3.1.1. Thiết kế mô hình băng tải
Tính toán băng tải dẫn phôi a. Thông số đầu vào [6]:
- Năng suất băng tải: Q = 20 (phôi/phút) = 0.333 (ph/s) + Khối lượng 1 lọ phôi 150g
- Chiều dài vận chuyển : L = 1500 mm ( đường kính một phôi d=30mm, ứng với 25 phôi trên băng tải)
- Khối lượng riêng của vật ( thủy tinh ) 𝜌= 2.33 g/cm3 = 2.33 T/m3 Tính toán:
Vận tốc băng tải:
V= 𝑄𝑡
60.𝐴.𝛾.𝑠 (3.1) Trong đó:
𝑄𝑡 là Lưu lượng vận chuyển.
𝐴 Diện tích mặt cắt ngang dòng vận chuyển (𝑚2).
𝛾 Khối lượng riêng của vật liệu.
Bảng 3.1. Bảng góc mái
Vậy V= 𝑄𝑡
60.𝐴.𝛾.𝑠= 0.18
60.2,33.0,0295.0,5 = 0.087 (m/s) (3.2) b, Chiều rộng tấm băng
- Chiều rộng tấm băng được xác định trên cơ sở đảm bảo năng suất yêu cầu: Ta có Q = 3600.A.v.𝜌 (3.3)
A : diện tích dòng vật liệu (m2) v : vận tốc vận chuyển (m/s)
𝜌 : khối lượng riêng của vật liệu ( T/m3)
- Theo kinh nghiệm chiều rộng dòng vật liệu trên băng (b) được lấy: b = 0,5 B (m)
- Đặt A= 𝐾𝑏
3600b2, ta có: Q = Kb(0,8B)2 v.𝜌 (3.4)
B = 1,25.√ 𝑄
Kb.v.𝜌 = 1,25 √ 0,18
250.0,087.2,33 = 50 (mm) (3.5) b. Xác định lực kéo băng tải
- Lực kéo băng tải khắc phục các lực cản chuyển động :
+ Ma sát trong ổ trục con lăn đỡ, ma sát lăn giữa tấm băng và con lăn + Lực cản do trọng lượng của vật liệu
+ Lực cản do vòng băng vòng qua các công đoạn Công thức tính lực cản: W = k.(Wct + Wkt) (3.6)
- Sau khi xác định được lực kéo băng tải tiến hành chọn động cơ theo công suất tĩnh: N= 𝑊.𝑣
1000.𝜇 (3.7) - Tốc độ động cơ:
N = (1000.V)/(π.d) = (1000.0,087)/(3,14.0,06) = 425 (vòng/phút) - Dựa và tốc động của động cơ tra bảng:
+ Hiệu suất : n = 92
- Chiều rộng: B = 50 mm ( đường kính phôi 60 mm ) - Tang dẫn động: 10x10x860 mm
- đường kính phôi: d = 60 mm
- Từ năng suất băng tính được vận tốc của băng tải là: V = n.h = (490
60).60 = 490 (mm/s) (3.8) - Công suất dẫn động của băng tải :
N = 𝑄
360( h + c.L)1
𝜇 (3.9) Trong đó:
+ Năng suất Q = 1800 ( phôi/h) + Độ cao h = 1 (m)
Xây dựng mô hình băng tải trên NX MCD.
Bảng 3.2. Các thành phần mô hình băng tải
STT Tên thiết bị Mô Tả Hình ảnh thiết bị 1 Băng tải
+ Tải trọng tối đa: 16 kg + Chiều dài: 1500 mm + Chiều rộng : 50mm + Tốc độ băng tải: 3 - 50 m / phút 50mm/s-800mm/s + Tùy chọn: có thể điều chỉnh bằng bộ chuyển đổi tần số
+ Thiết kế đai: được điều chỉnh riêng cho từng ứng dụng tương ứng
2 Phôi + Kích thước 100x100x100 mm + Khối lượng: 8kg
3 Giá chứa phôi +Kích thước: 500x300x160 mm + Khối lượng: 20kg
Xây dựng mô hình băng tải:
Mở phần mềm NX, mở môi trường Assembly.
Hình 3.1. Môi trường Assembly trong NX
Vào Add, chọn file băng tải, phôi và giá chứa phôi di chuyển đến vị trí mong muốn.
Thêm thuộc tính vật lí cho các đối tượng bằng công cụ Rigid Body. +Thêm thuộc tính vật lí cho băng tải.
Hình 3.3. Thêm thuộc tính vật lí cho băng tải
+ Thêm thuộc tính vật lí cho phôi.
Hình 3.4. Thêm thuộc tính vật lí cho phôi
+ Thêm thuộc tính vật lí cho giá chứa phôi.
Thêm thuộc tính chuyển động cho các đối tượng.
+Sử dụng công cụ Collision Body để thêm va chạm cho băng tải.
Hình 3.6. Thêm thuộc tính va chạm cho băng tải
+ Sử dụng công cụ Collision Body để thêm va chạm cho phôi.
Hình 3.7. Tạo va chạm cho phôi
+ Sử dụng công cụ Collision Body để thêm va chạm cho giá chứa phôi.
+ Dùng công cụ Object Source để cấp phôi tự động cho quá trình chạy mô phỏng.
Hình 3.9. Cấp phôi tự động cho quá trình chạy mô phỏng
+ Cố định vị trí của băng tải bằng công cụ fixed Joint.
Hình 3.10. Cố định vị trí của băng tải
+ Cố định vị trí của giá chứa phôi.
Hình 3.11. Cố định vị trí của giá chứa phôi
Hình 3.12. Tạo chuyển động cho bề mặt băng tải
Kết quả mô phỏng: Nhấn nút Play, băng tải chuyển động đưa phôi đến giá chưa phôi. Nhấn nút Stop kết thúc mô phỏng.
3.1.2. Thiết kế mô hình Robot SCARA
Thiết lập phương trình động học của Robot SCARA [3] [10]. Tay máy Robot 3 bậc tự do dạng SCARA.
Đặt các hệ trục toạ độ lên các khâu khớp théo quy tắc D-H.
Hình 3.14. Hình vẽ mô phỏng 2D Robot SCARA
Xác định các thông số D-H và lập bảng thông số D-H. Bảng 3.3. Thông số D-H Khâu 𝑑𝑖 𝜃𝑖 𝑎𝑖 𝛼𝑖 1 0 𝑞1 𝐿1 0 2 0 𝑞2 𝐿2 𝜋 3 𝑞3 0 0 0
Tính toán các ma trận biến đổi toạ độ thuần nhất D-H giữa các hệ trục toạ độ.
𝐻𝑖𝑖−1 = [ 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖 −𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖𝑐𝑜𝑠𝛼𝑖 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖𝑠𝑖𝑛𝛼𝑖 𝛼𝑖𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖 𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖𝑐𝑜𝑠𝛼𝑖 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑖𝑠𝑖𝑛𝛼𝑖 𝛼𝑖𝑠𝑖𝑛𝜃𝑖 0 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑖 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑖 𝑑𝑖 0 0 0 1 ] (3.9) 𝐻10 = [ 𝑐𝑜𝑠𝑞1 −𝑠𝑖𝑛𝑞1 0 𝐿1𝑐𝑜𝑠𝑞1 𝑠𝑖𝑛𝑞1 𝑐𝑜𝑠𝑞1 0 𝐿1𝑠𝑖𝑛𝑞1 0 0 1 0 0 0 0 1 ] (3.10) 𝐻21 = [ 𝑐𝑜𝑠𝑞2 𝑠𝑖𝑛𝑞2 0 𝐿2𝑐𝑜𝑠𝑞2 𝑠𝑖𝑛𝑞2 −𝑐𝑜𝑠𝑞2 0 𝐿2𝑠𝑖𝑛𝑞2 0 0 −1 0 0 0 0 1 ] (3.11)
𝐻32 = [ 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 𝑞3 0 0 0 1 ] (3.12) Thiết lập phương trình động học: 𝐷30(𝑞) = 𝐻10(𝑞1)𝐻21(𝑞2)𝐻32(𝑞3) = [ cos (𝑞1+ 𝑞2) 𝑠𝑖𝑛(𝑞1+ 𝑞2) 0 𝐿1𝑐𝑜𝑠𝑞1+ 𝐿2𝑐𝑜𝑠(𝑞1+ 𝑞2) 𝑠𝑖𝑛(𝑞1+ 𝑞2) −𝑐𝑜𝑠(𝑞1+ 𝑞2) 0 𝐿1𝑠𝑖𝑛𝑞1+ 𝐿2𝑠𝑖𝑛(𝑞1+ 𝑞2) 0 0 −1 −𝑞3 0 0 0 1 ] (3.13) Phương trình động học: [ cos (𝑥3, 𝑥0) 𝑐𝑜𝑠(𝑦3, 𝑥0) 𝑐𝑜𝑠(𝑧3, 𝑥0) 𝑥𝑜03 𝑐𝑜𝑠(𝑥3, 𝑦0) 𝑐𝑜𝑠(𝑦3, 𝑦0) 𝑐𝑜𝑠(𝑧3, 𝑦0) 𝑦𝑜03 𝑐𝑜𝑠(𝑥3, 𝑧0) 𝑐𝑜𝑠(𝑦3, 𝑧0) 𝑐𝑜𝑠(𝑧3, 𝑧0) 𝑧𝑜03 0 0 0 1 ] (3.14) = [ cos (𝑞1+ 𝑞2) 𝑠𝑖𝑛(𝑞1+ 𝑞2) 0 𝐿1𝑐𝑜𝑠𝑞1+ 𝐿2𝑐𝑜𝑠(𝑞1+ 𝑞2) 𝑠𝑖𝑛(𝑞1+ 𝑞2) −𝑐𝑜𝑠(𝑞1+ 𝑞2) 0 𝐿1𝑠𝑖𝑛𝑞1+ 𝐿2𝑠𝑖𝑛(𝑞1+ 𝑞2) 0 0 −1 −𝑞3 0 0 0 1 ]
Bảng 3.4. Các thành phần hệ thống Robot SCARA STT Tên thiết bị Mô Tả Hình ảnh 1 Robot Scara
-Nhà sản xuất Mitsubishi Electric Europe B.V.
-Mô tả Robot SCARA: ứng dụng siêu chính xác và cực nhanh, Dòng RH-F, 4 bậc tự do, -Tải trọng: 6kg -Khối lượng: 37kg -Phạm vi nhiệt độ hoạt động: 0-40 ° C -Bậc tự do (số trục): 4 -Tư thế lắp đặt: Lắp đặt sàn
-Cấu trúc :Kiểu nhiều khớp nằm ngang -Trục 1,2 +Loại trục: angular +Tốc độ: 20°/𝑠2 -Trục 3 +Loại trục: tuyến tính +Tốc độ: 40mm/s
2 Băng tải
-Tốc độ: 15mm/s
-Vận chuyển phôi đến vị trí để robot hút phôi
3 Phôi -Khối lượng 0.005kg -Đường kính 100mm -Chiều cao 20mm 4 Ổ chứa phôi -Chiều cao: 200mm -Đường kính: 120mm -Chứa tối đa 10 phôi
5 Cảm biến
-Phát hiện phôi đên vị trí và đặt điều kiện khởi động chu trình
Mở môi trường “mechantronics Concept Designer” trong NX để thực hiện thiết kế và mô phỏng.
Hình 3.15. Môi trường Mechantronics Concept Designer trong NX
Mở file robot sacra thêm vào và thiết lập vị trí trong môi trường vừa tạo.
Hình 3.16. Thiết lập vị trí Robot SCARA
Hình 3.17. Tạo thuộc tính va chạm cho chân đế Robot SCARA
Tương tự tạo thuộc tính va chạn cho các phần còn lại.
Hình 3.18. Tạo thuộc tính cho các phần còn lại của Robot SCARA
Tạo thuộc tính vật rắn cho từng bộ phận của robot.
Hình 3.19. Tạo thuộc tính vật lí cho chân đế
Tương tự cho các phần còn lại của robot.
Hình 3.20. Tạo thuộc tính vật lí cho các phần còn lại của Robot SCARA
Tạo thuộc tính khớp cho robot: vào tab Home, chọn Hinge Joint.
Hình 3.21. Tạo thuộc tính khớp
+ Select Attachment: chọn đối tượng chuyển động là phần thân robot. + Select Base: chọn đối tượng cố định là phần chân đế.
+ Specify Axis Vector: chọn vector cùng hướng chuyển động.
+ Specify Anchor Point: chọn điểm gốc của chuyển động chọn trùng tâm của khớp.
Giống như trên tạo được khớp giữa phần thân và cánh tay.
Hình 3.23. Tạo các khớp còn lại của Robot SCARA
Chú ý phần khớp giữa cánh tay và trục phải dung khớp trụ.
Vào tab Home, chọn Hinge Joint, chọn thuộc tính Cylindrical Joint, cửa sổ Cylindrical Joint hiện lên.
Hình 3.24. Chọn khớp trụ giữa phần cánh tay và trục của Robot SCARA
+ Select Attachment: chọn đối tượng chuyển động là phần trục. + Select Base: chọn đối tượng cố định là phần cánh tay.
+ Specify Axis Vector: chọn vector cùng hướng chuyển động.
+ Specify Anchor Point: chọn điểm gốc của chuyển động chọn trùng tâm của khớp. Chọn thêm giới hạn trên và dưới cho khớp từ -300 mm đến 0 mm.
Hình 3.25. Chọn giới hạn trên và giới hạn dưới cho khớp
Khi hai bộ phận của robot liền kề nhau, sự tiếp xúc giữa các bộ phận có thể gây ra rung động không mong muốn hoặc chuyển động đột ngột và không chính xác. Chính vì lý do này, theo nguyên tắc chung, sẽ tránh được va chạm giữa các phần tử liền kề, đảm bảo rằng các cơ cấu có các chuyển động ổn định và được kiểm soát. Để làm điều này, cần có công cụ tránh va chạm.
Tạo thuộc tính ngăn chặn va chạm Prevent Collision: vào tab Home, chọn Prevent Collision, cửa số Prevent Collision hiện lên.
+ Tạo thuộc tính ngăn chặn va chạm Prevent Collision: vào tab Home, chọn Prevent Collision, cửa số Prevent Collision hiện lên.
Hình 3.26. Tạo thuộc tính tránh va chạm giữa đế và thân Robot SCARA
Tạo 3 thuôc tính ngăn va chạm cho 4 phần của robot.
Hình 3.27. Các thuộc tính tránh va chạm giữa các phần của Robot SCARA
+ Tạo thuộc tính điều khiển vị trí Position Cotrol:
Thiết lập các thuộc tính điều khiển vị trí cho các khớp [10] [11].
Hình 3.29. Thiết lập các thuộc tính điều khiển vị trí cho các khớp
Tiếp theo thiết kế thêm các phần còn lại như: băng tải, phôi, ổ chứa phôi, tay hút để có 1 hệ thống hoàn chỉnh.
Cần cố định tay hút với trục của robot và tạo thuộc tính tránh va chạm giữa hai chi tiết.
Hình 3.31. Cố định và tránh va chạm cho tay hút
Tạo va chạm và chuyển động cho băng tải.
Hình 3.33. Tạo thuộc tính chuyển động cho băng tải
Thiết lập chu trình cấp phôi tự động: dùng lệnh Object source.
Thiết lập các tham số dính Sticky:
+Trước hết, phải tạo ra hai vật thể va chạm mới liên kết với bề mặt của các vật thể được kết dính. Các vật thể va chạm này phải là các bề mặt hình vuông.
Hình 3.35. Thiết lập tham số dính Sticky
Tiếp theo, để hai đối tượng này dính vào nhau, điều cần thiết là cả hai bề mặt phải được kích hoạt thông số Sticky. Do đó, khi bề mặt va chạm của đối tượng được nhặt được tạo ra, phải được xác nhận, từ cài đặt.
Hình 3.36. Kích hoạt thông số Sticky
Mặt khác, bề mặt va chạm được liên kết với nam châm điện hoặc cốc hút không yêu cầu kích hoạt thông số này, có thể kiểm soát trạng thái từ “Trình kiểm tra thời gian thực”.
Hình 3.37. Trình kiểm tra thời gian thực hiện
Yêu cầu tiếp theo là điều chỉnh khối lượng của vật thể cần nhặt. Để thực hiện việc này, bằng cách xác định các thuộc tính vật lý theo cách thủ công, giảm khối lượng của vật thể xuống.
Hình 3.38. Thiết lập khối lượng cho phôi
Từ “menu” NX, truy cập “Preferences” của chương trình, và sau đó là “Mechatronics Concept Designer Preferences” từ phần” Physic Engine”. Yêu cầu tiếp theo là điều chỉnh khối lượng của vật thể cần nhặt. PSU một lực kéo mặc định là 0,1 Newton được đặt. Giá trị cao hơn hoặc thấp hơn của lực này sẽ làm cho tham số ngừng hoạt động.
Hình 3.39. Đặt PSU một lực kéo mặc định là 0,1 Newton
Vận hành:
+ Khi tất cả các hoạt động đã được xác định, có tùy chọn xem tất cả danh sách từ “Trình chỉnh sửa trình tự”. Từ cửa sổ này, có thể tạo một chuỗi các thao tác để nối một loạt các chuyển động, để tuân theo một thứ tự nhất định.
+ Để làm điều này, chỉ cần nhấp vào cuối thanh cho mỗi thao tác và kéo con trỏ đến thao tác tiếp theo. Điều này đảm bảo rằng hoạt động tiếp theo bắt đầu sau khi hoạt động đầu tiên kết thúc.
Hình 3.40. Vận hành mô hình
+ Cuối cùng, một số điều kiện bắt đầu khi có phôi đi qua cảm biến, khi được đáp ứng, sẽ bắt đầu thực hiện hoạt động đầu tiên và. Vì vậy, ví dụ, một hoạt động có thể được cấu
hình để bắt đầu sau khi một cảm biến cụ thể được kích hoạt hoặc khi trạng thái của tín hiệu từ PLC là đúng.
3.1.3. Thiết kế hệ thống chiết rót đóng nắp cà phê
Các thành phần của mô hình chiết rót cà phê:
Bảng 3.5. Các thành phần trong mô hình chiết rót, đóng nắp và đóng hộp cà phê
ST T Tên Thiết bị Số lượng Mô Tả Hình ảnh 1 Băng tải
4 + Tải trọng tối đa: 16 kg + Chiều dài: 1500 mm + Chiều rộng khung RB: 50mm + Tốc độ băng tải: 3 - 50 m / phút 50mm/s-800mm/s + Tùy chọn: có thể điều chỉnh bằng bộ chuyển đổi tần số
+ Thiết kế đai: được điều chỉnh riêng cho từng ứng dụng tương ứng
+ Nhà sản xuất BOMA
+ Vận chuyển sản phẩm qua các trạm
2 Robot SCAR A
1 +Nhà sản xuất Mitsubishi Electric Europe B.V.
+Mô tả Robot SCARA: ứng dụng siêu chính xác và cực nhanh, Dòng RH-F, 4 bậc tự do, +Tải trọng: 6kg +Khối lượng: 37kg +Phạm vi nhiệt độ hoạt động: 0-40 ° C +Bậc tự do (số trục): 4 +Tư thế lắp đặt: Lắp đặt sàn +Cấu trúc: Kiểu nhiều khớp nằm ngang +Trục 1,2 +Loại trục: angular +Tốc độ: 20°/𝑠2 +Trục 3 +Loại trục: tuyến tính +Tốc độ: 40mm/s +Gắp và ép nắp chai vào bình cà phê 3 Robot 6 DOF 1 +Tải trọng: 6kg +Khối lượng: 40kg
+Điểm tiếp cận tối đa: khớp 1-5: 920mm +Tốc độ quay của các trục: J1: 166 o/s J2: 122 o/s J3: 141 o/s J4: 188 o/s J5: 297 o/s J6: 293 o/s + Góc quay giới hạn
Trục 1: 10o-370o
Trục 2: 25o-250o
Trục 3: -10o-231o
Trục 4: không giới hạn quay 360o Trục 5: 55o-305o
Trục 6: không giới hạn quay 360o + Kiểm tra nắp của sản phẩm: Nếu sản phẩm đạt yêu cầu thì sản phẩm đi đến trạm 3 để đóng gói; nếu sản phẩm không đạt yêu cầu thì đưa đến thùng phế phẩm 4 Tay Gắp 1 + Kẹp và gắp sản phẩm từ băng tải vào thùng sản phẩm 5 Thanh Ray 3 + Kết hợp với bộ khung trạm đóng gói tạo thành quỹ đạo chuyển động cho tay gắp
6 Thanh Trượt
3 + Giúp tay gắp trượt trên thanh ray nhôm
7 Thùng chứa sản phẩm
8 Bình cà phê
1 + Mô phỏng bình cà phê
9 Bàn Xoay
1 + Vận chuyển bình cà phê từ băng tải 1 đến máy rót cà phê, robot SCARA và băng tải 2
10 Máy Rót Cà Phê
1 + Máy rót cà phê tự động mô phỏng quá trình rót cà phê tự động 11 Băng tải chuyển nắp 1 + Vận chuyển nắp bình đến vị trí đã xác định 12 Thanh Điều Hướng
2 + Điều hướng chuyển động của sản phẩm trên băng tải
13 Bộ khung trạm đóng gói
1 + Nâng đỡ tay gắp giúp tay gắp di chuyển đến các vị trí đã cài đặt 14 Bộ chuyển hướng di chuyển của tay gắp
1 + Chuyển hướng di chuyển tay kẹp
15 Băng tải trạm đóng gói 1 + Vận chuyển sản phẩm đến cho tay gắp 16 Cảm biến
23 + Giám sát và điều khiển hoạt động của hệ thống
Chu trình hoạt động của hệ thống trên NX MCD:
Hình 3.41. Mô hình hệ thống sau khi thiết lập vị trí các bộ phận
Dây chuyền sản xuất được thiết kế dựa trên hoạt động của một hệ thống chế biến