Đặt vấn đề Trong thời đại công nghiệp hóa – hiện đại hóa như hiện nay, việc tự động hóa các quy trình sản xuất là điều rất cần thiết cho mỗi công ty hay xí nghiệp, đặc biệt là tự động hóa trong ngành công nghiệp thực phẩm. Để thực hiện được yêu cầu đó đòi hỏi phải có sự tham gia của những máy móc hiện đại, cụ thể là các robot. Cùng với cuộc sống ngày càng hiện đại, được nâng cấp như hiện nay, nhu cầu của con người về sự hoàn thiện, sự đẹp mắt trong các sản phẩm của ngành công nghiệp thực phẩm ngày càng cao hơn. Những chiếc bánh kem được trang trí tỉ mỉ, đẹp mắt là điều không thể thiếu trong những sự kiện như tiệc sinh nhật, ngày lễ đám cưới, hay tiệc ăn mừng một lễ kỷ niệm,… Và để có thể đáp ứng được nhu cầu trên thì trên thị trường hiện nay có một số loại robot nối tiếp hay song song, cụ thể như Robot Scara, Robot Delta.
Nhưng với dạng Robot nối tiếp là Scara thường được ứng dụng vào việc gắp đặt vật liệu ở các dây chuyền sản xuất hay dùng cho việc hàn xì trong các xưởng cơ khí chế tạo, bởi nguyên lí hoạt động của nó giống như cánh tay của con người với các chuyển động cơ bản, cổ tay có chức năng tạo nên sự khéo léo, linh hoạt, bàn tay sẽ trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng cần tác động. Nhưng bên cạnh những ưu điểm đó thì Robot Scara cũng có không ít nhược điểm như việc nó được cố định bởi trục Z, điều này khiến nó chỉ có thể chuyển động phần cánh tay, còn phần gốc bị cố định, nó còn có cấu trúc khá lớn nên tổng trọng lượng của nó lớn, nặng nề, dẫn đến khó di chuyển trong môi trường làm việc. Còn với dạng Robot song song là Delta, qua quá trình tìm hiểu và biết được Delta với những đặc tính nổi trội như: trọng lượng tổng thể nhỏ, dễ di chuyển đến mọi nơi trong môi trường làm việc, có thể thực hiện các thao tác phức tạp với độ chính xác cao, … có thể áp dụng vào quá trình sản xuất bánh kem hàng loạt với khâu trang trí trên bề mặt bánh kem. Chính vì thế mà chúng tôi đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu và chế tạo Robot Delta ứng dụng trong trang trí bánh kem”.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ngoài những ứng dụng nổi trội của Delta robot trong ngành sản xuất ô tô, dược phẩm, hay đóng gói sản phẩm bao bì trong ngành công nghiệp thực phẩm, … thì việc nghiên cứu và ứng dụng Robot Delta vào công đoạn trang trí bánh kem cũng giúp tăng sự đa dạng, tính chính xác, từ đó giúp ích không nhỏ vào việc nâng cao hiệu suất tự động hóa trong dây truyền sản xuất.
1 Với khả năng di chuyển nhanh, tính linh hoạt cùng độ chính xác cao của Robot Delta, do đó khi ứng dụng vào dây chuyền tự động sẽ giúp đồng nhất trong từng chi tiết trang trí, tạo ra những sản phẩm đẹp mắt, đồng thời giảm chi phí nhân công, giúp nâng cao năng suất sản xuất.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu các yêu cầu kỹ thuật và tính năng cần thiết cho Robot Delta ứng dụng trong trang trí bánh kem. Thiết kế cấu trúc cơ học bao gồm ba cặp cánh tay song song và 2 bệ tam giác. Lựa chọn các vật liệu và linh kiện phù hợp để đảm bảo độ chính xác, độ bền và tính an toàn trong môi trường thực phẩm. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển Robot Delta và lập trình các thuật toán điều khiển chính xác và linh hoạt.
Tối ưu hóa thuật toán để có thể thực hiện các phép chuyển động phức tạp và trang trí chi tiết trên bề mặt bánh kem. Xây dựng giao diện HMI để người điều khiển có thể tương tác và điều chỉnh các thao tác trang trí theo ý muốn. Thực hiện các thử nghiệm và kiểm tra để đánh giá hiệu suất và độ chính xác của Robot Delta trong việc trang trí bánh kem. Hiệu chỉnh các thông số và điều khiển để đạt được kết quả tối ưu về chất lượng và năng suất trong quá trình trang trí.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng chính trong nghiên cứu này là Robot Delta, được thiết kế và chế tạo đặc biệt để thực hiện nhiệm vụ trang trí bánh kem.
Điều khiển và lập trình Robot Delta sẽ cũng là một phần nghiên cứu quan trọng, nhằm đảm bảo các phép chuyển động chính xác và linh hoạt để thực hiện các công việc trang trí phức tạp trên bề mặt bánh. Thiết kế và chế tạo cơ cấu cấp kem cũng như thành phần loại kem với mục đích cung cấp kem cho phần trang trí bánh kem bên cạnh yêu cầu về độ mịn, độ kết dính của kem.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc thiết kế và xây dựng Robot Delta dựa trên yêu cầu kỹ thuật và tính năng cụ thể cho ứng dụng trang trí bánh kem. Nghiên cứu sẽ phát triển các thuật toán điều khiển và lập trình để Robot Delta có thể thực hiện các phép chuyển động trang trí đa dạng và phức tạp. 2 Thử nghiệm và kiểm tra sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu suất và độ chính xác của Robot Delta trong việc trang trí bánh kem.
Đánh giá ứng dụng của Robot Delta sẽ tập trung vào việc so sánh kết quả trang trí bằng robot delta với các phương pháp truyền thống, nhằm đánh giá hiệu quả và độ chính xác của hệ thống robot trong ứng dụng cụ thể này.5 Phương pháp nghiên cứu 1.1 Cơ sở phương pháp luận Xác định cấu trúc và không gian làm việc của bệ di động gắn với đầu công tác để phù hợp với yêu cầu trang trí bề mặt bánh kem.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể Nghiên cứu thiết kế cơ cấu máy song song với độ cứng vững dưới tác động của hệ lực ở đầu công tác. Mô phỏng các kết quả tính toán bài động lực học thuận, nghịch để biết được không gian làm việc, thông qua đó để làm cơ sở cho việc chế tạo kết cấu cho toàn bộ máy. Nghiên cứu và lựa chọn phương pháp tối ưu truyền động cho toàn bộ máy. Nghiên cứu thiết lập bộ điều khiển cho robot song song, chú trọng đến độ chính xác và tốc độ xử lý.
Chạy thực nghiệm với các chức năng của máy, đưa ra đánh giá, sửa chữa, cuối cùng là hoàn thiện đề tài nghiên cứu và viết báo cáo tổng hợp toàn bộ quá trình thực hiện.6 Giới hạn đề tài Nghiên cứu sẽ tập trung vào ứng dụng robot delta trong việc trang trí bánh kem và không đi sâu vào các ứng dụng khác của Robot Deltatrong ngành công nghiệp thực phẩm. Giới hạn về số loại và độ phức tạp của các mẫu bánh kem trong quá trình thử nghiệm và đánh giá. Số lượng bánh được trang trí là 2 – 3 bánh/ 1 phút. Nghiên cứu sẽ không đi sâu vào việc kinh doanh hoặc thị trường của Robot Deltatrong ngành công nghiệp thực phẩm.
3 Qua việc nghiên cứu và phân tích chặt chẽ các khía cạnh trên, đề tài này nhằm cung cấp giải pháp và ứng dụng thực tế cho việc sử dụng Robot Deltatrong việc trang trí bánh kem, hứa hẹn cải thiện quy trình sản xuất và chất lượng của ngành công nghiệp thực phẩm.7 Kết cấu ĐATN ĐATN được chia thành sáu chương với cấu trúc như sau: Chương 1: Trình bày lý do chọn đề tài cũng như đưa ra những mục tiêu hay phạm vi nghiên cứu cho luận án. Chương 2: Trình bày tổng quan robot nói chung và Robot Delta nói riêng, khảo sát tình hình nghiên cứu, chế tạo về Delta trong và ngoài nước, tìm hiểu 1 số loại biến thể của Robot Delta. Chương 3: Trình bày tổng quát về các bài toán động lực học thuận, động lực học nghịch, khái quát một số thiết bị và chức năng của nó trong trong việc chế tạo và điều khiển robot. Chương 4: Trình bày những phương án thiết kế, đưa ra những ưu nhược điểm cho từng phương án, và đi đến lựa chọn phương án tối ưu cho thiết kế robot.
Chương 5: Trình bày những tính toán trong việc lựa chọn động cơ, hay cơ cấu thực hiện công tác. Thiết kế mô hình, gia công các chi tiết trong robot. Chương 6: Trình bày kết quả sau quá trình chạy thực nghiệm và đưa ra những đánh giá hoặc giải quyết những tồn động còn lại của cơ cấu. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Kết cấu của Robot Delta Robot Delta (còn được gọi là robot nhện) là một loại robot song song với sự liên kết của nhiều chuỗi động học để kết nối giữa bộ phận cố định với bộ phận đầu cuối.
Ý tưởng cốt lõi được sử dụng trong Robot Delta là cơ cấu hình bình hành. Với cơ cấu này sẽ tạo được sự ổn định, giữ nguyên hướng cho bộ phận đầu cuối, là việc chuyển động của bộ phận đầu cuối sẽ không bị quay mà chỉ chuyển động tịnh tiến theo hướng X, Y hoặc Z. Cơ cấu bao gồm ba chân robot liên kết với hai bệ. Một trong hai bệ sẽ đóng vai trò là bệ cố định, bệ còn lại sẽ đảm nhiệm là bệ di động.
Với mỗi chân robot bao gồm 2 phần là một thanh chân trên và hai thanh chân dưới. Cụ thể: Bệ cố định của Delta được đặt phía trên cùng so với không gian làm việc, là nơi mà các cơ cấu chấp hành được gắn vào. Dưới bệ cố định là ba cánh tay trên được gắn vào thông qua các khớp quay, đầu còn lại của các cánh tay trên sẽ được nối với các cánh tay dưới có kích thước dài hơn, đầu phía dưới của các cánh tay dưới sẽ được kết nối với bộ phận đầu cuối (là nơi gắn đầu công tác). Sự chuyển động được tạo ra từ các khớp quay truyền qua các cánh tay này sẽ làm cho bộ phận đầu cuối di chuyển theo hướng X, Y hoặc Z.
1: Bệ cố định 2: Khớp nối 3: Cánh tay trên 4: Cánh tay dưới 5: Bệ di động Hình 2. 1: Kết cấu Robot Delta 5 2.2 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2.1 Các nghiên cứu ngoài nước Robot Delta được nghiên cứu chế tạo và phát triển bởi một nhóm nghiên cứu do giáo sư Reymond Clavel dẫn đầu vào đầu những năm 1980. Với việc sáng tạo ra cơ cấu song song ba bậc tự do, Robot Delta đã được đánh giá là một trong những thiết kế robot song song thành công nhất so với các robot khác đang hoạt động bấy giờ. Ý tưởng của căn bản của cơ cấu là sử dụng các hình bình hành.