Nghiên cứu thiết kế hệ thống vận chuyển trong MiniCIM

Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế hệ thống vận chuyển trong MiniCIM Hệ thống CIM có thể tạo ra lợi nhuận vững chắc cho người sử dụng hơn là các hệ thống sản xuất thông thường khác. CIM cho phép một nhà máy sản xuất thích ứng nhanh chóng với sự thay đổi của thị trường và cung cấp các hướng phát triển cơ bản của sản phẩm trong tương lai. Với sự trợ giúp của các máy tính trong CIM, các hoạt động phân đoạn của quá trình sản xuất được tích hợp thành một hệ thống sản xuất thống nhất, hoạt động trôi chảy với sự giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Trong hệ thống CIM cho phép sử dụng tối ưu các thiết bị, nâng cao năng xuất lao động, luôn ứng dụng các công nghệ tiên tiến và giảm thiểu sai số gây ra bởi con người

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian thực hiện đồ án tại xưởng thực hành cơ khí của Trường ĐạiHọc Phương Đông em đã rút ra được rất nhiều kinh nghiệm thực tế em chưađược biết Để có kiến thức thực tế ngày hôm nay, trước hết em xin chân thànhcảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện – Cơ điện tử trường ĐHDL PhươngĐông đã giảng dạy và trang bị cho em những kiến thức cơ bản, đồng thời tậntình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình học tập Bên cạnh đó, em xin gửilời cảm ơn chân thành đến Ths.Phạm Hải Yến đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiệnthuận lợi để em hoàn thành tốt mọi nhiệm vụ trong quá trình làm đồ án

Trong thời gian thực hiện đồ án tại xưởng, em đã học được rất nhiều kiếnthức thực tế Như cách tổ chức làm việc các phòng ban, cách làm việc và tácphong làm việc, máy móc về cơ khí, điện tử Đây là những kiến thức bổ ích chocông việc trong tương lai của em

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên trong tập thể lớp 513,

đã cho tôi những ý kiến đóng góp giá trị khi thực hiện đề tài này

Trong quá trình thực hiện đồ án và làm báo cáo, do còn nhiều sai sót Emmong các thầy cô chỉ bảo thêm giúp em hoàn thành và đạt kết quả tốt hơn Emxin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày………tháng………năm 2017

SINH VIÊN

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CIM 2

A GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG 2

1 Các khái niệm cơ bản về CIM 2

1.1 Định nghĩa CIM 2

1.2 Sự phát triển của CIM trên thế giới 2

1.3 Sự phát triển của các hệ thống CIM ở Việt Nam 4

2 Ứng dụng và hiệu quả của CIM 5

2.1 Ứng dụng của CIM 5

2.2 Hiệu quả của CIM 6

3 Các thành phần cơ bản và nguyên lý hoạt động của MINICIM 7

3.1 Trạm lắp ráp sản phẩm 7

3.2 Trạm Robot cánh tay khí nén di chuyển sản phẩm 12

3.3 Trạm lưu kho sản phẩm 14

3.4 Trạm điều khiển và giám sát trung tâm 15

3.5 Nguyên lý hoạt động của MINICIM 16

B CẤU TRÚC HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN TRONG CIM 17

1 Robot 18

1.1 Ứng dụng robot công nghiệp trong hệ thống CIM 20

1.2 Các yêu cầu đối với các robot hoạt động trong hệ thống CIM 20

2 Hệ thống vận chuyển sản phẩm 21

2.1 Thiết bị kỹ thuật của hệ thống vận chuyển 21

2.2 Hệ thống vận chuyển chi tiết gia công của CIM 21

CHƯƠNG 2: 26

CƠ SỞ THIẾT KẾ ROBOT VẬN CHUYỂN CHO HỆ THỐNG 26

1 Khái niệm về Robot 26

1.1 Các thành phần cơ bản của MINICIM 26

1.2 Robot công nghiệp 30

1.3 Bậc tự do của Robot ( DOF: Degrees of Freedom ) 30

1.4 Hệ toạ độ ( coordinate frames ) 31

1.5 Trường công tác của robot ( Workspace or range of motion ) 32

1.6 Kêt cấu chung của Robot công nghiệp 33

2 Phân loại Robot 35

2.1 Phân loại theo kết cấu 35

2.2 Phân loại theo kiểu điều khiển 36

2.3 Phân loại theo hệ thống truyền động 36

2.4 Phân loại robot theo ứng dụng 36

3 Vai trò của robot trong hệ thống CIM 37

3.1 Yêu cầu đối với robot công nghiệp 37

3.2 Đặc tính công nghệ của robot công nghiệp 37

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ROBOT VẬN CHUYỂN CHO HỆ THỐNG 45

1 Các thông số kỹ thuật của Robot 45

2 Trình bày nguyên lý hoạt động của robot 46

3 Tính toán, thiết kế một số chi tiết điển hình của robot 47

3.1 Một số chi tiết điển hình của robot 47

3.2 Cấu tạo của hệ thống vận chuyển sản phẩm 50

3.3 Thiết kế quy trình công nghệ gia công một số chi tiết của robot 53

4 Cơ cấu tay kẹp của robot 83

4.1 Khái niệm và phân loại tay kẹp 83

4.2 Kết cấu của tay kẹp 83

4.3 Tính toán tay kẹp robot 89

5 Tính toán lựa chọn thiết bị 92

5.1 Xilanh kép 92

5.2 Xilanh nâng hạ 93

5.3 Xilanh Quay 94

5.4 Xilanh không trục(xilanh trượt) 95

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Trạm cấp phôi tự động 7

Hình 1.2: Trạm xử lý gia công phôi 9

Hình 1.3 Trạm lắp ráp sản phẩm 10

Hình 1.4: Trạm kiểm tra và phân loại sản phẩm 11

Hình 1.5 Cánh tay khí nén di chuyển vật 13

Hình 1.6 Trạm lưu kho sản phẩm 14

Hình 1.7 Trạm điều khiển và giám sát trung tâm 15

Hình 1.8 Màn hình giám sát TP 177A và PLC S7 300 16

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống CIM 18

Hình 1.11 Robot trong hệ thống CIM 18

Hình 1.12 Ổ tích vệ tinh với xe tời di động của hãng Hitachi Seiki(Nhật Bản) 22

Hình 1.13 Hệ thống vận chuyển-tích trữ vệ tinh trong CIM của ang Cincinnati Milacron (Mỹ) 1: Băng tải tích trữ con lăn; 2: Cơ cấu quay; 3: Vị trí bàn bổ xung; 4: Các máy nhiều nguyên công; 5: Cơ cấu tiếp nhận-cấp phát; 6: ổ tích con lăn phụ trợ; 7: Vị trí cấp chi tiết; 8: Vị trí tháo chi tiết 23

