Thiết kế và chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng khí nén ứng dụng cho dây chuyền tự động

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2018 TÊN CƠNG TRÌNH: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN ỨNG DỤNG CHO DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ CHUYÊN NGÀNH: Kỹ thuật cơng nghệ Mã số cơng trình: …………………………… i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH ii TÓM TẮT ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài 2 Mục tiêu nghiên cứu .2 Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu .2 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn, quy mô phạm vi áp dụng PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP Mục tiêu .5 Phương pháp PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN .6 Kết thiết kế nguyên lý hoạt động hệ thống Kết thiết kế tay máy gắp sản phẩm Kết thi công sản phẩm tay máy robot : gia cơng, lắp ráp, lập trình .9 PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 18 Kết luận .18 Đề xuất kiến nghị 18 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Bản vẽ lắp tay máy robot Hình Sơ đồ mạch khí nén điều khiển tay máy Hình Biểu đồ trạng thái bảng tín hiệu điều khiển xilanh tay máy Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình Hình thiết kế 3D tay máy Hình Hình ảnh thực tế tay máy hồn chỉnh 10 Hình Hình ảnh thực tế tay máy hồn chỉnh (nhìn từ phía sau) 10 Hình Bản vẽ chi tiết khung sườn 11 Hình Bản vẽ chi tiết thân Robot 11 Hình 10 Bản vẽ chi tiết ổ trượt 12 Hình 11 Bản vẽ chi tiết chi tiết giữ xi lanh A 12 Hình 12 Bản vẽ chi tiết giữ xi lanh B 13 Hình 13 Bản vẽ chi tiết ổ đỡ 13 Hình 14 Bản vẽ chi tiết tay quay 14 Hình 15 Cấu trúc vi điều khiển Arduino Mega 2560 14 Hình 16 Kết nối vi điều khiển relay 15 TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động khí nén phục vụ dây chuyền sản xuất tự động Tay máy thay cho người hệ thống sản xuất, giúp nâng cao độ tin cậy, suất dây chuyền, giảm thiểu tai nạn lao động Tay máy có bậc tự Tay máy gồm chuyển động xoay, trượt, trượt Mỗi chuyển động truyền động xylanh khí nén Hoạt động tự động tay máy điều khiển chip vi điều khiển ATMega Tay máy sau tính tốn, thiết kế, chế tạo lắp ráp hoạt động tốt 2 ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài Cơng nghiệp hố đại hố giúp cho cơng nghiệp tăng suất từ tạo nhiều sản phẩm có chất lượng giá thành phù hợp Một thiết bị quan trọng hệ thống sản xuất tự động tay máy robot Tay máy giúp tăng suất, giảm thiểu tai nạn lao động thay người làm việc môi trường độc hại, khắc nghiệt Tay máy robot truyền động nhiều dạng lượng khác nhau: thuỷ lực, khí nén, điện Tuỳ vào mức độ tinh vi ứng dụng nguồn truyền động có ưu điểm khác Trong dây chuyền lắp ráp, vận chuyển linh kiện, thiết bị tay máy truyền động khí nén thể có nhiều ưu điểm tay máy truyền động dạng lượng khác lý sau sạch, đáp ứng nhanh, dễ cung cấp, dễ chế tạo Tay máy gắp sản phẩm sản xuất nhiều giới giá thành cao, đề tài thực việc thiết kế chế tạo tay máy với giá thành thấp nhiều chủ động phát triển công nghệ nước Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu Tính tốn, thiết kế, chế tạo tay máy ứng dụng dây chuyền sản xuất tự động Việt Nam Đối tượng nghiên cứu Tay máy gắp sản phẩm truyền động khí nén Phạm vi nghiên cứu Tay máy gắp sản phẩm truyền động khí nén Việt Nam Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn, quy mô phạm vi áp dụng Ý nghĩa khoa học: thiết kế, chế tạo tay máy robot ứng dụng dây chuyền tự động nhằm nâng cao suất dây chuyền, giảm thiểu tai nạn lao động Ý nghĩa thực tiễn: giải vấn đề thiếu nguồn nhân lực phục vụ lĩnh vực sản xuất 3 PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Tay máy robot nghiên cứu ứng dụng dây chuyền tự động [18] Ưu điểm tay máy khả định vị xác, lặp lại xác thay đổi chương trình cho phù hợp với dòng sản phẩm dây chuyền sản xuất Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, kết cấu khí robot, cảm biến trang bị, chương trình thiết kế tương ứng phù hợp Trong ứng dụng gắp đặt đơn giản, tay gắp robot truyền động khí nén sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm dễ chế tạo, đáp ứng nhanh, đơn giản giá thành rẻ phù hợp ứng dụng đơn giản [5-7] Có nhiều kiểu thiết kế cấu trúc khí tay gắp robot nghiên cứu trình bày tài liệu [3] Tay gắp bậc tự có vùng khơng gian làm việc khối hình hộp cấu trúc kiểu toạ độ trụ Tuỳ ứng dụng mà cấu trúc khí thiết kế cho phù hợp [3] Hướng nghiên cứu chế tạo tay máy khí nén gắp sản phẩm nghiên cứu nhiều trường đại học ứng dụng cho dây chuyền ép nhựa công ty sản xuất sản phẩm nhựa Chế tạo, điều khiển tay máy sản phẩm nhựa PLC, kết hợp truyền động điện khí nén thực nhóm nghiên cứu TS Lê Hoài Quốc ĐH Bách Khoa TP.HCM năm 2003 Chế tạo điều khiển PLC tay gắp sản phẩm nhựa thực trường ĐH Bách Khoa ThS Võ Anh Huy chủ trì năm 2002 Năm 2007, đề tài “Ứng dụng camera điều khiển tay máy gắp sản phẩm nhựa” đoạt giải ba giải thưởng Vifotec năm 2006, giải ba giải thưởng SV nghiên cứu khoa học Bộ Giáo dục - đào tạo TS Bùi Thanh Luân hướng dẫn Tự động hoá trình sản xuất giúp tăng suất trình sản suất, giảm thiểu sức lao động người, giảm thiểu tai nạn lao động Một ví dụ điển hình tay máy gắp sản phẩm máy ép nhựa thiết kế chế tạo nhằm mục đích thay người lao động công đoạn sử dụng tay để lấy sản phẩm khỏi khuôn ép Áp dụng tay máy tự động lấy sản phẩm loại bỏ nguy an tồn lao động người cơng nhân trực tiếp lấy sản phẩm từ khuôn ép, đồng thời tăng tần suất hoạt động máy ép, giảm chi phí th nhân cơng Vì lý trên, thiết kế chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động khí nén điều khiển sử dụng chip vi điều khiển thực cần thiết sản xuất mang lại lợi ích kinh tế sử dụng thực tế 5 PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP Mục tiêu - Thiết kế kết cấu khí tay máy đáp ứng yêu cầu gắp vật, thả vật dây chuyền sản xuất tự động Từ xây dựng vẽ thiết kế tay máy - Chế tạo kết cấu khí tay máy dựa vẽ thiết kế Thiết kế thi công điều khiển hoạt động tay máy Lắp ráp hoàn thiện tay máy - Chạy thử kiểm tra xác, hiệu quả, độ an toàn tay máy người thiết bị xung quanh môi trường sản xuất tự động Phương pháp - Phương pháp tính tốn lý thuyết áp dụng việc tính kết cấu tay máy - Phương pháp thiết kế khí sử dụng phần mềm Autocad - Phương pháp chế tạo chi tiết máy lắp ráp máy - Nghiên cứu lập trình hệ thống điện điều khiển tay máy chuyển động - Phương pháp kiểm tra đánh giá độ tin cậy tay máy 6 PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN Kết thiết kế nguyên lý hoạt động hệ thống Định hướng ứng dụng tay máy dùng để gắp thành phẩm sản xuất công nghiệp sản phẩm làm từ khuôn nhựa, sản phẩm sau đúc tay máy gấp chuyển trực tiếp vào thùng chứa Cánh tay robot ứng dụng rộng rãi sản xuất công nghiệp, giúp giảm bớt việc sử dụng sức lao động người vào trình sản xuất, cao suất hiệu công việc Nguyên lý hoạt động: tay máy bậc tự truyền động xylanh khí nén (xem hình 1): xylanh 8, xylanh 7, xylanh Xylanh duỗi truyền động khung xoay quanh trục Xylanh duỗi đưa phận tay kẹp tác động cuối xuống Xylanh điều khiển cụm xylanh di chuyển qua trái - phải Chuyển động xylanh điều khiển van khí nén tác động cuộn từ Sơ đồ mạch khí nén thể hình Một ứng dụng điển hình gắp sản phẩm thể biểu đồ trạng thái hoạt động hệ thống hình Kích thước bao tay gắp theo chiều dài x rộng x cao 485 x 160 x 563 (mm) Hình Bản vẽ lắp tay máy robot Hình Sơ đồ mạch khí nén điều khiển tay máy Hình Biểu đồ trạng thái bảng tín hiệu điều khiển xilanh tay máy Kết thiết kế tay máy gắp sản phẩm Sơ đồ khối kết nối hệ thống tay máy thể hình Cụm nguồn cung cấp điện cho toàn hệ thống hoạt động, điều khiển Arduino bật tắt relay tương ứng để đóng ngắt valve khí nén điều khiển hoạt động cấu chấp hành xylanh khí nén Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Kết cấu tay máy thiết kế 3D sử dụng phần mềm Solidwork Hình mơ tả mơ hình 3D tay máy 9 Hình Hình thiết kế 3D tay máy Kết thi công sản phẩm tay máy robot : gia cơng, lắp ráp, lập trình Kết gia công chế tạo sản phẩm thực tế thể hình 6, Vật liệu chế tạo chi tiết khí thép Bản vẽ gia cơng chi tiết thể hình 8-14 10 Hình Hình ảnh thực tế tay máy hồn chỉnh Hình Hình ảnh thực tế tay máy hồn chỉnh (nhìn từ phía sau) 11 Hình Bản vẽ chi tiết khung sườn Hình Bản vẽ chi tiết thân Robot 12 Hình 10 Bản vẽ chi tiết ổ trượt Hình 11 Bản vẽ chi tiết chi tiết giữ xi lanh A 13 Hình 12 Bản vẽ chi tiết giữ xi lanh B Hình 13 Bản vẽ chi tiết ổ đỡ 14 Hình 14 Bản vẽ chi tiết tay quay Bộ điều khiển hoạt động tay máy vi điều khiển thiết kế sẵn module Arduino Mega 2560 Sơ đồ chân mạch điều khiển thể hình 15 Sơ đồ kết nối dây giữ mạch Arduino module relay thể hình 16 Hình 15 Cấu trúc vi điều khiển Arduino Mega 2560 15 Hình 16 Kết nối vi điều khiển relay Chi tiết kết nối đầu mạch Arduino mạch module relay sau: - Modul relay kênh (kích mức 0) - Chân VCC relay nối với chân V Arduino - Chân GND relay nối với chân GND Arduino - Các chân để xuất tín hiệu điều khiển từ mạch Arduino sang Module relay xếp theo thứ tự sau: o Chân số 13 Arduino nối với chân IN1 Module relay để điều khiển cuộn coid Valve số o Chân số 12 Arduino nối với chân IN2 Module relay để điều khiển cuộn coid Valve số o Chân số 11 Arduino nối với chân IN3 Module relay để điều khiển cuộn coid Valve số o Chân số 10 Arduino nối với chân IN4 Module relay để điều khiển cuộn coid Valve số o Chân số Arduino nối với chân IN5 Module relay để điều khiển cuộn coid Valve số o Chân số Arduino nối với chân IN6 Module relay để điều khiển cuộn coid Valve số o Chân số Arduino nối với chân IN7 Modul relay để điều khiển cuộn coid Valve số 16 o Chân số Arduino nối với chân IN8 Modul relay để điều khiển cuộn coid Valve số Chương trình điều khiển hoạt động tay máy viết dựa ngơn ngữ lập trình C máy tính Sau nạp vào chip vi điều khiển Chương trình chip vi điều khiển vận hành hoạt động tay máy Chương trình điều khiển hoạt động gấp sản phẩm cánh tay robot thể chi tiết sau: void setup() { // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output pinMode(13, OUTPUT); //Thiết lập chân số 13 mạch chân xuất tín hiệu pinMode(12, OUTPUT); //Thiết lập chân số 12 mạch chân xuất tín hiệu pinMode(11, OUTPUT); //Thiết lập chân số 11 mạch chân xuất tín hiệu pinMode(10, OUTPUT) //Thiết lập chân số 10 mạch chân xuất tín hiệu pinMode(9, OUTPUT); //Thiết lập chân số mạch chân xuất tín hiệu pinMode(8, OUTPUT); //Thiết lập chân số mạch chân xuất tín hiệu pinMode(7, OUTPUT); //Thiết lập chân số mạch chân xuất tín hiệu pinMode(6, OUTPUT); //Thiết lập chân số mạch chân xuất tín hiệu } // the loop function runs over and over again forever void loop() { digitalWrite(13, 1); //Tắt cuộn coil số valve delay(500); //delay 0.5 giây digitalWrite(12, 1); //Tắt cuộn coil số valve delay(500); //delay 0.5 giây digitalWrite(11, 1); //Tắt cuộn coil số valve delay(500); //delay 0.5 giây digitalWrite(10, 1); //Tắt cuộn coil số valve delay(500); //delay 0.5 giây digitalWrite(9, 1); //Tắt cuộn coil số valve delay(500); //delay 0.5 giây digitalWrite(8, 1); //Tắt cuộn coil số valve delay(500); //delay 0.5 giây digitalWrite(7, 1); //Tắt cuộn coil số valve delay(500); //delay 0.5 giây digitalWrite(6, 1); //Tắt cuộn coil số valve delay(3000); //delay giây digitalWrite(10, 0); // Cuộn coil Valve bật cho xi lanh rút tay máy 17 delay(1000); //delay giây digitalWrite(13, 0); //Cuộn coil valve bật cho tay máy xuống sản phẩm delay(1000); //delay giây digitalWrite(6, 0); // Cuộn coil valve bật cho xi lanh kẹp chặt sản phẩm delay(1000); //delay giây digitalWrite(13, 1); //Cuộn coil valve tắt để cuộn coid bật delay(10); //delay giây digitalWrite(12, 0); //Cuộn coil valve bật cho tay máy lên delay(1000); //delay giây digitalWrite(10, 1); //Cuộn coil valve tắt để cuộn coid bật delay(10); //delay giây digitalWrite(11, 0); //Cuộn coil valve bật cho xilanh delay(1000); //delay giây digitalWrite(9, 0); //Cuộn coil valve bật cho tay xilanh tay máy xoay delay(1000); //delay giây digitalWrite(12, 1); // Cuộn coil valve tắt để cuộn coid bật delay(10); //delay giây digitalWrite(13, 0); // Cuộn coil valve bật cho tay máy xuống gần thùng chứa sản phẩm delay(1000); //delay giây digitalWrite(6, 1); // Cuộn coil valve tắt để cuộn coi bật delay(10); //delay giây digitalWrite(7, 0); //Cuộn coil valve bật cho xi lanh để thả sản phẩm vào thùng chứa delay(1000); //delay giây digitalWrite(13, 1); //Cuộn coil valve tắt để cuộn coid bật delay(10); //delay giây digitalWrite(12, 0); //Cuộn coil valve bật cho tay máy lên delay(1000); //delay giây digitalWrite(9, 1); // Cuộn coil valve tắt để cuộn coi bật delay(10); //delay giây digitalWrite(8, 0); // Cuộn coil valve bật cho xi lanh rút xoay tay máy vị trí ban đầu delay(3000); //delay giây } 18 PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ Kết luận Đề tài thực việc tính tốn, thiết kế chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động khí nén Tay máy có bậc tự do, bậc tự truyền động xylanh khí nén Hoạt động tay máy điều khiển mạch Arduino (chip vi điều khiển ATmega) Tay máy sau chế tạo lắp ráp hoạt động yêu cầu thiết kế Tốc độ chuyển động điều chỉnh cho phù hợp với ứng dụng công nghiệp Đề xuất kiến nghị Kết nối internet để điều khiển kiểm soát hoạt động tay gắp từ xa Truyền động cho chuyển động tay máy sử dụng động servo, điều khiển PID trục visme Động servo điều khiển PID giúp chuyển động đáp ứng nhanh, không vọt lố giảm tốc, dừng vị trí mong muốn 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO M VukobratovićD Stokić, Application of robots in assembly automation, Journal of Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 4, Issues 1-2, 1988, Pages 175-180 KeshengWangTerje K.Lien , The structure design and kinematics of a robot manipulator—I Theory, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 5, Issues 2–3, 1989, Pages 153-158 Craig, J.J., "Introduction to Robotics, Mechanics and Control", 2^ Edition, AddisonWesley, 1989 Sciavicco, L., and Siciliano, B., "Modeling and Control of Robot Manipulators"2nd Edition, McGraw-Hill, 1996 Mohd Aliff, Shujiro Dohta, Tetsuya Akag,i Hui Li, Development of a Simple- structured Pneumatic Robot Arm and its Control Using Low-cost Embedded Controller, Sciencedirect, Procedia Engineering, Volume 41, 2012, Pages 134-142 S Maeda, N Tsujiuchi, T Koizumi, M Sugiura and H Kojima, "Development and control of pneumatic robot arm for industrial fields," IECON 2011 - 37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Melbourne, VIC, 2011, pp 86-91 G Carducci Mario, Massimo Foglia ,Angelo Gentile ,Nicola Ivan, Giannoccaro A Messina, “Pneumatic robotic arm controlled by on-off valves for automatic harvesting based on vision localization” ,January 2005 Swapnil Gurav, Chetan Bagul, Rahul Ramole, Pukhraj Patil, Prof Sneha Bire , “ Review on design and fabrication of pneumatic gripper for material handling”, Feb 2008 Milind R Shinde, V N Bhaiswar, B G Achmare ,“Designing a suitable robotic arm for loading and unloading of material on lathe machine using workspace simulation software” ,Jan-2016 20 10 S Premkumar,a, K.Surya Varman,b, R.Balamurugan, “Design and Implementation of multi handling Pick and Place Robotic Arm”, March 2016 11 Rakesh.N, Pradeep Kumar.A, Ajay.S, Design and Manufacturing of Low Cost Pneumatic Pick And Place Robot, International Journal of Scientific & Technology Research Volume 2, Issue 8, August 2013 12 M Kostadinović, M Stojčev, Z Bundalo and D Bundalo, 2010 ‘Simulation model of DC servo motor control,’ Proceedings of 14th Int Power Electronics and Motion Control Conf EPE-PEM, Ohrid, pp: T7-10 -T7-14 13 Wang Z., Chen Z., Zhang J 2012 ‘Servo Motor Position Control Based on DSP,’ In: Zhang T (eds) Mechanical Engineering and Technology Advances in Intelligent and Soft Computing, vol 125 Springer, Berlin, Heidelberg 14 M Md Kamal and N Mamat, 2009 ‘Controller design for servo motor,’ IEEE Symposium on Industrial Electronics & Applications, Kuala Lumpur, pp 926-929 15 Mạch vi điều khiển Arduino Mega: https://www.arduino.cc/ ... thiết kế, chế tạo tay máy ứng dụng dây chuyền sản xuất tự động Việt Nam Đối tượng nghiên cứu Tay máy gắp sản phẩm truyền động khí nén Phạm vi nghiên cứu Tay máy gắp sản phẩm truyền động khí nén. .. vẽ thiết kế tay máy - Chế tạo kết cấu khí tay máy dựa vẽ thiết kế Thiết kế thi công điều khiển hoạt động tay máy Lắp ráp hoàn thiện tay máy - Chạy thử kiểm tra xác, hiệu quả, độ an toàn tay máy. .. truyền động khí nén phục vụ dây chuyền sản xuất tự động Tay máy thay cho người hệ thống sản xuất, giúp nâng cao độ tin cậy, suất dây chuyền, giảm thiểu tai nạn lao động Tay máy có bậc tự Tay máy