ĐỒ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ KHÍ – ROBOT đề tài THIẾT kế ROBOT SCARA 3 bậc tự DO đã nén

“Đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí – Robot” là một học phần bắt buộc trong chương trình Module 3 : Robot - Cơ điện tử, học phần giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với việc thiết kế cơ khí

Giới thiệu về Robot SCARA

Từ viết tắt SCARA là viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot

Arm hoặc Selective Compliance Articulated Robot Arm

Vào năm 1981, Sankyo Seiki, Pentel và NEC đã giới thiệu một khái niệm mới về robot lắp ráp dưới sự hướng dẫn của giáo sư Hiroshi Makino từ Đại học Yamanashi Robot này, được gọi là Cánh tay robot lắp ráp tuân thủ có chọn lọc (SCARA), có thiết kế với cánh tay đòn cứng theo trục Z và linh hoạt theo trục XY, giúp nó thích ứng dễ dàng với các lỗ trên trục XY.

Nhờ bố cục khớp trục song song của SCARA, cánh tay hơi tuân theo hướng

XY nhưng cứng theo hướng 'Z' dẫn đến khái niệm "Tuân thủ có chọn lọc" Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho nhiều kiểu thao tác lắp ráp, cho phép lắp chốt tròn vào lỗ tròn mà không cần phải ràng buộc.

Cánh tay SCARA có cấu trúc hai khớp nối tương tự như cánh tay con người, được gọi là "Articulated" Tính năng này cho phép cánh tay mở rộng vào những khu vực hạn chế và thu lại hoặc "gấp" lại, giúp thuận tiện trong việc chuyển các bộ phận giữa các ô hoặc cho các trạm xử lý xếp/dỡ được bao bọc.

Robot SCARA thường có tốc độ nhanh hơn so với các hệ thống robot Descartes tương đương, với thiết kế bệ đơn giúp tiết kiệm không gian và lắp đặt dễ dàng Mặc dù giá thành của SCARA có thể cao hơn, nhưng phần mềm điều khiển đi kèm thường hỗ trợ người dùng trong việc thực hiện chuyển động học nghịch đảo cho các chuyển động nội suy tuyến tính, mang lại sự thuận tiện cho người sử dụng.

Một số loại Robot SCARA

Robot SCARA Denso HM-G Robot SCARA Kuka

Robot SCARA Fanuc SR-6iA Robot SCARA Epson

Hình 0.1 Các robot SCARA điển hình

PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Nhiệm vụ thiết kế

Hành trình trục z (mm) Độ chính xác lặp

Vận tốc lớn nhất Chu kỳ thời gian (s)

Tốc độ tổng hợp (mm/s)

Các thành phần kết cấu của Robot

Tay robot có 3 bậc tự do, thiết kế cơ khí dạng 2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến

➢ Thân robot: Là khâu cố định, đặt thẳng đứng giữ robot cố định khi làm việc, gắn với khâu động 1 qua khớp quay 1 với trục z01 thẳng đứng

Khâu dẫn động của robot được thiết kế nằm ngang và vuông góc với trục thẳng đứng, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong suốt quá trình làm việc Khâu này có khả năng quay quanh trục z01 thông qua khớp quay 1, tạo ra sự linh hoạt và chính xác trong các chuyển động của robot.

➢ Khâu 2: Khâu động có khả năng quay trong mặt phẳng vuông trục thẳng đứng qua khớp quay 2 nối với khâu 1

➢ Khâu 3: trục vít me - đai ốc bi (trục vít tịnh tiến, đai ốc quay)

Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các khớp đều là thẳng đứng

➢ Khâu quay 1, 2: hệ bánh răng (hộp giảm tốc)

➢ Khâu 3: khâu tịnh tiến (trục vít me - đai ốc bi), truyền động đai răng

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Động học Robot SCARA

Thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg

Sử dụng phương pháp Denavit-Hartenberg để giải bài toán động học robot

Thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg:

Hình 2.1 Sơ đồ động học robot SCARA 3 bậc tự do

Bảng D - H và các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất

Trong đó : θ1, θ2, d3 là các biến khớp Đặt θ1 = q 1 , θ2 = q 2 , d3 =q 3

Miền giá trị biến khớp:

Các ma trận biến đổi thuần nhất:

1 cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( )

2 cos( ) sin( ) 0 cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( )

2 1 cos( ) sin( ) 0 cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( ) sin( )

3 2 1 cos( ) sin( ) 0 cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( ) sin( )

Thiết lập phương trình động học robot

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

Lấy gốc tọa độ thiết lập trên khâu thao tác O3 trùng với E Sử dụng góc Cardan để xác định hướng vật rắn, với p là vectơ tọa độ định vị khâu thao tác, được biểu diễn dưới dạng p = [xE, yE, zE, α, β, η] T Trong đó, ba thành phần đầu của vectơ p biểu diễn vị trí của điểm tác động cuối.

