Thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do

Hiện nay, khoa học kỹ thuật về robot nói chung và về robot công nghiệp nói riêng đang phát triển rất mạnh mẽ và đặc biệt ở các nước có nền kinh tế phát triển, đã góp phần mang lại hiệu quả kinh tế cao. Việc nghiên cứu chế tạo robot công nghiệp để ứng dụng trong sản xuất là rất cần thiết. Với sự ra đời của robot đã thay thế cho con người khi làm việc giúp cho việc thực hiện các công việc đòi hỏi độ chính xác cao mà con người khó có thể làm được. Việc sử dụng robot công nghiệp trong các nhà máy sản xuất đã làm tăng năng suất, nâng cao chất lượng của sản phẩm. Nhận thấy vai trò và tầm quan trọng của robot như vây, ở nước ta hiện này, robot đang được đầu tư nghiên cứu rất nhiều, đặc biệt ở các trường đại học trong đó có Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. “Đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí – Robot” là một học phần bắt buộc trong chương trình Module 3 : Robot - Cơ điện tử, học phần giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với việc thiết kế cơ khí của một hệ thống Robot cơ bản, ứng dụng phần mềm CAD 2D/3D, mô phỏng nguyên lý hoạt động robot, giúp cho sinh viên nắm vững được các kiến thức cơ bản của các học phần và làm quen với nhiệm vụ của người kỹ sư. Có thể nói đây là học phần không thể thiếu được đối với sinh viên chuyên ngành Cơ điện tử. Được sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của TS. Nguyễn Trọng Doanh, em đã hoàn thành đề tài được giao “Thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do”. Bởi thời gian và kiến thức có giới hạn, sẽ không tránh khỏi những sai sót ngoài ý muốn. Do vậy em rất mong được sự chỉ bảo và sự đóng góp ý kiến của thầy để đề tài được hoàn thiện hơn

Giới thiệu về Robot SCARA

Từ viết tắt SCARA là viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot

Arm hoặc Selective Compliance Articulated Robot Arm

Năm 1981, Sankyo Seiki, Pentel và NEC đã giới thiệu một khái niệm mới về robot lắp ráp dưới sự hướng dẫn của giáo sư Hiroshi Makino từ Đại học Yamanashi Robot này, được gọi là Cánh tay robot lắp ráp tuân thủ có chọn lọc (SCARA), có thiết kế cứng theo trục Z và linh hoạt theo trục XY, cho phép nó thích ứng với các lỗ trên trục XY.

Nhờ bố cục khớp trục song song của SCARA, cánh tay hơi tuân theo hướng

XY nhưng cứng theo hướng 'Z', dẫn đến khái niệm "tuân thủ có chọn lọc" Thuật ngữ này mang lại lợi ích cho nhiều phương pháp lắp ráp, cho phép lắp chốt tròn vào lỗ tròn mà không cần phải ràng buộc.

Cánh tay của robot SCARA có cấu trúc tương tự như cánh tay con người với hai khớp nối, thường được gọi là cánh tay khớp nối Tính năng này cho phép cánh tay mở rộng vào những khu vực hạn chế và dễ dàng thu lại, giúp thuận tiện trong việc di chuyển các bộ phận từ ô này sang ô khác hoặc cho các trạm xử lý xếp/dỡ được bao bọc.

Robot SCARA thường có tốc độ nhanh hơn so với các hệ thống robot Descartes tương đương Thiết kế treo bệ đơn của chúng giúp tiết kiệm không gian và dễ dàng lắp đặt mà không gặp trở ngại Tuy nhiên, giá thành của SCARA có thể cao hơn so với các hệ thống Descartes, và phần mềm điều khiển yêu cầu sử dụng động học nghịch đảo cho các chuyển động nội suy tuyến tính Dù vậy, phần mềm này thường được cung cấp kèm theo SCARA và dễ sử dụng cho người dùng cuối.

Một số loại Robot SCARA

Robot SCARA Denso HM-G Robot SCARA Kuka

Robot SCARA Fanuc SR-6iA Robot SCARA Epson

Hình 0.1 Các robot SCARA điển hình

PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Nhiệm vụ thiết kế

Hành trình trục z (mm) Độ chính xác lặp

Vận tốc lớn nhất Chu kỳ thời gian (s)

Tốc độ tổng hợp (mm/s)

Các thành phần kết cấu của Robot

Tay robot có 3 bậc tự do, thiết kế cơ khí dạng 2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến

➢ Thân robot: Là khâu cố định, đặt thẳng đứng giữ robot cố định khi làm việc, gắn với khâu động 1 qua khớp quay 1 với trục z01 thẳng đứng

Khâu dẫn động của robot được thiết kế nằm ngang và vuông góc với trục thẳng đứng, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong suốt quá trình làm việc Khâu này có khả năng quay quanh trục z01 thông qua khớp quay 1, tạo ra sự linh hoạt trong các chuyển động của robot.

