ĐỒ án môn học cơ điện tử THIẾT kế hệ THỐNG cơ KHÍ CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ *************************************** ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHO ROBOT CƠNG NGHIỆP MÃ ĐỀ: VCK04-K62 Sinh viên : Nguyễn Huy Toàn Mã số sinh viên : 20170941 Lớp : Kỹ thuật Cơ Điện Tử 06, K62 Người hướng dẫn : GVC.TS Nguyễn Ngọc Thành HÀ NỘI 11 - 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ *************************************** ĐỒ ÁN MƠN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP MÃ ĐỀ: VCK04-K62 Sinh viên : Nguyễn Huy Toàn Mã số sinh viên : 20170941 Lớp : Kỹ thuật Cơ Điện Tử 06, K62 Người hướng dẫn: GVC.TS Nguyễn Ngọc Thành HÀ NỘI 11 - 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI SME.EDU - Mẫu 6.a VIỆN CƠ KHÍ Học kỳ: Bộ mơn Cơ điện tử Năm học: 20 ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Thời gian thực hiện: 15 tuần; - 20 Mã HP: ME4505 Mã đề: VCK04-… Ngày giao nhiệm vụ: …/…/20…; Ngày hoàn thành: …/…/20… Họ tên sv: Nguyễn Huy Toàn MSSV: 20170941 Mã lớp: ………… Chữ ký sv: …… Ngày …/…/20… Ngày …/…/20… Ngày …/…/20… ĐƠN VỊ CHUYÊN MÔN NGƯỜI RA ĐỀ CB Hướng dẫn (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên) (ký, ghi rõ họ tên) I Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế robot SCARA bậc tự II Số liệu cho trước: Tải trọng: 20 kg Tầm với: 0,7 m Độ xác lặp: (x, y) = ±0.02 mm, (z) = ±0.01 mm Vận tốc cực đại khâu tác động cuối: ………………………………………………… Gia tốc cực đại khâu tác động cuối: ……………………………………………… … III Nội dung thực hiện: Phân tích ngun lý thơng số kỹ thuật - Tổng quan hệ thống - Nguyên lý hoạt động - Xác định thành phần thông số/yêu cầu kỹ thuật hệ thống Tính tốn thiết kế - Tính tốn, thiết kế khâu 3, 2, khâu cố định - Tính chọn động cho khâu 1, 2, - Tính chọn truyền cho khâu - Tính chọn trục nối khâu cố định với khâu 1, khâu với khâu - Tính chọn ổ lăn Thiết kế chi tiết xây dựng vẽ lắp - Xây dựng vẽ lắp 2D/3D - Xây dựng vẽ chế tạo chi tiết Mơ ngun lý hoạt động (động học) MỤC LỤC Trang NHỮNG CỤM TỪ VIẾT TẮT…………………………………………… MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….8 CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP …………….9 1.1- Lịch sử phát triển……………………………………………………… 1.2- Định nghĩa phân loại………………………………………………….9 1.2.1- Định nghĩa robot……………………………………………………9 1.2.2- Phân loại robot…………………………………………………… 11 1.3- Ứng dụng robot công nghiệp………………………………………… 15 CHƯƠNG 2- ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SCARA …… 18 2.1- Đặt vấn đề………………………………………… ………………… 18 2.2- Cấu trúc động học robot………… …………………………………….18 2.2.1- Hệ tọa độ………………………………………………………… 18 2.2.2- Cấu trúc động học chuỗi động hở………………………………….19 2.3- Động học robot scara…………………………… …………………….24 2.3.1- Động học thuận………………………………………………… 24 2.3.2- Động học ngược………………………………………………… 33 2.4- Động lực học robot sacra……………………………… …………… 37 2.4.1- Cơ sở lý thuyết…………………………………………………….38 2.4.2- Động lực học thuận…………………………….…………………40 2.4.3- Động lực học ngược………………………………………………44 2.5- Xác định không gian hoạt động robot…………………….……….46 CHƯƠNG 3- THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ……………………… 50 3.1- Tính toán thiết kế khâu 3……………………………………………….50 3.1.1- Chọn vật liệu vit đai ốc……………………………………… 50 3.1.2- Xác định đường kính chân ren……………………………….52 3.1.3- Kiểm tra bền………………………………………………………52 3.1.4- Tính chọn động trục vít me……………………………………60 3.1.5- Chọn bạc dẫn hướng khớp nối lị xo………………………… 61 3.2- Tính tốn, thiết kế khâu 2………………………………………….62 3.2.1- Chọn vật liệu thông số ………………………………………62 3.2.2- Mơ hình tải trọng lực phân bố khâu 2……………………62 3.2.3- Độ võng lớn khâu 2…………………………………….64 3.2.4- Tính tốn đường kính trục……………………………………… 65 3.2.5- Tính, chọn then cho trục số 2…………………………………….68 3.2.6- Tính chọn ổ bi đỡ lăn cho trục 2…………………………………69 3.2.7- Tính chọn động khâu 2……………………………………… 71 3.2.8- Tính chọn truyền động đai răng………………………………73 3.3- Tính tốn thiết kế khâu 1……………………………………………77 3.3.1- Chọn vật liệu thông số khâu 1……………………………… 78 3.3.2- Mơ hình tải trọng lực phân bố khâu 1……………………79 3.3.3- Độ võng lớn khâu 1…………………………………….80 3.3.4- Tính tốn đường kính trục……………………………………… 82 3.3.5- Tính, chọn then cho trục số 2…………………………………….82 3.3.6- Tính chọn ổ bi đỡ lăn cho trục 2…………………………………82 3.3.7- Tính chọn động khâu 2……………………………………… 82 3.3.8- Tính chọn truyền động đai răng………………………………83 3.4- Tính tốn thiết kế khâu 0…………………………………………….83 3.4.1- Chọn vật liệu thông số khâu 0……………………………… 83 3.4.2- Mơ hình tải trọng lực phân bố khâu 0……………………84 CHƯƠNG 4- THIẾT KẾ BẢN BẢN VẼ LẮP CƠ KHÍ; MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA …………87 4.1- Thiết kế vẽ lắp khí …………………………………………….87 4.1.1- Bản vẽ kết cấu lắp chung ……………………………………… 87 4.1.2- Các vẽ kết cấu lắp cụm chi tiết …………………………… 87 4.2- Mô điều khiển robot không gian hoạt động xác định ….89 4.2.2- Mô điều khiển robot …………………………………… 89 KẾT LUẬN……………………………………………………………… 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………… 92 NHỮNG CỤM TỪ VIẾT TẮT ATLĐ - An toàn lao động SXCN - Sản xuất công nghiệp BĐ- Biểu đồ Bảng 2.1- B2.1 RB- Robot Ma trận Denavit Hartenberg- Ma trận D-H MỞ ĐẦU Trong sống ngày nay, Robot mang tới cho sống người sống mới, cách trải nghiệm sống đơi cịn người bạn Những hãng Robot(RB) từ nước tiếng giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ ngày khẳng định diện RB phần không thiếu sống tương lai phía trước Nó xuất tất lĩnh vực từ khoa học vĩ mô vi mô ngày đa dạng Trong khuôn khổ môn học Đồ án thiết kế hệ thống CK-CĐT thiết bị tự động với đề tài thiết kế hệ thống khí Robot SCARA, em tin tưởng với kết có từ việc tìm hiểu tính tốn tiểu luận bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều ý tưởng tương lai tính tốn thiết kế loại Robot cơng nghiệp Với bố cục gồm: 1- Tổng quan Robot Phần nhìn sơ qua Robot bao gồm lịch sử phát triển, phân loại ứng dụng giúp hình dung tính quan trọng hữu dụng tới sống 2- Tính tốn thiết kế Robot Scara Bao gồm bước tính tốn thiết kế hệ thống khí, mơ để kiểm chứng tính đắn q trình thiết kế cung cấp trình để xác định cách sản phẩm Robot đưa vào ứng dụng sống Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Ngọc Thành, cảm ơn thầy đóng góp qua giảng hướng dẫn trình trao đổi buổi gặp mặt Những góp ý, sửa chữa thầy phần giúp em tự tin cách thức tiếp cận với công nghiệp có chuẩn bị em kiến thức em mang đến báo cáo sai sót chưa Em mong có bổ sung, sửa chữa Em chân thành cảm ơn chúc thầy sức khoẻ ! CHƯƠNG 1- NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1-Lịch sử phát triển robot công nghiệp Ngay sau chiến tranh giới thứ 2, Hoa Kì xuất tay máy chấp hành điều khiển từ xa phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Vào năm 50 kỉ 20, bên cạnh tay máy chấp hành khí đó, xuất tay máy chấp hành thủy lực điện tử Năm 1961, robot công nghiệp đưa vào sử dụng nhà máy Genaral Motor Trenton, New Jersey, Hoa Kì Năm 1967, Nhật Bản nhập robot công nghiệp từ công ty AMF Hoa Kì Đến năm 1990, có 40 cơng ty Nhật Bản đưa thị trường nhiều loại robot tiếng Từ năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính robot ý nhiều đến lắp đặt thêm cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Một lĩnh vực nhiều phịng thí nghiệm quan tâm robot tự hành Các nghiên cứu robot tự hành bắt chước hoạt động chân người, chân động vật Các loại robot chưa có ứng dụng nhiều công nghiệp, nhiên loại xe robot (robotcar) lại nhanh chóng đưa vào ứng dụng hệ thống sản xuất linh hoạt Từ năm 80, năm 90, áp dụng rộng rãi ứng dụng kĩ thuật vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp gia tăng, giá thành giảm rõ rệt, tính có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ robot cơng nghiệp có chỗ đứng dây chuyền sản xuất tự động 1.2- Định nghĩa phân loại 1.2.1- Định nghĩa Có nhiều định nghĩa robot tồn tại, tham khảo số định nghĩa sau: Định nghĩa theo từ điển New World College “Robot kết cấu khí có hình dạng bất kì, xây dựng để thực công việc tay người” Các định nghĩa sau bao gồm cánh tay khí, máy móc điều khiển số, máy móc di chuyển theo kiểu bước mơ hình dáng người Các robot công nghiệp ngày thực phần công việc người Các robot ban đầu thường gọi tay máy (Manipulator) Hình 3.28 – Bảng tra hệ số tải động [2] Vậy q=1,1.490/25+0,005 0,82=21,56( N /mm) ≤ [ q ] Với [ q ] =[ q0 ] C Z C u >25.1,13 1=28,25 Tra bảng (H3.28; H3.29) Hình 3.29 – Bảng tra C Z ;C u [2] 3.3- Tính toán thiết kế khâu 3.3.1- Chọn vật liệu thông số Chọn chiều dài khâu 1: L1=350( mm) Chọn dạng tiết diện khâu 1: Mặt cắt ngang hình chữ nhật có rãnh kích thước a × b a bề rộng, b chiều cao 76 Hình 3.30 - Mặt cắt ngang khâu Chọn vật liệu làm khâu 1: Thép C45 (khối lượng riêng ρ=7850 ( kg/m3 )) Giới hạn chảy: [ σ ch ]=360 MPa 3.3.2- Mơ hình tải trọng lực phân bố khâu Sơ đồ lực tác dụng lên khâu 1: Trong liệu biết là: Khối lượng khâu 3: m2 +m3=4,5+ 2,5=7( kg) Tải: W =20(kg) Khối lượng động khâu 3: mđc3 =1,3(kg) Động khâu (đặt khâu 1): mđc =1,3(kg) 77 Như vậy, theo sơ đồ lực tác dụng lên khâu 1: Mặt cắt nguy hiểm ngàm Tổng khối lượng khâu 2, khâu động khâu là: m23=m2 +m3+ mđc 3=28,3(kg) Momen tác dụng lên khâu 1: M 23=( m3 +mđc +W ) × g × L2+ m2 × g × L2 =87,675( N m) Momen uốn lớn ngàm: M max =M 23+m1 tt × g × L1 L1 +m23 × g × L1 +mđc × g × 2 Trong đó: m1 - khối lượng khâu 1, m1=2 × ρ × a× b × L1 ×10−9 ( kg) Ứng suất uốn lớn nhất: σ max1= Với J= a×b 12 M max b × (3.18) J Chọn a=15 ( mm ) ; b=50 (mm) [ σ uốn]=0,8× [ σ chảy ]=0,8.360=288(MPa) m1=4,12125(kg) Thay vào phương trình (3.18) ta có: σ max1=31,4 ( MPa )< 288(MPa) Thỏa mãn điều kiện bền Thiết kế khâu dài thêm 30mm để khoét lỗ trục Khi đó: m1=4,48(kg) 3.3.3- Độ võng lớn khâu 78 Hình 3.31 – Biểu đồ mô men tác dụng lên khâu Độ võng lớn đầu B khâu là: ∆ y B= ( ) L 1 P L1 P23 L1 L1 L1+ L1 L1 + M 23 L1 =0,0097 EJx 3 Điều kiện bền điều kiện cứng: Do robot cần làm việc với tải tối đa W = 200 (N) nên kết cấu robot ln thừa bền, để đảm bảo tính xác q trình di chuyển đến vị trí thao tác ta cần kiểm tra điều kiện cứng, tức độ võng phải nhỏ độ võng cho phép khâu ( [ f 1] mm chọn dựa độ xác lặp theo trục z) Độ võng lớn khâu là: y 1=0,0097 ≤ [ f ] =0,01(3.19) Từ công thức trên, ta chọn kích thước mặt cắt ngang khâu thỏa mãn độ võng cho phép 3.3.4- Tính tốn đường kính trục + Chọn vật liệu: Thép C45 + σ b=610( MPa) 79 + τ −Ứng suất xoắn cho phép , [ τ ] =30( MPa) + σ −Ứng suất cho phép , [ σ ] =63( MPa) Khối lượng tác động: M =P3 +m2 +mđc2 +m1=34,08(kg) Thời gian vịng chu kì khâu: t=0,29 /20 %=1,45( s) Vận tốc khâu 1: v1 =450(° /s) Vận tốc góc khâu 1: w 1=75(vịng/ phút)=7,85( rad /s) Gia tốc góc khâu 1: ε 1=7,85/0,29(rad /s2 )=27,07(rad /s 2) Chiều dài từ trọng tâm khâu đến đường tâm trục r =170(mm) Gia tốc hướng tâm: a n=w 12 r=7,852 0,17=10,48 Gia tốc tiếp tuyến: a t=ε r =27,07.0,17=4,6 Lực quán tính ly tâm lớn nhất: F ¿1=M an=34,08.10,48=357(N ) Mô men xoắn lớn nhất: T max=M at r=34,08.4,6 0,17=26,65( Nm) Xác định đường kính trục sơ bộ: d≥ √ √ T max 26,65 =3 =0,0166 ( m )=16,43(mm) 0,2 [ τ ] 0,2.30 10 Sơ đồ lực tác dụng: Hình 3.32 – Biểu đồ lực mơ men tác dụng trục Từ biểu đồ, Mô men uốn lớn nhất: 80 M xmax =M g l+ F ¿2 a /2=34,08.10 170+ 357.90/2=74001(Nmm) Tính xác đường kính trục d 1: d1 ≥ √ M tđ (3.20) 0,1 [ σ ] Với: M tđ =√ M 2xmax + α M 2z= √ M 2xmax + α T 21 max (3.21) Trong đó: + α =0,75 ; + l=170 ( mm ) ; + M xmax =74001 ( Nmm ) ; + [ σ ]=58; + T max=26650(Nmm) M tđ =77561 ( Nmm ) ; d1 ≥ 23,73(mm) Vậy ta chọn đường kính trục có kích thước: d 1=30 ( mm ) ; d =18(mm) 3.3.5- Tính, chọn then cho trục số Chọn then giống cho trục 3.3.6- Tính chọn ổ bi đỡ lăn cho trục Chọn ổ lăn giống cho trục 2.Với đường kính ổ lăn d = 30 (mm) 3.3.7- Tính chọn động khâu Cơng suất cho động khâu 1: W đc 1=T ω1 =217,92 ( W ) ≈ 0,218(kW ) μ Với thông số sau: W đc 2=0,218( kW ); vận tốc góc khâu 75 vịng/phút, chọn tỷ số truyền 1:2, Tốc độ quay động cần chọn 150 vòng/ phút Chọn động MSMD042P42N hãng PANASONIC động khâu 3.3.8- Tính chọn truyền động đai Chọn tương tự khâu 2: 81 Mô đun m = 4, bước p = 12,57 (mm) Bước b = 25 (mm) Chiều rộng bánh đai: B = 29 (mm) Số z 1=18 (răng) z 2=36 (răng) Đường kính bánh đai: D1=72 ( mm ) ; D2=144 ( mm ) Chọn z đ =50( mm) Khoảng cách trục: a = 140 (mm) Chiều dài đai: lđ = p z đ =12,57.50=628(mm) Đường kính ngồi bánh đai: d a =70,4 ( mm ) ; d a =142,4 ( mm ) Góc ơm đai: α ≈ 150 ° Số đồng thời ăn khớp bánh đai nhỏ: z 0=7 (răng) 3.4- Tính toán thiết kế khâu 3.4.1- Chọn vật liệu thông số Chọn chiều dài khâu 0: L0=340 (mm) Chọn dạng tiết diện khâu 0: (Dạng hình trụ trịn rỗng, đường kính d 1, đường kính ngồi d 2) 82 Hình 3.33 - Mặt cắt ngang khâu Vật liệu: Gang xám GX12-28 (khối lượng riêng ρ gang=7 × 10−6 (kg/mm3 )) 3.4.2- Mơ hình tải trọng lực phân bố khâu Sơ đồ lực tác dụng lên khâu Hình 3.34 - Sơ đồ lực tác dụng lên khâu 83 Biểu đồ lực momen: Hình 3.35 –Biểu đồ lực mà momen tác dụng lên khâu Khối lượng lực tác dụng dọc trục là: m123 =m1+ m2 +m3 +mđc +mđc 2+ mđc 1+ Tải=35,38(kg) Momen uốn: M 123 =g × ¿ (3.22) Thay giá trị cho vào (3.22), ta có M 123 =200340( Nmm) Ứng suất uốn: σ uốn= M 123 (3.23) Wx Trong đó: d 23 d W x =π × × ( 1−α ) ,α = 32 d2 84 Ứng suất nén: σ nén= (m123 + m0 )× g (m123 + m0 )× g = (3.24) S π 2 (d −d ) Trong đó: m0= ρgang × L0 × π ×(d 22−d 21 ) Chọn d 1=140 ( mm ) ; d 2=160 ( mm ) ; L0=340 ( mm ) Thay vào (3.22) (3.23) ta có: σ uốn=9,6 ( N / mm2 ) ; σ nén =0,33 ( N / mm2 ) Thoản mãn điều kiện bền CHƯƠNG 4- THIẾT KẾ BẢN BẢN VẼ LẮP CƠ KHÍ; MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA 85 4.1- Thiết kế vẽ lắp khí 4.1.1- Bản vẽ kết cấu lắp chung 4.2- Mô điều khiển robot không gian hoạt động xác định 4.2.2- Mô điều khiển robot 86 KẾT LUẬN 87 Trên báo cáo đồ án mơn học Thiết kế hệ thống khí cho Robot công nghiệp Scara bậc tự em Đây đề tài có tính thực tế cao, thời đời công nghiệp ngày phát triển cạnh tranh khơng ngừng địi hỏi suất chất lượng phải cải thiện nhờ dây chuyền máy móc đại thay lao động thủ cơng người Như đồ án môn học em tìm hiểu cách xây dựng mơ hình robot Scara, từ tính tốn thiết kế hệ thống khí đến lập trình mơ hoạt động Cơng việc hoàn thành bao gồm: - Tổng quan robot cơng nghiệp, giới thiệu robot Scara - Tính tốn toán động học, động lực học robot Scara - Xây dựng kết cấu 2D cho robot phần mềm AutoCad - Dựng mơ hình 3D Solidworks - Tính tốn ổ lăn, vít me đai ốc - Chọn truyền, động cơ, kích thước trục - Cách bố trí ổ bi trục - Mơ chuyển động robot phần mềm Matlab Qua đề tài em biết cách vận dụng kiến thức chuyên môn đào tạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thời gian qua vào với thực tế sống với công nghiệp Không qua đồ án em học nhiều kĩ làm việc nhóm, giải vấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo có ích cho sau Một lần em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Ngọc Thành thầy cô môn giúp em hoàn thành đề tài Do giới hạn thời gian kiến thức đồ án này, em giải số vấn đề việc thiết kế robot nhiều vấn đề cần phải giải để có sản phẩm robot hồn thiện em mong q thầy bạn đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo trình, giảng 89 Nguyễn Trọng Hiệp, “Chi tiết máy” Nhà xuất giáo dục, 2006 Trịnh Chất, Lê Văn Uyển “Tính tốn, thiết kế hệ thống dẫn động khí” Nhà xuất giáo dục Việt Nam Phan Bùi Khôi, “Slide giảng Robotics” Sagar Behere, “The Design and Implementation of a Scara robot arm” Bachelor thesis, University Pune, 2002 Engineered Timing Belts of Ammeraad Beltech Nguồn Internet Ball Screw Cataloge of Rexroth Bosch Group Nguồn Internet Technical Specifications HM-40**/AA Nguồn Internet End Bearing of SKF Nguồn Internet 90 ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ *************************************** ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHO ROBOT CƠNG NGHIỆP MÃ ĐỀ: VCK04-K62 Sinh... lĩnh vực từ khoa học vĩ mô vi mô ngày đa dạng Trong khuôn khổ môn học Đồ án thiết kế hệ thống CK-CĐT thiết bị tự động với đề tài thiết kế hệ thống khí Robot SCARA, em tin tưởng với kết có từ việc... thuật Cơ Điện Tử 06, K62 Người hướng dẫn: GVC.TS Nguyễn Ngọc Thành HÀ NỘI 11 - 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI SME.EDU - Mẫu 6.a VIỆN CƠ KHÍ Học kỳ: Bộ môn Cơ điện tử Năm học: 20 ĐỒ ÁN MƠN HỌC: