Giới thiệu dự án
Trong ngành công nghiệp gia công vật liệu polyme và công nghệ ép phun nhựa hiện đại, công đoạn tháo gỡ sản phẩm ra khỏi lòng khuôn đúc đóng vai trò quyết định đối với năng suất và chu kỳ sản xuất (cycle time). Theo thống kê trong ngành chế tạo nhựa kỹ thuật cao, chu kỳ ép nhựa tự động trung bình dao động từ 15 đến 45 giây/sản phẩm; trong đó, thao tác gắp và vận chuyển phôi thủ công hoặc bằng cơ cấu trút phôi cơ học truyền thống chiếm tới 25% – 35% tổng thời gian chu kỳ, đồng thời tiềm ẩn rủi ro biến dạng chi tiết còn nóng và nguy cơ mất an toàn lao động nghiêm trọng.
Nhằm đáp ứng tiêu chuẩn tự động hóa toàn diện cho dây chuyền sản xuất công nghiệp, đồ án "Thiết kế cơ khí robot Harmo 4 bậc tự do" (thực hiện bởi sinh viên Ngô Văn An dưới sự hướng dẫn của GS.TS Phạm Văn Hùng – Bộ môn Máy và ma sát học, Khoa Cơ điện tử, Trường Cơ khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội) tập trung giải quyết bài toán tính toán động học, động lực học và thiết kế kết cấu hệ dẫn động hoàn chỉnh cho tay máy bốc dỡ phôi chuyên dụng.
+-----------------------------------+
| Máy Ép Phun Nhựa (Injection Mold)|
+-----------------+-----------------+
| [Phôi nhựa hoàn thiện]
v
+-----------------------------------+
| Robot Harmo 4 Bậc Tự Do (Mới) |
| - Trục Y: Servo + Thanh răng-bánh|
| - Trục X, Z: Khí nén + Cữ vitme |
| - Bàn tay kẹp: Khí nén + Xoay 90°|
+-----------------+-----------------+
|
+---------------+---------------+
v v
+--------------------+ +--------------------+
| Băng Chuyền Tải | | Khâu Kiểm Tra QC / |
| (Conveyor Belt) | | Gia Công Kế Tiếp |
+--------------------+ +--------------------+
Mục tiêu của đồ án
- Xây dựng mô hình toán học giải tích động học: Thiết lập hệ trục tọa độ theo chuẩn Denavit-Hartenberg (D-H), tính toán các ma trận biến đổi thuần nhất và phương trình động học điểm tác động cuối (End-Effector) cho robot cấu hình mới có hướng tiếp cận phôi theo trục $Y_0^+$.
- Tính toán động học và động lực học hệ dẫn động trục Y: Xác định tải trọng, lực cản chuyển động, quán tính và công suất động cơ servo dẫn động thông qua bộ truyền thanh răng - bánh răng trụ kết hợp hộp giảm tốc 2 cấp.
- Thiết kế tối ưu hệ thống truyền động khí nén trục X, Z, khớp quay và kẹp phôi: Xác định kích thước xy lanh tác động kép/tác động đơn, kiểm nghiệm áp suất làm việc $0.5\text{ MPa}$, tích hợp cơ cấu đai răng nhân đôi hành trình trục Z và cơ cấu 4 khâu bản lề quay cổ tay $90^\circ$.
- Mô hình hóa hình học 3D và xuất bản vẽ chế tạo: Hoàn thiện mô hình CAD 3D và bản vẽ lắp tổng thể A0 trên phần mềm Dassault Systèmes SolidWorks, đảm bảo tính khả thi trong gia công cơ khí chính xác.
Thông số kỹ thuật thiết kế định mức
- Cấu hình động học: 4 bậc tự do (3 khớp tịnh tiến $X_0, Y_0, Z_0$; 1 khớp quay cổ tay quanh trục $X_0$).
- Tải trọng nâng định mức ($m_{vật}$): $2.0\text{ kg}$.
- Khối lượng cụm chuyển động: Trục $X_0 = 12\text{ kg}$; Trục $Y_0 = 17\text{ kg}$; Trục $Z_0 = 7\text{ kg}$.
- Hệ số an toàn động lực học ($k_{at}$): $1.6$.
- Hành trình công tác: Trục Y: $1600\text{ mm}$ (chiều dài thanh ray $1850\text{ mm}$); Trục X: $500\text{ mm}$; Trục Z: $600\text{ mm}$ (nhân đôi hành trình từ xy lanh $300\text{ mm}$).
- Góc quay cổ tay: $0^\circ \div 90^\circ$ (từ phương ngang Horizontal sang phương đứng Vertical).
- Phạm vi áp dụng: Tích hợp trực tiếp trên máy ép phun nhựa công nghiệp nằm ngang, gắp phôi từ khuôn và vận chuyển sang bàn trung chuyển/băng tải.
Phân tích và thiết kế giải pháp
Phân tích hiện trạng
Trong công nghiệp phụ trợ khuôn mẫu và ép nhựa, các dòng robot gắp phôi (take-out robots) chuyên dụng của hãng Harmo (Nhật Bản) giữ thị phần lớn nhờ độ tin cậy và tốc độ làm việc vượt trội. Việc nghiên cứu phân tích các thế hệ máy thực tế giúp kế thừa các ưu điểm cơ cấu và loại bỏ các nhược điểm trong thiết kế chế tạo nội địa.
| Tiêu chí kỹ thuật |
Robot Harmo UE700SW-2R (Gốc) |
Dòng Robot Harmo HSX-150SW |
Dòng Robot Harmo HRXIII-150SWi |
Thiết kế mới trong đồ án |
| Cấu trúc động học |
Tọa độ Đề-các (Cartesian 3T+1Q) |
Cartesian 3 trục tốc độ cao |
Cartesian thế hệ mới |
Cartesian 3T + 1Q (Cải tiến hướng kẹp $Y^+$) |
| Dẫn động trục chính (Y) |
Động cơ Servo AC + Hộp số |
AC Servo Controller HRS-670 |
AC Servo Controller đa trục |
Động cơ Servo Mitsubishi GM-S ($200\text{ W}$) |
| Dẫn động phụ (X, Z) |
Khí nén + Cữ vitme cơ học |
Động cơ Servo đồng bộ hoàn toàn |
Động cơ Servo kỹ thuật số |
Xy lanh Airtac + Cữ vitme ren thang |
| Hành trình trục Z |
Nhân đôi bằng bánh đai - đai răng |
Dẫn động trục vít me bi kép |
Cánh tay đòn hợp kim nhôm siêu nhẹ |
Cơ cấu đai răng nhân đôi hành trình ($300 \to 600\text{ mm}$) |
| Thời gian chu kỳ (Cycle time) |
$3.5\text{ s} - 4.2\text{ s}$ |
$2.9\text{ s}$ (Khởi động $0.38\text{ s}$) |
Giảm $20%$ thời gian lấy hàng |
$\approx 3.2\text{ s} - 3.8\text{ s}$ (Lý thuyết) |
| Chi phí chế tạo & Bảo trì |
Trung bình (cần bảo dưỡng ray trượt) |
Rất cao (linh kiện chuyên dụng sạch) |
Rất cao (hệ thống điều khiển kín) |
Tối ưu, phụ tùng tiêu chuẩn hóa dễ thay thế |
+-----------------------------------------------+
| Phân Tích Yêu Cầu Kỹ Thuật (MoSCoW Framework) |
+-----------------------------------------------+
|
+-------------------+-------------------+-------------------+-------------------+
| | | | |
v v v v v
+-------------+ +-------------+ +-------------+ +-------------+ +-------------+
| Must | | Must | | Should | | Should | | Could |
| Tải nâng 2kg| | Động học DH | | Dẫn hướng | | Giảm chấn | | Cảm biến |
| 4 Bậc tự do | | chuẩn xác | | bi đuôi én | | khí nén | | hành trình |
+-------------+ +-------------+ +-------------+ +-------------+ +-------------+
Thiết kế hệ thống cơ điện tử
Sơ đồ kết cấu tổng thể phân chia thành 4 phân hệ chính hoạt động phối hợp: Phân hệ di chuyển ngang (Trục Y), Phân hệ vươn tay (Trục X), Phân hệ hạ tay lấy phôi (Trục Z), và Phân hệ xoay - kẹp phôi tác động cuối.
Thông số kỹ thuật linh kiện tiêu chuẩn lựa chọn
- Bộ truyền động trục Y:
- Động cơ Servo Mitsubishi GM-S Series: Điện áp $200/220\text{ VAC}$, công suất $P = 200\text{ W}$, momen xoắn cực đại $M_{max} = 12\text{ Nm}$, tốc độ trục ra qua hộp giảm tốc $n_{ra} = 150\text{ rpm}$ (ở $50\text{ Hz}$) và $180\text{ rpm}$ (ở $60\text{ Hz}$), tỷ số truyền $i = 1:10$.
- Cặp bánh răng - thanh răng tiêu chuẩn Misumi: Thanh răng mã hiệu
LRGREA-2.0-ST-1800-k11 ($L = 1850\text{ mm}$, tiết diện $20 \times 20\text{ mm}$, gia công 11 lỗ bu lông cách đều $150\text{ mm}$, vật liệu thép hợp kim $S45C$, module $m = 2$). Bánh răng trụ thẳng ($Z = 30$, $m = 2$, đường kính vòng chia $d = 60\text{ mm}$).
- Dẫn hướng chuyển động: Ray trượt rãnh đuôi én tích hợp ổ bi lăn tuần hoàn, loại bỏ hoàn toàn ma sát trượt khô.
- Bộ truyền động trục X:
- Xy lanh khí nén tác động kép Airtac
SAILB40*500: Đường kính nòng $D = 40\text{ mm}$, đường kính cần piston $d = 16\text{ mm}$, hành trình $S = 500\text{ mm}$, áp suất làm việc $0.15 \div 1.0\text{ MPa}$.
- Cơ cấu chỉnh cữ hành trình: 2 cụm vitme - đai ốc ren thang độc lập, dẫn động bởi động cơ điện 1 pha đảo chiều qua bộ truyền đai răng, khớp nối trục đàn hồi hoa thị bù lệch tâm $0.2\text{ mm}$ và lệch góc $1^\circ 30'$.
- Bộ truyền động trục Z:
- Xy lanh khí nén tác động kép Airtac
SAILB40*300: $D = 40\text{ mm}$, $d = 16\text{ mm}$, hành trình thực tế piston $S = 300\text{ mm}$.
- Cơ cấu khuếch đại hành trình: Hệ thống 3 thanh trượt hợp kim nhôm định hình kết nối qua cụm đai răng - bánh răng tỉ lệ $1:2$, mở rộng hành trình làm việc của đầu kẹp lên mức $600\text{ mm}$.
- Khớp quay cổ tay và bàn tay kẹp:
- Khớp quay cổ tay: Xy lanh Airtac
SAILB40*50 ($D = 40\text{ mm}, d = 16\text{ mm}, S = 50\text{ mm}$) liên kết cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng, chuyển đổi chuyển động tịnh tiến khứ hồi thành chuyển động lắc $90^\circ$.
- Bàn tay kẹp phôi: Xy lanh tác động đơn hồi vị lò xo KCC/Airtac mã
ACP 16*30 ($D = 16\text{ mm}$, hành trình kẹp $20\text{ mm}$), điều khiển đóng ngắt bằng van điện từ $5/2$ Airtac 4V210-08.
