Thiết kế và chế tạo tay máy 3 bậc tự do vuông góc nhỏ gọn ứng dụng trong dân dụng

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 BẬC TỰ DO VNG GĨC NHỎ GỌN ỨNG DỤNG TRONG DÂN DỤNG 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 Đối tượng nghiên cứu .2 Phạm vi nghiên cứu 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 .4 Phương pháp PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN .5 Kết thiết kế nguyên lý hoạt động hệ thống Kết thiết kế tay máy robot bậc tự Kết thi công sản phẩm tay máy robot : gia công, lắp ráp, lập trình .7 PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 13 Kết luận .13 Đề xuất kiến nghị 13 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Bản vẽ lắp tay máy robot Hình Kết cấu trục tay máy Hình Kết cấu trục tay máy Hình Kết cấu trục tay máy Hình Hình ảnh thực tế tay máy hoàn chỉnh Hình Hình ảnh thực tế mạch vi điều khiển R3 Hình Hình ảnh thực tế driver động bước TB6560 Hình Sơ đồ kết nối mạch điện mạch vi điều khiển Arduino UNO mạch công suất động bước TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu chế tạo tay máy đa mini truyền động điện ứng dụng dân dụng Tay máy thay cho người số thao tác, giúp nâng cao độ tin cậy, suất tiết kiệm thời gian củ người dân Tay máy có bậc tự Tay máy gồm chuyển động trượt, trượt, trượt Mỗi chuyển động truyền động trục visme, dẫn động động bước DC 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 hộ gia đình 2 ĐẶT VẤN ĐỀ Lý chọn đề tài Cơng nghiệp hố đại hố giúp cho cơng nghiệp tăng suất từ giúp đất nước phát triển Trong đất nước phát triển, người thường phải làm việc nhiều hơn, thời gian cơng ty, xí nghiệp nhiều nhà dẫn đến thực tế người thời gian làm việc nhà Một giải pháp cho vấn đề tự động hoá dân dụng, ứng dụng IoT vào sống Tay máy đa na8nng thay người đảm nhận nhiều công việc tương ứng với chương trình khác 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 ứng dụng dân dụng, tay máy truyền động điện thể có nhiều ưu điểm tay máy truyền động dạng lượng khác lý sau sạch, đáp ứng nhanh, dễ cung cấp, dễ chế tạo, đơn giản oan toàn cho người sử dụng Tay máy ứng dụng dân dụng 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 đời sống dân dụng Việt Nam Đối tượng nghiên cứu Tay máy đa ứng dụng dân dụng Phạm vi nghiên cứu Tay máy đa ứng dụng dân dụng 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 dân dụng giải toán nguồn lao động việc nhà Ý nghĩa thực tiễn: giải vấn đề thiếu nguồn nhân lực phục vụ công việc nhà, giúp người có thời gian nghỉ ngơi để tái sức sản xuất lao động 3 PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU Tay máy robot nghiên cứu ứng dụng phổ biến công nghiệp dân dụng [1-6] Ưu điểm tay máy khả định vị xác, lặp lại xác thay đổi chương trình cho phù hợp với yêu cầu thao tác với đối tượng khác 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 cần tinh vi, khéo léo, tay gắp robot truyền động điện sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm dễ chế tạo, đáp ứng nhanh, đơn giản, điều khiển chuyển động phức tạp [6] 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] 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 Vì lý trên, thiết kế chế tạo tay máy đa ứng dụng dân dụng điều khiển sử dụng chip vi điều khiển thực cần thiết việc giải toán nguồn nhân lực làm việc nhà 4 PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP Mục tiêu - Thiết kế kết cấu khí tay máy đáp ứng yêu