thiết kế, chế tạo robot tự động đài phụ

Để phù hợp với luật chơi và chiến thuật thi đấu nhóm đã chế tạo một robot điều khiển bằng tay, 1 robot tự động vòng ngoài và robot tự động đài chính.. Trong đó nhiệm vụ của mỗi robot đều

Nhận xét của giáo viên hớng dẫn.

-

-

-

-Trờng Đại học SPKT Hng Yên Cộng hoà x hội chủ nghĩa việt Namã hội chủ nghĩa việt Nam Khoa cơ khí Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-*** -Đề tài tốt nghiệp

Trình độ cao đẳng ; khóa 2002 - 2005

Họ và tên sinh viên: Lê Văn Hoàn.

Ngành đào tạo: Cơ khí chế tạo.

Tên đề tài: “ Thiết kế, chế tạo Robot tự động đài Phụ”.

Số liệu cho trớc:

1 Nội dung, thể lệ cuộc thi Robocon 2005 của ĐTHVN.

2 Thiết bị: Xởng trờng ĐHSPKT Hng Yên.

3 Các tài liệu liên quan.

Nội dung hoàn thành:

1 Thuyết minh

- Phân tích mục tiêu, ý nghĩa của đề tài

- Thiết kế nguyên lý hoạt động của Robot đài phụ

- Tính toán, thiết kế kết cấu khung

- Tính toán động học cho một số cơ cấu

- Tính toán, kiểm nghiệm bền một số chi tiết

- Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo trục nối(thiết kế đồ gá gia công cho một bề mặt do giáo viên chỉ định)

2 Bản vẽ

- Bản vẽ mô hình của Robot

- Bản vẽ chi tiết lồng phôi trục nối

- Bản vẽ đồ gá chế tạo trục nối

3 Thực hành

Cùng với thành viên của nhóm CDHT chế tạo, lắp ráp, chạy thử các Robot tham gia cuộc thi

Giáo viên hớng dẫn: Ngày giao đề tài: 1/4/2005

1 Đỗ Hoài Vũ Ngày hoàn thành: 4/6/2005

2 Đỗ Anh Tuấn Ngày , tháng , năm 2005

I.Phân tích mục tiêu ý nghĩa của đề tài.

Hởng ứng cuộc thi sáng tạo robocon năm 2005 do đài truyền hình Việt Nam tổ chức, với tinh thần sáng tạo và lòng ham mê nghiên cứu khoa học các sinh viên tr-ờng ĐHSP KT Hng Yên đã nhiệt tình và hăng hái tham gia Cũng với tinh thần ấy, cùng với lòng đam mê của mỗi thành viên nhóm CĐHT đã đợc thành lập Bằng trí tuệ, sức lực, kinh nghiệm và khả năng riêng của mỗi ngời các robot đã đợc thiết kế

và chế tạo hoàn thiện một cách khá hợp lý

Để phù hợp với luật chơi và chiến thuật thi đấu nhóm đã chế tạo một robot điều khiển bằng tay, 1 robot tự động vòng ngoài và robot tự động đài chính Trong đó nhiệm vụ của mỗi robot đều rất quan trọng nó liên quan đến chiến thuật thi đấu của mỗi đội vì thế nó ảnh hởng đến kết quả thi đấu

Với mục tiêu dành chiến thắng bằng cách ghi nhiều điểm hoặc thắng tuyệt đối thì tất cả các robot đều phải hoạt động ổn định, thực hiện đúng nhiệm vụ Tính hợp

lý trong thiết kế, chế tạo; tính ổn định trong thi đấu sẽ là những điều kiện cần thiết

để robot hoạt động một cách hiệu quả

Ngọn đuốc chính là nơi ghi nhiều điểm nhất nhng cũng là nơi khó khăn nhất Bởi vì đờng đi của robot để tiếp cận ngọn đuốc là khó khăn hơn nữa đó lại là nơi tranh chấp của hai đội nên rất dễ xảy ra tai nạn cho robot ghi điểm ở ngọn đuốc

chính Khi ấy kết quả của trận đấu sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào các robot đánh vòng ngoài

Đề tài “thiết kế và chế tạo robot tự động đài phụ’’ngoài ý nghĩa tạo cho sinh

viên các trờng ĐH ,CĐ kĩ thuật một sân chơi bổ ích, nó còn giúp cho chúng em có cơ hội tìm hiểu những ứng dụng tiến tiến của khoa học kĩ thuật và những khái niệm ban đầu về tự động hoá Đợc tham gia đề tài là một cơ hội tốt cho chúng em củng

cố, hoàn thiện và nâng cao kiến thức của mình từ đó tự đúc kết lại cho mình những kinh nghiệm sống, làm việc để sau này có thể đóng góp sức mình vào quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá của đất nớc

Thiết kế và chế tạo robot nhằm tạo điều kiện cho những kĩ s tơng lai, các sinh viên trờng kĩ thuật tự mình có thể thực hiện đợc những ý tởng táo bạo tự mình chế tạo ra các máy móc mà không bị chi phối bởi những kiến thức chung đã có Qua đề tài thiết kế và chế tạo robot sẽ giúp cho các sinh viên tạo những sản phẩm

tự động đa dạng kích thích khả năng sáng tạo, tạo tiền đề cho phong trào nghiên cứu khoa học trong trờng cũng nh sự phát triển khoa học chung của đất nớc

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ và mang tính vợt bậc của Khoa học kỹ thuật đã làm lên nền tảng vững chắc thúc đẩy các ngành kinh tế, xã hội của con

ng-ời tiến lên một tầm cao mới Với mục tiêu ứng dụng kĩ thuật robot trong công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động của con

ng-ời Chính vì vậy mà mỗi đề tài không chỉ có ý nghĩa giới hạn trong phạm vi hẹp của

nó mà là qua đề tài sinh viên thu thập đợc những gì, đúc kết đợc gì trong lĩnh vực robot nói riêng cộng nghệ tự động hoá nói chung Hiện nay ở một số trờng Đại học, Cao đẳng và dạy nghề, công nghệ cao đã bắt đầu giảng dạy về robot công nghiệp

Đặc biệt trong những năm gần đây nhiều nơi đã mở ngành đào tạo về Cơ -Tin- Điện

tử và rất quan tâm đến robot công nghiệp Cơ - Tin- Điện tử và robot công nghiệp là hai lĩnh vực khoa học kỹ thuật cao rất gắn bó với nhau ở trờng chúng ta hiện nay ngành Cơ điện tử cũng đang đợc chú trọng đào tạo và có số lợng sinh viên theo học tơng đối đông

Với những đề tài về “thiết kế và chế tạo robot ’’, những cuộc thi sáng tạo

trong công nghệ tự động hoá, cùng với sự quan tâm đầu t của nhà trờng em tin rằng trong một ngày không xa trờng ĐHSPKT Hng Yên sẽ có những đội robot hùng mạnh và là một trong những trờng kỹ thuật dẫn đầu về công nghệ tự động hoá của Việt Nam

II-Thiết kế nguyên lí hoạt động của Robot đài chính MFAM1

“ Lửa thiêng rực sáng Trờng Thành” là chủ đề và luật chơi của cuộc thi sáng

tạo Robocon Việt Nam 2005 Các robot tham dự cuộc thi phải thực hiện bỏ bóng vào 5 ngọn đuốc và 4 đài lửa Robot thi đấu gồm 1 robot điều khiển bằng tay và các robot tự động

Từ chủ đề của luật thi đấu của cuộc thi đội CĐHT đã đa ra chiến thuật thi

đấu là: chế tạo 1 robot điều khiển bằng tay, 1 robot tự động đánh đài chính, một robot tự động đài phụ Sau đây em xin trình bày ý tởng thiết kế Robot đài phụ:

1)Đ ờng đi của Robot

Robot đài phụ đợc thiết kế với quãng đờng đi là ngắn nhất, với mục tiêu trong thời gian nhanh nhất có thể ghi điểm an toàn Qua nghiên cứu có thể đi ta thấy Robot đài phụ có thể ghi điểm ở 4 ngọn đuốc phụ Giả sử màu bóng của ta là màu xanh, còn màu bóng của đội bạn là màu đỏ thì các phơng an đờng đi cho Robot đài phụ có thể nh sau:

1 Nếu Robot đi đến ghi điểm ở ngọn đuốc C và D thì quãng đờng đi là rất

xa, hơn nữa ở hai ngọn đuốc đó ở gần khu xuất phát của đội bạn nên rất có thể Robot đài phụ của đội bạn đã đến đó trớc và cản đờng

2 Nếu Robot đi đến ghi điểm ở ngọn đuốc A và B thì quãng đờng đi sẽ gần hơn rất nhiều và khả năng gặp Robot của đội bạn là gần nh không xảy ra Tuy vậy nếu ta chọn phơng án ghi điểm ở ngọn đuốc A là hợp lý nhất

Khi đã chọn phơng án ghi điểm ở ngọn đuốc A ta lại chọn phơng án cho Robot tiếp cận ngọn đuốc một cách an toàn và nhanh nhất

A

c

B D

- Nếu cho robot tiến thẳng đến ngọn đuốc phụ sau đó Robot quay một góc rồi

tự động bỏ bóng, phơng án này tuy Robot tiếp cận ngọn đuốc nhanh, Robot

có thể không cần cảm biến nhng không an toàn

- Nếu cho Robot đi theo đờng vạch trắng thì đờng đi dài hơn nhng an toàn hơn

Từ những phân tích trên đội CĐHT đã đa ra phơng án đờng đi nh sau:

Sau khi khởi động Robot tự động đi thẳng nhờ vào cảm biến dò đờng Khi Robot đi đợc 1.5 m thì Robot tự động quay 1 góc 900 và tiếp tục đi thẳng 3.2m nữa thì dừng lại để bỏ bóng (nhờ vào cảm biến đếm vạch) Đờng đi của Robot đợc thể hiện rõ trên hình vẽ trên

2)Nguyên lý hoạt động.

Robot đài phụ chuyển động đợc là nhờ hai động cơ cùng loại độc lập đợc nối với hai bánh thông qua trục nối Hệ thống bánh chuyển động của Robot đài phụ gồm 3 bánh Trong đó có hai bánh chủ động và một bánh động Bánh chủ động đợc gắn với động cơ và đợc đặt ở phía sau Robot, bánh động là một bánh cầu có thể chuyển động tự do theo hớng lái của hai bánh chủ động

Khi ta muốn cho Robot đi thẳng thì hệ thống điều khiển sẽ cấp nguồn cho hai động cơ quay cùng chiều

Khi Robot quay góc thì hệ thống điều khiển sẽ cấp nguồn cho hai động cơ quay ngợc chiều nhau (Tức là một bánh tiến một bánh lùi) cho đến khi Robot quay

đợc một góc 900 và cảm biến nhận biết đợc đờng đi thì hệ thống điều khiển lại tiếp tục cấp nguồn để hai động cơ quay cùng chiều và Robot lại tiếp tục đi thẳng

Bánh cầu Bánh chủ

động

Khi Robot quay Khi Robot

đi thẳng

Tại vị trí xuất phát trên lồng bóng của Robot đài phụ đợc chất 6 trái bóng Lồng bóng đợc phân luồng và tạo độ dốc sẵn để thả bóng, bóng có thể lăn tự do nhờ trọng lực

Sau khi khởi động Robot sẽ tự động đi theo đúng đờng mà ta đã lập trình sắn và trở bóng đến đúng vị trí bỏ bóng Do đặc điểm của luật thi là ngọn đuốc cao1500(mm) mà chiều cao tối đa của Robot là 1500(mm), nên Robot đài phụ muốn bỏ bóng đợc phải vơn cao lên mới bỏ bóng đợc Khi Robot dừng lại ở vị trí

bỏ bóng thì hệ thống điều khiển sẽ điều khiển cấp nguồn cho động nhỏ khác đợc gắn ở duới thân Robot quay để kéo lồng bóng lên thông qua hệ thống ròng rọc

Khi lồng bóng đợc kéo đến chiều cao đủ để bỏ bóng thi tác động vào công tắc hành trình đã đợc gắn trên thân Robot Hệ thống điều khiển lập tức ngừng cấp

điện cho động cơ kéo lồng đồng thời lập tức cấp tín hiệu để thả bóng Khi tin hiệu thả bóng đợc cấp thì lập tức dây nịt chắn bóng đợc đánh điện làm chảy đứt và bóng

tự do lăn vào ngọn đuốc

Robot vơn lên để

đủ chiều cao bỏ bóng

Sau đó Robot đứng đó làm nhiệm vụ cản đờng Robot đội bạn Robot góc đã hoàn thành nhiệm vụ

Phân tích kết cấu

Theo bản vẽ chế tạo robot phụ là một kết cấu đợc chế tạo từ nhiều vật liệu khác nhau Kích thớc tổng thể của robot nh sau:

Chiều dài: amm

Chiều rộng: bmm

Chiều cao: cmm

Khung robot đợc lắp ghép từ 3 chi tiết lớn (phần đế, phần thân robot, phần rỏ bóng) lắp ghép với nhiều phơng pháp khác nhau nh: hàn, bắt ốc vít, bắn rút đinh

Kết cấu robot đơn giản nhng có độ vững chắc cao và khả năng ghi điểm cao (5

điểm tơng ứng với 5 bóng) Kết cấu đảm bảo khối lợng tổng thể của các robot dới 50kg

 Các dụng cụ cần thiết: Cu tay, máy khoan đứng, thớc rút, búa tay, mũi lấy dấu

Yêu cầu kỹ thuật:

Qua bản vẽ chung của robot quá trình nghiên cứu và phân tích các chi tiết với điều kiện thi đấu của robot lam sao ghi điểm chính xác và tuyệt đối với thời gian ngắn nhất Do vậy trong quá trình chế tạo các chi tiết luôn đảm bảo yêu cầu trên, kết cấu của các chi tiết lắp ghép với nhau phải gọn nhẹ nhng có độ cứng vững cao đảm bảo những yêu cầu trên và trong quá trình thiết kế chế tạo các chi tiết phải đảm bảo

đồng thời hai yêu cầu đó là yêu cầu về kỹ thuật đồng thời đảm bảo cả về tính kinh

tế Do điều kiện thi đấu nh vậy nên các chi tiết phải có độ bền độ giãn dài tơng đối nhất định và nhất là không bị phá hủy Muốn đảm bảo độ bền và tính kinh tế của kết cấu thì phải chọn vật liệu có độ bền và chống đợc khả năng gãy, phá huỷ do khi thi đấu cọ sát giữa các robot đội bạn vật liệu phải đợc sử dụng trên thị trờng và

nhất là có tính hàn tốt Ngoài ra các mối hàn phải đợc tính toán hợp lý phù hợp với từng chi tiết, loại vật liệu và phải đảm bảo đúng yêu cầu kỹ thuật Mối hàn đợc ghép có một lỗi nhỏ ví dụ nh nứt, không ngấu vì nh thế mối hàn sẽ rất dễ bị phá huỷ vì điều kiện thi đấu của robot

Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trên và để đảm bảo khối lợng tổng thể của các robot

ta sẽ tiến hành thực hiện hàn phần đế của robot còn phần thân ta lắp ghép bằng nhôm

I Phần đế

Bản vẽ:

Từ bản vẽ ta thấy cụm đế gồm 3 chi tiết đợc ghép lại với nhau bằng phơng pháp hàn Yêu cầu kỹ thuật của Đế là các thanh phải nhẹ và đủ cứng vững, quá trình lắp ghép giữa các thanh phải đảm bảo độ vuông góc, không

bị cong vênh trong quá trình hàn và kích thớc theo yêu cầu kỹ thuật Khi khoan lỗ giảm trọng lợng trên các thanh chú ý các vị trí khoan lỗ nhỏ để bắn rút đinh và không khoan lỗ những vị trí có mối ghép hàn

Bảng kê và yêu cầu kĩ thuật của từng chi tiết của cụm đế:

Vật

liệu

Các nguyên công thực hiện

(minh hoạ)

T 1

1

thép

CT3

dạng

hộp

14x14

mm

Cắt phôi

Thớc rút, ca tay, mũi vạch dấu, ê tô

máy mài

Khoan lỗ

Dỡng lấy dấu, mũi vạch dấu,mũi khoan ỉ8, máy khoan cần

T 2

thép

CT3

dạng

Cắt phôi

Thớc rút, ca tay, mũi vạch dấu, ê tô

máy mài

2 hộp 14x14

mm Khoan lỗ

Dỡng lấy dấu, mũi vạch dấu,mũi khoan ỉ8, máy khoan cần

T 3 2

thép

CT3

dạng

hộp

14x14

mm

Cắt phôi

Thớc rút, ca tay, mũi vạch dấu, ê tô

máy mài

II Chi tiết thân

Chi tiết thân có cấu tạo rất đơn giản chỉ gồm một thanh nhôm hình Bản vẽ:

III Cơ cấu rổ bóng

Đợc cấu tạo bởi hai phần chính: Cột kéo lồng và lồng đựng bóng, gồm

8 chi tiết Cơ cấu có nhiệm vụ thả đợc 4 quả bóng đựng sẵn ở lồng khi robot tiếp cận đợc với đài lửa và nhận đợc màu của đội mình

Vật liệu để chế tạo kết cấu là nhôm ống tròn và nhôm hộp, đây là hai loại nhôm đợc bán rộng rãi trên thi trờng và giá rẻ Ta có thể chọn loại nhôm hình khác nhng giá thành đắt hơn và tính công nghệ không thể đảm bảo đợc bằng nhôm tròn vì nhôm tròn có bề mặt tiếp xúc với bóng là ít nhất vì thế quá trình thả bóng đợc dễ dàng

Phơng pháp lắp ghép các chi tiết phần lớn là bắn đinh rút, một số mối ghép phải bắt vít Đầu của các chi tiết chế tạo từ nhôm ống đợc gò bẹp để khoan lỗ bắn đinh

Lồng sẽ đợc tạo độ nghiêng ban đầu là 50 để cho bóng tự lăn vào ngọn

đuốc khi bộ phận chăn bóng hoạt động Bộ phân chăn bóng là các vòng chun, khi thả bóng các vòng chun này sẽ bị đốt cháy, bóng sẽ tự lăn vào ngọn đuốc

Bản vẽ sơ bộ của cơ cấu đợc thể hiện nh sau:

IV Tính toán động học cho chuyển động của Robot đài phụ

Tính toán động học cho chuyển động là ta đi tiến hành nghiên cứu, phân tích quy luật chuyển động của hệ thống bánh răng trong động cơ và bánh xe, từ đó biết

đợc tốc độ của Robot, đặc biệt là các cơ cấu có biến đổi chuyển động theo một quy luật quy định Kết quả phân tích động học cũng rất cần cho việc thiết kế máy, giả

sử muốn tăng hiệu quả hoặc thay đổi kết cấu của chi tiết máy ta cũng cần phải dựa vào các tính toán động học

Nh vậy tính toán động học thông thờng phải đi giải ba bài toán: chuyển vị, vận tốc, gia tốc Nhng chuyển động của Robot là rất phức tạp bởi nó còn phụ thuộc vào

hệ thống cảm biến đờng đi Hệ thống cảm biến đờng đi của Robot bao gồm cảm biến dò đờng và cảm biến đếm vạch Để Robot đi đúng đờng thì hệ thống cảm biến phải hoạt động hiệu quả Robot đi thẳng đợc là nhờ vào cảm biến dò đờng, khi Robot đi lệch đờng thì cảm biến sẽ điều chỉnh cho Robot đi đúng đờng trở lại bằng cách cho một bánh dừng lại và một bánh tiếp tục chuyển động cho đến khi Robot trở lại đúng đờng đi Tuy nhiên trong quá trình điều chỉnh đó nếu tốc độ của Robot

mà quá nhanh thì sẽ làm cho Robot lệch khỏi đờng đi quá nhiều sẽ làm cho cảm biến rất khó điều chỉnh và không dò lại đợc đờng đi Vì vậy ngay từ việc chọn động cơ cho Robot là một điều rất quan trọng động cơ phải có tốc độ vừa phải, có khả năng hãm tốt để khi mà Robot lệch khỏi đờng đi thì cảm biến có thể dò lại đờng đi cho Robot Từ những lý luận trên đội CĐHT đã đa ra phơng an chọn động cơ là

động cơ “hộp số” có khă năng hãm rất tốt khi có tín hiệu dừng thì Robot lập tức dừng ngay nhờ vào hệ thống bánh răng giảm tốc trong hộp của động cơ Động cơ

có các thông số là:

I = 3 (A)

U = 22 (v)

P = 66 (W)

n = 6900(v/phút)

Sau đây là sơ đồ của hệ thống bánh răng trong động cơ “Hộp số”:

Trong đó: Z1= 16 Z2=54

Z3= 11 Z4= 54

Z5= 12 Z6= 50

Từ sơ đồ ta thấy hệ bánh răng của động cơ là hệ bánh răng thờng gồm ba cặp bánh răng bố trí nối tiếp nhau Trong hệ này, chuyển động quay đợc truyền từ trục dẫn I

đến trục bị dẫn cuối IV thông qua các cặp bánh răng

Tỷ số truyền của mỗi cặp bánh răng tính theo số răng là:

5

6 3

3

4 23

1

2 12

Z

Z i

Z

Z i

Z

Z i













Khi đó tỷ số truyền của hệ bánh răng sẽ là:

69 16

12 12

50 54 54

.

.

.

5 3 1

6 4 2 56

34





Z Z Z

Z Z Z i

i

i

i

vậy hệ bánh răng thờng ở đây là cơ cấu giảm tốc trục dẫn quay nhanh hơn trục bị dẫn 69 lần và có chiều quay ngợc chiều với trục bị dẫn

 số vòng quay của trục dẫn là: 100 ( / )

69

6900 69

 vận tốc góc của trục dẫn là: 10 , 466 ( / )

60

100 14 , 3 2 60

2

s rad

n





 



 Mô men định mức của động cơ là: 6 3 ( )

466 10

66

m N

P M

dm

dm

dm   

 Robot góc đợc thiết kế có khối lợng tổng thể là: 6,5Kg

Khối lợng của toàn thể Robot đợc chịu tải bởi 3 bánh trong đó có hai bánh chủ

động và một bánh cầu

Xét lực ma sát tại bánh cầu: Do đặc điểm của bánh cầu là vừa chịu ma sát trợt và

ma sát lăn nên hệ số ma sát tổng cộng sẽ là:

f f1 f2

Trục I

Trục IV