Thiết kế và chế tạo robot scara phân loại bánh răng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ
CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

C
C

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SCARA

R
L
.
T

PHÂN LOẠI BÁNH RĂNG

U
D
Người hướng dẫn:
Người duyệt:
Sinh viên thực hiện:
Lớp:

TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH
PGS. TS. TRẦN XUÂN TÙY

ĐẶNG CÔNG ANH KHOA
NGUYỄN TUẤN TÚ
14CDT2

Đà Nẵng, 6/2019

`


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SCARA PHÂN LOẠI BÁNH RĂNG.
Họ và tên SV
: Đặng Công Anh Khoa
Mã SV
: 101140186
Lớp
: 14CDT2
Họ và tên SV
: Nguyễn Tuấn Tú
Mã SV
: 101140206
Lớp
: 14CDT2
GV hướng dẫn
: TS. Đặng Phước Vinh
Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:
1. Nhu cầu thực tế của đề tài.

C

C

Đồ án tốt nghiệp là một trong những học phần bắt buộc của sinh viên ngành Cơ điện

R
L
.
T

tử nói riêng cũng như sinh viên khối ngành kĩ thuật nói chung. Để thiết kế thành công
một cơ cấu, một cụm chi tiết máy hay một máy hoàn chỉnh thì đòi hỏi sinh viên phải có
hiểu biết và nắm chắc các kiến thức về lĩnh vực cơ khí cũng như điện tử. Đây là điều

U
D

kiện thuận lợi cho tác giả để được ứng dụng các kiến thức đã học vào thực tế.
Công nghiệp ngày càng chính xác và nhanh chóng để đáp ứng xu thế hiện đại hóa.
Các ngành ngành công nghiệp đóng gói, dược phẩm cũng như trong lĩnh vực điện, điện
tử là những nghành đỏi hỏi sự chính xác cao trong kiểm tra đầu ra và để thay thế con
người trong việc kiểm tra thành phẩm với tốc độ nhanh và độ chính sác cao. Trong quá
trình sản xuất bánh răng sẽ không tránh khỏi xuất hiện của những bánh răng không đạt
chất lượng (gãy răng, mẻ răng, thiếu răng) mà những lỗi này người công nhân khó có
thể phát hiện kịp thời trong một dây chuyền tự động. Vì vậy, nhóm đã chọn đề tài “Thiết
kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng” để giải quyết vấn đề này.

i


2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Trong đề tài này nhóm thiết kế hệ thống băng tải sản phẩm, robot SCARA và
nghiên cứu ứng dụng xử lý ảnh để phân loại bánh răng.
-

Tình toán thiết kế cánh tay robot SCARA.

-

Tính toán thiết kế các hệ truyền động băng tải

-

Xử lý ảnh

-

Thiết kế, thi công mô hình.

3. Nội dung đề tài đã thực hiện :
-

Một bản báo cáo thuyết minh.

-

5 bản vẽ A0.

-

Một mô hình.

C
C

4. Kết quả đã đạt được:

R
L
.
T

 Phần lý thuyết đã tìm hiểu:
-

Tổng quan về quy trình sản xuất và phân loại bánh răng.

-

Nguyên lý thiết kế băng tải

-

Thiết kế cánh tay robot SCARA.

-

Phần mềm xử lý ảnh và ứng dụng của xử lí ảnh.

U
D

 Đã lựa chọn và thiết kế phần:
-

Lựa chọn và đưa ra các phương án tối ưu để thiết kế băng tải.

-

Lựa chọn và đưa ra các phương án tối ưu để thiết kế cánh tay robot.

-

Thiết kế bộ phận chống nhiễu cho hệ thống xử lý ảnh.

 Thiết kế mô hình tổng thể

ii


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: ĐẶNG CÔNG ANH KHOA
NGUYỄN TUẤN TÚ
Lớp: 14CDT2

Khoa: Cơ khí

MSSV: 101140186
MSSV: 101140206

Ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

1. Tên đề tài đồ án: Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng.
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………..……………………………………………..……...
...…………………………………………………………………………………………
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương 2: Thiết kế hệ thống cơ khí
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
Chương 4: Ứng dụng xử lý ảnh
Chương 5: Đánh giá và kết quả

C
C

R
L
.
T

U
D

5. Các bản vẽ, đồ thị:
Bản vẽ lắp tổng thể - 1 A0
Bản vẽ sơ đồ động – 1 A0
Bản vẽ lắp cụm khâu 3 – 1 A0
Bản vẽ lưu đồ thuật toán – 1 A0
Bản vẽ sơ đồ mạch điện – 1 A0

6. Họ tên người hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
01/02/2019.
8. Ngày hoàn thành đồ án:
01/06/2019.
Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2019.
Trưởng Bộ môn

Người hướng dẫn

TS. Đặng Phước Vinh

iii


LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời kỳ khoa học công nghệ chiếm vị trí cực kỳ quan trọng như hiện nay thì
để hòa nhập với nền kinh tế thế giới ngành công nghiệp Việt Nam đang thay đổi một
cách nhanh chóng. Công nghệ và thiết bị hiện đại đang dần thay thế các thiết bị cũ kỹ,
công nghệ ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở sản xuất để tạo ra các dây
chuyền bán tự động, tự động để nâng cao năng xuất, nâng cáo chất lượng sản phẩm.

Các dây chuyền tự động và robot đang được áp dụng vào ngành ngành công nghiệp
để thay thế con người trong các công việc việc với tốc độ nhanh và độ chính sác cao
hơn.
Với đồ án tốt nghiệp chuyên ngành cơ điện tử, nhóm đã chọn đề tài là: “Thiết kế

C
C

và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng”. Trong quá trình sản xuất bánh răng

R
L
.
T

sẽ không tránh khỏi xuất hiện của những bánh răng không đạt chất lượng (gãy răng, mẻ
răng, thiếu răng) mà những lỗi này người công nhân khó có thể phát hiện kịp thời trong

U
D

một dây chuyền tự động. Vì vậy, nhóm đã dùng xử lý ảnh để tối ưu hóa điều này.
Mặc dù được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Đặng Phước Vinh, nhưng do công
nghệ còn hạn chế, kinh nghiệm thiết kế chưa trau dồi nhiều, tài liệu phục vụ cho công
việc thiết kế còn quá ít nên cũng không tránh khỏi những sai sót. Sau thời gian 3
tháng làm đề tài này bằng chính nổ lực của nhóm và được sự hướng dẫn của thầy Đặng
Phước Vinh, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác trong khoa nhóm
đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian quy định. Một lần nữa cho phép nhóm
gửi đến quý thầy cô cùng các bạn lòng biết ơn sâu sắc nhất.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2019.
Sinh viên thực hiện
Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

iv


CAM ĐOAN

Kính gửi:

- Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng
- Khoa Cơ Khí

Tôi tên là:

ĐẶNG CÔNG ANH KHOA
NGUYỄN TUẤN TÚ

Lớp:

14CDT2

Khoa:

Cơ Khí

Đề tài: Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng.
Tác giả xin cam đoan nội dung của đồ án không phải sao chép bất cứ đồ án hay

công trình nào đã có trước đây. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án này đã được

C
C

cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được ghi nguồn gốc rõ ràng và được phép

R
L
.
T

công bố.

U
D

Sinh viên thực hiện:

Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

vi


MỤC LỤC
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu
Cam đoan

Mục lục
Danh mục các hình vẽ
Danh sách ký hiệu, chữ viết tắt
Mở đầu
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI............................................................................2

C
C

1.1

Đặt vấn đề ..........................................................................................................2

1.2

Các dạng hỏng bánh răng ................................................................................2

1.3

Giải pháp đề ra và đánh giá ............................................................................2

1.4

Ý tưởng thiết kế robot cho hệ thống phân loại bánh răng ...........................3

R
L
.
T

U
D

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ .......................................................8
2.1

Thiết kế băng tải ...............................................................................................8

2.1.1

Phương án thiết kế ....................................................................................8

2.1.2

Phương án truyền động ............................................................................8

2.1.3

Tính toán thiết kế băng tải .......................................................................8

2.2

Thiết kế robot SCARA ...................................................................................11

2.2.1 Giới thiệu robot SCARA. ............................................................................11
2.2.3 Động học Robot SCARA .............................................................................16
CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ...........................................21
3.1

Sơ đồ hệ thống điện ........................................................................................21

3.1.1 Sơ đồ hệ thống chiếu sáng ...........................................................................21
3.1.2 Sơ đồ kết nối hệ thống xử lý tín hiệu Camera ...........................................22
3.2 Giới thiệu các phần tử trong hệ thống .............................................................23
3.2.1 Giới thiệu về Arduino Mega .......................................................................23
3.2.4 Một số phần tử khác trong mạch điện .......................................................27
3.2.4.1 Module hạ áp DC-DC LM2596 ............................................................27
vii


3.2.4.3 Động cơ RC Servo SG-90......................................................................28
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH ..................................................................29
4.1 Tổng quan về xử lý ảnh .....................................................................................29
4.1.1 Giới thiệu về xử lý ảnh ................................................................................29
4.1.2 Các công đoạn xử lý ảnh .............................................................................29
4.1.3 Một số khái niệm trong xử lý ảnh ..............................................................31
4.2 Ứng dụng vào đề tài ...........................................................................................33
4.2.1 Quá trình xử lý ảnh .....................................................................................33
4.2.1.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống ...........................................................33
4.2.1.2 Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh .................................................................35
CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ .................................................................37
5.1 Đánh giá đề tài ....................................................................................................37
5.2 Kết quả và hướng phát triển đề tài ..................................................................39

C
C

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................40

R

L
.
T

PHỤ LỤC 1 ....................................................................................................................1
PHỤ LỤC 2 ....................................................................................................................7

U
D

PHỤ LỤC 3 ....................................................................................................................1
PHỤ LỤC 4 ....................................................................................................................2

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH ẢNH
Bảng 2. 1: Bảng thông số D-H của Robot Scara ..........................................................17
Bảng 3. 1: Bảng giá trị chân của vi điều khiển.............................................................24
Hình 1. 1 Mô hình hệ thống .............................................................................................3
Hình 1. 2 Robot có tọa độ Decac ....................................................................................4
Hình 1. 3 Robot dạng tọa độ trụ ......................................................................................4
Hình 1. 4 Robot dạng tọa độ cầu .....................................................................................5
Hình 1. 5 Robot dạng khớp nối........................................................................................6
Hình 1. 6 Robot có cấu trúc động học vòng kín ..............................................................6
Hình 2. 1 Biểu diễn băng tải và vật thể ...........................................................................9
Hình 2. 2 Động cơ được chọn .......................................................................................10
Hình 2. 3 Hình ảnh 3D băng tải ....................................................................................11
Hình 2. 4 Robot SCARA trong công nghiệp ..................................................................12
Hình 2. 5 Robot SCARA trong kỹ thuật tạo mẫu in 3D .................................................13

Hình 2. 6 Robot SCARA siết chặt vít .............................................................................13
Hình 2. 7 Robot SCARA lắp ráp ở vị trí ngược .............................................................14
Hình 2. 8 Robot SCARA gắp nhiều sản phẩm ...............................................................14
Hình 2. 9 Robot SCARA xếp đĩa. ...................................................................................15
Hình 2. 10 Hình ảnh 3D robot.......................................................................................15
Hình 2. 11 Robot Scara 4 bậc tự do ..............................................................................16
Hình 2. 12 Đặt hệ quy chiếu theo phương pháp D-H ...................................................17
Hình 2. 13 Tọa độ làm việc của robot ...........................................................................20

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 3. 1 Sơ đồ kết nối mạch điện .................................................................................21
Hình 3. 2 Hệ thống chiếu sáng ......................................................................................22
Hình 3. 3 Sơ đồ kết nối hệ thống xử lý tín hiệu Camera ...............................................22
Hình 3. 4 Sơ đồ chân của bo mạch ARDUINO MEGA 2560 ........................................23
Hình 3. 5 Bộ điều khiển ramps 1.4 ................................................................................25
Hình 3. 6 Sơ đồ chân Driver A4988 ..............................................................................26
Hình 3. 7 Module hạ áp DC-DC LM2596 .....................................................................27
Hình 3. 8 Động cơ Servo MG966R ...............................................................................27
Hình 3. 9 Động cơ RC Servo SG-90 ..............................................................................28
Hình 4. 1 Ảnh xám .........................................................................................................32

Hình 4. 2 Ảnh nhị phân..................................................................................................32
Hình 4. 3 Ảnh màu .........................................................................................................33
Hình 4. 4 Lưu đồ thuật toán của hệ thống .....................................................................34
Hình 4. 5 Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh ..........................................................................35
Hình 5. 1 Hình ảnh thực tế của hệ thống ......................................................................37
Hình 5. 2 Giao diện ứng dụng xử lý ảnh trên Windows ................................................38
ix


Hình 5. 3 Giao diện điều khiển robot bằng tay .............................................................38

C
C

R
L
.
T

U
D

x


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

MỞ ĐẦU

Các hệ thống tự động hóa, robot đang dần thay thế các thiết bị cũ kỹ, công nghệ

ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở sản xuất để tạo ra các dây chuyền bán
tự động, tự động để nâng cao năng xuất, nâng cáo chất lượng sản phẩm. Công nghiệp
đang ngày càng chính xác và nhanh chóng để đáp ứng xu thế hiện đại hóa. Các ngành
ngành công nghiệp đóng gói, dược phẩm cũng như trong lĩnh vực điện, điện tử,... là
những nghành đỏi hỏi sự chính xác cao trong kiểm tra đầu ra và để thay thế con người
trong việc sản xuất cũng như kiểm tra thành phẩm với tốc độ nhanh và độ chính sác cao.
Từ đó, các ngành kỹ thuật tự động, robotics, xử lý ảnh ra đời để đáp ứng nhu cầu và
không ngừng phát triển đề ngày càng hoàn thiện hơn. Trong đó, Robot SCARA được
ứng dụng đặc biệt rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất, được thiết kế để đáp ứng
nhiều yêu cầu khác nhau
Để hoàn thành đồ án này ta cần hiểu và nắm rõ được cơ sở lý thuyết về phương
pháp phân tích, tính toán động học, tính toán công suất, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật xử lý
ảnh. Ngoài ra, các kiến thức liên quan đến thiết kế cơ khí, mạch điện và lập trình vi
điều khiển cũng rất cần thiết để có thể hoàn thiện mô hình thực tể theo các tiêu chí ban
đầu.

C
C

R
L
.
T

U
D

1
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề
Quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm là một quá trình cực kỳ quan trọng trong
sản xuất sản phẩm, quá trình này đòi hỏi rất nhiều công sức của người lao động. Để kiểm
tra chất lượng cho một dây chuyền sản xuất bánh răng thì cần phải có rất nhiều công
nhân, việc kiểm tra đòi hỏi độ chính xác cao và tỉ mỉ, tuy nhiên thời gian làm việc trong
ngày là dài nên không tránh khỏi việc sai sót vì lý do chủ quan của công nhân. Đó là lý
do để các nhà máy nghĩ đến việc tự động hóa quá trình kiểm tra chất lượng bánh răng.

1.2 Các dạng hỏng bánh răng
Trong quy trình gia công, sản xuất bánh răng hẳn sẽ không tránh khỏi những vấn đề

C
C

làm cho bánh răng không đạt chất lượng. Các hư hỏng có thể là:
-

R
L
.
T

Gãy hay mẻ răng: là hiện tượng bánh răng bị gãy răng hoặc răng bị mẻ không
đáp ứng tiêu chuẩn làm việc. Nguyên nhân chủ yếu do vật liệu phôi và trong

U
D

quá trình gia công dao bị mòn hoặc gãy làm hư hại tới bánh răng, hoặc lập
trình máy sai dẫn đến gia công sai.
-

Tróc răng: là hiện tượng những mảnh sắt nhỏ bị bong ra khỏi bề mặt răng làm
cho răng yếu dần. Nguyên nhân do dao gia công bị mòn hoặc gãy, độ cứng
của phôi chưa đạt chuẩn hay vật liệu kém chất lượng làm hư hỏng trong quá
trình gia công bánh răng.

1.3 Giải pháp đề ra và đánh giá
Để tối hóa việc phân loại bánh răng, giảm thiểu sai sót của công nhân và tự động di
chuyển các bánh răng hỏng và bánh răng tốt sang các hộp riêng biệt thì việc sử dụng
cánh tay robot là cần thiết trong thời buổi hiện nay.
Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh, camera được gắn phía trên băng tải di chuyển các
bánh răng đi ngang qua. Khi bánh răng tới vị trí của camera, máy tính sẽ phân tích hình
dạng của bánh răng, đếm số răng để so sánh với thông số sẵn có, đo đạc đường kính
trục… và đưa ra kết quả kiểm tra. Hệ thống xử lý ảnh giao tiếp với robot thông qua cổng
Serial để gửi tín hiệu điều khiển robot gắp bánh răng ra khỏi băng tải.
2
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

Mô hình hệ thống:

Hình 1. 1 Mô hình hệ thống
-

C
C

R
L
.
T

Ưu điểm:

o Quy trình xử lý nhanh chóng và chính xác

U
D

o Loại bỏ được những vấn đề về nhân lực như: mệt mỏi khi làm việc, sai
sót trong lựa chọn.

o Điều khiển một cách dễ dàng và hiệu quả.
1.4 Ý tưởng thiết kế robot cho hệ thống phân loại bánh răng
Để việc gắp bánh răng hiệu quả thì cơ cấu của robot phải hợp lý và có năng suất
làm việc cao.

 Yêu cầu đề ra: Lựa chọn loại cánh tay robot thích hợp thể hiện độ linh hoạt
trong phạm vi làm việc, cơ cấu cứng vững và tiết kiệm được chi phí chế tạo.
1.4.1 Phương án 1: Dạng Decac
Sử dụng 3 đường trượt vuông góc nhau trong không gian là các trục tọa độ X,Y,Z.
Robot chuyển động theo 3 trục tọa độ. Sử dụng các khớp tịnh tiến, phạm vi làm việc của
Robot được mở rộng theo hình chữ nhật

3
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

Hình 1. 2 Robot có tọa độ Decac
 Ưu điểm:
- Di chuyển tay máy khá linh hoạt
-

 Nhược điểm:
- Cơ cấu chưa cứng vững
- Khó thiết kế bộ truyền phù hợp
-

C
C

Phù hợp với hướng gắp từ trên xuống

R
L
.
T

U
D

Hoạt động rườm rà, tốn nhiều thời gian.

1.4.2 Phương án 2: Dạng hình trụ

Trục cơ bản là một trụ dọc, robot chuyển động lên xuống dọc theo trục.
Bằng cách chuyển động quay quanh trục, tịnh tiến dọc trục phạm vi làm việc của robot
được mở rộng theo một hình trụ bao quanh trục cơ bản.

Hình 1. 3 Robot dạng tọa độ trụ

4
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

 Ưu điểm:
-

Di chuyển tay máy khá linh hoạt

-

Không phù hợp với hướng gắp từ trên xuống

 Nhược điểm:
-

Cơ cấu chưa cứng vững
Khó thiết kế bộ truyền phù hợp

1.4.3 Phương án 3: Dạng hình cầu
Sử dụng các khớp lồng vào nhau giúp cho Robot có khả năng chuyển động lên hoặc
xuống theo chiều ngang của trục quay. Dạng đa khớp nối cho phép robot mở rộng
khoảng không gian làm việc theo hình cầu.

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 1. 4 Robot dạng tọa độ cầu

 Ưu điểm:
-

Di chuyển tay máy khá linh hoạt

-

Không phù hợp với hướng gắp từ trên xuống

 Nhược điểm:
- Cơ cấu chưa cứng vững
- Khó thiết kế bộ truyền phù hợp
-

Hoạt động rườm rà, tốn nhiều thời gian.

1.4.4 Phương án 4: Dạng khớp nối
Tương tự như cánh tay con người, nó gồm 2 phần tử thẳng tương ứng với cánh tay
và cẳng tay. Các phần tử này được ghép nối với nhau bởi 2 khớp tương ứng với khớp
bả vai và khớp khủy tay. Cổ tay được nối với cẳng tay.

5
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

Hình 1. 5 Robot dạng khớp nối
 Ưu điểm:
- Cơ cấu dễ thiết kế truyền động
-

Phù hợp với hướng gắp từ trên xuống

-

Cơ cấu cứng vững, chắc chắn

 Nhược điểm:
- Phạm vi làm việc còn hạn chế
- Không phù hợp cho hướng gắp ngang

C
C

R
L
.
T

U
D

1.4.5 Phương án 5: Robot có cấu trúc động học là vòng kín
Là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được liên kết với ít nhất 2
khâu khác.

Hình 1. 6 Robot có cấu trúc động học vòng kín
 Ưu điểm:
- Di chuyển tay máy khá linh hoạt
- Phù hợp với hướng gắp từ trên xuống
-

Tốn ít động cơ cho bộ truyền
6

Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

 Nhược điểm:
- Cơ cấu chưa cứng vững
- Phạm vi làm việc còn hạn chế cho với kích thước của robot
 Kết luận: Có thể thấy phương án 4 và phương án 5 là phù hợp cho yêu cầu của
hệ thống, 2 robot điển hình cho 2 phương án này là robot SCARA và Delta. Tuy
nhiên phân tích sâu từng phương án nhóm quyết định chọn robot SCARA vì các
lý do sau:
- Phạm vi hoạt động của robot SCARA là lớn hơn robot Delta
- Hành trình trục Z (hướng từ trên xuống) của SCARA lớn hơn nhiều so
với Delta
-

Việc thiết kế robot Delta phức tạp và tốn nhiều chi phí vì sử dụng các khớp

cầu rất khó để gia công.

C
C

R
L
.
T

U
D

7
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
2.1 Thiết kế băng tải
Yêu cầu kĩ thuật:
- Vận tốc trên băng tải 3 m/phút.
- Chiều rộng băng tải 60 mm.
- Chiều dài băng tải 520 mm.
- Băng tải có bộ phận căng băng.
- Băng tải làm việc êm.

2.1.1 Phương án thiết kế
Chọn loại băng tải kiểu con lăn là phù hợp với yêu cầu của hệ thống, ưu điểm của loại
băng tải này:
-

Số lượng pulley ở hai đầu ít.

-

Thiết kế đơn giản.

-

Vận hành tốt.

-

Chi phí thấp.

2.1.2 Phương án truyền động

C
C

R
L
.
T

U

D

Chọn phương pháp Truyền động trực tiếp, kết hợp sử dụng động cơ có hộp giảm tốc tích
hợp.
Ưu điểm:
-

Thích hợp với bộ truyền có tải trọng nhỏ.

-

Chi phí chế tạo rẻ.

-

Thiết kế đơn giản.

2.1.3 Tính toán thiết kế băng tải
1) chiều dài băng tải: L = 520 mm
2) Tính công suất động cơ
Công suất luôn là yếu tố cần phải xác định trước tiên khi tính toán chọn động cơ cho
băng tải. Công suất này là tổng hợp của 4 thành phần sau:
- Công suất cần thiết để chạy không tải
- Công suất cần thiết để di chuyển vật cần tải
- Công suất cần thiết để thắng lực ma sát
8
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh

Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

-

Công suất cần thiết để tăng tốc băng tải.

Để cho pulley truyền công suất cho băng tải thì tăng sự căng đai để cho phần đai
đi vào pulley nhiều hơn phần ra khỏi pulley. Để căng đai thì vận tốc của pulley truyền
động phải bằng hoặc lớn hơn vận tốc của bề mặt pulley tại chỗ tiếp xúc và vận tốc của
dây đai khi rời khỏi pulley thấp hơn một lượng bằng với lượng căng đai.
Việc tăng sự căng băng tải là hệ số ma sát giữa đai và pulley đủ để duy trì vận tốc
của băng tải bằng với vận tốc pulley. Vận tốc của phần băng tải bị động sẽ nhỏ hơn vận
tốc của phần băng tải chủ động do có sự trượt tương đối giữa băng tải và pulley.

C
C

R
L
.
T

Hình 2. 1 Biểu diễn băng tải và vật thể
Khối lượng băng tải: 0,3 kg

U
D

Khối lượng tải yêu cầu: 0,3 kg

 Tổng khối lượng là m = 0,6 kg

Vận tốc yêu cầu là v = 3 m/phút = 0,05 m/s.
Hệ số ma sát giữa bề mặt và chi tiết là 0.3
 Tải trọng cần thiết: F = mg + μmg = mg(1+ μ) = 0,6×9,81×(1+0,3) = 7,65 N
Lấy F = 10 N
Công suất cần thiết: P = F.v = 10×0,05 = 0,5 W
Công suất thực: Pt = P/ η = 0,5/(0,6×0,97) = 0,86 W, trong đó 0,6 là hiệu suất
của băng tải, 0,97 là hiệu suất bộ truyền bánh răng.

3) Tính tốc độ đầu ra của động cơ
Để phù hợp với thiết kế sử dụng thép hộp 20×20 mm chọn đường kính của tang
cuốn là D = 33 mm.

9
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

Tốc độ đầu ra của động cơ:
𝑛=

𝑣
3.1000

=
= 28,95 (𝑣/𝑝) . 𝐿ấ𝑦 𝑛 = 29 (𝑣/𝑝)
𝜋 × 𝐷 3,14 × 33

Vì không có động cơ có tốc độ như vậy nên ta chọn động cơ có tốc độ lớn hơn
sau đó dùng phương pháp thay đổi điện áp để điều chỉnh tốc độ động cơ về tốc
độ cần thiết (sẽ trình bày ở phần điều chỉnh tốc độ băng tải).
Dựa vào catalog chọn động cơ loại TG-05R-SS có thông số:

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 2. 2 Động cơ được chọn

10
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

C
C

R
L
.
T

Hình 2. 3 Hình ảnh 3D băng tải
Động cơ chọn được có thông số:

U
D

-

Tốc độ sau giảm tốc: n = 50,1 (v/p)

-

Momen xoắn T = 196 mN.m

-

Tỉ số truyền của hộp giảm tốc là i = 115.

2.2 Thiết kế robot SCARA
2.2.1 Giới thiệu robot SCARA.
2.2.1.1 Robot SCARA là gì?

Robot SCARA được phát triển lần đầu tiên vào năm 1980 tại Nhật Bản và tên
SCARA là viết tắt của “Selective Compliance Assembly Robot Arm - Cánh tay robot
lắp ráp tuân thủ chọn lọc”. Đặc điểm chính của robot SCARA là nó có 2 khớp liên kết,
theo một cách nào đó bắt chước cánh tay của con người mặc dù nó hoạt động trên một
mặt phẳng duy nhất, cho phép cánh tay mở rộng và gập lại vào các khu vực hạn chế
khiến nó phù hợp để tiếp cận bên trong vùng bị bạo hoặc chọn và đặt từ vị trí này sang
vị trí khác.
Robot SCARA thường có tối đa 4 trục (3 vòng quay và một tuyến tính Z).
11
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 2. 4 Robot SCARA trong công nghiệp
2.2.1.2 Ưu điểm và ngược điểm

-

Ưu điểm:
o Robot SCARA được sử dụng phổ biến nhất cho các quá trình chọn và lắp ráp
trong trường hợp cần tốc độ và độ chính xác cao.
o Theo thiết kế, robot SCARA phù hợp với các ứng dụng có trường hoạt động
nhỏ và không gian sàn bị hạn chế, bố cục nhỏ gọn cũng giúp chúng dễ dàng
trong việc di dời và lắp đặt lại.

-

Hạn chế:
o Do thiết kế nhỏ gọn nên chúng thường chỉ có khả năng mang tải trọng tương
đối nhẹ, thường lên tới 2 kg danh nghĩa (tối đa 10 kg).
o Vùng làm việc của robot SCARA thường có hình tròn, không phù hợp với
nhiều ứng dụng mà nhiều robot khác mang lại.

12
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

2.2.1.3 Ứng dụng của robot SCARA trong công nghiệp
Robot SCARA có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp (chủ yếu), quy trình sản
xuất, trong y khoa hoặc lĩnh vực hàng không vũ trụ. Dưới đây là một số ứng dụng thực
tể của robot SCARA:

-

Robot SCARA trong kỹ thuật tạo mẫu in 3D, cắt laser, CNC.

C
C

R
L
.
T

U
D

Hình 2. 5 Robot SCARA trong kỹ thuật tạo mẫu in 3D
-

Công việc siết chặt vít bằng hệ thống robot SCARA

Hình 2. 6 Robot SCARA siết chặt vít
13
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

-

Lắp ráp sản phẩm với vị trí ngược.

C
C

R
L
.
T

Hình 2. 7 Robot SCARA lắp ráp ở vị trí ngược
-

U
D

Gắp nhiều sản phẩm trong dây truyền

Hình 2. 8 Robot SCARA gắp nhiều sản phẩm
14
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh


Thiết kế và chế tạo robot SCARA phân loại bánh răng

-

Robot SCARA xếp đĩa

C
C

R
L
.
T

Hình 2. 9 Robot SCARA xếp đĩa.
2.2.2 Ý tưởng ban đầu cho thiết kế của robot

U
D

Hình 2. 10 Hình ảnh 3D robot
15
Sinh viên thực hiện: Đặng Công Anh Khoa
Nguyễn Tuấn Tú

Hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh