Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế tay máy SCARA cho các ứng dụng công nghiệp

Tìm hiểu toàn bộ quy trình thiết kế và chế tạo tay máy SCARA ứng dụng công nghiệp, bao gồm bản vẽ 3D, tính toán động học và lập trình điều khiển.

• Tác giả: Nguyễn Minh Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Quốc Thiện
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Tay Máy SCARA: Thiết Kế & Ứng Dụng Trong Công Nghiệp
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về tay máy SCARA và sự phát triển trong công nghiệp

Tay máy SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) là một loại robot công nghiệp được thiết kế với cấu trúc độc đáo, gồm hai khớp xoay song song ở phía trên và một khớp tuyến tính ở phía dưới. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp hiện đại, robot SCARA đã trở thành một giải pháp không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa. Loại robot này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao, tốc độ thao tác nhanh và khả năng lặp lại ổn định. Thiết kế tay máy SCARA cho phép nó hoạt động hiệu quả trong không gian làm việc hạn chế, đặc biệt phù hợp với các tác vụ nắp thả, lắp ráp, và xếp chồng sản phẩm.

1.1. Lịch sử phát triển của robot công nghiệp

Robot công nghiệp bắt đầu xuất hiện vào những năm 1960 với những cánh tay máy cơ bản. Tay máy SCARA được phát triển vào năm 1981 bởi Hiroji Makino tại Đại học Yamanashi, Nhật Bản. Thiết kế này nhanh chóng được các nhà sản xuất công nghiệp chấp nhận do tính hiệu quả và chi phí hợp lý. Ngày nay, robot SCARA là một trong những loại robot được sử dụng nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất toàn cầu, đặc biệt trong ngành điện tử, thực phẩm và dệt may.

1.2. Phân loại robot công nghiệp hiện đại

Robot công nghiệp được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên cấu trúc và ứng dụng: robot Cartesian (tọa độ vuông góc), robot SCARA, robot khớp 6 trục, và robot Delta. Trong đó, tay máy SCARA nổi bật với cấu trúc 4 bậc tự do, cho phép chuyển động nhanh và chính xác. Mỗi loại robot được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của các ngành công nghiệp khác nhau, từ sản xuất nhẹ đến sản xuất nặng.

II. Thiết kế cơ khí và các thành phần chính của tay máy SCARA

Thiết kế tay máy SCARA bao gồm các thành phần chính như: khớp quay thứ nhất, khớp quay thứ hai, khớp tuyến tính (trục Z), và bộ gắp. Cấu trúc này cho phép robot SCARA thực hiện các chuyển động trong mặt phẳng ngang với độ chính xác cao, đồng thời có khả năng điều chỉnh độ cao. Phần cứng tay máy SCARA được xây dựng từ các vật liệu nhôm và thép không gỉ, đảm bảo độ bền và giảm khối lượng. Hệ thống truyền động sử dụng động cơ servo DC hoặc động cơ bước, được kết hợp với hộp giảm tốc để tăng mô-men xoắn. Bộ gắp có thể được lắp đặt linh hoạt tùy theo yêu cầu ứng dụng cụ thể, từ bộ gắp hình móng vuông đến các loại bộ gắp chuyên dụng.

2.1. Cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động

Tay máy SCARA hoạt động dựa trên hệ thống tọa độ trụ với hai khớp xoay nằm ngang. Khớp thứ nhất điều khiển phần cánh tay trên, khớp thứ hai điều khiển phần cánh tay dưới, còn khớp tuyến tính điều khiển độ cao. Thiết kế cơ khí này cho phép robot di chuyển nhanh chóng trong mặt phẳng ngang, đồng thời duy trì độ cứng cao khi thực hiện các tác vụ có yêu cầu lực.

2.2. Hệ thống truyền động và điều khiển

Hệ thống truyền động tay máy SCARA sử dụng động cơ servo để cung cấp sức mạnh và kiểm soát chính xác. Các động cơ được lắp đặt tại các khớp xoay, được điều khiển bởi các tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển Arduino. Bộ mã hóa (encoder) được sử dụng để phản hồi vị trí thực tế của robot, cho phép hệ thống điều khiển kín để đạt độ chính xác cao.

III. Ứng dụng thực tiễn của tay máy SCARA trong các ngành công nghiệp

Tay máy SCARA được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp nhất là các ngành yêu cầu tốc độ cao và độ chính xác. Trong ngành công nghiệp điện tử, robot SCARA được sử dụng để lắp ráp linh kiện, kiểm tra chất lượng, và đóng gói sản phẩm. Ngành thực phẩm và đồ uống sử dụng tay máy SCARA để phân loại, xếp chồng, và đóng gói các sản phẩm với hiệu quả cao. Trong ngành sản xuất ô tô, robot này được dùng cho các tác vụ lắp ráp nhỏ, xử lý sơ chế, và kiểm tra. Ứng dụng tay máy SCARA cũng mở rộng đến ngành dệt may, công nghiệp hóa chất, và sản xuất dược phẩm, nơi nó giúp nâng cao năng suất, giảm sai sót, và cải thiện điều kiện làm việc.

3.1. Ứng dụng trong ngành điện tử và công nghiệp nhẹ

Robot SCARA trong ngành điện tử thực hiện các tác vụ như: sắp xếp linh kiện, lắp ráp bảng mạch điện tử, kiểm tra sản phẩm. Tốc độ cao và độ chính xác của tay máy SCARA giúp đáp ứng các yêu cầu khắt khe của sản xuất hiện đại. Ứng dụng robot SCARA trong công nghiệp nhẹ đã chứng minh khả năng cải thiện sản lượng lên 300% so với thao tác thủ công.

3.2. Ứng dụng trong ngành thực phẩm dược phẩm và ô tô

Trong ngành thực phẩm, tay máy SCARA được sử dụng để xếp chồng, phân loại sản phẩm, và đóng gói. Robot SCARA trong ngành dược phẩm đảm bảo độ vệ sinh cao và độ chính xác trong việc xử lý các sản phẩm nhạy cảm. Ứng dụng tay máy SCARA trong ô tô giúp tăng tốc độ lắp ráp và giảm chi phí sản xuất đáng kể.

IV. Những thách thức và hướng phát triển tương lai của tay máy SCARA

Mặc dù tay máy SCARA có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cần giải quyết. Thiết kế tay máy SCARA hiện tại bị giới hạn bởi không gian làm việc hạn chế và khả năng xử lý tải trọng trung bình. Trong tương lai, ứng dụng robot SCARA sẽ tập trung vào việc nâng cao độ linh hoạt thông qua các thuật toán nội suy nâng cao và tối ưu hóa phần cơ khí. Công nghệ tay máy SCARA sẽ kết hợp với trí tuệ nhân tạo và machine learning để tăng khả năng tự thích ứng với các tác vụ khác nhau. Ngoài ra, nghiên cứu về động lực học robot SCARA sẽ cải thiện tính ổn định và chính xác của hệ thống. Phát triển tay máy SCARA cũng hướng tới việc giảm chi phí sản xuất, tăng tuổi thọ thiết bị, và phát triển các phiên bản collaborative robot an toàn cho con người.

4.1. Các giới hạn hiện tại của tay máy SCARA

Thiết kế tay máy SCARA hiện tại còn hạn chế trong việc điều chỉnh độ dốc của bộ công cụ. Robot SCARA có không gian làm việc hình tròn hạn chế, và khó khăn trong việc nâng những vật nặng. Ngoài ra, công nghệ tay máy SCARA cần phải cải thiện tính linh hoạt và khả năng tương tác với các hệ thống khác.

