Đồ án Ứng dụng Robot Delta trong đóng gói sản phẩm (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Ứng dụng Robot Delta trong đóng gói sản phẩm (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠ ĐIỆN TỬ Ứng dụng Robot Delta trong đóng gói sản phẩm SVTH: LÊ QUANG ĐỘ MSSV:10111014 SVTH:ÐỖ QUANG PhÚC MSSV:10111051 SVTH:NGUYỄN TÀI LÂM MSSV:10111031 GVHD: TƯỞNG PHƯỚC THỌ SKL003017 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2014
2. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Quang Độ MSSV:10111014 Đỗ Quang Phúc MSSV: 10111051 Nguyễn Tài Lâm MSSV: 10111031 Ngành: Cơ Điện Tử Lớp: 101112 Giảng viên hướng dẫn: Tưởng Phước Thọ ĐT: 0969956596 Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: 1. Tên đề tài: Ứng dụng Robot Delta trong đóng gói sản phẩm. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kế thừa thiết kế từ đề tài “ Thiết kế và chế tạo Robot song song dạng Delta” 3. Nội dung thực hiện đề tài: - Chế tạo Robot Delta. - Thiết kế hệ thống điều khiển khắc phục những nhược điểm từ đề tài trước phục vụ mục đích công nghiệp. - Viết chương trình vận hành Robot phục vụ đóng gói sản phẩm (nhóm ứng dụng trên gói trà lipton). 4. Sản phẩm: ii
3. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: MSSV: MSSV: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) iii
4. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: MSSV: MSSV: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 iv
5. LỜI CẢM TẠ Trong quá trình học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, chúng tôi đã được sự truyền đạt, chỉ bảo tận tình và tiếp thu được một lượng kiến thức đáng kể không chỉ về kiến thức chuyên ngành mà là những kiến thức về thế giới xung quanh thông qua chương trình đào tạo của nhà trường cùng với hoạt động giảng dạy, truyền đạt kiến thức của toàn thể giảng viên trong trường. Với sự hỗ trợ đầy đủ về cơ sở vật chất cũng như môi trường nghiên cứu đã tạo điều kiện cho tôi mở mang kiến thức và có cái nhìn mới về khoa học. Vì vậy lời cảm ơn đầu tiên chúng tôi xin gởi đến trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh và tất cả những Giảng viên giảng dạy. Đồ án này hoàn thành nhờ sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn. Nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy chúng tôi đã từng bước liên kết những kiến thức đã được học và thực hiện những công việc trong đồ án. Thầy cũng là người tạo điều kiện để chúng tôi sáng tạo và dám thực hiện những ý tưởng của mình một cách chủ động, đồng thời bằng kinh nghiệm của mình, thầy đã góp ý chân thành để chúng tôi hoàn thiện những ý tưởng đó. Nhóm chúng tôi xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành nhất. Tiếp theo xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn, những người anh đi trước đã giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình làm đồ án. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt là cha mẹ, những người đã hy sinh âm thầm để yêu thương chúng tôi trong cuộc đời này. Tp.HCM, ngày tháng năm 20 Người thực hiện v
