ĐA TKHTCK robot letienquan20184583

1 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG 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 GVC Đặng Thái Việt Sinh viên thực hiện Lê Tiến Quân MSSV 20184583 Lớp CĐT 01 K63 Hà Nội, tháng 1 năm 2022 2 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay là kỷ nguyên của khoa học và công nghệ Những sản phẩm của khoa học xuất hiện thường xuyên trong cuộc sống của con người trên toàn thế giới, đặc biệt là robot Từ những công việc nhẹ nhàng tới nh.

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ ROBOT SCARA 3 BẬC TỰ DO

Giảng viên hướng dẫn : TS.GVC Đặng Thái Việt Sinh viên thực hiện : Lê Tiến Quân

MSSV: 20184583 Lớp: CĐT.01 - K63

Hà Nội, tháng 1 năm 2022

Hiện nay là kỷ nguyên của khoa học và công nghệ Những sản phẩm của khoa học xuất hiện thường xuyên trong cuộc sống của con người trên toàn thế giới, đặc biệt là robot Từ những công việc nhẹ nhàng tới những công việc khó khăn và nguy hiểm đều

có máy móc làm thay chúng ta Và các ngành khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, trong đó có ngành Cơ Điện Tử

Với sự phát triển mạnh mẽ như vậy của nền khoa học kỹ thuật đòi hỏi con người phải hiểu biết hơn để làm chue những công việc hiện đại Vì vậy với những kiến thức mà em được thầy cô truyền đạt là cơ sở ban đầu để nghiên cứu và chiếm lĩnh những kiến thức cao hơn nữa

“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 này là một trong những học phần quan trọng nhất của modul 3, học phần này trang bị cho em các kiến thức một cách tổng quát nhất về việc tạo ra một tay máy robot 3 bậc tự do (RRT), các yêu tố gây ra sai số tại điểm làm việc, các yếu to ảnh hưởng đến độ bền, tải trọng của cánh tay máy 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 Đặng Thái Việt, 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 Đặng Thái Việt đã giúp em hoàn thành đề tài này

Hà Nội, tháng 1 năm 202 Quân

Lê Tiến Quân

CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA 4

1 Giới thiệu về Robot SCARA 4

2 Một số loại Robot SCARA 5

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 6

1.1 Nhiệm vụ thiết kế 6

1.2 Các thành phần kết cấu của Robot 6

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 8

2.1 Động học Robot SCARA 8

2.2 Động lực học Robot SCARA 17

2.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp 23

2.4 Tính toán, thiết kế khâu 3 26

2.5 Tính toán thiết kế khâu 2 50

2.6 Tính toán thiết kế khâu 1 58

2.7 Tính toán thiết kế khâu đế cố định 65

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 72

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

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

2 Một số loại Robot trên thị trường

Robot SCARA ADTECH AR4215 Robot SCARA RS04-03

Robot SCARA RS406 Robot SCARA Epson

Hình 0.1 Các robot SCARA điển hình

z (mm)

Độ chính xác lặp

Vận tốc lớn nhất Chu

kỳ thời gian (s)

Chú ý

(x, y) (mm)

z (mm)

Khâu

1 (°/s)

Khâu

2 (°/s)

Khâu

3 (mm/s)

Tốc độ tổng hợp (mm/s)

10 500 400 ±0,02 ±0,01 450 667 2780 8780 0,29 DENSO

Series

HMG-1.2 Các thành phần kết cấu của Robot

Các khâu chính

Tay robot có 3 bậc tự do, thiết kế 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)

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: truyền động hệ đai răng

➢ Khâu 3: khâu tịnh tiến (vít me - đai ốc bi), truyền động trực tiếp qua khớp nối

➢ Động cơ bước

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

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

cos( ) sin( ) 0 cos( )

sin( ) cos( ) 0 sin( )

q q

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

sin sin cos cos sin sin sin sin cos cos sin cos

cos sin cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos

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:

1 2 1 2 2 1 2 1 1 0

3

3 2 1

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 O x y z0 0 0 0 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:

( )

E E E

E E E

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

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:

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

12 12 0

12 12 0

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

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

E x E

E y

 

1 1

cos( ) sin( )sin( )

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:

kt i

Với: T - Động năng của Robot

 - Thế năng của Robot

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:

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

a l r

1 z1

2 z2

(0) 3 3

3 z3

0 ( ) 0

21 22 23 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:

Lực suy rộng được được xác định theo công thức:

00

Hình 2.3 Quy luật vận tốc hình thang

Luật chuyển động khâu 1

Tham số đầu vào:

1

1 1

2 1

1,05( )0,315( )25( / )

Luật chuyển động khâu 2

Tham số đầu vào:

Thời gian gia tốc t 2ibằng thời gian giảm tốc t 2 f và tương đương 30% thời gian chu

2

2 2

2 2

0,63( )0,189( )61,6( / )

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 t 3ibằng thời gian giảm tốc t 3 f và tương đương 30% thời gian chu

3

3 3

2 3

0, 21( )0,063( )44,13( / )

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:

Z60000

+ n - tốc độ quay của đai ốc

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 2

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

Tính toán đường kính ren trong d 1 :

 

Trong đó:

+ [𝜎𝑘] là giới hạn bền kéo của thép 40CrMn, có giới hạn bền kéo [𝜎𝑘] = [𝜎𝑐ℎ]/3

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:

D K Z

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 =D K d tb / 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

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

Khe hở hướng tâm:

o

f d

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:

2 0

+ Coi m dai oc_ =m ruc vit_ / 3 0,5(kg)

Thiết kế dẫn hướng cho khâu 3

Với ý tưởng cần một đường dẫn hướng cho khâu 3 thì em nghĩ đến hệ thống truyền động trực tiếp bằng khớp nối mềm Vì dùng khớp nối mềm sẽ giảm được rung lắc của động cơ khi hoạt động Em tiến hành thực hiện hóa ý tưởng – kiểm bền – tăng bền cho hệ thống (sử dụng phần mềm Solidworks) và được kết quả như hình sau:

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

v = 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

60v n

Zp

=Trong đó: + v3 max =2,78(m s/ ) là tốc độ lớn nhất của trục vít me

3 3

Tính toán công suất của động cơ:

3 3 3

9550

dc

p

T n W



=

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

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 vận tốc động cơ cao nên em sử dung tỷ số chuyền 1:1 ( giữ nguyên vận tốc ) Tác dụng đai răng giúp giảm tác động vào trục vít-đai ốc → ổn định cao

Hình 2.10 Chuyển động 2 BR tỷ số truyền 1:1

Xác định mođun và chiều rộng của đai

Mođun được xác định theo công thức:

1 3 1

35 P

m

n

= 

Trong đó: + P - công suất trên bánh đai chủ động, lấy 1 P1 =W dc3 =0,75(kW)

+ n - số vòng quay của bánh đai chủ động Chọn tỷ số truyền u = 1:1, 1

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 đai𝑝 = 6,28(𝑚𝑚)

Tiêu chuẩn hóa ta chọn theo bảng sau

Hình 2.11 Chiều rộng đai răng b

Từ bảng trên, với mođun𝑚 = 2(𝑚𝑚), ta chọn chiều rộng đai𝑏 = 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

Do tỷ số truyền lựa chọn là 1:1 nên bánh đai không đổi

Với mođun của đai 𝑚 = 2(𝑚𝑚) và tốc độ bánh đai chủ động

1 dc3 3336( )

n =n = rpm , ta chọn số răng bánh 𝑧2 = 20

Số răng của bánh đai bị động:

𝑧2 = 𝑧1Trong đó: + 1 2

2 1

n z u

⇒ 𝑧𝑑min = 46(𝑚𝑚); 𝑧𝑑max = 96(𝑚𝑚) Trị số z tính được cần làm tròn đến giá trị gần nhất trong Bảng 4.30 (trang 70, d

Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một - Trịnh Chất, Lê Văn Uyển)

Hình 2.14 Chiều dài đai răng l d

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:

Với P1 =0,67(kW) - công suất bánh chủ động

⇒ 𝐹𝑡 = 1000 ⋅ 0,67/6,97 = 96,13(𝑁) + K = d 1,1 - hệ số tải trọng động

Vậy đai đủ bền về lực vòng riêng

Lực căng đai ban đầu:

𝐹0 = 1,3𝐹𝑣 = 1,3𝑞𝑚𝑏𝑣2 = 1,3 ⋅ 4 ⋅ 0,016 ⋅ 6, 972 = 4,04(𝑁)

Lực tác dụng lên trục:

𝐹𝑟 = 1,2𝐹𝑡 = 1,2 ⋅ 96,13 = 115,36(𝑁)

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

Hệ số khả năng làm việc tính theo công thức:

m d

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

Hình 2.20 Lựa chọn ổ bi đỡ - chặn

Chọn theo hãng SKF là vòng bi số hiệu 7208 BECBJ