Luận văn thạc sĩ Công nghệ chế tạo máy: Nghiên cứu thiết kế tay máy gắp bình Gas

Mục tiêu chính của luận văn này là đưa ra một phương án tự động hóa công việc sắp xếp bình gas trong nhà kho, cụ thể là thiết kế một robot để thực hiện công việc trên.. Bảng danh mục các

HUỲNH QUANG HUY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TAY MÁY GẮP BÌNH GAS

Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2012

Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM Ngày …… tháng …… năm 2012

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HUỲNH QUANG HUY MSHV: 00408235 Ngày, tháng, năm sinh: 25/11/1984 Nơi sinh: Tp.HCM Chuyên ngành: Chế tạo máy Mã số : 605204

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ TAY MÁY GẮP BÌNH GAS II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Thiết kế kết cấu tay máy gắp bình gas  Tính toán động học, động lực học tay máy  Ứng dụng Matlab trong việc mô phỏng động học tay máy và giải thuật sắp

xếp bình gas trong nhà kho

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06-02-2012 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30-06-2012 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN DUY ANH

Đặt biệt, tôi xin cảm ơn gia đình và người thân đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi học tập và thực hiện luận văn

Tp HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2012

Tóm tắt

Hiện nay nhu cầu sử dụng bình gas dân dụng 12 kg ngày càng nhiều dẫn đến nhu cầu xây dựng các nhà kho nhỏ có chức năng phân phối bình gas đến người tiêu dùng càng lớn Từ hiện trạng đó vấn đề tự động hóa công việc lưu trữ, sắp xếp, phân phối trong nhà kho này là hết sức cần thiết nhằm tăng hiệu quả công việc

Mục tiêu chính của luận văn này là đưa ra một phương án tự động hóa công việc sắp xếp bình gas trong nhà kho, cụ thể là thiết kế một robot để thực hiện công việc trên Đề tài tập trung giải quyết các phần sau

– Đưa ra các phương án trong thiết kế, phân tích, đánh giá lựa chọn phương án phù hợp với yêu cầu

– Tính toán động học và động lực học để làm cơ sở cho việc xây dựng quỹ đạo hoạt động và thiết kế hoàn chỉnh robot

– Đưa ra giải thuật sắp xếp kho, bước đầu tối ưu hóa đường đi của robot trong việc sắp xếp bình gas trong nhà kho

Tôi xin cam đoan rằng đây là đề tài nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn là Thầy Nguyễn Duy Anh Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

TP HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2012

Huỳnh Quang Huy

Bảng danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu

zi-1 : Vector đơn vị theo trục z của khớp thứ i

: Vector xác định từ gốc của hệ trục tọa độ khớp thứ i – 1 đến gốc tọa độ của khâu tác động cuối

G : Vector trọng lực Ii : Ma trận quán tính khâu i tại tâm khối lượng, viết trong hệ tọa độ

tuyệt đối : Ma trận quán tính khâu i trong hệ tọa độ khâu i Ji : Ma trận Jacobi của vận tốc trọng tâm khâu i Jvi : Ma trận con Jacobi liên hệ với vận tốc tuyến tính của tâm khối lượng

khâu i Jωi : Ma trận con Jacobi liên hệ với vận tốc góc của tâm khối lượng khâu i K : Động năng của hệ thống cơ học

VCi : Vận tốc tịnh tiến tuyệt đối của khối tâm ωi : Vận tốc quay tuyệt đối của khâu i U : Thế năng của hệ thống cơ học L : Hàm Lagrange

M : Ma trận quán tính của cơ cấu chấp hành Mij : Phần tử (ij) của M

n : Số lượng tọa độ tổng quát

: Vector vị trí tâm khối lượng Ci của khâu i theo hệ tọa độ khâu k và : được tính trọng hệ tọa độ tuyệt đối

: Vector vị trí nối từ gốc hệ trục j –1 đến tâm khối lượng Ci của khâu i Qi : Lực suy rộng ứng với tọa độ suy rộng thứ i

Danh sách hình ảnh

Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ LPG tại Việt Nam [1] 1

Hình 1.2 Hệ thống AS/RS cỉa hãng Efacec 5

Hình 2.2 Robot khớp bản lề do hãng Kuka sản xuất 11

Hình 2.3 Robot tọa độ vuông góc (Gantry robot) của hãng Elettric80 11

Hình 2.4 Robot công nghiệp KR 40 PA của hãng KUKA 12

Hình 2.5 Robot công nghiệp M-420iA của hãng Fanuc 13

Hình 2.6 Robot công nghiệp IRB 4600 của hãng ABB 13

Hình 2.7 Robot công nghiệp IRB 460 của hãng ABB 13

Hình 2.8 Sơ đồ tải trọng robot IRB460 của hãng ABB 14

Hình 2.9 Sơ đồ và bậc tự do của robot gắp bình gas 15

Hình 2.10 Sơ đồ đơn giản robot gắp bình gas 16

Hình 2.11 Lược đồ khâu 17

Hình 2.12 Vị trí bình gas gần và xa nhất trong nhà kho 17

Hình 2.13 Các hệ trục tọa độ trên robot 18

Hình 3.1 Robot KR 100-2 PA của hãng Kuka 25

Hình 3.2 Robot IRB 460 của hãng ABB 25

Hình 3.3 Cấu tạo tay máy 25

Hình 3.9 Mô hình cơ khí sơ bộ tổng thể robot gắp bình gas 30

Hình 3.16 Dựng quỹ đạo tay máy 34

Hình 3.17 Vùng làm việc của robot 35

Hình 3.18 Dời lực P tại khâu tác động cuối về điểm cuổi của khâu 3 36

Hình 3.19 Đồ thị chế độ phụ tải 46

Hình 3.20 Hình dáng và kích thước tay xách bình gas 49

Hình 3.21 Vùng làm việc tay gắp 49

Hình 3.22 Vị trí bình gas tay gắp phải với tới 50

Hình 3.23 Vị trí tay máy khi kiểm bền tĩnh 50

Hình 3.24 Mô hình tay máy sau khi được chia lưới 51

Hình 3.25 Ràng buộc cố định giữa đế với sàn 52

Hình 3.26 Vị trí đặt lực 52

Hình 3.27 Kết quả ứng suất của phân tích tĩnh 53

Hình 3.28 Kết quả chuyển vị của phân tích tĩnh 53

Hình 4.1 Sơ đồ vị trí bình gas 55

Hình 4.2 Đồ thị có trọng số 56

Hình 4.3 Thuật toán a) Thuật toán xác định vị trí các node lân cận của node đầu ra có giá trị b) Thuật toán cập nhật lại hàm trọng số cho toàn bộ hệ thống các node 57Hình 4.4 Giao diện chương trình khi xếp được 20 bình gas 58

Hình 4.5 Giao diện chương trình mô phỏng động học thuận và ngược 59

Hình 4.6 Vị trí các chi tiết khi tháo và lắp 60

Hình 4.7 Hình phân rã các chi tiết của tay máy 60

1.1.2 Phạm vi nghiên cứu và mục tiêu của luận văn 2

1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn 2

1.2 Tổng quan 3

1.2.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài 3

1.2.2 Tổng quan về kho bãi 4

1.2.3 Tiêu chuẩn và quy định an toàn trong vận chuyển và lưu trữ bình gas (LPG) 7

1.2.4 Quy trình thiết kế cánh tay robot 8

1.3 Tóm tắt các chương của luận văn 8

Chương 2Thiết kế sơ bộ và mô hình động học 9

2.1 Yêu cầu thực tế nhà kho chứa gas 9

2.2 Lựa chọn phương án 10

2.2.1 Các dạng robot công nghiệp thường được sử dụng trong nhà kho 102.2.2 Khảo sát các dạng tay máy khớp bản lề dùng để vận chuyển hàng hóa trong nhà kho 12

2.3 Xác định yêu cầu kỹ thuật cơ bản của robot 14

2.4 Sơ đồ nguyên lý robot gắp bình gas 15

2.5 Tính toán sơ bộ kích thước các khâu 16

2.6 Mô hình động học 18

2.6.1 Động học vị trí 18

2.6.2 Động học vận tốc 21

Chương 3Thiết kế hệ thống cơ khí 25

3.1 Đánh giá thiết kế một số tay máy vận chuyển hàng hóa 25

3.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo 26

3.3 Thiết kế cơ khí sơ bộ 27

3.4 Xác định vùng làm việc 30

3.4.1 Xác định góc quay giới hạn mỗi trục 30

3.4.2 Xây dựng quỹ đạo làm việc của robot 34

3.5 Phân tích động lực học 35

3.5.1 Giả thiết 35

3.5.2 Xây dựng phương trình động lực học 36

3.5.3 Tính toán momen xoắn tại các khớp 43

3.6 Tính toán và lựa chọn chi tiết máy 44

Chương 4Giải thuật sắp xếp kho và mô phỏng 54

4.1 Giải thuật sắp xếp kho và mô phỏng 54

4.1.1 Đặt vấn đề và giới hạn phạm vi thực hiện 54

4.1.2 Một số quy định 54

4.1.3 Giải thuật sắp xếp bình gas trong nhà kho 55

4.1.4 Mô phỏng giải thuật sắp xếp kho 57

4.2 Mô phỏng động học và mô phỏng lắp ráp 58

Chương 5Kết luận 62

5.1 Kết luận 62

5.2 Kiến nghị 63

Chương 1 Giới thiệu

1.1 Mở đầu 1.1.1 Đặt vấn đề

Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquid Petroleum Gas – LPG) đã trở thành mặt hàng tiêu dùng thiết yếu trong cuộc sống sinh hoạt thường ngày và đang ngày càng được sử dụng rộng rãi Theo số liệu (năm 2010) từ Ban phân tích – Công ty cổ phần chứng khoán dầu khí [1], nhu cầu tiêu thụ LPG tại Việt Nam tăng nhanh chóng: năm 1991 nhu cầu LPG cả nước 50,000 tấn, năm 2001 là 400,000 tấn và năm 2010 là 1.1 triệu tấn (Hình 1.1) Dự báo năm 2015 nhu cầu sử dụng LPG cả nước khoảng 1,5 triệu tấn và năm 2020 đạt 2 triệu tấn [2]

Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ LPG tại Việt Nam [1]

Theo số liệu thống kê ở trên ta nhận thấy thị trường gas Việt Nam có tốc độ tăng trưởng 15% / năm trong vòng 10 năm qua Thị trường tiêu thụ sản phẩm LPG tại Việt Nam hiện nay, đối tượng cơ sở thương mại, dịch vụ và hộ tiêu thụ dân dụng (sử dụng bình gas 12kg) chiếm khoảng 65% [1] Từ số liệu trên chúng ta nhận thấy nhu cầu sử dụng bình gas 12 kg là rất lớn

Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ to lớn trên, các công ty gas đang đầu tư xây dựng thêm các cửa hàng phân phối gas đến người tiêu dùng Các cửa hàng phân phối không chỉ có chức năng lưu trữ mà còn là nơi các công ty đầu tư công nghệ để quảng bá sản phẩm và thương hiệu Đầu tư công nghệ thể hiện bằng việc tự động

hóa các hoạt động nhập, sắp xếp, xuất bình gas… Tự động hóa nhằm bảo đảm độ an toàn, tăng năng suất và đồng thời xây dựng hình ảnh công ty hiện đại và chuyên nghiệp

Hiện nay hoạt động vận chuyển, sắp xếp hàng trong các nơi lưu trữ gas ở Việt Nam chủ yếu vẫn dùng sức người là chính hoặc cao hơn là sử dụng xe nâng cho các nhà kho lớn Do đó giải quyết bài toán tự động hóa các hoạt động trong nhà kho chứa gas là hết sức cần thiết và mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp Với thực trạng trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế tay máy gắp bình gas” nhằm mục đích cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao hiệu quả công việc, bước đầu tối ưu hóa đường đi của tay máy

1.1.2 Phạm vi nghiên cứu và mục tiêu của luận văn

Tự động hóa việc vận chuyển và sắp xếp bình gas có thể thực hiện bằng nhiều

cách Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu, thiết kế dạng tay máy khớp bản lề để thực hiện các tác vụ trong nhà kho

Để đạt được mục đích nêu ở phần 1, luận văn cần phải hoàn thành các mục tiêu sau:

 Thiết kế mô hình robot gắp bình gas, mô phỏng lắp ráp thể hiện kết cấu robot  Xây dựng phương trình động học

 Xây dựng phương trình động lực học  Tìm hiểu, mô phỏng thuật toán tối ưu việc sắp xếp bình gas

1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn

Mô phỏng động học tay máy giúp kiểm chứng kết quả tính toán thiết kế, đánh giá tương đối đầy đủ khả năng làm việc của phương án thiết kế mà không cần chế tạo thử

Mô phỏng giải thuật sắp xếp bình gas giúp ta đánh giá và lựa chọn đường đi hợp lý cho tay máy nhằm tiết kiệm năng lượng, thời gian và tăng hiệu suất công việc

1.2 Tổng quan 1.2.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài

 Ngoài nước Hiện nay, trên thế giới, robot công nghiệp dùng để vận chuyển và sắp xếp sản phẩm được nhiều công ty thiết kế và chế tạo Một số công ty chuyên sản xuất như: ABB, Kuka, Fanuc…Các công ty chủ yếu tập trung ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Đức, Ý… Ngày nay, xu thế phát triển của robot công nghiệp tập trung theo hướng tăng khả năng làm việc của robot (tốc độ làm việc, độ chính xác…), tăng tính an toàn, giảm giá thành, giảm kích cỡ và trọng lượng robot

Một số nghiên cứu đã triển khai có liên quan đến đề tài đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành

[1] Guan Xiaoqing, Wang Jidong, “Mechanical design and kinematic analysis of a

new kind of palletizing robot”, Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), 2011 Second International Conference on, 2011, pp.404-408

[2] Murat AKDAG, Design and analysis of robot manipulators by integrated CAE procedures, 2008

 Trong nước Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm qua Đặc biệt phải kể đến Công ty Cổ phần TOSY, đã thiết kế chế tạo thành công tay máy robot 6 bậc tự do Tuy nhiên cụ thể robot công nghiệp chuyên dùng để vận chuyển và sắp xếp hàng hóa vẫn chưa có cơ quan hoặc tổ chức nào tiến hành nghiên cứu và sản xuất

Danh mục các nghiên cứu có liên quan

[1] Phan Tấn Tùng, “Mô hình động học và động lực học của tay máy di động 5 bậc tự do”, Hội nghị khoa học và công nghệ lần thứ 9: Phân ban Cơ điện tử và Robot,

Đại học Bách Khoa Tp.HCM, tr 24-32, 2005 [2] Lê Đình Nguyên, Nghiên cứu thiết kế và giải thuật điều khiển tay máy theo vết một đường cong không gian, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2009

[3] Nguyễn Quốc Cường, Xây dựng giải thuật điều khiển cho robot hàn giàn giáo dựa trên mô hình động lực học, Luận văn Thạc sĩ, Đai học Bách Khoa Tp HCM

1.2.2 Tổng quan về kho bãi

 Các khái niệm cơ bản và vai trò của kho bãi Kho bãi là một phần trong hoạt động hậu cần Do đó trước khi tìm hiểu về kho bãi chúng ta có cái nhìn sơ lược về hậu cần Logistic được định nghĩa như sau: “Logistics là một môn khoa học của việc hoạch định, tổ chức, quản lý và thực hiện các hoạt động cung ứng hàng hóa và dịch vụ” [3] Mục tiêu của hậu cần là phân phối đúng sản phẩm, đúng thời gian với đúng số lượng và chất lượng tại đúng nơi

Khái niệm kho bãi: Kho bãi là một trung tâm phân phối hàng hóa, với mục tiêu đưa hàng hóa đến người dùng cuối một cách thuận tiện nhất Chức năng cơ bản của kho bãi là bao gồm nhận hàng hóa, nhận biết và sắp xếp, phân phối hàng hóa đến nơi lưu giữ, lấy hàng từ nơi lưu giữ ra theo yêu cầu của khách hàng, đóng gói, gửi hàng

Vai trò của kho bãi: Kho bãi đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động hậu cần Kho bãi có tác dụng duy trì một nguồn hàng liên tục, giảm chi phí vận tải và là địa điểm trung chuyển hàng gom hàng từ nhiều khách hàng hoặc tách hàng cho nhiều khách hàng khác nhau Đối với các công ty nhập khẩu nguyên liệu, kho bãi giúp công ty chủ động được nguồn nguyên liệu không phụ thuộc vào sự biến động giá cả của thị trường

 Một số hệ thống vận chuyển và sắp xếp hàng hóa tự động được sử dụng trong nhà kho

a Hệ thống AS/RS (Automated Store & Retrieval System)

Hệ thống AS/RS là hệ thống cất và lấy hàng tự động Hệ thống này được ứng dụng cho số lượng hàng hóa lưu trữ lớn mà không gian lại giới hạn

Hình 1.2 Hệ thống AS/RS cỉa hãng Efacec

 Quá trình lưu và xuất hàng hóa nhanh, hoạt động liên tục 24 giờ/ ngày  Tiết kiệm không gian lưu trữ

 Khả năng lưu trữ linh hoạt và dễ dàng mở rộng theo nhu cầu  Sử dụng lao động ít nên tiết kiệm chi phí nhân công, quản lý, bảo hiểm và thiết bị hỗ trợ

 Quản lý chuyên nghiệp và hiệu quả nhờ phần mềm quản lý kho kết hợp với công nghệ mã vạch (Barcode) hay thẻ từ (Transponder)

Khuyết điểm: Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống cao

b Xe tự hành (AGVs – Automated Guided Vehicles)

Xe tự hành là một dạng xe chở hàng không người lái, hoạt động nhờ động cơ điện và pin Chiếc xe đầu tiên được phát minh vào năm 1953 Tải trọng nâng được của xe từ vài kg tới hơn 100 tấn Xe tự hành có thể nâng, hạ và vận chuyển pallet một cách tự động bằng các càng nâng hoặc đầu nâng tùy thuộc vào loại và kích cỡ của hàng hóa cần vận chuyển Những chiếc xe đầu tiên nhận biết đường đi nhờ vệt sơn trên sàn, dải dẫn hướng (inductive guide wire) v.v… Những năm gần đây, công nghệ dò đường hiện đại hơn đã được sử dụng như bộ dò laser, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại, hệ thống camera…

Hình 1.3 Xe tự hành của hãng Efacec

c Carousel

Carousel là một dạng kệ lưu giữ hàng hóa, có thể chuyển động nhờ hệ thống xích dẫn động bằng động cơ điện Carousel được ứng dụng trong chu trình lấy hàng từ nơi lưu giữ ra theo yêu cầu của khách hàng (order picking) quy mô nhỏ Có hai dạng carousel: đứng và ngang

Trong carousel dạng ngang ở hình 1.4, các ngăn đựng hàng được gắn trên khung kệ, các ngăn này có thể chuyển động tới lui nhờ hệ thống xích Hàng hóa theo yêu cầu được mang tới người điều khiển theo đường ngắn nhất

Hình 1.4 Carousel dạng ngang

Trong carousels dạng đứng (hình 1.5), các ngăn được giữ trên khung kệ được lắp giữa hai hệ thống truyền động động cơ – xích lắp thẳng đứng Các kệ di chuyển lên xuống theo đường ngắn nhất mang hàng hóa theo yêu cầu đến người vận hành

Hình 1.5 Carousel dạng đứng 1.2.3 Tiêu chuẩn và quy định an toàn trong vận chuyển và lưu trữ bình gas (LPG)

Các tiêu chuẩn và quy định nhà nước hiện hành có liên quan:  TCVN 6304 : 1997 Chai chứa khí đốt hóa lỏng – yêu cầu an toàn trong bảo quản, xếp dỡ và vận chuyển

 TCVN 6223 : 2011 Cửa hàng khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) – Yêu cầu chung về an toàn

 Nghị định 107/2009/NĐ – CP Về kinh doanh khí dầu mỏ hóa lỏng LPG là loại nhiên liệu thuộc nhóm nguy hiểm, dễ cháy nổ do đó thiết bị vận chuyển bình gas trong nhà kho thuộc loại thiết bị chuyên môn, đặc thù Thiết bị này khi hoạt động phải tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn, quy định về bảo quản, xếp dỡ vận chuyển Người thực hiện đề tài đã tìm hiểu những tiêu chuẩn, quy định nhà nước hiện hành có liên quan đến việc bảo quản, xếp dỡ, vận chuyển và qua đó rút ra những yêu cầu cần đáp ứng đối với thiết bị này

 Khi vận chuyển và sắp xếp các bình gas phải luôn ở tư thế thẳng đứng, van ở trên

 Các bình gas được xếp chồng lên nhau, độ cao tối đa mỗi chồng là 1.5 mét

1.2.4 Quy trình thiết kế cánh tay robot

Quy trình thiết kế cánh tay robot cũng tuân theo các bước của một quy trình thiết kế kĩ thuật Tuy nhiên do sản phẩm mang tính đặc thù riêng nên có một số thay đổi trong quá trình thiết kế cho phù hợp

Hình 1.6 Quy trình thiết kế 1.3 Tóm tắt các chương của luận văn

Chương 1 giới thiệu về đề tài và các kiến thức tổng quan có liên quan đến đề tài Chương 2 bao gồm hai phần: thiết kế sơ bộ và phân tích động học dựa vào thiết kế sơ bộ ở trên Phần phân tích động học sẽ là tiền đề cho việc xây dựng vùng làm việc của tay máy trong chương 3

Chương 3 tập trung vào phần thiết kế các chi tiết sau đó phân tích động lực học từ thiết kế đã có Từ kết quả phân tích động lực học sẽ lựa chọn các bộ phận, kiểm bền tĩnh các chi tiết đã thiết kế

Chương 4 đề cập tới giải thuật sắp xếp nhà kho, bước đầu tối ưu hóa đường đi của robot trong việc sắp xếp bình gas, sau đó là phần mô phỏng kiểm chứng Đồng thời trong chương này sẽ tiến hành mô phỏng động học là lắp ráp để thể hiện rõ nguyên lý làm việc và kết cấu của tay máy

Và cuối cùng các kết quả đạt được, những mặt hạn chế và hướng phát triển đề tài sẽ được trình bày trong chương 5

Chương 2 Thiết kế sơ bộ và mô hình động học

2.1 Yêu cầu thực tế nhà kho chứa gas

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí bình gas

Thiết kế tay máy gắp bình gas trong nhà kho với yêu cầu cụ thể như sau  Kích thước nhà kho: 4m x 4m x 3m

 Thông số bình gas 12 kg

Kích thước

Đường kính ngoài thân bình 300 mm Chiều cao toàn thân 585 mm Đường kính ngoài quai xách 246 mm Chiều cao quai xách 160 mm

Trọng lượng

Trọng lượng vỏ bình 13 kg Trọng lượng tổng 26.5 kg  Bình gas được xếp theo sơ đồ như hình 2.1 Nhà kho được chia làm 3 vùng: vùng nhập gas, vùng lưu trữ gas và vùng xuất gas

 Khoảng cách giữa các bình là 50 mm Các bình được xếp chồng lên nhau, mỗi chồng 2 bình

 Vận tốc của khâu tác động cuối: 1 m/s

2.2 Lựa chọn phương án 2.2.1 Các dạng robot công nghiệp thường được sử dụng trong nhà kho

 Robot khớp bản lề cố định (Stationary articulated robot) Robot thường được sử dụng trong việc xếp hoặc dỡ hàng từ pallet Ba chuyển động đầu tiên của robot đều là các khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia Vùng làm việc của tay máy gần giống một phần khối cầu Robot có thể được gắn cố định trên sàn, trần hoặc lắp trên đường ray để tăng độ linh hoạt

Hình 2.2 Robot khớp bản lề do hãng Kuka sản xuất

cỡ của robot Kết cấu gọn, lắp đặt đơn giản hơn gantry robot Tính cơ động cao có thể thay đổi nơi làm việc dễ dàng

Khuyết điểm: Tính toán động học phức tạp, cấu trúc trở nên không cứng vững

khi robot đạt tầm với lớn nhất  Robot tọa độ vuông góc (Gantry robot)

Hình 2.3 Robot tọa độ vuông góc (Gantry robot) của hãng Elettric80

Ba chuyển động đầu tiên của robot đều là các khớp trượt, chuyển động tịnh tiến dọc theo các trục X, Y, Z Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật

Ưu điểm: Mô hình động học đơn giản, kết cấu cứng vững Lập trình đơn giản Khả năng xác định vị trí khi gắp và đặt vật chính xác hơn các loại robot khác

Khuyết điểm: So với robot khớp bản lề, robot tọa độ vuông góc có những

khuyết điểm sau:  Vùng làm việc tương đối nhỏ so với kích cỡ robot  Kết cấu cồng kềnh (bao gồm khung, giá đỡ, …) chiếm nhiều diện tích  Yêu cầu chiều cao nơi lắp đặt phải lớn

 Bảo trì khó khăn và tốn nhiều thời gian hơn  Tốc độ thực hiện một tác vụ không cao  Thao tác không linh hoạt

Nhận xét: Dựa vào những phân tích ở trên ta nhận thấy robot khớp bản lề cố định

có những đặc điểm đáng chú ý sau: kết cấu gọn, lắp đặt đơn giản, thao tác linh hoạt Những đặc điểm này rất phù hợp với diện tích nhà kho nhỏ 4m x 4m x 3m Mặt khác, hình thức của robot còn là một công cụ quảng cáo hữu hiệu

2.2.2 Khảo sát các dạng tay máy khớp bản lề dùng để vận chuyển hàng hóa trong nhà kho

Một số dạng robot khớp bản lề hiện có trên thị trường có kết cầu phù hợp với việc vận chuyển và sắp xếp bình gas

Robot công nghiệp KR 40 PA của hãng KUKA

Hình 2.4 Robot công nghiệp KR 40 PA

Ứng dụng: vận chuyển vật liệu, xếp

chồng hàng hóa lên pallet, đóng gói sản phẩm

Robot công nghiệp M-420iA của hãng Fanuc

Hình 2.5 Robot công nghiệp M-420iA

- Ứng dụng: M-420iA phù hơp cho các

ứng dụng như lắp ráp, đóng gói, sắp xếp hàng hóa

Robot công nghiệp IBR 4600 của hãng ABB

Hình 2.6 Robot công nghiệp IRB 4600

- Ứng dụng: Thiết kế thon nhỏ, phạm vi

làm việc rộng, chu kỳ hoạt động ngắn, phù hợp với nhiều ứng dụng như vận chuyển chi tiết, hàn, đo lường…

Robot công nghiệp IRB 460 của hãng ABB

Hình 2.7 Robot công nghiệp IRB 460

Ứng dụng: chuyên dùng để vận chuyển

vật liệu, xếp chồng hàng hóa lên pallet

Nhận xét: Độ cơ động của cơ cấu chính là số bậc tự do của cơ cấu Khi độ cơ động

của cơ cấu càng cao thì số bậc tự do càng tăng Môi trường làm việc trong vận chuyển và sắp xếp hàng hóa không có nhiều chướng ngại so với công việc sơn và hàn cho nên kết cấu robot chỉ cần 3 đến 4 bậc tự do là thỏa mãn yêu cầu công việc Số bậc tự do ít sẽ làm cho kết cấu tay máy đơn giản hơn cũng như giá thành sẽ giảm, đồng thời giúp cho việc điều khiển dễ dàng hơn

Tác giả chọn mẫu robot IRB 460 của hãng ABB để tham khảo thiết kế vì chúng có những đặc điểm phù hợp với yêu cầu thiết kế như: 4 bậc tự do, sử dụng cơ cấu hình bình hành để cho vật cần vận chuyển luôn vuông góc với sàn, trọng lượng mang vật và tầm với lớn

2.3 Xác định yêu cầu kỹ thuật cơ bản của robot

Một đặc điểm quan trọng của robot khớp bản lề là khi tầm với càng tăng thì tải trọng robot mang được càng giảm Ví dụ, xét trường hợp robot IRB460 của hãng ABB, theo sơ đồ hình 2.8 khả năng tải lớn nhất của robot là 110 kg, khi tay máy vươn xa nhất thì tải trọng mang được chỉ còn 60 kg

Hình 2.8 Sơ đồ tải trọng robot IRB460 của hãng ABB

Vì vậy với yêu cầu tay máy vận chuyển được bình gas 26.5 kg và khoảng cách giữa vị trí bình xa nhất tới tâm tay máy là 2300 mm, tham khảo thêm robot IRB 460 ta xác định yêu cầu kỹ thuật cơ bản của robot gắp bình gas như sau:

Robot khớp bản lể cố định

Số trục (bậc tự do) 4 Khả năng tải 110 kg Tầm với lớn nhất 2400 m Chiều cao < 2000 mm Có cơ cấu hình bình hành

Robot gắp bình gas được thể hiện dưới dạng sơ đồ đơn giản như hình 2.9

Hình 2.9 Sơ đồ và bậc tự do của robot gắp bình gas 2.4 Sơ đồ nguyên lý robot gắp bình gas

Hình 2.10 thể hiện kết cấu robot gắp bình gas dưới dạng mô hình đơn giản

Nguyên lý hoạt động: Toàn bộ tay máy sẽ quay quanh O, tay máy dưới AD

được dẫn động bởi động cơ và quay quanh khớp A, tay máy trên CH quay quanh D nhờ cơ cấu hình bình hành ABCD với AB là khâu dẫn động Cổ tay HIJL chuyển động tịnh tiến bởi các cơ cấu hình bình hành AEFD và DGIH Do đó trục cổ tay robot luôn vuông góc với sàn cho nên bình gas khi được vận chuyển luôn thẳng đứng so với sàn

Hình 2.10 Sơ đồ đơn giản robot gắp bình gas

A, B, D, E, F, G, H, I Khớp bản lề

AB, AD Khâu dẫn động AE Khâu nối giá (cũng chính là thân robot) BC, EF, GI Thanh truyền FGD Khâu trung gian

HIJL Cổ tay máy CDH Khâu – tay máy trên

2.5 Tính toán sơ bộ kích thước các khâu

Theo yêu cầu cơ bản đã được xác định ở trên, robot gắp bình gas sẽ có dạng robot khớp bản lề, gồm có 4 khâu và 4 khớp OA là chiều dài khâu 1, L3 là chiều dài khâu 2 và L5 là chiều dài khâu 3 (hình 2.11) Trong đó = √ 1 + 2 và L5 = L4 + Lcổ tay

Hình 2.11 Lược đồ khâu

Vị trí xa nhất và gần nhất của bình gas so với trục quay của robot được thể hiện ở hình 2.12 Với A là vị trí gần nhất và B là vị trí xa nhất Dựa vào đặc điểm của robot khớp bản lề có kết hợp cơ cấu hình bình hành ta nhận thấy để với tới điểm xa nhất phải thỏa các điều kiện sau

2 + 3 + 4 + ổ ≥ 22412500 > 1 ≥ 585

Hình 2.12 Vị trí bình gas gần và xa nhất trong nhà kho

Theo điều kiện ở trên và tham khảo robot IRB 460 của hãng ABB ta chọn kích thước các khâu như sau L1 = 742.5; L2 = 260; L3 = 945; L4 = 1025 và Lcổ tay = 220 (Hình 2.11)

2.6 Mô hình động học 2.6.1 Động học vị trí

 Bài toán động học thuận

Bài toán động học thuận vị trí được tiến hành theo các bước sau  Thiết lập hệ tọa độ cho các khâu

Hình 2.13 Các hệ trục tọa độ trên robot

 Lập bảng thông số Denavit Hartenberg (DH)

Hệ tọa độ θi αi ai di1 θ1 900 L2 L12 θ2 0 L3 0 3 θ3 900 L4 0  Từ bảng thông số DH ta xác định các ma trận thuần nhất

= ( , ) ( , ) ( , ) ( , 90 ) (3.1)

=cos 0 sin cos

sin 0 −cos sin

(3.2)

= ( , ) ( , ) (3.3)

=cos − sin 0 cos

sin cos 0 sin

sin 0 −cos sin

 Vị trí tọa độ điểm A (Hình 2.13)

0000

0000

0000

220220−251.5

0=

( + + ) + 220( + + ) + 220+ + − 251.5

=cos sin 0 −−sin cos 0 0

sin 0 −cos c ( − ) − s ( c + s − )

⎥⎥⎤

(3.13) Mặt khác ta có

c( + ) 0 s( + ) c( + ) + cs( + ) 0 − c( + ) s( + ) + s

(3.14)

=cos 0 sin cos

sin 0 −cos sin

(3.15)

 Tính góc Từ (3.12) và (3.14) ta có

sin − cos = 0

 Tính góc Lấy tổng bình phương 2 phần tử và của (3.13) và (3.15) ta có c ( c + s − ) + s ( − ) − + c ( − ) −s ( c + s − ) = ( cos ) + ( sin ) = (3.17)

Khai triển (3.17) ta được

 Tính chiều và vị trí của mỗi trục khớp Ta có

=cos 0 sin cossin 0 −cos sin

cos 0 sinsin 0 −cos

sin−cos

0

=cos cos − cos sin sin cos cos + cos

sin cos − sin sin −cos sin cos + sin

0Tính

c c( + )s c( + )

s( + )( = 3; = 2) = +

+c c( + )s c( + )

s( + )

⟹ =

c c + c c( + )s c + s c( + )

s + s( + )

( = 3; = 1) = +

=1 0 00 1 00 0 1

cs +

c c + c c( + )s c + s c( + )

s + s( + )

c + c c + c c( + )s + s c + s c( + )

+ s + s( + )

 Tính Jacobi Thay z và p đã tính vào (3.24)

Với i = 1

⎣⎢⎢⎢⎢⎡− +− +−

000

⎥⎥⎥⎥⎤

Với i = 2

⎣⎢⎢⎢⎢⎡− ( + )

+−

⎥⎥⎥⎥⎤

Với i = 3

⎣⎢⎢⎢⎢⎡−−

−0 ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Thay , , vào (3.22) ta được vận tốc của điểm cuối khâu 3

⎦⎥⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢

0001

+−

0

−−

−0 ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Chương 3 Thiết kế hệ thống cơ khí

3.1 Đánh giá thiết kế một số tay máy vận chuyển hàng hóa

Có nhiều hãng trên thế giới chế tạo robot công nghiệp vận chuyển hàng hóa Trong phạm vi đề tài này tác giả đánh giá thiết kế của 2 hãng chuyên chế tạo robot công nghiệp là Kuka và ABB (Hình 3.1 và hình 3.2)

Hình 3.1 Robot KR 100-2 PA của hãng

Kuka

Hình 3.2 Robot IRB 460 của hãng ABB

Nhìn chung về kết cấu cơ khí tay máy gồm sáu phần chính: đế, thân, cánh tay dưới, cánh tay trên, cổ tay, tay gắp Các thành phần này được liên kết với nhau bằng các khớp quay Trong cấu tạo tay máy còn có các thanh nối và khâu trung gian để truyền chuyển động hoặc giữ cho cổ tay máy luôn chuyển động tịnh tiến

A Đế

Hình 3.3 Cấu tạo tay máy

B Thân C Khâu dẫn động khớp 3 D Cánh tay dưới

E Thanh truyền F Khâu nối G Cánh tay trên H Khâu trung gian

I Thanh nối J Cổ tay K Vị trí lắp cơ cấu chấp hành (tay gắp)

L Động cơ điện dẫn động các khớp

Trục 1 truyền chuyển động làm quay toàn bộ thân trên và các cánh tay robot nên

yêu cầu momen xoắn đầu ra của hộp giảm tốc phải lớn Thiết kế của ABB sử dụng bộ truyền bánh răng – cycloid hành tinh để tạo momen xoắn lớn ở trục ra của hộp giảm tốc Động cơ và hộp giảm tốc không được bố trí đồng trục

Cách bố trí động cơ và hộp giảm tốc ở trục 2 của hai thiết kế trên tương đối

giống nhau Động cơ và trục ra của hộp giảm tốc được lắp đồng trục

Trục 3 của hai robot có sự khác nhau, với robot Kuka động cơ và trục 3 được lắp

đồng trục, còn với robot ABB chuyển động quay của động cơ được truyền qua trục 3 nhờ cơ cấu 4 khâu bản lề (hình 3.1 và hình 3.2) Ưu điểm của cách lắp động cơ trên thiết kế robot Kuka là hạn chế bước trung gian trong truyền chuyển động tuy nhiên có khuyết điểm là khối lượng của động cơ bị dồn lên đầu của tay máy dưới Với thiết kế của ABB động cơ được bố trí đối xứng với động cơ cánh tay dưới và tất cả đều được đặt trên thân robot nên giảm được momen quán tính cho cánh tay máy dưới dẫn đến robot cứng vững hơn khi hoạt động

Tác giả chọn cách lắp động cơ trục 3 ở phần thân để đơn giản hơn trong việc phân tích động lực học vì momen quán tính của tay máy dưới đã giảm đáng kể

3.2 Lựa chọn vật liệu chế tạo

Một số tiêu chí khi chọn vật liệu chế tạo robot  Phần đế và thân phải nặng để hạ trọng tâm của toàn robot, giúp cho robot cứng vững Đồng thời đây là hai phần tốn nhiều vật liệu nhất nên tiêu chí giá thành sẽ được xem xét

 Các khâu quay và vươn xa phải có khối lượng nhẹ, chịu lực tốt Dựa theo tiêu chí trên ta chọn vật liệu theo bảng sau:

Bảng 3-1 Bảng vật liệu chi tiết

Gang xám Đế, thân Hợp kim nhôm

2024 – T3

Cánh tay dưới, cánh tay trên, khâu dẫn động khớp 3, cổ tay, các thanh truyền

Thông số của gang xám và nhôm hợp kim 2024 – T3 được thể hiện ở bảng 3-2

Bảng 3-2 Bảng thông số vật liệu

Thông số Gang xám Hợp kim nhôm 2024 – T3 Khối lượng riêng 7200 kg/m3 2780 kg/m3

Giới hạn đàn hồi 345x106 N/m2Giới hạn bền kéo 276x106 N/m2 485x106 N/m2Giới hạn bền cắt 400x106 N/m2

Giới hạn bền mỏi 138x106 N/m2 Môđun đàn hồi 6.6x1010 N/m2 7.24x1010 N/m2Môđun cắt 5x1010 N/m2 2.8x1010 N/m2Đặc điểm của hợp kim nhôm 2024 – T3: có độ bền cao so với các hợp kim nhôm khác, đồng thời khả năng đúc tạo hình và gia công cơ tốt Đây là loại hợp kim thường được sử dụng chế tạo các chi tiết trong các phương tiện vận chuyển hàng không [5]

3.3 Thiết kế cơ khí sơ bộ

Khi thiết kế kích thước và hình dạng các khâu chuyển động (tay máy dưới và tay máy trên) phải luôn thỏa mãn tiêu chí giảm trọng lượng các khâu của tay máy sao cho các khâu vẫn bền khi làm việc và hoạt động ổn định Mặt khác hình dáng các khâu và sự phân bố chi tiết một cách hợp lý sẽ dời trọng tâm của robot về gần trục quay giúp robot hoạt động với hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng Tập trung khai thác các kết cấu cơ khí đã được thiết kế cứng vững như hộp giảm tốc harmonic hoặc hộp giảm tốc bánh răng hành tinh

 Thiết kế khớp 1 Khớp 1 là khớp thực hiện chuyển động tương đối giữa đế và thân robot Khớp 1 dùng hộp giảm tốc con lăn cycloid – hành tinh có momen xoắn đầu ra lớn vì khối lượng toàn bộ thân trên robot lớn Hộp giảm tốc nối đế và thân robot

Hình 3.4 Vị trí khớp 1

 Thiết kế khớp 2 Khớp 2 có tác dụng làm quay cánh tay dưới Hộp giảm tốc con lăn cycloid – hành tinh được sử dụng, tuy nhiên để điều khiển chính xác tay máy ta chọn dạng hộp giảm tốc lắp đồng trục với động cơ

Hình 3.5 Vị trí khớp 2

 Thiết kế khớp 3 Tay may trên quay nhờ khớp 3 Dạng hộp giảm tốc sử dụng ở khớp này tương tự như ở khớp 2 Đầu ra của hộp giảm tốc không lắp trực tiếp với tay máy trên mà sẽ lắp vào tay quay của cơ cấu 4 khâu bản lề, từ đó mới làm quay táy máy trên Động cơ và hộp giảm tốc của khớp 3 sẽ được bố trí đối xứng với động cơ và hộp giảm tốc khớp 2