Nghiên cứu thiết kế robot in 3d trong xây dựng sử dụng vật liệu mới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ROBOT IN 3D TRONG XÂY DỰNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ROBOT IN 3D

TRONG XÂY DỰNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU MỚI

MÃ SỐ: SV2021-15 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ĐỖ PHƯỚC BẢO LONG

S K C 0 0 7 5 8 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ROBOT IN 3D TRONG XÂY DỰNG SỬ DỤNG VẬT

LIỆU MỚI SV2021-15

Thuộc nhóm ngành khoa học: Cơ điện tử

SV thực hiện: Đỗ Phước Bảo Long Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh

Lớp, khoa: 18146CL2B Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4 Ngành học: CNKT Cơ điện tử

2.3.1 Vẽ thiết kế Robot trên phần mềm solidworks 20

2.4.2 Động học nghịch Robot 26

2.4.3 Quỹ đạo chuyển động của Robot mô phỏng trong Matlab 26

7.2 Hướng phát triển 62

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Kích thước ngôi nhà in 3D tại DuBai 4

Bảng 1.2 Những đột phá của dự án tòa nhà lớn nhất thế giới được xây dựng bằng Robot in 3D bê tông 4

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của xi măng Portland 14

Bảng 1.4 : Các thành phần khoáng chính của xi măng và lượng nhiệt phát sinh của chúng trong quá trình thủy hóa 15

Bảng 1.5 So sánh đánh giá hiệu quả của Sikament R4 trong sản xuất Bê tông 16

Bảng 2.1 Bảng đặc điểm của các phương án 20

Bảng 2.2 Khối lượng của các chi tiết, bộ phận của Robot 22

Bảng 3.1 Bảng thông số động cơ Delta ECMA series 21310RS 34

Bảng 3.2 Thông số động cơ: 44

Bảng 3.3 Thông số vít tải 45

Bảng 6.1 Thông số kỹ thuật 59

Bảng 6.2 Kết quả thử nghiệm tỷ lệ pha trộn vật liệu 60

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Robot in 3D bê tông sử dụng vật liệu mới

- Chủ nhiệm đề tài: Đỗ Phước Bảo Long Mã số SV: 18146158

- Lớp: 18146CL2B Khoa: Đào tạo chất lượng cao

- Thành viên đề tài:

1 Đỗ Hoàng Khanh 18146141 18146CL4A Đào tạo chất lượng cao

2 Nguyễn Đoàn Đăng Khoa 18146149 18146CL2B Đào tạo chất lượng cao

3 Lê Anh Kiệt 18146152 18146CL2B Đào tạo chất lượng cao

- Người hướng dẫn: Phan Thị Thu Thủy

4 Kết quả nghiên cứu:

Tìm hiểu và nghiên cứu vật liệu mới phù hợp với yêu cầu mong muốn sử dụng in 3D trong xây dựng

Tính toán quỹ đão di chuyển của đầu công tác

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Nghiên cứu thành công, thử nghiệm chạy ổn định

Làm phong phú thêm kho tàng ý tưởng kĩ thuật, tìm hiểu những thông số, thuộc tính từ đó

có thể làm tài liệu cho các nghiên cứu liên quan

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có)

hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày 13 tháng 10 năm 2021

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài

(phần này do người hướng dẫn ghi):

Ngày 13 tháng 10 năm 2021

Người hướng dẫn

(kí, họ và tên)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngành xây dựng luôn có vai trò to lớn trong quá trình phát triển của một quốc gia hay một

đế chế và là ngành không thể thiếu trong mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử Ở thời kỳ đồ đá, xây dựng chính là việc lựa chọn, sắp xếp và cải tạo các hang động, hốc cây trở thành nơi ẩn náu, lưu trữ thực phẩm, tích trữ của cải Đến thời cổ đại, với sự lao động của đôi bàn tay và khối óc, những người thợ xây đã xây dựng các kim tự tháp, các kinh thành, các trường đấu to lớn Cho đến ngày nay, khi xã hội ngày càng văn minh thì nhu cầu xây dựng của con người

ngày càng phức tạp

Tuy nhiên, cách xây nhà đã không thay đổi từ thời trung cổ Sự trì trệ trong xây dựng nhà

đã không theo kịp nhu cầu và tăng trưởng dân số Điều này đã góp phần vào một cuộc khủng hoảng nhà ở đang gia tăng Phương pháp xây nhà truyền thống là không hiệu quả và lãng phí Những vấn đề quan trọng này đã thúc đẩy chi phí vượt qua điểm khả năng chi trả cho người bình thường Chi phí cao cũng có nghĩa là cung cấp nơi trú ẩn đầy đủ ở các nước đang phát

triển có thể gần như không thể

Người thu nhập thấp không thể mua được nhà Sự thật là vậy những người lao động với thu nhập thấp và kể cả không ổn định, việc mua hoặc xây dựng nhà ở với giá vài chục nghìn

đô là điều không thể với họ

Thực tế hiện nay hơn 1 tỷ người không có chỗ ở đúng nghĩa Đa số dân cư sinh sống trên thế giới hiện nay đã có chỗ ở lý tưởng của mình Tuy nhiên do sự phân chia giàu nghèo của các nước trên thế giới vẫn còn rất nhiều, nên một bộ phận không nhỏ người dân vẫn chưa có nơi ở thực sự tốt dành cho họ Hằng ngày, tại Hong Kong, trung tâm tài chính giàu có ở châu

Á, thuê nhà là một trong những vấn đề lớn nhất mà người lao động và chính phủ đang vướng mắc Dân số Hong Kong khoảng 7,3 triệu người, trong đó 200.000 người, bao gồm 35.500 trẻ

dưới 15 tuổi, đang sống trong "căn hộ được chia nhỏ " Con số này tăng 18% so với 4 năm

trước và không bao gồm hàng nghìn người đang sống tại những nơi như lều trên tầng thượng, căn hộ phân chia bằng lồng sắt và "nhà quan tài" là những phòng nhỏ bằng gỗ xếp chồng lên nhau Hong Kong thường xuyên đứng đầu trong các cuộc khảo sát giá bất động sản toàn cầu Giá nhà ở đây cao gấp 19 lần thu nhập trung bình của một người Chính vì vậy mà việc mua

nhà là một trở ngại rất lớn đối với những người có thu nhập thấp Họ không thể chi trả nổi những khoản chi phí đắt đỏ để sở hữu một căn nhà cho riêng mình

Xây nhà là không hiệu quả và lãng phí Để hoàn thành một căn nhà đòi hỏi tiêu tốn khá nhiều thời gian, nhân lực, kể cả chi phí nguyên vật liệu Chưa tính trong lúc thi công sự hao hụt vật liệu và điều kiện thời tiết gây nên sự lãng phí tiền của Chính vì vậy chúng ta cần một giải pháp để giải quyết sự thiếu hiệu quả của việc xây nhà bằng phương pháp thủ công này Gần đây việc ứng dụng Robot, máy tự động vào việc phát triển các ngành công nghiệp đang được đẩy mạnh tại các nước trên thế giới Nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt

Chính vì những lý do trên, nên việc nghiên cứu phát triển Robot để phục vụ cho ngành xây dựng là một vấn đề cấp thiết hiện nay đặt biệt khi Việt nam muốn công nghiệp hóa sản xuất trên mọi lĩnh vực hiện nay Nhận thấy được sự phát triển mạnh mẽ của in 3D trong lĩnh

vực gia công chế tạo cùng với sự ra đời của robot ống trụ nên chúng em quyết định nghiên cứu ứng dụng loại robot này vào trong thực tế chính là việc in 3D vữa bê tông để tạo ra sản phẩm cuối cùng chính là những ngôi nhà đáp ứng được các yêu cầu như một ngôi nhà được xây dựng theo phương pháp truyền thống

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Ngoài nước

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu về ứng dụng Robot để tự động hóa xây dựng Các nghiên cứu sử dụng nhiều cấu trúc Robot khác nhau Trong đó, các Robot song song, Robot tọa độ trụ, Robot tạo độ cầu hay Robot có cơ cấu ba trục tịnh tiến là những Robot được áp dụng phổ biến vào ngành xây dựng Những nghiên cứu không chỉ giới hạn ở việc xây dựng nhà mà còn mở rộng như xây dựng tượng kích thước lớn, những kết cấu trang trí Năm 2019, một tòa nhà xây dựng bằng phương pháp áp dụng công nghệ in 3D lớn nhất thế giới ở Dubai đã được hoàn thành nhờ vào Robot in 3D vữa bê tông được cung cấp bởi Apis Cor

Hình 1.1: Tòa nhà được xây dựng bằng Robot in 3D bê tông ở Dubai do công ty Apis

Cor phát triển [1]

Bảng 1.1 Kích thước ngôi nhà in 3D tại DuBai

Tường Được xây dựng bằng phương pháp in 3D bê

tông Vật liệu in 3D Hỗn hợp vật liệu đã được pha trộn Gia cố cho tòa nhà Cốp pha in 3D cho các cột được đổ thủ

công bằng cốt thép và bê tông nặng Mái nhà, cửa sổ, cách nhiệt Được thi công và lắp đặt sau

Bảng 1.2 Những đột phá của dự án tòa nhà lớn nhất thế giới được xây dựng bằng Robot

in 3D bê tông 1.2.2 Trong nước

Hiện tại, ở Việt Nam chỉ áp dụng một số máy móc tự động vào các công việc độc lập như ứng dụng máy phun vữa để trát tường, các máy móc hỗ trợ cho việc xây dựng Nhưng việc áp dụng Robot để xây dựng hoàn toàn một ngôi nhà thì chưa

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài

1.3.1 Nhiệm vụ đề tài

Từ vấn đề đặt ra và nghiên cứu tìm hiểu nhóm đã đặt ra mục tiêu của đề tài là thiết kế và gia công cơ khí cho Robot tọa độ trụ để ứng dụng cho việc xây dựng Robot sau khi hoàn thiện việc thiết kế, gia công sẽ được điều khiển để thực hiện nhiệm vụ in 3D để tạo ra các sản phẩm cuối cùng là các mô hình nhà cửa để phục vụ xây dựng Cụ thể là nghiên cứu tìm hiểu các tính chất của vữa bê tông và thực nghiệm Từ đó làm nguyên liệu để in 3D đảm bảo độ vững chắc

và đứng vững cho ngôi nhà Sau đó thiết kế tính toán để đưa ra cơ cấu Robot phù hợp Tiến hành thi công chế tạo để hoàn thiện Robot Sau đó chạy thử nghiệm Robot trong thực tế để

hiệu chỉnh và đánh giá

1.3.2 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Do những hạn chế về thời gian và quá trình thi công nên đề tài chỉ nghiên cứu thi công Robot có không gian hoạt động 1,2 m chiều cao và rộng là hình tròn đường kính 2,4 m Robot

sử dụng vật liệu bê tông được cải thiện tính chất Robot kh hoàn thiện có giao diện tương tác với người sử dụng để giám sát quá trình hoạt động Sản phẩm của Robot là những mô hình hoặc những phần tường với kết cấu từng lớp vật liệu xếp chồng lên nhau Chiều cao mỗi lớp

in là 20 mm và chiều rộng của mỗi đường in là 40 mm

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài các phương pháp sau đã được lựa chọn và sử dụng:

1.4.1 Phương pháp tham khảo tài liệu

Dựa trên những lý thuyết đã được học tập cùng với việc tham khảo sách đặc biệt là những bài báo khoa học để đưa ra cơ cấu tối ưu nhất cho robot Đưa ra được các yêu cầu của vật liệu in

và đặc điểm của từng cơ cấu Robot

1.4.2 Phương pháp thiết kế

Thiết kế Robot trụ dựa trên những yêu cầu đã đưa ra Từ các thông số thiết kế ra để tính toán lựa chọn bộ truyền, tính sức bền cho các chi tiết cũng như cả Robot

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm khoa học: tiến hành các thí nghiệm, thực nghiệm để đánh giá các

cơ cấu và phương án đã chọn Đồng thời thực nghiệm để tạo ra nguồn vật liệu để in bê tông xây nhà đáp ứng những yêu cầu đặt ra

1.4.4 Phương pháp phân tích tổng hợp

Thu thập các thông tin có liên quan đến đề tài từ các nguồn như sách tham khảo, các bài báo khoa học Sau đó tổng hợp theo từng phần cụ thể để ứng dụng vào Robot tọa độ trụ theo như các yêu cầu đã được đặt ra

1.5 Nội dung

Đầu tiên tiến hành nghiên cứu cơ cấu Robot để đánh giá ưu nhược điểm Từ đó lựa chọn

cơ cấu phù hợp nhất Sau đó nghiên cứu động học của cơ cấu Robot được chọn Tiến hành tính toán thiết kế cơ khí dựa vào cơ cấu đã đưa ra Nghiên cứu hệ thống điện và điều khiển cho Robot Sau khi hoàn thiện Robot tiến hành thực nghiệm để đánh giá cơ cấu cơ khí, hệ thống điện, điều khiển và vật liệu in Hiệu chỉnh Robot để hoạt động tối ưu

1.6 Cơ sở lý thuyết

1.6.1 Phương pháp in 3D

In 3D, hay sản xuất phụ gia, là việc xây dựng một vật thể ba chiều từ mô hình CAD hoặc

mô hình 3D kỹ thuật số Thuật ngữ in 3D bao gồm một số công nghệ sản xuất xây dựng các

bộ phận theo từng lớp Mỗi loại khác nhau về cách chúng tạo thành các bộ phận bằng nhựa và kim loại và có thể khác nhau về lựa chọn vật liệu, độ hoàn thiện bề mặt, độ bền, tốc độ sản xuất và chi phí Có một số loại sơn lót 3D Bao gồm:

Stereolithography (SLA): Stereolithography (SLA) là quy trình in 3D công nghiệp ban đầu Máy in SLA xuất sắc trong việc sản xuất các bộ phận có độ chi tiết cao, bề mặt hoàn thiện mịn và dung sai chặt chẽ Bề mặt chất lượng hoàn thiện trên các bộ phận SLA, không chỉ trông đẹp mắt mà còn có thể hỗ trợ chức năng của bộ phận, chẳng hạn như kiểm tra độ vừa khít của một bộ phận lắp ráp Nó được sử dụng rộng rãi trong ngành y tế và các ứng dụng phổ biến bao gồm các mô hình giải phẫu và vi chất lỏng

Hình 1.2: Máy in 3D sử dụng công nghệ SLA

Đốt nóng bằng laser có chọn lọc (SLS): Quá trình thiêu kết bằng laser có chọn lọc (SLS) làm tan chảy các loại bột gốc nylon với nhau thành nhựa rắn Vì các bộ phận của SLS được làm từ vật liệu nhựa nhiệt dẻo thực nên chúng có độ bền cao, phù hợp để kiểm tra chức năng

và có thể hỗ trợ các bản lề sống và khớp vặn So với SL, các bộ phận cứng hơn, nhưng có bề mặt hoàn thiện thô hơn SLS không yêu cầu cấu trúc hỗ trợ nên toàn bộ nền tảng xây dựng có thể được sử dụng để lồng nhiều bộ phận vào một công trình duy nhất — làm cho nó phù hợp với số lượng bộ phận cao hơn so với các quy trình in 3D khác Nhiều bộ phận SLS được sử dụng để tạo mẫu thiết kế mà một ngày nào đó sẽ được đúc phun

Hình 1.3: Máy in 3D sử dụng công nghệ SLS

Polyjet: PolyJet là một quy trình in 3D bằng nhựa khác, nhưng có một sự khác biệt Nó có thể chế tạo các bộ phận có nhiều đặc tính như màu sắc và vật liệu Các nhà thiết kế có thể tận dụng công nghệ này để tạo mẫu các bộ phận đàn hồi hoặc quá cứng Nếu thiết kế của bạn là một loại nhựa cứng, đơn lẻ, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng SL hoặc SLS — nó tiết kiệm hơn Nhưng nếu bạn đang tạo mẫu thiết kế bằng cao su hoặc cao su silicone, PolyJet có thể giúp bạn không phải đầu tư vào công cụ sớm trong chu kỳ phát triển Điều này có thể giúp bạn lặp lại và xác thực thiết kế của mình nhanh hơn và giúp bạn tiết kiệm tiền

Hình 1.4: Máy in 3D sử dụng công nghệ Polyjet

Xử lý ánh sáng kỹ thuật số (DLP): Xử lý ánh sáng kỹ thuật số tương tự như SLA ở chỗ nó

xử lý nhựa lỏng bằng cách sử dụng ánh sáng Sự khác biệt cơ bản giữa hai công nghệ là DLP

sử dụng màn hình máy chiếu ánh sáng kỹ thuật số trong khi SLA sử dụng tia UV Điều này

có nghĩa là máy in 3D DLP có thể hình ảnh toàn bộ lớp của công trình cùng một lúc, dẫn đến tốc độ xây dựng nhanh hơn Mặc dù thường xuyên được sử dụng để tạo mẫu nhanh, nhưng thông lượng in DLP cao hơn khiến nó phù hợp cho việc sản xuất số lượng lớn các bộ phận bằng nhựa

Hình 1.6: Máy in3D sử dụng công nghệ MJF

Mô hình hóa lắng đọng hợp nhất (FDM): Mô hình hóa lắng tụ hợp nhất (FDM) là một công nghệ in 3D trên máy tính để bàn phổ biến cho các bộ phận bằng nhựa Máy in FDM hoạt động bằng cách đùn từng lớp một sợi nhựa lên nền tảng xây dựng Đó là một phương pháp nhanh chóng và hiệu quả về chi phí để sản xuất các mô hình vật lý Có một số trường hợp FDM có thể được sử dụng để kiểm tra chức năng nhưng công nghệ bị hạn chế do các bộ phận

có bề mặt tương đối thô và thiếu độ bền

Hình 1.7: Máy in 3D sử dụng công nghệ FDM

Direct Metal Laser Sintering (DMLS): In 3D kim loại mở ra khả năng mới cho thiết kế bộ phận kim loại Nó thường được sử dụng để giảm các cụm kim loại, nhiều bộ phận thành một

bộ phận đơn lẻ hoặc các bộ phận nhẹ với các rãnh bên trong hoặc các đặc điểm rỗng DMLS khả thi cho cả quá trình tạo mẫu và sản xuất vì các bộ phận có mật độ tương tự như các bộ phận được sản xuất bằng phương pháp sản xuất kim loại truyền thống như gia công hoặc đúc Việc tạo ra các thành phần kim loại có hình học phức tạp cũng làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng y tế, nơi thiết kế bộ phận phải bắt chước cấu trúc hữu cơ

Hình 1.8: Máy in 3D kim loại sử dụng công nghệ DMLS

Electron Beam Melting (EBM): Làm nóng chảy chùm electron là một công nghệ in 3D kim loại khác sử dụng chùm điện tử được điều khiển bởi các cuộn dây điện từ để làm tan chảy bột kim loại Giường in được làm nóng lên và trong điều kiện chân không trong quá trình xây dựng Nhiệt độ mà vật liệu được nung nóng được xác định bởi vật liệu đang sử dụng

Hình 1.9: Máy in 3D kim loại sử dụng công nghệ EBM

Xây nhà bằng máy in 3D cũng giống như phương pháp in 3D sử dụng vật liệu nhựa Nhưng phương pháp này sử dụng loại in 3D FDM để xây dựng nên một ngôi nhà và vật liệu để in là vữa bê tông Các lớp vật liệu được xếp chồng lên nhau và liên kết với nhau do đặc tính kết dính của bê tông Mỗi bức tường của ngôi nhà được tạo nên từ hai đường bê tông in luôn song song với nhau Chúng được liên kết với nhau bằng kết cấu tổ ong hoặc bằng các thanh thép đan chéo Phương pháp này chỉ áp dụng để xây dựng phần tường của ngôi nhà Các bức tường

có cửa sổ, cửa ra vào hoặc các chi tiết trang trí khác cần có kết cấu hỗ trợ để in Mái nhà là thiết kế mô-đun, được lắp đặt sau khi hoàn thiện tường

Trước khi thi công nhà bằng phương pháp in 3D, chúng ta cần thi công kết cấu sàn bê tông phẳng với diện tích như thiết kế của ngôi nhà, mỗi bức tường của ngôi nhà cần đạt độ cao thiết

kế, không bị đổ trong quá trình in Ngoài ra, tường này phải luôn thẳng đứng, đảm bảo độ ổn định trước khi đóng rắn hoàn toàn Sự kết dính giữa hai lớp bê tông phải đảm bảo Bên cạnh

đó, lớp bê tông trước phải đạt được hình dạng nhất định để không bị phá vỡ kết cấu khi in lớp

bê tông tiếp theo

Hình 1.10: Một ngôi nhà được xây dựng bằng phương pháp in 3D ở Dubai ơ [1]

Hình 1.11: Một ngôi nhà được hoàn thành bằng phương pháp in 3D vữa bê tông trong

27 giờ ở Texas [2]

1.6.2 Vật liệu xây dựng dùng trong in 3D

Vật liệu xây dựng là bất kỳ vật liệu được sử dụng cho mục đích xây dựng Nhiều chất hiện diện trong tự nhiên, chẳng hạn như đất sét, đá, cát, và gỗ đã được sử dụng để xây dựng các tòa nhà Ngoài các vật liệu tự nhiên, nhiều sản phẩm nhân tạo được sử dụng, một số tổng hợp ít hoặc nhiều ví dụ như xi măng hoặc các vật liệu composite Trong thực tế xi măng được sử dụng rộng rãi để làm vật liệu xây dựng do tính ưu việt của nó cũng như là khả năng chống

chịu với thời tiết và các môi trường khắc nghiệt tốt Tuy nhiên nếu trộn xi măng với cát sỏi đá

mà không đúng theo tỉ lệ tiêu chuẩn sẽ dẫn đến tình trạng sau khi hoàn thiện công trình thường xảy ra một số sự cố ngoài ý muốn như: bị nứt, rò nước, thấm dột…Thậm chí có những công trình sau khi xây xong do không đảm bảo yêu cầu nên không thể đưa vào sử dụng

Chất lượng của các công trình phụ thuộc một phần lớn vào những nguyên vật liệu sử dụng trong quá trình xây dựng Xi măng khi pha trộn thành các vật liệu như vữa, bê tông là nguồn vật liệu không thể thiếu và quan trọng giúp gắn kết các bức tường nền nhà, gắn kết công trình Chất lượng của công trình được đảm bảo hay không đều nằm ở chất lượng của bê tông và vữa sau khi pha trộn với tỉ lệ hợp lí

Để in được thì vữa bê tông phải đảm bảo một số tính chất quan trọng.Xi măng được sử dụng là loại xi măng Portland, còn gọi là xi măng Portland thường (OPC) có thành phần hóa học như bảng 1.1 Đây là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới, nó là thành phần cơ bản của bê tông, vữa, hồ Có thành phần chủ yếu là clinker Portland chiếm tỉ lệ

95 - 96% và thạch cao chiếm tỉ lệ 4-5% Ngoài ra, khi thêm các chất phụ khác vào thành phần của xi măng Portland (xỉ lò cao, tro than, puzolan tự nhiên, v.v., nhưng hàm lượng phụ gia kể

cả thạch cao không quá 40% và trong đó phụ gia đầy không quá 20%), thì những loại xi măng Portland này được gọi là xi măng Portland hỗn hợp Ưu điểm của xi măng Portland là cường

độ cao, cường độ trễ cao, độ ổn định cao Đồng thời dễ sử dụng và kiểm soát chất lượng vữa

bê tông nếu sử dụng thêm phụ gia giảm nước khi chế tạo vữa, bê tông Ngoài ra, xi măng Portland còn bền nước, khả năng chống thấm tốt Việc sử dụng xi măng Portland sẽ đảm bảo được khoảng thời gian đứng vững cho mỗi lớp in Để khi lớp in tiếp theo được in lên lớp in trước sẽ có độ lún trong khoảng cho phép để đạt yêu cầu của cấu trúc cần in

Oxit SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO SO3 K2O Na2O Hàm lượng

C3S (3CaO.SiO2:Alit) 55 120 66.0

C3A (3CaO Al2O3 :

Bảng 1.4 : Các thành phần khoáng chính của xi măng và lượng nhiệt phát sinh của

chúng trong quá trình thủy hóa

Vữa bê tông phải đạt được độ dẻo nhất định để tạo thành một dòng chảy không bị ngắt quãng trong quá trình in vữa bê tông Nếu dòng chảy của vữa bê tông không được liên tục sẽ không đảm bảo được chất lượng cuối cùng của sản phẩm Các lớp vật liệu in ra sẽ không đảm bảo liên kết chính xác với nhau Có thể dẫn đến hiện tượng các lớp in tiếp theo có thể bị đổ

Và để đạt được độ dẻo cần thiết nhóm đã nghiên cứu sử dụng chất phụ gia tạo độ dẻo cho vữa

bê tông Đó là phụ gia hóa dẻo cho bê tông Sika R4 Đây là loại phụ gia giảm được lượng nước khi trộn vữa bê tông từ đó tạo độ dẻo cho vữa bê tông Tỉ lệ chất phụ gia là 0,8-1,2 lít/100

> 4 giờ > 5 giờ

Cường độ bê tông

Bảng 1.5 So sánh đánh giá hiệu quả của Sikament R4 trong sản xuất Bê tông

Sau nhiều lần nghiên cứu và thực nghiệm nhóm đã quyết định hòa trộn nhiều vật liệu khác nhau để đảm bảo các yêu cầu đặt ra làm vật liệu in Trong đó thành phần chiếm tỉ trọng nhiều nhất gồm có xi măng, cát, bột thạch cao Đồng thời phải bổ sung thêm một số chất phụ gia để cải thiện những tính chất của vữa bê tông Không những vậy, nhóm còn nghiên cứu thử nghiệm bổ sung các sợi hạt nhựa tái chế từ những vỏ chai thải ra môi trường để giải quyết một phần vấn đề ô nhiễm môi trường Việc sử dụng những hạt nhựa có thể cải thiện độ đứng vững cho mỗi lớp in Hỗn hợp vật liệu được hòa trộn với nhau theo tỉ lệ để đạt được yêu cầu Sau khi thực nghiệm nhóm đã đưa ra được tỉ lệ hòa trộn các vật liệu thích hợp nhất

Tốc độ di chuyển của đầu công tác phải phụ thuộc vào lưu lượng dòng bê tông được đùn

ra từ đầu công tác Nếu lưu lượng vật liệu được đưa ra lớn sẽ yêu cầu đầu tốc độ di chuyển của đầu công tác phải tăng lên phù hợp để đáp ứng Phải luôn đảm bảo rằng mỗi lớp vữa bê tông được in ra phải có độ rộng nằm trong khoảng cho phép

Để in được lớp in tiếp theo lên lớp in trước nhóm phải nghiên cứu thử nghiệm để đưa ra một thời gian tối thiểu để có thể in một lớp in tiếp theo Mỗi lớp vữa bê tông sau khi in xong cần một khoảng thời gian nhất định để đạt được độ đứng vững cũng như đảm bảo hình dạng khi lớp in tiếp theo được in lên Nếu không đủ thời gian đóng rắn để đạt được độ đứng vững cần thiết khi lớp in tiếp theo được in lên sẽ xảy ra hiện tượng cong, xiêng đối với kết cấu tổng thể của tường nhà Nghiêm trọng hơn sẽ dẫn đến đổ các lớp in khi in đến một độ cao nào đó

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

Ở trên đã trình bày sơ lược về mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài vì thế ở chương thiết kế phần

cơ khí robot này sẽ trình bày cụ thể các phương án thiết kế truyền động cho robot mà nhóm

đã tìm hiểu từ đó rút ra được một phương án thiết kế truyền động tối ưu cho việc thi công robot phù hợp với điều kiện thực tế, thiết kế các chi tiết của robot, mô phỏng ứng suất và chuyển vị cho robot, bài toán động học thuận nghịch, động lực học robot

2.1 Các phương án thiết kế truyền động cho robot

Với mục đích của đề tài là phục vụ cho xây dựng như là: in 3D di chuyển đầu công tác trong không gian vì vậy yêu đặt ra cho robot là phải đáp ứng được ít nhất 3 bậc tự do Với yêu cầu

đó thì hiện tại trên thị trường Việt Nam, có những dạng cấu hình robot như: cánh tay robot,

cơ cấu CNC 3 trục Nhưng hiện tại vẫn chưa có bất kì một máy in phục vụ xây dựng nào tại Việt Nam Nên nhóm em quyết định triển khai nghiên cứu một cấu hình robot dạng nối tiếp gọi lên là Cylinder robot Robot nối tiếp sử dụng cơ cấu cứng truyền thống Với cấu hình robot này thì robot sẽ có độ cứng vững cao và dễ sử dụng, dễ điều khiển Đồng thời, robot có thể dễ dàng thay đổi kích thước của đầu công tác phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau Dưới đây là một số cơ cấu có thể dùng để xác định các vị trí trong mặt phẳng làm việc:

Cơ cấu robot tọa độ Descartes: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo

phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TTT) Không gian làm việc có dạng khối chữ nhật

Hình 2.1: Cơ cấu tọa độ Decac

Cơ cấu robot tọa độ trụ: Không gian làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng

Thường khớp thứ nhất là chuyển động quay

Hình 2.2: Cơ cấu tọa độ trụ

Cơ cấu robot tọa độ cầu: Không gian làm việc của robot có dạng hình cầu

Hình 2.3: Cơ cấu tọa độ cầu

-Ưu điểm:

+ Cơ cấu đơn giản + Khả năng chịu tải lớn -Nhược điểm:

-Ưu điểm:

+Đơn giản +Chịu tải lớn -Nhược điểm:

+Phần khung kích thước lớn +Khó di chuyển

-Ưu điểm:

+Linh hoạt -Nhược điểm:

+Chịu tải thấp +Điều khiển phức tạp

Bảng 2 1 Bảng đặc điểm của các phương án

2.2 Lựa chọn phương án truyền động tối ưu

Từ yêu cầu đặt ra cho robot trong xây dựng là phải đảm bảo được không gian làm việc rộng,

dễ dàng di chuyển độ chính xác của robot ở mức chấp nhận được Đối với phương án thiết kế robot tọa độ cầu và robot khớp bản lề thì khả năng linh hoạt lớn nhưng phạm vi hoạt động lớn

và việc tính toán điều khiển vẫn hành phức tạp và khả năng chịu tải thấp

Theo yêu cầu thiết kế robot của đề tài là ứng dụng vào xây dựng nên yêu cầu về độ chính xác

là tương đối Thế nên phương án robot tọa độ trụ được xem là phương án tối ưu hơn so với các phương án khác

2.3 Thiết kế và mô phỏng

2.3.1 Vẽ thiết kế Robot trên phần mềm solidworks

Nhóm đã đưa ra phương án thiết kế như hình 2.4:

Hình 2.4: Robot trong thiết kế 2.3.2 Mô phỏng kết cấu robot

Trong tất cả các quy trình của công đoạn thiết kế thì việc đòi hỏi các chi tiết được thiết kế

ra phải đảm bảo một số tính năng về độ bền lực, độ bền biến dạng cũng như vị trí các điểm có ứng suất lớn nhất phải được biết trước để có được các phương án điều chỉnh thiết kế cho phù hợp để đảm bảo tính an toàn cho các chi tiết được thiết kế

Khối lượng của các chi tiết cùng hình dạng các chi tiết ảnh hưởng rất lớn đến việc tìm ứng suất cũng như chuyển vị lúc mô phỏng Nhờ vào phần mềm mô phỏng mà ta có thể biết trước

được khối lượng của các chi tiết, bộ phận của robot như bảng

STT Tên chi tiết/ bộ phận của robot Số lượng Khối lượng/chi tiết

5 Đầu công tác ( có chứa bê tông) 1 ~ 100kg

Bảng 2 2 Khối lượng của các chi tiết, bộ phận của Robot

Mô phỏng tính bền cho robot

Với kết cấu phức tạp của robot thì phần tính bền sẽ rất phức tạp vì thế để đơn giản trong việc tính toán nhóm đã sử dụng phần mềm để hỗ trợ việc tính bền cho robot

Việc chọn lựa các trục vít me-đai ốc ở khâu 2, 3 nhóm đã tính toán tải trọng tác động lớn nhất và đã sử dụng trang tính bằng phần mềm từ nhà sản xuất cung cấp kết quả đã đảm bảo được độ bền cho kết cấu Các chi tiết còn lại cũng đã xem xét kĩ lưỡng đến độ bền chỉ có 2 chi tiết quan trọng( trụ thân, bệ đỡ ) cần quan tâm đến sức bền để đảm bảo độ cứng vững cũng như biết được giới hạn chịu đựng của vật liệu để có biện pháp khắc phục kịp thời Hai chi tiết này được nhóm chọn lựa phương án tạo phôi là hàn các tấm thép, thép hộp để tạo ra và kết quả mô phỏng độ bền cho thấy:

Hình 2.6: Chuyển vị lớn nhất của bệ robot

Hình 2.7: Chuyển vị lớn nhất của thân robot

Hình 2.8: Ứng suất lớn nhất của thân robot

2.4 Động học Robot

Sau khi đã tính toán được thông số động cơ cần thiết cũng như là thiết kế phần cơ khí cho phù hợp cấu hình đã đặt ra Tiếp theo là tính toán động học cho ROBOT Đối với bài toán động học robot, phân tích vị trí của đầu công tác là bài toán quan trọng nhất Có 2 loại bài toán phân tích vị trí đó là bài toán thuận và bài toán nghịch Bài toán thuận xác định vị trí và hướng của đầu công tác khi biết được chiều dài của các khâu Bài toán nghịch tính toán tìm ra chiều dài các khâu hợp lý khi biết được vị trí chuyển động của đầu công tác Đối với robot cấu hình nối tiếp việc tìm ra bài toán thuận tương đối đơn giản nhưng việc tính toán bài toán nghịch thì lại khá phức tạp hơn Trong đồ án này việc tính toán tìm ra bài toán thuận và nghịch đã giải quyết được cho nên nhóm trình bày về cách tính toán tìm ra bài toán thuận và nghịch nhằm

giải quyết vấn đề điều khiển của Robot

Hình 2.9: Các hệ trục của robot in 3D 2.4.1 Động học thuận Robot

Để xác định động học thuận của Robot, trước tiên ta cần xác định ma trận chuyển vị

từ trục ban đầu đến điểm P

2.4.3 Quỹ đạo chuyển động của Robot mô phỏng trong Matlab

Hình 2.10: Robot vẽ quỹ đạo hình tròn

Ta mô hình hóa đơn giản kết cấu của Robot thành sơ đồ sau:

Từ đây ta xác định được cơ cấu sẽ có động năng và thế năng như sau:

Động năng khâu 1:

' 2

1 ( ) 2

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN TRUYỀN ĐỘNG 3.1 Tính toán các thông số bộ truyền

3.1.1 Tính toán cho khâu 3

Khối lượng đầu công tác là 50kg tương ứng P = m.g = 50 x 10 = 500 N

Lực dọc trục của trục vít Fa= Fx là lực ma sát sinh ra do trọng lực P của đầu công tác tác dụng lên trục vít với hệ số ma sát chọn 0.5( vật liệu thép đã bôi trơn ma sát với nhau)

c=

b 1

Khe hở hướng tâm

o t

Từ  0,0022 và qa= 0.53 từ đồ thị ta xác định được σmax = 1000 MPa

Hiệu suất cả bộ truyền: