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
Giới thiệu
Mở đầu
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 cung cấp công cụ hữu hiệu để đánh giá hiệu quả các đường đi của tay máy, giúp tối ưu hóa quá trình sắp xếp, tiết kiệm năng lượng và thời gian, đồng thời nâng cao năng suất công việc.
Tổng quan
1.2.1 Các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài
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
Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong
Trong 25 năm qua, Việt Nam đã có những bước tiến đáng kể trong phát triển công nghệ robot Nổi bật nhất là Công ty Cổ phần TOSY với thành công trong việc chế tạo tay máy robot 6 bậc tự do Tuy nhiên, lĩnh vực robot công nghiệp chuyên dụng phục vụ cho mục đích vận chuyển và sắp xếp hàng hóa vẫn còn là một khoảng trống chưa được khai thác.
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
Về mặt ngữ nghĩa, hậu cần là một khái niệm bao quát và kho bãi chỉ là một phần của hoạt động này Do đó, để hiểu rõ hơn về kho bãi, chúng ta cần có cái nhìn bao quát về hậu cần.
“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 Ưu điểm: Hệ thống AS/RS mang lại những lợi ích sau
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
Ở hệ thống băng chuyền ngang trong hình 1.4, các ngăn đựng hàng được gắn trên khung kệ và có thể di chuyển tới lui nhờ hệ thống xích Điều này cho phép hàng hóa được vận chuyển đến người sử dụng theo đường ngắn nhất đáp ứng nhu cầu của họ.
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
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.
Thiết kế sơ bộ và mô hình động học
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
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 vỏ bình 13 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.
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 Ưu điểm: Robot có thao tác linh hoạt, vùng làm việc tương đối lớn so với kích 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 chuyển động tịnh tiến dọc theo trục toạ độ X, Y, Z Khu vực làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật Ưu điểm của loại robot này là có mô hình động học đơn giản nên kết cấu khá cứng vững và việc lập trình cũng đơn giản hơn.
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
Nh ận 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 của hãng KUKA
Robot KR 40 PA – hãng Kuka
Tầm với lớn nhất 2091 mm
Khả năng lặp lại vị trí ±0,25 mm 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 của hãng Fanuc
Tầm với lớn nhất 1855 mm
Khả năng lặp lại vị trí ±0,5 mm
- 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 của hãng ABB
Tầm với lớn nhất 2550 mm
Khả năng lặp lại vị trí 0,03 – 0,19 mm
Ứng dụng rộng rãi nhờ thiết kế nhỏ gọn và linh hoạt, khả năng làm việc trong phạm vi rộng và chu kỳ hoạt động nhanh chóng Do đó, sản phẩm phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau như vận chuyển chi tiết, hàn, đo lường,
Robot công nghiệp IRB 460 của hãng ABB
Hình 2.7 Robot công nghiệp IRB 460 của hãng ABB
Khả năng lặp lại vị trí 0,1 mm Ứng dụng: chuyên dùng để vận chuyển vật liệu, xếp chồng hàng hóa lên pallet
Nh ận 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.
Xác định yêu cầu kỹ thuật cơ bản của robot
Một đặc điểm quan trọng của robot khớp bản lề là mối quan hệ nghịch giữa tầm với và tải trọng Khi tầm với của robot tăng, tải trọng nó có thể mang theo sẽ giảm Ví dụ, robot IRB460 của ABB có khả năng tải tối đa 110 kg khi ở tầm với gần nhất Tuy nhiên, khi tầm với của robot mở rộng đến mức xa nhất, tải trọng mà nó có thể mang theo sẽ giảm đáng kể, 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
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
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
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
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 + L cổ tay
Vị trí xa nhất (B) và gần nhất (A) của bình gas so với trục quay của rô-bốt được minh họa tại Hình 2.12 Với đặc điểm của loại rô-bốt khớp bản lề kết hợp cơ cấu hình bình hành, để tiếp cận vị trí xa nhất, rô-bốt cần đáp ứng các điều kiện cụ thể.
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 L cổ tay = 220 (Hình 2.11)
Mô hình động học
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)
Từ bảng thông số DH ta xác định các ma trận thuần nhất
= ( , ) ( , ) ( , ) ( , 90 ) (3.1) cos 0 sin cos sin 0 −cos sin
= ( , ) ( , ) (3.3) cos −sin 0 cos sin cos 0 sin
= ( , ) ( , ) ( , 90 ) (3.5) cos 0 sin cos sin 0 −cos sin
Phương trình động học thuận của robot
Vị trí tọa độ điểm A (Hình 2.13)
Bài toán động học ngược
(3.14) cos 0 sin cos sin 0 −cos sin
Từ (3.12) và (3.14) ta có sin − cos = 0
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 cos + sin = (3.18)
= c + s − + ( − ) + − Áp dụng công thức (6.76), (6.80) [ ], ta được
Từ cột cuối của (3.13) và (3.15) ta có tan = c ( − )−s c + s − c c + s − + s ( − )−
Theo [4] ta có các công thức để tính động học vận tốc như sau ̇ = = ̇ (3.21) với = [ , , … , ] (3.23)
Vì trường hợp bài toán nêu trong luận văn sử dụng toàn khớp quay nên ta sử dụng công thức sau
Tính chiều và vị trí của mỗi trục khớp
Ta có cos 0 sin cos sin 0 −cos sin
0 cos cos −cos sin sin cos cos + cos sin cos −sin sin −cos sin cos + sin sin cos 0 sin +
⟹ cos cos −cos sin sin sin cos −sin sin −cos sin cos 0
Tính tương tự ta được sin
Thay z và p đã tính vào (3.24)
Thay , , vào (3.22) ta được vận tốc của điểm cuối khâu 3
Nhận xét: Do sử dụng cơ cấu hình bình hành nên vận tốc của khâu tác động cuối cũng chính là vận tốc của điểm cuối khâu 3.
Thiết kế hệ thống cơ khí
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
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
Hình 3.3 Cấu tạo tay máy
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.
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
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/m 3 2780 kg/m 3
Hợp kim nhôm 2024 – T3 nổi bật với độ bền cao vượt trội so với các hợp kim nhôm khác, cho phép đúc tạo hình và gia công cơ dễ dàng Nhờ những đặc tính này, hợp kim 2024 – T3 thường được ứng dụng trong chế tạo các chi tiết cho phương tiện vận chuyển hàng không, nơi đòi hỏi độ bền và khả năng gia công cao.
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
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
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
Trục tay quay trên quay là nhờ khớp 3, ở khớp này sử dụng dạng hộp giảm tốc tương tự khớp 2 Đầu ra hộp giảm tốc không lắp trực tiếp với tay máy trên, mà lắp vào tay quay của cơ cấu 4 khâu bản lề, sau đó mới làm quay tay 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.
Thiết kế cổ tay máy
Cổ tay máy là nơi lắp trực tiếp với tay gắp bình gas Cổ tay sẽ được nối với tay máy trên bằng một khớp bản lề Trên cổ tay sẽ được lắp một động cơ và một hộp giảm tốc để làm quay tay gắp nhằm các định hướng của nó
Để đảm bảo trục quay của cổ tay máy luôn vuông góc với mặt sàn, cần tích hợp cơ cấu hình bình hành như mô tả trong Hình 3.8 Cơ cấu này bao gồm một cơ cấu hình bình hành kép, với khâu nối dưới gắn song song với mặt sàn và tay máy dưới, khâu nối trên gắn song song với cổ tay và tay máy trên Trong khi đó, khâu trung gian được kết nối với cả khâu nối trên, khâu nối dưới và tay máy trên.
Hình 3.8 Cơ cấu hình bình hành
Bản vẽ thể hiện mối lắp các khớp được thể hiện ở phụ lục 1 Mô hình cơ khí sơ bộ tổng thể robot gắp bình gas
Hình 3.9 Mô hình cơ khí sơ bộ tổng thể robot gắp bình gas
Xác định vùng làm việc
3.4.1 Xác định góc quay giới hạn mỗi trục
Gốc tọa độ cho mỗi khớp dựa theo gốc tọa độ được gán trong phần động học thuận Vị trí 0 0 , chiều quay dương của các góc khớp được thể hiện ở hình 3.10 Trục
1, 2, 3 lần lượt ứng với các góc , , Như vậy trục 1, 2, 3 quay sẽ lần lượt ứng với thân, tay máy dưới, tay máy trên quay
Hình 3.10 Hệ trục tọa độ trên các khớp Trục 1 không bị giới hạn bởi một ràng buộc nào nên có thể quay toàn vòng từ 0 đến 360 0 Tuy nhiên để thuận tiện cho việc điều khiển ta lắp đặt cữ giới hạn góc quay của trục 1 như hình 3.11 Lúc này vùng quay của trục 1 là −180 < -210 0 Do đó ta chọn góc θ 3min = -210 0
Hình 3.14 Vị trí góc θ3min = -210 0
Từ những phân tích ở trên ta chọn được vùng chuyển động của các trục theo bảng 3-3 Từ cơ sở này ta sẽ dựng được vùng làm việc của robot và kiểm chứng được xem vị trí các bình gas có nằm trong vùng làm việc của robot
Bảng 3-3 Vùng chuyển động của các trục
Tuy nhiên, khi tay máy dưới ở vị trí góc quay 50, góc quay tay máy trên không nằm hoàn toàn trong vùng từ -700 đến -2100 vì sẽ xảy ra va đập giữa thanh truyền và tay máy dưới Khi đó, cần lắp 2 cữ giới hạn hành trình trên tay máy dưới để đảm bảo an toàn Từ đây ta suy ra được khi α = 50 thì -2100 < αtmd < -700.