Hình 1.14 Lưu đồ nhiệm vụ làm việc của đề tài 24

Hình 2.1:Các tọa độ suy rộng của robot 31

Hình 2.2 Qui tắc bàn tay phải 32

Hình 2.3 Biểu diễn trường công tác của robot 32

Hình 2.4 Robot kiểu tọa độ Đề các 34

Hình 2.5 Robot kiểu tọa độ trụ 34

Hình 2.6 Robot kiểu tọa độ cầu 35

Hình 2.7 Robot kiểu SCARA 35

Hình 3.1 Xilanh chống xoay 47

Hình 3.2 Cấu tạo của Xilanh tịnh tiến 47

Hình 3.3 Xilanh tịnh tiến 2 pít-tông 48

Hình 3.4 Xilanh không trục 48

Hình 3.5 Xilanh Quay 49

Hình 3.6 Má kẹp chữ V 49

Hình 3.7 Hai mặt bích định vị 49

Hình 3.8 Cấu tạo xilanh quay 50

Hình 3.9 Xilanh tịnh tiến chống xoay 50

Hình 3.10 Cấu tạo chính của xilanh tịnh tiến 51

Hình 3.11 Xilanh 2 pít-tông chống xoay 51

Hình 3.12 Tay kẹp khí nén 52

Hình 3.13 Hình chiếu má kẹp chữ V 54

Hình 3.14 Nguyên công I 55

Hình 3.15 Nguyên công II 57

Hình 3.16 Nguyên công III 59

Hình 3.17 Nguyên công IV 61

Hình 3.18 Nguyên công V 64

Hình 3.19 Nguyên công VI 66

Hình 3.20 Nguyên công VII 70

Hình 3.22 Nguyên công VIII 72

Hình 3.23 Nguyên công IX 74

Hình 3.24 Phay rãnh 76

Hình 3.25-3.26 Phay 2 mặt chữ V 76

Hình 3.27 Phay bao hình 2 mặt bích 77

Hình 3.28 Phay hạ mũ ốc và khoan lỗ 77

Hình 3.29 Taro M8 78

Hình 3.30 Phay bao hình cánh tay 78

Hình 3.31 Phay hạ mũ ốc và khoan lỗ cho cánh tay 79

Hình 3.32 TaroM3 79

Hình 3.33 Phay bao hình ụ bắt tay kẹp 80

Hình 3.34 Phay hạ bậc ụ bắt tay kẹp 80

Hình 3.35 Khoan 2 lỗ Ø 4.5 81

Hình 3.36 Khoan 2 lỗ Ø 3.5 82

Hình 3.37 Phay hạ bậc rãnh ở giữa 82

Hình 3.38 Tay kẹp không có điều khiển 84

Hình 3.39 Tay kẹp cơ khí có cơ cấu hãm 84

Hình 3.40 Tay kẹp có truyền động thủy lực 85

Hình 3.41 Tay kẹp có truyền động khí nén 85

Hình 3.42 Tay kẹp sử dụng truyền động thanh rang 86

Hình 3.43 Kết cấu của tay kẹp điện từ và chân không 87

Hình 3.44 Sơ đồ tay kẹp dung buồng đàn hồi 87

Hình 3.45 Sơ đồ tay kẹp thích nghi 88

Hình 3.46 Sơ đồ tay kẹp 89

Hình 3.47 Tính toán piston-xilanh 90

Hình 3.48 Cơ cấu tay kẹp 91

Hình 3.49 Tính lực xilanh 93

Hình 4.1 Lắp mặt bích lên xilanh trượt 97

Hình 4.2 Lắp xilanh quay lên xilanh trượt 97

Hình 4.3 Lắp mặt bích lên xilanh quay 97

Hình 4.4 Lắp xilanh tịnh tiến lên xilanh quay 98

Hình 4.5 Lắp cánh tay robot lên xilanh tịnh tiến 98

Hình 4.6 Lắp xilanh tịnh tiến lên cánh tay robot 98

Hình 4.7 Lắp tay kẹp khí nén vào cánh tay robot 99

Hình 4.8 Lắp má kẹp lên tay kẹp 99

LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống sản xuất tích hợp CIM (Computer Intergrade Manufacturing) là hệthống sản xuất tiên tiến nhất hiện nay và đang ngày càng được ứng dụng rộng rãitrên thế giới

Khái niệm về CIM tiến sĩ Joseph Harrington đưa ra vào những năm 1973.Mặc dù khái niệm của ông về CIM chưa được hoàn chỉnh, ngày nay danh từCIM đã trở nên rất quen thuộc trong cách nói về sản xuất CIM đã trở thànhchiến lược nền tảng của tích hợp các thiết bị và hệ thống sản xuất thông qua cácmáy tính hoặc các bộ vi xử lý tự động

So với các hệ thống sản xuất truyền thống, CIM có nhiều ưu điểm vượt trộihơn hẳn Hệ thống CIM không những làm tăng năng suất và chất lượng sảnphẩm, hạ giá thành của sản phẩm mà còn có khả năng linh hoạt cao, đáp ứngđược những thay đổi nhanh chóng của thị trường

Trong nội dung đồ án tốt nghiệp của sinh viên ngành cơ điện tử, với sựhướng dẫn tận tình của các thầy hướng dẫn GS.TS Đinh Công Mễ, ThS PhạmHải Yến , trường Đại học Phương Đông Chúng em đã chọn đề tài “Nghiên cứu,thiết kế hệ thống vận chuyển trong MiniCIM” phù hợp với khả năng cũng nhưthời gian thực hiện

Để thực hiện đề tài, trước hết chúng em đã nghiên cứu, khảo sát về các hệthống CIM đã và dang được ứng dụng, sau đó lựa chọn hệ thống phù hợp đểthiết kế và chế tạo Quá trình thiết kế, chế tạo cơ khí và quá trình thiết kế hệthống điều khiển được tiến hành đồng thời Đồ án được chia làm 6 chương, mỗichương được tách ra các phần nhỏ hơn, đồng thời có kèm theo phụ lục về cácbản vẽ và phụ lục về chương trình điều khiển

Chương 1 Tổng quan về hệ thống CIM

Chương 2 Cấu trúc hệ thống vận chuyển trong CIM

Chương 3 Tính toán và thiết kế robot vận chuyển

SV thực hiện đồ án

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CIM

A GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG

1 Các khái niệm cơ bản về CIM.

1.1 Định nghĩa CIM.

CIM (Computerize Integrate Manufacturing ) Là hệ thống sản xuất tích hợp

có sự trợ giúp của máy tính Có nhiều định nghĩa khác nhau về CIM và các địnhnghĩa đó lại có nhiều ý nghĩa khác nhau, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng của

nó Sau đây là một vài định nghĩa về CIM

Công ty Các hệ thống tự động và máy tính CASA (The Computer andAutomated Systems Association) của hội những nhà sản xuất SME (Society ofManufacturing Engineers) định nghĩa: CIM là một hệ thống tích hợp có khảnăng cung cấp sự trợ giúp của máy tính cho tất cả các chức năng thương mại,bao gồm các hoạt động từ khâu tiếp nhận đơn đặt hàng cho đến cung cấp sảnphẩm của một nhà máy sản xuất

Từ điển của công nghệ tiên tiến AMT định nghĩa: CIM là một nhà máy tựđộng hóa toàn phần, nơi mà tất cả các quá trình sản xuất được tích hợp và đượcđiều khiển của máy tính

Công ty máy tính của Mĩ IBM cho rằng: CIM là một ứng dụng, có khả năngcung cấp cơ sở nhận thức cho việc tích hợp dòng thông tin của thiết kế sảnphẩm, của kế hoạch sản xuất, của việc thiết lập và điều khiển các nguyên công.Hãng SIMENS của Đức lại cho rằng: CIM không phải là một sản phẩm hoànthiện mà là một chiến lược và là một khái niệm để đạt các mục đích thị trườngcủa một nhà máy

1.2 Sự phát triển của CIM trên thế giới.

Vào năm 1954, NC đã được đưa vào sản xuất và sau đó, vào năm 1955 sựphát triển của công cụ xử lý lập trình tự động đã mở đầu cho sự xuất hiện củaCAM CAD bắt đầu xuất hiện vào khoảng năm 1960 với công nghệ thiết kế caonhờ có sự trợ giúp của máy tính Với sự xuất hiện của vi mạch vào đầu nhữngnăm 1970, máy tính bắt đầu được ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực của sảnxuất

Khái niệm về CIM đã được tiến sĩ Joseph Harrington đưa ra vào những năm

1973 Mặc dù khái niệm của ông về CIM chưa được hoàn chỉnh, ngày nay danh

từ CIM đã trở nên rất quen thuộc trong cách nói về sản xuất CIM đã trở thànhchiến lược nền tảng của tích hợp các thiết bị và hệ thống sản xuất thông qua cácmáy tính hoặc các bộ vi xử lý tự động

Mục đích hiện thực lâu dài của CIM có thể đạt được thông qua việc lập kếhoạch phát triển ở tầm vĩ mô của các công ty Sự tích hợp có hiệu quả đòi hỏikiến thức chuyên sâu về tất cả các quá trình công nghệ và hiểu biết sâu sắc vềcác thiết bị sản xuất của công ty Để cho việc ứng dụng CIM có hiệu quả thì việctích hợp các công nghệ tiên tiến AMT phải được thực hiện thông qua các máytính Máy tính chỉ hoạt động như các tọa độ phụ của công nghệ Tuy nhiên,không có máy tính thì việc tích hợp sẽ không có hiệu quả

Bộ quốc phòng Hòa kỳ đóng một vai trò quan trọng trong việc mở đường chocông nghệ CIM Năm 1975 họ bắt đầu lập chương trình sản xuất có trợ giúp củamáy tính của lực lượng không quân AFCAM ( Air Force Computer AidedManufacturing) Chương trình này cho phép tiếp cận tốt hơn đối với công nghệsản xuất Nhờ kết quả đó mà sản xuất có trợ giúp của máy tính tích hợp ICAM(Intergrated Computer Aided Manufacturing) đã được xây dựng vào năm 1976tại phòng thí nghiệm vật liệu của không quân Hoa Kỳ dưới sự chỉ đạo của Ủyban kỹ thuật và Viện hàn lâm quốc gia NAEC (National Academy ofEnegineering Comittee) về sản xuất có sự trợ giúp của máy tính CAM Sau khi

bỏ chương trình ICAM vào năm 1985, không quân Hoa kỳ bắt đầu xây dựngchương trình CIM

Công ty Các hệ thống tự động và máy tính CASA của hội những nhà sản xuấtSME đã được thành lập vào năm 1975 để tập trung kiến thức trong lĩnh vực máytính và tự động hóa cho sự phát triển của sản xuất Là một hội khoa học và đàotạo, CASA/SME đã truyền bá khái niệm về CIM với đông đảo quần chúng và đãxây dựng vòng tròn nhà máy CIM nhằm cung cấp cho công nghiệp sản xuất mộtcái nhìn đúng đắn về CIM Hội đồng kỹ thuật của CASA/SME đã thống nhất 5vấn đề cơ bản của vòng tròn CIM như sau: Quản lý sản xuất và quản lý nguồnnhân lực, sản xuất và quá trình, lập kế hoạch sản xuất và kiểm tra, nhà máy tựđộng hóa và quản lý nguồn thông tin Vòng tròn CIM mô tả khía cạnh tích hợp

của CIM đối với quan điểm về quản lý sản xuất CIM có những ưu điểm sauđây:

- Tính linh hoạt của sản phẩm, của sản lượng và của vật liệu

- Nâng cao năng suất và chất lượng của gia công

- Hoàn thiện giao diện giữa thiết kế và sản xuất

- Giảm lao động trực tiếp và lao động gián tiếp

- Thiết kế có năng suất và độ chính xác cao

- Tiêu chuẩn hóa cao và sử dụng vật liệu hợp lý

- Tiết kiệm thời gian và mặt bằng sản xuất

- Tạo cơ sở dữ liệu chung để loại trừ các bộ phận chứa dữ liệu độc lập

- Loại trừ các công việc lặp lại không cần thiết

- Giảm thời gian giám sát sản xuất và số cán bộ thực hiện công việc này

- Có ưu điểm cạnh tranh đối với các đối thủ cạnh tranh

Khái niệm về CIM được đưa ra trong thời gian đầu có vẻ như không đạt được

ý tưởng thực tế, tuy nhiên với công nghệ ngày nay thì CIM đạt được mục đíchkhông mấy khó khăn Tương lai của kỹ thuật là ứng dụng CIM với tác động củatrí tuệ Sản xuất trí tuệ là con đường của tương lai Vì vây, công nghệ sản xuất

và các hệ thống CIM sẽ bao gồm cả trí tuệ để giúp các nhà máy chế tạo ra cácsản phẩm có chất lượng cao, giá thành hạ

1.3 Sự phát triển của các hệ thống CIM ở Việt Nam.

Nhịp độ phát triển của sản xuất tự động hóa toàn phần FMS & CIM phụthuộc vào nhiều yếu tố, trong đó hai yếu tố: Lực lượng lao động có trình độchuyên môn cao và nguồn tài chính đóng vai trò quan trọng nhất FMS & CIM

là những hệ thống sản xuất có mức độ tự động hóa cao, chúng đã và đang đượcứng dụng rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển Tuy ở Việt nam sản xuất tựđộng hóa mới chỉ ở giai đoạn đầu của sự phát triển, nhưng để hoàn thành sựnghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước thì việc nghiên cứu, phát triển

và ứng dụng các hệ thống FMS & CIM đã và đang được quan tâm đặc biệt

Hiện nay CIM còn là một khái niệm khá mới mẻ đối với các nhà máy tại ViệtNam Hầu như không thấy sự ứng dụng của các hệ thống CIM trong sản xuất màchỉ có một số rất ít các hệ thống Mini CIM được sử dụng trong đào tạo tại một

số trường đại học về kỹ thuật Tiêu biểu là hệ thống MiniCIM của trường Đạihọc Phương Đông

Tuy nhiên với làn sóng đầu tư rất mạnh đang tràn vào Việt nam sau khi gianhập WTO, các hệ thống sản xuất tự động toàn phần đang phát triển nhanhchóng và trong tương lai CIM sẽ được ứng dụng vào sản xuất Để bắt kịp với sựphát triển nhanh của nền công nghiệp thế giới, việc đào tạo ra một đội ngũ cán

bộ vận hành và quản lý có kiến thức về CIM là rất quan trọng Vì vậy việc giảngdạy về FMS & CIM đang được đặc biệt trú trọng tại các trường đại học kỹ thuậtcủa Việt nam

2 Ứng dụng và hiệu quả của CIM

2.1Ứng dụng của CIM.

