chương 1 Robot với nhiều ưu điểm đã và đang đóng những vai trò quan trọng trong các hệ thống tự động hóa sản xuất. Tuy nhiên, việc sử dụng hiệu quả robot vẫn còn tồn tại một số hạn chế do các vấn đề liên quan đến tải trọng mang được, nhất là đối với các robot có vai trò vận chuyển dòng nguyên vật liệu. Ngành sản xuất ô tô và các linh kiện, phụ tùng là một trong những lĩnh vực thu hút lượng lớn robot công nghiệp, với đa số là các robot phụ trợ cho các hệ thống gia công, trung chuyển, kho vận, …Do vậy, luận văn này hướng tới nghiên cứu phương pháp thiết kế nhằm giảm thiểu khối lượng cho khâu thao tác robot trong dây chuyền gia công lazang tự động. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ THIẾT KẾ KHÂU THAO TÁC VÀ TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU 2.1 Thiết kế khâu thao tác cho robot 2.1 Khái niệm, vai trò và phân loại Khâu thao tác robot hay khâu dụng cụ cuối cánh tay (EOAT) là những khái niệm chỉ chung cho các thiết bị thường được gắn vào khâu cuối cùng của robot giúp chúng tương tác được với môi trường xung quanh.
Thanh phần này đóng vai trò quan trọng trong việc giải phóng tiềm năng tự động hóa của robot công nghiệp, người ta còn cho rằng sẽ không có các ưu điểm về tự động hóa nếu không có ít nhất một khâu thao tác [8]. Mỗi khâu thao tác sẽ cung cấp cho robot một chức năng cụ thể và có thể thay đổi để phù hợp với các ứng dụng khác nhau, hoặc thậm chí là được chế tạo để đáp ứng nhiều quy trình một lúc. Những tiến bộ và khả năng của các bộ thiết bị này được cho là phát triển song song với những tiến bộ trong khả năng của robot [9]. Các khâu thao tác trên robot hiện nay rất đa dạng về kết cấu, kích thước và chức năng.
Nhìn chung chúng có thể được phân thành 2 loại chính sau đây: 1. Đóng vai trò mang đầu dụng cụ: Đa phần là các thao tác không có tiếp xúc cơ học hoặc có lực tương tác rất nhỏ. - Trên robot hàn: Mỏ hàn hồ quang, hàn điểm, hàn tig, mig, … - Trên robot gia công: Đầu dao gia công, mài, đánh bóng, cắt laser, … 2. Đóng vai trò phụ trợ: Loại này chủ yếu được sử dụng cho các robot vận chuyển, gá đặt, định vị phôi cho các dây chuyền sản xuất hoặc các trạm gia công.
Các bộ dụng cụ cần có những cơ cấu chuyển động nhằm nắm bắt và giữ được vật thể trong quá trình di chuyển. Do mỗi sản phẩm đều có đặc tính khác nhau nên các bộ dụng cụ cũng được thiết kế theo nhiều kiểu nhằm đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật. Chúng tiếp tục có thể được phân thành các loại chính như sau: - Phân loại theo nguyên lý nắm giữ: Bộ kẹp cơ khí (thường dựa vào nguyên lý ma sát hoặc hàm bao bọc vật thể), nguyên lý hút (chân không, nam châm điện hoặc lực tĩnh điện, …), chất kết dính hoặc có sự kết hợp giữa hai hay nhiều nguyên lý với nhau nhằm tăng hiệu quả cho thiết bị. Nguồn: Tuff Automation Nguồn: Yushin Robot Hình 2.
Bộ kẹp cơ khí song song và hút chân không 6 - Phân loại theo khả năng tự điều chỉnh: Có bộ phản hồi và điều khiển lực kẹp (đối với các sản phẩm mềm như một số loại thực phẩm, ống thủy tinh, …)(Hình 2.2), không có điều khiển lực kẹp nhưng có cơ chế tự biến dạng theo hình dáng của vật thể (với các thiết bị phải làm việc với nhiều vật thể có hình dạng phức tạp) hoặc cơ cấu cứng tuyệt đối (với các sản phẩm không yêu cầu cao với lực giữ, kẹp, … Nguồn: Soft Robotics Nguồn: On Robot Hình 2. Tay kẹp có khả năng tự điều chỉnh - Phân loại theo nguồn động lực tạo chuyển động: nguồn khí nén, thủy lực, điện, từ, … - Phân loại theo tác động: Tác động đơn – tác động kép, thường mở - thường đóng, tác động từ ngoài vào – tác động từ trong ra, … 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế khâu thao tác robot Trong phạm vi của đề tài, các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế khâu thao tác sẽ được xem xét chủ yếu cho các robot phụ trợ, đóng vai trò vận chuyển phôi liệu giữa các trạm gia công, băng tải hoặc các hệ thống lưu kho. Các yếu tố chính cũng sẽ là cơ sở để thiết kế bàn tay kẹp trong phần sau của luận văn. Tính đa nhiệm: Các robot được sử dụng trong hệ thống tự động với mong muốn tăng tính đa nhiệm tối đa, do đó tăng năng suất robot là một đặc điểm quan trọng của các bộ thiết bị cuối cánh tay.
Nó là một trong ba yếu tố quan trọng được trình bày trong [10], một số công việc có thể được xem xét đến. - Tăng số lượng phôi có thể mang: Giúp giảm chu kì robot, điều này đặc biệt quan trọng với những hệ thống thường xuyên làm việc với nhiều vật thể khác nhau. - Tạo thêm chức năng cho tay kẹp: Ngoài việc nắm, giữ vật thì tay kẹp có thể đảm nhiệm thêm một số công việc khác như mở cửa, đóng cửa, thay vì sử dụng thêm một phần cứng khác bổ sung.3 là hình ảnh một khâu thao tác trên robot công nghiệp trong ngành nhựa, thiết bị này vừa có chức năng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn sau khi đúc, vừa chèn thêm các chi tiết linh kiện vào khuôn trước lần đúc tiếp theo. Việc tích hợp chức năng này làm giảm chu kì làm việc của robot khi thao tác bên trong khuôn, thời gian chờ của khuôn giảm đi, từ đó làm tăng năng suất sản xuất sản phẩm.
Thiết bị chèn và lấy sản phẩm trong ngành công nghiệp nhựa (Nguồn: Yushin America) 2. Không gian thao tác Khâu thao tác có kích thước lớn sẽ làm tăng đáng kể không gian làm việc của robot, nhưng đi kèm với đó là những nguy cơ xảy ra va chạm và những khó khăn khi robot tiếp cận tới những vị trí cần thiết. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống cấp phôi dựa trên thị giác máy [10], do khoảng cách giữa các vật thể là ngẫu nhiên và vị trí tương đối của chúng so với robot là khó xác định. Khái niệm “dấu chân” được nêu ra trong [10] đề cập đến khoảng không gian mà bàn tay kẹp tạo ra khi thao tác với đối tượng mà không xảy ra va chạm với các đối tượng khác.
Tức là các tay kẹp càng có kích thước nhỏ gọn càng có lợi thế hơn trong trường hợp này. Một số yếu tố có thể xem xét đến như: - Phương pháp kẹp, giữ vật. - Nguyên lý truyền chuyển động đến các ngón tay. - Hình dạng các ngón tay.
Tăng độ tin cậy Khả năng giữ và cố định chính xác vật là yếu tố tiên quyết để đánh giá mức độ thành công của các bộ tay kẹp. Một số yếu tố có thể được xem xét nhằm tăng độ tin cậy của tay kẹp: - Tăng lực kẹp: Điều này chỉ phù hợp với những đối tượng có độ cứng nhất định, khó bị phá hủy với lực ép lớn. - Thay đổi hình dạng ngón tay kẹp phù hợp với đối tượng. - Giảm chiều dài ngón tay.
- Cung cấp các giải pháp tiếp cận đối tượng phong phú hơn. - Xem xét đến các bề mặt tương tác, chú ý đến vật liệu và ảnh hưởng của lực ma sát tới hiệu quả kẹp, giữ vật. Một số yếu tố khác: - Chi phí sản xuất. - Khả năng gia công, chế tạo.
- Tính mô đun hóa, lắp lẫn, thay thế, … 8 - Môi trường làm việc.3 Tính toán lực kẹp, giữ cần thiết Mặc dù có nhiều hình thức tiếp cận để nắm bắt đối tượng của các thiết bị cuối cánh tay nhưng nguyên lý chung là tạo ra lực chống lại trọng lực và quán tính khi có gia tốc. Các biến thể khác nhau của các loại tay kẹp có thể được xem xét để tăng thêm hiệu quả cho việc giữ hoặc định tâm, vì vậy nội dung luận văn sẽ tập trung trình bày hai hình thức tạo lực giữ cơ bản nhất là thông qua lực ma sát và lực hút chân không. Lực ma sát Tùy thuộc vào trường hợp mà bộ kẹp dạng ma sát có thể có 2, 3 hay nhiều ngón tay, tuy nhiên do nguyên tắc vận hành tương đối đơn giản và chi phí thấp hơn các loại kẹp khác nên các dạng kẹp song song và kẹp góc thường được sử dụng phổ biến nhất. Ở phương pháp kẹp này, các hàm kẹp chuyển động song song với nhau theo thân của bộ kẹp (dạng song song) hoặc chuyển động xoay hướng vào nhau (dạng góc), được dẫn động thông qua các liên kết cơ học nào đó hoặc dẫn động trực tiếp bằng xy lanh.
Lực kẹp tính chung cho các bộ kẹp ma sát hai ngón tay thao tác có thể được tính thông qua phương trình cân bằng lực của vật thể [11]: ܵ ൈ ܨ௦ PT 2.1 ீܨൌ ʹ ൈ ሺߤ ൈ ݏܥሺߙሻ െ ܵ݅݊ሺߙሻሻ Trong đó: - ீܨ: Lực kẹp cần thiết. - ߤ : Hệ số ma sát. - ߙ : Góc lệch giữa các bề mặt kẹp (ߙ=0 khi các bề mặt song song). - ܵ : Hệ số an toàn.
Hệ số an toàn có thể nằm trong khoảng từ 1.5 đến 4 và nó phải được chọn trong những trường hợp cụ thể.5 có thể được sử dụng cho các hệ thống có phản ứng động thấp và được kiểm soát, hệ số ma sát tĩnh và không có sự dao động của khí nén trong hệ thống. Với phản ứng động lực học cao, nên sử dụng sự thay đổi lớn trong hệ số ma sát hoặc sự dao động của hệ số an toàn khí nén bằng 4. Thông thường hệ số an toàn được sử dụng nằm trong khoảng từ 2 đến 3 [12]. Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu ở vị trí tiếp xúc giữa ngón tay và vật thể.
Với những vật liệu thông thường, nó có thể dao động từ 0.09 đến 1, một số hệ số ma sát giữa các vật liệu thông thường có thể tra theo bảng dưới đây: 9 Bảng 2-1. Hệ số ma sát giữa một số loại vật liệu thông thường [12] Đối tượng Nhôm Cao Thép có Thép Nhôm có bôi su, bôi trơn trơn nhựa Thép 0.3 bôi trơn Nhôm 0.7 Ngón tay kẹp Nhôm có bôi 0.4 trơn Cao su, 0.00 nhựa Hệ số ma sát μ Hệ số ma sát μ Hình 2. Phân bố lực kẹp trong trường hợp kẹp 2 ngón và 3 ngón [13] Các trường hợp bộ kẹp 3 ngón tay cũng có cách tính tương tự, sao cho tổng hợp các lực ma sát tại các vị trí kẹp lớn hơn tổng các ngoại lực tác động lên vật cần kẹp (Hình 2.