Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển và giám sát cấp ghép phôi tự động bằng cánh tay robot

Đồ án tốt nghiệp cấp phôi tự động sử dụng cánh tay robot. Trình bày chi tiết thiết kế, lập trình điều khiển và kết quả hoạt động thực tế của hệ thống.

• Tác giả: Trần Đức Quang
• Người hướng dẫn: TS. Trần Vi Đô
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Và Giám Sát Cấp Ghép Phôi Tự Động Sử Dụng Cánh Tay Robot
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Cấp Phôi Tự Động Sử Dụng Cánh Tay Robot

Đồ án cấp phôi tự động là một trong những ứng dụng quan trọng của tự động hóa công nghiệp hiện đại. Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu giảm sức người và tăng năng suất lao động đòi hỏi phải áp dụng các giải pháp công nghệ cao. Hệ thống cấp phôi robot giải quyết thách thức này bằng cách thay thế các công việc lặp đi lặp lại bằng máy móc tự động. Với sự tích hợp của công nghệ robot công nghiệp và các hệ thống điều khiển thông minh, quy trình cấp ghép phôi đạt mức độ chính xác cao, hiệu suất vượt trội, và chi phí sản xuất giảm đáng kể. Đề tài này tập trung vào việc thiết kế và phát triển hệ thống tự động để nâng cao chất lượng sản xuất và tối ưu hóa quy trình công nghiệp.

1.1. Ý Nghĩa Khoa Học Và Thực Tiễn

Ý nghĩa khoa học của đề tài nằm ở việc ứng dụng các công nghệ điều khiển tự động và cảm biến thông minh trong sản xuất công nghiệp. Về mặt thực tiễn, hệ thống này giúp doanh nghiệp tăng năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất, và nâng cao chất lượng sản phẩm. Sự áp dụng của robot công nghiệp trong quy trình cấp phôi tạo ra một mô hình sản xuất hiệu quả mà có thể được sao chép cho nhiều ứng dụng khác.

1.2. Mục Tiêu Và Phạm Vi Nghiên Cứu

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng một hệ thống tự động hoàn chỉnh có khả năng điều khiển và giám sát quá trình cấp ghép phôi sử dụng cánh tay robot. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế cơ khí, lựa chọn thiết bị, lập trình điều khiển, và xây dựng giao diện giám sát. Hệ thống phải đáp ứng các tiêu chí về độ chính xác, tính ổn định, và khả năng mở rộng cho ứng dụng thực tế.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Về Hệ Thống Cấp Phôi Và Robot Công Nghiệp

Hệ thống cấp phôi là một phần không thể thiếu trong dây chuyền sản xuất tự động. Quá trình cấp ghép phôi tự động yêu cầu hiểu biết sâu sắc về các phương pháp cấp phôi, định hướng chi tiết, và các loại cảm biến cần thiết. Robot công nghiệp được sử dụng để thực hiện các bước cấp phôi với độ chính xác cao và hiệu suất vượt trội. Cảm biến tiệm cận, cảm biến vị trí, và cảm biến lực đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện vị trí phôi, xác định hướng, và điều khiển lực tác động. Hệ thống PLC (Programmable Logic Controller) là trung tâm điều khiển, xử lý tất cả các tín hiệu từ cảm biến và phát lệnh điều khiển đến cánh tay robot và các thiết bị khác.

2.1. Cấu Tạo Và Phân Loại Robot Công Nghiệp

Robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính: khung sườn cơ học, hệ thống truyền động, bộ điều khiển, và hệ thống cảm biến. Các loại robot được phân loại dựa trên số bậc tự do, kiểu cấu trúc, và ứng dụng cụ thể. Cánh tay robot SCARA hoặc robot 6 trục là những lựa chọn phổ biến cho ứng dụng cấp phôi. Mỗi loại có những ưu nhược điểm riêng liên quan đến tốc độ, tải trọng, và độ chính xác.

