Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu, xây dựng và tích hợp hệ thống nâng và hút chân không trong dây chuyền tự động hóa

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN VĂN VIỆT
NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG NÂNG VÀ
HÚT CHÂN KHƠNG TRONG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HĨA

KHOA: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ TRẦN THẮNG

PGS.TS ĐẶNG THẾ BA

HÀ NỘI - 2021


2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin được cam đoan đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu, xây dựng và tích
hợp hệ thống nâng và hút chân không trong dây chuyền tự động hóa” là cơng trình
của cá nhân tơi dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Trần Thắng và PGS.TS Đặng Thế
Ba. Nội dung nghiên cứu không sao chép từ bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào
khác. Những phần tham khảo đã được tác giả trích dẫn đầy đủ trong phần tài liệu
tham khảo.
Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ hướng dẫn TS Đỗ Trần Thắng và PGS.TS
Đặng Thế Ba đã nhiệt tình giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện đề tài.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2021

Tác giả đề tài

Trần Văn Việt


3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................. 2
MỤC LỤC ............................................................................................................. 3
DAMH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................. 7
DANH MỤC TỪ TIẾNG ANH VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................ 8
LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG NÂNG - HÚT CHÂN KHÔNG VÀ CÁNH TAY
ROBOT ............................................................................................................... 11
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 11
1.2. Tổng quan hệ thống nâng bằng hút chân không ........................................ 12
1.2.1.

Khái niệm ......................................................................................... 12

1.2.2.

Nguyên lý nâng vật bằng chân không .............................................. 12

1.2.3.

Phân loại .......................................................................................... 14

1.3. Tạo chân không bằng nguyên lý Venturi................................................... 17
1.4. Giới thiệu về cánh tay robot SM6.............................................................. 18
1.4.1.

Các thành phần chính của cánh tay robot ....................................... 18

1.4.2.

Tổng quan về SM6 ............................................................................ 20

1.4.3.

Hệ thống điều khiển SM6 ................................................................. 21

1.4.4.

Phầm mềm mô phỏng và điều khiển chuyển động robot SM6 ......... 24

1.5. Kết luận ...................................................................................................... 27
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TAY GẮP CHO CÁNH TAY ROBOT
SM6 ..................................................................................................................... 28
2.1. Sơ đồ khối hệ thống hút chân không ............................................................ 28
2.2. Quy trình thiết kế hệ thống giác hút ............................................................. 29
2.3. Lựa chọn bộ tạo chân không. ....................................................................... 37
2.4. Bơm chân khơng .......................................................................................... 40

2.5. Tích hợp kẹp chân khơng với SM6 .............................................................. 42
2.5.1. Tích hợp kẹp chân khơng với hệ thống điều khiển SM6 ...................... 42
2.5.2. Tích hợp với giao diện điều khiển SM6................................................ 45
2.6. Kết luận ........................................................................................................ 47
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ............................................................. 48


4
3.1. Vận hành mơ hình hệ thống gắp thả. ........................................................... 48
3.1.1. Mơ hình thử nghiệm .............................................................................. 48
3.1.2. Hoạt động gắp thả ................................................................................. 50
3.2. Đánh giá sau khi thử nghiệm ....................................................................... 53
3.3. Mô phỏng hệ thống hoạt động của tay gắp vào cánh tay ............................. 56
3.4. Kết luận và hướng phát triển ........................................................................ 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 61
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 62


5
DAMH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Ứng dụng hút chân khơng lên cánh tay robot .................................... 11
Hình 1. 2: Hai nửa quả cầu vành cao su .............................................................. 13
Hình 1. 3: Hai đội ngựa cố gắng kéo hai nửa quả cầu ra xa nhau ...................... 13
Hình 1. 4: Nguyên lý hoạt động của máy bơm chân khơng................................ 14
Hình 1. 5: Cấu tạo của máy nén khí .................................................................... 16
Hình 1. 6: Ngun lý Venturi .............................................................................. 17
Hình 1. 7: Tủ điều khiển UR3 ............................................................................. 18
Hình 1. 8: Cánh tay robot UR3 ........................................................................... 19
Hình 1. 9: Tay dạy robot cộng tác UR ................................................................ 19
Hình 1. 10: Gripper của hãng Robotiq ................................................................ 20

