Luận văn máy ép nhựa

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Trong chương này, em sẽ tìm hiểu tổng quan về máy ép nhựa và tay máy sử dụng
trong ngành nhựa.
1.

Tổng quan về máy ép nhựa:
Các công nghệ mà Việt Nam sử dụng để sản xuất các sản phẩm nhựa bao gồm:

Công nghệ phun ép (Injection technology): công nghệ này được sử dụng để làm ra
các thành phần nhựa và phụ tùng cho các thiết bị điện tử, điện lực, xe máy và ngành công
nghiệp ô tô. Theo các chuyên gia công nghiệp, có khoảng 3000 loại thiết bị phun ép tại
Việt Nam.
Công nghệ đùn-thổi (Blow-Extrusion technology): đây là công nghệ thổi màng, sản
xuất ra các loại vật liệu bao bì nhựa từ màng, dùng trong các công nghệ thổi túi PE, PP và
màng (cán màng PVC). Hiện nay, nhiều doanh nghiệp nhựa sử dụng công nghệ đùn thổi
bằng nhiều thiết bị nhập từ các nước, nhiều thế hệ để sản xuất các sản phẩm bao bì nhựa.
Công nghệ sản xuất nhựa sử dụng thanh profile (Profile technology): ở Việt Nam,
công nghệ này được sử dụng để làm các sản phẩm như: ống thoát nước PVC, ống cấp
nước PE, ống nhôm nhựa, cáp quang, cửa ra vào PVC, khung hình, tấm lợp, phủ tường,
v.v…
Theo yêu cầu đặt ra, đề tài chỉ tập trung vào công nghệ phun ép và máy ép nhựa
phun. Dù một máy ép phun hiện đại đến đâu cũng cần một loạt các thiết bị phụ trợ khác
nhau như: hệ thống cung cấp vật liệu thô, trang thiết bị vận chuyển khuôn, thiết bị gá và
kẹp chặt khuôn, hệ thống vận chuyển sản phẩm,…
Phân loại máy ép nhựa phun:
• Theo

loại nhựa: ta có máy ép nhựa nhiệt dẻo và máy phun nhựa nhiệt rắn,


• Theo

hình dáng máy: máy ép phun được chia thành máy phun nhựa thẳng đứng và

máy

a)

phun

nhựa

nằm

ngang,

b)

Hình 1.1: máy ép nhựa phun: (a) máy ép trục đứng, (b) máy ép nằm ngang
• Theo
• Theo

vít,

hệ thống kẹp: được chia thành hệ thống kẹp thủy lực và hệ thống kẹp cơ,
hệ thống phun: ta có máy ép phun dạng pittông và máy ép phun dạng trục


Hình 1.2: các bộ phận của máy ép nhựa phun
Máy ép nhựa phun có cấu tạo chung gồm 2 phần: cụm phun và cụm kẹp.
Cụm phun: có chức năng nung chảy và đồng hóa vật liệu nhựa, trữ vật liệu nhựa

trong buồng trục vít, phun nhựa vào lòng khuôn và duy trì áp suất ép.
Cụm kẹp: có chức năng giữ hai nửa của khuôn ở vị trí liên kết tốt với nhau, giữ chặt
khuôn suốt quá trình phun bằng việc giữ lực kẹp đủ lớn để chống lại lực phun, mở và
đóng khuôn đúng thời điểm.
Cụm kẹp bao gồm hai tấm, tấm cố định và tấm di động cùng cơ cấu để dịch chuyển
tấm động. Cơ cấu này hoạt động nhờ pittông thủy lực hoặc thiết bị cơ khí nhiều loại khác
nhau. Cụm kẹp có ba dạng thiết kế: kẹp dùng cơ cấu đòn khuỷu, cơ cấu thủy lực và cơ
thủy lực kết hợp.
Kẹp dùng cơ cấu đòn khuỷu: có cấu tạo như hình 1.3:


Hình 1.3: kẹp dùng cơ cấu đòn khuỷu
Cơ cấu bao gồm: một xylanh tác động sẽ đẩy chạc chữ thập về phía trước, kéo dãn
các thanh truyền đưa tấm động vào vị trí đóng khuôn. Tại thời điểm bắt đầu chuyển động,
sự lợi về cơ thấp và tốc độ thì cao nhưng đến cuối hành trình thì ngược lại, do đó kẹp
dùng cơ cấu đòn khuỷu cho ta tốc độ cao và lực kẹp lớn tại những thời điểm khác nhau
của chu kỳ khi mong muốn. Xylanh tác động dùng thủy lực có thể thay thế bằng vitme bi
dẫn động bởi motor điện. Cụm kẹp dùng cơ cấu đòn khuỷu thích hợp cho những máy ép
phun tải trọng tương đối thấp.
Kẹp dùng cơ cấu thủy lực: dùng trong các máy ép nhựa phun có tải trọng lớn hơn cơ
cấu dùng đòn khuỷu, dạng này cũng linh động hơn trong việc cài đặt tải tại những vị trí
khác nhau trong hành trình dịch chuyển. Cơ cấu được minh họa trong hình 1.4:


Hình 1.4: kẹp dùng cơ cấu thủy lực
Ngoài ra còn cơ cấu kẹp kếp hợp cơ – thủy lực trong những máy ép có tải trọng lớn.
Nguyên tắc hoạt động của máy ép nhựa phun: nhựa nóng chảy ở nhiệt độ nhất định
và áp suất cao được đưa vào khuôn bằng vít đùn, chúng được định hình và làm nguội.
Sau quá trình làm lạnh, sản phẩm sẽ được đưa ra ngoài, việc này được làm bởi công nhân
hoặc tay máy tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm cũng như khả năng kết hợp máy ép nhựa

với các thiết bị khác.
2. Tổng quan về tay máy:
Tay máy là một dạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ
bản của cánh tay người. Đó là tập hợp các kết cấu cơ khí được thiết kế để hình thành các
khối có chuyển động tương đối với nhau, được gọi là các khâu động. Trong đó phần liên
kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay còn gọi là các trục. Tay máy cũng
bao gồm cả các cơ cấu tác động là các phần tử thực hiện các chuyển động để vận hành
tay máy như động cơ điện, xylanh dầu ép, xylanh khí nén… Phần quan trọng trên các tay
máy là bộ phận hay khâu tác động cuối để thao tác trên đối tượng làm việc.
Việc ứng dụng tay máy vào sản xuất đã mở ra một xu hướng mới cho nền công
nghiệp hiện đại, góp phần rất lớn vào việc tăng năng suất cho dây chuyền công nghệ, cải
thiện điều kiện làm việc thậm chí thay thế con người trong các công việc nguy hiểm, môi
trường phóng xạ, hay các công việc có tính chất lập lại liên tục dễ gây mệt mỏi cho con
người.
Ngành nhựa ở nước ta trong những năm gần đây phát triển rất mạnh, với những sản
phẩm đa dạng về mẫu mã cùng chất lượng ngày càng nâng cao đáp ứng được nhu cầu
tiêu dùng của người dân. Tuy nhiên, các máy móc thiết bị sử dụng tại nước ta chủ yếu là
nhập khẩu từ nước ngoài về, do đó chi phí đầu vào khá cao, một số sản phẩm làm ra
không đủ sức cạnh tranh với hàng hóa nước ngoài, do vậy thời gian gần đây có rất nhiều
nghiên cứu về máy móc ngành nhựa phục vụ trực tiếp sản xuất trong nước.
Hiện nay, việc lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở các công ty nhựa tại Việt Nam chủ yếu
do con người thực hiện, công việc này tuy đơn giản nhưng lập lại liên tục (trung bình 3
lần/ 2 phút) rất dễ gây mệt mỏi cho người công nhân, ảnh hưởng rất lớn tới năng suất,
đồng thời giảm chất lượng sản phẩm (sản phẩm dễ bị lỗi nếu sản xuất không liên tục).
Nếu đưa tay máy vào công đoạn này sẽ rút ngắn rất nhiều thời gian sản xuất 1 sản phẩm
nhựa, đồng thời việc sản xuất diễn ra liên tục hơn, sản phẩm đạt chất lượng tốt hơn. Trên
thế giới, việc này không còn mới mẻ nhưng tại nước ta, đây vẫn là vấn đề đang ứng dụng
trong giai đoạn ban đầu, khó khăn chính là máy móc chưa được nghiên cứu nghiêm túc
đồng thời còn thiếu đội ngũ kỹ thuật chuyên về lĩnh vực này. Nếu ứng dụng được tay
máy vào sản xuất thì sẽ mang lại hiệu quả rất lớn đối với ngành nhựa nước ta.

Phân loại tay máy: có nhiều cách phân loại tay máy khác nhau như sau:
• Phân

loại theo kết cấu: người ta chia ra thành các loại tay máy sau:


Tay máy tọa độ vuông góc: là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo
phương của các trục tọa độ vuông góc. Ứng dụng chính của tay máy dạng này là các thao
tác vận chuyển vật liệu, sản phẩm, đúc, dập,… Ưu điểm của loại tay máy này là không
gian làm việc lớn, nếu gắn trên trần sẽ dành được diện tích sàn lớn cho các công việc
khác, hệ điều khiển đơn giản. Tuy nhiên việc duy trì vị trí của cơ cấu dẫn động và các
thiết bị điều khiển điện đối với tay máy loại này gặp nhiều trở ngại.

Hình 1.5: sơ đồ tay máy hoạt động trong hệ tọa độ vuông góc
Tay máy tọa độ trụ: trong ba chuyển động định vị, tay máy được bố trí hai chuyển
động tịnh tiến và một chuyển động quay. Ưu điểm của tay máy dạng này là chúng có khả
năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất, cấu trúc theo chiều dọc của
máy tạo nhiều khoảng trống cho mặt bằng, kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn.
Tuy nhiên tay máy dạng này bị giới hạn tiến về phía trái và phía phải do kết cấu cơ khí và
kích cỡ cơ cấu tác động theo chiều ngang.

Hình 1.6: sơ đồ tay máy hoạt động trong hệ tọa độ trụ
Tay máy tọa độ cầu: là loại tay máy đước bố trí có ít nhất hai chuyển động quay
trong ba chuyển động định vị.


Hình 1.7: sơ đồ tay máy hoạt động trong hệ tọa cầu
Tay máy toàn khớp bản lề và SCARA: loại cấu hình dễ thực hiện nhất được ứng
dụng cho tay máy là dạng khớp nối bản lề và kế đó là dạng ba trục thẳng, gọi tắt là
SCARA( Selective Compliance Articulated Robot Actuator).

Hình 1.8: sơ đồ động tay máy dạng SCARA
Tay máy dạng này tuy chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn, về mặt
hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo phương thẳng đứng
là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu gắp và đặt chi tiết theo
phương thẳng đứng.
• Phân

loại theo hệ thống truyền động: người ta chia thành các dạng phổ biến sau:

Hệ truyền động điện: dùng động cơ điện một chiều hoặc động cơ bước, loại này có
kết cấu nhỏ gọn, có thể áp dụng các giải thuật điều khiển phức tạp nhằm tăng độ chính
xác.
Hệ truyền động thủy lực: có thể đạt công suất cao, đáp ứng điều kiện làm việc
nặng. Tuy nhiên kết cấu thủy lực cồng kềnh, độ phi tuyến lớn, khó xử lý khi điều khiển.
Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ do không cần dẫn ngược lại nhưng
phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ làm việc với công suất trung bình và nhỏ,
kém chính xác, thích hợp với các tay máy hoạt động theo chương trình định sẵn với các
thao tác đơn giản “nhấc lên – đặt xuống”.
• Phân

loại theo ứng dụng: dựa vào ứng dụng của tay máy vào sản xuất ta có tay
máy sơn, hàn, vận chuyển phôi, lắp ráp, …


• Phân

loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển: ta có tay máy
điều khiển vòng hở và tay máy điều khiển vòng kín, sử dụng cảm biến, mạch
phản hồi để tăng độ chính xác, tính linh hoạt của tay máy.

Ngoài ra còn có các cách phân loại khác nhau tùy theo quan điểm và mục đích
nghiên cứu.
Tay máy sử dụng trong máy ép nhựa có hai loại: loại nằm ngang và loại đứng. Tùy
theo khả năng tải trọng và không gian làm việc, cấu tạo của vật gắp mà tay máy có kết
cấu phù hợp.
Hiện nay có rất nhiều công ty trên thế giới sản xuất tay máy phục vụ máy ép nhựa
với nhiều dạng khác nhau. Hình 1.9 minh họa một số loại tay máy gắp nhựa trên thị
trường:

a)

b)


c)

d)
Hình 1.9: một số loại tay máy gắp nhựa trên thị trường

a. tay máy công ty APEX, (b) tay máy HOP Five 550X, (c) tay máy MX công ty
CONAIR, (d) tay máy với 2 tay gắp.
Tại Việt Nam hiện nay, đã có những công ty, cá nhân nghiên cứu về máy ép nhựa
cùng các thiết bị hỗ trợ cho việc sản xuất sản phẩm nhựa.
Tháng 5 năm 2009, nhóm nghiên cứu của Công ty Tân Kỷ Nguyên (Q.5, TP.HCM)
và Trung tâm nghiên cứu ứng dụng (Sở Khoa Học Công Nghệ -TP.HCM) đã công bố sản
phẩm “Máy ép nhựa dưới 300 tấn và tay máy lấy sản phẩm”. Đây là máy ép nhựa dạng
ép phun và tay máy lấy sản phẩm kèm theo máy đầu tiên được nghiên cứu thiết kế, chế
tạo thành công ở trong nước. Máy ép nhựa này dùng trong sản xuất các loại bao bì chai
nhựa, sản phẩm nhựa gia dụng, và các sản phẩm nhựa cao cấp trong lĩnh vực điện gia

dụng, điện tử... Tay máy lấy sản phẩm bao gồm: kiểu xoay tay nghiêng một tay gắp (kết
nối với máy ép nhựa 80 - 150 tấn, sai số trong khoảng 1 mm); kiểu đi ngang 4 bậc tự do
điều khiển bằng servo và khí nén, 1 và 2 tay gắp (kết nối với máy ép nhựa từ 150, 220
đến 300 tấn).
Một sản phẩm phải kể đến là của công ty Suno, được rất nhiều người biết từng có
"duyên nợ" với Robocon, là robot có chức năng gắp các sản phẩm từ máy ép nhựa, hệ
thống hoạt động linh hoạt với nhiều chế độ. Sau khi thành công trong cuộc thi Robocon,
không bỏ phí chất xám, BKPro đã tiếp tục thực hiện đề tài này thành nghiên cứu khoa
học cấp Thành Phố (chủ nhiệm đề tài: KS.Lưu Anh Tiến) do Trung tâm Neptech - Sở
KHCN TP.HCM chủ trì, thuộc chương trình Robot công nghiệp TP.HCM.
Đến nay, nhiều công xưởng, nhà máy đã sử dụng robot của BKPro nhằm tiết kiệm
nguồn nhân lực, tiết kiệm được lượng chi phí không nhỏ trong sản xuất. Và theo các
chuyên gia đánh giá, nhu cầu tay máy lấy sản phẩm nhựa trong các doanh nghiệp ở nước
ta hiện nay rất lớn. Các công ty như công ty chuyên sản xuất vỏ ti vi, Show PLA tại khu
công nghiệp Biên Hòa II, sử dụng hàng chục tay máy lấy sản phẩm cùng loại hoặc công
ty nhựa Chợ Lớn chuyên sản xuất xe đồ chơi trẻ em đã nhập khẩu khoảng 25 tay máy lấy
sản phẩm nhựa các loại.


Hình 1.10: bộ điều khiển tay máy nhiều chế độ của Suno
Nhiệm vụ đề tài thực hiện là tìm hiểu nguyên lý hoạt động, thiết kế, điều khiển tay
máy phục vụ máy ép nhựa dưới 180 tấn theo mô hình có sẵn của công ty Harmo series
EX-III.
Các chương tiếp theo sẽ lần lượt giải quyết các nhiệm vụ sau:
• Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế,
• Tính toán, thiết kế tay máy,
• Mô phỏng không gian làm việc,
• Xây dựng giải thuật, viết chương trình điều
• Thực nghiệm trên mô hình.

khiển,

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Trong chương này, em sẽ phân tích, lựa chọn phương án thiết kế về: bậc tự do, bộ
điều khiển, nguồn dẫn động, dạng điều khiển của tay máy, tay gắp cùng với cách bố trí
không gian làm việc của tay máy.
1.

Bậc tự do của tay máy:

Số bậc tự do hay bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập
của nó trong không gian hoạt động. Để nâng cao độ linh hoạt, tay máy phải có số bậc
chuyển động cao. Tuy nhiên, số bậc chuyển động này không nên quá 6, vì với 6 bậc này,
nếu bố trí hợp lí sẽ đủ tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối
nhằm có thể tiếp cận đối tượng thao tác theo mọi hướng. Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn
6 sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn.
Em sẽ thiết kế tay máy thực hiện những chuyển động sau:


• Chuyển

động từ bên ngoài vào bên trong khu vực khuôn và ngược lại, dùng khớp
loại 5 là khớp quay hoặc tịnh tiến,
• Chuyển động tịnh tiến lấy sản phẩm ra khỏi khuôn,
• Chuyển động đưa sản phẩm ra khỏi máy ép nhựa, thả sản phẩm ra bộ phận chứa
đựng,
• Chuyển động xoay sản phẩm trước khi thả sản phẩm ra bên ngoài đối với một số
loại sản phẩm nhất định, dùng khớp quay cho bậc tự do này.
Như vậy tay máy sẽ có ba hoặc bốn bậc tự do, tuy nhiên bậc tự do thứ tư không

thực sự cần thiết, đồng thời nhầm đơn giản hóa thuật toán điều khiển nên em sẽ thiết kế
tay máy có ba bậc tự do, gồm hai khớp tịnh tiến và một khớp quay và được thiết kế theo
trình tự R-T-T.
2. Bộ điều khiển:
Bộ điều khiển tay máy thường cấu thành từ các bộ phận cơ bản tương tự như máy
tính bao gồm bộ xử lí trung tâm, bộ nhớ và bộ xuất/ nhập kết hợp với màn hình để hiển
thị các lệnh khi lập trình và đồng thời theo dõi sự thay đổi các khâu trong quá trình
chuyển động.
Bộ điều khiển của hệ thống tay máy bao gồm: các cơ cấu cơ khí bên trong tay máy,
dùng thiết lập vị trí chính xác và các thiết bị bên ngoài xử lý và truyền dẫn tín hiệu tác
động cho các cơ cấu tác động.

Hình 2.1: sơ đồ khối hệ thống điều khiển tay máy với các công tắc hành trình
Bộ điều khiển bao gồm các thành phần sau:


• Các

3.

cử chặn hạn chế hành trình, bao gồm loại cố định và có thể điều chỉnh vị trí,
nhằm phục vụ cho các loại máy ép nhựa khác nhau về tải trọng cũng như sản
phẩm,
• Các công tắc hạn chế hành trình,
• Logic khí nén và các phần tử logic khí nén,
• Bộ điều khiển lập trình (PLC – Programmable Logic Controller) làm nhiệm vụ
điều khiển chuyển động của tay máy, giám sát các cảm biến và hiển thị các đèn
chỉ thị.
Nguồn dẫn động:

Trong phần này sẽ phân tích ưu, nhược điểm của từng loại nguồn dẫn động, qua đó
lựa chọn nguồn dẫn động cho hệ thống.
1. Nguồn dẫn sử dụng truyền động thủy lực:
Ưu điểm:
• Lực nâng lớn,
• Tốc độ chạy êm,
• Dầu ép không nén được, nên các khớp tay máy có thể khóa cứng ở 1 vị trí xác
định,
• Tự bôi trơn và tự làm nguội,
• Đáp ứng nhanh,
• Hoạt động có thể dừng quá tải không làm hư hỏng hệ thống.
Nhược điểm:
• Chi phí cho 1 hệ thống dầu ép thường khá cao,
• Không thích hợp cho cơ cấu quay với tốc độ nhanh,
• Cần có đường xả dầu về bể,
• Khó giảm kích thước hệ thống do áp suất và tốc độ dầu cao,
• Chiếm diện tích mặt bằng nhiều hơn các nguồn dẫn động khác.
2.
Nguồn dẫn sử dụng truyền động khí nén:
Ưu điểm:
• Đây là loại dẫn động có chi phí thấp nhất,
• Trang bị đơn giản và dễ điều khiển,
• Việc thiết kế và lắp đặt loại tay máy này khá đơn giản,
• Khí thải không gây ô nhiễm môi trường,
• Cơ cấu tác động có thể dừng mà không hư hỏng.
Nhược điểm:
• Khí xả gây ồn,
• Khí bị rò rỉ gây trở ngại cho hệ thống,
• Cần có bộ lọc làm khô nguồn khí nén,
• Khó điều khiển tốc độ.

3. Nguồn dẫn sử dụng truyền động điện cơ:
Ưu điểm:


• Cơ cấu tác động nhanh và chính xác,
• Giá thành không cao,
• Nhiều động cơ có moment quay cao,

trọng lượng giảm và thời gian đáp ứng

nhanh.
Nhược điểm:
• Bản chất đã là tốc độ cao,
• Khe hở bộ truyền bánh răng làm giảm độ chính xác,
• Gây quá nhiệt khi hệ thống bị dừng hoạt động do quá tải,
• Cần phải có thắng để ghim vị trí các khớp.
Ngoài các dạng truyền động trên, còn có dạng truyền động hỗn hợp sử dụng ưu
điểm của các loại truyền dẫn trên một cách hợp lí vào từng khớp chuyển đông nhằm đáp
ứng yêu cầu của tay máy trong trường hợp cụ thể.
Trong đề tài này, các khâu em thiết kế chỉ cần đáp ứng điều khiển ở cuối hành trình,
hoạt động với 2 vị trí, không cần đạt chế độ điều khiển tỉ lệ, và quan trọng không cần
tăng hay giảm tốc nên em sẽ sử dụng truyền động dạng khí nén.
4.
Dạng điều khiển:
Dựa trên cách thức mà bộ điều khiển kiểm soát đường dẫn hay quỹ đạo trong dịch
chuyển của các khâu trên tay máy, việc điều khiển tay máy chia thành các dạng sau:
• Hệ điều khiển rời rạc hay điều khiển theo điểm
• Hệ điều khiển theo đường dẫn liên tục
Bộ điều khiển sẽ thông qua đường dẫn để hướng dụng cụ công nghệ đi qua các
điểm lập trình trong quỹ đạo tay máy.

Các kiểu đường dẫn cơ bản như sau:
• Đường

dẫn từng đoạn: kiểu điều khiển không có sự phản hồi sử dụng các cử chặn
và công tắc hành trình, số điểm lập trình cho từng trục là 2, ứng với điểm đầu và
điểm cuối trên hành trình của trục.
• Đường dẫn theo điểm: khi lập trình, người vận hành sử dụng panen điều khiển di
chuyển độc lập từng trục của tay máy đi qua các điểm phải đi qua trong chương
trình công nghệ. Khi đi qua 1 điểm, người lập trình lưu lại tọa độ điểm đó trong
bộ nhớ, khi tất cả các điểm đã được đưa vào bộ nhớ, bộ điều khiển sẽ xử lý, tính
toán vị trí tay máy với các tọa độ suy rộng – các dịch chuyển góc và dịch chuyển
thẳng của các trục thay cho tọa độ Descartes. Trong trường hợp này, người sử
dụng chỉ quan tâm đưa khâu tác động cuối đi dến những điểm rời rạc để thực
hiện thao tác mà không quan tâm đến quỹ đạo chuyển động.


Hình 2.2: đường dẫn theo điểm không phối hợp chuyển động giữa các trục (thực hiện
tuần tự)

Hình 2.3: đường dẫn theo điểm phối hợp đồng thời chuyển động giữa các trục
• Đường

dẫn liên tục: là tập hợp của tất cả các điểm nằm kế nhau, trong lập trình
theo điểm, người lập trình đưa tay máy đến vị trí xác định rồi tiến hành lưu tọa
độ, trong lập trình đường dẫn liên tục, người lập trình sử dụng các thiết bị như
bộ lập trình trên thiết bị mô phỏng, lập trình bằng bàn phím để kiểm soát vị trí
của tay máy. Như vậy đối với tay máy điều khiển theo đường dẫn liên tục, các
điểm nhận được trong quá trình huấn luyện trên một đường dịch chuyển được
đưa vào bộ nhớ, sau đó chúng sẽ được đưa ra tuần tự bởi bộ điều khiển cho các
trục của tay máy thực hiện chương trình.

• Đường dẫn điều khiển: là hệ thống điều khiển theo điểm được trang bị thêm khả
năng kiểm soát vị trí của bộ phận công tác, kể cả các điểm trung gian khi tay gắp
dịch chuyển giữa các điểm lập trình. Các lệnh điều khiển giúp bộ điều khiển tính
toán 1 loạt các điểm tạm thời hoặc trung gian giữa vị trí hiện tại với vị trí phải
dịch chuyển đến. Các vị trí trung gian được cấp tuần tự cho bộ điều khiển servo
của từng trục nhờ khối nội suy trong bộ điều khiển. Kết quả giữa 2 điểm lập
trình là đường dẫn thẳng, điều này không phụ thuộc quá nhiều vào sự khéo léo


của người lập trình, đây cũng là 1 lợi điểm của tay máy có đường dẫn điều
khiển.

Hình 2.4: đường dẫn điều khiển
Với yêu cầu tay máy hoạt động có chu kì, mỗi trục có hai điểm cài đặt, điều khiển
không có phản hồi, dùng các công tắc cùng các cử chặn hành trình nên bộ điều khiển em
thiết kế sẽ dùng đường dẫn từng đoạn để hướng tay gắp đi qua các điểm lập trình trong
quỹ đạo tay máy.
5. Tay gắp:
Khi tay máy làm việc, tay gắp sẽ thực hiện các động tác kẹp, di chuyển và thả sản
phẩm ra một vị trí nào đó. Theo chương trình được lập từ trước, bộ điều khiển sẽ cung
cấp tín hiệu tác động vào các nguồn dẫn động để tạo ra các tác động kẹp - nhả.
Tay gắp thường kẹp: sẽ mở ra khi nguồn dẫn động tác động và phục hồi nhờ lò xo
khi ngắt nguồn.
Tay gắp thường mở: sẽ kẹp giữ sản phẩm khi nguồn dẫn động tác động và tự phục
hồi nhờ lò xo khi ngắt nguồn.
Tay gắp có nguồn dẫn động tác động hai chiều: mở ra và kẹp lại chỉ khi có tín hiệu
tác động, với trương hợp này, tay gắp phải có khả năng giữ được chi tiết khi mất nguồn
năng lượng.
Phân loại tay gắp:
Tay gắp dùng động cơ điện,

Tay gắp sử dụng khí nén,
Tay gắp sử dụng thủy lực,
Tay gắp sử dụng chân không,
Tay gắp sử dụng nam châm.
Tay máy thiết kế trong đề tài này sử dụng nguồn dẫn động khí nén nên em sẽ sử
dụng tay gắp dùng khí nén để chủ động trong việc cấp nguồn và đơn giản hóa hệ thống
(không cần cấp thêm nguồn mới).


6. Cách bố trí tay máy trên máy ép nhựa:
Có hai cách bố trí tay máy trên máy ép nhựa như sau: hoặc tay máy nằm hai bên
hoặc nằm phía trên máy ép nhựa.
Đối với tay máy được bố trí 2 bên máy ép nhựa sẽ chiếm thêm diện tích mặt bằng
nên em sẽ bố trí tay máy phía trên.

Hình 2.5: cách bố trí tay máy trên máy ép nhựa
Các yêu cầu chung về tay máy: tay máy thiết kế đảm bảo các yêu cầu sau:
Nhiệm vụ của tay máy: đưa sản phẩm từ khuôn động ra khỏi khu vực khuôn và máy
ép nhựa.
Yêu cầu về điều khiển: đảm bảo việc lặp lại quá trình chính xác, liên tục, độ lặp lại
vị trí < 0.1 mm (kẹp được sản phẩm), các tín hiệu điều khiển liên kết an toàn và tin cậy
với máy ép nhựa (các tín hiệu đóng, mở khuôn).
Yêu cầu về thời gian: đảm bảo việc sản xuất được liên tục, nhanh chóng, hạn chế
phế phẩm, thời gian sản xuất 1 sản phẩm tùy thuộc chủng loại nhưng thời gian lấy sản
phẩm ra khỏi khuôn luôn cố định và phải đảm bảo nhanh nhất có thể.
Về cấu tạo và giá thành: với kết cấu có sẵn, yêu cầu đặt ra là tính toán cơ khí, mô
phỏng hoạt động, thiết kế lại bộ điều khiển lập trình bằng PLC, đồng thời tiến hành thực
nghiệm trên mô hình để kiểm tra giải thuật điều khiển. Thực hiện mô hình với chi phí tiết
kiệm, giá thành hạ, sau khi hoàn thành có khả năng áp dụng vào sản xuất.
Các chương tiếp theo sẽ lần lượt giải quyết các nhiệm vụ sau:

• Tính toán, thiết kế tay máy,
• Mô phỏng không gian làm việc,
• Xây dựng giải thuật, viết chương

trình điều khiển,


• Thực

nghiệm trên mô hình.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TAY MÁY

Các thông số của tay máy được thiết kế dựa vào sản phẩm của công ty HARMO,
Nhật series EX-III.
1.

Các bài toán động học tay máy:

Hình 3.1: sơ đồ động tay máy
Bảng 3.1: bảng thông số DH của tay máy:
Khâu

θi

αi

ai

di

1

θ1*

0

0

0

2

0

90o

0

d2*

3

0

0

0

d3*

Ma trận chuyển đổi từ hệ i về hệ i-1 như sau:
i-1Ai=[Ci -SiCi SiSi aiCi Si CiCi -CiSi aiSi 0 Si Ci di 0 0 0 1 ]
Trong đó:
Cθi=cosθi, Cαi=cosαi
Sθi=sinθi,Sαi=sinαi
Từ đó ta tính được:
• Ma

trận chuyển đổi từ hệ 1 về hệ 0:
0A1=[C1 -S1 0 0 S1 C1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ]


• Ma

trận chuyển đổi từ hệ 2 về hệ 1:
1A2=[1 0 0 0 0 0 -1 0 0 1 0 d2 0 0 0 1 ]

• Ma

trận chuyển đổi từ hệ 3 về hệ 2:
2A3=[1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 d3 0 0 0 1 ]

• Vậy

ma trận chuyển đổi từ hệ 3 về hệ 0 là:

0T3= 0A3= 0A1. 1A2. 2A3=[C1 -S1 0 0 S1 C1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ][1 0 0 0 0 0 -1 0 0 1 0 d2 0
0 0 1 ][1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 d3 0 0 0 1 ]=[C1 -S1 0 0 S1 C1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ][1 0 0 0 0 0 -1
-d3 0 1 0 d2 0 0 0 1 ]=[C1 0 S1 d3S1 S1 0 -C1 -d3C1 0 1 0 d2 0 0 0 1 ]
1. Bài toán động học (vị trí) tay máy:

• Bài toán thuận:
Phương trình động học thuận vị trí:
0pE= 0T3. 3pE=[C1 0 S1 d3S1 S1 0 -C1 -d3C1 0 1 0 d2 0 0 0 1 ][0 0 0 1 ]=[d3S1 -d3C1 d2
1]
• Bài

toán nghịch:

Ta có:
0A1=[C1 -S1 0 0 S1 C1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ]
1A2=[1 0 0 0 0 0 -1 0 0 1 0 d2 0 0 0 1 ]
2A3=[1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 d3 0 0 0 1 ]
0T3= 0A3=[ux vx wx xE uy vy wy yE uz vz wz zE 0 0 0 1 ]=[C1 0 S1 xE S1 0 -C1 yE 0 1 0 zE
0001]
Mặt khác:
ATB-1=[ ARBT ⋮ - ARBT Aq ⋯ ⋮ ⋯ 0 0 0 ⋮ 1 ]
⇒ 0A1-1=[C1 S1 0 0 -S1 C1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ]
Và 1A2-1=[1 0 0 0 0 0 1 -d2 0 -1 0 0 0 0 0 1 ]
0A1-1. 0T3=[C1 S1 0 0 -S1 C1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ][C1 0 S1 xE S1 0 -C1 yE 0 1 0 zE 0 0 0 1 ]
=[1 0 0 xE.C1+yE.S1 0 0 -1 -xE.S1+yE.C1 0 1 0 zE 0 0 0 1 ]= 1A3
1A2-1. 1A3=[1 0 0 0 0 0 1 -d2 0 -1 0 0 0 0 0 1 ][1 0 0 xE.C1+yE.S1 0 0 -1 -xE.S1+yE.C1 0 1 0
zE 0 0 0 1 ]=[1 0 0 xE.C1+yE.S1 0 1 0 zE-d2 0 0 1 xE.S1-yE.C1 0 0 0 1 ]
Vì 1A2-1. 1A3= 2A3, đồng nhất hóa 2 vế ta được:
[1 0 0 xE.C1+yE.S1 0 1 0 zE-d2 0 0 1 xE.S1-yE.C1 0 0 0 1 ]=[1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 d3 0 0 0 1 ]

⇒{xE.C1+yE.S1=0 (1) zE-d2=0 (2) xE.S1-yE.C1 =d3(3)


Từ (2), suy ra: d2=zE
Bình phương 2 phương trình (1) và (3), sau đó cộng vế theo vế ta được:

xE2+yE2=d32
⇒ d3=±(xE2+yE2)
Từ (1), suy ra: C1=-yE.S1xE , thế vào (3) ta được:
xE.S1-yE.(-yE.S1xE)=d3
⇒S1=d3.xExE2+yE2
⇒C1=-d3.yExE2+yE2
⇒θ1=Atan2(sinθ1, cosθ1)
Vậy
{θ1=Atan2(sinθ1, cosθ1) d2=zE d3=±(xE2+yE2)

2. Bài toán động học (vận tốc) tay máy:
• Bài toán thuận: biết 0q=[θ1 d2 d3 ] tìm 0v3=[vx vy vz ]
Tọa độ điểm E trong hệ 0 được xác định như sau:
0pE= 0T3. 3pE=[C1 0 S1 d3S1 S1 0 -C1 -d3C1 0 1 0 d2 0 0 0 1 ][0 0 0 1 ]=[d3S1 -d3C1 d2
1]
Vậy
0pE=[xE yE ZE ]=[d3S1 -d3C1 d2 ]
Vec tơ biến khớp:
q=[θ1 d2 d3 ]
Ma trận Jacobian:
0JA=[∂px∂q1 ∂px∂q2 ∂px∂q3 ∂py∂q1 ∂py∂q2 ∂py∂q3 ∂pz∂q1 ∂pz∂q2 ∂pz∂q3 ]=[d3C1 0
S1 d3S1 0 -C1 0 1 0 ]
Ta có:
0vE= 0pE=[vx vy vz ]= 0JA.q=[d3C1 0 S1 d3S1 0 -C1 0 1 0 ][θ1 d2 d3 ]=[ θ1.d3C1+S1.d3
θ1.d3S1-C1.d3 d2 ]
• Bài

toán ngược: biết 0v3=[vx vy vz ] tìm 0q=[θ1 d2 d3 ]

Vì

0vE= 0JA.q
Nên


q= 0JA-1. 0vE
Với 0JA-1 là ma trận nghịch đảo.
Ma trận Jacobian:
0JA=[d3C1 0 S1 d3S1 0 -C1 0 1 0 ]
Ma trận nghịch đảo:
0JA-1=[C1 S1 0 0 0 1 d3S1 -d3C1 0 ]|J|=[C1 S1 0 0 0 1 d3S1 -d3C1 0 ]d3=1d3[C1 S1 0 0 0 1
d3S1 -d3C1 0 ]
q=[θ1 d2 d3 ]=1d3[C1 S1 0 0 0 1 d3S1 -d3C1 0 ][vx vy vz ]=1d3[C1vx+S1vy vz d3S1vxd3C1vy ]
3.

Bài toán lực:

Véc tơ moment tại các khớp:
τ=[τ1 τ2 τ3 ]
Véc tơ lực tại điểm tác động cuối:
F=[fx fy fz ]
Ta có:
τ=JT.F
0JA=[d3C1 0 S1 d3S1 0 -C1 0 1 0 ]
⇒ τ=[d3C1 d3S1 0 0 0 1 S1 -C1 0 ][fx fy fz ]=[d3C1fx+d3S1fy fz S1fx-C1fy ]
Sau đây là các thông số cơ bản của máy ép nhựa với lực ép 180 tấn, em chỉ quan
tâm đến kích thước khu vực khuôn mà không quan tâm đến kích thước khác của máy.


Hình 3.2: khu vực khuôn ép cùng cách bố trí tay máy
Ta có bài toán động học ngược vị trí:

{θ1=Atan2(sinθ1, cosθ1) d2=zE d3=±(xE2+yE2)

Theo như hình trên, ta thấy khoảng mở khuôn lớn nhất là 180mm, chiều cao tấm
động và tĩnh là 600mm, như vậy tay máy thiết kế phải có các kích thước như sau:
• Khớp
• Khớp

tịnh tiến 2 thõa điều kiện d > 250mm,
tịnh tiến 3 có d = 300mm,
2

3

Tuy nhiên chỉ có chiều cao tấm động và tĩnh là không đổi, các thông số khác như bề
dày khuôn, khoảng cách mở khuôn đối với những sản phẩm khác nhau thì khác nhau. Do
đó, em sẽ thiết kế tay máy với các thông số có thể điều chỉnh được nhằm phục vụ cho các
loại máy ép khác nhau, cũng như các loại khuôn khác nhau, với yêu cầu máy ép nhựa
phải có lực ép dưới 180 tấn. Từ những yêu cầu trên, ta thiết kế tay máy với những thông
số sau:
• Biến

khớp d có giá trị từ 50 đến 390 mm, đối với những loại khuôn, máy ép khác
nhau ta sẽ điều chỉnh khoảng cách này phù hợp, bằng cách thay đổi vị trí của
xylanh điều khiển bậc tự do này trên các thanh cố định. Dù ở vị trí nào đi nữa,
khoảng điều khiển thực tế của biến khớp này không quá lớn. Như phân tích
2


chương trước, khớp tịnh tiến thứ 2 giữ nhiệm vụ lấy sản phẩm ra khỏi khuôn,
kích thước tối đa điều khiển minh họa như hình sau:

Hình 3.3: kích thước điều khiển biến khớp d

2

Như vậy, ta sẽ sử dụng xylanh có hành trình pittông là 75mm.
• Biến

khớp d có khoảng điều khiển là 300mm, khoảng cách này có thể thay đổi để
phù hợp với các loại máy ép nhựa nhỏ hơn. Ta sẽ sử dụng xylanh có hành trình
pittông là 550mm.
3

Hình 3.4: kích thước điều khiển biến khớp d

3


• Khớp

thứ nhất sẽ thực hiện chuyển động quay để đưa sản phẩm ra khỏi máy ép
nhựa, góc quay này có giá trị là 50 , được minh họa như hình bên dưới:
O

Hình 3.5: góc quay khớp một
Như vậy tay máy thiết kế có các thông số điều khiển như sau:
• θ1=50O

• d2=75mm và

d3=300mm

Các thông số minh họa như hình vẽ sau:

Hình 3.6: các thông số điều khiển
Từ các thông số trên, ta sẽ tiến hành tính toán các chi tiết của tay máy.
2. Tính toán tay máy:


Tay máy phục vụ máy ép nhựa dưới 180 tấn, có cấu tao R-T-T, với các khâu có kích
thước như sau:
Khâu 0: cố định vào máy ép nhựa, trên tấm tĩnh của máy, chiều cao là 500mm,
Khâu 1: chuyển động quay, góc quay 50 ≤  ≤ 90 ,
O

O

Khâu 2: chuyển động tịnh tiến, khoảng dịch chuyển thay đổi từ 50mm đến 360mm,
Khâu 3: chuyển động tịnh tiến, khoảng dịch chuyển 550mm, khâu 3 gắn với tay gắp
sản phẩm.
Máy ép nhựa 180 tấn có khả năng sản xuất sản phẩm nặng 0.5kg, ta sẽ tính toán từ
tay gắp về khâu 0.
Từ bài toán lực của tay máy ta có:
τ=[d3C1 d3S1 0 0 0 1 S1 -C1 0 ][fx fy fz ]=[d3C1fx+d3S1fy fz S1fx-C1fy ]là moment
tác động tại các khớp.
Với F=[fx fy fz ]=[0 Q 0 ] là lực tác động lên đầu kẹp, ở đây chỉ có trọng lượng Q của
sản phẩm. Như đã phân tích, máy ép nhựa dưới 180 tấn có khả năng sản xuất sản phẩm
khối lượng tối đa là 0.5 kg. Vậy Q = m.g = 4.9 N. Ta tính được moment tại các khớp như
sau:
τ=[d3C1fx+d3S1fy fz S1fx-C1fy ]=[3.228 0 3.15 ]

Vậy khớp 1 chịu tác dụng moment xoắn là 3.228 Nm, khớp 3 chịu tác dụng lực 3.2
N (các lực, moment này chưa kể trọng lượng bản thân tay máy).
1. Tính toán khả năng gắp sản phẩm:
Tay máy được thiết kế làm việc với áp suất từ 0.4MPa đến 0.5MPa, ta sử dụng áp
suất 0.5MPa để tính toán.
Xem xét kết cấu tay gắp như hình 3.7:

Hình 3.7: tay gắp sản phẩm
Pittông số 1 chuyển động tịnh tiến trong xylanh 4 nhờ nguồn khí nén, pittông
chuyển động mang thanh 2 chuyển động tịnh tiến, tác động vào 2 con lăn số 3, tạo tác
động kẹp sản phẩm. Khi nguồn khí nén thôi tác dụng, dưới tác động của lò xo số 5, thanh


số 2 trở về vị trí ban đầu và tay gắp nhả sản phẩm. Hai phần của đầu kẹp trở về vị trí ban
đầu nhờ lò xo số 6.
Kích thước tiết diện của xylanh như hình 3.8:

Hình 3.8: tiết diện xylanh kẹp
Lực kẹp được tính toán như sau:

Hình 3.9: sơ đồ xylanh kẹp
Ta có p.A = F + F , với F là phản lực lò xo, F là lực pittông tác động vào con lăn
(hình vẽ thể hiện chiều F là do con lăn tác động lên pittông).
Tiết diện xy lanh:
A = 10 * 10 + 3.14* 5 =178.5mm = 1.785 * 10 m
Lực:
F = p * A - F = 5* 10 * 1.785 * 10 – 5000* 15 * 10 = 14.25 N (với k = 5kN/m là
độ cứng lò xo, khoảng dịch chuyển của xylanh là 15mm).
Từ đó ta tính được lực kẹp sản phẩm như sau:
t

lx

lx

t

t

2

t

lx

5

2

-4

-4

2

-3