Nghiên cứu, phát triển robot vẽ hình trên tường

Mục tiêu chính của dự án là tạo ra một robot có thể di chuyển theo hai trục X, Y và Z trên bề mặt tường, phát triển hệ thống điều khiển thông minh để vẽ các hình ảnh được lập trình sẵn h

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài "Robot vẽ hình trên tường" có tính cấp thiết cao vì nó mang lại nhiều lợi ích thiết thực và tiềm năng ứng dụng rộng rãi Sử dụng robot vẽ tranh giúp tiết kiệm thời gian và công sức, đảm bảo độ chính xác và tính thẩm mỹ cao trong các tác phẩm trang trí Điều này đặc biệt quan trọng trong các dự án xây dựng, trang trí nội thất và quảng cáo, nơi yêu cầu tiến độ và chất lượng công việc cao Hơn nữa, robot vẽ tranh còn giúp giảm chi phí lao động, nâng cao an toàn lao động, và mang lại khả năng tự động hóa cao, phù hợp với xu hướng công nghệ hiện đại Việc áp dụng robot này không chỉ nâng cao năng suất và hiệu quả làm việc mà còn tạo ra sự khác biệt và cạnh tranh trong thị trường, mở ra nhiều cơ hội kinh doanh mới cho các doanh nghiệp.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Đề tài "Robot vẽ tranh trên tường" mang ý nghĩa khoa học sâu sắc khi kết hợp giữa công nghệ hiện đại và nghệ thuật trang trí Nó đóng góp vào việc phát triển công nghệ robot, tối ưu hóa thuật toán điều khiển Ngoài ra, việc sử dụng trí tuệ nhân tạo để nhận diện và vẽ theo các hình mẫu phức tạp nâng cao khả năng tự học và tự điều chỉnh của robot Đề tài cũng có ứng dụng trong giáo dục và đào tạo, giúp giảng dạy các nguyên lý cơ bản về robot học và lập trình một cách thực tế Sự kết hợp liên ngành giữa cơ khí, điện tử, lập trình, và mỹ thuật mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới, thúc đẩy sự phát triển khoa học và công nghệ hiện đại

Việc sử dụng robot giúp tiết kiệm thời gian và công sức, đảm bảo độ chính xác và tính thẩm mỹ cao cho các tác phẩm, đặc biệt trong các dự án trang trí lớn Robot vẽ tranh còn giảm chi phí lao động và nâng cao an toàn lao động, khi thay thế con người làm việc ở những vị trí cao hoặc nguy hiểm Ngoài ra, robot này còn có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như trang trí nội thất, nghệ thuật, quảng cáo, và giáo dục, giúp mở rộng khả năng sáng tạo và đổi mới Sự hiện diện của robot vẽ tranh không chỉ nâng cao hiệu quả công việc mà còn góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống và thúc đẩy phát triển bền vững

- Trong nghệ thuật và thiết kế

Trong lĩnh vực nghệ thuật và thiết kế, việc sử dụng robot vẽ tranh trên tường mang lại sự kỳ vọng và tiềm năng đáng chú ý Robot không chỉ giúp tái tạo các hình ảnh và hoa văn với độ chính xác cao mà còn tối ưu hóa quá trình sản xuất, giảm thời gian và chi phí Điều này mở ra cánh cửa cho sự đổi mới và sáng tạo, giúp nghệ sĩ và nhà thiết kế thực hiện các ý tưởng mới và độc đáo một cách hiệu quả và tiên tiến hơn bao giờ hết

Trong ngành công nghiệp, việc sử dụng robot vẽ tranh trên tường đã trở thành một giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa quy trình sản xuất và trang trí Robot không chỉ giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công mà còn đảm bảo tính chính xác và

2 đồng nhất của sản phẩm cuối cùng Điều này mang lại lợi ích về năng suất lao động, chất lượng sản phẩm, và tính bền vững của quy trình sản xuất Sự áp dụng của robot vẽ tranh trong ngành công nghiệp không chỉ là một bước tiến lớn trong tự động hóa mà còn là một cách để tạo ra các sản phẩm chất lượng cao một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, cơ cấu bảng điều khiển và mô hình của robot vẽ tranh trên tường

- Mô hình hóa thiết kế 3D bằng phần Solidworks 2020

- Tính toán và hoàn chỉnh thiết kế cho robot vẽ tranh trên tường và phần mềm AutoCAD để thể hiện cơ cấu, nguyên lý hoạt động của máy khắc

- Thể hiện đầy đủ bản vẽ các chi tiết có trong robot vẽ tranh trên tường

- Nâng cao khả năng làm việc: Nghiên cứu và phát triển các hệ thống điều khiển và các phần mềm, board mạch để có thể điều khiển các trục chính xác và đồng bộ với nhau

- Đảm bảo an toàn cho người sử dụng: Tăng cường tính an toàn khi sử dụng robot không gây nguy hiểm đến người tiêu dùng khi robot đang trong quá trình hoạt động

- Gia công, lắp ráp và kiểm nghiệm các hệ thống của robot và hoàn chỉnh nó, đưa vào chạy thực nghiệm

- Cuối cùng là đánh giá tổng thể để đưa ra kết luận cuối cùng và hoàn thiện mô hình robot vẽ tranh trên tường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, cơ cấu bảng điều khiển và mô hình robot vẽ tranh trên tường

- Những robot vẽ tranh đã có trên thị trường, từ các robot cơ bản đến các robot có thể điều chỉnh một cách tự động

- Điều khiển Step Motor, Hybrid Motor

- Kết hợp CNC 3 trục để vẽ trên tường

- Điều khiển làm quen với giao diện máy tính

- Quá trình vẽ lên các bức tường có bề mặt và vật liệu khác nhau

- Đánh giá chất lượng sản phẩm và hiệu suất của sản phẩm khi vẽ

- Sử dụng phần mềm Solidworks 2020 trong thiết kế

- Tìm hiểu những trang thiết bị trong nhà trường, phòng lab có liên quan đến đề tài

- Những cuốn sách chuyên ngành có liên quan đến đề tài:

+ "Robot Programming: A Guide to Controlling Autonomous Robots" by Cameron Hughes and Tracey Hughes

+ "The Robotics Primer" by Maja J Matarić

+ "Điều khiển tự động - Cơ sở và ứng dụng" của GS TS Nguyễn Văn Hiệp + "CNC Programming Handbook" by Peter Smid

+ "The CNC Cookbook: An Introduction to the Creation and Operation of Computer Controlled Mills, Router Tables, Lathes, and More" by Edward Ford

- Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo robot vẽ tranh trên tường

- Nghiên cứu việc tối ưa hóa hành trình làm việc của các trục khi robot đang làm việc

- Tập trung vào phân tích độ chính xác khi vẽ tranh, độ rõ đều của nét vẽ trên từng bức tường

- Đánh giá chất lượng sản phẩm sau quá trình vẽ và xác định các ứng dụng tiềm năng của robot vẽ tranh trong lĩnh vực nghệ thuật đồ hoạ

- So sánh robot vẽ tranh trên tường với các sản phẩm khác đồ hoạ khác trên thị trường để tối ưu hoá việc thiết kế sản xuất.

Phương pháp nghiên cứu

- Dựa vào nhu cầu thị trường từ các sản phẩm được thi công ngày càng cao

- Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt đến chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học

- Tiến hành phân tích và đánh giá những dữ liệu, thông tin đã có được trước đó, bao gồm ưa nhược điểm và hạn chế của robot vẽ tranh cũng như các nghiên cứu liên quan trước đó đã thực hiện, giúp ta có thể thấy được những điểm chưa tối ưa và vào đó có thể cải thiện hoàn chỉnh và tối ưa nhất

- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của xi lanh điện, động cơ Step Motor, Hybrid Motor, các mạch điều khiển Từ đó hình thành nên cơ sở đúng đắn trong việc tính toán, thiết kế và chế tạo robot vẽ tranh trên tường 3 trục

- Thiết kế kế hoạch nghiên cứu cụ thể cho robot, bao gồm việc xác định phương pháp thí nghiệm, thử nghiệm, đo lường bề mặt sau khi vẽ

- Tiến hành các thí nghiệm trên các bức tường khác nhau, các chất liệu tường khác nhau thể như: Xi măng, gỗ… Sau đó thống kê lại các số liệu sau khi vẽ ghi nhận các thông số quan trọng đến hiệu suất của robot và chất lượng sản phẩm sau khi vẽ

- Viết báo cáo hoặc bài báo khoa học trình bày kết quả nghiên cứu Báo cáo bao gồm mục tiêu nghiên cứu, phương pháp thí nghiệm kết quả và phân tích, nhận xét và đề xuất phát triển robot vẽ tranh trên tường

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu: tham khảo các nguồn tài liệu sách, giáo trình, tài liệu tham khảo, các bài viết từ nguồn tin cậy trên Internet, các công trình nghiên cứu… nhằm xác định được nguyên lý, cơ cấu hoạt động của robot

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành nghiên cứu, xem xét trên các máy thực tế sẵn có từ đó phân tích ưu nhược điểm, tiến hành thiết kế lại cho tốt Nghiên cứu hệ thống điều khiển thực tế để đối chiếu lắp ráp vào robot với giá thành rẻ nhất

- Phương pháp phân tích tổng hợp: Sau khi đã tham khảo, nghiên cứu tài liệu, quá trình nghiên cứu thực nghiệm cho ra các số liệu cần thiết đầu tiên và những hình dung ban đầu Phát thảo nên mô hình và phương pháp truyền động trên giấy, phân tích các yếu tố cần thiết tác động vào để đạt được yêu cầu sơ bộ ban đầu đặt ra

- Tổng hợp lại các yếu tố đã phân tích loại bỏ các yếu tố thừa không cần thiết và lựa chọn được cơ cấu truyền tối ưu nhất trong quá trình làm việc

+ Sử dụng phần mềm Solidworks 2020 thiết kế cơ khí cho đề tài

+ Dùng phần mềm Mach3Mill để lập trình cho mạch điều khiển chính là Board mach 3 để điều khiển các động cơ Step Motor, Hybrid Motor trên xi lanh điện + Phần mềm AutoCad để thể hiện những bản vẽ chi tiết có trong robot vẽ tranh trên tường

- Phương pháp kiểm nghiệm: Sản phẩm thi công chế tạo xong sẽ được kiểm nghiệm và khắc phục sai hỏng mà lý thuyết không lường hết được

- Sử dụng phần mềm Solidworks 2020 để tiến hành mô phỏng và mô hình hóa để xây dựng mô hình 3D robot vẽ tranh trên tường, việc này giúp ta có thể dễ dàng hình dung kết cấu của máy và nguyên lý hoạt động của từng trục, hành trình di chuyển của trục.

Giới hạn đề tài

- Kích thước khung hình: 800x400 (mm)

- Vẽ trên bề mặt tường phẳng.