6. TÓM TẮT ĐỀ TÀI Nền công nghiệp của Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển rất nhanh, vì thế các phương thức sản xuất phi tự động hóa truyền thống không thể đáp ứng được nhu cầu của xã hội. Có nhiều phương án để giải quyết vấn đề này và sử dụng robot là một trong những phương án tốt nhất. Trên thực tế, robot đã được áp dụng vào Việt Nam hơn 10 mười năm qua và đang từng bước tiến lên trở thành tương lai của nhiều lĩnh vực trong công nghiệp. Trong lĩnh vực robot, delta robot, một loại của robot song song có thể đáp ứng được yêu cầu việc thao tác với tốc độ rất nhanh. Vì vậy, ngành công nghiệp đóng gói đã tận dụng lợi thế này của delta robot để tăng nhanh sản lượng và tối đa lợi nhuận. Luận văn này của chúng tôi mô tả quá trình thực hiện một hệ thống delta robot có khả năng gắp thả và sắp xếp những vật nhỏ di chuyển trên một băng tải. Đồ án này được thực hiện dựa trên sự kế thừa của đồ án “Thiết kế và chế tạo robot dạng Delta” đã được bảo vệ thành công vào năm 2013. vi
7. ABSTRACT The Vietnam industry is developing so fast that the traditional unmechanical manufacturing cannot suit the need of the whole society. There are many solutions to solve that problem and robot is one of the bests. In fact, robot have been applied in the Vietnam industry for over ten years and it is on the way to become the future of several industries in Vietnam. In robotics, delta robot , a type of parallel robot, is known as a robot that can manipulate light and small objects at a very high speed. Packaging industry in Vietnam takes advantage of the high speed of delta robot and it is very necessary to apply delta robot to packaging industry to increase production and more benefit for the country. The thesis shows the delta robot system which is able to pick and place the small objects moving on the conveyer. We develop this project from another project which was upheld in 2013. vii
8. Mục lục TRANG PHỤ BÌA i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN iii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN i v LỜI CẢM TẠ v TÓM TẮT ĐỀ TÀI v i ABSTRACT vii Mục lục viii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Tình hình ngành robot công nghiệp và ứng dụng robot công nghiệp trên thế giới . 1 1.2 Tình hình ngành robot công nghiệp và ứng dụng robot công nghiệp tại Việt Nam . 5 1.3 Kế thừa và hướng nghiên cứu 6 1.4 Điểm mới của đề tài 6 1.5 Giới hạn đề tài 7 1.6 Mục đích nghiên cứu 7 1.7 Phương pháp nghiên cứu 7 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN 8 2.1 Thiết kế cấu trúc robot 8 2.1.1 Xác định mục tiêu thiết kế . 8 2.1.2 Phương án thiết kế . 8 2.1.3 Tính số bậc tự do cho robot 9 2.2 Lựa chọn cơ cấu truyền động[1] 1 0 2.3 Chọn động cơ và thông số bộ truyền cho robot[1] 1 1 2.4 Các thành phần cơ khí: . 1 2 2.5 Bài toán động học Robot Delta: 1 6 viii
9. 2.5.1 Động học thuận: Bài toán thuận có nhiệm vụ xác định thế (vị trí và hướng) của phần công tác khi biết giá trị các biến khớp 16 2.5.2 Động học nghịch: Bài toán nghịch nhằm xác định giá trị các biến khớp để đảm bảo quy luật chuyển động của phần công tác. 18 CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ ĐIỆN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN. 21 3.1 Các thiết bị động lực của hệ thống: 21 3.1.1 Bộ điều khiển trung tâm: 21 3.1.2.Driver và động cơ (Motor): 21 3.1.3.Các thiết bị điện khác: 21 3.2 Giới thiệu linh kiện: 23 3.2.1 Mạch điều khiển trung tâm PLC Delta: 23 3.3 Sơ đồ tổng quát về nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển 29 3.4 Hệ thống điều khiển: 31 3.5 Giao thức truyền thông: 33 CHƢƠNG 4: XỬ LÝ VẬT TRÊN BẰNG CHUYỀN 37 4.1 Phƣơng án phát hiên vật trên băng chuyền đang chuyển động. 37 4.2 Camera thu nhận và xử lý ảnh xác định vị trí vật: 38 4.2.1 Thu nhận ảnh (Chụp ảnh): 38 4.2.2 Chuyển ảnh màu RGB sang ảnh đa mức xám. 39 4.2.3 Xử lý nhiễu và làm mượt ảnh: 41 4.2.4 Cắt khung hình 46 4.2.5 Tách ngưỡng (thresholding) 47 4.2.6 Dán nhãn đối tượng (labeling) 48 4.3 Xử lý số liệu: 50 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 52 5.1 Các bộ phận và cấu trúc cơ khí 52 5.2 Thực nghiệm đo độ chính xác của robot 54 5.2.1 Tính toán sai số robot dựa vào độ chính xác các khâu của robot 54 5.2.3 Kết quả đo 58 ix
10. 5.3 Bộ điều khiển: 64 5.4 Hệ thống camera phát hiện và gắp vật: 66 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 6.1 Kết luận: 70 6.2 Kiến nghị 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Phụ lục 1: Tính số bậc tự do của cơ cấu 74 Phụ lục 2: Động học thuận 76 Phụ lục 3: Động học nghịch 79 Danh mục hình ảnh: Hình 1.1: Robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo năm 1959. 1 Hình 1.2: Thống kê lượng robot tiêu thụ hàng năm 3 Hình 1.3: Thống kê ứng dụng robot. 4 Hình 1.4: Nguồn cung robot qua các năm 5 Hình 2.1: Sơ đồ động học và kết cấu của robot Delta 3 bậc tự do 8 Hình 2.2: Sơ đồ robot song song dạng Delta sẽ được thiết kế. 9 Hình 2.3: Nguyên lý của hộp giảm tốc được sử dụng cho các cánh tay. 10 Hình 2.4: Nguyên lý bộ truyền trục vít. 11 Hình 2.5: Tấm phẳng cố định 12 Hình 2.6: Cánh tay trên 13 Hình 2.7: Cánh tay dưới 14 x
11. Hình 2.8: Tấm phẳng di động 14 Hình 2.9: Trục xoay 15 Hình 2.10: Bản vẽ lắp Robot 15 Hình 2.11: Nguyên lý xác định bài toán động học thuận. 16 Hình 2.12: Các góc khớp và vector của một cánh tay robot. 16 Hình 2.13: Hệ tọa độ đế cố định. 17 Hình 2.14: Nguyên lý xác định bài toán động học ngược 18 Hình 2.15: Các góc khớp của một cánh tay robot. 18 Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện hệ thống 22 Hình 3.2: PLC Delta 28SV 23 Hình 3.3: Mô hình hệ thống servo 24 Hình 3.4: Sơ đồ khối Servo motor 25 Hình 3.5: Hệ thống servo 24 Hình 3.6: Mô hình động cơ servo 24 Hình 3.7: Bộ điều khiển servo 24 Hình 3.8 AC Servo Mitsubishi 27 Hình 3.9: Thông số Servo Amplifier 28 Hình 3.10: Servo Amplifier 28 Hình 3.11: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống kết nối điều khiển. 30 Hình 3.12: Sơ đồ giao tiếp điều khiển giữa Host Controller và Client Controller. 30 Hình 3.13: Sơ đồ giao tiếp điều khiển giữa XYZ Controller và AC Servo Driver. 30 Hình 3.14: Sơ đồ khối dành cho điều khiển vị trí của Servo driver. 30 Hình 3.15: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 31 Hình 3.16: Giải thuật chương trình điều khiển 32 Hình 4.1: Sơ đồ khối xử lý ảnh và thông số của đối tượng 38 Hình 4.2: Ảnh được chụp từ camera. 39 Hình 4.3: Khối lập phương mô phỏng hệ màu RGB. 40 Hình 4.4: Ảnh xử lý sau khi chuyển sang ảnh đa mức xám. 41 xi
12. Hình 4.5: Ảnh xử lý sau khi biến đổi qua bộ lọc Blur, kích thước ma trận lọc là 6x6. 4 2 Hình 4.6: Ảnh xử lý sau khi biến đổi qua bộ lọc Gaussian, kích thước ma trận lọc là 3x3. 4 3 Hình 4.7: Ma trận pixel trước và sau khi qua bộ lọc trung bình, kích thước ma trận lọc là 3x3. 4 4 Hình 4.8: Ma trận pixel trước và sau khi qua bộ lọc trung vị, kích thước ma trận lọc là 3x3. 4 5 Hình 4.9: Mảng các giá trị pixel của ma trận lọc trung vị đã qua sắp xếp. 45 Hình 4.10: Ảnh xử lý sau khi biến đổi qua bộ lọc Trung vị, kích thước ma trận lọc là 7x7. . 46 Hình 4.11: Ảnh xử lý sau khi cắt khung hình 4 7 Hình 4.12: Ma trận pixel trước và sau khi tách ngưỡng. 4 7 Hình 4.13: Ảnh xử lý sau khi tách ngưỡng. 4 8 Hình 4.15: Ma trận pixel trước và sau khi dán nhãn. . 4 9 Hình 4.16: Ảnh xử lý sau khi dán nhãn 5 0 Hình 5.1: Bản vẽ tổng thể Robot 5 2 Hình 5.2: Tổng thể Delta Robot 5 3 Hình 5.3: sơ đồ và bản vẽ lắp 1 cánh tay robot 5 4 oo oo Hình 5.4: Đồ thị sai số tọa độ điểm A khi góc 11 15 : 45 , 12 15 : 45 và kích thước robot với miền dung sai dưới 5 5 Hình 5.5: Đồ thị sai số tọa độ điểm A khi góc , và kích thước robot với miền dung sai trên 5 6 Hình 5.6: Sơ đồ quy trình xác định sai số trục Z 5 7 Hình 5.7: Sơ đồ quy trình xác định sai số trục X 5 7 Hình 5.8: Sơ đồ quy trình xác định sai số trục Y 5 8 Hình 5.9: Đo sai số trục Z 5 8 Hình 5.10: Đồ thị độ sai lệch tọa độ Z khi đo thực nghiệm 5 9 Hình 5.11: Đo sai số trục X 6 0 Hình 5.12: Đồ thị độ sai lệch tọa độ X khi đo thực nghiệm 6 1 xii
13. Hình 5.13: Đo sai số trục Y 62 Hình 5.14:Đồ thị độ sai lệch tọa độ Y khi đo thực nghiệm 63 Hình 5.15: PLC Delta và Servo Amplifier. 64 Hình 5.16: Bộ điều khiển 65 Hình 5.17: Sơ đồ điều khiển 65 Hình 5.18: Giao diện điều khiển 66 Hình 5.19: Ảnh bám vật. 67 Hình 5.20: Phát hiện vật và tiến hành gắp vật. 67 Hình 5.21: Xếp sản phẩm vào hộp 68 Danh mục bảng Bảng 5.1 Bảng giá trị sai lệch vị trí của điểm A tâm đế di động 56 Bảng 5.2 Bảng số liệu sai số trục Z 59 Bảng 5.3 Bảng số liệu sai số trục X 61 Bảng 5.4: Bảng số liệu sai số trục Y 63 Bảng 5.5 Bảng số liệu thể hiện mức độ sai lệch của robot 64 xiii
14. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Ở chương này sẽ trình bày về tình hình sản xuất và ứng dụng robot công nghiệp trên thế giới, những lợi thế và thử thách gặp phải, đồng thời chỉ ra tình hình ứng dụng robot công nghiệp tại Việt Nam và hướng phát triển trong thời gian sắp tới của nước ta. 1.1 Tình hình ngành robot công nghiệp và ứng dụng robot công nghiệp trên thế giới Ý tưởng về robot đã bắt đầu được xuất hiện vào những năm đầu của thế kỷ 20. Khi đó nhân loại bắt đầu bước vào giai đoạn phát triển về khoa học kỹ thuật thịnh vượng kéo dài đến ngày nay. Liên tục là những phát minh, những thiết kế đột phá nhằm thể hiện ước mơ chinh phục thế giới, cải thiện đời sống sản xuất tiểu thủ công nghiệp và đích đến cuối cùng là nâng cao đời sống con người hiện đại hơn, tiện nghi hơn. Robot được tạo ra trong lĩnh vực sản xuất đầu tiên, nó được chế tạo để thay thế con người trong những công việc mang tính chất nguy hiểm hoặc lặp đi lặp đi dễ gây nhàm chán. Khoảng năm 1940 mẫu robot đầu tiên được ra đời mang tên Master-Slave Manipulators. Năm 1959 George Devol và Joseph Engelberger đã phát triển và chế tạo robot công nghiệp đầu tiên, nặng đến hai tấn, sử dụng cơ cấu chấp hành thủy lực. Hình 1.1: Robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo năm 1959. 1
15. Từ năm 1959 đến nay, song song với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sự phát triển của robot thật sự mạnh mẽ và đa dạng. Mạnh mẽ là gì công nghệ áp dụng vào robot ngày càng hiện đại tạo ra những robot càng ngày càng thông minh. Đa dạng là vì ngày càng có nhiều kiểu thiết kế, nguyên lý thiết kế được áp dụng vào công nghệ robot, nó tạo ra hàng loạt kiểu cách đủ để áp dụng vào mọi ngõ ngách của sản xuất và đời sống con người. Lần đầu tiên người ta nghe đến từ Robot công nghiệp là khi mà “Bill” Griffith P. Taylor đề cập đến trong định nghĩa của ISO vào năm 1937 và nó đã được xuất bản trên tạp chí Meccano Magazine vào tháng 3 năm 1938. Robot công nghiệp có nhiều định nghĩa. Theo các tài liệu tham khảo [2], hai định nghĩa theo tiêu chuẩn của Viện nghiên cứu robot Hoa Kỳ (RIA – Robot institude of America) và TOCT 25686-85 của Nga như sau: Theo tiêu chuẩn của RIA: Robot là tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các chi tiết chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành nhiệm vụ khác nhau. Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga : Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Ngoài ra theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. Nói chung robot công nghiệp là những cỗ máy có thể di chuyển linh hoạt, có khả năng thay đổi hành trình của mình sao cho phù hợp với hoàn cảnh để thực hiện chức năng lao động công nghiệp dưới hệ thống chương trình được lập trình sẵn. Qua dòng thời gian, ưu thế của robot công nghiệp ngày càng thể hiện rõ. Robot công nghiệp đem lại những nguồn lợi khổng lồ cho các công ty. Các chuyên gia của Hiệp hội robot quốc tế (IFR – International Federation of Robotics) đã đưa ra mười lợi ích phổ biến nhất theo ý kiến của những người đã sử dụng robot trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đó là: 1. Giảm chi phí vận hành 2
16. 2. Nâng cao chất lượng sản phẩm và tính ổn định của sản xuất. 3. Nâng cao hiệu quả làm việc của công nhân. 4. Nâng cao sản lượng đầu ra. 5. Nâng cao tính linh hoạt trong quá trình sản xuất. 6. Giảm lãng phí nguyên liệu và tăng lợi nhuận. 7. Tuân thủ các quy định về an toàn và nâng cao sức khỏe và an toàn nơi làm việc. 8. Giảm chi phí thay đổi lao động và khó khăn trong tuyển dụng. 9. Giảm các chi phí đầu tư cơ bản. 10. Tiết kiệm không gian cho những khu vực sản xuất đắt đỏ. Vì những lợi ích mà robot công nghiệp mang lại, thị trường robot công nghiệp trở thành một thị trường giàu tiềm năng. Nhu cầu robot công nghiệp ngày càng tăng dẫn đến việc các công ty sản xuất robot công nghiệp ra đời. Nhu cầu và nguồn cung cấp, chính phủ các nước ban hành các quy định giúp lĩnh vực robot công nghiệp phát triển, đồng thời quy hoạch thị trường làm cho thị trường robot công nghiệp định hình rõ ràng và phát triển rất nhanh. Đỉnh cao của việc sử dụng robot công nghiệp là vào năm 2011, khi mà số lượng robot bán ra hơn 160,000 đơn vị (Số liệu từ IFR năm 2013). Hình 1.2: Thống kê lượng robot tiêu thụ hàng năm Năm 2012 tổng số lượng bán ra giảm 4% xuống còn 159,346 đơn vị, mức cao thứ hai được ghi nhận trong một năm, sau năm 2011. Số lượng robot công nghiệp được áp dụng vào sản xuất nhìn chung tăng trong khoảng năm 1994 đến 2012. Đáng chú ý IFR còn cho biết, đến khoảng 70% tổng doanh số robot bán ra trong năm 3
17. 2012 cho Nhật Bản, Trung Quốc, Hoa Kỳ, Hàn Quốc và Đức. Châu Á là thị trường lớn nhất, trong đó Nhật Bản là thị trường lớn nhất.Trung Quốc, Hàn Quốc, Ấn Độ, Đài Loan, Thái Lan là những đất nước có lượng robot lớn và đều là những thị trường rất giàu tiềm năng. Ngành công nghiệp ô tô là một khách hàng quan trọng nhất của ngành công nghiệp robot. Ngày càng nhiều robot được sử dụng trong lĩnh vực sản xuất ô tô. Tiếp theo là ngành điện – điện tử, công nghiệp cao su – chất dẻo, kim loại và máy công nghiệp, công nghệ thực phẩm Hình 1.3: Thống kê ứng dụng robot. Theo các chuyên gia của IFR dự đoán, từ nay đến năm 2016 số lượng robot công nghiệp được sử dụng sẽ còn gia tăng liên tục mặc dù ngành công nghiệp ô tô sẽ hơi chững lại, nhưng các ngành khác sẽ gia tăng số lượng robot công nghiệp phục vụ trong nhà xưởng sản xuất. Các thị trường mới ở các quốc gia đang phát triển sẽ nở rộ, và số lượng robot được sử dụng ở các quốc gia này sẽ tăng, cụ thể là các nước Châu Mỹ đặc biệt là Brazil, Hàn Quốc, Trung Quốc, Trung và Đông Âu, Thổ Nhĩ Kỳ và Đông Nam Á. 4
18. Hình 1.4: Nguồn cung robot qua các năm 1.2 Tình hình ngành robot công nghiệp và ứng dụng robot công nghiệp tại Việt Nam Sự chuyển biến trong việc sử dụng robot tại Việt Nam khá chậm chạp. Robot đa số chỉ được áp dụng vào các ngành như xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí, công nghiệp đóng tàu và một số ngành khác.Tất cả các công việc trên đều dừng lại ở mức hàm lượng khoa học không cao. Trong ngành đóng tàu, đa số robot thực hiện công việc hàn, cắt. Trong công nghiệp cơ khí và luyện kim, robot được sử dụng trong khâu rót kim loại và tháo dỡ khuôn. Trong ngành nhựa dẻo, người ta sử dụng robot trong việc lấy sản phẩm ở nhiệt độ cao từ trong khuôn ra ngoài. Ngoài ra robot còn được sử dụng trong việc nghiền, nâng, kéo những công việc đòi hỏi dùng lực lớn và nguy hiểm cho con người. Nhận thức được việc áp dụng robot là rất hạn chế, nhiều doanh nghiệp, trung tâm nghiên cứu, trường đại học đã bắt tay vào nghiên cứu, ứng dụng và chế tạo robot công nghiệp hơn chục năm qua. Vì vậy trong nước đã có nhiều doanh nghiệp ra đời với mục đích sản xuất robot công nghiệp giá rẻ và đáp ứng được nhu cầu trong nước. TOSY là một trong những công ty nổi bật và thành công nhất trong ngành Robot của Việt Nam ở thời điểm hiện tại. Theo ông Hồ Vĩnh Hoàng, tổng giám đốc công ty, cho biết giá thánh dự kiến của robot công nghiệp mà TOSY sản xuất chỉ bằng 1/4 đến 1/8 giá robot cùng loại trên thế giới. Tuy nhiên việc sản xuất 5
19. robot công nghiệp không phải đơn giản, TOSY vẫn đang gặp nhiều khó khăn trong vốn đầu tư, đội ngũ kỹ sư bậc cao và nhu cầu thị trường. Những trở ngại của công ty TOSY, trên mặt bằng chung, cũng chính là trở ngại để phát triển ngành sản xuất robot công nghiệp ở Việt Nam. Mua robot của nước ngoài thì giá cả đắt đỏ, sản xuất robot để tự đáp ứng nhu cầu thì quá khó khăn. Đó là một bài toán hóc búa cho các doanh nghiệp ở Việt Nam! Tuy vậy, công ty TOSY cũng như mọi người dân Việt Nam vẫn luôn cố gắng vượt qua khó khăn để đưa nền công nghiệp của nước nhà đi lên. Việt Nam còn nhiều hạn chế trong ngành robot vì nền công nghiệp cơ khí còn yếu kém, trình độ khoa học kỹ thuật còn chưa cao, nhưng chúng ta cũng có những lợi thế nhất định như giàu sức sáng tạo của tầng lớp trẻ, đội ngũ sinh viên giàu đam mê. Để khắc phục hạn chế và phát huy thế mạnh, việc quan trọng cần làm là làm chủ công nghệ đồng thời tiếp cận những ứng dụng mới để đưa được các công trình nghiên cứu khoa học ở các phòng thí nghiệm và trường đại học ra ngoài sản xuất. 1.3 Kế thừa và hƣớng nghiên cứu Nhóm nghiên cứu chọn lĩnh vực đóng gói bao bì để thực hiện vì lĩnh vực này đối tượng gọn nhẹ, phù hợp với điều kiện của sinh viên. Mục đích là chế tạo ra hệ thống robot làm việc trong mảng sắp xếp và phân loại. Năm 2013, một nhóm sinh viên tốt nghiệp đã thực hiện đồ án thiết kế và chế tạo Delta Robot, nên nhóm nghiên cứu quyết định kế thừa những thành quả đã có từ năm 2013 để phát triển thêm cho hoàn thiện hệ thống. Nhóm nghiên cứu kế thừa các thiết kế cơ khí, tính toán ứng suất, phân tích động học, động lực học, ý tưởng về hệ thống điều khiển, ý tưởng về sử dụng thị giác máy. Mục đích nhằm cải thiện độ ổn định, tốc độ hoạt động so với đồ án cũ, thực hiện các tác vụ chính xác và ổn định hơn trong việc di chuyển gắp thả và khả năng điều chỉnh hướng đặt của vật được gắp. 1.4 Điểm mới của đề tài Trong đề tài “thiết kế, chế tạo robot động học song song 4 bậc tự do” nhóm nghiên cứu đã đi sâu vào việc thiết kế và gia công cơ khí cho robot song song theo cấu hình của robot Delta phân tích xác định độ chính xác lắp ghép, vấn đề chuẩn lắp ghép, gia công và độ chính xác của robot. Nhóm gia công một robot mới dựa trên những điều chỉnh theo thiết kế đã có. Về phần thiết kế bộ điều khiển, với nhược điểm sử dụng PIC16f887 dễ gây nhiễu và tốc độ phát xung không cao (20 kHz) làm ảnh hượng đến độ chính xác của 6
20. robot, mạch phức tạp, gia công thủ công nên nhóm cải tiến sử dụng bộ điều khiển trung tâm tốt hơn, mạnh mẽ hơn và nghiên cứu truyền thông giao tiếp từ PC đến bộ điều khiển để hoàn thiện robot một cách chính xác nhất. 1.5 Giới hạn đề tài Thiết kế và chế tạo được một robot động học song song đáp ứng được không gian hoạt động thực tế là hình trụ có đường kính 1m, cao 0.2m. Robot sẽ gắp được những vật có khối lượng từ 10g đến 150g đang di chuyển trên một băng chuyền có tốc độ tối đa là 0.1m/s. Đầu vào của robot là các đối tượng được phân bố rải rác, tách rời trên băng tải, robot thực hiện tạc vụ gắp thả đối tượng vào hộp có vị trí xác định. 1.6 Mục đích nghiên