏng một lần gắp nhả sản phẩm với các tọa độ cụ thể: Q1 (460, 783, 570); Q2 (460, 783, 730); Q3 (1080, -227, 200); Q4 (1080, -227, 40) trong chu trình gắp và sắp xếp sản phẩm.

Sau khi nhấn nút “Calculate”, tọa độ các điểm trong quỹ đạoQ2Q1, Q1Q2, Q2Q3,

Trong mục 5.2, các giá trị Q3Q4, Q4Q3 và Q3Q2 sẽ được tính toán thông qua bài toán động học ngược, từ đó xác định được các giá trị biến khớp của các điểm trên quỹ đạo Sau khi có các giá trị này, người dùng chỉ cần nhấn nút “Simulink” để bắt đầu quá trình mô phỏng Khi quá trình mô phỏng hoàn tất, nhấn nút “Plot Scope Data” để thu được các đồ thị tương ứng như hình 5.13 và 5.14.

Hình 5.12 Giao diện GUI điều khiển tay máy

Hình 5.13 Đồ thị biểu diễn tọa độ của bộ phân công tác theo thời gian

Hình 5.14 Quỹ đạo một lần gắp và sắp xếp sản phẩm của tay máy trong không gian

Theo đồ thị hình 5.13 và 5.14, tay máy đã thực hiện thành công một lần gắp và sắp xếp sản phẩm trong thời gian 8 giây, đồng thời bộ phận công tác của tay máy di chuyển theo đúng quỹ đạo đã được thiết kế.

❖ Chế độ điều khiển bằng tay

Trong quá trình làm việc của tay máy, có những trường hợp cần sắp xếp sản phẩm ở vị trí khác với lập trình ban đầu Để thực hiện điều này, người điều khiển sẽ tạm dừng chu trình, đưa tay máy về vị trí Home và chuyển sang chế độ điều khiển bằng tay (công tắc gạt 3 ON) Trong chế độ này, các khâu của tay máy được điều khiển độc lập thông qua các nút tăng giảm, cho phép điều chỉnh giá trị biến khớp tăng hoặc giảm 1 độ mỗi lần nhấn Đồng thời, hai xylanh khí nén trên tay kẹp cũng được điều khiển bằng tay qua hai công tắc gạt 1 và 2 Nhờ vậy, người điều khiển có thể tùy ý điều chỉnh bộ phận công tác của tay máy mà không cần lập trình trước.

Hình 5.15 Lưu đồ điều khiển tay máy theo chế độ điều khiển bằng tay