Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu, xây dựng và tích hợp hệ thống nâng và hút chân không trong dây chuyền tự động hóa

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu, xây dựng và tích hợp hệ thống nâng và hút chân không trong dây chuyền tự động hóa

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN VĂN VIỆT NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG NÂNG VÀ HÚT CHÂN KHÔNG TRONG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HÓA KHOA: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ TRẦN THẮNG PGS.TS ĐẶNG THẾ BA HÀ NỘI - 2021
2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin được cam đoan đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu, xây dựng và tích hợp hệ thống nâng và hút chân không trong dây chuyền tự động hóa” là công trình của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Trần Thắng và PGS.TS Đặng Thế Ba. Nội dung nghiên cứu không sao chép từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Những phần tham khảo đã được tác giả trích dẫn đầy đủ trong phần tài liệu tham khảo. Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ hướng dẫn TS Đỗ Trần Thắng và PGS.TS Đặng Thế Ba đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả đề tài Trần Văn Việt
3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 2 MỤC LỤC ............................................................................................................. 3 DAMH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. 7 DANH MỤC TỪ TIẾNG ANH VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................ 8 LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 9 CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG NÂNG - HÚT CHÂN KHÔNG VÀ CÁNH TAY ROBOT ............................................................................................................... 11 1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 11 1.2. Tổng quan hệ thống nâng bằng hút chân không ........................................ 12 1.2.1. Khái niệm ......................................................................................... 12 1.2.2. Nguyên lý nâng vật bằng chân không .............................................. 12 1.2.3. Phân loại .......................................................................................... 14 1.3. Tạo chân không bằng nguyên lý Venturi................................................... 17 1.4. Giới thiệu về cánh tay robot SM6.............................................................. 18 1.4.1. Các thành phần chính của cánh tay robot ....................................... 18 1.4.2. Tổng quan về SM6 ............................................................................ 20 1.4.3. Hệ thống điều khiển SM6 ................................................................. 21 1.4.4. Phầm mềm mô phỏng và điều khiển chuyển động robot SM6 ......... 24 1.5. Kết luận ...................................................................................................... 27 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TAY GẮP CHO CÁNH TAY ROBOT SM6 ..................................................................................................................... 28 2.1. Sơ đồ khối hệ thống hút chân không ............................................................ 28 2.2. Quy trình thiết kế hệ thống giác hút ............................................................. 29 2.3. Lựa chọn bộ tạo chân không. ....................................................................... 37 2.4. Bơm chân không .......................................................................................... 40 2.5. Tích hợp kẹp chân không với SM6 .............................................................. 42 2.5.1. Tích hợp kẹp chân không với hệ thống điều khiển SM6 ...................... 42 2.5.2. Tích hợp với giao diện điều khiển SM6................................................ 45 2.6. Kết luận ........................................................................................................ 47 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ............................................................. 48
