Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu giải pháp tự động hóa bôi keo dán đế giày sử dụng Robot

Để bôi keo đế giày thì khâu cuối của robot phải có vận tốc là hằng số đồng thời phải có phương vuông góc với mặt phẳng tiếp tuyến tại mỗi điểm trên mặt đế giày.. Nhưng tr

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HÀ LÊ NHƯ NGỌC THÀNH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỰ ĐỘNG HÓA BÔI KEO DÁN ĐẾ GIÀY SỬ DỤNG ROBOT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 605268

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HÀ LÊ NHƯ NGỌC THÀNH

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỰ ĐỘNG HÓA BÔI KEO DÁN ĐẾ GIÀY SỬ DỤNG ROBOT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 605268

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày… tháng … năm…

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5 Xác nhận của chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được chỉnh sửa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỰ ĐỘNG HÓA BÔI KEO

DÁN ĐẾ GIÀY SỬ DỤNG ROBOT II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu các phương pháp bôi keo giày - Đề xuất phương án khả thi

- Thiết kế và thực nghiệm

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

PSG TS NGUYỄN TẤN TIẾN TS LƯU THANH TÙNG

Tp HCM, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

(Họ tên và chữ ký)

TS Lưu Thanh Tùng

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn, PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến, TS Lưu Thanh Tùng, đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong thời gian làm việc tại

Mechatronics Lab và IUD Lab để hoàn thành luận văn này Xin cám ơn quý thầy cô bộ môn Cơ điện tử trường đại học Bách Khoa TP.HCM đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu cho tôi

Xin cám ơn trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi được theo học tại trường đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM

Xin cám ơn những bạn bè, đồng nghiệp luôn quan tâm và giúp đỡ tôi trong thời gian qua

Xin cám ơn gia đình đã luôn bên cạnh tôi Trân trọng cám ơn!

TP.HCM, Ngày 14 tháng 12 năm 2014

Hà Lê Như Ngọc Thành

TÓM TẮT

Bôi keo đế giày là một trong những công đoạn quan trọng nhất trong ngành công nghiệp giày da Hầu hết công đoạn này được thực hiện bằng tay hoặc bán tự động Những loại keo được sử dụng có tính độc hại cao, ảnh hưởng đến sức khỏe và tâm lý của người lao động Thêm vào đó là sự ô nhiễm môi trường, đây là vấn đề hết sức cấp thiết trong ngành công nghiệp này Luận văn đề xuất một giải pháp tự động hóa cho khâu bôi keo đế giày Hệ thống gồm ba phần, đầu tiên là cơ cấu định vị giày Phần thứ hai là robot 6 bậc tự do dùng để bôi keo Phần thứ ba là cơ cấu gồm một chổi quét, được gắn trên đầu keo Cơ cấu này sẽ được gắn vào khâu cuối của robot Để bôi keo đế giày thì khâu cuối của robot phải có vận tốc là hằng số đồng thời phải có phương vuông góc với mặt phẳng tiếp tuyến tại mỗi điểm trên mặt đế giày Từ một đường cong bôi keo 3D trên đế giày thật, đường cong này được chia thành nhiều điểm với khoảng cách bằng nhau Tiếp theo, tính toán động học thuận và động học ngược của robot Cuối cùng hoạch định quỹ đạo chuyển động cho robot bám sát đường cong bôi keo Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh tính hiệu quả và khả thi của giải pháp đề suất

ABSTRACT

To glue shoe soles is one of important stages in the footwear industry Mostly, gluing stage is performed by handwork or semi-automatic work Adhesives are high toxicity, they influence on health and psychology of laborer In addition, the environment pollution is also an urgent problem in the footwear industry In this paper, we propose an automation solution for gluing shoe soles The system has three parts The first part, a position mechanism of the shoe was generated This part is responsible for positioning a shoe soles The second part, a 6DOF manipulator was used to glue shoe soles The final part, a brush was mounted on adhesive head, it was set on the end effector To glue shoe soles surface, the end effector have to move with constant velocity, and must be perpendicular to tangential plane at each point on soles surface The gluing path is 3D curve of shoe sole This curve (gluing path) was then divided into multipoint with isometric sampling distance Secondly, forward and inverse kinematics problem of manipulator were solved Finally, manipulator’s

working path was generated to track the gluing path In addition, to verify the tracking performance, the simulation is done The experiment is also done to prove the soundness of the theorem

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến và TS Lưu Thanh Tùng

Các kết quả trình bày là trung thực, các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

TP.HCM, Ngày 14 tháng 12 năm 2014

Hà Lê Như Ngọc Thành

1.1 Giới thiệu chung về qui trình sản xuất giày 13

1.2 Vấn đề cấp bách hiện nay trong ngành sản xuất giày 16

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 17

2.1 Các phương pháp bôi keo trong thực tế của ngành công nghiệp giày da 17

2.1.1 Phương pháp bôi keo truyền thống (Phương pháp thủ công) 17

2.1.2 Phương pháp bôi keo bán tự động 17

2.1.3 Phương pháp bôi keo tự động 17

2.2 Phương án giải quyết khâu bôi keo sử dụng robot 20

2.3 Hệ thống tự động bôi keo đề xuất 21

2.3.1 Mô hình tổng thể của hệ thống tự động hóa 21

2.3.2 Cơ cấu định vị giày 23

2.3.3 Đầu quét keo 23

2.3.4 Robot bôi keo giày 26

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN 27

3.1 Động học ngược của robot 27

3.2 Xây dựng quỹ đạo và hướng bôi keo 30

3.3 Điều khiển hệ thống bôi keo giày tự động 34

3.3.1 Điều khiển cơ cấu gá kẹp giày 34

3.3.2 Điều khiển robot bôi keo giày 35

3.3.3 Điều khiển tổng thể hệ thống tự động hóa 39

3.4 Phương án điều khiển hệ thống tự động hóa với những mẫu giày khác nhau 42

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 43

4.1 Mô phỏng kết quả tính toán đường đi của robot và đường bôi keo thực tế 43

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 52

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC 52

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Quy trình sản xuất giày 13

Hình 1.2 Công đoạn cắt các chi tiết của mũ giày 13

Hình 1.3 Công đoạn may mũ giày 14

Hình 1.4 Công đoạn gò mũi giày 15

Hình 1.5 Công đoạn bôi keo và giáp đế giày 15

Hình 2.1 Bôi keo giày thủ công 17

Hình 2.2 Sản phẩm tự động hóa của CERIM và VISIO NERF 18

Hình 2.3 Phương pháp phun keo của OMAV và VISIO NERF 19

Hình 2.4 Robot bôi keo giày của Dongguan YILI Auto Technology 20

Hình 2.5 Sơ đồ giải pháp tự động hóa khâu bôi keo 21

Hình 2.6 Hệ thống bôi keo đế mũ giày và mặt cắt cơ cấu kẹp giày 22

Hình 2.7 Đầu bôi keo 25

Hình 2.8 Đầu bôi keo và cọ quét keo thực 25

Hình 2.9 Robot Motoman SV3 26

Hình 3.1 Hệ trục tọa độ robot 27

Hình 3.2 Hình chiếu của robot lên mặt phẳng 𝑂𝑋0𝑌0 28

Hình 3.3 Hình chiếu của robot lên mặt phẳng 𝑂1𝑋1𝑌1 28

Hình 3.4 Quỹ đạo bôi keo đế giày 30

Hình 3.5 Mặt phẳng bôi keo 31

Hình 3.6 Mạch động lực điều khiển cơ cấu kẹp giày 34

Hình 3.7 Mạch công suất điều khiển van khí nén và van keo 35

Hình 3.8 Lưu đồ giải thuật điều khiển cơ cấu kẹp giày 35

Hình 3.9 Sơ đồ khối điều khiển robot bôi keo 36

Hình 3.10 Robot đi qua 3 điểm 𝑃1, 𝑃2 và 𝑃3 36

Hình 3.11 Các biến khớp của robot khi đi qua 3 điểm 36

Hình 3.12 Các biến khớp của robot khi đi qua 𝑃1, 𝑃2 37

Hình 3.13 Lưu đồ giải thuật điều khiển robot 38

Hình 3.14 Mạch điện kết nối CARD NI PCIe 6612 với SERVO PACK 39

Hình 3.15 Sơ đồ khối điều khiển tổng quát hệ thống 40

Hình 3.16 Sơ đồ điều khiển từ máy tính đến hệ thống 40

Hình 3.17 Card NI PCIe 6612 40

Hình 3.18 Lưu đồ giải thuật điều khiển tổng thể hệ thống 41

Hình 3.19 Giao diện điều khiển tổng thể hệ thống 41

Hình 3.20 Sơ đồ tự động hóa hệ thống bôi keo nhiều kiểu giày khác nhau 42

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng 43

Hình 4.2 Đáp ứng của đường đi robot và đường bôi keo thực tế 44

Hình 4.3 Sai số của đường đi robot và đường bôi keo thực tế 44

Hình 4.4 Đáp ứng của góc bôi keo của robot và góc bôi keo mong muốn 45

Hình 4.5 Sai số của góc robot thực tế và góc bôi keo mong muốn 45

Hình 4.6 Mô hình thực nghiệm 46

Hình 4.7 Kết quả bôi keo trên đế giày 47

Hình 4.8 Tiến hành đo bề dày keo bằng máy CMM 47

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Bảng thông số D-H của robot 27Bảng 2: Các thông số mô phỏng 43Bảng 3: Kết quả đo của 10 chiếc giày 48

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về qui trình sản xuất giày

Ngành công nghiệp giày da được xem như là một ngành thủ công truyền thống Ngày nay, ngành công nghiệp này đã và đang mang lại giá trị xuất khẩu lớn cho các nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam Một đôi giày hoàn chỉnh thì phải trải qua quy trình sản xuất gồm hai công đoạn chính đó là công đoạn chế biến mũ giày và giáp đế giày

Bôi keo và giáp đế

- Bôi keo lên đế mũ giày- Sấy khô

- Giáp đế giày

Hình 1.1 Quy trình sản xuất giày

Công đoạn chế biến mũ giày gồm có 5 công đoạn nhỏ:

Thiết kế và tách chi tiết: Đây là công đoạn quan trọng của quy trình sản xuất Mẫu

mã có thu hút được người tiêu dùng hay không sẽ phụ thuộc chủ yếu vào công đoạn này Người thợ cần phải tách từng chi tiết của đôi giày ra mẫu bìa, phân loại chi tiết ngoài, chi tiết trong Tùy từng mẫu, mã giày sẽ có những phần tách chi tiết khác nhau Mỗi chi tiết sẽ được tách nhỏ để thuận tiện trong quá trình sản xuất

Hình 1.2 Công đoạn cắt các chi tiết của mũ giày

Cắt chi tiết: Công đoạn này đòi hỏi người lao động phải làm việc trực tiếp với da

Từ những bản vẽ trên bìa giấy những người thợ phải cắt tỉa sao cho đúng kích cỡ, số đo đã có sẵn Người thợ sẽ phải làm việc một cách tỷ mỉ để đảm bảo độ chính xác về số đo và nhằm tiết kiệm tối đa lượng da dư thừa bỏ phế

Dãy chi tiết: Những chi tiết được cắt sẵn trên da sẽ được chuyển xuống bộ phận

dãy để gấp chi tiết Bộ phần này có trách nhiệm gấp các đường theo đúng kích cỡ của giày

May chi tiết: Sau khi các chi tiết được gấp sẽ được chuyển đến bộ phận may Ở

đây, các chi tiết được may tách biệt nhau

Hình 1.3 Công đoạn may mũ giày

Hoàn thiện chi tiết: Các chi tiết sau khi đã được thiết kế, cắt, gấp, may Phần này là

phần ghép các chi tiết theo bản thiết kế đã có sẵn Kết thúc phần này việc chế biến mũ giày cũng sẽ được hoàn thiện Song song với việc sản xuất mũ giày thì phần giáp đế giày được thực hiện Với công đoạn này thì người thợ phải thực hiện 2 nhiệm vụ chính đó là gò và giáp đế

Hình 1.4 Công đoạn gò mũi giày

Công đoạn bôi keo và giáp đế: Sau khi đế giày đã được gò xong thì sẽ tiến hành

đến phần giáp đế Công đoạn này chủ yếu được thực hiện bằng máy Nhưng trước khi tiến hành giáp đế thì công nhân phải bôi keo lên phần đế của mũ giày và dùng máy sấy khô trong vòng 5 phút, việc bôi keo phải thực hiện bằng phương pháp thủ công

Hình 1.5 Công đoạn bôi keo và giáp đế giày

Tiếp sau đó, phần mũ giày và phần đế sẽ được giáp lại với nhau bằng các máy chuyên dụng như máy ép 2 chiều và máy ép 6 chiều chia đều 2 bên sườn và phần hậu của đôi giày Kết thúc công đoạn này là việc bắn đinh cho các sản phẩm và như vậy chúng ta có được một đôi giày hoàn chỉnh

Trong tất cả những khâu trên thì khâu bôi keo giày là quan trọng nhất, độ bền và chắc chắn của một đôi giày phụ thuộc vào khâu bôi keo và đây cũng là công đoạn cần một lượng lao động lớn nhất

1.2 Vấn đề cấp bách hiện nay trong ngành sản xuất giày

Một vấn đề khá nan giải trong ngành da giày là sự độc hại đối với công nhân do các hóa chất trong ngành sản xuất giày Có 3 nguyên liệu chính để sản xuất giày là: Da, giả da và đế, cộng thêm các nguyên liệu phụ trợ như keo dán, chỉ khâu, cúc, gót Trong quy trình sản xuất giầy đã phát sinh nhiều yếu tố độc hại đối với sức khỏe người lao động đặc biệt là DMHC (chiếm tỷ lệ 90,3% trong keo mủ cao su và 50% trong keo polychloprene) Các chất dung môi hữu cơ có ảnh hưởng đến hệ thần kinh, hệ tạo máu, gây giảm sức nghe và những ảnh hưởng khác Đó là benzen hoặc đồng đẳng của nó như toluen, xylen, và xăng, hỗn hợp hexane - axeton - toluen Ngoài ra còn có nhiều các yếu tố khác ảnh hưởng tới sức khỏe của người công nhân trong sản xuất giầy như: Bụi, tiếng ồn, khí hậu nóng ẩm Chính vì vậy việc nghiên cứu môi trường lao động cũng như sức khỏe công nhân giày là rất cần thiết

Như phân tích ở trên, vấn đề độc hại của hóa chất sẽ làm ảnh hưởng sức khỏe công nhân, làm giảm khả năng xuất khẩu khi mà sản phẩm được sản xuất tại nhà máy có nguy cơ độc hại đến con người Để khắc phục tình trạng trên, các công ty sản xuất da giày đang cố gắng tránh sự tiếp xúc trực tiếp của công nhân với các nguồn hóa chất phát sinh trong quá trình sản xuất giày Nhằm thực hiện vấn đề này, họ hoặc làm tự động hóa khâu đó để tránh công nhân trực tiếp tham gia, hoặc dùng quạt hút để đưa hóa chất độc thoát ra khỏi môi trường làm việc của công nhân Với các khâu đã làm tự động hóa thì khâu bôi keo đế giày là khâu đến nay, tại Việt Nam vẫn chưa tự động hóa được Nhận thấy đây là vấn đề hết sức cấp bách hiện nay

Do đó, đề tài hướng đến mục tiêu tự động hóa một khâu quan trọng trong ngành sản xuất giày có hàm lượng độc hại cao là khâu bôi keo đế mũ giày

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Các phương pháp bôi keo trong thực tế của ngành công nghiệp giày da

2.1.1 Phương pháp bôi keo truyền thống (Phương pháp thủ công)

Đa số các doanh nghiệp hoạt động trong ngành giày da hiện nay ở nước chúng ta đều sử dụng hình thức bôi keo thủ công là chủ yếu Người công nhân sẽ dùng 1 tay giữ đế giày và tay còn lại dùng cọ để thấm vào keo và bôi lên mặt đế giày, tùy thuộc vào kinh nghiệm làm việc mà người công nhân sẽ bôi đi bôi lại nhiều lần hay ít lần và độ dày của keo cũng khác nhau (hình 2.1)

Hình 2.1 Bôi keo giày thủ công

2.1.2 Phương pháp bôi keo bán tự động

Phương pháp bôi keo bán tự động cũng được áp dụng, với phương pháp này người công nhân không cần phải dùng cọ để thấm keo thủ công, mà cọ bôi keo sẽ được gắn với một bộ phận bơm keo sẵn có, và keo sẽ tự động phun ra, người lao động chỉ việc cầm cọ và bôi lên mặt đế giày

2.1.3 Phương pháp bôi keo tự động

Một số nước tiên tiến trên thế giới như Đức, Italy, Trung Quốc,…đã phát minh ra những máy móc để tự động hóa khâu bôi keo dán đế giày, phương pháp bôi keo được sử dụng nhiều nhất trong tất cả những máy móc trên là phương pháp phun keo và phương pháp quét keo bằng cọ trực tiếp lên đế giày

a) Phương pháp phun keo:

Với phương pháp bôi keo này, một số loại máy móc đã được phát minh và áp dụng vào việc bôi keo dán đế giày như: Công ty CERIM [1] (Hình 2.2a) là một trong những

công ty dẫn đầu trong lĩnh vực tự động hóa trong ngành công nghiệp giày da Công ty này chế tạo ra loại máy có thể bôi keo đế giày bằng phương pháp phun keo, đây là một loại máy có cấu tạo gần giống với máy CNC, loại máy này có thể bôi keo nhiều loại giày khác nhau, các mô hình giày đã được scan 3D sẵn và lưu thành dữ liệu, người sử dụng chỉ việc chọn loại giày cụ thể mà mình muốn bôi keo theo những mẫu giày có sẵn, sau khi chọn mẫu giày trên máy, người sử dụng sẽ đặt chiếc giày vào hệ thống kẹp và một đầu keo sẽ tự động chạy và phun keo theo biên dạng của giày Hệ thống bôi keo giày này gồm có 3 phần chính đó là: Bộ phận kẹp và cố định biên dạng giày, bộ phận phun keo hay còn gọi là đầu keo được gắn trên một hệ thống tự động xoay để bôi keo, và bộ phận màn hình cảm ứng để thực hiện việc nhập và chọn kiểu giày cần bôi keo Phương pháp này có khả năng tự động hóa cao, bôi keo chính xác nhưng chỉ thích hợp với việc bôi keo một số loại giày cố định

Hình 2.2 Sản phẩm tự động hóa của CERIM và VISIO NERF

Tiếp theo là công ty VISIO NERF [2] (Hình 2.2b), sử dụng một máy quét 3D để quét biên dạng đế giày sau đó dữ liệu này sẽ được xử lý và một tay máy 6 bậc tự do được sử dụng để điều khiển quỹ đạo của đầu phun keo, và keo được phun keo lên đế giày dựa theo dữ liệu đã quét trước, với cách thức này hệ thống tự động cũng bao gồm ba phần chính: Phần thứ nhất là máy quét 3D quét biên dạng giày để lấy biên dạng quét keo Sau khi xác định được biên dạng quét keo thì phần thứ hai đó là một hệ thống xoay sẽ đưa chiếc giày vào khu vực phun keo của robot, phần thứ ba đó là một robot 6 bậc tự do mang đầu keo sẽ đi xuống và phun keo lên bề mặt vừa mới scan Ưu điểm của phương pháp này là sử dụng máy quét 3D nên có thể quét keo bất kỳ loại

giày nào, sai số thấp, khả năng tự động hóa cao, nhưng phương pháp này cũng chỉ thích hợp với việc phun keo lên bề mặt bôi keo là đế ngoài giày và mặt bôi keo phẳng, ít lồi lõm

Công ty OMAV [3] là một công ty về giải pháp tự động hóa trong lĩnh vực bôi keo, OMAV cũng đã đưa ra một hệ thống có khả năng phun keo lên mặt đế giày, chiếc giày được scan và sau đó chạy theo băng tải đến khu vực quét keo Một robot ABB mang đầu phun keo chạy theo băng tải để phun keo lên mặt đế giày vừa phun robot vừa di chuyển theo hướng của băng tải (Hình 2.3a) Với phương pháp này thì hệ thống cũng bao gồm robot mang đầu keo và một băng tải, ưu điểm của phương pháp là năng suất cao vì băng tải chạy liên tục, keo cũng được phun liên tục, khả năng tự động hóa cao nhưng cũng chỉ thích hợp với phun lên đế ngoài giày, bề mặt phun keo phẳng và với một loại giày cố định

