Tổng quan nghiên cứu

Trong quy trình chế tạo giày dép công nghiệp, khâu bôi keo dán đế mũ giày là mắt xích then chốt quyết định trực tiếp đến độ bền kết dính và tính thẩm mỹ của sản phẩm. Tuy nhiên, theo các khảo sát y tế lao động trong ngành da giày, dung môi hữu cơ độc hại chiếm tỷ lệ lên đến 90,3% trong keo mủ cao su và khoảng 50% trong keo polychloroprene. Những hợp chất bay hơi nguy hại như benzen, toluen, xylen cùng hỗn hợp hexane - axeton tác động tiêu cực lâu dài đến hệ thần kinh trung ương, cơ quan tạo máu và thính giác của công nhân vận hành. Tại Việt Nam, đa số các nhà xưởng vẫn duy trì phương pháp quét keo thủ công hoặc bán tự động. Thao tác này không chỉ đe dọa sức khỏe con người mà còn dẫn đến tình trạng bề mặt keo không đồng đều do phụ thuộc hoàn toàn vào tay nghề và cảm tính của người thợ.

Đề tài nghiên cứu giải pháp tự động hóa bôi keo dán đế giày sử dụng robot được triển khai tại phòng thí nghiệm Cơ điện tử và IUD Lab thuộc Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết kế và chế tạo một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh tích hợp cơ cấu định vị khí nén, robot công nghiệp 6 bậc tự do Motoman SV3 và đầu bôi keo cọ xoay chuyên dụng. Hệ thống đảm bảo đầu bôi keo di chuyển với vận tốc không đổi và luôn vuông góc với mặt phẳng tiếp tuyến tại từng điểm trên bề mặt đế cong 3D. Kết quả nghiên cứu mở ra giải pháp công nghệ giúp loại bỏ 100% sự tiếp xúc trực tiếp của người lao động với hóa chất độc hại, đồng thời chuẩn hóa thời gian bôi keo ở mức 15 giây cho mỗi sản phẩm với dung sai bề rộng dải keo khống chế chặt chẽ trong khoảng ±1 mm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết động học robot công nghiệp và giải thuật điều khiển quỹ đạo không gian ba chiều. Tác giả áp dụng mô hình tham số Denavit-Hartenberg để giải quyết tường minh bài toán động học thuận và động học ngược cho cánh tay robot Motoman SV3 với 6 bậc tự do độc lập. Ma trận biến đổi thuần nhất được thiết lập nhằm xác định chính xác vị trí và hướng của khâu tác động cuối trong hệ tọa độ gốc.

Bên cạnh đó, lý thuyết nội suy đường cong không gian Quadratic Splines bậc hai và đường cong bậc ba được ứng dụng để làm mịn các điểm rời rạc trên biên dạng đế giày thành một quỹ đạo chuyển động liên tục. Hệ thống kết hợp lý thuyết biến đổi góc Euler nhằm tính toán vector pháp tuyến và vector tiếp tuyến tại từng tọa độ tiếp xúc, đảm bảo góc nghiêng của khâu công tác luôn tạo góc vuông 90 độ so với mặt cong thực tế. Các khái niệm cốt lõi được ứng dụng xuyên suốt bao gồm: bậc tự do không gian, ma trận chuyển đổi tọa độ, sai số bám quỹ đạo và đáp ứng vận tốc góc biến khớp.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng giải tích số học trên máy tính và thử nghiệm thực tế trên mô hình vật lý. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được trích xuất từ mẫu đế giày thể thao thực tế có tổng chiều dài đường dán keo là 581,9 mm. Toàn bộ quỹ đạo không gian được phân đoạn thành 146 điểm rời rạc với khoảng cách đồng đều, tương ứng với chu kỳ lấy mẫu thời gian cố định là 0,1 giây.

Về quy trình chọn mẫu, nghiên cứu thực hiện kiểm chứng trên 10 chiếc giày thể thao đồng nhất về kích cỡ theo phương pháp lấy mẫu xác suất ngẫu nhiên nhằm đánh giá độ tin cậy và tính lặp lại của thuật toán. Lý do lựa chọn giải pháp phân tích động học số kết hợp phần mềm LabVIEW và card giao tiếp NI PCIe-6612 là khả năng phát xung đồng bộ điều khiển 6 bộ driver servo Yaskawa với độ trễ cực thấp, đồng thời khống chế độ biến thiên góc khớp dưới 2 độ giữa các điểm liên tiếp nhằm triệt tiêu hiện tượng rung giật cơ khí. Quá trình kiểm định bề dày lớp keo sau 15 phút quét được đo đạc chính xác bằng máy đo tọa độ ba chiều CMM Mitutoyo tại 10 vị trí khác nhau trên mỗi đế giày để đảm bảo độ khách quan khoa học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, thuật toán động học ngược và mô hình hoạch định quỹ đạo đạt độ chính xác bám biên dạng rất cao. Kết quả mô phỏng số cho thấy đường chuyển động của khâu tác động cuối hoàn toàn trùng khớp với quỹ đạo dán keo thực tế. Sai số vị trí lớn nhất ghi nhận được chỉ là 2,3 mm, chủ yếu do sai số làm tròn trong các hàm lượng giác, trong khi sai số góc bôi keo so với phương pháp tuyến 90 độ chỉ đạt mức tối đa 1,15 độ.

Thứ hai, chất lượng lớp phủ bề mặt trong thực nghiệm đáp ứng hoàn hảo các tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp. Độ dày của lớp keo đo bằng máy CMM dao động ổn định trong khoảng từ 0,5 mm đến 0,8 mm, nằm trong ngưỡng yêu cầu khắt khe dưới 1,0 mm. Bề rộng dải keo quét phủ đạt chuẩn 15 mm với dung sai khống chế nghiêm ngặt trong phạm vi ±1 mm trên toàn bộ 10 mẫu thử nghiệm.

Thứ ba, hiệu năng thời gian và các thông số vận hành động học đạt mức tối ưu. Vận tốc tịnh tiến của đầu quét keo duy trì ổn định ở mức 39 mm/s, tốc độ quay của đầu cọ đạt từ 100 đến 120 vòng/phút. Tổng thời gian hoàn thành một chu trình định vị gá kẹp và bôi keo là 25 giây, trong đó thời gian quét keo thực tế chỉ mất 15 giây, giúp nâng cao độ đồng đều lớp phủ lên hơn 35% so với phương pháp quét cọ thủ công.

Thảo luận kết quả

Chất lượng bám dính vượt trội của hệ thống xuất phát từ cơ chế đè lông cọ vào bề mặt đế với độ sâu từ 0,5 mm đến 1 mm, kết hợp cùng chuyển động xoay liên tục quanh trục giúp keo có độ nhớt cao thâm nhập sâu vào các khe rãnh mấp mô của đế trong. Khác với các giải pháp thương mại nhập ngoại như máy phun keo Cerim hay hệ thống băng tải OMAV vốn chỉ thích hợp cho bề mặt đế ngoài phẳng láng, giải pháp cọ xoay gắn trên robot 6 bậc tự do của nghiên cứu này giải quyết triệt để bài toán bề mặt phức tạp mà không gây hiện tượng văng bắn hay lãng phí keo.

Các phát hiện thực nghiệm có thể được biểu diễn một cách khoa học thông qua biểu đồ phân tán thể hiện sự phân bố độ dày màng keo trên 10 mẫu đo, đi kèm các đường giới hạn kiểm soát trên và kiểm soát dưới từ 0,5 mm đến 0,8 mm. Đồng thời, một bảng đối sánh đa thông số giữa tốc độ quay đầu cọ, vận tốc di chuyển và độ phủ vệt keo sẽ làm rõ mối tương quan tuyến tính giữa các biến số cơ điện tử với chất lượng kết dính cuối cùng của đôi giày.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và sớm đưa hệ thống tự động hóa vào ứng dụng thực tế tại các nhà máy sản xuất giày, tác giả đưa ra các giải pháp hành động cụ thể:

Tích hợp thiết bị quét quang học ba chiều vào công đoạn nạp liệu: Doanh nghiệp sản xuất phối hợp cùng các viện nghiên cứu tích hợp đầu quét laser 3D ở đầu vào dây chuyền, cho phép quét và trích xuất biên dạng đế giày trong thời gian từ 3 đến 5 giây, hỗ trợ nhận dạng tự động đa dạng kiểu mẫu giày trong lộ trình 6 tháng đầu năm.

Chuyển đổi vật liệu đồ gá kẹp từ khuôn keo sang hợp kim nhôm đúc định hình: Bộ phận kỹ thuật cơ khí cần tiến hành gia công bộ khuôn kẹp mũi và gót giày bằng nhôm CNC, giúp tăng độ bền cơ học lên gấp 5 lần và giảm sai lệch gá đặt xuống dưới 0,2 mm trong thời gian 3 tháng.

Tối ưu hóa giải thuật điều khiển xung để tăng tốc độ bôi keo: Đội ngũ kỹ sư tự động hóa cần nâng cấp thuật toán điều khiển nhằm đẩy vận tốc chuyển động của đầu cọ lên mức 50 mm/s, hướng tới rút ngắn tổng thời gian chu kỳ từ 25 giây xuống dưới 18 giây, tương ứng mức tăng năng suất 28% trong vòng 6 tháng tiếp theo.

Triển khai đồng bộ các trạm bôi keo tự động trong phòng sạch: Ban giám đốc nhà máy cần thiết lập kế hoạch chuyển giao công nghệ quy mô lớn, xây dựng khu vực bôi keo tự động khép kín có hệ thống thông gió đạt chuẩn, hướng đến mục tiêu giảm 100% tỷ lệ công nhân tiếp xúc trực tiếp với hơi hóa chất độc hại trong thời hạn 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung công trình mang lại giá trị học thuật và giải pháp ứng dụng thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chính:

Kỹ sư Tự động hóa và Cơ điện tử: Tiếp thu phương pháp phân tích động học robot 6 bậc tự do, kỹ thuật nội suy Spline cho quỹ đạo 3D phức tạp và phương thức lập trình ghép nối Card NI PCIe-6612 với Driver AC Servo Yaskawa trên môi trường LabVIEW.

Doanh nghiệp sản xuất và Quản lý vận hành ngành Da giày: Tham khảo mô hình chuyển đổi số và tự động hóa khâu dán đế, giúp giảm tỷ lệ phế phẩm dán lỗi xuống dưới 2%, tiết kiệm đáng kể chi phí nguyên vật liệu và loại trừ triệt để nguy cơ tai nạn lao động liên quan đến hóa chất.

Giảng viên, Học viên cao học và Nghiên cứu sinh ngành Robot công nghiệp: Sử dụng công trình như một tài liệu nghiên cứu chuyên sâu về tích hợp hệ thống cơ điện tử chính xác, thiết kế đồ gá chuyên dụng và giải bài toán điều khiển tiếp xúc bám mặt cong không gian với 146 điểm rời rạc.

Chuyên gia An toàn vệ sinh lao động và Y tế môi trường: Tiếp cận nguồn số liệu thực tế về tác hại của 90,3% dung môi hữu cơ trong keo công nghiệp, từ đó đề xuất các tiêu chuẩn kỹ thuật bắt buộc về tự động hóa nhằm bảo vệ sức khỏe người lao động trong các khu công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu lựa chọn robot Motoman 6 bậc tự do thay vì các hệ thống cơ cấu 3 trục hoặc 4 trục? Robot 6 bậc tự do sở hữu độ linh hoạt không gian tối ưu, cho phép đầu cọ luôn duy trì phương vuông góc 90 độ với mặt phẳng tiếp tuyến tại mọi điểm trên biên dạng đế cong mấp mô 3D, điều mà các hệ thống 3 trục hoặc 4 trục không thể đáp ứng do bị hạn chế góc nghiêng khâu tác động.

Hệ thống xử lý hiện tượng rung giật của cánh tay robot khi chuyển động qua các điểm lấy mẫu như thế nào? Quỹ đạo dài 581,9 mm được chia thành 146 điểm với chu kỳ lấy mẫu 0,1 giây. Thuật toán khống chế biến thiên góc khớp dưới 2 độ giữa hai điểm liên tiếp; nếu vượt ngưỡng, hệ thống tự động nội suy đường cong bậc ba để làm mịn chuyển động, giúp robot vận hành trơn tru và liên tục.

Phương pháp quét keo bằng cọ xoay có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp phun keo áp lực truyền thống? Cọ quét xoay tốc độ 100 đến 120 vòng/phút kết hợp độ đè lông cọ từ 0,5 mm đến 1 mm giúp keo có độ nhớt cao thấm đều vào các rãnh sần sùi của đế trong, triệt tiêu hiện tượng văng bắn keo và kiểm soát độ dày lớp keo đạt chuẩn từ 0,5 đến 0,8 mm.

Sai số giữa kết quả tính toán mô phỏng và thực tế đo kiểm bằng máy đo tọa độ CMM là bao nhiêu? Kết quả mô phỏng ghi nhận sai số vị trí tối đa 2,3 mm và sai số góc 1,15 độ. Quá trình đo kiểm thực nghiệm trên 10 mẫu giày bằng máy CMM Mitutoyo khẳng định bề rộng vệt keo đạt chính xác 15 mm với dung sai chỉ ±1 mm, hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu công nghiệp.

Hệ thống có khả năng tự động điều chỉnh khi thay đổi nhiều kiểu dáng và kích cỡ giày khác nhau hay không? Hệ thống hoàn toàn đáp ứng được khả năng tùy biến khi tích hợp thêm máy quét quang học 3D ở đầu vào. Dữ liệu quét biên dạng sẽ được phần mềm CAD trích xuất đường cong bôi keo và nạp trực tiếp vào bộ điều khiển robot mà không cần phải can thiệp cơ khí thủ công.

Kết luận

Công trình nghiên cứu giải pháp tự động hóa bôi keo dán đế giày sử dụng robot đã khẳng định tính khả thi và giá trị ứng dụng to lớn qua 5 đóng góp nổi bật:

  • Thiết kế và tích hợp thành công hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh gồm cơ cấu định vị khí nén hai chiều, robot 6 bậc tự do Motoman SV3 và đầu bôi keo cọ xoay độc lập.
  • Xây dựng giải thuật giải động học ngược và nội suy quỹ đạo 3D với 146 điểm lấy mẫu, khống chế biến thiên góc khớp dưới 2 độ để đảm bảo chuyển động trơn tru.
  • Đạt kết quả thực nghiệm chuẩn xác trên 10 mẫu giày với độ dày keo từ 0,5 đến 0,8 mm, bề rộng dải dán 15 ± 1 mm trong chu trình bôi keo chỉ 15 giây.
  • Triệt tiêu 100% nguy cơ phơi nhiễm của công nhân trước các loại keo chứa tới 90,3% dung môi hữu cơ độc hại, cải thiện rõ rệt môi trường làm việc.
  • Đề xuất lộ trình nâng cấp hệ thống quét 3D tự động và khuôn kẹp kim loại nhằm thương mại hóa giải pháp trong khung thời gian từ 6 đến 12 tháng.

Các doanh nghiệp sản xuất giày da và đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ trực tiếp với nhóm tác giả để tiếp nhận chuyển giao quy trình công nghệ và tài liệu kỹ thuật chi tiết của hệ thống.