cứu Với đề tài “thiết kế, chế tạo tay robot động học song song 4 bậc tự do” người nghiên cứu thực hiện với các mục đích sau: - Hoàn thiện một lượng kiến thức khá lớn thiết kế chế tạo, điều khiển tự động, xử lý ảnh. - Giới thiệu cho các dây chuyền công nghệ thực phẩm về việc ứng dụng công nghệ robot vào việc gắp, phân loại sản phẩm - Góp phần vào việc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng tự động hóa trong sản xuất 1.7 Phƣơng pháp nghiên cứu Tìm hiểu một số đề tài nghiên cứu khoa học có liên quan, nhóm sẽ nghiên cứu các tài liệu trên các trang web cũng như một số sách liên quan đến đề tài được trình bày ở phần “Tài Liệu Tham Khảo”. Từ đó có được các nhận xét khái quát về việc lựa chọn cấu hình cho robot, phương án truyền động. Sau khi hoàn thành đề tài, việc chạy thử nghiệm robot sẽ được thực hiện để có được những nhận xét và đánh giá những gì đã đạt được và chưa đạt được so với mục tiêu nhiệm vụ đã đặt ra từ lúc ban đầu của đề tài. Kết thúc chương 1, phần giới thiệu tổng quan về robot, xu hướng phát triển trong và ngoài nước. Việc lựa chọn cấu hình robot song song hay nối tiếp phục vụ cho việc gắp – đặt sản phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm đã hoàn thành. Hướng nghiên cứu, nhiệm vụ của đề tài và phương pháp nghiên cứu đã được trình bày cụ thể. Trong chương kế tiếp, tôi sẽ đề cập đến vấn đề lựa chọn phương án thiết kế và các bước thực hiện. 7
21. CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN Ở chương 1 đã trình bày về mục tiêu cũng như nhiệm vụ của đề tài nên ở chương này sẽ trình bày thiết kế và cách chế tạo các chi tiết của robot, bài toán động học thuận nghịch, động lực học robot. Vì đồ án mang tính chất kế thừa thiết kế cơ khí, tính toán bộ truyền động nên nhóm sẽ đưa ra những kết quả đã được thành lập từ tài liệu tham khảo Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo robot song song dạng Delta”. 2.1 Thiết kế cấu trúc robot 2.1.1 Xác định mục tiêu thiết kế Với mục đích của đề tài là gắp các sản phẩm trên băng chuyền đang chuyển động nên yêu cầu đế chuyển động dưới của robot phải chuyển động song phẳng với đế cố định nên phương án thiết kế phải đáp ứng được số bậc tự do của cơ cấu là 3 bậc. Ngoài việc robot có chuyển động song phẳng của đế dưới robot nếu được gắn thêm đầu công tác thì robot yêu cầu có thêm 1 bậc tự do xoay để có thể điều chỉnh hướng của vật được gắp. Đối với bậc tự do quay này (hay gọi là trục xoay) được gắn thêm vào chính giữa tâm đế dưới nên trong quá trình thiết kế xem đây là một bộ phận hỗ trợ thêm cho hoạt động của robot cho nên tác động của trục xoay không ảnh hướng lớn đến kết cấu của robot. 2.1.2 Phương án thiết kế Chúng tôi chọn sơ đồ động học như Hình 2.1 để thiết kế đây là loại sơ đồ động học theo giống với nguyên bản ban đầu của loại robot Delta nhất, với các động cơ quay gắn trực tiếp với các cơ cấu hình bình hành, hay nói cách khác ta sẽ đi sâu tìm hiểu và thiết kế loại robot Delta 3 bậc tự do với sơ đồ động học và kết cấu như hình 2.1. Hình 2.1: Sơ đồ động học và kết cấu của robot Delta 3 bậc tự do 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4