NGHIÊN cứu THIẾT kế và CHẾ tạo mô HÌNH ROBOT cắt PLASMA có cấu TRÚC GANTRY

HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT CẮT PLASMA CÓ CẤU TRÚC GANTRY Trần Văn Châu1, Đặng Văn Thức1, Mai Ngọc Anh1, Lê Đình Thắng2 Trung tâm Công nghệ, Học viện Kỹ thuật Quân Email: thuc.dangvan86@gmail.com Cục Đo lường, Bộ Tổng tham mưu, Bộ Quốc phòng TĨM TẮT: Bài báo trình bày việc phát triển mơ hình robot chế tạo thử nghiệm hình robot cắt linh hoạt liên quan đến thiết kế 3D, điều kiện thực tế để kiểm tra khả vận hành mô Matlab chế tạo mơ hình thực Mơ hệ thống Mơ hình sử dụng nhằm phục hình robot thiết kế theo cấu trúc động vụ dạy học nhà trường học TTT, thường ứng dụng cho cắt Plasma Mô Từ khóa: robot cắt, cấu trúc gantry, thiết kế 3D, mô Matlab GIỚI THIỆU Trong thời kỳ công nghiệp hóa nay, nhiều loại robot cắt chế tạo sử dụng rộng rãi cho sản xuất giới Các robot sử dụng nguồn nhiên liệu khác để cắt vật liệu như: sử dụng công nghệ laser [1], dùng tia nước [2], dùng sóng siêu âm [3] dùng plasma [4] Các robot cắt tia laser sử dụng chùm tia laser tập trung để làm nóng vật liệu vùng cắt cho phép tạo đường cắt đa dạng sắc nét [5] Robot cắt tia nước sử dụng dòng nước có áp suất cao để cắt kim loại mà không cần nhiệt không gây tiếng ồn, tạo đường cắt sắc nét [6] Robot cắt siêu âm sử dụng lượng siêu âm từ đầu dò áp điện để cắt vật liệu mềm [7] Robot cắt plasma sử dụng đầu cắt Plasma với tốc độ cao để cắt kim loại có độ dày đến 20 cm nhiệt độ cao [8] Do phức tạp đòi hỏi độ xác cao đường cắt, người ta thường sử dụng tay máy nhiều bậc tự (DOF) để cắt kim loại Ngược lại, không yêu cầu cắt phức tạp mà yêu cầu an toàn cao, người ta thường sử dụng robot cắt có cấu trúc khung giàn cắt tia nước cắt plasma Lợi ích bật robot cắt plasma chi phí thấp, tốc độ cắt vừa phải thời gian chuẩn bị ngắn [9] người sử dụng thay phần đầu cắt cách dễ dàng nhanh chóng Trong điều kiện cơng nghiệp chưa phát triển cao Việt Nam, robot cắt khung giàn thường lựa chọn để sản xuất chế tạo nhằm đạt hiệu kinh tế tốt với giá cạnh tranh Trong trường dạy nghề kỹ thuật, kỹ thuật viên khí phải thành thạo việc vận hành nhiều máy móc khác có robot cắt Vì lý đó, nhóm nghiên cứu xây dựng chương trình mơ mơ hình robot cắt kiểu khung giàn Chương trình mơ mơ hình robot phục vụ nhiệm vụ giáo dục đào tạo Trong phần tiếp theo, giới thiệu cấu trúc khí robot; tính tốn thơng số động học; chương trình mơ thực nghiệm mơ hình robot thực tế THIẾT KẾ CƠ KHÍ Kết cấu khí mơ hình robot cắt thể Hình Khung khí robot bao gồm ba phần liên quan đến trục chuyển động X, Y Z tạo mơ hình động học với bậc tự (DOF) Các hệ thống robot khung giàn thường hoạt động khơng gian làm việc dạng hình hộp với cấu trúc khí vững ổn định [10] Các robot cắt plasma có cấu trúc khung giàn cho phép Trang 267 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Các