Tổng quan nghiên cứu

Robot công nghiệp đã trở thành một phần không thể thiếu trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, robot công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất như ô tô, xe máy và hàng dân dụng, với mục tiêu tăng tính linh hoạt và mở rộng vùng làm việc. Tuy nhiên, vùng hoạt động của robot thường bị hạn chế, đặc biệt khi gia công các chi tiết kích thước lớn. Thiết bị di trượt dùng cho robot có khả năng dịch chuyển robot trong khoảng cách từ 3 đến 20 mét, giúp mở rộng vùng làm việc và nâng cao tính linh hoạt cho robot công nghiệp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế kết cấu cơ khí, hệ thống điều khiển và mô phỏng hoạt động của thiết bị di trượt dùng cho robot, nhằm thay thế thiết bị nhập khẩu và phục vụ đào tạo kỹ năng thiết kế, mô phỏng trên robot hàn hồ quang. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết bị di trượt trên robot AX – V6, với hành trình di chuyển 3000 mm, tải trọng 200 kg và tốc độ tối đa 15 m/phút. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm chi phí sản xuất và cải thiện điều kiện lao động trong các ngành công nghiệp chế tạo trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí và điều khiển tự động, bao gồm:

  • Lý thuyết động học và động lực học của thiết bị di trượt: Phân tích các lực tác dụng, mô men quán tính và tải trọng để thiết kế kết cấu cơ khí phù hợp.
  • Mô hình truyền động bánh răng – thanh răng: Xác định các thông số kỹ thuật như tỷ số truyền, mô men, ứng suất cho phép để đảm bảo độ bền và tuổi thọ của bộ truyền.
  • Lý thuyết điều khiển động cơ servo xoay chiều: Thiết kế hệ thống điều khiển vị trí sử dụng card PCI-1240 và bộ điều khiển động cơ SGDV, đảm bảo chuyển động chính xác và ổn định.
  • Khái niệm về hệ thống ray dẫn hướng: Sử dụng thanh dẫn hướng HIWIN với đặc tính ma sát thấp, độ chính xác cao và tuổi thọ lớn để dẫn hướng chuyển động tịnh tiến.

Các khái niệm chính bao gồm mô men quán tính, tỷ số truyền hộp giảm tốc, tải trọng tĩnh và động, hệ số ma sát, ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn trong bộ truyền bánh răng – thanh răng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật từ cataloge các hãng YASKAWA, KUKEN, HIWIN và các tài liệu chuyên ngành về thiết kế cơ khí và điều khiển robot.
  • Phương pháp phân tích: Tính toán mô men, tải trọng, tỷ số truyền, ứng suất và tuổi thọ thiết bị dựa trên các công thức kỹ thuật chuẩn. Kiểm tra sự phù hợp của các thông số với cataloge thiết bị thực tế.
  • Mô phỏng hoạt động: Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để mô phỏng chuyển động và kiểm tra hoạt động của thiết bị di trượt trên robot AX – V6.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2010-2013, với sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Văn Hạnh.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các thiết bị di trượt tiêu chuẩn và động cơ servo thực tế, phương pháp chọn mẫu dựa trên các thiết bị phổ biến trong công nghiệp để đảm bảo tính ứng dụng cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế kết cấu cơ khí phù hợp với yêu cầu vận hành
    Thiết bị di trượt có hành trình 3000 mm, tải trọng 200 kg và tốc độ tối đa 15 m/phút. Hệ thống ray dẫn hướng HIWIN EGH 25CA được chọn với tải trọng tĩnh định mức 32,4 kN và tải trọng động định mức 16,27 kN, đảm bảo tuổi thọ trên 20.000 giờ. Tải trọng tĩnh lớn nhất tính toán là 1837,5 N, tải trọng động lớn nhất là 2108,33 N, hệ số an toàn đạt 14,98, vượt xa yêu cầu tối thiểu 5.

  2. Lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc phù hợp
    Động cơ servo xoay chiều YASKAWA SGMAV-06A công suất 0,55 kW, tốc độ định mức 3000 vòng/phút, mô men quay lớn nhất 5,25 N.m được chọn. Hộp giảm tốc KUKEN NN60F với tỷ số truyền 150, mô men định mức đầu ra 45 N.m và mô men lớn nhất cho phép 90 N.m đáp ứng yêu cầu mô men lớn nhất 79,8 N.m. Hệ số quán tính của hệ thống là 4,29 < 5, đảm bảo điều khiển dễ dàng.

  3. Bộ truyền bánh răng – thanh răng đảm bảo độ bền và tuổi thọ
    Số răng bánh răng được chọn là 80, modul 3 mm, chiều rộng vành răng 30 mm. Ứng suất tiếp xúc tính toán là 445,45 MPa, ứng suất uốn thỏa mãn giới hạn cho phép. Vật liệu thép C45 được nhiệt luyện tôi cải thiện với độ cứng HB khoảng 210-220, đảm bảo độ bền cao.

  4. Mô phỏng hoạt động bằng phần mềm Autodesk Inventor
    Mô phỏng cho thấy thiết bị di trượt hoạt động ổn định, chuyển động tịnh tiến chính xác theo quỹ đạo thiết kế, giúp mở rộng vùng làm việc của robot và nâng cao tính linh hoạt trong ứng dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả thiết kế và tính toán cho thấy thiết bị di trượt đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về tải trọng, mô men, tốc độ và tuổi thọ. Việc lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc dựa trên các thông số kỹ thuật thực tế giúp đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống. So với các nghiên cứu trước đây, thiết bị di trượt được thiết kế có khả năng mở rộng vùng làm việc robot lên đến 20 m, vượt trội hơn so với các thiết bị nhập khẩu thông thường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mô men theo thời gian, bảng so sánh tải trọng tĩnh và động, cũng như biểu đồ mô phỏng chuyển động thiết bị di trượt. Điều này giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và tính khả thi của thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất thiết bị di trượt trong nước
    Khuyến khích các doanh nghiệp công nghiệp chế tạo robot trong nước áp dụng thiết kế này để giảm phụ thuộc nhập khẩu, nâng cao năng lực sản xuất và giảm chi phí. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng.

  2. Nâng cao đào tạo kỹ thuật thiết kế và mô phỏng robot
    Tăng cường đào tạo kỹ năng thiết kế, mô phỏng và vận hành thiết bị di trượt cho kỹ sư và sinh viên tại các trường đại học kỹ thuật, đặc biệt là sử dụng phần mềm Autodesk Inventor. Thời gian triển khai 6-12 tháng.

  3. Phát triển hệ thống điều khiển thông minh cho thiết bị di trượt
    Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến, tích hợp cảm biến để nâng cao độ chính xác và tự động hóa trong vận hành thiết bị di trượt. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ, thời gian 18-24 tháng.

  4. Mở rộng ứng dụng thiết bị di trượt trong các ngành công nghiệp khác
    Khuyến khích áp dụng thiết bị di trượt trong các lĩnh vực như lắp ráp ô tô, điện tử, và sản xuất hàng tiêu dùng để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Thời gian thực hiện 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư thiết kế cơ khí và tự động hóa
    Hưởng lợi từ các phương pháp tính toán, lựa chọn thiết bị và mô phỏng chuyển động, giúp nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành hệ thống robot.

  2. Sinh viên và giảng viên ngành cơ khí, điện tử và tự động hóa
    Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong đào tạo và nghiên cứu, đặc biệt về thiết kế thiết bị di trượt và điều khiển động cơ servo.

  3. Doanh nghiệp sản xuất robot và thiết bị tự động hóa
    Áp dụng các giải pháp thiết kế và điều khiển để phát triển sản phẩm trong nước, giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao năng lực cạnh tranh.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ robot
    Tham khảo các kết quả tính toán, mô phỏng và đề xuất để phát triển các hệ thống robot công nghiệp linh hoạt và hiệu quả hơn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị di trượt dùng cho robot có vai trò gì trong sản xuất?
    Thiết bị di trượt giúp mở rộng vùng làm việc của robot, cho phép robot di chuyển trong khoảng cách lớn (3-20 m), nâng cao tính linh hoạt và phạm vi ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất.

  2. Làm thế nào để chọn động cơ phù hợp cho thiết bị di trượt?
    Việc chọn động cơ dựa trên các thông số mô men lớn nhất, mô men thực tác dụng và tốc độ vòng quay đầu vào, đồng thời kiểm tra hệ số quán tính và mô men phanh để đảm bảo điều khiển ổn định.

  3. Tại sao sử dụng hệ thống ray dẫn hướng HIWIN cho thiết bị di trượt?
    Hệ thống ray dẫn hướng HIWIN có độ chính xác cao, hệ số ma sát thấp, tuổi thọ lớn và khả năng chịu tải tốt, giúp thiết bị di trượt hoạt động chính xác và bền bỉ.

  4. Phần mềm Autodesk Inventor được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Autodesk Inventor được dùng để mô phỏng hoạt động của thiết bị di trượt, kiểm tra chuyển động, va chạm và hiệu suất vận hành, giúp tối ưu thiết kế trước khi sản xuất.

  5. Thiết bị di trượt có thể ứng dụng trong những ngành công nghiệp nào?
    Thiết bị di trượt phù hợp với các ngành công nghiệp ô tô, xe máy, điện tử, gia công áp lực, hàn và phun sơn, nơi cần mở rộng vùng làm việc và nâng cao tính linh hoạt của robot.

Kết luận

  • Thiết kế kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển của thiết bị di trượt đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật về tải trọng, mô men và tốc độ vận hành.
  • Lựa chọn động cơ servo YASKAWA SGMAV-06A và hộp giảm tốc KUKEN NN60F phù hợp với các thông số kỹ thuật và đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
  • Hệ thống ray dẫn hướng HIWIN EGH 25CA được chọn đảm bảo tuổi thọ trên 20.000 giờ và hệ số an toàn cao.
  • Mô phỏng bằng Autodesk Inventor chứng minh thiết bị di trượt hoạt động chính xác, mở rộng vùng làm việc robot và nâng cao tính linh hoạt trong sản xuất.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai sản xuất trong nước, nâng cao đào tạo và phát triển hệ thống điều khiển thông minh nhằm ứng dụng rộng rãi thiết bị di trượt trong công nghiệp.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm thực tế thiết bị di trượt trên dây chuyền sản xuất để đánh giá hiệu quả vận hành và điều chỉnh thiết kế nếu cần. Các doanh nghiệp và cơ sở đào tạo được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao năng lực sản xuất và đào tạo kỹ thuật.