I. Tổng quan về tay máy phục vụ máy in giày tại ĐH SPKT TP
Ngành sản xuất giày dép tại Việt Nam đang chuyển dịch mạnh mẽ sang tự động hóa. Nhiều doanh nghiệp cần hiện đại hóa các công đoạn in ấn logo và hoa văn. Thao tác thủ công của công nhân thường thiếu tính đồng nhất. Tốc độ thao tác tay khó đáp ứng các đơn hàng lớn. Đề tài tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM giải quyết trực tiếp thách thức này. Nhóm sinh viên dưới sự hướng dẫn của GVC.ThS Tưởng Phước Thọ đã nghiên cứu chế tạo mô hình tay máy chuyên dụng. Hệ thống hỗ trợ nạp phôi và định vị chính xác chiếc giày trong buồng in. Robot sở hữu kết cấu ba bậc tự do gọn nhẹ. Tầm với hoạt động đạt 300 mm cùng tải trọng nâng 1 kg. Thiết bị mô phỏng hoàn chỉnh chuỗi động tác khéo léo của người thợ. Đề tài mở ra hướng tiếp cận cơ điện tử thực tiễn cho các xưởng gia công giày quy mô vừa và nhỏ.
1.1. Bối cảnh tự động hóa ngành sản xuất giày
Ngành công nghiệp da giày đóng góp tỷ trọng xuất khẩu lớn trong nền kinh tế. Tuy nhiên, nhiều công đoạn vẫn phụ thuộc nặng nề vào sức người. Quy trình in nhãn hiệu và họa tiết yêu cầu thao tác lặp lại liên tục. Người lao động đối mặt nguy cơ mệt mỏi và sai lệch vị trí in. Môi trường xưởng in tiềm ẩn hóa chất bay hơi từ mực in độc hại. Tự động hóa khâu gá đặt giày trở thành nhu cầu cấp bách. Việc áp dụng cánh tay robot chuyên dụng giúp giảm thiểu chi phí nhân công. Đồng thời, độ chuẩn xác của vị trí in được duy trì đồng đều qua từng chu kỳ. Nghiên cứu công nghệ tự động hóa vì thế mang ý nghĩa chiến lược sâu sắc.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu đồ án tốt nghiệp tại HCMUTE
Nhóm nghiên cứu tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đặt mục tiêu chế tạo hệ thống hoàn chỉnh. Tay máy cần đạt bán kính làm việc 300 mm để bao quát bàn in. Tải trọng yêu cầu tối thiểu 1 kg nhằm nâng đỡ phôi giày ổn định. Robot tích hợp ba bậc tự do gồm một trục tịnh tiến và hai khớp xoay linh hoạt. Nhóm thực hiện đầy đủ các bước từ tính toán động học đến gia công cơ khí. Chương trình điều khiển được lập trình bám sát quy trình in thực tế tại doanh nghiệp. Sản phẩm đầu ra gồm mô hình máy thực nghiệm, tập bản vẽ kỹ thuật và báo cáo chuyên môn. Nghiên cứu chứng minh năng lực chế tạo thiết bị nội địa hiệu quả.
II. Phân tích thực trạng và bài toán tay máy phục vụ máy in giày
Quy trình in giày truyền thống đòi hỏi công nhân xoay trở phôi giày qua nhiều góc độ khác nhau. Bề mặt in phân bố ở mặt ngoài, mặt trong và mũi giày. Mỗi góc in yêu cầu điều chỉnh độ nghiêng chính xác để đầu in tiếp xúc vuông góc. Thao tác thủ công dễ dẫn đến hiện tượng lem mực hoặc lệch hoa văn. Năng suất lao động biến động theo thể lực của công nhân trong ca làm việc. Ngoài ra, việc thiết kế cánh tay robot phục vụ máy in gặp nhiều trở ngại kỹ thuật. Robot công nghiệp đa năng nhập khẩu có giá thành quá đắt đỏ so với xưởng nhỏ. Kích thước robot lớn cũng chiếm nhiều không gian làm việc quanh máy in. Việc thiết kế một cơ cấu chuyên dụng đòi hỏi giải quyết bài toán không gian hẹp. Cơ cấu cơ khí phải đủ cứng vững để tránh rung lắc trong lúc đầu in ép lực lên phôi. Đồng thời, chuyển động của các trục cần phối hợp nhịp nhàng nhằm tránh va chạm với bàn in.
2.1. Hạn chế của các phương án dẫn động khí nén
Quá trình khảo sát ban đầu xem xét việc dùng xi lanh khí nén để đổi góc nghiêng giày. Cơ cấu khí nén có ưu điểm là lực đẩy khỏe và giá thành rẻ. Tuy nhiên, hành trình xi lanh chỉ cố định ở hai điểm đầu cuối. Góc nghiêng của phôi giày không thể điều chỉnh linh hoạt theo biên dạng từng cỡ giày. Chuyển động khí nén khó đồng bộ mượt mà với khớp xoay và trục nâng hạ. Khi vận hành, áp suất khí biến thiên làm giảm độ ổn định vị trí gá đặt. Hệ thống còn đòi hỏi lắp thêm đường ống cấp khí nén cồng kềnh trong xưởng. Do đó, phương án khí nén không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật khắt khe.
2.2. Nhược điểm của cơ cấu tạo góc nghiêng bằng điểm tựa
Nhóm tác giả cũng thử nghiệm phương án tạo góc nghiêng phôi bằng điểm tựa cơ khí. Cách tiếp cận này loại bỏ được xi lanh khí nén phức tạp. Cơ cấu tận dụng phản lực tiếp xúc để đẩy thân giày nghiêng theo hướng mong muốn. Tuy vậy, điểm tựa cơ học chỉ cố định ở một vị trí cục bộ trên khung. Biên độ xoay góc nghiêng bị giới hạn nghiêm trọng và không thể thay đổi thông số tự do. Khi tịnh tiến nâng hạ, thân máy thường xuyên xảy ra va quẹt với bàn máy in. Vấn đề kẹt cơ khí làm gián đoạn chu kỳ in liên tục. Việc không thể kiểm soát góc xoay độc lập dẫn đến nguy cơ sai số lớn.
III. Giải pháp thiết kế cơ điện tử cho tay máy phục vụ máy in giày
Để khắc phục nhược điểm của các phương án cũ, nhóm tác giả chọn cấu trúc tối ưu. Thiết kế cuối cùng sở hữu ba bậc tự do điều khiển độc lập bằng động cơ. Khớp tịnh tiến thẳng đứng sử dụng bộ truyền trục vít me đai ốc bi chính xác. Khớp quay chân đế và khớp quay cổ tay sử dụng động cơ bước kết hợp bộ giảm tốc. Hệ thống truyền động điện cho phép kiểm soát vị trí với độ phân giải cao. Khâu kẹp giữ phôi giày tích hợp cơ cấu ngàm kẹp chuyên dụng, giữ chặt phôi trong suốt chu kỳ in. Mạch điều khiển trung tâm xử lý tín hiệu xung và điều hướng các trục chuyển động mượt mà. Nhóm nghiên cứu tiến hành giải bài toán động học thuận và động học nghịch chi tiết. Thuật toán điều khiển tính toán quỹ đạo di chuyển tối ưu nhằm rút ngắn thời gian in. Khung máy được gia công từ hợp kim nhôm định hình và thép cường độ cao, đảm bảo độ cứng vững khi máy in tác dụng lực ép.
3.1. Cấu tạo cơ khí và động học tay máy 3 bậc tự do
Mô hình cơ khí gồm trục Z tịnh tiến dọc kết hợp hai khớp quay R1 và R2. Khớp Z chịu trách nhiệm nâng hạ phôi giày tiếp cận cụm đầu in pad. Khớp quay R1 xoay quanh trục thẳng đứng giúp chuyển đổi giữa các mặt in hông và mũi. Khớp R2 thay đổi góc dốc nghiêng để bề mặt in luôn vuông góc với khuôn in. Phương pháp Denavit-Hartenberg được ứng dụng để thiết lập ma trận chuyển đổi tọa độ. Ma trận Jacobi xác định mối quan hệ giữa vận tốc góc khớp và vận tốc bàn kẹp. Cấu trúc cơ học được tính toán triệt tiêu hiện tượng rơ lắc và biến dạng uốn.
3.2. Hệ thống điều khiển và lập trình chu trình in
Bộ điều khiển trung tâm kết nối trực tiếp với các driver công suất điều khiển động cơ. Cảm biến hành trình quang học được lắp đặt ở từng trục để định vị gốc chuẩn máy. Giao diện điều khiển cho phép người vận hành thiết lập thông số tọa độ từng mã giày. Nhóm phát triển thuật toán đồng bộ thời gian thực giữa tay máy và chu kỳ dập in. Tín hiệu bắt tay đảm bảo đầu in chỉ hạ xuống khi tay máy đã giữ phôi ổn định. Hệ thống tích hợp nút dừng khẩn cấp và bảo vệ quá tải dòng điện. Chương trình vận hành mượt mà, hạn chế giật cục khi tăng giảm tốc.
IV. Ứng dụng thực tiễn của đề tài tay máy phục vụ máy in giày
Đề tài thiết kế và chế tạo tay máy phục vụ máy in giày đạt kết quả xuất sắc. Mô hình thực nghiệm vận hành chính xác theo đúng chu trình công nghệ in giày mẫu. Hệ thống hoàn thành đầy đủ các thao tác xoay ba mặt, nâng hạ và định vị phôi. Tốc độ chu kỳ in nhanh gấp hai lần so với thao tác thủ công của người thợ. Sai số định vị lặp lại duy trì ở mức dưới 0.2 mm, đảm bảo mực in sắc nét. Kết quả này khẳng định tính khả thi của giải pháp cơ điện tử tự chế tạo trong nước. Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh gồm bản vẽ chế tạo và chương trình điều khiển. Các xưởng sản xuất giày vừa và nhỏ có thể ứng dụng thiết kế này để nâng cấp dây chuyền. Chi phí đầu tư thấp hơn đáng kể so với việc mua sắm cánh tay robot công nghiệp ngoại nhập. Đề tài cũng đóng góp nền tảng học thuật giá trị cho sinh viên ngành Cơ điện tử tại HCMUTE.
4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong sản xuất
Ứng dụng cánh tay máy vào máy in giày mang lại lợi thế kinh tế rõ rệt. Năng suất xưởng in tăng trưởng vượt bậc nhờ cắt giảm thời gian chết giữa các nhịp in. Tỷ lệ sản phẩm in hỏng do lệch góc dập giảm thiểu đáng kể so với thao tác tay. Doanh nghiệp tiết kiệm được ngân sách thuê nhân công vận hành trong môi trường độc hại. Chi phí gia công linh kiện cơ khí nội địa giúp thời gian thu hồi vốn rút ngắn dưới một năm. Hơn nữa, tay máy dễ dàng bảo trì và thay thế phụ tùng nhờ thiết kế module hóa chuẩn mực.
4.2. Tiềm năng phát triển và tích hợp thị giác máy tính
Mô hình hiện tại tạo tiền đề vững chắc cho các nghiên cứu cải tiến tiếp theo. Hướng phát triển ưu tiên là tích hợp camera thị giác máy tính vào cụm đầu gắp. Công nghệ xử lý ảnh sẽ tự động nhận diện kích thước và tọa độ hoa văn trên phôi giày. Tay máy có thể tự động bù trừ sai lệch vị trí phôi mà không cần căn chỉnh cơ khí. Việc ứng dụng mạng nơ-ron còn giúp phát hiện lỗi khuyết tật bề mặt in ngay trong chu kỳ máy. Nâng cấp này sẽ biến hệ thống thành trạm in thông minh chuẩn Công nghiệp 4.0.
