Phân tích và đề xuất một số giải pháp nhằm tăng cường công tác quản lý ngân sách xã trên địa bàn huyện lâm thao tỉnh phú thọ 271683
- 88 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
MA ĐỨC HẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
MA ĐỨC HẢI
CHUYÊN NGÀNH:QUẢN TRỊ KINH DOANH
PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NHẰM
TĂNG CƯỜNG CÔNG TÁC QUẢN LÝ NGÂN SÁCH XÃ
TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN LÂM THAO TỈNH PHÚ THỌ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: QUẢN TRỊ KINH DOANH
KHOÁ: 2010
Hà Nội – 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện
đang sử dụng và các công trình đã được công bố (ngoại trừ các bảng biểu số liệu
tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu được
phép sử dụng).
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.
Hà Nội, tháng 3 năm 2013
Tác giả
Bùi Khắc Khánh
2
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ..................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2
DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU .....................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU .............................................................7
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................9
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ..........................................11
1.1. Sự ra đời của Robot công nghiệp .......................................................................11
1.2. Ứng dụng của Robot công nghiệp : ...................................................................13
1.3. Tính cần thiết của việc ứng dụng thiết bị di trượt dùng cho robot.....................16
1.4 Tổng kết chương I: ..............................................................................................18
CHƯƠNG 2:TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA THIẾT BỊ DI
TRƯỢT CHO ROBOT .............................................................................................19
2.1. Dữ liệu đầu vào để thiết kế thiết bị di trượt. ......................................................19
2.2 Mô hình của thiết bị di trượt : ...........................................................................19
2.3 Tính chọn động cơ và hộp giảm tốc cho thiết bị di trượt. .................................20
2.3.1 Tính chọn hộp giảm tốc cho thiết bị di trượt ..................................................20
2.3.2 Tính chọn động cơ cho thiết bị di trượt: ..........................................................28
2.4 Tính chọn hệ thống thanh dẫn hướng cho thiết bị di trượt. ................................33
2.4.1 Giới thiệu một số thiết bị di trượt của hãng YASKAWA:...............................33
2.4.2 Giới thiệu hệ thống ray dẫn hướng. .................................................................36
2.4.3 Cấu tạo của thanh dẫn hướng. ..........................................................................37
2.4.4 Lựa chọn sơ đồ tải trọng để tính toán...............................................................39
2.4.5 Tính toán tải trọng tĩnh tác dụng lên các con trượt. .........................................40
2.4.6 Tính toán tải trọng quán tính. ...........................................................................40
2.4.7 Chọn bộ dẫn hướng, kiểm nghiệm và tính toán tuổi thọ. .................................41
2.4.8 Chọn kích thước của hệ thống ray dẫn hướng. ................................................42
2.5 Tính toán hệ thống truyền động bánh răng – thanh răng. ..................................45
2.5.1 Chọn vật liệu chế tạo bánh răng và thanh răng. ..............................................45
3
2.5.2 Xác định ứng suất cho phép. ............................................................................45
2.5.3 Xác định các thông số bộ truyền bánh răng –thanh răng. ................................47
2.5.4 Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng – thanh răng..............................................49
2.6 Thiết kế các chi tiết cho thiết bị di trượt ............................................................51
2.7 Tổng kết chương 2. ............................................................................................58
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KIỂN ................................................59
3.1. Yêu cầu về điều khiển ........................................................................................59
3.2. Thiết kế tổng thể hệ thống điều khiển: ...............................................................59
3.2.1. Card điều khiển vị trí.......................................................................................61
3.2.2. Động cơ servo xoay chiều và bộ điều khiển động cơ: ...................................63
3.2.3. Thiết bị ghép nối giữa card điều khiển PCI 1240 và bộ điều khiển động cơ..70
3.2.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển chuyển động tịnh tiến robot
trên thiết bị di trượt ...................................................................................................70
3.3. Thiết kế mạch ghép nối hệ thống điều khiển .....................................................71
3.4. Kết cấu lắp đặt tủ điều khiển ..............................................................................76
3.4.Tổng kết chương 3 ..............................................................................................76
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG BẰNG
AUTODESK INVENTOR ........................................................................................77
4.1. Gới thiệu về phần mềm Autodesk Inventor : .....................................................77
4.1.1 Giao diện người dùng : ....................................................................................79
4.1.2. Xuất nhập dữ liệu: ...........................................................................................80
4.1.3 Hệ thống hổ trợ thiết kế: .................................................................................83
4.2. Mô phỏng thiết bị di trượt bằng phần mềm Autodesk Inventor: .......................85
4.3. Tổng kết chương 4: ............................................................................................85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................88
PHỤ LỤC BẢN VẼ ................................................................................................. 89
4
DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
Ký hiệu Nội dung
T max Mômen lớn nhất hộp giảm tốc (N.m)
Nm Số vòng quay định mức hộp giảm tốc(Vòng/phút)
Tm Mômen trung bình tác dụng lên trục ra (N.m)
U Tỷ số truyền của hộp giảm tốc
V0 Vận tốc di chuyển của bàn trượt (Vòng/phút)
m Modun bánh răng
Z số răng bánh răng.
N dc Số vòng quay định mức của động cơ (Vòng/phút)
T SA Mômen gây ra bởi mômen quán tính (N.m)
T SB Mômen gây ra bởi các lực cản (N.m)
IR là mômen quán tính, [kg.m2]
F1 Lực ma sát cản của các ổ đỡ di trượt (N)
F2 Lực cản do các vòng chặn dầu (N)
F3 Lực cản do sự chênh lệch của các sống trượt (N)
F4 Ma sát giữa thanh răng và bánh răng (N)
F5 Ma sát giữa thanh răng và bánh răng (N)
N2 Vận tốc đầu ra của hộp giảm tốc (Vòng/phút)
N1 Vận tốc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn
tăng tốc (Vòng/phút)
N3 Vận tốc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn
giảm tốc (Vòng/phút)
T1 Mômen khi tăng tốc (N.m)
T2 Mômen khi vận tốc không đổi (N.m)
T3 Mômen khi giảm tốc (N.m)
t1 Thời gian tăng tốc: (s)
5
t2 Thời gian ổn tốc (s)
t3 Thời gian giảm tốc (s)
t4 Thời gian dừng (s)
t5 Tổng thời gian quay (s)
T MP Mômen xoắn lớn nhất lên trục động cơ (N.m)
T MM Mômen xoắn thực tác dụng lên trục động cơ (N.m)
N IPHGT Số vòng quay đầu vào của hộp giảm tốc (vòng/phút)
T MA Mômen gây ra bởi mômen quán tính (N.m)
T MB Mômen gây ra bởi tải trọng tức thời. (N.m)
T MC Mômen gây bởi ma sát. (N.m)
αM Gia tốc góc trên trục động cơ (rad/s2)
I ML Mômen quán tính của vật quay [kg.m2]
I M1 Mômen quán tính tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc
[kg.m2]
I M2 Mômen quán tính của hộp giảm tốc [kg.m2]
T CNLR Mômen cản nhớt của hộp giảm tốc [kg.m2]
I M3 là mô quán tính của động cơ [kg.m2]
P0 Tải trọng tĩnh lớn nhất (N)
P Tải trọng động lớn nhất (N)
[σ H ] Ứng suất tiếp xúc cho phép (MPa)
ZM Hệ số kể đến cơ tính của vật liệu
ZH Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc.
