Tính toán thiết kế robot

Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot Tính toán thiết kế robot

BÀI TẬP LỚN MÔN: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT

Đề tài: Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế

mô hình robot ứng dụng trong hàn điểm

GVHD : PGS.TS Phan Bùi Khôi

Môn học : Tính toán thiết kế Robot

Mã học phần : ME4281

Mã lớp học : 101694Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 10

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của robot 4

1.2 Ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp 5

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT HÀN ĐIỂM 8

2.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot trong hàn 8

2.1.1 Mục đích 8

2.1.2 Phương pháp hàn điểm 8

2.2 Phân tích yêu cầu kĩ thuật 9

2.3 Các phương án thiết kế 11

CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC 14

3.1 Bài toán động học thuận 14

3.2 Không gian làm việc của robots 21

3.3 Bài toán động học ngược 22

3.4 Bài toán động lực học 26

CHƯƠNG 4: BÀI TOÁN TĨNH HỌC 34

4.1 Bài toán tĩnh học 34

4.2 Thiết kế quỹ dao chuyển động robots 40

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG ROBOTS 47

5.1 Chọn động cơ 47

5.1.1 Chọn động cơ cho khâu 1 47

5.1.2 Chọn động cơ cho khâu 2 48

5.1.3 Chọn động cơ cho khâu 3 49

5.1.4 Chọn động cơ cho khâu 4 52

5.2 Thiết kế bộ truyền bánh răng cho khâu 1 52

5.3 Chọn hộp giảm tốc 53

5.3.1 Chọn vật liệu 53

5.3.5.Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc 56

5.3.6 Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn 58

5.4 Tính toán thiết kế trục bánh răng lớn 60

5.4.1 Chọn vật liệu 60

5.4.2 Xác định tải trọng tác dụng lên trục 61

5.4.3 Xác định sơ bộ đường kính trục 62

5.4.4 Xác định khoảng cách giữa các khối đỡ và điểm đặt lực 62

5.4.5 Tính toán đường kính các đoạn trục 63

5.5 Tính toán thiết kế trục bánh răng nhỏ 63

5.5.1 Chọn vật liệu 63

5.5.2 Tính sơ bộ đường kính trục 63

5.5.3 Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực 64

5.5.4 Xác định đường kính các đoạn trục 64

5.5.5 Tính kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi 65

5.6 Chọn ổ lăn 68

5.7 Chọn khớp nối 71

5.8 Bôi trơn hộp giảm tốc 72

5.9 Miền dung sai và dung sai lắp ghép 72

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

+Tính toán động lực học robot

+Thiết kế quỹ đạo cho robot

+Thiết kế hệ thống điều khiển

100%

+ Tổng quan về robot+ Phân tích thiết kế đưa ra mô hình+Tính toán tĩnh học robot

+Tính toán thiết kế hệdẫn động cho robot+Tổng hợp và trình bày báo cáo

100%

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay khoa học kỹ thuật đang phát triển rất nhanh, mang lại những lợi ích cho con người về tất cả những lĩnh vực trong cuộc sống Để nâng cao đời sống nhân dân và hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới, Đảng và nhà nước ta đã đề ra những mục tiêu đưa đất nước đi lên thành một nước công nghiệp hóa hiện đại hóa Để thực hiện điều

đó thì một trong những ngành cần quan tâm phát triển nhất đó là ngành cơ khí nói chung

và cơ điện tử nói riêng vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra các thiết bị công cụ ( máy móc, robot ) của mọi ngành kinh tế.

Muốn thực hiện việc phát triển ngành cơ khí cần đẩy mạnh đào tạo đội ngũ cán bộ kĩ thuật có trình độ chuyên môn đáp ứng yêu cầu của công nghệ tiên tiến, công nghệ tự động hóa theo dây chuyền sản xuất Đóng góp vào sự phát triển nhanh chóng của nền khoa học công nghiệp, tự động hóa đóng vai trò vô cùng quan trọng Vì vậy công nghệ tự động hóa được đầu tư và phát triển một cách mạnh mẽ.

Trong công nghiệp hiện nay nói chung, việc máy móc tự động dần thay thế con người đang trở thành xu thế tât yếu Nhằm tạo ra 1 hệ thống điều khiển cho robot công nghiệp phục vụ công việc và nghiên cứu và đưa vào thực tiễn giúp nâng cao năng suất lao

động, chúng em đã thiết kế robot hàn điểm Trong khi làm bài không tránh khỏi những

sai sót Rất mong được những đóng góp của các thầy và các bạn để chúng em sửa chữa, khắc phục và hoàn thiện hơn trong những lần sau.

Cuối cùng chúng em xin trân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy cô trong Viện, Khoa Cơ Ứng Dụng và đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy Phan Bùi Khôi và thầy Nguyễn Văn Quyền đã giúp em học được rất nhiều điều và hoàn thành môn học này.

Nhóm em xin chân thành cám ơn

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của robot

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người.

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực

kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool).

Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để

có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo

ra các vị trí và hướng tuỳ ý của Tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp

sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số.

Một trong những Robot Công nghiệp đầu tiên được chế tạo là Robot Versatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate (1900) được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô.

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh (1967), Thụy Điển

và Nhật (1968) theo bản quyền của Mỹ, CHLB Đức (1971), Pháp (1972), Ý (1973) .

Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết

và xử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai) Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG.

Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia…

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện

tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt, Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.

1.2 Ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc

độ thay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây

Hình 1.1 Robot hàn

Hình 1.2 Robot hàn trong ngành sản xuất oto

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với Robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao Ở đây các máy và robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình.

Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục

vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội…

Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt hơn khả năng của con người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người, trong dây chuyền tự động, nếu có một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người.

CHƯƠNG 2:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT HÀN ĐIỂM

2.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot trong hàn

2.1.1 Mục đích

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào khả năng của robot như : làm việc không biết mệt mỏi, làm việc được ở các môi trường mà con người không thể làm được…

2.1.2 Phương pháp hàn điểm

Hàn điểm:Hàn điểm tiếp xúc là một phương pháp liên kết vật liệu, trong đó lượng

nhiệt dùng cho mối hàn được sinh ra do điện trở của một dòng điện khi nó truyền qua phần vật liệu được hàn.

Hình 2.1: Phương pháp hàn điểm

 Ưu điểm:

 Tốc độ nhanh

 Tạo được liên kết kín

 Năng xuất cao

 Không cần thêm kim loại phụ trợ,khí bảo vệ

 Các thiết bị có khả năng tự động hóa cao

 Không yêu cầu cao đối với người vận hành

 Có thể hàn các kim loại khác loại

 Độ tin cậy cao

 Nhược điểm:

 Giá thành đầu tư cho một thiết bị hàn điểm và các đồ gá lắp đi kèm lớn.

 Nhân viên sửa chữa bảo dưỡng thiết bị hàn và điều khiển yêu cầu phải có trình độ.

 Đối với một số vật liệu thì có yêu cầu đặc biệt về chuẩn bị bề mặt vật hàn.

 Không hàn được các chi tiết có chiều dày lớn

điểm cần hàn

Yêu cầu về hướng: Hướng của đầu mũi hàn phải vuông góc với mặt phẳng chứa

điểm hàn

Yêu cầu về tải trọng: Do phương pháp hàn điểm không yêu cầu lớn về lực,chỉ yêu

cầu về độ linh hoạt và chính xác cao

Một số loại không gian làm việc của robot:

Hình 2.2.2 Không gian thao tác Decac

Từ những phân tích yêu cầu kĩ thuật trên thì nhóm em đưa ra 3 mô hìnhrobot ứng với 3 không gian làm việc khác nhau.Với mô hình (2.3.1) là robots 3bậc tự do TTT,với kết cấu đơn giản nhưng về khả năng linh hoạt không cao Tương

tự với mô hình (2.3.3) là robots 4 bậc tự do RRTR,với kết cấu đơn giản nhưng vềkhả năng linh hoạt không cao chỉ hàn được chi tiết có mặt thẳng đứng.Với mô hình(2.3.2) thì có 5 bậc tự do,khả năng linh hoạt cao có thể hàn các điểm ở các mặtkhác nhau nhưng do kết cấu 5 bậc tự do khó khăn trong việc tính toán.Dựa theo

Hình 2.3.3

CHƯƠNG 3:

BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC3.1 Bài toán động học thuận

 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học:

Từ hệ tọa độ Denavit - Hartenberg và các tham số động học ta thiết lập được

ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 0A n biểu diễn trạng thái khâu cuối E:

11 12 13

21 22 23 0

31 32 33

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ khâu thao tác:

Tọa độ của khâu thao tác: 0r E [x ,y , ]E E z E

Hướng của khâu thao tác: ta sử dụng các góc Cardan:

( , , ) ( , , ) ( , , )

E

E n

Từ phương trình động học robot xác định được vị trí của điểm tác động cuối

và hướng của khâu cuối:

Vị trí điểm của điểm tác động cuối:

Hình 3.1: Đồ thị biến khớp

Vận tốc,gia tốc theo phương x:

Hình 3.2: Đồ thì vận tốc gia tốc theo phương x Vận tốc,gia tốc theo phương y:

Hình 3.3: Đồ thì vận tốc gai tốc theo phương y Vận tốc,gia tốc theo phương z:

Hình 3.4: Đồ thì vận tốc gai tốc theo phương z Vận tốc góc:

3.2 Không gian làm việc của robots

Hình 3.6: Không gian 3d

Hình 3.7: Không gian top

3.3 Bài toán động học ngược

 Phương pháp giải tích

Dễ dàng sử dụng khi tọa độ điểm tác động cuối không phục thuộc vào thời gian.Với bài toán động học ngược thì vị trí của khâu thao tác xem như đã biết, yêu cầu tìm giá trị của các biến khớp

Trình tự giải bài toán:

- Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học (khảo sát giống bài toán động học thuận)

- Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ khâu thao tác (khảo sát giống bài toán động học thuận)

- Phương trình động học robot (khảo sát giống bài toán động học thuận).Phương trình động học robot:

0A q n( )  0A p n( )

(4)

Vẽ đồ thị:

Cho tọa độ điểm cuối:

Hình3.8: Quỹ đạo điểm cuối

G là ma trận đặc trưng cho các lực có thế tác dụng vào robot.

Q là ma trận đặc trưng cho các ngoại lực không thế tác dụng vào robot

U là ma trận các lực và moment điều khiển

-Xây dựng các thông số động lực học

+Ma trận tenxo quán tính:

Ma trận khối lượng của cả hệ:

00

T 0

m1Khối lượng khâu 2 m2

M[Mx,My,Mz]

[0 ,0,0]

(N.m)Gia tốc trọng trường

4.2 Thiết kế quỹ dao chuyển động robots

Sau khi có không gian làm việc của robots ta xây dựng quỹ đạo chuyển độngcủa robot theo không gian thao tác

Giả sử quy luật chuyển động của robots là hàm bậc 3 x=x(t) nên:

Xét điều kiện biên:

Hình 4.2

-Quỹ đạo thứ hai robot đi từ điểm P2(0.8 -0.114 0.465) tới P3 (0.8 -0.114 0.406) trong 0.5(s)-1s

Hình 4.3

Hình 4.4

- Quỹ đạo thứ ba robot đi từ điểm P3 (0.8 -0.114 0.406) tới P4(0.8 0.114 0.406) từ 1(s)-1.5(s)

Hình 4.5

Hình 4.6

- Quỹ đạo thứ tư robot đi từ điểm P4 (0.8 0.114 0.406) tới P5(0.8 0.114 0.465) từ 1.5(s)-2(s)

Hình 4.7

Hình 4.8

- Quỹ đạo thứ tư robot đi từ điểm P5 (0.8 0.114 0.465) tới P6(0.8 0.114 0.5) từ 2(s)-2.5(s)

Hình 4.9

Hình 4.10

Tương tự các điểm khác ta được quỹ đạo :

Hình 4.11: Quỹ đạo thao tác của Robots

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG ROBOTS

Trong mô hình này chúng em lựa chọn hộp giảm tốc bánh răng trụ răng thẳngcho tất cả các khớp quay Hệ dẫn động thiết kế gồm 1 động cơ AC nối với hộpgiảm tốc cấp bánh răng trụ răng thẳng qua 1 khớp nối hộp giảm tốc nối với trụccủa khớp qua khớp nối

Hiệu suất của hệ dẫn động:

5.1 Chọn động cơ

5.1.1 Chọn động cơ cho khâu 1

Ta có :

Hình 5.1

Mmax=235,2(Nm)

a) Số vòng quay của khâu 1

Chọn số vòng quay của khâu 1: n1=30(v/p)

b) Số vòng quay của động cơ

Số vòng quay của động cơ: ndc1=30.ubr=30.4=120(v/p)c) Công suất làm việc

1 1 1 1 1

d) Công suất trên trục động cơ

Như vậy cần phải chọn động cơ có:

h) Công suất trên trục động cơ

Như vậy cần phải chọn động cơ có:

5.1.3 Chọn động cơ cho khâu 3

Khâu 3 là khâu tịnh tiến,để đạt độ chính xác cao ta chọn bộ truyền vitme đai

Vít: nhiệt luyện từ thép tôi 40CrMn

Đai ốc: để giảm ma sát và mòn ren sử dụng đai ốc được chế tạo từ đồng thanh nhôm - sắt

b Chọn kiểu lắp

-Chọn kiểu lắp trục vít-ổ bi cho 2 khớp tịnh tiến: Chọn kiểu lắp đặt ổ đỡ:

Trong đó: N,m phụ thuộc vào kiểu lắp đặt

c Tính chọn bước vit me:

Chọn bước vít:

l≥V_max/N_max =2000/600=3,33 mm

Suy ra chọn l = 5 mm

d Chiều dài trục vít me

Chiều dài trục vít-me:

L1 = tổng chiều dài dịch chuyển + chiều dài ổ bi = 620 (mm)

e Đường kính trung bình của ren

Từ độ cứng yêu cầu và các yếu tố:tải trọng,đường kính,chiều dài,kích

cỡ ổ bi…, ta chọn được series trong catalog của hãng PMI phù hợp cho cả khâu 1 và khâu 2 như sau: