Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cánh tay máy scara ứng dụng tạo mẫu nhanh, kết hợp gia công cnc và khắc laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁNH TAY MÁY SCARA ỨNG DỤNG TẠO MẪU NHANH, KẾT HỢP GIA CÔNG CNC VÀ KHẮC LASER Ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ Giảng viên hướng dẫn : Th.S PHẠM BÁ KHIỂN Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Thành Trí 1811040211 18DCKA2 Hà Huy Toàn 1811040346 18DCKA2 Nguyễn Văn Hùng 1811041136 18DCKA2 TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 MỤC LỤC PHIẾU ĐĂNG KÝ TÊN ĐỀ TÀI ĐATN PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH SÁCH CÁC HÌNH ix DANH SÁCH CÁC BẢNG xii LỜI MỞ ĐẦU xiii Chương GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .1 1.1 Đặt Vấn Đề 1.2 Mục tiêu đề tài: 1.3 Nội dung đề tài: 1.4 Phương pháp nghiên cứu: .2 1.5 Kết cấu đồ án: 1.6 Ưu nhược điểm hệ thống SCARA: 1.7 Một số ứng dụng Robot Scara Chương TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2.1 Tổng Quan Tự Động Hóa .5 2.2 Tầm Quan Trọng Của Tự Động Hóa 2.3 Giải Quyết Vấn Đề 2.3.1 Vấn đề thực trạng 2.3.2 Nguyên lý phương án kết cấu khí máy 2.4 Tình Hình Trong Nước .8 v 2.5 Tình Hình Trên Thế Giới Chương TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC ROBOT SCARA 12 3.1 Tính Tốn Động Học Thuận Robot Scara 12 3.1.1 Bài Toán .12 3.1.2 Sơ Đồ Động Học 12 3.1.3 Xác Định Vị Trí Và Hướng Của Bàn In 13 3.2 Động Học Ngược Robot Scara .13 3.2.1 Bài Toán 14 3.2.2 Giải Bài Toán Động Học Ngược 14 3.4 Tính Lực Tác Dụng Vào Khớp Và Khớp 15 3.5 Tính Động Cơ Bước Robot Scara 17 Chương QUY TRÌNH THIẾT KẾ .19 4.1 Chọn Vật Liệu 19 4.2 Thiết Kế Máy 21 4.2.1 Thiết Kế Phần Chân Máy Robot Scara 21 4.2.2 Thiết kế trục Z mơ hình cánh tay ROBOT SCARA 22 4.2.3 Thiết kế phận cánh tay máy robot scara, .23 4.3 Hệ Thống Điều Khiển 25 4.3.1 Sơ đồ khối điều khiển tổng quan 25 4.3.2 Board điều khiển 25 4.4 Chọn Động Cơ .27 4.4.1 Động STEP 27 4.4.2 Động bước nam châm vĩnh cửu 29 4.4.3 Động bước biến từ trở 30 4.4.4 Động bước hỗn hợp .32 4.4.5 Động bước pha 33 4.4.6 Kết luận chọn động .34 Chương THI CƠNG MƠ HÌNH 37 5.1 Các Yếu Tố Cần Thiết Trong Quá Trình Sản Xuất Máy 37 5.2 Quy Trình Sản Xuất Một Sản Phẩm Cơ Khí 38 vi 5.2.1 Thiết kế vẽ 39 5.2.2 Xác định dạng sản xuất .39 5.2.3 Chọn vật liệu phương pháp chế tạo 39 5.2.4 Xác định thứ tự bước thực 40 5.2.5 Chọn thiết bị nguyên công 40 5.2.6 Kiểm tra chất lượng 40 5.3 Thi Công Chế Tạo Máy 41 5.3.1 Tổng Quan 41 5.3.2 In 3D Các Bộ Phận Của Robot 41 5.3.3 Lắp Ráp Mơ Hình Robot Scara 42 5.3.4 Sơ Đồ Mạch In 3D Robot Scara 53 5.4 Quá Trình Vận Hành Máy Scara .54 5.4.1 Quy Trình Sử Dụng 54 5.4.2 Quy Trình Vận Hành Máy In 3D 56 5.4.3 Quy Trình Vận Hành Máy Phay CNC 66 5.4.4 Quy trình Vận Hành Máy Khắc Laser 70 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75 6.1 Kết Luận 75 6.2 Hướng Phát Triển 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC CODE 78 PHỤ LỤC BẢN VẼ 90 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CNC - ( Computer Numerical Control )Phương pháp gia cơng khí PLA - ( Polyactic Acid ) Dạng chất dẻo PLA FFF - ( Fused Filament Fabrication) Công nghệ in 3D STL - ( Standard Tessellation