Phân tích nguyên lí và thông số kỹ thuật
Robot Scara
SCARA, hay Selective Compliance Assembly Robot Arm, được phát minh bởi Hiroshi Makino vào năm 1978 Đây là một loại robot có cấu trúc gồm hai khớp quay và một khớp trượt, với trục song song, giúp tăng cường độ cứng vững theo phương thẳng đứng nhưng giảm cứng vững theo phương ngang Robot này chuyên dùng để thao tác với vật thể có tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng, cho phép mở rộng vào các khu vực hạn chế và thu lại dễ dàng SCARA đã trở thành một robot cách mạng trong lĩnh vực công nghiệp nhờ vào tốc độ và thiết kế đơn giản, đáp ứng nhu cầu cho các ứng dụng cần chọn và đặt nhanh chóng, thay thế công nhân trong những công việc nhàm chán Với khả năng thực hiện nhiệm vụ một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả, SCARA là lựa chọn tiết kiệm chi phí so với nhiều loại robot khác.
1.2 Thông số kỹ thuật của Robot cần thiết kế
Robot Scara là một trong những loại Robot công nghiệp tiên tiến và ứng dụng cao nhất hiện nay Trong số nhiều loại Robot Scara, tôi sẽ tập trung nghiên cứu về Robot Scara có kết cấu 3 bậc tự do.
Thông số kỹ thuật của Robot cần thiết kế:
Robot Scara 3 bậc tự do ( Denso_HM-G Series )
Bảng 1: Thông số kỹ thuật của Robot cần thiết kế trọng Tải
Tầm với (mm) Hành trình trục z (mm) Độ chinh xác lặp Vận tốc lớn nhất Chu kì thời gian ( s) (x,y)
(mm/s) Tốc độ tổng hợp (mm/s)
1.3 So sánh thông số kỹ thuật của Robot cần thiết kế với một số Robot cùng loại
Thông số Denso HM-4A60 Robot cần thiết kế
(mm) 200, 300, 400 200, 300, 400 Độ chính xác lặp (x,y) (mm) ±0,02 ±0,02 z (mm) ±0,01 ±0,01
Bảng 2: So sánh thông số của một số Robot cùng loại
Robot Denso HM-4A60 có những đặc tính tương tự với Robot cần thiết kế, do đó, nó được chọn làm Robot tham khảo để thuận tiện cho quá trình thiết kế.
Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật của Robot Denso HM-4A60
Thông số kỹ thuật của HM-4A60:
Phát hiện vị trí Encoder tuyệt đối
Diện tích chuyển động tối thiểu (mm) 213
Tải trọng tối đa (kg) 20
Kích thước đế (mm × mm) 220×220
Thời gian chu kỳ (giây) 0,29 ( Với tải 2 kg )
Tốc độ tổng hợp tối đa (mm /giây) 8780
T (°) 1540 Độ chính xác lặp (mm) ±0,02
Lực phù hợp tối đa (1 giây hoặc ít hơn, N) 98
Mômen quán tính lớn nhất cho phép (kgm2) 0,45 ( với tải 20 kg )
Hệ thống dây điện (tích hợp trong tay) 24 dây ( max 1A/dây ) Đường ống dẫn khí (tích hợp trong cánh tay) 4 hệ thống (∅6)
Bảng 3: Thông số kỹ thuật của Robot HM-4A60
Hình 2: Mô hình Robot HM-4A60
Khâu 0: Là khâu đế hay khâu cố định
Khâu 1: Là khâu động có khả năng quay quanh đầu còn lại của khâu 0 với góc quay giới hạn ( ±165 ), trục quay song song với trục của khâu đế.
Khâu 2: Là khâu động, có khả năng quay quanh đầu còn lại của khâu 1 với góc quay giới hạn ( ±143 ), trục quay song song với trục của khâu đế.
Khâu 3: Là khâu tịnh tiến, khớp tịnh tiến ở một đầu khâu và trục khớp tịnh tiến cùng trục.