4.2. Hướng phát triển và cải tiến trong tương lai

Phát triển tay máy SCARA tương lai sẽ tập trung vào các kỹ thuật điều khiển tiên tiến, tích hợp cảm biến thông minh, và phát triển các phiên bản collaborative. Ứng dụng robot SCARA với AI sẽ cho phép hệ thống tự học từ kinh nghiệm. Nghiên cứu tay máy SCARA cũng sẽ mở rộng sang các lĩnh vực mới như phục vụ, chăm sóc sức khỏe, và khảo sát môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài. Chương này giới thiệu tổng quát về đề tài, ứng dụng, phạm vi giới hạn đề tài và phân bổ thời gian làm đề tài. Chương 2: Tổng quan giải pháp. Chương này giúp chúng em tìm hiểu được các mô hình đã có thực tế và được đưa vào hoạt động và tìm ra điểm mạnh và yếu của từng mô hình, và so sánh các mô hình đó trên nhiều khía cạnh khác nhau.

Chương 3: Quy trình thiết kế phần cứng phần mềm. Chương này là quá trình tính chọn phần cứng và thiết bị điều khiển, đồng thời xây dựng giao diện điều khiển Chương 4: Thi công mô hình và thực nghiệm. Chương này thi công, lắp ráp phần cơ khí sau đó phân tích đánh giá kết quả đạt được Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 1.8 Thời gian thực hiện đề tài Bảng 1. 1: Thời gian thực hiện đề tài Khối lượng Tuần/Ngày GVHD ký Đã thực hiện Tiếp tục thực hiện Tuần 1 Đăng ký đề tài với Tìm hiểu hướng thực (21/03 - 03/04) giảng viên hiện đề tài Tuần 2 Tìm hiểu về hệ thống Tìm hiểu các cách Robot Scara giao tiếp Arduino với (04/04 - 01/05) máy tính Tuần 3 Tìm hiểu và lựa chọn Nghiên cứu phần phần mềm thích hợp mềm Processing (02/05 - 08/05) sử dụng cho đồ án Tìm hiểu về cách Tính toán và chọn các Tuần 4 điều khiển nhiều loại thiết bị phù hợp (09/05 - 15/05) động cơ bằng sử dụng cho mô hình Arduino Tuần 5 Tính toán và lựa chọn Nghiên cứu viết giao thiết bị diện điều khiển (16/05 - 30/05) 3 Tuần 6 Thiết kế và mua thiết Tiếp tục thi công mô bị để thi công hình (23/05 - 29/05) Tuần 7 Thi công mô hình Tiếp tục hoàn thiện mô hình (30/05 - 05/06) Kiểm tra giữa Đánh giá khối lượng hoàn thành…….% kỳ được tiếp tục/không tiếp tục thực hiện ĐATN Tuần 8 Hoàn thiện mô hình Tiếp tục hoàn thiện và viết chương trình mô hình và lập trình (06/06 - 12/06) điều khiển điều khiển Tuần 9 Thiết kế giao diện Tiếp tục hoàn thiện điều khiển giao diện điều khiển (13/06 - 19/06) Tuần 10 Tiến hành thực Tiếp tục canh chỉnh nghiệm chạy thử hệ chương trình để hệ (20/06 - 26/06) thống thống chạy ổn định Tuần 11 Kết nối các phần Tiếp tục canh chỉnh mềm và canh chỉnh và sửa lỗi hệ thống (27/06 - 03/07) hệ thống Tuần 12 Canh chỉnh hoàn Tiếp tục viết báo cáo thành hệ thống và và hoàn thành mô (04/07 - 10/07) Viết báo cáo hình Tuần 13 Viết báo cáo Tiếp tục hoàn thành báo cáo (11/07 - 17/07) Tuần 14 Hoàn thiện mô hình Hoàn thành báo cáo và báo cáo (18/07 - 24/07) Nộp Đồ án Đã hoàn thành…….% Đồ án tổng hợp tổng hợp được bảo vệ/không được bảo vệ ĐATN 4 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Tổng quan về các hệ thống Scara trong công nghiệp 2.1 Sơ lược về quá trình phát triển của Robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” đã được sử dụng lần đầu tiên bởi Karel Capek trong vở kịch của ông Rosum’s Universal Robots được xuất bản vào năm 1921.

Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về việc sáng chế các cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động của con người. Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) và các máy công cụ điều khiển số (NC-Numerially Controled Machine Tool). Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ trong các viện nghiên cứu nguyên tử lực. Đó là những cơ cấu mô phỏng sinh học bao gồm những khâu khớp và các dây chằng gắn liền với hệ điều hành đó chính là cánh tay của người, thao tác thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí.

Cụ thể, nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong và hai tay cầm ở bên ngoài. Cả hai bộ phận đó là tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các chuyển động theo vị trí và hướng tùy ý cho tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu này dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm. Chính vì vậy, mặc dù người thao tác được tách biệt khỏi khu vực thao tác bởi một bức tường vẫn có thể nhìn thấy và thực hiện thao tác ở bên trong một cách bình thường.

Vào khoảng năm 1949 các máy công cụ điều khiển số ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu gia công chế tạo các chi tiết ngành máy bay. Những robot đầu tiên thực chất là sự kết nối giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Đầu thập kỷ 1960, công ty Mỹ AMF (America Machine and 5 Foundry Company) cho ra đời robot công nghiệp được đặt tên là Versatran, do Hary Johnson và Veljko Milenkovic thiết kế. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Standford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến.

Năm 1974 công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot TTT (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Robot này có thể nâng được vật có khối lượng lên đến 45kg. Những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng do đó giá thành để sản xuất một con robot giảm đi rõ rệt cho nên số lượng robot ngày càng tăng, bên cạnh đó tính năng có những bước tiến mới. Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động…Định nghĩa về robot công nghiệp do Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất được sử dụng rộng rãi: “RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác.” Ngoài ra RBCN có chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất : “RBCN là tay máy tự động được đặt cố định hay di động bao gồm thiết bị dang thừa hành tay máy có một sô bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.” Chức năng vận động bao gồm các hoạt động “cơ bắp” như vận chuyển, định hướng, xếp đặt, giá kẹp, lắp ráp… đối tượng.

Chức năng điều khiển ám chỉ vai trò của robot như một phương tiện điều hành sản xuất, như cung cấp dịch vụ và vật liệu, phân loại và phân phối sản phầm, duy trì sản xuất và thậm chí điều khiển các thiết bị liên quan.Với các đặc điểm có thể lập trình lại, RBCN là thiết bị tự động hóa khả trình và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất 6 2.2 Phân loại Robot • Phân loại theo kết cấu - Tay máy kiểu tọa độ Descarte Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T. Trường công tác có dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn rong mặt phẳng…. 1: Robot kiểu tọa độ Đề Các (Nguồn: Internet) - Tay máy kiểu tọa độ trụ: Hình 2.

2: Robot kiểu tọa độ trục (Nguồn: Internet) 7 Khác với kiểu tay máy Descartes ở khớp đầu tiên, dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy thò được vào trong khoảng nằm ngang. Độ cứng của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.

- Tay máy kiểu tọa độ cầu: Khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là một khối trụ rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn.

3: Robot kiểu tọa độ cầu (Nguồn: Internet) - Tay máy SCARA: Hình 2. 4: Robot SCARA (Nguồn: Internet) 8 Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản) dùng cho công việc lắp ráp. Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo phương được chọn, là phương ngang.

Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective Compliance Articulated Robot Actuato” để mô tả các đặc điểm trên. Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng. - Tay máy kiểu tay người Tất cả các khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia.

Do sự tương tự giữa tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder joint), khớp thứ ba là khớp khủy (Elbow joint), nối cẳng tay với khủy tay. Tay máy làm việc rất khéo léo. Nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của vùng làm việc. 5: Tay máy kiểu tay người (Nguồn: Internet) Toàn bộ kết cấu ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác.

Muốn định vị nó, cần bổ sung cổ tay. Muốn định hướng tùy ý phần công tác, cổtay phải có ít nhất ba chuyển động quay quanh ba trục vuông góc với nhau. 9 • Phân loại theo điều khiển Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín. - Điều khiển hở: Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển.

Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp.