Giới thiệu một số hệ dẫn động hay dùng trong robot công nghiệp

Rôbot là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình.. Robot công nghiệp là tay máy vạn năng, h

MỤC LỤC

Trang

2.1 Giới thiệu một số hệ dẫn động hay dùng trong robot công nghiệp 13

I Tổng quan về robot công nghiệp.

1 Khái niệm về robot.

Rôbot là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình Robot là một tác nhân cơ khí,nhân tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử

Robot công nghiệp là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại

để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác.Robot công nghiệp là máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừahành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình,

có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sảnxuất

2 Lịch sử phát triển của robot.

Trên thế giới

-Vào năm 1921 Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong một vở kịch

-Năm 1950 ở Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên

-Đầu năm 1960 công ty AMF cho ra đời sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran

-Từ năm 1967, ở Anh, người ta đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR

-Từ năm 1968, ở Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu những ứng dụng của IR, năm 1970, Robot đã được chú ý nhiều hơn và bắt đầu xuất hiện ở các nước Đức, Ý, Pháp

-Nhất là vào những năm 1990 số lượng Robot công nghiệp đã gia tăng với nhiều tính năng vượt bậc.

-Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR Trong đó Mỹ và Nhật chiếm đa số

Tại Việt Nam

Nghiên cứu phát triển Robot công nghiệp đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm vừa qua các nghiên động lực học Robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học

và các viện nghiên cứu quan tâm với nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế

Trình độ phát triển của robot ngày nay

Robot ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ và một thành phần không thể thiếu trong các cuộc cách mạng công nghiệp trên toàn thế giới Hiện nay robot được phát triển đến mức có thể thay thế nhiều công việc do con người đòi hỏi tính linh động và thay thế được hầu hết các công việc của con người, chúng có thể tự giao tiếp với con người bằng trí tuệ nhân tọa như robot Sophia

3 Cấu trúc cơ bản của robot.

Về mặt kết cấu, robot được chế tạo rất khác biệt nhau, nhưng chúng được xây dựng từ các thành phần cơ bản như nhau :

- Tay máy : là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo các

chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượnphần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay còn gọi là các trục Tay máy có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp thông thường là một chuỗiđộng hở được tạo thành từ nhiều khâu được liên kết với nhau nhờ các khớp động Khâu cuối (hay khâu tác động cuối) của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc được gắn dụng cụ công tác

-Trung tâm của bộ điều khiển là CPU chịu trách nhiệm quản lý thông tin về bộ nhớ, quản

lý xuất nhập, xử lý thông tin, tính toán và điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển cho

bộ phận chuyển đổi tín hiệu Ứng dụng CPU vào trong bộ điều khiển rất khác nhau đối với từng nhà sản xuất

-Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực của các

cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

- Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác Các

robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

4 Phân loại robot công nghiệp

Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân robot thành các loại: đề các, trụ, cầu, SCARA, kiểu tay người và các dạng khác nữa (xem các hình từ 1.4 đến hình 1.9)

Phân loại theo điều khiển :

Có 2 kiểu điều khiển robot: điểu khiển hở và điều khiển kín

Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén,… )

mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu điều khiển nàyđơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tínhiệu phản hồi vị trí để tãng độ chính xác điều khiển

Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm – điểm và điều khiển theo đường (contour)

5

download by : skknchat@gmail.com

Với kiểu điều khiển điểm – điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kiatheo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc) Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng Kiểuđiều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,…Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ

có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điểu khiển này trên các robot hàn hồ quang, phunsơn

Phân loại theo ứng dụng :

Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự,…

5 Kết cấu của robot

7

download by : skknchat@gmail.com

-Bậc tự do của tay máy :Thông thường các tay máy có trên một bậc tự do Số bậc tự do

hay bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động Trong lĩnh vực robot học (robotic) người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động (có thể là chuyển động thẳng; dọc theo hoặc song song với một trục, hoặc chuyển động quay quanh trục) là một trục, tương ứng theo đó là một toạ độ suy rộng dùng để xác định vị trí của trục trong không gian hoạt động Mỗi trục của tay máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý riêng Thông qua các khảo sát thực tế, người ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạt của tay máy sử dụng trong công nghiệp, các tay máy phải có số bậc chuyển động cao Tuy nhiên, số bậc chuyển động này không nên quá 6 Lý do chính là với 6 bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng thao tác (nằm trong vùng không gian hoạt động của nó) theo mọi hướng Ngoài ra, số bậc

tự do nhiều hơn sáu sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn được kể khi tính bậc chuyển động bởi vì chuyển động này không ảnh hưởng đến vị trí, toạ độ của tay máy

-Hệ tọa độ của robot: mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các

khớp tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản đó được gọi là hệ tọa độ cơ bản, các hệ tọa độ gắn với các khâu động gọi

là hệ tọa độ suy rộng Trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng cách chuyển dịch dài hoặc chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay Hệ tọa độ suy rộng còn gọi là hệ tọa độ biến khớp

-Trường làm việc của robot: là toàn bộ thể tích quét được bởi khâu chấp hành cuối khi

robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông

số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp

6 Ứng dụng của robot công nghiệp

Công nghệ robot đang được ứng dụng vào mọi lĩnh vực đời sống, xã hội, mang lại nhiều thay đổi mạnh mẽ cho nền kinh tế Để ứng dụng hiệu quả công nghệ rô-bốt, bắt nhịp được với cuộc cách mạng công nghiệp (CMCN) 4.0, các doanh nghiệp Việt Nam cần có chiến lược rõ ràng để mang lại hiệu quả trong sản xuất

Trong CMCN 4.0 việc ứng dụng tự động hóa, trí tuệ nhân tạo vào sản xuất, kinh doanh là một

xu hướng tất yếu nhằm tạo ra năng suất lao động cao Trên thế giới đã có nhiều nhà máy sử dụng toàn bộ hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa, đưa rô-bốt vào thay thế sức lao động của con người, tạo ra các sản phẩm tốt, độ chính xác cao Trong khi đó, tại Việt Nam hầu hết dây chuyền sản xuất vẫn chưa được tự động hóa, sử dụng công nghệ cũ, chỉ đưa công nghệ thông tin và điều khiển, tự động hóa vào một số công đoạn ở mức độ đơn giản Vì vậy sản phẩm của doanh nghiệp Việt Nam khó cạnh tranh được với thế giới do chất lượng kém hơn,

đầu TS Hoàng Việt Hồng, Phó Tổng Giám đốc Công ty cổ phần Viện máy và dụng cụ công nghiệp cho biết, đơn vị đã nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành công hệ thống máy đóng bao tự động cho Công ty Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao, nhờ đó giúp giảm lượng nhân công đáng kể, và năng suất cao hơn nhiều lần Công nghệ này đã thay thế cho hoạt động của các công nhân đóng bao bằng tay giúp tăng mỹ quan sản phẩm, giảm lượng bụi phát tán ra môi trường ở vị trí kẹp bao, gấp bao làm ảnh hưởng trực tiếp sức khỏe người lao động.

II Phân tích thông số kỹ thuật của robot.

1 Kết cấu của robot.

Robot gồm 4 khâu và 3 khớp:

Khâu 0 cố định

Khâu 1 quay quanh trục thẳng đứng

Khâu 2 quay quanh trục nằm ngang vuông góc với mặt phẳng chứa khâu

1 Khâu 3 quay quanh trục nằm ngang vuông góc với mặt phẳng chứa

khâu 1 3 khớp quay và không có khớp nào tịnh tiến

Cấu trúc động học của tay máy có các thông số động học được chọn như trong bảng 2.1:

9

download by : skknchat@gmail.com

Bậc tự do của robot đặc trưng cho khả năng làm việc tự do của robot.

Được tính thông qua công thức:

f : Là bậc tự do của cơ cấu

:Là bậc tự do không gian mà tay máy thực hiện chuyển

Từ đó ta tính được bậc tự do của robot là: f = 6.(3 – 3) + 3 + 0 + 0 = 3

2 Nguyên lý hoạt động của robot.

sin(α ) sin( β) cos (η)+cos (α ) sin( η) −sin (α )sin ( β) sin (η)+cos(α )cos( η ) −sin (α )cos( β) y E

−cos (α )sin( β )cos (η) +sin (α) sin( η) cos (α )sin (β )sin (η)+sin( α ) cos( η) cos (α ) cos( β) z E

So sánh hai ma trận0A3(p), 0A3(q) ta thiết lập được hệ phương trình động học sau:

11

download by : skknchat@gmail.com

3 Chọn mô đun chuyển động của robot để thiết kế:

Chiều dài các khâu 1, 2, 3 lần lượt là 57, 50 , 42 (cm)

Quỹ đạo của điểm tác động cuối là đường thẳng.

Robot cần nâng một vật có trọng lượng 5kg

Khối lượng của các khâu 1, 2, 3 lần lượt là 20, 15, 10 (kg)

Chọn khâu 2 để thiết kế

Các thông số câu 2:

III Tính toán và thiết kế.

1 Tính toán động cơ điều khiển mô đun:

−0.21 cos(q1 ) co s (q2 ) cos ( q3)+0.21 cos (q1 )sin (q2) sin ( q3)

r=R= −0.21 sin( q1) co s ( q2) cos ( q3)+0.21 sin (q 1 )sin ( q2 )si n (q3)

r3c3=[−0.21,0,0 ] T −0.21 sin (q2) cos ( q3 )−0.21cos (q2 ) sin (q3)

{r33 = [−0.42,0,0 ]T =>

[−0.42 cos(q1 ) co s (q2 ) cos ( q3)+0.42 cos (q1 )sin (q2) sin ( q3)

download by : skknchat@gmail.com

Thay vào công thức:

−42cos ( q1 )co s (q2 ) cos (q3 ) + 42 cos (q1 ) sin (q2 ) si n (q3 )

Moment{ sinh ra bởi động cơ: 0

−42cos ( q1 ) cos (q2 ) cos (q3

Momen sinh ra bởi động cơ:

0

℉

21 =[ 0 ]

300

−42 sin ( q1 ) sin ( q2 ) sin (q3 ) +112,5 sin (q1 ) co s(q2 ) ] )

+42 cos ( q1 ) sin (q2 ) sin ( q3 )−112,5 co s (q1 ) co s (q2 )

−42 sin ( q1 ) sin ( q2 ) sin (q3 ) +112,5 sin (q1 ) co s(q2 ) ] )

+42 cos ( q1 ) sin (q2 ) sin ( q3 )−112,5 co s (q1 ) co s (q2 )

0

2 Tính toán bộ truyền động.

2.1 Giới thiệu một số hệ dẫn động hay dung trong công nghiệp.

Có rất nhiều loại hộp giảm tốc được sử dụng trong thiết kế robot công nghiệp, phụ thuộc vào yêu cầu kĩ thuật, mục đích ứng dụng của robot ta có thể chọn được một hộp giảm tốc phù hợp.Dưới đây là các hộp giảm tốc thông dụng trong thiết kế robot và đặc điểm ứng dụng cơ bản của chúng

a) Hộp giảm tốc bánh răng trụ.

15

download by : skknchat@gmail.com

Hộp giảm tốc bánh rang trụ có hiệu suất truyền không cao, có tỉ số kích thước trên tỉ số truyền lớn, độ chính xác không cao, tỉ số truyền thấp, trong các robot yêu cầu kết cấu nhỏ, độ chính xác cao thường không được sử dụng Tuy nhiên với các yêu điểm kết cấu cơ khí đơn giản, giá thành rẻ và phổ biến trên thị trường có khả năng làm việc với phạm vi vận tốc và tải trọng rộng nên bộ truyền bánh răng trụ vẫn được sử dụng phổ biến cho các tay máy công nghiệp.

b) Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh.

Bộ truyền hành tinh bao gồm các bánh răng trung tâm, cần mang trục, các bánh vệ tinh Bộ truyền hành tinh có các yêu điểm như kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, độ chính xác cao, hiệu suất cao,quán tính nhỏ, tùy vào kết cấu mà có dải tỷ số truyền từ một đến hang trăm lần

c) Bộ truyền bánh răng song song

Bộ truyền bánh răng song song có nhiều ưu điểm như độ chính xác cơ khí lặp lại cao momen xoắn truyền lớn, hệ số giảm tốc cao từ 50 : 1 cho tới 320 : 1, kết cấu đồng trục Loại bộ truyền này có kết cấu phức tạp, khó chế tạo nên giá thành cao tuy nhiên vẫn được ứng dụng rộng rãi cho robot.

16

download by : skknchat@gmail.com

2.2 Thiết kế bộ dẫn động cho khâu 2.

Vì công suất không quá lớn và tốc độ quay không cao, ta chọn bộ truyền bánh rang trụ rang thẳng dẫn động cho khớp quay khâu 2 của robot

2.2.1 Chọn động cơ

a) Thông số đầu vào

Từ kết quả tính toán tĩnh học robot ta có:

Khâu 2 có momen quay là: M 2 42 cos( q

2 q

3 ) 112, 5 cos( q

Hiệu suất của bộ truyền bánh răng trụ: br 0,96

( được che kín)

Hiệu suất của bộ truyền ổ lăn: ol =0,99 ( được che kín)

Hiệu suất của khớp nối: kn = 1

Ta có một cặp bánh răng ăn khớp, hai cặp ổ lăn, một khớp nối.Hiệu suất chung của bộ truyền là:

. 2

P 0,49

Công suất cần thiết của bộ động cơ: P ct lv 0,94 0,52(kW )

Chọn sơ bộ tỉ số truyền u = 4

Tốc độ quay sơ bộ của động cơ: ndc = n2.u = 120 ( vòng/phút )

c) Công suất trên các trục

Công suất trên trục làm việc: Plv = 0,49 (kW)

Tốc độ quay trên trục làm việc: n

download by : skknchat@gmail.com

ECMA -E1310RS

Để tang khả năng chạy mòm ta nên chọn vật liệu bánh nhỏ có độ rắn lớn hơn bánh lớn từ 10-15 HB:

Ta xét độ bền tiếp xúc của mặt răng làm việc và độ bền uốn chân răng thông qua ứng

suất Ứng suất cho phép được xác định theo công thức:

H – Là ứng suất tiếp xúc cho phép

ZR – Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ nhám bề mặt răng

ZV – Hệ số xét đến ảnh hưởng của vận tốc vòng, ZV = 0,85v0,1 ( với HB 350 )

KxH – Hệ số xét đến ảnh hưởng của kích thước bánh rang

21

download by : skknchat@gmail.com

KHL – Hệ số tuổi thọ

F - Ứng suất uốn cho phép

YR – Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ nhám mặt lượn chân rang

YS - Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ nhạy vật liệu với tập trung ứng suất

KxF - Hệ số xét đến ảnh hưởng của kích thước bánh rang

download by : skknchat@gmail.com

HE , N

FE - Số chu kì thay đổi ứng suất tương đương

Do coi bộ truyền chịu tải trọng tĩnh nên N

HE = N

FE = N

= 60c.n tVới :

c số lần ăn khớp trong một vòng quay: c = 1

Cánh tay robot quay 2 chiều nên tải trọng đặt 2 chiều và HB < 350 nên K FC = 0,7

c) Ứng suất cho phép khi quá tải

Bánh răng tôi cải thiện nên:

download by : skknchat@gmail.com

là hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng khi tính về tiếp xúc.

Tra bảng 6.7 trang 98 với sơ đồ 6 ta được :

download by : skknchat@gmail.com

zt

ZM là hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp

Tra bảng 6,5 trang 96: ZM = 274(MPa1/3)

download by : skknchat@gmail.com

Vậy thỏa mãn điều kiện ứng suất tiếp xúc.

g) Kiểm tra độ bền uốn

Công thức kiểm nghiệm:

Fββ - hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng khi tính về uốn, tra

bảng 6,7 trang 98 với ψ bd = 1,06 , sơ đồ 6 được : K Fββ =1,1

download by : skknchat@gmail.com

Tra bảng 6.16 trang 107 với cấp tính chính xác 8 được : g0 =56

w = 48,8 (mm)

K Fβv=1+ v Fβ .b w d w1 = 1+ 10,44.48,8 48,8 = 1,27

2 T

1KFββK

Vậy K Fβ = K

Fββ

K Fβα

KFβv = 1,1.1.1,27 = 1,4

=1,5

T

Do vậy :

27

download by : skknchat@gmail.com

σ Hmax =σ H √K =. √1,5=497,83 ≤ [σ H ]max = 1260(MPa) { σ Fβmax1=σ Fβ1 K qt qt =47,93.1,5 =72 ≤ [σ Fβ1 ]max= 464(

MPa)

σ Fβmax 2 =σ Fβ2 K qt =49,48 1,5=74,22 ≤[σ Fβ2 ]max =360(MPa)

Thỏa mãn điều kiện về tải