Tổng quan nghiên cứu

Robot công nghiệp ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô với sản lượng hàng chục triệu chiếc mỗi năm. Theo báo cáo của ngành, các ứng dụng robot trong vận chuyển và gia công chiếm tỷ trọng lớn, trong đó việc vận chuyển phôi liệu như lazang ô tô là một phần thiết yếu. Tuy nhiên, các robot dạng chuỗi động học hở thường gặp hạn chế về tải trọng do khối lượng khâu thao tác lớn, dẫn đến kết cấu cồng kềnh, tiêu hao năng lượng và giảm hiệu quả vận hành. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế giảm thiểu khối lượng bàn tay kẹp đa nhiệm của robot công nghiệp phục vụ vận chuyển trong dây chuyền gia công lazang tự động, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm tải trọng cho robot.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế và tối ưu hóa bàn tay kẹp cho robot vận chuyển lazang kích thước 16 inches, khối lượng khoảng 7 kg, với gia tốc tối đa robot đạt 4.9 m/s². Nghiên cứu áp dụng phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết dựa trên mật độ vật liệu (phương pháp SIMP) trên phần mềm mô phỏng Ansys Workbench. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm khối lượng bàn tay kẹp xuống còn khoảng 36.3% so với thiết kế ban đầu, đồng thời đảm bảo các tiêu chí về độ cứng, sai số định vị và khả năng gia công, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành robot trong sản xuất tự động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba lý thuyết chính:

  1. Thiết kế khâu thao tác robot (End of Arm Tooling - EOAT): Khâu thao tác là bộ phận cuối cùng của robot giúp tương tác với vật thể, có thể là bộ kẹp cơ khí hoặc bộ hút chân không. Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế bao gồm tính đa nhiệm, không gian thao tác, độ tin cậy lực kẹp, chi phí và môi trường làm việc. Lực kẹp được tính toán dựa trên lực ma sát hoặc lực hút chân không, với các công thức cân bằng lực và áp lực bề mặt cụ thể.

  2. Thiết kế giảm khối lượng: Bao gồm ba phương pháp chính: thay đổi vật liệu (ví dụ sử dụng sợi carbon gia cường thay cho thép truyền thống), thiết kế dựa trên kinh nghiệm (loại bỏ vật liệu không cần thiết), và thiết kế phỏng theo cấu trúc sinh học (cấu trúc tổ ong, kết cấu vỏ máy bay). Phương pháp tối ưu hóa kết cấu liên kết được chọn do tính chính xác và khả năng ứng dụng rộng rãi.

  3. Tối ưu hóa kết cấu liên kết (Topology Optimization): Phương pháp SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) được sử dụng để phân bố vật liệu tối ưu trong không gian thiết kế, nhằm giảm khối lượng trong khi duy trì độ cứng và đáp ứng các ràng buộc về tải trọng, chuyển vị và hình học. Quy trình tối ưu hóa bao gồm xác định hàm mục tiêu, ràng buộc, tiền xử lý mô hình, thiết lập bài toán tối ưu, đánh giá kết quả mô phỏng và hậu xử lý thiết kế.

Các khái niệm chính bao gồm: lực kẹp ma sát, lực hút chân không, mật độ vật liệu trong tối ưu hóa cấu trúc, hàm mục tiêu tối thiểu hóa chuyển vị, ràng buộc khối lượng và sai số định vị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình CAD bàn tay kẹp robot vận chuyển lazang, kích thước 16 inches, khối lượng 7 kg, vật liệu thép tiêu chuẩn. Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Ansys Workbench với modul Topology Optimization, áp dụng thuật toán SIMP với hệ số hình phạt p=3. Mô hình phần tử hữu hạn gồm 75,973 phần tử và 171,409 nút lưới, được chia lưới chi tiết để đảm bảo độ chính xác.

Quy trình nghiên cứu gồm các bước: xác định tham số tối ưu (hàm mục tiêu là tối thiểu hóa chuyển vị, ràng buộc khối lượng giữ lại 35% so với ban đầu, sai số định vị ≤ 0.2 mm), tiền xử lý mô hình (đơn giản hóa, phân vùng vật liệu tối ưu và cố định), thiết lập bài toán tối ưu, chạy mô phỏng, đánh giá kết quả phân bố vật liệu và hậu xử lý thiết kế để phù hợp với gia công thực tế.

Thời gian nghiên cứu mô phỏng khoảng 37 phút trên máy tính cấu hình Intel Core i5-10500U, 3.2 GHz, RAM 32GB. Các bước hậu xử lý và kiểm tra lại thiết kế được thực hiện để đảm bảo các tiêu chí kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm khối lượng bàn tay kẹp: Sau tối ưu hóa, khối lượng bàn tay kẹp giảm còn khoảng 36.3% so với thiết kế ban đầu (giảm 63.7%), tương đương giảm 29.3% so với thiết kế truyền thống chưa tối ưu.

  2. Độ cứng và sai số định vị: Thiết kế mới duy trì độ cứng tương đương, sai số định vị tại vị trí đặt phôi là 0, đảm bảo độ chính xác cao trong vận hành.

  3. Ứng suất tối đa: Ứng suất lớn nhất khi robot di chuyển với gia tốc tối đa là 37.14 MPa, thấp hơn nhiều so với giới hạn chảy của vật liệu thép (250 MPa), đảm bảo an toàn kết cấu.

  4. Hiệu quả mô phỏng: Mô hình phân bố vật liệu không có điểm gián đoạn, các ràng buộc về hình học và khối lượng được thỏa mãn, hàm mục tiêu hội tụ ổn định qua các vòng lặp. Thời gian xử lý mô phỏng khoảng 37 phút, phù hợp cho thiết kế đơn chiếc hoặc loạt nhỏ.

Thảo luận kết quả

Việc áp dụng phương pháp SIMP trong tối ưu hóa cấu trúc liên kết cho bàn tay kẹp robot đã chứng minh hiệu quả rõ rệt trong việc giảm khối lượng mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tối ưu hóa cấu trúc liên kết trong thiết kế robot công nghiệp, đồng thời khắc phục hạn chế của các phương pháp truyền thống như thiết kế dựa trên kinh nghiệm hay vật liệu mới đắt đỏ.

So với các nghiên cứu sử dụng vật liệu sợi carbon gia cường, phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết trên vật liệu thép truyền thống có ưu điểm về chi phí và khả năng gia công, phù hợp với sản xuất công nghiệp hiện nay. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố vật liệu, đồ thị hàm mục tiêu và ràng buộc khối lượng qua các vòng lặp, giúp minh họa quá trình hội tụ và hiệu quả tối ưu.

Tuy nhiên, một số bước hậu xử lý còn mang tính thủ công, ảnh hưởng đến tổng thời gian thiết kế. Việc tự động hóa các bước này sẽ là hướng phát triển tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả quy trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tự động hóa hậu xử lý mô hình: Phát triển các công cụ hoặc script hỗ trợ tự động hóa bước thiết kế lại dựa trên kết quả phân bố vật liệu, giảm thời gian và sai sót do thao tác thủ công.

  2. Nâng cao chất lượng mô phỏng: Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số bộ giải và thuật toán tối ưu hóa để rút ngắn thời gian tính toán, đồng thời cải thiện độ chính xác và ổn định của kết quả.

  3. Mở rộng ứng dụng: Áp dụng quy trình tối ưu hóa cấu trúc liên kết cho các khâu thao tác khác trên robot công nghiệp, đặc biệt trong các hệ thống vận chuyển và gia công tự động có yêu cầu đa nhiệm cao.

  4. Kết hợp vật liệu mới: Nghiên cứu kết hợp phương pháp tối ưu hóa cấu trúc với vật liệu nhẹ cường độ cao như sợi carbon gia cường để đạt hiệu quả giảm khối lượng tối ưu hơn, đồng thời cân nhắc chi phí và khả năng sản xuất.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư thiết kế và vận hành robot về phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết, nâng cao năng lực ứng dụng trong thực tế sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế cơ khí và cơ điện tử: Nắm bắt quy trình tối ưu hóa cấu trúc liên kết ứng dụng trong thiết kế khâu thao tác robot, nâng cao hiệu quả thiết kế và giảm chi phí sản xuất.

  2. Nhà quản lý sản xuất và tự động hóa: Hiểu rõ lợi ích của việc giảm khối lượng bàn tay kẹp trong vận hành robot, từ đó tối ưu hóa dây chuyền sản xuất và nâng cao năng suất.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình hóa và tối ưu hóa cấu trúc liên kết, làm cơ sở phát triển các đề tài nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực robot công nghiệp.

  4. Doanh nghiệp sản xuất robot và thiết bị tự động: Áp dụng quy trình tối ưu hóa để cải tiến sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh và đáp ứng yêu cầu thị trường về robot nhẹ, đa nhiệm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp SIMP là gì và tại sao được chọn?
    Phương pháp SIMP là kỹ thuật tối ưu hóa cấu trúc liên kết dựa trên mật độ vật liệu, giúp phân bố vật liệu tối ưu trong không gian thiết kế. Phương pháp này được chọn vì tính chính xác, khả năng tích hợp trong phần mềm Ansys và phù hợp với các bài toán thiết kế cơ khí phức tạp.

  2. Khối lượng bàn tay kẹp giảm bao nhiêu sau tối ưu?
    Khối lượng giảm còn khoảng 36.3% so với thiết kế ban đầu, tương đương giảm 63.7%, giúp giảm tải trọng cho robot và tiết kiệm năng lượng vận hành.

  3. Thiết kế mới có đảm bảo độ bền và độ chính xác không?
    Thiết kế sau tối ưu vẫn đảm bảo độ cứng tương đương, sai số định vị tại vị trí đặt phôi là 0, ứng suất tối đa thấp hơn nhiều so với giới hạn chảy của vật liệu thép, đảm bảo an toàn và chính xác trong vận hành.

  4. Thời gian mô phỏng và yêu cầu phần cứng như thế nào?
    Thời gian mô phỏng khoảng 37 phút trên máy tính cấu hình Intel Core i5-10500U, RAM 32GB, cho thấy quy trình phù hợp với thiết kế đơn chiếc hoặc loạt nhỏ mà không đòi hỏi phần cứng quá cao.

  5. Quy trình tối ưu có thể áp dụng cho các khâu thao tác khác không?
    Có, quy trình tối ưu hóa cấu trúc liên kết bằng phương pháp SIMP có thể mở rộng áp dụng cho nhiều khâu thao tác khác trên robot công nghiệp, giúp nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành.

Kết luận

  • Robot công nghiệp đóng vai trò thiết yếu trong sản xuất tự động, nhưng tải trọng khâu thao tác là hạn chế cần giải quyết.
  • Luận văn đã đề xuất và áp dụng thành công phương pháp tối ưu hóa cấu trúc liên kết SIMP trên Ansys Workbench cho bàn tay kẹp robot vận chuyển lazang.
  • Kết quả giảm khối lượng bàn tay kẹp xuống còn 36.3% so với thiết kế ban đầu, đồng thời đảm bảo độ cứng, sai số định vị và ứng suất an toàn.
  • Quy trình tối ưu hóa có thể áp dụng rộng rãi cho các khâu thao tác robot khác, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất công nghiệp.
  • Hướng phát triển tiếp theo là tự động hóa hậu xử lý, nghiên cứu tham số mô phỏng và kết hợp vật liệu mới để tối ưu hơn nữa.

Mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm áp dụng quy trình tối ưu hóa này để nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành robot công nghiệp trong thực tế.