4 3.1. Vận hành mô hình hệ thống gắp thả. ........................................................... 48 3.1.1. Mô hình thử nghiệm .............................................................................. 48 3.1.2. Hoạt động gắp thả ................................................................................. 50 3.2. Đánh giá sau khi thử nghiệm ....................................................................... 53 3.3. Mô phỏng hệ thống hoạt động của tay gắp vào cánh tay ............................. 56 3.4. Kết luận và hướng phát triển ........................................................................ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 61 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 62
5 DAMH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1: Ứng dụng hút chân không lên cánh tay robot .................................... 11 Hình 1. 2: Hai nửa quả cầu vành cao su .............................................................. 13 Hình 1. 3: Hai đội ngựa cố gắng kéo hai nửa quả cầu ra xa nhau ...................... 13 Hình 1. 4: Nguyên lý hoạt động của máy bơm chân không................................ 14 Hình 1. 5: Cấu tạo của máy nén khí .................................................................... 16 Hình 1. 6: Nguyên lý Venturi .............................................................................. 17 Hình 1. 7: Tủ điều khiển UR3 ............................................................................. 18 Hình 1. 8: Cánh tay robot UR3 ........................................................................... 19 Hình 1. 9: Tay dạy robot cộng tác UR ................................................................ 19 Hình 1. 10: Gripper của hãng Robotiq ................................................................ 20 Hình 1. 11: Cánh tay robot SM6 ......................................................................... 21 Hình 1. 12: Sơ đồ hệ thống điều khiển................................................................ 22 Hình 1. 13: Sơ đồ nhiệm vụ của SM robot ......................................................... 25 Hình 1. 14: Thuật toán tổng quát của chương trình SM robot ............................ 26 Hình 2. 1: Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................... 28 Hình 2. 2: Mô hình một cốc hút .......................................................................... 29 Hình 2. 3: Ba trường hợp di chuyển vật cần nâng .............................................. 30 Hình 2. 4: Ứng dụng giác hút nâng và thả sản phẩm .......................................... 30 Hình 2. 5: Đồ thị tải trọng trường hợp 1 ............................................................. 31 Hình 2. 6: Ứng dụng giác hút nâng và di chuyển sản phẩm theo chiều ngang... 32 Hình 2. 7: Đồ thị tải trọng trường hợp 2 ............................................................. 32 Hình 2. 8: Ứng dụng giác hút nâng, di chuyển và xoay sản phẩm ..................... 33 Hình 2. 9: Đồ thị tải trọng trường hợp 3 ............................................................. 33 Hình 2. 10: Cốc hút với vật liệu không xốp ........................................................ 34 Hình 2. 11: Cốc hút với vật liệu xốp ................................................................... 35 Hình 2. 12: Vùng chân không tạo ra của hai loại vật liệu ................................... 35 Hình 2. 13: Cốc hút phẳng .................................................................................. 36 Hình 2. 14: Cốc hút có ống thổi .......................................................................... 36 Hình 2. 15: Cốc hút thực tế được sử dụng .......................................................... 37 Hình 2. 16: Cấu tạo bộ tạo chân không ZK2 ...................................................... 39 Hình 2. 17: Sơ đồ khí nén ZK2 ........................................................................... 39 Hình 2. 18: Mặt cắt ZK2 ..................................................................................... 40 Hình 2. 19: Máy khí nén Piston .......................................................................... 41 Hình 2. 20: Module I/O mở rộng IOMnt ............................................................ 43 Hình 2. 21: Hệ thống điều khiển ......................................................................... 44 Hình 2. 22: Hệ thống phần cứng ......................................................................... 44 Hình 2. 23: Giao diện điều khiển Robot SM6..................................................... 45 Hình 2. 24: Chương trình điều khiển SM6 kết hợp điều khiển tay gắp .............. 46