Hình 1. 11: Cánh tay robot SM6 ......................................................................... 21
Hình 1. 12: Sơ đồ hệ thống điều khiển................................................................ 22
Hình 1. 13: Sơ đồ nhiệm vụ của SM robot ......................................................... 25
Hình 1. 14: Thuật tốn tổng quát của chương trình SM robot ............................ 26
Hình 2. 1: Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................... 28
Hình 2. 2: Mơ hình một cốc hút .......................................................................... 29
Hình 2. 3: Ba trường hợp di chuyển vật cần nâng .............................................. 30
Hình 2. 4: Ứng dụng giác hút nâng và thả sản phẩm .......................................... 30
Hình 2. 5: Đồ thị tải trọng trường hợp 1 ............................................................. 31
Hình 2. 6: Ứng dụng giác hút nâng và di chuyển sản phẩm theo chiều ngang... 32
Hình 2. 7: Đồ thị tải trọng trường hợp 2 ............................................................. 32
Hình 2. 8: Ứng dụng giác hút nâng, di chuyển và xoay sản phẩm ..................... 33
Hình 2. 9: Đồ thị tải trọng trường hợp 3 ............................................................. 33
Hình 2. 10: Cốc hút với vật liệu khơng xốp ........................................................ 34
Hình 2. 11: Cốc hút với vật liệu xốp ................................................................... 35
Hình 2. 12: Vùng chân không tạo ra của hai loại vật liệu ................................... 35
Hình 2. 13: Cốc hút phẳng .................................................................................. 36
Hình 2. 14: Cốc hút có ống thổi .......................................................................... 36
Hình 2. 15: Cốc hút thực tế được sử dụng .......................................................... 37
Hình 2. 16: Cấu tạo bộ tạo chân khơng ZK2 ...................................................... 39
Hình 2. 17: Sơ đồ khí nén ZK2 ........................................................................... 39
Hình 2. 18: Mặt cắt ZK2 ..................................................................................... 40
Hình 2. 19: Máy khí nén Piston .......................................................................... 41
Hình 2. 20: Module I/O mở rộng IOMnt ............................................................ 43
Hình 2. 21: Hệ thống điều khiển ......................................................................... 44
Hình 2. 22: Hệ thống phần cứng ......................................................................... 44
Hình 2. 23: Giao diện điều khiển Robot SM6..................................................... 45
Hình 2. 24: Chương trình điều khiển SM6 kết hợp điều khiển tay gắp .............. 46

6
Hình 2. 25: Mơ hình cánh tay SM6 và hệ thống 2 giác hút ................................ 47
Hình 3. 1: Sơ đồ thiết bị tổng quát ...................................................................... 48
Hình 3. 2: Giao diện điều khiển hệ thống ........................................................... 49
Hình 3. 3: Hệ thống thực tế ................................................................................. 50
Hình 3. 4: Tấm Polycarbonate đặc ruột .............................................................. 51
Hình 3. 5: Kết quả thử nghiệm với tấm Polycarbonate....................................... 51
Hình 3. 6: Hộp carton .......................................................................................... 52
Hình 3. 7: Kết quả thử nghiệm với hộp carton ................................................... 52
Hình 3. 8: Độ dài hành trình của cốc hút ............................................................ 53
Hình 3. 9: Bộ lọc chân khơng.............................................................................. 54
Hình 3. 10: Ngun tắc thiết kế đường ống dẫn khí ........................................... 54
Hình 3. 11: Điểm đặt cuối cánh tay robot trong hệ trục tọa độ........................... 56
Hình 3. 12: Nhiệm vụ chuyển động của SM6 trong 2 trường hợp ..................... 57
Hình 3. 13: Đồ thị dịch chuyển của gốc hệ tọa độ gắn trên khâu tác dụng cuối 58
Hình 3. 14: Đồ thị của 06 khớp dịch chuyển ...................................................... 58
Hình 3. 15: Đồ thị dịch chuyển của gốc hệ tọa độ gắn trên khâu tác dụng cuối 59
Hình 3. 16: Đồ thị của 06 khớp dịch chuyển ...................................................... 59


7
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1: Bảng so sánh bơm cơ điện (1) và bơm khí nén (2) ........................... 16
Bảng 1. 2: Bảng tốc độ truyền EtherCAT ........................................................... 23
Bảng 2. 1: Số lượng cốc hút và bán kính cốc hút trường hợp 1.......................... 31
Bảng 2. 2: Bảng lưu lượng hút dựa trên kích thước cốc hút ............................... 37
Bảng 2. 3: Bảng so sánh Ethernet và EtherCAT ................................................. 43


8

DANH MỤC TỪ TIẾNG ANH VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
3D
API
EEPROM

ETHERCAT
GUI
I/O
IEC
PC
PLC
PWM
RAM
SRAM
TCP/IP
UDP

Tiếng anh
Giải thích
3-Dimension
3 chiều
Application Programming
Giao diện lập trình ứng dụng
Interface
Electrically Erasable
Bộ nhớ chỉ đọc lập trình có
Programmable Read-Only
thể xóa bằng điện
Memory

Ethernet for Control
Công nghệ điều khiển tự
Automation Technology
động của ethernet
Graphical User Interface
Giao diện đồ họa người dùng
Input/ Output
Đầu vào/ đầu ra
International Electrotechnical Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế
Commission
Personal Computer
Máy tính cá nhân
Programmable Logic
Bộ điều khiển Logic có thể
Controller
lập trình được
Pulse Width Modulation
Điều chế độ rộng xung
Random Access Memory
Bộ nhớ truy cập tạm thời
Static Random-Access
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
Memory
tĩnh
Transmission Control
Giao thức điều khiển truyền
Protocol/ Internet Protocol
nhận/ Giao thức liên mạng
User Datagram Protocol
Giao thức dữ liệu người dùng