➢ Khâu 2: Khâu động có khả năng quay trong mặt phẳng vuông trục thẳng đứng qua khớp quay 2 nối với khâu 1

➢ Khâu 3: trục vít me - đai ốc bi (trục vít tịnh tiến, đai ốc quay)

Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các khớp đều là thẳng đứng

➢ Khâu quay 1, 2: hệ bánh răng (hộp giảm tốc)

➢ Khâu 3: khâu tịnh tiến (trục vít me - đai ốc bi), truyền động đai răng

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Động học Robot SCARA

Thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg

Sử dụng phương pháp Denavit-Hartenberg để giải bài toán động học robot

Thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg:

Hình 2.1 Sơ đồ động học robot SCARA 3 bậc tự do

Bảng D-H và các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất

Trong đó : θ1, θ2, d3 là các biến khớp Đặt θ1 = q 1 , θ2 = q 2 , d3 =q 3

Miền giá trị biến khớp:

Các ma trận biến đổi thuần nhất:

1 cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( )

2 cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( )

2 1 cos( ) sin( ) 0 cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( ) sin( )

3 2 1 cos( ) sin( ) 0 cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( ) sin( )

Thiết lập phương trình động học robot

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác

Gốc tọa độ được thiết lập trên khâu thao tác O3 trùng với E, sử dụng góc Cardan để xác định hướng vật rắn Vectơ tọa độ định vị khâu thao tác được ký hiệu là p, với p = [xE, yE, zE, α, β, η] T, trong đó ba thành phần đầu tiên biểu diễn vị trí của điểm tác động cuối.

+3 thành phần cuối biểu diễn hướng của khâu thao tác:

13 cos cos cos sin sin sin sin cos cos sin sin sin sin cos cos sin cos cos sin cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos

Khi đó ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu cuối biểu diễn bởi tọa độ khâu thao tác là:

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học

Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất biểu diễn trang thái khâu thao tác có thể xác định được từ cấu trúc động học của robot

3 2 1 cos( ) sin( ) 0 cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( ) sin( )

Ma trận được đưa về dạng như sau:

Phương trình động học robot nhận được trong dạng ma trận như sau:

Từ đó phương trình động học trong dạng ma trận có dạng khai triển như sau:

Đối với bài toán động học thuận, các thông số như vị trí, vận tốc và gia tốc của các biến khớp đã được xác định Nhiệm vụ là xác định vị trí, vận tốc và gia tốc của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định.

Vị trí của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định Oxyz được xác định bởi các tọa độ thao tác, bao gồm tọa độ định vị điểm tác động cuối cùng và hướng của khâu thao tác.

Chú ý: Từ nay, để đơn giản các biểu thức, ta quy ước sin = s, cos = c

Ví dụ : sin( )q 1 =s 1 ,cos( )q 1 =c 1 ,sin(q 1 +q 2 )=s 12 ,cos(q 1 +q 2 )=c 12

Xác định các tọa độ định vị điểm tác động cuối:

Các tọa độ định vị điểm tác động cuối được xác định thông qua việc so sánh các phần tử trong hai vế của hệ phương trình động học dạng ma trận.

Hay vị trí điểm cuối tay kẹp:

Xác định hướng của khâu thao tác

Sử dụng ma trận xác định hướng của khâu thao tác là ma trận Cardan, so sánh hai vế của phương trình động học (*), ta có:

0 0 1 cos cos cos sin sin sin sin cos cos sin sin sin sin cos cos sin cos cos sin cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos

Hướng của khâu thao tác có thể xác định bằng cách đối chiếu 3 phần tử không cùng hàng (cột) giữa hai ma trận quay:

1 2 cos sin cos( ) sin 0 sin cos 0 q q

1 2 sin 0 sin 0 cos( ) sin sin( ) cos 2 q q q q

Hệ (I) chính là hướng của khâu thao tác cuối được biểu diễn theo 3 góc Cardan

Vận tốc dài điểm cuối, gia dài tốc điểm cuối, vận tốc góc các khâu

Ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu cuối:

Vận tốc dài điểm tác động cuối:

Gia tốc dài điểm cuối:

Vận tốc góc khâu cuối:

Ma trận cosin chỉ hướng khâu 3:

Vector vận tốc góc khâu 3:

Vận tốc góc khâu 3 là :

Vận tốc góc khâu 1 là:

Vector vận tốc góc khâu 2:

Giải bài toán động học ngược

Bài toán động học ngược đóng vai trò quan trọng trong lập trình và điều khiển chuyển động của robot, đặc biệt khi cần điều khiển tay kẹp di chuyển đến các vị trí cụ thể trong không gian thao tác Đối với bài toán này, quy luật chuyển động của khâu thao tác đã biết, từ đó cần xác định tọa độ khớp Có nhiều phương pháp để giải bài toán động học ngược, trong đó phương pháp Giải tích là một trong những cách tiếp cận hiệu quả.