Implementation và kết quả
Xây dựng mô hình toán học động học Denavit-Hartenberg (D-H)
Để xác định vị trí và hướng của điểm tác động cuối trong không gian tọa độ Đề-các toàn cục, quy tắc Denavit-Hartenberg được thiết lập cho 4 khâu động học của robot thiết kế mới (hướng bàn tay kẹp mở rộng theo chiều dương trục $Y_0$):
Z0 (Cố định)
^
| d1* (Trục Y)
+-------------------> Z1
|
| d2* (Trục X)
v
Z2 ------> d3* (Trục Z)
|
v
Z3 ===[ Khớp xoay theta4* ]===> End-Effector
Bảng thông số động học D-H của hệ thống robot mới
| Khâu ($i$) |
Góc khớp $\theta_i$ |
Độ dịch chuyển dọc trục $d_i$ |
Chiều dài đoạn vuông góc chung $a_i$ |
Góc xoắn trục $\alpha_i$ |
Loại khớp |
| 1 |
$90^\circ$ |
$d_1^*$ (Biến khớp Y) |
$a_1$ |
$-90^\circ$ |
Tịnh tiến (Prismatic) |
| 2 |
$90^\circ$ |
$d_2^*$ (Biến khớp X) |
$a_2$ |
$-90^\circ$ |
Tịnh tiến (Prismatic) |
| 3 |
$0^\circ$ |
$d_3^*$ (Biến khớp Z) |
$a_3$ |
$+90^\circ$ |
Tịnh tiến (Prismatic) |
| 4 |
$\theta_4^*$ (Biến khớp quay) |
$0$ |
$a_4$ |
$-90^\circ$ |
Khớp quay (Revolute) |
Ma trận biến đổi thuần nhất tổng quát giữa hai khâu liên tiếp:
$$A_i^{i-1} = \begin{bmatrix} \cos\theta_i & -\sin\theta_i \cos\alpha_i & \sin\theta_i \sin\alpha_i & a_i \cos\theta_i \ \sin\theta_i & \cos\theta_i \cos\alpha_i & -\cos\theta_i \sin\alpha_i & a_i \sin\theta_i \ 0 & \sin\alpha_i & \cos\alpha_i & d_i \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$
Thay thế giá trị từ bảng thông số D-H vào ma trận biến đổi từng khâu:
$$A_1^0 = \begin{bmatrix} 0 & 0 & -1 & 0 \ 1 & 0 & 0 & a_1 \ 0 & -1 & 0 & d_1 \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}, \quad A_2^1 = \begin{bmatrix} 0 & 0 & -1 & 0 \ 1 & 0 & 0 & a_2 \ 0 & -1 & 0 & d_2 \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$
$$A_3^2 = \begin{bmatrix} 1 & 0 & 0 & a_3 \ 0 & 0 & -1 & 0 \ 0 & 1 & 0 & d_3 \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}, \quad A_4^3 = \begin{bmatrix} \cos\theta_4 & 0 & -\sin\theta_4 & a_4 \cos\theta_4 \ \sin\theta_4 & 0 & \cos\theta_4 & a_4 \sin\theta_4 \ 0 & -1 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$
Nhân liên tiếp các ma trận chuyển đổi để thu được ma trận trạng thái điểm tác động cuối $T_4^0 = A_1^0 A_2^1 A_3^2 A_4^3$:
# Thuật toán tính toán vị trí và hướng khâu tác động cuối Robot Harmo 4-DOF
import numpy as np
def compute_forward_kinematics(d1, d2, d3, theta4_deg, a1=150, a2=200, a3=100, a4=120):
"""
Tính ma trận biến đổi thuần nhất T_4^0 của Robot Harmo cải tiến
d1: Hành trình trục Y (mm)
d2: Hành trình trục X (mm)
d3: Hành trình trục Z (mm)
theta4_deg: Góc quay cổ tay (độ)
"""
th4 = np.radians(theta4_deg)
s4 = np.sin(th4)
c4 = np.cos(th4)
# Ma trận biến đổi thuần nhất T_4^0
T4_0 = np.array([
[0, 0, 1, 0],
[0, 1, 0, -d2],
[-s4, 0, -c4, a1 - d3 - a4 * s4],
[-c4, 0, s4, a3 - a2 + d1 - a4 * c4],
[0, 0, 0, 1]
], dtype=float)
# Vector vị trí điểm tác động cuối P = [Px, Py, Pz]^T
Px = 0.0
Py = -d2
Pz = a1 - d3 - a4 * s4
return T4_0, (Px, Py, Pz)
# Thử nghiệm kiểm tra tại điểm gốc làm việc (d1=0, d2=0, d3=0, theta4=0)
T_matrix, pos = compute_forward_kinematics(d1=800, d2=300, d3=250, theta4_deg=90)
print("Tọa độ tác động cuối (X, Y, Z):", pos)
Tính toán động lực học và chọn động cơ dẫn động trục Y
- Tổng khối lượng chuyển động tịnh tiến trục Y:
$$m_{\Sigma} = (m_{X0} + m_{Y0} + m_{Z0} + m_{vật}) \cdot k_{at} = (12 + 17 + 7 + 2) \cdot 1.6 = 60.8\text{ kg}$$
- Thông số vận tốc và gia tốc thiết kế: Vận tốc định mức $v = 0.47\text{ m/s}$; Gia tốc cực đại $a_{max} = 0.3g = 0.3 \times 9.8 = 2.94\text{ m/s}^2$.
- Xác định các thành phần lực cản:
- Lực trọng trường: $F_g = m_{\Sigma} \cdot g = 60.8 \times 9.8 = 596.448\text{ N}$.
- Lực ma sát (vật liệu tiếp xúc ray thép - con lăn thép, $\mu = 0.2$): $F_{ms} = \mu \cdot F_g = 0.2 \times 596.448 = 119.29\text{ N}$.
- Lực quán tính khi tăng tốc cực đại: $F_{qt} = m_{\Sigma} \cdot a_{max} = 60.8 \times 2.94 = 178.752\text{ N}$.
- Tổng lực cản tác dụng lên thanh răng: $F_{\Sigma} = F_{ms} + F_{qt} = 119.29 + 178.752 = 298.042\text{ N}$.
- Hiệu suất truyền động tổng cộng của hệ thống:
$$\eta = \eta_{ổ\ lăn}^2 \cdot \eta_{khớp\ nối}^2 \cdot \eta_{bánh\ răng}^2 = (0.99)^2 \cdot (0.99)^2 \cdot (0.97)^2 \approx 0.90$$
- Tính toán công suất yêu cầu của động cơ điện:
$$P_{yc} = \frac{F_{\Sigma} \cdot v}{1000 \cdot \eta} = \frac{298.042 \times 0.47}{1000 \times 0.90} = 0.1556\text{ kW} = 155.6\text{ W}$$
$\to$ Lựa chọn: Động cơ Servo AC Mitsubishi GM-S công suất $200\text{ W}$ ($0.2\text{ kW}$), đảm bảo hệ số dự phòng công suất đạt $128.5%$.
- Kiểm nghiệm mô men uốn trên trục bánh răng ($d = 60\text{ mm}$):
$$M_{br} = F_{\Sigma} \cdot \frac{d}{2} = 298.042 \times \frac{0.06}{2} = 8.94\text{ Nm} \le M_{cho\ phép} = 12.0\text{ Nm} \quad (\text{Thỏa mãn điều kiện bền})$$
Tính toán hệ thống xy lanh khí nén trục X, Z và Kẹp phôi
Bảng tổng hợp tính toán kích thước xy lanh và kiểm nghiệm lực vành khăn
| Bậc tự do |
Lực cản tính toán $F_{cản}$ (N) |
Áp suất cấp $p$ (MPa) |
Diện tích tính toán sơ bộ $A_{sb}$ ($\text{mm}^2$) |
Đường kính piston chọn $D$ (mm) |
Đường kính cần $d$ (mm) |
Diện tích vành khăn $A_{vk}$ ($\text{mm}^2$) |
Lực đẩy/kéo thực tế $F_{tt}$ (N) |
Hệ số an toàn lực |
| Trục X (Ra/vào) |
$164.64$ |
$0.5$ |
$329.28$ |
$40$ |
$16$ |
$1055.58$ |
$527.79$ |
$3.20$ (Đạt) |
| Trục Z (Lên/xuống) |
$183.46$ |
$0.5$ |
$366.92$ |
$40$ |
$16$ |
$1055.58$ |
$527.79$ |
$2.87$ (Đạt) |
| Quay cổ tay ($90^\circ$) |
$273.44$ |
$0.5$ |
$546.88$ |
$40$ |
$16$ |
$1055.58$ |
$527.79$ |
$1.93$ (Đạt) |
| Bàn kẹp phôi |
$18.34$ |
$0.5$ |
$36.68$ |
$16$ |
Lò xo hồi |
$201.06$ |
$100.53$ |
$5.48$ (Đạt) |
Đổi mới và đóng góp
- Tái cấu trúc hướng tiệm cận bàn tay kẹp ($Y_0^+$): So với thiết kế tham chiếu Harmo UE700SW-2R (tiệm cận hướng X+), cấu hình mới cho phép cánh tay kẹp đưa phôi trực tiếp sang băng tải nằm song song với trục máy ép mà không cần thực hiện thêm chuyển động quay thân chính, rút ngắn thời gian chu kỳ tháo phôi từ $4.2\text{ s}$ xuống còn $3.5\text{ s}$ (cải thiện $16.7%$).
- Cơ cấu đai răng khuếch đại kép hành trình trục Z: Giải pháp bố trí thanh trượt lồng nhôm 3 tầng kết hợp bộ truyền đai răng giúp đạt hành trình làm việc $600\text{ mm}$ chỉ với xy lanh khí nén chiều dài $300\text{ mm}$. Thiết kế này giảm một nửa chiều cao tổng thể của đỉnh robot khi làm việc, tránh va quẹt trần xưởng sản xuất có khẩu độ thấp.
- Cơ chế định vị vị trí kết hợp cữ vitme ren thang - đệm khí giảm chấn: Thay vì dùng động cơ servo hoàn toàn cho 3 trục (chi phí linh kiện đắt đỏ), việc kết hợp xy lanh khí nén tốc độ cao với 2 cụm cữ chặn điều khiển bằng vitme - đai ốc giúp robot đạt độ lặp lại vị trí $\pm 0.1\text{ mm}$ ở hai đầu hành trình, đồng thời giảm giá thành vật tư cơ khí đến $45%$.
- Cơ cấu 4 khâu bản lề cổ tay góc quay khống chế: Ứng dụng biến thể cơ cấu xy lanh - thanh truyền - tay quay với xy lanh nối bản lề và piston gắn cứng thanh truyền giúp việc gia công chế tạo đơn giản hơn, triệt tiêu tải trọng uốn ngang tác dụng lên cần piston khi quay tải nặng $2\text{ kg}$.
Ứng dụng thực tế và triển khai
Kịch bản vận hành thực tế tại nhà máy ép nhựa
[Khuôn Ép Mở Ra]
[Trục X Vươn Vào Lòng Khuôn: Hành trình 500mm]
[Trục Z Hạ Xuống: Hành trình 600mm]
[Kẹp Phôi Hoạt Động: Áp suất 0.5 MPa kẹp chặt phôi 2kg]
[Trục Z Nâng Lên Vị Trí An Toàn]
[Khớp Cổ Tay Xoay 90° Sang Phương Đứng]
[Trục Y Di Chuyển Sang Vị Trí Băng Tải: Hành trình 1600mm]
[Nhả Phôi Xuống Băng Chuyền / Trục Y Trở Về Vị Trí Chờ]
Yêu cầu triển khai lắp đặt hệ thống
- Nguồn điện động lực: $3\text{ pha } 200/220\text{ VAC}, 50/60\text{ Hz}$, công suất nguồn tối thiểu $1.5\text{ kVA}$.
- Hệ thống khí nén công nghiệp: Áp suất nguồn cấp ổn định $0.6 \div 0.8\text{ MPa}$, lưu lượng khí tiêu chuẩn tối thiểu $180\text{ Nl/min}$, tích hợp bộ lọc khí đôi tách nước và bôi trơn dầu sương tự động (F.R.L Unit).
- Kết cấu gá đặt: Gá trực tiếp lên mặt bích tiêu chuẩn trên tấm gá cố định (Stationary Platen) của máy ép nhựa có lực kẹp khuôn từ $100 \div 350\text{ tấn}$.
Hạn chế và hướng phát triển
Hạn chế kỹ thuật
- Tính linh hoạt của điểm dừng trung gian: Do các trục X, Z sử dụng nguồn động lực khí nén với cữ chặn cơ học, robot chỉ có thể dừng chính xác tại 2 điểm đầu và cuối hành trình đã cài đặt trước; không có khả năng dừng mềm đa điểm linh hoạt như hệ thống full-servo.
- Dao động dừng cuối hành trình: Mặc dù đã bố trí bạc đệm giảm chấn và van tiết lưu một chiều, tính đàn hồi của khí nén vẫn gây ra hiện tượng vi rung (micro-vibration) khi dừng đột ngột ở vận tốc cao.
Hướng phát triển hoàn thiện
- Nâng cấp cảm biến vị trí phản hồi: Tích hợp thước từ hoặc encoder tuyến tính quang học trên các trục khí nén để giám sát thời gian thực vị trí tay máy.
- Nghiên cứu van tỷ lệ điện từ (Proportional Valves): Thay thế van phân phối on/off bằng van điều áp/lưu lượng tỷ lệ nhằm điều khiển quỹ đạo tăng giảm tốc mượt mà, triệt tiêu hoàn toàn rung động khi tiếp cận lòng khuôn.
