Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp quốc phòng, tự động hóa sản xuất đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, việc ứng dụng robot công nghiệp trong dây chuyền sản xuất giúp tăng hiệu quả làm việc lên đến 30-40%, đồng thời giảm thiểu tai nạn lao động và chi phí nhân công. Mối ghép đinh tán là một trong những phương pháp liên kết cơ khí phổ biến, đặc biệt trong sản xuất các sản phẩm như bản lề hòm gỗ bảo quản đạn pháo tại nhà máy Z113. Tuy nhiên, hiện nay các hệ thống cấp phôi cho máy tán đinh tán tại Việt Nam chủ yếu vẫn còn thủ công hoặc bán tự động, dẫn đến năng suất thấp và nguy cơ tai nạn cao.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và phát triển hệ thống cấp phôi tự động sử dụng robot gắp cho máy tán đinh tán, nhằm tự động hóa quy trình lắp ráp bản lề tại nhà máy Z113. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tính toán, thiết kế robot gắp bản lề, tích hợp hệ điều hành ROS và xử lý ảnh để nhận dạng vị trí phôi, thực nghiệm và đánh giá hiệu quả hệ thống. Mục tiêu cụ thể là nâng cao năng suất cấp phôi lên ít nhất 50% so với phương pháp thủ công, đồng thời đảm bảo an toàn lao động và tính linh hoạt trong sản xuất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất cơ khí quốc phòng, giảm chi phí nhập khẩu máy tán đinh tán từ nước ngoài, đồng thời tạo nền tảng phát triển công nghiệp robot trong nước. Kết quả nghiên cứu dự kiến sẽ góp phần nâng cao năng lực cạnh tranh của nhà máy Z113 và các doanh nghiệp trong lĩnh vực sản xuất thiết bị quốc phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ mối ghép đinh tán và hệ điều hành ROS (Robot Operating System) kết hợp xử lý ảnh trong robot công nghiệp.

  1. Mối ghép đinh tán: Là loại mối ghép không tháo rời, sử dụng đinh tán làm chốt liên kết các tấm kim loại. Đinh tán có nhiều loại như mũ chỏm cầu, mũ côn, mũ chìm, được chế tạo từ thép cacbon hoặc hợp kim. Phương pháp tán có thể là tán nguội hoặc tán nóng, tùy thuộc vào vật liệu và yêu cầu kỹ thuật. Mối ghép đinh tán được ứng dụng rộng rãi trong các kết cấu chịu lực lớn, đặc biệt trong công nghiệp quốc phòng.

  2. Hệ điều hành ROS: ROS là hệ điều hành mã nguồn mở chuyên dụng cho robot, cung cấp các công cụ và thư viện hỗ trợ lập trình, điều khiển, xử lý dữ liệu và giao tiếp giữa các thành phần robot. ROS có cấu trúc mô-đun với các nodes, topics, services giúp xây dựng hệ thống robot linh hoạt và mở rộng. Việc tích hợp ROS với xử lý ảnh cho phép robot nhận dạng và định vị chính xác phôi trong không gian làm việc.

  3. Xử lý ảnh: Sử dụng các thuật toán như Canny để phát hiện cạnh, Hough Circle để nhận dạng hình tròn, cùng với hiệu chuẩn camera nhằm xác định tọa độ vật thể trong hệ tọa độ ảnh. Dữ liệu ảnh sau đó được chuyển đổi sang hệ tọa độ robot để điều khiển cánh tay robot gắp phôi chính xác.

Các khái niệm chính bao gồm: mối ghép đinh tán, hệ điều hành ROS, nodes và topics trong ROS, thuật toán Canny, thuật toán Hough Circle, hiệu chuẩn camera, động học robot, và hệ tọa độ Denavit-Hartenberg.

Phương pháp nghiên cứu

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

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành về đinh tán, robot công nghiệp, ROS, xử lý ảnh, cùng số liệu thực tế tại nhà máy Z113 về quy trình sản xuất bản lề và máy tán đinh tán.

  • Phương pháp phân tích:

    • Phân tích kỹ thuật mối ghép đinh tán và các hệ thống cấp phôi hiện có.
    • Thiết kế robot gắp phôi dựa trên mô hình động học Denavit-Hartenberg, tính toán lực mô-men tĩnh để đảm bảo cân bằng.
    • Lập trình điều khiển robot sử dụng ROS, tích hợp xử lý ảnh để nhận dạng và định vị phôi.
    • Mô phỏng robot trên phần mềm SolidWorks và Rviz.
    • Thực nghiệm đánh giá hiệu suất hệ thống cấp phôi tự động.

  • Cỡ mẫu và timeline:

    • Cỡ mẫu thực nghiệm gồm robot 5 khớp quay, camera Logitech C270 với độ phân giải 720p/30fps.
    • Thời gian nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, từ thiết kế, lập trình đến thử nghiệm và đánh giá.

Phương pháp chọn mẫu là chọn robot 5 bậc tự do phù hợp với kích thước và hình dạng phôi bản lề, sử dụng thuật toán xử lý ảnh để tăng độ chính xác nhận dạng. Phương pháp phân tích kết hợp mô phỏng và thực nghiệm nhằm đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế robot gắp phôi hiệu quả: Robot 5 khớp quay được thiết kế với các tham số động học DH cụ thể, sử dụng bộ truyền động đai răng nhiều cấp giúp tăng tỷ số truyền, đảm bảo lực mô-men đủ để gắp phôi bản lề có trọng lượng lên đến 3.5 kg. Kết quả tính toán mô-men tĩnh cho thấy động cơ khớp 1 cần mô-men 0 N.m, các khớp còn lại đảm bảo cân bằng tĩnh, phù hợp với yêu cầu vận hành.

  2. Hệ thống xử lý ảnh chính xác: Thuật toán Canny kết hợp Hough Circle giúp phát hiện chính xác vị trí phôi trong ảnh với sai số vị trí theo các phương X, Y, Z lần lượt dưới 2 mm, đảm bảo độ chính xác cao trong việc định vị phôi. Camera Logitech C270 với độ phân giải 720p/30fps đáp ứng tốt yêu cầu thu nhận ảnh.

  3. Tích hợp ROS và Arduino thành công: Hệ điều hành ROS được sử dụng để điều khiển robot, giao tiếp với Arduino qua cổng Serial để điều khiển động cơ bước TB6560. Mô hình ROS với các nodes, topics và services giúp hệ thống vận hành linh hoạt, giảm thời gian lập trình và tăng tính mở rộng.

  4. Nâng cao năng suất cấp phôi: So với phương pháp cấp phôi thủ công, hệ thống robot gắp tự động tăng năng suất lên khoảng 50%, giảm thiểu tai nạn lao động và tăng tính linh hoạt trong sản xuất. Hệ thống không gây kẹt phôi và có thể tùy biến theo yêu cầu sản xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả trên là do việc áp dụng hệ điều hành ROS giúp giảm đáng kể công việc lập trình cơ bản, tập trung vào nghiên cứu chuyên sâu. Việc tích hợp xử lý ảnh cho phép robot nhận dạng chính xác vị trí phôi, giảm sai số trong quá trình gắp. So với các nghiên cứu trước đây chỉ dừng lại ở lý thuyết hoặc mô phỏng, luận văn đã thực hiện thành công thử nghiệm thực tế tại nhà máy Z113, chứng minh tính khả thi của hệ thống.

Kết quả cũng phù hợp với xu hướng phát triển robot công nghiệp trên thế giới, nơi các hệ thống tự động hóa ngày càng được tích hợp sâu với công nghệ xử lý ảnh và phần mềm điều khiển mã nguồn mở. Việc thiết kế robot với 5 bậc tự do và sử dụng bộ truyền động đai răng giúp đảm bảo độ chính xác và độ bền trong vận hành, phù hợp với yêu cầu sản xuất bản lề hòm gỗ bảo quản đạn pháo.

Dữ liệu sai số vị trí có thể được trình bày qua biểu đồ sai số theo từng phương X, Y, Z, cho thấy độ chính xác cao và ổn định của hệ thống. Bảng so sánh năng suất cấp phôi giữa phương pháp thủ công và tự động cũng minh họa rõ ràng hiệu quả cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống robot gắp tự động tại nhà máy Z113: Thực hiện lắp đặt và vận hành hệ thống trong vòng 6 tháng, nhằm thay thế hoàn toàn phương pháp cấp phôi thủ công, nâng năng suất cấp phôi lên ít nhất 50%, giảm thiểu tai nạn lao động. Chủ thể thực hiện là phòng kỹ thuật và sản xuất của nhà máy.

  2. Đào tạo nhân sự vận hành và bảo trì hệ thống: Tổ chức khóa đào tạo chuyên sâu về ROS, xử lý ảnh và vận hành robot cho kỹ thuật viên trong 3 tháng, đảm bảo nhân lực có đủ năng lực duy trì và phát triển hệ thống. Chủ thể là phòng nhân sự phối hợp với đơn vị đào tạo chuyên ngành.

  3. Nâng cấp và mở rộng hệ thống cho các sản phẩm khác: Sau khi hoàn thiện hệ thống cấp phôi bản lề, nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các chi tiết phức tạp hơn trong dây chuyền sản xuất quốc phòng trong vòng 12 tháng tiếp theo. Chủ thể là nhóm nghiên cứu và phòng R&D nhà máy.

  4. Tăng cường nghiên cứu tích hợp công nghệ mới: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng trí tuệ nhân tạo và học máy trong xử lý ảnh để nâng cao khả năng nhận dạng và tự động hóa, giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành. Thời gian nghiên cứu dự kiến 18 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và nhà quản lý trong ngành cơ khí quốc phòng: Luận văn cung cấp giải pháp tự động hóa quy trình sản xuất bản lề và máy tán đinh tán, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất.

  2. Nhà nghiên cứu và phát triển robot công nghiệp: Tài liệu chi tiết về thiết kế robot 5 bậc tự do, tích hợp ROS và xử lý ảnh, là nguồn tham khảo quý giá cho các dự án phát triển robot công nghiệp tương tự.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí, cơ điện tử: Luận văn trình bày rõ ràng các bước thiết kế, mô hình hóa, lập trình và thử nghiệm robot, giúp nâng cao kiến thức thực tiễn và kỹ năng nghiên cứu.

  4. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và tự động hóa: Có thể áp dụng các giải pháp cấp phôi tự động để cải tiến dây chuyền sản xuất, tăng tính cạnh tranh và giảm phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống cấp phôi tự động sử dụng robot gắp có ưu điểm gì so với phương pháp thủ công?
    Hệ thống tự động giúp tăng năng suất khoảng 50%, giảm tai nạn lao động và sai sót trong quá trình cấp phôi. Ví dụ, tại nhà máy Z113, việc áp dụng robot gắp đã giảm thời gian cấp phôi từ 30 giây xuống còn 15 giây mỗi chi tiết.

  2. Tại sao chọn hệ điều hành ROS cho điều khiển robot?
    ROS là mã nguồn mở, có cộng đồng phát triển lớn, cung cấp nhiều thư viện và công cụ hỗ trợ lập trình robot phức tạp, giúp giảm thời gian phát triển và tăng tính linh hoạt. Nhiều nghiên cứu quốc tế cũng sử dụng ROS làm nền tảng điều khiển robot.

  3. Phương pháp xử lý ảnh nào được sử dụng để nhận dạng phôi?
    Luận văn sử dụng thuật toán Canny để phát hiện cạnh và Hough Circle để nhận dạng hình tròn, kết hợp hiệu chuẩn camera để xác định tọa độ chính xác. Phương pháp này đã được chứng minh hiệu quả trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

  4. Robot gắp được thiết kế với bao nhiêu bậc tự do và tại sao?
    Robot có 5 bậc tự do, đủ để thực hiện các thao tác gắp phôi với độ linh hoạt cao, phù hợp với kích thước và hình dạng phôi bản lề. Thiết kế này cân bằng giữa độ phức tạp và chi phí chế tạo.

  5. Hệ thống có thể áp dụng cho các sản phẩm khác ngoài bản lề không?
    Có thể, hệ thống robot gắp và xử lý ảnh có thể tùy biến để cấp phôi cho nhiều loại sản phẩm khác nhau, đặc biệt các chi tiết có hình dạng phức tạp hoặc yêu cầu độ chính xác cao trong lắp ráp.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế thành công hệ thống cấp phôi tự động sử dụng robot gắp tích hợp ROS và xử lý ảnh, nâng cao năng suất và an toàn lao động tại nhà máy Z113.
  • Robot 5 bậc tự do với bộ truyền động đai răng đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật và vận hành ổn định.
  • Thuật toán xử lý ảnh Canny và Hough Circle giúp nhận dạng phôi chính xác với sai số dưới 2 mm.
  • Hệ thống ROS cho phép điều khiển linh hoạt, giảm thời gian lập trình và dễ dàng mở rộng.
  • Đề xuất triển khai thực tế trong 6 tháng, đào tạo nhân sự và nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong công nghiệp quốc phòng.

Khuyến khích các đơn vị sản xuất cơ khí và nghiên cứu robot công nghiệp tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy tự động hóa và nâng cao năng lực cạnh tranh.