Hình 2.3 Phương pháp phun keo của OMAV và VISIO NERF

b) Phương pháp quét keo bằng cọ trực tiếp lên đế giày

Phương pháp bôi keo đế giày bằng kỹ thuật bôi keo trực tiếp lên đế giày gần giống với phương pháp của người công nhân đang làm Công ty Dongguan YILI Auto Technology của Trung Quốc cũng đã chế tạo thành công robot quét keo đế giày bằng phương pháp quét keo bằng trực tiếp lên đế giày Một tay máy được sử dụng để mang đầu keo và đầu keo này gắn với 1 chổi quét keo để quét keo trực tiếp lên đế giày (Hình 2.4)

Hình 2.4 Robot bôi keo giày của Dongguan YILI Auto Technology

Với hệ thống bôi keo này bao gồm 2 phần chính: Robot mang đầu keo và hệ thống định vị giày Hệ thống định vị giày sẽ xác định vị trí và cố định biên dạng giày, sau đó robot sẽ mang đầu keo và quét keo trực tiếp lên biên dạng Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tư động hóa cao, vì sử dụng chổi quét keo nên keo sẽ được bôi đều ở những nơi mặt cong có độ lồi, lõm khác nhau

2.2 Phương án giải quyết khâu bôi keo sử dụng robot

Đối với các loại robot bôi keo hiện nay, người ta sử dụng phương pháp phun keo là chủ yếu Ở đây, keo được phun ra khi đầu Robot bắt đầu di chuyển để bôi keo Loại này có ưu điểm lớn là tự động hóa tốt, keo phủ đầy, độ chính xác cao Tuy nhiên, loại phun keo phù hợp nhất cho bề mặt đế giày trơn láng, phẳng (Hình 2.3a, Hình 2.3b), còn những đế giày có chiều cao mấp mô (ví dụ như giày thể thao) sẽ rất khó khăn trong việc áp dụng phương pháp phun keo thông thường vì khó kiểm soát được việc keo chảy lan, hoặc keo sẽ không đều ở giữa tâm phun và hai bên Do đó đòi hỏi phải có một nghiên cứu cụ thể về công nghệ phun keo riêng cho giày Đây cũng là một hướng nghiên cứu riêng và phức tạp

Đối với phương pháp quét keo trực tiếp có ưu điểm là gần giống với cách làm của người công nhân đang làm hiện tại, vì là chổi quét nên keo sẽ dễ dàng được quét trực tiếp lên ở những nơi có bề mặt mấp mô khác nhau, chổi keo sẽ uốn lượn theo những

nơi có độ cong, mấp mô khác nhau do đó keo sẽ được trải đều lên bề mặt, thích hợp với loại keo có độ nhớt cao (keo dán đế giày)

Do vậy trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này chỉ này trình bày phương pháp bôi keo dán đế trong của giày thể thao (còn gọi là đế mũ giày) sử dụng phương pháp quét keo trực tiếp dùng chổi quét keo tương tự như cách làm của người công nhân Phương án tự động hóa đề xuất ở đây là một hệ thống gồm một cơ cấu định vị giày và một robot sẽ mang đầu quét keo, keo sẽ tự động điều chỉnh đóng mở khi có quét keo và không quét keo Trước khi thực hiện quét keo giày thì vấn đề cần quan tâm đầu tiên đó là giày phải được định vị và biên dạng cần bôi keo phải được cố định để robot có thể bôi keo một cách chính xác Nếu như không định vị giày, hoặc định vị không tốt thì biên dạng bôi keo sẽ bị lệch, do đó keo sẽ không bôi đều trên bề mặt và cũng không chính xác Vấn đề tiếp theo là để keo bôi đúng theo biên dạng cho trước của giày thì biên dạng này phải được xử lý và dữ liệu này sẽ được đưa vào bộ điều khiển để điều khiển robot bám theo biên dạng quét keo Với ý tưởng trên, luận văn này đưa ra một giải pháp tự động hóa theo sơ đồ như sau:

Đưa giày vào

Định vị giày và scan 3D

Dữ liệu điều khiển robot

Robot quét keo

Hình 2.5 Sơ đồ giải pháp tự động hóa khâu bôi keo

2.3 Hệ thống tự động bôi keo đề xuất 2.3.1 Mô hình tổng thể của hệ thống tự động hóa

Với ý tưởng từ sơ đồ tự động hóa hình 2.5, mô hình tự động hóa tổng thể được đưa ra như sau:

Đầu keoGiày

Xi lanh BĐồ gá 2: Kẹp hai bên hông giày

10 Xi lanh D

Hình 2.6 Hệ thống bôi keo đế mũ giày và mặt cắt cơ cấu kẹp giày

Với mô hình tự động hóa trên thì người công nhân sẽ đặt chiếc giày trên xi lanh D, sau đó hệ thống định vị sẽ kẹp và định vị giày, tiếp theo giày được đưa vào vùng quét keo của robot Robot sẽ đi xuống quét keo biên dạng giày Sau khi robot quét xong thì

cơ cấu định vị giày sẽ được xi lanh C đưa về vị trí ban đầu để người công nhân lấy giày ra

2.3.2 Cơ cấu định vị giày

Để keo bôi đều trên mặt đế mũ giày bằng phương pháp thủ công thì người công nhân phải dùng một tay định vị giày, tay còn lại dùng cọ để quét keo lên mặt đế mũ giày Với cách làm này thì phụ thuộc vào kinh nghiệm của người công nhân mà việc định vị giày sẽ khác nhau, có người quét keo qua 1 lần rồi nghiên giày quét lại, có người chỉ cần quét 1 lần,…Trong giải pháp tự động hóa khâu bôi keo giày thì cơ cấu định vị giày đóng một vai trò hết sức quan trọng Nếu khâu định vị giày không tốt thì robot sẽ quét sai biên dạng cần bôi keo do vậy trong giải pháp tự động hóa khâu bôi keo, luận văn này đề xuất cơ cấu định vị giày gồm hai phần:

