Thiết kế robot 2 khâu chuyển động tịnh tiến

Cơ điện tử là một trong 6 ngành công nghệ mũi nhọn của thế kỷ 21. Ở Việt Nam trong vòng 10 năm trở lại đây, và đặc biệt là trong những năm tới, xuất hiện nhu cầu lớn về đào tạo nhân lực Cơ điện tử. Cơ điện tử đóng vai trò vô cùng quan trọng trong tự động hóa sản xuất, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm.. Các sản phẩm Cơ điện tử rất đa dạng, góp mặt trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế xã hội như giao thông, Robot, hệ thống sản xuất, năng lượng mới, thiết bị y tế, hàng không vũ trụ... Chính vì thế việc nghiên cứu hệ thống Cơ điện tử đóng một vai trò quan trọng. Trong các sản phẩm Cơ điện tử thì Robot là lĩnh vực tiêu biểu. Môn học “Đồ án thiết kế cơ khí” giúp em củng cố, ôn tập những kiến thức đã học trong gần 3 năm qua, đồng thời bước đầu làm quen, tìm hiểu, tính toán, thiết kế một hệ thống Cơ khí, Cơ điện tử điển hình, đó là Robot.

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC

THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D

Thiết kế mô hình 3D của cơ cấu yêu cầu:

Mô hình bao gồm hai khâu chuyển động tịnh tiến, có nhiệm vụ gắp và giữ vật từ băng truyền lên máy CNC để gia công Quá trình này được lặp lại theo chu trình Hộp giảm tốc cho khâu chuyển động thẳng đứng được lắp đặt ở phần đế của cơ cấu cánh tay Robot.

Dưới đây là mô hình 3D của cơ cấu đề bài:

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

1 Thiết lập phương trình chuyển động

Thông số kích thước, khối lượng: a 1 a 2 m 1 m 2 M x A y A z A x B y B z B v max

 Nhiệm vụ của bài toán động học là tìm vị trí, vận tốc, gia tốc khi đã biết quy luật chuyển động

 Tính toán động học đảm bảo yêu cầu thao tác

- tại vị trí 1;2 và 3 vận tốc bằng 0

- Quỹ đạo 1-2 là chuyển động tịnh tiến

- Quỹ đạo 2-3 là chuyển động tịnh tiến

- Chuyển động của khâu 1 là q 1, chuyển động của khớp 2 là q 2

+ Chọn quy luật chuyển động: Ở bài toán này ta chọn quy luật chuyển động là đa thức bậc 3 của t:

- Gọi q i 0 , q i e lần lượt là vị trí đầu và vị trí cuối của mỗi quỹ đạo

- t e là tổng thời gian chuyển động từ vị trí 1 đến vị trí 3

- L L 12 , 23 lần lượt là chiều dài quỹ đạo 1-2 và 2-3

- L L 12 L 23là tổng chiều dài chuyển động

 thời gian chuyển động trên quỹ đạo 1-2: 12 12 e L t t

Thời gian chuyển động trên quỹ đạo 2-3: 23 23 e L t t

- Áp dụng công thức để tính các hệ số trong phương trình (1) cho từng quỹ đạo chuyển động:

- + Phương trình vận tốc cho từng quỹ đạo:

- + Phương trình gia tốc cho từng quỹ đạo:

 Thay các yêu cầu chuyển động vào phương trình (1), (2) và (3) ta được kết quả sau:

 Tính toán động học cho từng đoạn quỹ đạo:

Trong chuyển động di chuyển vật M từ vị trí (1) đến (2), chỉ có khớp 2 di chuyển:

Trong chuyển động di chuyển vật M từ vị trí (2) đến (3), chỉ có khớp 1 di chuyển:

 Thay các giá trị ta tìm được phương trình chuyển động vận tốc, gia tốc của các quỹ đạo:

Dịch chuyển vật từ (1) đến (2) chỉ khâu 2 di chuyển chọn 𝑞 2 là tọa độ khớp 2:{

- Đồ thị vận tốc khớp 2: 𝑞̇ 2 = 52,74 𝑡 2 − 18 𝑡 với t=0t 12 :

𝑣 2𝑚𝑎𝑥 = Max|𝑞̇ 2 | = 1,54(m/s)( Q 3 nên ta chỉ cần kiểm nghiệm cho ổ lăn 2

 Khả năng tải động của ổ lăn 2

⇒ 2 ổ lăn thỏa mãn khả năng tải động

𝐜 Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh của ổ lăn

 Tra bảng B11.6Tr221[1] cho ổ đũa côn 1 dãy ta được:

 Tải trọng tĩnh tương đương tác dụng vào từng ổ:

 Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh của ổ:

⇒ 2 ổ lăn thỏa mãn khả năng tải tĩnh

4 Tính chọn kết cấu và ổ cho trục II

F y20 ỉ1 7 x y z a Tính phản lực tại các gối tựa và vẽ biểu đồ momen:

Xác định momen tại các vị trí: (đi từ trái qua phải theo phương chiều trục) :

 Tại vị trí mặt cắt 1:

 Tại vị trí mặt cắt 2:

 Tại vị trí mặt cắt 3:

 Tại vị trí mặt cắt 4:

 Biểu đồ momen Mx (trong mặt phẳng thẳng đứng 0yz)

 Biểu đồ momen My (trong mặt phẳng nằm ngang 0xz)

11080 b Xác định chính xác đường kính các đoạn trên trục II

 Chọn vật liệu làm trục: thép 45 ta có [σ] = 67 Mpa ( Tra bảng

10.5Tr195[1]) Tính chính xác đường kính trục :

Theo công thức 10.15Tr194[1] và 10.16tr194[1] ta có: o Tại tiết diện 1:

 Chọn lại đường kính các đoạn trục:

Căn cứ từ kết quả tính toán chính xác đường kính trục: d 1 = 11,27(mm), d 2 = 11,27⁡(mm), d 3 = 12,94⁡(mm)

 Do lắp ổ lăn tại vị trí 2 và 4 nên ta chọn: d 2 = d 4 = 17⁡(mm)

 d1 nối với trục vít của truyền động vít đai ốc d1mm

 Do tại vị trí 3 lắp bánh răng nên ta chọn: d 3 = 21⁡(mm)

Do vị trí giữa 3 và 4 có vai trục nên ta chọn d v = 25⁡(mm)

4.2 Chọn then cho trục II

Trên trục có 3 vị trí then để truyền momen xoắn

 Then lắp trên trục vị trí lắp bánh răng côn: d 3 = 21⁡mm

Chọn then bằng, tra bảng B9.1aTr173[1] ta được: { b = 6⁡mm h = 6⁡mm t 1 = 3,5⁡mm

 Then lắp trên trục vị trí 1: d 1 = 13⁡mm

Chọn then bằng, tra bảng B9.1aTr173[1] ta được: { b = 5⁡mm h = 5⁡mm t 1 = 3⁡mm

 Chiều dài then trên đoạn trục lắp bánh răng côn: l t23 = (0,8 ÷ 0,9) l m23 = (0,8 ÷ 0,9) 28 = 22,4 ÷ 25,2⁡mm

 Chiều dài then trên đoạn trục lắp trục của vít: l t22 = (0,8 ÷ 0,9) l m22 = (0,8 ÷ 0,9) 28 = 22,4 ÷ 25,2mm

4.3 Chọn ổ lăn cho trục II a Chọn loại ổ lăn

 Cần đảo chiều khớp nối và tính lại xem trường hợp nào ổ chịu lực lớn hơn thì tính cho trường hợp đó

Tính phải lực tại các gối tựa 2 và 3:

 Trong mặt phẳn 0yz (mặt phẳng thẳng đứng) có:

Ta có tải trọng hướng tâm tác dụng lên 2 ổ:

 Ta có lực dọc trục ngoài (lực dọc tác dụng lên bánh răng côn):

Do có lực dọc trục (do bánh răng côn sinh ra) và nhằm đảm bảo cứng,vững nên ta chọn ổ lăn là loại ổ đũa côn

Chọn loại ổ lăn sơ bộ là ổ đỡ lăn cỡ nhẹ tra bảng P2.11Tr261[1] ta có:

Với d = 17⁡mm ⇒ chọn⁡ổ⁡đỡ⁡lăn⁡có:⁡

⇒ Hệ⁡𝑠ố⁡𝑒 = 1,5 tan α = 1,5 tan 11,83° = 0,31 b Kiểm nghiệm khả năng tải động của ổ lăn

 Khả năng tải động C d được tính theo công thức: 11.1Tr213[1]

 m – bậc của đường cong mỏi: m = 10 3⁡⁄ (ổ đũa)

 Q – tải trọng động quy ước (KN) được xác định theo công thức 11.3Tr114[1]

V là hệ số liên quan đến vòng quay, trong đó vòng trong quay được tính bằng công thức V = 1 k t, với k t là hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ Hệ số k t được xác định là k t = 1 Hơn nữa, k d là hệ số tính đến đặc tính tải trọng, với tải trọng tĩnh và hộp giảm tốc công suất nhỏ, được xác định là k d = 1.

 Lực dọc trục do lực hướng tâm sinh ra trên ổ lăn (hình vẽ) là:

 Tổng lực dọc trục tác dụng lên ổ lăn 2 là:

 Tổng lực dọc trục tác dụng lên ổ lăn 3 là:

 Lực dọc trục tác dụng lên ổ lăn 2 là:

 Lực dọc trục tác dụng lên ổ lăn 3 là:

 X – hệ số tải trọng hướng tâm

 Y – hệ số tải trọng dọc trục

Theo bảng B11.4Tr216[1] ta có:

 Tải trọng quy ước tác dụng vào ổ:

 Ta thấy Q 2 > Q 3 nên ta chỉ cần kiểm nghiệm cho ổ lăn 2

 Khả năng tải động của ổ lăn 2

⇒ 2 ổ lăn thỏa mãn khả năng tải động

𝐜 Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh của ổ lăn

 Tra bảng B11.6Tr221[1] cho ổ đũa côn 1 dãy ta được:

 Tải trọng tĩnh tương đương tác dụng vào từng ổ:

 Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh của ổ:

⇒ 2 ổ lăn thỏa mãn khả năng tải tĩnh

KẾ KẾT CẤU VỎ HỘP

1 Các kích thước cơ bản của vỏ hộp giảm tốc

Hộp giảm tốc đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì vị trí tương đối giữa các chi tiết và bộ phận của máy Nó giúp tiếp nhận tải trọng từ các chi tiết lắp trên vỏ và chứa dầu bôi trơn, bảo vệ các bộ phận máy khỏi bụi bẩn.

- Chi tiết cơ bản của hộp giảm tốc là độ cứng cao và khối lượng nhỏ

- Chọn vật liệu làm hộp giảm tốc là gang xám GX15-32

Chọn δ = 5 (mm) δ1 = 0,9.δ = 0,9.5 = 4,5 (mm) chọn δ1=5mm Gân tăng cứng: Chiều dày, e

Chiều cao, h Độ dốc e = (0,8÷1) δ = 4÷ 5 mm Chọn e = 5 (mm) h < 58 mm = 30 khoảng 2 0 Đường kính:

Bulông ghép bích nắp và thân, d3

Vít ghép nắp của thăm, d5 d1 > 0,04Re + 10 = 0,04.53,67+10 12,14(mm)

Chọn d1 = 14 (mm) d2 = (0,7÷0,8)d1 =9,8÷11,2 mm chọn d2 10(mm) d3 = (0,8÷0,9)d2 = 8÷9 mm chọn d3 = 8 (mm) d4 = (0,6÷0,7)d2 = 6÷7 chọn d4 = 6 (mm) d5 = (0,5÷0,6)d2 = 5÷6 chọn d5 = 6 (mm) Mặt bích ghép nắp và thân:

Chiều dày bích thân hộp, S3

Chiều dày bích nắp hộp, S4

Chiều rộng bích nắp và thân, K3

Kích thước gối trục: Đường kính ngoài và tâm lỗ vít,

Bề rộng mặt ghép bulông cạnh ổ, K2

Tâm lỗ bulông cạnh ổ, E2 và C

(k là khoảng cách từ tâm bulông đến mép lỗ)

Trục I: D2 = (mm), D3 = (mm) Trục II: D2 = (mm), D3 = (mm)

Chọn h = 30 (mm) Mặt đế hộp:

Chiều dày: khi không có phần lồi S1 khi có phần lồi: Dd, S1 và S2

Bề rộng mặt đế hộp, K1 và q

K1 = 3d1 = 3.14B (mm), q ≥ K1 + 2δ B+2.5= 52 (mm) Khe hở giữa các chi tiết:

Giữa bánh răng với thành trong hộp

Giữa đỉnh bánh răng lớn với đáy hộp

Giữa mặt bên của các bánh răng với Nhau Δ ≥ (1÷1,2)δ = (11,2).5=(5÷6) chọn Δ

3 Kết cấu các bộ phận, chi tiết khác a Bu lông vòng:

Tên chi tiết: Bu lông vòng

 Chức năng: để nâng và vận chuyển hộp giảm tốc (khi gia công, khi lắp ghép…) trên nắp và thân thường lắp them bu lông vòng

Tra bảng B18.3bTr89 [2] với R e = 53,67⁡mm ta được trọng lượng hộp

 Thông số bu lông vòng tra bảng B18.3aTr89[2] ta được:

Tên chi tiết: Chốt định vị

Chốt định vị giúp ngăn chặn biến dạng vòng ngoài của ổ khi xiết bu lông, nhờ đó duy trì vị trí chính xác giữa nắp và thân Điều này loại trừ các nguyên nhân gây hỏng hóc cho ổ, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và bền bỉ.

 Chọn loại chốt định vị là chốt trụ

 Thông số kích thước: B18.4aTr90[2] ta được: d = 6⁡mm, c = 1,2⁡mm, L = 20 ÷ 160mm Chọn L = 37⁡mm c Cửa thăm

Tên chi tiết: cửa thăm

Hộp được thiết kế với chức năng kiểm tra và quan sát các chi tiết trong quá trình lắp ghép, đồng thời cho phép đổ dầu vào bên trong Trên đỉnh hộp có cửa thăm được che chắn bằng nắp, trên nắp có nút thông hơi để đảm bảo thông khí cho hộp.

 Thông số kích thước: tra bảng 18.5Tr93[2] ta được

Tên chi tiết: nút thông hơi

Khi nhiệt độ trong hộp tăng cao trong quá trình làm việc, nút thông hơi được sử dụng để giảm áp suất và điều hòa không khí bên trong và bên ngoài hộp.

 Thông số kích thước: tra bảng 18.6Tr93[2] ta được

Tên chi tiết: nút tháo dầu

Sau một thời gian hoạt động, dầu bôi trơn trong hộp có thể bị bẩn do bụi hoặc hư hại, dẫn đến việc dầu bị biến chất Do đó, cần thay dầu mới để đảm bảo hiệu suất làm việc Để tháo dầu cũ, người dùng có thể sử dụng lỗ tháo dầu ở đáy hộp, lỗ này thường được bịt kín bằng nút tháo dầu trong quá trình hoạt động.

 Thông số kích thước (số lượng 1 chiếc): tra bảng 18.7Tr93[2] ta được d b m f L c q D S D 0

Tên chi tiết: que thăm dầu

Que thăm dầu có chức năng kiểm tra mức và chất lượng dầu bôi trơn trong hộp giảm tốc Để thuận tiện cho việc kiểm tra, đặc biệt trong điều kiện máy hoạt động 3 ca, que thăm dầu thường được thiết kế với vỏ bọc bên ngoài nhằm hạn chế sóng dầu.

Số lượng 1 chiếc g Lót ổ lăn Ổ lăn làm việc trung bình và bôi trơn bằng mỡ ta chọn làm kín động gián tiếp bằng vòng phớt

Chức năng của ổ lăn là bảo vệ khỏi bụi bẩn, chất lỏng, hạt cứng và các tạp chất xâm nhập, những yếu tố này có thể gây mài mòn và han gỉ cho ổ.

 Thông số kích thước: tra bảng 15.17Tr50[2] ta được d d 1 d 2 D a B S 0

 Chức năng: đỡ trục và các chi tiết trên trục và chịu lực dọc trục làm cho trục quay ổn định và cứng vững

 Thông số kích thước: i Cốc lót

 Tên chi tiết: cốc lót

 Chức năng: dùng để đỡ ổ lăn tạo thuận lợi cho việc lắp ghép và điểu chỉnh bộ phận ổ cũng như điều chỉnh ăn khớp của bánh răng côn

 Vật liệu: gang xám GX15÷32

Chọn chiều dày cốc lót: δ = 5⁡mm

Chiều dày vai và bích cốc lót: δ 1 = δ 2 = δ = 5⁡(mm)

Chiều dày vai và bích cốc lót: δ 1 = δ 2 = δ = 5⁡(mm) ; L = 92

Tên chi tiết: nắp ổ Đường kính nắp ổ được xác định theo công thức :

Vị trí D mm   D mm 2   D mm 3   D mm 4   d mm 4   Z

BÔI TRƠN, LẮP GHÉP VÀ ĐIỀU CHỈNH ĂN KHỚP

1.1 Bôi trơn hộp giảm tốc

Bôi trơn máy móc có thể được phân loại thành hai phương pháp chính: bôi trơn ngâm dầu và bôi trơn lưu thông Trong trường hợp của hộp giảm tốc, do các bánh răng hoạt động với vận tốc v = 5,73 m/s, thấp hơn 12 m/s, nên phương pháp bôi trơn phù hợp là ngâm dầu.

Với vận tốc vòng của bánh răng côn v = 5,73⁡(m s⁄ ) tra bảng

18.11Tr100[2], ta được độ nhớt để bôi trơn là:

57⁡(11) 8⁡(2) ⁡Centistoc⁡ứng⁡với⁡nhiệt⁡độ⁡50℃

Theo bảng 18.13Tr101[2] ta chọn được loại dầu AK-20

Với bộ truyền ngoài hộp do không có thiết bị nào che đậy nên dễ bị bám bụi do đó bộ truyền ngoài ta thường bôi trơn định kỳ

Do v = 5,73⁡(m s⁄ )=> bôi trơn ổ lăn bằng mỡ

Để đảm bảo các vòng không bị trượt trên bề mặt trục hoặc lỗ trong quá trình làm việc, việc lựa chọn kiểu lắp trung gian với các vòng không quay và lắp có độ dôi với các vòng quay là rất quan trọng.

 Chọn miền dung sai khi lắp các vòng ổ:

+ Lắp ổ lên trục là: k6 + Lắp ổ lên vỏ là: H7

2.1.Lắp bánh răng lên trục:

Để truyền momen xoắn giữa trục và bánh răng, việc sử dụng then bằng là lựa chọn phổ biến Tuy nhiên, mối ghép then thường không khít hoàn toàn do rãnh then trên trục thường bị phay không chính xác Để khắc phục tình trạng này, cần tiến hành cạo then theo rãnh để đảm bảo sự lắp ghép chính xác.

 Lắp bánh răng lên trục theo kiểu lắp chặt:

2.2.Dung sai mối ghép then

 Tra bảng B20.6Tr125[2] với tiết diện then trên các trục ta được

Sai lệch giới hạn của chiều rộng then:

{Trục⁡I: b × h = 5 × 5⁡chọn: Js9(±0,015) Trục⁡II: b × h = 6 × 6⁡chọn: Js9(±0,015) Sai lệch chiều sâu rãnh then:

Trục⁡II: t = ⁡3,5⁡mm ⇒ N max = +0,2⁡mm

3 Bảng thống kê các kiểu lắp, trị số của sai lệch giới hạn và dung sai của các kiểu lắp

TRỤC VỊ TRÍ LẮP KIỂU LẮP SAI LỆCH GIỚI HẠN KHE HỞ/ ĐỘ DÔI Bao Bị Bao