Hình 3: Sơ đồ động học Robot Scara
Các bộ truyền được sử dụng:
Sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc cho khâu tịnh tiến
Sử dụng bộ truyền puly đai răng cho hai khâu quay Động cơ:
Thiết kế hệ thống cơ khí
Động học Robot Scara
2.1.1 Động học thuận Để khâu thao tác có vị trí và hướng phù hợp thì ta phải điều khiển nó từ vị trí ban đầu đến vị trí đó Để làm được điều đó thì ta cần biết khâu thao tác đang ở đâu trong không gian, bằng cách dựa vào các yếu tố có thể giúp ta tính toán ra, chẳng hạn như các cảm biến được sử dụng để xác định vị trí cũng như vận tốc, gia tốc của các khớp
Bài toán động học thuận vị trí là quá trình xác định vị trí và hướng của các khâu trong một hệ thống cố định, dựa trên thông tin về vị trí và hướng của các biến khớp.
Thiết lập bảng thông số Denavit-Hartenberg để giải bài toán động học thuận:
Hình 4: Sơ đồ động học Robot Scara
: Là góc giữa 2 đường vuông góc chung, là góc quay quanh trục để trục chuyển đến cùng phương trục theo quy tắc bàn tay phải.
: Là khoảng cách giữa 2 trục và với trục
: Là khoảng cách giữa 2 trục và
: Là góc giữa quay quanh trục đê trục chuyển đến cùng phương trục theo quy tắc bàn tay phải.
Do khớp 1, 2 là khớp quay, khớp 3 tịnh tiến cho nên , , là các biến khớp. Đặt , ta thu được bảng thông số Denavit-Hartenberg như sau:
Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất ( từ khâu i-1 sang khâu i ):
Thay các thông số của bảng DH vào ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất ta được:
Xác định tọa độ định vị điểm tác động cuối của khâu thao tác
: Là ma trận cosin chỉ hướng, biểu diễn hướng của hệ động B đối với hệ quy chiếu A
: Là vị trí điểm gốc của hệ B đối với hệ A Phương trình động học dạng ma trận của Robot:
Tọa độ điểm tác động cuối (E) đối với khâu cố định:
Xác định hướng của khâu thao tác
Vận tốc, gia tốc dài của khâu thao tác:
Để biểu diễn vận tốc góc và gia tốc góc của khâu thao tác trên cùng một hệ tọa độ, cần sử dụng ma trận sóng Mặc dù có thể sử dụng các góc Cardan để biểu diễn, nhưng điều này dẫn đến việc tính toán phép quay quanh các trục của các hệ quy chiếu khác nhau, gây khó khăn trong việc giải quyết bài toán động lực học.
Xác định tọa độ vị trí điểm gốc O của khâu 1, 2
Tương tự với khâu thao tác, ta tính được:
Xác định vận tốc, gia tốc góc vị trí điểm gốc O của khâu 1,2
Bài toán động học ngược đóng vai trò quan trọng trong lập trình và điều khiển chuyển động của Robot, giúp điều chỉnh Robot theo quy luật nhất định để di chuyển đến các vị trí cụ thể trong không gian Để giải quyết bài toán này, cần xác định tọa độ khớp (biến khớp) dựa trên quy luật chuyển động của khâu thao tác.
Bài toán động học ngược vị trí
Từ phương trình động học ta có:
Từ 2 phương trình đầu ta thu được:
Sau khi giải bài toán động học ngược về vị trí của Robot ta thu được kết quả sau:
Động lực học Robot Scara
Trong bài toán động lực học thuận, chúng ta sẽ khảo sát và tính toán các đại lượng đặc trưng cho chuyển động của Robot dưới tác dụng của lực đã xác định Để thực hiện điều này, phương trình vi phân chuyển động của Robot sẽ được thiết lập, dựa trên phương trình Lagrange loại II.
T : là động năng của Robot
: Là thế năng của Robot
: Là Vecto lực suy rộng không thế Phương trình vi phân chuyển động của Robot có dạng:
M: Là ma trận khối lượng
: Là vecto lực suy rộng của các lực không thế a Xác định ma trận khối lượng M
: Ma trận Jacobi tịnh tiến
: Tenxo quán tính của vật rắn với khối tâm Ci trong hệ quy chiếu gốc tại Ci
Ma trận cosin chỉ hướng thể hiện hệ tọa độ của khâu i, với gốc tọa độ được đặt cách gốc một khoảng so với hệ tọa độ của khâu i có gốc tại khớp i+1.
Hình 5: Hệ tọa độ khối tâm
Tenxo quán tính của khâu 1:
Do 3 trục đều là 3 trục quán tính chính
Do khâu 1 nằm dọc theo trục cho nên thành phần momen quán tính khối đối với trục hay
Thay các giá trị , , , , vào biểu thức tìm ta được:
Thực hiện các bước tính toán tương tự khâu 1 ta được:
Tenxo quán tính của khâu 2:
Thay các giá trị , , , , vào biểu thức tìm ta được:
Thực hiện các bước tính toán tương tự khâu 1 ta được:
Tenxo quán tính của khâu 3: Do khâu 3 nằm dọc theo trục cho nên thành phần momen quán tính khối đối với trục hay
Thay các giá trị , , , , vào biểu thức tìm ta được:
Ma trân khối lượng của Robot:
Thay b Xác định ma trận Coriolis
i,j: Là số hàng, số cột của ma trận C
k: Là số thứ tự các khớp của Robot
Vậy ma trận Coriolis thu được sẽ là: c Xác định vecto trọng lực G
Vecto gia tốc trọng trường:
Thế năng của Robot: d Lực suy rộng của các lực không thế
Coi Robot là mô hình lý tưởng, vì vậy chúng ta có thể bỏ qua lực ma sát và lực cản nhớt Do đó, lực tác động chỉ bao gồm lực điều khiển tại các khớp và lực do vật tác động lên khâu thao tác.
Lực điều khiển tại các khớp:
Lực tác động lên khâu thao tác:
Vậy Thay các giá trị M, C, G, vào phương trình vi phân chuyển động của Robot:
Tính toán thiết kế khâu 3
Truyền động vít me – đai ốc là cơ chế chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Để đảm bảo độ chính xác trong hoạt động của Robot, việc sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc bi là lựa chọn tối ưu nhằm giảm thiểu sai lệch do khe hở giữa đai ốc và vít me.
Hình 6: Truyền động vít me - đai ốc bi
2.3.1 Thiết kế Lựa chọn vật liệu và profin ren
Mặt làm việc của cơ cấu vít bi cần đạt độ rắn HRC 60 hoặc cao hơn, được chế tạo từ thép CrWMn, 7CrMn2WMo thể tích và thép 20Cr3MoWV thấm nitơ Đai ốc sử dụng vật liệu thép chất lượng cao như 18CrMnTi và 12CrNi 3 hoặc 12Cr3Ni 4.
Thép hợp kim kết cấu 40X được ứng dụng rộng rãi trong các bộ phận nặng như trục, pit tong, bánh răng, bu lông và ốc vít, cũng như trong các thành phần rèn, lạnh và dập nóng Đai ốc được chế tạo từ thép 18CrMnTi.
Các thông số đầu vào:
Chu kỳ: 0,29 (s) với tải 2 (kg)
Tốc độ tối đa: 2780 (mm/s)
Đồ thị vận tốc khâu 3 có hình dạng hình thang cân, được chia thành 3 giai đoạn: giai đoạn khởi động với vận tốc ban đầu là 0 và gia tốc không đổi, giai đoạn chuyển động đều, và giai đoạn kết thúc với gia tốc không đổi.
Hình 7: Đồ thị vận tốc hình thang
: Chu kỳ (s) Đặt thời gian khởi động ( tăng tốc ) và thời gian giảm tốc là như nhau và bằng 20% chu kỳ
2.3.2 Tính toán thiết kế tay kẹp
Tải trọng tối đa là 20kg Để tay kẹp có thể giữ được vật :
Hình 8: Phân tích lực tay kẹp
: Là lực giữ của tay kẹp
: Là hệ số ma sát của tay kẹp và vật, đối với 2 bề mặt kim loại lấy
Do chu kỳ ngắn, cần tay gắp có tốc độ nhanh và lực kẹp lớn, vì vậy chúng tôi chọn tay gắp CHS2-S68.
Hình 9: Tay gắp CHS2-68
Thông số kỹ thuật của CHS2-68:
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)
Bảng 4: Thông số kỹ thuật của CHS2-68
Giả sử khối lượng tay má kẹp bằng 10% khối lượng tay kẹp thì khối lượng của cả cơ cấu kẹp là:
2.3.3 Tính toán các thông số bộ truyền Xác định đường kính trong sơ bộ của ren
, : Giới hạn chảy của vật liệu vít
Lực dọc trục lớn nhất:
Chọn theo ( Nominal diameter ) dựa trên tiêu chuẩn của
SKF về trục vít me đai ốc bi loại Rotating nut
Hình 10: Ball screw rotating nut Đường kính bi
Chọn theo tiêu chuẩn SKF
Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi Đường kính vòng tròn qua các tâm bi Đường kính trong của ren đai ốc
Chiều cao làm việc của ren
Chọn Đường kính ngoài của trục vít Đường kính ngoài của đai ốc
Số bi trong các vòng ren
K là số vòng ren làm việc theo chiều dài đai ốc, và không nên vượt quá 2-2,5 vòng để tránh làm tăng sự phân bố không đều tải trọng cho các vòng ren Do đó, lựa chọn K=2,25 là hợp lý.
Nếu số bi lớn hơn 65 thì nên giảm bớt bằng cách tăng đường kính bi
Góc ma sát lăn thay thế
Với là hệ số ma sát lăn thay thế
Hiệu suất khi biến chuyển động quay thành tịnh tiến
Từ những thông số trên ta chọn trục vít me đai ốc bi loại rotating nut với đường kinh danh nghĩa là 25mm theo tiêu chuẩn của SKF.
Hình 12: Thông số chi tiết của STL/TTL 25x20 R
Tải trọng riêng dọc trục:
Với : Hệ số phân bố không đều tải trọng cho các viên bi
Từ khe hở tương đối và tải trọng riêng dọc trục , ta xác định ứng suất lớn nhất dựa theo đồ thị hình 2.10.
Hình 13: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất
Vậy trục đủ bền 2.3.5 Chọn động cơ cho trục vít me
Vận tốc khâu 3 là lớn nhất khi Robot hoạt động không tải
Momen xoắn cần truyền vào trục vít me
Tốc độ quay của đai ốc khâu 3
Với : số mối ren, : bước vít
Từ các thông số trên ta chọn động cơ truyền động cho trục vít me là động cơ công suất
Hình 14: AC servo motor BPA007GCA6D1
2.3.6 Chọn bộ truyền động cho khâu 3
Bộ truyền động đai răng được sử dụng để truyền chuyển động giữa trục khâu 2 và trục khâu 3, với lực được truyền qua sự ăn khớp giữa các răng của đai và bánh đai Ưu điểm nổi bật của đai răng bao gồm khả năng không trượt, tỉ số truyền lớn, hiệu suất cao và không yêu cầu lực căng ban đầu lớn.
Xác định modun của đai răng
: Công suất trên bánh đai chủ động (khâu 3)
: Số vòng quay trên bánh đai chủ động
Chọn theo tiêu chuẩn ở hình 2.13
Hình 16: Thông số của đai răng
Với là hệ số chiều rộng đai Chọn do lấy modun tiêu chuẩn (2) lớn hơn modun tính toán (1,65).
Chọn theo tiêu chuẩn ở hình 2.14
Hình 17: Chiều rộng đai răng b
Xác định số răng của bánh đai nhỏ
Số răng bánh đai nhỏ được xác định theo hình 2.15 nhằm đảm bảo tuổi thọ cho đai
Hình 18: Số răng của bánh đai nhỏ
Xác định số răng bánh đai lớn
Khoảng cách trục a được chọn theo điều kiện:
Với là bước ren ứng với
Khi Chọn dựa theo hình 19
Hình 19: Số đai răng và chiều dài đai răng
Với Xác định lại khoảng cách trục a tương ứng với
Đường kính vòng chia của các bánh đai
, Đường kính ngoài của các bánh đai
, Với : Khoảng cách từ đáy răng đến đường trung bình của lớp chịu tải
Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ
Với : là góc ôm đai
Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng
Lực vòng riêng trên đai phải thỏa mãn điều kiện:
: Hệ số tải trọng động
: Khối lượng 1 mét đai có chiều rộng 1 mm
: Lực vòng riêng cho phép ứng với modun
Xác định lực căng đai ban đầu và lực tác dụng lên trục
Khác với truyền động đai dẹt, đai thang yêu cầu lực căng ban đầu lớn để tạo ra lực ma sát cần thiết khi mắc đai lên bánh đai Trong khi đó, trong truyền động đai răng, lực căng ban đầu chỉ cần đủ để khắc phục khe hở khi ăn khớp và đảm bảo đai tiếp xúc tốt với bánh đai, miễn là lớn hơn lực căng do lực li tâm sinh ra.
2.3.7 Chọn ổ bi đỡ chặn khâu 3
Vít me là loại Rotating nut, do đó ổ bi đỡ chặn được lắp chặt với đai ốc của vít me Đường kính lỗ của ổ lăn được thể hiện trong hình 2.17.
Kích thước ổ lăn được xác định dựa trên hai yếu tố chính: khả năng tải động để ngăn ngừa hiện tượng tróc rỗ trên các bề mặt làm việc và khả năng tải tĩnh nhằm tránh biến dạng dư.
Chọn ổ lăn theo khả năng tải động
Q (kN) : Tải trọng động quy ước
: Lực hướng tâm Chọn : Hệ số vòng quay (vòng trong)
: Hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ
: Hệ số kể đến đặc tính tải trọng
: Hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục đổi với kiểu ổ đỡ chặn một dãy có góc tiếp xúc (đối với kiểu 36000).
L: Là tuổi thọ của ổ, tinh bằng triệu vòng quay.
: Tuổi thọ của ổ tính bằng giờ
: là bậc của đường cong khi thử về ổ bi
Từ các thông số trên ta chọn vòng bi kí hiệu 36208 trên hình 2.17.
Hình 20: Ổ bi đỡ - chặn
Chọn theo hãng SKF là vòng bi số hiệu 7208 BECBJ (Hình 21)
2.3.8 Chọn cơ cấu dẫn hướng cho vít me
Cơ cấu vít me đai ốc bi loại Rotating nut yêu cầu một hệ thống dẫn hướng để ngăn chặn sự xoay của trục vít me trong quá trình đai ốc xoay Nếu không có cơ chế chống xoay, trục vít me sẽ xoay theo đai ốc do tác động của quán tính.
Do đường kính bi , nên ta chọn rãnh then có dạng hình trụ tròn, kích thước nhỏ hơn đường kính bi x 4 rãnh.
Hình 22: Cơ cấu dẫn hướng cho vít me
Trong quá trình làm việc, mối ghép then có thể bị hỏng do dập bề mặt làm việc Điều kiện bền dập:
: Độ sâu của then trên trục
Ta có: ( Vật liệu thép ) Thỏa mãn điều kiện
2.4 Tính toán thiết kế khâu 2 Các thông số đầu vào :
2.4.1 Tính toán độ bền sơ bộ Lựa chọn vật liệu: Thép CT45
Chọn tiết diện theo phương thẩng đứng của khâu 2 có dạng hình chữ U (hình 23)
Hình 23: Tiết diện đứng khâu 2
Là hình chữ nhật có kích thước , diện tích , momen quán tính , trọng tâm Phần bên trong:
Là hình chữ nhật có kích thước , diện tích , momen quán tính , trọng tâm Tọa độ trọng tâm C của tiết diện:
Mô hình tải trọng và lực phân bố trên khâu 2:
Robot có khả năng làm việc với tải trọng tối đa 200 N, do đó kết cấu của nó luôn đảm bảo độ bền cao Để đảm bảo tính chính xác trong quá trình điều khiển, cần kiểm tra điều kiện cứng, tức là độ võng phải nhỏ hơn độ võng cho phép của khâu 2 Để tính chuyển vị, ta loại bỏ tất cả tải trọng và đặt lực vào điểm cần tính Áp dụng phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin, ta có thể tính được độ võng tại vị trí cần thiết.
: Momen quán tính theo trục x của tiết diện khâu 2
Chọn chiều dày vật liệu , chiều cao tiết diện
Khi B tăng thì tăng rất nhanh trong khi tử số lại tăng chậm Vì thế sẽ căng nhỏ khi
B càng lớn Chọn để lấy dấu.
Vậy với mọi đều thỏa mãn điều kiện cứng của khâu.
Chúng tôi sẽ bổ sung vào khâu 2 hai nửa hình trụ có tiết diện tương tự như tiết diện của khâu 2, nhằm mục đích kết nối khâu 2 với các khâu khác của Robot (hình 2.21).
Hình 24: Tiết diện ngang khâu 2
Trọng lượng khâu 2 sau khi thêm:
2.4.2 Tính toán, thiết kế trục
Tính toán và thiết kế trục là quá trình xác định đường kính và chiều dài của các đoạn trục, nhằm đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về độ bền, kết cấu, lắp ghép và công nghệ.
Chọn vật liệu chế tạo trục là thép C45 thường hóa hoặc tôi cải thiện Có ứng suất xoắn cho phép , ứng suất cho phép
Xác định momen xoắn tác dụng lên trục
Chọn đồ thị vận tốc khâu 2 có dạng hình thang cân ( giống với khâu 3)
Hình 25: Đồ thị vận tốc khâu 2
Với là khoảng cách từ trọng tâm khâu 2 tới trục quay.
, Lực quán tính ly tâm:
: Là khối lượng khâu 2 và khâu 3.
Xác định đường kính trục Đường kính trục sơ bộ:
Sơ đồ lực tác dụng:
Hình 26: Sơ đồ lực tác dụng lên khâu 2
Momen uốn lớn nhất tác dụng lên trục:
Tính chính xác đường kính trục:
Dựa vào đường kính trục sơ bộ và đường kính trục sau khi tính ta chọn
2.4.3 Chọn then cho trục số 2
Mối ghép then là phương pháp truyền momen xoắn từ trục đến các chi tiết lắp hoặc ngược lại Khi thiết kế, kích thước tiết diện then thường dựa vào đường kính trục, trong khi chiều dài then được xác định dựa trên chiều dài may ơ Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, mối ghép then có thể gặp phải hư hỏng do dập bề mặt làm việc hoặc do bị cắt.
Chọn vật liệu chế tạo then bằng thép C45 có: Ứng suất dập cho phép , ứng suất cắt cho phép
Chọn kích thước tiết diện then dựa vào đường kính trục
Hình 27: Kích thước tiết diện then Điều kiện bền dập: σ d = 2 T dl t ( h−t 1 ) ≤ [ σ d ]
Thỏa mãn điều kiện bền dập Điều kiện bền cắt: τ c = 2 T dl t b ≤ [ τ c ]
Thỏa mãn điều kiện bền cắt
2.4.4 Chọn ổ bi đỡ chặn cho trục số 2
Ta tiến hành tính toán và kiểm nghiệm bền cho ổ bi đỡ chặn trục số 2 tương tự trục khâu 3.
Chọn ổ lăn theo khả năng tải động
Q (kN) : Tải trọng động quy ước
: Xác định dựa trên sơ đồ lực hình 2.23 đối với ổ bi đỡ chặn 1 dãy, góc tiếp xúc (đối vói kiểu 36000)
L: Là tuổi thọ của ổ, tính bằng triệu vòng quay.
: Tuổi thọ của ổ tính bằng giờ
: Là bậc của đường cong khi thử về ổ bi
Từ các thông số trên ta chọn ổ bi kí hiệu 36205 như hình 2.25
Hình 28: Chọn ổ bi đỡ chặn khâu 2
Theo bài toán động lực học ta xác định được momen cần thiết để điều khiển trục khâu 2.
Xác định các thông số động học khâu 1:
Chọn đồ thị vận tốc khâu 1 có dạng hình thang cân ( giống với khâu 2) (hình 2.26)
Hình 29: Đồ thị vận tốc khâu 1
Vậy: khi Chọn truyền động cho khâu 1 và 2 là truyền động đai
Công suất tính toán cho động cơ khâu 2:
Hình 30: Động cơ 130DNMA2-01D5C
2.4.6 Chọn bộ truyền động khâu 2
Sử dụng bộ truyền động đai răng tương tự khâu 3
Xác định modun của đai răng
: Công suất trên bánh đai chủ động (khâu 3)
: Số vòng quay trên bánh đai chủ động
Chọn theo tiêu chuẩn ở hình 2.28
Hình 31: Thông số của đai răng
Xác định chiều rộng đai
Với là hệ số chiều rộng đai Chọn do lấy modun tiêu chuẩn (7) nhỏ hơn modun tính toán (8,22).
Chọn theo tiêu chuẩn ở hình 2.24
Hình 32: Chiều rộng đai răng
Xác định số răng của bánh đai nhỏ
Do tốc độ quay của bánh đai nhỏ bé
Xác định số răng bánh đai lớn
Khoảng cách trục a được chọn theo điều kiện:
Với là bước ren ứng với
Hình 33: Số đai răng và chiều dài đai răng
Với Xác định lại khoảng cách trục a tương ứng với
Đường kính vòng chia của các bánh đai
, Đường kính ngoài của các bánh đai
, Với : Khoảng cách từ đáy răng đến đường trung bình của lớp chịu tải
Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ
Với : là góc ôm đai
Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng
Lực vòng riêng trên đai phải thỏa mãn điều kiện:
: Hệ số tải trọng động
: Khối lượng 1 mét đai có chiều rộng 10mm
: Lực vòng riêng cho phép ứng với modun
Tính toán thiết kế khâu 1
2.5.1 Tính toán độ bền sơ bộ Lựa chọn vật liệu: Thép CT45
Chọn tiết diện theo phương thẳng đứng của khâu 2 có dạng hình chữ U (Hình 34)
Ta thực hiện việc tính toán, kiểm nghiệm độ bền tương tự khi thực hiện đối với khâu 2.
Hình 34: Tiết diện đứng khâu 1
Phần bên ngoài: Diện tích , momen quán tính , trọng tâm
Phần bên trong: Diện tích , momen quán tính , trọng tâm Tọa độ trọng tâm C của tiết diện:
Mô hình tải trọng và lực phân bố trên khâu 1:
Để đảm bảo tính chính xác trong quá trình điều khiển, cần kiểm tra điều kiện cứng, tức là độ võng phải nhỏ hơn độ võng cho phép của khâu 1 Để tính chuyển vị, ta loại bỏ tất cả tải trọng và đặt lực vào điểm cần tính Áp dụng phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin, ta có thể tính được độ võng tại vị trí cần thiết.
: Momen quán tính theo trục x của tiết diện khâu 1
Chọn chiều dày vật liệu , chiều cao tiết diện
Khi B tăng thì tăng rất nhanh trong khi tử số lại tăng chậm Vì thế sẽ căng nhỏ khi
B càng lớn Chọn để lấy dấu.
Vậy với mọi đều thỏa mãn điều kiện cứng của khâu Chọn
Chúng tôi sẽ gắn thêm một nửa hình trụ có tiết diện tương tự như tiết diện của khâu 1 ở cả hai đầu, nhằm kết nối khâu 1 với các khâu khác của Robot (hình 35).
Hình 35: Tiết diện ngang khâu 1
Trọng lượng khâu 1 sau khi thêm:
Theo bài toán động lực học ta xác định được momen cần thiết để điều khiển trục khâu 1.
Công suất tính toán cho động cơ khâu 1:
Lựa chọn động cơ: Động cơ Panasonic Servo Minas A6 công suất 3 kW Khối lượng động cơ 6kg.
Tính toán thiết kế khâu 0
Chọn vật liệu thép C45. Độ bền uốn cho phép:
Thiết kế khâu có dạng trụ rỗng, đường kính trong d, đường kính ngoài D.
Với - momen uốn lớn nhất trên khâu 1.
Chọn các kích thước như sau:
Hình 36: Mặt cắt khâu 0
Kiểm tra điều kiện bền uốn:
=> Thỏa mãn điều kiện bền uốn.
Xây dựng bản vẽ lắp
Hình 37: Bản vẽ lắp 2D
Bản vẽ lắp 3D được thiết kế trên Solidwork
Hình 38: Bản vẽ lắp 3D
Tổng kết, đề tài này có tính thực tiễn cao, khi công nghiệp phát triển mạnh mẽ, sự cạnh tranh ngày càng gia tăng, yêu cầu cải thiện năng suất và chất lượng Điều này dẫn đến việc áp dụng dây chuyền máy móc hiện đại để thay thế lao động chân tay.
Trong đồ án môn học, chúng em đã nghiên cứu cách xây dựng mô hình robot SCARA, bao gồm thiết kế kết cấu và lập trình điều khiển hoạt động Công việc hoàn thành bao gồm các bước quan trọng trong quá trình phát triển robot.
- Tổng quan về ngành công nghiệp robot
- Xây dựng kết cấu cho robot
- Dựng mô hình 3D bằng Solidworks, Inventor
- Chọn bộ truyền, động cơ, chọn trục
- Cách bố trí ổ bi và trục
Qua đề tài này, chúng em đã áp dụng kiến thức chuyên môn từ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vào thực tiễn, đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp Đồ án không chỉ giúp chúng em phát triển kỹ năng làm việc nhóm, giải quyết vấn đề, tìm kiếm tài liệu và viết báo cáo, mà còn mang lại nhiều lợi ích cho tương lai Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Hữu Quang trong quá trình hoàn thành đề tài này.
Do hạn chế về thời gian và kiến thức trong đồ án, chúng em chỉ giải quyết một số vấn đề cơ bản trong thiết kế robot Còn nhiều vấn đề khác cần được giải quyết để hoàn thiện sản phẩm robot Chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ quý thầy cô và các bạn để đề tài này được cải thiện hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!