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án gồm bảy chương với các nội dung sau:

- Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài: Trình bày tổng quan, sơ lược về lĩnh vực nghiên cứu, các thành tựu nghiên cứu trong và ngoài nước

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết: Trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện đề tài

- Chương 4: Phương hướng và các giải pháp: Trình bày các mô hình phần cứng thiết bị, các mạch điện điều khiển sau đó chọn các giải pháp thích hợp Lập trình tự công việc

- Chương 5: Tính toán và thiết kế robot vẽ tranh trên tường: Tính toán các thông số của robot như thông số động cơ, thông số bộ truyền đai răng, thiết kế phần cứng, lắp ráp và mô phỏng chuyển động

- Chương 6: Thiết kế hệ thống điều khiển: Chế tạo mô hình thực tế, vận hành kiểm tra, thử nghiệm sản phẩm

- Chương 7: Chế tạo, thực nghiệm thực tế và đánh giá : Trình bày các kết quả đã và chưa đạt được, đề nghị và đưa ra hướng phát triển cho đề tài

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Giới thiệu về robot vẽ tranh trên tường

- Mục Đích và Ứng Dụng: Robot vẽ tranh trên tường là một hệ thống tự động được thiết kế để thực hiện các tác vụ nghệ thuật bằng cách vẽ hoặc in hình ảnh trực tiếp lên bề mặt tường Mục đích chính của robot này là:

+ Nâng cao tính chính xác và tốc độ trong quá trình vẽ tranh: Robot có thể vẽ các chi tiết phức tạp và thực hiện các tác vụ lặp lại một cách nhất quán mà không mệt mỏi, điều này khó khăn đối với con người

+ Mở rộng khả năng sáng tạo: Sử dụng robot cho phép các nghệ sĩ và nhà thiết kế thử nghiệm các kỹ thuật mới, chẳng hạn như tạo ra các mẫu lặp lại phức tạp hoặc kết hợp nhiều màu sắc mà không sợ sai sót

+ Tiết kiệm chi phí và thời gian: So với việc thuê lao động thủ công, robot có thể hoàn thành các tác vụ vẽ tranh nhanh hơn và ít tốn kém hơn trong dài hạn

-Tầm Quan Trọng và Lợi Ích: Việc sử dụng robot vẽ tranh trên tường mang lại nhiều lợi ích đáng kể, bao gồm:

+ Tăng cường hiệu quả và năng suất: Robot có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài mà không cần nghỉ ngơi, giúp hoàn thành công việc nhanh chóng và hiệu quả hơn + Đảm bảo chất lượng và độ chính xác cao: Với sự hỗ trợ của các cảm biến và thuật toán điều khiển tiên tiến, robot có thể tạo ra các tác phẩm với độ chính xác cao và đồng nhất

+ Giảm thiểu rủi ro cho con người: Trong những môi trường làm việc nguy hiểm hoặc khó tiếp cận, như các bề mặt cao hoặc trong không gian hẹp, robot có thể thực hiện công việc mà không đặt con người vào nguy hiểm

+ Khả năng tùy biến và linh hoạt cao: Robot có thể được lập trình để vẽ nhiều loại hình ảnh và mẫu khác nhau, từ các bức tranh nghệ thuật phức tạp đến các biển quảng cáo hoặc các mẫu trang trí

- Ứng Dụng Thực Tế: Robot vẽ tranh trên tường có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

+ Nghệ thuật và trang trí nội thất: Robot có thể tạo ra các tác phẩm nghệ thuật trực tiếp trên tường của các phòng triển lãm, bảo tàng, hoặc không gian sống, mang lại một cái nhìn mới lạ và độc đáo

+ Quảng cáo và tiếp thị: Sử dụng robot để vẽ các hình ảnh quảng cáo trực tiếp trên các bề mặt công cộng hoặc trong các sự kiện quảng bá sản phẩm, giúp thu hút sự chú ý của khách hàng một cách hiệu quả

+ Giáo dục và nghiên cứu: Robot vẽ tranh có thể được sử dụng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu về robot học và tự động hóa, hoặc trong các chương trình giáo dục để khuyến khích học sinh và sinh viên tham gia vào các dự án sáng tạo

+ Trang trí sự kiện và lễ hội: Các sự kiện và lễ hội có thể sử dụng robot để tạo ra các bức tranh tường độc đáo và ấn tượng, làm tăng thêm phần thú vị và hấp dẫn cho sự kiện

Việc nghiên cứu và phát triển robot vẽ tranh trên tường không chỉ mở ra những khả năng mới trong lĩnh vực nghệ thuật và thiết kế, mà còn mang lại những lợi ích to lớn về mặt hiệu quả, độ chính xác và an toàn Các ứng dụng thực tế của robot này rất đa dạng và có thể góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và công việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Lịch sử và phát triển

a) Sự Ra Đời và Phát Triển của Robot Vẽ Tranh Trên Tường

Công nghệ robot vẽ tranh trên tường đã trải qua một hành trình phát triển đáng chú ý, bắt đầu từ những thí nghiệm ban đầu với các hệ thống tự động cơ bản đến những robot phức tạp ngày nay có khả năng vẽ tranh với độ chính xác cao

Trong những năm 1970 và 1980, các nhà khoa học và kỹ sư đã bắt đầu thử nghiệm các hệ thống vẽ tự động bằng cách sử dụng các cánh tay robot đơn giản Những hệ thống này chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp để thực hiện các tác vụ như hàn và sơn Tuy nhiên, khái niệm sử dụng robot để vẽ tranh nghệ thuật chỉ bắt đầu xuất hiện sau này, khi các công nghệ điều khiển và lập trình tiên tiến hơn được phát triển

Vào thập kỷ 1990 và đầu những năm 2000, với sự phát triển của công nghệ vi xử lý và phần mềm điều khiển, các hệ thống robot vẽ tranh đã trở nên khả thi hơn Các nghiên cứu và dự án thử nghiệm đã được thực hiện tại các trường đại học và các phòng thí nghiệm nghiên cứu, nhằm phát triển các thuật toán điều khiển và kỹ thuật vẽ chính xác hơn b) Các Dự Án Nổi Bật

Hektor là một trong những robot vẽ tranh trên tường đầu tiên được giới thiệu vào năm 2002 Hệ thống này sử dụng hai động cơ đặt ở hai góc trên cùng của bức tường để điều khiển một bút vẽ thông qua hai dây cáp Hektor đã được sử dụng trong nhiều triển lãm nghệ thuật và dự án sáng tạo khác nhau, và trở thành một biểu tượng của khả năng kết hợp giữa công nghệ và nghệ thuật

Hình 2.1 Robot vẽ tranh Hektor

Hình 2.2 Scribit-Hoạ sĩ vẽ tranh trên tường

Scribit được giới thiệu vào năm 2018, là một robot vẽ tranh thông minh có khả năng vẽ và xóa tranh trên các bề mặt thẳng đứng như tường, kính hoặc bảng trắng Scribit sử dụng bốn động cơ để điều khiển bút vẽ và có khả năng kết nối với các ứng dụng di động để tải lên các hình ảnh và mẫu vẽ mới Đây là một bước tiến quan trọng trong việc mang công nghệ vẽ tranh đến với người dùng thông thường

Vertical Plotter là một dự án mã nguồn mở nổi tiếng, cho phép người dùng tự chế tạo một robot vẽ tranh trên tường từ các linh kiện cơ bản Dự án này đã thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng Maker và những người yêu thích công nghệ, nhờ vào tính linh hoạt và chi phí thấp của nó

Hình 2.3 Robot vẽ tranh Vertical Plotter c) Ứng Dụng và Tiến Bộ Mới Nhất

- Sự Kết Hợp Với AI

Với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (machine learning), các robot vẽ tranh trên tường ngày càng trở nên thông minh hơn Chúng có khả năng tự học từ các mẫu vẽ trước đó và cải thiện kỹ năng vẽ của mình theo thời gian Điều này mở ra cơ hội mới cho các ứng dụng sáng tạo và tùy biến cá nhân hóa

- Kỹ Thuật Vẽ Nâng Cao

Các tiến bộ trong công nghệ in 3D và hệ thống điều khiển chính xác đã cho phép robot vẽ tranh sử dụng nhiều loại bút vẽ và màu sắc khác nhau, tạo ra các tác phẩm nghệ thuật phức tạp và sống động hơn Các kỹ thuật như vẽ lớp màu và vẽ gradient cũng đã được tích hợp, làm tăng khả năng biểu đạt nghệ thuật của robot

Lịch sử và sự phát triển của robot vẽ tranh trên tường cho thấy một quá trình tiến bộ không ngừng trong việc kết hợp giữa công nghệ và nghệ thuật Từ những thí nghiệm ban đầu đến những dự án hiện đại với sự hỗ trợ của AI và các kỹ thuật vẽ nâng cao, robot vẽ tranh trên tường không chỉ trở thành công cụ hữu ích mà còn là nguồn cảm hứng cho những sáng tạo mới Sự phát triển này hứa hẹn sẽ tiếp tục mở rộng và mang lại những ứng dụng mới trong tương lai

Công Nghệ Liên Quan

- Robot vẽ tranh trên tường sử dụng một loạt các công nghệ và kỹ thuật để thực hiện các tác vụ vẽ tranh một cách chính xác và hiệu quả Các công nghệ chính bao gồm:

• Cơ Khí: Bao gồm các thành phần cơ khí như cơ cấu chuyển động (kinematics) để di chuyển bút vẽ trên bề mặt tường Cơ cấu này có thể là các cánh tay robot, hoặc các hệ thống trục và puly

• Điện Tử: Bao gồm vi điều khiển (microcontroller) để điều khiển các động cơ và các cảm biến Vi điều khiển thường được lập trình để điều khiển các chuyển động và hoạt động của robot vẽ tranh

• Lập Trình và Phần Mềm: Các ngôn ngữ lập trình như C++ hoặc Python thường được sử dụng để lập trình các hành vi của robot vẽ tranh Phần mềm điều khiển như ROS (Robot Operating System) có thể được sử dụng để quản lý các chức năng và tương tác giữa các phần khác nhau của robot

• Điều Khiển Chuyển Động: Các thuật toán điều khiển và lập trình được áp dụng để đảm bảo rằng robot di chuyển một cách chính xác và nhất quán trên bề mặt tường Các hệ điều khiển có thể bao gồm các phương pháp điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) hoặc điều khiển trạng thái

• Điều Khiển Tương Tác: Các thuật toán điều khiển cũng có thể được áp dụng để tương tác với môi trường xung quanh, chẳng hạn như phát hiện và tránh các vật cản hoặc điều chỉnh hành vi dựa trên các yếu tố bên ngoài như ánh sáng và màu sắc

- Các Phương Pháp Vẽ Tranh

• Sử Dụng Bút Vẽ: Phương pháp truyền thống là sử dụng bút vẽ để tạo ra các đường nét và hình ảnh trên bề mặt tường Độ chính xác của bút vẽ và các thuật toán điều khiển được sử dụng để đảm bảo rằng các nét vẽ được thực hiện một cách chính xác

• Sử Dụng Phun Sơn: Một số robot vẽ tranh còn có khả năng sử dụng hệ thống phun sơn để tạo ra các bức tranh màu sắc sáng tạo trên bề mặt tường Việc sử dụng phun sơn yêu cầu các hệ thống phân phối sơn chính xác và kiểm soát màu sắc để đạt được kết quả tối ưu

-Phương Pháp Điều Khiển và Lập Trình

• Lập Trình Robot: Việc lập trình robot vẽ tranh thường bao gồm việc thiết kế và triển khai các thuật toán điều khiển, cũng như việc lập trình các hành vi phản ứng với các tín hiệu từ các cảm biến và yêu cầu của người sử dụng

• Các Ngôn Ngữ Lập Trình: Các ngôn ngữ lập trình như C++, Python và

MATLAB thường được sử dụng để phát triển các ứng dụng điều khiển và phân tích dữ liệu cho robot vẽ tranh

Phần tổng quan về công nghệ và kỹ thuật trong nghiên cứu robot vẽ tranh trên tường là rất quan trọng để hiểu được các yếu tố cơ bản và nền tảng của công nghệ này Việc áp dụng các công nghệ và kỹ thuật điều khiển chính xác là chìa khóa để đạt được các kết quả nghệ thuật chất lượng cao và đáp ứng được các yêu cầu của người sử dụng Sự tiến bộ trong các lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại những ứng dụng đa dạng và sáng tạo trong tương lai

CNC (Computer Numerical Control) là một dạng máy điều khiển bằng máy tính với mục đích sản xuất các bộ phận phức tạp bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt Quá trình điều khiển để máy di chuyển theo các hướng thẳng và cong bất kì được điều khiển bằng máy tính công nghiệp hoặc điều khiển chuyên dụng Máy CNC có thể làm việc trong không gian 2D, 3D,…Để máy CNC hoạt động được, cần phải nạp chương trình vào hệ thống vi tính thông minh Máy vi tính có nhiệm vụ xử lý và điều khiển các bộ phận của máy như đầu cắt, tốc độ cắt, biên độ cắt,… theo chương trình có sẵn để gia công sản phẩm

Mỗi loại máy CNC sẽ có những cấu tạo riêng nhưng đều sẽ có 2 phần cơ bản sau:

+ Phần chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng, ổ tích dao cắt

+ Phần điều khiển: cụm điều khiển máy MCU, cụm dẫn động

- Nguyên lý hoạt động: Máy CNC khi hoạt động sẽ di chuyển trên 3 trục

X, Y, Z theo tọa độ Khi máy được khởi động và thực hiện các lệnh cắt, trục Z sẽ di chuyển lên xuống theo khoảng cách được cài đặt Đầu cắt ( trục Z) sẽ nhận nguồn năng lượng từ bộ nguồn để xuyên thủng vật liệu Lúc này bàn máy sẽ giữ chặt sản phẩm để đầu mang dao (trục Z) di chuyển trên các thanh ray theo trục

X và Y để tạo ra các đường cắt trên vật liệu

- Máy phay CNC 4 trục là máy phay dùng để gia công cắt gọt các chi tiết máy móc sở hữu công nghệ CNC tiên tiến Điểm khác nhau so với các máy phay CNC khác là cơ chế hoạt động trên các trục Máy được bổ sung thêm trục

A xoay quanh trục X Việc bổ sung thêm trục thứ 4 cho phép phôi có thể di chuyển, xoay, lật theo ý muốn Điều này làm cho máy có thể gia công 4 mặt của bộ phận cần gia công bằng cách lật phôi

- Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của máy phay 4 trục tùy thuộc với thiết kế của các bộ phận máy Với máy có phôi di chuyển theo trục X,

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ cấu chấp hành

Bảng 3.1 So sánh động cơ bước và động cơ servo

Tiêu chí đánh giá Động cơ bước Động cơ servo

Dễ bị nhiễu, rung động nhiều Ít nhiễu và ít rung động

Tốc độ Tốc độ thấp Tốc độ cao

Hiện tượng trượt bước Có thể xảy ra khi có tải nặng Khó xảy ra (Động cơ vận hành trơn tru khi có tải nặng)

Phương pháp điều khiển Vòng hở( không có encoder) Vòng kín (Có encoder)

Giá thành Giá thành thấp Giá thành cao

Phụ thuộc vào encoder 0,36 độ

3.1.2 Đánh giá động cơ bước

+ Động cơ bước có thể điều khiển chính xác góc quay

+ So với động cơ servo thì động cơ bước có giá thành thấp hơn nhiều

+ Động cơ bước hoạt động ổn định, bền bỉ, tuổi thọ lâu dài

+ Động cơ bước có thể dễ dàng lắp đặt, thay thế

+ Động cơ bước có khả năng cung cấp mô men xoắn lớn ở dải vận tốc trung bình và thấp

+ Về cơ bản dòng điện từ driver tới cuộn dây không thể tăng hoặc giảm trong lúc hoạt động

+ Do đó, nếu bị quá tải động cơ sẽ bị trượt bước gây sai lệch trong điều khiển + Động cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo

+ Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao

3.1.3 Đánh giá động cơ cơ Servo

+ Tải nặng không bị tình trạng trượt bước

+ Hoạt động tốc độ cao tốt

+ Động cơ servo hoạt động không trùng khớp với lệnh điều khiển bằng động cơ bước

+ Động cơ servo có giá thành cao hơn động cơ bước

+ Khi dừng lại, động cơ servo thường dao động tại vị trí dừng gây rung lắc

3.1.4 Tính toán lựa chọn động cơ

3.1.4.1 tính toán lựa chọn động cơ cho trục X

Hệ thống đặt lên hệ truyền động X

- Chi tiết gá trục X: 𝑚 𝐺𝑋 = 0.27 (kg)

- Servo hybrid 7J1880EC-1000-LS: 𝑚 𝑆 = 1.1 (kg)

- Chi tiết gá trục Y: 𝑚 𝐺𝑌 = 0.4 (kg)

- Chi tiết gá trục Z: 𝑚 𝐺𝑍 = 0.1 (kg)

- Chi tiết gá đỡ bút: 𝑚 𝐺𝐵 = 0.09 (kg)

- Chi tiết gá xi lanh: 𝑚 𝐺𝐿 = 0.12 (kg)

Vì khối lượng trên là khối lượng sơ bộ, chưa tính khối lượng các bulông, long đền ,đai ốc liên kết, ống dẫn khí bằng cách tăng thêm 20% khối lượng sơ bộ để đảm bảo độ chính xác nhất có thể (theo tài liệu [4])

Dựa vào tài liệu [19] tính toán lựa chọn động cơ cho trục X: Độ phân giải mong muốn ∆𝑙 = 1(𝑚𝑚)

Tốc độ mong muốn: 𝑁 𝑀 = 2400 (𝑅𝑃𝑀) = 0.04 (𝑚/𝑠) Hành trình di chuyển: 𝐿 = 800 (𝑚𝑚)

 Tổng thời gian di chuyển hết hành trình: 𝑡 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐿

Thời gian tăng tốc và giảm tốc: 𝑡 𝑎 = 𝑡 𝑑 = 25% × 𝑡 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 25% × 20 = 5 (𝑠) (3.4) Độ phân giải của độ cơ:

10 = 36° (3.5) Trong đó: P là bước ren của trục vit (mm)

 Vậy với độ phân giải của động cơ là 36° có nghĩa là khi động cơ step quay 1 góc 36° thì bàn vitme sẽ di chuyển 1 mm

Ta có công thức tổng quát lực tác động lên xi lanh:

Trong đó: 𝐹 𝐴 là ngoại lực tác dụng lên trục (N) m là khối lượng trục X chịu phải (kg) g là gia tốc trọng trường ( 𝑚/𝑠 2 )

𝜇 là hệ số ma sát = 0.05

Lực thắng ma sát khi chưa có lực tác dụng: 𝐹 0 = 𝐹

Moment xoắn tải của trục Y: 𝑇 𝐿 = 𝐹 × 𝑃

2𝜋 = 0.01 (𝑁𝑚 ) (3.8) Trong đó: F lực tác dụng trên xi lanh ƞ hiệu suất làm việc

𝜇 0 là hệ số ma sát

𝐹 0 là lực khi hệ hoạt động ổn định

Hình 3.1: Thông số cụm vitme

Moment quán tính của trục vít:

Moment quán tính của tải:

2𝜋 ) 2 = 3.17 × 10 −5 (𝑘𝑔 × 𝑚 2 ) (3.9) Vậy tổng moment quán tính của cơ cấu trục X là:

𝐽 = 𝐽 1 + 𝐽 2 = 33.2 × 10 −6 + 3.17 × 10 −5 = 6.49 × 10 −5 (𝑘𝑔 × 𝑚 2 ) (3.10) Moment khi động cơ khởi động và dừng khởi động:

Công suất yêu cầu của trục X:

 Dựa vào các thông số đã tính, tôi chọn động cơ Step Motor PK564AW44 có các thông số sau:

Hình 3.2: Biểu đồ tốc độ mômen xoắn của động cơ

Tại vị trí động cơ có tốc độ 2400 RPM, ứng với vị trí có moment xoắn của động cơ là 0.65 Nm

Với moment xoắn lớn nhất của máy là 𝑇 = 0.02 (𝑁𝑚), nhỏ hơn rất nhiều so với moment xoắn mà động cơ tải được ở tốc độ 2400 RPM

Công suất động cơ có thể đáp ứng : 𝑃 𝐷𝐶 = 𝑈 × 𝐼 = 24 × 1.4 = 33.6 (𝑊) >

 Kết luận: Dựa vào biểu đồ trên, ta thấy động cơ PK564AW A44 thỏa mãn nhu cầu hoạt động Chính vì vậy, động cơ trên phù hợp với yêu cầu đặt ra

3.1.4.2 Tính toán lựa chọn động cơ cho trục Y

Hệ thống đặt lên hệ truyền động Y:

- Chi tiết gá trục Y: 𝑚 𝐺𝑌 = 0.4 (kg)

- Chi tiết gá trục Z: 𝑚 𝐺𝑍 = 0.1 (kg)

- Chi tiết gá đỡ bút: 𝑚 𝐺𝐵 = 0.09 (kg)

- Chi tiết gá xi lanh: 𝑚 𝐺𝐿 = 0.12 (kg)

Vì khối lượng trên là khối lượng sơ bộ, chưa tính khối lượng các bulông, long đền ,đai ốc liên kết, ống dẫn khí bằng cách tăng thêm 20% khối lượng sơ bộ để đảm bảo độ chính xác nhất có thể (theo tài liệu [4])

Dựa vào tài liệu [19] tính toán lựa chọn động cơ cho trục Y: Độ phân giải mong muốn ∆𝑙 = 1(𝑚𝑚) Tốc độ mong muốn: 𝑁 𝑀 = 2400 (𝑅𝑃𝑀) = 0.04 (𝑚/𝑠) Hành trình di chuyển: 𝐿 = 450 (𝑚𝑚)

 Tổng thời gian di chuyển hết hành trình: 𝑡 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐿

Thời gian tăng tốc và giảm tốc: 𝑡 𝑎 = 𝑡 𝑑 = 25% × 𝑡 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 25% × 11.25 2.81 (𝑠) (3.18) Độ phân giải của độ cơ:

20 = 18° (3.19) Trong đó: P là bước ren của trục vit (mm)

Vậy với độ phân giải của động cơ là 18° có nghĩa là khi động cơ step quay 1 góc 18° thì đầu ti xi lanh sẽ nâng lên 1 mm

Ta có công thức tổng quát lực tác động lên xi lanh:

Trong đó: 𝐹 𝐴 là ngoại lực tác dụng lên trục (N) m là khối lượng trục Y chịu phải (kg) g là gia tốc trọng trường ( 𝑚/𝑠 2 )

𝜇 là hệ số ma sát = 0.05

Lực thắng ma sát khi chưa có lực tác dụng: 𝐹 0 = 𝐹

Moment xoắn tải của trục Y: 𝑇 𝐿 ′ = 𝐹×𝑃

2𝜋 = 0.18 (𝑁𝑚) (3.22) Chọn hệ số an toàn 𝑆 𝑓 = 2 => 𝑇 𝐿 = 𝑇 𝐿 ′ × 2 = 0.18 × 2 = 0.36 (𝑁𝑚 ) (3.23)

Trong đó: ƞ hiệu suất làm việc

Moment quán tính của trục:

Moment quán tính của tải:

2𝜋 ) 2 = 4.43 × 10 −5 (𝑘𝑔 × 𝑚 2 ) (3.25) Vậy tổng moment quán tính của cơ cấu trục Y là:

(3.26) Moment khi động cơ khởi động và dừng khởi động:

Công suất yêu cầu của trục Y:

Dựa vào các thông số đã tính, tôi chọn động cơ Hybird Step Motor có các thông số sau:

Hình 3.3: Thông số kĩ thuật của động cơ

Dựa vào bảng thông số, ta thấy:

Công suất động cơ có thể đáp ứng: 𝑃 𝐷𝐶 = 𝑈 × 𝐼 = 24 × 5 = 120 (𝑊) > 𝑃 𝑌 90.47(𝑊)

 Kết luận: Việc lựa chọn động cơ 57J1880EC-1000 thỏa mãn nhu cầu hoạt động Chính vì vậy, động cơ trên phù hợp với yêu cầu đặt ra

3.1.4.3 Tính toán lựa chọn động cơ cho trục Z

Do trục Z chúng tôi sử dụng xi lanh RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S với hành trình 200mm, có sẵn động cơ đi kèm nên chỉ cần tính toán, kiểm nghiệm tải thêm vào có gây ảnh hưởng đến quá trình hoạt động hay không Dựa vào tài liệu [19] ta có công thức tổng quát lực tác động lên xi lanh:

Trong đó: 𝐹 𝐴 là ngoại lực tác dụng lên trục (N) m là khối lượng trục Z chịu phải (kg) g là gia tốc trọng trường (𝑚/𝑠 2 )

𝜇 là hệ số ma sát = 0.05

Hình 3.4: Thông số kĩ thuật của động cơ

 Dựa vào datasheet, ta thấy tải trọng tĩnh cho phép ở đầu thanh là 34.9 (N), tải trọng động cho phép khi di chuyển ở 0 (mm) là 14,4 (N) và 100 (mm) là 12.7 (N) lớn hơn nhiều so với lực tác động ở đầu thanh là F 6.15 (N)

Hệ thống truyền động

3.2.1 Truyền động puli đai răng

- Đặc điểm: Hệ thống truyền động đai là một cơ chế truyền động cơ học được sử dụng để truyền tải chuyển động và lực từ một nguồn năng lượng đến các bộ phận khác của máy móc Hệ thống này sử dụng đai răng , được làm từ vật liệu như cao su, sợi bện, hay chất liệu composite, để truyền lực thông qua quá trình ma sát giữa puli răng động và puli răng

Hình 3.5: Truyền động puli – đai thang

1: Đai răng, 2: Puli răng động, 3: Puli răng tĩnh

- Cấu tạo: Gồm dây đai thang, puli răng động và puli răng tĩnh

- Nguyên lý hoạt động: Hoạt động của hệ thống truyền động đai là quá trình truyền tải chuyển động và lực từ nguồn năng lượng (động cơ) đến các bộ phận khác của máy móc thông qua sự ma sát giữa puli răng động và puli răng tĩnh

+ Động cơ tạo ra chuyển động quay, động cơ sẽ kết nối với puli răng động

+ Đai răng là thành phần chính trong hệ thống truyền động đai Nó là một dải linh hoạt và dẻo được làm từ vật liệu như cao su, sợi bện, hay chất liệu composite Đai răng được quấn quanh puli răng động và puli răng tĩnh, tạo thành một hệ thống liên kết

+ Puli răng động và tĩnh: Puli răng động nằm gần động cơ và kết nối trực tiếp với động cơ, trong khi puli răng tĩnh nằm ở phía xa và kết nối với các bộ phận cần truyền động

+ Khi động cơ hoạt động, puli răng động sẽ quay và kéo đai răng Sự ma sát giữa đai răng và puli răng tĩnh tạo ra lực đẩy và truyền tải chuyển động và lực từ puli răng động sang puli răng tĩnh

+ Lực đẩy và chuyển động truyền tải thông qua đai răng từ puli răng động sẽ đưa ra puli răng tĩnh và các bộ phận khác của máy móc, góp phần thực hiện các chức năng cần thiết trong quá trình hoạt động của máy móc

Hình 3.6: Nguyên lý truyền động puli – đai răng

1: Puli răng tĩnh, 2: Đai răng, 3: Puli răng động, 4: Động cơ

+ Hệ thống truyền động đai cho phép truyền động ở các góc cong và đường cong phức tạp, giúp tối ưu hóa cấu trúc máy móc và không gian làm việc

+ Vận hành mượt mà và êm ái, giảm thiểu tiếng ồn và rung động, tạo điều kiện làm việc tốt hơn và giảm hao mòn bộ phận

+ Độ chính xác cao trong việc truyền động, đảm bảo sự đồng bộ giữa các bộ phận và tính ổn định trong quá trình hoạt động

+ Không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai

+ Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ

+ Công suất truyền đến 200kW ( có thể đến 750kW)

+ Chi phí sản xuất và lắp đặt thấp

+ Dễ dàng bảo trì, sửa chữa

+ Không thích hợp cho các ứng dụng có tải trọng cao và tốc độ vận hành nhanh, vì có thể gây mất độ chính xác và độ tin cậy trong quá trình truyền động + Đai răng có thể bị lệch khỏi định vị trong quá trình hoạt động, đòi hỏi việc điều chỉnh định kỳ để đảm bảo độ căng của đai và tránh sai số

+ Hiệu suất truyền động của hệ thống không cao bằng một số hệ thống truyền động khác như hệ thống truyền động bánh răng, do sự ma sát giữa đai răng và puli răng tĩnh

+ Tuổi thọ hạn chế: Đai răng có tuổi thọ hạn chế, đòi hỏi thay thế định kỳ để đảm bảo hiệu quả truyền động

- Đặc diểm: Hệ thống truyền động vitme là một loại cơ chế truyền động cơ học được sử dụng để chuyển động và lực từ một nguồn năng lượng đến các bộ phận khác của máy móc thông qua sự hoạt động của các vítme

1: Trục Vít me, 2: Đai ốc

- Cấu tạo: Gồm trục vítme, đai ốc

- Nguyên lý hoạt động: Biến chuyển động quay của trục vítme thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc, hoặc biến chuyển động quay của bánh vít me thành chuyển động tuyến tính của bánh răng

+ Vít me là thành phần chính của hệ thống Đối với vít trục vít, nó là một thanh vít xoắn ốc có rãnh xoắn dọc theo bề mặt Đối với vít bánh răng, nó bao gồm một bánh răng vít và một bánh răng tĩnh Đối với vít con lăn, nó là một dãy con lăn nhỏ được lắp trong một khe trục

+ Động cơ tạo ra chuyển động quay Động cơ sẽ kết nối với vít me thông qua trục hoặc hệ thống bánh răng

+ Khi động cơ hoạt động, vít me sẽ quay hoặc di chuyển, tạo ra lực đẩy và chuyển động Đối với vít trục vít, sự quay của vít me sẽ làm di chuyển các bộ phận theo hướng dọc theo trục vít Đối với vít bánh răng, sự quay của bánh răng vít sẽ đẩy các bánh răng tĩnh di chuyển theo một hướng tuyến tính Đối với vít con lăn, sự quay của vít con lăn sẽ tạo ra chuyển động lăn xoay của các con lăn + Hệ thống truyền động vít me truyền động lực từ động cơ sang các bộ phận khác của máy móc thông qua vít me Điều này giúp thực hiện các chức năng và nhiệm vụ cần thiết trong quá trình hoạt động của máy móc

+ Hệ thống truyền động vít me đem lại tính chính xác cao trong việc truyền động, đảm bảo sự đồng bộ và độ tin cậy trong quá trình hoạt động

+ Hệ thống truyền động vitme hoạt động mượt mà và ổn định, giúp tăng hiệu suất và độ tin cậy của máy móc

PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP

Yêu cầu đề tài

- Thể hiện đầy đủ sơ đồ nguyên lý, kết cấu

- Bản vẽ chi tiết đầy đủ

- Vẽ tranh trên bề mặt tường

- Mô hình robot kết cấu đơn giản

- Máy điều khiển bằng hệ thống số

Đề xuất phương án

Hình 4.1 Minh hoạ cơ cấu phương án 1

Bảng 4.1 Ưu nhược điểm của mô hình kết cấu phương án 1 Ưu điểm Nhược điểm

- Dễ lắp đặt - Không chắc chắn

- Khả năng chịu tải của trục Y kém khi mặt tiếp xúc quá nhỏ

- Hành trình trục Z thấp so với vị trí vẽ tranh

- Dễ gây hư hổng cơ khí

- Đường dây điện đi khá dài ( Dây kết nối động cơ)

Hình 4.2 Minh hoạ cơ cấu phương án 2

Bảng 4.2 Ưu nhược điểm của mô hình kết cấu phương án 2 Ưu điểm Nhược điểm

- Khả năng chịu tải lớn, các trục hoạt động một cách ổn định tránh tình trạng rung lắc

- Hành trình trục Z đảm bảo so với vị trí vẽ tranh

- Đường dây điện đi khá gọn gàng

- Đảm bảo phần cơ khí được bền hơn

- Cần gia công các chi tiết giá đỡ, lắp ghép phức tạp hơn

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY

Thông số thiết kế máy

Bảng 5.1 Thông số thiết kế máy

THÔNG SỐ THIẾT KẾ MÁY

Kích thước máy 1100x1080x640 (mm) Vùng làm việc 800x450x200 (mm) Hành trình trục X 800 (mm)

Hành trình trục Y 450 (mm) Hành trình trục Z 200 (mm) Tốc độ di chuyển mm/s

Đề xuất lựa chọn hệ thống truyền động

Những linh kiện trong hệ thống robot vẽ tranh cần chuyển động 1 cách chính xác và nhanh chóng, bởi vì quá trình vẽ của robot diễn ra rất nhanh và hành trình di chuyển trục bút vẽ di chuyển rất phức tạp Sản phẩm sau khi vẽ phải thể hiện đường nét rõ ràng, thẩm mĩ cao để đáp ứng được những nhu cầu của khách hàng Chính vì những điều kiện trên nên những linh kiện lựa chọn cho máy khắc phải đáp ứng đủ những tiêu chí sau để đảm bảo chất lượng sản phẩm sau khi vẽ và có thể sử dụng bền lâu với năng suất cao

- Độ chính xác: Các trục truyền động của hệ thống phải được đảm bảo về độ chính khi di chuyển và sai lệch rất nhỏ khi làm việc

- Độ ổn định khi làm việc: Hệ thống phải làm việc trong thời gian dài nhưng vẫn giữ độ ổn định cao, có thể dễ dàng bảo trì bảo dưỡng, sửa chửa khi có sự cố xảy ra

- Tốc độ di chuyển: Đáp ứng được tốc độ di chuyển của trục

- Khả năng chịu tải: Có thể chịu tải được nhu cầu sử dụng của khách hàng

- Phù hợp với yêu cầu ứng dụng: đảm bảo hệ thống truyền động phù hợp với yêu cầu làm việc của robot.

Lựa chọn hệ thống truyền động

5.3.1 Hệ thống khớp nối mềm( Trục X)

Khớp nối trục mềm hợp kim nhôm là khớp nối cơ khí được làm bằng hợp kim nhôm có thể biến dạng, độ đàn hồi rất tốt, làm giảm các lực tác dụng và va đập tốt hơn Khớp nối mềm gIúp hệ thống vận hành ổn định, an toàn hơn, đảm bảo đóng mở các cơ cấu, giảm đáng kể tải trọng, ngăn ngừa quá tải, bù sai lệch tâm giữa các trục hiệu quả hơn

Khớp nối 8x10mm nhôm trắng được sử dụng trên các máy in 3D, CNC và laser mini để nối trục động cơ với đầu vào vít me, trục ren…giúp điều khiển trục một cách chính xác và giảm tải trọng động lên hệ thống dẫn động

- Đường kính lỗ hai đầu: 8mm và 10mm

- Đường kính thân khớp nối: 19mm

- Chiều dài khớp nối: 25mm

- Vật liệu: nhôm Ưu điểm:

• Đảm bảo sự ổn định và an toàn cho hệ thống

• Nhờ được làm từ chất liệu nhôm mà loại khớp nối mềm này có khả năng giãn nở tốt

• Kích thước linh hoạt phù hợp với các hệ thống trục khác nhau

• Chịu được áp lực lớn

• Khả năng chịu nhiệt tốt, phụ kiện này có khả năng chịu được nhiệt độ cao lên đến 250 độ C

•Truyền tiếng ồn, gây mất tập trung cho các hoạt động khác

• Dễ có độ rơ nhất định nên phải bảo dưỡng thường xuyên để tránh khó xử lý và ảnh hưởng đến quá trình vận hành của hệ thống

5.3.2 Hệ thống truyền động đai (trục Y) Đai là 1 vòng dây bằng vật liệu dẻo được sử dụng để liên kết hai hoặc nhiều trục quay về mặt cơ học, thường là song song Dây curoa có thể được sử dụng như một nguồn chuyển động, để truyền năng lượng hiệu quả hoặc để theo dõi chuyển dộng tương đối Đai quấn qua puli và có thể có sự xoắn giữa các puli và các trục không cần song song Chúng làm đơn giản hóa máy móc và dễ dàng điều khiển các cơ cấu đầu ra quay với các tốc độ khác nhau, do đó đây có thể coi là yếu tố giúp giảm chi phí chế tạo tương đối lớn Các thành phần này có tính đàn hồi và độ dài tương đối lớn và đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ tải trọng va đập và giảm tác động của lực rung

Hình 5.2: Mô tả cơ cấu truyền động puli đai

1: Đai răng, 2: Puli dẫn động, 3: Puli tĩnh Ưa điểm của truyền động đai răng:

+ Tốc độ không đổi Không trượt, lệch hay xộc xệch

+ Đai có hệ số đàn hồi lớn sẽ không bị kéo dãn

+ Không cần căng đai Giảm tải và tăng tuổi thọ

+ Nhỏ gọn, vành đai bánh răng cho phép pully nhỏ hơn, khoảng cách tâm ngắn hơn, đai hẹp hơn + Khả năng tải tốc độ cao Tốc độ dây đai lên đến tối đa 30 m/s

+ Độ ồn thấp Không rung, không có hiện tượng va chạm răng

+ Ít tạo nhiệt hơn vì hầu như không có ma sát

+ Ống lót côn giữ puly trên trục bằng kẹp như tạo áp lực

+ Nhanh chóng, dễ dàng lắp đặt hay tháo rời

+ Hệ thống nhẹ, sạch sẽ và nhỏ gọn

+ Một tỷ lệ được xác định trước luôn được duy trì

+ Mối quan hệ góc liên tục giữa puly chủ động và puly bị động được duy trì vô thời hạn

- Nhược điểm của bộ truyền đai răng:

+ Chi phí cần cân nhắc và puly phải có rãnh răng phù hợp

+ Do lực đẩy nhẹ của dây đai trong chuyển động, một puly trong bộ truyền phải được gắn mặt bích

+ Khi khoảng cách giữa hai tâm quay lớn hơn tám lần đường kính của puly nhỏ hoặc khi ổ đĩa hoạt động trên trục dọc, cả hai puly phải được lắp mặt bích

* Lựa chọn dây đai truyền động cho trục Y

Lựa chọn theo tiêu chuẩn loại đai và pulley là GT3 để truyền động Thông số của đai và pulley GT3 như sau:

Hình 5.3: Dây dai truyền động

Pulley GT3 sử dụng cho trục Y

+ Chất liệu: hợp kim nhôm

+ Ốc siết: lục giác âm M3

5.3.3 Trục vitme Đây chính là thiết bị linh kiện cơ khí đã và đang được sản xuất dựa trên công nghệ hiện đại và tiên tiến Chính bởi thế mà độ rắn chắc của sản phẩm rất cao mặc dù sản phẩm trục vít có kích thước chỉ nằm gọn trong lòng bàn tay Cấu tạo của trục vít me máy tiện bao gồm trục vít và đai ốc gắn liền với nhau Trong đó, phần đai ốc sẽ được chuyển động dọc, hay còn gọi là trượt dọc theo trục vít Còn phần trục vít này thường sẽ dài từ hàng chục đến hàng trăm lần so với đường kính của nó

Hình 5.5 Mô tả cơ cấu vít me đai ốc

1: Đai ốc bi, 2: Trục vít me bi

Lựa chọn cơ cấu vitme cho trục X

Lựa chọn hệ thống truyền động vitme để truyền động cho trục X Dùng hệ thống truyền động vitme có mã MCH09080H10K

Hình 5.6 Xi lanh truyền động trục vitme

Hình 5.8 Thông số kĩ thuật, bản vẽ xi lanh MCH09080H10K

Hình 5.9 Thông số kĩ thuật của một số loại xi lanh MCH09

Bảng 5.2 Thông số kĩ thuật của xi lanh MCH09080H10K

Hành trình giới hạn (mm) 807

Bước ren vitme (mm) 10 Đường kớnh trục vitme (mm) ỉ15 Độ chính xác vị trí (mm) ±0.02

Tốc độ tối đa (mm/s) 450

Giới hạn tải trọng (N) 3040 Điện áp định mức 24VDC

Lựa chọn hệ thống truyền động vitme cho trục Y

Lựa chọn hệ thống truyền động vitme để truyền động cho trục Y Dùng hệ truyền động truyền động vitme có mã LEY32NYA-450

Hình 5.10 Xi lanh LEY32NYA-450

Hình 5.11 Bản vẽ của xi lanh Xi lanh LEY32NYA-450

Hình 5.12 Thông số kĩ thuật của Xi lanh LEY32NYA-450 Bảng 5.3 Thông số kĩ thuật của xi lanh LEY32NYA-450

Mã sản phẩm LEY32NYA-450

Bước ren vitme (mm) 20 Đường kớnh trục vitme (mm) ỉ15

Khả năng chịu tải tối đa theo chiều ngang (kg)

Khả năng chịu tải tối đa theo chiều dọc (kg)

9 Khối lượng chịu tải tối đa theo chiều 20.1-50

Khối lượng chịu tải tối đa theo chiều dọc (kg)

Phạm vi lực đẩy tối đa (N) 101-200

Lực đẩy tối đa (N) 157 Độ chính xác vị trí (mm) ±0.02

Tốc độ tối đa (mm/giây) 800

Kích cỡ 32 Điện áp định mức 24VDC

Vị trí lắp động cơ Đặt song song

Lựa chọn hệ thống truyền động vitme cho trục Z

Lựa chọn hệ thống truyền động vitme để truyền động cho trục Z Dùng hệ truyền động truyền động vitme có mã RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S

Hình 5.13 Xi lanh RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S

Hinh 5.14 Bản vẽ của Xi lanh RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S

Hình 5.15 Thông số kĩ thuật của Xi lanh RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S

Bảng 5.4 Thông số kĩ thuật của xi lanh RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S

Mẫ sản phẩm RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S

RCP4 – Mã sản phẩm RA5C – Kiểu loại

200 – Hành trình P3 – Bộ điều khiển PCON/MSEL

Kết nối bộ điều khiển PCON-CA/MSEP-C

Tải trọng tối đa (kg) Chiều ngang: 40

Tốc độ tối đa (mm/s) PCON-CA: 450

Tải trọng tĩnh cho phép ở đầu thanh (N) 34.9

Tải trọng động cho phép ở cuối thanh

Moment tĩnh cho phép ở đầu thanh

Momen động cho phép ở đầu thanh

1.3 Đường kớnh trục vitme (mm) ỉ10 Độ chính xác vị trí (mm) ± 0.02 [±0.03]

Mất chuyển động (mm) 0.1mm hoặc ít hơn

Khối lượng tải cho phép (kg) 2.7

Khoảng cách đầu nhô (mm) 100mm hoặc ít hơn

Nhiệt độ hoạt động, độ ẩm 0 đến 40 độC , 85%RH Điện áp định mức 24VDC

Tính toán kiểm nghiệm

Tính toán kiểm nghiệm tải cho hệ thống truyền động trục X

Hệ thống đặt lên hệ truyền động X

- Chi tiết gá trục X: 𝑚 𝐺𝑋 = 0.27 (kg)

- Servo hybrid 7J1880EC-1000-LS: 𝑚 𝑆 = 1.1 (kg)

- Chi tiết gá trục Y: 𝑚 𝐺𝑌 = 0.4 (kg)

- Chi tiết gá trục Z: 𝑚 𝐺𝑍 = 0.1 (kg)

- Chi tiết gá đỡ bút: 𝑚 𝐺𝐵 = 0.09 (kg)

- Chi tiết gá xi lanh: 𝑚 𝐺𝐿 = 0.12 (kg)

Vì khối lượng trên là khối lượng sơ bộ, chưa tính khối lượng các bulông, long đền ,đai ốc liên kết, ống dẫn khí bằng cách tăng thêm 20% khối lượng sơ bộ để đảm bảo độ chính xác nhất có thể (theo tài liệu [4])

Tải trọng tối đa mà cụm thanh trượt có thể tải là: 3040 (N)

Kết luận: khối lượng vận chuyển của cụm thanh trượt X nhỏ hơn khả năng chịu tải của cụm thanh trượt nên cụm thanh trượt MCH09080H10K phù hợp với thiết kế

Tính toán kiểm nghiệm tải cho hệ thống truyền động trục Y

Hệ thống đặt lên hệ truyền động Y:

- Chi tiết gá trục Y: 𝑚 𝐺𝑌 = 0.4 (kg)

- Chi tiết gá trục Z: 𝑚 𝐺𝑍 = 0.1 (kg)

- Chi tiết gá đỡ bút: 𝑚 𝐺𝐵 = 0.09 (kg)

- Chi tiết gá xi lanh: 𝑚 𝐺𝐿 = 0.12 (kg)

Vì khối lượng trên là khối lượng sơ bộ, chưa tính khối lượng các bulông, long đền ,đai ốc liên kết, ống dẫn khí bằng cách tăng thêm 20% khối lượng sơ bộ để đảm bảo độ chính xác nhất có thể (theo tài liệu [4])

Tải trọng tối đa mà cụm thanh trượt có thể tải là: 30 (kg)

Kết luận: khối lượng vận chuyển của cụm thanh trượt Y nhỏ hơn khả năng chịu tải của cụm thanh trượt nên cụm thanh trượt LEY32NYA-450 phù hợp với thiết kế

Tính toán kiểm nghiệm tải cho hệ thống truyền động trục Z

Hệ thống đặt lên hệ truyền động Z:

- Chi tiết gá đỡ bút: 𝑚 𝐺𝐵 = 0.09 (kg)

- Chi tiết gá xi lanh: 𝑚 𝐺𝐿 = 0.12 (kg)

- Bút vẽ: 𝑚 𝐵 = 0.15 (kg) Khối lượng sơ bộ:

Vì khối lượng trên là khối lượng sơ bộ, chưa tính khối lượng các bulông, long đền, đai ốc liên kết, ống dẫn khí bằng cách tăng thêm 20% khối lượng sơ bộ để đảm bảo độ chính xác nhất có thể (theo tài liệu [4])

Tải trọng tối đa mà cụm thanh trượt có thể tải là: 10 (kg)

Kết luận: khối lượng vận chuyển của cụm thanh trượt Z nhỏ hơn khả năng chịu tải của cụm thanh trượt nên cụm thanh trượt RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S phù hợp với thiết kế.

Động học thuận và thuật toán điều khiển

- Mục đích của việc tính toán động học thuận của robot là xác định vị trí của kết cấu robot (khâu tác động cuối của robot) Theo tài liệu [1] các bước thực hiện tính toán bài toán động học thuận cho robot như sau:

Bước 1: Xác định số khớp và số thanh nối

Bước 2: Xác định bộ thông số cho bảng D-H

- Đầu tiên, xác định hai thông số cơ bản giữa hai trục quay của khớp động i + 1 và i:

• 𝑎 𝑖 : là độ dài đường vuông góc chung của 2 khớp

•  𝑖 : là góc chéo giữa hai khớp động i + 1 và i

• 𝑑 𝑖 : là khoảng cách đo dọc trục khớp động i từ đường vuông góc chung giữa trục khớp động i + 1 và trục khớp động i tới đường vuông góc chung giữa khớp động i và trục khớp động i – 1

•  𝑖 : góc giữa hai đường vuông góc chung nói trên

• Nếu khớp động i là khớp quay thì  𝑖 là biến khớp

• Nếu khớp động i là khớp tịnh tiến thì 𝑑 𝑖 là biến khớp

Bước 3: Thiết lập hệ tọa độ Gốc tọa độ gắn liền với khâu thứ i (gọi là hệ tọa độ thứ i) đặt tại giao điểm giữa đường vuông góc chung ( 𝑎 𝑖 ) và trục khớp động i + 1 Trường hợp 2 trục giao nhau thì gốc hệ tọa độ lấy trùng với giao điểm đó

Nếu 2 trục song song với nhau thì chọn gốc hệ tọa độ là điểm bất kì trên khớp trục động i + 1:

- Trục 𝑧 𝑖 của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động i + 1

- Trục 𝑥 𝑖 của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung hướng từ khớp động i đến khớp động i + 1 Trường hợp 2 trục giao nhau, hướng trục 𝑥 𝑖 trùng với hướng véctơ tích 𝑧 1 * 𝑧 𝑖−1 tức là vuông góc với mặt phẳng chứa 𝑧 1 , 𝑧 𝑖−1

Bước 4: Mô hình biến đổi

- Hệ trục tọa độ i và hệ trục tọa độ i - 1 giữa hai khâu nối tiếp nhau có quan hệ với nhau bằng phép biến đổi đồng nhất, theo trình tự sau:

- Quay xung quanh trục 𝑧 𝑖 - 1 một góc  𝑖 sao cho trục 𝑥 𝑖 - 1 trùng với phương của trục 𝑥 𝑖

- Tịnh tiến dọc theo trục 𝑧 𝑖 - 1 một đoạn di để gốc khung tọa độ mới trùng chân pháp tuyến chung trục i - 1 và i, ( 𝑥 𝑖 - 1 = 𝑥 𝑖 )

- Tịnh tiến dọc theo trục 𝑥 𝑖 - 1 một đoạn 𝑎 𝑖

- Quay xung quanh trục 𝑥 𝑖 - 1 một góc 𝑎 𝑖 sao cho trục 𝑧 𝑖 - 1 trùng với trục 𝑧 𝑖

- Các phép biến đổi trên được thực hiện so với khung tọa độ hiện tại, do đó phép biến đổi tổng hợp được xác định theo công thức 4.3 tài liệu [1] trang 106 như sau:

𝐴 𝑖 = [ cos( 𝑖 ) −sin( 𝑖 ) cos( 𝑖 ) sin( 𝑖 ) cos( 𝑖 )  𝑖 cos( 𝑖 ) sin( 𝑖 ) cos( 𝑖 ) cos( 𝑖 ) −cos( 𝑖 ) sin( 𝑖 )  𝑖 sin( 𝑖 ) 0

] Đối với khớp tịnh tiến (a = 0) thì ma trận 𝐴 𝑖 có dạng:

𝐴 𝑖 = [ cos( 𝑖 ) −sin( 𝑖 ) cos( 𝑖 ) sin( 𝑖 ) cos( 𝑖 )  𝑖 cos( 𝑖 ) sin( 𝑖 ) cos( 𝑖 ) cos( 𝑖 ) −cos( 𝑖 ) sin( 𝑖 )  𝑖 sin( 𝑖 ) 0

Bước 5: Xác định phương trình động học thuận cho robot

Nhóm đã chọn phương pháp Denavit-Hartenberg (DH) để tính đoán động học thuận cho robot Sau khi tiến hành đo đạc thiết kế cơ khí của robot, nhóm đã tính toán được thông số của các khâu như sau:

Hình 5.16 Hệ tọa độ cho Robot Bảng 5.5 Thông số các khâu

Khâu Tham số Thông số

Sau khi có thông số của các khâu, robot gán trục tọa độ và thiết lập bảng

Denavit-Hartenberg dựa vào mục 4.2 [1] trang 105 Ta có bảng D-H như sau:

Ma trận chuyển đổi từ hệ {0} sang {1}:

Ma trận chuyển đổi từ hệ {1} sang {2}:

Ma trận chuyển đổi từ hệ {2} sang {3}:

Ta tính được ma trận chuyển đổi đồng nhất giữa hệ End – Effector và hệ trục tọa độ gốc như sau:

Từ kết quả của ma trận chuyển đổi đồng nhất ta có phương trình động học thuận của robot là:

Phương trình động lực học của robot (theo tài liệu [1])

𝑚 3 × 𝑧̈ = 𝜏 3 Biểu diễn dưới dạng ma trận:

𝑀(𝑞)(𝑞̈) + 𝑉(𝑞, 𝑞̇) + 𝐺(𝑞) = 𝜏 Trong đó: 𝑀(𝑞)(𝑞̈) là ma trận quán tính

𝑉(𝑞, 𝑞̇) là đại lượng vận tốc 𝐺(𝑞) là đại lượng gia tốc trọng trường 𝑀(𝑞) = [

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Nguyên lý vận hành robot vẽ tranh trên tường

- Trục X được đặt trên bàn máy sử dụng động cơ PK564AW- A44 để thực hiện chuyển động tịnh tiến bằng trục vitme theo phương X

- Trục Y được gắn trên tấm gá trục X, sử dụng động cơ 57J1880EC-1000-LS để thực hiện chuyển động tịnh tiến theo phương Y

- Thân bút vẽ mĩ thuật được gắn vào cụm ti xi lanh của trục Z, sử dụng xi lanh điện để điều khiển chuyển động tịnh tiến theo trục Z

- 3 trục X, Y, Z và bộ phận phun sơn của bút vẽ mĩ thuật được điều khiển đồng bộ với nhau thông qua một Boardmach3

Yêu cầu vận hành

- Tốc độ robot vẽ tranh mong muốn là khoảng: 2400 (mm/phút)

- Độ chính xác mong muốn là khoảng: 100%

- Vật liệu vẽ: Giấy, tường…

- Màu sắc: Màu đơn sắc và đa sắc

- Máy điều khiển bằng chương trình: Mach3Mill

Tổng quan về hệ thống điều khiển

Board điều khiển, các driver, động cơ của 3 trục được cấp năng lượng hoạt động từ bộ nguồn tổng Bút phun sơn vẽ mĩ thuật, van khí nén kích chốt nhấn khởi động bút phun được hoạt động từ bình khí nén Đầu tiên bộ nguồn cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống điều khiển, khi sử dụng giao diện điều khiển thì Boardmach3 điều khiển bắt đầu nhận những tín hiệu của các driver gửi về sau đó boardmach3 sẽ thực hiện xử lý yêu cầu mà các driver đưa ra đồng thời gửi tín hiệu lại cho các driver đó Sau khi các tín hiệu được sử lý xong ta sẽ nhận được các chuyển động từ động cơ Trong khi hoạt động cảm biến sẽ nhận được tín hiệu, từ đó gửi các tín hiệu lại Boardmach3 điều khiển để ngắt các tín hiệu đang gửi cho driver

Hình 6.1 Sơ đồ thiết bị cho hệ thống truyền động

Lựa chọn thiết bị cho hệ thống truyền động

Bảng 6.1 Thông số lựa chọn các loại động cơ Động cơ Hình ảnh động cơ Thông số kỹ thuật Động cơ cho trục X

Lựa chọn động cơ stepmotor có mã:

Bảng 6.2 Thông số lựa chọn các loại Driver

Driver Hình ảnh driver Thông số kỹ thuật

-Dòng điện đầu vào logic: 7~20mA -Tần số: 0~200KHz

-Điện áp hoạt động: 10-35VDC

-Dòng tải tối đa: 3A, peak 3.5A

- Phương thức hoạt động: Điều khiển 5 dòng lưỡng cực

- Động cơ áp dụng: Động cơ bước 5 pha

- Độ phân giải: ĐỦ BƯỚC(1-division),

- Dòng Run tối đa: 1.5A/Pha

- Dòng tiêu thụ tối đa: 3A

6.4.3 Lựa chọn board điều khiển

Board điều khiển có chức năng cấp xung cho các driver động cơ cho trục X, Y,

Z và điều khiển bật tắt đầu phát laser cũng như kích hoạt cảm biến hành trình, board điều khiển được kết nối và vận hành qua máy tính hoặc màn hình điều khiển Với việc vận hành của máy 4 trục, chọn mạch điều khiển Board Mach 3 USB

- Mạch CNC BOARD MACH 3 USB

- Giao tiếp với máy tính qua cổng USB

- Số ngõ vào: 4 ngõ IN1, IN2, IN3, IN4 cách ly opto

- Số ngõ ra: 4 ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 cách ly IC đệm

- Nguồn sử dụng: 5VDC USB

- Tần số xung tối đa: 100kHz

- Điều khiển 4 động cơ bước thông qua các trục X, Y, Z, A

Hình 6.2 Mạch mach3 điểu khiển động cơ 3 trục của Robot vẽ tranh

* Điều khiển chốt khởi động bút

Phương án 1 Dùng khoá chốt điện từ Phương án 2: Dùng xi lanh khí nén

Hình 6.3: Khoá chốt điện từ 12VDC Hình 6.4: Xilanh khí nén

Bảng 6.3 So sánh 2 phương án xi lanh khí nén và khoá chốt điện từ

Khoá chốt điện từ Xi lanh khí nén Ưu điểm Khả năng chịu lực tốt: Khóa chốt điện từ 12VDC thường có lực giữ mạnh, làm tăng độ an toàn

Tiêu thụ điện năng thấp: Sử dụng nguồn điện 12VDC, tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các loại khóa điện từ sử dụng nguồn điện cao hơn

An toàn khi sử dụng: Điện áp thấp giúp giảm nguy cơ về điện giật và cháy nổ

Thiết kế đơn giản: Dễ dàng lắp đặt và không cần nhiều điều chỉnh Ít cần bảo trì: Độ bền cao, ít yêu cầu bảo trì định kỳ

Tốc độ phản hồi nhanh: Xi lanh khí nén có khả năng đáp ứng nhanh, giúp thực hiện các chuyển động tức thời Độ bền cao: Với thiết kế chắc chắn và ít bộ phận chuyển động, xi lanh khí nén thường có tuổi thọ cao và ít cần bảo trì

An toàn khi sử dụng: Khí nén không gây cháy nổ, làm tăng độ an toàn khi sử dụng trong các môi trường dễ cháy Điều chỉnh lực và tốc độ: Có thể dễ dàng điều chỉnh áp suất khí nén để kiểm soát lực và tốc độ của xi lanh

Trong trường hợp mất điện, nếu không có hệ thống pin dự phòng, khóa sẽ không hoạt động

Khó tích hợp: Có thể gặp khó khăn trong việc tích hợp với các hệ thống hiện có nếu không đồng bộ

Lãng phí năng lượng: Quá trình nén khí và lưu trữ thường gây lãng phí năng lượng, làm giảm hiệu suất tổng thể của hệ thống

Hệ thống khí nén phức tạp: Việc lắp đặt hệ thống khí nén bao gồm máy nén khí, bình chứa, hệ thống ống dẫn và các bộ phận khác có thể tốn kém

Hệ thống khí nén cần không gian:

Cần không gian để lắp đặt máy nén khí, bình chứa và hệ thống ống dẫn

Tiếng ồn: Quá trình nén khí và giải phóng khí có thể gây ra tiếng ồn, ảnh hưởng đến môi trường làm việc

Xi lanh khí nén là lựa chọn tối ưu cho cơ cấu đẩy chốt khóa trong bút vẽ mỹ thuật nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội Trước hết, xi lanh khí nén cho phép điều chỉnh áp suất để kiểm soát lực và tốc độ đẩy chốt một cách linh hoạt và chính xác, đảm bảo hoạt động nhẹ nhàng và không làm hỏng bút vẽ Khí nén là nguồn năng lượng sạch,

76 không gây nhiễu điện từ, giúp bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm xung quanh Đồng thời, xi lanh khí nén có thiết kế chắc chắn và độ bền cao, ít bị ảnh hưởng bởi môi trường khắc nghiệt, và yêu cầu bảo trì thấp, giảm thiểu thời gian gián đoạn Hơn nữa, hệ thống khí nén tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành hơn so với hệ thống điện từ phức tạp Với thiết kế nhỏ gọn và khả năng phản hồi nhanh, xi lanh khí nén dễ dàng tích hợp vào các thiết bị nhỏ như bút vẽ mỹ thuật, đảm bảo chốt khóa hoạt động hiệu quả và chính xác, không làm gián đoạn quá trình vẽ

* Cơ cấu đẩy chốt khởi động của bút vẽ mỹ thuật dùng xi lanh khí nén:

Hình 6.5: Xi lanh mini khí nén AIRTAC CDJ2D16-20-B

• Xi lanh khí nén AIRTAC CDJ2D16-20-B là loại xi lanh mini

- Van điện từ khí nén

Hình 6.6: Van điện từ khí nén Airtac 4V220-08

• Kích thước cổng xả: 1/8″ - ren 9.6

• Áp suất hoạt động: 0.15 – 0.8 MPa

• Loại van 5 cửa 2 vị trí- 2 Đầu Coil Điện

• Nhiệt độ hoạt động: -20~70oC

• Điện áp hoạt động: 220 VAC, 24 VDC, 110 VAC, 12 VDC

Hình 6.7 Rơ le trung gian

• Điện áp định mức: 24V DC

• Dòng điện định mức (mA): 37

• Điện áp cách điện định mức: 250V

Hình 6.9 Sơ đồ xi lanh khí nén đẩy chốt khởi động bút vẽ mỹ thuật

*Tính công suất của Boardmach3

*Tính công suất của driver

- Driver X dùng điện áp 24V, dòng 3A

- Driver Y dùng điện áp 24V, dòng 3A

- Driver Z dùng điện áp 24V, dòng 3A

=> Tổng công suất của board và các driver là: P = 216 + 120 = 336 (W)

Hình 6.10: Nguồn điện tổ ong 24V

Từ công suất tổng đã tính ta chọn bộ nguồn tổ ong C – 360 – 24 cấp cho driver và boardmach3

Tính toán thông số phát xung của trục X, Y, Z và driver của 3 trục

+ Hành trình là 800 (mm), tốc độ di chuyển tối đa mong muốn là 2400 (mm/ph)

+ Góc bước động cơ 0.72 độ nên số xung đi được 1 vòng là 500 (xung)

+ Driver được thiết lập ở chế độ vi bước 1/20

+ Bước truyền động là 10 (mm)

=> Số xung cần thiết kể cụm X đi được 1 (mm) là: 𝐵 = 500×20

=> Để di chuyển được 2400 (mm/ph) thì tần số phát xung là: 2400×1000

60 = 40 (kHz) < tần số phát xung tối đa của Board Mach3 là 100 (kHz)

+ Hành trình là 450 (mm), tốc độ di chuyển tối đa mong muốn là 2400 (mm/ph)

+ Bước truyền động là 20 (mm) (bao gồm tỉ số truyền của pulley dẫn và pulley bị dẫn là 30/24=1.25)

+ Driver điều khiển được thiết lập ở chế độ m = 3200 (xung/vòng)

=> Số xung cần thiết để cụm Y đi được 1 (mm) là: 𝐵 = 2400

=> Để di chuyển được 2400 (mm/ph) thì tần số phát xung là: 160×2400

60 = 6.4 (kHz) < tần số phát xung tối đa của Board Mach3 là 100 (kHz)

+ Hành trình là 200 (mm), tốc độ di chuyển tối đa mong muốn là 2400 (mm/ph)

+ Góc bước động cơ 1.8 độ nên số xung đi được 1 vòng là 200 (xung)

+ Driver được thiết lập ở chế độ vi bước 1/16

+ Bước truyền động là 6 (mm)

=> Số xung cần thiết để cụm Z đi được 1 (mm) là: 𝐵 = 200×16

=> Để di chuyển được 2400 (mm/ph) thì tần số phát xung là: 2400×533.33

< tần số phát xung tối đa của Board Mach3 là 100 (kHz)

Lựa chọn thông số cho động cơ trên Mach 3

Hình 6.11: Lựa chọn thông số cho trục X

Hình 6.12: Lựa chọn thông số cho trục Y

Hình 6.13: Lựa chọn thông số cho trục Z

Tổng quan mạch điện hệ thống

Hình 6.14 Sơ đồ hệ thống điện

CHẾ TẠO, THỰC NGHIỆM THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ

Gia công lắp ráp

*Cụm trục X: Bao gồm xi lanh trượt MCH09080H10K( Hành trình 800 mm), gá trục X, puli trục vít me, công tắc hành trình, Step Motor Những chi tiết cần đảm bảo về độ chính về vị trí chính xác lỗ gia công, độ phẳng bề mặt

Tấm trục X, Giá đỡ động cơ Step Motor – Gia công

Xi lanh, công tắc hành trình, Step Motor – Đặt hàng

Hình 7.1 Gá đỡ trục X gia công thực tế

Hình 7.2: Cụm Trục X hoàn thiện thực tế

* Cụm trục Y: Bao gồm xi lanh có hành trình (450 mm), động cơ Hybrid

Motor, tấm gá động cơ, gối đỡ động cơ, tấm đỡ cụm trục Z Những chi tiết cần đảm bảo về độ chính về vị trí chính xác lỗ gia công, độ phẳng bề mặt

Tấm gá trục Y, tấm cụm đỡ trục Z, động cơ, Gối đỡ động cơ - Gia công Xilanh, động cơ - Đặt hàng

Hình 7.3 Gá trục Y gia công thực tế

Hình 7.4: Cụm trục Y hoàn thiện thực tế

*Cụm trục Z: Bao gồm xi lanh điện RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S, gối đỡ trục Z, kẹp bút vẽ mỹ thuật, gối đỡ xi lanh, bút vẽ mỹ thuật, hộp mực bút vẽ mỹ thuật Những chi tiết cần đảm bảo về độ chính về vị trí chính xác lỗ gia công, độ phẳng bề mặt

*Lắp ráp chi tiết: Tấm gá trục Z (Kết nối trục Y và Trục Z), cơ cấu kẹp ti xi lanh với bút vẽ mỹ thuật với xi lanh khí nén, hộp đựng mực – Gia công, in 3 Bút vẽ mỹ thuật, xi lanh điện RCP4-RA5C-I-42P-6-200-P3-S, xi lanh khí nén (hành trình 5 cm)

Hình 7.5 Chi tiết gá trục Z gia công thực tế

Hình 7.6: Cụm trục Z hoàn thiện thực tế

7.1.4 Cơ cấu kẹp a) Cơ cấu kẹp bút vẽ mĩ thuật

Hình 7.7 Chi tiết gá đỡ bút gia công thực tế b) Cơ cấu kẹp xi lanh

Hình 7.8 Chi tiết gá đỡ xi lanh gia công thực tế

Hình 7.9: Cấu kẹp bút hoàn thiện thực tế

Vì lý do kích thước của chỗ đựng mực của bút vẽ mỹ thuật khá nhỏ Chính vì để đảm bảo có thể chứa được lượng mực vẽ nhiều cần phải gia công thêm hộp đựng mực gắn thêm

Hình 7.10: Bút phun sơn vẽ mỹ thuật Airbrush HD-130

Hộp đựng mực cố định trên bút vẽ mỹ thuật.( Dung tích cốc đựng: 7 ml)

Hình 7.11: Bản vẽ 3D hộp đựng sơn gia công

Hình 7.12: Hộp đựng sơn thực tế c) Lắp ráp hoàn chỉnh toàn bộ robot vẽ tranh trên tường

Sau đó tiến hành lắp ráp các cụm trục lên khung máy, bộ hệ thống điều khiển hoàn chỉnh của robot

Hình 7.13: Lắp ráp các cụm trục lên khung máy

Hình 7.14: Hệ thống mạch điện

2: Cầu đấu điện 24V 3: Cầu đấu điện 0V 4: Relay trung gian 5: Relay trung gian 6: Driver TB6560 7: Cầu đấu điện 5V 8: Driver MD5-ND14 9: Driver 2HSS57 Hybrid Step-Servo 10: Van điện từ khí nén 5/2

11: Board mach3 12: Đèn báo 24V 13: Đèn báo Start 14: Đèn báo Stop 15: Nút nhấn E-Stop 16: Nút nhấn Reset 17: Nút nhấn Start 18: Nút nhấn Stop

Hình 7.15: Bản vẽ 3D Robot hoàn chỉnh

Hình 7.16: Robot vẽ tranh thực tế

*Đo đạc và kiểm tra hành trình của các trục

Sau khi đã lắp ráp hoàn chỉnh các cụm trục lên khung máy, ta tiến hành kiểm tra chuyển động riêng từng cụm và chuyển động phối hợp tất cả các cụm với nhau Các cụm chuyển động ổn định và tính tiền theo các phương đều thẳng theo trục

Tiến hành thử nghiệm vẽ thử và đánh giá chất lượng sản phẩm sau khi vẽ

Sau khi đã hoàn thiện lắp ráp robot, cài đặt, lập trình hệ thống điều khiển và kiểm tra đo đạc hành trình các cụm trục ta bắt đầu tiến hành vận hành robot để phát hiện những lỗi nhỏ để bắt đầu sửa để tối ưa hóa khả năng hoạt động của máy Có thể các thông số ta thiết lập trên hệ thống điều khiển không trùng hợp với những điều kiện thực tế, nên ta sẽ tiến hành vẽ thử trên tường

7.2.1 Vận hành máy Để có thể điều khiển máy CNC 3 trục thì nhóm đã sử dụng 3 phần mềm chính là: Mach3Mill, Inkscape, Processing để thiết lập các thông số thực tế vùng làm việc, kích thước tranh vẽ và gốc tọa độ trong vùng làm việc

- Trong trường hợp ảnh đơn sắc( có một màu sắc) Ảnh đơn sắc (monochrome image) là loại ảnh chỉ sử dụng một màu duy nhất nhưng có các sắc độ khác nhau của màu đó, từ nhạt đến đậm Loại ảnh này thường bao gồm các ảnh trắng đen (grayscale) và các ảnh sử dụng một màu chủ đạo khác (ví dụ như ảnh xanh lam nhạt đến xanh lam đậm)

Trong ảnh trắng đen, các sắc độ chuyển từ trắng, qua các sắc độ xám, đến đen Ảnh đơn sắc giúp tập trung vào cấu trúc, hình dạng và ánh sáng của đối tượng mà không bị phân tán bởi các màu sắc khác nhau

Nếu ảnh đơn sắc, chỉ cần một màu vẽ, ta có sơ đồ máy như sau: File ảnh dưới cái định dạng jpg, PNG được xử lý thông qua vận mềm Inkscape ta xuất được một mã lệnh G-Code Các lệnh G-Code được chạy trong phần mềm Mach3mill( Trong CNC) tạo ra các hình vẽ như ảnh lúc ban đầu đặt vào

Hình 7.17 Sơ đồ vận hành máy khi ảnh đưa vào là ảnh đơn sắc

- Trong trường hợp ảnh đa sắc( có nhiều màu sắc) Ảnh đa sắc (polychrome image) là loại ảnh sử dụng nhiều màu sắc khác nhau Trong ảnh đa sắc, mỗi điểm ảnh (pixel) có thể có một màu sắc riêng biệt,

94 tạo ra một bức tranh với sự đa dạng màu sắc phong phú Loại ảnh này thường được sử dụng trong nhiếp ảnh màu, truyền hình, điện ảnh và các hình thức truyền thông thị giác khác Ảnh đa sắc giúp hiển thị một cách trung thực hơn các màu sắc của thế giới thực, cho phép người xem nhận biết và phân biệt các chi tiết màu sắc một cách rõ ràng Sự đa dạng về màu sắc cũng giúp tạo ra những bức ảnh sống động và hấp dẫn hơn so với ảnh đơn sắc

So với ảnh đa sắc (ảnh gồm nhiều màu sắc) thì việc xử lý khá phức tạp hơn Tức là cần phải trải qua thêm một phần mềm xử lý ảnh (Phần mềm tách màu ảnh) Một bức ảnh dưới các định dạng (JPG , PNG….) được đưa vào phần mềm xử lý ảnh tách màu được thiết kế sẵn Sau khi tách màu từ một file bức ảnh đa sắc ta có được các file ảnh đơn sắc (với các màu sắc có trong ảnh ban đầu) Các file ảnh đã tách màu được đưa tiếp vào phần mềm Inkscape để tạo các file G-code Tổng hợp các file G-Code ta được một file hoàn chỉnh để đưa vào phần mềm Mach3Mill để bắt đầu vẽ tạo ra sản phẩm

Hình 7.18 Sơ đồ vận hành máy khi ảnh đưa vào là đa sắc

- Giới thiệu về gam màu

Gam màu (color gamut) là khái niệm chỉ phạm vi các màu sắc mà một hệ thống, thiết bị hoặc phương tiện nhất định có thể tái tạo hoặc hiển thị Mỗi thiết bị, như màn hình máy tính, máy in, hay máy ảnh, đều có khả năng hiển thị hoặc in ra một tập hợp màu sắc nhất định, và tập hợp này được gọi là gam màu của thiết bị đó

Có một số khái niệm cơ bản liên quan đến gam màu:

- Không gian màu (Color Space): Là một mô hình toán học mô tả cách các màu sắc có thể được biểu diễn dưới dạng số Các không gian màu phổ biến bao gồm RGB (dùng cho màn hình), CMYK (dùng cho in ấn), và Lab (dùng cho xử lý hình ảnh)

- Phổ màu (Color Spectrum): Là dải màu sắc mà mắt người có thể nhìn thấy, từ đỏ đến tím

- Gam màu rộng (Wide Gamut): Là gam màu lớn hơn bình thường, có khả năng hiển thị nhiều màu sắc hơn Các thiết bị và không gian màu với gam màu rộng bao gồm Adobe RGB và ProPhoto RGB

- Gam màu hẹp (Narrow Gamut): Là gam màu nhỏ hơn, có khả năng hiển thị ít màu sắc hơn Các thiết bị với gam màu hẹp bao gồm các không gian màu như sRGB

- Truyền màu (Color Rendering): Là khả năng của một thiết bị hiển thị màu sắc chính xác và sống động Điều này phụ thuộc vào gam màu của thiết bị đó

- Phần tử màu (Color Primary): Là những màu cơ bản được sử dụng để pha trộn các màu khác trong một không gian màu Ví dụ, trong không gian màu RGB, ba màu cơ bản là đỏ (Red), xanh lá cây (Green), và xanh dương (Blue)

Gam màu ảnh hưởng đến cách màu sắc được hiển thị trên các thiết bị khác nhau và cách màu sắc được in ấn, do đó hiểu rõ về gam màu là rất quan trọng trong lĩnh vực thiết kế đồ họa, nhiếp ảnh, và in ấn

Hình 7.19: Biểu đồ giới thiệu chung về gam màu

7.2.2 Phần Mềm Tách Màu Ảnh

Hình 7.20: Phần mềm tách màu ảnh

Hình 7.21: Hình ảnh sau khi được tách riêng lẻ màu xanh

Hình 7.22: Hình ảnh sau khi được tách riêng lẻ màu đỏ

Phần mềm Inkscape để chuyển đổi các file ảnh thành G-Code tiến hành đưa vào phần mềm cài đặt gia công

Hình 7.23 Mô tả chuyển file ảnh thảnh file G-code bằng Inkscape

- Phần mềm Mach3Mill để điều khiển động cơ của các trục X, Y, Z

Tiến hành vẽ thử và đánh giá kết quả vẽ sau mỗi lần

Bảng 7.1 So sánh, kiểm nghiệm đánh giá kết quả vẽ tranh

Không đạt Đạt Đạt Đạt

02 Đạt Đạt Đạt Không đạt

Không đạt Đạt Đạt Đạt

Hình ảnh gốc Hình ảnh sau khi phân đoạn Hình ảnh vẽ thực tế

Sau khi thử nghiệm vẽ tranh trên tường bằng robot với các tốc độ khác nhau như 1500, 2500, 3500, và 4500 Nhận thấy rằng chất lượng hình ảnh có sự khác biệt rõ rệt Ở tốc độ 1500, hình ảnh được vẽ ra rất chi tiết, đường nét mượt mà và màu sắc đồng đều, tuy nhiên, quá trình vẽ diễn ra chậm Khi tăng tốc độ lên 2500, hình ảnh vẫn giữ được độ chính xác khá tốt, tuy có chút giảm về độ mượt của đường nét Tốc độ

3500 bắt đầu xuất hiện sự chênh lệch đáng kể, với một số chi tiết bị mất và màu sắc không còn đồng đều Cuối cùng, ở tốc độ 4500, hình ảnh trở nên kém rõ ràng, các đường nét bị rung lắc nhiều hơn và xuất hiện nhiều lỗi hơn, mặc dù thời gian hoàn thành nhanh chóng Tổng quan, việc lựa chọn tốc độ vẽ cần cân nhắc giữa chất lượng hình ảnh và thời gian thực hiện

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và học tập, chúng em đã hoàn thành việc chế tạo robot vẽ tranh trên tường và cũng đã hoàn thành được những mục tiêu ban đầu mà nhóm đã đề ra, đây là những mục tiêu mà nhóm đã hoàn thành được trong quá trình học tập và nghiên cứu:

- Tìm hiểu quá trình ra đời của robot vẽ tranh

- Nhưng ứng dụng của robot vẽ tranh trong các lĩnh vực khác nhau

- Tìm hiểu công nghệ phun sơn vẽ tranh

- Nghiên cứu về hệ thống điều khiển điện, Driver, Mach3 để lập trình robot vẽ tranh

- Chế tạo và gia công thành công robot vẽ tranh

- Cho ra các sản phẩm vẽ và đánh giá chất lượng sản phẩm

Vì tiềm năng phát triển công nghệ vẽ in tranh cực kì mạnh và được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau của nền công nghiệp Đồ án robot vẽ tranh trên tường là một dự án đầy tiềm năng và sáng tạo, kết hợp giữa nghệ thuật và công nghệ tiên tiến Qua quá trình nghiên cứu và triển khai, dự án đã chứng minh được khả năng thực hiện các tác phẩm nghệ thuật phức tạp với độ chính xác và hiệu quả cao Những robot này không chỉ mang lại sự tiện lợi mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong việc trang trí và làm đẹp không gian sống, công trình công cộng và các khu vực thương mại

Việc phát triển và ứng dụng robot vẽ tranh trên tường đã thể hiện khả năng sáng tạo không giới hạn của con người trong việc sử dụng công nghệ để phục vụ nghệ thuật Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả tối ưu, dự án cần được tiếp tục nghiên cứu và cải tiến, đảm bảo robot có thể hoạt động linh hoạt hơn và tạo ra những tác phẩm nghệ thuật có hồn, mang đậm dấu ấn cá nhân

Mặc dù đã có quá trình nghiên cứu và thử nghiệm máy những nhóm vẫn có những vấn đề mà nhóm chưa thật sự giải quyết tối ưa nên nhóm đã đề xuất những hướng phát triển tiếp theo cho những đợt nghiên cứu sau:

Chức năng tự nâng tự động, giúp cho kích thước của mỗi bức tranh có thể lớn hơn

- Cơ cấu nâng tự động và dịch chuyển ngang

- Chức năng thay đổi tự động màu sơn, thêm sơn khi hết: Một bức tranh sẽ có rất nhiều gam màu khác nhau Chính vì thế mà việc thay đổi màu sơn một cách tự động nhanh chóng sẽ giúp việc tô vẽ một cách hiệu quả, đảm bảo được tính tự động hoá, sự linh hoạt của đề tài nghiên cứu Việc cấp sơn thêm khi hết cũng như vậy, nó giảm bớt sự thủ công của con người, giảm thời gian thi công

- Tìm hiểu sâu hơn về Mach3: Để có thể tối ưa hóa thời khắc nhanh nhất, đảm bảo được tốc độ di chuyển của máy và mật độ điểm khắc luôn tầm kiểm soát để có thể ứng dụng vào khắc hàng loạt, số lượng lớn, năng suất cao đáp ứng được nhu cầu của nhiều khách hàng

- Hệ thống giám sát: Vì trong quá trình khắc có thể xảy các sự cố ngoài ý muốn nên cần có hệ thống giám sát để có thể ngắt nguồn điện bất cứ khi nào

- Tương tác và trải nghiệm người dùng: Tích hợp công nghệ thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR) Người dùng có thể xem trước tác phẩm nghệ thuật thông qua các thiết bị VR/AR trước khi robot vẽ Phát triển các ứng dụng di động cho phép người dùng dễ dàng thiết kế và điều khiển robot vẽ tranh từ xa