2.2. Các Loại Cảm Biến Trong Hệ Thống Tự Động

Cảm biến tiệm cận giúp phát hiện sự có mặt của vật thể mà không cần tiếp xúc. Cảm biến vị trí đo lường vị trí chính xác của phôi hoặc các bộ phận robot. Cảm biến lực giám sát lực tác động để đảm bảo không làm hỏng chi tiết. Hệ thống vision (máy quang học) cung cấp thông tin chi tiết về hình dạng, kích thước, và định hướng của phôi, giúp hệ thống điều khiển đưa ra quyết định chính xác hơn.

III. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Và Giám Sát Tự Động

Thiết kế hệ thống bắt đầu từ việc xác định yêu cầu chức năng và yêu cầu hiệu suất. Sơ đồ khối điều khiển được xây dựng để minh họa luồng thông tin giữa các thành phần: cảm biến, bộ xử lý PLC, robot, và giao diện giám sát. Lựa chọn thiết bị là bước quan trọng, bao gồm chọn cánh tay robot phù hợp, bộ điều khiển có khả năng xử lý, và cảm biến chính xác. Sơ đồ kết nối phần cứng chi tiết hóa cách các thiết bị kết nối với nhau. Thuật toán điều khiển được lập trình trên PLC và bộ điều khiển robot, định nghĩa trình tự các bước thực hiện. Giao diện giám sát cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống từ xa.

3.1. Lựa Chọn Thiết Bị Và Thông Số Kỹ Thuật

Robot MITSUBISHI CR-800 được lựa chọn vì khả năng lặp lại cao, tốc độ xử lý nhanh, và khả năng tích hợp dễ dàng. Bộ điều khiển PLC IQ-R cung cấp khả năng xử lý tín hiệu vào/ra đa dạng và hỗ trợ lập trình linh hoạt. Cảm biến tiệm cận và cảm biến lực được chọn để phù hợp với đặc tính của phôi và yêu cầu độ chính xác của ứng dụng.

3.2. Lập Trình Và Giao Diện Giám Sát

Lập trình bộ điều khiển sử dụng ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn công nghiệp như Structured Text hoặc Ladder Diagram. Thuật toán điều khiển định nghĩa các trạng thái của hệ thống, các điều kiện chuyển đổi, và các hành động tương ứng. Giao diện giám sát được thiết kế để hiển thị trạng thái hệ thống, cảnh báo lỗi, và cho phép điều khiển thủ công khi cần thiết.

IV. Kết Quả Thực Hiện Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả thực hiện của đề tài bao gồm phần cứng hoàn chỉnh với các thành phần cơ khí được thiết kế và chế tạo, cũng như phần mềm điều khiển và giám sát được lập trình và kiểm thử thành công. Hệ thống thực tế đã được lắp ráp và vận hành để xác minh độ chính xác, hiệu suất, và độ tin cậy. Phần cứng bao gồm trụ cấp phôi vuông, trụ cấp bạc đạn 6003, trụ cấp con trượt LM8u, và đầu tool được thiết kế đặc biệt cho việc nắm và định hướng phôi. Phần mềm giám sát cung cấp giao diện thân thiện hiển thị thông tin thực thời và cho phép điều khiển hệ thống. Các thông báo phần mềm cảnh báo người dùng về các sự cố hoặc điều kiện bất thường, đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động.

4.1. Kết Quả Phần Cứng Và Thiết Kế Cơ Khí

Thiết kế cơ khí đã tạo ra một cấu trúc vững chắc có khả năng chịu lực và chính xác cao. Đầu tool được thiết kế để nắm chắc phôi mà không làm hỏng, với độ chính xác định hướng đạt yêu cầu. Các bộ phận cấp phôi được gia công chính xác và lắp ráp chặt chẽ để đảm bảo hoạt động ổn định trong điều kiện sản xuất liên tục.