Zε Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng
KH Hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc
B Chiều rộng vành răng (mm)
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1 : Phân loại thiết bị tay máy ........................................................................12
Hình 1.2: Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp ..............................................16
Hình 1.3 : Thiết bị di trượt ứng dụng trong robot hàn .............................................17
Hình 2.1 Sơ đồ động học của thiết bị di trượt...........................................................19
Hình 2.2 Sơ đồ tải trọng tác dụng lên thiết bị di trượt ............................................21
Hình 2.3 Các thông số của hộp giảm tốc NN60F .....................................................26
Hình 2.4 Kích thước của hộp giảm tốc NN60F .......................................................27
Hình 2.5 Hình dáng hộp giảm tốc NN90F ................................................................27
Hình 2.6 Thông số kỹ thuật của động cơ SGMAV – 06A ..........................................31
Hình 2.7 Các thông số kỹ thuật về phanh của động cơ ............................................32
Hình 2.8 Kích thước động cơ SGMAV – 06A ...........................................................32
Hình 2.9 Thiết bị di trượt của hãng Yaskawa ...........................................................33
Hình 2.10 Thông số kỹ thuật của thiết bị di trượt SGT1F31, SGT1F41, SGT1FD1 và
SGT1FE1 ...................................................................................................................34
Hình 2.11 Kích thước của thiết bị SGT1F31, SGT1FD1 ..........................................35
Hình 2.12 Thanh dẫn hướng của hãng HIWIN .........................................................36
Hình 2.13 Cấu tạo chi tiết thanh dẫn hướng của hãng HIWIN ................................37
Hình 2.14 Khối trượt loại vuông ...............................................................................37
Hình 2.15 Khối trượt loại mặt bích ...........................................................................38
Hình 2.16 Các loại ray dẫn hướng ...........................................................................38
Hình 2.17 Sơ đồ tải trọng tính chọn thanh dẫn hướng .............................................39
Hình 2.18 Sơ đồ tải trọng khi tải là lực quán tính ....................................................39
Hình 2.19 Chu trình làm việc của thiết bị di trượt....................................................40
Hình 2.20 kích thước tiêu chuẩn thanh ray...............................................................43
Hình 2.21 kích thước hệ thống thanh dẫn hướng .....................................................44
Hình 2.22 Thiết kế bàn trượt và cũng là đế rôbôt.....................................................52
Hình 2.23 Thiết kế bánh răng cho thiết bị di trượt ...................................................53
7
Hình 2.24 Thiết kế thanh răng cho thiết bị di trượt ..................................................53
Hình 2.25 Hệ thống dẫn hướng cho thiết bị di trượt ................................................54
Hình 2.26 Thiết kế giá mang động cơ và hộp giảm tốc ............................................54
Hình 2.27 Thiết kế tấm đế thiết bị di trượt ................................................................55
Hình 2.28 Phần thân được thiết kế bằng thép chữ U................................................56
Hình 2.29 Lắp ráp các chi tiết của thiết bị di trượt ..................................................56
Hình 2.30 Toàn bộ thiết bị di trượt được thiết kế .....................................................57
Hình 3.2. Card điều khiển vị trí PCI-1240 ...............................................................61
Hình 3.3. Động cơ servo xoay chiều của hãng Yaskawa SGMAV ............................64
Bảng 3.1. Ký hiệu của các loại động cơ SGMAV .....................................................65
Bảng 3.2. Đặc điểm và thông số kỹ thuật của động cơ servo SGMAV .....................66
Hình 3.4. Biểu đồ đặc tính mômen của động cơ servo SGMAV-06A .......................66
Hình 3.5. Các kích thước động cơ SGMAV-06A.......................................................66
Hình 3.6. Hình dáng và cấu trúc bộ điều khiển động cơ SGDV ...............................67
Hình 3.7. Sơ đồ đấu nối động cơ servo SGMAV với bộ điều khiển động cơ SGDV .68
Hình 3.8. Sơ đồ ghép nối động cơ AC servo và bộ điều khiển động cơ....................69
Hình 3.9. Bo mạch giao tiếp ADAM 3952 ................................................................70
Hình 3.10. Sơ đồ ghép nối tổng quát các thiết bị......................................................72
Hình 3.11. Ghép nối máy tính PC và card PCI-1240 ...............................................73
Hình 3.12. Các tín hiệu vào ra của card PCI 1240 ..................................................74
Hình 3.13. Ghép nối các tín hiệu điều khiển giữa card điều khiển ..........................75
PCI-1240 và bộ điều khiển động cơ ..........................................................................75
Hình 4.1 Thiết bị di chuyển ở phần đầu của hành trình ...........................................85
Hình 4.1 Thiết bị di chuyển theo hành trình ngược lại .............................................86
8
PHẦN MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài:
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá
sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.
Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật Robot trong công nghiệp nhằm nâng cao năng
suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản
phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một
vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính linh hoạt
nhằm đáp ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hoá. Robot công
nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong hệ thống sản xuất tự động linh
hoạt đó. Chính vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng của robot vào các dây truyền sản
xuất như Ôtô, xe máy, hàng dân dụng …càng trở nên cấp thiết. Trong đó việc nâng
cao tính linh hoạt và phạm vi ứng dụng cho robot trong công nghiệp đóng vai trò
quan trọng nhất. Vậy nên việc nghiên cứu và thiết kế hoạt động của thiết bị di trượt
dùng cho robot để thay thế cho việc nhập khẩu từ nước ngoài là rất cần thiết. Vì
vậy, với những kiến thức đã học và được sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Bùi
Văn Hạnh, tôi đã nghiên cứu luận văn thạc sỹ đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và mô
phỏng hoạt động của thiết bị di trượt dùng cho robot”.
* Lịch sử nghiên cứu :
Gần nửa thế kỉ có mặt trong sản xuất. Robot công nghiệp đã có một lịch sử
phát triển lâu dài và bền vững. Ngày nay, Robot công nghiệp được dùng rộng rãi ở
nhiều lĩnh vực sản suất. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của các loại
Robot đã được lựa chọn và đúc kết qua bao nhiêu năm ứng dụng ở nhiều nước.
Ở nước ta, trước những năm 1990 hầu như chưa du nhập về kỹ thuật Robot.
Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập ngoại nhiều loại Robot phục
vụ các việc như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm CNC, lắp ráp các linh kiện điện
tử, hàn vỏ xe ô tô, xe máy và phun phủ bề mặt … Có những nơi đã bắt đầu thiết kế
chế tạo và lắp ráp Robot. Có thể nói, Robot đã và đang góp phần rất lớn vào sự
9
nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Với những ý nghĩa to lớn đó của
Robot công nghiệp, chắc chắn ngành công nghiệp chế tạo và ứng dụng Robot sẽ
phát triển rất mạnh trong tương lai.
* Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:
Thiết kế kết cấu cơ khí, hệ thống điều khiển và mô phỏng hoạt động thiết bị
di trượt dùng cho robot nhằm mở rộng vùng làm việc của robot công nghiệp, thay
thế cho việc nhập khẩu thiết bị này từ nước ngoài.
Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của thiết bị di trượt trên robot
AX – V6 .
Phục vụ cho đào tạo kỹ năng thiết kế và mô phỏng trên robot hàn hồ quang,
ứng dụng vào thực tế trên các dây truyền sản xuất Ôtô, xe máy trong nước.
* Nội dung nghiên cứu, đóng góp mới của đề tài:
Tính toán thiết kế kết cấu cơ khí, thiết kế hệ điều khiển, xây dựng thuật toán
và viết chương trình điều khiển, mô phỏng hoạt động của thiết bị.
Thiết bị di trượt có tác dụng dịch chuyển robot với một khoảng cách khá lớn
(có thể đến 3-20m), nhờ đó sẽ mở rộng vùng làm việc của robot cũng như nâng cao
tính linh hoạt và phạm vi ứng dụng cho robot công nghiệp.
* Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên phần mềm “Autodesk
Inventor” hoạt động của thiết bị di trượt.
Sau một thời gian nghiên cứu thiết kế tại và mô phỏng tại trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội và được sự hướng dẫn nhiệt tình của PGS.TS. Bùi Văn Hạnh,
đến nay luận văn của tôi đã được hoàn thành. Do thời gian, kiến thức và kinh
nghiệm có hạn nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý quý
báu của các Thầy/ Cô và của các bạn đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 3 năm 2013
Tác giả
Bùi Khắc Khánh
10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Sự ra đời của Robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm
“Rosum’s Universal Robot “ của Karal Capek. Theo tiếng Séc thì Robot là người
làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những
chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực.
Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình
điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ. Năm 1959, Devol và
Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại công ty Unimation.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty
AMF của Mỹ. Đến năm 1990 có hơn 40 công ty của Nhật, trong đó có những công
ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã đưa ra thị trường nhiều loại Robot
nổi tiếng.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý
nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm
việc. Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp tự
động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị
giác. Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo Robot có các cảm biến xúc giác và
cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết
.
Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và công
nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm đi rõ rệt,
tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy Robot công nghiệp đã có vị trí
quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại. Ngày nay, chuyên ngành khoa
học nghiên cứu 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 v.v…
11
*Phân loại tay máy Robot công nghiệp:
Ngày nay, khi nói đến Robot thường ta hay hình dung ra một cơ chế máy
móc tương tự con người, có khả năng sử dụng công cụ lao động để thực hiện các
công việc thay cho con người, thậm chí có thể tính toán hay có khả năng hành động
theo ý chí.
Trong thực tiễn kỹ thuật, khái niệm Robot hiện đại được hiểu khá rộng, mà
theo đó Robot là “tất cả các hệ thống kỹ thuật có khả năng cảm nhận và xử lý thông
tin cảm nhận được, để sau đó đưa ra hành xử thích hợp”. Theo cách hiểu này, các
hệ thống xe tự hành, hay thậm chí một thiết bị xây dựng có trang bị cảm biến thích
hợp như Camera, cũng được gọi là Robot. Các khái niệm như Hexapod, Parallel
Robot, Tripod, Gait Biped, Manipulator Robocar hay Mobile Robot nhằm chỉ vào
các hệ thống Robot không còn gắn liền với các hình dung ban đầu của con người.
Trong nội dung đồ án chỉ nhằm vào đối tượng Robot công nghiệp (RBCN),
thực chất là một thiết bị tay máy (Handling Equipment). Công nghệ tay máy
(Handling Technology) là công nghệ của dạng thiết bị kỹ thuật có khả năng thực
hiện các chuyển động theo nhiều trục trong không gian, tương tự như ở con người.
Về cơ bản có thể phân thiết bị tay máy (hình 1.1) thành 2 loại chính : Điều
khiển (ĐK) theo chương trình hay ĐK thông minh :
Hình 1.1 : Phân loại thiết bị tay máy
12
+ Loại ĐK theo chương trình gồm 2 họ:
• Chương trình cứng : Các thiết bị bốc dỡ, xếp đặt có chương trình hoạt
động cố định. Ta hay gặp họ này trong các hệ thống kho hiện đại. Chúng có rất ít
trục chuyển động và chỉ thu thập thông tin về quãng đường qua các tiếp điểm hành
trình. Ta không thể ĐK chúng theo một quỹ đạo mong muốn.
• Chương trình linh hoạt : Là họ Robot mà người sử dụng có khả năng thay
đổi chương trình ĐK chúng tuỳ theo đối tượng công tác. Ta hay gặp chúng trong
các công đoạn như hàn, sơn hay lắp ráp của công nghiệp Ôtô. Trong hình 1.1 ta gọi
là Robot công nghiệp.
+ Loại ĐK thông minh có 2 kiểu chính :
• Manipulator: Là loại tay máy được ĐK trực tiếp bởi con người, có khả
năng lặp lại các chuyển động của tay người. Bản chất là dạng thiết bị hỗ trợ cho sự
khéo léo, cho trí tuệ, cho hệ thống giác quan (Complex Sensorics) và kinh nghiệm
của người sử dụng. Hay được sử dụng trong các nhiệm vụ cần chuyển động phức
hợp có tính chính xác cao, hay môi trường nguy hiểm cho sức khoẻ, môi trường khó
tiếp cận v.v...
• Telemanipulator: Là loại Manipulator được điều khiển từ xa và người
ĐK phải sử dụng hệ thống Camera để quan sát môi trường sử dụng.
Theo tiêu chuẩn châu Âu EN775 và VDI 2860 của Đức có thể hiểu
“Robot công nghiệp là một Automat sử dụng vạn năng để tạo chuyển động nhiều
trục, có khả năng lập trình linh hoạt các chuỗi chuyển động và quãng đường (góc)
để tạo nên chuyển động theo quỹ đạo. Chúng có thể được trang bị thêm các ngón
(Grippe), dụng cụ hay các công cụ gia công và có thể thực hiện các nhiệm vụ của
đôi tay (Handling) hay các nhiệm vụ gia công khác”
Như vậy, RBCN khác các loại tay máy còn lại ở 2 điểm chính là “sử dụng
vạn năng” và “khả năng lập trình linh hoạt”.
1.2. Ứng dụng của Robot công nghiệp :
*Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp :
13
Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây
truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của
sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều đó xuất phát từ những ưu
điểm cơ bản của Robot đó là :
- Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người
thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian dài làm việc. Do đó Robot giúp
nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là vì giảm được
đáng kể chi phí cho người lao động.
- Robot giúp tăng năng suất dây chuyền công nghệ.
- Robot giúp cải thiện điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà
chúng ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải
làm việc trong môi trường ô nhiễm, ẩm ướt, nóng nực. Thậm chí rất độc hại đến sức
khoẻ và tính mạng như môi trường hoá chất, điện từ, phóng xạ …
* Các lĩnh vực ứng dụng Robot công nghiệp :
Robot công nghiệp được ứng dụng rất rộng rãi trong sản xuất, xin được nêu
ra một số lĩnh vực chủ yếu :
- Kỹ nghệ đúc
- Gia công áp lực
- Công ghệ hàn
- Các quá trình hàn và nhiệt luyện
- Công nghệ gia công lắp ráp
- Phun sơn, vận chuyển hàng hoá (Robocar)…
* Các xu thế ứng dụng Robot trong tương lai :
- Robot ngày càng thay thế nhiều lao động.
