PHẦN MỞ ĐẦU Robot bốc xếp hàng lên pallet (Robot Palletizer) ở lối ra các dây chuyền tự động đã được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới (hình 1). ABB Robot Palletizer [1] CASI Robot Palletizer [2] Hình 1: Robot bốc xếp hàng lên pallet Ở trong nước, robot bốc xếp hàng từ lối ra băng tải cũng đã được đưa vào ứng dụng như ở nhà máy Nhà máy Sữa Dielac (KHU Công nghiệp Biên Hòa, Đồng Nai), robot được sử dụng để bốc xếp các thùng sữa thành phẩm (hình 2). Công ty Vinamilk đã dự kiến sử dụng robot bốc xếp hàng trong nhà máy mới tại Bình dương với quy mô sản xuất 400 triệu lít sữa tươi/năm. Hình 2: Robot bốc xếp hàng tại nhà máy sữa Dielac, Khu CN Biên Hòa, Đồng Nai Nhà máy Bia Huda (Huế) sử dụng 2 robot ABB 7600 để bốc xếp các thùng bia thành phẩm (hình 3).
19 Hình 3: Robot bốc xếp hàng tại nhà máy bia Huda, Huế Các sản phẩm robot xếp hàng lên pallet (Palletizer robot) được nhiều nhà sản xuất robot hàng đầu như ABB, KUKA, Fuji,… cung cấp cho thị trường. Các thiết bị này đáp ứng các yêu cầu bốc xếp hàng hoá sản phẩm đủ loại (thùng, hộp, bình, container,…) trong dây chuyền sản xuất tự động. Robot bốc xếp hàng lên pallet do cần đáp ứng tải trọng lớn và năng suất bốc xếp cao, nên có giá thành cao. Thị trường [3] cho thấy giá bán (FOB) 1 hệ robot bốc xếp hàng lên pallet của Fuji là 60.000 US$/Set, tuỳ thuộc năng suất từ 600 tới 1.600 chu trình/h với các lựa chọn kèm theo như bộ gắp kiểu tay gắp kẹp, đầu hút kiểu chân không và bộ tạo chân không đi kèm.
Các robot bốc xếp tốc độ cao nhất và tải trọng lớn có giá từ 115. Tuy nhiên, giá thiết bị trên mới chỉ là giá cho robot, chưa tính giá các phụ kiện kèm theo như loại đầu gắp, bàn điều khiển, hệ thống khí nén, còn phải cộng thêm giá chuyên chở, chuyển giao công nghệ, huấn luyện, bàn giao, thuế,. Một hệ thiết bị toàn bộ kiểu palletizer EC-61 của Fuji loại 60.000 US$ khi đưa vào sử dụng tại 1 công ty ở Việt Nam có giá tới 150. Việc khai thác, bảo hành robot - một thiết bị phức tạp tích hợp nhiều mặt kỹ thuật, đòi hỏi lực lượng kỹ thuật sử dụng và bảo trì tương ứng.
Những vấn đề giá cả và khai thác, bảo hành là những nguyên nhân chính, hạn chế việc ứng dụng robot bốc bốc xếp hàng trong sản xuất trong nước hiện nay. Qua khảo sát thực tế cho thấy, robot bốc xếp hàng là đối tượng dễ tìm được ứng dụng nhất cho robot trong tình hình sản xuất trong nước hiện nay. Nhu cầu sắp các thùng hàng hay bao (như bao gạo, phân bón, thuốc trừ sâu,…) lên pallet trong nước đang tăng cao. Vấn đề chế tạo robot bốc xếp trở nên cấp thiết vì các lý do sau: - Nhiều nhà máy ở khu vực TP.HCM đã trang bị các dây chuyền đóng bao tự động năng suất cao, đòi hỏi hệ thống bốc xếp nhanh tương ứng.
Trong khi giá thành hệ thống nhập ngoại đắt. - Mặc dù có khả năng sử dụng bốc xếp bằng tay và tiền lương công nhân bốc xếp ở Việt nam chưa cao, nhưng việc bưng và sắp các thùng hàng hay bao nguyên liệu nặng 20-50 kg sắp lên pallet ở độ cao ngang ngực người công nhân là rất khó khăn. Ngoài ra ở không gian chật hẹp, tốc độ bao ra nhanh, việc khuân vác bằng nhân công gặp khó khăn. - Một số loại thực phẩm như thùng sữa, lon nước khá nặng và không cho phép công nhân bốc vác ôm vào mình vì lý do an toàn vệ sinh thực phẩm.
20 - Một số loại bao nguyên liệu dùng trong công nghiệp sản xuất thuốc bảo vệ thực vật hay phân bón có độc tính cao , cần tránh tiếp xúc trực tiếp với công nhân bốc vác hay sản xuất. Các vấn đề có tính mới cần phải giải quyết trong đề tài bao gồm: - Cấu trúc cơ khí hợp lý, độ cứng vững, độ bền đòi hỏi; - Điều khiển động cơ servo AC và hệ thống nhằm đảm bảo độ chính xác cần thiết, tốc độ và năng suất cao; - Nội địa hoá sản phẩm, hạ giá thành sản phẩm, tối thiểu hoá năng lượng sử dụng. - Phù hợp với điều kiện sản xuất và sử dụng trong nước. Việc chế tạo robot công nghiệp phục vụ sản xuất trong nước, làm chủ công nghệ là một yêu cầu cấp thiết.
Mặc dù trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu và đề tài - dự án thực hiện trong lĩnh vực robot, nhưng những nhà sản xuất robot đưa tới sản xuất còn rất ít. Việc thiết kế, chế tạo và đưa vào ứng dụng trong sản xuất robot bốc xếp hàng một mặt để phục vụ nhu cầu sản xuất, tiết kiệm ngoại tệ, mặt khác góp phần phát triển ngành chế tạo robot công nghiệp trong nước. 21 PHẦN I: THIẾT KẾ CƠ KHÍ AKB PALLETIZER ROBOT 1. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH, ĐỀ XUẤT CẤU HÌNH ROBOT BỐC XẾP HÀNG LÊN PALLET Robot bốc xếp hàng có khá nhiều loại, có thể hoạt động độc lập cho 1 băng tải hoặc liên hợp với nhiều băng tải (hình 1.1) Bốc xếp cho 1 băng tải Bốc xếp cho 2 băng tải Hình 1.1: Robot phục vụ đơn và đa băng tải Nhìn chung, robot phục vụ bốc xếp hàng cho dây chuyền sản xuất tự động phải đảm bảo các tính năng sau: - Có năng suất và tải trọng cho đơn vị bốc xếp đáp ứng được tốc độ sản phẩm lối ra của dây chuyền sản xuất.
- Mềm dẻo ứng dụng khi thay đổi sản phẩm bốc xếp, có thể lắp ráp các đầu bốc xếp khác nhau như đầu hút, đầu kẹp răng cào,…; - Phục vụ cấu hình đơn hoặc đa băng tải, làm việc với các băng tải có tốc độ khác nhau; - Kích thước gọn để tiện bố trí lắp đặt, và không ảnh hưởng đến mặt bằng sản xuất đã có; - Có độ bền cao; - Thân thiện với người sử dụng. - Giá cả hợp lý; Các đặc điểm nêu trên sẽ được phân tích khi khảo sát một số cơ cấu cơ khí của các dòng robot bốc xếp tiên tiến trên thị trường. KHẢO SÁT CÁC CƠ CẤU CƠ KHÍ HIỆN CÓ CỦA ROBOT BỐC XẾP HÀNG LÊN PALLET 1. Các cơ cấu cơ khí của robot bốc xếp Các robot bốc xếp hàng lên pallet hiện nay có năng suất bốc xếp cao từ 400 đến 900 thùng/giờ, tải trọng bốc xếp từ 100 đến 160 kg.
Đối với những sản phẩm kích cỡ nhỏ, trọng lượng nhẹ, robot có thể bốc xếp cùng lúc nhiều sản phẩm khi sử dụng những đầu kẹp, hút,… chuyên dụng. 22 Robot bốc xếp có trên thị trường không phải không có những yếu điểm, đó là: 1) Độ tin cậy hiện hữu của các ổ trục cánh tay thường bị suy giảm do đầu cuối robot luôn có xu hướng quay xuống làm cho lực tác động lên ổ trục không đều và lực thường biến đổi khi thay đổi sản phẩm bốc xếp gây sốc lên ổ trục. 2) Những thiếu xót trong đóng gói sản phẩm như dán kém, có chỗ lồi ra hoặc thùng hộp xuất ra không đều cũng gây ra khó khăn về định vị chính xác cho robot (khi không có sự hỗ trợ của camera). 3) Nhu cầu hỗ trợ kỹ thuật về lập trình và sửa chữa, hiệu chỉnh thường vượt quá khả năng của kỹ sư vận hành.
Việc tăng chi phí và sự chậm trễ hiệu chỉnh, sửa chữa làm tăng giá thành sản phẩm. Các vấn đề 2) và 3) nằm ở khâu đảm bảo kỹ thuật và tổ chức sản xuất. Trong đề tài này, vấn đề 1) cần được tập trung nghiên cứu. Robot bốc xếp với cơ cấu khớp quay Robot bốc xếp hàng - theo logic phát triển - ban đầu được tạo từ các robot 5-6 bậc tự do dạng khớp quay.
Các sản phẩm này được hỗ trợ bởi các tính toán kinh điển về động học và động lực học cho các cấu hình kinh điển. Robot bốc xếp dạng quay chủ yếu có 4 bậc tự do gồm chuyển động quay của đế, chuyển động vào ra , chuyển động nâng hạ của khớp vai và chuyển động quay của đầu cuối thao tác bốc xếp (hình 1. Robot loại này sử dụng các động cơ truyền động trực tiếp cho khớp hoặc thông qua đai truyền. Các khớp sử dụng gồm các loại: khớp quay, khớp ren (cho chuyển đổi chuyển động quay thành tịnh tiến), Robot khớp quay(Articulated) Khớp quay (Revolute Joint) Khớp ren (Helical Joint) Hình 1.2: Robot bốc xếp truyền thống và các khớp sử dụng ABB robot palletizer [4] 23 TMI robot palletizer [5] ROBOT P4 robot palletizer [6] Hình 1.3: Robot bốc xếp cấu hình kinh điển Việc chế tạo các cánh tay robot có độ bền cao, nhẹ và trục quay chất lượng tốt,… không phải vấn đề khó.
Việc chế tạo các ổ trục cho các khớp mới là vấn đề khó khăn, bởi vì đó là vị trí chịu lực ép khi robot thực hiện chu trình bốc xếp. Đối với robot xếp hàng lên pallet, độ chính xác định vị không đòi hỏi cao (~ mm), nhưng đòi hỏi năng suất cao (400 ÷ 900 chu trình/giờ) và trọng tải (dưới 100 kg) vì vậy vấn đề độ bền được đặt lên hàng đầu. Để giải quyết độ bền của các ổ trục cho các robot loại này, việc sử dụng các ổ trục có độ bền cao dường như là giải pháp duy nhất. Như đã biết, hai loại ổ trục thường sử dụng là loại ổ lăn và ổ trượt (còn gọi là bạc lót).
Ổ lăn sử dụng phổ biến nhưng ổ trượt vẫn chiếm một vai trò quan trọng do ưu điểm: dễ chế tạo, dễ thay thế, giá thành rẻ, bôi trơn dễ và dùng trong nhiều trường hợp không thể dùng ổ lăn được. Hiện nay công nghệ chế tạo đã phổ biến các sản phẩm ổ trục sử dụng cho các cần trục trọng tải lớn. Robot bốc xếp với cơ cấu cân bằng lực Một hướng nghiên cứu trong 10 năm qua nhằm tập trung tìm giải pháp khác tạo sự cân bằng nội để giàm áp lực lên các ổ trục.4 giới thiệu cấu hình robot bốc xếp ABB IRB760 với sử dụng đối trọng làm cơ cấu cân bằng nối tiếp [7, 8, 9].4: Cấu hình robot bốc xếp ABB PUMA-760 với cơ cấu cân bằng 24 Cấu hình gồm một đối trọng (balancing mass) sử dụng để cân bằng lực quán tính của chuyển động của cả robot và tải trọng. Bởi vỉ tải trọng luôn thay đổi, nói chung, sự cân bằng lực là không hoàn hảo.
Tuy nhiên khi robot chuyển động nhanh, đối trọng làm cho các lực rung của đế robot được giữ ở giới hạn nhỏ.