4.2. Kết Quả Phần Mềm Và Hiệu Suất Hệ Thống

Phần mềm giám sát được lập trình thành công với tất cả các chức năng quan trọng hoạt động đúng. Hệ thống thực tế đã chạy thử nghiệm và cho thấy hiệu suất vượt trội, với tỷ lệ lỗi thấp và thời gian xử lý phôi nằm trong tiêu chuẩn công nghiệp. Các thông báo lỗi được kích hoạt chính xác, giúp phát hiện và xử lý sự cố kịp thời.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.6 Nội dung của đề tài Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau: Chương 2 Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày tổng quan về các phương pháp cấp phôi, các hệ thống điều khiển và giám sát robot trong công nghiệp. Chương 3 Thiết kế hệ thống Chương này trình bày yêu cầu cụ thể của hệ thống, lựa chọn thiết bị phù hợp với yêu cầu cụ thể đề ra của hệ thống. Lựa chọn giải thuật tối ưu cho hệ thống. Chương 4 Kết quả thực hiện Chương này trình bày kết quả đã đạt được về phần cứng lẫn phần mềm.

Chương 5 Kết luận và hướng phát triển Chương này trình bày kết quả hoạt động của hệ thống và đề ra giải pháp năng cao năng suất trong tương lai. 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sau khi xác định được đối tượng điều khiển, tiếp theo sẽ làm rõ về yêu cầu kỹ thuật và quy trình công nghệ điều khiển của đối tượng. Chẳng hạn như vấn đề an toàn, độ chính xác, tính đa dạng và năng suất cao,… Cũng như các yêu cầu của hệ thống cấp và lắp ghép phôi tự động.1 Hệ thống cấp phôi 2.1 Phôi rời Phôi rời là loại phôi sử dụng phổ biến trong quá trình sản xuất hàng loạt và hàng khối, là loại phôi đa dạng về hình dáng, phong phú về chủng loại và kích thước. Vì vậy, việc phân loại phôi rời có ý nghĩa rất lớn trong lựa chọn các cơ cấu cấp phôi.

Thông thường, phôi rời được phân loại theo hình dáng. Trong một số trường hợp dựa vào các tính chất khác của phôi để phân loại. Một số loại phôi rời mà chúng ta thường gặp trong thực tế sản xuất là: • Chi tiết hình trụ có chiều dài lớn hơn đường kính (L > D) có 2 dạng sau: ▪ Dạng chi tiết có hai trục đối xứng vuông góc nhau: Hình 2.1: Chi tiết có hai trục đối xứng ▪ Dạng chi tiết có 1 trục đối xứng Hình 2.2: Chi tiết có 1 trục đối xứng 5 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ▪ Chi tiết hình trụ có chiều dài gần bằng đường kính ( L φD/( L=φD 20%)) là chi tiết có hai trục đối xứng vuông góc: Hình 2.3: Chi tiết trụ có chiều dài bằng đường kính ▪ Chi tiết có chiều dài nhỏ hơn đường kính L φD (L =φ0,8.D) cũng là chi tiết có hai trục đối xứng vuông góc nhau: Hình 2.4: Chi tiết có chiều dài nhỏ hơn đường kính ▪ Chi tiết hình trụ có mũ là dạng chi tiết có một trục đối xứng: Hình 2.5: Chi tiết hình mũ ▪ Ngoài ra, còn có các chi tiết dạng đĩa, bulông, vít, ốc…. 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 Cấu tạo chung một hệ thống cấp phôi rời Một hệ thống cấp phôi cần có các thành phần cơ bản sau: • Phiểu hoặc ô chứa phôi.

• Máng dẫn phôi. • Cơ cấu định hướng phôi. • Cơ điều chỉnh tốc độ cấp phôi. • Gá đặt phôi khi gia công và tháo khi gia công xong.

Tất cả thành phần có chức năng và nhiệm vụ đặc thù khác nhau vì vậy cần được bố trí đồng bộ với nhau trong một thể thống nhất về không gian. Các thành phần của hệ thống tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể mà chỉ cần một trong số đó. Việc phân chia hệ thống thành các thành phần như trên chỉ mang tính chất tương đối vì người ta có thể kết hợp với một số thành phần trong chúng lại với nhau theo đặc điểm của sản phẩm để hệ thống đơn giản và hiệu quả hơn.3 Định hướng cho phôi rời Trong quá trình tự động cấp phôi rời, định hướng phôi là một vấn đề quan trọng nhất và cũng khó khăn nhất. Hình dáng, kích thước và trọng lượng của phôi quyết định khả năng tự định hướng của nó và quyết định phương pháp định hướng của hệ thống cấp phôi.

Những chi tiết đơn giản thường được chia thành 2 loại: • Loại phôi có 1 trục đối xứng. • Loại phôi có 2 trục đối xứng trở lên. Loại phôi có 2 trục đối xứng trở lên chỉ cần định hướng 1 lần còn những phôi có 1 trục đối xứng thường phải định hướng 2 lần hoặc định hướng kép. Các phương pháp định hướng: • Định hướng bằng tay: Đối với các chi tiết trụ dài (L/D từ 5 10), chi tiết trụ hoặc côn có L/D xấp xỉ bằng 1, các chi tiết khó định hướng tự động.

• Định hướng tự động: cả 2 bước định hướng diễn ra trong phễu hoặc kết hợp phễu và máng dẫn. 7 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Định hướng tự lựa: Để cho việc thiết kế hệ thống cấp phôi tự lựa được dễ dàng, việc định hướng phôi thường tuân thủ một số nguyên tắc sau: ▪ Cơ cấu định hướng phải tạo điều kiện cho phôi tự nhận lấy vị trí ổn định tự nhiên của nó trong quá trình chuyển động. ▪ Tìm cách thu nhận lấy những phôi có vị trí đúng và gạt bỏ hoặc sửa chữa lại vị trí của những phôi sai yêu cầu. ▪ Những phôi bị gạt bỏ phải được vận chuyển ngược về phễu cấp phôi.

▪ Nếu cơ cấu định hướng có độ tin cậy không cao thì phải bố trí vài ba cơ cấu trên đường vận chuyển phôi.4 Các phương pháp cấp phôi Tùy thuộc vào hình dáng, kích thước và khối lượng của từng phôi sẽ có những phương pháp cấp phôi khác nhau cụ thể như: • Phễu cấp phôi kiểu giá nâng: Chức năng của nó là dự trữ, bảo quản, định hướng và cung cấp phôi cho máy.6: Phễu cấp phôi kiểu giá nâng ▪ Cấu tạo: 1: Phễu chứa phôi 2: Cơ cấu cam đẩy 3: Cơ cấu định hướng đứng 8 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4: Phôi 5: Máng dẫn 6: Cơ cấu gạt Nguyên lý làm việc của phễu cấp phôi kiểu giá nâng: Phôi (4) được dự trữ và bảo quản trong phễu chứa (1). Nhờ cơ cấu cam (2) mà phôi (4) được đưa lên máng dẫn (5). Những phôi có trục tâm nằm ngang sẽ lăn vào máng (5) còn những phôi nghiêng hoặc thẳng đứng sẽ bị cơ cấu (6) gạt trở lại vào phễu. Sau khi định hướng phôi nằm ngang đi theo máng dẫn (5).

Sau đó phôi (4) lại được định hướng một lần nữa bởi cơ cấu định hướng đứng của máng (5) để chuyển trạng thái từ nằm ngang sang dọc và đi đến vị trí yêu cầu tiếp theo. Đồng thời, lúc này cơ cấu cam (2) quay trở xuống tiếp tục thực hiện hành trình tiếp theo. ▪ Ưu điểm: o Dễ thiết kế, gọn nhẹ. o Kết cấu đơn giản.

o Giá thành chế tạo rẻ. ▪ Nhược điểm: o Năng suất không cao. o Dễ kẹt phôi. o Phễu cấp phôi định hướng bằng khe và rãnh: Dùng để cấp phôi hình trụ ngắn.

• Phễu cấp phôi dạng khe rãnh: Chức năng của nó là dự trữ, bảo quản, định hướng và cung cấp phôi cho máy Hình 2.7: Các dạng tiêu biểu phiểu cấp phôi dạng khe rãnh 9 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nguyên lý làm việc của phễu cấp phôi định hướng bằng khe và rãnh: Hình a: rãnh V được bố trí trên giá nâng nghiêng và đặt sát mặt bên của phễu, khi giá nâng chuyển động xuống dưới đáy phễu, một chi tiết sẽ lăn vào rãnh V, khi giá nâng tịnh tiến lên phía trên chi tiết sẽ trượt dọc theo máng ra ngoài. Giá nâng đi xuống và tiếp tục thực hiện hành trình tiếp theo. Hình b: giá nâng đặt ở giữa phễu và nguyên lý hoạt động cũng tương tự như hình a. Hình d: rãnh V đặt bên trái giá nâng nghiêng và đặt sát mặt bên phễu.

