Chính những lý do đó đã thúc đẩy sự phát triển của phươnng pháp sản xuất tiên tiến, đó là chế tạo ra các loại robot được đưa vào quy trình chế tạo để thực hiện nhiều nguyên công như: chu
Giới thiệu Robot Scara
Khái niệm Robot
Thuật ngữ “Robot” đã được sử dụng lần đầu tiên bởi Karel Capek trong vở kịch của ông Rosum’s Universal Robots được xuất bản vào năm
Năm 1921 được xem như một gợi ý đầu đời cho các nhà sáng chế kỹ thuật về việc thiết kế các cơ cấu và máy móc bắt chước các hoạt động của con người Quan điểm này nhấn mạnh tiềm năng của tự động hóa và mô phỏng hành vi, mở đường cho những tiến bộ trong lĩnh vực robot, cơ cấu học và công nghệ sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật quan trọng ra đời sớm: cơ cấu điều khiển từ xa (teleoperation) và máy công cụ điều khiển số NC (Numerically Controlled Machine Tool) Sự phát triển của hai lĩnh vực này đã hình thành nền tảng cho tự động hóa, mang lại độ chính xác cao và hiệu suất làm việc vượt trội cho các hệ thống robot trong sản xuất hiện đại.
Robot là thiết bị linh hoạt phục vụ con người
– Có hình dạng (cơ cấu) gần giống tay người
– Có khả năng thao tác tự động
– Có khả năng bắt chước thao tác con người.
Các bộ phận chính của cánh tay robot
– Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt
– Hệ thống thông tin giám sát.
• Tay máy hoạt động được nhờ các động cơ thông qua các bộ truyền như: hộp giảm tốc bánh răng, bánh răng - thanh răng, trục vít, khí nén, …
• Kết cấu tay robot vững chắc, hoạt động tin cậy, dễ dàng đạt đến vị trí của vật thể được tác động.
Thuật ngữ Scara được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại Nhật Bản, trong các nghiên cứu lắp ráp tại Đại học Yamanashi Nó là viết tắt của "Selective Compliance Assembly Robot Arm", có nghĩa là "Cánh tay robot lắp ráp có chọn lọc" trong tiếng Việt.
Nguyên mẫu ban đầu của Scara là một loại tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, với ba khớp có trục song song nhau, tạo thành một cấu trúc nối tiếp Theo đó, động cơ ở đầu hệ thống phải kéo theo toàn bộ các động cơ phía sau Nếu Scara được thiết kế dưới dạng hai cánh tay, hai động cơ đầu tiên được cố định ở vị trí và đảm nhận chức năng kéo và điều khiển các động cơ còn lại.
Trong so sánh với kết cấu theo phương thẳng đứng, robot Scara vững chắc và cứng hơn, nhưng theo phương ngang lại kém cứng hơn Vùng làm việc của robot Scara là một phần hình trụ rỗng, được thiết kế theo mô hình cử động như bàn tay người thao tác Cũng với tên gọi phổ biến là robot Scara, nó còn được biết tới với các thuật ngữ khác như Scara song song (parallel scara robot) và Scara cánh tay (scara robot arm) Trên thị trường, Scara có rất nhiều loại khác nhau.
1.3 Một số ứng dụng của robot scara
- Lắp ráp và thử nghiệm các chi tiết khác nhau, lắp ráp các linh kiện điện tử
- Kiểm tra bảng PC, tự động làm sạch các thành phần mạch
- Ứng dụng tự động trong y tế
Hình 1.2 Robot Scara lắp ráp linh kiện điện thoại di động
Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật
Nguyên lý hoạt động
2.1.1 Phân tích nguyên lý hoạt động
Robot Scara được thiết kế theo mô hình một cánh tay máy, hoạt động theo nguyên lý tương tự cánh tay người Cánh tay máy gồm các khớp và cơ cấu tạo nên các chuyển động cơ bản, trong khi cổ tay tạo sự khéo léo và linh hoạt cho các thao tác tinh vi Bàn tay robot trực tiếp thực hiện các thao tác trên đối tượng cần tác động, mang lại hiệu suất và độ chính xác cao cho quy trình gia công hoặc xử lý.
Robot Scara được truyền động bởi các loại động cơ như động cơ điện, thủy lực và khí nén, hoặc sự kết hợp của chúng tùy theo điều kiện vận hành Các nhà sản xuất thiết kế Scara với hệ thống cảm biến khác nhau để phù hợp với từng ứng dụng cụ thể Dù khác nhau về cảm biến, tất cả robot Scara đều được điều khiển bởi hệ thống điều khiển Controller, tức các máy tính giám sát và điều khiển mọi hoạt động của Scara.
2.1.2 Thông số kỹ thuật quan trọng của robot
-Sức nâng của tay máy.
-Độ cứng vững của robot.
-Lực kẹp của tay là bao nhiêu.
-Tầm với của tay máy (Vùng làm việc của tay máy) Đây chính là kích thước, hình dáng vùng mà tay máy có thể với tới khi hoạt động.
-Sự khéo léo của tay máy (khả năng định vị và định hướng tự động của tay máy trong quá trình làm việc)
Các thông số này liên quan trực tiếp đến các cấp độ của Scara; tay máy có cấu tạo đơn giản sẽ tương ứng với Scara bậc 2, còn tay máy ở mức tối ưu nhất thuộc Scara bậc 6 tự do với độ hoàn thiện gần như bằng tay người, có cử động linh hoạt và lực nâng mạnh.
- SCARA là một cấu hình tiêu chuẩn giữa các robot Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, chúng ta có những điểm sau đây:
• Robot SCARA 3 bậc tự do
• Độ chính xác lặp: (x, y) = ± 0.02 mm, (z) = ±0.01 mm
• Vận tốc cực đại khâu tác động cuối: 2780 mm
• Gia tốc cực đại khâu tác động cuối:
• Sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc cho khâu tịnh tiến.
Xác định các thành phần của hệ thống dẫn động
Hình 2.1 Sơ đồ động học robot SCARA 3 bậc tự do
*Các thành phần kết cấu của Robot Scara
Tay robot có 3 bậc tự do, thiết kế cơ khí dạng 2 khớp xoay, 1 khớp tịnh tiến.
Khâu cố định: là thân Robot, đặt thẳng đứng giữ robot cố định khi làm việc, gắn với khâu động 1 qua khớp xoay 1 với trục z01 thẳng đứng.
Khâu 1 của hệ thống dẫn động được đặt nằm ngang, vuông góc với trục thẳng đứng và hoạt động suốt quá trình của robot; thiết kế này cho phép khâu dẫn động quay quanh trục Z01 thông qua khớp xoay 1, từ đó mở rộng phạm vi và tăng tính linh hoạt cho các chuyển động của robot trong mọi thao tác.
Khâu 2: Khâu động có khả năng xoay trong mặt phẳng vuông trục thẳng đứng qua khớp xoay 2 nối với khâu 1
Khâu 3: trục vít - đai ốc bi và thanh trượt (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 –
• Khớp xoay 1, 2 : hệ bánh răng(hộp giảm tốc), truyền động đai…
• Khớp 3: khớp tịnh tiến (trục vít – đai ốc)
CHƯƠNG 3 Thiết kế hệ thống cơ khí
Hình 2.1 Sơ đồ động học robot SCARA 3 bậc tự do.
Trong đó : θ1, θ2, d3 là các biến khớp Đặt θ1 =q1 , θ2 = q2
- Các ma trận biến đổi thuần nhất:
T1 0=[ cos sin ( 0 0 (q q 1) 1) −sin cos 0 0 (q (q 1 1) ) 0 0 1 0 a a 1cos 1sin d 1 1 (q (q 1) 1) ]
T2 1=[ cos sin ( 0 0 (q q 2) 2) −sin cos 0 0 (q (q 2 2) ) 0 0 1 0 a a 1cos 1sin 0 1 (q ( q 2) 2) ]
T2 0=[ cos sin ( (q q 0 0 1+q 1+q 2) 2) −sin cos (q (q 0 0 1+q 1+q 2) 2) 0 0 1 0 a a1sin 1cos ( ( q q 1)+a 1)+a d 1 2cos 2sin 1 ( (q q 1+ 1 +q q 2) 2) ]
T2 0=[ cos sin ( (q q 0 0 1+q 1+q 2) 2) −sin cos (q (q 0 0 1+q 1+q 2) 2) 0 0 1 0 a a1sin 1cos ( ( q q 1)+a 1)+a d 1 2cos 2sin 1 ( (q q 1+ 1 +q q 2) 2) ]
T 0 3=T1 0.T 1 2.T 2 3 [ cos sin ( (q q 0 0 1+ 1+ q q 2) 2) −sin cos (q (q 0 0 1+ 1+q q 2) 2) 0 0 1 0 a a1sin 1cos ( ( q q 1)+a 1)+a d 1+d 1 2cos 2sin 3 ( (q q 1 1+q +q 2) 2) ]
- Ma trận biểu diễn hướng của điểm thao tác
R 3 0 = [ cosq sin q 1 1 cosq cosq 2 2 + cos q - sin q 0 1 1 sin q sin q 2 2 -cosq cosq 1 1 cosq sin q 2 2 - sin q 0 - s inq 1 1 sin q cos q 2 2 0 0 1 ]
Vị trí điểm thao tác được xác định bởi r3^0 = { x = 0.33 cos(q1 + q2) + 0.37 cos(q1), y = 0.33 sin(q1 + q2) + 0.37 sin(q1), z = d3 + d1 } Từ đó suy ra vận tốc của điểm cuối tay kẹp, bao gồm vận tốc tuyến tính của đầu kẹp, gia tốc điểm cuối và vận tốc góc của các khâu, nhằm mô tả động học của hệ thống và phục vụ cho tính toán quỹ đạo và điều khiển.
Vận tốc điểm cuối: ma trận jacobi tịnh tiến của khâu cuối:
J TE = [ − a a 2 cos 2 sin( ( q q 1+ 1+ q q 0 2)−a 2)−a 1 1 cos sin (q (q 1 1 ) ) −a a 2 cos 2 sin (q (q 0 1+q 1 +q 2) 2) 0 0 1 ]
vận tốc dài điểm tác động cuối: v 3 0 =J TE (q ) ˙ q= ¿
• Gia tốc dài điểm cuối: a 3 0= d (v dt 3 0 ) = ¿
vận tốc góc khâu cuối
Ma trận cóin chỉ hướng khâu 3:
A 3 0 = [ cos sin (q (q 0 1+ 1+q q 2) 2) −sin cos (q (q 0 1+ 1+ q q 2) 2) 0 0 1 ] vector vận tốc góc khâu 3:
• vận tốc góc khâu 3 là: w 3 0 =[ 0 0 q ˙ 1 + ˙ q 2 ] T tương tự ta có:
Với vị trí, vận tốc và gia tốc đã cho, bài toán động học ngược của robot được giải để suy ra các tọa độ, vận tốc và gia tốc tương ứng Quá trình này làm rõ trạng thái động học của hệ, cung cấp các tham số cần thiết cho lập trình điều khiển, tối ưu hóa đường đi và cải thiện độ chính xác của các thao tác Nhờ đó có thể mở rộng phạm vi ứng dụng và tối ưu hóa điều khiển robot trong các bài toán mô phỏng và thực thi thực tế.
Từ phương trình (3) ta có:
Bình phương 2 vế phương trình (1) và (2) ta có: ¿cộng 2 vế của phương trình ta được: x E 2 + y E 2 =a 2 2 + a 1 2 + 2 a 1 a 2 [ cos( q 1 + q 2 ) cos ( q 1 ) + sin(q 1 + q 2 ) sin ( q 1 )¿
2a 1 a 2 ) Biến 2 phương trình 1 và 2 trở thành hệ phương trình với 2 ẩn: cos q 1 ,sin q 1
⇔ { (a a 2 sin q 2 cosq 2 cos q 2 +a 1 1 ) +(a cosq 2 cosq 1 - a 2 2 sin q + a 1 ) 2 cosq sin q 1 1 = = x y E E
Từ các định thức của hệ phương trình bậc nhất 2 ẩn: Δ= | a 2 a cosq 2 sin q 2 +a 2 1 - a a 2 cosq 2 sin q 2 +a 2 1 | =a 2 2 +a 1 2 + 2 a 1 a 2 cosq 2 = x E 2 + y E 2 ; Δ x = | x y E E - a a 2 cosq 2 sin q 2 +a 2 1 | = a 1 x E + a 2 (x E cos q 2 + y E sin q 2 ) ; Δ y = | a 2 a cosq 2 sin q 2 +a 2 1 x y E E | =a 1 y E + a 2 ( y E cosq 2 − x E sin q 2 ) ;
Giải hệ phưong trình bậc nhất 2 ẩn ta được:
{ cosq sin q 1 1 = = Δ Δ Δ Δ y x = = a a 1 1 y x E e + + a a 2 2 ( ( y x x x E E E E cosq cos q 2 2 + + y y E E 2 2 2 2 − + y x E E sin q sin q 2 2 ) )
⇔q 1 = arctan( sin q 1 cos q 1 ) =arctan ( a 1 y e +a 2 ( y e cosq 2 − x e sin q 2 ) a 1 x e +a 2 ( x e cos q 2 + y e sin q 2 ) )
3.2 Động lực học Robot SCARA
Để tính toán động lực học của robot, chúng ta thiết lập một hệ phương trình vi phân chuyển động dựa trên sơ đồ động học và phương trình Lagrange loại II Phương trình vi phân này được viết ở dạng tổng quát d/dt( ∂L/∂q̇_i ) − ∂L/∂q_i = Q_i, với L = T − V là Lagrangian, q_i là các tọa độ đại diện cho trạng thái cấu hình và q̇_i là vận tốc tương ứng; T là động năng, V là thế năng và Q_i là các lực tác dụng lên hệ ở bậc tự do i Khi các lực ngoài và thế năng được xem xét, hệ động lực học robot được mô phỏng bằng các phương trình vi phân dựa trên các tham số động năng và lực tác động, từ đó xác định quỹ đạo và đáp ứng điều khiển của robot Sơ đồ động học đi kèm giúp minh hoạ cấu trúc liên kết và chuẩn bị cho quá trình thiết kế, phân tích và tối ưu hoá điều khiển robot theo yêu cầu đề bài và tiêu chí SEO.
T là động năng của robot Π là thế năng của robot qi là tọa độ suy rông thứ i
Q i kt là lực suy rộng các lực không thế ứng với tọa độ suy rộng qi
Trong thiết kế robot, người ta thường chuyển bài toán động học sang dạng ma trận của phương trình Lagrange loại II để tận dụng tối đa các công cụ toán học và thực hiện mô phỏng trên máy tính Dạng ma trận này cho phép mô hình hóa động lực học của robot dưới hệ phương trình vi phân, từ đó dễ dàng phân tích trạng thái, tính toán lực và mô phỏng quỹ đạo một cách chính xác và hiệu quả Phương trình vi phân chuyển động của robot có cấu trúc logic giữa gia tốc, vận tốc và vị trí, hỗ trợ tối ưu hóa điều khiển, thiết kế cơ cấu và cải thiện độ tin cậy của các mô phỏng Việc áp dụng Lagrange loại II không chỉ giúp nhận diện tham số mà còn kiểm tra đáp ứng động lực phức tạp, từ đó nâng cao hiệu suất vận hành và giảm chi phí phát triển hệ thống robot.
M là ma trận khối lượng
Q là vecto lực suy rộng của các lực không thế.
Q=U+ J T E F 0 E với U =¿ là lực dẫn động τ 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 Ở nội dung báo cáo này, nhóm thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho robot dạng ma trận.
Ma trận khối lượng M Đặt cos()=c, sin()=s, cos(q1+q2)=c12, sin(q1+q2)=s12
Ma trận khối lượng suy rộng được tính theo công thức:
M(q)=∑ k =1 n (J Tk T m k J Tk + J Rk T A k 0 I Ck k A k 0 T J Rk )= M T (q)
Tọa độ khối tâm O C 1 trong hệ tọa độ 1: u C (1) 1 ¿ −l 1 0 0 ¿¿ T , l 1 = a 2 1 là khoảng cách từu khối tâm O C 1 đế gốc O1
+ Bán kính định vị khối tâm O C 1: r c1 0 =¿ (a1-l1)c1 (a1-l1)s1 d1] T + Ma trận Jacobian tịnh tiến :
+Ma trận momen quan tính khối:
Tọa độ khối tâm O C 2 trong hệ tọa độ 2: u C (1) 2 ¿ −l 2 0 0 ¿¿ T , l 2 = a 2 2 là khoảng cách từu khối tâm O C 2 đế gốc O2
+ Bán kính định vị khối tâm O C 2: r C 0 2 = [ a a 1 1 c s 1 1 +(−l +(−l d 2 +d 2 2 +a +a 1 2 2 ) ) c s 12 12 ]
+ Ma trận Jacobian tịnh tiến :
+Ma trận momen quan tính khối:
Tọa độ khối tâm O C 3 trong hệ tọa độ 3: u C (1) 3 ¿ −l 3 0 0 ¿¿ T , l 3 =q3+const là khoảng cách từu khối tâm O C 3 đế gốc
+ Bán kính định vị khối tâm O C 3: r C 0 3 = [ q 3 + a a const 1 1 c s 1 1 + + a a + 2 2 d c s 12 2 12 + d 1 ]
+ Ma trận Jacobian tịnh tiến :
+Ma trận momen quan tính khối:
Vậy ma trận khối lượng M được xác định:
M(q)=∑ k =1 n (J Tk T m k J Tk + J Rk T A k 0 I Ck k A k 0 T J Rk ) = [ m m m 11 21 31 ( ( ( q) q) q) m m m 12 22 32 ( ( ( q) q) q) m m m 13 23 33 (q) (q) (q) ]
Sử dụng phần mềm Maple, ta thu được kết quả tính toán như sau: m 11 (q )= I zz 1 + I zz 2 + I zz 3 + m 1 a 1 2
4 +m 3 ( 2 a 1 a 2 cos ( q 2 ) + a 1 2 + a 2 2 ) + m 2 ( a 1 a 2 cos ( q 2 ) + a 1 2 + a 4 2 2 ) m 12 (q )=m 21 ( q )=I zz 2 + I zz 3 +m 2 ( a 1 a 2 cos 2 ( q 2 ) + a 4 2 2 ) +m 3 (a 1 a 2 cos ( q 2 ) +a 2 2 ) m 13 (q )=m 31 ( q)=m 23 ( q)=m 32 (q)= 0 m 22 (q )= I zz 2 + I zz 3 + m 2 a 2 2
Ma trận đặc trưng cho lực quán tính Coriolis và lực quán tính li tâm 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: c 11 ( q , q)=−( ˙ m 2
Chọn gốc thế năng trùng với hệ tọa độ cơ sở.
Lực suy rộng của các lực không thế
Trong đồ án này, robot được xem là mô hình lý tưởng, bỏ qua ma sát và lực cản nhớt để tập trung vào các yếu tố động học cơ bản Lực không thế ở đây chỉ bao gồm lực do vật tác động lên khâu thao tác cuối của hệ thống, tức là các tác động lên khớp hoặc cơ cấu tại điểm kết thúc chu trình thao tác Xét trường hợp tổng quát với lực và moment có giá trị, ta có thể phân tích tác động lên cơ cấu và xác định điều kiện cân bằng hoặc truyền động của robot Các giả thiết này giúp mô phỏng và thiết kế điều khiển hiệu quả hơn, đồng thời làm rõ vai trò của lực và moment lên khâu thao tác cuối.
F 3=[ Fx , Fy , Fz] T ;M 3=[ Mx , My ,Mz ] 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 =¿ là lực dẫn động τ 1 của động cơ đặt tại các khớp.
Vậy:Q= [ − 0 0 F z ] + [ τ τ τ 1 2 3 ] là vector lực suy rộng cần xác định.
Kết luận kết quả của bài toán động lực học:
Hay lực điều khiển tại các khớp:
3.3 Tính toán thiết kế khâu 3:
3.3.1 Tính chọn tay kẹp robot:
Giả sử tải có dạng hình hộp chữ nhật.
Trọng lượng của tải tối đa là 20 kg
→P t 6 N Để tay kẹp có thể giữ được vật thì: F ms ≥ P t + F qt
Với F ms = F k μ , F k là lực giữ kẹp của tay kẹp, μ là hệ số ma sát của tay kẹp và vật, đối với hai bề mặt kim loại ta lấy μ=0.6
Chọn quỹ đạo vận tốc dạng hình thang: v
Chọn thời gian tăng tốc từ 0 đến vmax là 0.29s ¿> a 1 max = v max
Dựa vào yêu cầu trên em chọn tay kẹp CHS2-S68 của hãng TOYO.
Thông số kỹ thuật của tay gắp:
Cơ cấu chuyển động Chuyển động bằng vitme Độ chính xác lặp lại vị trí ±0.01(mm)
Hành trình đóng mở 68 (mm)
Tốc độ đóng mở 10~50(mm/s)
Má kẹp sẽ được chế tạo từ thép CT45 và giới hạn khối lượng sao cho tổng khối lượng tay kẹp và má kẹp là 2 kg.
3.3.2 Tính chọn vít me đai ốc bi:
Vì khâu 1 và khâu 2 chỉ chuyển động trong mặt phẳng x–y nên khâu 3 luôn ở trạng thái thẳng đứng; do đó trong phân tích tải trọng khâu 3 ta xem xét trường hợp chịu tải cao nhất khi lực quán tính và trọng lực tác dụng lên tải cùng chiều, làm gia tăng lực tác động theo hướng của khâu.
Khâu 3 sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc bi.
⁺ Trọng lượng tải trọng: Fa = 196 N
⁺ Quãng đường dịch chuyển: l0 = 200 mm
Mô hình trục vít me – đai ốc bi Tùy theo dạng chuyển động của vít và đai ốc có thể chia ra các loại:
Vít vừa quay vừa tịnh tiến, đai ốc cố định với giá
Đai ốc quay, vít tịnh tiến
Vít quay, đai ốc tịnh tiến
Đai ốc vừa quay vừa tịnh tiến, vít cố định Đối với khâu 3 em sẽ sử dụng loại vít me đai ốc quay vít tịnh tiến (rotating nut)
- Vận tốc tịnh tiến của vít và số vòng quay trong một phút của đai ốc có liên hệ: v= 60× n Z p 1000
Trong đó: Z – số mối ren p– Bước ren, mm n– tốc độ quay của đai ốc, vòng/phút.
Lựa chọn vật liệu: ỨNG SUẤT GIỚI HẠN
-Vít, bi: Thép 40CrMn (σ ¿¿ chx5 MPa) ¿
Thép hợp kim kết cấu 40X được sử dụng chủ yếu cho các bộ phận nặng trong máy móc như trục, trục bánh răng, pít-tông, thanh, trục khuỷu và trục cam; nó cũng được ứng dụng cho các chi tiết vòng, trục chính, chân trôi, bạt, bánh răng, bu lông, nửa trục, ống lót và ốc vít Thép crom 40X cũng được sử dụng trong các thành phần rèn, lạnh và dập nóng, và các sản phẩm thép từ loại này được dùng cho đường ống, bể chứa và các ứng dụng sản xuất khác.
-Đai ốc: Thép chịu lực 100Cr6
Thép chịu lực 100Cr6 là một loại thép hợp kim đặc biệt có hàm lượng carbon và crom cao, nổi bật với khả năng chống biến dạng trong quá trình cán và kéo cũng như giảm độ mỏi của chi tiết cơ khí Với đặc tính bền và khả năng chịu mỏi tốt, 100Cr6 được sử dụng phổ biến để chế tạo vật liệu chịu lực trong ngành công nghiệp cơ khí; bên cạnh đó, các loại thép carbon cao và thép không gỉ cũng được thiết kế để kháng ăn mòn kim loại và phục vụ cho các bộ phận chịu lực khác nhau.
Sơ đồ truyền động trục vit me-đai ốc bi
Các thông số đầu vào:
- Trọng lượng tay kẹp: Pkẹp = 2*9.8 = 19.6 N
- Vận tốc lớn nhất của đai ốc v3 = 2780 mm/s
- Gia tốc lớn nhất của đai ốc a = 9.6 m/s 2
Vít me chỉ chuyển động trên một trục thẳng đứng, nên lực dọc trục lớn nhất xảy ra khi lực quán tính của tải đồng hướng với trọng lực của tải Lực dọc trục tối đa được tính bằng công thức F_a,max = F_qt + P, trong đó F_qt là lực quán tính của tải và P là trọng lực của tải.
Trong đó : Độngcơ Vít me đai ốc
Tính toán sơ bộ đường kính ren trong d1 của ren theo độ bền kéo d 1 ≥ √ 4 × π× 1.3 [ σ × F K ] a
Trong đó : Fa là lực dọc trục d1 là đường kính trong của vít me (mm)
[ σ K ]= [ σ 3 ch ] Với σ ch là giới hạn chảy của vật liệu làm vít Trục vít me ở đây được làm từ thép 45, có [σ ch ] là 360 (MPa) => [σ K ] = 120 (MPa)
Thay các giá trị vào ta được giá trị của d 1 ≥ √ 4 × 1.3 π 120 × 426.8
d 1 ≥ 2.43 mm chọn d1# do theo tiêu chuẩn của SKF về vít me đai ốc bi loại rotating nut d0 = 25 (mm)
Trong danh mục vít me đai ốc bi loại rotating nut do hãng SKF cung cấp, em chọn loại vít me SLT/TLT 25x25R, với đường kính chân ren trục vít me là 25 mm.
25 mm, bước vít là 25 mm.
Vít me đai ốc bi loại rotating nutTính các thông số của bộ truyền
Hình: Các kích thước bộ truyền vít me bi Đường kính bi: db= (0.08÷0.15) d1=0,1.23 =2,3(mm)
Bán kính rãnh lăn: r1 = (0,51÷0,53) db = 0.51*3 = 1.53 (mm)
Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi c= ( r 1 − d 2 b ) cosβ = ( 1,53 − 3 2 ) cos45=0.02 (mm)
Trong đó: β là góc tiếp xúc (45 o ) Đường kính vòng tròn qua các tâm bi
Dtb=d1+ 2 (r1-c) = 26.02 (mm) Đường kính trong của ren đai ốc
Chiều cao làm việc của ren h1 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+ 2.h1= 25 (mm)
Góc nâng vít γ: γ = arctg ( π D p tb ) = arctg( π × 25 26.02 ) o
Số bi trong các vòng ren làm việc:
3 −1a.67 ≈ 62viên Với số vòng ren làm việc là K=2.3
Trích sách Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1-Trịnh Chất
Khe hở hướng tâm Δ= D 1 −(2 d b +d 1 )).04 −(2.3+ 23)=0.04 mm
Góc ma sát lăn thay thế: φ 1 =arctg ( d 1 2 sin f t β ) =arctg ( 23.sin 4 5 2.0,005 o )=0.035 o
Hệ số ma sát lăn f t = 0.005
Hiệu suất lý thuyết biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến: η= tgγ tg( γ + φ 1 ) = tg 17 o tg (17 o +0.035 0 ) =0.9978
Tính kiểm nghiệm về độ bền
Tải trọng riêng dọc trục: q a = Z F a b d b 2 λ = 426.8
62.3 2 0,8 =0.956 (21)Với λ = 0.8 – hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi.
Từ χ =0.0022 và qa= 0.54 từ đồ thị ta xác định được σmax = 1000 MPa
Hình: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σ max σ max Momen xoắn cần thiết của động cơ là :
- Tính số vòng quay khâu 3: n 3 = 60 v
Trong đó v = 2780 mm/s, p - bước vít: 25 mm,
=> số vòng quay cần thiết của động cơ là : n đc3 = n 3
- Tính công suất động cơ:
Hiệu suất bộ truyền đai răng η đ = 0.97
Sau khi tham khảo một số động cơ của hãng MotionKing ở trên thì em quyết định chọn động cơ AS80-30-024E25 cho trục vít me.
3.3.1 Tính chọn bộ truyền khâu 3 a Xác định mođun và chiều rộng của đai
P3 = 682 W ≈ 0.682 KW– công suất trên bánh đai chủ động n3 = 1668 vòng/ phút–tốc độ quay của bánh đai chủ động
Theo Bảng 4.27 (trang 68, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển).ta chọn m = 3 mm => bước đai p = 9.42 mm
Xác định chiều rộng đai b
Công thức xác định chiều rộng đai dựa theo: b = ϒd*m
Chọn ϒd dao động từ 6 đến 9.
Tiêu chuẩn hóa ta chọn theo bảng sau:
Từ bảng số liệu trên ta chọn b = 20 mm
Xác định chiều rộng bánh đai
B = b + m = 23 mm b Xác định các thông số của bộ truyền
Để đảm bảo tuổi thọ cho đai, số răng Z2 của bánh đai nhỏ phải lớn hơn một giá trị tối thiểu Zmin Lý do là số răng ít khiến số răng dây đai ăn khớp với bánh đai ít, làm tải mà mỗi răng đai phải gánh lớn; đồng thời đường kính bánh đai nhỏ do ít răng gây uốn nhiều và dễ hỏng Số răng tối thiểu Z1 được chọn dựa vào mô-đun và tốc độ quay của bánh đai nhỏ theo bảng sau.
Do tốc độ quay của đai ốc vit me n 3 336 (v / ph) ,
=> Từ bảng số liệu trên chọn số răng bánh đai nhỏ Z2 = 16 răng
Số răng Z 1 của bánh đai lớn
Số răng Z1 của bánh đai lớn được xác định theo tỉ số truyền của bộ truyền sau khi chọn trước Z2 z 1 =2 Z 2 2
=> Đường kính bánh đai: d1 = m.z1 = 96 mm, d2 = m.z2 = 48 mm
Khoảng cách trục A và số răng dây đai
Khoảng cách trục : a min ≤ A ≤ a max a min =0.5 m ( z 1 + z 2 ) + 2mx mm a max =2 m ( z 1 + z 2 ) = 288 mm
Trong đó λ=l d − p ¿ và Δ=m ¿ Đường kính ngoài của bánh đai: d a 1 = m z 1 −2 δ= 94.8 mm d a 2 = m z 2 −2 δ= 46.8 mm
Với δ =0.6 là khoảng cách từ đáy răng đến đường kính trung bình của lớp chịu tải, tra ở bảng trên
Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh chủ động: z 0 =z 1 α 1
Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng: q= k d F t b +q m v 2 ≤ [ q ]=[ q 0 ] C z C u
Xác định lực căng đai ban đầu và lực tác dụng lên trục:
Bảng xác định hệ số K đ
3.3.1 Thiết kế trục dẫn hướng cho vít me:
Trong cơ cấu vít me đai ốc bi loại rotating nut, cần có then dẫn hướng để chống xoay cho trục vít me trong quá trình đai ốc xoay Nếu thiếu biện pháp chống xoay, vít me sẽ quay cùng đai ốc do quán tính.
Sau khi tham khảo mẫu robot của hãng Denso, tôi quyết định chọn phương án chống xoay bằng việc bổ sung thanh dẫn hướng cho trục vít me nhằm tăng độ ổn định và độ chính xác của hệ truyền động Việc này giúp hạn chế chuyển động quay của trục vít me, giảm rung động và nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống, đồng thời kéo dài tuổi thọ của kết cấu Như sau: a b c c c
Em sẽ gói gọn việc thiết kế trục dẫn hướng và các cụm ghép nối liên quan trong 0.5 kg.
3.4 Tính toán thiết kế khâu 2:
Chọn vật liệu làm khâu 2 là C45 có khối lượng riêng ρ x50 Kg/ m 3 và ứng suất chảy là [ σ c ] 60 Mpa.
Chọn tiết diện khâu 2 như hình vẽ dưới đây:
Chọn chiều dài khâu 2 là : d2 = 330 mm, a = 120 mm, b = 130 mm, c = 10 mm.
Phần bên ngoài có kích thước a× b , diện tích S1 = 120*130 = 15600 mm 2 , momen quán tính J x1 = b a 3
12 72 ×10 6 , trọng tâm C1 với NC1 = 60 mm Phần rỗng bên trong có kích thước d ×h , diện tích S2 = 110*110 = 12100 mm 2 , momen quán tính J x2 = d h 3
12 2 ×10 6 , trọng tâm C2 với NC2 = 65 mm Tọa độ trọng tâm C
Hệ trục Cxy chính là hệ trục quán tính chính trung tâm
Xác định momen quán tính J x
Momen quán tính mặt cắt ngang hình chữ nhật là J x ¿ b h 3
12 Áp dụng công thức chuyển trục song song của momen quán tính ta có:
Sơ đồ phân bố lực như sau:
Trọng lượng khâu 3: P3 = m3g , m3 = mvít me + mđc3 + mtay kẹp = 9.46 kg
Biểu đồ momen: Để đơn giản hóa quá trình nhân biểu đồ, ta có thể tách biểu đồ ban đầu thành hai biểu đồ cơ bản là bậc nhất và bậc 2 Để xác định chuyển vị M, ta tạo ra trạng thái k biểu đồ momen tại trạng thái này và biểu diễn nó bằng các công thức tương ứng Khi áp dụng phương pháp nhân biểu đồ, ta có thể tính được độ võng tại M, với kết quả y_M = 1.
Từ đó ta tính được yM là độ võng lớn nhất trên khâu 2 là: y M = 1
2× 10 5 × 5.2 × 10 6 ( 1 3 × 288.71× 330 3 + 1 8 ×94.28 ×330 3 ) ¿ 0.0045( mm) y M thỏa mãn điều kiện cứng.
- Ứng suất uốn lớn nhất:
⁺ Tại mép trên : σ max1 = M max
⁺ Tại mép dưới : σ max2 = M max
=> σ max1 =1.39 N / mm 2 =1.39 (MPa ), σ max2 =0.75 N / mm 2 =0.75( MPa)
σ max2 =1.39 MPa