6 Hình 2. 25: Mô hình cánh tay SM6 và hệ thống 2 giác hút ................................ 47 Hình 3. 1: Sơ đồ thiết bị tổng quát ...................................................................... 48 Hình 3. 2: Giao diện điều khiển hệ thống ........................................................... 49 Hình 3. 3: Hệ thống thực tế ................................................................................. 50 Hình 3. 4: Tấm Polycarbonate đặc ruột .............................................................. 51 Hình 3. 5: Kết quả thử nghiệm với tấm Polycarbonate....................................... 51 Hình 3. 6: Hộp carton .......................................................................................... 52 Hình 3. 7: Kết quả thử nghiệm với hộp carton ................................................... 52 Hình 3. 8: Độ dài hành trình của cốc hút ............................................................ 53 Hình 3. 9: Bộ lọc chân không.............................................................................. 54 Hình 3. 10: Nguyên tắc thiết kế đường ống dẫn khí ........................................... 54 Hình 3. 11: Điểm đặt cuối cánh tay robot trong hệ trục tọa độ........................... 56 Hình 3. 12: Nhiệm vụ chuyển động của SM6 trong 2 trường hợp ..................... 57 Hình 3. 13: Đồ thị dịch chuyển của gốc hệ tọa độ gắn trên khâu tác dụng cuối 58 Hình 3. 14: Đồ thị của 06 khớp dịch chuyển ...................................................... 58 Hình 3. 15: Đồ thị dịch chuyển của gốc hệ tọa độ gắn trên khâu tác dụng cuối 59 Hình 3. 16: Đồ thị của 06 khớp dịch chuyển ...................................................... 59
7 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1: Bảng so sánh bơm cơ điện (1) và bơm khí nén (2) ........................... 16 Bảng 1. 2: Bảng tốc độ truyền EtherCAT ........................................................... 23 Bảng 2. 1: Số lượng cốc hút và bán kính cốc hút trường hợp 1.......................... 31 Bảng 2. 2: Bảng lưu lượng hút dựa trên kích thước cốc hút ............................... 37 Bảng 2. 3: Bảng so sánh Ethernet và EtherCAT ................................................. 43
8 DANH MỤC TỪ TIẾNG ANH VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng anh Giải thích 3D 3-Dimension 3 chiều API Application Programming Giao diện lập trình ứng dụng Interface EEPROM Electrically Erasable Bộ nhớ chỉ đọc lập trình có Programmable Read-Only thể xóa bằng điện Memory ETHERCAT Ethernet for Control Công nghệ điều khiển tự Automation Technology động của ethernet GUI Graphical User Interface Giao diện đồ họa người dùng I/O Input/ Output Đầu vào/ đầu ra IEC International Electrotechnical Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế Commission PC Personal Computer Máy tính cá nhân PLC Programmable Logic Bộ điều khiển Logic có thể Controller lập trình được PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập tạm thời SRAM Static Random-Access Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Memory tĩnh TCP/IP Transmission Control Giao thức điều khiển truyền Protocol/ Internet Protocol nhận/ Giao thức liên mạng UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu người dùng
9 LỜI MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Tự động hóa là lĩnh vực ngày càng được ứng dụng nhiều trong sản xuất. Đặc biệt với sản xuất hiện đại, các giải pháp tự động hóa của thời đại công nghiệp 4.0 luôn tích hợp sử dụng Robot làm thành phần không thể thiếu trong hệ thống. Theo lịch sử phát triển robot, tay máy công nghiệp ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong nhiều lĩnh vực như: trong sản xuất, trong nghiên cứu phát triển, trong quân sự, trong y học, trong thám hiểm không gian,… Vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mới cánh tay robot cùng với các dụng cụ gắn trên nó cho các ứng dụng cụ thể trong công nghiệp phù hợp với điều kiện Việt Nam là một nhu cầu thiết thực đem lại lợi ích cho Quốc gia. Ngoài ra, hệ thống thao tác cuối (dụng cụ) của cánh tay Robot cũng là một hướng nghiên cứu đa dạng và phong phú. Để từng bước làm chủ công nghệ về cánh tay robot công nghiệp, tôi quyết định lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu, xây dựng và tích hợp hệ thống nâng và hút chân không trong dây chuyền tự động hóa”. Mục đích của đề tài • Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và xây dựng cấu trúc cho hệ thống nâng vật bằng hút chân không. • 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. Đối tượng nghiên cứu • Cánh tay robot 6 bậc tự do • Hệ thống thao tác cuối của cánh tay robot • Hệ thống tạo chân không bằng khí nén theo nguyên lý Venturi Phương pháp nghiên cứu • Thu thập, nghiên cứu tài liệu về hệ thống hút chân không và cánh tay Robot.
