Nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động cho máy tán đinh tán

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động cho máy tán đinh tán BÙI TRUNG HIẾU Hieu.BT211063M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật khí Giảng viên hướng dẫn: Khoa: PGS.TS Hoàng Hồng Hải Cơ điện tử HÀ NỘI, 4/2023 Chữ ký GVHD ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN Họ tên học viên: Bùi Trung Hiếu Lớp: Khóa: 2021A Chuyên ngành: Kỹ thuật khí MSHV: 20211063M Hệ: Thạc sĩ Tên đề tài Nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động cho máy tán đinh tán Nội dung thuyết minh Chương Tổng quan đinh tán máy tán đinh Chương Hệ thống cấp phôi cho máy tán đinh tán Chương Hệ điều hành ROS xử lý ảnh cho robot Chương Tính tốn thiết kế robot cấp phôi kết thực nghiệm Kết luận Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn PSG.TS Hoàng Hồng Hải LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm luận văn thạc sĩ, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thầy Trường Cơ Khí, nhiệt tình truyền đạt cho em nhiều kiến thức mới, nhiều góc nhìn giúp cho em trang bị thêm cho kiến thức mới, thực tiễn cơng việc sống Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Hoàng Hồng Hải, người thầy ân cần, tận tụy hướng dẫn em suốt thời gian thực luận văn Trong trình làm, với hướng dẫn tận tình thầy PGS.TS Hoàng Hồng Hải nỗ lực thân, đến đồ án em hoàn thành Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, quan bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành luận văn thạc sĩ Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Học viên cao học Bùi Trung Hiếu LỜI MỞ ĐẦU Trong sản xuất cơng nghiệp quốc phịng nay, vấn đề tự động hóa sản xuất có vai trị đặc biệt quan trọng Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot công nghiệp nhằm nâng cao suất dây chuyền công nghệ, khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Sự cạnh tranh hàng hóa đặt vấn đề để hệ thống vận hành linh hoạt Robot cơng nghiệp phấn cấu thành thiếu hệ thống Để đạt trình độ tự động hóa nay, robot nói chung robot cơng nghiệp nói riêng phát triển qua bao giai đoạn viện nghiên cứu trường đại học hàng đầu giới Để ngày hôm nay, họ cho đời hệ điều hành ROS (Robot Operating System), điều hành thúc đẩy trình tự động hóa robot cực mạnh mẽ Trong thời gian ngắn kể từ xuất hiện, ROS phát triển nhanh chóng trở thành công cụ phổ biến, chuẩn mực sử dụng rộng rãi đơn vị nghiên cứu chế tạo robot Cùng với phát triển ROS, công nghệ xử lý ảnh ngày áp dụng nhiều nhiều lĩnh vực Việc kết hợp ROS xử lý ảnh đưa xa đường nghiên cứu, ứng dụng robot Và mục đích đồ án “Nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động cho máy tán đinh tán” Phạm vi nghiên cứu luận văn bao gồm: tính tốn, thiết kế robot gắp lề thực nghiệm kết gắp nhằm tự động hóa quy trình lắp ráp nhà máy Z113 Mục lục CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐINH TÁN VÀ MÁY TÁN ĐINH TÁN 1.1 Giới thiệu mối ghép đinh tán 1.1.1 Tổng quan mối ghép đinh tán 1.1.2 Các loại đinh tán vật liệu làm đinh tán a 1.1.3 1.2 Các loại đinh tán mối ghép Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng a Ưu điểm: c Phạm vi sử dụng: Tình hình nghiên cứu thị trường máy tán rivet giới 1.2.1 Tình hình giới 1.2.2 Tình hình