- Robot ngày càng trở lên chuyên dụng.
- Robot ngày càng đảm nhận được nhiều loại công việc lắp ráp.
- Robot di động ngày càng trở lên phổ biến.
- Robot ngày càng trở lên tinh khôn .
14
* Tình hình tiếp cận và ứng dụng Robot công nghiệp ở Việt Nam :
Trong giai đoạn trước năm 1990, hầu như trong nước hoàn toàn chưa du
nhập về kỹ thuật Robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh
vực này. Tuy vậy, với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận lĩnh vực mới mẻ này trong nước
đã có triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58.01.03 và
52B.03.01.
Giai đoạn tiếp theo từ năm 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt đầu
đổi mới. Nhiều cơ sở đã nhập ngoại nhiều loại Robot công nghiệp phục vụ các công
việc như: tháo lắp dụng cụ, lắp ráp linh kiện điện tử, hàn vỏ Ôtô xe máy, phun phủ
các bề mặt …
Một sự kiện đáng chú ý là tháng 4 năm 1998, nhà máy Rorze/Robotech đã
bước vào hoạt động ở khu công nghiệp Nomura Hải Phòng. Đây là nhà máy đầu
tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp Robot.
Những năm gần đây, Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật Tự động hóa, Trường
đại học Bách Khoa Hà Nội, đã nghiên cứu thiết kế một kiểu Robot mới là Robot
RP. Robot RP thuộc loại Robot phỏng sinh (bắt chước cơ cấu tay người). Hiện nay
đã chế tạo 2 mẫu: Robot RPS-406 dùng để phun men và Robot RPS-4102 dùng
trong công nghệ bề mặt.
Ngoài ra Trung tâm còn chế tạo các loại Robot khác như: Robot SCA mini
dùng để dạy học, Robocar công nghiệp phục vụ phân xưởng, Robocar chữ thập đỏ
cho người tàn tật … Bên cạnh đó còn xây dựng các thuật toán mới để điều khiển
Robot, xây dựng “thư viện” các mô hình của Robot trên máy tính …
* Cấu trúc của Robot công nghiệp:
+ Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp :
Trên hình 1.2 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot công nghiệp:
Tay máy gồm các bộ phận: Đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động 2,
thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6.
15
Hình 1.2: Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp
Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thuỷ khí hoặc điện khí: là bộ phận
chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch các khớp động.
Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt
trước hoặc nhận biết trong quá trình làm việc.
Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về
hoạt động của bản thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường, đối tượng
mà Robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu).
1.3. Tính cần thiết của việc ứng dụng thiết bị di trượt dùng cho robot.
Do yêu cầu của việc nâng cao năng suất và chất lượng sản xuất, robot ngày
càng được ứng nhiều trong các ngành công nghiệp. Tuy nhiên, việc ứng dụng robot
gặp khó khăn là vùng hoạt động của robot bị hạn chế, đặc biệt là khi gia công các
chi tiết có kích thước lớn. Thiết bị di trượt có tác dụng dịch chuyển robot với một
khoảng cách khá lớn (có thể đến 3-20m), nhờ đó sẽ mở rộng vùng làm việc của
robot cũng như nâng cao tính linh hoạt và phạm vi ứng dụng cho robot công nghiệp.
Vì vậy việc ứng dụng thiết bị di trượt dùng cho robot là rất cần thiết .
16
Hình 1.3 : Thiết bị di trượt ứng dụng trong robot hàn
17
1.4 Tổng kết chương I:
Toàn bộ nội dung chương I đã hoàn thành được các nội dung sau:
Tìm hiểu lịch sử sự ra đời và phát triển Robot công nghiệp hiện nay robot công
nghiệp trên thế giới .
Phân tích được ứng dụng của robot trong công nghiệp hiện nay.
Tìm hiểu lịch sử phát triển robot công nghiệp tại Việt nam.
Phân tích các cơ cấu, bộ phận cấu thành hệ thống robot công nghiệp.
Phân tích các tính chất công nghệ và đi đến kết luận về tính cấp thiết của công
việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị di trượt dùng cho robot.
18
CHƯƠNG 2:TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA THIẾT BỊ
DI TRƯỢT CHO ROBOT
2.1. Dữ liệu đầu vào để thiết kế thiết bị di trượt.
Hành trình di chuyển : 3000 (mm)
Tải trọng có ích: 200 kg.
Tốc độ tối đa: 15 (m/ph)
Dẫn động: động cơ servo xoay chiều.
Truyền động: Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh, bộ truyền bánh răng-thanh
răng, thanh dẫn hướng của hãng HIWIN
2.2 Mô hình của thiết bị di trượt :
Hình 2.1 Sơ đồ động học của thiết bị di trượt
19
Các bộ phận của thiết bị di trượt:
- Động cơ : Dùng để truyền chuyển động cho hộp giảm tốc, truyền động cho hệ
thống bánh răng – thanh răng để dịch chuyển thiết bị trên ray dẫn hướng (con lăn
đỡ).
- Hộp giảm tốc: Dùng để điều chỉnh tốc độ từ tốc độ của động cơ xuống tốc độ
tính toán để truyền chuyển động cho thanh răng – bánh răng .
- Đế trượt robot: Đế rôbôt được thiết kế gồm các tấm thép hàn lại với nhau. Mặt
bích trên của đế rôbôt được khoan lổ để đặt với rôbôt.
- Ray dẫn hướng ( con lăn đỡ): Dùng để dẫn hướng chuyển động cho của thiết
bị di trượt.
- Bộ truyền bánh răng- thanh răng: Dùng để truyền chuyển động quay của
motor – hộp giảm tốc thành chuyển động tịnh tiến của thiết dị di trượt.
2.3 Tính chọn động cơ và hộp giảm tốc cho thiết bị di trượt.
Theo như các phân tích lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc cho ta thấy động cơ
của hãng YASKAWA và hộp giảm tốc của hãng KUKEN thích hợp cho thiết bị di
trượt. Do vậy ta sẽ tính toán, lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc cho thiết bị di trượt
trong phạm vi cataloge động cơ của hãng YASKAWA và hộp giảm tốc của hãng
KUKEN.
2.3.1 Tính chọn hộp giảm tốc cho thiết bị di trượt
Tmax ≤ TP
Hộp giảm tốc được chọn phải thỏa mãn: N m ≤ N m*
T ≤ T
m n
Trong đó:
T max : Mômen lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc.
N m : Số vòng quay định mức ở đầu ra hộp giảm tốc.
T m : Mômen trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc.
T p ; N m* ; T n là các giá trị tương ứng của hộp giảm tốc được chọn.
Dựa vào động cơ và hộp giảm tốc được chọn trong các thiết bị di trượt tương
đương của các hãng trên thế giới, ta chọn động cơ có số vòng quay là 3000
20
MA ĐỨC HẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
MA ĐỨC HẢI
CHUYÊN NGÀNH:QUẢN TRỊ KINH DOANH
PHÂN TÍCH VÀ ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NHẰM
TĂNG CƯỜNG CÔNG TÁC QUẢN LÝ NGÂN SÁCH XÃ
TRÊN ĐỊA BÀN HUYỆN LÂM THAO TỈNH PHÚ THỌ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: QUẢN TRỊ KINH DOANH
KHOÁ: 2010
Hà Nội – 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện
đang sử dụng và các công trình đã được công bố (ngoại trừ các bảng biểu số liệu
tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu được
phép sử dụng).
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.
Hà Nội, tháng 3 năm 2013
Tác giả
Bùi Khắc Khánh
2
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ..................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2
DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU .....................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU .............................................................7
PHẦN MỞ ĐẦU .........................................................................................................9
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ..........................................11
1.1. Sự ra đời của Robot công nghiệp .......................................................................11
1.2. Ứng dụng của Robot công nghiệp : ...................................................................13
1.3. Tính cần thiết của việc ứng dụng thiết bị di trượt dùng cho robot.....................16
1.4 Tổng kết chương I: ..............................................................................................18
CHƯƠNG 2:TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA THIẾT BỊ DI
TRƯỢT CHO ROBOT .............................................................................................19
2.1. Dữ liệu đầu vào để thiết kế thiết bị di trượt. ......................................................19
2.2 Mô hình của thiết bị di trượt : ...........................................................................19
2.3 Tính chọn động cơ và hộp giảm tốc cho thiết bị di trượt. .................................20
2.3.1 Tính chọn hộp giảm tốc cho thiết bị di trượt ..................................................20
2.3.2 Tính chọn động cơ cho thiết bị di trượt: ..........................................................28
2.4 Tính chọn hệ thống thanh dẫn hướng cho thiết bị di trượt. ................................33
2.4.1 Giới thiệu một số thiết bị di trượt của hãng YASKAWA:...............................33
2.4.2 Giới thiệu hệ thống ray dẫn hướng. .................................................................36
2.4.3 Cấu tạo của thanh dẫn hướng. ..........................................................................37
2.4.4 Lựa chọn sơ đồ tải trọng để tính toán...............................................................39
2.4.5 Tính toán tải trọng tĩnh tác dụng lên các con trượt. .........................................40
2.4.6 Tính toán tải trọng quán tính. ...........................................................................40
2.4.7 Chọn bộ dẫn hướng, kiểm nghiệm và tính toán tuổi thọ. .................................41
2.4.8 Chọn kích thước của hệ thống ray dẫn hướng. ................................................42
2.5 Tính toán hệ thống truyền động bánh răng – thanh răng. ..................................45
2.5.1 Chọn vật liệu chế tạo bánh răng và thanh răng. ..............................................45
3
2.5.2 Xác định ứng suất cho phép. ............................................................................45
2.5.3 Xác định các thông số bộ truyền bánh răng –thanh răng. ................................47
2.5.4 Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng – thanh răng..............................................49
2.6 Thiết kế các chi tiết cho thiết bị di trượt ............................................................51
2.7 Tổng kết chương 2. ............................................................................................58
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KIỂN ................................................59
3.1. Yêu cầu về điều khiển ........................................................................................59
3.2. Thiết kế tổng thể hệ thống điều khiển: ...............................................................59
3.2.1. Card điều khiển vị trí.......................................................................................61
3.2.2. Động cơ servo xoay chiều và bộ điều khiển động cơ: ...................................63
3.2.3. Thiết bị ghép nối giữa card điều khiển PCI 1240 và bộ điều khiển động cơ..70
3.2.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển chuyển động tịnh tiến robot
trên thiết bị di trượt ...................................................................................................70
3.3. Thiết kế mạch ghép nối hệ thống điều khiển .....................................................71
3.4. Kết cấu lắp đặt tủ điều khiển ..............................................................................76
3.4.Tổng kết chương 3 ..............................................................................................76
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG BẰNG
AUTODESK INVENTOR ........................................................................................77
4.1. Gới thiệu về phần mềm Autodesk Inventor : .....................................................77
4.1.1 Giao diện người dùng : ....................................................................................79
4.1.2. Xuất nhập dữ liệu: ...........................................................................................80
4.1.3 Hệ thống hổ trợ thiết kế: .................................................................................83
4.2. Mô phỏng thiết bị di trượt bằng phần mềm Autodesk Inventor: .......................85
4.3. Tổng kết chương 4: ............................................................................................85
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................87
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................88
PHỤ LỤC BẢN VẼ ................................................................................................. 89
4
DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
Ký hiệu Nội dung
T max Mômen lớn nhất hộp giảm tốc (N.m)
Nm Số vòng quay định mức hộp giảm tốc(Vòng/phút)
Tm Mômen trung bình tác dụng lên trục ra (N.m)
U Tỷ số truyền của hộp giảm tốc
V0 Vận tốc di chuyển của bàn trượt (Vòng/phút)
m Modun bánh răng
Z số răng bánh răng.
N dc Số vòng quay định mức của động cơ (Vòng/phút)
T SA Mômen gây ra bởi mômen quán tính (N.m)
T SB Mômen gây ra bởi các lực cản (N.m)
IR là mômen quán tính, [kg.m2]
F1 Lực ma sát cản của các ổ đỡ di trượt (N)
F2 Lực cản do các vòng chặn dầu (N)
F3 Lực cản do sự chênh lệch của các sống trượt (N)
F4 Ma sát giữa thanh răng và bánh răng (N)
F5 Ma sát giữa thanh răng và bánh răng (N)
N2 Vận tốc đầu ra của hộp giảm tốc (Vòng/phút)
N1 Vận tốc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn
tăng tốc (Vòng/phút)
N3 Vận tốc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn
giảm tốc (Vòng/phút)
T1 Mômen khi tăng tốc (N.m)
T2 Mômen khi vận tốc không đổi (N.m)
T3 Mômen khi giảm tốc (N.m)
t1 Thời gian tăng tốc: (s)
5
t2 Thời gian ổn tốc (s)
t3 Thời gian giảm tốc (s)
t4 Thời gian dừng (s)
t5 Tổng thời gian quay (s)
T MP Mômen xoắn lớn nhất lên trục động cơ (N.m)
T MM Mômen xoắn thực tác dụng lên trục động cơ (N.m)
N IPHGT Số vòng quay đầu vào của hộp giảm tốc (vòng/phút)
T MA Mômen gây ra bởi mômen quán tính (N.m)
T MB Mômen gây ra bởi tải trọng tức thời. (N.m)
T MC Mômen gây bởi ma sát. (N.m)
αM Gia tốc góc trên trục động cơ (rad/s2)
I ML Mômen quán tính của vật quay [kg.m2]
I M1 Mômen quán tính tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc
[kg.m2]
I M2 Mômen quán tính của hộp giảm tốc [kg.m2]
T CNLR Mômen cản nhớt của hộp giảm tốc [kg.m2]
I M3 là mô quán tính của động cơ [kg.m2]
P0 Tải trọng tĩnh lớn nhất (N)
P Tải trọng động lớn nhất (N)
[σ H ] Ứng suất tiếp xúc cho phép (MPa)
ZM Hệ số kể đến cơ tính của vật liệu
ZH Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc.
Zε Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng
KH Hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc
B Chiều rộng vành răng (mm)
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Hình 1.1 : Phân loại thiết bị tay máy ........................................................................12
Hình 1.2: Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp ..............................................16
Hình 1.3 : Thiết bị di trượt ứng dụng trong robot hàn .............................................17
Hình 2.1 Sơ đồ động học của thiết bị di trượt...........................................................19
Hình 2.2 Sơ đồ tải trọng tác dụng lên thiết bị di trượt ............................................21
Hình 2.3 Các thông số của hộp giảm tốc NN60F .....................................................26
Hình 2.4 Kích thước của hộp giảm tốc NN60F .......................................................27
Hình 2.5 Hình dáng hộp giảm tốc NN90F ................................................................27
Hình 2.6 Thông số kỹ thuật của động cơ SGMAV – 06A ..........................................31
Hình 2.7 Các thông số kỹ thuật về phanh của động cơ ............................................32
Hình 2.8 Kích thước động cơ SGMAV – 06A ...........................................................32
Hình 2.9 Thiết bị di trượt của hãng Yaskawa ...........................................................33
Hình 2.10 Thông số kỹ thuật của thiết bị di trượt SGT1F31, SGT1F41, SGT1FD1 và
SGT1FE1 ...................................................................................................................34
Hình 2.11 Kích thước của thiết bị SGT1F31, SGT1FD1 ..........................................35
Hình 2.12 Thanh dẫn hướng của hãng HIWIN .........................................................36
Hình 2.13 Cấu tạo chi tiết thanh dẫn hướng của hãng HIWIN ................................37
Hình 2.14 Khối trượt loại vuông ...............................................................................37
Hình 2.15 Khối trượt loại mặt bích ...........................................................................38
Hình 2.16 Các loại ray dẫn hướng ...........................................................................38
Hình 2.17 Sơ đồ tải trọng tính chọn thanh dẫn hướng .............................................39
Hình 2.18 Sơ đồ tải trọng khi tải là lực quán tính ....................................................39
Hình 2.19 Chu trình làm việc của thiết bị di trượt....................................................40
Hình 2.20 kích thước tiêu chuẩn thanh ray...............................................................43
Hình 2.21 kích thước hệ thống thanh dẫn hướng .....................................................44
Hình 2.22 Thiết kế bàn trượt và cũng là đế rôbôt.....................................................52
Hình 2.23 Thiết kế bánh răng cho thiết bị di trượt ...................................................53
7
Hình 2.24 Thiết kế thanh răng cho thiết bị di trượt ..................................................53
Hình 2.25 Hệ thống dẫn hướng cho thiết bị di trượt ................................................54
Hình 2.26 Thiết kế giá mang động cơ và hộp giảm tốc ............................................54
Hình 2.27 Thiết kế tấm đế thiết bị di trượt ................................................................55
Hình 2.28 Phần thân được thiết kế bằng thép chữ U................................................56
Hình 2.29 Lắp ráp các chi tiết của thiết bị di trượt ..................................................56
Hình 2.30 Toàn bộ thiết bị di trượt được thiết kế .....................................................57
Hình 3.2. Card điều khiển vị trí PCI-1240 ...............................................................61
Hình 3.3. Động cơ servo xoay chiều của hãng Yaskawa SGMAV ............................64
Bảng 3.1. Ký hiệu của các loại động cơ SGMAV .....................................................65
Bảng 3.2. Đặc điểm và thông số kỹ thuật của động cơ servo SGMAV .....................66
Hình 3.4. Biểu đồ đặc tính mômen của động cơ servo SGMAV-06A .......................66
Hình 3.5. Các kích thước động cơ SGMAV-06A.......................................................66
Hình 3.6. Hình dáng và cấu trúc bộ điều khiển động cơ SGDV ...............................67
Hình 3.7. Sơ đồ đấu nối động cơ servo SGMAV với bộ điều khiển động cơ SGDV .68
Hình 3.8. Sơ đồ ghép nối động cơ AC servo và bộ điều khiển động cơ....................69
Hình 3.9. Bo mạch giao tiếp ADAM 3952 ................................................................70
Hình 3.10. Sơ đồ ghép nối tổng quát các thiết bị......................................................72
Hình 3.11. Ghép nối máy tính PC và card PCI-1240 ...............................................73
Hình 3.12. Các tín hiệu vào ra của card PCI 1240 ..................................................74
Hình 3.13. Ghép nối các tín hiệu điều khiển giữa card điều khiển ..........................75
PCI-1240 và bộ điều khiển động cơ ..........................................................................75
Hình 4.1 Thiết bị di chuyển ở phần đầu của hành trình ...........................................85
Hình 4.1 Thiết bị di chuyển theo hành trình ngược lại .............................................86
8
PHẦN MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài:
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá
sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.
Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật Robot trong công nghiệp nhằm nâng cao năng
suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản
phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một
vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính linh hoạt
nhằm đáp ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hoá. Robot công
nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong hệ thống sản xuất tự động linh
hoạt đó. Chính vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng của robot vào các dây truyền sản
xuất như Ôtô, xe máy, hàng dân dụng …càng trở nên cấp thiết. Trong đó việc nâng
cao tính linh hoạt và phạm vi ứng dụng cho robot trong công nghiệp đóng vai trò
quan trọng nhất. Vậy nên việc nghiên cứu và thiết kế hoạt động của thiết bị di trượt
dùng cho robot để thay thế cho việc nhập khẩu từ nước ngoài là rất cần thiết. Vì
vậy, với những kiến thức đã học và được sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Bùi
Văn Hạnh, tôi đã nghiên cứu luận văn thạc sỹ đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và mô
phỏng hoạt động của thiết bị di trượt dùng cho robot”.
* Lịch sử nghiên cứu :
Gần nửa thế kỉ có mặt trong sản xuất. Robot công nghiệp đã có một lịch sử
phát triển lâu dài và bền vững. Ngày nay, Robot công nghiệp được dùng rộng rãi ở
nhiều lĩnh vực sản suất. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của các loại
Robot đã được lựa chọn và đúc kết qua bao nhiêu năm ứng dụng ở nhiều nước.
Ở nước ta, trước những năm 1990 hầu như chưa du nhập về kỹ thuật Robot.
Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập ngoại nhiều loại Robot phục
vụ các việc như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm CNC, lắp ráp các linh kiện điện
tử, hàn vỏ xe ô tô, xe máy và phun phủ bề mặt … Có những nơi đã bắt đầu thiết kế
chế tạo và lắp ráp Robot. Có thể nói, Robot đã và đang góp phần rất lớn vào sự
9
nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Với những ý nghĩa to lớn đó của
Robot công nghiệp, chắc chắn ngành công nghiệp chế tạo và ứng dụng Robot sẽ
phát triển rất mạnh trong tương lai.
* Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu:
Thiết kế kết cấu cơ khí, hệ thống điều khiển và mô phỏng hoạt động thiết bị
di trượt dùng cho robot nhằm mở rộng vùng làm việc của robot công nghiệp, thay
thế cho việc nhập khẩu thiết bị này từ nước ngoài.
Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của thiết bị di trượt trên robot
AX – V6 .
Phục vụ cho đào tạo kỹ năng thiết kế và mô phỏng trên robot hàn hồ quang,
ứng dụng vào thực tế trên các dây truyền sản xuất Ôtô, xe máy trong nước.
* Nội dung nghiên cứu, đóng góp mới của đề tài:
Tính toán thiết kế kết cấu cơ khí, thiết kế hệ điều khiển, xây dựng thuật toán
và viết chương trình điều khiển, mô phỏng hoạt động của thiết bị.
Thiết bị di trượt có tác dụng dịch chuyển robot với một khoảng cách khá lớn
(có thể đến 3-20m), nhờ đó sẽ mở rộng vùng làm việc của robot cũng như nâng cao
tính linh hoạt và phạm vi ứng dụng cho robot công nghiệp.
* Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng trên phần mềm “Autodesk
Inventor” hoạt động của thiết bị di trượt.
Sau một thời gian nghiên cứu thiết kế tại và mô phỏng tại trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội và được sự hướng dẫn nhiệt tình của PGS.TS. Bùi Văn Hạnh,
đến nay luận văn của tôi đã được hoàn thành. Do thời gian, kiến thức và kinh
nghiệm có hạn nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý quý
báu của các Thầy/ Cô và của các bạn đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 3 năm 2013
Tác giả
Bùi Khắc Khánh
10
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Sự ra đời của Robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm
“Rosum’s Universal Robot “ của Karal Capek. Theo tiếng Séc thì Robot là người
làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những
chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực.
Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình
điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ. Năm 1959, Devol và
Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại công ty Unimation.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty
AMF của Mỹ. Đến năm 1990 có hơn 40 công ty của Nhật, trong đó có những công
ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã đưa ra thị trường nhiều loại Robot
nổi tiếng.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý
nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm
việc. Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp tự
động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị
giác. Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo Robot có các cảm biến xúc giác và
cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết
.
Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và công
nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm đi rõ rệt,
tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy Robot công nghiệp đã có vị trí
quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại. Ngày nay, chuyên ngành khoa
học nghiên cứu 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 v.v…
11
*Phân loại tay máy Robot công nghiệp:
Ngày nay, khi nói đến Robot thường ta hay hình dung ra một cơ chế máy
móc tương tự con người, có khả năng sử dụng công cụ lao động để thực hiện các
công việc thay cho con người, thậm chí có thể tính toán hay có khả năng hành động
theo ý chí.
Trong thực tiễn kỹ thuật, khái niệm Robot hiện đại được hiểu khá rộng, mà
theo đó Robot là “tất cả các hệ thống kỹ thuật có khả năng cảm nhận và xử lý thông
tin cảm nhận được, để sau đó đưa ra hành xử thích hợp”. Theo cách hiểu này, các
hệ thống xe tự hành, hay thậm chí một thiết bị xây dựng có trang bị cảm biến thích
hợp như Camera, cũng được gọi là Robot. Các khái niệm như Hexapod, Parallel
Robot, Tripod, Gait Biped, Manipulator Robocar hay Mobile Robot nhằm chỉ vào
các hệ thống Robot không còn gắn liền với các hình dung ban đầu của con người.
Trong nội dung đồ án chỉ nhằm vào đối tượng Robot công nghiệp (RBCN),
thực chất là một thiết bị tay máy (Handling Equipment). Công nghệ tay máy
(Handling Technology) là công nghệ của dạng thiết bị kỹ thuật có khả năng thực
hiện các chuyển động theo nhiều trục trong không gian, tương tự như ở con người.
Về cơ bản có thể phân thiết bị tay máy (hình 1.1) thành 2 loại chính : Điều
khiển (ĐK) theo chương trình hay ĐK thông minh :
Hình 1.1 : Phân loại thiết bị tay máy
12
+ Loại ĐK theo chương trình gồm 2 họ:
• Chương trình cứng : Các thiết bị bốc dỡ, xếp đặt có chương trình hoạt
động cố định. Ta hay gặp họ này trong các hệ thống kho hiện đại. Chúng có rất ít
trục chuyển động và chỉ thu thập thông tin về quãng đường qua các tiếp điểm hành
trình. Ta không thể ĐK chúng theo một quỹ đạo mong muốn.
• Chương trình linh hoạt : Là họ Robot mà người sử dụng có khả năng thay
đổi chương trình ĐK chúng tuỳ theo đối tượng công tác. Ta hay gặp chúng trong
các công đoạn như hàn, sơn hay lắp ráp của công nghiệp Ôtô. Trong hình 1.1 ta gọi
là Robot công nghiệp.
+ Loại ĐK thông minh có 2 kiểu chính :
• Manipulator: Là loại tay máy được ĐK trực tiếp bởi con người, có khả
năng lặp lại các chuyển động của tay người. Bản chất là dạng thiết bị hỗ trợ cho sự
khéo léo, cho trí tuệ, cho hệ thống giác quan (Complex Sensorics) và kinh nghiệm
của người sử dụng. Hay được sử dụng trong các nhiệm vụ cần chuyển động phức
hợp có tính chính xác cao, hay môi trường nguy hiểm cho sức khoẻ, môi trường khó
tiếp cận v.v...
• Telemanipulator: Là loại Manipulator được điều khiển từ xa và người
ĐK phải sử dụng hệ thống Camera để quan sát môi trường sử dụng.
Theo tiêu chuẩn châu Âu EN775 và VDI 2860 của Đức có thể hiểu
“Robot công nghiệp là một Automat sử dụng vạn năng để tạo chuyển động nhiều
trục, có khả năng lập trình linh hoạt các chuỗi chuyển động và quãng đường (góc)
để tạo nên chuyển động theo quỹ đạo. Chúng có thể được trang bị thêm các ngón
(Grippe), dụng cụ hay các công cụ gia công và có thể thực hiện các nhiệm vụ của
đôi tay (Handling) hay các nhiệm vụ gia công khác”
Như vậy, RBCN khác các loại tay máy còn lại ở 2 điểm chính là “sử dụng
vạn năng” và “khả năng lập trình linh hoạt”.
1.2. Ứng dụng của Robot công nghiệp :
*Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp :
13
Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây
truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của
sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều đó xuất phát từ những ưu
điểm cơ bản của Robot đó là :
- Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người
thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian dài làm việc. Do đó Robot giúp
nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là vì giảm được
đáng kể chi phí cho người lao động.
- Robot giúp tăng năng suất dây chuyền công nghệ.
- Robot giúp cải thiện điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà
chúng ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải
làm việc trong môi trường ô nhiễm, ẩm ướt, nóng nực. Thậm chí rất độc hại đến sức
khoẻ và tính mạng như môi trường hoá chất, điện từ, phóng xạ …
* Các lĩnh vực ứng dụng Robot công nghiệp :
Robot công nghiệp được ứng dụng rất rộng rãi trong sản xuất, xin được nêu
ra một số lĩnh vực chủ yếu :
- Kỹ nghệ đúc
- Gia công áp lực
- Công ghệ hàn
- Các quá trình hàn và nhiệt luyện
- Công nghệ gia công lắp ráp
- Phun sơn, vận chuyển hàng hoá (Robocar)…
* Các xu thế ứng dụng Robot trong tương lai :
- Robot ngày càng thay thế nhiều lao động.