Phần thứ nhất: Cơ cấu kẹp gót giày và mũi giày (Mặt cắt F-F, hình 2.6) Cơ cấu này

bao gồm hai nửa khuôn của gót giày (7) và mũi giày (8) Dùng để kẹp và lấy biên dạng chuẩn của mặt đế mũ giày Hai nửa khuôn này sẽ được điều khiển bởi hai xi lanh khí nén (5) và (6)

Phần thứ hai: Cơ cấu kẹp hai bên hông giày (Mặt cắt G-G, hình 2.6) Cơ cấu này bao

gồm hai nửa khuôn của hai bên hông giày (13) và (14) Dùng để giữ chặt cố định giày, không cho giày di chuyển làm xê lệch biên dạng của mặt đế giày sau khi khuôn 1 đã lấy biên dạng, hai nửa khuôn này sẽ được điều khiển bởi hai xi lanh khí nén (11) và (12)

Sau khi cơ cấu kẹp hai bên hông giày đã giữ cố định giày thì hai nửa khuôn của phần thứ nhất sẽ được nhả ra và trở về vị trí ban đầu Lúc này biên dạng của đế giày đã cố định, bề mặt bôi keo đã được sẵn sàng cho việc bôi keo

2.3.3 Đầu quét keo

Trong quá trình sản xuất giầy dép, để quét chất kết dính lên các bề mặt cần dán, phương pháp phổ biến hiện nay, dù là thủ công hay người máy, đều sử dụng một trong hai loại dụng cụ sau:

- Cọ: Gồm hai loại, loại có lông song song với cán như cọ sơn thông thường, và loại có lông vuông góc với cán như bàn chải đánh răng Công nhân hoặc người máy nhúng cọ vào keo và sau đó quét lên trên đế giày

- Thiết bị phun keo: Keo được bơm liên tục ra đầu quét gồm nhiều đầu phun nhỏ (đường kính khoảng vài mm) một cách liên tục, công nhân hoặc người máy đưa đầu quét này tại vị trí cần quét keo

Nhược điểm của hai loại dụng cụ, đặc biệt khi tự động hóa, là không thể quét đều keo lên bề mặt không nhẵn, gồm nhiều rãnh to nhỏ khác nhau của mặt trong của đế giầy Vì vậy, để keo phủ hết bề mặt sần sùi, cần phải quét hoặc phun nhiều lần hoặc quét hoặc phun một lượng keo lớn hơn mức cần thiết và kết quả là hao phí keo Do vậy trong luận văn này để xuất một phương pháp bôi keo mới, sau khi tiến hành tham khảo các phương pháp bôi keo, thì bôi keo trực tiếp bằng chổi quét tương tự như cách làm của người công nhân là hiệu quả nhất

Để làm được điều này thì một đầu quét keo được chế tạo gồm có chổi quét như các bộ phận chổi quét của công nhân và chổi quét có thể quay quanh một trục Tại đầu chổi quét sẽ kết hợp đường phun keo Có thể quét keo liên tục và động cơ sử dụng là động cơ 1 chiều nên có thể thay đổi tốc độ Loại chổi quét thì chọn loại chổi quét có dạng như cọ nhưng có thể xoay được nhằm vừa quét keo đều vừa có thể quét những chỗ mấp mô của đế giày

Như đã phân tích ở trên, phương án bôi keo ở đây là bôi keo trực tiếp bằng cọ, tương tự như cách làm của người công nhân, keo sẽ được quét trực tiếp lên bề mặt của đế giày, để làm được điều này thì một đầu quét keo được chế tạo như sau:

1 Bộ phận quét keo cần có chổi quét như các bộ phận chổi quét của công nhân 2 Chổi quét có thể quay quanh một trục

3 Tại đầu chổi quét sẽ kết hợp đường phun keo 4 Tâm quay của chổi quét phải trùng vơi tâm đầu kẹp của Robot 5 Tốc độ của chổi quét có thể thay đổi được

6 Chiều cao của bộ phận quét keo không vượt quá 100mm 7 Đáp ứng phân phối keo tốc độ đều khi cọ quét keo vẫn quay

Dựa trên các yêu cầu đó, nghiên cứu tiến hành thiết kế đầu quét keo và kết quả được trình bày trong hình 2.7 Với thiết kế này, đầu keo đáp ứng được các yêu cầu đã đặt ra

Hình 2.7 Đầu bôi keo

Để có thể quét keo liên tục và động cơ sử dụng là động cơ 1 chiều nên có thể thay đổi tốc độ Theo kinh nghiệm của công nhân quét keo thì lông cọ quét phải được đè vào mặt của đế giày khoảng 0.7 – 1.2 mm

Hình 2.8 Đầu bôi keo và cọ quét keo thực

1 Mô tơ 2 Bánh đai răng nhỏ 3 Đường keo vào 4 Bánh đai răng lớn 5 Đường phun keo ra 6 Đầu chổi quét 7 Ổ bi lớn 8 Vỏ ngoài

9 Ổ bi nhỏ

2.3.4 Robot bôi keo giày

Luận văn này trình bày nghiên cứu tự động hóa khâu bôi keo đế giày bằng cách sử dụng robot 6 bậc tự do Việc sử dụng tay máy robot để bôi keo cũng gần giống với việc bôi keo bằng tay của người công nhân, robot này sẽ mang đầu keo có gắn chổi quét keo vào khâu tác động cuối cùng của robot, và với 6 bậc tự do thì robot tương đối linh hoạt và có thể bôi keo ở mọi góc cạnh của chiếc giày Và tất nhiên cũng có thể bám theo quỹ đạo bôi keo của đế giày theo hướng quét keo yêu cầu Chính vì vậy robot 6 bậc tự do sẽ được lựa chọn cho hệ thống tự động hóa

Hình 2.9 Robot Motoman SV3

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN

Như đã đề cập ở trên, robot 6 bậc tự do sẽ được lựa chọn cho việc bôi keo đế giày Robot được sử dụng ở đây là Motoman SV3 6 bậc tự do (Hình 2.9), robot này đã được cải tiến tại Mechatronics Lab và IUD Lab của đại học Bách Khoa tp Hồ Chí Minh, với 6 động cơ Ac servo và 6 driver của Yaskawa dùng để điều khiển 6 động cơ độc lập

3.1 Động học ngược của robot

Gọi 𝐶(𝑥𝐶, 𝑦𝐶, 𝑧𝐶) và 𝑃(𝑋, 𝑌, 𝑍) lần lượt là tọa độ của điểm wrist point và điểm tác động cuối cùng của robot

Ta có [4],

[𝑥𝐶𝑦𝐶𝑧𝐶] = [

𝑋−𝑑7𝑟13𝑌−𝑑7𝑟23𝑍−𝑑7𝑟33

]

+ Xác định θ1:

CX

0

0

X

1

Sử dụng định lý hàm cossin cho ∆𝑂1𝑂2𝐶 (Hình 3.3)

Ta có:

cos(∠𝑂2𝑂1𝐶) =𝑂1𝑂2

2+ 𝑂1𝐶2− 𝑂2𝐶22 𝑂1𝑂2 𝑂1𝐶 = 𝐷 Do đó:

𝑅6

3 = ( 𝑅0 3)𝑇0𝑅6

= [𝑐𝜃1𝑐𝜃23 𝑠𝜃1𝑐𝜃23 𝑠𝜃23

𝑐𝜃1𝑠𝜃23 𝑠𝜃1𝑠𝜃23 −𝑐𝜃23

] [𝑟11 𝑟12 𝑟13𝑟21 𝑟22 𝑟23𝑟31 𝑟32 𝑟33] = [

𝑠11 𝑠12 𝑠13𝑠21 𝑠22 𝑠23𝑠31 𝑠32 𝑠33

Với:

𝑐𝜃1 = cos 𝜃1, 𝑐𝜃23 = cos(𝜃2+ 𝜃3) 𝑠𝜃1 = sin 𝜃1, 𝑠𝜃23= sin(𝜃2 + 𝜃3)

𝑠13= 𝑐𝜃1𝑐𝜃23𝑟13+ 𝑠𝜃1𝑐𝜃23𝑟23+ 𝑠𝜃23𝑟33𝑠23 = 𝑠𝜃1𝑟13− 𝑐𝜃1𝑟23

𝑠33 = 𝑐𝜃1𝑠𝜃23𝑟13+ 𝑠𝜃1𝑠𝜃23𝑟23− 𝑐𝜃23𝑟33𝑠32 = 𝑐𝜃1𝑠𝜃23𝑟12+ 𝑠𝜃1𝑠𝜃23𝑟22− 𝑐𝜃23𝑟32𝑠31 = 𝑐𝜃1𝑠𝜃23𝑟11+ 𝑠𝜃1𝑠𝜃23𝑟21− 𝑐𝜃23𝑟31

𝑅6

3 = 𝑅3 4 𝑅4 5 𝑅5 6

Từ phương trình (3.4) và (3.5) ta có:

{ 𝜃4 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (𝑠23

𝑠13)

𝜃5 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛

(𝑐𝜃𝑠13+ 𝑠23

4+ 𝑠𝜃4)𝑠33 𝜃6 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ( 𝑠32

−𝑠31)

(3.6)

3.2 Xây dựng quỹ đạo và hướng bôi keo

Quỹ đạo bôi keo thực của đê giày được cho cho bởi nhà sản xuất Mặt cong màu vàng (hình 3.4a) chính là mặt bôi keo Quỹ đạo bôi keo là đường màu xanh trên (hình 3.4a), đây cũng chính là đường cong mà robot cần phải bám theo Đường cong này còn gọi là đường bôi keo thực tế

Khâu công tác cuối của robotMặt phẳng đi qua

3 điểm liên tiếp

Hình 3.4 Quỹ đạo bôi keo đế giày

Đường bôi keo này sẽ được chia thành nhiều điểm với những khoảng cách bằng nhau (Hình 3.4b) Điều khiển robot quét keo đế giày là điều khiển đầu keo của robot bám theo đường bôi keo thực tế, hay cũng chính là điều khiển đầu keo của robot đi qua tất cả những điểm đã được chia này (Số điểm được chia là 146 điểm) Theo khảo sát từ những công nhân lành nghề đã lâu năm làm trong khâu bôi keo giày thì để keo được bôi đều với độ dày bằng nhau trên mặt đế giày thì hướng tiếp xúc của chổi keo với mặt bôi keo của đế giày phải vuông góc với mặt phẳng tiếp tiếp với mặt bôi keo

=[

𝑐𝜃4𝑐𝜃5𝑐𝜃6− 𝑠𝜃4𝑠𝜃6 −𝑐𝜃4𝑐𝜃5𝑠𝜃6− 𝑠𝜃4𝑐𝜃6 𝑐𝜃4𝑠𝜃5𝑠𝜃4𝑐𝜃5𝑐𝜃6+ 𝑐𝜃4𝑠𝜃6 −𝑠𝜃4𝑐𝜃5𝑠𝜃6+ 𝑐𝜃4𝑐𝜃6 𝑠𝜃4𝑠𝜃5

]

(3.5)

tại điểm bôi keo Điều này có nghĩa là hướng của khâu công tác cuối của robot phải là vuông góc với mặt phẳng tiếp tuyến với mặt cong của đế giày tại mỗi điểm trên đường cong bôi keo (Hình 3.4b)

Gọi các điểm đã chia trên đường cong là 𝑃𝑖, (𝑖 = 1 ÷ 𝑛) (n là số điểm đã chia)

𝑃𝑖 = [

𝑃𝑖𝑥𝑃𝑖𝑦𝑃𝑖𝑧

𝑎 𝑖 = 𝑎 𝑖+1 = 𝑎 𝑖+2 = [𝑃⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ , 𝑃𝑖𝑃𝑖+1 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ] 𝑖+1𝑃𝑖+2 (3.7) Với 𝑎 𝑖+1, 𝑎 𝑖+2 lần lượt là véc tơ pháp tuyến tại mỗi điểm 𝑃𝑖+1, 𝑃𝑖+2

* Qua 3 điểm liên tiếp 𝑃𝑖, 𝑃𝑖+1, 𝑃𝑖+2 ta cũng có thể nội suy ra một đường cong (Quadratic Splines)

𝑄(𝑢) = 𝑐0 + 𝑐1𝑢 + 𝑐2𝑢2 = ∑2 𝑐𝑘𝑢𝑘

Với, 𝑐𝑘 là véc tơ, 𝑐𝑘 = [𝑐𝑘𝑥 𝑐𝑘𝑦 𝑐𝑘𝑧]𝑇 , 𝑄(𝑢) cũng là véc tơ , 0 ≤ 𝑢 ≤ 1,

Chúng ta có thể tính được các hệ số của phương trình đường cong trên như sau:

Tại điểm 𝑃𝑖: 𝑢 = 0

𝑃𝑖 = 𝑄(0) = 𝑐0+ 𝑐10 + 𝑐202 Tại điểm 𝑃𝑖+1: 𝑢 = 1 2⁄

Do đó, [

𝑃𝑖 𝑃𝑖+1𝑃𝑖+2

2

] [𝑐0𝑐1𝑐2]

Giải phương trình trên ta được kết quả:

{𝑐0 = 𝑃𝑖 𝑐1 = 𝑃𝑖+ 4𝑃𝑖+1− 𝑃𝑖+2 𝑐2 = −2𝑃𝑖− 4𝑃𝑖+1+ 2𝑃𝑖+2

𝜃 = 𝑎𝑡𝑎𝑛2 (√𝑎𝑥2+ 𝑎𝑦2, 𝑎𝑧)𝜓 = 𝑎𝑡𝑎𝑛2(𝑜𝑧, −𝑛𝑧)

Từ công thức (3.17) ta có thể tính được ma trận động học ngược tại mỗi điểm của đường cong nội suy:

[𝑐∅𝑐𝜃𝑐𝜓− 𝑠𝜙𝑠𝜓 −𝑐𝜙𝑐𝜃𝑠𝜓− 𝑠𝜙𝑐𝜓 𝑐𝜙𝑠𝜃 𝑋𝑠𝜙𝑐𝜃𝑐𝜓+ 𝑐𝜙𝑠𝜓 −𝑠𝜙𝑐𝜃𝑠𝜓+ 𝑐𝜙𝑐𝜓 𝑠𝜙𝑠𝜃 𝑌

] = [𝑟11 𝑟12 𝑟13 𝑋𝑟21 𝑟22 𝑟23 𝑌𝑟31 𝑟32 𝑟33 𝑍

𝑟12 = −𝑐𝜙𝑐𝜃𝑠𝜓− 𝑠𝜙𝑐𝜓𝑟21 = 𝑠𝜙𝑐𝜃𝑐𝜓+ 𝑐𝜙𝑠𝜓𝑟22 = −𝑠𝜙𝑐𝜃𝑠𝜓+ 𝑐𝜙𝑐𝜓𝑟31 = −𝑠𝜃𝑐𝜓, 𝑟32 = 𝑠𝜃𝑠𝜓𝑟13 = 𝑐𝜙𝑠𝜃, 𝑟23= 𝑠𝜙𝑠𝜃, 𝑟33 = 𝑐𝜃

𝑃𝑖 = [𝑋𝑌𝑍

] = [𝑃𝑖𝑥𝑃𝑖𝑦𝑃𝑖𝑧

]