trục chuyển động X, Y (Hình 2, 3) thiết kế dạng chi tiết hộp thép vuông, lắp dẫn hướng trục vít me bi Đối với cấu trúc dạng khung giàn kết cấu đảm bảo đơn giản, tiện lợi việc lắp ghép thay mà đủ cứng vững điều kiện làm việc thực tế Chiều dài trục X, Y tương ứng 450 600 mm Hình Thiết kế chung gantry robot Giá lắp trục X trượt Ray trư Vít me bi đai ốc Ổ đỡ hai đầu vít me Khớp nối Servo Hình Cụm trục Y Bốn chân đế làm từ hộp thép vng có chiều dài 700 mm để tạo không gian làm việc quy mô nhỏ dạng lập phương Các chân hàn bích để lắp bu lông cố định với nền, đảm bảo chắn cứng vững trình robot thực thi nhiệm vụ So với loại mơ hình robot chế tạo Việt Nam [11, 12], mơ hình robot có kích thước nhỏ gọn nhiều, điều cho phép mơ hình vận chuyển dễ dàng phục vụ cho phòng thí nghiệm Giá lắp trục Z Hình Cụm trục X Servo Khớp nối Vít me bi Ray trượt Ba trục XYZ điều khiển ba động servo tách biệt thông qua hệ thống truyền động bao gồm vít me dẫn hướng dẫn Việc sử dụng động servo vít me giúp cho việc điều khiển truyền động trục dễ dàng chuyển động trơn tru LẬP TRÌNH HỆ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Cấu trúc động học Robot cắt loại gantry robot với bậc tự có cấu trúc động học TTT (Tịnh tiến – Tịnh tiến – Tịnh tiến) tương ứng với trục XYZ Trục chuyển tiếp Mỏ cắt plasma Giá lắp đầu cơng tác Hình Cụm trục Z Trang 268 Cụm trục Z (Hình 4) có cấu trúc khác với cụm trục X, Y nhiệm vụ mang đầu cơng tác dịch chuyển trước gia cơng Nói cách khác, suốt thời gian gia công, tọa độ theo trục Z khơng đổi Chính việc thiết kế chế tạo cụm trục Z ưu tiên đặc tính dễ dàng thay đầu cơng tác Ngồi ra, trục Z tích hợp điều khiển chiều cao đầu công tác THC (Torch Height Controller) Thơng qua hệ thống điều khiển, ba trục hoạt động cách đồng để điều khiển đầu cắt theo quỹ đạo cho trước Hệ thống sử dụng cảm biến phản hồi vị trí (encoder) để kiểm sốt vị trí đầu cắt theo quỹ đạo yêu cầu HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM 0 T01 Các thông số khí robot cắt minh họa Hình Cấu trúc động học hệ tọa độ thể Hình Kích thước làm việc trục X, Y, Z tương ứng l1, l2, l3 d1 0 0 (1) 0 0 0 d2 0 (2) 0 0 d3 (3) 0 T12 0 T23 Hình Các tham số kích thước 0 0 0 Trong T01, T 12, T23 ma trận biến đổi hệ tọa độ lân cận theo thứ tự sau: từ hệ tọa độ {X0Y0Z0} sang hệ tọa độ {X1Y1Z1}, từ hệ tọa độ {X1Y1Z1} sang hệ tọa độ {X2Y2Z2}, từ hệ tọa độ {X2Y2Z2} sang hệ tọa độ {X3Y3Z3} Từ biểu thức (1), (2), (3), ta tính ma trận từ hệ tọa độ gốc {X0Y0Z0} đến hệ tọa độ đầu cơng tác {X3Y3Z3} sau: Hình Các hệ tọa độ Các thông số động học Denavit-Hartenberg (DH) robot cắt liệt kê Bảng 1: Bảng Các thông số D-H Khớp θi bi αi 90 0 d1 -90 0 d2 d3 0 Trong đó: + θi góc quay quanh trục Z(i-1) để xoay trục X(i-1) đến trục X(i); + αi góc quay quanh trục X(i) để trục Z(i-1) quay đến trục Z(i); + bi khoảng cách tịnh tiến dọc trục Z(i-1) để di chuyển trục X(i-1) đến trục X(i); + khoảng cách tịnh tiến dọc trục X(i) để di chuyển trục Z(i-1) đến trục Z(i); Dựa vào bảng thông số D-H, ma trận chuyển đổi xây dựng sau: T03 T01 T12 T23 (4) T03 0 (5) 0 0 d1 d2 d3 Đầu cắt ký hiệu EE Vị trí EE xác định từ cơng thức (5) biểu thức sau: xEE d1 yEE d2 zEE d3 (6) Cũng từ công thức (5), ta xác định hướng đầu cắt EE không thay đổi suốt trình làm việc 3.2 Lập trình quỹ đạo 3.2.1 Lập trình quỹ đạo bậc Robot cắt thường đòi hỏi điểm cho trước mà đầu cắt phải qua để thực nhiệm vụ cắt Do đó, hệ thống điều khiển tự động lập kế hoạch quỹ đạo để kết nối chúng với Quỹ đạo có chứa luật thời gian cho chuyển động với vận tốc khác điểm quỹ đạo cắt Theo lý thuyết [13], phương trình quỹ đạo cắt điểm (i) (i+1) tính sau: s(t ) k0 k1 t k2 t k3 t (7) Trang 269 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Trong k0, k1, k2, k3 hệ số xác định sau: s(ti ) k0 s '(ti ) k2 ti2 k1 ti k1 k3 ti3 i 2k2 ti 3k3 t s(ti ) k0 k1 ti s '(ti ) k1 2k2 ti (9) s '0 k2 ti2 1 k3 ti3 3k3 ti2 1 (8) s0 (10) sf (11) s 'f Từ cơng thức (8) đến (11) ta rút biểu thức ma trận sau: ti2 ti3 2ti 3ti2 ti2 ti3 2ti 3ti2 1 ti 1 ti 1 k0 k1 k2 k3 s0 s '0 sf s 'f (12) ti2 ti3 2ti 3ti2 ti2 ti3 2ti 3ti2 1 ti 1 ti 1 s0 s '0 sf s 'f (13) Trong s0, s’0, sf, s’f vị trí vận tốc điểm quỹ đạo cắt Trong tốn lập trình quỹ đạo khơng giật, người ta quan tâm đến biến số gia tốc điểm quỹ đạo Lúc cơng thức tính quỹ đạo điểm (i) (i+1) tính sau: k0 k1 t k2 t k3 t k4 t k5 t (14) Trong k0, k1, k2, k3, k4 k5 hệ số xác định sau: s(ti ) k0 k1 ti s '(ti ) k1 2k2 ti s ''(ti ) 2k2 k2 ti2 k3 ti3 3k3 ti2 i 6k3 ti s(ti ) k0 k1 ti s '(ti ) k1 2k2 ti s ''(ti ) 2k2 k4 ti4 4k4 ti3 k4 t 5k5 ti4 20k5 ti3 5k5 ti4 (16) (17) 20k5 t i 1 k5 ti5 (15) i 12k4 t i k5 t (18) (19) (20) Bằng cách tương tự nêu công thức (12), ma trận hệ số xác định sau: Trang 270 0 ti4 4ti3 i i 4t 12t ti5 5ti4 i i 5t 20t s0 s '0 s ''0 sf s 'f s ''f (21) Trong s0, s’0, s’’0, sf, s’f s’’f vị trí, vận tốc gia tốc điểm quỹ đạo cắt Dựa vào giá trị động học cho trước, hệ thống tự động lập trình quỹ đạo điểm lân cận kết nối chúng thành quỹ đạo cắt tổng thể Chương trình mơ máy tính lập trình phần mềm Matlab Sơ đồ hệ thống điều khiển thể Hình Quỹ đạo di chuyển đầu cắt mô cửa sổ lập trình s0 ,s'0 Quỹ đạo sf ,s'f  bậc 3.2.2 Lập trình quỹ đạo không giật s(t ) ti 3.3 Mơ hoạt động Từ biểu thức (12), ta tính hệ số cơng thức sau: k0 k1 k2 k3 k0 k1 k2 k3 k4 k5 Chọn quỹ đạo s0 ,s'0 ,s''0 sf ,s'f ,s''f  Quỹ đạo bậc Bộ điều khiển Mô robot cắt Hiển thị quỹ đạo Hình Sơ đồ hệ thống mơ Trong sơ đồ hệ thống mơ có lập trình quỹ đạo: lập trình quỹ đạo bậc lập trình quỹ đạo bậc Căn vào tham số đầu vào, chương trình chọn lập trình quỹ đạo phù hợp Hình mơ tả tình sử dụng lập trình quỹ đạo bậc để cắt theo đường thẳng Hình biểu diễn tình sử dụng lập trình quỹ đạo bậc để cắt theo đường tròn HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình Lập trình quỹ đạo bậc cho quỹ đạo đường thẳng Hình 10 Mơ hình robot dạng gantry thực tế Cấu trúc mơ hình robot Hình 10 có kích thước thiết kế Hình Các trục X Y chế tạo thép dạng hộp cho phép robot tháo lắp dễ dàng phục vụ cho di chuyển, lắp ghép phòng thí nghiệm Robot mang đầu cắt vật nặng lên đến kg Hình Lập trình quỹ đạo bậc cho quỹ đạo đường tròn Trong phần tiếp theo, chương trình điều khiển mô áp dụng mơ hình thật để kiểm tra khả vận hành hệ thống CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 4.1 Mơ hình khí Sau mơ thành cơng, nhóm kỹ sư Trung tâm Cơng nghệ (TTCN) tiến hành chế tạo mơ hình robot sử dụng chương trình điều khiển mơ với số cải tiến cho phù hợp với điều kiện thực tiễn Cải tiến đáng kể việc điều khiển quỹ đạo trục Z tiến hành trước tiên Việc điều khiển trục X Y tiến hành đồng thời Như đầu cắt làm việc chủ yếu mặt phẳng 4.2 Hệ thống điều khiển Hệ điều khiển mơ hình robot lập trình bo mạch ARM STM32F4 tổ chức Hình 11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển tổ chức giống sơ đồ Hình 12 Chương trình điều khiển kỹ sư TTCN tự viết Labview, phần mềm dùng phổ biến Việt Nam hện Hình 11 Sơ đồ tổ chức bo mạch ARM STM32F4 Trang 271 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Hình 12 Giao diện chương trình điều khiển 4.3 Kết thử nghiệm Trong thực nhiệm đầu tiên, mơ hình robot thực nhiệm vụ vẽ đường thẳng Bộ điều khiển sử dụng lập trình quỹ đạo bậc kết cuối thể Hình 13 Nhiệm vụ thực nhiều lần để kiểm tra độ lặp lại quỹ đạo cắt Ngồi ra, nhóm nghiên cứu sử dụng bút công cụ ghi lại quỹ đạo chuyển động đầu cắt Kết cho thấy đầu cắt tạo đường thẳng sau nhiều lần cắt Hình 14 Vẽ đường thẳng để tạo hình thoi Nhiệm vụ thực với lập trình quỹ đạo bậc lặp lại nhiều lần Các kết đạt cho thấy đầu cắt ln tạo điểm khép kín mà điểm đầu điểm cuối trùng Trong thực nghiệm thứ 3, robot thực nhiều đường cắt thẳng để tạo đường cong khép kín xấp xỉ hình tròn Kết ghi lại Hình 15 Nhiệm vụ thứ thực với lập trình quỹ đạo bậc Kết lặp lại sau nhiều lần thực cho thấy ổn định hệ thống Hình 13 Vẽ đường thẳng Trong thực nghiệm thứ 2, robot thực đường cắt thẳng để tạo hình thoi khép kín Kết ghi lại bút thể Hình 14 Hình 15 Vẽ nhiều đường thẳng để tạo đường gần tròn Trang 272 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM KẾT LUẬN Bài báo trình bày cơng việc thiết kế, mơ chế tạo mơ hình robot cắt dạng gantry với cấu trúc động học TTT Cấu trúc gantry mơ hình thường dùng phổ biến robot cắt Plasma, cắt tia laser, Ưu điểm mơ hình kích thước nhỏ gọn khả tháo lắp dễ dàng Điều thuận tiện cho việc phục vụ môi trường đào tạo phòng thí nghiệm Mơ hình robot thử nghiệm điều kiện thực cho kết tốt Tuy nhiên, kết cần kiểm tra thêm với quỹ đạo phức tạp LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả xin cảm ơn Học viện KTQS Trung tâm Công nghệ tài trợ cho nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Moharana B., Rakesh G., Bashishth K K (2014) Optimazation and design of a lasercutting machine using Delta robot International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), vol 10, no 44, pp 176-179 [2] Richard K M C (1989) Industrial robot handbook Springer-Verlag US, ISBN 978-14684-6608-9, pp 267-283 [3] Dan W and Adam W (2014) Integrating ultrasonic cutting with high accuracy robotic automatic fiber placement for production flexibility Report of SAMPLE Tecch, Seatle WA [4] Kjellbelrg F (2012) Plasma cutting with robots The Fine Focus Company [5] Academy of laser dentistry (2008) Advantage and limitations of lasers Report [6] KMT (2010) Water jet cutting: A technology on the rise Report of KMT GmbH [7] Branson (2012) Advanced Ultrasonic cutting systems Report of Emerson [8] MacArthur B B (1976) Plasma Processes of cutting and welding Report of Naval Surface Warfare Center [9] Paolo R., Alessandro T., Hermes G (2002) Mechatronic design of a 3-DOF parallel translational manipulator International Conference on Robotics RAAD [10] Parker (2004) Standard gantry robots Catalogue 192-700011N5/UK, Version [11] Lê Hoài Quốc (2004) Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot phục vụ sản xuất điều kiện mơi trường độc hại khơng an tồn ĐHQG TP HCM [12] Phạm Anh Đức (2013) Nghiên cứu chế tạo mơ hình robot song song Luận văn Thạc sĩ [13] Sciavicco L and Siciliano B (2000) Modelling and control of robot manipulators ISBN 978-1-4471-0449-0, pp 185 - 212 RESEARCH, DESIGN AND FABRICATION OF A PLASMA CUTTING ROBOT MODEL WITH GANTRY STRUCTURE ABSTRACT: This paper presents the development of a cutting robot model including 3D design, Matlab simulation and experimental modeling This robot model is designed based on a TTT kinematic structure, which is usually used for plasma cutting The robot model is built and tested under realistic conditions to examine the system's operability The model is useful for training in universities Keywords: cutting robot, gantry structure, 3D design, Matlab simulation Trang 273 ... việc thiết kế, mô chế tạo mơ hình robot cắt dạng gantry với cấu trúc động học TTT Cấu trúc gantry mơ hình thường dùng phổ biến robot cắt Plasma, cắt tia laser, Ưu điểm mô hình kích thước nhỏ... ĐHQG TP HCM Hình Lập trình quỹ đạo bậc cho quỹ đạo đường thẳng Hình 10 Mơ hình robot dạng gantry thực tế Cấu trúc mơ hình robot Hình 10 có kích thước thiết kế Hình Các trục X Y chế tạo thép dạng... lại quỹ đạo cắt Ngồi ra, nhóm nghiên cứu sử dụng bút công cụ ghi lại quỹ đạo chuyển động đầu cắt Kết cho thấy đầu cắt tạo đường thẳng sau nhiều lần cắt Hình 14 Vẽ đường thẳng để tạo hình thoi Nhiệm