Nguyên lý hoạt động tương tự hình a, b. Hình e: rãnh V đặt ở giữa, 2 giá nâng ở 2 bên lần lượt lên xuống mang phôi đưa vào rãnh V, năng suất gấp đôi hình d. Hình c, g không sử dụng rãnh V nhưng dùng khe hẹp có kích thước lớn hơn đường kính để chi tiết lăn qua khi giá nâng đẩy chi tiết lên cao. ▪ Ưu điểm: o Định hướng chính xác.

o Không gây kẹt phôi. ▪ Nhược điểm: o Kết cấu phức tạp, khó thi công. o Giá thành cao. • Phễu cấp phôi kiểu ống hai nửa: Hình 2.8: Phễu cấp phôi kiểu ống hai nửa 10 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ▪ Cấu tạo: 1: Phôi 7: Cam 2: Phễu chứa 8: Thanh gạt 3: Đáy phễu 9,10 : Đế 4: Ống bao 11, 13: Giá đỡ 5: Ống di trượt 12: Buly 6: Ống dẫn 14: Chốt Nguyên lý làm việc của phễu cấp phôi kiểu ống hai nữa: Phôi 1 được đỏ lộn xộn vào cốc phễu 2.

Hai nửa ống di trượt 5 chuyển động trong ống bao 4 nhờ hai thanh gạt 8. Hai nửa ống sẽ tác động vào phôi làm cho phôi bị xáo trộn và rơi vào ống dẫn 6 ra ngoài. Hai thanh gạt 8 được liên kết với hai nửa ống trượt bằng các chốt 14 và một đầu tì vào các cam 7. Các cam lệch 7 và 7a lắp đồng trục, lệch nhau 1800 và quay nhờ buly 12.

Các giá đỡ 11 và 13 được bắt cứng trên đế 10 và trên giá đỡ 11 gắn cứng ống bao 4. Ống bao 4 có nhiệm vụ định hướng cho ống trượt và giữ vững cốc phễu nhờ đáy cốc 3 lắp vừa khít với ống 4. Có thể dùng động cơ và hộp giảm tốc để truyền động cho cam 7 Đường kính lỗ ống định hướng phải tuân thủ nguyên tắc không để 2 phôi cùng một lúc rơi vào ống, tránh được khoảng kích thước dễ bị kẹt phôi. ▪ Ưu điểm: o Làm việc êm.

o Không gây kẹt phôi. ▪ Nhược điểm: o Kết cấu phức tạp, khó gia công o Giá thành cao o Năng suất không cao. • Phễu cấp phôi kiểu đĩa quay: Dùng để cấp phôi chi tiết dạng trụ trơn hoặc trụ có bậc nhưng l ≥ d hoặc các phôi có dạng đĩa, vòng. 11 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.9: Phễu cấp phôi kiểu đĩa quay Nguyên lý làm việc của phễu cấp phôi kiểu đĩa quay: Phôi được đổ lộn xộn vào cốc phễu (1), đĩa (2) quay tròn nhờ hệ thống trục vítbánh vít.

Quá trình đĩa quay tròn làm xáo động phôi. Khi rãnh trên đĩa ở vị trí thấp nhất sẽ có 1 phôi rơi vào, khi rãnh đó quay lên vị trí cao nhất phôi sẽ vận chuyển ra máng (3). Đĩa gồm nhiều rãnh nên quá trình cấp phôi được diễn ra liên tục. Để tạo điều kiện cho phôi định hình dễ rơi vào rãnh, trên đĩa có thể bố trí thêm một số cánh dẫn hướng.

Đáy phễu được đặt nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang một góc khoảng 300  450. ▪ Ưu điểm: o Làm việc êm. o Kết cấu đơn giản, dễ gia công. o Định hướng chính xác.

o Không gây kẹt phôi.