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

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

1. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM TRUYỀN ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN ỨNG DỤNG CHO DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG Nguyễn Thị Xuân Thuỳ, Nguyễn Thị Mai Hƣơng* *Viện Kỹ thuật HUTECH, trƣờng Đại học Công nghệ TP.HCM (HUTECH) TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu và chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng khí nén phục vụ trong các dây chuyền sản xuất tự động. Tay máy thay thế cho con ngƣời trong hệ thống sản xuất, giúp nâng cao độ tin cậy, năng suất của dây chuyền, và giảm thiểu tai nạn lao động. Tay máy có 3 bậc tự do. Tay máy gồm 3 chuyển động lần lƣợt là xoay, trƣợt, trƣợt. Mỗi chuyển động đƣợc truyền động bằng xylanh khí nén. Hoạt động tự động của tay máy đƣợc điều khiển bằng chip vi điều khiển ATMega. Tay máy sau khi đƣợc tính toán, thiết kế, chế tạo đã đƣợc lắp ráp và có thể hoạt động tốt. 1. GIỚI THIỆU Tay máy gắp sản phẩm đƣợc sản xuất nhiều trên thế giới và giá thành khá cao, vì thế đề tài này thực hiện việc thiết kế và chế tạo tay máy với giá thành thấp hơn rất nhiều và chủ động phát triển công nghệ trong nƣớc Việt Nam. Tay máy robot đƣợc nghiên cứu và ứng dụng trong các dây chuyền tự động [1-8]. Ƣu điểm của tay máy là khả năng định vị chính xác, lặp lại chính xác và có thể thay đổi chƣơng trình cho phù hợp với dòng sản phẩm mới trong dây chuyền sản xuất. Tuỳ theo mỗi ứng dụng cụ thể, kết cấu cơ khí robot, các cảm biến trang bị, chƣơng trình đƣợc thiết kế tƣơng ứng phù hợp. Trong các ứng dụng gắp đặt đơn giản, tay gắp robot truyền động bằng khí nén đƣợc sử dụng rộng rãi nhờ các ƣu điểm dễ chế tạo, đáp ứng nhanh, đơn giản và giá thành rẻ phù hợp ứng dụng đơn giản [5-7]. Có nhiều kiểu thiết kế cấu trúc cơ khí tay gắp robot đƣợc nghiên cứu và trình bày trong tài liệu [3]. Tay gắp 3 bậc tự do có vùng không gian làm việc là khối hình hộp hoặc cấu trúc kiểu toạ độ trụ. Tuỳ mỗi ứng dụng mà cấu trúc cơ khí đƣợc thiết kế cho phù hợp [3]. Hƣớng nghiên cứu và chế tạo tay máy khí nén gắp sản phẩm đƣợc nghiên cứu nhiều trong các trƣờng đại học và ứng dụng cho các dây chuyền ép nhựa tại công ty sản xuất các sản phẩm nhựa. Chế tạo, điều khiển tay máy sản phẩm nhựa bằng PLC, kết hợp truyền động bằng điện và khí nén đƣợc thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của TS. Lê Hoài Quốc tại ĐH Bách Khoa TP.HCM năm 2003. Chế tạo và điều khiển bằng PLC tay gắp sản phẩm nhựa đƣợc thực hiện tại trƣờng ĐH Bách Khoa do ThS Võ Anh Huy chủ trì năm 2002. Năm 2007, đề tài ―Ứng dụng camera trong điều khiển tay máy gắp sản phẩm nhựa‖ đoạt giải ba giải thƣởng Vifotec năm 2006, giải ba giải thƣởng SV nghiên cứu khoa học của Bộ Giáo dục - đào tạo do TS Bùi Thanh Luân hƣớng dẫn. 2. THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG Định hƣớng ứng dụng của tay máy dùng để gắp những thành phẩm trong sản xuất công nghiệp nhƣ các sản phẩm đƣợc làm ra từ khuôn nhựa, sản phẩm sau khi đƣợc đúc sẽ đƣợc tay máy gấp và chuyển trực tiếp vào thùng chứa. Cánh tay robot đƣợc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, nó giúp giảm bớt việc sử dụng sức lao động của con ngƣời vào quá trình sản xuất, năng cao năng suất và hiệu quả của công việc. 1085
2. Nguyên lý hoạt động: tay máy 3 bậc tự do đƣợc truyền động bằng 3 xylanh khí nén (xem hình 1): xylanh 8, xylanh 7, xylanh 9. Xylanh 9 duỗi ra truyền động khung 2 xoay quanh trục 4. Xylanh 7 duỗi ra đƣa bộ phận tay kẹp tác động cuối đi xuống. Xylanh 8 điều khiển cụm xylanh 7 di chuyển qua trái - phải. Chuyển động của 3 xylanh này đƣợc điều khiển bằng 3 van khí nén tác động bằng cuộn từ. Sơ đồ mạch khí nén đƣợc thể hiện trong hình 2 (Phải). Một ứng dụng điển hình gắp sản phẩm đƣợc thể hiện trong biểu đồ trạng thái hoạt động của hệ thống nhƣ hình 2 (Trái). Kích thƣớc bao của tay gắp theo chiều dài x rộng x cao lần lƣợt là 485 x 160 x 563 (mm) Hình 1 Bản vẽ lắp tay máy robot Hình 2. Biểu đồ trạng thái, bảng tín hiệu, mạch khí nén điều khiển các xilanh của tay máy Sơ đồ khối kết nối hệ thống của tay máy đƣợc thể hiện trong hình 3. Cụm nguồn cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống hoạt động, bộ điều khiển Arduino bật tắt các relay tƣơng ứng để đóng ngắt các valve khí nén điều khiển hoạt động của cơ cấu chấp hành là 3 xylanh khí nén. Hình 3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển 1086
3. Kết cấu tay máy đƣợc thiết kế 3D sử dụng phần mềm Solidwork. Hình 4 mô tả mô hình 3D của tay máy. Hình 4. Hình thiết kế 3D của tay máy 3. KẾT QUẢ THI CÔNG SẢN PHẨM TAY MÁY ROBOT: GIA CÔNG, LẮP RÁP, LẬP TRÌNH Kết quả gia công chế tạo là sản phẩm thực tế nhƣ thể hiện trong hình 5. Vật liệu chế tạo các chi tiết cơ khí là thép. Hình 5. Hình ảnh thực tế của tay máy hoàn chỉnh Chi tiết kết nối đầu giữa mạch Arduino và mạch module relay nhƣ sau: Modul relay 8 kênh (kích mức 0). Chân VCC relay đƣợc nối với chân 5 V của Arduino. Chân GND của relay nối với chân GND của Arduino. Các chân để xuất tín hiệu điều khiển từ mạch Arduino sang Module relay đƣợc sắp xếp theo thứ tự nhƣ sau (Hình 6,7): 1087
4. Hình 6. Cấu trúc vi điều khiển Arduino Mega 2560 Hình 7. Kết nối vi điều khiển và relay Chân số 13 của Arduino nối với chân IN1 của Module relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 1 Chân số 12 của Arduino nối với chân IN2 của Module relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 1 Chân số 11 của Arduino nối với chân IN3 của Module relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 2 Chân số 10 của Arduino nối với chân IN4 của Module relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 2 Chân số 9 của Arduino nối với chân IN5 của Module relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 3 Chân số 8 của Arduino nối với chân IN6 của Module relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 3 Chân số 7 của Arduino nối với chân IN7 của Modul relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 4 Chân số 6 của Arduino nối với chân IN8 của Modul relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 4 Chƣơng trình điều khiển hoạt động của tay máy đƣợc viết dựa trên ngôn ngữ lập trình C trên máy tính. Sau đó nạp vào chip vi điều khiển. Chƣơng trình trong chip vi điều khiển vận hành hoạt động của tay máy. 5. KẾT LUẬN Đề tài này thực hiện việc tính toán, thiết kế và chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng khí nén. Tay máy có 3 bậc tự do, mỗi một bậc tự do đƣợc truyền động bằng 1 xylanh khí nén. Hoạt động của tay máy đƣợc điều khiển mạch Arduino (chip vi điều khiển ATmega). Tay máy sau khi đƣợc chế tạo và lắp ráp đã hoạt động đúng yêu cầu thiết kế. Tốc độ chuyển động có thể điều chỉnh đƣợc cho phù hợp với từng ứng dụng trong công nghiệp. 1088
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 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. [2] 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 [3] Craig, J.J., "Introduction to Robotics, Mechanics and Control", 2^ Edition, AddisonWesley, 1989 [4] Sciavicco, L., and Siciliano, B., "Modeling and Control of Robot Manipulators"-2nd Edition, McGraw- Hill, 1996. [5] 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 [6] 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. [7] 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 [8] Swapnil Gurav, Chetan Bagul, Rahul Ramole, Pukhraj Patil, 5 Prof. Sneha Bire , ― Review on design and fabrication of pneumatic gripper for material handling‖, Feb 2008. [9] 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 [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: 1090