9
LỜI MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Tự động hóa là lĩnh vực ngày càng được ứng dụng nhiều trong sản xuất. Đặc
biệt với sản xuất hiện đại, các giải pháp tự động hóa của thời đại cơng nghiệp 4.0
ln tích hợp sử dụng Robot làm thành phần không thể thiếu trong hệ thống.
Theo lịch sử phát triển robot, tay máy công nghiệp ngày càng được ứng dụng
rộng rãi và phổ biến trong nhiều lĩnh vực như: trong sản xuất, trong nghiên cứu
phát triển, trong quân sự, trong y học, trong thám hiểm khơng gian,… Vì vậy việc
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mới cánh tay robot cùng với các dụng cụ gắn trên
nó cho các ứng dụng cụ thể trong công nghiệp phù hợp với điều kiện Việt Nam là
một nhu cầu thiết thực đem lại lợi ích cho Quốc gia.
Ngoài ra, hệ thống thao tác cuối (dụng cụ) của cánh tay Robot cũng là một
hướng nghiên cứu đa dạng và phong phú. Để từng bước làm chủ công nghệ về
cánh tay robot công nghiệp, tôi quyết định lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu, xây dựng
và tích hợp hệ thống nâng và hút chân không trong dây chuyền tự động hóa”.
Mục đích của đề tài
• Nghiên cứu ngun lý hoạt động và xây dựng cấu trúc cho hệ thống nâng
vật bằng hút chân khơng.
• Xây dựng phần mềm điều khiển của hệ thống hút chân khơng trên Matlab
GUI.
• Tính toán tải trọng của hệ thống và các vấn đề liên quan.
• Tìm hiểu quy trình thiết kế và chế tạo, hệ thống phần cứng và phần mềm
điều khiển cánh tay robot cơng nghiệp 6 bậc tự do.
• Xây dựng giải pháp tích hợp hệ thống chân khơng vào cánh tay robot cơng
nghiệp.
Đối tượng nghiên cứu
• Cánh tay robot 6 bậc tự do

• Hệ thống thao tác cuối của cánh tay robot
• Hệ thống tạo chân khơng bằng khí nén theo nguyên lý Venturi
Phương pháp nghiên cứu
• Thu thập, nghiên cứu tài liệu về hệ thống hút chân không và cánh tay Robot.


10
• Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm, tích hợp, mơ
phỏng, vận hành thử nghiệm và đánh giá.
Nội dung nghiên cứu của luận văn gồm 3 chương:
• Chương 1: Hệ thống nâng – hút chân khơng và cánh tay robot
Tìm hiểu ngun lý nâng vật bằng chân không, nguyên lý tạo ra chân không
bằng nguyên lý Venturi. Tổng quan về cánh tay robot nói chung và cánh tay SM6
nói riêng.
• Chương 2: Thiết kế hệ thống tay gắp cho cánh tay robot SM6
Từng bước thiết kế và tích hợp hệ thống gắp chân khơng lên cánh tay robot
SM6 theo các bộ phận chính của cánh tay.
• Chương 3: Đánh giá hệ thống
Kết quả vận hành hệ thống thử nghiệm, đánh giá sơ bộ hệ thống và các lưu
ý liên quan đến hệ thống, hướng phát triển.
Luận văn có sử dụng các cơng cụ phần mềm bao gồm: Matlab, Solidworks, tham
khảo hệ thống Robot SM6, nền nhúng Arduino,…


11
CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG NÂNG - HÚT CHÂN KHÔNG VÀ
CÁNH TAY ROBOT
1.1.

Đặt vấn đề

Dây chuyền tự động hóa là một chuỗi các máy trạm được liên kết với nhau
bởi hệ thống chuyển giao và điều khiển điện, giúp thực hiện hoạt động sản xuất,
chế tạo sản phẩm. Vật liệu sẽ được xử lý tại mỗi trạm theo các bước thiết lập từ
trước, sau đó di chuyển theo dây chuyền sản xuất với trình tự định sẵn và hồn
thiện sau khâu cuối cùng.
Dây chuyền tự động hóa được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất của
đời sống hiện đại, trong đó đáng kể nhất là lĩnh vực đóng gói. Dây chuyền đóng
gói sẽ gồm nhiều khâu (từ cấp nhiên vật liệu đầu vào đến đóng gói sản phẩm ở
đầu ra) với mục đích cuối tạo ra thành phẩm đẹp mắt, đảm bảo an toàn cho sản
phẩm, dễ dàng vận chuyển và bảo quản hàng hóa tốt hơn.
Hệ thống nâng và hút chân không thực hiện gắp đặt sản phẩm từ vị trí cố
định hoặc di động sang vị trí khác nhờ robot hoặc cơ cấu chuyền động cơ khí.
Chính vì thế hệ thống này có thể được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền
đóng gói, đặc biệt trong các nhà máy của ngành thực phẩm – giải khát, hàng tiêu
dùng, dược phẩm - hóa chất,…

Hình 1. 1: Ứng dụng hút chân không lên cánh tay robot

Nghiên cứu khả năng tích hợp hệ thống nâng và hút chân khơng lên cánh tay
robot công nghiệp, ứng dụng trong dây chuyền tự động hóa là một hướng nghiên


12
cứu có ý nghĩa thực tiễn cao. Cụ thể, luận văn sẽ đưa ra giải pháp tích hợp hệ
thống nâng và hút chân không lên cánh tay Robot SM6 do phòng Cơ điện tử thuộc
viện Cơ học – Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam nghiên cứu và tự thiết kế chế
tạo trong nước. Ứng dụng của hệ thống sẽ thực hiện 1 khâu trong dây chuyền
đóng gói là xếp các thùng sản phẩm carton lên pallet.
1.2. Tổng quan hệ thống nâng bằng hút chân không

1.2.1. Khái niệm
Môi trường chân không là mơi trường khơng có áp suất, khơng chứa vật chất
và thực tế rất khó để tạo ra mơi trường này. Cho nên hiện nay các máy bơm chân
không chỉ có thể tạo ra mơi trường gần chân khơng, là mơi trường có tồn tại áp
suất nhưng áp suất ở mức độ thấp hơn rất nhiều so với áp suất của khí quyển và
nó đủ điều kiện để đáp ứng tối ưu nhu cầu sản xuất, làm việc, nghiên cứu của
người dùng trong mọi lĩnh vực, ngành nghề.
Máy bơm chân không là một thiết bị chuyên dùng để loại bỏ các chất khí,
chất lỏng, hơi nước ra khỏi một phạm vi khơng gian giới hạn, khép kín nhằm tạo
ra một môi trường chân không hoặc gần chân không. Đây là thiết bị được sử dụng
phổ biến trong nhà xưởng sản xuất.
1.2.2. Nguyên lý nâng vật bằng chân không
Tất cả chúng ta đều đã thấy các miếng hút chân không nhặt đồ vật trong nhà
máy hoặc triển lãm thương mại và có lẽ ít nghĩ về cách chúng nhặt đồ vật đó. Một
số người trong chúng ta có thể cho rằng họ sử dụng chân không để hút vật thể lên.
Nhưng khoa học cho chúng ta biết lực hút không tồn tại, vậy làm thế nào để các
miếng hút chân không nâng những vật này lên?
Một thử nghiệm ở thế kỷ 17 có thể làm sáng tỏ mọi thứ (chi tiết tại [9]).
Vào những năm 1650, một nhà khoa học người Đức tên là Otto Von Guericke
đã tiến hành các thí nghiệm ở Magdeburg để chứng minh sức mạnh của áp suất
khí quyển. Ơng sử dụng hai nửa của một quả cầu (minh họa trên hình 1.1) và một
máy bơm chân khơng mà ơng đã chế tạo. Thí nghiệm này được gọi là Thí nghiệm
Bán cầu Magdeburg (và thiết bị mà ông sử dụng vẫn được trưng bày trong Bảo
tàng Deutsches của Munich).


13

Hình 1. 2: Hai nửa quả cầu vành cao su
Hai nửa được ghép lại với nhau và bôi mỡ. Quả cầu được nâng đỡ và gắn

vào hai đội ngựa. Một máy bơm chân khơng sau đó đã hút khơng khí từ bên trong
quả cầu. Sau đó cho hai đội ngựa (16 con) cố gắng kéo hai nửa quả cầu ra xa nhau,
minh họa trên hình 1.2. Và chúng khơng thể.

Hình 1. 3: Hai đội ngựa cố gắng kéo hai nửa quả cầu ra xa nhau
Lý do tại sao lực kéo của những con ngựa vơ ích?
Khi bạn đặt hai nửa quả cầu lại với nhau, áp suất bên trong quả cầu bằng áp
suất bên ngồi. Vì vậy, một người có thể dễ dàng kéo chúng ra bằng tay.
Nhưng khi không khí/áp suất bên trong bị loại bỏ, áp suất khí quyển (14,7
psi) tác động vng góc lên tất cả các bề mặt bên ngoài của hai nửa quả cầu. Lực
này có thể ngăn khơng cho 16 con ngựa kéo hai nửa ra xa nhau. Thí nghiệm này
đã được lặp lại nhiều lần kể từ những năm 1650.
Điều này liên quan như thế nào đến miếng hút chân không?
Khi chúng ta thấy những tấm đệm nâng một phôi gia công, các mặt của tấm
đệm sẽ phẳng so với phôi khi hút chân khơng (khơng khí bên trong tấm lót được


14
loại bỏ). Đây không phải do lực hút đang làm phẳng tấm đệm mà áp suất khí
quyển bên ngồi đang đẩy các mặt của miếng đệm xuống.
Khi robot hoặc máy móc nâng tấm đệm lên, áp suất khí quyển giữ phơi áp
vào tấm đệm. Thể tích bên trong tấm đệm ở áp suất thấp hơn nhiều và do đó lực
đẩy xuống phơi ít hơn. Áp suất khí quyển trên các bề mặt khác của phôi mạnh
hơn, đẩy phôi lên so với tấm đệm. Đây là nguyên lý tạo lực nâng phôi lên. Tấm
đệm là mặt phân cách giữa hệ thống chân không và phôi.
Khi chân không được loại bỏ khỏi tấm đệm và khơng khí nạp đầy tấm đệm,
áp suất trên và dưới phôi cân bằng và tấm đệm sẽ giải phóng phơi. Miếng đệm
cũng trở lại hình dạng ban đầu.
Cũng giống như áp suất khí quyển giữ cho các bán cầu bị dính lại với nhau
khi áp suất bên trong bị loại bỏ, áp suất khí quyển giữ phơi dựa vào một tấm đệm

