BÀI tập lớn THIẾT kế ROBOT THIẾT kế QUỸ đạo CHUYỂN ĐỘNG

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC

Phân tích mục đích ứng dụng robot

Robot là máy móc tự động hoạt động theo sự điều khiển của máy tính hoặc vi mạch điện tử lập trình sẵn Robot công nghiệp được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ như lắp ráp, sản xuất và chế biến sản phẩm theo trình tự nhất định Chúng hỗ trợ con người, đặc biệt trong những môi trường khắc nghiệt và nguy hiểm Với độ chính xác cao và hiệu quả vượt trội, robot công nghiệp ngày càng thay thế các phương pháp sản xuất thủ công.

Theo Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất:

Robot công nghiệp là thiết bị đa năng có khả năng hoạt động theo chương trình và có thể được lập trình lại, giúp nâng cao hiệu quả thực hiện nhiều nhiệm vụ trong ngành công nghiệp Chúng thường được sử dụng để vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, sản phẩm, cũng như các dụng cụ và thiết bị chuyên dụng khác.

Theo định nghĩa của GHOST 25686-85 như sau:

Robot công nghiệp là thiết bị tự động, có thể là cố định hoặc di động, được trang bị cơ cấu chấp hành giống như tay máy với nhiều bậc tự do hoạt động Chúng được điều khiển qua hệ thống lập trình linh hoạt, cho phép thực hiện các thao tác khác nhau trong quy trình sản xuất.

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

Nhờ vậy robot công nghiệp có khả năng thao tác tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Ứng dụng của Robot công nghiệp

Hiện nay, nhu cầu sử dụng robot trong sản xuất đang gia tăng, nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí, cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng khả năng cạnh tranh Do đó, robot công nghiệp cần phát triển khả năng thích ứng tốt hơn, với cấu trúc đơn giản và linh hoạt, để cải thiện điều kiện lao động.

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 Chúng có khả năng gắp chính xác các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và đặt vào thùng chứa 20 hộp, đảm bảo quy trình đóng gói diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.

Robot IRB 6650 của ABB được ứng dụng trong công nghệ ép phun nhựa, với khả năng thao tác nhanh chóng và dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở vị trí tách khuôn Nó còn có chức năng giám sát, làm sạch và điều khiển chất lượng dựa trên camera, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất tại Việt Nam.

Nước ta đang chứng kiến sự đa dạng trong ứng dụng của robot công nghiệp, với từng ngành nghề có thể áp dụng các loại robot riêng biệt Dưới đây là một số lĩnh vực trong hệ thống sản xuất mà robot công nghiệp được sử dụng.

Trong ngành công nghiệp đúc, robot đóng vai trò quan trọng trong việc rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt bỏ các mép thừa, và làm sạch các sản phẩm đúc Ngoài ra, chúng còn giúp tăng độ bền của vật đúc thông qua quy trình phun cát.

Ngành gia công áp lực thường phải đối mặt với nhiều công việc độc hại và điều kiện làm việc khắc nghiệt, đặc biệt trong các quy trình hàn và nhiệt luyện Nhiệt độ cao và môi trường làm việc nặng nề dễ dẫn đến sự mệt mỏi cho công nhân, nhất là 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, đặc biệt là trong các công việc đòi hỏi độ chính xác cao như hàn, phun sơn và lắp ráp Robot không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn thay thế con người trong các môi trường làm việc độc hại Một ứng dụng cụ thể là thiết kế mô hình robot lắp cánh quạt trong hệ thống lắp ráp tự động, giúp lắp cánh quạt và đặt vào vị trí xác định để tạo ra quạt hoàn chỉnh Việc sử dụng robot trong các công việc yêu cầu chi tiết, chính xác và tốc độ làm việc nhanh chóng, liên tục sẽ tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu sự can thiệp của con người.

Tải xuống TIEU LUAN MOI tại skknchat@gmail.com giúp khắc phục những lỗi kỹ thuật, từ đó nâng cao hiệu quả công việc Điều này không chỉ giảm chi phí mà còn giảm thiểu sức lao động của con người.