Với động học ngược vị trí cho robot 3 bậc tự do, ở trường hợp này là Robot lắp ráp Đầu vào cần xác định đó là  x E y E z E 

Từ phương trình động học (*), ta có :

 Bình phương 2 vế phương trình (1) và (2), ta có:

2 1 2 1 1 2 1 1 2 1 cos ( ) cos ( ) 2 cos( )cos( ) sin ( ) sin ( ) 2 sin( )sin( )

Cộng 2 vế 2 phương trình, ta được:

Biến 2 phương trình (1) và (2) trở thành hệ phương trình mới với 2 ẩn

2 2 1 2 2 1 1 cos( ) cos( ) sin( )sin( ) sin( )cos( ) cos( ) sin( )

Tính các định thức của hệ phương trình bậc nhất 2 ẩn:

Giải hệ phương trình bậc nhất 2 ẩn ta được:

1 2 2 2 1 cos( ) sin( ) sin( ) arctan arctan cos( ) cos( ) sin( )

=  =  =  =  Vậy kết quả của bài toán động học ngược là:

Động lực học Robot SCARA

Dựa vào yêu cầu của đề bài, em xin đưa ra sơ đồ động học cho robot sẽ thiết kế:

Để tính toán động lực học của robot SCARA, chúng ta cần thiết lập phương trình vi phân chuyển động, được xây dựng theo phương trình Lagrange loại II với dạng tổng quát.

Với: T - Động năng của Robot

21 qi - tọa độ suy rộng thứ i

Qi kt - Lực suy rộng của các lực không thế ứng với tọa độ suy rộng qi

Trong thiết kế robot, việc sử dụng ma trận của phương trình Lagrange loại II giúp tối ưu hóa quá trình tính toán và mô phỏng trên máy tính Phương trình vi phân mô tả chuyển động của robot được biểu diễn dưới dạng này.

M là ma trận khối lượng

G là ma trận trọng lượng

Q là vector lực suy rộng của các lực không thế

U =    T là lực dẫn động  i của động cơ đặt tại các khớp

Với khớp tịnh tiến thì τi là lực Fmi

Với khớp quay thì τi là ngẫu lực có momen Mmi

Với báo cáo này, em thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho robot dạng ma trận

Ma trận khối lượng suy rộng được tính theo công thức:

Tk k Tk Rk k Ck k Rk k

Tọa độ khối tâm O C1 trong hệ tọa độ 1:

2 l = a là khoảng cách từ khối tâm OC1 đến gốc O1

Bán kính định vị khối tâm O C1 :

Ma trận Jacobi tịnh tiến:

Ma trận momen quán tính khối:

Tọa độ khối tâm O C2 trong hệ tọa độ 2:

2 l = a là khoảng cách từ khối tâm OC2 đến gốc O2

Tọa độ khối tâm trong O C3 hệ tọa độ 3:

3 0 0 T u C = l với l 3 =q 3 +constlà khoảng cách từ khối tâm OC3 đến gốc O3

Vậy ma trận khối lượng M được xác định:

Sử dụng phần mềm Maple, ta thu được kết quả tính toán như sau:

Ma trận đặc trưng cho lực quán tính Coriolis và lực quán tính li tâm C q q ( , ) xác định bởi:

Các phần tử của ma trận này được tính theo công thức Christoffel:

Sử dụng phần mềm Maple, kết quả tính toán như sau:

Chọn gốc thế năng trùng với hệ tọa độ cơ sở

Lực suy rộng của các lực không thế Q

Trong đồ án này, Robot được xem như một mô hình lý tưởng, vì vậy lực ma sát và lực cản nhớt được bỏ qua Lực không thế chỉ bao gồm lực tác động lên khâu thao tác cuối Chúng ta sẽ xem xét trường hợp tổng quát với các lực và momen có giá trị.

F = F F F  M 3 = M x M y M z  T Lực suy rộng được được xác định theo công thức:

Trong đó: + Lực tác động lên khâu cuối là F E (0) = 0 0 −F z  T

U =    T là lực dẫn động  i của động cơ đặt tại các khớp

    là vector lực suy rộng cần xác định

Kết quả của bài toán động lực học:

Hay lực điều khiển tại các khớp:

Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp

Hình 2.3 Quy luật vận tốc hình thang

Tốc độ tối đa: 1max 450 / 5 ( / )

Thời gian gia tốc t 1i bằng thời gian giảm tốc t 1 f và tương đương 30% thời gian chu kỳ để chạy hết biên độ, tức t 1 i =t 1 f =0,3T 1

Gia tốc khi tăng tốc bằng gia tốc khi giảm tốc: 1 1max 1max

Giải phương trình ta được:

Tốc độ tối đa: 2 max 667

Gia tốc khi tăng tốc bằng gia tốc khi giảm tốc: 2 2 max 2 max

Tốc độ tối đa: v 3 max '80(mm s/ )=2,78(m s/ ).

Gia tốc khi tăng tốc bằng gia tốc khi giảm tốc: 3 3max 3max

Tính toán, thiết kế khâu 3

Truyền động vít me - đai ốc là cơ chế chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, rất phù hợp cho các ứng dụng trong robot Để đảm bảo độ chính xác cao trong hoạt động, bộ truyền động trục vít me - đai ốc bi được lựa chọn nhằm giảm thiểu sai lệch do khe hở giữa đai ốc và vít me.

Hình 2.4 Mô hình trục vít me - đai ốc bi

Tùy dạng chuyển động của trục vít và đai ốc mà có thể chia thành các loại:

➢ Trục vít vừa quay vừa tịnh tiến, đai ốc cố định

➢ Trục vít tịnh tiến, đai ốc quay

➢ Trục vít quay, đai ốc tịnh tiến

➢ Trục vít cố định, đai ốc vừa quay vừa tịnh tiến

Công thức liên hệ giữa vận tốc tịnh tiến của trục vít và tốc độ quay của đai ốc:

Trong đó: + v - tốc độ tịnh tiến của trục vít

+ n - tốc độ quay của đai ốc

Thiết kế trục vít me - đai ốc bi

Vít, bi: Thép 40CrMn ([ c ]x5(MPa))

Thép hợp kim kết cấu 40X là lựa chọn lý tưởng cho các bộ phận nặng như trục, bánh răng, pít tông và trục khuỷu Ngoài ra, thép crom 40X còn được ứng dụng trong các thành phần rèn, lạnh và dập nóng, cùng với việc sản xuất đường ống và bể chứa Đặc biệt, thép 18CrMnTi được sử dụng cho đai ốc, mang lại độ bền và khả năng chịu lực cao.

Hình 2.5 Sơ đồ truyền động trục vít me - đai ốc bi Thông số đầu vào:

Tải có khối lượng: 20 kg

Vận tốc lớn nhất của trục vít đạt 2,78 m/s, với đồ thị vận tốc có hình dạng thang Tốc độ ban đầu là 0, và gia tốc giữ hằng số trong cả hai giai đoạn khởi động và hãm, với thời gian tăng tốc và giảm tốc khoảng 30% thời gian của một vòng chu kỳ Theo phần 2.3.3, gia tốc của khâu 3 được tính toán là a 3 D,13 m/s².

Theo phương trình động lực học:

= + + = + + (m tai là khối lượng tải, m vit là khối lượng trục vít me bi, m tkep là khối lượng tay kẹp)

Lực dọc trục: max 3 max 3( 3 ) 24 (44,13 9,81) 1295( )

Tính toán sơ bộ đường kính ren trong của vít theo độ bền kéo:

Tính toán đường kính ren trong d 1 :

+ [𝜎 𝑘 ] là giới hạn bền kéo của thép 40CrMn, có giới hạn bền kéo [𝜎 𝑘 ] = [𝜎 𝑐ℎ ]/3

+ F a 95( )N là tải trọng dọc trục của vít me

  Chọn d1 = 23(mm) => đường kính danh nghĩa d0 = 25(mm) theo tiêu chuẩn SKF về vít me đai ốc bi loại Rotating nut

Tính toán thông số bộ truyền:

Hình 2.6 Các kích thước bộ truyền vít me bi Đường kính bi:

Khoảng cách từ tâm rãnh lăn đến tâm bi:

  với β = 45° là góc tiếp xúc Đường kính vòng tròn qua các tâm bi:

D tb =d + r − =c + − = mm Đường kính trong của đai ốc:

Chọn h 1 =1(mm) Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D:

D=D − h = −  = mm Góc nâng vít: arctan arctan 25 17

Số bi trong các vòng ren làm việc:

Với số vòng ren làm việc là K = 2,3 Chọn Zb = 62 (viên)

Số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc không nên vượt quá 2 – 2,5 vòng để tránh tăng sự phân bố không đều các tải trọng Công thức tính số bi trên các vòng ren làm việc là Z b = πD K d tb / b - 1, trong đó K là số vòng ren làm việc.

Nếu số bi lớn hơn 65 thì nên giảm bớt bằng cách tăng đường kính bi

(Trích giáo trình “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 – Trịnh Chất”)

 = d  = Góc ma sát lăn thay thế:

= =   Với hệ số ma sắt lăn ft = 0,005

Hiệu suất lý thuyết biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến: ta tan17

 p =  =  Từ những thông số trên, ta tiến hành chọn lựa trục vít me và đai ốc bi theo tiêu chuẩn của hãng SKF

Chọn trục vít me - đai ốc bi theo tiêu chuẩn SKF:

Hình 2.7 Trục vít me bi loại SLT/TLT Rotating nuts

Chọn trục vít me bi cán dài có đai ốc quay (SLT/TLT rotating nut) với đường kính danh nghĩa 25(mm)

Khối lượng của trục vít me bi:

_ _ _ vit truc vit dai oc t 4 dai oc m = m + m = D d L + m

Trong đó: + D t x50(kg m/ 3 ) - khối lượng riêng của trục vít

+ d 0 = 25(mm) - đường kính danh nghĩa

+ L@0(mm) - chiều dài trục vít

 =  + Coi m dai oc _ =m ruc vit _ / 3 0,5(kg)

 Kích thước hình học của trục vít me và đai ốc lựa chọn:

Tính kiểm nghiệm về độ bền

Tải trọng riêng dọc trục:

Với  0,8- hệ số phân bố không đều tải trọng cho các viên bi

Hình 2.8 Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất  max

Từ khe hở tương đối  =0,0017và tải trọng riêng dọc trục q a =2,9 Tra đồ thị ta xác định được  max 2200(MPa) với max max P00(MPa)

=> Thỏa mãn độ bền đối với mặt làm việc của vít và đai ốc đạt độ rắn HRC53 và của bi đạt HRC63

Tính chọn động cơ cho trục vít me - đai ốc bi

Theo nhiệm vụ thiết kế, khâu 3 của robot có thể đạt tới vận tốc lớn nhất

Trong trường hợp không tải, lực dọc trục lớn nhất, momen xoắn và công suất động cơ đều được thiết kế cho tình huống này Do đó, khối lượng của khâu 3 chỉ bao gồm khối lượng của trục vít me và tay kẹp Công thức tính toán cho trường hợp không tải là max ( )( 3 ) (2 2)(44,13 9,81) 215,76( ).

Momen xoắn truyền vào trục vít me / momen quay của đai ốc:

Trong đó : + F a !5,76( )N là lực dọc trục vít me

+ D tb &,02(mm) là đường kính vòng tròn qua các tâm bi

+  t =0,035 o là góc ma sát lăn thay thế

 = Tốc độ quay của đai ốc:

Trong đó: + v 3 max =2,78(m s/ ) là tốc độ lớn nhất của trục vít me

 =  Chọn tỷ số truyền của bộ truyền động là u = 1:2, tốc độ thực tế của động cơ:

2 2 dc n = n = = rpm Tính toán công suất của động cơ:

=  Trong đó: + T 3 =0,86(Nm) là momen xoắn của trục vít me

+ n 3 f72(rpm) là tốc độ quay của đai ốc

+  p =0,898 là hiệu suất thực của trục vít me

Từ các thông số trên, ta chọn động cơ truyền động cho trục vít me là động cơ AC Servo Motor BPTA007GCA6D1, công suất 750W, khối lượng 2,54kg

Hình 2.9 Động cơ servo BPTA007GCA6D1 Tính chọn cơ cấu truyền động khâu 3

Trong đồ án này, tôi sử dụng đai răng cho khâu 3 của cơ cấu truyền động Đai răng có ưu điểm nổi bật nhờ vào việc truyền lực bằng ăn khớp, giúp tránh trượt, đạt tỉ số truyền lớn (u ≤ 12, đôi khi u < 20) và mang lại hiệu suất cao Hơn nữa, đai răng không yêu cầu lực căng ban đầu lớn và giảm thiểu lực tác dụng lên trục cũng như ổ.

Xác định mođun và chiều rộng của đai

Mođun được xác định theo công thức:

Trong đó: + P 1 - công suất trên bánh đai chủ động, lấy P 1 =W dc 3 =0,75(kW)

+ n 1 - số vòng quay của bánh đai chủ động Chọn tỷ số truyền u = 1:2, tốc độ thực tế lấy bằng n 1 =n dc 3 336(rpm)

Hình 2.10 Các thông số của đi răng

Theo Bảng 4.27 (trang 68, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một – Trịnh

Chất, Lê Văn Uyển) Chọn mođun m=3(mm), bước đai p=9, 42(mm)

Hệ số chiều rộng đai được ký hiệu là d, có giá trị từ 6 đến 9 Khi chọn giá trị này, cần lấy giá trị nhỏ nếu mođun tiêu chuẩn lớn hơn m tính toán, và ngược lại, lấy giá trị lớn trong trường hợp mođun tiêu chuẩn nhỏ hơn m.

Tiêu chuẩn hóa ta chọn theo bảng sau

Hình 2.11 Chiều rộng đai răng b

Từ bảng trên, với mođun m=3(mm), ta chọn chiều rộng đai b(mm)

Xác định các thông số của bộ truyền

Số răng của bánh đai chủ động được xác định dựa trên Bảng 4.29 trong tài liệu "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập 1" của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển, nhằm đảm bảo tuổi thọ tối ưu cho đai.

Hình 2.12 Số răng của bánh đai nhỏ z 2

Do tỷ số truyền lựa chọn là 1:2 nên bánh đai chủ động là bánh lớn, bánh đai bị động là bánh nhỏ

Với mođun của đai m=3(mm) và tốc độ bánh đai chủ động n 1 =n dc 3 336(rpm), ta chọn số răng bánh nhỏ z 2

Số răng của bánh đai bị động:

2 1 n z u= n = z là tỷ số truyền của cơ cấu + n n 1 , 2 là tốc độ của bánh chủ động và bánh bị động

Số răng của bánh đai chủ động:

Hình 2.13 Sơ đồ tính toán khoảng cách trục Khoảng cách trục: min max a  a a

Với min 0,5 ( 1 2) 2 0,5 3 (36 18) 2 3 87( ) a = m z +z + m=   + +  = mm max 2 ( 1 2) 2 3 (36 18) 324( ) a = m z +z =   + = mm

Trị số z d cần được làm tròn đến giá trị gần nhất theo Bảng 4.30 trong tài liệu "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một" của tác giả Trịnh Chất và Lê Văn Uyển.

Hình 2.14 Chiều dài đai răng l d

9, 42 63 593,5( ) d d l = pz =  = mm Xác định lại khoảng cách trục:

 = Đường kính vòng chia của các bánh đai:

1 z1 3 36 108( ); 2 z2 3 18 54( ) d =m =  = mm d =m =  = mm Đường kính ngoài của bánh đai:

Với δ = 0,6(mm) là khoảng cách từ đáy răng đến đường trung bình lớp chịu tải

Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh chủ động:

Trong đó:  1 - góc ôm trên bánh chủ động

Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng:

60 60 v =d n =   −  = m s - tốc độ bánh chủ động

Với P 1 =0,67(kW) - công suất bánh chủ động

 =  + K d =1,1 - hệ số tải trọng động

+ q m =0,004(kg mm/ ) - trị số khối lượng 1 mét đai

+     q = q C C 0 z u với   q 0 (N mm/ ) - lực vòng riêng cho phép, C z =1, C u =0,9

Vậy đai đủ bền về lực vòng riêng

Lực căng đai ban đầu:

Lực tác dụng lên trục:

Lựa chọn cơ cấu căng đai

Sử dụng bộ căng đai tự động Rosta

Hình 2.15 Bộ căng đai Rosta

Những ưu điểm khi sử dụng bộ căng dây đai Rosta:

Hệ thống truyền momen xoắn ổn định giúp giảm thiểu tác động lên đai và xích truyền động, đảm bảo tần suất bảo trì và căn chỉnh ở mức thấp nhất Nó còn tự động điều chỉnh lực căng và có độ bền cơ cấu cao.

Với lực căng đai ban đầu F 0 ),6( )N chọn cơ cấu SE 11-G

Hình 2.16 Thông số bộ căng đai SE 11-G

Hình 2.17 Kích thước bộ căng đai SE 11-G

Mô phỏng cơ cấu căng đai bằng phần mềm 3D:

Hình 2.18 Mô phỏng cơ cấu căng đai trên Solidworks

Tính chọn ổ bi đỡ chặn khâu 3

Vít me được chọn là loại đai ốc xoay, do đó ổ bi đỡ chặn được lắp chặt với đai ốc của vít me Điều này có nghĩa là đường kính lỗ của ổ lăn được xác định bởi công thức d = D 1 @(mm).

Hình 2.19 Sơ đồ lực tính toán ổ bi đỡ chặn

Hệ số khả năng làm việc tính theo công thức: m

Trong đó: + Q=( XVF r +YF K K a ) t đ ,( kN ) - tải trọng động quy ước

Phản lực tại các ổ đỡ: F r 7,97( )N =0,148(kN)

V - hệ số kể đến vòng nào quay, ở đây ta chọn vòng trong quay V =1

K t - hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ, K t =1

K d - hệ số kể đến đặc tính tải trọng, chọn K d =1,5

X, Y - hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục Với ổ bi đỡ chặn một dãy có góc tiếp xúc α = 12 o (đối với kiểu 36000) có X =0,45;Y =1,81

 =   +    + L`nL h / 10 6 - tuổi thọ của ổ tính bằng triệu vòng quay

L h = h - tuổi thọ của ổ tính bằng giờ

 =L (triệu) vòng quay + m=3 - bậc của đường cong mỏi đối với ổ bi

Suy ra hệ số khả năng làm việc của ổ là:

Từ các thông số trên ta chọn vòng bi kí hiệu 36208 như hình dưới

Hình 2.20 Lựa chọn ổ bi đỡ - chặn

Chọn theo hãng SKF là vòng bi số hiệu 7208 BECBJ

Hình 2.21 Kích thước hình học của ổ bi SKF-7208 BECBJ

Vị trí đặt ổ bi theo tham khảo của hãng SKF

Hình 2.22 Vị trí lắp đặt ổ bi trong khâu 3

Hình 2.23 Lực tác dụng lên tay kẹp Để tay kẹp giữ được vật thì: s m t qt

Với F k là lực giữ của tay kẹp, =0,8 là hệ số ma sát giữa tay kẹp và vật + P t =mg 9,8 196( ) = N là tải trọng tối đa của vật

Hình 2.24 Tay kẹp robot CHS2-S68

Cơ cấu chuyển động Chuyển động bằng vít me Độ chính xác lặp lại vị trí ±0.01(mm)

Hành trình đóng mở 68 (mm)

Tốc độ đóng mở 10~50(mm/s)

Coi khối lượng má tay kẹp bằng 10% khối lượng tay kẹp nên tổng khối lượng của cả cơ cấu kẹp là: m tkep =1,73 10% 1,73+  2(kg).

Tính toán thiết kế khâu 2

Tính toán sức bền sơ bộ

Vật liệu lựa chọn: Thép CT45 Đặc điểm: + Khối lượng riêng  x50(kg m/ 3 )

Chọn mặt cắt ngang khâu 2 có dạng hình chữ nhật

Hình 2.25 Mặt cắt ngang khâu 2

Phần đặc có kích thước BH , diện tích S 1 , momen quán tính J x 1 , trọng tâm C 1 với

Phần rỗng có kích thước bh, diện tích S 2 , momen quán tính J x 2 , trọng tâm C 2 với

Hệ trục Cxy chính là hệ trục quán tính chính trung tâm

Momen quán tính mặt cắt ngang hình chữ nhật J : x

J =bhCông thức chuyển trục song song của momen quán tính trong hệ trục quán tính chính trung tâm:

 Momen quán tính của mặt cắt ngang khâu 2:

Tổng tải trọng của khâu 3 tác dụng lên khâu 2 = Khối lượng tải + Khối lượng vít me + Khối lượng động cơ + Khối lượng tay kẹp:

Hình 2.26 Sơ đồ tải trọng khâu 2

Hình 2.27 Biểu đồ momen khâu 2 Áp dụng phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin, ta tính được độ võng tại M:

 =  +  Trong đó: + L 2 P0(mm) - tầm với khâu 2

+ P 3 = g Q 3 =9,8 26,54 &0( )N - trọng lượng khâu 3 đặt lên khâu 2 + P 2 = m khau 2 g - trọng lượng khâu 2

Với m khau 2 =  L HB 2 ( − hb ) = 11,8( kg ) P 2 ,8 9,8 116( ) = N

  = => thỏa mãn điều kiện độ chính xác lặp trục z

Kiểm tra điều kiện ứng suất:

Mặt cắt ngang nguy hiểm nhất tại ngàm

57 Ứng suất uốn lớn nhất:

Với y=CM e(mm) 2 max =3, 4(MPa) y= −CN 5(mm) 2 max = −1,8(MPa) Ứng suất uốn cho phép:

 =  = Với n = 3 là hệ số an toàn

  => thỏa mãn điều kiện bền

Tính chọn hộp giảm tốc cyclon cho khâu 2

Trong đó: +  ,64(rad s/ ) - tốc độ tối đa của khâu

+ r=0,25( )m - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay

Trong đó: +  a,6(rad s/ 2 ) - gia tốc cực đại khâu 2

 =  Khối lượng đặt lên khâu:

2 khau 2 khau 3 dc 3 tkep tai 38( ) m =m +m +m +m +m = kg Lực quán tính ly tâm lớn nhất:

Momen xoắn lớn nhất: max 2 t 38 15, 4 0, 25 146( )

T =m a r  =   = Nm Xác định đường kính trục cơ cấu cyclon sơ bộ: max   3

Hộp giảm tốc Cyclon có vai trò thay thế cho trục nối giữa hai khâu, do đó, momen uốn mà cơ cấu này chịu đựng cần phải đảm bảo khả năng chịu uốn tương đương như khi sử dụng trục.

Sơ đồ tác dụng lực:

Hình 2.28 Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 2

Momen uốn lớn nhất: max 38 9,8 0, 25 1284 0,15 285( ) x lt

Chọn bộ giảm tốc kiểu AF gồm động cơ nối liền bộ giảm tốc RV

Chọn bộ giảm tốc RV-25N (tương đương với AF017N) với khả năng chịu momen xoắn 1225Nm, tỉ số truyền 41, động cơ Panasonic Servo Minas A6, công suất 50W-

Tính chọn động cơ cho khâu 2

Tương tự khâu 3, động cơ dẫn động khâu 2 cũng được thiết kế khi robot chạy không tải với tốc độ tối đa

+ q 2 = 2 max a,6(rad s/ 2 ) tại thời điểm t =0,189( )s => q 2 = 2 max  =t 2 2, 2(rad) + Momen quán tính: I zz 2 =m khau 2 l 2 2 / 12;I zz 3 =m vit r 3 2 / 2

+ Khối lượng đặt trên khâu 3: m 3 =m vit +m tkep = + =2 2 4(kg)

+ Khối lượng đặt trên khâu 2: m 2 =m khau 2 +m dc 3 ,8+2,54 14,34(= kg)

Momen xoắn cực đại đặt tại khớp của khâu 2:

 Coi hiệu suất truyền động của bộ giảm tốc cyclon là =0,9

Tính toán công suất của động cơ:

= =   Động cơ lựa chọn: Động cơ Panasonic Servo Minas A6 công suất 1500W, kích thước mặt bích 80x80, tốc độ lớn nhất 3000 vòng/phút đã được gắn kèm với bộ giảm tốc

Khối lượng động cơ và bộ giảm tốc là 6 kg

Tính toán thiết kế khâu 1

Tính toán sức bền sơ bộ

Vật liệu lựa chọn: Thép CT45 Đặc điểm: + Khối lượng riêng  x50(kg m/ 3 )

Chọn mặt cắt ngang khâu 1 có dạng hình chữ nhật

Hình 2.29 Mặt cắt ngang khâu 1

Tính toán tương tự khâu 2, ta thu được các kết quả

Momen quán tính của mặt cắt ngang khâu 1:

Tổng tải trọng tác dụng lên khâu 1 = Khối lượng khâu 2 + Khối lượng động cơ khâu 2 + Khối lượng toàn khâu 3:

Hình 2.30 Sơ đồ tải trọng khâu 1 Độ võng tại M:

Trong đó: + L 1 50(mm) - tầm với khâu 1

+ P 2 * = g Q 2 * C4( )N - trọng lượng khâu 2, 3 đặt lên khâu 1

Với m khau 1=L HB 1 ( −hb )=8, 2(kg)  =P 1 8, 2 9,8 ( )N

  = => thỏa mãn điều kiện độ chính xác lặp trục z

Kiểm tra điều kiện ứng suất:

Mặt cắt ngang nguy hiểm nhất tại ngàm

M =P  + L P L = Nm Ứng suất uốn lớn nhất:

Với y=CM e(mm) 1max =3,5(MPa) y= −CN 5(mm) 1max = −1,9(MPa) Ứng suất uốn cho phép:

 =  = Với n = 3 là hệ số an toàn

  => thỏa mãn điều kiện bền

Tính chọn hộp giảm tốc cyclon cho khâu 1

Trong đó: +  =7,85(rad s/ ) - tốc độ tối đa của khâu

Trong đó: +  %(rad s/ 2 ) - gia tốc cực đại khâu 2

 =  Khối lượng đặt lên khâu:

1 khau 1 khau 2 khau 3 dc 2 dc 3 tkep tai 52( ) m =m +m +m +m +m +m +m = kg

Lực quán tính ly tâm lớn nhất:

F =m a =  = N Momen xoắn lớn nhất: max 1 t 52 4,375 0,175 40( )

T =m a r  =   = Nm Xác định đường kính trục cơ cấu cyclon sơ bộ: max   3

Hộp giảm tốc Cyclon có khả năng thay thế cho trục nối giữa hai khâu, đảm bảo momen uốn mà cơ cấu có thể chịu được tương đương với khi sử dụng trục.

Sơ đồ tác dụng lực:

Hình 2.31 Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 1

Momen uốn lớn nhất: max 52 9,8 0,175 560 0,15 173( ) x lt

Chọn bộ giảm tốc kiểu AF gồm động cơ nối liền bộ giảm tốc RV

Chọn bộ giảm tốc RV-25N (tương đương với AF017N) với khả năng chịu momen xoắn 1225Nm, tỉ số truyền 41, động cơ Panasonic Servo Minas A6, công suất 50W-

Tính chọn động cơ cho khâu 1

Tương tự khâu 3, động cơ dẫn động khâu 2 cũng được thiết kế khi robot chạy không tải với tốc độ tối đa

+ q 2 = 2 max a,6(rad s/ 2 ) tại thời điểm t =0,189( )s => q 2 = 2 max  =t 2 2, 2(rad)

+ Momen quán tính: I z z1 =m khau 1 l 1 2 / 12;I zz 2 =m khau 2 l 2 2 / 12;I zz 3 =m vit r 3 2 / 2

+ Khối lượng đặt trên khâu 3: m 3 =m vit +m tkep = + =2 2 4(kg)

+ Khối lượng đặt trên khâu 2: m 2 =m khau 2 +m dc 3 ,8+2,54 14,34(= kg)

+ Khối lượng đặt trên khâu 1: m 1 =m khau 1 +m dc 2 =8, 2+ =6 14, 2(kg)

Momen xoắn cực đại đặt tại khớp của khâu 1:

 Coi hiệu suất truyền động của bộ giảm tốc cyclon là =0,9

Tính toán công suất của động cơ:

Động cơ Panasonic Servo Minas A6 có công suất lớn hơn 1800W, kích thước mặt bích 80x80 và tốc độ tối đa lên đến 3000 vòng/phút, được trang bị bộ giảm tốc đi kèm.

Khối lượng động cơ và bộ giảm tốc là 6 kg.

Tính toán thiết kế khâu đế cố định

Chọn vật liệu thép C45 Độ bền uốn cho phép:     360 120 ( / 2 )

 =  = Thiết kế khâu có dạng trụ rỗng, đường kính trong d, đường kính ngoài D

Với M z max 6(Nm) - momen uốn lớn nhất trên khâu 1

Chọn các kích thước như sau:

Hình 2.32 Mặt cắt khâu cố định

Kiểm tra điều kiện bền uốn: max max

[ uon ] [ ] 120(  = MPa) => Thỏa mãn điều kiện bền uốn

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	2,95 MB