BaiThamLuan HN SVNCKH taymaykhinen

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM TRUYỀN
ĐỘNG BẰNG KHÍ NÉN ỨNG DỤNG CHO DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG

Nguyễn Thị B*, Nguyễn Văn A*

*Viện Kỹ thuật HUTECH, trường Đại học Cơng nghệ TP.HCM (HUTECH)

TĨM TẮT
Đề tài nghiên cứu và chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng khí nén phục vụ trong các
dây chuyền sản xuất tự động. Tay máy thay thế cho con người trong hệ thống sản xuất, giúp nâng cao độ
tin cậy, năng suất của dây chuyền, và giảm thiểu tai nạn lao động. Tay máy có 3 bậc tự do. Tay máy gồm
3 chuyển động lần lượt là xoay, trượt, trượt. Mỗi chuyển động được truyền động bằng xylanh khí nén.
Hoạt động tự động của tay máy được điều khiển bằng chip vi điều khiển ATMega. Tay máy sau khi được
tính tốn, thiết kế, chế tạo đã được lắp ráp và có thể hoạt động tốt.
1. GIỚI THIỆU
Tay máy gắp sản phẩm được sản xuất nhiều trên thế giới và giá thành khá cao, vì thế đề tài này
thực hiện việc thiết kế và chế tạo tay máy với giá thành thấp hơn rất nhiều và chủ động phát triển công
nghệ trong nước Việt Nam.
Tay máy robot được nghiên cứu và ứng dụng trong các dây chuyền tự động [1-8]. Ưu điểm của tay
máy là khả năng định vị chính xác, lặp lại chính xác và có thể thay đổi chương trình cho phù hợp với
dòng sản phẩm mới trong dây chuyền sản xuất. Tuỳ theo mỗi ứng dụng cụ thể, kết cấu cơ khí robot, các
cảm biến trang bị, chương trình được thiết kế tương ứng phù hợp. Trong các ứng dụng gắp đặt đơn giản,
tay gắp robot truyền động bằng khí nén được sử dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm dễ chế tạo, đáp ứng
nhanh, đơn giản và giá thành rẻ phù hợp ứng dụng đơn giản [5-7]. Có nhiều kiểu thiết kế cấu trúc cơ khí
tay gắp robot được nghiên cứu và trình bày trong tài liệu [3]. Tay gắp 3 bậc tự do có vùng khơng gian làm
việc là khối hình hộp hoặc cấu trúc kiểu toạ độ trụ. Tuỳ mỗi ứng dụng mà cấu trúc cơ khí được thiết kế
cho phù hợp [3].
Hướng nghiên cứu và chế tạo tay máy khí nén gắp sản phẩm được nghiên cứu nhiều trong các
trường đại học và ứng dụng cho các dây chuyền ép nhựa tại công ty sản xuất các sản phẩm nhựa. Chế tạo,
điều khiển tay máy sản phẩm nhựa bằng PLC, kết hợp truyền động bằng điện và khí nén được thực hiện
bởi nhóm nghiên cứu của TS. Lê Hoài Quốc tại ĐH Bách Khoa TP.HCM năm 2003. Chế tạo và điều

khiển bằng PLC tay gắp sản phẩm nhựa được thực hiện tại trường ĐH Bách Khoa do ThS Võ Anh Huy
chủ trì năm 2002. Năm 2007, đề tài “Ứng dụng camera trong điều khiển tay máy gắp sản phẩm nhựa”
đoạt giải ba giải thưởng Vifotec năm 2006, giải ba giải thưởng SV nghiên cứu khoa học của Bộ Giáo dục
- đào tạo do TS Bùi Thanh Luân hướng dẫn.


2. THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Định hướng ứng dụng của tay máy dùng để gắp những thành phẩm trong sản xuất công nghiệp như
các sản phẩm được làm ra từ khuôn nhựa, sản phẩm sau khi được đúc sẽ được tay máy gấp và chuyển trực
tiếp vào thùng chứa. Cánh tay robot được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cơng nghiệp, nó giúp giảm bớt
việc sử dụng sức lao động của con người vào quá trình sản xuất, năng cao năng suất và hiệu quả của công
việc.
Nguyên lý hoạt động: tay máy 3 bậc tự do được truyền động bằng 3 xylanh khí nén (xem hình 1):
xylanh 8, xylanh 7, xylanh 9. Xylanh 9 duỗi ra truyền động khung 2 xoay quanh trục 4. Xylanh 7 duỗi ra
đưa bộ phận tay kẹp tác động cuối đi xuống. Xylanh 8 điều khiển cụm xylanh 7 di chuyển qua trái - phải.
Chuyển động của 3 xylanh này được điều khiển bằng 3 van khí nén tác động bằng cuộn từ. Sơ đồ mạch
khí nén được thể hiện trong hình 2 (Phải). Một ứng dụng điển hình gắp sản phẩm được thể hiện trong biểu
đồ trạng thái hoạt động của hệ thống như hình 2 (Trái). Kích thước bao của tay gắp theo chiều dài x rộng
x cao lần lượt là 485 x 160 x 563 (mm)

Hình 1 Bản vẽ lắp tay máy robot

Hình 2. Biểu đồ trạng thái, bảng tín hiệu, mạch khí nén điều khiển các xilanh của tay máy
Sơ đồ khối kết nối hệ thống của tay máy được thể hiện trong hình 3. Cụm nguồn cung cấp điện
cho toàn bộ hệ thống hoạt động, bộ điều khiển Arduino bật tắt các relay tương ứng để đóng ngắt các valve
khí nén điều khiển hoạt động của cơ cấu chấp hành là 3 xylanh khí nén.


Hình 3 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển
Kết cấu tay máy được thiết kế 3D sử dụng phần mềm Solidwork. Hình 4 mơ tả mơ hình 3D của

tay máy.

Hình 4. Hình thiết kế 3D của tay máy (ví dụ minh hoạ)
3. KẾT QUẢ THI CÔNG SẢN PHẨM TAY MÁY ROBOT: GIA CƠNG, LẮP RÁP, LẬP TRÌNH
Kết quả gia công chế tạo là sản phẩm thực tế như thể hiện trong hình 5. Vật liệu chế tạo các chi
tiết cơ khí là thép.


Hình 5. Hình ảnh thực tế của tay máy hồn chỉnh (ví dụ minh hoạ)
Chi tiết kết nối đầu giữa mạch Arduino và mạch module relay như sau: Modul relay 8 kênh (kích
mức 0). Chân VCC relay được nối với chân 5 V của Arduino. Chân GND của relay nối với chân GND của
Arduino. Các chân để xuất tín hiệu điều khiển từ mạch Arduino sang Module relay được sắp xếp theo thứ
tự như sau (Hình 6,7):

Hình 6. Cấu trúc vi điều khiển Arduino Mega 2560


Hình 7. Kết nối vi điều khiển và relay
Chân số 13 của Arduino nối với chân IN1 của Module relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 1
Chân số 12 của Arduino nối với chân IN2 của Module relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 1
Chân số 11 của Arduino nối với chân IN3 của Module relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 2
Chân số 10 của Arduino nối với chân IN4 của Module relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 2
Chân số 9 của Arduino nối với chân IN5 của Module relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 3
Chân số 8 của Arduino nối với chân IN6 của Module relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 3
Chân số 7 của Arduino nối với chân IN7 của Modul relay để điều khiển cuộn coid 1 Valve số 4
Chân số 6 của Arduino nối với chân IN8 của Modul relay để điều khiển cuộn coid 2 Valve số 4
Chương trình điều khiển hoạt động của tay máy được viết dựa trên ngơn ngữ lập trình C trên máy
tính. Sau đó nạp vào chip vi điều khiển. Chương trình trong chip vi điều khiển vận hành hoạt động của tay
máy.

5. KẾT LUẬN
Đề tài này thực hiện việc tính tốn, thiết kế và chế tạo tay máy gắp sản phẩm truyền động bằng
khí nén. Tay máy có 3 bậc tự do, mỗi một bậc tự do được truyền động bằng 1 xylanh khí nén. Hoạt động
của tay máy được điều khiển mạch Arduino (chip vi điều khiển ATmega). Tay máy sau khi được chế tạo
và lắp ráp đã hoạt động đúng yêu cầu thiết kế. Tốc độ chuyển động có thể điều chỉnh được cho phù hợp
với từng ứng dụng trong công nghiệp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. M. VukobratovićD. Stokić, Application of robots in assembly automation, Journal of Robotics and
Computer-Integrated Manufacturing, Volume 4, Issues 1-2, 1988, Pages 175-180.
2. KeshengWangTerje K.Lien , The structure design and kinematics of a robot manipulator—I. Theory,
Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 5, Issues 2–3, 1989, Pages 153-158
3. Craig, J.J., "Introduction to Robotics, Mechanics and Control", 2^ Edition, AddisonWesley, 1989
4. Sciavicco, L., and Siciliano, B., "Modeling and Control of Robot Manipulators"-2nd Edition, McGrawHill, 1996.
5. Mohd Aliff, Shujiro Dohta, Tetsuya Akag,i Hui Li, Development of a Simple-structured Pneumatic
Robot Arm and its Control Using Low-cost Embedded Controller, Sciencedirect, Procedia Engineering,
Volume 41, 2012, Pages 134-142


6. S. Maeda, N. Tsujiuchi, T. Koizumi, M. Sugiura and H. Kojima, "Development and control of
pneumatic robot arm for industrial fields," IECON 2011 - 37th Annual Conference of the IEEE Industrial
Electronics Society, Melbourne, VIC, 2011, pp. 86-91.
7. G. Carducci Mario, Massimo Foglia ,Angelo Gentile ,Nicola Ivan, Giannoccaro A. Messina,
“Pneumatic robotic arm controlled by on-off valves for automatic harvesting based on vision localization”
,January 2005
8. Swapnil Gurav, Chetan Bagul, Rahul Ramole, Pukhraj Patil, 5 Prof. Sneha Bire , “ Review on design
and fabrication of pneumatic gripper for material handling”, Feb 2008.
9. Milind R. Shinde, V. N. Bhaiswar, B. G. Achmare ,“Designing a suitable robotic arm for loading and
unloading of material on lathe machine using workspace simulation software” ,Jan-2016
10. S. Premkumar,a, K.Surya Varman,b, R.Balamurugan, “Design and Implementation of multi handling
Pick and Place Robotic Arm”, March 2016.

11. Rakesh.N, Pradeep Kumar.A, Ajay.S, Design and Manufacturing of Low Cost Pneumatic Pick And
Place Robot, International Journal of Scientific & Technology Research Volume 2, Issue 8, August 2013
12. M. Kostadinović, M. Stojčev, Z. Bundalo and D. Bundalo, 2010. ‘Simulation model of DC servo
motor control,’ Proceedings of 14th Int. Power Electronics and Motion Control Conf. EPE-PEM, Ohrid,
pp: T7-10 -T7-14.
13. Wang Z., Chen Z., Zhang J. 2012. ‘Servo Motor Position Control Based on DSP,’ In: Zhang T. (eds)
Mechanical Engineering and Technology Advances in Intelligent and Soft Computing, vol 125. Springer,
Berlin, Heidelberg.
14. M. Md Kamal and N. Mamat, 2009. ‘Controller design for servo motor,’ IEEE Symposium on
Industrial Electronics & Applications, Kuala Lumpur, pp. 926-929.
15. Mạch vi điều khiển Arduino Mega: />