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 tản nhiệt

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 đảm bảo rằng 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

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com

Hình 2 Cánh quạt tản nhiệt(đối tượng thao tác)

Xác định các đặc trưng kĩ thuật

Tính toán thiết kế Robot lắp cánh quạt trong không gian làm việc

1.5x1.5x1m Do Robot làm việc trong không gian 3 chiều nên số bậc tự do tối thiểu là 3: 2 bậc tự do để xác định tọa độ điểm trong mặt phẳng,1 bậc tụ do để xác định chiều cao trong không gian.

Với cấu trúc 4, 5, 6 bậc tự do, việc tính toán trở nên phức tạp và chi phí cao, đồng thời tính khả thi cũng thấp hơn so với cấu trúc 3 bậc tự do Do đó, lựa chọn cấu trúc 3 bậc tự do là hợp lý hơn.

Các phương án cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện 7

Cơ cấu robot T-T-T có ưu điểm là kết cấu đơn giản và độ cứng vững cao, giúp tối ưu hóa không gian làm việc của robot Hệ thống này cung cấp tính liên tục tốt và đảm bảo độ chính xác cao khi thực hiện các thao tác, đặc biệt là trên mặt phẳng nằm ngang Tuy nhiên, nhược điểm của cơ cấu này là robot chiếm diện tích lớn.

Hình 3 Robot 3 bậc tự do T-T-T

Cơ cấu T-T-R có ưu điểm nổi bật như kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, giúp tối ưu hóa không gian làm việc của robot và phù hợp cho thao tác với các đối tượng trên 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 ưu điểm là robot chiếm diện tích nhỏ và tính linh hoạt cao Tuy nhiên, nó cũng gặp phải một số nhược điểm như sai số tích lũy lớn, không tận dụng tối đa không gian làm việc, không đảm bảo tính liên tục khi hoạt động, cần đảm bảo độ cứng vững và việc điều khiển từng khớp trở nên khó khăn hơn.

Hình 5 Robot 3 bậc tự do R-R-R

Cơ cấu T-R-R có ưu điểm nổi bật là tính linh hoạt cao, phù hợp cho việc thao tác với các đối tượng trên bề mặt cong Tuy nhiên, nó cũng gặp phải một số 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 làm việc, do đó cần phải chú ý đến độ cứng vững.

Robot 3 bậc tự do T-R-R có cơ cấu T-T-T với thiết kế đơn giản và linh hoạt trong không gian ba chiều Cấu trúc này đảm bảo an toàn về hướng và vị trí của khâu thao tác, đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật.

Lựa chọn cơ cấu T-T-T và sử dụng đầu hút để có thể lắp ghép quạt tản nhiệt.

Khi lựa chọn cơ cấu tay gắp chân không, bạn sẽ nhận thấy nhiều ưu điểm nổi bật Tay gắp này có khả năng xử lý đa dạng các loại vật phẩm khác nhau, đồng thời chi phí lắp đặt cũng hợp lý 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.

• Tay gắp thủy lực Ưu điểm: công suất gắp vượt trội

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 sơ bộ của robot TTT

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 thiết lập các hệ tọa độ và bảng tham số DH Tiếp theo, chúng ta sẽ tiến hành xây dựng các ma trận chuyển DH để phục vụ cho việc phân tích và mô phỏng chuyển động trong robot.

Ma trận DH có dạng:

A 3 = [ 0 0 0 0 1 0 q 1 3 Để tìm vị trí và hướng của khâu thao tác ta tính

(2.3) 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 A 3

Ta có: Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác

Vector cột tọa độ điểm định vị r E :

Từ đây ta tính được vận tốc góc của khâu thao tác và vận tốc điểm tác động cuối E; nên:{ x E =q 2

* Vận tốc góc Khâu thao tác:

0R 3 : Là ma trận cosin chỉ hướng của khâu 3

3: Là đạo hàm của ma trận của cosin chỉ hướng Ta có

Và dễ dàng suy ra được Gia tốc góc của khâu thao tác là:

* Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối E:

Cho quy luật chuyển động của các khâu

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com b Động học ngược (Inverse Kinematics)

Bài toán động học ngược có nhiệm vụ xác định các biến khớp dựa trên các điều kiện tọa độ và hướng khâu thao tác đã biết Cụ thể, mục tiêu của bài toán này là tìm ra các thông số cần thiết khi các điều kiện đã được xác định trước.

Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot

Trong thiết kế quỹ đạo cho robot di chuyển liên tục trên đường dịch chuyển, kỹ thuật thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác là rất quan trọng Đối với robot này, quỹ đạo của điểm tác động cuối được xác định bằng chuỗi các đường thẳng, với thứ tự ưu tiên cho các trục là X, Y, Z khi robot tiến Ngược lại, khi robot lùi, thứ tự ưu tiên sẽ đảo ngược Trong trường hợp robot thực hiện 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 t e =2s t O=¿¿ 0 s t 1=¿¿ 0.2 s t A=¿¿ 2 s t 2=¿¿ 1.8 s a

- điểm tác động cuối theo đường thẳng từ A đến B trong t e =1.2s a 0

- điểm tác động cuối theo đường thẳng từ B đến C trong t e =1.2s a 0

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ thị biểu diễn tọa độ trục x,vận tốc ,gia tốc theo thời gian t

In this article, we present a detailed analysis of motion using MATLAB plots to visualize position, velocity, and acceleration over time The first segment of the analysis involves plotting the position (s1), velocity (v1), and acceleration (a1) over the time interval t1, utilizing red, green, and blue lines respectively for clarity Following this, we extend the analysis to a second time interval (t2) where we compute the new position (s2), velocity (v2), and maintain a constant acceleration (a2), again represented in the same color-coded manner Finally, we address a third time interval (t3) incorporating additional acceleration (a_e) to calculate the position (s3), velocity (v3), and acceleration (a3) All plots are enhanced with grid lines and labeled axes, providing a comprehensive overview of the motion dynamics This structured approach aids in understanding the relationships between displacement, speed, and acceleration over time.

Tải xuống TIEU LUAN MOI tại địa chỉ email skknchat@gmail.com Bài viết này trình bày đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa tọa độ, vận tốc và gia tốc theo trục y theo thời gian t.

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 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 F i+1 ,i Lực khâu thứ i tác dụng lên khâu i+1 biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở

0 M i+1 ,i Momen khâu thứ i tác dụng lên khâu i+1 biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở

0 P i Trọng lực tác dụng lên khâu i

Tính toán cụ thể

Các khâu được xem là thanh đồng chất với tiết diện ngang không đáng kể, và khối lượng của từng khâu lần lượt là Vì khối lượng của ống nghiệm rất nhỏ so với Robot, nên có thể bỏ qua 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: n

Trong đó: n là số khâu của robot. m i là khối lượng của khâu thứ i.

J Ti và J T Ti 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.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com l c 1

Ta co vân tôc goc cac khâu:

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

Robot sử dụng tay gắp chân không không nên được xem là không có ngoại lực tác động Do đó, khi giải quyết 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

Động lực học ngược

Cho cac điêm co toa đô theo hê toa đô Ox 0 y 0 z 0 la hê toa đô gôc cua robot

X(mm) Y(mm) Z(mm) Điểm 1 200 600 100 Điểm 2 300 600 100 Điểm 3 400 600 300 Điểm 4 200 600 300 Điểm 5 400 600 300 Áp dụng hệ phương trình động học ngược ta tìm được giá trị các biến khớp tại

4 điểm của quỹ đạo: q 1 (mm) q 2 (mm) q3(mm) Điểm 1 100 200 900 Điểm 2 100 300 900 Điểm 3 300 400 900 Điểm 4 300 200 900 Điểm 5 300 400 900

Chọn 2 điểm A, B bất kì trong không gian làm việc, đồng nghĩa là biết được các thông số tọa độ (x E , y E , z E ) 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.

Bằng cách áp dụng bài toán động học ngược, chúng ta có thể xác định các biến khớp tại điểm A và B Từ đó, chúng ta xây dựng các tọa độ khớp theo hàm thời gian t(5s), đảm bảo rằng chuyển động diễn ra từ vị trí A đến vị trí B trong khoảng thời gian đã được quy định.

Bài toán này nghiên cứu quỹ đạo di chuyển của Robot từ điểm 2 đến điểm 3, sử dụng quỹ đạo bậc 3 nhằm đảm bảo tốc độ phù hợp trong không gian khớp.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com q 2 00+12 t 2 −1,6 t 3

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 bi là một hệ thống truyền động 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, đồng thời hoạt động bền bỉ trong thời gian dài.

Khu vực tiếp xúc giữa vít me bi và đai óc được thiết kế với một rãnh (rãnh me) chứa đầy viên bi thép Khi trục vít xoay, các viên bi này sẽ lăn tròn trong rãnh, tạo ra chuyển động mượt mà và hiệu quả.

Mối ren của trục vít và đai ốc được thiết kế nhằm giảm ma sát giữa chúng Để ngăn chặn các viên bi rơi ra ngoài, đai ốc có một đường ống dẫn hồi bi, giúp thu hồi những viên bi không bị rơi khỏi rãnh của trục vít và đưa trở lại phần đầu của đường bi ở cuối đai ốc Lực đẩy của đai ốc diễn ra nhẹ nhàng nhờ vào chuyển động lăn của những viên bi cuộn tròn.

- Những thông số hoạt động: + Chiều dài thanh vít.

+ 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: Dọc trục Z0: 1500 mm

+ Vận tốc chạy lớn nhất khi đầu gắp có cánh quạt: V 1=7m/ph

+ Vận tốc chạy lớn nhất khi đầu gắp không 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≥V max /N max = V 1 /N max = 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: F m = 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: F a1 = μmg + ma + f

- Khi giảm tốc: F a3 = 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 F max Theo trục Z0:

N + Lực dọc trục lớn nhất:

+ Lực dọc trục lớn nhất:

6.2.4 Tính toán tốc độ vòng trung bình của động cơ

- Chọn bước vít me: l ≥ Vmax

- Chọn l = 5 mm ta có tốc độ vòng chính xác của động cơ: n 1 = V l 1 =7000 5 = 1400 n2 = V l 2 =10000 5 = 2000

-Với chế độ thời gian t 1 `% , t 2 @% ta có:

6.2.5 Chế độ làm việc của máy với các trục

Chế độ Tốc độ Tỉ lệ thời gian

Khi đầu gắp có tay 1400 70 kẹp (V 2 = 7m/ph)

Khi đầu gắp không 2000 30 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 = 1500 +50 + 100 = 1650 mm.

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 trên yêu cầu về tải trọng động và đường kính trục vít me, chúng ta có thể tham khảo Catalog của hãng TBI để tìm loại vít me bi có các thông số phù hợp với C a max và d r.

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 d r là đường kính lõi ren trục vít: d r = 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 d r là đường kính lõi ren trục vít: d r = 40 – 6,35 2 = 36,825 mm

= 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 d r là đường kính lõi ren trục vít: d r = 20 -3,175 2 = 18,4125 mm

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 :

Hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ là k t = 1, trong khi k d = 1.1, cho thấy khả năng chịu va đập nhẹ và tải ngắn hạn lên đến 125% so với tải tính toán, áp dụng cho máy cắt kim loại và động cơ công suất nhỏ đến trung bình Trong trường hợp này, lực hướng tâm được các ray dẫn hướng chịu hoàn toàn, do đó, lực hướng tâm tác động lên ổ được coi là không đáng kể với X = 0 và Y = 1.

Tổng hợp lực dọc trục :

Do F r 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:

Hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ trong điều kiện dưới 105℃ được xác định là kt=1 Đối với kd, giá trị là 1.1, cho phép chịu va đập nhẹ và tải ngắn hạn lên đến 125% so với tải tính toán, phù hợp với máy cắt kim loại và động cơ có công suất nhỏ đến trung bình Đối với ổ bi chặn, các giá trị X và Y lần lượt là 0 và 1.

Do F r có thể bỏ qua nên : F a = F at = 123,3N

Tuổi thọ tính theo triệu vòng:

+ Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:

Với ổ bi đỡ α 0 ta được :X0 = 0,5 và Y0 = 0,47

6.3.3 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z2

Kiểm nghiệm khả năng tải động:

Với hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ là kt=1 và kd=1.1, thiết bị có khả năng chịu va đập nhẹ và tải ngắn hạn lên đến 125% so với tải tính toán, phù hợp cho máy cắt kim loại và động cơ công suất nhỏ đến trung bình Lực hướng tâm chủ yếu được các ray dẫn hướng chịu, do đó lực này tác động lên ổ được coi là không đáng kể, với giá trị X=0 và Y=1.

Do F r 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

Tính chọn động cơ

+ Tốc độ vòng lớn nhất n max = = = 2000 vg/ph. l 5

Với 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: L t = 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 = W y = 40 kg.

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com v max : vận tốc chạy lớn nhất khi đầu gắp không có

+ 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.

*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 = π × D ×n = π ×40×2000 = 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 của động cơ và tốc độ tối đa, ta chọn loại động cơ bước

SUMTOR 57HS7630A4 3A có momen khởi động là 1,8 N.m, tốc độ quay lớn nhất là 2000 vg/ph(Dựa vào 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 các phương X, Y và trục Z cho đầu dao Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, hệ thống này cần phải thẳng, có khả năng chịu tải cao, độ cứng vững tốt và không xảy ra hiện tượng dính hay trơn trượt khi 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 Mặc dù ray tròn có giá thành rẻ hơn so với ray vuông, nhưng chúng lại có nhiều nhược điểm như máy chạy rung nhiều, dễ hỏng trục tròn và chịu tải thấp Tuy nhiên, ray tròn vẫn có thể được sử dụng cho các loại máy CNC cỡ nhỏ.

Hình 5 2 Ray trượt tròn có đế

Hình 5 3 Ray trượt tròn không đế

Ray vuông có giá thành cao hơn ray tròn nhưng mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Nó hoạt động êm ái, chịu được tải trọng lớn và có tuổi thọ cao Tuy nhiên, giá thành của ray vuông cũng cao 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 C 0 , 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 : W Z0 = 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:

Chon 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); W Z0 = 20 (kgf)

4 =5 (kgf) Tải trọng tính toán:

Tải trọng tĩnh: là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn Lấy

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

Chon 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); W z = 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 : W Z2 = 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:

Chon 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); W Z0 = 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 C 0 (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, nhóm sẽ giới thiệu hệ thống điều khiển cho robot đã được thiết kế và tính toán ở các phần trước 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 Nhóm sẽ sử dụng bộ điều khiển PD kết hợp với lực, dựa trên kiến thức đã học trong môn robotics, với biểu thức và sơ đồ điều khiển cụ thể.

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 Khối chấp hành robot

Hình 7.8 Khối chấp hành có các thành phần tích phân

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ thị tịnh tiến khâu 1 Đồ thị tịnh tiến khâu 2

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ thị tịnh tiến khâu 3 Đồ thị sai số biến khớp 1

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ thị sai số biến khớp 2 Đồ thị sai số biến khớp 3

Sai số vận tốc khâu 1

TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ thị momen khớp

Tiêu đề	Thiết Kế Quỹ Đạo Chuyển Động
Tác giả	Nguyễn Văn Chương, Đặng Bảo Kiên, Đào Trọng Thắng
Người hướng dẫn	PGS. Phan Bùi Khôi
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Cơ Khí
Thể loại	bài tập lớn
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	105
Dung lượng	3,39 MB