cầu gắp vật, thả vật, thao tác khéo léo công việc nhà giống người 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 sống 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 5 PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN Kết thiết kế nguyên lý hoạt động hệ thống Định hướng ứng dụng tay máy dùng để gắp, thao tác việc gia đình xếp dụng cụ, ly tách, chén bát, nấu ăn Tay máy robot ứng dụng đời sống dân dụng giúp giảm bớt việc sử dụng sức lao động người vào trình làm việc nhà, cao khả tái sản xuất sức lao động, tăng thời gian nghỉ ngơi thời gian học tập nâng cao trình độ từ tăng hiệu cơng việc Nguyên lý hoạt động: tay máy bậc tự truyền động trục visme (xem hình 1), dẫn động động bước DC Ba chuyển động thẳng tạo vùng không gian làm việc tay máy có dạng hình hộp chữ nhật có kích thước theo chiều dài × rộng × cao tương ứng 350 × 250 × 250 (mm) Kích thước bao tay gắp theo chiều dài × rộng × cao 420 × 310 × 300 (mm) Hình Bản vẽ lắp tay máy robot Kết thiết kế tay máy robot bậc tự Bản vẽ lắp 3D tay máy thể hình Các vẽ cụm chi tiết thể hình 2, 3, 6 Hình Kết cấu trục tay máy Kết cấu tay máy thiết kế 3D sử dụng phần mềm Solidwork Hình mơ tả mơ hình 3D tay máy Hình Kết cấu trục tay máy Hình Kết cấu trục tay máy Kết thi công sản phẩm tay máy robot : gia cơng, lắp ráp, lập trình Kết gia cơng chế tạo chi tiết khí thành sản phẩm thực tế thể hình Vật liệu chế tạo chi tiết khí thép, khung gá trục mica dày 10 mm Cơ cấ u cánh tay robot điề u khiể n bằ ng vi điề u khiể n sử du ̣ng adruino R3, điề u khiể n đô ̣ng bước bằ ng driver TB6560 Arduino Uno R3 (hình 6) dòng bản, linh hoạt, thường sử dụng cho người bắt đầu Bạn sử dụng dòng Arduino khác như: Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino Micro… Nhưng với ứng dụng mạch Arduino Uno lựa chọn phù hợp 8 Hình Hình ảnh thực tế tay máy hồn chỉnh Hình Hình ảnh thực tế mạch vi điều khiển R3 Modul điều khiển động bước TB6560 (Hình 7) module chuyên dụng để điều khiển loại động bước lưỡng cực Module có chế độ điều khiển full bước, nửa bước vi bước Hình Hình ảnh thực tế driver động bước TB6560 Mạch điện kết nối mạch vi điều khiển mạch công suất điều khiển động bước, động bước thể hình Hình Sơ đồ kết nối mạch điện mạch vi điều khiển Arduino UNO mạch công suất động bước 10 Chương trình điều khiển hoạt động tay máy viết dựa ngôn 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 tay máy robot thể chi tiết sau: #include #define ENA_X #define DIR_X #define CLK_X #define ENA_Y #define DIR_Y #define CLK_Y #define ENA_Z #define DIR_Z #define CLK_Z #define STEPS_MOTOR_X (200) #define STEPS_DIV_X (32) #define STEPS_PER_ROTATION_X (STEPS_MOTOR_X*STEP_DIV) #define BUOC_VITME (2) #define STEPS_X_PER_MM (STEPS_PER_ROTATION_X/BUOC_VITME) #define STEPS_MOTOR_Y (200) #define STEPS_DIV_Y (32) #define STEPS_PER_ROTATION_Y (STEPS_MOTOR_Y*STEP_DIV_Y) #define BUOC_VITME (2) #define STEPS_Y_PER_MM (STEPS_PER_ROTATION_Y/BUOC_VITME) #define STEPS_MOTOR_Y (200) #define STEPS_DIV_Z (32) #define STEPS_PER_ROTATION_Z (STEPS_MOTOR_Z*STEP_DIV_Z) #define BUOC_VITME (2) #define STEPS_Z_PER_MM (STEPS_PER_ROTATION_Z/BUOC_VITME) float x_current,y_current,z_current; float x_expect, y_expect, z_expect; unsigned long step_x, step_y, step_z; 11 float max_size[3] = {}; float min_size[3] = {}; void setup() { pinMode(ENA_X,OUTPUT); pinMode(DIR_X,OUTPUT); pinMode(CLK_X,OUTPUT); digitalWrite(ENA_X,HIGH); pinMode(ENA_Y,OUTPUT); pinMode(DIR_Y,OUTPUT); pinMode(CLK_Y,OUTPUT); digitalWrite(ENA_Y,HIGH); pinMode(ENA_Z,OUTPUT); pinMode(DIR_Z,OUTPUT); pinMode(CLK_Z,OUTPUT); digitalWrite(ENA_Z,HIGH); homing(); } void loop() { set_site(10,10,10); while(1); } void homing() { homing_x(); homing_y(); homing_z(); } void set_site(float x_pos, float y_pos, float z_pos) { float dx = (x_expect - x_current); if (dx > 0) digitalWrite(DIR_X,HIGH); else digitalWrite(DIR_X,LOW); step_x = abs((long) dx * STEPS_X_PER_MM); float dy = abs((y_expect - y_current)); 12 if (dx > 0) digitalWrite(DIR_X,HIGH); else digitalWrite(DIR_X,LOW); step_y = (long)dy * STEPS_Y_PER_MM; float dz = (z_expect - z_current); if (dx > 0) digitalWrite(DIR_X,HIGH); else digitalWrite(DIR_X,LOW); step_x = abs((long)dz * STEPS_z_PER_MM); } void step_service() { while(step_x) { digitalWrite(CLK_X,HIGH); digitalWrite(CLK_X,LOW); delayMicroseconds(500); step_x ; } x_current = x_expect; while(step_y) { digitalWrite(CLK_Y,HIGH); digitalWrite(CLK_Y,LOW); delayMicroseconds(500); step_y ; } y_current = y_expect; while(step_z) { digitalWrite(CLK_Z,HIGH); digitalWrite(CLK_Z,LOW); delayMicroseconds(500); step_z ; } z_current = z_expect; } } 13 PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ Kết luận Đề tài nghiên cứu chế tạo tay máy đa mini truyền động điện ứng dụng dân dụng Tay máy thay cho người số thao tác, giúp nâng cao độ tin cậy, suất tiết kiệm thời gian củ người dân Tay máy có bậc tự 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 thực tế Đề xuất kiến nghị Kết nối internet để điều khiển kiểm sốt hoạt động tay máy 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 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO M Vukobratović D Stokić, 1988, ‘Application of robots in assembly automation, Journal of Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,’ Vol 4, Issues 1-2, pp 175-180 Kesheng Wang Terje K.Lien, 1989, ‘The structure design and kinematics of a robot manipulator - I Theory, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,’ Volume 5, Iss - 3, pp 153-158 Craig, J J., 1989, ‘Introduction to Robotics, Mechanics and Control’, 2nd Edition, AddisonWesley Sciavicco, L., and Siciliano, B., 1996 ‘Modeling and Control of Robot Manipulators,’ 2nd Edition, McGraw-Hill Milind R Shinde, V N Bhaiswar, B G Achmare, 2016 ‘Designing a suitable robotic arm for loading and unloading of material on lathe machine using workspace simulation software’’ S Premkumar, K.Surya Varman, R Balamurugan, 2016, ‘Design and Implementation of multi handling Pick and Place Robotic Arm’ Rakesh.N, Pradeep Kumar.A, Ajay.S, 2013 ‘Design and Manufacturing of Low Cost Pneumatic Pick And Place Robot,’ Int Journal of Scientific & Technology Research Vol 2, Iss 8 Mạch vi điều khiển Arduino Mega: https://www.arduino.cc/ ... nghiên cứu Tính tốn, thiết kế, chế tạo tay máy ứng dụng đời sống dân dụng Việt Nam Đối tượng nghiên cứu Tay máy đa ứng dụng dân dụng Phạm vi nghiên cứu Tay máy đa ứng dụng dân dụng Việt Nam Ý nghĩa... thể hình 2, 3, 6 Hình Kết cấu trục tay máy Kết cấu tay máy thiết kế 3D sử dụng phần mềm Solidwork Hình mơ tả mơ hình 3D tay máy Hình Kết cấu trục tay máy Hình Kết cấu trục tay máy Kết thi công... tiêu - Thiết kế kết cấu khí tay máy đáp ứng yêu cầu gắp vật, thả vật, thao tác khéo léo công việc nhà giống người Từ xây dựng vẽ thiết kế tay máy - Chế tạo kết cấu khí tay máy dựa vẽ thiết kế Thiết