+3 thành phần cuối biểu diễn hướng của khâu thao tác:

13 cos cos cos sin sin sin sin cos cos sin sin sin sin cos cos sin cos cos sin cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos

Khi đó ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu cuối biểu diễn bởi tọa độ khâu thao tác là:

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

Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất biểu diễn trang thái khâu thao tác có thể xác định được từ cấu trúc động học của robot

3 2 1 cos( ) sin( ) 0 cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) 0 sin( ) sin( )

Ma trận được đưa về dạng như sau:

Phương trình động học robot nhận được trong dạng ma trận như sau:

Từ đó phương trình động học trong dạng ma trận có dạng khai triển như sau:

Trong bài toán động học thuận, các yếu tố như vị trí, vận tốc và gia tốc của các biến khớp đã được xác định Mục tiêu chính là xác định vị trí, vận tốc và gia tốc của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định.

Vị trí của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định Oxyz được xác định bởi các tọa độ định vị điểm tác động cuối cùng và hướng của khâu thao tác.

Chú ý: Từ nay, để đơn giản các biểu thức, ta quy ước sin = s, cos = c

Ví dụ : sin( )q 1 =s 1 ,cos( )q 1 =c 1 ,sin(q 1 +q 2 )=s 12 ,cos(q 1 +q 2 )=c 12

Xác định các tọa độ định vị điểm tác động cuối:

Các tọa độ của điểm tác động cuối được xác định thông qua việc so sánh các phần tử ở hai vế của hệ phương trình động học dạng ma trận (*).

Hay vị trí điểm cuối tay kẹp:

Xác định hướng của khâu thao tác

Sử dụng ma trận xác định hướng của khâu thao tác là ma trận Cardan, so sánh hai vế của phương trình động học (*), ta có:

0 0 1 cos cos cos sin sin sin sin cos cos sin sin sin sin cos cos sin cos cos sin cos sin sin cos sin sin sin cos cos cos

Hướng của khâu thao tác có thể xác định bằng cách đối chiếu 3 phần tử không cùng hàng (cột) giữa hai ma trận quay:

1 2 cos sin cos( ) sin 0 sin cos 0 q q

1 2 sin 0 sin 0 cos( ) sin sin( ) cos 2 q q q q

Hệ (I) chính là hướng của khâu thao tác cuối được biểu diễn theo 3 góc Cardan

Vận tốc dài điểm cuối, gia dài tốc điểm cuối, vận tốc góc các khâu

Ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu cuối:

Vận tốc dài điểm tác động cuối:

Gia tốc dài điểm cuối:

Vận tốc góc khâu cuối:

Ma trận cosin chỉ hướng khâu 3:

Vector vận tốc góc khâu 3:

Vận tốc góc khâu 3 là :

Ma trận cosin chỉ hướng khâu 1:

Vận tốc góc khâu 1 là:

Ma trận cosin chỉ hướng khâu 2:

Vector vận tốc góc khâu 2:

Giải bài toán động học ngược

Bài toán động học ngược đóng vai trò quan trọng trong lập trình và điều khiển chuyển động của robot, giúp điều chỉnh tay kẹp di chuyển đến các vị trí cụ thể trong không gian thao tác theo quy luật nhất định Mục tiêu của bài toán này là xác định tọa độ khớp (biến khớp) khi quy luật chuyển động của khâu thao tác (các tọa độ định vị) đã được biết Có nhiều phương pháp để giải bài toán động học ngược, và trong bài viết này, tôi sẽ trình bày phương pháp Giải tích.

Với động học ngược vị trí cho robot 3 bậc tự do, ở trường hợp này là Robot lắp ráp Đầu vào cần xác định đó là  x E y E z E 

Từ phương trình động học (*), ta có :

 Bình phương 2 vế phương trình (1) và (2), ta có:

2 1 2 1 1 2 1 1 2 1 cos ( ) cos ( ) 2 cos( )cos( ) sin ( ) sin ( ) 2 sin( )sin( )

Cộng 2 vế 2 phương trình, ta được:

Biến 2 phương trình (1) và (2) trở thành hệ phương trình mới với 2 ẩn

2 2 1 2 2 1 1 cos( ) cos( ) sin( )sin( ) sin( )cos( ) cos( ) sin( )

Tính các định thức của hệ phương trình bậc nhất 2 ẩn:

Giải hệ phương trình bậc nhất 2 ẩn ta được:

1 2 2 2 1 cos( ) sin( ) sin( ) arctan arctan cos( ) cos( ) sin( )

=  =  =  =  Vậy kết quả của bài toán động học ngược là:

Động lực học Robot SCARA

Dựa vào yêu cầu của đề bài, em xin đưa ra sơ đồ động học cho robot sẽ thiết kế:

Để tính toán động lực học của robot SCARA, ta thiết lập phương trình vi phân chuyển động dựa trên phương trình Lagrange loại II, với dạng tổng quát được xác định.

Với: T - Động năng của Robot

21 qi - tọa độ suy rộng thứ i

Qi kt - Lực suy rộng của các lực không thế ứng với tọa độ suy rộng qi

Trong thiết kế robot, phương trình Lagrange loại II thường được biểu diễn dưới dạng ma trận để tối ưu hóa việc sử dụng các công cụ toán học và thực hiện mô phỏng trên máy tính Phương trình vi phân chuyển động của robot được thể hiện qua dạng cụ thể.

M là ma trận khối lượng

G là ma trận trọng lượng

Q là vector lực suy rộng của các lực không thế

U =    T là lực dẫn động  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

Với báo cáo này, em thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho robot dạng ma trận

Ma trận khối lượng suy rộng được tính theo công thức:

Tk k Tk Rk k Ck k Rk k

Tọa độ khối tâm O C1 trong hệ tọa độ 1:

2 l = a là khoảng cách từ khối tâm OC1 đến gốc O1

Bán kính định vị khối tâm O C1 :

Ma trận Jacobi tịnh tiến:

Ma trận momen quán tính khối:

Tọa độ khối tâm O C2 trong hệ tọa độ 2:

2 l = a là khoảng cách từ khối tâm OC2 đến gốc O2

Bán kính định vị khối tâm O C2 :

Ma trận Jacobi tịnh tiến:

Ma trận momen quán tính khối:

Tọa độ khối tâm trong O C3 hệ tọa độ 3:

3 0 0 T u C = l với l 3 =q 3 +constlà khoảng cách từ khối tâm OC3 đến gốc O3

Bán kính định vị khối tâm O C3 :

Ma trận Jacobi tịnh tiến:

Ma trận momen quán tính khối:

Vậy ma trận khối lượng M được xác định:

Sử dụng phần mềm Maple, ta thu được kết quả tính toán như sau:

Ma trận đặc trưng cho lực quán tính Coriolis và lực quán tính li tâm C q q ( , ) 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:

Chọn gốc thế năng trùng với hệ tọa độ cơ sở

Lực suy rộng của các lực không thế Q

Trong đồ án, robot được xem như một mô hình lý tưởng, do đó lực ma sát và lực cản nhớt được bỏ qua Lực không thế chỉ bao gồm lực tác động lên khâu thao tác cuối Chúng ta sẽ xem xét trường hợp tổng quát với các lực và mô men có giá trị cụ thể.

F = F F F  M 3 = M x M y M z  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 =    T là lực dẫn động  i của động cơ đặt tại các khớp

    là vector lực suy rộng cần xác định

Kết quả của bài toán động lực học:

Hay lực điều khiển tại các khớp:

Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp

Hình 2.3 Quy luật vận tốc hình thang

Tốc độ tối đa: 1max 450 / 5 ( / )

Thời gian gia tốc t 1i bằng thời gian giảm tốc t 1 f và tương đương 30% thời gian chu kỳ để chạy hết biên độ, tức t 1 i =t 1 f =0,3T 1

Gia tốc khi tăng tốc bằng gia tốc khi giảm tốc: 1 1max 1max

Giải phương trình ta được:

Tốc độ tối đa: 2 max 667

Thời gian gia tốc t 2i bằng thời gian giảm tốc t 2 f và tương đương 30% thời gian chu kỳ để chạy hết biên độ, tức t 2 i =t 2 f =0,3T 2

Gia tốc khi tăng tốc bằng gia tốc khi giảm tốc: 2 2 max 2 max

Giải phương trình ta được:

Tốc độ tối đa: v 3 max '80(mm s/ )=2,78(m s/ ).

Thời gian gia tốc t 3i bằng thời gian giảm tốc t 3 f và tương đương 30% thời gian chu kỳ để chạy hết biên độ, tức t 3 i =t 3 f =0,3T 3

Gia tốc khi tăng tốc bằng gia tốc khi giảm tốc: 3 3max 3max

Giải phương trình ta được:

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 cao cho hoạt động của robot, bộ truyền động trục vít me - đai ốc bi được lựa chọn nhằm giảm thiểu sai lệch do khe hở giữa đai ốc và vít me.

Hình 2.4 Mô hình trục vít me - đai ốc bi

Tùy dạng chuyển động của trục vít và đai ốc mà có thể chia thành các loại:

➢ Trục vít vừa quay vừa tịnh tiến, đai ốc cố định

➢ Trục vít tịnh tiến, đai ốc quay

➢ Trục vít quay, đai ốc tịnh tiến

➢ Trục vít cố định, đai ốc vừa quay vừa tịnh tiến

Công thức liên hệ giữa vận tốc tịnh tiến của trục vít và tốc độ quay của đai ốc:

Trong đó: + v - tốc độ tịnh tiến của trục vít

+ n - tốc độ quay của đai ốc

Thiết kế trục vít me - đai ốc bi

Vít, bi: Thép 40CrMn ([ c ]x5(MPa))

Thép hợp kim kết cấu 40X là lựa chọn lý tưởng cho các bộ phận nặng như trục, trục bánh răng, pít tông và nhiều linh kiện khác Loại thép này cũng được ứng dụng trong các thành phần rèn, lạnh và dập nóng, cũng như trong sản xuất ống, bể chứa Đặc biệt, thép crom 40X còn được sử dụng cho các sản phẩm như đai ốc, với thành phần thép 18CrMnTi, mang lại độ bền và khả năng chịu lực cao.

Hình 2.5 Sơ đồ truyền động trục vít me - đai ốc bi Thông số đầu vào:

Tải có khối lượng: 20 kg

Vận tốc lớn nhất của trục vít đạt 2,78 m/s, với đồ thị vận tốc có hình dạng hình thang Tốc độ ban đầu là 0, và gia tốc là hằng số trong cả hai giai đoạn khởi động và hãm, với thời gian tăng tốc và giảm tốc chiếm khoảng 30% thời gian của một vòng chu kỳ Theo phần 2.3.3, gia tốc của khâu 3 được tính toán là a3 D,13 m/s².

Theo phương trình động lực học:

= + + = + + (m tai là khối lượng tải, m vit là khối lượng trục vít me bi, m tkep là khối lượng tay kẹp)

Lực dọc trục: max 3 max 3( 3 ) 24 (44,13 9,81) 1295( )

Tính toán sơ bộ đường kính ren trong của vít theo độ bền kéo:

Tính toán đường kính ren trong d 1 :

+ [𝜎 𝑘 ] là giới hạn bền kéo của thép 40CrMn, có giới hạn bền kéo [𝜎 𝑘 ] = [𝜎 𝑐ℎ ]/3

+ F a 95( )N là tải trọng dọc trục của vít me

  Chọn d1 = 23(mm) => đường kính danh nghĩa d0 = 25(mm) theo tiêu chuẩn SKF về vít me đai ốc bi loại Rotating nut

Tính toán thông số bộ truyền:

Hình 2.6 Các kích thước bộ truyền vít me bi Đường kính bi:

Khoảng cách từ tâm rãnh lăn đến tâm bi:

  với β = 45° là góc tiếp xúc Đường kính vòng tròn qua các tâm bi:

D tb =d + r − =c + − = mm Đường kính trong của đai ốc:

Chọn h 1 =1(mm) Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D:

D=D − h = −  = mm Góc nâng vít: arctan arctan 25 17

Số bi trong các vòng ren làm việc:

Với số vòng ren làm việc là K = 2,3 Chọn Zb = 62 (viên)

Số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc không nên vượt quá 2 – 2,5 vòng để tránh làm tăng sự phân bố không đều các tải trọng cho các vòng ren Công thức tính số bi trên các vòng ren làm việc là Z b = D K d tb / b −1, trong đó K là số vòng ren làm việc.

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

(Trích giáo trình “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 – Trịnh Chất”)

 = d  = Góc ma sát lăn thay thế:

= =   Với hệ số ma sắt lăn ft = 0,005

Hiệu suất lý thuyết biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến: ta tan17

 p =  =  Từ những thông số trên, ta tiến hành chọn lựa trục vít me và đai ốc bi theo tiêu chuẩn của hãng SKF

Chọn trục vít me - đai ốc bi theo tiêu chuẩn SKF:

Hình 2.7 Trục vít me bi loại SLT/TLT Rotating nuts

Chọn trục vít me bi cán dài có đai ốc quay (SLT/TLT rotating nut) với đường kính danh nghĩa 25(mm)

Khối lượng của trục vít me bi:

_ _ _ vit truc vit dai oc t 4 dai oc m = m + m = D d L + m

Trong đó: + D t x50(kg m/ 3 ) - khối lượng riêng của trục vít

+ d 0 = 25(mm) - đường kính danh nghĩa

+ L@0(mm) - chiều dài trục vít

 =  + Coi m dai oc _ =m ruc vit _ / 3 0,5(kg)

 Kích thước hình học của trục vít me và đai ốc lựa chọn:

Tính kiểm nghiệm về độ bền

Tải trọng riêng dọc trục:

Với  0,8- hệ số phân bố không đều tải trọng cho các viên bi

Hình 2.8 Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất  max

Từ khe hở tương đối  =0,0017và tải trọng riêng dọc trục q a =2,9 Tra đồ thị ta xác định được  max 2200(MPa) với max max P00(MPa)

=> Thỏa mãn độ bền đối với mặt làm việc của vít và đai ốc đạt độ rắn HRC53 và của bi đạt HRC63

Tính ch ọn động cơ cho trụ c vít me - đai ố c bi

Theo nhiệm vụ thiết kế, khâu 3 của robot có thể đạt tới vận tốc lớn nhất

Khi chạy không tải, các thông số như lực dọc trục lớn nhất, momen xoắn và công suất động cơ đều được thiết kế tương ứng Do đó, khối lượng của khâu 3 chỉ bao gồm khối lượng của trục vít me và tay kẹp Cụ thể, công thức tính cho khâu này là max ( )( 3 ) (2 2)(44,13 9,81) 215,76( ) không tải a vít kẹp.

Momen xoắn truyền vào trục vít me / momen quay của đai ốc:

Trong đó : + F a !5,76( )N là lực dọc trục vít me

+ D tb &,02(mm) là đường kính vòng tròn qua các tâm bi

+  t =0,035 o là góc ma sát lăn thay thế

 = Tốc độ quay của đai ốc:

Trong đó: + v 3 max =2,78(m s/ ) là tốc độ lớn nhất của trục vít me

 =  Chọn tỷ số truyền của bộ truyền động là u = 1:2, tốc độ thực tế của động cơ:

2 2 dc n = n = = rpm Tính toán công suất của động cơ:

=  Trong đó: + T 3 =0,86(Nm) là momen xoắn của trục vít me

+ n 3 f72(rpm) là tốc độ quay của đai ốc

+  p =0,898 là hiệu suất thực của trục vít me

Từ các thông số trên, ta chọn động cơ truyền động cho trục vít me là động cơ AC Servo Motor BPTA007GCA6D1, công suất 750W, khối lượng 2,54kg

Hình 2.9 Động cơ servo BPTA007GCA6D1 Tính ch ọ n cơ c ấ u truy ền độ ng khâu 3

Trong đồ án này, khâu 3 sử dụng cơ cấu truyền động đai răng, mang lại nhiều ưu điểm nhờ vào việc truyền lực bằng ăn khớp Truyền động đai răng không có trượt, có tỉ số truyền lớn (u ≤ 12, đôi khi u < 20), hiệu suất cao, và không yêu cầu lực căng ban đầu lớn Ngoài ra, lực tác dụng lên trục và ổ cũng nhỏ, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

Xác định mođun và chiều rộng của đai

Mođun được xác định theo công thức:

Trong đó: + P 1 - công suất trên bánh đai chủ động, lấy P 1 =W dc 3 =0,75(kW)

+ n 1 - số vòng quay của bánh đai chủ động Chọn tỷ số truyền u = 1:2, tốc độ thực tế lấy bằng n 1 =n dc 3 336(rpm)

Hình 2.10 Các thông số của đi răng

Theo Bảng 4.27 (trang 68, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một – Trịnh

Chất, Lê Văn Uyển) Chọn mođun m=3(mm), bước đai p=9, 42(mm)

Hệ số chiều rộng đai d được xác định trong khoảng từ 6 đến 9 Khi chọn giá trị này, cần lấy giá trị nhỏ nếu mođun tiêu chuẩn lớn hơn m tính toán, và ngược lại, chọn giá trị lớn trong trường hợp mođun tiêu chuẩn nhỏ hơn m.

Tiêu chuẩn hóa ta chọn theo bảng sau

Hình 2.11 Chiều rộng đai răng b

Từ bảng trên, với mođun m=3(mm), ta chọn chiều rộng đai b(mm)

Xác định các thông số của bộ truyền

Số răng của bánh đai chủ động được xác định theo Bảng 4.29 trong tài liệu "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập 1" của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển, nhằm đảm bảo độ bền và tuổi thọ cho đai.

Hình 2.12 Số răng của bánh đai nhỏ z 2

Do tỷ số truyền lựa chọn là 1:2 nên bánh đai chủ động là bánh lớn, bánh đai bị động là bánh nhỏ

Với mođun của đai m=3(mm) và tốc độ bánh đai chủ động n 1 =n dc 3 336(rpm), ta chọn số răng bánh nhỏ z 2

Số răng của bánh đai bị động:

2 1 n z u= n = z là tỷ số truyền của cơ cấu + n n 1 , 2 là tốc độ của bánh chủ động và bánh bị động

Số răng của bánh đai chủ động:

Hình 2.13 Sơ đồ tính toán khoảng cách trục Khoảng cách trục: min max a  a a

Với min 0,5 ( 1 2) 2 0,5 3 (36 18) 2 3 87( ) a = m z +z + m=   + +  = mm max 2 ( 1 2) 2 3 (36 18) 324( ) a = m z +z =   + = mm

Trị số z d cần được làm tròn đến giá trị gần nhất theo quy định trong Bảng 4.30 (trang 70) của tài liệu "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một" do Trịnh Chất và Lê Văn Uyển biên soạn.

Hình 2.14 Chiều dài đai răng l d

9, 42 63 593,5( ) d d l = pz =  = mm Xác định lại khoảng cách trục:

 = Đường kính vòng chia của các bánh đai:

1 z1 3 36 108( ); 2 z2 3 18 54( ) d =m =  = mm d =m =  = mm Đường kính ngoài của bánh đai:

Với δ = 0,6(mm) là khoảng cách từ đáy răng đến đường trung bình lớp chịu tải

Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh chủ động:

Trong đó:  1 - góc ôm trên bánh chủ động

Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng:

60 60 v =d n =   −  = m s - tốc độ bánh chủ động

Với P 1 =0,67(kW) - công suất bánh chủ động

 =  + K d =1,1 - hệ số tải trọng động

+ q m =0,004(kg mm/ ) - trị số khối lượng 1 mét đai

+     q = q C C 0 z u với   q 0 (N mm/ ) - lực vòng riêng cho phép, C z =1, C u =0,9

Vậy đai đủ bền về lực vòng riêng

Lực căng đai ban đầu:

Lực tác dụng lên trục:

L ự a ch ọn cơ cấu căng đai

Sử dụng bộ căng đai tự động Rosta

Hình 2.15 Bộ căng đai Rosta

Những ưu điểm khi sử dụng bộ căng dây đai Rosta:

Truyền momen xoắn ổn định và tác động thân thiện đến đai, xích truyền động giúp giảm tần suất bảo trì và căn chỉnh Hệ thống tự động điều chỉnh lực căng, đảm bảo độ bền cao cho cơ cấu.

Với lực căng đai ban đầu F 0 ),6( )N chọn cơ cấu SE 11-G

Hình 2.16 Thông số bộ căng đai SE 11-G

Hình 2.17 Kích thước bộ căng đai SE 11-G

Mô phỏng cơ cấu căng đai bằng phần mềm 3D:

Hình 2.18 Mô phỏng cơ cấu căng đai trên Solidworks

Tính ch ọ n ổ bi đỡ ch ặ n khâu 3

Vít me được chọn là loại rotating nut, cho phép ổ bi đỡ chặn được lắp chặt với đai ốc của vít me Điều này có nghĩa là đường kính lỗ d của ổ lăn sẽ bằng D 1 @(mm).

Hình 2.19 Sơ đồ lực tính toán ổ bi đỡ chặn

Hệ số khả năng làm việc tính theo công thức: m

Trong đó: + Q=( XVF r +YF K K a ) t đ ,( kN ) - tải trọng động quy ước

Phản lực tại các ổ đỡ: F r 7,97( )N =0,148(kN)

V - hệ số kể đến vòng nào quay, ở đây ta chọn vòng trong quay V =1

K t - hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ, K t =1

K d - hệ số kể đến đặc tính tải trọng, chọn K d =1,5

X, Y - hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục Với ổ bi đỡ chặn một dãy có góc tiếp xúc α = 12 o (đối với kiểu 36000) có X =0,45;Y =1,81

 =   +    + L`nL h / 10 6 - tuổi thọ của ổ tính bằng triệu vòng quay

L h = h - tuổi thọ của ổ tính bằng giờ

 =L (triệu) vòng quay + m=3 - bậc của đường cong mỏi đối với ổ bi

Suy ra hệ số khả năng làm việc của ổ là:

Từ các thông số trên ta chọn vòng bi kí hiệu 36208 như hình dưới

Hình 2.20 Lựa chọn ổ bi đỡ - chặn

Chọn theo hãng SKF là vòng bi số hiệu 7208 BECBJ

Hình 2.21 Kích thước hình học của ổ bi SKF-7208 BECBJ

Vị trí đặt ổ bi theo tham khảo của hãng SKF

Hình 2.22 Vị trí lắp đặt ổ bi trong khâu 3

Hình 2.23 Lực tác dụng lên tay kẹp Để tay kẹp giữ được vật thì: s m t qt

Với F k là lực giữ của tay kẹp, =0,8 là hệ số ma sát giữa tay kẹp và vật + P t =mg 9,8 196( ) = N là tải trọng tối đa của vật

Hình 2.24 Tay kẹp robot CHS2-S68

Cơ cấu chuyển động Chuyển động bằng vít me Độ chính xác lặp lại vị trí ±0.01(mm)

Hành trình đóng mở 68 (mm)

Tốc độ đóng mở 10~50(mm/s)

Coi khối lượng má tay kẹp bằng 10% khối lượng tay kẹp nên tổng khối lượng của cả cơ cấu kẹp là: m tkep =1,73 10% 1,73+  2(kg).

Tính toán thiết kế khâu 2

Tính toán s ứ c b ền sơ bộ

Vật liệu lựa chọn: Thép CT45 Đặc điểm: + Khối lượng riêng  x50(kg m/ 3 )

Chọn mặt cắt ngang khâu 2 có dạng hình chữ nhật

Hình 2.25 Mặt cắt ngang khâu 2

Phần đặc có kích thước BH , diện tích S 1 , momen quán tính J x 1 , trọng tâm C 1 với

Phần rỗng có kích thước bh, diện tích S 2 , momen quán tính J x 2 , trọng tâm C 2 với

Hệ trục Cxy chính là hệ trục quán tính chính trung tâm

Momen quán tính mặt cắt ngang hình chữ nhật J : x

J =bhCông thức chuyển trục song song của momen quán tính trong hệ trục quán tính chính trung tâm:

 Momen quán tính của mặt cắt ngang khâu 2:

Tổng tải trọng của khâu 3 tác dụng lên khâu 2 = Khối lượng tải + Khối lượng vít me + Khối lượng động cơ + Khối lượng tay kẹp:

Hình 2.26 Sơ đồ tải trọng khâu 2

Hình 2.27 Biểu đồ momen khâu 2 Áp dụng phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin, ta tính được độ võng tại M:

 =  +  Trong đó: + L 2 P0(mm) - tầm với khâu 2

+ P 3 = g Q 3 =9,8 26,54 &0( )N - trọng lượng khâu 3 đặt lên khâu 2 + P 2 = m khau 2 g - trọng lượng khâu 2

Với m khau 2 =  L HB 2 ( − hb ) = 11,8( kg ) P 2 ,8 9,8 116( ) = N

  = => thỏa mãn điều kiện độ chính xác lặp trục z

Kiểm tra điều kiện ứng suất:

Mặt cắt ngang nguy hiểm nhất tại ngàm

57 Ứng suất uốn lớn nhất:

Với y=CM e(mm) 2 max =3, 4(MPa) y= −CN 5(mm) 2 max = −1,8(MPa) Ứng suất uốn cho phép:

 =  = Với n = 3 là hệ số an toàn

  => thỏa mãn điều kiện bền

Tính ch ọ n h ộ p gi ả m t ố c cyclon cho khâu 2

Trong đó: +  ,64(rad s/ ) - tốc độ tối đa của khâu

+ r=0,25( )m - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay

Trong đó: +  a,6(rad s/ 2 ) - gia tốc cực đại khâu 2

+ r=0,25( )m - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay

 =  Khối lượng đặt lên khâu:

2 khau 2 khau 3 dc 3 tkep tai 38( ) m =m +m +m +m +m = kg Lực quán tính ly tâm lớn nhất:

Momen xoắn lớn nhất: max 2 t 38 15, 4 0, 25 146( )

T =m a r  =   = Nm Xác định đường kính trục cơ cấu cyclon sơ bộ: max   3

Hộp giảm tốc Cyclon có chức năng thay thế cho trục nối giữa hai khâu, vì vậy momen uốn mà cơ cấu phải chịu đựng cần đảm bảo khả năng chịu uốn tương tự như khi sử dụng trục.

Sơ đồ tác dụng lực:

Hình 2.28 Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 2

Momen uốn lớn nhất: max 38 9,8 0, 25 1284 0,15 285( ) x lt

Chọn bộ giảm tốc kiểu AF gồm động cơ nối liền bộ giảm tốc RV

Chọn bộ giảm tốc RV-25N (tương đương với AF017N) với khả năng chịu momen xoắn 1225Nm, tỉ số truyền 41, động cơ Panasonic Servo Minas A6, công suất 50W-

Tính ch ọn động cơ cho khâu 2

Tương tự khâu 3, động cơ dẫn động khâu 2 cũng được thiết kế khi robot chạy không tải với tốc độ tối đa

Theo phương trình động lực học:

+ q 2 = 2 max a,6(rad s/ 2 ) tại thời điểm t =0,189( )s => q 2 = 2 max  =t 2 2, 2(rad) + Momen quán tính: I zz 2 =m khau 2 l 2 2 / 12;I zz 3 =m vit r 3 2 / 2

+ Khối lượng đặt trên khâu 3: m 3 =m vit +m tkep = + =2 2 4(kg)

+ Khối lượng đặt trên khâu 2: m 2 =m khau 2 +m dc 3 ,8+2,54 14,34(= kg)

Momen xoắn cực đại đặt tại khớp của khâu 2:

 Coi hiệu suất truyền động của bộ giảm tốc cyclon là =0,9

Tính toán công suất của động cơ:

= =   Động cơ lựa chọn: Động cơ Panasonic Servo Minas A6 công suất 1500W, kích thước mặt bích 80x80, tốc độ lớn nhất 3000 vòng/phút đã được gắn kèm với bộ giảm tốc

Khối lượng động cơ và bộ giảm tốc là 6 kg

Tính toán thiết kế khâu 1

Tính toán s ứ c b ền sơ bộ

Vật liệu lựa chọn: Thép CT45 Đặc điểm: + Khối lượng riêng  x50(kg m/ 3 )

Chọn mặt cắt ngang khâu 1 có dạng hình chữ nhật

Hình 2.29 Mặt cắt ngang khâu 1

Tính toán tương tự khâu 2, ta thu được các kết quả

Momen quán tính của mặt cắt ngang khâu 1:

Tổng tải trọng tác dụng lên khâu 1 = Khối lượng khâu 2 + Khối lượng động cơ khâu 2 + Khối lượng toàn khâu 3:

Hình 2.30 Sơ đồ tải trọng khâu 1 Độ võng tại M:

Trong đó: + L 1 50(mm) - tầm với khâu 1

+ P 2 * = g Q 2 * C4( )N - trọng lượng khâu 2, 3 đặt lên khâu 1

Với m khau 1=L HB 1 ( −hb )=8, 2(kg)  =P 1 8, 2 9,8 ( )N

  = => thỏa mãn điều kiện độ chính xác lặp trục z

Kiểm tra điều kiện ứng suất:

Mặt cắt ngang nguy hiểm nhất tại ngàm

M =P  + L P L = Nm Ứng suất uốn lớn nhất:

Với y=CM e(mm) 1max =3,5(MPa) y= −CN 5(mm) 1max = −1,9(MPa) Ứng suất uốn cho phép:

 =  = Với n = 3 là hệ số an toàn

  => thỏa mãn điều kiện bền

Tính ch ọ n h ộ p gi ả m t ố c cyclon cho khâu 1

Trong đó: +  =7,85(rad s/ ) - tốc độ tối đa của khâu

+ r=0,175( )m - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay

Trong đó: +  %(rad s/ 2 ) - gia tốc cực đại khâu 2

+ r=0,175( )m - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay

 =  Khối lượng đặt lên khâu:

1 khau 1 khau 2 khau 3 dc 2 dc 3 tkep tai 52( ) m =m +m +m +m +m +m +m = kg

Lực quán tính ly tâm lớn nhất:

F =m a =  = N Momen xoắn lớn nhất: max 1 t 52 4,375 0,175 40( )

T =m a r  =   = Nm Xác định đường kính trục cơ cấu cyclon sơ bộ: max   3

Hộp giảm tốc Cyclon có khả năng thay thế cho trục nối giữa hai khâu, do đó, momen uốn mà cơ cấu phải chịu đựng cần đảm bảo khả năng chịu uốn tương tự như khi sử dụng với trục.

Sơ đồ tác dụng lực:

Hình 2.31 Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 1

Momen uốn lớn nhất: max 52 9,8 0,175 560 0,15 173( ) x lt

Chọn bộ giảm tốc kiểu AF gồm động cơ nối liền bộ giảm tốc RV

Chọn bộ giảm tốc RV-25N (tương đương với AF017N) với khả năng chịu momen xoắn 1225Nm, tỉ số truyền 41, động cơ Panasonic Servo Minas A6, công suất 50W-

Tính ch ọn động cơ cho khâu 1

Tương tự khâu 3, động cơ dẫn động khâu 2 cũng được thiết kế khi robot chạy không tải với tốc độ tối đa

Theo phương trình động lực học:

+ q 2 = 2 max a,6(rad s/ 2 ) tại thời điểm t =0,189( )s => q 2 = 2 max  =t 2 2, 2(rad)

+ Momen quán tính: I z z1 =m khau 1 l 1 2 / 12;I zz 2 =m khau 2 l 2 2 / 12;I zz 3 =m vit r 3 2 / 2

+ Khối lượng đặt trên khâu 3: m 3 =m vit +m tkep = + =2 2 4(kg)

+ Khối lượng đặt trên khâu 2: m 2 =m khau 2 +m dc 3 ,8+2,54 14,34(= kg)

+ Khối lượng đặt trên khâu 1: m 1 =m khau 1 +m dc 2 =8, 2+ =6 14, 2(kg)

Momen xoắn cực đại đặt tại khớp của khâu 1:

 Coi hiệu suất truyền động của bộ giảm tốc cyclon là =0,9

Tính toán công suất của động cơ:

Động cơ Panasonic Servo Minas A6 là lựa chọn lý tưởng với công suất vượt trội hơn 1800W, kích thước mặt bích 80x80 và tốc độ tối đa lên đến 3000 vòng/phút, đi kèm với bộ giảm tốc hiệu quả.

Khối lượng động cơ và bộ giảm tốc là 6 kg.

Tính toán thiết kế khâu đế cố định

Chọn vật liệu thép C45 Độ bền uốn cho phép:     360 120 ( / 2 )

 =  = Thiết kế khâu có dạng trụ rỗng, đường kính trong d, đường kính ngoài D

Với M z max 6(Nm) - momen uốn lớn nhất trên khâu 1

Chọn các kích thước như sau:

Hình 2.32 Mặt cắt khâu cố định

Kiểm tra điều kiện bền uốn: max max

[ uon ] [ ] 120(  = MPa) => Thỏa mãn điều kiện bền uốn