nghiên cứu cơng nghệ máy tán rivet Việt Nam 1.3 1.3.3 1.4 Tổng quan sản phẩm lề hòm gỗ bảo quản đạn pháo 1.3.1 Công dụng 1.3.2 Cấu tạo Giới thiệu quy trình sản xuất lề Giới thiệu thiết bị sử dụng để tán chốt nguội sản xuất 1.4.1 Máy tán kiểu đứng 1.4.2 Máy tán kiểu nằm ngang CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CẤP PHÔI CHO CÁC MÁY TÁN ĐINH 11 2.2.1 Phương pháp cấp phôi kiểu giá nâng 11 2.2.2 Phễu cấp phôi định hướng khe rãnh 12 2.3.1 Cấu tạo hệ thống 13 2.3.2 Nguyên lý làm việc phễu rung 14 2.4.1 Cấu tạo hệ thống 14 2.4.2 Nguyên lý làm việc hệ thống robot gắp 15 2.5 Kết luận 15 CHƯƠNG HỆ ĐIỀU HÀNH ROS VÀ XỬ LÝ ẢNH CHO ROBOT 16 3.1 Giới thiệu tổng quan hệ điều hành ROS 16 3.1.1 Hệ điều hành ROS 16 3.1.2 Tại lại chọn ROS 16 3.2 3.3 ROS điều khiển robot 20 3.2.1 MoveIt 20 3.2.2 Giao tiếp ROS Arduino 22 Tổng quan xử lý ảnh 23 3.4 3.4.1 3.5 Các trình xử lý ảnh 24 Phạm vi ứng dụng xử lý ảnh 25 Xử lý ảnh phát vật thể 25 3.5.1 Thông số camera 26 3.5.2 Hiệu chuẩn camera 26 3.5.3 Thuật toán Canny 27 3.5.4 Thuật toán lấy mẫu đường biên 28 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ ROBOT VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 33 4.1 4.2 4.3 Động học 33 4.1.1 Các tham số động học DH (Denavit Hartenberg) 33 4.1.2 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác 36 Tĩnh học 37 4.2.1 Cơ sở lý thuyết 38 4.2.2 Xây dựng mơ hình Solidworks 39 Chọn tay gắp 43 4.4.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển 44 4.4.2 Mạch điều khiển 45 4.5 Sơ đồ nối mạch 46 4.6 Kết thực nghiệm………………………………………………………………46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo mối ghép đinh tán Hình 1.2: Các loại đinh tán Hình 1.3: Máy tán rivet Nhật Hình 1.4: Kết cấu lề lắp vào hịm gỗ bảo quản đạn pháo Hình 1.5: Cấu tạo lề hòm gỗ bảo quản đạn pháo Hình 1.6: Phơi thép Hình 1.7: Phơi cắt tạo hình Hình 1.8: Phơi dập tạo hình Hình 1.9: Vát mép lỗ lề Hình 1.10: Quy trình sản xuất lề Hình 1.11: Máy tán đinh thủy lực Đài Loan LF168 Hình 12: Hình ảnh máy tán đinh thủy lực Đài Loan LF162 Hình 2.1: Phễu cấp phơi kiểu giá nâng Hình 2.2: Phễu cấp phơi định hướng khe rãnh Hình 2.3: Phễu cấp phơi rung động Hình 2.4: Hệ thống robot gắp Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống cấp phôi sử dụng tay gắp robot Hình 3.1: Cấu trúc MoveIt Hình 3.2: Giao diện Move It Hình 3.3: Mơ robot Rviz Hình 3.4: Giao diện phần mềm Arduino IDE Hình 3.5: Các giai đoạn xử lý Hình 3.6: Các bước thực thi xử lý ảnh Hình 3.7: Hiệu chỉnh camera Hình 3.8: Non-maximum Suppression Hình 3.9: Lọc ngưỡng Hình 3.10: Phát hiên đường trịn Hình 3.11: Xoay hệ tọa độ Hình 3.12: Hệ tọa độ ảnh Hình 3.13: Hệ tọa độ robot Hình 4.1: Chiều dài góc xoắn khâu Hình 4.2: Các thơng số khâu Hình 4.3: Hệ tọa độ robot Hình 4.4: Mơ hình 3D SolidWorks Hình 4.5: Khâu Hình 4.6: Khâu Hình 4.7: Khâu Hình 4.8: Khâu Hình 4.9: Khâu Hình 4.10: Khơng gian làm việc XOY Hình 4.11: Khơng gian làm việc XOZ Hình 4.12: Khơng gian làm việc ZOY Hình 4.13: Khơng gian làm việc OXYZ Hình 4.14: Các loại tay gắp Hình 4.15: Cơ cấu tay kẹp Hình 4.16: Động servo Hình 4.17: Mơ in 3D Hình 4.18: Q trình in 3D Hình 4.19: Robot sau lắp ráp hồn chỉnh Hình 4.20: Sơ đồ kết nối TB6560, mạch điều khiển động bước Hình 4.21: Sơ đồ nối mạch điều khiển cánh tay robot Hình 4.22: Mạch điều khiển sau nối hồn chỉnh Hình 4.23: Sai số vị trí theo phương X Hình 4.24: Sai số vị trí theo phương Y Hình 4.25: Sai số vị trí theo phương Z DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thông số camera Bảng 4.1: Bảng Denavit Hartenberg tham số động học robot Bảng 4.2: Các tham số động học Bảng 4.3: Vị trí thực tế theo phương X Bảng 4.4: Vị trí thực tế theo phương Y Bảng 4.5: Vị trí thực tế theo phương Z CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐINH TÁN VÀ MÁY TÁN ĐINH TÁN 1.1 Giới thiệu mối ghép đinh tán 1.1.1 Tổng quan mối ghép đinh tán Mối ghép đinh tán loại mối ghép tháo được, sử dụng để ghép kim loại đinh tán (rivet) Đinh tán hình trụ trịn có mũ hai đầu, đầu chế tạo lúc với đinh tán gọi mũ sẵn, đầu cịn lại tạo q trình tán đinh vào mối ghép gọi mũ tán Hình 1.1: Cấu tạo mối ghép đinh tán Nguyên tắc liên kết mối ghép đinh tán: - Thân đinh tán tiếp xúc với lỗ ghép, lỗ đệm, đinh tán có tác dụng chốt cản trở trượt tương đối ghép với nhau, ghép với tâm đệm - Để tạo mối ghép đinh tán, người ta gia công lỗ ghép gia cơng khoan hay đột, dập Lỗ ghép có đường kính lớn đường kính thân đinh tán Khi tán đường kính thân chèn tra khít vào đường kính lỗ - Tấm ghép khơng dày 25 mm: Mối ghép đinh tán sử dụng mối ghép quan trọng, chịu tải trọng va đập lặp lại tải trọng dao động với cường độ lớn: kết cấu máy bay, kết cấu cầu, cần trục, mối ghép đốt nóng bị vênh giảm chất lượng, mối ghép làm vật liệu chưa hàn ngành chế tạo ô tô cho khung ô tô tải 1.1.2 Các loại đinh tán vật liệu làm đinh tán a Các loại đinh tán mối ghép Theo hình dạng đầu đinh tán Hình dạng đinh tán chủ yếu tiêu chuẩn Tùy theo hình dạng mũ đinh ta chia loại hình 1.2: đỉnh mũ chỏm cầu, mũ cơn, mũ chìm, mũ nửa chìm, Đinh tán mũ chỏm cầu sử dụng phổ biến Ngoài 4.2.1 Cơ sở lý thuyết Tính lực (mơ-men) dẫn động khớp đảm bảo robot cân tĩnh Hệ phương trình cân hệ tọa độ sở: (PT 4.9) Trong đó: lực khâu i-1 tác dụng lên khâu i khớp thứ i hệ tọa độ mô-men khâu i-1 tác dụng lên khâu i khớp thứ i hệ tọa độ trọng lực khâu i hệ tọa độ véc-tơ có gốc Oo nối với Oi hệ tọa độ ma trận quay biến đổi từ hệ tọa độ sang hệ tọa độ thứ i véc-tơ có gốc Oi-1 nối với Oi hệ tọa độ khâu i Tính tốn Ta giả sử lực tác động khâu cuối coi không: , Lực tĩnh khâu , , , Momen tĩnh động cần để robot cân bằng: , , Với số liệu: Ta thu kết quả: M dc1 = 0(N.m) (N.m) (N.m) (N.m) (N.m) 38 Xây dựng mơ hình Solidworks Robot gồm khớp quay sử dụng đai nhiều cấp làm tăng tỷ số truyền từ động để đáp ứng yêu cầu gắp vật 4.2.2 Hình 4.4: Mơ hình 3D SolidWorks Robot hình thành khâu quay Các khâu kết nối truyền động với qua hệ thống động – dây đai động - xích, khớp quay bậc tự robot Khâu sử dụng truyền động đai đặt mặt phẳng nằm ngang với động đặt đằng sau Trên khâu có gắn mount cho động khâu Hình 4.5: Khâu Khâu sử dụng truyền đai mặt phẳng thẳng đứng Đằng sau có hệ căng đai 39 Hình 4.6: Khâu Khâu thiết kế theo dạng hình hộp có lỗ hình trụ để lắp trục khâu Cả khâu khâu sử dụng truyền đai Hình 4.7: Khâu Động khâu đặt cuối khâu 3, có trục 8mm dài 200mm, xỏ qua ống trục khâu Hình 4.8: Khâu 40 Hình 4.9: Khâu Tất khâu lắp vào với thành tay máy hồn chỉnh Tại khớp động có ổ bi để chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn giúp khâu chuyển động mượt mà Hình 4.10: Khơng gian làm việc XOY 41 Hình 4.11: Khơng gian làm việc XOZ Hình 4.12: Khơng gian làm việc ZOY 42 Hình 4.13: Không gian làm việc OXYZ 4.3 Chọn tay gắp Tay gắp sử dụng cánh tay robot để gắp giữ vật thể đặt vật thể vị trí mong muốn Tùy theo mục đích sử dụng, robot kết nối với loại tay gắp khác Các loại tay gắp phổ biến thường gặp công nghiệp: Tay gắp nam châm (Magnetic gripper) Sử dụng nam châm điện để gắp thả vật bị ảnh hưởng từ tính sắt Tay gắp khí nén (Pneumatic gripper) Sử dụng khí nén để đóng mở tay gắp Là loại tay gắp sử dụng phổ biến nhờ ưu điểm kích thước nhỏ, nhẹ lực kẹp Tay gắp thủy lực (Hydraulic gripper) Sử dụng dầu chất lỏng để đóng mở tay gắpCó thể cung cấp lực kẹp lớn (lên tới 2000 PS), dùng để gắp vật nặng Tay gắp hút chân không (Vacuum gripper) Sử dụng lực hút chân khơng thơng qua ống dẫn khí đầu hút để giữ vật Thường sử dụng cánh tay robot linh hoạt Tay gắp sử dụng động điện (Electric gripper) Sử dụng động điện thông qua truyền động khí để tạo thành lực kẹp cho tay gắp Hình 4.14 Các loại tay gắp [9] 43 Trong luận văn này, học viên sử dụng tay gắp dạng nam châm điện Tay gắp ứng dụng hút, nhả lề sắt có tín hiệu điều khiển từ hệ thống Tay kẹp thiết kế vật liệu in 3D, thiết kế cân xứng giúp tay kẹp robot cứng dễ dàng thao tác gắp sản phẩm, có độ ổn định, khơng bị trượt trình thao tác Hình 4.15 Cơ cấu tay kẹp Hình 4.16 Động servo Kẹp mở tối đa 55mm Kẹp tổng chiều dài: 108mm Tổng chiều rộng: 98mm (khi kẹp mở tối đa chiều rộng tổng thể) Động servo làm việc điện áp: 4,8-6v (khi kẹp mở) 4.4 Thiết kế điều khiển 4.4.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển Trong luận văn này, học viên sử dụng động bước không sử dụng encoder để phản hồi vị trí nên hệ thống điều khiển hệ thống điều khiển hở (open-loop system) khơng có bù tác động ngồi (khơng có bù nhiễu) Sơ đồ điều khiển có dạng sau: 44 Hình 4.17 Sơ đồ điều khiển vịng hở cho robot 4.4.2 Mạch điều khiển Mạch Arduino Mega Board arduino mega 2560 sử dụng chip ATmega2560 ATmel, nhớ chương trình lên đến 256KB có 8KB sử dụng bootloader Với nhớ chương trình lớn, bạn viết nhiều chương trình phức tạp, điều khiển nhiều thiết bị Dung lượng RAM 8KB 4KB EEPROM a Hình 4.18 Cấu trúc Mega 2560 [10] 45 Driver điều khiển động Trong luận văn này, module TB6560 sử dụng để điều khiển động stepper b Hình 4.19 Module TB6560 điều khiển động bước [11] Module TB6560 điều khiển vi bước 1/16 step, 1/8 step, 1/2 step full step full step bạn cần 200 step để quay hết vòng loại 1.8 độ 1step Còn dùng chế độ vi bước 1/16 step xung động dịch chuyển 1,8/16 độ Nói cách khác, bạn phải cần 200*16=3200 xung để quay hết vòng điều làm tăng độ phân giải tăng độ xác cho step 4.5 Sơ đồ nối mạch Hình 4.20 Sơ đồ kết nối TB6560, mạch điều khiển động bước Để ghép nối động bước với Arduino cần module TB6560 Trên module TB6560, chân A+, A-, B+, B- kết nối với chân động 46 bước, chân GND 24V nối với nguồn chiều có dịng 3A, điện áp 24VDC Các chân CLK+, CLK-, CW+, CW-, EN+, EN- kết nối tới chân bo Arduino Cụ thể, chân CLK+, CW+, EN+ nối chung vào chân 5V Arduino, chân CLK-, CW- nối với chân băm xung Hình 4.21 Sơ đồ nối mạch điều khiển cánh tay robot Trong sơ đồ ký hiệu động bước tương ứng là: J1, J2, J3, J4, J5 Các chân động nối với chân A+, A-, B+, B- TB6560 Các chân CLK- module TB6560 nối với chân 26, 28, 30, 32, 34, 36 bo Arduino Các chân có tác dụng cấp xung điều khiển cho động Các chân CW- nối với chân 27, 29, 31, 33, 35, 37 Arduino Các chân có tác dụng thay đổi chiều quay động Hình 4.22 Mạch điều khiển sau nối hoàn chỉnh 47 4.6 Kết thực nghiệm Đánh giá sai số robot thực qua bước: ✓ B1: Từ vị trí home robot, đưa vị trí tay kẹp đến điểm (0.31, 0.04, 0.3) ✓ B2: Đo vị trí thực tế tay kẹp, ghi lại kết ✓ B3: Đưa robot vị trí home ✓ Lặp lặp lại bước lần Kết thu được: Bảng 4.3 Vị trí thực tế theo phương X Vị trí mong muốn theo phương X 0.31 Vị trí thực tế Lần Lần Lần Lần Lần 0.31 0.307 0.307 0.31 0.307 Hình 4.23 Sai số vị trí theo phương X 48 Bảng 4.4 Vị trí thực tế theo phương Y Vị trí thực tế Vị trí mong muốn theo phương Y Lần Lần Lần Lần Lần 0.04 0.04 0.035 0.038 0.04 0.038 Hình 4.24 Sai số vị trí theo phương Y Bảng 4.5 Vị trí thực tế theo phương Z Vị trí mong muốn theo phương Z 0.30 Vị trí thực tế Lần Lần Lần Lần Lần 0.3 0.3 0.27 0.3 0.27 49 Hình 4.25 Sai số vị trí theo phương Z Kết luận: Hệ thống sử dụng động bước, điều khiển vòng hở có sai số nằm khoảng chấp nhận được, chứng minh tính đắn luận văn với ứng dụng thực tế Sai số hệ thống theo trục tọa độ 0.3mm ứng dụng vào thực tế 50 KẾT LUẬN Trên q trình nghiên cứu hệ thống cấp phơi tự động cho máy tán đinh tán sử dụng robot bậc tự tích hợp xử lý ảnh hệ điều hành ROS (Robot Operating System) Việc phát triển robot bao gồm phần cứng phần mềm Sau thời gian nghiên cứu, phát triển, học viên cao học đạt số kết sau: Tính tốn, thiết kế robot bậc tự gắp phôi; Sử dụng Arduino driver để điều khiển động bước; Sử dụng hệ điều hành ROS vào điều khiển robot; Tích hợp xử lý ảnh cho việc xác định vị trí vật thể; Chế tạo lắp ráp hoàn chỉnh robot bậc tự gắp thả vật Với hướng dẫn PGS TS Hoàng Hồng Hải, học viên có thêm nhiều kiến thức robot cơng nghiệp, cách tiếp cận giải vấn đề thực tế Đây điều quan trọng với đường học tập làm việc ứng dụng robot công nghiệp vào thực tế sản xuất sau Dù vậy, giới hạn mặt thời gian, số nhiệm vụ cách thực thi chưa thực hoàn chỉnh, cần cải thiện như: Do vật liệu in 3D, nên trình vận hành robot dễ xảy vấn đề liên quan đến độ cứng vững robot Các khớp robot chưa có encoder, nên chưa kiểm sốt vị trí thực tế robot Hướng phát triển: Thay đổi vật liệu robot, tăng độ xác lắp ghép, tăng tính bền học robot; Phát triển áp dụng thuật tốn học sâu để tăng độ xác cho toán xác định vật thể robot; Sử dụng động servo thay động bước nhằm nâng cao độ xác, giảm sai số nhiễu tín hiệu 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [[1] http://www.grantriveters.com/oldhomepage1.htm [2] www.guillemin.net [3] http://miratech.co.jp/s1/en/spin-riveting-machine/ [4] "ROS Robotics By Example" - Carol Fairchild, Thomas L Harman [5] "Mastering ROS for Robotics Program" - Lentin_Joseph [6]https://opencv-pythontutroals.readthedocs.io/en/latest/py_tutorials/py_imgproc/py_houghcircles/py_h oughcircles.html [7] "Giáo trình Robotic" - PGS.TS Phan Bùi Khôi [8] “Robot công nghiệp” – GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc [9] “Robot Dynamics and Control” – Mark W Spong, Seth Hutchinson, M Vidyasagar [10] https://arduino.cc [11] https://hshop.com 52