Phân công thực hiện đề tài và tự đánh giá xếp loại của nhómNhóm: 07 Chương - Thiết kế quỹ đạo chuyển động - Thiết kế dẫn độngRobot chọn cấu trúc - Thiết kế hệ thống điều khiển Thắng - Th
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC
Phân tích mục đích ứng dụng robot
Robot là máy móc tự động được điều khiển bởi máy tính hoặc vi mạch điện tử, thực hiện công việc theo chương trình đã được lập trình Trong lĩnh vực công nghiệp, robot được sử dụng cho lắp ráp, sản xuất và chế biến sản phẩm với trình tự nhất định Chúng hỗ trợ con người rất nhiều, đặc biệt trong môi trường khắc nghiệt, độc hại và nguy hiểm Với độ chính xác cao và hiệu quả vượt trội, robot công nghiệp là giải pháp tối ưu so với sản xuất thủ công.
Theo Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất:
Robot công nghiệp là thiết bị tự động đa năng có khả năng hoạt động theo các chương trình đã được lập trình và có thể được lập trình lại để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau trong ngành công nghiệp Chúng có thể đảm nhiệm các công việc như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, sản phẩm, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dụng khác, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.
Theo định nghĩa của GHOST 25686-85 như sau:
Robot công nghiệp là thiết bị có thể cố định hoặc di động, bao gồm tay máy với nhiều bậc tự do hoạt động Chúng được điều khiển theo chương trình và có khả năng lập trình linh hoạt, cho phép thực hiện các thao tác trong quy trình sản xuất một cách hiệu quả.
Vậy ta có thể định nghĩa tổng quát như sau:
Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, được tích hợp từ nhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm:
- Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt
- Hệ thống thông tin giám sát
Robot công nghiệp có khả năng thao tác tự động linh hoạt, giúp chúng bắt chước các chức năng lao động của con người trong ngành công nghiệp Ứng dụng của robot công nghiệp ngày càng đa dạng và quan trọng, từ sản xuất đến lắp ráp, nâng cao hiệu suất và giảm thiểu sai sót trong quá trình lao động.
Hiện nay, nhu cầu sử dụng robot trong sản xuất đang gia tăng, nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm Để đáp ứng yêu cầu này, robot công nghiệp cần có khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn, giúp cải thiện điều kiện lao động và tăng cường sức cạnh tranh của sản phẩm.
Có thể kể đến một số ứng dụng điển hình của robot trên thế giới như:
Robot IRB 660 Flex Palletizer, IRB 340 FlexPicker và IRB 260 FlexPicker được sử dụng hiệu quả trong việc phân loại và đóng gói sản phẩm Những robot này có khả năng gắp chính xác các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và sắp xếp chúng vào thùng chứa 20 hộp một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Robot IRB 6650 của hãng ABB được sử dụng trong công nghệ ép phun nhựa, nổi bật với khả năng thao tác nhanh chóng và dễ dàng trong việc lấy sản phẩm ra khỏi khuôn tại vị trí tách khuôn Robot này còn có khả năng giám sát, làm sạch và điều khiển chất lượng sản phẩm dựa trên công nghệ camera, mang lại hiệu quả cao trong quy trình sản xuất.
Việt Nam đang ngày càng áp dụng robot công nghiệp trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tùy thuộc vào từng ngành nghề cụ thể Dưới đây là một số ngành trong hệ thống sản xuất mà robot công nghiệp được ứng dụng một cách hiệu quả.
Công nghiệp đúc hiện đại sử dụng robot để thực hiện các nhiệm vụ quan trọng như rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, và làm sạch vật đúc Ngoài ra, robot cũng có thể tăng cường độ bền của sản phẩm thông qua quá trình phun cát, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu suất trong sản xuất.
Ngành gia công áp lực thường đòi hỏi thực hiện các quá trình hàn và nhiệt luyện trong điều kiện làm việc nặng nề, với nhiều công việc độc hại và nhiệt độ cao Điều này dễ gây mệt mỏi, đặc biệt trong các phân xưởng rèn dập.
Trong những năm gần đây, việc áp dụng robot vào dây chuyền sản xuất ngày càng trở nên phổ biến, bao gồm các loại robot hàn, phun sơn và lắp ráp Robot được sử dụng rộng rãi trong các công việc đòi hỏi độ chính xác cao và trong môi trường làm việc độc hại, thay thế con người Đề tài này tập trung vào thiết kế mô hình robot lắp cánh quạt trong hệ thống lắp ráp tự động, nhằm lắp đặt cánh quạt vào vị trí xác định để tạo thành quạt hoàn chỉnh, đồng thời giảm thiểu sức lao động Việc ứng dụng robot không chỉ nâng cao hiệu quả công việc mà còn giảm thiểu lỗi kỹ thuật và chi phí sản xuất.
Hình 1 Một số loại quạt tản nhiệt
Một số yêu cầu kĩ thuật thao tác
• Đối tượng thao tác, dạng thao tác
Cánh quạt được giữ cố định trên khuôn
Để lắp cánh quạt một cách chính xác và hiệu quả, yêu cầu quan trọng là khâu thao tác phải có hướng đầu gắp luôn vuông góc với bề mặt thao tác.
• Yêu cầu về không gian thao tác
Robot lắp cánh quạt có mặt phẳng ngang với hướng gắp tùy ý trong không gian làm việc 1.5x1.5x1m
Xác định các đặc trưng kĩ thuật
Tính toán thiết kế Robot lắp cánh quạt trong không gian làm việc 1.5x1.5x1m
Robot hoạt động trong không gian ba chiều cần tối thiểu ba bậc tự do: hai bậc tự do để xác định tọa độ điểm trong mặt phẳng và một bậc tự do để xác định chiều cao trong không gian.
Khi so sánh các kết cấu 4, 5, 6 bậc tự do với kết cấu 3 bậc tự do, việc tính toán trở nên phức tạp hơn, chi phí cao hơn và tính khả thi thấp hơn Do đó, lựa chọn tối ưu là sử dụng kết cấu 3 bậc tự do.
Các phương án cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện 7
Lựa chọn cơ cấu robot
Cơ cấu T-T-T có ưu điểm nổi bật như kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, tận dụng tối đa không gian làm việc của robot, và tính liên tục cao, giúp đảm bảo độ chính xác khi thao tác, đặc biệt là trên mặt phẳng nằm ngang Tuy nhiên, nhược điểm của nó là robot chiếm diện tích lớn.
Hình 2 Cánh quạt tản nhiệt (đối tượng thao tác)
Hình 3 Robot 3 bậc tự do T-T-T
Cơ cấu T-T-R có ưu điểm nổi bật với kết cấu đơn giản và độ cứng vững cao, giúp tối ưu hóa không gian làm việc của robot, đặc biệt phù hợp cho các thao tác trên bề mặt cong Tuy nhiên, nhược điểm của nó là robot chiếm diện tích lớn.
Hình 4 Robot 3 bậc tự do T-T-R
Cơ cấu R-R-R có những ưu điểm như chiếm diện tích nhỏ và tính linh hoạt cao, nhưng cũng gặp phải nhược điểm như sai số tích lũy lớn, không tận dụng tối đa không gian làm việc của robot, và không đảm bảo tính liên tục khi hoạt động Bên cạnh đó, độ cứng vững cần được đảm bảo và việc điều khiển từng khớp của robot trở nên khó khăn hơn.
Hình 5 Robot 3 bậc tự do R-R-R
Cơ cấu T-R-R mang lại nhiều ưu điểm như tính linh hoạt cao, giúp thao tác hiệu quả trên các bề mặt cong Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm như sai số tích lũy lớn, không tối ưu hóa không gian làm việc của robot và không đảm bảo tính liên tục trong quá trình hoạt động, do đó cần chú ý đến độ cứng vững.
Hình 6 Robot 3 bậc tự do T-R-R
Nhận thấy cơ cấu T-T-T có kết cấu đơn giản , linh hoạt trong không gian
3 chiều , đảm bảo an toàn về hướng và vị trí khâu thao tác qua đó đảm bảo yêu cầu kĩ thuật.
Lựa chọn cơ cấu T-T-T và sử dụng đầu hút để có thể lắp ghép quạt tản nhiệt.
Lựa chọn cơ cấu tay ghắp
Tay gắp chân không mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng xử lý đa dạng vật phẩm và chi phí lắp đặt thấp hơn so với các loại tay gắp khác.
Nhược điểm: chi phí điện để vận hành máy bơm chân không cao.
• Tay gắp khí nén Ưu điểm: giá thành rẻ, khả năng hoạt động trong không gian hẹp, thời gian phản hồi nhanh.
Nhược điểm: lưc gắp lớn (không phù hợp với đề tài), điều khiển vị trí và lực có giới hạn.
Nhược điểm: phù hợp ứng dụng nặng, chi phí bảo dưỡng cao
• Tay gắp điện Ưu điểm: dễ dành điều chỉnh tốc độ và lực ghắp, dễ dành xử lý nhiều bộ phận khác nhau
Nhược điểm: công suất thấp hơn nhưng giá thành lại cao hơn các loại tay gắp khác
Sau khi xem xét các ưu ( nhược ) điểm của các loại tay gắp, nhóm đã thống nhất chọn tay gắp chân không.
Thông số kĩ thuật
THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH
Mô hình 3D của cánh quạt
Mô hình 3D của khuôn đựng cánh quạt
Mô hình 3D của sản phầm sau khi hoàn tất quá trình lắp gép
Mô hình 3D của băng chuyền
THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
Khảo sát động học thuận, ngược
Theo quy tắc Denavit-Hartenberg, chúng ta đã xác định các hệ tọa độ và bảng tham số DH Tiếp theo, chúng ta sẽ thiết lập các ma trận chuyển đổi DH để phục vụ cho việc phân tích và mô phỏng chuyển động.
Ma trận DH có dạng:
2 =[ 001 1000 0100 0001 q 3 ] Để tìm vị trí và hướng của khâu thao tác ta tính
Nhân lần lượt các ma trận theo thứ tự trên ta có:
Như ta đã biết: 0 A n = Đối chiếu các thành phần của 0 A3
Ta có: Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác
Vector cột tọa độ điểm định vị rE: r E =[ −q q 3 q −d 2 1 0 ]
Từ đây ta tính được vận tốc góc của khâu thao tác và vận tốc điểm tác động cuối E;
* Vận tốc góc Khâu thao tác:
0R3 : Là ma trận cosin chỉ hướng của khâu 3
0 : Là đạo hàm của ma trận của cosin chỉ hướng
Và dễ dàng suy ra được Gia tốc góc của khâu thao tác là:
* Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối E: v E = [ −q −q −q ˙ ˙ ˙ 3 2 1 ] a E = [ − ¨ − ¨ − ¨ q q q 3 2 1 ]
Cho quy luật chuyển động của các khâu
{ a a a E E E x y z =0 =0 =0 b Động học ngược (Inverse Kinematics)
Bài toán động học ngược có nhiệm vụ xác định các biến khớp dựa trên điều kiện tọa độ và hướng khâu thao tác đã được biết trước Cụ thể, trong bài toán này, mục tiêu là tìm kiếm các giá trị khớp phù hợp với các thông tin đã cho.
Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot
Trong thiết kế quỹ đạo cho robot trong không gian thao tác, kỹ thuật tối ưu hóa quỹ đạo được áp dụng để đảm bảo chuyển động liên tục Đối với trường hợp robot di chuyển tiến, quỹ đạo của điểm tác động cuối được xác định bằng chuỗi các đoạn thẳng theo thứ tự ưu tiên X, Y, Z Ngược lại, khi robot lùi, thứ tự ưu tiên sẽ đảo ngược Đối với các thao tác có cả tiến và lùi, ưu tiên sẽ được dành cho các trục có xu hướng lùi.
Quá trình di chuyển theo trục của robot thì vân tốc sẽ thay đổi từ tăng, ổn định, giảm về 0 vận tốc tăng: a 1 = a 0
Từ đó suy ra được phương trình:
Quỹ đạo của điểm tác động cuối theo đường thẳng từ O đến A trong te=2s t O=¿¿ 0 s t 1=¿¿ 0.2 s t A=¿¿ 2 s t 2=¿¿ 1.8 s a 0 X = (t 2 (S A −S O )
- điểm tác động cuối theo đường thẳng từ A đến B trong te=1.2s a 0 Y 175(mm/ s 2 ) a eY =-3175(mm/ s 2 )
- điểm tác động cuối theo đường thẳng từ B đến C trong te=1.2s a 0 Z 175(mm/ s 2 ) a eZ =-3175(mm/ s 2 ) Đồ thị biểu diễn tọa độ trục x,vận tốc ,gia tốc theo thời gian t
This article presents a MATLAB code snippet that simulates motion over a time interval from 0 to 2 seconds, using defined initial acceleration, final acceleration, and specific time points The code calculates the position, velocity, and acceleration for three distinct phases of motion, using appropriate equations of motion It generates plots for each phase, displaying position in red, velocity in green, and acceleration in blue, with a clear grid and labeled axes for time and distance The simulation effectively visualizes the dynamics of motion, making it a useful tool for understanding kinematics.
Đồ thị biểu diễn tọa độ, vận tốc và gia tốc theo trục y theo thời gian t cung cấp cái nhìn rõ ràng về sự thay đổi của các đại lượng vật lý này theo thời gian Việc phân tích các đồ thị này giúp hiểu rõ hơn về chuyển động và các yếu tố ảnh hưởng đến nó.
TĨNH HỌC
Bài toán
Bài toán tĩnh học Robot có nội dung như sau: Cho lực tác dụng vào khâu thao tác tại điểm E gồm vector lực F, và momen M
M =[ M x M y M z ] tính lực (mômen) dẫn động tại các khớp đảm bảo Robot cân bằng tĩnh ( bỏ qua ma sát).
Phương trình khảo sát
Ta sẽ tách từng khâu, xem xét các lực và momen tác dụng lên khâu đó, thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học.
Hình 3.1 Lực và momen tác dụng lên khâu I
Từ điều kiện cân bằng tĩnh học của khâu i, Ta viết được hệ phương trình cân bằng lực khâu i trong hệ tọa độ cơ sở như sau:
0 Lực khâu thứ i tác dụng lên khâu i+1 biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở
0 Momen khâu thứ i tác dụng lên khâu i+1 biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở
0 Trọng lực tác dụng lên khâu i
Tính toán cụ thể
Các khâu của robot được coi là thanh đồng chất với tiết diện ngang không đáng kể, và khối lượng của từng khâu lần lượt là Khối lượng của ống nghiệm được bỏ qua vì rất nhỏ so với khối lượng của robot Độ dài của các khâu lần lượt là a1, a2, a3.
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot
Phương trình vi phân chuyển động của robot có dạng:
M là ma trận khối lượng suy rộng
C là ma trận quá tính li tâm Coriolis
G là lực suy rộng lực có thế tác dụng vào robot
Q là lực suy rộng đặc trưng cho các ngoại lực không thế tác dụng vào robot
U là lực suy rộng các lực và moment điều khiển.
Ma trận khối lượng suy rộng M được tính theo công thức:
Trong đó: n là số khâu của robot m i là khối lượng của khâu thứ i
J Ti và J Ti T lần lượt là ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu thứ i và chuyển vịcủa nó
J Ri và J T Ri lần lượt là ma trận Jacobi quay tương đối của khâu thứ i và chuyển vị của nó
I i là tenxo quán tính của khâu thứ i đối với các trục tọa độ đi qua trọng tâm khâu i trong hệ tọa độ khâu i.
Ta có vân tôc góc các khâu: ω 1
Các ma trận tenxo quán tính của các khâu:
Ma trận đào hàm riêng:
Ma trận đơn vị bậc 3:
Tính ra ma trận Coriolis C:
Thế năng của robot so với hệ tọa độ gắn vào khâu cố định có dạng: π =m 1 g z c 1 + m 2 gz c2 + m 3 g z c 3
Ma trận G được tính theo công thức:
Nhận xét về lực không thế - ma trận Q
Khi phân tích động lực học của robot sử dụng tay gắp chân, không nên xem nhẹ tác động của ngoại lực Do đó, trong quá trình giải bài toán động lực học, chúng ta cần bỏ qua lực không thế, tức là ma trận Q.
Phương trình vi phân hoàn chỉnh
U1 là lực điều khiển khớp tịnh tiến q1
U2 là lực điều khiển khớp tịnh tiến q2
U3 là lực điều khiển khớp tịnh tiến q3
Động lực học ngược
Cho các điểm có tọa độ theo hệ tọa đô Ox0y0z0 là hệ tọa độ gốc của robot
Dựa vào các điểm tọa độ X(mm), Y(mm), Z(mm) đã cho, ta có các điểm sau: Điểm 1 (200, 600, 100), Điểm 2 (300, 600, 100), Điểm 3 (400, 600, 300), Điểm 4 (200, 600, 300), và Điểm 5 (400, 600, 300) Áp dụng hệ phương trình động học ngược, chúng ta tìm được giá trị các biến khớp tại 4 điểm của quỹ đạo như sau: Điểm 1 (q1=100, q2=200, q3=900), Điểm 2 (q1=100, q2=300, q3=900), Điểm 3 (q1=300, q2=400, q3=900), Điểm 4 (q1=300, q2=200, q3=900), và Điểm 5 (q1=300, q2=400, q3=900).
Chọn 2 điểm A, B bất kì trong không gian làm việc, đồng nghĩa là biết được các thông số tọa độ (xE, yE, zE) tức là vị trí của khâu thao tác tại K và A biết, đồng thời cho biết hướng của khâu thao tác Nhiệm vụ là thiết kế quỹ đạo chuyển động bất kì từ điểm K để đến điểm A.
Theo bài toán động học ngược, ta xác định các biến khớp tại A và B, từ đó xây dựng tọa khớp là hàm thời gian t(5s) để đảm bảo chuyển động từ vị trí A đến vị trí B trong khoảng thời gian quy định.
Trong bài toán này, chúng ta nghiên cứu quỹ đạo di chuyển của Robot từ điểm 2 đến điểm 3, sử dụng quỹ đạo bậc 3 để đảm bảo đáp ứng yêu cầu về tốc độ trong không gian khớp.
THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT
Thiết kế cơ cấu động học
Hệ dẫn động cho robot bao gồm các bộ phận chính:
Bộ truyền vít me – đai ốc bi: truyển chuyển động cho các khâu.
Trục dẫn hướng: dẫn hướng chuyển động cho các khâu.
Tính toán lựa chọn trục vít me bi
6.2.1 Vít me – đai ốc bi
Vít me – đai ốc là một hệ thống truyền động được chế tạo chính xác, chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến thông qua cơ chế bu lông – đai ốc Khu vực tiếp xúc giữa trục vít và đai ốc sử dụng dải bi bằng thép, giúp giảm ma sát trượt thành ma sát lăn, từ đó đảm bảo chuyển động diễn ra một cách trơn tru và chính xác Hệ thống này hoạt động liên tục và bền bỉ trong thời gian dài.
Khu vực tiếp xúc giữa vít me bi và đai óc có rãnh me được lấp đầy bởi viên bi thép, giúp giảm ma sát khi trục vít xoay Những viên bi lăn tròn trong mối ren, nhưng để ngăn viên bi rơi ra ngoài, đai óc có đường hồi bi dẫn chúng trở lại phần đầu của đường bi Nhờ vào chuyển động lăn của viên bi, lực đẩy của đai óc diễn ra nhẹ nhàng và hiệu quả.
- Những thông số hoạt động:
+ Chiều dài hành trình đạt được.
Hình 5 1 Cấu tạo vít me bi
Các bộ truyển trục vít me – đai ốc được đặt dọc theo các trục Z0, Z1, Z2.
+ Hành trình của các trục vít me:
+ Vận tốc chạy lớn nhất khi đầu gắp có cánh quạt:
+ Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0.4g =8 m / s 2
+ Hệ số ma sát lan bề mặt: μ = 0.01.
+Tốc độ vòng động cơ:
+ Độ chính xác vị trí: ±0.05/1000mm.
+ Độ chính xác lặp: ±0.005mm.
+ Bước vít-me: l≥Vmax/Nmax = V1/Nmax= 10000/2000= 5(mm)
+ Lực tác dụng vào đầu tay gắp F m :không đáng kể, lấy F m =0 N
- Khối lượng tổng cộng tác dụng lên các trục :
- Điều kiện làm việc: ü Lực ma sát:
6.2.3 Tính toán lực dọc trục
Các thành phần trong các công thức:
- Lực tác dụng vào đầu tay gắp: Fm = 0 N
- Hệ số ma sát lăn: μ = 0,01.
- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0,4.g = 4 ( m/ s 2 ) ü Lực dọc trục:
- Khi tăng tốc: Fa1 = μmg + ma + f
- Khi chạy đều: Fa2= μmg + f
- Khi giảm tốc: Fa3= μmg – ma + f
Với: f là lực ma sát, m.g là biểu thức của trọng lực. μ là hệ số ma sát lăn bề mặt.
Fm là lực tác dụng vào đầu tay gắp.
Từ đó ta suy ra được lực dọc trục lớn nhất Fmax
+ Lực dọc trục lớn nhất:
Fz0 = max( Fa1,Fa2,Fa3) = 200,4 N
+ Lực dọc trục lớn nhất:
Fz1 = max( Fa1,Fa2,Fa3) = 123,3 N
+ Lực dọc trục lớn nhất:
Fz2 = max( Fa1,Fa2,Fa3) = 61,65 N
6.2.4 Tính toán tốc độ vòng trung bình của động cơ
- Chọn bước vít me: l ≥ Vmax Nmax = 10000 2000 = 5 mm
- Chọn l = 5 mm ta có tốc độ vòng chính xác của động cơ: n1= V l 1 = 7000 5 = 1400 n2 = V l 2 = 10000 5 = 2000
-Với chế độ thời gian t1`% , t2@% ta có:
6.2.5 Chế độ làm việc của máy với các trục
(rpm) Tỉ lệ thời gian
Khi đầu gắp có tay kẹp
Bảng 1.1 Chế độ làm việc của máy đối với trục Z 0 , Z 1 ,Z 2
6 2.6 Tính toán tải trọng động C a
Ta tính được tải trọng động của các trục như sau:
6.2.7 Chọn bán kính trục vít
Ta chọn phương án bố trí ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động.
L = tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài ổ bi + chiều dài vùng thoát
Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động→ f 15,1
Tốc độ quay của động cơ 2000 rpm. Đường kính trục vít:
L = tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài ổ bi + chiều dài vùng thoát
Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động → f = 15,1
Tốc độ quay vòng của động cơ 2000 rpm Đường kính trục vít:
L = tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài ổ bi+ chiều dài vùng thoát
Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động → f = 15,1
Tốc độ quay vòng của động cơ 2000 rpm Đường kính trục vít:
Dựa vào yêu cầu về tải trọng động và đường kính trục vít me, chúng ta có thể tra cứu trong Catalog của hãng TBI để tìm loại vít me bi phù hợp Các thông số của vít me bi cần đáp ứng các tiêu chí về C a max và d r để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 5.4 Catalog vít-me hãng TBI
Bảng 1.4 Vít me các trục
Trục Ký hiệu vít me TBI
Các vít me trục Z0, Z1 có sự thay đổi bước vít, bước vít tăng lên tuy nhiên không ảnh hưởng đến việc chọn tốc độ động cơ ở.
= 94302 h > 25000 h Tốc độ quay cho phép: n = f × dr L 2× 10 7 = 15.1 × 36,825 1650 2 × 10 7 = 2042
- Trong đó dr là đường kính lõi ren trục vít: dr = 40 – 6,35 2 = 36,825 mm
Tốc độ này lớn hơn so với tốc độ quay lớn nhất được thiết kế Do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn.
= 4x10 5 h > 25000 h Tốc độ quay cho phép: n = f × dr L 2× 10 7 = 15.1 × 36,825 1650 2 × 10 7 = 2042
- Trong đó dr là đường kính lõi ren trục vít: dr = 40 – 6,35 2 = 36,825 mm
Tốc độ này lớn hơn so với tốc độ quay lớn nhất được thiết kế Do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn.
= 76800 h >25000 h Tốc độ quay cho phép: n = f × dr l 2 × 10 7 = 15.1 × 18,4125 1150 2 × 10 7 = 2102 vg/ph.
- Trong đó dr là đường kính lõi ren trục vít: dr = 20 - 3,175 2 = 18,4125 mm
Tốc độ này lớn hơn so với tốc độ quay lớn nhất được thiết kế Do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn.
Tính toán lựa chọn ổ bi
Ta chọn phương án bố trí ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động cho cả ba trục:
Hình 5 5 Sơ đồ lắp ổ bi
Dựa vào đường kính trục vitme, ta chọn sơ bộ thông số ổ bi đỡ một dãy và ô đỡ chặn của hãng SKF cho các trục Z0, Z1, Z2:
Hình 5 7 Ổ đỡ chặn 7202 BEP(SKF)
Hình 5 8 Thông số ổ đỡ chặn 7202 BEP(SKF)
Hình 5 10 Ổ đỡ chặn 7411 BEP(SKF)
6.3.1.Kiểm nghiệm độ bền với trục Z0
Kiểm nghiệm khả năng tải động:
Tải trọng động của ổ lăn :
Với hệ số V = 1 cho vòng trong quay và kt = 1, nhiệt độ được duy trì dưới 105 ℃ Hệ số kd = 1.1 cho phép chịu va đập nhẹ và tải ngắn hạn lên đến 125% so với tải tính toán, phù hợp cho máy cắt kim loại cũng như động cơ công suất nhỏ và trung bình Trong trường hợp này, lực hướng tâm được các ray dẫn hướng chịu hoàn toàn, do đó lực tác dụng lên ổ được coi là không đáng kể, với các giá trị X = 0 và Y = 1.
Tổng hợp lực dọc trục :
Do Fr có thể bỏ qua nên : F a = F at 0.4 N
Tuổi thọ tính theo triệu vòng: có thể lấy n = 1000 v/ph vì có lúc Robot nghỉ và tốc độ lúc chậm , lúc nhanh
→ Đảm bảo khả năng tải động.
Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:
Với ổ bi đỡ - chặn ta có :X0 = 0,5 và Y0 = 0,47
→ Đảm bảo khả năng tải tĩnh.
Vì lực hướng tâm nhỏ (do lực này được 2 ray dẫn hướng chịu) nên ta có thể bỏ qua và ổ đỡ đủ bền.
6.3.2 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z1
+ Kiểm nghiệm khả năng tải động:
Tải trọng động của ổ lăn :
Hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ và tải trọng là những yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn ổ bi chặn phù hợp Đối với nhiệt độ dưới 105 ℃, hệ số nhiệt độ (kt) thường được lấy là 1 Trong khi đó, hệ số tải trọng (kd) thường được lấy là 1.1 cho các ứng dụng chịu va đập nhẹ, chịu tải ngắn hạn và lên đến 125% so với tải tính toán, chẳng hạn như máy cắt kim loại, động cơ công suất nhỏ và trung bình Đối với ổ bi chặn, thông thường ta có X=0 và Y=1.
Tổng hợp lực dọc trục :
Do Fr có thể bỏ qua nên : F a = F at = 123,3N
Tuổi thọ tính theo triệu vòng:
→ Đảm bảo khả năng tải động.
+ Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:
Với ổ bi đỡ α 0 ta được :X0 = 0,5 và Y0 = 0,47
→ Đảm bảo khả năng tải tĩnh.
Vì lực hướng tâm nhỏ (do lực này được 2 ray dẫn hướng chịu) nên ta có thể bỏ qua và ổ đỡ đủ bền.
6.3.3 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z2
Kiểm nghiệm khả năng tải động:
Tải trọng động của ổ lăn :
Với hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ kt = 1 và kd = 1.1, các thiết bị như máy cắt kim loại và động cơ công suất nhỏ và trung bình có khả năng chịu va đập nhẹ và tải ngắn hạn lên đến 125% so với tải tính toán Trong trường hợp này, lực hướng tâm được các ray dẫn hướng chịu hoàn toàn, vì vậy lực tác dụng lên ổ được coi là không đáng kể, với X = 0 và Y = 1.
Tổng hợp lực dọc trục :
Tổng hợp lực dọc trục :
Do Fr có thể bỏ qua nên : F a = F at a,65 N
Tuổi thọ tính theo triệu vòng: có thể lấy n = 1000 v/ph vì có lúc chạy lúc không, lúc chậm , lúc nhanh
Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:
Với ổ bi đỡ - chặn ta có :X0 = 0,5 và Y0 = 0,47
→ Đảm bảo khả năng tải tĩnh.
Vì lực hướng tâm nhỏ (do lực này được 2 ray dẫn hướng chịu) nên ta có thể bỏ qua và ổ đỡ đủ bền.
Tính chọn động cơ
+ Tốc độ vòng lớn nhất nmax = Vmax l = 10000 5 = 2000 vg/ph.
Với vmax: vận tốc chạy lớn nhất khi đầu gắp không có cánh quạt = 10m/ph. h: bước vitme = 5 mm.
+ Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a= 0,4.g = 4 m/s 2
+ Thời gian hoạt động: Lt = 25000h (khoảng 5,7 năm).
+ Chọn động cơ bước để điều khiển quỹ đạo chuyển động theo trục.
Ta chọn sử dụng ba động cơ giống nhau cho cả ba trục Vì trục Z0 là trục chịu tải nặng nhất, nên ta tính theo trục Z0.
+ Hệ số ma sát trượt giữa thép và gang: ta chọn μ = 0,12.
+ Khối lượng của phần dịch chuyển là m = Wy = 40 kg.
+ Tỉ số truyền giảm tốc i = 1 (do chọn phương án động cơ truyền động tới vít-me không qua hộp giảm tốc)
+ Hiệu suất của động cơ: chọn η = 0.9.
+ Ngoại lực tác dụng: Fm = 0 N.
*Tính momen cản do ma sát trên khớp nối động cơ:
*Tính momen phát sinh do truyền động không đồng trục:
Với đường kính trục vít được chọn là 40mm, ta có: v max = 60 π × D ×n × 1000 = π × 60 40 × ×2000 1000 = 4,19 m/s
*Tính momen cản do ma sát của phần dịch chuyển gây ra:
*Tính momen cần thiết để mở máy:
lựa chọn động cơ bước
Dựa vào momen khởi động 1,8 N.m và tốc độ tối đa 2000 vg/ph, động cơ bước SUMTOR 57HS7630A4 3A được lựa chọn là phù hợp cho nhu cầu sử dụng Thông tin này được xác nhận từ catalog của hãng.
Tính chọn ray dẫn hướng
6.5.1.Ray dẫn hướng (linear guide)
Hệ thống ray dẫn hướng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển chuyển động của bàn theo hai phương X và Y, cùng với chuyển động lên xuống theo trục Z của đầu dao Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, hệ thống này cần phải có độ thẳng cao, khả năng tải trọng lớn, độ cứng vững tốt và không xảy ra hiện tượng dính hay trơn trượt trong quá trình hoạt động.
Có 2 loại ray dẫn hướng thông dụng : ray vuông, ray tròn.Có nhiều hãng sản xuất như: THK của Nhật, HIWIN của Đài Loan.
Ray tròn được chia thành hai loại: ray tròn không đế và ray tròn có đế So với ray vuông, ray tròn có nhiều nhược điểm như rung lắc nhiều, nhanh hỏng trục và chịu tải thấp Tuy nhiên, giá thành của ray tròn rẻ hơn nhiều so với ray vuông, nên nếu sử dụng cho các loại máy CNC cỡ nhỏ, ray tròn vẫn có thể đáp ứng nhu cầu.
Hình 5 2 Ray trượt tròn có đế
Hình 5 3 Ray trượt tròn không đế
Ray vuông có giá thành cao hơn so với ray tròn, nhưng ưu điểm của nó là hoạt động êm ái, chịu được tải trọng lớn và có tuổi thọ cao Mặc dù giá thành cao, những lợi ích này khiến ray vuông trở thành lựa chọn ưu việt hơn.
Dựa vào các điều kiện làm việc như khối lượng đặt lên ray, vận tốc và gia tốc, chúng ta có thể tính toán các thông số quan trọng về thời gian và quãng đường khi cầu máy di chuyển trên hành trình.
- Tải trọng tác động lên từng con trượt.
-Tải trọng tĩnh C0 , từ đó tính tải trọng động cho phép C.
-Tính toán, kiểm nghiệm tuổi thọ danh nghĩa.
Nếu không thỏa mãn tuổi thọ danh nghĩa, ta chọn lại ray dẫn hướng. a) Tínhchọn ray dẫn hướng trục Z0
Xác định điều kiện làm việc:
Khối lượng bàn máy, các cột liên kết dẫn động theo trục Z0 : WZ0 = 20 (kgf).
Tốc độ chạy không lớn nhất: vm/ph
Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ sau:
Chọn sơ bộ khoảng cách c = 160 mm, d0 mm.
Hình 5 5 Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục Y
Trong đó: Ngoại lực F = 0 (N); WZ0 = 20 (kgf)
4 =5 (kgf) Tải trọng tính toán:
Tải trọng tĩnh: là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn Lấy
C 0 =5.3 (kgf) b)Tính toán đường dẫn hướng cho trục Z1
Xác định điều kiện làm việc:
Hình 5 15 Sơ đồ lực tác dụng lên trục Z1
Chọn sơ bộ khoảng cách c0mm, d0mm, hPmm.
Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ:
Trong đó: ngoại lực F = 0 (N); Wz = 30 (kgf)
Do đó tải trọng tính toán:
Tải trọng tĩnh : là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn Lấy
C 0 =4,69.3,07 (kgf) c)Tínhchọn ray dẫn hướng trục Z2
Xác định điều kiện làm việc:
Khối lượng bàn máy, các cột liên kết dẫn động theo trục Z2 : WZ2 = 15 (kgf).
Tốc độ chạy không lớn nhất: vm/ph
Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ sau:
Chọn sơ bộ khoảng cách c = 90 mm, d mm.
Hình 5 16 Sơ đồ lực tác dụng lên trục Z2
Hình 5 17 Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục Y
Trong đó: Ngoại lực F = 0 (N); WZ0 = 6,1 (kgf)
Tải trọng tĩnh: là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn Lấy
Bảng 1 Tải trọng tĩnh các trục
Trục Tải trọng tĩnh C0 (kgf)
Dựa vào tải trọng tĩnh tính toán được ở bảng trên ta chọn vít me TRS15VN của hãng TBI với các thông số sau.
Hình 5.20 Mô Hình 3D hoàn chỉnh
Hình 5.21 Mô hình 3D của hệ thống
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Chọn luật điều khiển
Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày hệ thống điều khiển cho robot đã được thiết kế và tính toán trước đó Bài toán điều khiển đóng vai trò quan trọng, vì một hệ thống được thiết kế tốt sẽ nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình hoạt động của robot.
Trong báo cáo này, nhóm đề xuất áp dụng phương pháp điều khiển dựa trên mô hình động lực học cho robot, một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả Cụ thể, nhóm sẽ sử dụng bộ điều khiển PD kết hợp với lực, như đã được trình bày trong môn robotics, với các biểu thức và sơ đồ điều khiển tương ứng.
Mô phỏng bằng Matlab
Hình 7.2 Mô hình MATLAB SIMULINK Đây là khối tín hiệu đặt
Trong đó qd1, qd2,qd3 là vị trí đặt khâu 1,2,3 dq1,dq2,dq3 là vận tốc đặt khâu 1,2,3 ddq1,ddq2,ddq3 là gia tốc đặt khâu 1,2,3
Hình 7.4 Khối điều khiển PD
Hình 7.5 Khối phương trình vi phân chuyển động
Hình 7.6 Khối biểu diễn đầu ra
Hình 7.7 minh họa khối chấp hành robot với các đồ thị tịnh tiến cho từng khâu 1, 2 và 3 Đồng thời, các đồ thị sai số biến khớp 1, 2 và 3 cũng được trình bày, cho thấy sự thay đổi và độ chính xác trong hoạt động của robot.
Sai số vận tốc khâu 1
Sai số vận tốc khâu 2
Sai số vận tốc khâu 3 Đồ thị momen khớp