chân không khi áp suất bên trong tấm đệm được loại bỏ.
1.2.3. Phân loại
Hệ thống nâng bằng hút chân không được sử dụng trong sản xuất có 2 loại
chính là: Hệ thống tạo chân khơng bằng bơm cơ điện và tạo chân khơng bằng bơm
khí nén. Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm riêng:
+ Nguyên lý hoạt động của máy bơm chân không cơ điện: loại bơm chân
không này để hoạt động cần sử dụng một nguồn năng lượng, đó có thể là điện
năng. Sau khi máy được cung cấp năng lượng sẽ bắt đầu vận hành. Các khoang
công tác của máy sẽ tiến hành hút bớt chất khí, hơi nước có trong khơng gian khép
kín và đẩy nó ra mơi trường khơng khí bên ngồi, mơ tả trên hình 1.3. Thể tích
của các khoang công tác trong khi máy hoạt động sẽ thay đổi tuần hồn.

Hình 1. 4: Ngun lý hoạt động của máy bơm chân khơng
Vào mỗi chu trình làm việc, khi thể tích của các khoang cơng tác tăng lên,
hệ thống bơm sẽ hút chất lỏng làm việc đi kèm với chất khí, hơi nước và theo sự


15
thay đổi thể tích của các khoang cơng tác thì chất lỏng làm việc, chất khí, hơi nước
sẽ từ từ được nén lại và bị đẩy ra ngồi thơng qua cửa xả của máy. Nhưng trong
đó chất khí và hơi nước là được loại bỏ hồn tồn cịn chất lỏng làm việc sẽ theo
một bộ phận đặc biệt được đưa trở lại máy để tiếp tục hỗ trợ chuyển các chất khí
và hơi nước cịn lại trong khơng gian khép kín ra ngồi cho đến khi khơng thể
chuyển nữa. Với máy không sử dụng chất lỏng làm việc là nước hay dầu thì sẽ
được thiết kế các khoang cơng tác có độ kín cao hơn để đẩy chất khí ra ngồi
thuận tiện, dễ dàng hơn.
+ Hệ thống bơm chân khơng bằng khí nén chủ yếu sử dụng máy nén khí là
phần chính của thiết bị nguồn khí. Máy nén khí là một thiết bị chuyển đổi năng
lượng cơ học của động cơ chính thành năng lượng áp suất khí và là một thiết bị
tạo áp suất khơng khí cho khí nén. Có nhiều loại máy nén khí. Theo ngun lý

hoạt động, chúng có thể được chia thành các máy nén thể tích, máy nén ly tâm và
máy nén khí piston:
• Nguyên lý làm việc của máy nén thể tích là thể tích khí nén, sao cho mật
độ của các phân tử khí trên một đơn vị thể tích tăng lên để tăng áp suất của khí
nén.
• Ngun tắc làm việc của máy nén ly tâm là tăng tốc độ di chuyển của các
phân tử khí, sao cho động năng của các phân tử khí được chuyển thành năng lượng
áp suất của khí, do đó làm tăng áp.
• Cấu tạo của máy nén khí piston được mơ tả trên hình 1.4. Nguyên lý làm
việc của máy nén khí piston là trực tiếp nén khí và xả khí khi khí đạt đến áp suất
nhất định.


16

Hình 1. 5: Cấu tạo của máy nén khí
Sự lựa chọn của máy nén khí chủ yếu dựa trên áp suất làm việc và tốc độ
dòng chảy của hệ thống khí nén. Áp suất làm việc của nguồn khí phải cao hơn
khoảng 20% áp suất làm việc tối đa trong hệ thống khí nén, vì sự mất mát và tổn
thất cục bộ của đường ống cấp khí phải được xem xét. Nếu yêu cầu áp suất làm
việc thấp ở một số bộ phận của hệ thống, van giảm áp có thể được sử dụng để
cung cấp khơng khí. Áp suất xả định mức của máy nén khí được chia thành áp
suất thấp (0,7-1,0 MPa), áp suất trung bình (1,0 đến 10 MPa), áp suất cao (10 đến
100 MPa), và áp suất cực cao (100 MPa trở lên), có thể được lựa chọn theo nhu
cầu thực tế. Áp lực chung thường là 0.7 ~ 1.25MPa.
Bảng 1.1 dưới đây so sánh ưu và nhược điểm của 2 loại bơm tạo ra chân
không là bơm cơ điện và bơm khí nén.
Bảng 1. 1: Bảng so sánh bơm cơ điện (1) và bơm khí nén (2)
Bơm chân khơng cơ điện (1)

Bơm chân khơng khí nén (2)

Bơm điện có thể tạo chân khơng khi
khơng có nguồn cung cấp khí nén.
Chúng cung cấp chi phí bảo trì thấp
hơn và vận hành êm hơn so với máy
bơm khí nén. Tuy nhiên, máy bơm
điện gắn trên cổ tay rơ bốt có kích

Khi có nguồn cung cấp khí nén, máy hút
khí với bơm chân khơng khí nén có thể
tạo ra dịng chân khơng mạnh và liên tục
để hút các vật nặng hơn, xốp hơn. Các hệ
thống chân không như vậy có khả năng
mở rộng cao và chúng dễ dàng tùy chỉnh


17
thước hạn chế và mức áp suất âm
mà chúng có thể tạo ra, điều này có
thể khiến chúng đắt hơn máy bơm
chân khơng khí nén. Máy bơm điện
như thế này vượt trội trong các ứng
dụng có tính cơ động cao và hoạt
động tốt nhất khi xử lý các vật nhẹ,
không xốp, chúng cung cấp chi phí
bảo trì thấp hơn và vận hành êm hơn
so với máy bơm khí nén.

bằng cách gắn van, cốc và ống vào máy

hút và máy bơm. Thêm 1,4,6,8 (hoặc
nhiều hơn) cốc để mở rộng hệ thống
nhưng việc tạo ra quá nhiều điểm giao
nhau trong hệ thống có thể ảnh hưởng đến
hiệu suất vì khả năng rị rỉ nhỏ sẽ tăng lên.
Mặt khác, máy bơm chạy bằng khí nén sẽ
làm tăng chi phí vận hành vì cần điện để
chạy máy nén, cũng như hệ thống sẽ phức
tạp hơn với hệ thống bơm cơ điện.

Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn sẽ đi sâu tìm hiểu về hệ thống hút chân
khơng bằng bơm khí nén dựa vào ngun lý Venturi. Cùng với đó sẽ xây dựng
một hệ thống ứng dụng trong thực tế để có cái nhìn cụ thể hơn.
1.3.

Tạo chân không bằng nguyên lý Venturi

Nguyên lý Venturi sử dụng một dịng động lực áp suất cao (khí hoặc chất
lỏng) qua một đường ống bị co lại, minh họa trên hình 1.5. Điều này tạo ra một
vùng có áp suất thấp ở phía thốt của đường ống, kéo các phần tử khí vào dịng
chảy từ một đầu thứ 3 (đầu cung cấp chân không hoặc lực hút cần thiết cho ứng
dụng).

Hình 1. 6: Nguyên lý Venturi
Máy tạo chân khơng Venturi có một số ưu điểm so với các loại máy hút khác:
•
•
•
•
•

•

Khơng có thành phần chuyển động
Mức độ bảo trì thấp
Tuổi thọ cao
Khả năng đáp ứng
Kích thước nhỏ
Hiệu quả chi phí


18
Các loại máy tạo chân không Venturi khác nhau chủ yếu dựa trên dòng động
lực được sử dụng, bao gồm: khơng khí, hơi nước và chất lỏng.
Kích thước của máy tạo chân khơng Venturi được đưa ra dựa trên đường
kính ngoài (OD) của đường ống đầu vào hoặc đầu ra. Thường thì các kết nối này
có dạng ren và kích thước được chỉ định bằng inch (") hoặc milimet (mm), tham
khảo thêm tại [10].
1.4. Giới thiệu về cánh tay robot SM6
1.4.1. Các thành phần chính của cánh tay robot
Một cánh tay robot công nghiệp thông thường gồm các thành phần sau: Tủ
điều khiển, Tay dạy lập trình, Cánh tay robot, Gripper.
• Hệ thống điều khiển: Hay tủ điều khiển, là nơi kết nối đến các cánh tay, tín
hiệu bên ngồi, tay dạy để xử lý các tín hiệu đưa về và ra quyết định điều khiển.
Trên tủ điều khiển còn tích hợp các cổng truyền thơng, đấu nối I/O….

Hình 1. 7: Tủ điều khiển UR3
Tùy thuộc vào từng thế hệ và dịng robot mà tủ điều khiển ngày càng gọn
nhẹ.
• Cánh tay robot: Là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng kết hợp với
nhau hình thành cánh tay để tạo ra các chuyển động cơ bản, cổ tay ( Wrist) tạo lên

sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (công tác- Gripper) trực tiếp thao tác lên đối
tượng sản phẩm.


19

Hình 1. 8: Cánh tay robot UR3
• Giao diện người-Robot: Thường là tay dạy để dạy điểm cho robot và theo
dõi các hoạt động của robot, thực hiện các cài đặt, laappj trình câu lệnh. Đơi khi
cũng là phần mềm cài trên máy tính.

Hình 1. 9: Tay dạy robot cộng tác UR
• Gripper: Gripper hay tay gắp là phần tiếp xúc trực tiếp với vật/ sản phẩm,
Hiện nay Gripper có sẵn nhiều lựa chọn cho tùy loại sản phẩm cần thao tác, Tuy
nhiên chúng ta hồn tồn có thể tự thiết kế tay gắp riêng bằng khí nén hoặc động
cơ.


20

Hình 1. 10: Gripper của hãng Robotiq
1.4.2. Tổng quan về SM6
Cánh tay Robot cơng nghiệp SM6 thuộc dự án "Hồn thiện, làm chủ công
nghệ thiết kế, chế tạo Robot công nghiệp 6 bậc tự do và ứng dụng sản phẩm vào
dây chuyền sản xuất cơng nghiệp" do nhóm nghiên cứu viện Cơ học thực hiện [4].
Sản phẩm tay máy SM6 được thiết kế, chế tạo có thể chuyển động được theo nhiều
quỹ đạo khác nhau. Các chức năng, loại hình làm việc của Robot: cánh tay Robot
có thể thực hiện tốt các công việc cầm nắm, di chuyển đối tượng, làm sạch, cấp
phôi, sơn và hàn trong dây chuyền sản xuất tự động khi được cung cấp dụng cụ
phù hợp.

• Bậc tự do: 06 bậc tự do.
• Tải trọng mang: 3 kg
• Vân tốc tối đa khâu tác dụng cuối: đạt 1 m/s.
• Mơi trường làm việc: trong nhà xưởng, phịng thí nghiệm có tiếp đất.
• Khơng gian làm việc: trung bình nhỏ tương đương với tầm với của người.
• Các yêu cầu khác: gọn nhẹ, lắp đặt dễ dàng và thuận tiện, có chức năng
dạy học online, có tính module hóa.
Trong giới hạn phạm vi nghiên cứu, luận văn sẽ đi tìm hiểu một số thành
phần chính của SM6 để phục vụ q trình tích hợp hệ thống hút chân không lên
cánh tay robot này.


21

Hình 1. 11: Cánh tay robot SM6
1.4.3. Hệ thống điều khiển SM6
SM6 sử dụng bộ điều khiển 8 trục có tên là SpiiPlusEC Motion Controller
của công ty ACS Motion Control. Dịng điều khiển Độc lập SPiiPlusEC được tích
hợp những tính năng vượt trội: phần cứng hiệu năng cao, điều khiển đa kênh, rất
linh hoạt khi hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động, khả năng tùy biến cao trong phần
mềm trên máy tính cho phép người dùng tự phát triển ứng dụng riêng. Bộ điều
khiển của ACS Motion Control rất phù hợp cho ứng dụng điều khiển robot đa trục.
Với lý do đó, Độc lập SPiiPlusEC được chọn làm bộ điều khiển cho cánh cánh
tay máy. Hình 1.12 minh họa sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cánh tay máy.
Lựa chọn các Bộ driver 01 trục XEL-230-18 của công ty Copley được ghép với
bộ điều khiển đa trục Độc lập SPiiPlusEC. Các bộ khuếch đại còn cung cấp cổng
ghép nối cho phép đưa về tín hiệu encoder đo tốc độ của từng trục. Cơ chế giao
tiếp tín hiệu và trao đổi dữ liệu giữa Độc lập SPiiPlusEC và hai bộ khuếch đại
cơng suất được thực hiện hồn tồn tự động, người sử dụng không cần phải quan
tâm đến.

22
Phần mềm điều khiển được cài đặt trên máy tính, nó giao tiếp với Độc lập
SPiiPlusEC thơng qua đường truyền thơng ETHERCAT. Phần mềm này bao gồm
một gói phần mềm tính tốn quỹ đạo do nhóm tác giả tự phát triển và xây dựng
và phần mềm điều khiển do công ty ACS Motion Control cung cấp. Liên kết giữa
hai gói phần mềm này được thực hiện thông qua công cụ API.

Hình 1. 12: Sơ đồ hệ thống điều khiển
Bộ điều khiển được tích hợp nhiều tính năng tiên tiến như: truyền thông tốc
độ cao, bộ nhớ EEPROM dùng lưu trữ chương trình, đầu vào encoder tốc độ cao,
bo mạch cơng suất mở rộng. Hai kênh truyền thơng được tích hợp trong SPiiPlus
EC gồm có 1 kênh ETHERCAT (hỗ trợ tốc độ lên đến 19,2 kbaud) và 1 kênh 10
BaseT Ethernet. Bộ nhớ EEPROM 4M được sử dụng để lưu chương trình ứng
dụng, thơng số và hệ điều hành. Ngồi ra SPiiPlus EC cịn được tích hợp thêm các
chân vào ra số: cụ thể là 16 đầu vào số và 16 đầu ra số hỗ trợ cho bài tốn điều
khiển.
Truyền thơng với máy tính


23
DMC-SPiiPlus EC được tích hợp hai cổng truyền thơng: ETHERCAT và
Ethernet cho phép thiết bị kết nối với máy tính.
Tham số truyền thông ETHERCAT được quy định thiết lập như sau, bản tin
gồm 10 bit: 1-bit start, 8-bit dữ liệu, 1-bit stop, khơng có bit chẵn lẻ, thực hiện chế
độ truyền song công. Tốc độ truyền thông tối đa là 19200 baud, và có thể lựa chọn
được thơng qua jump JP2.

Bảng 1. 2: Bảng tốc độ truyền EtherCAT

Đường truyền Ethernet hỗ trợ hai giao thức TCP/IP và UDP/IP. TCP/IP là
giao thức yêu cầu mỗi gói tin gửi đi phải được phản hồi khi nhận được. Do đó nếu
khơng nhận được phản hồi thì dữ liệu được giả thiết là bị mất và cần phải được
gửi lại. Giao thức UDP/IP thì khơng u cầu phía nhận phản hồi khi nhận được
dữ liệu. UDP/IP mặc dù đơn giản hơn và có hiệu suất truyền thông cao hơn tuy
nhiên do độ tin cậy thấp hơn so với TCP/IP cho nên TCP/IP sẽ là giao thức nên
sử dụng cho bài toán kết nối máy tính và DMC-SPiiPlus EC qua đường Ethernet.
Nếu sử dụng ETHERCAT, ta chỉ có thể ghép nối DMC-SPiiPlus EC với 1
máy tính duy nhất cịn nếu sử dụng cổng Ethernet thì mỗi bộ DMC-SPiiPlus EC
có thể ghép mạng với nhiều máy tính. Trong mạng này, bộ điều khiển đóng vai
trị của slave và các máy tính đóng vai trị master.
Phần truyền thơng với máy tính có nhiệm vụ sau:
• Thu thập dữ liệu từ bộ điều khiển
• Điều khiển theo lệnh đặt từ máy tính
• Tương tác với phần mềm người dùng
Thu thập dữ liệu từ bộ điều khiển
Dữ liệu được lấy về là thông tin trạng thái ở bên dưới bộ điều khiển, nó được
chia làm mấy nhóm sau:
• Nhóm I: trạng thái chung
• Nhóm S: thơng số của mặt phẳng S
• Nhóm T: thơng số của mặt phẳng T


24
• Nhóm A đến F: thơng số của trục 1 đến trục 6
Điều khiển theo lệnh đặt từ máy tính
Tập lệnh điều khiển của DMC-SPiiPlus EC có cấu trúc gồm 2 ký tự chữ cái
và mỗi lệnh lại có thể có thêm các tham số đi kèm theo tiếp sau. Kết thúc mỗi lệnh
là ký tự CR hoặc dấu “;”. Lệnh được truyền đi dưới dạng mã ASCII, bộ điều khiển
DMC- SPiiPlus EC sẽ giải mã từng byte ASCII một, thời gian giải mã khoảng

0,5ms. Bộ điều khiển hỗ trợ cơ chế nhận lệnh FIFO cho phép nhận liên tục lệnh
từ máy tính để xử lý lần lượt. Sau khi thực hiện xong mỗi lệnh, DMC-SPiiPlus
EC sẽ phản hồi trạng thái thực hiện lệnh (được hay không được) cho máy tính
biết.
Tương tác với phần mềm người dùng
ACS Motion Control cung cấp hai giải pháp:
• Thứ nhất là phần mềm API (giao diện chương trình ứng dụng).
• Thứ hai là ActiveX Tool Kit.
Người dùng có thể sử dụng hai cơng cụ này để tự xây dựng phần mềm điều
khiển trên máy tính tùy biến theo u cầu. Thơng qua hai cơng cụ này, phần mềm
sẽ giao tiếp được với bộ điều khiển DMC-SPiiPlus EC.
1.4.4. Phầm mềm mô phỏng và điều khiển chuyển động robot SM6
Phần mềm SM robot được xây dựng đóng vai trị liên kết giữa người sử dụng
và bộ điều khiển của robot để mô phỏng, điều khiển giám sát robot. Phần mềm
SM robot (Small Manipulator) có các chức năng thực hiện thiết kế quĩ đạo, mô
phỏng và điểu khiển robot đã được phát triển bởi Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học
từ phần mềm eRobot [3].
Chức năng và nhiệm vụ
Phần mềm SM robot thực hiện 3 nhiệm vụ chính:
• Thiết kế quĩ đạo chuyển động cho robot.
• Mô phỏng động học và động lực học robot.


25
• Điều khiển giám sát q trình hoạt động của robot.
Phần mềm

Thiết kế quĩ đạo

SM robot

Mơ phỏng

Điều khiển

Hình 1. 13: Sơ đồ nhiệm vụ của SM robot
Các chức năng chính của giao diện phần mềm SM robot được thể hiện trong
sơ đồ ở hình 1.13 trên.
Thuật tốn của Phần mềm SM robot
Quá trình hoạt động của SM robot bắt đầu với việc người sử dụng thiết kế
quĩ đạo chuyển động cho robot bằng cơng cụ Control Tab. Sau khi có được quĩ
đạo, người sử dụng chuyển sang tính tốn động học và động lực học robot thông
qua việc giải bài tốn động học ngược và thuận của Robot. Q trình này cũng
đồng thời tiến hành kiểm tra động học và động lực học, kiểm tra không gian làm
việc và điểm kỳ dị. Nếu người sử dụng thiết kế quĩ đạo không nằm trong không
gian làm việc hoặc các thông số tính tốn nằm ngồi khoảng cho phép của robot,
SM robot sẽ yêu cầu người sử dụng thiết kế lại quĩ đạo. Sau khi có được các kết
quả động học và động lực học cho robot, SM robot sẽ hiện thị kết quả dưới dạng
đồ thị và hình ảnh 3 chiều (3D) cho người sử dụng quan sát trước khi chính thức
điều khiển robot thông qua Offline control module.