Download: https://uploading.vn/asdhgwtgmtlg

1. 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 KHÔNG TRONG DÂY CHUYỀN TỰ ĐỘNG HÓA
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. 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 công trình
của cá nhân tôi 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 công 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 tôi trong quá trình thực hiện đề tài.
Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Tác giả đề tài
Trần Văn Việt

3. 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 không .......................................................................................... 40
2.5. Tích hợp kẹp chân không với SM6.............................................................. 42
2.5.1. Tích hợp kẹp chân không 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. 4
3.1. Vận hành mô hình hệ thống gắp thả. ........................................................... 48
3.1.1. Mô 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. 5
DAMH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1: Ứng dụng hút chân không 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 không................................ 14
Hình 1. 5: Cấu tạo của máy nén khí.................................................................... 16
Hình 1. 6: Nguyên 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 toán tổng quát của chương trình SM robot............................ 26
Hình 2. 1: Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................... 28
Hình 2. 2: Mô 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 không 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 không 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. 6
Hình 2. 25: Mô 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 không.............................................................................. 54
Hình 3. 10: Nguyên 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. 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. 8
DANH MỤC TỪ TIẾNG ANH VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt Tiếng anh Giải thích
3D 3-Dimension 3 chiều
API Application Programming
Interface
Giao diện lập trình ứng dụng
EEPROM Electrically Erasable
Programmable Read-Only
Memory
Bộ nhớ chỉ đọc lập trình có
thể xóa bằng điện
ETHERCAT Ethernet for Control
Automation Technology
Công nghệ điều khiển tự
động của ethernet
GUI Graphical User Interface Giao diện đồ họa người dùng
I/O Input/ Output Đầu vào/ đầu ra
IEC International Electrotechnical
Commission
Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế
PC Personal Computer Máy tính cá nhân
PLC Programmable Logic
Controller
Bộ điều khiển Logic có thể
lập trình được
PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung
RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập tạm thời
SRAM Static Random-Access
Memory
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
tĩnh
TCP/IP Transmission Control
Protocol/ Internet Protocol
Giao thức điều khiển truyền
nhận/ Giao thức liên mạng
UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu người dùng

9. 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 công nghiệp 4.0
luôn 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 không 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 nguyên lý hoạt động và xây dựng cấu trúc cho hệ thống nâng
vật bằng hút chân không.
• Xây dựng phần mềm điều khiển của hệ thống hút chân không 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 công nghiệp 6 bậc tự do.
• Xây dựng giải pháp tích hợp hệ thống chân không vào cánh tay robot công
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 không 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. 10
• Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm, tích hợp, mô
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 không và cánh tay robot
Tìm hiểu nguyên 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 không 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 công cụ phần mềm bao gồm: Matlab, Solidworks, tham
khảo hệ thống Robot SM6, nền nhúng Arduino,…

11. 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 hoàn
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 không lên cánh tay
robot công nghiệp, ứng dụng trong dây chuyền tự động hóa là một hướng nghiên

12. 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 môi trường không có áp suất, không chứa vật chất
và thực tế rất khó để tạo ra môi trường này. Cho nên hiện nay các máy bơm chân
không chỉ có thể tạo ra môi trường gần chân không, là môi 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 không 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. Ông sử dụng hai nửa của một quả cầu (minh họa trên hình 1.1) và một
máy bơm chân không mà ông 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. 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 không sau đó đã hút không 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 không 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 vô ích?
Khi bạn đặt hai nửa quả cầu lại với nhau, áp suất bên trong quả cầu bằng áp
suất bên ngoài. 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 vuông góc lên tất cả các bề mặt bên ngoài của hai nửa quả cầu. Lực
này có thể ngăn không 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 không (không khí bên trong tấm lót được

14. 14
loại bỏ). Đây không phải do lực hút đang làm phẳng tấm đệm mà áp suất khí
quyển bên ngoài đang đẩy các mặt của miếng đệm xuống.
Khi robot hoặc máy móc nâng tấm đệm lên, áp suất khí quyển giữ phôi áp
vào tấm đệm. Thể tích bên trong tấm đệm ở áp suất thấp hơn nhiều và do đó lực
đẩy xuống phôi 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 không khí nạp đầy tấm đệm,
áp suất trên và dưới phôi cân bằng và tấm đệm sẽ giải phóng phôi. 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 phôi 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 không bằng bơm cơ điện và tạo chân không 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 không gian khép
kín và đẩy nó ra môi trường không khí bên ngoài, mô tả trên hình 1.3. Thể tích
của các khoang công tác trong khi máy hoạt động sẽ thay đổi tuần hoàn.
Hình 1. 4: Nguyên lý hoạt động của máy bơm chân không
Vào mỗi chu trình làm việc, khi thể tích của các khoang công tác tăng lên,
hệ thống bơm sẽ hút chất lỏng làm việc đi kèm với chất khí, hơi nước và theo sự

15. 15
thay đổi thể tích của các khoang công tác thì chất lỏng làm việc, chất khí, hơi nước
sẽ từ từ được nén lại và bị đẩy ra ngoài thông qua cửa xả của máy. Nhưng trong
đó chất khí và hơi nước là được loại bỏ hoàn toàn còn 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 còn lại trong không gian khép kín ra ngoài cho đến khi không thể
chuyển nữa. Với máy không sử dụng chất lỏng làm việc là nước hay dầu thì sẽ
được thiết kế các khoang công tác có độ kín cao hơn để đẩy chất khí ra ngoài
thuận tiện, dễ dàng hơn.
+ Hệ thống bơm chân không 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 không khí cho khí nén. Có nhiều loại máy nén khí. Theo nguyên 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.
• Nguyên 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 mô 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. 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 không 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 không cơ điện (1) Bơm chân không khí nén (2)
Bơm điện có thể tạo chân không khi
không 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 rô bốt có kích
Khi có nguồn cung cấp khí nén, máy hút
khí với bơm chân không khí nén có thể
tạo ra dòng chân không 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. 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 không 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 rò 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
không bằng bơm khí nén dựa vào nguyên 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 dòng 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 thoát của đường ống, kéo các phần tử khí vào dòng
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 không Venturi có một số ưu điểm so với các loại máy hút khác:
• Không 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. 18
Các loại máy tạo chân không Venturi khác nhau chủ yếu dựa trên dòng động
lực được sử dụng, bao gồm: không khí, hơi nước và chất lỏng.
Kích thước của máy tạo chân không 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 ngoài, 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 thông, đấu nối I/O….
Hình 1. 7: Tủ điều khiển UR3
Tùy thuộc vào từng thế hệ và dòng 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. 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. Đôi 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 hoàn toàn có thể tự thiết kế tay gắp riêng bằng khí nén hoặc động
cơ.

20. 20
Hình 1. 10: Gripper của hãng Robotiq
1.4.2. Tổng quan về SM6
Cánh tay Robot công nghiệp SM6 thuộc dự án "Hoàn 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 công 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.
• Môi trường làm việc: trong nhà xưởng, phòng thí nghiệm có tiếp đất.
• Không 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 quá trình tích hợp hệ thống hút chân không lên
cánh tay robot này.

21. 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. Dòng 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
công suất được thực hiện hoàn toàn tự động, người sử dụng không cần phải quan
tâm đến.

22. 22
Phần mềm điều khiển được cài đặt trên máy tính, nó giao tiếp với Độc lập
SPiiPlusEC thông qua đường truyền thông ETHERCAT. Phần mềm này bao gồm
một gói phần mềm tính toán 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 công suất mở rộng. Hai kênh truyền thông 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, thông số và hệ điều hành. Ngoài ra SPiiPlus EC còn 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 toán điều
khiển.
Truyền thông với máy tính

23. 23
DMC-SPiiPlus EC được tích hợp hai cổng truyền thông: 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, không 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 thông 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
không nhận được phản hồi thì dữ liệu được giả thiết là bị mất và cần phải được
gửi lại. Giao thức UDP/IP thì không yêu 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 còn 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
trò của slave và các máy tính đóng vai trò master.
Phần truyền thông 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: thông số của mặt phẳng S
• Nhóm T: thông số của mặt phẳng T

24. 24
• Nhóm A đến F: thông 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 công cụ này để tự xây dựng phần mềm điều
khiển trên máy tính tùy biến theo yêu cầu. Thông qua hai công 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 trò 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. 25
• Điều khiển giám sát quá trình hoạt động của robot.
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 toán 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 công cụ Control Tab. Sau khi có được quĩ
đạo, người sử dụng chuyển sang tính toán động học và động lực học robot thông
qua việc giải bài toán động học ngược và thuận của Robot. Quá 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 toán nằm ngoài 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.
Phần mềm
SM robot
Thiết kế quĩ đạo
Mô phỏng
Điều khiển

26. 26
Hình 1. 14: Thuật toán tổng quát của chương trình SM robot
Đặc điểm của SM robot
SM robot có những đặc điểm nổi bật sau:
• Được viết trên ngôn ngữ lập trình VC++ chạy trên trên máy tính cá nhân
(PC) với giao diện đồ họa trực quan cho người sử dụng.
• Mô hình được xây dựng trực tiếp từ bản vẽ AutoCAD nên có độ chính xác
cao. Sử dụng công nghệ OpenGL trong hiển thị cho hình ảnh sống động.
• Điều khiển trực quan trên màn hình máy tính. Kết nối với các bộ điều khiển
qua cổng ETHERCAT.
• Sử dụng và phát triển các thuật giải tin cậy (đã được kiểm chứng bằng thực
nghiệm) về động học, động lực học, điều khiển, xử lý tín hiệu, truyền thông, ... có
tốc độ xử lý cao.

27. 27
1.5. Kết luận
Chương 1 tìm hiểu tổng quan về dây chuyền tự động hóa, hệ thống nâng –
hút chân không và cánh tay robot. Ứng dụng của hệ thống hút chân không với
cánh tay robot trong dây chuyền đóng gói nói riêng và tự động hóa nói chung:
Hệ thống nâng vật bằng chân không theo nguyên lý Venturi có thể ứng dụng
trong tất cả các giai đoạn của quá trình sản xuất.
Các bộ phận chính của cánh tay robot SM6: Phần mềm mô phỏng và điều
khiển SM robot dùng cho thiết kế quĩ đạo, mô phỏng và điều khiển robot; Bộ điều
khiển vị trí đa trục có chức năng điều khiển phối hợp đồng thời sáu bộ truyền động
cho 6 cơ cấu chấp hành của SM6 robot.
Trên cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu, luận văn đưa ra giải pháp tích hợp hệ thống
kẹp lên cánh tay SM6 ứng dụng vào một khâu trong dây chuyền đóng gói. Một số
kết quả mô phỏng, kết quả thử nghiệm và đánh giá sẽ được đưa ra.

28. 28
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TAY GẮP CHO CÁNH
TAY ROBOT SM6
2.1. Sơ đồ khối hệ thống hút chân không
Sơ đồ khối hệ thống hút chân không cơ bản được trình bày trong hình 2.1
bao gồm các thành phần chính như sau:
Nguồn cấp khí nén, đường ống, hệ thống điều khiển, bộ tạo chân không, hệ
thống giác hút.
Hình 2. 1: Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng các bộ phận trong hệ thống:
➢ Nguồn cấp khí nén (chủ yếu sử dụng máy bơm khí nén): bộ phận này sẽ
cấp nguồn khí áp suất cao vào trong đường ống dẫn khí, đưa đến bộ tạo chân
không (máy phun).
➢ Bộ tạo chân không: bộ phận được thiết kế theo nguyên lý Venturi. Ngoài
ra còn có thể tích hợp các module khác tại bộ phận này như: Van điện từ tắt mở
nguồn cấp khí nén, cảm biến áp suất, giảm thanh đầu thoát khí,…để tăng tiện ích
khi sử dụng.
➢ Hệ thống giác hút: hệ thống này tạo với mặt phẳng của vật cần hút một
không gian kín, khi khí nén đi qua bộ tạo chân không sẽ tạo ra chênh lệch áp suất
bên trong và bên ngoài hệ thống.
Nguồn
cấp khí
nén
Bộ tạo chân
không
Lối thoát
Hệ thống
điều khiển
Hệ thống
giác hút
Truyền thông
Khí nén
Chân không

29. 29
➢ Hệ thống điều khiển: bao gồm thiết bị phần cứng và chương trình phần
mềm. Hệ thống điều khiển phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng hay hệ thống mà ta sẽ
tích hợp lên.
2.2. Quy trình thiết kế hệ thống giác hút
Tùy vào ứng dụng cụ thể mà ta có thể lựa chọn hay tự thiết kế một hệ thống
giác hút chân không riêng (sử dụng 1, 2 hay nhiều cốc hút), nhưng chúng sẽ phụ
thuộc chủ yếu vào hai yếu tố cơ bản sau:
• Khối lượng của vật cần nâng: Tăng độ an toàn, độ tin cậy và tốc độ bằng
cách sử dụng nhiều cốc hút ở mỗi vị trí. Nếu một cốc thất bại, những chiếc cốc
khác sẽ giữ vững vị trí.
• Chất liệu bề mặt vật cần nâng: Vật liệu được xử lý trong các ứng dụng chọn
và đặt có thể được nhóm thành hai loại - không xốp và xốp. Điều quan trọng là
xác định loại vật liệu cần xử lý để xác định loại cốc và các lựa chọn phù hợp.
Cánh tay Robot SM6 được thiết kế để nâng vật có khối lượng tối đa là 3 kg,
vì vậy ta cần thiết kế hệ thống giác hút phù hợp với tải trọng này. Thứ 2, hệ thống
sẽ được ứng dụng trong khâu đóng hộp bìa carton của dây chuyền đóng gói, vật
liệu cần xử lý sẽ là vật liệu xốp.
B1: Thiết kế hệ thống giác hút dựa vào khối lượng của phôi
Để thiết kế hệ thống giác hút phù hợp với trọng lượng phôi, ta sẽ dựa vào
công thức tính độ bám của cốc hút và công thức tính tải trọng:
Hình 2. 2: Mô hình một cốc hút
Xác định lực hút của cốc hút theo công thức sau:
Fp=
A x P x N
1000
(2.1)
Trong đó: A là bề mặt bên trong của cốc hút (mm2
)
P là mức chân không (kPa)

30. 30
N là số lượng cốc hút trong hệ thống
Tải trọng là khối lượng được nâng theo gia tốc và hệ số an toàn được áp dụng.
Có 3 loại ứng dụng tải chính được trình bày trong hình 2.3. Lưu ý, mũi tên đại
diện cho chuyển động của hệ thống nâng.
Hình 2. 3: Ba trường hợp di chuyển vật cần nâng
Tải trọng trường hợp 1: Giác hút và phôi nằm ngang, robot di chuyển lên xuống.
FG = m x ( g + a) x S (2.2)
Trong đó: m là khối lượng của tải (kg)
g gia tốc trọng trường (9,81 m/s2
)
a gia tốc của robot (m/s2
)
S là hệ số an toàn (hệ số an toàn thường là 2 trong đa số trường hợp, 4
trong một số trường hợp đặc biệt)
Hình 2. 4: Ứng dụng giác hút nâng và thả sản phẩm
Để vật không bị rơi thì: FP >= FG
Xét FP = FG
Gia tốc của robot trong đoạn: a = [1, 5] (m/s2
)
Áp suất chân không tạo ra: P = [20, 80] (kPa)
Tính toán được diện tích tiếp xúc cần thiết trong các trường hợp.

31. 31
Dựa vào các biến số cho ở trên, sử dụng phần mềm matlab để tính toán, ta
có đồ thị 3D biểu thị mối quan hệ giữa gia tốc của robot, áp suất chân không trong
hệ thống và diện tích tiếp xúc giữa giác hút và phôi.
Hình 2. 5: Đồ thị tải trọng trường hợp 1
Xét thấy, khi gia tốc của robot lớn nhất (5 m/s2
), áp suất chân không trong
hệ thống tạo ra được cực nhỏ (20 kPa) thì cần diện tích tiếp xúc của giác hút với
bề mặt của vật lớn nhất (4440 mm2
). Như vậy, diện tích giác hút an toàn để sử
dụng trong trường hợp 1 này là 4440 mm2
, có bảng 2.1 số lượng cốc hút và bán
kính cốc hút tương ứng.
Bảng 2. 1: Số lượng cốc hút và bán kính cốc hút trường hợp 1
Số lượng cốc hút (n) 1 2
Bán kính cốc hút (mm) 37.6 26.6
Tải trọng trường hợp 2: Giác hút và phôi nằm ngang, robot di chuyển ngang
FG = m x (g + 𝑎/𝜇) x S (2.3)
Trong đó: 𝜇 là hệ số ma sát giữa cốc hút và phôi.
= 0,1 đối với bề mặt dầu
= 0,2 ... 0,3 đối với bề mặt ướt
= 0,5 đối với gỗ, kim loại, thủy tinh,…
= 0,6 đối với bề mặt gồ ghề

32. 32
Hình 2. 6: Ứng dụng giác hút nâng và di chuyển sản phẩm theo chiều ngang
Tương tự ta cũng có đồ thị 3D biểu thị mối quan hệ giữa gia tốc của robot,
áp suất chân không trong hệ thống và diện tích tiếp xúc giữa giác hút và phôi.
Hình 2. 7: Đồ thị tải trọng trường hợp 2
Tải trọng trường hợp 3: Giác hút và phôi nằm dọc, robot di chuyển lên xuống
FG = 𝒎/𝝁 x (g + a) x S (2.4)
Trong đó: 𝜇 là hệ số ma sát giữa cốc hút và phôi.
= 0,1 đối với bề mặt dầu
= 0,2 ... 0,3 đối với bề mặt ướt
= 0,5 đối với gỗ, kim loại, thủy tinh, đá, ...
= 0,6 đối với bề mặt gồ ghề.

33. 33
Hình 2. 8: Ứng dụng giác hút nâng, di chuyển và xoay sản phẩm
Đồ thị 3D biểu thị mối quan hệ giữa gia tốc của robot, áp suất chân không
trong hệ thống và diện tích tiếp xúc giữa giác hút và phôi.
Hình 2. 9: Đồ thị tải trọng trường hợp 3
Kết luận:
Dựa vào đồ thị 3D của các trường hợp trên, ta lựa chọn được diện tích tiếp
xúc cần thiết của giác hút và phôi, từ đó suy ra bán kính của từng cốc hút và số
lượng cốc hút tương ứng. Với ứng dụng sẽ xử lý vật liệu trong cả 3 trường hợp
như trên, sản phẩm có khối lượng tối đa là 3 kg, vật cần nâng là hộp bìa carton,
gia tốc lớn nhất của robot là 5m/s2
, chân không tạo ra nhỏ nhất là 40 kPa, lựa chọn
được hệ thống giác hút gồm: 2 cốc hút với bán kính mỗi cốc hút là 28.2 mm.
B2: Thiết kế hệ thống giác hút dựa vào vật liệu sản phẩm

34. 34
Để xác định hình dạng cốc hút phù hợp, điều quan trọng là xác định loại vật
liệu cần xử lý. Vật liệu được xử lý trong các ứng dụng chọn và đặt có thể được
nhóm thành hai loại chính - không xốp và xốp. Có các kiểu dáng cốc khác nhau
để phù hợp với các loại vật liệu được xử lý.
− Vật liệu không xốp: thép, thủy tinh, ván nhiều lớp, nhựa cứng, chất bán
dẫn, v.v.
+ Xử lý vật liệu không xốp là ứng dụng dễ dàng nhất để chọn cốc chân không
vì không có dòng chân không rò rỉ. Cốc dán kín vào bề mặt của vật thể cho phép
máy bơm đạt được mức chân không tối đa.
+ Thông thường, cốc có rãnh phẳng được sử dụng cho các ứng dụng không
xốp vì thiết kế cứng, cấu hình thấp chống bong tróc. Trong các ứng dụng ngang
sử dụng hệ thống nhiều cốc hút, cốc có ống thổi có thể là một lựa chọn vì chúng
cung cấp độ mềm dẻo cần thiết để đảm bảo rằng tất cả cốc đều tiếp xúc với các
vật được xử lý.
Hình 2. 10: Cốc hút với vật liệu không xốp
− Vật liệu xốp: vật liệu dạng sóng, vật liệu dệt hoặc vật có bề mặt cực kỳ gồ
ghề, không bằng phẳng.
+ Khi xử lý các vật liệu xốp, điều quan trọng là đường dẫn dòng chảy giữa
vật thể và bơm chân không phải lớn đến mức cần thiết để bù lại lượng không khí
rò rỉ qua bề mặt sản phẩm hoặc từ các khe hở giữa cốc và sản phẩm. Chú ý đến
kích thước lỗ khoan của ống nối trong cốc, cũng như kích thước của các đường
ống chân không.
+ Khi tính toán lực giữ cho vật liệu xốp, mức độ chân không sẽ đạt được
thường không được biết vì tốc độ rò rỉ của vật liệu không được biết.

35. 35
Hình 2. 11: Cốc hút với vật liệu xốp
Hình 2.12 mô tả vùng làm việc hiệu quả của chân không trong xử lý vật liệu
xốp và không xốp, tham khảo thêm tại [1].
Hình 2. 12: Vùng chân không tạo ra của hai loại vật liệu
Ngoài ra để lựa chọn cốc hút, thì cần xem xét nhiều dữ liệu liên quan khác
nhưng chúng sẽ được đánh giá sau khi được thử nghiệm, dưới đây liệt kê một số
dữ liệu phổ biến:
- Nhiệt độ phôi: Cốc hút thường được làm từ một trong hai loại vật liệu chính
là cao su hoặc silicon. Tùy thuộc và nhiệt độ của sản phẩm cần xử lý và ngân sách
hệ thống để ta lựa chọn loại vật liệu phù hợp: silicon sẽ có giá thành cao hơn và
làm việc với sản phẩm nhiệt độ cao hơn cao su.
- Hệ số ma sát giữa cốc hút và phôi: khi làm việc với phôi theo phương ngang
sẽ xuất hiện hệ số ma sát, hệ số ma sát tùy thuộc vào bề mặt loại vật liệu như khô
hay nhờn, bề mặt phẳng và nhẵn,…

36. 36
- Bán kính cong tối thiểu của phôi: Khi làm việc với các loại phôi mềm dẻo,
bề mặt thay đổi bán kính cốc hút tiếp xúc với phôi cũng thay đổi theo. Cần xác
định bán kính tối thiểu mà tại đó phôi có thể kẹp chặt bằng cốc hút.
- Hệ số an toàn: để bù cho ma sát hoặc mất chân không, tùy thuộc trên ứng
dụng (từ bề mặt phôi thô hoặc vật liệu xốp)
- Thể tích nội bộ của cốc hút: Điều này được sử dụng để tính toán tổng thể
tích của hệ thống gắp. Với giá trị này cũng có thể để tính toán thời gian sơ tán.
- Hành trình cốc hút: Đây là hiệu ứng nâng xảy ra trong quá trình hoạt động
của cốc hút kiểu ống thổi có nhiều tầng cuộn.
Một số loại cốc hút hiện nay
Các cốc hút tròn phẳng có thiết kế đơn giản, phù hợp với các ứng dụng với
phôi bề mặt phẳng. Các cốc hút này bám dính tốt, có thể hơi cứng để khó bong
tróc khỏi bề mặt, phù hợp với chất liệu không xốp.
Hình 2. 13: Cốc hút phẳng
Các cốc hút có ống thổi với ½, 1, 2 và 3,… ống thổi. Chúng thích hợp cho
các phôi có dạng cong hoặc bề mặt nghiêng, cũng như để bù đắp cho chiều cao
dung sai hoặc để xử lý các thành phần có bề mặt lớn, không cứng, xốp,…
Hình 2. 14: Cốc hút có ống thổi

37. 37
Ngoài ra, có có nhiều loại cốc hút chuyên dụng khác với từng ứng dụng như
cốc hút hình bầu dục có khả năng chịu tải nặng do độ cứng của chúng và diện tích
tiếp xúc chân không rất lớn. Cốc siêu nhỏ, rất lý tưởng để sử dụng trong việc lấy
các bộ phận cực nhỏ như chip máy tính, tấm xốp và các linh kiện điện tử. Cốc có
thể phát hiện kim loại chứa các mảnh kim loại được nhúng vào vật liệu silicone
của cốc và được sử dụng ở những nơi có vấn đề về nhiễm bẩn, chẳng hạn như
trong chế biến thực phẩm. Cốc siêu phẳng và không để lại vết. Lý tưởng để chọn
và xử lý lá, phim và thủy tinh trong chất bán dẫn, các ngành công nghiệp năng
lượng mặt trời / quang điện & điện tử… Và còn nhiều loại cốc khác nữa.
Kết luận:
Để giải quyết bài toán nâng sản phẩm là hộp carton, có khối lượng tối đa là
3kg ta lựa chọn loại cốc hút thổi có 1 tầng cuộn, chất liệu bằng cao su, bán kính
cốc là 28.2mm cho ứng dụng. Phụ kiện của cốc hút đi kèm với loại cốc hút được
chọn.
Hình 2. 15: Cốc hút thực tế được sử dụng
2.3. Lựa chọn bộ tạo chân không.
Lựa chọn bộ tạo chân không dựa trên đường kính của cốc hút, theo bảng 2.2 dưới
đây:
Bảng 2. 2: Bảng lưu lượng hút dựa trên kích thước cốc hút

38. 38
Đường kính cốc hút Lưu lượng hút yêu cầu VS
0 - 20 mm 0.17 m3
/h 2.83 lít/m
20 - 40 mm 0.35 m3
/h 5.83 lít/m
40 - 60 mm 0.5 m3
/h 8.3 lít/m
60 - 90 mm 0.75 m3
/h 12.7 lít/m
90 - 120 mm 1 m3
/h 16.6 lít/m
Tính lưu lượng hút của bộ tạo chân không V [m3
/h, lít/m]:
V = n x VS (2.5)
Trong đó: n là số lượng cốc hút
VS là lưu lượng hút yêu cầu cho 1 cốc hút đơn (m3
/h, lít/m)
Như thiết kế trên: hệ thống sử dụng 2 cốc hút bán kính từng cốc là 28.2 mm
 V = 2 x 8.3 = 16.3 (lít/m)
Tính toán lựa chọn bộ tạo chân không phù hợp, ở đây luận văn lựa chọn bộ
tạo chân không của hãng SMC:
Giới thiệu tổng quan về SMC – Công ty khí nén Nhật Bản, được thành lập
từ năm 1959, SMC là tập đoàn về sản xuất và phân phối thiết bị khí nén lớn nhất
thế giới. SMC hiện có hơn 12.000 sản phẩm cơ bản và hơn 700.000 tùy chọn khác
nhau. Đây cũng chính là ưu thế lớn nhất của SMC, dãy sản phẩm rất rộng và có
thể đáp ứng hầu hết nhu cầu của các ngành công nghiệp có sử dụng khí nén trên
thế giới.
Bộ tạo chân không SMC ZK2 hoạt động dựa trên nguyên lý Venturi.
Máy tạo chân không ZK2 có các tùy chọn kết hợp một số tính năng bổ sung
để nâng cao hoạt động và ứng dụng, tham khảo thêm tại [10]. Các thành phần tích
hợp như:
• Điều khiển xả hơi tự động
• Van điện từ hút chân không và thổi khí đế.
• Cảm biến áp suất.
• Van đóng mở 1 chiều.
• Bộ lọc, giảm thanh,…
Các tùy chọn này có thể giảm không gian lắp tổng thể, giảm thời gian chu
kỳ và có thể cung cấp các chức năng bảo tồn không khí cũng như các chế độ dừng

39. 39
khẩn cấp. Các hệ thống chân không Venturi tiên tiến hơn có thể kết hợp bộ điều
khiển OEM hoặc điều khiển trình tự van để thay thế hoạt động thủ công của các
núm điều chỉnh và van để kiểm soát áp suất và lưu lượng.
Cấu tạo của bộ tạo chân không ZK2 được mô tả trên hình 2.16.
Hình 2. 16: Cấu tạo bộ tạo chân không ZK2
Hình 2.17 trình bày sơ đồ khí nén và nguyên lý hoạt động của ZK2
Hình 2. 17: Sơ đồ khí nén ZK2
Bộ tạo chân không ZK2 sử dụng 2 van điện từ (van cấp và van xả) thường
đóng. Hình 2.18 kèm mô tả bên dưới sẽ giúp chúng ta hiểu các chế độ hoạt động
của chúng:
+ Ở chế độ tự nhiên, van cấp và van xả đều đóng, khí nén được bảo toàn.

40. 40
+ Khi van cấp chuyển chế độ mở, van xả vẫn đóng, khí nén đi qua cổng cấp
khí nén đến buồng Venturi hút theo lưu lượng khí ở cổng V thoát ra ngoài cổng
EXH. Khi cổng V tiếp xúc với vật kín sẽ tạo ra chân không để giữ vật.
+ Khi van cấp đóng, van xả mở, khí nén sẽ đi qua cổng xả và đến cổng V tạo
một lực để đẩy vật đang hút ra.
+ Trường hợp cả van cấp và van xả mở: khí sẽ đi theo dòng có áp suất lớn
hơn. Khi cài đặt điều khiển nên khóa chéo van cấp và van xả để không xảy ra tình
trạng hai van mở cùng lúc.
Hình 2. 18: Mặt cắt ZK2
2.4. Bơm chân không
Dựa vào thông số của bộ tạo chân không để lựa chọn bơm chân không phù
hợp, đáp ứng nguồn cấp khí nén cần thiết: máy bơm chân không cần khoảng áp
suất cấp từ 0.3 đến 0.6 Mpa.
Lựa chọn máy nén khí Piston Lucky 1HP hiện được sử dụng phổ biến rộng
rãi, đặc biệt trong các ngành sản xuất thiết bị điện tử, phun sơn, các chi tiết nhựa,
chất dẻo,… hay ngành sửa chữa, bảo dưỡng xe máy, ô tô. Hình 2.19 là máy nén
khí Piston được cấu thành bởi các chi tiết bao gồm: xi lanh, piston, cần đẩy, thanh
truyền, con trượt, tay quay, van nạp, van xả, phớt,…

41. 41
Hình 2. 19: Máy khí nén Piston
Thông số kỹ thuật của máy nén khí piston 60 lít:
• Model: Máy bơm hơi Lucky 60 lít
• Dung tích bình: 60 lít
• Công suất động cơ (HP): 1 HP
• Điện áp / Tần số: 220V / 50Hz
• Áp suất làm việc: 8 kg/cm2
• Thời gian nén đầy bình hơi: 1 phút
• Lưu lượng khí: 120 lít/phút
• Nước sơn tĩnh điện: màu cam cao cấp
• Kích thước: 105x50x85 cm
• Trọng lượng: 66 kg
Một số lưu ý khi sử dụng máy nén khí:
Kiểm tra lượng dầu nhớt của máy
Điều này đặc biệt quan trọng, nhất là đối với máy nén khí piston. Kiểm tra
lượng dầu bôi trơn trong đầu nén để đảm bảo lượng dầu này đáp ứng đủ nhu cầu
của máy khi hoạt động. Lượng dầu của máy phải nằm giữa hai vạch đỏ của mắt
dầu hoặc nằm trong vạch tròn của mắt dầu. Khi thay dầu định kỳ khoảng 2
tháng/lần cần bỏ hết dầu cũ rồi mới cho dầu mới vào.
Điều chỉnh relay áp suất của máy
Máy nén khi hoạt động cần có áp suất chính xác thì mới đảm bảo hoạt động
đúng công suất và đạt hiệu suất tối ưu. Do đó, trước khi vận hành máy, việc chỉnh
relay áp suất máy là vô cùng quan trọng. Đây cũng là một quy định an toàn khi sử
dụng máy nén khí.

42. 42
Để điều chỉnh áp suất của máy nén không khí, bạn lấy tua vít vặn ốc của
relay theo chiều kim đồng hồ để tăng áp suất hoặc ngược chiều đồng hồ để giảm
áp suất máy.
Để có được áp suất một cách chính xác nhất, bạn cần quan sát máy nhiều lần
để chỉnh được mức áp suất đúng nhất.
Mở van xả nước ở đáy bình chứa khí
Máy sau khi sử dụng một thời gian sẽ có nước, độ ẩm môi trường càng cao
thì lượng nước trong bình chứa khí càng nhiều và có thể gây ra tình trạng oxy hóa
bình. Do đó, bạn cần định kỳ 1 tuần mở van xả nước 1 lần trước khi sử dụng để
đảm bảo tuổi thọ cho bình nén chứa khí.
Bên cạnh đó, môi trường bên ngoài có nhiệt độ quá cao (> 40 o
C), quá ẩm
ướt,… thì bạn không được sử dụng máy vì có thể gây nguy hiểm cho người dùng.
Khi kiểm tra, bảo dưỡng máy bơm khí nén cần tháo bình nén khí trước tiên, cũng
không được sử dụng máy để đùa nghịch vì có thể gây nguy hiểm.
Lưu ý: Lựa chọn đường ống dẫn khí và các đầu nối: Kích thước của đường
ống dẫn khí, đầu nối ống và phụ kiện cốc hút phụ thuộc vào cốc chân không sử
dụng, phù hợp với bộ tạo chân không và phù hợp với máy bơm chân không. Các
phụ kiện và đường ống đảm bảo kết nối khí nén an toàn. Trong mạch chân không,
ống và phụ kiện hoạt động rất nhiệm vụ quan trọng. Để đảm bảo chức năng hoạt
động hiệu quả, không bị lỗi liên tục, chúng phải được bảo mật tuyệt đối, không bị
rò rỉ và được làm bằng vật liệu phù hợp. Khi cấu hình hệ thống tổng thể, ống cũng
phải được đo kích thước chính xác.
2.5. Tích hợp kẹp chân không với SM6
2.5.1. Tích hợp kẹp chân không với hệ thống điều khiển SM6
Bộ điều khiển ACS SpiiPlusEC Motion Controller được chọn để điều khiển
đồng bộ 6 khớp quay của cánh tay đến vị trí mong muốn thông qua phương thức
truyền thông EtherCAT. Muốn sử dụng bộ điều khiển này để điều khiển bộ tạo
chân không ZK2, ta cần sử dụng một module trung gian để giao tiếp với bộ điều
khiển thông qua một trong số các phương thức truyền thông mà bộ điều khiển này
hỗ trợ như RS232, RS485, EtherCAT,…
Tổng quan hệ thống: 1 master điều khiển, 7 slave thực thi bao gồm 6 servo
cho các khớp cánh tay, 1 module I/O cho hút chân không.

43. 43
Phương thức điều khiển tối ưu cho hệ thống: Điều khiển thông qua truyền
thông EtherCAT: EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ban
đầu phát triển bởi Beckhoff Automation, một nhà sản xuất PLC (Bộ điều khiển
logic khả trình) được sử dụng trong các hệ thống điều khiển thời gian thực và tự
động hóa công nghiệp.
Bảng 2. 3: Bảng so sánh Ethernet và EtherCAT
Lựa chọn thiết bị kết nối là SPiiPlus IOMnt của hãng ACS, IOMnt là module
đầu vào/đầu ra kỹ thuật số hỗ trợ phương thức truyền thông EtherCAT và là một
thiết kế kinh tế, nhỏ gọn cung cấp tới 32 đầu vào và 32 đầu ra, mức tiêu hao điện
năng thấp. Sản phẩm được cấu hình, điều khiển và giám sát bởi một ACS chính
(MC4U SPiiPlusNT, NTM hoặc SPiiPlusSC) và các công cụ phần mềm phù hợp.
IOMnt sử dụng nguồn 24V để hoạt động. Mỗi đầu vào ra digital là 24V/ 0.5A,
được bảo vệ đầy đủ và cũng tương thích về mặt chức năng và chân cắm với chuẩn
Beckhoff EL2872.
Hình 2. 20: Module I/O mở rộng IOMnt
Sơ đồ hệ thống điều khiển

44. 44
Hình 2. 21: Hệ thống điều khiển
Thiết bị hệ thống: Tất cả các thiết bị của hệ thống kẹp sẽ được lắp trong tủ
điều khiển, chỉ có hệ thống giác hút được lắp đặt ở trên cánh tay robot để giảm
thiểu tối đa trọng lượng đặt lên cánh tay.
Hình 2. 22: Hệ thống phần cứng

45. 45
2.5.2. Tích hợp với giao diện điều khiển SM6
Hình 2. 23: Giao diện điều khiển Robot SM6
SM6 đã được xây dựng 1 chương trình phần mềm riêng có tên là Robot SM6.
Các chức năng chính và đặc điểm của chương trình phần mềm đã được trình bày
tại chương 1, giao diện điều khiển trên hình 2.23. Vì thế muốn điều khiển hệ thống
kẹp chân không ta cần xây dựng thêm 1 module mở rộng giúp bộ điều khiển (ACS
SpiiPlusEC) điều khiển qua tín hiệu I/O. Hai van cấp và van xả chân không tương
đương với 2 chân tín hiệu Output (output 1 và output 2):
• Cấp khí tạo chân không: cài đặt output 1 tín hiệu 1, ngừng hút cài đặt output
1 tín hiệu 0.
• Xả khí trong hệ thống để nhả vật: cài đặt output 2 tín hiệu 1, ngừng xả cài
đặt output 2 tín hiệu 0.
Chương trình được ra lệnh song song với chương trình điều khiển các khớp
của cánh tay.
Thao tác hoạt động cơ bản của cánh tay Robot SM6 và giác hút:
• Thiết lập cánh tay robot về trạng thái ban đầu
• Điều khiển 06 cơ cấu chấp hành của tay máy để xác định vị trí và hướng
của khâu tác dụng cuối (ở đây là bộ hút chân không)
• Khi đã đến vị trí mong muốn, bộ điều khiển bật van hút của bộ hút chân
không để nâng và giữ đối tượng cần di chuyển.

46. 46
• Bộ điều khiển tiếp tục điều khiển 06 cơ cấu chấp hành của tay máy tới vị
trí khác mong muốn.
• Van hút tắt để nhả vật.
• Quy trình được lặp lại hoặc được điều khiển sang mục đích tiếp theo.
Hình 2. 24: Chương trình điều khiển SM6 kết hợp điều khiển tay gắp

47. 47
2.6. Kết luận
Hình 2. 25: Mô hình cánh tay SM6 và hệ thống 2 giác hút
Chương 2 đưa ra giải pháp tích hợp hệ thống 2 giác hút lên cánh tay robot
SM6 dựa trên các thành phần chính của cánh tay gồm:
Tích hợp phần cứng với hệ thống điều khiển của cánh tay.
Thiết kế hệ thống giác hút có tải trọng phù hợp với tải trọng của cơ khí
cánh tay, cốc hút phù hợp với loại vật liệu cần xử lý.
Xây dựng thêm module I/O để điều khiển bộ tạo chân không trên phần
mềm điều khiển sẵn có.

48. 48
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG
3.1. Vận hành mô hình hệ thống gắp thả.
3.1.1. Mô hình thử nghiệm
Trước khi vận hành hệ thống kẹp chân không trên cánh tay Robot SM6,
xây dựng 1 mô hình thử nghiệm nhanh tay gắp để hiệu chỉnh, đánh giá các thông
số và kết quả. Mô hình thử nghiệm sẽ được điều khiển qua Arduino, xây dựng
chương trình điều khiển trên máy tính bằng phần mềm Matlab GUI.
Hệ thống phần cứng
Dựa vào sơ đồ khối hệ thống tại chương 2, sử dụng các thiết bị tương ứng
với các bộ phận như: Bộ tạo chân không ZK2, nguồn cấp khí nén sử dụng bơm
khí nén, hệ thống điều khiển sử dụng arduino và relay, đường ống và giác hút,…
Hình 3. 1: Sơ đồ thiết bị tổng quát
Xây dựng phần mềm điều khiển
Yêu cầu chung: cấu trúc chương trình rõ ràng, dễ chỉnh sửa, dễ sử dụng.
Chương trình phần mềm được thiết kế trên Matlab GUI, viết dưới dạng
module thực hiện 2 chức năng chính:
• Chức năng điều khiển
• Chức năng đọc và xử lý tín hiệu
Thiết kế giao diện tổng thể gắp vật bằng chân không trên hình 3.2

49. 49
➢ Module điều khiển: Điều khiển van cấp, bật khi muốn hệ thống hút để nâng
vật, tắt khi muốn hệ thống ngừng cấp khí nén vào bộ tạo chân không. Điều khiển
van xả: cũng gồm 2 nút bật và tắt. Bật khi muốn hệ thống nhả đối tượng và tắt để
hệ thống trở về trạng thái dừng hoạt động.
➢ Module đọc và xử lý tín hiệu: Theo dõi áp suất chân không trong hệ thống,
hiển thị dưới dạng đồ thị và giá trị số. Tính toán lực nâng khi biết bán kính cốc
hút sử dụng.
Hình 3. 2: Giao diện điều khiển hệ thống
Hệ thống thực tế

50. 50
Hình 3. 3: Hệ thống thực tế
3.1.2. Hoạt động gắp thả
Tiến hành chạy thử hai dạng nhiệm vụ đặc trưng cho hai loại vật liệu được
xử lý phổ biến là xốp và không xốp. Với mỗi dạng nhiệm vụ quan trọng nhất là
cần xác định mức áp suất chân không tạo ra trong hệ thống, tính toán các giá trị
liên quan tương ứng để so sánh, đánh giá.
❖ Trường hợp thử nghiệm hệ thống với vật liệu không xốp (vật liệu bề mặt
bằng nhựa, bề mặt kính), mức áp suất chân không tại ra dao động trong khoảng
từ -80 đến -90 kPa.

51. 51
Hình 3. 4: Tấm Polycarbonate đặc ruột
Hình 3. 5: Kết quả thử nghiệm với tấm Polycarbonate
Phân tích đồ thị:
Dựa vào đường đồ thị thu được: Giai đoạn 1 là khi bật van hút nhưng hệ
thống giác hút chưa gắp được vật, áp suất chân không tạo ra khoảng -20 kPa vì
hệ thống hở. Sau khi gắp được vật, áp suất là khoảng -90 kPa (gần đạt tới mức
chân không lý tưởng -101 kPa). Sau khi tắt van hút, áp suất về mức 0.
Kết quả:
Khi xử lý vật liệu có bề mặt không xốp như bề mặt nhựa, bề mặt kính,…
mức áp suất chân không tạo ra rất tốt (khoảng -90 kPa).
❖ Trường hợp thử nghiệm hệ thống với vật liệu xốp là hộp carton (ứng
dụng trong thiết kế hệ thống ở chương 2), mức độ chân không tạo ra trong
khoảng -50 đến -60 kPa.

52. 52
Hình 3. 6: Hộp carton
Hình 3. 7: Kết quả thử nghiệm với hộp carton
Phân tích đồ thị:
Giai đoạn 1 khi bật van hút nhưng giác hút chưa tiếp xúc với vật, mức áp
suất chân không trong hệ thống là -20 kPa. Sau khi giác hút gắp được vật, mức áp
suất chân không tạo ra đối với vật liệu xốp là khoảng từ -50 đến -60 kPa. Tắt van
hút và mức áp suất về 0.

53. 53
Kết quả:
Khi xử lý vật liệu xốp, mức chân không tạo ra khoảng -50 đến -60 kPa do bị
rò rỉ khí qua vật liệu nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu hút sản phẩm.
3.2. Đánh giá sau khi thử nghiệm
Dưới đây liệt kê một số đánh giá cho hệ thống gắp chân không sau quá trình
thử nghiệm, sau khi hiệu chỉnh có thể đưa hệ thống lên cánh tay robot SM6 để
vận hành:
➢ Sử dụng hệ thống 2 hay nhiều giác hút cho chúng ta một chút khó khăn hơn
khi sử dụng hệ thống 1 giác hút:
Thứ nhất là xuất hiện nhiều khớp nối nên kéo theo nhiều vị trí có nguy cơ bị
rò rỉ khí, từ đó làm giảm mức chân không trong hệ thống.
Thứ 2 là khi xử lý những sản phẩm có mặt ghồ ghề, không bằng phẳng thì 2
giác hút sẽ khó tiếp xúc được vật cùng 1 lúc. Gây ra hiện tượng hệ thống không
hoạt động (không tạo ra chân không hay nâng được vật). Để có thể xử lý các sản
phẩm mặt cong vênh, gồ ghề có thể xem xét kích thước và độ dài hành trình của
cốc hút.
Hình 3. 8: Độ dài hành trình của cốc hút
Tuy nhiên, nếu sử dụng nhiều giác hút mỗi giác hút lại là một hệ thống riêng
lẻ thì sẽ tăng độ an toàn cho toàn hệ thống. Khi một giác hút có vấn đề thì những
giác hút khác có thể đỡ được phần của giác hút đó tại mức độ nhất định. Điều này
đồng nghĩa với số lượng thiết bị tăng gấp đôi.
➢ Lọc bụi bẩn, hơi nước do khí sinh ra chưa đc quan tâm tới. Trong quá trình
vận hành hệ thống thì bên trong đường ống xuất hiện hơi nước, điều này ít nhiều
làm ảnh hưởng tới hiệu quả tạo ra chân không. Vấn đề này cần được xử lý bằng

54. 54
cách thêm bộ lọc chân không vào đường ống chân không hoặc đường ống dẫn khí
nén để các bụi bẩn, mảnh vụn, hơi nước,…bị ngăn chặn và đưa ra ngoài. Giúp
tăng tuổi thọ thiết bị, giảm chi phí bảo trì và công suất dòng chảy cao hơn.
Hình 3. 9: Bộ lọc chân không
➢ Đường ống dẫn khí cần đảm bảo về mặt đồng bộ từ đầu đến cuối: diện tích
đường ống của mỗi nhánh phải phù hợp với diện tích của nhánh tiếp theo và đường
trục chính phải có kích thước để xử lý dòng chảy tối đa.
Hình 3. 10: Nguyên tắc thiết kế đường ống dẫn khí
➢ Độ trễ trong các trường hợp: Khi lắp đặt thiết bị (bộ tạo chân không) tại tủ
điều khiển của cánh tay, giác hút được lắp trên cánh tay thì sẽ cần 1 đường ống
khá dài để nối 2 vị trí này. Điều này làm thể tích khí cần dẫn ra ngoài tăng đáng

55. 55
kể, nên thời gian tạo ra chân không cũng tăng. Cần tính toán thời gian này để xác
định độ trễ khi muốn nâng vật lên.
Thể tích Cv tổng thể của hệ thống ống và van được tính bằng cách kết hợp
Cv của từng phần tử như sau:
➢ Áp suất chân không tạo ra trong hệ thống phụ thuộc vào nhiều yếu tố, không
chủ động tạo được áp suất mong muốn. Ta chỉ có thể giảm thiểu tối đa rò rỉ để hệ
thống hoạt động tốt nhất, không thể làm chủ được mức chân không mong muốn
tạo ra.
➢ Cần đảm bảo an toàn khi vận hành hệ thống khí nén, có thể dẫn đến cháy
nổ mất an toàn. Đọc kỹ lưu ý khi sử dụng bơm khí nén. Và có một điều với máy
nén khí nữa là khi sử dụng máy nén khí, áp suất trong bình nén sẽ giảm dần. Chính
vì thế sẽ ảnh hưởng đến áp suất cấp khí có bộ tạo chân không, từ đó ảnh hưởng
đến áp suất chân không tạo ra.
➢ Hệ thống van cấp và van xả: bộ tạo chân không có tính năng sử dụng van 1
chiều để giữ nguồn chân không trong một khoảng thời gian nhất định dù đã ngắt
nguồn cấp khí nén, khí bị rò rỉ ít và từ từ. Khi sử dụng van một chiều này thì van
xả dường như mới có tác dụng. Vì nếu không sử dụng van này thì khi ngừng cấp
khí nén hệ thống sẽ hở dẫn đến phôi bị rơi ngay lập tức, không cần sử dụng đến
van xả để đẩy phôi ra khỏi cốc hút.
➢ Động học tay máy khi có thêm tay gắp: Một điều cần xem xét khi lắp đặt
kẹp chân không lên cánh tay robot. Đó là vị trí điểm đặt cuối của cánh tay trước
và sau khi lắp công cụ gắp. Bản chất về hệ tọa độ không thay đổi, ta chỉ cần tính
toán để có kích thước chênh lệch chính xác của cánh tay robot khi lắp thêm giác
hút với lúc chưa có công cụ này. Và tùy thuộc vào bộ cốc hút (1,2,3,4…cốc hút)
để xác định trọng tâm của bộ giác hút và trọng tâm của vật cần xử lý.

56. 56
Hình 3. 11: Điểm đặt cuối cánh tay robot trong hệ trục tọa độ
3.3. Mô phỏng hệ thống hoạt động của tay gắp vào cánh tay
Sau quá trình vận hành thử nghiệm, hệ thống đã hoạt động để hút được các
loại vật liệu theo đúng yêu cầu, tích hợp gắp chân không lên cánh tay robot để vận
hành thực nghiệm. Do điều kiện thực tế chưa chạy được hệ thống cánh tay có tay
gắp chân không thực nghiệm, đánh giá kết quả về quỹ đạo chuyển động của cánh
tay robot bằng mô phỏng sau (kết quả về mức áp suất chân không tạo ra khi xử lý
vật liệu đã được đánh giá qua phần thử nghiệm 3.1):
• Thực hiện một số quỹ đạo chuyển động của SM6 trước và sau khi có tay
gắp 2 giác hút.

57. 57
(1) (2)
Hình 3. 12: Nhiệm vụ chuyển động của SM6 trong 2 trường hợp
(1) Có lắp kẹp hút chân không (2) Không lắp kẹp hút
• Quá trình mô phỏng thu được kết quả chuyển động của hệ tọa độ gắn trên
kẹp hút và hệ tọa độ gắn trên khâu tác dụng cuối như dưới đây:
Trường hợp chưa gắn kẹp hút chân không:

58. 58
Hình 3. 13: Đồ thị dịch chuyển của gốc hệ tọa độ gắn trên khâu tác dụng cuối
Trong đó màu đỏ, xanh lá cây, xanh da trời lần lượt là tọa độ X, Y, Z
Hình 3. 14: Đồ thị của 06 khớp dịch chuyển
Trong đó màu sắc ứng với các khớp như chỉ ra ở góc trái phía trên đồ thị
Trường hợp gắn kẹp hút chân không có chiều dài: 147mm

59. 59
Hình 3. 15: Đồ thị dịch chuyển của gốc hệ tọa độ gắn trên khâu tác dụng cuối
Hình 3. 16: Đồ thị của 06 khớp dịch chuyển
Đánh giá kết quả:
Sau khi lắp hệ thống giác hút có chiều dài 147mm vào cánh tay robot SM6,
tọa độ cuối của cánh tay robot sẽ là tọa độ trung điểm của 2 giác hút, chiều dài
của cánh tay robot sẽ tăng lên.
Sự ổn định và chính xác của robot phụ thuộc vào chiều dài tay gắp và vận
tốc robot: chiều dài của hệ thống tay gắp tỷ lệ nghịch với vận tốc (ví dụ khi tay

60. 60
gắp quá dài, robot di chuyển nhanh sẽ gây hiện tượng rung lắc). Với hệ thống giác
hút dài 147mm, vận tốc di chuyển để robot ổn định khoảng 0,5 m/s.
Để cánh tay làm việc với cùng tọa độ khi chưa lắp hệ thống giác hút, tọa độ
dịch chuyển của khâu tác dụng cuối sẽ thay đổi dựa vào hướng của giác hút trong
hệ tọa độ của cánh tay (ví dụ khi hướng của giác hút theo trục Z thì tọa độ của
khâu tác dụng cuối khi không có và có giác hút sẽ khác nhau ở tọa độ trục Z một
đoạn 147mm, tọa độ X,Y không đổi). Khi tọa độ khâu tác dụng cuối thay đổi dẫn
đến sự thay đổi giá trị của 06 khớp.
3.4. Kết luận và hướng phát triển
Kết luận
Từ các nội dung đã trình bày trong các chương, luận văn có thể rút ra được
một số kết luận sau:
• Luận văn đã tổng hợp, thu thập tài liệu từ các nguồn như Giáo trình, bài
giảng, internet, chuyên đề, luận văn, luận án và tìm hiểu thực tiễn về: nguyên lý
nâng vật bằng chân không, phương pháp tạo chân không bằng nguyên lý Venturi,
tổng quan về cánh tay robot nói chung và cánh tay SM6 nói riêng.
• Thiết kế một hệ thống tay gắp cho cánh tay robot SM6, lựa chọn linh kiện
phù hợp với dự án đặt ra. Xây dựng mô hình thực tế và mô hình mô phỏng trên
phần mềm để vận hành, đánh giá kết quả.
• Luận văn có ý nghĩa thực tiễn cao, sau quá trình đánh giá kết quả và phân
tích có thể áp dụng vào thực tế và mở rộng trong công nghiệp tự động hóa.
Hướng phát triển
Mục tiêu là tạo ra một sản phẩm hoàn thiện, có thể đóng gói trên thị trường
nên các bước tìm hiểu tiếp theo cơ bản gồm:
• Làm chủ được công nghệ tạo chân không bằng nguyên lý Venturi, có thể
thiết kế các bộ tạo chân không mong muốn. Tìm hiểu mối quan hệ giữa áp suất
nguồn khí nén, kích thước các cổng của bộ tạo chân không, lưu lượng dòng chảy,...
• Thiết kế bộ điều khiển chuyên dụng cho bộ tạo chân không hỗ trợ các
phương thức truyền thông phổ biến như RS232, RS485, EtherCat,... (không cần
qua các module trung gian), tinh gọn hệ thống phần cứng tay gắp.
• Xây dựng các tính năng nâng cao của kẹp chân không như: tính năng phát
hiện đã nâng được đối tượng, phát hiện rơi phôi, tự động ngắt khi đủ áp suất để
tiết kiệm năng lượng,..vv.. Xây dựng phần mềm điều khiển đóng gói, có thể cài
đặt trên nhiều loại cánh tay robot.

61. 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Binay Kumar: Vacuum Cup Grippers for Material Handling In Industry, June
2017.
[2] M. Tech. Scholar, Professor, Mechanical: VACUUM GRIPPER- AN
IMPORTANT MATERIAL HANDLING TOOL, International Journal of Science
& Technology.
[3] Phòng Cơ điện tử, Viện Cơ học: Nghiên cứu thiết kế chế tạo tay máy hàn thử
nghiệm định hướng ứng dụng trong công nghiệp ôtô, xe máy
[4] Phòng Cơ điện tử, Viện Cơ học: Hoàn 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 công nghiệp
[5] A K Jaiswal and B Kumar: Design constraints of vacuum gripper of robot –
as a pick and place operating tool, October 2016.
[6] https://www.slideshare.net/gujjubharat/grippers-75041870
[7] Đại học Đà Nẵng: Giáo trình Matlab, 2004
[8] https://mtee.vn/cam-bien-ap-suat-la-gi-phan-loai-cam-bien-ap-suat/
[9] Robotiq Inc: Robotiq AirPick Vacuum Gripper for e-Series Universal Robots
[10] SMC Corporation: Manual Digital pressure switch for energy-saving control
ejector ZK2-ZSV
[11] Vaccon Corporation: VACUUM PUMPS, CUPS & END-OF-ARM
TOOLING

62. 62
PHỤ LỤC
Code Matlab điều khiển hệ thống chân không mô hình thử nghiệm
% Giao dien dieu khien he thong hut chan khong
% Ham khoi tao cua so giao dien
function varargout =
Giao_dien_he_thong_ver_2(varargin)
gui_Singleton = 1;
gui_State = struct('gui_Name', mfilename, ...
'gui_Singleton',
gui_Singleton, ...
'gui_OpeningFcn',
@Giao_dien_he_thong_ver_2_OpeningFcn, ...
'gui_OutputFcn',
@Giao_dien_he_thong_ver_2_OutputFcn, ...
'gui_LayoutFcn', [] , ...
'gui_Callback', []);
if nargin && ischar(varargin{1})
gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});
end
if nargout
[varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State,
varargin{:});
else
gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
end
% Ham thuc thi truoc khi giao dien duoc hien thi
function Giao_dien_he_thong_ver_2_OpeningFcn(hObject,
eventdata, handles, varargin)
handles.output = hObject;
guidata(hObject, handles);
% Ham khai bao bien
function varargout =
Giao_dien_he_thong_ver_2_OutputFcn(hObject,
eventdata, handles)
varargout{1} = handles.output;
clear all;
global a;

63. 63
a = arduino;
% Ham xu ly nut an bat van cap
function bat_van_cap_Callback(hObject, eventdata,
handles)
global a;
writeDigitalPin(a,'D22',0);
x = 0;
for i = 0:200
v = readVoltage(a,'A5');
disp(v);
kpa = ((v - 1)*50) - 100;
%disp(kpa); %trinh bay noi dung bien kpa ra màn
hinh
x = [x kpa];
plot(handles.axes1,x)
grid;
set(handles.edit1, 'String', num2str(kpa));
bk = get(handles.editbk, 'String');
A = bk.^2 * pi;
N = abs(A*kpa/1000);
set(handles.editF, 'string', num2str(N));
pause (0.1);
end
guidata(hObject,handles);
% Ham xu ly nut an tat van cap
function tat_van_cap_Callback(hObject, eventdata,
handles)
global a;
writeDigitalPin(a,'D22',1);
% Ham xu ly nut an bat van xa
function bat_van_xa_Callback(hObject, eventdata,
handles)
global a;
writeDigitalPin(a,'D23',0);
% Ham xu ly nut an tat van xa
function tat_van_xa_Callback(hObject, eventdata,
handles)
global a;
writeDigitalPin(a,'D23',1);

64. 64
function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles)
function edit1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)
if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),
get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white');
end
function editF_Callback(hObject, eventdata, handles)
function editF_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)
if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),
get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white');
end
function editbk_Callback(hObject, eventdata, handles)
function editbk_CreateFcn(hObject, eventdata,
handles)
if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'),
get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
set(hObject,'BackgroundColor','white');
end