Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - Robot SCARA 3 bậc tự do [PDF]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ *************** ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ – ROBOT ĐỀ
34 0 3MB
![Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - Robot SCARA 3 bậc tự do [PDF]](https://vdoc.tips/img/200x200/do-an-thiet-ke-he-thong-co-khi-robot-scara-3-bac-tu-do.jpg)
- Author / Uploaded
- TRAN LAM TRUONG
Datei wird geladen, bitte warten...
Zitiervorschau
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ***************
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ – ROBOT ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ ROBOT SCARA 3 BẬC TỰ DO Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Trọng Doanh Sinh viên thực hiện : Trần Lam Trường MSSV: 20170955 Lớp: CK.CĐT.04 - K62
Hà Nội, tháng 1 năm 2021 1
LỜI NÓI ĐẦU 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. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trọng Doanh đã giúp em hoàn thành đề tài này. Hà Nội, tháng 1 năm 2021 Trường Trần Lam Trường 2
MỤC LỤC CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA........................................... 6 1. Giới thiệu về Robot SCARA ........................................................................................ 6 2. Một số loại Robot SCARA ........................................................................................... 7 CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT ..................... 8 1.1. Nhiệm vụ thiết kế....................................................................................................... 8 1.2. Các thành phần kết cấu của Robot............................................................................. 8 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ .............................. 10 2.1. Động học Robot SCARA ........................................................................................ 10 2.2. Động lực học Robot SCARA .................................................................................. 20 2.3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp ........................................... 26 2.4. Tính toán, thiết kế khâu 3 ........................................................................................ 28 2.5. Tính toán thiết kế khâu 2 ......................................................................................... 53 2.6. Tính toán thiết kế khâu 1 ......................................................................................... 62 2.7. Tính toán thiết kế khâu đế cố định .......................................................................... 69 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN .............................................................................................. 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 72
3
4
5
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA 1. 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 trình bày một khái niệm hoàn toàn mới về robot lắp ráp. Robot được phát triển dưới sự hướng dẫn của Hiroshi Makino , giáo sư tại Đại học Yamanashi . Robot được gọi là Cánh tay robot lắp ráp tuân thủ có chọn lọc, SCARA. Cánh tay đòn của nó cứng theo trục Z và dễ uốn 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', do đó có thuật ngữ: Tuân thủ có chọn lọc. Điều này thuận lợi cho nhiều kiểu thao tác lắp ráp, tức là lắp chốt tròn vào lỗ tròn mà không cần ràng buộc. Thuộc tính thứ hai của SCARA là bố cục cánh tay liên kết hai khớp nối tương tự như cánh tay của con người, do đó thuật ngữ thường được sử dụng, Articulated. Tính năng này cho phép cánh tay mở rộng vào các khu vực hạn chế và sau đó thu lại hoặc "gấp" lại. Điều này thuận lợi cho việc chuyển các bộ phận từ ô này sang ô khác hoặc cho các trạm xử lý xếp / dỡ được bao bọc. SCARA thường nhanh hơn các hệ thống robot Descartes tương đương . Giá treo bệ đơn của họ yêu cầu một dấu chân nhỏ và cung cấp một hình thức lắp dễ dàng, không bị cản trở. Mặt khác, SCARA có thể đắt hơn các hệ thống Descartes tương đương và phần mềm điều khiển yêu cầu chuyển động học nghịch đảo cho các chuyển động nội suy tuyến tính . Tuy nhiên, phần mềm này thường đi kèm với SCARA và thường minh bạch đối với người dùng cuối.
6
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
2. Một số loại Robot SCARA
Robot SCARA Denso HM-G
Robot SCARA Fanuc SR-6iA
Robot SCARA Kuka
Robot SCARA Epson
Hình 0.1. Các robot SCARA điển hình
7
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 1.1. Nhiệm vụ thiết kế Tải
Tầm
Hành
Độ chính xác
trọng
với
trình
lặp
(kg)
(mm)
trục
(x, y)
z
z
(mm)
(mm)
Vận tốc lớn nhất
Chu
Chú ý
kỳ Khâu Khâu
(mm)
Khâu
Tốc độ
thời
1
2
3
tổng
gian
(°/s)
(°/s)
(mm/s)
hợp
(s)
(mm/s) 20
850
400
±0,02 ±0,01
450
667
2780
11480
0,31 DENSO HMGSeries
1.2. Các thành phần kết cấu của Robot Các khâu chính 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 1: Khâu dẫn động nằm ngang vuông góc với trục thẳng đứng trong suốt quá trình làm việc của robot, có khả năng quay xung quanh trục z01 qua khớp quay 1 ➢ 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).
8
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Hệ dẫn động 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 ➢ Động cơ truyền động
9
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.1. 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
10
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Bảng D-H và các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Bảng D-H: Khâu
θ
d
a
α
1
θ1
d1
a1
0
2
θ2
d2
a2
0
3
0
d3
0
0
Trong đó : θ1, θ2, d3 là các biến khớp. Đặt θ1 = q1 , θ2 = q2 , d3 = q3 . Biến khớp: q = q1 q2
q3
T
q1 [−165 ; 165 ] q2 [−147 ; 147 ] q3 0; 400mm
Miền giá trị biến khớp: Bảng D-H trở thành: Khâu
θ
d
a
α
1
q1
d1
a1
0
2
q2
d2
a2
0
3
0
q3
0
0
Các ma trận biến đổi thuần nhất:
cos(q1 ) − sin(q1 ) sin(q ) cos(q ) 1 1 0 T1 = 0 0 0 0
0 a1 cos(q1 ) 0 a1 sin(q1 ) 1 d1 0 1
11
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
cos(q2 ) − sin(q2 ) sin(q ) cos(q ) 2 2 1 T2 = 0 0 0 0
1 0 2 T3 = 0 0
0 1 0 0
cos(q1 + q2 ) − sin(q1 + q2 ) sin(q + q ) cos(q + q ) 1 2 1 2 0 T2 = 0 0 0 0
0 a2 cos(q2 ) 0 a2 sin( q2 ) 1 d2 0 1
0 0 0 0 1 q3 0 1 0 a2 cos(q1 + q2 ) + a1 cos(q1 ) 0 a2 sin(q1 + q2 ) + a1 sin(q1 ) 1 d 2 + d1 0 1
cos(q1 + q2 ) − sin(q1 + q2 ) sin(q + q ) cos(q + q ) 1 2 1 2 0 0 1 2 T3 = T1 .T2 .T3 = 0 0 0 0
0 a2 cos(q1 + q2 ) + a1 cos(q1 ) 0 a2 sin(q1 + q2 ) + a1 sin(q1 ) 1 q3 + d 2 + d1 0 1
Thiết lập phương trình động học robot Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác Lấy gốc tọa độ thiết lập trên khâu thao tác O3 trùng với E. Sử dụng góc Cardan xác định hướng vật rắn, gọi p là vectơ tọa độ định vị khâu thao tác. p = [xE, yE, zE, α, β, η]T Trong đó: + 3 thành phần đầu biểu diễn vị trí điểm tác động cuối:
rE(0) = [xE , y E , z E ]T +3 thành phần cuối biểu diễn hướng của khâu thao tác:
c11 ( , , ) c12 ( , , ) c13 ( , , ) RE0 ( , , ) = c21 ( , , ) c22 ( , , ) c23 ( , , ) c31 ( , , ) c32 ( , , ) c33 ( , , ) 12
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
cos cos = sin sin cos + cos sin − cos sin cos + sin sin
− cos sin sin − sin sin sin + cos cos − sin cos 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: RE0 ( , , ) T ( p) = 0T 0 E
c11 ( , , ) c12 ( , , ) c13 ( , , ) x E rE(0) ( xE , yE , zE ) c21 ( , , ) c22 ( , , ) c23 ( , , ) y E = 1 c31 ( , , ) c32 ( , , ) c33 ( , , ) z E 0 0 0 1
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. Ta có:
cos(q1 + q2 ) − sin(q1 + q2 ) sin(q + q ) cos(q + q ) 1 2 1 2 0 T3 = 0 0 0 0
0 a2 cos(q1 + q2 ) + a1 cos(q1 ) 0 a2 sin(q1 + q2 ) + a1 sin(q1 ) . 1 q3 + d 2 + d1 0 1
Ma trận được đưa về dạng như sau:
An0 ( q ) rn(0) ( q ) T (q) = T 1 0 0 n
Trong đó
q = q1 q2
q3
T
a11 (q ) a12 (q) a13 (q) An0 = a21 (q ) a22 (q ) a23 (q ) a31 (q ) a32 (q ) a33 (q) rn(0) = x(q), y (q), z (q)
T
13
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Phương trình động học robot nhận được trong dạng ma trận như sau: Tn0 (q) = TE0 ( p)
An0 ( q ) rn(0) ( q ) RE0 ( , , ) rE(0) ( xE , yE , zE ) T = 0 1 0T 1 Từ đó phương trình động học trong dạng ma trận có dạng khai triển như sau:
a11 (q) a12 (q) a13 (q) a (q) a (q) a (q) 22 23 21 a31 (q) a32 (q) a33 (q) 0 0 0
x(q) c11 ( , , ) c12 ( , , ) c13 ( , , ) x E y (q) c21 ( , , ) c22 ( , , ) c23 ( , , ) y E = z (q) c31 ( , , ) c32 ( , , ) c33 ( , , ) z E 1 0 0 0 1 (*)
Giải bài toán động học thuận Đối với bài toán động học thuận, vị trí, vận tốc, gia tốc các biến khớp xem như đã biết, cần tìm vị trí, vận tốc, gia tốc của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định. Vị trí của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định O0 x0 y0 z0 được xác định bởi các tọa độ thao tác gồm các tọa độ định vị điểm tác động cuối 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(q1 ) = s1 ,cos(q1 ) = c1 ,sin(q1 + q2 ) = s12 ,cos(q1 + q2 ) = c12 ... Xác định các tọa độ định vị điểm tác động cuối: Các tọa độ định vị điểm tác động cuối được xác định bằng cách so sánh các phần tử ở hai vế của hệ phương trình động học dạng ma trận (*), ta được: xE = x ( q ) yE = y (q ) z = z (q) E
xE = a2 cos(q1 + q2 ) + a1 cos(q1 ) => yE = a2 sin(q1 + q2 ) + a1 sin(q1 ) z = q + d + d 3 2 1 E
14
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Hay vị trí điểm cuối tay kẹp: 0,5cos(q1 + q2 ) + 0,35cos(q1 ) rE = 0,5sin(q1 + q2 ) + 0,35sin( q1 ) q3 + 0,45
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: cos cos sin sin cos + cos sin − cos sin cos + sin sin
− cos sin sin c12 − s12 0 − sin sin sin + cos cos − sin cos = s12 c12 0 cos sin sin + sin cos cos cos 0 0 1
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:
cos sin = cos(q1 + q2 ) = sin = 0 − sin cos = 0
c11 ( , , ) = a11 (q) = c13 ( , , ) = a13 (q) c ( , , ) = a (q) 23 23
sin = 0 = sin = 0 sin = cos(q1 + q2 ) = sin(q + q − ) 1 2 cos 2
= 0 = = 0 (I) = q1 + q2 − 2
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 Vận tốc điểm cuối: Ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu cuối: J TE
−a2 s12 − a1 s1 −a2 s12 = a2 c12 + a1 c1 a2 c12 0 0
0 0 1 15
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Vận tốc dài điểm tác động cuối: [ − a2 s12 − a1 s1 ]q1 − a2 s12 q2 = J TE (q).q = [a2 c12 + a1 c1 ]q1 + a2 c12 q2 q3
v3(0)
Gia tốc dài điểm cuối: a3(0)
[ − a2 s12 − a1 s1 ]q1 − a2 s12 q2 d (v3(0) ) = = [a2 c12 + a1 c1 ]q1 + a2 c12 q2 dt q3
Vận tốc góc khâu cuối: Ma trận cosin chỉ hướng khâu 3: c12 A30 = s12 0
− s12 c12 0
0 0 1
Vector vận tốc góc khâu 3:
(0) 3
0 = A . A = q1 + q2 0 0 3
0T 3
−q1 − q2 0 0
0 0 0
Vận tốc góc khâu 3 là :
3(0) = 0 0 q1 + q2
T
Vận tốc góc khâu 1: Ma trận cosin chỉ hướng khâu 1:
c1 − s1 0 A = s1 c1 0 0 0 1 0 1
16
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Vector vận tốc khâu 1:
1(0)
0 −q1 0 = A10 . A10T = q1 0 0 0 0 0
Vận tốc góc khâu 1 là:
1(0) = 0 0 q1
T
Vận tốc góc khâu 2: Ma trận cosin chỉ hướng khâu 2:
c12 A = s12 0 0 2
− s12 c12 0
0 0 1
Vector vận tốc góc khâu 2:
(0) 2
0 = A . A = q1 + q2 0 0 2
0T 2
−q1 − q2 0 0
0 0 0
Vận tốc góc khâu 2:
2(0) = 0 0 q1 + q2
T
Giải bài toán động học ngược Bài toán động học ngược có ý nghĩa rất quan trọng trong lập trình và điều khiển chuyển động của robot. Bởi vì trong thực tế thường cần điều khiển robot sao cho tay kẹp (khâu thao tác) di chuyển tới các vị trí nhất định trong không gian thao tác theo một quy luật nào đó. Đối với bài toán động học ngược, quy luật chuyển động của khâu thao tác (các tọa độ định vị) đã biết, cần xác định các tọa độ khớp (biến khớp). Bài toán động học ngược có thể giải bằng nhiều phương pháp khác nhau. Ở đây, em xin trình bày phương pháp Giải tích.
17
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
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 xE
yE
zE .
Phương pháp Giải tích : Từ phương trình động học (*), ta có :
xE = a2 cos(q1 + q2 ) + a1 cos(q1 ) yE = a2 sin(q1 + q2 ) + a1 sin(q1 ) z = q + d + d 3 2 1 E
(1) (2) (3)
Bình phương 2 vế phương trình (1) và (2), ta có:
xE 2 = a2 2 cos 2 (q1 + q2 ) + a12 cos 2 (q1 ) + 2a2a1 cos(q1 + q2 )cos(q1 ) yE 2 = a2 2 sin 2 (q1 + q2 ) + a12 sin 2 (q1 ) + 2a2a1 sin(q1 + q2 )sin(q1 ) Cộng 2 vế 2 phương trình, ta được: xE 2 + yE 2 = a2 2 + a12 + 2a2 a1 cos(q1 + q2 )cos(q1 ) + sin(q1 + q2 )sin(q1 )
xE 2 + yE 2 = a2 2 + a12 + 2a2 a1 cos(q2 )
xE 2 + yE 2 − a2 2 − a12 q2 = arccos 2a2 a1
Biến 2 phương trình (1) và (2) trở thành hệ phương trình mới với 2 ẩn cos(q1 ),sin(q1 ) : xE = a2 cos(q1 + q2 ) + a1 cos(q1 ) yE = a2 sin(q1 + q2 ) + a1 sin(q1 )
a2 cos(q2 ) + a1 cos(q1 ) − a2 sin(q2 )sin(q1 ) = xE = a2 sin(q2 )cos(q1 ) + a2 cos(q2 ) + a1 sin(q1 ) = yE Tính các định thức của hệ phương trình bậc nhất 2 ẩn:
=
a2 cos(q2 ) + a1 −a2 sin(q2 ) = a2 2 + a12 + 2a2 a1 cos(q2 ) = xE 2 + yE 2 a2 sin(q2 ) a2 cos(q2 ) + a1
18
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
x = y =
xE yE
−a2 sin(q2 ) = a2 xE cos(q2 ) + yE sin(q2 ) + a1 xE a2 cos(q2 ) + a1
a2 cos(q2 ) + a1 a2 sin(q2 )
xE = a2 yE cos(q2 ) − xE sin(q2 ) + a1 yE yE
Giải hệ phương trình bậc nhất 2 ẩn ta được: cos(q1 ) = sin(q1 ) =
x a2 xE cos(q2 ) + yE sin(q2 ) + a1 xE = xE 2 + y E 2 y
=
a2 yE cos(q2 ) − xE sin(q2 ) + a1 yE xE 2 + y E 2
a2 yE cos(q2 ) − xE sin(q2 ) + a1 yE sin(q1 ) q1 = arctan = arctan cos(q1 ) a2 xE cos(q2 ) + yE sin(q2 ) + a1 xE
KẾT LUẬN:
a1 = 350(mm) = 0,35(m) a = 500(mm) = 0,5(m) Với 2 d1 = 340(mm) = 0,34(m) d 2 = 110(mm) = 0,11(m) Vậy kết quả của bài toán động học ngược là: 0,5 yE cos(q2 ) − xE sin(q2 ) + 0,35 yE q1 = arctan 0,5 xE cos(q2 ) + yE sin(q2 ) + 0,35 xE xE 2 + yE 2 − 0,3725 q2 = arccos (rad ) 0,35 q = z − 0,45(m) E 3
(rad )
19
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
2.2. 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:
Hình 2.2. Hệ tọa độ khối tâm robot SCARA Để tính toán động lực học Robot, ta sẽ thiết lập phương trình vi phân chuyển động của Robot. Phương trình vi phân chuyển động của Robot được xây dựng theo phương trình Lagrange loại II có dạng tổng quát như sau: T
T
T
d T T kt − = − + Qi dt qi qi qi
Với: T - Động năng của Robot - Thế năng của Robot
20
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
qi - tọa độ suy rộng thứ i Qikt - Lực suy rộng của các lực không thế ứng với tọa độ suy rộng qi Trong tính toán thiết kế robot người ta thường sử dụng dạng ma trận của phương trình Lagrange loại II để thuận lợi trong sử dụng các công cụ toán học và tiến hành mô phỏng trên máy tính. Phương trình vi phân chuyển động của Robot có dạng:
M (q)q + C (q, q)q + G(q) = Q Trong đó: M là ma trận khối lượng C là ma trận Coriolis G là ma trận trọng lượng Q là vector lực suy rộng của các lực không thế Q = U + J ET FE(0) với U = 1 2 3 là lực dẫn động i của động cơ đặt tại các T
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 M Ma trận khối lượng suy rộng được tính theo công thức: T ( k ) 0T M (q) = ( J TkT mk J Tk + J Rk Ak0 I Ck Ak J Rk ) = M T (q ) n
k =1
Xét khâu 1: Tọa độ khối tâm OC1 trong hệ tọa độ 1:
uC(1)1 = −l1 0 0 , l1 = T
a1 là khoảng cách từ khối tâm OC1 đến gốc O1 2 21
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Bán kính định vị khối tâm OC1:
rC(0) = (a1 − l1 )c1 (a1 − l1 )s1 d1 1
T
Ma trận Jacobi tịnh tiến:
−(a1 − l1 )s1 0 0 JT 1 = = (a1 − l1 )c1 0 0 q 0 0 0 rC(0) 1
Ma trận Jacobi quay:
0 0 0 1(0) J R1 = = 0 0 0 q 1 0 0 Ma trận momen quán tính khối: I
(1) C1
I xx1 = 0 0
0 I yy1 0
0 0 I zz1
Xét khâu 2: Tọa độ khối tâm OC2 trong hệ tọa độ 2:
uC(1)2 = −l2
0 0 , l2 = T
a2 là khoảng cách từ khối tâm OC2 đến gốc O2 2
Bán kính định vị khối tâm OC2:
rC(0) = (a2 − l2 )c12 + a1 c1 (a2 − l2 )s12 + a1 s1 d 2 + d1 2
T
Ma trận Jacobi tịnh tiến:
JT 2
−(a2 − l2 )s12 − a1 s1 −(a2 − l2 )s12 = = (a2 − l2 )c12 + a1 c1 (a2 − l2 )c12 q 0 0 rC(0) 2
0 0 0
22
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Ma trận Jacobi quay:
J R2
0 0 0 2(0) = = 0 0 0 q 1 1 0
Ma trận momen quán tính khối: I C(2)2
I xx2 = 0 0
0 I yy 2 0
0 0 I zz2
Xét khâu 3: Tọa độ khối tâm trong OC3 hệ tọa độ 3:
uC(1)3 = l3 0 0 với l3 = q3 + const là khoảng cách từ khối tâm OC3 đến gốc O3 T
Bán kính định vị khối tâm OC3:
rC(0) = a2 c12 + a1 c1 a2 s12 + a1 s1 q3 + const + d 2 + d1 3
T
Ma trận Jacobi tịnh tiến:
−a2 s12 − a1 s1 −a2 s12 0 JT 3 = = a2 c12 + a1 c1 a2 c12 0 q 0 0 1 rC(0) 3
Ma trận Jacobi quay:
0 0 0 3(0) J R3 = = 0 0 0 q 1 1 0 Ma trận momen quán tính khối: I
(3) C3
I xx3 = 0 0
0 I yy 3 0
0 0 I zz3
23
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Vậy ma trận khối lượng M được xác định:
m11 (q) m12 (q) m13 (q ) T M (q) = ( J TkT mk J Tk + J Rk Ak0 I C( kk ) Ak0T J Rk ) = m21 (q ) m22 (q ) m23 (q ) k =1 m31 (q) m32 (q ) m33 (q ) 3
Sử dụng phần mềm Maple, ta thu được kết quả tính toán như sau:
2 a2 2 a12 m11 (q) = I zz1 + I zz2 + I zz3 + m1 + a1 + + a1a2 cos(q2 ) m2 + a12 + a2 2 + 2a1a2 cos(q2 ) m3 4 4 1 a2 2 m12 (q) = m21 (q) = I zz 2 + I zz 3 + a1a2 cos(q2 ) + m2 + a2 2 + a1a2 cos(q2 ) m3 4 2
a2 2 m22 (q) = I zz 2 + I zz 3 + m2 + a2 2m3 4 m33 (q ) = m3 m13 (q ) = m31 (q ) = m23 (q ) = m32 (q ) = 0
Ma trận Coriolis C Ma trận đặc trưng cho lực quán tính Coriolis và lực quán tính li tâm C ( q , q ) xác định bởi:
c11 (q, q ) c12 (q, q ) c13 (q, q ) C (q, q ) = c21 (q, q ) c22 (q, q ) c23 (q, q ) c31 (q, q ) c32 (q, q ) c33 (q, q ) Các phần tử của ma trận này được tính theo công thức Christoffel:
1 3 mij mik m jk cij (q, q) = ( + − )qk 2 k =1 qk q j qi Sử dụng phần mềm Maple, kết quả tính toán như sau:
m c11 (q, q) = − 2 + m3 a1a2 sin(q2 )q2 2
24
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
m m c12 (q, q) = − 2 + m3 a1a2 sin(q2 )q1 − 2 + m3 a1a2 sin(q2 )q2 2 2 m c21 (q, q) = 2 + m3 a1a2 sin(q2 )q1 2 c13 (q, q ) = c22 (q, q) = c23 ( q, q) = c31 ( q, q) = c32 ( q, q) = c33 ( q, q) = 0
Ma trận trọng lượng G Chọn gốc thế năng trùng với hệ tọa độ cơ sở. Vector trọng lực: g (0) = 0 0 − g
T
Ma trận trọng lượng: 3
G (q) = − mi J TiT (q) g (0) = 0 0 −m3 g
T
i =1
Lực suy rộng của các lực không thế Q Trong nội dung đồ án, Robot được coi là mô hình lý tưởng, do đó bỏ qua lực ma sát, lực cản nhớt. Lực không thế ở đây chỉ bao gồm lực do vật tác động lên khâu thao tác cuối. Xét trường hợp tổng quát với lực và momen có giá trị:
F3 = Fx
Fy
Fz
T
M 3 = M x
M z
My
T
Lực suy rộng được được xác định theo công thức: Q = U + J ET FE(0)
Trong đó: + Lực tác động lên khâu cuối là FE(0) = 0 0 − Fz
T
+ U = 1 2 3 là lực dẫn động i của động cơ đặt tại các khớp. T
Vậy:
0 1 Q = 0 + 2 là vector lực suy rộng cần xác định. − F z 3
25
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
KẾT LUẬN: Kết quả của bài toán động lực học:
0 q1 c11 (q, q) c12 (q, q) 0 q1 0 0 1 m11 (q) m12 (q) m (q) m (q) 0 q2 + c21 (q, q) 0 0 q2 + 0 + 0 = 2 21 22 0 0 m33 (q) q3 0 0 0 q3 m3 g Fz 3 Hay lực điều khiển tại các khớp: 1 m11 (q)q1 + m12 (q )q2 + c11 (q, q)q1 + c12 (q, q)q2 = 2 = m21 (q)q1 + m22 (q)q2 + c21 (q, q)q1 3 m33 (q )q3 + m3 g + Fz
2.3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp
Hình 2.3. Quy luật vận tốc hình thang Luật chuyển động khâu 1 Tham số đầu vào: Hành trình: S1 = 330o =
11 (rad ) . 6
Tốc độ tối đa: 1max = 450o / s =
5 (rad / s) . 2 26
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Thời gian gia tốc t1i bằng thời gian giảm tốc t1 f và tương đương 30% thời gian chu kỳ để chạy hết biên độ, tức t1i = t1 f = 0,3T1 . Gia tốc khi tăng tốc bằng gia tốc khi giảm tốc: 1 =
1max t1i
=
1max t1 f
.
Kết quả bài toán: 1 1 1 t1i 2 + 1max (T1 − t1i − t1 f ) + 1 t1 f 2 = S1 2 2
Giải phương trình ta được: T1 = 1,05( s ) t1i = t1 f = 0,315( s ) = 25(rad / s 2 ) 1
Luật chuyển động khâu 2 Tham số đầu vào: Hành trình: S2 = 294o =
49 (rad ) . 30
Tốc độ tối đa: 2 max = 667o / s =
667 (rad / s) . 180
Thời gian gia tốc t 2i bằng thời gian giảm tốc t2 f và tương đương 30% thời gian chu kỳ để chạy hết biên độ, tức t2i = t2 f = 0,3T2 . Gia tốc khi tăng tốc bằng gia tốc khi giảm tốc: 2 =
2 max t2 i
=
2 max t2 f
.
Kết quả bài toán: 1 1 2 t2i 2 + 2 max (T2 − t2i − t2 f ) + 2 t2 f 2 = S2 2 2
Giải phương trình ta được:
27
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
T2 = 0,63( s) t2i = t2 f = 0,189( s ) = 61,6(rad / s 2 ) 2
Luật chuyển động khâu 3 Tham số đầu vào: Hành trình: S3 = 400(mm) = 0, 4(m) . Tốc độ tối đa: v3max = 2780(mm / s ) = 2,78(m / s) . Thời gian gia tốc t3i bằng thời gian giảm tốc t3 f và tương đương 30% thời gian chu kỳ để chạy hết biên độ, tức t3i = t3 f = 0,3T3 . Gia tốc khi tăng tốc bằng gia tốc khi giảm tốc: a3 =
v3max v3max . = t3i t3 f
Kết quả bài toán: 1 1 a3 t3i 2 + v3max (T3 − t3i − t3 f ) + a3 t3 f 2 = S3 2 2
Giải phương trình ta được: T3 = 0,21( s) t3i = t3 f = 0,063( s ) a = 44,13(m / s 2 ) 3
2.4. Tính toán, thiết kế khâu 3 Cơ sở thiết kế Truyền động vít me - đai ốc được dùng để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Do yêu cầu hoạt động của robot cần chính xác nên ta lựa chọn bộ truyền động trục vít me - đai ốc bi để hạn chế sai lệch do khe hở giữa đai ốc và vít me.
28
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
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: v=
nZp 60000
Trong đó: + v - tốc độ tịnh tiến của trục vít + Z - số mối ren + p - bước ren (mm) + n - tốc độ quay của đai ốc Thiết kế trục vít me - đai ốc bi Lựa chọn vật liệu: Vít, bi: Thép 40CrMn ( [ c ] = 785( MPa) )
29
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Thép hợp kim kết cấu 40X được sử dụng trong các bộ phận nặng (trục, trục bánh răng, pít tông, thanh, trục khuỷu và trục cam, vòng, trục chính, chân trôi, bạt, bánh răng, bu lông, nửa trục, ống lót, ốc vít, v.v.). Thép crom 40X cũng được sử dụng trong các thành phần rèn, lạnh và dập nóng, và sản phẩm thép được sử dụng trong đường ống, bể chứa và sản xuất khác. Đai ốc: Thép 18CrMnTi Sơ đồ truyền động:
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: v3max = 2,78(m / s ) . Đồ thị vận tốc có dạng hình thang, tốc độ ban đầu bằng 0 với gia tốc là hằng số ở cả 2 giai đoạn khởi động và hãm (thời gian tăng tốc và giảm tốc xấp xỉ 30% thời gian 1 vòng chu kỳ). Ở phần 2.3.3, ta đã tính toán được gia tốc của khâu 3 là a3 = 44,13(m / s 2 ) . Theo phương trình động lực học: 30
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
3 = m33 (q )q3 + m3 g + Fz Trong đó :
m33 (q) = m3 m3 = mtai + mvit + mtkep = 20 + 2 + 2 = 24(kg ) ( mtai là khối lượng tải, mvit là khối lượng trục vít me bi, mtkep là khối lượng tay kẹp) Lực dọc trục: Fa max = 3max = m3 (q3 + g ) = 24 (44,13 + 9,81) = 1295( N )
Hành trình: 400 mm. Tính toán sơ bộ đường kính ren trong của vít theo độ bền kéo: Tính toán đường kính ren trong d1:
d1
4.1,3.Fa [ k ]
Trong đó: + [𝜎𝑘 ] là giới hạn bền kéo của thép 40CrMn, có giới hạn bền kéo [𝜎𝑘 ] = [𝜎𝑐ℎ ]/3 = 785/3 = 262 MPa + Fa = 1295( N ) là tải trọng dọc trục của vít me
d1
4 1,3 1295 = 2,86(mm) 262
Chọn d1 = 23(mm) => đường kính danh nghĩa d0 = 25(mm) theo tiêu chuẩn SKF về vít me đai ốc bi loại Rotating nut.
31
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Tính toán thông số bộ truyền:
Hình 2.6. Các kích thước bộ truyền vít me bi Đường kính bi: db =
( 0,080,15) d1
= 0,1 23 = 2,3(mm) .
Chọn db = 3(mm) . Bước vít: p = db + (1...5) = 3 + 2 = 5( mm) .
Chọn p = 25(mm) .
32
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Bán kính rãnh lăn: r1 = (0,51...0,53) db = 0,51 3 = 1,53( mm)
Khoảng cách từ tâm rãnh lăn đến tâm bi: d 3 c = r1 − b cos = (1,53 − )cos 45o = 0,02(mm) với β = 45° là góc tiếp xúc 2 2
Đường kính vòng tròn qua các tâm bi: Dtb = d1 + 2(r1 − c) = 23 + 2(1,53 − 0,02) = 26,02( mm)
Đường kính trong của đai ốc: D1 = Dtb + 2(r1 − c) = 26,02 + 2(1,53 − 0,02) = 29,04(mm)
Chiều sâu profin ren: h1 = (0,3...0,35) db = 0,32 3 = 0,96( mm) .
Chọn h1 = 1(mm) . Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D: d = d1 + 2h1 = 23 + 2 1 = 25(mm) D = D1 − 2h1 = 29,04 − 2 1 = 27,04(mm)
Góc nâng vít:
= arctan
p 25 = arctan = 17o Dtb 26,02
Số bi trong các vòng ren làm việc: Zb =
Dtb K db
−1 =
26,02 2,3 3
− 1 = 61,67 .
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 quá 2 – 2,5 vòng, nếu không sẽ làm tăng sự phân bố không đều các tải trọng cho các vòng ren. Số bi trên các vòng ren làm việc Z b = Dtb K / d b − 1 ; với K là số vòng ren làm việc. Nếu số bi lớn hơn 65 thì nên giảm bớt bằng cách tăng đường kính bi. 33
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
(Trích giáo trình “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 – Trịnh Chất”) Khe hở hướng tâm: = D1 − (2d b + d1 ) = 29,04 − (2 3 + 23) = 0,04( mm)
Khe hở tương đối:
=
0,04 = = 0,0017(mm) d1 23
Góc ma sát lăn thay thế:
1 = arctan
2 ft 2 0,005 = arctan = 0,035o o d1 sin 23 sin 45
Với hệ số ma sắt lăn ft = 0,005. Hiệu suất lý thuyết biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến:
=
tan tan17o = = 0,9978 tan( + t ) tan(17o + 0,035o )
Hiệu suất thực tế:
p = 0,9 = 0,9 0,9978 = 0,898 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:
34
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
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:
mvit = mtruc _ vit + mdai _ oc = Dt
d0 2 L 4
+ mdai _ oc
Trong đó: + Dt = 7850(kg / m3 ) - khối lượng riêng của trục vít + d 0 = 25(mm) - đường kính danh nghĩa + L = 400(mm) - chiều dài trục vít
mtruc _ vit = 7850
0,0252 0,4 4
= 1,54(kg )
+ Coi mdai _ oc = mruc _ vit / 3 0,5(kg ) mvit = 2(kg )
Kích thước hình học của trục vít me và đai ốc lựa chọn:
35
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
𝑑0 𝑥𝑃ℎ
L
𝐿1
𝐿2
𝐿3
𝐿4
𝐿5
𝐿6
𝐿7
𝐿8
𝐿9
25x20
121
15
12,4
19,9
74
2,9
16,8
12,4
15
15
15
12,4
19,9
74
2,9
16,8
12,4
15
15
25x25 126,2
𝑑0 𝑥𝑃ℎ
𝐷1
𝐷2
𝐷3
𝐷4
𝐷5 𝑔6
𝐷6
25x20
40
72,5
100
133
100
65
25x25
40
72,5
100
133
100
65
𝐷7
𝑅𝑚𝑎𝑥
𝐽1
𝐽2
𝑍1 𝑥𝐻1
𝑍1 𝑥𝐻1 (𝑢𝑑)
𝐻3
48
0,8
116
55
6x∅9
6xM6x20
M6x1
48
0,8
116
55
6x∅9
6xM6x20
M6x1
Kiểm tra bền Tính kiểm nghiệm về độ bền. Tải trọng riêng dọc trục: 36
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
qa =
Với
Fa 1295 = = 2,9( MPa) Zb db 2 62 (0,003) 2 0,8
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 = 0,0017 và tải trọng riêng dọc trục qa = 2,9 . Tra đồ thị ta xác định được max
2200( MPa ) với max max = 5000( 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 v3max = 2780(mm / s ) khi chạy không tải. Vì thế, trong trường hợp này, lực dọc trục
lớn nhất lẫn momen xoắn và công suất động cơ đều được thiết kế không tải. Như vậy khối lượng khâu 3 chỉ bao gồm khối lượng trục vít me và khối lượng tay kẹp.
Fakhongtai = (mvit + mtkep )(q3 − g ) = (2 + 2)(44,13 + 9,81) = 215,76( N ) max Momen xoắn truyền vào trục vít me / momen quay của đai ốc: T3 =
Fa Dtb tan( + t ) 2 37
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Trong đó : + Fa = 215,76( N ) là lực dọc trục vít me + Dtb = 26,02(mm) là đường kính vòng tròn qua các tâm bi + = 17 o là góc nâng vít + t = 0,035o là góc ma sát lăn thay thế
215,76 26,02 10−3 tan(17o + 0,035o ) T3 = = 0,86( Nm) 2 Tốc độ quay của đai ốc:
n3 =
60v3max Zp
Trong đó: + v3max = 2,78(m / s ) là tốc độ lớn nhất của trục vít me + Z = 1là số mối ren + p = 25(mm) = 0,025(m) là bước vít
n3 =
60 2,78 = 6672(rpm) 1 0,025
Chọn tỷ số truyền của bộ truyền động là u = 1:2, tốc độ thực tế của động cơ: ndc 3 =
n3 6672 = = 3336(rpm) 2 2
Tính toán công suất của động cơ: Wdc 3 =
T3n3 9550 p
Trong đó: + T3 = 0,86( Nm) là momen xoắn của trục vít me + n3 = 6672(rpm) là tốc độ quay của đai ốc + p = 0,898 là hiệu suất thực của trục vít me
Wdc 3 =
0,86 6672 = 0,67(kW ) 9550 0,898
38
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
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, em sử dụng cơ cấu truyền động cho khâu 3 là đai răng. Do truyền lực bằng ăn khớp, truyền động đai răng có những ưu điểm: Không có trượt, tỉ số truyền lớn (u ≤ 12, đôi khi u < 20), hiệu suất cao, không cần lực căng ban đầu lớn, lực tác dụng lên trục và lên ổ nhỏ. Xác định mođun và chiều rộng của đai Mođun được xác định theo công thức:
m = 35 3
P1 n1
Trong đó: + P1 - công suất trên bánh đai chủ động, lấy P1 = Wdc 3 = 0,75(kW ) + n1 - số vòng quay của bánh đai chủ động. Chọn tỷ số truyền u = 1:2, tốc độ thực tế lấy bằng n1 = ndc 3 = 3336(rpm)
m = 35 3
0,75 = 2,1(mm) 3336
39
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
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) .
40
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Chiều rộng đai: b = d m
Trong đó: d = 6...9 là hệ số chiều rộng đai, chọn giá trị nhỏ khi lấy mođun tiêu chuẩn lớn hơn m tính toán và lấy giá trị lớn trong trường hợp ngược lại. 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 = 16(mm) . Xác định các thông số của bộ truyền Số răng của bánh đai chủ động được chọn theo Bảng 4.29 (trang 70, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập 1 - Trịnh Chất, Lê Văn Uyển) nhằm đảm bảo tuổi thọ cho đai.
41
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
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 n1 = ndc 3 = 3336(rpm) , ta chọn số răng bánh nhỏ z2 = 18 . Số răng của bánh đai bị động: z2 = uz1
Trong đó: + u =
n1 z2 là tỷ số truyền của cơ cấu = n2 z1
+ n1 , n2 là tốc độ của bánh chủ động và bánh bị động Chọn tỷ số truyền u =
n1 3336 1 = = . n2 6672 2
Số răng của bánh đai chủ động: z1 = 2 z2 = 2 18 = 36 42
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Hình 2.13. Sơ đồ tính toán khoảng cách trục Khoảng cách trục: amin a amax
Với amin = 0,5m( z1 + z2 ) + 2m = 0,5 3 (36 + 18) + 2 3 = 87( mm) amax = 2m( z1 + z2 ) = 2 3 (36 + 18) = 324(mm)
Số răng đai:
2a z1 + z2 ( z2 − z1 ) 2 p zd = + + p 2 40a zd min = 46,35(mm); zd max = 96(mm)
Trị số zd tính được cần làm tròn đến giá trị gần nhất trong Bảng 4.30 (trang 70, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một - Trịnh Chất, Lê Văn Uyển).
43
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Hình 2.14. Chiều dài đai răng ld Chọn zd = 63( mm) . Chiều dài đai răng: ld = pzd = 9,42 63 = 593,5(mm)
Xác định lại khoảng cách trục:
a= Trong đó: + = ld − p + =m
+ 2 − 8 2 4
z1 + z2 36 + 18 = 593,5 − 9,42 = 339,16 2 2
z2 − z1 18 − 36 = 3 = −27 2 2
339,16 + 339,162 − 8 (−27) 2 a= = 167,4(mm) 4 Đường kính vòng chia của các bánh đai:
44
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
d1 = mz1 = 3 36 = 108( mm); d 2 = mz 2 = 3 18 = 54( mm)
Đường kính ngoài của bánh đai: d a1 = mz1 − 2 = 3 36 − 2 0,6 = 106,8(mm) d a 2 = mz 2 − 2 = 3 18 − 2 0,6 = 52,8(mm)
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: z0 = z11 / 360o
Trong đó: 1 - góc ôm trên bánh chủ động
1 = 180o − m( z2 − z1 ) / a 57,3o = 180o − 3 (18 − 36) / 167,4 57,3o = 198,48o z0 = 36 198,48o / 360o = 19,85
z0 6 => thỏa mãn điều kiện.
Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng: q = Ft K d / b + qmv 2 [q ]
Trong đó: + v1 =
d1n1 60
=
108 10−3 3336 60
= 18,86(m / s) - tốc độ bánh chủ động
+ Ft = 1000 P1 / v1 - lực vòng Với P1 = 0,67(kW ) - công suất bánh chủ động Ft = 1000 0,67 / 18,86 = 35,52( N )
+ K d = 1,1 - hệ số tải trọng động + b = 16(mm) - chiều rộng đai + qm = 0,004(kg / mm) - trị số khối lượng 1 mét đai + q = q0 CzCu với q0 = 10( N / mm) - lực vòng riêng cho phép, C z = 1 , Cu = 0,9 q = 10 1 0,9 = 9( N / mm) 45
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
q = 35,52 1,1 / 16 + 0,004 18,862 = 3,86( N / mm) q
Vậy đai đủ bền về lực vòng riêng. Lực căng đai ban đầu: F0 = 1,3Fv = 1,3qmbv 2 = 1,3 4 0,016 18,862 = 29,6( N )
Lực tác dụng lên trục: Fr = 1,2 Ft = 1,2 35,52 = 42,62( N )
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: Truyền momen xoắn ổn định, tác động thân thiện tới đai, xích truyền động, đảm bảo tần suất bảo trì, căn chỉnh là thấp nhất, tự động điều chỉnh lực căng, độ bền cơ cấu cao. Với lực căng đai ban đầu F0 = 29,6( N ) chọn cơ cấu SE 11-G.
Hình 2.16. Thông số bộ căng đai SE 11-G
46
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
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 47
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Tính chọn ổ bi đỡ chặn khâu 3
Do vít me được chọn là loại rotating nut như trên nên ổ bi đỡ chặn được lắp chặt với đai ốc của vitme như hình trên, tức là đường kính lỗ d của ổ lăn là d = D1 = 40(mm) Sơ đồ lực:
Hình 2.19. Sơ đồ lực tính toán ổ bi đỡ chặn 48
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Hệ số khả năng làm việc tính theo công thức:
Cd = Q m L Trong đó: + Q = ( XVFr + YFa ) K t K đ ,(kN ) - tải trọng động quy ước Với Fa = 230 N = 0,23(kN ) . Phản lực tại các ổ đỡ: Fr = 147,97( 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 = 12o (đối với kiểu 36000) có X = 0,45;Y = 1,81 .
Q = (0,45 1 0,148 + 1,81 0,23) 1 1,5 = 0,724(kN ) + L = 60nLh / 106 - tuổi thọ của ổ tính bằng triệu vòng quay Với: n = 110(rpm) . Lh = 10000(h) - tuổi thọ của ổ tính bằng giờ.
L = 66 (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: Cd = 0,724 3 66 = 2,92( kN )
Từ các thông số trên ta chọn vòng bi kí hiệu 36208 như hình dưới.
49
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Hình 2.20. Lựa chọn ổ bi đỡ - chặn Chọn theo hãng SKF là vòng bi số hiệu 7208 BECBJ.
50
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
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
51
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Lựa chọn tay kẹp
Hình 2.23. Lực tác dụng lên tay kẹp Để tay kẹp giữ được vật thì: Fms Pt + Fqt
Trong đó: + Fms = Fk Với Fk là lực giữ của tay kẹp, = 0,8 là hệ số ma sát giữa tay kẹp và vật. + Pt = mg = 20 9,8 = 196( N ) là tải trọng tối đa của vật + Fqt = mamax = m
vmax 2,78 = 20 = 179,4( N ) t 0,31
Fk
Pt + Fqt
= 469( N )
Chọn tay kẹp CHS2-S68.
Hình 2.24. Tay kẹp robot CHS2-S68 52
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Mã sản phẩm
CHS2-S68
Cơ cấu chuyển động
Chuyển động bằng vít me
Độ chính xác lặp lại vị trí
±0.01(mm)
Lực giữ kẹp
80~509(N) (15-100%)
Hành trình đóng mở
68 (mm)
Tốc độ đóng mở
10~50(mm/s)
Khối lượng
1.73 kg
Coi khối lượng má tay kẹp bằng 10% khối lượng tay kẹp nên tổng khối lượng của cả cơ cấu kẹp là: mtkep = 1,73 + 10% 1,73 2(kg ) . 2.5. Tính toán thiết kế khâu 2 Tính toán sức bền sơ bộ Lựa chọn vật liệu: Vật liệu lựa chọn: Thép CT45. Đặc điểm: + Khối lượng riêng = 7850(kg / m3 ) + Giới hạn chảy c = 360( MPa) + Mođun đàn hồi E = 2,1 105 ( N / mm 2 ) = 21 1010 ( N / m 2 ) Tính toán, thiết kế: Chọn mặt cắt ngang khâu 2 có dạng hình chữ nhật.
53
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Hình 2.25. Mặt cắt ngang khâu 2 Chọn B = 120(mm) , H = 100(mm) , t = 10( mm) Phần đặc có kích thước BH , diện tích S1 , momen quán tính J x1 , trọng tâm C1 với NC1 = 50(mm) .
Phần rỗng có kích thước bh , diện tích S2 , momen quán tính J x 2 , trọng tâm C2 với NC2 = 55(mm) .
Tọa độ trọng tâm C: NC =
S1 NC1 − S2 NC2 = 35(mm) S1 − S2
Hệ trục Cxy chính là hệ trục quán tính chính trung tâm. Momen quán tính mặt cắt ngang hình chữ nhật J x :
bh3 Jx = 12 Công thức chuyển trục song song của momen quán tính trong hệ trục quán tính chính trung tâm: 54
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
J = J + a2F x0 x 2 J y = J y0 + b F J xy = abF
Momen quán tính của mặt cắt ngang khâu 2: J x = J x1 + S1 CC12 − ( J x 2 + S 2 CC2 2 )
Jx =
b h3 B H3 + B H CC12 − + b h CC2 2 = 3,03 10−6 (m4 ) 12 12
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: Q3 = 20 + 2 + 2,54 + 2 = 26,54( kg )
Hình 2.26. Sơ đồ tải trọng khâu 2
55
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Hình 2.27. Biểu đồ momen khâu 2 Áp dụng phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin, ta tính được độ võng tại M: L23 P3 P2 yM = + EJ x 3 8
Trong đó: + L2 = 500(mm) - tầm với khâu 2 + E = 2,1 105 ( N / mm 2 ) - mođun đàn hồi + J x = 3,03 10−6 (m 4 ) - momen quán tính + P3 = g Q3 = 9,8 26,54 = 260( N ) - trọng lượng khâu 3 đặt lên khâu 2 + P2 = mkhau 2 g - trọng lượng khâu 2 Với mkhau 2 = L2 ( HB − hb ) = 11,8(kg ) P2 = 11,8 9,8 = 116( N ) yM = 0,000002(m) = 0,002( mm)
y [f z ] = 0,01(mm) => thỏa mãn điều kiện độ chính xác lặp trục z.
Kiểm tra điều kiện ứng suất: Mặt cắt ngang nguy hiểm nhất tại ngàm. Momen uốn lớn nhất: M 2 max = P3 L2 + P2
L2 = 159( Nm) 2
56
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Ứng suất uốn lớn nhất:
2 max =
M 2 max y J
Với y = CM = 65(mm) 2 max = 3,4( MPa ) y = −CN = 35(mm) 2 max = −1,8( MPa )
Ứng suất uốn cho phép:
=
ch = 360 = 120(MPa) n
3
Với n = 3 là hệ số an toàn. 2 max => thỏa mãn điều kiện bền.
Tính chọn hộp giảm tốc cyclon cho khâu 2 Gia tốc hướng tâm: an = 2 r
Trong đó: + = 11,64(rad / s) - tốc độ tối đa của khâu + r = 0,25(m) - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay an = 11,642 0,25 = 33,8( rad /s 2 )
Gia tốc tiếp tuyến: at = r
Trong đó: + = 61,6(rad / s 2 ) - gia tốc cực đại khâu 2 + r = 0,25(m) - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay at = 61,6 0,25 = 15,4(rad / s 2 )
Khối lượng đặt lên khâu: m2 = mkhau 2 + mkhau 3 + mdc 3 + mtkep + mtai = 38(kg )
Lực quán tính ly tâm lớn nhất: Flt = m2 an = 38 33,8 = 1284( N ) 57
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Momen xoắn lớn nhất: Tmax = m2 at r = 38 15,4 0,25 = 146( Nm)
Xác định đường kính trục cơ cấu cyclon sơ bộ: d
3
Tmax 146 =3 = 0.029(m) = 29(mm) 0.2 0.2 30.106
Do hộp giảm tốc cyclon có chức năng thay thế cho trục nối hai khâu nên momen uốn mà cơ cấu chịu được phải đảm bảo được khả năng chịu uốn như dùng với trục. Sơ đồ tác dụng lực:
Hình 2.28. Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 2
58
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Momen uốn lớn nhất: M x max = P l + Flt a = 38 9,8 0,25 + 1284 0,15 = 285( Nm)
Chọn bộ giảm tốc kiểu AF gồm động cơ nối liền bộ giảm tốc RV.
59
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
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 50W50kW. 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. Theo phương trình động lực học:
2 = m21 (q )q1 + m22 (q )q2 + c21 (q, q )q1 Với:
60
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
1 a2 2 m21 (q) = I zz 2 + I zz 3 + a1a2 cos(q2 ) + m2 + a2 2 + a1a2 cos(q2 ) m3 4 2
m22 (q) = I zz 2 + I zz 3 +
a2 2 m2 + a2 2m3 4
m c21 (q, q) = 2 + m3 a1a2 sin(q2 )q1 2 Trong đó: + q1 = 1max = 7,85(rad / s ) + q1 = 1max = 25(rad / s 2 ) + q2 = 2 max = 61,6(rad / s 2 ) tại thời điểm t = 0,189( s) => q2 = 2 max t 2 = 2,2(rad ) + Momen quán tính: I zz 2 = mkhau 2 l2 2 / 12; I zz 3 = mvit r32 / 2 + a1 = 350(mm); a2 = 2l2 = 500(mm); r = d 0 / 2 = 12,5(mm) + Khối lượng đặt trên khâu 3: m3 = mvit + mtkep = 2 + 2 = 4(kg ) + Khối lượng đặt trên khâu 2: m2 = mkhau 2 + mdc 3 = 11,8 + 2,54 = 14,34(kg ) Momen xoắn cực đại đặt tại khớp của khâu 2:
2 max = 115( Nm) Coi hiệu suất truyền động của bộ giảm tốc cyclon là = 0,9 Tính toán công suất của động cơ: Wdc 2 =
2 max n2 115 111 = = 1,48(kW ) 9550 9550 0,9
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.
61
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
2.6. Tính toán thiết kế khâu 1 Tính toán sức bền sơ bộ Lựa chọn vật liệu: Vật liệu lựa chọn: Thép CT45. Đặc điểm: + Khối lượng riêng = 7850(kg / m3 ) + Giới hạn chảy c = 360( MPa) + Mođun đàn hồi E = 2,1 105 ( N / mm 2 ) = 21 1010 ( N / m 2 ) Tính toán, thiết kế: Chọn mặt cắt ngang khâu 1 có dạng hình chữ nhật.
Hình 2.29. Mặt cắt ngang khâu 1 Chọn B = 120(mm) , H = 100(mm) , t = 10( mm) . Tính toán tương tự khâu 2, ta thu được các kết quả. Momen quán tính của mặt cắt ngang khâu 1: J x = 3,03 10−6 (m 4 )
62
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Tổng tải trọng tác dụng lên khâu 1 = Khối lượng khâu 2 + Khối lượng động cơ khâu 2 + Khối lượng toàn khâu 3: Q2* = 11,8 + 6 + 26,54 = 44,34( kg )
Hình 2.30. Sơ đồ tải trọng khâu 1 Độ võng tại M: L13 P2* P1 yM = + EJ x 3 8
Trong đó: + L1 = 350( mm) - tầm với khâu 1 + E = 2,1 105 ( N / mm 2 ) - mođun đàn hồi + J x = 3,03 10−6 (m 4 ) - momen quán tính + P2* = g Q2* = 434( N ) - trọng lượng khâu 2, 3 đặt lên khâu 1 + P1 = mkhau1 g - trọng lượng khâu 1 Với mkhau1 = L1 ( HB − hb ) = 8,2(kg ) P1 = 8,2 9,8 = 80( N ) yM = 0,00001(m) = 0,01(mm)
y [f z ] = 0,01(mm) => thỏa mãn điều kiện độ chính xác lặp trục z.
Kiểm tra điều kiện ứng suất: Mặt cắt ngang nguy hiểm nhất tại ngàm. Momen uốn lớn nhất: 63
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
M 1max = P2* L1 + P1
L1 = 166( Nm) 2
Ứng suất uốn lớn nhất:
1max =
M 1max y J
Với y = CM = 65(mm) 1max = 3,5( MPa) y = −CN = 35(mm) 1max = −1,9( MPa )
Ứng suất uốn cho phép:
=
ch = 360 = 120(MPa) n
3
Với n = 3 là hệ số an toàn. 1max => thỏa mãn điều kiện bền.
Tính chọn hộp giảm tốc cyclon cho khâu 1 Gia tốc hướng tâm: an = 2 r
Trong đó: + = 7,85(rad / s) - tốc độ tối đa của khâu + r = 0,175(m) - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay an = 7,852 0,175 = 10,78(rad /s 2 )
Gia tốc tiếp tuyến: at = r
Trong đó: + = 25(rad / s 2 ) - gia tốc cực đại khâu 2 + r = 0,175(m) - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay at = 25 0,175 = 4,375( rad / s 2 )
Khối lượng đặt lên khâu: m1 = mkhau1 + mkhau 2 + mkhau 3 + mdc 2 + mdc 3 + mtkep + mtai = 52(kg ) 64
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Lực quán tính ly tâm lớn nhất: Flt = m1 an = 52 10,78 = 560( N )
Momen xoắn lớn nhất: Tmax = m1 at r = 52 4,375 0,175 = 40( Nm)
Xác định đường kính trục cơ cấu cyclon sơ bộ: d
3
Tmax 40 =3 = 0.0188(m) = 18,8(mm) 0.2 0.2 30.106
Do hộp giảm tốc cyclon có chức năng thay thế cho trục nối hai khâu nên momen uốn mà cơ cấu chịu được phải đảm bảo được khả năng chịu uốn như dùng với trục. Sơ đồ tác dụng lực:
Hình 2.31. Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 1 65
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Momen uốn lớn nhất: M x max = P l + Flt a = 52 9,8 0,175 + 560 0,15 = 173( Nm)
Chọn bộ giảm tốc kiểu AF gồm động cơ nối liền bộ giảm tốc RV.
66
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
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 50W50kW. 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. Theo phương trình động lực học:
1 = m11 (q)q1 + m12 (q)q2 + c11 (q, q)q1 + c12 (q, q )q2 Với:
67
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
2 a2 2 a12 m11 (q) = I zz1 + I zz2 + I zz3 + m1 + a1 + + a1a2 cos(q2 ) m2 + a12 + a2 2 + 2a1a2 cos(q2 ) m3 4 4 1 a2 2 m12 (q) = I zz 2 + I zz 3 + a1a2 cos(q2 ) + m2 + a2 2 + a1a2 cos(q2 ) m3 4 2
m c11 (q, q) = − 2 + m3 a1a2 sin(q2 )q2 2 m m c12 (q, q) = − 2 + m3 a1a2 sin(q2 )q1 − 2 + m3 a1a2 sin(q2 )q2 2 2 Trong đó: + q1 = 1max = 7,85(rad / s ) + q1 = 1max = 25(rad / s 2 ) + q2 = 2 max = 11,64(rad / s ) + q2 = 2 max = 61,6(rad / s 2 ) tại thời điểm t = 0,189( s) => q2 = 2 max t 2 = 2,2(rad ) + Momen quán tính: I zz1 = mkhau1 l12 / 12; I zz 2 = mkhau 2 l2 2 / 12; I zz 3 = mvit r32 / 2 + a1 = 2l1 = 350(mm); a2 = 2l2 = 500(mm); r = d 0 / 2 = 12,5(mm) + Khối lượng đặt trên khâu 3: m3 = mvit + mtkep = 2 + 2 = 4(kg ) + Khối lượng đặt trên khâu 2: m2 = mkhau 2 + mdc 3 = 11,8 + 2,54 = 14,34(kg ) + Khối lượng đặt trên khâu 1: m1 = mkhau1 + mdc 2 = 8,2 + 6 = 14,2(kg ) Momen xoắn cực đại đặt tại khớp của khâu 1:
1max = 206( Nm) Coi hiệu suất truyền động của bộ giảm tốc cyclon là = 0,9 Tính toán công suất của động cơ: Wdc1 =
1max n1 206 75 = = 1,8(kW ) 9550 9550 0,9 68
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Động cơ lựa chọn: Động cơ Panasonic Servo Minas A6 công suất lớn hơn 1800W, 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. 2.7. Tính toán thiết kế khâu đế cố định Chọn vật liệu thép C45. Độ bền uốn cho phép: =
ch = 360 = 120( N / mm2 ) n
3
Thiết kế khâu có dạng trụ rỗng, đường kính trong d, đường kính ngoài D. Với M z max = 166( Nm) - momen uốn lớn nhất trên khâu 1. Chọn các kích thước như sau:
L0 = 345(mm) D = 200(mm) d = 160(mm) t = 15(mm)
Hình 2.32. Mặt cắt khâu cố định 69
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
Kiểm tra điều kiện bền uốn:
uon =
M max = Wx
M max 166 = = 0,35( MPa) 3 3 D 0,2 . .(1 − 4 ) . .(1 − 0,84 ) 32 32
[ uon ] [ ] = 120( MPa) => Thỏa mãn điều kiện bền uốn.
70
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN “Thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do” là một đề tài mang tính thực tế cao, khi mà công nghiệp ngày càng phát triển, sự cạnh tranh không ngừng đòi hỏi, năng suất và chất lượng phải được cải thiện nhờ dây chuyền máy móc hiện đại thay thế lao động chân tay của con người. Như vậy trong học phần “Đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí – Robot”, em đã được tìm hiểu được cách xây dựng một mô hình robot SCARA, đồng thời tính toán và thiết kế hệ thống cơ khí cho robot. Công việc cụ thể hoàn thành bao gồm như sau: - Tổng quan về robot SCARA - Xây dựng kết cấu cho robot - Xây dựng bản vẽ lắp ráp, chi tiết cho robot - Tính toán kích thước, kiểm tra bền các khâu - Tính chọn bộ truyền vít me - đai ốc bi - Tính chọn hộp giảm tốc, động cơ truyền động, cơ cấu đai truyền động - Tính chọn ổ bi Qua đề tài trên đây, em đã biết cách vận dụng những kiến thức chuyên môn được đào tạo ở trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong thời gian qua vào thực tế cuộc sống nhất là với công nghiệp. Em cũng học được rất nhiều như kỹ năng làm việc nhóm, giải quyết vấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo... rất có ích cho sau này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Trọng Doanh đã giúp em hoàn thành đề tài này. Do giới hạn về thời gian cũng như kiến thức trong đồ án này, em mới chỉ giải quyết một số vấn đề cơ bản trong việc thiết kế một robot. Ngoài ra còn rất nhiều vấn đề cần phải giải quyết để có một sản phẩm robot hoàn thiện vì vậy chúng em rất mong quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài này hoàn thiện hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn! 71
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ______________________________________________________________________________
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo trình, bài giảng: 1. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một. Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam. 2. Nguyễn Trọng Hiệp. Chi tiết máy. Nhà xuất bản giáo dục, 2006. 3. PGS. TS. Nguyễn Quang Hoàng. Bài giảng Robotics.
Tài liệu khác: 1. Lựa chọn trục vít me - đai ốc bi, vòng bi hãng SKF, nguồn Internet: www.bscindia.com/catalogue/skfballscrew.pdf 2. Lựa chọn hộp giảm tốc hãng RV, nguồn Internet: www.motionusa.com.s3-website-us-east1.amazonaws.com/nabtesco/RV_Series_Full_Catalog.pdf 3. Lựa chọn động cơ servo hãng Panasonic, nguồn Internet: https://industrial.panasonic.com/content/data/MT/PDF/minas-a52_ctlg_e.pdf
72