THIẾT kế TAY máy bám THEO vật TRONG KHÔNG GIAN 3 CHIỀU

1  Việt Nam đang bước vào kỷ nguyên Tự Động Hóa & Hiện Đại Hóa hòa mình cùng thế giới để phát triển. Việc xây dựng các hệ thống điều khiển ứng dụng trong các quá trình công nghệ vào công nghiệp tự động hóa của nước nhà là điều vô cùng quan trọng. Trên cơ sở tiếp thu tri thức của nhân loại để phục vụ cho việc đi tắt, đón đầu là một vấn đề vô cùng cấp thiết. Đề tài hướng vào việc tìm hiểu và khám phá lĩnh vực điều khiển chính xác để phục vụ cho yêu cầu điều khiển thực tế. Với mong muốn nắm vững kiến thức về lĩnh vực tay máy, ứng dụng trong công nghiệp, phục vụ cho yêu cầu giảng dạy của nhà trường, yêu cầu công việc của bản thân. Nhóm đề xuất đề tài nghiên cứu “THIẾT KẾ TAY MÁY BÁM THEO VẬT TRONG KHÔNG GIAN 3 CHIỀU”  2 NG 1:  1.1  Việt Nam đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Trong sự phát triển đó không thể thiếu sự có mặt của các tay máy tự động phục vụ trong các lĩnh vực kinh tế, văn hóa, xã hội, công nghiệp và cả giải trí. Ở Việt Nam, chưa có nhiều địa chỉ sản xuất và chuyển giao tay máy công nghiệp, ngoại trừ ĐHBK Tp HCM đã thực hiện thành công và chuyển giao các tay máy dạng này. Công ty sản xuất gạch ngói Bình Phú đề nghị việc thiết kế chuyển giao tay máy hỗ trợ việc bốc gạch từ băng chuyển xuống xe goong. Với những lý do trên, cộng thêm mong muốn nắm vững kiến thức về lĩnh vực tay máy, ứng dụng trong công nghiệp, phục vụ cho yêu cầu giảng dạy của nhà trường, yêu cầu công việc của bản thân. Nhóm nghiên cứu đề xuất đề tài nghiên cứu “THIẾT KẾ TAY MÁY BÁM THEO VẬT TRONG KHÔNG GIAN 3 CHIỀU”. Mục tiêu nhóm nghiên cứu muốn thực hiện đề tài, làm mô hình giải trình cho đề án chuyển giao công nghệ cho Công ty sản xuất gạch ngói Bình Phú. 1.2   Thiết kế, điều khiển tay máy 3 trục TTT, lựa chọn phân loại vật được vận chuyển trên băng chuyền dùng camera trong không gian hai chiều tọa độ Decac, đặt vào ballet theo hình dạng định trước. 1.3   Đối tượng nghiên cứu :  Nghiên cứu, tính toán, lựa chọn, thiết kế, chế tạo tay máy TTT 3 trục.  Nghiên cứu mô phỏng điều khiển định vị động cơ dùng MatLab, làm cơ sở mô phỏng điều khiển định vị tay máy theo phương trình động học ngược. 3  Mô phỏng dùng Easy-rob định vị tay máy trong không gian 3 chiều kiểm chứng phương trình động học thuận – nghịch vận tốc và vị trí.  Nghiên cứu định vị sử dụng camera trong không gian 3 chiều XYZ xác định vị trí vật dùng máy tính.  Lập trình điều khiển tay máy dùng PLC, giao tiếp nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính.  Lập trình điều khiển tay máy bám theo vật di chuyển trên hệ tọa độ XY.  Kết luận.    1. Giai đoạn 1 : Đề tài nhắm đến việc nghiên cứu xây dựng mô hình phần cứng robot, xác định các phương pháp định vị phù hợp trong việc điều khiển định vị vận tốc và vị trí, mô phỏng xác định phương trình động học thuận/nghịch vị trí vận tốc. 2. Giai đoạn thứ 2 : Nghiên cứu sử dụng camera định vị vật trong không gian tọa độ Decac XYZ, phục vụ cho việc điều khiển bám theo vật trong không gian 3 chiều. 3. Giai đoạn 3 : Nghiên cứu điều khiển robot dùng PLC bám theo vật trong được xác định bằng camera. 4. Giai đoạn 4 : Hoàn chỉnh điều khiển tay máy, đưa vào ứng dụng thực tế trong công nghiệp. 1.4    Xây dựng tay máy công nghiệp sử dụng công nghệ xử lý ảnh theo phiên bản ứng dụng tại nhà máy sản xuất gạch. 4 1.5   Thiết kế, thi công tay máy công nghiệp sử dụng công nghệ xử lý ảnh ứng dụng tại nhà máy sản xuất gạch. 1.6   Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tay máy TTT 3 trục.  Nghiên cứu mô phỏng điều khiển định vị động cơ dùng MatLab.  Mô phỏng dùng Easy-rob định vị tay máy trong không gian 3 chiều kiểm chứng phương trình động học thuận – nghịch vận tốc và vị trí.  Nghiên cứu định vị sử dụng camera trong không gian 3 chiều XYZ.  Lập trình điều khiển định vị tay máy dùng PLC.  Lập trình điều khiển tay máy bám theo vật di chuyển trên hệ tọa độ XY. 1.7   Chế tạo mô hình thực nghiệm tay máy 3 trục TTT.  Nghiên cứu thuật toán điều khiển định vị và xử lý ảnh, ứng dụng định vị robot.  Ứng dụng bộ điều khiển PLC điều khiển robot. 1.8  1. Giai đoạn 1 : Mô hình phần cứng robot; mô phỏng xác định các phương pháp định vị phù hợp trong việc điều khiển định vị vận tốc và vị trí, mô phỏng xác định phương trình động học thuận/nghịch vị trí, vận tốc. 2. Giai đoạn 2 : Thuật toán dùng C xử lý ảnh từ camera định vị vật trong không gian tọa độ Decac XYZ. 3. Giai đoạn 3 : Điều khiển tay máy bám theo vật trên hệ tọa độ XY. 4. Giai đoạn 4 : Giám sát điều khiển tay máy dùng phần mềm WinCC và một số chức năng tự chẩn đoán. Hoàn chỉnh điều khiển tay máy, đưa vào ứng dụng thực tế trong công nghiệp. 5  2.1 :  Băng tải có bề rộng 0.5m.  Vận tốc tối đa của băng tải 0.2m/s.  Mỗi nhóm 6 viên gạch.  Khoảng cách giữa các nhóm viên gạch: 1m.  Kích thước các viên gạch : 10cm*10cm*20cm. → Khối 6 viên : Có kích thước 20cm*30cm*20cm. Hình 2.1. Gạch được vận chuyển trên băng chuyền  Bỏ qua độ dẻo của gạch (chưa khảo sát chi tiết).  Không gian làm việc ít bụi. Với dữ liệu đặt ra, phương án được nhóm đề nghị là sử dụng tay máy công nghiệp hỗ trợ việc sắp xếp các viên gạch lên xe goong. Tuy nhiên, việc mua tay máy được cung cấp bởi các công ty nước ngoài với kích thước như đã chỉ ra chiếm một số tiền lớn mà nhà đầu tư không chấp nhận → Đề nghị nghiên cứu thiết kế tay máy thực hiện yêu cầu đặt ra. Đây là một thách thức lớn đối với nhóm làm việc.  Với bài toán thiết kế, ta cần quan tâm đến các thành phần sau :  , .  Tùy theo không gian làm việc, độ phức tạp của công việc, khối lượng vật, kích thước vật cần mang sẽ quyết định được 6 cấu trúc phần cứng của tay máy.  của việc thiết kế phần cứng tay máy là lựa chọn được   (Trường làm việc, số bậc tự do), lựa chọn được , lựa chọn được  để xác định được vị trí của tay máy, lựa chọn bộ điều khiển. Tùy theo yêu cầu của ứng dụng điều khiển tay máy, quỹ đạo hoạt động mà quyết định giải thuật lập trình điều khiển tay máy.  của ta là điều khiển tay máy di chuyển giữa 2 điểm, một bên là vị trí vật trên băng chuyền và một bên là hộp đựng sản phẩm. Để đạt được mục tiêu này, ta cần phải xác định được , điều khiển  ID, giải thuật    dùng camera. 2.2 [3] Các loại tay máy được phân loại theo 3 trục đầu tiên. Hiện tại, có một số dạng tay máy sau :  Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng Hình 2.2. Robot kiểu tọa độ Descarde : 7 Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng. Thường khớp thứ nhất chuyển động quay. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ 1.6. Có nhiều robot kiểu toạ độ trụ như : robot Versatran của hãng AMF (Hoa Kỳ). Hình 2.3. Robot kiểu tọa độ trụ : Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu. thường độ cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu. Hình 2.4. Robot kiểu tọa độ cầu  Đây là kiểu robot được dùng nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay. Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu. Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng 8 nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng. Ưu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân robot, độ linh hoạt cao. Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc như: Robot PUMA của hãng Unimation, Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật Bản) .v.v . Ví dụ một robot hoạt động theo hệ toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh), có cấu hình RRR.RRR: Hình 2.5. Robot hoạt động theo tọa độ góc.  Là viết tắt của "Selective Compliant Articulated Robot Arm" : Tay máy mềm dẽo tuỳ ý. Loại robot nầy thường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt của "Selective Compliance Assembly Robot Arm". Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot nầy có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng. Hình 2.6. Robot SCARA 9  Với mục đích của bài toán là lấy các viên gạch, sắp xếp các viên gạch trên băng chuyền vào đúng vị trí các ballet nên nhóm đề xuất tay máy chuyển động theo ba trục X,Y,Z ( Hệ tọa độ Decac) với trường công tác có dạng hình khối chữ nhật → Dạng tay máy kiểu tọa độ Descarde như Hình 2.2 được lựa chọn. 2.3 Tính toán l1] Chọn động cơ để dẫn động máy móc hoặc các thiết bị công nghệ là giai đoạn đầu tiên trong quá trình tính toán thiết kế máy. Động cơ servo được lựa chọn để điều khiển hệ thống do những ưu điểm đã được phân tích tại (1). Việc tính toán lựa chọn công suất động cơ được thực hiện với những lưu ý sau :  Vitme được truyền động trực tiếp dùng động cơ servo.  Điện áp sử dụng điều khiển động cơ servo : 24VDC.  Khối lượng gạch tác động lên điểm cuối tối đa 5kg (6 viên).  Vận tốc của vitme tối đa 0.5m/s  Bước răng vitme 4mm. Trình . Tính công suất cần thiết của động cơ. Công suất trên trục động cơ được tính theo công thức: / ct t pp   Trong đó: P ct công suất cần thiết trên trục động cơ Kw P t công suất tính toán trên trục máy công tác  hiệu suất truyền động Ở đây vì chuyền động bằng đai thường nên chọn  1 =0.95, và trục vitme nên  2 =0.87 Thời gian gắp và nhả sản phẩm trong hệ gần như hoạt động liên tục và nhanh, nên ta coi như tải trong không đổi nên P t được tính theo công thức. t lv pp 10 Mà 1000 lv Fv p  Với yêu cầu F=50N, v=0.5m/s Ta tính được 50 0.5 25 1000 1000 lv Fv x pw   Thay vào công thức trên ta có: / 25/ 0.95 0.87 30 ct t p p x W     Tính số vòng quay của động cơ. Trước tiên ta tính số vòng quay của trục máy công tác. 60000. / ( . ) lv n v D   Trong đó v: vận tốc của tải D đường kính trục vitme 60000. /( . ) 60000 0.5/(3.14 4) lv n v D x x   =2388 v/ph Vậy ta chọn loại động cơ Servo 40w-24V có số vòng quay 3000 V/ph  Tính công suất cần thiết của động cơ. Công suất trên trục động cơ được tính theo công thức: / ct t pp   Trong đó: P ct công suất cần thiết trên trục động cơ Kw P t công suất tính toán trên trục máy công tác  hiệu suất truyền động Ở đây vì chuyền động bằng đai thường nên chọn  1 =0.95, và trục vitme nên  2 =0.87 Thời gian gắp và nhả sản phẩm trong hệ gần như hoạt động liên tục và nhanh, nên ta coi như tải trong không đổi nên P t được tính theo công thức. t lv pp . dụng camera định vị vật trong không gian tọa độ Decac XYZ, phục vụ cho việc điều khiển bám theo vật trong không gian 3 chiều. 3. Giai đoạn 3 : Nghiên cứu điều. vị vật trong không gian tọa độ Decac XYZ. 3. Giai đoạn 3 : Điều khiển tay máy bám theo vật trên hệ tọa độ XY. 4. Giai đoạn 4 : Giám sát điều khiển tay máy