Bài nghiên cứu này xây dựng phần mềm điều khiển của hệ thống hút chân không trên Matlab GUI. Tính toán tải trọng của hệ thống và các vấn đề liên quan. Tìm hiểu quy trình thiết kế và chế tạo, hệ thống phần cứng và phần mềm điều khiển cánh tay robot công nghiệp 6 bậc tự do. Xây dựng giải pháp tích hợp hệ thống chân không vào cánh tay robot công nghiệp. Mời các bạn cùng tham khảo!
HỆ THỐNG NÂNG - HÚT CHÂN KHÔNG VÀ CÁNH TAY
Đặt vấn đề
Dây chuyền tự động hóa là hệ thống máy trạm liên kết qua hệ thống chuyển giao và điều khiển điện, phục vụ cho sản xuất và chế tạo sản phẩm Tại mỗi trạm, vật liệu được xử lý theo các bước đã thiết lập trước, sau đó di chuyển theo trình tự định sẵn cho đến khi hoàn thiện ở khâu cuối cùng.
Dây chuyền tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực sản xuất hiện đại, đặc biệt là trong ngành đóng gói Quy trình đóng gói bao gồm nhiều bước, từ việc cung cấp nguyên liệu đầu vào cho đến việc hoàn thiện sản phẩm ở đầu ra Mục tiêu chính là tạo ra những sản phẩm đẹp mắt, đảm bảo an toàn và thuận tiện cho việc vận chuyển, cũng như nâng cao khả năng bảo quản hàng hóa.
Hệ thống nâng và hút chân không cho phép gắp và di chuyển sản phẩm từ vị trí cố định hoặc di động đến vị trí khác thông qua robot hoặc cơ cấu truyền động cơ khí.
Hệ thống này có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền đóng gói, đặc biệt là tại các nhà máy thuộc ngành thực phẩm, giải khát, hàng tiêu dùng, dược phẩm và hóa chất.
Hình 1 1 : Ứng dụng hút chân không lên cánh tay robot
Nghiên cứu tích hợp hệ thống nâng và hút chân không vào cánh tay robot SM6 do phòng Cơ điện tử thuộc Viện Cơ học – Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam thiết kế mang lại giá trị thực tiễn cao trong tự động hóa Hệ thống này sẽ được ứng dụng để xếp các thùng carton lên pallet trong quy trình đóng gói, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.
Tổng quan hệ thống nâng bằng hút chân không
Môi trường chân không là môi trường không có áp suất và không chứa vật chất, tuy nhiên, việc tạo ra môi trường này rất khó khăn Hiện nay, các máy bơm chân không có khả năng tạo ra môi trường gần chân không, với áp suất thấp hơn nhiều so với áp suất khí quyển Điều này giúp đáp ứng tối ưu nhu cầu sản xuất, làm việc và nghiên cứu của người dùng trong nhiều lĩnh vực và ngành nghề khác nhau.
Máy bơm chân không là thiết bị chuyên dụng để loại bỏ khí, chất lỏng và hơi nước trong không gian kín, tạo ra môi trường chân không hoặc gần chân không Thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong các nhà xưởng sản xuất.
1.2.2 Nguyên lý nâng vật bằng chân không
Các miếng hút chân không thường được sử dụng để nâng đồ vật trong nhà máy hoặc tại các triển lãm thương mại, nhưng ít ai nghĩ về cách chúng hoạt động Nhiều người có thể cho rằng chúng sử dụng chân không để hút vật thể lên, nhưng thực tế là lực hút chân không không tồn tại Vậy điều gì giúp các miếng hút chân không nâng những vật này?
Một thử nghiệm ở thế kỷ 17 có thể làm sáng tỏ mọi thứ (chi tiết tại [9])
Vào những năm 1650, nhà khoa học người Đức Otto Von Guericke đã thực hiện thí nghiệm tại Magdeburg để chứng minh sức mạnh của áp suất khí quyển Ông sử dụng hai nửa quả cầu và một máy bơm chân không do chính mình chế tạo Thí nghiệm này được gọi là Thí nghiệm Bán cầu Magdeburg, và thiết bị mà ông sử dụng hiện vẫn được trưng bày tại Bảo tàng Deutsches ở Munich.
Hình 1 2: Hai nửa quả cầu vành cao su
Hai nửa quả cầu được ghép lại và bôi mỡ, sau đó được nâng đỡ và gắn vào hai đội ngựa Một máy bơm chân không hút không khí bên trong quả cầu, khiến cho hai đội ngựa (16 con) cố gắng kéo hai nửa quả cầu ra xa nhau, nhưng không thành công, như minh họa trong hình 1.2.
Hình 1 3: Hai đội ngựa cố gắng kéo hai nửa quả cầu ra xa nhau
Lý do tại sao lực kéo của những con ngựa vô ích?
Khi hai nửa quả cầu được ghép lại, áp suất bên trong sẽ bằng với áp suất bên ngoài, cho phép người dùng dễ dàng tách chúng ra bằng tay.
Khi áp suất bên trong được loại bỏ, áp suất khí quyển 14,7 psi tác động lên bề mặt bên ngoài của hai nửa quả cầu, tạo ra lực mạnh đủ để ngăn 16 con ngựa kéo chúng ra xa Thí nghiệm này đã được thực hiện nhiều lần từ thế kỷ 17, cho thấy sức mạnh của chân không Điều này liên quan chặt chẽ đến nguyên lý hoạt động của miếng hút chân không.
Khi tấm đệm nâng phôi gia công, các mặt của tấm đệm trở nên phẳng nhờ vào lực hút chân không, khi không khí bên trong được loại bỏ Tuy nhiên, sự phẳng của tấm đệm chủ yếu là do áp suất khí quyển bên ngoài đẩy các mặt của miếng đệm xuống.
Khi robot hoặc máy móc nâng tấm đệm, áp suất khí quyển tác động lên phôi qua tấm đệm Thể tích bên trong tấm đệm có áp suất thấp hơn, dẫn đến lực đẩy xuống phôi giảm Áp suất khí quyển trên các bề mặt khác của phôi lớn hơn, giúp đẩy phôi lên so với tấm đệm Tấm đệm đóng vai trò là mặt phân cách giữa hệ thống chân không và phôi, tạo ra lực nâng cần thiết.
Khi chân không được loại bỏ và không khí được nạp đầy vào tấm đệm, áp suất giữa hai mặt phôi sẽ được cân bằng, giúp tấm đệm giải phóng phôi một cách hiệu quả Đồng thời, miếng đệm cũng sẽ trở lại hình dạng ban đầu của nó.
Áp suất khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho các bán cầu gắn chặt với nhau khi áp suất bên trong được loại bỏ, tương tự như cách mà nó giữ phôi dựa vào một tấm đệm chân không khi áp suất bên trong tấm đệm này bị giảm.
Hệ thống nâng bằng hút chân không trong sản xuất bao gồm hai loại chính: hệ thống tạo chân không bằng bơm cơ điện và hệ thống tạo chân không bằng bơm khí nén Mỗi loại hệ thống này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các nhu cầu sử dụng khác nhau trong ngành công nghiệp.
Máy bơm chân không cơ điện hoạt động bằng cách sử dụng nguồn năng lượng, thường là điện năng Khi được cung cấp năng lượng, máy sẽ bắt đầu vận hành, hút bớt khí và hơi nước trong không gian khép kín, đồng thời đẩy chúng ra môi trường bên ngoài Trong quá trình hoạt động, thể tích của các khoang công tác sẽ thay đổi tuần hoàn.
Hình 1 4: Nguyên lý hoạt động của máy bơm chân không
Trong mỗi chu trình làm việc, khi thể tích các khoang công tác tăng lên, hệ thống bơm sẽ hút chất lỏng làm việc cùng với khí và hơi nước Khi thể tích thay đổi, chất lỏng, khí và hơi nước sẽ được nén lại và đẩy ra ngoài qua cửa xả Trong quá trình này, khí và hơi nước sẽ bị loại bỏ hoàn toàn, trong khi chất lỏng làm việc được đưa trở lại máy thông qua một bộ phận đặc biệt để hỗ trợ việc chuyển các chất khí và hơi nước còn lại ra ngoài cho đến khi không còn khả năng chuyển Đối với máy không sử dụng nước hay dầu làm chất lỏng làm việc, các khoang công tác sẽ được thiết kế với độ kín cao hơn để dễ dàng đẩy khí ra ngoài.
Hệ thống bơm chân không bằng khí nén chủ yếu dựa vào máy nén khí, là thiết bị chính cung cấp nguồn khí Máy nén khí chuyển đổi năng lượng cơ học từ động cơ thành năng lượng áp suất khí, tạo ra áp suất không khí cho khí nén Có nhiều loại máy nén khí, được phân loại theo nguyên lý hoạt động thành các loại máy nén thể tích, máy nén ly tâm và máy nén khí piston.
Tạo chân không bằng nguyên lý Venturi
Nguyên lý Venturi hoạt động dựa trên việc cho dòng chất lỏng hoặc khí có áp suất cao đi qua một ống hẹp, tạo ra vùng áp suất thấp ở đầu thoát, từ đó hút các phần tử khí vào dòng chảy từ một nguồn cung cấp chân không.
Máy tạo chân không Venturi có một số ưu điểm so với các loại máy hút khác:
• Không có thành phần chuyển động
• Mức độ bảo trì thấp
Các loại máy tạo chân không Venturi khác nhau chủ yếu dựa trên dòng động lực được sử dụng, bao gồm: không khí, hơi nước và chất lỏng
Kích thước máy tạo chân không Venturi được xác định dựa trên đường kính ngoài (OD) của ống đầu vào hoặc đầu ra Các kết nối thường có dạng ren và kích thước được chỉ định bằng inch (") hoặc milimet (mm).
Giới thiệu về cánh tay robot SM6
1.4.1 Các thành phần chính của cánh tay robot
Một cánh tay robot công nghiệp thông thường gồm các thành phần sau: Tủ điều khiển, Tay dạy lập trình, Cánh tay robot, Gripper
Hệ thống điều khiển, hay còn gọi là tủ điều khiển, là trung tâm kết nối các cánh tay robot, tín hiệu bên ngoài và tay dạy để xử lý tín hiệu và đưa ra quyết định điều khiển Tủ điều khiển còn được trang bị các cổng truyền thông và đấu nối I/O, giúp tối ưu hóa khả năng tương tác và điều khiển hệ thống.
Hình 1 7: Tủ điều khiển UR3
Tùy thuộc vào từng thế hệ và dòng robot mà tủ điều khiển ngày càng gọn nhẹ
Cánh tay robot là một cơ cấu cơ khí bao gồm các khâu và khớp, kết hợp với nhau để tạo ra các chuyển động cơ bản Cổ tay (Wrist) mang lại sự khéo léo và linh hoạt, trong khi bàn tay (Gripper) thực hiện các thao tác trực tiếp lên sản phẩm.
Hình 1 8: Cánh tay robot UR3
Giao diện người-Robot là công cụ quan trọng giúp người dùng điều khiển và giám sát hoạt động của robot Nó cho phép thiết lập các cài đặt và lập trình câu lệnh, thường được thực hiện thông qua tay dạy hoặc phần mềm cài đặt trên máy tính.
Hình 1 9: Tay dạy robot cộng tác UR
Gripper hay tay gắp là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm, hiện có nhiều lựa chọn phù hợp với từng loại vật cần thao tác Bên cạnh đó, người dùng cũng có thể tự thiết kế tay gắp riêng bằng khí nén hoặc động cơ để đáp ứng nhu cầu cụ thể.
Hình 1 10: Gripper của hãng Robotiq
Cánh tay Robot công nghiệp SM6 được phát triển trong khuôn khổ dự án "Hoàn thiện, làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo Robot công nghiệp 6 bậc tự do và ứng dụng vào dây chuyền sản xuất công nghiệp," do nhóm nghiên cứu viện Cơ học thực hiện.
Sản phẩm tay máy SM6 được thiết kế với khả năng chuyển động linh hoạt theo nhiều quỹ đạo khác nhau Cánh tay Robot có thể thực hiện hiệu quả các nhiệm vụ như cầm nắm, di chuyển đối tượng, làm sạch, cấp phôi, sơn và hàn, đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động khi được trang bị các dụng cụ phù hợp.
• Bậc tự do: 06 bậc tự do
• Vân tốc tối đa khâu tác dụng cuối: đạt 1 m/s
• Môi trường làm việc: trong nhà xưởng, phòng thí nghiệm có tiếp đất
• Không gian làm việc: trung bình nhỏ tương đương với tầm với của người
• Các yêu cầu khác: gọn nhẹ, lắp đặt dễ dàng và thuận tiện, có chức năng dạy học online, có tính module hóa
Luận văn sẽ nghiên cứu các thành phần chính của SM6 nhằm phục vụ cho việc tích hợp hệ thống hút chân không lên cánh tay robot.
Hình 1 11: Cánh tay robot SM6
1.4.3 Hệ thống điều khiển SM6
SM6 sử dụng bộ điều khiển 8 trục SpiiPlusEC Motion Controller của ACS Motion Control, nổi bật với hiệu suất cao, khả năng điều khiển đa kênh và linh hoạt trong nhiều chế độ hoạt động Bộ điều khiển này cho phép người dùng phát triển ứng dụng riêng, rất phù hợp cho điều khiển robot đa trục Do đó, SpiiPlusEC được chọn làm bộ điều khiển cho cánh tay máy, như minh họa trong hình 1.12 Bộ driver 01 trục XEL-230-18 của Copley được kết hợp với bộ điều khiển SpiiPlusEC, cung cấp cổng ghép nối để nhận tín hiệu encoder đo tốc độ từng trục Cơ chế giao tiếp và trao đổi dữ liệu giữa SpiiPlusEC và các bộ khuếch đại công suất diễn ra tự động, giúp người dùng không phải lo lắng về quá trình này.
Phần mềm điều khiển được cài đặt trên máy tính và giao tiếp với SPiiPlusEC thông qua ETHERCAT Nó bao gồm một gói phần mềm tính toán quỹ đạo do nhóm tác giả phát triển và phần mềm điều khiển từ công ty ACS Motion Control Sự liên kết giữa hai gói phần mềm này được thực hiện thông qua API.
Hình 1 12: Sơ đồ hệ thống điều khiển
Bộ điều khiển SPiiPlus được trang bị nhiều tính năng tiên tiến, bao gồm truyền thông tốc độ cao, bộ nhớ EEPROM để lưu trữ chương trình, đầu vào encoder tốc độ cao và bo mạch công suất mở rộng Đặc biệt, bộ điều khiển này còn tích hợp hai kênh truyền thông, mang lại hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng điều khiển.
EC bao gồm một kênh ETHERCAT với tốc độ tối đa 19,2 kbaud và một kênh Ethernet 10 BaseT Bộ nhớ EEPROM 4M được sử dụng để lưu trữ chương trình ứng dụng, thông số và hệ điều hành Ngoài ra, SPiiPlus EC còn tích hợp 16 đầu vào số và 16 đầu ra số, hỗ trợ hiệu quả cho các bài toán điều khiển.
Truyền thông với máy tính
DMC-SPiiPlus EC được tích hợp hai cổng truyền thông: ETHERCAT và Ethernet cho phép thiết bị kết nối với máy tính
Tham số truyền thông ETHERCAT được thiết lập với bản tin gồm 10 bit, bao gồm 1-bit start, 8-bit dữ liệu và 1-bit stop, không có bit chẵn lẻ, cho phép chế độ truyền song công Tốc độ truyền tối đa đạt 19200 baud và có thể được lựa chọn thông qua jump JP2.
Bảng 1.2 trình bày tốc độ truyền EtherCAT, trong đó đường truyền Ethernet hỗ trợ hai giao thức chính là TCP/IP và UDP/IP Giao thức TCP/IP yêu cầu mỗi gói tin gửi đi phải được xác nhận khi nhận, do đó nếu không nhận được phản hồi, dữ liệu sẽ được coi là mất và cần gửi lại Ngược lại, giao thức UDP/IP không yêu cầu xác nhận từ phía nhận, mang lại hiệu suất truyền thông cao hơn nhưng độ tin cậy thấp hơn Vì vậy, trong việc kết nối máy tính với DMC-SPiiPlus EC qua Ethernet, TCP/IP là giao thức ưu tiên sử dụng.
Khi sử dụng ETHERCAT, DMC-SPiiPlus EC chỉ có thể kết nối với một máy tính duy nhất, trong khi nếu dùng cổng Ethernet, mỗi bộ DMC-SPiiPlus EC có thể kết nối với nhiều máy tính Trong cấu trúc mạng này, bộ điều khiển hoạt động như một thiết bị slave, còn các máy tính giữ vai trò master.
Phần truyền thông với máy tính có nhiệm vụ sau:
• Thu thập dữ liệu từ bộ điều khiển
• Điều khiển theo lệnh đặt từ máy tính
• Tương tác với phần mềm người dùng
Thu thập dữ liệu từ bộ điều khiển
Dữ liệu được lấy về là thông tin trạng thái ở bên dưới bộ điều khiển, nó được chia làm mấy nhóm sau:
• Nhóm S: thông số của mặt phẳng S
• Nhóm T: thông số của mặt phẳng T
• Nhóm A đến F: thông số của trục 1 đến trục 6 Điều khiển theo lệnh đặt từ máy tính
Tập lệnh điều khiển của DMC-SPiiPlus EC bao gồm 2 ký tự chữ cái, với khả năng kèm theo các tham số Mỗi lệnh kết thúc bằng ký tự CR hoặc dấu “;”, được truyền dưới dạng mã ASCII Bộ điều khiển DMC-SPiiPlus EC giải mã từng byte ASCII trong khoảng 0,5ms Hệ thống hỗ trợ cơ chế nhận lệnh FIFO, cho phép nhận lệnh liên tục từ máy tính để xử lý lần lượt Sau khi hoàn thành mỗi lệnh, DMC-SPiiPlus sẽ tiếp tục thực hiện lệnh tiếp theo.
EC sẽ phản hồi trạng thái thực hiện lệnh (được hay không được) cho máy tính biết
Tương tác với phần mềm người dùng
ACS Motion Control cung cấp hai giải pháp:
• Thứ nhất là phần mềm API (giao diện chương trình ứng dụng)
• Thứ hai là ActiveX Tool Kit
Kết luận
Chương 1 tìm hiểu tổng quan về dây chuyền tự động hóa, hệ thống nâng – hút chân không và cánh tay robot Ứng dụng của hệ thống hút chân không với cánh tay robot trong dây chuyền đóng gói nói riêng và tự động hóa nói chung:
Hệ thống nâng vật bằng chân không theo nguyên lý Venturi có thể ứng dụng trong tất cả các giai đoạn của quá trình sản xuất
Cánh tay robot SM6 bao gồm các bộ phận chính như phần mềm mô phỏng và điều khiển, giúp thiết kế quỹ đạo và điều khiển robot hiệu quả Hệ thống điều khiển vị trí đa trục cho phép phối hợp đồng thời sáu bộ truyền động, đảm bảo hoạt động linh hoạt cho cả 6 cơ cấu chấp hành của robot SM6.
Luận văn trình bày giải pháp tích hợp hệ thống kẹp SM6 lên cánh tay, ứng dụng trong quy trình đóng gói Bài viết cũng sẽ cung cấp một số kết quả mô phỏng, thử nghiệm và đánh giá liên quan.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TAY GẮP CHO CÁNH TAY ROBOT
Sơ đồ khối hệ thống hút chân không
Sơ đồ khối hệ thống hút chân không cơ bản được trình bày trong hình 2.1 bao gồm các thành phần chính như sau:
Nguồn cấp khí nén, đường ống, hệ thống điều khiển, bộ tạo chân không, hệ thống giác hút
Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng các bộ phận trong hệ thống:
Nguồn cấp khí nén, chủ yếu là máy bơm khí nén, cung cấp khí áp suất cao vào đường ống dẫn khí, phục vụ cho bộ tạo chân không (máy phun).
Bộ tạo chân không hoạt động theo nguyên lý Venturi và có khả năng tích hợp nhiều module khác như van điện từ để điều chỉnh nguồn cấp khí nén, cảm biến áp suất, và bộ giảm thanh cho đầu thoát khí, nhằm nâng cao tiện ích sử dụng.
Hệ thống giác hút hoạt động bằng cách tạo ra một không gian kín với bề mặt của vật cần hút Khi khí nén đi qua bộ tạo chân không, nó tạo ra chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài hệ thống, giúp thực hiện quá trình hút hiệu quả.
Hệ thống điều khiển bao gồm cả phần cứng và phần mềm, được thiết kế để đáp ứng nhu cầu sử dụng và tích hợp vào các hệ thống khác nhau.
Quy trình thiết kế hệ thống giác hút
Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, bạn có thể lựa chọn hoặc tự thiết kế hệ thống giác hút chân không với 1, 2 hoặc nhiều cốc hút Quyết định này chủ yếu phụ thuộc vào hai yếu tố cơ bản.
Để nâng vật an toàn và tin cậy, cần tăng cường sử dụng nhiều cốc hút tại mỗi vị trí Việc này không chỉ cải thiện tốc độ mà còn đảm bảo rằng nếu một cốc gặp sự cố, các cốc khác vẫn có thể duy trì vị trí của vật.
Khi nâng vật liệu trong các ứng dụng chọn và đặt, bề mặt của vật cần nâng có thể được phân loại thành hai loại: không xốp và xốp Việc xác định loại vật liệu này là rất quan trọng để lựa chọn cốc và các phương án phù hợp cho quá trình xử lý.
Cánh tay Robot SM6 có khả năng nâng vật nặng tối đa 3 kg, do đó cần thiết kế hệ thống giác hút tương thích với tải trọng này Hệ thống sẽ được áp dụng trong quy trình đóng hộp bìa carton trên dây chuyền đóng gói, với vật liệu xử lý chủ yếu là vật liệu xốp.
Để thiết kế hệ thống giác hút phù hợp với khối lượng của phôi, cần áp dụng công thức tính độ bám của cốc hút cùng với công thức tính tải trọng.
Hình 2 2: Mô hình một cốc hút
Xác định lực hút của cốc hút theo công thức sau:
Trong đó: A là bề mặt bên trong của cốc hút (mm 2 )
P là mức chân không (kPa)
N là số lượng cốc hút trong hệ thống
Tải trọng là khối lượng được nâng theo gia tốc và hệ số an toàn được áp dụng
Có 3 loại ứng dụng tải chính được trình bày trong hình 2.3 Lưu ý, mũi tên đại diện cho chuyển động của hệ thống nâng
Hình 2 3: Ba trường hợp di chuyển vật cần nâng
Tải trọng trường hợp 1: Giác hút và phôi nằm ngang, robot di chuyển lên xuống
Trong đó: m là khối lượng của tải (kg) g gia tốc trọng trường (9,81 m/s 2 ) a gia tốc của robot (m/s 2 )
S là hệ số an toàn (hệ số an toàn thường là 2 trong đa số trường hợp, 4 trong một số trường hợp đặc biệt)
Hình 2 4: Ứng dụng giác hút nâng và thả sản phẩm Để vật không bị rơi thì: FP >= FG
Gia tốc của robot trong đoạn: a = [1, 5] (m/s 2 ) Áp suất chân không tạo ra: P = [20, 80] (kPa)
Tính toán được diện tích tiếp xúc cần thiết trong các trường hợp
Sử dụng phần mềm MATLAB để tính toán dựa trên các biến số đã cho, chúng ta có thể tạo ra đồ thị 3D thể hiện mối quan hệ giữa gia tốc của robot, áp suất chân không trong hệ thống và diện tích tiếp xúc giữa giác hút và phôi.
Hình 2 5: Đồ thị tải trọng trường hợp 1
Khi gia tốc tối đa của robot đạt 5 m/s², áp suất chân không trong hệ thống chỉ đạt 20 kPa, thì diện tích tiếp xúc tối đa của giác hút với bề mặt vật cần thiết là 4440 mm² Do đó, diện tích giác hút an toàn cho trường hợp này được xác định là 4440 mm², kèm theo bảng 2.1 thể hiện số lượng cốc hút và bán kính tương ứng.
Bảng 2 1: Số lượng cốc hút và bán kính cốc hút trường hợp 1
Bán kính cốc hút (mm) 37.6 26.6
Tải trọng trường hợp 2: Giác hút và phôi nằm ngang, robot di chuyển ngang
Trong đó: 𝜇 là hệ số ma sát giữa cốc hút và phôi
= 0,1 đối với bề mặt dầu
= 0,2 0,3 đối với bề mặt ướt
= 0,5 đối với gỗ, kim loại, thủy tinh,…
= 0,6 đối với bề mặt gồ ghề
Hình 2 6: Ứng dụng giác hút nâng và di chuyển sản phẩm theo chiều ngang
Đồ thị 3D thể hiện mối liên hệ giữa gia tốc của robot, áp suất chân không trong hệ thống và diện tích tiếp xúc giữa giác hút và phôi.
Hình 2 7: Đồ thị tải trọng trường hợp 2
Tải trọng trường hợp 3: Giác hút và phôi nằm dọc, robot di chuyển lên xuống
Trong đó: 𝜇 là hệ số ma sát giữa cốc hút và phôi
= 0,1 đối với bề mặt dầu
= 0,2 0,3 đối với bề mặt ướt
= 0,5 đối với gỗ, kim loại, thủy tinh, đá,
= 0,6 đối với bề mặt gồ ghề
Ứng dụng của giác hút trong việc nâng, di chuyển và xoay sản phẩm được thể hiện qua đồ thị 3D, cho thấy mối quan hệ giữa gia tốc của robot, áp suất chân không trong hệ thống và diện tích tiếp xúc giữa giác hút và phôi.
Hình 2 9: Đồ thị tải trọng trường hợp 3
Dựa vào đồ thị 3D, chúng ta xác định diện tích tiếp xúc cần thiết giữa giác hút và phôi, từ đó suy ra bán kính và số lượng cốc hút Đối với ứng dụng xử lý vật liệu nặng tối đa 3 kg, bao gồm hộp bìa carton, với gia tốc tối đa của robot là 5 m/s² và áp suất chân không tối thiểu 40 kPa, hệ thống giác hút được lựa chọn bao gồm 2 cốc hút, mỗi cốc có bán kính 28.2 mm.
Để thiết kế hệ thống giác hút hiệu quả, việc xác định hình dạng cốc hút phù hợp với loại vật liệu cần xử lý là rất quan trọng Vật liệu trong các ứng dụng chọn và đặt được chia thành hai loại chính: không xốp và xốp Mỗi loại vật liệu này yêu cầu kiểu dáng cốc khác nhau để tối ưu hóa quá trình xử lý.
− Vật liệu không xốp: thép, thủy tinh, ván nhiều lớp, nhựa cứng, chất bán dẫn, v.v
Xử lý vật liệu không xốp là ứng dụng lý tưởng cho cốc chân không, vì không xảy ra hiện tượng rò rỉ chân không Cốc dán chặt vào bề mặt vật thể giúp máy bơm đạt được mức chân không tối đa.
Cốc có rãnh phẳng thường được sử dụng cho các ứng dụng không xốp nhờ vào thiết kế cứng và cấu hình thấp, giúp chống bong tróc hiệu quả Trong các ứng dụng ngang với hệ thống nhiều cốc hút, cốc có ống thổi là lựa chọn lý tưởng, cung cấp độ mềm dẻo cần thiết để đảm bảo tất cả cốc đều tiếp xúc tốt với các vật được xử lý.
Hình 2 10: Cốc hút với vật liệu không xốp
− Vật liệu xốp: vật liệu dạng sóng, vật liệu dệt hoặc vật có bề mặt cực kỳ gồ ghề, không bằng phẳng
Khi xử lý vật liệu xốp, cần đảm bảo rằng đường dẫn dòng chảy giữa vật thể và bơm chân không đủ lớn để bù đắp lượng không khí rò rỉ qua bề mặt sản phẩm hoặc từ các khe hở giữa cốc và sản phẩm Đồng thời, cần chú ý đến kích thước lỗ khoan của ống nối trong cốc và kích thước của các đường ống chân không.
Khi tính toán lực giữ cho vật liệu xốp, việc xác định mức độ chân không đạt được thường gặp khó khăn do tốc độ rò rỉ của vật liệu không được biết rõ.
Hình 2 11: Cốc hút với vật liệu xốp
Hình 2.12 mô tả vùng làm việc hiệu quả của chân không trong xử lý vật liệu xốp và không xốp, tham khảo thêm tại [1]
Hình 2 12: Vùng chân không tạo ra của hai loại vật liệu
Lựa chọn bộ tạo chân không
Lựa chọn bộ tạo chân không dựa trên đường kính của cốc hút, theo bảng 2.2 dưới đây:
Bảng 2 2: Bảng lưu lượng hút dựa trên kích thước cốc hút Đường kính cốc hút Lưu lượng hút yêu cầu V S
90 - 120 mm 1 m 3 /h 16.6 lít/m Tính lưu lượng hút của bộ tạo chân không V [m 3 /h, lít/m]:
Trong đó: n là số lượng cốc hút
VS là lưu lượng hút yêu cầu cho 1 cốc hút đơn (m 3 /h, lít/m)
Như thiết kế trên: hệ thống sử dụng 2 cốc hút bán kính từng cốc là 28.2 mm
Tính toán lựa chọn bộ tạo chân không phù hợp, ở đây luận văn lựa chọn bộ tạo chân không của hãng SMC:
SMC là công ty khí nén hàng đầu Nhật Bản, được thành lập vào năm 1959, và hiện là tập đoàn sản xuất và phân phối thiết bị khí nén lớn nhất thế giới Với hơn 12.000 sản phẩm cơ bản và 700.000 tùy chọn khác nhau, SMC sở hữu dãy sản phẩm đa dạng, đáp ứng hầu hết nhu cầu của các ngành công nghiệp sử dụng khí nén trên toàn cầu.
Bộ tạo chân không SMC ZK2 hoạt động dựa trên nguyên lý Venturi
Máy tạo chân không ZK2 cung cấp nhiều tùy chọn kết hợp với các tính năng bổ sung nhằm nâng cao hiệu suất và ứng dụng Để biết thêm chi tiết, vui lòng tham khảo tại [10] Các thành phần tích hợp đa dạng giúp tối ưu hóa hoạt động của máy.
• Điều khiển xả hơi tự động
• Van điện từ hút chân không và thổi khí đế
Các tùy chọn này giúp giảm không gian lắp đặt, rút ngắn thời gian chu kỳ và cung cấp chức năng bảo tồn không khí cùng với chế độ dừng khẩn cấp Hệ thống chân không Venturi tiên tiến có thể tích hợp bộ điều khiển OEM hoặc điều khiển trình tự van, thay thế cho việc điều chỉnh thủ công các núm và van nhằm kiểm soát áp suất và lưu lượng hiệu quả hơn.
Cấu tạo của bộ tạo chân không ZK2 được mô tả trên hình 2.16
Hình 2 16: Cấu tạo bộ tạo chân không ZK2
Hình 2.17 trình bày sơ đồ khí nén và nguyên lý hoạt động của ZK2
Hình 2 17: Sơ đồ khí nén ZK2
Bộ tạo chân không ZK2 hoạt động với hai van điện từ (van cấp và van xả) thường đóng, giúp điều chỉnh các chế độ hoạt động hiệu quả Hình 2.18 cùng mô tả chi tiết sẽ hỗ trợ người dùng hiểu rõ hơn về cách thức vận hành của thiết bị này.
+ Ở chế độ tự nhiên, van cấp và van xả đều đóng, khí nén được bảo toàn
Khi van cấp chuyển sang chế độ mở, van xả vẫn đóng, khí nén sẽ đi qua cổng cấp khí đến buồng Venturi, hút theo lưu lượng khí tại cổng V và thoát ra ngoài qua cổng EXH Khi cổng V tiếp xúc với vật kín, chân không sẽ được tạo ra để giữ vật đó.
+ Khi van cấp đóng, van xả mở, khí nén sẽ đi qua cổng xả và đến cổng V tạo một lực để đẩy vật đang hút ra
Khi cả van cấp và van xả đều mở, khí sẽ di chuyển theo hướng có áp suất lớn hơn Để tránh tình trạng hai van mở cùng lúc, cần khóa chéo van cấp và van xả khi cài đặt điều khiển.
Bơm chân không
Khi lựa chọn bơm chân không, cần dựa vào thông số của bộ tạo chân không để đảm bảo đáp ứng nguồn cấp khí nén cần thiết, với khoảng áp suất cấp từ 0.3 đến 0.6 Mpa.
Máy nén khí Piston Lucky 1HP đang trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất thiết bị điện tử, phun sơn, sản xuất chi tiết nhựa và sửa chữa ô tô, xe máy Thiết bị này bao gồm các bộ phận chính như xi lanh, piston, cần đẩy, thanh truyền, con trượt, tay quay, van nạp, van xả và phớt, tạo nên hiệu suất hoạt động cao và độ bền lâu dài.
Hình 2 19: Máy khí nén Piston
Thông số kỹ thuật của máy nén khí piston 60 lít:
• Model: Máy bơm hơi Lucky 60 lít
• Công suất động cơ (HP): 1 HP
• Điện áp / Tần số: 220V / 50Hz
• Áp suất làm việc: 8 kg/cm 2
• Thời gian nén đầy bình hơi: 1 phút
• Lưu lượng khí: 120 lít/phút
• Nước sơn tĩnh điện: màu cam cao cấp
Một số lưu ý khi sử dụng máy nén khí:
Kiểm tra lượng dầu nhớt của máy nén khí piston là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động Lượng dầu bôi trơn cần nằm giữa hai vạch đỏ hoặc trong vạch tròn của mắt dầu Khi thay dầu định kỳ khoảng 2 tháng một lần, cần loại bỏ hoàn toàn dầu cũ trước khi thêm dầu mới Ngoài ra, việc điều chỉnh relay áp suất của máy cũng cần được thực hiện để đảm bảo hoạt động ổn định.
Để đảm bảo máy nén hoạt động hiệu quả và đạt công suất tối ưu, việc điều chỉnh áp suất chính xác là rất quan trọng Trước khi vận hành máy, bạn cần điều chỉnh relay áp suất, đây cũng là một quy định an toàn cần tuân thủ Để điều chỉnh áp suất, sử dụng tua vít vặn ốc của relay theo chiều kim đồng hồ để tăng áp suất hoặc ngược chiều để giảm áp suất Để đạt được mức áp suất chính xác nhất, bạn nên quan sát máy nhiều lần trong quá trình điều chỉnh.
Mở van xả nước ở đáy bình chứa khí
Sau một thời gian sử dụng, máy nén khí sẽ tích tụ nước, đặc biệt khi độ ẩm môi trường cao Điều này có thể dẫn đến tình trạng oxy hóa bình chứa khí Để bảo vệ tuổi thọ của bình nén, bạn nên định kỳ mở van xả nước ít nhất một lần mỗi tuần trước khi sử dụng.
Khi sử dụng máy bơm khí nén, cần lưu ý rằng môi trường bên ngoài không nên có nhiệt độ quá cao (> 40 o C) hoặc độ ẩm quá cao, vì điều này có thể gây nguy hiểm cho người dùng Trước khi tiến hành kiểm tra và bảo dưỡng, hãy tháo bình nén khí để đảm bảo an toàn, và không nên sử dụng máy để đùa nghịch nhằm tránh các rủi ro không đáng có.
Khi lựa chọn đường ống dẫn khí và các đầu nối, kích thước của chúng cần phải phù hợp với cốc chân không, bộ tạo chân không và máy bơm chân không Các phụ kiện và đường ống phải đảm bảo kết nối khí nén an toàn, vì chúng đóng vai trò quan trọng trong mạch chân không Để hệ thống hoạt động hiệu quả và tránh lỗi, cần đảm bảo các ống và phụ kiện không bị rò rỉ và được làm từ vật liệu phù hợp Ngoài ra, kích thước ống cũng cần được đo chính xác trong cấu hình hệ thống tổng thể.
Tích hợp kẹp chân không với SM6
2.5.1 Tích hợp kẹp chân không với hệ thống điều khiển SM6
Bộ điều khiển ACS SpiiPlusEC Motion Controller được sử dụng để điều khiển đồng bộ 6 khớp quay của cánh tay đến vị trí mong muốn thông qua giao thức EtherCAT Để điều khiển bộ tạo chân không ZK2, cần có một module trung gian để kết nối và giao tiếp với bộ điều khiển qua các phương thức truyền thông như RS232, RS485, hoặc EtherCAT.
Tổng quan hệ thống: 1 master điều khiển, 7 slave thực thi bao gồm 6 servo cho các khớp cánh tay, 1 module I/O cho hút chân không
Phương thức điều khiển tối ưu cho hệ thống là điều khiển thông qua truyền thông EtherCAT, một công nghệ được phát triển bởi Beckhoff Automation EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển thời gian thực và tự động hóa công nghiệp, nhờ vào khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả.
Bảng 2 3: Bảng so sánh Ethernet và EtherCAT
Thiết bị kết nối SPiiPlus IOMnt của hãng ACS là một module đầu vào/đầu ra kỹ thuật số hỗ trợ giao thức EtherCAT, mang lại thiết kế kinh tế và nhỏ gọn với khả năng cung cấp tới 32 đầu vào và 32 đầu ra Sản phẩm này tiêu thụ điện năng thấp và được cấu hình, điều khiển cũng như giám sát bởi các thiết bị ACS chính như MC4U SPiiPlusNT, NTM hoặc SPiiPlusSC cùng với các công cụ phần mềm tương thích.
IOMnt hoạt động với nguồn điện 24V, mỗi đầu vào ra digital cung cấp 24V/0.5A và được bảo vệ đầy đủ Thiết bị này cũng tương thích về chức năng và chân cắm với chuẩn Beckhoff EL2872.
Hình 2 20: Module I/O mở rộng IOMnt
Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hình 2 21: Hệ thống điều khiển
Tất cả thiết bị của hệ thống kẹp được lắp đặt trong tủ điều khiển, trong khi hệ thống giác hút được gắn trên cánh tay robot nhằm giảm thiểu trọng lượng tác động lên cánh tay.
Hình 2 22: Hệ thống phần cứng
2.5.2 Tích hợp với giao diện điều khiển SM6
Hình 2 23: Giao diện điều khiển Robot SM6
SM6 đã phát triển một phần mềm độc quyền mang tên Robot SM6, với các chức năng chính và đặc điểm được trình bày trong chương 1 và giao diện điều khiển như minh họa trong hình 2.23 Để điều khiển hệ thống kẹp chân không, cần xây dựng một module mở rộng cho phép bộ điều khiển ACS SpiiPlusEC điều khiển thông qua tín hiệu I/O, trong đó hai van cấp và van xả chân không tương ứng với hai chân tín hiệu Output (output 1 và output 2).
• Cấp khí tạo chân không: cài đặt output 1 tín hiệu 1, ngừng hút cài đặt output
• Xả khí trong hệ thống để nhả vật: cài đặt output 2 tín hiệu 1, ngừng xả cài đặt output 2 tín hiệu 0
Chương trình được ra lệnh song song với chương trình điều khiển các khớp của cánh tay
Thao tác hoạt động cơ bản của cánh tay Robot SM6 và giác hút:
• Thiết lập cánh tay robot về trạng thái ban đầu
• Điều khiển 06 cơ cấu chấp hành của tay máy để xác định vị trí và hướng của khâu tác dụng cuối (ở đây là bộ hút chân không)
• Khi đã đến vị trí mong muốn, bộ điều khiển bật van hút của bộ hút chân không để nâng và giữ đối tượng cần di chuyển
• Bộ điều khiển tiếp tục điều khiển 06 cơ cấu chấp hành của tay máy tới vị trí khác mong muốn
• Van hút tắt để nhả vật
• Quy trình được lặp lại hoặc được điều khiển sang mục đích tiếp theo
Hình 2 24: Chương trình điều khiển SM6 kết hợp điều khiển tay gắp
Kết luận
Hình 2 25: Mô hình cánh tay SM6 và hệ thống 2 giác hút
Chương 2 đưa ra giải pháp tích hợp hệ thống 2 giác hút lên cánh tay robot SM6 dựa trên các thành phần chính của cánh tay gồm:
Tích hợp phần cứng với hệ thống điều khiển của cánh tay
Thiết kế hệ thống giác hút phải đảm bảo tải trọng phù hợp với cơ khí cánh tay và lựa chọn cốc hút tương thích với loại vật liệu cần xử lý.
Xây dựng thêm module I/O để điều khiển bộ tạo chân không trên phần mềm điều khiển sẵn có.
ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
Vận hành mô hình hệ thống gắp thả
Trước khi vận hành hệ thống kẹp chân không trên cánh tay Robot SM6, cần xây dựng một mô hình thử nghiệm nhanh để hiệu chỉnh và đánh giá các thông số Mô hình này sẽ được điều khiển qua Arduino, và chương trình điều khiển sẽ được phát triển trên máy tính bằng phần mềm Matlab GUI.
Dựa vào sơ đồ khối hệ thống trong chương 2, các thiết bị cần thiết bao gồm Bộ tạo chân không ZK2, nguồn cấp khí nén với bơm khí nén, hệ thống điều khiển sử dụng Arduino và relay, cùng với đường ống và giác hút để đảm bảo hoạt động hiệu quả của toàn bộ hệ thống.
Hình 3 1: Sơ đồ thiết bị tổng quát
Xây dựng phần mềm điều khiển
Yêu cầu chung: cấu trúc chương trình rõ ràng, dễ chỉnh sửa, dễ sử dụng
Chương trình phần mềm được thiết kế trên Matlab GUI, viết dưới dạng module thực hiện 2 chức năng chính:
• Chức năng đọc và xử lý tín hiệu
Thiết kế giao diện tổng thể gắp vật bằng chân không trên hình 3.2
Module điều khiển có chức năng điều khiển van cấp và van xả Van cấp được bật khi cần hệ thống hút để nâng vật và tắt khi ngừng cung cấp khí nén vào bộ tạo chân không Van xả cũng có hai nút bật và tắt, bật khi muốn thả đối tượng và tắt để dừng hoạt động của hệ thống.
Module đọc và xử lý tín hiệu giúp theo dõi áp suất chân không trong hệ thống, hiển thị thông tin dưới dạng đồ thị và giá trị số Ngoài ra, nó còn tính toán lực nâng dựa trên bán kính của cốc hút được sử dụng.
Hình 3 2: Giao diện điều khiển hệ thống
Hình 3 3: Hệ thống thực tế
Tiến hành chạy thử hai nhiệm vụ đặc trưng cho hai loại vật liệu phổ biến: xốp và không xốp Mục tiêu chính là xác định mức áp suất chân không trong hệ thống và tính toán các giá trị liên quan để so sánh và đánh giá hiệu quả.
Trong trường hợp thử nghiệm hệ thống với vật liệu không xốp như nhựa và kính, áp suất chân không dao động trong khoảng từ -80 đến -90 kPa.
Hình 3 4: Tấm Polycarbonate đặc ruột
Hình 3 5: Kết quả thử nghiệm với tấm Polycarbonate
Trong giai đoạn đầu, khi bật van hút, hệ thống giác hút chưa gắp được vật, dẫn đến áp suất chân không chỉ đạt khoảng -20 kPa do hệ thống hở Khi vật được gắp thành công, áp suất tăng lên khoảng -90 kPa, gần đạt mức chân không lý tưởng -101 kPa Cuối cùng, khi tắt van hút, áp suất trở về mức 0.
Khi xử lý vật liệu có bề mặt không xốp như bề mặt nhựa, bề mặt kính,… mức áp suất chân không tạo ra rất tốt (khoảng -90 kPa)
Trong thử nghiệm hệ thống với vật liệu xốp, cụ thể là hộp carton, mức độ chân không đạt được dao động từ -50 đến -60 kPa, như đã được áp dụng trong thiết kế hệ thống ở chương 2.
Hình 3 7: Kết quả thử nghiệm với hộp carton
Trong giai đoạn đầu, khi van hút được bật nhưng giác hút chưa tiếp xúc với vật, áp suất chân không trong hệ thống đạt -20 kPa Khi giác hút gắp được vật, áp suất chân không đối với vật liệu xốp dao động từ -50 đến -60 kPa Cuối cùng, khi tắt van hút, áp suất trở về mức 0.
Khi xử lý vật liệu xốp, mức chân không đạt khoảng -50 đến -60 kPa do khí rò rỉ qua vật liệu, nhưng vẫn đảm bảo khả năng hút sản phẩm hiệu quả.
Đánh giá sau khi thử nghiệm
Dưới đây là một số đánh giá về hệ thống gắp chân không sau khi thử nghiệm và hiệu chỉnh, cho phép tích hợp vào cánh tay robot SM6 để vận hành hiệu quả.
➢ Sử dụng hệ thống 2 hay nhiều giác hút cho chúng ta một chút khó khăn hơn khi sử dụng hệ thống 1 giác hút:
Sự xuất hiện của nhiều khớp nối tạo ra nhiều vị trí có nguy cơ rò rỉ khí, dẫn đến việc giảm mức chân không trong hệ thống.
Thứ 2 là khi xử lý những sản phẩm có mặt ghồ ghề, không bằng phẳng thì 2 giác hút sẽ khó tiếp xúc được vật cùng 1 lúc Gây ra hiện tượng hệ thống không hoạt động (không tạo ra chân không hay nâng được vật) Để có thể xử lý các sản phẩm mặt cong vênh, gồ ghề có thể xem xét kích thước và độ dài hành trình của cốc hút
Hình 3 8: Độ dài hành trình của cốc hút
Sử dụng nhiều giác hút riêng lẻ trong hệ thống không chỉ tăng cường độ an toàn mà còn đảm bảo tính ổn định cho toàn bộ hệ thống Khi một giác hút gặp sự cố, các giác hút khác có thể hỗ trợ, giảm thiểu rủi ro Điều này đồng nghĩa với việc số lượng thiết bị được gia tăng, mang lại hiệu quả cao hơn trong việc duy trì hoạt động.
Trong quá trình vận hành hệ thống chân không, hơi nước và bụi bẩn trong đường ống có thể ảnh hưởng đến hiệu quả tạo chân không Để khắc phục vấn đề này, cần lắp đặt bộ lọc chân không vào đường ống, giúp ngăn chặn bụi bẩn, mảnh vụn và hơi nước Việc này không chỉ tăng tuổi thọ thiết bị mà còn giảm chi phí bảo trì và nâng cao công suất dòng chảy.
Hình 3 9: Bộ lọc chân không
Đường ống dẫn khí cần đảm bảo tính đồng bộ từ đầu đến cuối, với diện tích của mỗi nhánh phù hợp với nhánh tiếp theo Đường ống trục chính cũng phải được thiết kế với kích thước đủ lớn để xử lý dòng chảy tối đa.
Hình 3 10: Nguyên tắc thiết kế đường ống dẫn khí
Khi lắp đặt thiết bị tạo chân không tại tủ điều khiển của cánh tay robot, cần chú ý đến độ dài của đường ống nối giữa giác hút và tủ điều khiển Đường ống dài sẽ làm tăng thể tích khí cần dẫn ra ngoài, từ đó kéo dài thời gian tạo chân không Việc tính toán thời gian này là cần thiết để xác định độ trễ trong quá trình nâng vật lên.
Thể tích Cv tổng thể của hệ thống ống và van được tính bằng cách kết hợp
Cv của từng phần tử như sau:
Áp suất chân không trong hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố và không thể chủ động điều chỉnh theo ý muốn Chúng ta chỉ có thể giảm thiểu rò rỉ để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống, nhưng không thể kiểm soát chính xác mức chân không mong muốn.
Để đảm bảo an toàn khi vận hành hệ thống khí nén và tránh nguy cơ cháy nổ, người dùng cần đọc kỹ hướng dẫn sử dụng bơm khí nén Khi sử dụng máy nén khí, áp suất trong bình nén sẽ giảm dần, điều này ảnh hưởng đến áp suất cấp khí cho bộ tạo chân không và từ đó tác động đến áp suất chân không được tạo ra.
Hệ thống van cấp và van xả trong bộ tạo chân không sử dụng van một chiều để duy trì nguồn chân không trong một khoảng thời gian nhất định, ngay cả khi nguồn khí nén đã bị ngắt Việc này giúp giảm thiểu tình trạng rò rỉ khí và giữ cho chân không ổn định Khi có van một chiều, van xả chỉ hoạt động khi cần thiết, ngăn ngừa tình trạng phôi rơi ngay lập tức khi ngừng cấp khí nén, mà không cần phải sử dụng van xả để đẩy phôi ra khỏi cốc hút.
Khi lắp đặt kẹp chân không lên cánh tay robot, cần xem xét vị trí điểm đặt cuối của cánh tay trước và sau khi lắp công cụ gắp Hệ tọa độ không thay đổi, chỉ cần tính toán kích thước chênh lệch chính xác của cánh tay robot khi có giác hút Số lượng cốc hút (1,2,3,4…) sẽ ảnh hưởng đến trọng tâm của bộ giác hút và trọng tâm của vật cần xử lý.
Hình 3 11: Điểm đặt cuối cánh tay robot trong hệ trục tọa độ
Mô phỏng hệ thống hoạt động của tay gắp vào cánh tay
Sau quá trình thử nghiệm, hệ thống đã thành công trong việc hút các loại vật liệu theo yêu cầu, đồng thời tích hợp gắp chân không lên cánh tay robot để thực hiện thí nghiệm Tuy nhiên, do điều kiện thực tế, hệ thống cánh tay gắp chân không chưa thể hoạt động, vì vậy kết quả về quỹ đạo chuyển động của cánh tay robot được đánh giá thông qua mô phỏng Kết quả về mức áp suất chân không trong quá trình xử lý vật liệu đã được xác nhận qua phần thử nghiệm 3.1.
• Thực hiện một số quỹ đạo chuyển động của SM6 trước và sau khi có tay gắp 2 giác hút
Hình 3 12: Nhiệm vụ chuyển động của SM6 trong 2 trường hợp
(1) Có lắp kẹp hút chân không (2) Không lắp kẹp hút
Quá trình mô phỏng đã cho thấy kết quả chuyển động của hệ tọa độ gắn trên kẹp hút và hệ tọa độ gắn trên khâu tác dụng cuối.
Trường hợp chưa gắn kẹp hút chân không:
Hình 3 13: Đồ thị dịch chuyển của gốc hệ tọa độ gắn trên khâu tác dụng cuối
Trong đó màu đỏ, xanh lá cây, xanh da trời lần lượt là tọa độ X, Y, Z
Hình 3 14: Đồ thị của 06 khớp dịch chuyển
Trong đó màu sắc ứng với các khớp như chỉ ra ở góc trái phía trên đồ thị
Trường hợp gắn kẹp hút chân không có chiều dài: 147mm
Hình 3 15: Đồ thị dịch chuyển của gốc hệ tọa độ gắn trên khâu tác dụng cuối
Hình 3 16: Đồ thị của 06 khớp dịch chuyển Đánh giá kết quả:
Sau khi lắp đặt hệ thống giác hút dài 147mm vào cánh tay robot SM6, tọa độ cuối của cánh tay sẽ trở thành tọa độ trung điểm giữa hai giác hút, đồng thời chiều dài của cánh tay robot cũng sẽ được gia tăng.
Sự ổn định và chính xác của robot phụ thuộc vào chiều dài tay gắp và vận tốc di chuyển, trong đó chiều dài tay gắp tỷ lệ nghịch với vận tốc Cụ thể, với hệ thống giác hút dài 147mm, vận tốc ổn định cho robot khoảng 0,5 m/s Khi cánh tay làm việc với cùng tọa độ mà chưa lắp hệ thống giác hút, tọa độ dịch chuyển của khâu tác dụng cuối sẽ thay đổi tùy thuộc vào hướng của giác hút trong hệ tọa độ của cánh tay Ví dụ, nếu giác hút hướng theo trục Z, tọa độ khâu tác dụng cuối sẽ khác nhau ở trục Z với sự chênh lệch 147mm, trong khi tọa độ X và Y không thay đổi Sự thay đổi này ở tọa độ khâu tác dụng cuối sẽ dẫn đến sự thay đổi giá trị của 06 khớp.
Kết luận và hướng phát triển
Từ các nội dung đã trình bày trong các chương, luận văn có thể rút ra được một số kết luận sau:
Luận văn này tổng hợp và thu thập tài liệu từ nhiều nguồn như giáo trình, bài giảng, internet, chuyên đề, luận văn, luận án, nhằm nghiên cứu nguyên lý nâng vật bằng chân không và phương pháp tạo chân không theo nguyên lý Venturi Bên cạnh đó, bài viết cũng cung cấp tổng quan về cánh tay robot, đặc biệt là cánh tay SM6.
Thiết kế hệ thống tay gắp cho cánh tay robot SM6 bao gồm việc lựa chọn linh kiện phù hợp với yêu cầu dự án Sau đó, xây dựng mô hình thực tế và mô phỏng trên phần mềm để tiến hành vận hành và đánh giá kết quả.
Luận văn này mang lại giá trị thực tiễn cao, với khả năng áp dụng kết quả đánh giá và phân tích vào thực tế, đồng thời mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa.
Mục tiêu là tạo ra một sản phẩm hoàn thiện, có thể đóng gói trên thị trường nên các bước tìm hiểu tiếp theo cơ bản gồm:
Làm chủ công nghệ tạo chân không theo nguyên lý Venturi cho phép thiết kế các bộ tạo chân không hiệu quả Việc hiểu rõ mối quan hệ giữa áp suất nguồn khí nén, kích thước các cổng của bộ tạo chân không và lưu lượng dòng chảy là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Bộ điều khiển chuyên dụng cho bộ tạo chân không được thiết kế để hỗ trợ nhiều phương thức truyền thông phổ biến như RS232, RS485 và EtherCat mà không cần sử dụng các module trung gian, giúp tối ưu hóa hệ thống phần cứng tay gắp.
Xây dựng các tính năng nâng cao cho kẹp chân không, bao gồm phát hiện đối tượng đã nâng, phát hiện rơi phôi và tự động ngắt khi đạt đủ áp suất để tiết kiệm năng lượng Đồng thời, phát triển phần mềm điều khiển đóng gói có khả năng cài đặt trên nhiều loại cánh tay robot.