10 • Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm, tích hợp, mô phỏng, vận hành thử nghiệm và đánh giá. Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm 3 chương: • Chương 1: Hệ thống nâng – hút chân không và cánh tay robot Tìm hiểu nguyên lý nâng vật bằng chân không, nguyên lý tạo ra chân không bằng nguyên lý Venturi. Tổng quan về cánh tay robot nói chung và cánh tay SM6 nói riêng. • Chương 2: Thiết kế hệ thống tay gắp cho cánh tay robot SM6 Từng bước thiết kế và tích hợp hệ thống gắp chân không lên cánh tay robot SM6 theo các bộ phận chính của cánh tay. • Chương 3: Đánh giá hệ thống Kết quả vận hành hệ thống thử nghiệm, đánh giá sơ bộ hệ thống và các lưu ý liên quan đến hệ thống, hướng phát triển. Luận văn có sử dụng các công cụ phần mềm bao gồm: Matlab, Solidworks, tham khảo hệ thống Robot SM6, nền nhúng Arduino,…
11 CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG NÂNG - HÚT CHÂN KHÔNG VÀ CÁNH TAY ROBOT 1.1. Đặt vấn đề Dây chuyền tự động hóa là một chuỗi các máy trạm được liên kết với nhau bởi hệ thống chuyển giao và điều khiển điện, giúp thực hiện hoạt động sản xuất, chế tạo sản phẩm. Vật liệu sẽ được xử lý tại mỗi trạm theo các bước thiết lập từ trước, sau đó di chuyển theo dây chuyền sản xuất với trình tự định sẵn và hoàn thiện sau khâu cuối cùng. Dây chuyền tự động hóa được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất của đời sống hiện đại, trong đó đáng kể nhất là lĩnh vực đóng gói. Dây chuyền đóng gói sẽ gồm nhiều khâu (từ cấp nhiên vật liệu đầu vào đến đóng gói sản phẩm ở đầu ra) với mục đích cuối tạo ra thành phẩm đẹp mắt, đảm bảo an toàn cho sản phẩm, dễ dàng vận chuyển và bảo quản hàng hóa tốt hơn. Hệ thống nâng và hút chân không thực hiện gắp đặt sản phẩm từ vị trí cố định hoặc di động sang vị trí khác nhờ robot hoặc cơ cấu chuyền động cơ khí. Chính vì thế hệ thống này có thể được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền đóng gói, đặc biệt trong các nhà máy của ngành thực phẩm – giải khát, hàng tiêu dùng, dược phẩm - hóa chất,… Hình 1. 1: Ứng dụng hút chân không lên cánh tay robot Nghiên cứu khả năng tích hợp hệ thống nâng và hút chân không lên cánh tay robot công nghiệp, ứng dụng trong dây chuyền tự động hóa là một hướng nghiên
12 cứu có ý nghĩa thực tiễn cao. Cụ thể, luận văn sẽ đưa ra giải pháp tích hợp hệ thống nâng và hút chân không lên cánh tay Robot SM6 do phòng Cơ điện tử thuộc viện Cơ học – Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam nghiên cứu và tự thiết kế chế tạo trong nước. Ứng dụng của hệ thống sẽ thực hiện 1 khâu trong dây chuyền đóng gói là xếp các thùng sản phẩm carton lên pallet. 1.2. Tổng quan hệ thống nâng bằng hút chân không 1.2.1. Khái niệm Môi trường chân không là môi trường không có áp suất, không chứa vật chất và thực tế rất khó để tạo ra môi trường này. Cho nên hiện nay các máy bơm chân không chỉ có thể tạo ra môi trường gần chân không, là môi trường có tồn tại áp suất nhưng áp suất ở mức độ thấp hơn rất nhiều so với áp suất của khí quyển và nó đủ điều kiện để đáp ứng tối ưu nhu cầu sản xuất, làm việc, nghiên cứu của người dùng trong mọi lĩnh vực, ngành nghề. Máy bơm chân không là một thiết bị chuyên dùng để loại bỏ các chất khí, chất lỏng, hơi nước ra khỏi một phạm vi không gian giới hạn, khép kín nhằm tạo ra một môi trường chân không hoặc gần chân không. Đây là thiết bị được sử dụng phổ biến trong nhà xưởng sản xuất. 1.2.2. Nguyên lý nâng vật bằng chân không Tất cả chúng ta đều đã thấy các miếng hút chân không nhặt đồ vật trong nhà máy hoặc triển lãm thương mại và có lẽ ít nghĩ về cách chúng nhặt đồ vật đó. Một số người trong chúng ta có thể cho rằng họ sử dụng chân không để hút vật thể lên. Nhưng khoa học cho chúng ta biết lực hút không tồn tại, vậy làm thế nào để các miếng hút chân không nâng những vật này lên? Một thử nghiệm ở thế kỷ 17 có thể làm sáng tỏ mọi thứ (chi tiết tại [9]). Vào những năm 1650, một nhà khoa học người Đức tên là Otto Von Guericke đã tiến hành các thí nghiệm ở Magdeburg để chứng minh sức mạnh của áp suất khí quyển. Ông sử dụng hai nửa của một quả cầu (minh họa trên hình 1.1) và một máy bơm chân không mà ông đã chế tạo. Thí nghiệm này được gọi là Thí nghiệm Bán cầu Magdeburg (và thiết bị mà ông sử dụng vẫn được trưng bày trong Bảo tàng Deutsches của Munich).
13 Hình 1. 2: Hai nửa quả cầu vành cao su Hai nửa được ghép lại với nhau và bôi mỡ. Quả cầu được nâng đỡ và gắn vào hai đội ngựa. Một máy bơm chân không sau đó đã hút không khí từ bên trong quả cầu. Sau đó cho hai đội ngựa (16 con) cố gắng kéo hai nửa quả cầu ra xa nhau, minh họa trên hình 1.2. Và chúng không thể. 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 bạn đặt hai nửa quả cầu lại với nhau, áp suất bên trong quả cầu bằng áp suất bên ngoài. Vì vậy, một người có thể dễ dàng kéo chúng ra bằng tay. Nhưng khi không khí/áp suất bên trong bị loại bỏ, áp suất khí quyển (14,7 psi) tác động vuông góc lên tất cả các bề mặt bên ngoài của hai nửa quả cầu. Lực này có thể ngăn không cho 16 con ngựa kéo hai nửa ra xa nhau. Thí nghiệm này đã được lặp lại nhiều lần kể từ những năm 1650. Điều này liên quan như thế nào đến miếng hút chân không? Khi chúng ta thấy những tấm đệm nâng một phôi gia công, các mặt của tấm đệm sẽ phẳng so với phôi khi hút chân không (không khí bên trong tấm lót được
14 loại bỏ). Đây không phải do lực hút đang làm phẳng tấm đệm mà áp suất khí quyển bên ngoài đang đẩy các mặt của miếng đệm xuống. Khi robot hoặc máy móc nâng tấm đệm lên, áp suất khí quyển giữ phôi áp vào tấm đệm. Thể tích bên trong tấm đệm ở áp suất thấp hơn nhiều và do đó lực đẩy xuống phôi ít hơn. Áp suất khí quyển trên các bề mặt khác của phôi mạnh hơn, đẩy phôi lên so với tấm đệm. Đây là nguyên lý tạo lực nâng phôi lên. Tấm đệm là mặt phân cách giữa hệ thống chân không và phôi. Khi chân không được loại bỏ khỏi tấm đệm và không khí nạp đầy tấm đệm, áp suất trên và dưới phôi cân bằng và tấm đệm sẽ giải phóng phôi. Miếng đệm cũng trở lại hình dạng ban đầu. Cũng giống như áp suất khí quyển giữ cho các bán cầu bị dính lại với nhau khi áp suất bên trong bị loại bỏ, áp suất khí quyển giữ phôi dựa vào một tấm đệm chân không khi áp suất bên trong tấm đệm được loại bỏ. 1.2.3. Phân loại Hệ thống nâng bằng hút chân không được sử dụng trong sản xuất có 2 loại chính là: Hệ thống tạo chân không bằng bơm cơ điện và tạo chân không bằng bơm khí nén. Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm riêng: + Nguyên lý hoạt động của máy bơm chân không cơ điện: loại bơm chân không này để hoạt động cần sử dụng một nguồn năng lượng, đó có thể là điện năng. Sau khi máy được cung cấp năng lượng sẽ bắt đầu vận hành. Các khoang công tác của máy sẽ tiến hành hút bớt chất khí, hơi nước có trong không gian khép kín và đẩy nó ra môi trường không khí bên ngoài, mô tả trên hình 1.3. Thể tích của các khoang công tác trong khi máy hoạt động sẽ thay đổi tuần hoàn. Hình 1. 4: Nguyên lý hoạt động của máy bơm chân không Vào mỗi chu trình làm việc, khi thể tích của các khoang công tác tăng lên, hệ thống bơm sẽ hút chất lỏng làm việc đi kèm với chất khí, hơi nước và theo sự
15 thay đổi thể tích của các khoang công tác thì chất lỏng làm việc, chất khí, hơi nước sẽ từ từ được nén lại và bị đẩy ra ngoài thông qua cửa xả của máy. Nhưng trong đó chất khí và hơi nước là được loại bỏ hoàn toàn còn chất lỏng làm việc sẽ theo một bộ phận đặc biệt được đưa trở lại máy để tiếp tục hỗ trợ chuyển các chất khí và hơi nước còn lại trong không gian khép kín ra ngoài cho đến khi không thể chuyển nữa. Với máy không sử dụng chất lỏng làm việc là nước hay dầu thì sẽ được thiết kế các khoang công tác có độ kín cao hơn để đẩy chất khí ra ngoài thuận tiện, dễ dàng hơn. + Hệ thống bơm chân không bằng khí nén chủ yếu sử dụng máy nén khí là phần chính của thiết bị nguồn khí. Máy nén khí là một thiết bị chuyển đổi năng lượng cơ học của động cơ chính thành năng lượng áp suất khí và là một thiết bị tạo áp suất không khí cho khí nén. Có nhiều loại máy nén khí. Theo nguyên lý hoạt động, chúng có thể được chia thành các máy nén thể tích, máy nén ly tâm và máy nén khí piston: • Nguyên lý làm việc của máy nén thể tích là thể tích khí nén, sao cho mật độ của các phân tử khí trên một đơn vị thể tích tăng lên để tăng áp suất của khí nén. • Nguyên tắc làm việc của máy nén ly tâm là tăng tốc độ di chuyển của các phân tử khí, sao cho động năng của các phân tử khí được chuyển thành năng lượng áp suất của khí, do đó làm tăng áp. • Cấu tạo của máy nén khí piston được mô tả trên hình 1.4. Nguyên lý làm việc của máy nén khí piston là trực tiếp nén khí và xả khí khi khí đạt đến áp suất nhất định.
16 Hình 1. 5: Cấu tạo của máy nén khí Sự lựa chọn của máy nén khí chủ yếu dựa trên áp suất làm việc và tốc độ dòng chảy của hệ thống khí nén. Áp suất làm việc của nguồn khí phải cao hơn khoảng 20% áp suất làm việc tối đa trong hệ thống khí nén, vì sự mất mát và tổn thất cục bộ của đường ống cấp khí phải được xem xét. Nếu yêu cầu áp suất làm việc thấp ở một số bộ phận của hệ thống, van giảm áp có thể được sử dụng để cung cấp không khí. Áp suất xả định mức của máy nén khí được chia thành áp suất thấp (0,7-1,0 MPa), áp suất trung bình (1,0 đến 10 MPa), áp suất cao (10 đến 100 MPa), và áp suất cực cao (100 MPa trở lên), có thể được lựa chọn theo nhu cầu thực tế. Áp lực chung thường là 0.7 ~ 1.25MPa. Bảng 1.1 dưới đây so sánh ưu và nhược điểm của 2 loại bơm tạo ra chân không là bơm cơ điện và bơm khí nén. Bảng 1. 1: Bảng so sánh bơm cơ điện (1) và bơm khí nén (2) Bơm chân không cơ điện (1) Bơm chân không khí nén (2) Bơm điện có thể tạo chân không khi Khi có nguồn cung cấp khí nén, máy hút không có nguồn cung cấp khí nén. khí với bơm chân không khí nén có thể Chúng cung cấp chi phí bảo trì thấp tạo ra dòng chân không mạnh và liên tục hơn và vận hành êm hơn so với máy để hút các vật nặng hơn, xốp hơn. Các hệ bơm khí nén. Tuy nhiên, máy bơm thống chân không như vậy có khả năng điện gắn trên cổ tay rô bốt có kích mở rộng cao và chúng dễ dàng tùy chỉnh
17 thước hạn chế và mức áp suất âm bằng cách gắn van, cốc và ống vào máy mà chúng có thể tạo ra, điều này có hút và máy bơm. Thêm 1,4,6,8 (hoặc thể khiến chúng đắt hơn máy bơm nhiều hơn) cốc để mở rộng hệ thống chân không khí nén. Máy bơm điện nhưng việc tạo ra quá nhiều điểm giao như thế này vượt trội trong các ứng nhau trong hệ thống có thể ảnh hưởng đến dụng có tính cơ động cao và hoạt hiệu suất vì khả năng rò rỉ nhỏ sẽ tăng lên. động tốt nhất khi xử lý các vật nhẹ, Mặt khác, máy bơm chạy bằng khí nén sẽ không xốp, chúng cung cấp chi phí làm tăng chi phí vận hành vì cần điện để bảo trì thấp hơn và vận hành êm hơn chạy máy nén, cũng như hệ thống sẽ phức so với máy bơm khí nén. tạp hơn với hệ thống bơm cơ điện. Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn sẽ đi sâu tìm hiểu về hệ thống hút chân không bằng bơm khí nén dựa vào nguyên lý Venturi. Cùng với đó sẽ xây dựng một hệ thống ứng dụng trong thực tế để có cái nhìn cụ thể hơn. 1.3. Tạo chân không bằng nguyên lý Venturi Nguyên lý Venturi sử dụng một dòng động lực áp suất cao (khí hoặc chất lỏng) qua một đường ống bị co lại, minh họa trên hình 1.5. Điều này tạo ra một vùng có áp suất thấp ở phía thoát của đường ống, kéo các phần tử khí vào dòng chảy từ một đầu thứ 3 (đầu cung cấp chân không hoặc lực hút cần thiết cho ứng dụng). Hình 1. 6: Nguyên lý Venturi 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 • Tuổi thọ cao • Khả năng đáp ứng • Kích thước nhỏ • Hiệu quả chi phí
18 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 của máy tạo chân không Venturi được đưa ra dựa trên đường kính ngoài (OD) của đường ống đầu vào hoặc đầu ra. Thường thì các kết nối này có dạng ren và kích thước được chỉ định bằng inch (") hoặc milimet (mm), tham khảo thêm tại [10]. 1.4. 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 tủ điều khiển, là nơi kết nối đến các cánh tay, tín hiệu bên ngoài, tay dạy để xử lý các tín hiệu đưa về và ra quyết định điều khiển. Trên tủ điều khiển còn tích hợp các cổng truyền thông, đấu nối I/O…. 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 cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng kết hợp với nhau hình thành cánh tay để tạo ra các chuyển động cơ bản, cổ tay ( Wrist) tạo lên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (công tác- Gripper) trực tiếp thao tác lên đối tượng sản phẩm.
19 Hình 1. 8: Cánh tay robot UR3 • Giao diện người-Robot: Thường là tay dạy để dạy điểm cho robot và theo dõi các hoạt động của robot, thực hiện các cài đặt, laappj trình câu lệnh. Đôi khi cũng là phần mềm cài trên máy tính. Hình 1. 9: Tay dạy robot cộng tác UR • Gripper: Gripper hay tay gắp là phần tiếp xúc trực tiếp với vật/ sản phẩm, Hiện nay Gripper có sẵn nhiều lựa chọn cho tùy loại sản phẩm cần thao tác, Tuy nhiên chúng ta hoàn toàn có thể tự thiết kế tay gắp riêng bằng khí nén hoặc động cơ.
20 Hình 1. 10: Gripper của hãng Robotiq 1.4.2. Tổng quan về SM6 Cánh tay Robot công nghiệp SM6 thuộc dự án "Hoàn thiện, làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo Robot công nghiệp 6 bậc tự do và ứng dụng sản phẩm vào dây chuyền sản xuất công nghiệp" do nhóm nghiên cứu viện Cơ học thực hiện [4]. Sản phẩm tay máy SM6 được thiết kế, chế tạo có thể chuyển động được theo nhiều quỹ đạo khác nhau. Các chức năng, loại hình làm việc của Robot: cánh tay Robot có thể thực hiện tốt các công việc cầm nắm, di chuyển đối tượng, làm sạch, cấp phôi, sơn và hàn trong dây chuyền sản xuất tự động khi được cung cấp dụng cụ phù hợp. • Bậc tự do: 06 bậc tự do. • Tải trọng mang: 3 kg • 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. Trong giới hạn phạm vi nghiên cứu, luận văn sẽ đi tìm hiểu một số thành phần chính của SM6 để phục vụ quá trình tích hợp hệ thống hút chân không lên cánh tay robot này.