- Robot ngày càng trở lên chuyên dụng.
- Robot ngày càng đảm nhận được nhiều loại công việc lắp ráp.
- Robot di động ngày càng trở lên phổ biến.
- Robot ngày càng trở lên tinh khôn .
14
* Tình hình tiếp cận và ứng dụng Robot công nghiệp ở Việt Nam :
Trong giai đoạn trước năm 1990, hầu như trong nước hoàn toàn chưa du
nhập về kỹ thuật Robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh
vực này. Tuy vậy, với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận lĩnh vực mới mẻ này trong nước
đã có triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58.01.03 và
52B.03.01.
Giai đoạn tiếp theo từ năm 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt đầu
đổi mới. Nhiều cơ sở đã nhập ngoại nhiều loại Robot công nghiệp phục vụ các công
việc như: tháo lắp dụng cụ, lắp ráp linh kiện điện tử, hàn vỏ Ôtô xe máy, phun phủ
các bề mặt …
Một sự kiện đáng chú ý là tháng 4 năm 1998, nhà máy Rorze/Robotech đã
bước vào hoạt động ở khu công nghiệp Nomura Hải Phòng. Đây là nhà máy đầu
tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp Robot.
Những năm gần đây, Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật Tự động hóa, Trường
đại học Bách Khoa Hà Nội, đã nghiên cứu thiết kế một kiểu Robot mới là Robot
RP. Robot RP thuộc loại Robot phỏng sinh (bắt chước cơ cấu tay người). Hiện nay
đã chế tạo 2 mẫu: Robot RPS-406 dùng để phun men và Robot RPS-4102 dùng
trong công nghệ bề mặt.
Ngoài ra Trung tâm còn chế tạo các loại Robot khác như: Robot SCA mini
dùng để dạy học, Robocar công nghiệp phục vụ phân xưởng, Robocar chữ thập đỏ
cho người tàn tật … Bên cạnh đó còn xây dựng các thuật toán mới để điều khiển
Robot, xây dựng “thư viện” các mô hình của Robot trên máy tính …
* Cấu trúc của Robot công nghiệp:
+ Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp :
Trên hình 1.2 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot công nghiệp:
Tay máy gồm các bộ phận: Đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động 2,
thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6.
15
Hình 1.2: Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp
Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thuỷ khí hoặc điện khí: là bộ phận
chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch các khớp động.
Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt
trước hoặc nhận biết trong quá trình làm việc.
Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về
hoạt động của bản thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường, đối tượng
mà Robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu).
1.3. Tính cần thiết của việc ứng dụng thiết bị di trượt dùng cho robot.
Do yêu cầu của việc nâng cao năng suất và chất lượng sản xuất, robot ngày
càng được ứng nhiều trong các ngành công nghiệp. Tuy nhiên, việc ứng dụng robot
gặp khó khăn là vùng hoạt động của robot bị hạn chế, đặc biệt là khi gia công các
chi tiết có kích thước lớn. Thiết bị di trượt có tác dụng dịch chuyển robot với một
khoảng cách khá lớn (có thể đến 3-20m), nhờ đó sẽ mở rộng vùng làm việc của
robot cũng như nâng cao tính linh hoạt và phạm vi ứng dụng cho robot công nghiệp.
Vì vậy việc ứng dụng thiết bị di trượt dùng cho robot là rất cần thiết .
16
Hình 1.3 : Thiết bị di trượt ứng dụng trong robot hàn
17
1.4 Tổng kết chương I:
Toàn bộ nội dung chương I đã hoàn thành được các nội dung sau:
Tìm hiểu lịch sử sự ra đời và phát triển Robot công nghiệp hiện nay robot công
nghiệp trên thế giới .
Phân tích được ứng dụng của robot trong công nghiệp hiện nay.
Tìm hiểu lịch sử phát triển robot công nghiệp tại Việt nam.
Phân tích các cơ cấu, bộ phận cấu thành hệ thống robot công nghiệp.
Phân tích các tính chất công nghệ và đi đến kết luận về tính cấp thiết của công
việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị di trượt dùng cho robot.
18
CHƯƠNG 2:TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA THIẾT BỊ
DI TRƯỢT CHO ROBOT
2.1. Dữ liệu đầu vào để thiết kế thiết bị di trượt.
Hành trình di chuyển : 3000 (mm)
Tải trọng có ích: 200 kg.
Tốc độ tối đa: 15 (m/ph)
Dẫn động: động cơ servo xoay chiều.
Truyền động: Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh, bộ truyền bánh răng-thanh
răng, thanh dẫn hướng của hãng HIWIN
2.2 Mô hình của thiết bị di trượt :
Hình 2.1 Sơ đồ động học của thiết bị di trượt
19
Các bộ phận của thiết bị di trượt:
- Động cơ : Dùng để truyền chuyển động cho hộp giảm tốc, truyền động cho hệ
thống bánh răng – thanh răng để dịch chuyển thiết bị trên ray dẫn hướng (con lăn
đỡ).
- Hộp giảm tốc: Dùng để điều chỉnh tốc độ từ tốc độ của động cơ xuống tốc độ
tính toán để truyền chuyển động cho thanh răng – bánh răng .
- Đế trượt robot: Đế rôbôt được thiết kế gồm các tấm thép hàn lại với nhau. Mặt
bích trên của đế rôbôt được khoan lổ để đặt với rôbôt.
- Ray dẫn hướng ( con lăn đỡ): Dùng để dẫn hướng chuyển động cho của thiết
bị di trượt.
- Bộ truyền bánh răng- thanh răng: Dùng để truyền chuyển động quay của
motor – hộp giảm tốc thành chuyển động tịnh tiến của thiết dị di trượt.
2.3 Tính chọn động cơ và hộp giảm tốc cho thiết bị di trượt.
Theo như các phân tích lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc cho ta thấy động cơ
của hãng YASKAWA và hộp giảm tốc của hãng KUKEN thích hợp cho thiết bị di
trượt. Do vậy ta sẽ tính toán, lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc cho thiết bị di trượt
trong phạm vi cataloge động cơ của hãng YASKAWA và hộp giảm tốc của hãng
KUKEN.
2.3.1 Tính chọn hộp giảm tốc cho thiết bị di trượt
Tmax ≤ TP
Hộp giảm tốc được chọn phải thỏa mãn: N m ≤ N m*
T ≤ T
m n
Trong đó:
T max : Mômen lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc.
N m : Số vòng quay định mức ở đầu ra hộp giảm tốc.
T m : Mômen trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc.
T p ; N m* ; T n là các giá trị tương ứng của hộp giảm tốc được chọn.
Dựa vào động cơ và hộp giảm tốc được chọn trong các thiết bị di trượt tương
đương của các hãng trên thế giới, ta chọn động cơ có số vòng quay là 3000
20