Thiết lập một hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CIM làmột vấn đề không đơn giản nó không chỉ phụ thuộc vào khả năng tài chính củacông ty mà còn phụ thuộc vào đội ngũ nhân lực của công ti do đó việc ứng dụngmột hệ thống CIM vào sản xuất của một công ty phải được xem xét một cáchcẩn thận Thực tế khi mà sản xuất phát triển, nhu cầu của khách hàng thay đổithường xuyên và không ngừng nâng cao, sự cạnh tranh mạnh của nhiều công tytrên phạm vi toàn cầu thì yêu cầu ứng dụng một hệ thống CIM cho sản xuất làrất cần thiết Trong hệ thống CIM chức năng thiết kế và chế tạo được gắn kết vớinhau cho phép khép kín chu trình chế tạo sản phẩm và tạo ra sản phẩm một cáchnhanh chóng bằng các quy trình sản xuất linh hoạt và hiệu quả Với hệ thốngCIM, nó có khả năng cung cấp sự trợ giúp máy tính cho tất cả các chức năngthương mại, bao gồm các hoạt động từ khâu tiếp nhận đơn đặt hàng cho đếncung cấp, phân phối sản phẩm của một nhà máy

CIM tham gia vào môi trường sản xuất công nghiệp: điều khiển robot lắpráp, gia công, sơn phủ đánh bóng, gia công hàn, kiểm soát chất lượng sản phẩm,đóng gói, vận chuyển và phân phát hàng hoá

CIM tham gia vào các quá trình công nghệ: thiết kế và sản xuất có trợ giúpmáy tính(CAD/CAM) Lập kế hoạch sản xuất và quy trình công nghệ có trợ

giúp của máy tính ( Computer Aided Process Planning / Computer AidedEngineering (CAPP/CAE).

CIM bao gồm mạng và các hệ thống: các phần cứng và phần mềm truyềnthông trong nhà máy, quản lý thông tin dữ liệu bao gồm cả việc thu thập, lưu trữ

và truy xuất dữ liệu

CIM tham gia vào việc cải thiện không ngừng các quá trình sản xuất: lập kếhoạch và kiểm soát nguyên liệu đầu vào, các hệ thống theo dõi và kiểm soátchất lượng, các kỹ thuật và phương pháp thanh tra giám sát như lập kế hoạch vàquản lý nguồn lực sản xuất, lập kế hoạch và quản lý nguồn lực công ty, kiểm trachất lượng toàn bộ và phương thức sản xuất đáp ứng kịp thời sự thay đổi nhanhchóng của các chủng loại sản phẩm

2.2Hiệu quả của CIM.

Hệ thống CIM có thể tạo ra lợi nhuận vững chắc cho người sử dụng hơn làcác hệ thống sản xuất thông thường khác CIM cho phép một nhà máy sản xuấtthích ứng nhanh chóng với sự thay đổi của thị trường và cung cấp các hướngphát triển cơ bản của sản phẩm trong tương lai Với sự trợ giúp của các máy tínhtrong CIM, các hoạt động phân đoạn của quá trình sản xuất được tích hợp thànhmột hệ thống sản xuất thống nhất, hoạt động trôi chảy với sự giảm thiểu thờigian và chi phí sản xuất đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm Trong hệthống CIM cho phép sử dụng tối ưu các thiết bị, nâng cao năng xuất lao động,luôn ứng dụng các công nghệ tiên tiến và giảm thiểu sai số gây ra bởi con người,kinh nghiệm sử dụng CIM cho thấy những lợi ích điển hình sau đây:

+ Nhanh chóng cho ra đời sản phẩm mới kể từ lúc nhận đơn đặt hàng: + Giảm 15-30% giá thành thiết kế

+ Giảm 30-60% thời gian chế tạo chi tiết

+ Tăng năng suất lao động lên tới 40-70%

+ Nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm được 20-50% phế phẩm

+ Quản lý vật tư hàng hoá sát thực tế hơn

+ Tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường

+ Hoàn thiện được phương pháp thiết kế sản phẩm, ví dụ: sử dụngphương pháp phần tử hữu hạn cùng với máy tính cho phép thực hiện phép tínhnhanh hơn 30 lần so với các phương pháp thông thường khác cho nhiều phươngán thiết kế khác nhau.

3 Các thành phần cơ bản và nguyên lý hoạt động của MINICIM.

3.1 Trạm lắp ráp sản phẩm

3.1.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm phân phối gia công

Trạm cấp phôi gia công có chức năng lưu trữ và phân phối phôi cho toàn bộhệ thống Phôi được chứa trong hộp đựng phôi và được đẩy ra máng nhờ động

cơ đẩy phôi Cảm biến quang điện sẽ phát hiện sự có mặt của phôi trên máng vàbật tín hiệu, sau một thời gian trễ thì tín hiệu gọi cánh tay rôbốt hai bậc được bậtlên Cánh tay rôbốt sẽ gắp phôi từ máng đặt sang trạm kế tiếp để chuẩn bị chocác quá trình gia công tiếp theo

Hình 1.1: Trạm cấp phôi tự động

3.1.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

Cơ cấu cấp phôi tự động : Cung cấp phôi ra máng

Phôi : Phôi nhựa hình trụ tròn màu trắng Ngoài ra, có một số phôi bị lỗi đượcđưa vào để phân biệt với những phôi trên

Động cơ : Đẩy phôi ra máng khi có tín hiệu từ van điện

Van điện : Điều khiển đóng/mở xy lanh khi có tín hiệu yêu cầu từ PLC

Cánh tay Robot : Cánh tay xoay và ghắp phôi sang trạm tiếp theo

Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm biến, van điện

Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222

Module mở rộng EM 223

Module truyền thông PROFIBUS EM 277

Cảm biến quang : Sử dụng loại khuếch tán, phát hiện phôi ở cơ cấu cấp phôi

Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC

Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch và đèn báo

Trạm lắp ráp sản phẩm

Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm xử lý gia công phôi

Trạm xử lý gia công nhận phôi từ trạm cấp phôi Mâm xoay sẽ xoay từng bướcphù hợp với yêu cầu nhờ tín hiệu từ cảm biến và động cơ một chiều Động cơkhoan sẽ di chuyển lên xuống nhờ cơ cấu xy lanh Khi phôi dừng tại vị tríkhoan, động cơ khoan sẽ được hạ xuống và khoan lỗ, quá trình này thực hiệntrong vài giây sau đó động cơ khoan trở về vị trí ban đầu nhờ xy lanh đẩy lên.Tiếp theo, quá trình kiểm tra lỗ vừa khoan nhờ một xy lanh

Hình 1.2: Trạm xử lý gia công phôi.

Kết cấu thiết bị bao gồm :

Cơ cấu mâm xoay 6 vị trí : Di chuyển phôi lần lượt đến các vị trí gia công

Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm biến, động cơ khoan

Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển lập trình

Module mở rộng EM 223 : Module mở rộng vào/ra số

Module EM 277 : truyền thông PROFIBUS – DP

Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC

Cảm biến tiệm cận : Phát hiện loại phôi có tính chất từ tính

Cơ cấu khoan : Gia công phôi

Xy lanh khí : Giữ phôi để khoan dễ dàng.

Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh

Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

Trạm lắp ráp sản phẩm

Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm lắp ráp sản phẩm

Phôi được chuyển đến trạm lắp ráp sản phẩm nhờ Robot Khi phôi được đưa đếnđầu băng tải, cảm biến quang sẽ phát hiện, gửi tín hiệu về PLC S7 200 yêu cầu

cơ cấu giữ sản phẩm thực hiện nguyên công giữ Khi sản phẩm được giữ chắcchắn, cơ cấu lắp ráp sản phẩm sẽ thực hiện Sau khí lắp ráp xong, cơ cấu kẹp vậtnhả ra, sản phẩm chạy đến cuối băng tải, sẵn sàng cho trạm tiếp theo

Hình 1.3 Trạm lắp ráp sản phẩm

Kết cấu thiết bị bao gồm:

Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, cảm biến

Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222

Module mở rộng EM 223.

Module truyền thông PROFIBUS EM 277

Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ động cơ băngtải

Cảm biến quang : Phát hiện sản phẩm đã có trên băng tải

Cơ cấu lắp ráp sản phẩm

Xy lanh khí : Giữ phôi để lắp ráp

Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh

Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

Trạm phân loại sản phẩm

Tìm hiểu về quy trình công nghệ trạm kiểm tra sản phẩm

Khi trạm lắp ráp hoàn thành công đoạn cấp phôi, trạm kiểm tra sản phẩm cónhiệm vụ kiểm tra phôi bị lỗi hay không (dài quá hoặc ngắn quá coi là phôi lỗi -phế phẩm) nhờ hai cảm biến từ đo độ cao của phôi Phế phẩm sẽ bị đẩy xuốngthùng chứa phía dưới Phôi không bị lỗi sẽ được đẩy đến cuối băng tải

Hình 1.4: Trạm kiểm tra và phân loại sản phẩm.

Kết cấu thiết bị bao gồm:

Mô hình băng tải : Di chuyển phôi

Cơ cấu kiểm tra phôi : Kiểm tra phôi có phải là thành phẩm hay phế phẩm

Xy lanh khí : Đẩy phôi xuống băng tải hoặc thùng đựng phế phẩm khi có tín hiệu

từ van điện

Van điện : Điều khiển đóng/mở xy lanh khi có tín hiệu yêu cầu từ PLC

Bộ nguồn 24 VDC : Cấp nguồn 24 VDC cho mạch điện tử, cảm biến, van điện

Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222

Module mở rộng EM 223

Module truyền thông PROFIBUS EM 277

Cảm biến quang : Sử dụng loại khuếch tán, phát hiện phôi ở cuối băng tải

Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và điều khiển tốc độ động cơ Băng tải.Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch và đèn báo

3.2Trạm Robot cánh tay khí nén di chuyển sản phẩm

3.2.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm Robot vận chuyển

Sau khi sản phẩm được phân loại ở trạm phân loại, một tín hiệu sẽ được bậtlên để gọi cánh tay khí nén hoạt động, chuyển động sang trái về phía sản phẩmcần gắp Cánh tay khí nén di chuyển bằng cơ cấu khí nén hành trình được điềukhiển chính xác tại vị trí của sản phẩm Sau khi kẹp được sản phẩm, tay khí nén

di chuyển sang phải và đặt sản phẩm cho trạm kế tiếp

Trạm robot vận chuyển sản phẩm giúp chuyển phôi đã được phân loại từtrạm phân loại tới trạm kho chứa để lưu kho

Hình 1.5 Cánh tay khí nén di chuyển vật

3.2.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

 Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, van điện

 Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển lậptrình

 Module mở rộng EM 223 : Module vào/ra số

 Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và van điện

 Xy lanh khí : Kẹp sản phẩm

 Cánh tay khí nén : Ghắp vật sang trạm tiếp theo.

 Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh

 Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

3.3 Trạm lưu kho sản phẩm

3.3.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm lưu kho sản phẩm

Sản phẩm lắp ráp hoàn thiện được cánh tay khí nén gắp sang băng tải của trạmlưu kho Băng tải di chuyển sản phẩm đến cuối hành trình gắp vật và đưa vàokho chứa sản phẩm

Hình 1.6 Trạm lưu kho sản phẩm

3.3.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

 Bộ nguồn 24VDC : Cấp nguồn 24VDC cho mạch điện tử, van điện,cảm biến, động cơ băng tải

 Bộ điều khiển lập trình PLC S7 200 CPU 222 : Bộ điều khiển lậptrình

 Module mở rộng EM 223 : Module vào/ra số

 Mạch điện tử : Bộ đệm cho đầu vào/ra PLC và van điện, động cơbăng tải

 Robot lưu kho tự động

 Xy lanh khí : Kẹp sản phẩm

 Van điện : Nhận tín hiệu từ PLC để đóng/mở xy lanh

 Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

3.4 Trạm điều khiển và giám sát trung tâm

3.4.1 Tìm hiểu quy trình công nghệ trạm điều khiển và giám sát trung tâm

Trạm điều khiển và giám sát sử dụng bộ điều khiển PLC S7 300 CPU313C-2DP và màn hình giám sát HMI – TP 177A Bộ PLC S7 300 sẽ nhận tínhiệu từ 7 bộ PLC S7 200 truyền lên và xuất tín hiệu điều khiển xuống các trạmthông qua mạng PROFIBUS Đồng thời, màn hình HMI – TP 177A sẽ điềukhiển và giám sát các biến nhớ, các đầu vào/ra, tín hiệu từ cảm biến hiển thị lênmàn hình

Hình 1.7 Trạm điều khiển và giám sát trung tâm

3.4.2 Kết cấu thiết bị bao gồm:

 Bộ nguồn PS 2A : Cung cấp nguồn cho PLC S7 300 và màn hình

 Bộ điều khiển lập trình PLC S7 300 CPU 313C-2DP

 Màn hình giao tiếp HMI – TP 177A

 Nút bấm, khóa điện, chuyển mạch, đèn báo

Hình 1.8 Màn hình giám sát TP 177A và PLC S7 300

3.5 Nguyên lý hoạt động của MINICIM

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mô hình hệ thống CIM.

Ban đầu, phôi được vận chuyển đến và xếp đầy module cấp phôi Khi hệ thốnghoạt động, phôi được vận chuyển sang module trung tâm gia công để gia công

lỗ Sau khi gia công xong, tất cả sẽ được chuyển sang module lắp ráp Tại đây,phôi sẽ được lắp ráp thêm một chi tiết có sẵn và được chuyển sang module phânloại sản phẩm Ở module này, một camera kỹ thuật số sẽ phân biệt thành phầm

và phế phẩm Phế phẩm sẽ bị loại bỏ, thành phẩm sẽ được module vận chuyểnchuyển sang module kho chứa để lưu trữ

B CẤU TRÚC HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN TRONG CIM

Một cách tổng quát CIM có thể được hiểu là một chiến lược để đạt được mụcđích thị trường của nhà máy Đó là một khái niệm dùng để chỉ một phương thứcsản xuất tiên tiến dựa trên những thành tựu của công nghệ thông tin CIM chophép thiết lập nên một hệ thống sản xuất toàn cầu có khả năng đáp ứng nhanhnhất nhu cầu của thị trường, đạt được hiệu quả kinh tế cao, ứng dụng nhanhchóng các sáng kiến và các công nghệ mới vào sản xuất CIM chính là hướngphát triển tất yếu của sản xuất hiện nay Tuy vậy việc áp dụng CIM vào sản xuấtcũng gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt là đối với nền sản xuất còn yếu của ViệtNam Để áp dụng được CIM vào sản xuất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, đó làkhả năng tài chính của nhà sản xuất, năng lực của người lao động, năng lực quản

lý, khả năng tiếp cận với công nghệ mới…Đặc biệt là CIM phải được áp dụngmột cách đồng bộ và triệt để Vì chỉ khi nào được áp dụng đồng bộ và triệt để thìCIM mới thực sự phát huy được tối đa những lợi thế mà nó mang lại so vớinhững công nghệ sản xuất khác

Đối với lĩnh vực sản xuất nói riêng CIM được hiểu là một hệ thống sản xuấttự động toàn phần Tất cả các bộ phận của hệ thống đều được tích hợp và điềukhiển qua phần mềm tích hợp Một hệ thống CIM cơ bản bao gồm các máyCNC, robot, hệ thống vận chuyển tích trữ, kho chứa, hệ thống kiểm tra và hệthống điều khiển

Cảm biến ngoại biến nộiCảm

Hệ thống điều khiển

Hệ thống truyền dẫn động

Dụng cụ thao tác Máy tính

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống CIM

1 Robot.

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứngdụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất Đặc biệt là trong các hệthống CIM, tính tự động hoá của hệ thống sản xuất tích hợp và yêu cầu linh hoạttrong việc thay đổi sản phẩm đòi hỏi ứng dụng một số lượng lớn các robot côngnghiệp thực hiện các chức năng chủ yếu như cấp phôi cho các trung tâm giacông, gắp các chi tiết ra sau khi đã gia công, thực hiện quá trình vận chuyểnphôi, lắp ráp tự động

Hình 1.11 Robot trong hệ thống CIM

Để tiêu chuẩn hoá công việc thiết kế, Robot được chia làm ba phần chính:nguồn cung cấp năng lượng, bộ điều khiển và phần tay máy Mỗi phần trong baphần chính trên bao gồm nhiều bộ phận và các bộ phận có thể biến đổi để đápứng tiêu chuẩn và các thông số thiết kế của mỗi Robot nhất định.

Tuỳ theo chỉ tiêu phân loại có thể có rất nhiều kiểu phân loại robot

- Phân loại theo số bậc tự do: Robot 1, 2, 3, bậc tự do

- Phân loại theo hệ năng lượng:

+ Robot hoạt động theo năng lượng điện

+ Robot hoạt động theo năng lượng thuỷ lực

+ Robot hoạt động theo năng lượng khí nén

+ Robot hoạt động theo năng lượng mặt trời

- Phân loại theo phương pháp điều khiển:

+ Robot có điều khiển số (CNC)

+ Robot có điều khiển logic khả trình (PLC)

+ Robot có điều khiển trí tuệ nhân tạo

+ Robot có điều khiển thích nghi

- Phân loại theo hệ truyền động: Phục thuộc vào nguồn động lực ta có thểphân ra:

+ Robot với truyền động gián tiếp

+ Robot với truyền động trực tiếp

- Phân loại theo cấp chính xác:

+ Cấp chính xác tuyệt đối

+ Cấp chính xác lặp lại

1.1 Ứng dụng robot công nghiệp trong hệ thống CIM

Robot là thành phần không thể thiếu trong hệ thống CIM Các robot có khảnăng thực hiện nhiều công việc khác nhau với tính linh hoạt cao và độ chính xácđảm bảo yêu cầu

Trong hệ thống sản xuất CIM, các nguyên công chính được thực hiện tự độngtrên các trung tâm gia công là các máy CNC Các nguyên công phụ như cấp,tháo phôi trên máy CNC, đưa chi tiết từ vị trí này đến vị trí kia trong hệ thốngsản xuất, được thực hiện nhờ các robot công nghiệp Các robot này thực hiệncác nguyên công : gắp phôi từ các kho chứa, vận chuyển và gá đặt chúng tạivùng gia công, sau đó lại tháo các chi tiết đã gia công, vận chuyển và xếp chúngvào thùng chứa hoặc các trạm trung gian để thực hiện các nguyên công tiếptheo Ngoài ra, trong hệ thống CIM các robot công nghiệp còn được ứng dụngrộng rãi để thực hiện các công đoạn lắp ráp tự động hay ứng dụng trong các quátrình kiểm tra sản phẩm trong dây chuyền sản xuất

Số lượng các robot, độ chính xác và tính vạn năng của các robot trong hệthống CIM cần phải được xác định một cách hợp lý để đảm bảo năng suất vàhiệu quả kinh tế của hệ thống Các robot có độ chính xác và tính vạn năng cànglớn giá thành sẽ càng cao nhưng bù lại chúng có khả năng thực hiện các côngviệc phức tạp với độ chính xác cao, chỉ cần một robot cũng có thể phục vụ đượcnhiều loại máy CNC cùng lúc và ít phải hiệu chỉnh robot khi chi tiết gia côngthay đổi Đối với những công việc thực hiện tại chỗ cố định và mang tính lặp lạithì nên lựa chọn những robot chuyên môn hóa, các loại robot này có năng suấtlàm việc cao và giá thành không quá đắt

1.2 Các yêu cầu đối với các robot hoạt động trong hệ thống CIM.

Để đáp ứng các yêu cầu hoạt động trên trong hệ thống CIM các robot côngnghiệp cần có những tính năng sau:

- Thực hiện các nguyên công một cách tự động

- Dễ điều chỉnh khi thay đổi đối tượng sản xuất bằng cách thay đổi chươngtrình lập cho robot Có khả năng thực hiện nhiều công việc với nhiều loại chitiết khác nhau

- Phải được kết nối vào mạng truyền thông của hệ thống

- Có khả năng thực hiện các thao tác một cách nhẹ nhàng với độ chính xáccao

- Đảm bảo làm việc ổn định theo chu trình trong thời gian dài

- Có khả năng trang bị thiết bị kiểm tra tự động chất lượng gia công và cóphần mềm lập trình riêng

Các yêu cầu này chỉ mang tính tổng quát, đối với các nhiệm vụ cụ thể thì cácyêu cầu đối với robot phải thay đổi để phù hợp với công việc và tăng hiệu quảkinh tế khi sử dụng

2 Hệ thống vận chuyển sản phẩm.

Hệ thống vận chuyển sản phẩm có nhiệm vụ vận chuyển phôi, trong quá trình

di chuyển giữa các nguyên công trong quy trình công nghệ

2.1 Thiết bị kỹ thuật của hệ thống vận chuyển.

Thiết bị kỹ thuật của hệ thống vận chuyển chia làm 2 nhóm: nhóm thiết bịchính, nhóm thiết vị phụ

- Nhóm thiết bị chính:

+ Các robot vận chuyển

+ Các cơ cấu vận chuyển bằng khí nén

+ Các máy tính

+ Các trạm điều khiển

- Nhóm thiết bị phụ:

+ Các cơ cấu định hướng

+ Các cơ cấu xác định địa chỉ (xác định vị trí)

+ Các cơ cấu tháo, gạt

2.2 Hệ thống vận chuyển chi tiết gia công của CIM

2.2.1 Chức năng của hệ thống vận chuyển chi tiết gia công

Hệ thống vận chuyển chi tiết gia công của CIM thực hiện các chức năng sau:

- Vận chuyển các chi tiết gia công (phôi) từ trạm phân loại đến kho chứa.Sau khi sản phẩm được lắp ráp hoàn thiện và đi qua trạm phân loại, một tín hiệu

sẽ được bật lên để gọi cánh tay robot hoạt động, cánh tay robot di chuyển vềphía sản phẩm cần gắp Cánh tay khí nén di chuyển bằng cơ cấu khí nén đượcđiều khiển chính xác tại vị trí của sản phẩm Sau khi kẹp được sản phẩm, tay khínén di chuyển về phía kho chứa và đặt sản phẩm sang trạm kho chứa.

2.2.2 Phân loại hệ thống vận chuyển chi tiết

Hệ thống vận chuyển chi tiết được thiết kế chủ yếu theo 3 phương án: loạigiá tích trữ với máy xếp đống, loại băng tải tích trữ và phương án tổ hợp (gồmbăng tải tích trữ và giá tích trữ với máy xếp đống được treo thêm giá hoặc các xetời di chuyển trên đường ray)

Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số hệ thống vận chuyển có dung lượngvừa và nhỏ dùng cho các vệ tinh của Nhật Bản và Hoa Kỳ được lắp đặt cạnh cácmáy CNC nhiều nguyên công trong hệ thống CIM

Hình 1.12 Ổ tích vệ tinh với xe tời di động của hãng Hitachi Seiki(Nhật Bản) 1: Các vệ tinh ; 2: ổ tích ; 3: Đường ray ; 4: Xe tời di động ; 5: Máy nhiều

nguyên công ; 6: Cơ cơ cấu quay ; 7: Bàn quay.

Hình 1.12 là hệ thống vận chuyển (magazin) với xe tời di động của hãngHitachi eiki (Nhật Bản) Di chuyển các vệ tinh 1 từ các vị trí của ổ tích 2 tới cơcấu quay 6 để tự động thay đổi các vệ tinh trên máy nhiều nguyên công 5 và

ngược lại được thực hiện bằng xe tời di động 4 với truyền động bằng xích hoặcdây cáp Xe tời được trang bị cơ cấu tiếp nhận – cấp phát các vệ tinh và được dichuyển trên đường ray 3 Trong ổ tích có vị trí với bàn quay 7 được dùng để gá

và tháo các chi tiết gia công và để nối kết với cơ cấu vận chuyển bên ngoài hệthống CIM

Xe tời di động khác băng tải tích trữ ở chỗ là trên băng tải tích trữ tất cả cácvệ tinh được di chuyển cùng lúc, còn xe tời di động có thể chọn một vệ tinh bất

kỳ để cấp cho máy gia công Kết cấu của xe tời di động không phức tạp, đơngiản khi vạn hành và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống vận chuyển - tíchtrữ như một cơ cấu vận chuyển, đảm bảo mối liên kết giữa ổ tích (magazin) vệtinh và các chỗ làm việc của công nhân

Hệ thống vận chuyển với xe tời di động cho phép phục vụ một số máy nhiềunguyên công và có thể được sử dụng để vận chuyển nhiều loại chi tiết gia côngkhác nhau

Hình 1.13 Hệ thống vận chuyển-tích trữ vệ tinh trong CIM của ang Cincinnati

Milacron (Mỹ) 1: Băng tải tích trữ con lăn; 2: Cơ cấu quay; 3: Vị trí bàn bổ xung; 4: Các máy nhiều nguyên công; 5: Cơ cấu tiếp nhận-cấp phát; 6: ổ tích

con lăn phụ trợ; 7: Vị trí cấp chi tiết; 8: Vị trí tháo chi tiết.

Hình 1.13 là hệ thống vận chuyển - tích trữ với băng tải tích trữ trongCIM của hãng Cincinnati Milacron (Hoa Kỳ) Hệ thống CIM này có 4 máy CNCnhiều nguyên công 4 và hệ thống vận chuyển - tích trữ các vệ tinh với băng tải

tích trữ con lăn 1 khép kín và các ổ tích con lăn phụ trợ giảm xung 6 đặt cạnhmỗi máy của CIM Ngoài ra mỗi máy còn có trên bàn một vị trí chờ bổ xung 3cho vệ tinh, nó cho phép giảm thời gian dừng của máy khi thay đổi vệ tinh.

Di chuyển vệ tinh từ các nhánh dọc của ang tải sang các nhánh ngang và từ"các nhánh ngang sang các nhánh dọc được thực hiện bằng các cơ cấu quay 2 Dichuyển của vệ tinh từ các ổ tích giảm xung sang vị trí chờ của máy và ngược lạiđược thực hiện nhờ các cơ cấu tiếp nhận – cấp phát 5 đựpc đặt đối diện các vị tríchờ của các máy Băng tải tích trữ trung tâm có các nhánh tạo thành một bộ phậnvới các vị trí cấp chi tiết 7 và tháo chi tiết 8

Là một chiến lược và là một khái niệm để đạt các mục đích thị trường củamột nhà máy

2.2.3 Nhiệm vụ và chức năng của hệ thống vận chuyển sản phẩm.

- Tự động vận chuyển sản phẩm sau khi đã được phân loại từ trạm phân loạiđến kho chứa

Lưu đồ nhiệm vụ của đề tài:

Hình 1.14 Lưu đồ nhiệm vụ làm việc của đề tài

Kết luận chương I:

1 Tìm hiểu được khái niệm ứng dụng của CIM

Có tín hiệu báo có phôi

Cánh tay robot

di chuyển về bên cấp phôi

Gắp vật

Cánh tay robot

di chuyển về bên kho chứa

Nhả vật

2 Nhận biết được tầm quan trọng của hệ thống đối với thực tế đờisống cũng như trong nghiên cứu giảng dạy

3 Tìm hiểu nhiệm vụ và phạm vi ứng dụng cử đề tài

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ THIẾT KẾ ROBOT VẬN CHUYỂN CHO HỆ THỐNG.

1 Khái niệm về Robot.

1.1 Các thành phần cơ bản của MINICIM.

Robot và Robotics

Sơ lượt quá trình phát triển của robot công nghiệp (IR : Industrial Robot) :

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công

việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào

năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ranhững chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó làmột gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắtchước các hoạt động cơ bắp của con người

Vào những năm 40 nhà viết văn viễn tưởng người Nga Issac Asimov mô

tả Robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều

khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Pisitron, do chính con người lập trình.

Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về Robot là Robotics, trong đó

có 3 nguyên tắc cơ bản sau:

- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho conngười

- Hoạt động của robot phải tuân theo các nguyên tắc do con người đặt ra.Các nguyên tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất

- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình và không được vi phạm hainguyên tắc trước

Các nguyên tắc này đã trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot sau này.Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF ( American Machine and FoundryCompany ) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máycông nghiệp” ( Industrial Robot ) Ngày nay người ta đặt tên người máy côngnghiệp ( hay robot công nghiệp ) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài

chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tácsản xuất

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hailĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa(Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số ( NC - Numerically Controlledmachine tool )

Các cơ cấu điều khiển từ xa ( hay các thiết bị kiểu chủ - tớ ) đã phát triểnmạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng

xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường cómột hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơcấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộkẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộkẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí vàhướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theochuyển động của tay cầm

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp

ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số

Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển củangười máy công nghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chếtạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở

Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh-1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971;Pháp - 1972; ở Ý - 1973

Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năngnhận biết và xử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chếtạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết vàđịnh hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty MỹCincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3

(The Tomorrow Tool : Công cụ của tương lai) Robot nầy có thể nâng được vật

có khối lượng đến 40 KG

Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơcấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thốngđiều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến,công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia

Trong những năm sau nầy, việc nâng cao tính năng hoạt động của robotkhông ngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khácnhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớntrong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năngđăc biệt Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy,robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiệnđại

Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước côngnghiệp phát triển như sau :

Để hoàn thành những nhiệm vụ trên thì Robot cần có khả năng cảm nhậncác thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự conngười:

- Khả năng hoạt động của Robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm

cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc Việc thiết kế

và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấphành và vật liệu cơ khí

- Chức năng cảm nhận của Robot gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môitrường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến ( sensor ) và cácthiết bị khác đảm nhiệm Hệ thống này gọi là hệ thống thu nhận và xử lý số liệuhay hệ thống cảm biến

- Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên và Robot hoạt động theođúng chức năng mong muốn của con người thì robot phải có hệ thống điềukhiển

Như vậy, Robotics có thể hiểu là một ngành khoa học, có nhiệm vụ

nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học -

kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.

Từ chức năng và kết cấu của robot thì robot là một sản phẩm của ngành

cơ điện tử ( Mechatronics )

Robot được sử dụng để thay thế con người trong những công việc như:

- Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyênvật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà,

- Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: ngoài khoảng không vũtrụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độcao,

- Những việc đòi hỏi độ chính xác cao: lắp ráp các cấu tử trong các vimạch,

1.2Robot công nghiệp.

Ngày nay, hầu hết các robot đều được dùng trong công nghiệp Chúng cóđặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thống nhất hoá và thương mạihoá rộng rãi Và được gọi là Robot công nghiệp ( Industrial Robot - IR ).

Robot công nghiệp có 2 đặc trưng cơ bản:

- Là thiết bị vạn năng được tự động hoá theo chương trình và có thể lậptrình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ tiếp theo

- Được ứng dụng trong các trong những trường hợp mang tính côngnghiệp đặc trưng như vận chuyển, xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường,

Dựa theo 2 đặc trưng cơ bản trên mà hiện nay RBCN được định nghĩanhư sau:

RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ và các thiết bị chuyên dùng khác.

Ngoài ra, định nghĩa trong IOCT 25686-85 còn bổ xung cho RBCN chứcnăng điều khiển trong quá trình sản xuất:

RBCN là máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thánh các chức năng vận động

và điều khiển trong quá trình sản xuất.

1.3 Bậc tự do của Robot ( DOF: Degrees of Freedom ).

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu ( chuyển động quayhoặc tịnh tiến ) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấphành của robỏ phải đạt được một số bậc tự do Nói chung, cơ hệ của robot làmột cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:

Trong đó:

n: số khâu động

pi: số khớp loại i ( i = 1,2,3,4,5: số bậc tự do bị hạn chế )

Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặctịnh tiến ( khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động Đối với cơcấu hở, số bậc tự do bằng số bậc tự do của các khớp động.

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trongkhông gian ba chiều thì robot cần 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và

3 bậc tự do để định hướng Một sô công việc đơn giản như nâng hạ, sắp xếp cóthể yêu cầu số bậc tự do ít hơn Các robot hàn, sơn, thường yêu cầu 6 bậc tự

do Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưuhoá quỹ đạo người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6

1.4 Hệ toạ độ ( coordinate frames ).

Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu ( links ) liên kết với nhau qua cáckhớp ( joints ), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản( base ) đứng yên Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản đó gọi là hệ toạ độ cơ bản( hay hệ toạ độ chuẩn ) Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu độnggọi là hệ toạ độ suy rộng Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộngxác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góccủa các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biếnkhớp

Hình 2.1:Các tọa độ suy rộng của robot.

Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tayphải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón:ngón cái, trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là

phương và chiều của trục Z thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục X còn ngóngiữa chỉ phương và chiều của trục Y.

Hình 2.2 Qui tắc bàn tay phải.

Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trênkhâu thứ n Như vậy hệ toạ độ cơ bản ( hệ toạ độ gắn với khâu cố định ) sẽ được

ký hiệu là O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1,O2, O

n-1 Hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On

1.5 Trường công tác của robot ( Workspace or range of motion ).

Trường công tác ( hay vùng làm việc, không gian công tác ) của robot làtoàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả cácchuyển động có thể Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học củarobot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp Ví dụ, một khớp quay cóchuyển động nhỏ hơn một góc 3600 Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô

tả trường công tác của một robot

Hình 2.3 Biểu diễn trường công tác của robot.

1.6 Kêt cấu chung của Robot công nghiệp.

Một RBCN được cấu thành từ các hệ thống sau:

- Tay máy ( Manipulator ): là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúnghình thành cánh tay để thực hiện các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéoléo, linh hoạt và bàn tay ( End Effector ) để hoàn thành các thao tác trên đốitượng

- Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồnđộng lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuỷ lực, khí nén,

- Hệ thống cảm biến: gồm cá sensor và các thiết bị chuyển đổi tín hiệukhác Các robot cần hệ thống cảm biến để nhận biết trạng thái của môi trường( sensor ngoài ) và trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot ( sensor trong )

- Hệ thống điều khiển ( controller ): máy tính để giám sát và điều khiểnhoạt động của robot

* Kết cấu của tay máy.

Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot côngnghiệp Đó là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trongkhông gian và khả năng làm việc như nâng hạ vật, lắp ráp, Tay máy khôngnhất thiết phải được thiết kế và chế tạo phỏng theo chức năng của tay người.Ngày nay, tay máy rất đa dạng và có nhiều loại khác xa tay người Trong kỹthuật người ta dùng các thuật ngữ như vai ( shoulder ), cánh tay ( arm ), bàn tay (hanhd ), các khớp ( articulations ), để chỉ tay máy và các bộ phận của nó

Khi thiết kế và sử dụng tay máy người ta quan tâm đến các thông số cóảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của chúng như:

- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của chúng,

- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phầncông tác có thể với tới

- Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công táctrong vùng làm việc Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác

Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu được nốivới nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến

phần công tác Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay Tuỳtheo số lượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra tay máy kiểu toạ độĐêcác, toạ độ trụ, toạ độ cầu, SCARA, kiểu tay người:

- Tay máy kiểu toạ độ Đêcác: dùng 3 khớp trượt, cho phép phần công tácthực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục Vùnglàm việc của tay máy có dạng hình chữ nhật Kết cấu tay máy đơn giản nên có

độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làmviệc, nhưng ít khéo léo Tay máy kiểu này dùng để vận chuyển và lắp ráp

Hình 2.4 Robot kiểu tọa độ Đề các

- Tay máy kiểu toạ độ trụ: dùng 1 khớp quay và 2 khớp trượt Vùng làmviệc của nó có dạng hình trụ rỗng Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy "thò " được vào khoang rỗng nằm ngang Độ cứng vững cơ học của tay máy trụtốt, thích hợp với tải nặng nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằmngang giảm khi tầm với tăng

Hình 2.5 Robot kiểu tọa độ trụ.

- Tay máy kiểu toạ độ cầu: dùng 2 khớp cầu và 1 khớp trượt Vùng làmviệc của nó là khối cầu rỗng Độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với