Language) Định dạnh file in 3D AVR - ( Automatic Voltage Regulator ) Trình điều khiển tự động EEPROM - ( Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) Chíp nhớ SD - ( Secure Digital ) Định dạng thẻ nhớ nhớ viii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1: Hoạt động số robot scara trị trường .3 Hình 1: Cánh tay máy Scara Hình 2: Nguyên lý tạo mẫu phun theo lớp .7 Hình 3: Các mặt hàng mỹ nghệ ứng dụng in 3D, khắc Laser gia cơng CNC Hình 4: Máy in 3D bán thị trường với giá 2,600$ 10 Hình 1: Sơ Đồ Động Học .12 Hình 1: Nhựa PLA màu đen sử dụng in mơ hình 19 Hình 2: Thành phần hóa học tạo nhựa PLA 21 Hình 3: Phần chân đế cánh tay robot SCARA .21 Hình 4: Cấu tạo bên chân đế .22 Hình 5: Thiết kế trục Z cánh tay robot scara 22 Hình 6: Hồn thành thiết kế trục Z .23 Hình 7: Thiết kế cánh tay thứ .24 Hình 8: Thiết kế cánh tay thứ hai 24 Hình 9: Tổng quan sơ đồ khối 25 Hình 10: Board điều khiển 26 Hình 11: Sơ đồ đấu dâu Board MEGA 2560 .27 Hình 12: Động bước NEMA 17 35 Hình 1: Vật liệu sử dụng 38 Hình 2: Minh họa phương pháp gia công 39 Hình 3: Máy in 3D Creality CR-10 42 Hình 4: Lắp ổ bi xuyên tâm 43 Hình 5: Lắp ròng rọc dây đai 44 Hình 6: Lắp cơng tắc hành trình thứ 45 ix Hình 7: Lắp ráp trục Z 45 Hình 8: Lắp ráp cánh tay thứ động bước thứ hai 46 Hình 9: Lắp ráp dây đai ròng rọc cho khớp thứ 47 Hình 10: Lắp cơng tắc hành trình thứ .47 Hình 11: Lắp ráp cánh tay thứ với cánh tay thứ hai .48 Hình 12: Lắp tồn cụm cánh tay robot scara vào trục Z 48 Hình 13: Lắp đặt cho trục Z 49 Hình 14: Đầu đùn nhựa 50 Hình 15: Đầu nhiệt chức in 3D 51 Hình 16: Bộ đỡ đầu phun in 3D 52 Hình 17: Tia laser sử dụng nhiều công nghiệp 53 Hình 18: Đầu tạo tia laser sử dụng mơ hình 53 Hình 19: Đầu khắc phay CNC sử dụng mơ hình .54 Hình 20: Bảng Mạch Arduino UNO 54 Hình 21: Sơ đồ kết nốt mạch Robot Scara 55 Hình 22: Nguồn điện tổ ong 55 Hình 23 : Không gian phần mềm Repetier – Host For Printer 3D .57 Hình 24 Truy cập điều khiển In 3D nơi .58 Hình 25: Sơ đồ biểu diễn phương pháp In 3D .60 Hình 26 : Thiết kế 3D phần mềm Solidwork 61 Hình 27: Xuất file STL dùng cho máy in Robot Scara 62 Hình 28: Chuyển file STL vào phần mềm Repetier – Host For Printer 3D 63 Hình 29: Setup thơng số giao diện Slic3r file cần in 63 Hình 30: Cài đặt tốc độ in phần mềm 63 Hình 31: Cài đặt lớp nhựa in sản phẩm 64 Hình 32: Cài đặt nhiệt độ nóng chảy nhựa in .65 Hình 33: Xuất file 3D Gcode vào thẻ SD chuyển vào robot Scara Printer 65 Hình 34: Set gốc home G28 cân bàn in 3D .66 Hình 35: Sản phẩm sau trình tiến hành in 3D .67 Hình 36: Khơng gian phần mềm Aspire For CNC Milling .68 Hình 37: File thiết kế phần mềm autocad .69 x Hình 38: File thiết kế chuyển đến phần mềm Aspire For CNC Milling .69 Hình 39: Thiết lập thơng số phần mềm phay CNC 70 Hình 40: Xuất file CNC dạng Gcode vào thẻ SD chuyển sang robot scara 70 Hình 41: Set gốc cho robot scara G28 chọn file phay CNC 71 Hình 42: Sản phẩm sau trình thực phay CNC .71 Hình 43: Giao diện phần mềm Light Burn For Laser .72 Hình 44: Chọn sản phẩm cần khắc laser 73 Hình 45: Mở file cần khắc phần mềm Light Burn For Laser .74 Hình 46: Setup thơng số phù hơp với chế độ khắc laser 74 Hình 47: Xuất file laser dạng Gcode thẻ SD 75 Hình 48: Xét gốc tọa độ trước khắc laser .76 Hình 49: Sản phẩm sau thực khắc laser 77 xi DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1: Bảng D-H: .13 Bảng : Thông số kỹ thuật board Arduino 26 Bảng 2: Đặc điểm kỹ thuật điện động NEMA 17 36 Bảng 3: Đặc điểm kỹ thuật vật lý động bước NEMA 17 .36 Bảng 1: Danh sách chi tiết dùng để lắp ráp: .42 xii LỜI MỞ ĐẦU Hiện với phát triển ngành thuộc Cơ khí – Điện – Điện tử Trong Cơ khí đóng vai trị quan trọng hầu hết lĩnh vực Chính việc đưa kĩ thuật vào sản xuất để giúp đạt suất hiệu cao công nghiệp phát triển nước cần thiết Một thành tựu bật đưa cánh tay robot vào vận hành làm việc thay người Những Robot từ đơn giản đến phức tạp, đóng góp nhiều việc thay người môi trường làm việc cường độ cao, độc hại đòi hỏi xác cao Nên nhóm chúng em chọn đề tài: “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cánh tay máy SCARA ứng dụng tạo mẫu nhanh, kết hợp gia công CNC khắc LASER ” Nhóm em hy vọng sản phẩm khắc phục yêu cầu chúng em nêu xiii A 19 12.5 7.50 4x A-A 69 A +0.5 61 - 0.3 35 120 15 R3 4xR5 4x 35 0.2 12x 3.5 0.1 13 25 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn 99 Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí 40 0.2 TẤM ĐẾ XOAY DƯỚI Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:1 Số Tờ: 6/20 14 ±0.2 26 39 ±0.5 R5 2xR3.5 2x R1 1.5 6.5 15.5 2xR5.5 11.5 99° 34 +0.5 2xC1 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí TRỤ CỐ ĐỊNH Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 2:1 Số Tờ: 7/20 A B 78 ±0.5 8.5 B 17 18.5 12 2.5 7.5 35 0.2 A 35 0.1 A-A +0.50 53 - 0.30 B-B 12.50 4x 4x 6x 62.50 22 ±0.2 0.2 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 +0.50 - 0.30 Hà Huy Toàn Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí R4 CỤC XOAY CHIỀU Y Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:1 Số Tờ: 8/20 116 A 19 4x 33 120 +0.05 A 33 21.50 10 ±0.2 SECTION A-A 120 ±0.5 99 95 35 22 ±0.2 12x 10 B 15 15 4x +0.5 10 - 0.3 B SECTION B-B Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí NẮP TRÊN TRỤC Z, GẮN Ổ BI TRỤC X Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:2 Số Tờ: 9/20 A 19 11 8x ±0.2 39 +0.5 10 - 0.3 +0.3 - 0.2 122 42 R57 6xR5 R42 A A-A 60 78 13.50 4C1 45 4x 19 25 16.50 40 ±0.2 10.50 4x 39 25 4xR12 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí CỤC TRƯỢT NỐI TAY LỚN Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:2 Số Tờ: 10/20 22 ±0.2 28 ±0.2 14 ±0.2 2x 4 A 35 ±0.2 B 26 R39 14 42 ±0.2 4xC1 FULL B 16 16 40 4x 29.5 A 2x 8xR2.5 A-A 25 42 52 12 28 12 21 10 B-B 33 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí CÁNH TAY Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:2 Số Tờ: 11/20 31 10xR5 10x +0.05 - 0.02 45 41 13 12 3.50 C C C-C 5.50 2xC1 13 H 15 DETAIL H 34 ±0.2 2xR39 +0.05 - 0.02 78 6x 62 144 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí CÁNH TAY Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:2 Số Tờ: 12/20 10x 5.50 6xR2.50 40 A 42 7 2xR39 78 12 +0.05 39 - 0.02 22 A A-A 144 10x 2.5 35 ±0.2 25 ±0.2 6x Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí NẮP ĐẬY KHỚP Y Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:2 Số Tờ: 13/20 35 0.2 22 11.5 16 10.5 77 ±0.5 A A-A A +0.5 53 - 0.3 4x B B 30 0.1 0.2 R3 B-B 12.5 ±0.2 4x 10x 67.5 22 ±0.2 R4.5 2xR1 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí 2.5 ĐẦU NỐI PASS IN 3D,LAZER,CNC Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:1 Số Tờ: 14/20 10x 22 2xR2 24 18 34 78 3xR2 20.50 4xR2 27 7.50 17 8xR2 98 4x 12 78 12 4x Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ 37 Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí PASS ĐẦU LAZER Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:2 Số Tờ: 15/20 10x 78 A A 17 22 12 16 35 4x 4x 16 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí PASS ĐẦU IN Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:1 Số Tờ: 16/20 8x A 82 R34.50 +0.5 - 0.3 41 31 42.50 0.2 4xR4 2xR1.5 AA A 49 85 ±0.5 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ 2x 10 17.50 6xC1 Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí 78 PASS ĐẦU CNC Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:1 Số Tờ: 17/20 25 ±0.3 0.1 15.5 99 15.5 4x +0.05 - 0.02 2xR3 18 33 10 120 2x 20 ±0.2 12.5 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 18 Hà Huy Toàn 13 13x Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí TẤM ĐẦU TRÊN Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:1 Số Tờ: 18/20 2xR3 ±0.2 20.50 10 B 23 10 B B-B SCALE : 120 0.2 24 4x +0.5 10 - 0.3 4xC1 Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 Hà Huy Toàn Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí NẮP ĐẦU BÊN DƯỚI Kiểm Tra Th.s Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM PLA Tỉ Lệ: 1:1 Số Tờ: 19/20 20 19 18 17 28 32 33 11 22 23 31 10 25 26 30 29 13 22 12 27 14 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 STT Ổ Bi Cơng tắc hành trình Sắt DK11 Puly PLA Sắt DK11 Vít me Động bước Khung trục Z Ổ Trượt Trơn Tấm chắn Nema 17 Puly Chuyền Dây Đai Nắp trục Z Puly Khớp Cơng tắc hành trình Trục vit me Thanh Trụ Trơn Nắp đậy trục Z Tấm chắn Động Cơ Bước Mặt Bàn Hộp điện Pass gắn đầu gia công Nắp đậy khớp Y Hộp Cánh Tay Hộp Cánh Tay Hộp Giữa Trục Z Gắn ổ bi trục X Cục xoay chiều Y Chốt Cố Định Tấm Đế Xoay Trục Z Đế Khung bàn máy Dây Đai Đế lót chân bàn Ke góc TÊN GỌI PLA Sắt DK11 Cao su PLA Cao Su PLA PLA Sắt Inox 304 PLA Cao su Nhôm PLA PLA PLA PLA PLA PLA PLA PLA PLA PLA PLA PLA Cao Su Cao Su Nhôm VẬT LIỆU 3 3 1 1 1 1 1 1 1 16 SỐ LƯỢNG Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí K18 HK2 2021 - 2022 35 34 15 16 24 Hà Huy Toàn 21 Người Vẽ Nguyễn Văn Hùng Nguyễn Thành Trí BẢN VẼ PHÂN RÃ Kiểm Tra Th.S Phạm Bá Khiển Viện Kỹ Thuật Hutech Trường ĐH Công Nghệ TP.HCM Tỉ Lệ: 1:5 Số Tờ: 20/20 ... nhóm chúng em chọn đề tài: “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cánh tay máy SCARA ứng dụng tạo mẫu nhanh, kết hợp gia công CNC khắc LASER ” Nhóm em hy vọng sản phẩm khắc phục yêu cầu chúng em nêu... biết ứng dụng cách hiệu bên cạnh máy gia công CNC máy khắc laser ứng dụng nhiều doanh nghiệp nước Hình 3: Các mặt hàng mỹ nghệ ứng dụng in 3D, khắc Laser kết hợp gia công CNC Hiện lĩnh vực ứng dụng. .. cánh tay máy Robot Scara ứng dụng tạo mẫu nhanh kế hợp gia cơng CNC khắc Laser. (hình 2.1: nguồn intonet) Hình 1: Cánh tay máy Scara Bênh cạnh Robot scara khác robot khác bởi: Tốc độ: SCARA phù hợp