PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC
Phân tích mục đích ứng dụng robot
Robot là máy móc tự động hoạt động dưới sự điều khiển của máy tính hoặc vi mạch điện tử được lập trình Chúng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp để l
Theo Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất:
Robot công nghiệp là thiết bị tay máy đa năng, hoạt động theo chương trình có thể lập trình lại, giúp nâng cao hiệu quả trong việc thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau trong ngành công nghiệp Chúng có khả năng vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, sản phẩm, dụng cụ và các thiết bị chuyên dụng khác.
Theo định nghĩa của GHOST 25686-85 như sau:
Robot công nghiệp là thiết bị tự động, có thể là cố định hoặc di động, với cấu trúc tay máy có nhiều bậc tự do hoạt động Chúng được điều khiển bằng hệ thống lập trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thao tác trong quy trình sản xuất.
Vậy ta có thể định nghĩa tổng quát như sau:
Robot công nghiệp là máy, thiết bị cố định hoặc di động, được tích hợp từ nhiều bộ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm:
- Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt
- Hệ thống thông tin giám sát
Nhờ vậy robot công nghiệp có khả năng thao tác tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người.
4 Ứng dụng của Robot công nghiệp
Hiện nay, nhu cầu sử dụng robot trong sản xuất ngày càng tăng nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí và cải thiện chất lượng sản phẩm Để đáp ứng yêu cầu này, robot công nghiệp cần có khả năng thích ứng tốt hơn với các cấu trúc linh hoạt, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh và cải thiện điều kiện lao động.
Có thể kể đến một số ứng dụng điển hình của robot trên thế giới như:
Robot được sử dụng trong phân loại và đóng gói sản phẩm bao gồm IRB 660 Flex Palletizer, IRB 340 FlexPicker và IRB 260 FlexPicker Những robot này có khả năng gắp các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và sắp xếp chúng vào thùng chứa 20 hộp một cách chính xác.
Robot IRB 6650 của hãng ABB được sử dụng trong công nghệ ép phun nhựa, nổi bật với khả năng thao tác nhanh chóng và dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn tại vị trí tách khuôn Robot này còn có khả năng giám sát, làm sạch và điều khiển chất lượng sản phẩm thông qua hệ thống camera, mang lại hiệu quả cao trong sản xuất tại Việt Nam.
Robot công nghiệp đang được ứng dụng đa dạng trong nhiều ngành nghề khác nhau, tùy thuộc vào từng lĩnh vực và công việc cụ thể Dưới đây là một số ngành trong hệ thống sản xuất mà robot công nghiệp được áp dụng hiệu quả.
Trong ngành công nghiệp đúc, robot đóng vai trò quan trọng trong việc rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt bỏ các mép thừa và làm sạch sản phẩm đúc Ngoài ra, chúng cũng có khả năng tăng cường độ bền của vật đúc thông qua quy trình phun cát hiệu quả.
Ngành gia công áp lực thường liên quan đến các quy trình hàn và nhiệt luyện, trong đó có nhiều công việc độc hại và yêu cầu làm việc ở nhiệt độ cao Điều kiện làm việc trong các phân xưởng rèn dập khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi cho công nhân.
Trong những năm gần đây, việc áp dụng robot vào dây chuyền sản xuất ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là các loại robot hàn, phun sơn và lắp ráp Robot được sử dụng rộng rãi trong các công việc đòi hỏi độ chính xác cao và trong môi trường làm việc độc hại, nhằm thay thế con người Đề tài này tập trung vào thiết kế mô hình robot lắp cánh quạt trong hệ thống lắp ráp tự động, với mục đích lắp cánh quạt và đặt vào vị trí khuôn đã xác định để hoàn thiện sản phẩm Việc ứng dụng robot không chỉ nâng cao độ chi tiết và chính xác mà còn tăng tốc độ làm việc, kéo dài thời gian hoạt động và giảm thiểu sự xuất hiện của lỗi.
5 hiện của những lỗi kĩ thuật,hiệu quả công việc cũng được tăng lên Từ đó, làm giảm chi phí, giảm thiểu sức lao động của con người.
Hình 1 Một số loại quạt tản nhiệt
Một số yêu cầu kĩ thuật thao tác
• Đối tượng thao tác, dạng thao tác Cánh quạt tản nhiệt
Cánh quạt được giữ cố định trên khuôn
Để lắp cánh quạt một cách chính xác và hiệu quả, yêu cầu quan trọng là hướng khâu thao tác phải luôn vuông góc với bề mặt thao tác.
• Yêu cầu về không gian thao tác
Robot lắp cánh quạt có mặt phẳng ngang với hướng gắp tùy ý trong không gian làm việc 1.5x1.5x1m
Hình 2 Cánh quạt tản nhiệt(đối tượng thao tác)
Xác định các đặc trưng kĩ thuật
Tính toán thiết kế Robot lắp cánh quạt trong không gian làm việc
1.5x1.5x1m Do Robot làm việc trong không gian 3 chiều nên số bậc tự do tối thiểu là 3: 2 bậc tự do để xác định tọa độ điểm trong mặt phẳng,1 bậc tụ do để xác định chiều cao trong không gian.
Khi so sánh các kết cấu 4, 5 và 6 bậc tự do, việc tính toán trở nên phức tạp hơn và chi phí cao hơn, đồng thời tính khả thi cũng thấp hơn so với kết cấu 3 bậc tự do Do đó, lựa chọn tối ưu là sử dụng kết cấu 3 bậc tự do.
Các phương án cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích, chọn phương án thực hiện 7
Cơ cấu robot T-T-T có ưu điểm nổi bật như kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, tối ưu hóa không gian làm việc, tính liên tục cao và độ chính xác tốt khi thao tác, đặc biệt phù hợp với các công việc trên mặt phẳng nằm ngang Tuy nhiên, nhược điểm của nó là chiếm diện tích lớn.
Hình 3 Robot 3 bậc tự do T-T-T
Cơ cấu T-T-R có ưu điểm nổi bật như kết cấu đơn giản và độ cứng vững cao, giúp tận dụng tối đa không gian làm việc của robot, đặc biệt là khi thao tác với các đối tượng trên mặt cong Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của nó là robot chiếm diện tích khá lớn.
Hình 4 Robot 3 bậc tự do T-T-R
Cơ cấu R-R-R của robot có ưu điểm là chiếm diện tích nhỏ và tính linh hoạt cao Tuy nhiên, nó cũng gặp phải một số nhược điểm như sai số tích lũy lớn, không tận dụng tối đa không gian làm việc, không đảm bảo tính liên tục trong quá trình hoạt động, yêu cầu độ cứng vững cao và việc điều khiển từng khớp trở nên khó khăn hơn.
Hình 5 Robot 3 bậc tự do R-R-R
Cơ cấu T-R-R mang lại nhiều ưu điểm như tính linh hoạt cao, phù hợp cho việc thao tác với các đối tượng trên bề mặt cong Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm như sai số tích lũy lớn, không tận dụng tối đa không gian làm việc của robot, và không đảm bảo tính liên tục trong quá trình hoạt động, do đó cần phải đảm bảo độ cứng vững.
Robot 3 bậc tự do T-R-R có cấu trúc T-T-T đơn giản và linh hoạt, cho phép hoạt động hiệu quả trong không gian 3 chiều Thiết kế này đảm bảo an toàn về hướng và vị trí của khâu thao tác, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật cần thiết.
Lựa chọn cơ cấu T-T-T và sử dụng đầu hút để có thể lắp ghép quạt tản nhiệt.
Khi lựa chọn cơ cấu tay gắp chân không, bạn sẽ nhận thấy ưu điểm nổi bật là khả năng xử lý nhiều loại vật phẩm khác nhau Bên cạnh đó, chi phí lắp đặt của tay gắp chân không cũng khá rẻ so với các loại tay gắp khác.
Nhược điểm: chi phí điện để vận hành máy bơm chân không cao.
• Tay gắp khí nén Ưu điểm: giá thành rẻ, khả năng hoạt động trong không gian hẹp, thời gian phản hồi nhanh.
Nhược điểm: lưc gắp lớn (không phù hợp với đề tài), điều khiển vị trí và lực có giới hạn.
• Tay gắp thủy lực Ưu điểm: công suất gắp vượt trội
Nhược điểm: phù hợp ứng dụng nặng, chi phí bảo dưỡng cao
• Tay gắp điện Ưu điểm: dễ dành điều chỉnh tốc độ và lực ghắp, dễ dành xử lý nhiều bộ phận khác nhau
Nhược điểm: công suất thấp hơn nhưng giá thành lại cao hơn các loại tay gắp khác
Sau khi xem xét các ưu ( nhược ) điểm của các loại tay gắp, nhóm đã thống nhất chọn tay gắp chân không.
Thông số kĩ thuật
THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH
Mô hình 3D của cánh quạt
Mô hình 3D của khuôn đựng cánh quạt
Mô hình 3D của sản phầm sau khi hoàn tất quá trình lắp gép
Mô hình 3D sơ bộ của robot TTT
Mô hình 3D của băng chuyền
THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
Khảo sát động học thuận, ngược
Theo quy tắc Denavit-Hartenberg, chúng ta đã thiết lập các hệ tọa độ và bảng tham số DH Sau đó, chúng ta tiến hành xây dựng các ma trận chuyển DH để phục vụ cho việc phân tích và mô phỏng chuyển động.
Ma trận DH có dạng:
A 3 = [ 0 0 0 0 1 0 q 1 3 Để tìm vị trí và hướng của khâu thao tác ta tính
(2.3) Nhân lần lượt các ma trận theo thứ tự trên ta có:
Như ta đã biết: 0 A n = Đối chiếu các thành phần của 0 A 3
Ta có: Ma trận cosin chỉ hướng của khâu thao tác
Vector cột tọa độ điểm định vị r E :
Từ đây ta tính được vận tốc góc của khâu thao tác và vận tốc điểm tác động cuối E; nên:{ x E =q 2
* Vận tốc góc Khâu thao tác:
0R 3 : Là ma trận cosin chỉ hướng của khâu 3
3: Là đạo hàm của ma trận của cosin chỉ hướng Ta có
Và dễ dàng suy ra được Gia tốc góc của khâu thao tác là:
* Vận tốc, gia tốc điểm tác động cuối E:
Cho quy luật chuyển động của các khâu
23 b Động học ngược (Inverse Kinematics)
Bài toán động học ngược có nhiệm vụ xác định các biến khớp dựa trên tọa độ và hướng của khâu thao tác đã được biết Cụ thể, trong bài toán này, mục tiêu là tìm ra các giá trị khớp phù hợp với các điều kiện đã cho.
Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot
Trong quá trình chuyển động liên tục trên đường dịch chuyển, kỹ thuật thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác là rất quan trọng Đối với robot, bài toán thiết kế quỹ đạo được thực hiện sao cho quỹ đạo của điểm tác động cuối là chuỗi các đường thẳng, với thứ tự ưu tiên cho các trục là X, Y, Z khi robot tiến về phía trước Ngược lại, khi robot lùi, thứ tự ưu tiên sẽ bị đảo ngược Đối với các thao tác có cả tiến và lùi, ưu tiên sẽ được dành cho các trục có xu hướng lùi.
Quá trình di chuyển theo trục của robot thì vân tốc sẽ thay đổi từ tăng, ổn định, giảm về 0 vận tốc tăng: a 1 = a 0
Từ đó suy ra được phương trình:
Quỹ đạo của điểm tác động cuối theo đường thẳng từ O đến A trong t e =2s t O=¿¿ 0 s t 1=¿¿ 0.2 s t A=¿¿ 2 s t 2=¿¿ 1.8 s a
- điểm tác động cuối theo đường thẳng từ A đến B trong t e =1.2s a 0
- điểm tác động cuối theo đường thẳng từ B đến C trong t e =1.2s a 0
26 Đồ thị biểu diễn tọa độ trục x,vận tốc ,gia tốc theo thời gian t
This article presents a detailed analysis of motion through a series of plots illustrating position, velocity, and acceleration over time The first section plots the position (s1), velocity (v1), and acceleration (a1) against time (t1) using distinct colors for clarity Subsequently, the motion is extended to a new time interval (t2), where the equations for position (s2), velocity (v2), and acceleration (a2) are derived and plotted Finally, a third time segment (t3) is introduced, incorporating additional factors to calculate the new position (s3), velocity (v3), and acceleration (a3), which are also visualized in the same color-coded manner The plots are enhanced with a grid, labeled axes, and a legend for better comprehension of the motion dynamics.
28 Đồ thị biểu diễn tọa độ ,vận tốc ,gia tốc trục y theo thời gian t Đồ thị biểu diễn tọa độ ,vận tốc ,gia tốc trục y theo thời gian t
TĨNH HỌC
Bài toán
Bài toán tĩnh học Robot có nội dung như sau: Cho lực tác dụng vào khâu thao tác tại điểm E gồm vector lực F, và momen M
M =[ M x M y tính lực (mômen) dẫn động tại các khớp đảm bảo Robot cân bằng tĩnh ( bỏ qua ma sát).
Phương trình khảo sát
Ta sẽ tách từng khâu, xem xét các lực và momen tác dụng lên khâu đó, thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học.
Hình 3.1 Lực và momen tác dụng lên khâu I
Từ điều kiện cân bằng tĩnh học của khâu i, Ta viết được hệ phương trình cân bằng lực khâu i trong hệ tọa độ cơ sở như sau:
0 F i+1 ,i Lực khâu thứ i tác dụng lên khâu i+1 biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở
0 M i+1 ,i Momen khâu thứ i tác dụng lên khâu i+1 biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở
0 P i Trọng lực tác dụng lên khâu i
Tính toán cụ thể
Coi các khâu là thanh đồng chất với tiết diện ngang không đáng kể, khối lượng các khâu lần lượt được xác định Do khối lượng của ống nghiệm rất nhỏ so với Robot, nên có thể bỏ qua Độ dài các khâu lần lượt là a1, a2, a3.
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot
Phương trình vi phân chuyển động của robot có dạng:
M là ma trận khối lượng suy rộng.
C là ma trận quá tính li tâm Coriolis.
G là lực suy rộng lực có thế tác dụng vào robot.
Q là lực suy rộng đặc trưng cho các ngoại lực không thế tác dụng vào robot.
U là lực suy rộng các lực và moment điều khiển.
Ma trận khối lượng suy rộng M được tính theo công thức: n
Trong đó: n là số khâu của robot. m i là khối lượng của khâu thứ i.
J Ti và J T Ti lần lượt là ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu thứ i và chuyển vịcủa nó.
J Ri và J T Ri lần lượt là ma trận Jacobi quay tương đối của khâu thứ i và chuyển vị của nó.
I i là tenxo quán tính của khâu thứ i đối với các trục tọa độ đi qua trọng tâm khâu i trong hệ tọa độ khâu i.
Ta co vân tôc goc cac khâu:
Các ma trận tenxo quán tính của các khâu:
Ma trận đào hàm riêng:
Ma trận đơn vị bậc 3:
Tính ra ma trận Coriolis C:
Thế năng của robot so với hệ tọa độ gắn vào khâu cố định có dạng: π=m 1 g z c 1 + m 2 gz c2 +m 3 g z c 3
Ma trận G được tính theo công thức:
Nhận xét về lực không thế - ma trận Q
Robot sử dụng tay gắp chân không nên không xem nhẹ lực tác dụng bên ngoài Do đó, khi giải quyết bài toán động lực học, chúng ta có thể bỏ qua lực không thế, tức là ma trận Q.
Phương trình vi phân hoàn chỉnh
U1 là lực điều khiển khớp tịnh tiến q1
U2 là lực điều khiển khớp tịnh tiến q2
U3 là lực điều khiển khớp tịnh tiến q3
Động lực học ngược
Cho cac điêm co toa đô theo hê toa đô Ox 0 y 0 z 0 la hê toa đô gôc cua robot
X(mm) Y(mm) Z(mm) Điểm 1 200 600 100 Điểm 2 300 600 100 Điểm 3 400 600 300 Điểm 4 200 600 300 Điểm 5 400 600 300 Áp dụng hệ phương trình động học ngược ta tìm được giá trị các biến khớp tại
4 điểm của quỹ đạo: q 1 (mm) q 2 (mm) q3(mm) Điểm 1 100 200 900 Điểm 2 100 300 900 Điểm 3 300 400 900 Điểm 4 300 200 900 Điểm 5 300 400 900
Chọn 2 điểm A, B bất kì trong không gian làm việc, đồng nghĩa là biết được các thông số tọa độ (x E , y E , z E ) tức là vị trí của khâu thao tác tại K và A biết, đồng thời cho biết hướng của khâu thao tác Nhiệm vụ là thiết kế quỹ đạo chuyển động bất kì từ điểm K để đến điểm A.
Theo bài toán động học ngược, chúng ta xác định các biến khớp tại A và B Từ đó, ta xây dựng các tọa khớp là hàm thời gian t(5s), đảm bảo rằng chúng chuyển động từ vị trí A đến vị trí B trong khoảng thời gian quy định.
Trong bài toán này, chúng ta nghiên cứu quỹ đạo di chuyển của Robot từ điểm 2 đến điểm 3, sử dụng quỹ đạo bậc 3 để đảm bảo đáp ứng yêu cầu về tốc độ trong không gian khớp.
THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT
Thiết kế cơ cấu động học
Hệ dẫn động cho robot bao gồm các bộ phận chính:
Bộ truyền vít me – đai ốc bi: truyển chuyển động cho các khâu.
Trục dẫn hướng: dẫn hướng chuyển động cho các khâu.
Tính toán lựa chọn trục vít me bi
6.2.1 Vít me – đai ốc bi
Vít me – đai ốc bi là một hệ thống truyền động được chế tạo chính xác, chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến thông qua cơ chế bu lông – đai ốc Khu vực tiếp xúc giữa trục vít và đai ốc sử dụng dải bi bằng thép, giúp biến ma sát trượt thành ma sát lăn, từ đó đảm bảo chuyển động diễn ra một cách trơn tru và chính xác, đồng thời hoạt động bền bỉ trong thời gian dài.
Khu vực tiếp xúc giữa vít me bi và đai óc có một rãnh gọi là rãnh me, được lấp đầy bởi những viên bi thép Khi trục vít xoay, các viên bi sẽ lăn tròn trong rãnh này, tạo ra chuyển động mượt mà và hiệu quả.
Trục vít và đai ốc có 42 mối ren nhằm giảm ma sát giữa chúng Để ngăn chặn các viên bi rơi ra ngoài, đai ốc được thiết kế với một đường ống dẫn hồi bi, giúp thu hồi những viên bi không bị rơi khỏi rãnh trục vít và đưa trở lại đầu đường bi ở cuối đai ốc Lực đẩy của đai ốc diễn ra một cách nhẹ nhàng nhờ vào chuyển động lăn của các viên bi cuộn tròn.
- Những thông số hoạt động: + Chiều dài thanh vít.
+ Chiều dài hành trình đạt được.
Hình 5 1 Cấu tạo vít me bi
Các bộ truyển trục vít me – đai ốc được đặt dọc theo các trục Z0, Z1, Z2.
+ Hành trình của các trục vít me: Dọc trục Z0: 1500 mm
+ Vận tốc chạy lớn nhất khi đầu gắp có cánh quạt: V 1=7m/ph
+ Vận tốc chạy lớn nhất khi đầu gắp không có cánh quạt:
+ Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0.4g =8 m/ s 2
+ Hệ số ma sát lan bề mặt: μ = 0.01.
+Tốc độ vòng động cơ:
+ Độ chính xác vị trí: ±0.05/1000mm.
+ Độ chính xác lặp: ±0.005mm.
+ Bước vít-me: l≥V max /N max = V 1 /N max = 10000/2000= 5(mm)
+ Lực tác dụng vào đầu tay gắp F m :không đáng kể, lấy F m =0 N
- Khối lượng tổng cộng tác dụng lên các trục :
- Điều kiện làm việc: ü Lực ma sát:
6.2.3 Tính toán lực dọc trục
Các thành phần trong các công thức:
- Lực tác dụng vào đầu tay gắp: F m = 0 N
- Hệ số ma sát lăn: μ = 0,01.
- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0,4.g = 4 ( m/ s 2) ü Lực dọc trục:
- Khi tăng tốc: F a1 = μmg + ma + f
- Khi giảm tốc: F a3 = μmg – ma + f
Với: f là lực ma sát, m.g là biểu thức của trọng lực. μ là hệ số ma sát lăn bề mặt.
Fm là lực tác dụng vào đầu tay gắp.
Từ đó ta suy ra được lực dọc trục lớn nhất F max Theo trục Z0:
N + Lực dọc trục lớn nhất:
+ Lực dọc trục lớn nhất:
+ Lực dọc trục lớn nhất:
6.2.4 Tính toán tốc độ vòng trung bình của động cơ
- Chọn bước vít me: l ≥ Vmax
- Chọn l = 5 mm ta có tốc độ vòng chính xác của động cơ: n 1 = V l 1 =7000 5 = 1400 n2 = V l 2 =10000 5 = 2000
-Với chế độ thời gian t 1 `% , t 2 @% ta có:
6.2.5 Chế độ làm việc của máy với các trục
Chế độ Tốc độ Tỉ lệ thời gian
Khi đầu gắp có tay 1400 70 kẹp (V 2 = 7m/ph)
Khi đầu gắp không 2000 30 có tay kẹp
Bảng 1.1 Chế độ làm việc của máy đối với trục Z 0 , Z 1 ,Z 2
6 2.6 Tính toán tải trọng động C a
Ta tính được tải trọng động của các trục như sau:
6.2.7 Chọn bán kính trục vít
Ta chọn phương án bố trí ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động.
L = tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài ổ bi + chiều dài vùng thoát = 1500 +50 + 100 = 1650 mm.
Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động→ f 15,1
Tốc độ quay của động cơ 2000 rpm. Đường kính trục vít:
L = tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài ổ bi + chiều dài vùng thoát
Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động → f 15,1 Tốc độ quay vòng của động cơ 2000 rpm Đường kính trục vít:
L = tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài ổ bi+ chiều dài vùng thoát
Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động → f 15,1 Tốc độ quay vòng của động cơ 2000 rpm Đường kính trục vít:
Để xác định đường kính trục vít me phù hợp với yêu cầu tải trọng động, cần tham khảo Catalog của hãng TBI Các thông số của loại vít me bi phải tương ứng với giá trị C a max và d r để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 5.4 Catalog vít-me hãng TBI
Bảng 1.4 Vít me các trục
Trục Ký hiệu vít me TBI
Các vít me trục Z0, Z1 có sự thay đổi bước vít, bước vít tăng lên tuy nhiên không ảnh hưởng đến việc chọn tốc độ động cơ ở.
= 94302 h > 25000 h Tốc độ quay cho phép: n = f × dr L 2 × 10 7 = 15.1 × 36,825 1650 2 × 10 7 = 2042
- Trong đó d r là đường kính lõi ren trục vít: d r = 40 – 6,35 2 = 36,825 mm
Tốc độ này lớn hơn so với tốc độ quay lớn nhất được thiết kế Do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn.
= 4x10 5 h > 25000 h Tốc độ quay cho phép: n = f × dr L 2 × 10 7 = 15.1 × 36,825 1650 2 × 10 7 = 2042
- Trong đó d r là đường kính lõi ren trục vít: d r = 40 – 6,35 2 = 36,825 mm
Tốc độ này lớn hơn so với tốc độ quay lớn nhất được thiết kế Do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn.
= 76800 h >25000 h Tốc độ quay cho phép: n = f × dr l 2 × 10 7 = 15.1 × 18,4125 1150 2 × 10 7 = 2102 vg/ph.
- Trong đó d r là đường kính lõi ren trục vít: d r = 20 -3,175 2 = 18,4125 mm
Tốc độ này lớn hơn so với tốc độ quay lớn nhất được thiết kế Do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn.
Tính toán lựa chọn ổ bi
Ta chọn phương án bố trí ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động cho cả ba trục:
Hình 5 5 Sơ đồ lắp ổ bi
Dựa vào đường kính trục vitme, ta chọn sơ bộ thông số ổ bi đỡ một dãy và ô đỡ chặn của hãng SKF cho các trục Z0, Z1, Z2:
Hình 5 7 Ổ đỡ chặn 7202 BEP(SKF)
Hình 5 8 Thông số ổ đỡ chặn 7202 BEP(SKF)
Hình 5 10 Ổ đỡ chặn 7411 BEP(SKF)
6.3.1.Kiểm nghiệm độ bền với trục Z0
Kiểm nghiệm khả năng tải động:
Tải trọng động của ổ lăn :
Với V = 1 (do vòng trong quay) và k t = 1, hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ được xác định là k d = 1.1, cho phép chịu va đập nhẹ và tải ngắn hạn lên đến 125% so với tải tính toán, áp dụng cho máy cắt kim loại và động cơ công suất nhỏ và trung bình Lực hướng tâm được các ray dẫn hướng chịu trách nhiệm, do đó lực hướng tâm tác động lên ổ được coi là không đáng kể, với X = 0 và Y = 1.
Tổng hợp lực dọc trục :
Do F r có thể bỏ qua nên : F a = F at 0.4 N
Tuổi thọ tính theo triệu vòng: có thể lấy n = 1000 v/ph vì có lúc Robot nghỉ và tốc độ lúc chậm , lúc nhanh
→ Đảm bảo khả năng tải động.
Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:
Với ổ bi đỡ - chặn ta có :X0 = 0,5 và Y0 = 0,47
→ Đảm bảo khả năng tải tĩnh.
Vì lực hướng tâm nhỏ (do lực này được 2 ray dẫn hướng chịu) nên ta có thể bỏ qua và ổ đỡ đủ bền.
6.3.2 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z1
+ Kiểm nghiệm khả năng tải động:
Tải trọng động của ổ lăn :
Hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ được xác định là kt=1 cho nhiệt độ dưới 105 ℃ Hệ số kd là 1.1, cho phép chịu va đập nhẹ và tải ngắn hạn lên đến 125% so với tải tính toán, phù hợp với máy cắt kim loại và động cơ công suất nhỏ đến trung bình Đối với ổ bi chặn, giá trị X là 0 và Y là 1.
Tổng hợp lực dọc trục :
Do F r có thể bỏ qua nên : F a = F at = 123,3N
Tuổi thọ tính theo triệu vòng:
→ Đảm bảo khả năng tải động.
+ Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:
Với ổ bi đỡ α 0 ta được :X0 = 0,5 và Y0 = 0,47
→ Đảm bảo khả năng tải tĩnh.
Vì lực hướng tâm nhỏ (do lực này được 2 ray dẫn hướng chịu) nên ta có thể bỏ qua và ổ đỡ đủ bền.
6.3.3 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z2
Kiểm nghiệm khả năng tải động:
Tải trọng động của ổ lăn :
Với V = 1 (do vòng trong quay) và kt = 1, hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ là nhỏ hơn 105 Hệ số kd = 1.1 cho phép chịu va đập nhẹ và tải ngắn hạn lên tới 125% so với tải tính toán, phù hợp cho máy cắt kim loại và động cơ công suất nhỏ đến trung bình Trong trường hợp này, lực hướng tâm được các ray dẫn hướng chịu hoàn toàn, do đó lực hướng tâm tác dụng lên ổ được coi là không đáng kể, với X = 0 và Y = 1.
Tổng hợp lực dọc trục :
Tổng hợp lực dọc trục :
Do F r có thể bỏ qua nên : F a = F at a,65 N
Tuổi thọ tính theo triệu vòng: có thể lấy n = 1000 v/ph vì có lúc chạy lúc không, lúc chậm , lúc nhanh
→ Đảm bảo khả năng tải động.
Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:
Với ổ bi đỡ - chặn ta có :X0 = 0,5 và Y0 = 0,47
→ Đảm bảo khả năng tải tĩnh.
Vì lực hướng tâm nhỏ (do lực này được 2 ray dẫn hướng chịu) nên ta có thể bỏ qua và ổ đỡ đủ bền.
Tính chọn động cơ
+ Tốc độ vòng lớn nhất n max = = = 2000 vg/ph. l 5
Với cánh quạt = 10m/ph. h: bước vitme = 5 mm.
+ Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a= 0,4.g = 4 m/s 2
+ Thời gian hoạt động: L t = 25000h (khoảng 5,7 năm).
+ Chọn động cơ bước để điều khiển quỹ đạo chuyển động theo trục.
Ta chọn sử dụng ba động cơ giống nhau cho cả ba trục Vì trục Z0 là trục chịu tải nặng nhất, nên ta tính theo trục Z0.
+ Hệ số ma sát trượt giữa thép và gang: ta chọn μ = 0,12.
+ Khối lượng của phần dịch chuyển là m = W y = 40 kg.
64 v max : vận tốc chạy lớn nhất khi đầu gắp không có
+ Tỉ số truyền giảm tốc i = 1 (do chọn phương án động cơ truyền động tới vít-me không qua hộp giảm tốc)
+ Hiệu suất của động cơ: chọn η = 0.9.
*Tính momen cản do ma sát trên khớp nối động cơ:
*Tính momen phát sinh do truyền động không đồng trục:
Với đường kính trục vít được chọn là 40mm, ta có: v max = π × D ×n = π ×40×2000 = 4,19 m/s
*Tính momen cản do ma sát của phần dịch chuyển gây ra:
*Tính momen cần thiết để mở máy:
lựa chọn động cơ bước
Dựa vào momen khởi động của động cơ và tốc độ tối đa, ta chọn loại động cơ bước
SUMTOR 57HS7630A4 3A có momen khởi động là 1,8 N.m, tốc độ quay lớn nhất là 2000 vg/ph(Dựa vào catalog của hãng)
Tính chọn ray dẫn hướng
6.5.1.Ray dẫn hướng (linear guide)
Hệ thống ray dẫn hướng đảm nhận vai trò quan trọng trong việc điều khiển chuyển động của bàn theo hai phương X và Y, cũng như chuyển động lên xuống theo trục Z của đầu dao Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, hệ thống này cần phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt và không xảy ra hiện tượng dính hay trơn trượt khi vận hành.
Có 2 loại ray dẫn hướng thông dụng : ray vuông, ray tròn.Có nhiều hãng sản xuất như: THK của Nhật, HIWIN của Đài Loan.
Ray tròn được chia thành hai loại: ray tròn không đế và ray tròn có đế So với ray vuông, ray tròn có nhiều nhược điểm như máy chạy rung nhiều, dễ làm hỏng trục tròn và chịu tải thấp Tuy nhiên, giá thành của ray tròn rẻ hơn nhiều so với ray vuông, nên nếu sử dụng cho các loại máy CNC cỡ nhỏ, ray tròn vẫn có thể là một lựa chọn khả thi.
Hình 5 2 Ray trượt tròn có đế
Hình 5 3 Ray trượt tròn không đế
Ray vuông, mặc dù có giá thành cao hơn ray tròn, nhưng lại mang đến nhiều ưu điểm vượt trội Nó hoạt động êm ái hơn, chịu được tải trọng lớn và có tuổi thọ cao, tuy nhiên, điều này đi kèm với mức giá cao hơn.
Dựa vào các điều kiện làm việc như khối lượng đặt lên ray, vận tốc và gia tốc, chúng ta có thể tính toán các thông số quan trọng về thời gian và quãng đường khi cầu máy di chuyển trên hành trình.
- Tải trọng tác động lên từng con trượt.
-Tải trọng tĩnh C 0 , từ đó tính tải trọng động cho phép C.
-Tính toán, kiểm nghiệm tuổi thọ danh nghĩa.
Nếu không thỏa mãn tuổi thọ danh nghĩa, ta chọn lại ray dẫn hướng. a) Tínhchọn ray dẫn hướng trục Z0
Xác định điều kiện làm việc:
Khối lượng bàn máy, các cột liên kết dẫn động theo trục Z0 : W Z0 = 20 (kgf).
Tốc độ chạy không lớn nhất: vm/ph
Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ sau:
Chon sơ bộ khoảng cách c = 160 mm, d0 mm.
Hình 5 5 Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục
Y Trong đó: Ngoại lực F = 0 (N); W Z0 = 20 (kgf)
4 =5 (kgf) Tải trọng tính toán:
Tải trọng tĩnh: là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn Lấy
0=5.3 (kgf) b)Tính toán đường dẫn hướng cho trục
Z1 Xác định điều kiện làm việc:
Hình 5 15 Sơ đồ lực tác dụng lên trục Z1
Chon sơ bộ khoảng cách c0mm, d0mm, hPmm.
Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ:
Trong đó: ngoại lực F = 0 (N); W z = 30 (kgf)
Do đó tải trọng tính toán:
Tải trọng tĩnh : là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn Lấy
C 0=4,69.3,07 (kgf) c)Tínhchọn ray dẫn hướng trục Z2
Xác định điều kiện làm việc:
Khối lượng bàn máy, các cột liên kết dẫn động theo trục Z2 : W Z2 = 15 (kgf).
Tốc độ chạy không lớn nhất: vm/ph
Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ sau:
Chon sơ bộ khoảng cách c = 90 mm, d mm.
Hình 5 16 Sơ đồ lực tác dụng lên trục Z2
Hình 5 17 Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục Y
Trong đó: Ngoại lực F = 0 (N); W Z0 = 6,1 (kgf)
Tải trọng tĩnh: là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn Lấy
Bảng 1 Tải trọng tĩnh các trục
Trục Tải trọng tĩnh C 0 (kgf)
Dựa vào tải trọng tĩnh tính toán được ở bảng trên ta chọn vít me TRS15VN của hãng TBI với các thông số sau.
Hình 5.20 Mô Hình 3D hoàn chỉnh
Hình 5.21 Mô hình 3D của hệ thống
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Chọn luật điều khiển
Trong phần này, nhóm sẽ trình bày hệ thống điều khiển cho robot đã được thiết kế và tính toán trước đó Bài toán điều khiển là rất quan trọng, vì một hệ thống được thiết kế tốt sẽ nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình hoạt động của robot.
Nhóm đề xuất áp dụng phương pháp điều khiển dựa trên mô hình động lực học cho robot, vì đây là phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả cho hệ thống Chúng tôi sẽ sử dụng bộ điều khiển PD + Lực, được trình bày trong môn robotics, với biểu thức và sơ đồ điều khiển cụ thể.
Mô phỏng bằng Matlab
Hình 7.2 Mô hình MATLAB SIMULINK Đây là khối tín hiệu đặt
Trong đó qd1, qd2,qd3 là vị trí đặt khâu 1,2,3 dq1,dq2,dq3 là vận tốc đặt khâu 1,2,3 ddq1,ddq2,ddq3 là gia tốc đặt khâu 1,2,3
Hình 7.4 Khối điều khiển PD
Hình 7.5 Khối phương trình vi phân chuyển động
Hình 7.6 Khối biểu diễn đầu ra
Hình 7.7 Khối chấp hành robot
Hình 7.8 Khối chấp hành có các thành phần tích phân
81 Đồ thị tịnh tiến khâu 1 Đồ thị tịnh tiến khâu 2
82 Đồ thị tịnh tiến khâu 3 Đồ thị sai số biến khớp 1
83 Đồ thị sai số biến khớp 2 Đồ thị sai số biến khớp 3
Sai số vận tốc khâu 1
Sai số vận tốc khâu 2
Sai số vận tốc khâu 3