(Tiểu luận) đồ án môn học thiết kế robot scara 3 bậc tự do

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 đị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ -oOo -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ROBOT SCARA 3 BẬC TỰ DO

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Hữu Quang

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khánh Toàn

Mã số sinh viên: 20170939

HÀ NỘI , tháng 2 năm 2022

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ -oOo -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ROBOT SCARA 3 BẬC TỰ DO

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Hữu Quang

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khánh Toàn

Mã số sinh viên: 20170939

HÀ NỘI , tháng 2 năm 2022

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Hữu Quang

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khánh Toàn 1

Nội dung

………

………

………

………

……….………

………

………

………

………

2. Nhận xét của giáo viên hướng dẫn ………

………

………

………

……….………

………

………

Hà Nội, ngày……tháng………năm 2022

Giáo viên hướng dẫn ký tên

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

Danh Mục Hình Ảnh 6

Danh Mục Bảng Biểu 8

Chương 1 Phân tích nguyên lí và thông số kỹ thuật 9

1 Robot Scara 9

1.1 Giới thiệu về Robot Scara 9

1.2 Thông số kỹ thuật của Robot cần thiết kế 9

1.3 So sánh thông số kỹ thuật của Robot cần thiết kế với một số Robot cùng loại 10

2 Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật của Robot Denso HM-4A60 11

2.1 Thông số kỹ thuật 11

2.2 Phân tích nguyên lý 12

Chương 2 Thiết kế hệ thống cơ khí 14

2.1 Động học Robot Scara 14

2.1.1 Động học thuận 14

2.1.2 Động học ngược 18

2.2 Động lực học Robot Scara 20

2.2.1 Bài toán động lực học thuận 20

2.3 Tính toán thiết kế khâu 3 29

2.3.1 Thiết kế 29

2.3.2 Tính toán thiết kế tay kẹp 30

2.3.3 Tính toán các thông số bộ truyền 32

2.3.4 Kiểm tra bền 35

2.3.5 Chọn động cơ cho trục vít me 36

2.3.6 Chọn bộ truyền động cho khâu 3 37

2.3.7 Chọn ổ bi đỡ chặn khâu 3 42

2.3.8 Chọn cơ cấu dẫn hướng cho vít me 45

2.4 Tính toán thiết kế khâu 2 46

2.4.1 Tính toán độ bền sơ bộ 46

2.4.2 Tính toán, thiết kế trục 50

2.4.3 Chọn then cho trục số 2 52

2.4.4 Chọn ổ bi đỡ chặn cho trục số 2 54

2.4.5 Chọn động cơ khâu 2 55

2.4.6 Chọn bộ truyền động khâu 2 58

2.5 Tính toán thiết kế khâu 1 62

2.5.1 Tính toán độ bền sơ bộ 62

2.5.2 Chọn động cơ khâu 1 65

2.6 Tính toán thiết kế khâu 0 67

Chương 3 Xây dựng bản vẽ lắp 68

Tổng kết 70

Tài liệu tham khảo 71

Danh Mục Hình Ảnh

Hinh 1: Robot Scara 8

Hinh 2: Mô hình Robot HM-4A60 10

Hinh 3: Sơ đồ động học Robot Scara 11

Hinh 4: Sơ đồ động học Robot Scara 13

Hinh 5: Hệ tọa độ khối tâm 20

Hinh 6: Truyền động vít me - đai ốc bi 28

Hinh 7: Đồ thị vận tốc hình thang 29

Hinh 8: Phân tích lưc tay kẹp 29

Hinh 9: Tay gắp CHS2-68 30

Hinh 10: Ball screw rotating nut 31

Hinh 11: SLT /TLT 20x25 R 34

Hinh 12: Thông số chi tiết của STL/TTL 25x20 R 34

Hinh 13: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất 35

Hinh 14: AC servo motor BPA007GCA6D1 36

Hinh 15: Đai răng 36

Hinh 16: Thông số của đai răng 37

Hinh 17: Chiều rộng đai răng b 38

Hinh 18: Số răng của bánh đai nhỏ 38

Hinh 19: Số đai răng và chiều dài đai răng 39

Hinh 20: Ổ bi đỡ - chặn 43

Hinh 21: SKF 7208 BECBJ 44

Hinh 22: Cơ cấu dẫn hướng cho vít me 44

Hinh 23: Tiết diện đứng khâu 2 46

Hinh 24: Tiết diện ngang khâu 2 49

Hinh 25: Đồ thị vận tốc khâu 2 49

Hinh 26: Sơ đồ lực tác dụng lên khâu 2 51

Hinh 27: Kích thước tiết diện then 52

Hinh 28: Chọn ổ bi đỡ chặn khâu 2 54

Hinh 29: Đồ thị vận tốc khâu 1 55

Hinh 30: Động cơ 130DNMA2-01D5C 56

Hinh 31: Thông số của đai răng 57

Hinh 32: Chiều rộng đai răng 58

Hinh 33: Số đai răng và chiều dài đai răng 59

Hinh 34: Tiết diện đứng khâu 1 61

Hinh 35: Tiết diện ngang khâu 1 64

Hinh 36: Mặt cắt khâu 0 66

Hinh 37: Bản vẽ lắp 2D 67

Hinh 38: Bản vẽ lắp 3D 68

Danh Mục Bảng Biểu Bang 1: Thông số kỹ thuật của Robot cần thiết kế 9

Bang 2: So sánh thông số của một số Robot cùng loại 10

Bang 3: Thông số kỹ thuật của Robot HM-4A60 11

Bang 4: Thông số kỹ thuật của CHS2-68 31

Chương 1 Phân tích nguyên lí và thông số kỹ thuật

1 Robot Scara

1.1 Giới thiệu về Robot Scara

SCARA hay Selective Compliance Assembly Robot Arm được phát minh bởi HiroshiMakino vào năm 1978 ( Hình 1 ) Đây là một kiểu tay máy có cấu tạo gồm hai khớp quay và mộtkhớp trượt nhưng cả ba đều có trục song song với nhau Kết cấu này làm cho tay máy cứng vữnghơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững theo phương ngang Vì thế nó được chuyêndùng cho việc thao tác với vật thể có tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Do có cấu trúc gồmhai khớp nối tương tự cánh tay con người từ đó cho phép cánh tay mở rộng vào các khu vực hạnchế và sau đó thu lại hoặc gấp lại Điều này thuận lơi cho việc vận chuyển các bộ phận từ vị trínày sang vị trí khác

Đây đã và vẫn đang là một Robot mang tính cách mạng trong lĩnh vực Robot công nghiệpbởi tốc độ cũng như thiết kế đơn giản của nó Trong nhiều ứng công nghiệp đòi hỏi các hoạt độngchọn và đặt nhanh chóng cần có một Robot như vậy bởi vì người công nhân không thích hợp để

xử lý những công việc nhàm chán này Robot SCARA là một trong những lựa chọn để thực hiệncác nhiệm vụ này một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả cùng với chi phí thấp hơn khánhiều các loại Robot khác

Hình 1: Robot Scara

1.2 Thông số kỹ thuật của Robot cần thiết kế

Là Robot mang tính cách mạng, Robot Scara là một trong những loại Robot công nghiệpmang tính ứng dụng cao nhất hiện nay Có rất nhiều loại Robot Scara, tuy nhiên em chi đi sâuvào nghiên cứu Robot Scara 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 )

Bang 1: Thông số kỹ thuật của Robot cần thiết kế

Tải Tầm với Hành trình Độ chinh xác Vận tốc lớn nhất Chu kì thời

20 600

200, 300, 400

0,29(với tải 2 kg)

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

(kg)

(mm)Hành trình trục z 200, 300, 400 200, 300, 400

Chu kì thời gian 0,29 0,29

( s) ( Với tải 2 kg ) ( Với tải 2 kg )

Bang 2: So sánh thông số của một số Robot cùng loại

Từ sự so sánh về thông số kỹ thuật của Robot cần thiết kế với Robot cùng loại, ta nhậnthấy Robot Denso HM-4A60 có những đặc tính tương tự với Robot cần thiết kế, vì thế chọnRobot Denso HM-4A60 làm Robot tham khảo để thuận tiện cho việc thiết kế.

2 Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật của Robot Denso HM-4A60 2.1 Thông

số kỹ thuật

Thông số kỹ thuật của HM-4A60:

Chiều dài khâu 1 (mm) 250

Chiều dài khâu 2 (mm) 350

Phạm vi chuyển động °

±

143( )

Diện tích chuyển động tối thiểu (mm) 213

Kích thước đế (mm × mm) 220 220

Với tải 2 kg )Thời gian chu kỳ (giây) 0,29 ( ×

Tốc độ tổng hợp tối đa (mm /giây) 8780

Lực phù hợp tối đa (1 giây hoặc ít ° ±

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)

Bang 3: Thông số kỹ thuật của Robot HM-4A60

2.2 Phân tích nguyên lý

Hình 2: Mô hì̀nh 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

Sơ đồ động học:

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

Chương 2 Thiết kế hệ thống cơ khí2.1 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 bài toán xác định vị trí và hướng của các khâu đối với hệ

cố định khi biết được vị trí và hướng 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:

Khâu

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

Tổng quát:

Trong đó:

: 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:

Vận tốc quay, gia tốc quay của khâu thao tác:

Để biểu diễn vận tốc góc và gia tốc góc trên cùng một hệ tọa độ, ta phải sử dụng ma trậnsóng ( ), nếu sử dụng các góc Cardan ( ) ta cũng có thể biểu diễn vận tốc góc và gia tốcgóc của khâu thao tác, tuy nhiên nó biểu diễn phép quay quanh các trục của các hệ quy chiếukhác nhau gây khó khăn trong việc tính toán bài toán động lực học

Xác định tọa độ vị trí điểm gốc O của khâu 1, 2

Phương trình động học:

Tương tự với khâu thao tác, ta tính được:

Bài toán động học ngược vị trí

2.2 Động lực học Robot Scara

2.2.1 Bài toán động lực học thuận

Trong bài toán động lực học thuận ta sẽ khảo sát, tính toán các đại lượng đặc trưng chochuyển động dưới tác dụng của lực đã xác định bằng cách thiết lập phương trình vi phân chuyểnđộng của Robot Phương trình này được xây dựng dựa trên phương trình Lagrange loại II códạng:

Trong đó:

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:

: Khối lượng của khâu i

Gọi là ma trận cosin chỉ hướng biểu diễn hệ tọa độ khâu i có gốc tọa độ đặt cách gốcmột khoảng đối với hệ tọa độ khâu i có gốc tại khớp i+1 ( )

Hình 5: Hệ tọa độ khối tâm

Xét khâu 1:

Thay các giá trị , , , , vào biểu thức tìm ta được:

Xét khâu 2:

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:

Xét khâu 3:

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 phầnmomen quán tính khối đối với trục hay

Thay các giá trị , , , , vào biểu thức tìm ta được:

Ma trân khối lượng của Robot:

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 lí tưởng, do đó bỏ qua lực ma sát, lực cản nhớt Do vậy lực không thế 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:

Lực suy rộng của :

Thay các giá trị M, C, G,

vào phương trình vi phân chuyển động của Robot:

Trong đó:

2.3 Tính toán thiết kế khâu 3

Truyền động vít me – đai ốc được dùng để biến chuyển động quay thành chuyển độngtịnh tiến Do yêu cầu hoạt động của Robot cần chính xác nên ta lựa chọn bộ truyền vít me – đai

ốc bi để hạn chế 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 được tôi đến độ rắn HRC 60 hoặc lớn hơn Vít đượcchế tạo từ thép CrWMn, 7CrMn2WMo tôi thể tích và thép 20Cr3MoWV thấm nitơ Với đai ốcdùng vật liệu thép 18CrMnTi và 12CrNi3 hoặc 12Cr3Ni4 chất lượng cao

Vít, bi: Thép 40CrMn ( )

Thép hợp kim kết cấu 40X được sử dụng trong các bộ phận nặng ( trục, pit tong, bánhrăng, bu lông, ốc vít,…) cũng như trong các thành phần rèn, lạnh và dập nóng

Đai ốc: Thép 18CrMnTi

Các thông số đầu vào:

Chu kỳ: 0,29 (s) với tải 2 (kg)

Tốc độ tối đa: 2780 (mm/s)

Chọn đồ thị vận tốc khâu 3 có dạng hình thang cân, chia làm 3 giai đoạn: khởi động với vận tốc ban đầu bằng 0 và gia tốc không đổi, chuyển động đều và kết thúc với gia tốc không đổi

Hình 7: Đồ thị vận tốc hì̀nh thang

: Thời gian khởi động (s)

: Chu kỳ (s)

Đặt thời gian khởi động ( tăng tốc ) và thời gian giảm tốc là như nhau và bằng 20% chu kỳ

Ta có:

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

Ta có: ,

Trong đó:

: 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 thời gian của một chu kỳ khá ngắn nên cần khâu gắp có tốc độ gắp nhanh cùng với lựckẹp lớn ( ) vì thế ta chọn tay gắp CHS2-S68

Hình 9: Tay gắp CHS2-68

Thông số kỹ thuật của CHS2-68:

Mã sản phẩm CHS2-S68

Cơ cấu chuyển động Chuyên đông băng vitme

Bang 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

2.3.3 Tính toán các thông số bộ truyền

Xác định đường kính trong sơ bộ của ren

Hình 10: Ball screw rotating nut

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

Góc nâng vít

Số bi trong các vòng ren

Chọn ( K là số vòng ren làm việc theo chiều dài đai ốc K không nên vượt quá 2-2,5 vòng nếu không sẽ làm tăng sự phân bố không đều tải trọng cho các vòng ren Chọn K=2,25)

Nếu số bi lớn hơn 65 thì nên giảm bớt bằng cách tăng đường kính

bi Khe hở hướng tâm

Khe hở tương đối

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

Hình 12: Thông số chi tiết của STL/TTL 25x20 R

2.3.4 Kiểm tra bền

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 suấtlớn nhất dựa theo đồ thị hình 2.10

Hình 13: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất

Ta xác định được

Vậy trục đủ bền

2.3.5 Chọn động cơ cho trục vít me

Thông số đầu vào:

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

Công suất động cơ

Từ các thông số trên ta chọn động cơ truyền động cho trục vít me là động cơ công suất

750 (W), khối lượng 2,54 (kg)

Hình 14: AC servo motor BPA007GCA6D1

2.3.6 Chọn bộ truyền động cho khâu 3

Sử dụng bộ truyền động đai răng để truyền chuyển động giữa trục khâu 2 và trục khâu 3.Truyền lực bằng ăn khớp giữa các răng của đai với các răng trên bánh đai Ưu điểm của đai răng

là không trượt, tỉ số truyền lớn, hiệu suất cao, không cần lực căng ban đầu lớn

Hình 15: Đai răng

Xác định modun của đai răng

Trong đó:

: 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

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

Chọn

Xác định số răng bánh đai lớn

Chọn tỉ số truyền