- Phát triển giao diện HMI cảm ứng đa ngôn ngữ: Xây dựng phần mềm điều khiển trên nền tảng PLC công nghiệp kết hợp màn hình HMI, lưu trữ tối thiểu 50 chương trình khuôn đúc tương tự hệ thống
HRS-670 của Harmo.
Đối tượng hưởng lợi
- Sinh viên ngành Cơ điện tử và Chế tạo máy: Nắm vững phương pháp luận chuẩn xác từ thiết lập động học D-H, tính toán chọn công suất động cơ servo đến thiết kế truyền dẫn khí nén và xuất bản vẽ cơ khí tiêu chuẩn.
- Kỹ sư R&D và thiết kế máy tự động: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế với các công thức tính toán kiểm nghiệm lực vành khăn xy lanh, cơ cấu phóng đại hành trình đai răng và cơ cấu 4 khâu bản lề.
- Doanh nghiệp gia công cơ khí và đúc ép nhựa: Có thể ứng dụng trực tiếp bản vẽ và cấu hình cơ khí để tự chế tạo máy gắp phôi nội địa với chi phí chỉ bằng $35% - 45%$ so với nhập khẩu nguyên chiếc từ Nhật Bản.
Câu hỏi thường gặp
1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai chế tạo hệ thống robot này là gì?
Cần trang bị máy phay CNC 3 trục gia công chính xác các chi tiết nhôm tấm định hình, máy tiện gia công trục vitme ren thang, thiết bị nhiệt luyện thép $S45C$ cho bộ truyền bánh răng - thanh răng, cùng nguồn khí nén áp suất chuẩn $0.5\text{ MPa}$.
2. Làm thế nào để mở rộng tải trọng gắp phôi từ 2kg lên 5kg?
Cần thay thế động cơ Servo trục Y lên mức công suất $400\text{ W}$, nâng đường kính nòng xy lanh trục X và Z từ $D=40\text{ mm}$ lên $D=63\text{ mm}$ để đảm bảo lực vành khăn kéo tải, đồng thời gia cố tiết diện dầm nhôm chịu uốn.
3. Giải pháp tích hợp robot với hệ thống an toàn của máy ép nhựa?
Sử dụng cổng giao tiếp chuẩn công nghiệp Euromap 67 (hoặc Euromap 12) liên động tín hiệu an toàn giữa Robot và PLC máy ép (Khuôn chỉ đóng khi tay robot đã ra khỏi vùng an toàn và gửi tín hiệu Robot Home Position).
4. Quy trình bảo dưỡng định kỳ các bộ phận cơ khí gồm những gì?
Thực hiện tra mỡ bôi trơn con lăn ray đuôi én và thanh răng định kỳ 3 tháng/lần; kiểm tra độ căng dây đai răng khuếch đại trục Z hàng tháng; xả nước đọng ở bộ lọc khí nén và kiểm tra độ mòn má cao su kẹp phôi sau mỗi 100.000 chu kỳ làm việc.
5. Chi phí chế tạo ước tính và thời gian hoàn vốn (ROI) cho nhà xưởng?
Chi phí gia công và mua sắm linh kiện tiêu chuẩn dao động từ 45 – 65 triệu VNĐ. Với năng suất tăng thêm $20%$ và giảm thiểu 1 nhân công trực máy ép, thời gian hoàn vốn đầu tư đạt từ 4 đến 6 tháng hoạt động.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế cơ khí robot Harmo 4 bậc tự do" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đặt ra: từ việc giải quyết trọn vẹn bài toán động học thuận theo phương pháp Denavit-Hartenberg, tính toán tối ưu động lực học truyền động Servo và khí nén, cho đến việc xây dựng mô hình CAD 3D và bản vẽ chế tạo chi tiết trên SolidWorks. Cải tiến hướng tiệm cận bàn tay kẹp theo trục $Y_0^+$ cùng cơ cấu đai răng nhân đôi hành trình đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội trong việc tiết kiệm không gian và tối ưu chu kỳ vận hành.
Đây là công trình nghiên cứu ứng dụng có hàm lượng kỹ thuật cao, vừa là tài liệu tham khảo học thuật xuất sắc cho sinh viên khối ngành kỹ thuật cơ điện tử, vừa là nền tảng thiết kế sẵn sàng chuyển giao chế tạo cho các doanh nghiệp tự động hóa sản xuất nhựa tại Việt Nam.
