nghiên cứu, thiết kế bộ phận gắp chi tiết gốm ở nhiệt độ cao ứng dụng trong ngành gốm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ PHẬN GẮP
CHI TIẾT GỐM Ở NHIỆT ĐỘ CAO
ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH GỐM
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2009 - 64

S KC 0 0 2 5 9 7

Tp. Hồ Chí Minh, 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ PHẬN GẮP
CHI TIẾT GỐM Ở NHIỆT ĐỘ CAO
ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH GỐM

MÃ SỐ: T2009 – 64

CHỦ TRÌ: ĐỖ VĂN HIẾN

Tp. Hồ Chí Minh, 2010


TĨM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ PHẬN GẮP CHI TIẾT GỐM Ở
NHIỆT ĐỘCAO ỨNG DỤNG TRONG NGÀNH GỐM
Mã số: T2009-64
Chủ nhiệm đề tài: Đỗ Văn Hiến Tel. 01662-687-214
E-mail:

Cơ quan chủ trì đề tài: Trường ĐH SPKT TP.HCM
Thời gian thực hiện: 04/2009 đến 02/2010
1. Mục tiêu:
¾ Thiết kế nguyên lý, sơ đồ kết cấu động học của cơ cấu gắp.
¾ Ứng dụng lónh vực điện – điện tử vào cơ khí để thiết kế hệ thống điều
khiển.
¾ Lựa chọn vật liệu cho cơ cấu tay gắp làm việc ở nhiệt độ 6000C đến 9000C
¾ Ứng dụng phần mềm, AutoCAD, ProWildfire để thiết kế & mô phỏng các
bộ phận chi tiết trong cơ cấu gắp
2. Nội dung chính:
Nghiên cứu chi tiết gốm và các hình dạng của chi tiết gốm (nhân gốm)
Tham khảo dụng cụ gắp bằng thủ cơng, khảo sát điều kiện làm việc và mơi
trường làm việc tại nhà máy của cơng ty gốm sứ KIM TRÚC.
Tham khảo một số tay gắp bằng thủy lực và khí nén
Ứng dụng hệ thống servo để thiết kế cơ cấu tay gắp
Đưa ra các ngun lý hoạt động của tay gắp và xây dựng mơ hình kết cấu của
cơ cấu gắp, tạo bản vẽ của cơ cấu và chi tiết
Kết hợp với robot để tạo thành hệ thống hồn chỉnh
Mơ phỏng và phân tích hoạt động của cơ cấu
3. Kết quả chính đạt được (khoa học, ứng dụng, đào tạo, kinh tế – xã hội, v.v…)
Bản Vẽ hồn chỉnh kết cấu cơ cấu tay gắp nhân gốm , file mơ phỏng hoạt động
của tay gắp trong q trình gắp.
4. Điểm mới:
Đưa ra kết cấu và lựa chọn vật liệu cho cơ cấu tay gắp khi làm việc ở nhiệt độ cao
5. Địa chỉ ứng dụng:
Công ty gốm sứ KIM TRÚC .


MỤC LỤC
Trang

Chương 1. Dẫn nhập ...................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ...........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu của đề tài. ............................................................................................1
1.3.Tầm quan trọng của đề tài ...................................................................................1
1.4.Giới hạn đề tài......................................................................................................1
1.5. Tiến trình nghiên cứu ..........................................................................................2
Chương 2. Cơ sở lý luận .............................................................................................3
2.1. Giới thiệu một số chi tiết gốm tại công ty gốm sứ Kim Trúc ...........................3
2.2. Dụng cụ gắp thủ công sau khi nung ...................................................................4
2.3. Chọn vật liệu làm việc ở môi trường nhiệt độ 9000C........................................4
2.4. Lý thuyết điều khiển tự động .............................................................................5
2.5. Giới thiệu về động cơ servo................................................................................7
2.6. Giới thiệu vài cơ cấu gắp sử dụng hệ thống thủy lực và khí nén .....................17
Chương 3. Thiết kế bộ phận gắp ...............................................................................18
3.1. Ý tưởng thiết kế ..................................................................................................18
3.2. Lựa chọn phương án ............................................................................................20
3.3. Kết cấu tay gắp dựa trên lược đồ tay gắp theo phương án 3 ............................20
Chương 4: Mô phỏng và tính toán kiểm nghiệm ......................................................23
4.1. Mô phỏng.............................................................................................................23
4.2. Tính toán kiểm nghiệm .......................................................................................23
Chương 5. Kết luận & Hướng phát triển ..................................................................25
5.1. Kết luận ...............................................................................................................25
5.2. Hướng phát triển..................................................................................................25
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................26


Chương 01:
ĐẶT VẤN ĐỀ

2.1.

Đặt vấn đề
Ngày nay, đất nước đang dần dần thực hiện quá trình chuyển đổi từ sản xuất thủ
công sang sản xuất bán tự động và tự động hoàn toàn, quá trình này đã đi vào hầu hết
các lónh vực khác nhau và ngày càng mang tính đa dạng, từ các loại máy bán tự động và
tự động dùng trong ngành cơ khí, ngành điện tử,…
Với việc cạnh tranh về giá cả và chất lượng, giảm chi phí sản xuất dẩn đến nhiều
công ty, xí nghiệp đã áp dụng khoa học kỹ thuật đặc biệt là quá trình tự động hóa vào
chương trình sản xuất của nhà máy, ngành gốm cũng vậy. Để có được sản phẩm tốt, môi
trường làm việc ít nguy hiểm đến công nhân làm việc trực tiếp với các sản phẩm gốm
sau khi nung. Các sản phẩm này chuyển qua công đoạn sử lý tiếp theo chủ yếu là thủ
công và dựa vào sức lực và tay nghề của công nhân, chính vì vậy để dần dần đồng bộ
hóa các thiết bò bán tự động và tự động cho công đoạn sau khi nung người nghiên cứu
đã chọn đề tài :
“Nghiên Cứu Thiết kế bộ phận gắp chi tiết gốm ở nhiệt độ cao ứng dụng trong ngành
gốm”
2.2.
Mục tiêu đề tài
¾ Thiết kế nguyên lý, sơ đồ kết cấu động học của cơ cấu gắp.
¾ Ứng dụng lónh vực điện – điện tử vào cơ khí để thiết kế hệ thống điều khiển.
¾ Ứng dụng phần mềm, AutoCAD, ProWildfire để thiết kế & mô phỏng các bộ
phận chi tiết trong cơ cấu gắp.
¾ Cung cấp một tài liệu bổ ích trong lónh vực tính toán thiết kế, và ý tưởng thiết
kế.
2.3.
Tầm quan trọng của đề tài
¾ Các nhân gốm có kích thước nhỏ nhưng số lượng các sản phẩm rất lớn, vì vậy
nếu sử tay gắp thay thế cho công đoạn chuyển phôi bằng tay ở nhiệt độ cao hiện nay sẽ
làm giảm sức lao động trực tiếp của công nhân, tăng năng suất.
¾ Góp phần đồng bộ hóa dây chuyền sản phẩm gốm từ phôi ban đầu đến sản
phẩm cuối cùng.

2.4.
Giới hạn đề tài
Một thiết bò tự động nói chung và tay gắp nói riêng phải là sản phẩm kết hợp của
nhiều lónh vực và cụ thể là 3 lónh vực chính : Cơ khí, điện tử, và tin học, do thời gian
nghiên cứu có hạn, ở đây người nghiên cứu chủ yếu để cập đến phần thiết kế và tính
toán 1 số bộ phận chi tiết quan trọng trong cơ cấu, các lónh vực khác chỉ mang tính giới
thiệu.
Đồng thời, kích thước của nhân gốm (Sản phẩm cụ thể) rất đa dạng và có nhiều
hình dáng khác nhau, trong đề tài này người nghiên cứu cho các sản phẩm có nhân gốm
mà phần chân hay phần đế của nhân có hình dạng hình hộp chữ nhật (6mm x 8 mm x 40
mm).
Trang

1


2.5.
Tiến trình nghiên cứu
¾ Nghiên cứu cơ cấu gắp, từ các cơ cấu thủ công sẵn có và kết hợp với các cơ
cấu lý thuyết.
¾ Đưa ra một số phương án và lựa chọn phương án tối ưu cho kết cấu của cơ cấu
gắp
¾ Thể hiện kết cấu trên phần mềm AutoCAD, ProWildfire, Catia.
¾ Giới thiệu hệ thống điều khiển
¾ Mô phỏng sơ bộ sự hoạt động của cơ cấu
¾ Hoàn thiện và viết thuyết minh

Trang

2

Chương 02:
2.1.

Giới thiệu về một số chi tiết gốm tại công ty gốm sứ KIM TRÚC
¾ Hình ảnh về hình dáng phôi (nhân gốm) và sản phẩm Glass Marbles

Hình 2.1 Chi tiết gốm
(Nhân Kangaroo)

Hình 2.3 Chi tiết gốm

Hình 2.5 Chi tiết gốm

Trang

CƠ SỞ LÝ LUẬN

Hình 2.2 Sản phẩm Glass Marbles

Hình 2.4 Sản phẩm Glass Marbles

Hình 2.6 Sản phẩm Glass Marbles

3


¾

Giới thiệu sơ lược về phôi (Nhân gốm) trong sản phẩm Glass Marbles

Nhân gốm gồm 2 phần: phần thân và phần đế. Thân là mô hình thu nhỏ của các
con vật như voi, sư tử, kangaroo,…Đế là một khối giống hình hộp chữ nhật có kích thước
6x25x8 (mm) và đế cũng chính là phần mà robot sẽ gắp sau công đoạn nung đến công
đoạn tiếp theo: đặt nhân gốm vào vò trí và tạo quả cấu thủy tinh. Các nhân gốm này sau
khi ra khỏi lò nung nhiệt độ khoảng 9000C.
¾ Nhiệt độ chi tiết gốm sau khi nung khoảng 9000C và khối lượng khoảng 100 g
2.2.

Dụng cụ thủ công để gắp sản phẩm gốm sau khi nung
¾ Dụng cụ gắp thủ công

Hình 2.7 – Kéo dùng để kẹp chi tiết gốm
¾ Mô tả quá trình cung cấp phôi (nhân gốm) cho công đoạn tiếp theo
Hiện nay, ở xưởng của công ty gốm sứ KIM TRÚC các công nhân đang sử dụng
các loại kéo inox dùng trong y tế để gắp các nhân gốm (nhiệt độ nhân gốm lúc này
khoảng 9000C) sau khi nung sang vò trí chuẩn bò cho công đoạn tiếp theo. Vì nhân gốm ở
nhiệt độ cao nên công nhân thao tác khó khăn và kéo sẽ bò gãy nếu sử dụng thời gian
dài tại vùng tiếp xúc với nhân gốm.
2.3.
Chọn vật liệu làm việc ở môi trường 9000C
¾ Vật liệu gốm sứ
Vật liệu gốm được sử dụng làm vật liệu bảo ôn và vật liệu chòu nhiệt cho hệ
thống ống dẫn, thiết bò và lò nung ở nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ sử dụng tối đa có thể
14500C, tỷ trọng từ 65-300 kg/m3.
Chi tiết gốm trong lò nung có nhiệt độ khoảng 12000C, do vậy ta có thể chọn vật
liệu này làm vật liệu cho tay gắp.
¾ High temperature Alloys
Alloy – X(Nickel-Base Supperalloy): là hợp kim của Nikel, chứa khoảng 22%

Chrom, nhờ vậy mà vật liệu có khả năng làm việc (chòu được) nhiệt độ cao khoảng
12000C.
Thành phần hóa học:

Trang

4


Heä soá daãn nhieät

Cô tính vaät lieäu

Trang

5


Với các bảng số liệu trên ta có thể chọn vật liệu này cho tay gắp gốm.
2.4.
Lý thuyết điều khiển tự động
¾ Tự động, điều khiển và điều khiển tự động.
Tự động học là ngành khoa học chuyên nghiên cứu những quy luật chung để hình
thành các hệ thống tự động và phần tử tự động , điều khiển các quá trình xảy ra trong
thiên nhiên, trong cuộc sống xã hội không có sự tham gia trực tiếp của con người. Tự
động học phát triển chủ yếu vào lónh vực vật lý của hoạt động con người , vào việc thay
thế phần chức năng của con người trong sinh hoạt và sản xuất. Trong những năm sau
này, tự động học còn mở rộng vào lónh vực quân sự, kinh tế, y học điều khiển từ xa và
các lónh vực hoạt động xã hội khác của con người.
Điều khiển học là ngành khoa học dựa trên nền tảng tự động học, chuyên nghiên

cứu những nguyên tắc thành lập các hệ thống điều khiển và những quy luật của các quá
trình xảy ra trong hệ thống điều khiển thế giới hữu sinh và vô sinh. Điều khiển học ra
đời với sự hợp nhất của nhiều ngành khoa học và phát triển độc lập trước đó như lý
thuyết thông tin, lý thuyết otomat, thuật toán…Quá trình làm việc của các phần tử và
các thiết bò điều khiển không cần sự tham gia trực tiếp của con người được gọi là quá
trình điều khiển tự động, điều khiển tự động có hai phần: lý thuyết điều khiển tự động
và thiết bò điều khiển tự động.
¾ Sơ đồ khối và hàm truyền đạt.
Sơ đồ khối.
Mỗi phần tử điều khiển nhận một tín hiệu vào và từ một số bộ phận của hệ thống
điều khiển, tạo nên một tín hiệu ra đưa vào phần tử khác. Các tín hiệu có thể là: dòng
điện, điện áp, áp suất, dòng chảy, nhiệt độ, tốc độ, gia tốc, vò trí, hướng ,số lïng , khối
lượng v.v…quỹ đạo của tín hiệu có thể là sóng điện, ống dẫn, liên kết cơ. Sơ đồ khối
của một số phần tử điều khiển được thể hiện như sau.
Nhiệt độ

X

Bộ chuyển
đổi nhiệt

Điện áp

Y

Vò trí van

X

Bộ chuyển

đổi nhiệt

Lưu lượng

Y

Hình 2. 8 Sơ đồ khối điều khiển
Hàm truyền đạt.
Đặc tính quan trọng nhất của một phần tử điều khiển là mối quan hệ giữa tín hiệu
vào và tín hiệu ra, được thể hiện bằng toán tử laplace. Mối quan hệ đó được gọi là hàm
truyền đạt:

G(s) =

Y ( s)
X ( s)

¾ Hệ thống hở và hệ thống kín.
+ Hệ thống hở.

Trang

6


Hệ thống hở là hệ thống không so sánh kết quả thực tế với kết quả mong muốn đạt
được sau tác động điều khiển. Với các hệ thống này thông thường giá trò điều khiển
không được chính xác, ứng dụng trong những điều khiển không cần độ chính xác cao.
Nhiệt độ

X

Bộ chuyển
đổi nhiệt

Điện áp

Y

Hình 2.9. Sơ đồ khối của điều khiển hở
+ Hệ thống kín.
Hệ thống kín là hệ thống có sự đo lường giữa kết quả thực tế đạt được so với kết quả
mong muốn, Với hệ thống điều khiển này thì kết quả đạt được khá chính xác so với kết
quả mong muốn, các hệ thống này được ứng dụng trong các cơ cấu cần độ chính xác cao
ví dụ như các máy gia công chính xác, trung tâm gia công CNC.

Nhiệt độ

ε=X-Y'

X

Bộ chuyển
đổi nhiệt

Điện áp

Y

Y'

Bộ phận
chuyển đổi

2.5.
Giới thiệu về động cơ servo.
¾ Giới Thiệu.
Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở – ta cấp điện để
động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước
là động cơ quay một góc xác đònh tùy vào số xung nhận được. Việc thiết lập một hệ
thống điều khiển để xác đònh những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc
làm động cơkhông quay cũng không dễ dàng.
Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra
của động cơđược nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vò trí
sẽđược hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển
động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vò trí
mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơđạt được điểm chính
xác.
Trang

7


Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiếu máy
khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe
hơi. Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ
dùng trong mô hình máy bay và xe hơi.
Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo R/C
(radio¬controlled). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển
bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi. Động cơ servo
nhận tín hiệu từ máy thu này. Như vậy có nghóa là ta không cần phải điều khiển robot

bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng một động cơ servo, trừ khi ta muốn thế. Ta có
thểđiều khiển động cơ servo bằng máy tính, một bộ vi xử lý hay thậm chí một mạch
điện tửđơn giản dùng IC 555.
Trong chương này ta sẽ tìm hiểu động cơ servo R/C là gì, sử dụng chúng trong
robot nhưthế nào. Mặc dù còn có nhiều loại động cơ servo khác nhưng động cơ servo
R/C được sửdụng nhiều nhất. Đểđơn giản ta gọi động cơ servo R/C là servo.

Hình 2.10: Bên trong của một động cơ servo R/C bao gồm một động cơ, một chuỗi các
Trang

8


bánh răng giảm tốc, một mạch điều khiển và một vơn kế.

¾ Hoạt động của servo
Động cơ và vôn kế nối với mạch điều khiển tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín. Cả
mạch điều khiển và động cơđều được cấp nguồn DC (thường từ 4.8 – 7.2 V).
Để quay động cơ, tín hiệu sốđược gới tới mạch điều khiển. Tín hiệu này khởi động động
cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế. Vò trí của trục vôn kế cho biết vò trí trục
ra của servo. Khi vôn kếđạt được vò trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ.
Như ta dựđoán, động cơ servo được thiết kếđể quay có giới hạn chứ không phải quay
liên tục nhưđộng cơ DC hay động cơ bước. Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo R/C
quay liên tục (sẽ trình bày sau) nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được
góc quay chính xác trong khoảng từ 90o – 180o. Việc điều khiển này có thểứng dụng để
lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng…
¾ Servo và điều biến độ rộng xung
Trục của động cơ servo R/C được đònh vò nhờ vào kỹ thuật gọi là đi62u biến độ
rộng xung (PWM). Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung sốổn
đònh. Cụ thểhơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến đổi

từ 1 – 2 ms. Các xung này được gởi đi 50 lần/giây. Chú ý rằng không phải số xung trong
một giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung. Servo đòi hỏi khoảng 30 – 60
xung/giây. Nếu sốnày qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽ giảm.
Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiều kim
đồng hồ nhưHình 3.)

Hình 2.11 : Điều khiển vị trí trục ra của động cơ servo bằng cách điều chỉnh độ rộng xung
Với độ dài xung xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại. Kỹ thuật này còn
được gọi là tỉ lệ số – chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu sốđiều khiển.
Trang

9


Công suất cung cấp cho động cơ bên trong servo cũng tỉ lệ với độ lệch giữa vò trí hiện tại
của trục ra với vò trí nó cần đến. Nếu servo ở gần vò trí đích, động cơđược truyền động
với tốc độ thấp. Điều này đảm bảo rằng động cơ không vượt quá điểm đònh đến. Nhưng
nếu servo ở xa vò trí đích nó sẽđược truyền động với vận tốc tối đa đểđến đích càng
nhanh càng tốt. Khi trục ra đến vò trí mong muốn, động cơ giảm tốc. Quá trình tưởng
chừng nhưphức tạp này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn – một servo trung bình có
thể quay 60o trong vòng ¼ - ½ giây.
Vì độ dài xung có thể thay đổi tùy theo hãng chế tạo nên ta phải chọn servo và máy thu
vô tuyến thuộc cùng một hãng đểđảm bảo sự tương thích. Đối với robot, ta phải làm một
vài thí nghiệm để xác đònh độ dài xung tối ưu.
¾ Các loại và kích thước servo đặc biệt
Ngoài servo kích thước chuẩn dùng trong robot và mô hình điều khiển vô tuyến
cón có các loại servo R/C khác:
Servo tỉ lệ ¼ / tỉ lệ lớn (quarter-scale / large-scale servo): kích thước gấp khoảng 2 lần
servo chuẩn, công suất lớn hơn rõ, được dùng trong các mô hình máy bay lớn nhưng
cũng có thể làm động cơ công suất tốt cho robot.

Servo nhỏ (mini-micro servo): kích thước nhỏ hơn khoảng 2 lần so với servo chuẩn,
không mạnh bằng servo chuẩn, dùng ở những không gian hẹp trong mô hình máy bay
hay xe hơi
Servo tời buồm(sail minch servo): mạnh nhất, dùng đểđiều khiển các dây thừng
của buồm nhỏ và buồm chính trong mô hình thuyền buồm.
Servo thu bộ phận hạ cánh(landing-gear retraction servo): dùng để thu bộ phận hạ cánh
trong mô hình máy bay vừa và lớn. Thiết kế bộ phận hạ cánh thường đòi hỏi servo phải
đảm bảo góc quay ít nhất là 170o. Các servo này thường nhỏ hơn kích thước chuẩn vì
không gian giới hạn trong mô hình máy bay.
¾ Hệ thống truyền động bánh răng và truyền công suất
Động cơ bên trong servo R/C quay khoảng vài ngàn vòng / phút. Tốc độ này quá
nhanh đểcó thể dùng trực tiếp lên mô hình máy bay, xe hơi hay robot. Tất cả các servo
đều có một hệ thống bánh răng để giảm vận tốc ra của động cơ còn khoảng 50 – 100
v/ph. Các bánh răng của servo có thể làm plastic, nylon hay kim loại (thường là đồng
thau hay nhôm) Bánh răng kim loại có tuổi thọ cao nhưng giá thành cũng cao. Các bánh
răng thay thế luôn có sẵn. Khi một hay vài bánh răng bò hư, servo không khớp và ta phải
thay bánh răng. Trong một vài trường hợp ta có thể “nâng cấp” bánh răng plastic thành
bánh răng kim loại.
Bên cạnh các bánh răng dẫn động, trục ra của động cơ cũng thường bò mòn và
xước. Trong các servo rẻ nhất, trục này được đỡ bằng miếng đệm plastic, miếng đệm
này rất dễ mất tác dụng nếu động cơ chạy nhiều. Thực sự thì đây cũng không phải là
miếng đệm mà chỉ là một ống lót giúp giảm ma sát giữ trục và vỏ của servo. Các ống lót
bằng kim loại, cụ thể là ống lót bằng đồng thau có thấm chất bôi trơn, bền hơn nhưng
cũng đắt hơn. Servo sửdụng vòng bi có tuổi thọ cao nhất và đắt nhất. Ta cũng có thể
“nâng cấp” servo bằng vòng bi có sẵn.
¾ Thông số kỹ thuật của servo
Trang

10

Servo R/C có một vài tiêu chuẩn. Sự giống nhau này được áp dụng chủ yếu cho
các servo kích thước chuẩn – khoảng 1,6 x 0,8 x 1,4 inch. Với các kiểu servo khác, kích
thước thay đổi theo nhãn hiệu vì chúng được thiết kế cho những nhiệm vụ cụ thể.

Bảng 2.1 : cho ta các thông sốđiển hình cho nhiều kiểu servo, bao gồm kích thước, khối
lượng, moment xoắn và thời gian transit. Dó nhiên ngoại trừ kích thước của servo chuẩn,
các thông số khác có thể thay đổi tùy theo mẫu và nhãn hiệu.
Moment xoắn của động cơ là tổng ngẫu lực mà nó sinh ra. Đơn vò chuẩn của
moment xoắn trong servo R/C là ounce.inch. Các servo có moment xoắn rất cao nhờvào
hệ thống bánh răng giảm tốc.
Thời gian transit (còn gọi là tỉ lệquay – slew rate) là thời gian để trục servo quay một
góc X (X thường là 60o). Các servo nhỏ quay khoảng 0,25s/60o trong khi các servo lớn
quay chậm hơn. Thời gian transit càng nhanh thì servo hoạt động càng nhanh. Từthời
gian transit ta có thể tính được vận tốc quay theo vòng / phút của trục động cơ.
Nhiều servo R/C được thiết kế cho những ứng dụng đặc biệt có thể thích ứng với
robot. Ví dụ: servo dùng cho mô hình thuyền buồm sẽ không bò vô nước, vì vậy rất hữu
dụng cho robot làm việc trong hay gần nước.
¾ Các kiểu nối và đấu dây
Trong khi nhiều đặc điểm của servo được chuẩn hóa thì hình dạng và tiếp điểm điện của
connector gắn servo với máy thu lại rất khác nhau giữa các nhà sản xuất. Dù robot có
thể không dùng máy thu vô tuyến nhưng ta vẫn phải gắn servo với một connector thích
hợp trên mạch điều khiển hay trên máy tính. Nếu thấy quá phức tạp ta có thểđấu cứng
connector lên mạch điện tử nhưng điếu này khiến việc thay thếservo khó khăn hơn.
Có 3 kiểu đấu dây chính: -kiểu J / Futaba –kiểu A / Airtronics –kiểu S / Hitec-JR
Dây ra:
Hình dáng của connector cũng đáng quan tâm vì sựđấu dây cho connector (còn gọi là
dây ra) cũng có giới hạn. Đa số các servo sử dụng cùng kiểu dây ra nhưhình 20.5.
Trang

11


Hình 2.12 : các dây ra chuẩn của servo: dây 1 là dây tín hiệu, dây 2 nối nguồn, dây 3 nối
đất.
Với mô hình này, hư hỏng không thường xảy ra nếu ta lỡ đảo vò trí connector
Trong một vài ngoại lệ, connector của servo R/C sử dụng 3 dây: nguồn, đất và tín hiệu
điều khiển.

Bảng 2.2: liệt kê các dây ra của một vài hiệu servo thông dụng.
Mã hóa bằng màu:
Đa số servo sử dụng màu để biểu thò chức năng của dây nối nhưng màu sử dụng cũng
thay đổi tùy theo nhà sản xuất.

Trang

12


Bảng 2. 3: liệt kê các màu thông dụng nhất cua một vài hiệu thông dụng.
Sử dụng ổ cắm snap-off cho các connector tương thích:
Các ổ cắm trên đa số servo R/C được thiết kếđể thích hợp với các chấu cắm cách nhau
0,01 inch. Đây là khoảng cách chấu thông dụng trong điện tử và các ổ cắm thích hợp
cũng có sẵn. Sựđa dạng các “snap-off” của ổ cắm rất có lợi vì ta có thểmua một sợi dài
và tách đúng số chấu cần thiết. Đối với servo, ta tách thành 3 chấu sau đó gắn vào mạch
điều khiển như hình sau

Hình 2.13: Ta có thể tự làm connector cho servo bằng cách dùng ổ cắm snap-off gắn
chặt vào mạch điều khiển robot
Ta dễ dàng đảo vò trí connector và cắm lại vào ổ cắm mà không làm hư servo hay mạch

điện vì đảo vò trí connector chỉ là đảo dây tín hiệu và dây đất. Tuy nhiên đối với servo
loại cũ, dây tín hiệu và dây nguồn bòđảo sẽ làm hư cả servo lẫn mạch điện tử.
¾ Mạch điều khiển servo
Không giống động cơ DC ta chỉ cần lắp pin vào là chạy, động cơ servo đòi hỏi
một mạch điện tử chính xác để quay trục ra của nó. Có thể một mạch điện tử sẽ làm
việc sử dụng servo phức tạp hơn ở một mức độ nào đó nhưng thực ra mạch điện tử này
rất đơn giản. Nếu ta muốn điều khiển servo bằng máy tính hay bằng bộ vi xử lý thì chỉ
cần một vài dòng lệnh là đủ.
Một động cơ DC điển hình cần các transistor công suất, MOSFET hay relay nếu muốn
kết nối với máy tính. Còn servo có thể gắn trực tiếp với máy tính hay bộ vi xửlý mà
không cần một linh kiện điện tử nào cả. Tất cà yếu tố cần thiết đểđiều khiển công suất
đều được quản lý bởi mạch điều khiển để tránh rắc rối. Đây là lợi ích chủyếu khi sử
dụng servo cho các robot điều khiển bằng máy tính.
Điều khiển servo bằng IC đònh thì 555:
Trang

13


Ta có thể không cần đến cả máy tính đểđiều khiển servo. Một IC 555 có thể cung cấp
các xung cần thiết cho servo.

Hình 2.14 : Một phương pháp phổ biến dùng IC 555 đểđiều khiển servo.
Khi hoạt động, IC 555 sinh ra một tín hiệu xung có chu kỳ nhiệm vụ khác nhau đểđiều
khiển hoạt động của servo. Chỉnh Vôn kếđểđònh vòservo. Vì IC 555 có thể dễ dàng tạo
xung rất dài và rất ngắn nên servo có thể hoạt động ngoài vòtrí biên thông thường. Khi
servo gặp vật cản và kêu lạch cạch ta phải ngắt nguồn lập tức, nếu không các bánh răng
bên trong sẽ bò trờn.
Dùng bộ xử lý chuyên nghiệp:
Các máy thu R/C được thiết kế với tối đa 8 servo. Máy thu nhận xung số từ máy

phát, bắt đầu bằng một xung dài đồng bộ, sau đó là các xung của 8 servo, mỗi xung
dành cho một servo. 8 xung cộng với xung đồng bộ mất khoảng 20 ms. Điều này có
nghóa là dãy xung có thể lặp lại 50 lần / giây, ta gọi đó là tỉ lệ lặp lại (refresh rate). Khi
tỉ lệ này giảm, các servo không cập nhật đủ nhanh và sẽ bò mất vò trí. Trừ khi mạch điện
tử ta dùng có thể cung cấp xung đồng thời cho nhiều servo (đa nhiệm vụ – multitasking), mạch điều khiển sẽ không thể cung cấp các xung lặp lại đủ nhanh. Vì vậy ta có
thể dùng bộ xửlý servo chuyên nghiệp. Bộnày có thểđiều khiển 5, 8 động cơ hay nhiều
hơn một cách độc lập, sẽ làm giảm bớt chương trình tổng cộng của máy tính hay bộ vi xử
lý mà ta đang dùng.
Ưu điểm chính của bộ xử lý servo chuyên nghiệp là ta có thểđiều khiển đồng thời nhiều
servongay cảkhi máy tính, bộ vi xử lý không “đa nhiệm vụ”.
Ví dụ: giả sử robot cần 24 servo, có thể là một robot hình nhện 8 chân, mỗi chân có 3
servo, mỗi servo điều khiển một bậc tự do của chân. Phương pháp ta sử dụng là phân
chia công việc cho 3 bộ xử lý servo, mỗi bộ có thểđiều khiển 8 servo. Mỗi bộxử lý chòu
trách nhiệm cho một loại bậc tự do: một cho sự quay của cả 8 chân, một cho “độ linh
hoạt” của các chân và một cho sự quay của đốt cuối của chân.
Các bộ xửlý servo chuyên nghiệp phải được dùng với máy tính hay bộ vi xử lý vì chúng
Trang

14


cần được cung cấp dữ liệu thời gian thực đểđiều khiển servo. Dữ liệu này thường được
gửi trong một công thức dữ liệu chuỗi. Một dãy các byte gửi từ máy tính hay bộ vi xử lý
được bộ xử lý servo giải mã, mà mỗi byte sẽ tương ứng một servo. Những bộ xử lý servo
điển hình có ghi chú các ứng dụng và các chương trình mẫu của các máy tính và bộ vi xử
lý thông dụng nhưng đểđảm bảo ta cần có kiến thức về lập trình và truyền chuỗi.
Sử dụng lớn hơn 7,2V:
Các servo được thiết kếđể sử dụng với bộ pin R/C recharge, có điện thế từ 4,8 – 7,2V,
phụ thuộc vào số pin sử dụng. Các servo cho phép khoảng điện thế vào khá rộng và bộ4
pin AA 6V đã cung cấp đủđiện. Tuy nhiên khi pin hết, điện thế giảm, servo không còn

nhanh như lúc đầu. Khi điện thế khoảng 4 hay 4,5V, servo thậm chí không chạy. Nếu
điện thế cao hơn thông thường thì sao? Thực ra, nhiều servo có thể chạy tạm khi điện
thế lên đến khoảng 12V mà không hoặc ít gây hậu quả. Tuy nhiên đasốservo bắt đầu
nóng lên ở 9 hay 10V và chúng sẽ không thể hoạt động lâu nếu không được nghỉđể làm
nguội. Trừ khi ta cần tăng moment xoắn hay tăng tốc độ, tốt hơn là giữđiện thế cung cấp
cho servo không vượt quá 9V, tốt nhất là trong khoảng 4,8 – 7,2V. Ta cũng cần tham
khảo bảng dữ liệu của servo để xác đònh các yêu cầu điện thếđặc biệt khác.
Làm việc với dải chết và tránh dải chết:
Tất cả servo đều thể hiện cái gọi là dải chết. Dải chết của servo là thời gian sai lệch lớn
nhất giữa tín hiệu điều khiển ngõ vào và tín hiệu tham chiếu nội sinh ra bởi vò trí của
Vôn kế. Nếu thời gian sai lệch nhỏ hơn dải chết – 5 hay 6 ms – servo không cần phải
điều chỉnh động cơđể sửa sai lệch.
Nếu không có dải chết, servo phải liên tục dò tới lui để tìm điểm tương thích chính xác
giữa tín hiệu vào và tín hiệu tham chiếu nội của nó. Dải chết cho phép servo giảm thiểu
sự dò tìmnày và sẽ lấy điểm lân cận điểm cần tìm mặc dù không được chính xác lắm.
Dải chết thay đổi tùy theo servo và được coi như một thông số của servo. Dải chết điển
hình dài 5 μs. Nếu servo quay 180o trong dải 1000 μs thì dải chết 5 μs chỉ chiếm 1/200.
Ta không cần lưu ý tới ảnh hưởng của dải chết nếu mạch điều khiển có độphân giải thấp
hơn dải chết.
Tuy nhiên nếu mạch điều khiển có độ phân giải cao hơn dải chết, một sự thay đổi nhỏ
về giá tròđộ rộng xung có thể không ảnh hưởng. Ví dụ: nếu bộ xử lý có độ phân giải là 2
μs và nếu servo có dải chết 5 μs thì sự thay đổi 1 hay 2 giá trò – tức là 2 hay 4 μs trong bề
rộng xung – sẽ không ảnh hưởng lên servo.
Như vậy ta nên chọn servo có dải chết hẹp nếu ta cần độ chính xác và mạch điều khiển
hay môi trường lập trình có độ phân giải đủ lớn. Ngược lại ta không cần lưu ý tới dải
chết.
Dải xung lớn hơn 1 – 2 μs:
Servo điển hình đáp ứng cho tín hiệu từ 1 –2 μs. Trong thực tế, nhiều servo có thểđược
cung cấp bởi xung ngắn hay dài hơn để tối đa hóa giới hạn quay. Dải 1 – 2 μs thực ra có
thểquay servo theo hai hướng nhưng không thể quay toàn bộ theo cả hai hướng. Tuy

nhiên ta không biết giá trò nhỏ nhất và lớn nhất của servo cho đến khi ta chạy thử. Cần
lưu ý: thử nghiệm này có thể nguy hại vì vận hành động cơ servo ởgiới hạn có thể làm
cơ cấu đụng vật cản bên trong, nếu để lâu các bánh răng của servo sẽ bò hư.
Trang

15


Nếu ta chỉ cần quay servo tới vò trí max, hãy chọn lực mạch điều khiển. Bắt đầu bằng
cách thay đổi bề rộng xung một lượng nhỏ hơn 1 ms, có thể là 10 μs. Sau mỗi lần thay
đổi, dùng chương trình điều khiển đẩy servo trở lại vò trí giữa / vòtrí trung hòa. Khi nghe
thấy servo gặp vật cản bên trong (tiếng lạch cạch), lúc đó ta đã tìm được giá trò biên
dưới của servo. Lặp lại quá trình để tìm giá trò biên trên. Có những servo có cận dưới là
250 μs, cận trên là 2200 μs. Tuy nhiên các servo khác bò hạn chếđến nỗi chúng thậm chí
không thể hoạt động trong dải 1- 2 ms. Các giá trò biên này cũng khác nhau đối với từng
loại và từng nhãn hiệu servo.

Trang

16


2.6.

Giới thiệu vài cơ cấu gắp sử dụng hệ thống thủy lực và khí nén

Nguyên lý hoạt động của bộ phận gắp sử dụng hệ thống truyền động thủy lực
Hình 2.15

Hình 2.16

Hình 2.17

Các mô hình trên là các cơ cấu của tay gắp sử dụng truyền động thủy lực tuy nhiên
với nhiệt độ nhân gốm gần 9000C và vùng làm việc chịu nhiệt độ cao nên khả năng hoạt
động của cơ cấu gắp không đạt độ chính xác cao như ở nhiệt độ thường do độ nhớt đã thay
đổi vì nhiệt độ.

Trang

17


Chöông 3:

THIẾT KẾ BỘ PHẬN GẮP
3.1. YÙ töôûng thieát keá
Xuất phát từ những ý tưởng thiết kế và yêu cầu của bộ phận gắp làm việc, kết hợp
với những cơ cấu tay gắp thủ công. Người thiết kế sẽ xây dựng một mô hình cơ cấu hoạt
động thực hiện gắp chi tiết ”nhân gốm”. Ở đây chúng ta có thể sử dụng hệ thống thủy lực,
khí nén và hệ thống động cơ servo. Trong ba hệ thống vừa kể trên thì hệ thống động cơ
servo là khả thi nhất vì vùng làm việc chịu nhiệt độ cao đồng thời chi tiết (nhân gốm) nhỏ
nên việc sử dụng hai hệ thống thủy lực và khí nén sẽ không ổn định và gây rung động cho
cơ cấu gắp.
Từ ý tưởng thiết kế này, người thiết kế đã xây dựng được một vài phương án thiết
kế như sau:
¾

Nguyên lý hoạt động của bộ phận gắp sử dụng động cơ Servo

Xây dựng các lược đồ cơ cấu và mô hình hóa sau sử dụng các cơ cấu sau.
Phương án 01:

Hình 3.1-Lược đồ cơ cấu 01

Hình 3.2-Mô hình lược đồ 01

ƒ Nguyên lý làm việc:Chuyển động quay từ trục động cơ truyền qua khâu 4 (được
gắn chặt với bánh vít) nhờ vào truyền động trục vít bánh vít. Chuyển động từ khâu 4 truyền
chuyển động qua thanh truyền (Khâu 5)-cần gắp, kẹp chặt chi tiết
ƒ Ưu điểm: Cơ cấu gắp làm việc tin cậy, bố trí động cơ thuận lợi cho việc tiếp xúc
của cần gắp và nhân gốm, kết cấu đa phần là cơ khí chỉ gồm một động cơ servo và bộ điều
khiển cho động cơ này.
ƒ Nhược điểm: Chế tạo phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao. Chi tiết kết cấu nhỏ nên
việc chế tạo trục vít bánh vít sẽ gặp nhiều khó khăn
Phương án 02:

Trang

18


Hình 3.3-Lược đồ cơ cấu 02

Hình 3.4-Mô hình lược đồ 02

ƒ Nguyên lý làm việc: Chuyển động từ trục động cơ thông qua bộ truyền bánh
răng truyền chuyển động đến khâu 4, từ khâu 4 truyền chuyển động qua thanh truyền 5 kẹp
chặt chi tiết.
ƒ Ưu điểm: Cơ cấu gắp làm việc tin cậy, kết cấu đa phần là cơ khí chỉ gồm một

động cơ servo và bộ điều khiển cho động cơ này
ƒ Nhược điểm: bố trí động cơ không thuận lợi cho việc tiếp xúc của cần gắp và
nhân gốm, việc chế tạo các bánh răng ăn khớp gặp nhiều khó khăn.
Phương án 03:

Hình 3.5-Lược đồ cơ cấu 03

Hình 3.6-Mô hình lược đồ 03

ƒ Nguyên lý làm việc: Chuyển động từ trục động cơ thông qua bộ truyền bánh
răng truyền chuyển động đến khâu 4, từ khâu 4 truyền chuyển động qua thanh truyền 5 kẹp
chặt chi tiết.
ƒ Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, gọn. Khả năng tải cao, làm việc tin cậy
đồng thời tạo ra lực doc trục rất lớn. Có thể thực hiện chuyển động chậm và chính xác.
ƒ Nhược điểm: Ren bị mòn do ma sát lớn.
Phương án 04:

Trang

19


Hình 3.7-Lược đồ cơ cấu 04

Hình 3.8-Mô hình lược đồ 04

ƒ Nguyên lý làm việc: theo nguyên lý tay quay con trượt.
ƒ Ưu điểm: kết cấu đơn giản nhất trong các phương án, chi tiết dễ chế tạo
ƒ Nhược điểm: Sự va đập giữa cần gắp và chi tiết gốm lớn, bố trí động cơ gây khó
khăn cho việc gắp nhân gốm của chi tiết.

2.2. Lựa chọn phương án thiết kế
Trong các phương án(sơ đồ và mô hình kết cấu) mà người thiết kế đã đưa ra thì đối
với từng phương án có những ưu nhược điểm khác nhau. Qua quá trình phân tích và chọn
lựa giữa các phương án, người thiết kế lựa chọn phương án 03 làm hướng nghiên cứu cho
đề tài. Phương án này đáp ứng được tốc độ sản xuất tại nhà máy, độ chính xác trong quá
trình gắp chi tiết gốm và di chuyển đặt chi tiết gốm vào đúng vị trí cho công đoạn tiếp theo.
2.3. Kết cấu tay gắp dựa trên lược đồ cơ cấu theo phương án 03:
¾ Mô hình tháo rời cơ cấu tay gắp

Trang

20


¾ Bản kê số lượng chi tiết

Trang

21