(TIỂU LUẬN) đồ án môn học thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết kế robot SCARA bậc tự NGUYỄN VĂN NGHĨA Nghia.nv184564@sis.hust.edu.vn Chuyên ngành Cơ Điện Tử Giảng viên hướng dẫn: TS Bùi Đình Bá Bộ mơn: Viện: Cơ điện tử Cơ khí HÀ NỘI, 10/2021 Tieu luan Chữ ký GVHD Tieu luan KẸP TỜ GIAO ĐỀ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC TẠI ĐÂY …………… Tieu luan Lời mở đầu CHƯƠNG Giới thiệu Robot Scara 1.1 Khái niệm Robot .2 1.1.1 Khái niệm Robot 1.1.2 Khái niệm Robot Scara .2 1.1.3 Một số ứng dụng robot scara CHƯƠNG Phân tích ngun lý thơng số kỹ thuật 2.1 2.2 Nguyên lý hoạt động .5 2.1.1 Phân tích nguyên lý hoạt động 2.1.2 Thông số kỹ thuật quan trọng robot Xác định thành phần hệ thống dẫn động .6 Tieu luan Lời mở đầu Robot công nghiệp lĩnh vực nghiên cứu phát triển mạnh giới nước ta, lĩnh vực cịn mẻ Ngày q trình sản xuất đại, hầu hết quy trình thực máy chuyên dùng Các phương pháp làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất sản phẩm công nghiệp phù hợp với đa số người tiêu dùng Tuy nhiên, máy công cụ thiết kế để thực nguyên công cho trước, cần thay đổi kiểu mẫu sản phẩm, tồn dây chuyền sản xuất phải cải tạo lại Việc sửa đổi tốn Chính lý thúc đẩy phát triển phươnng pháp sản xuất tiên tiến, chế tạo loại robot đưa vào quy trình chế tạo để thực nhiều nguyên công như: chuyển tải vật tư thiết bị dây truyền đại, hàn điểm, sơn phun lắp ráp công nghiệp ô tô Đây kiểu tự động hóa linh hoạt mang lại hiệu kinh tế cao, cần thiết hoàn cảnh đất nước ta tiến tới công nghiệp hóa đại hóa tồn diện Robot cơng nghiệp ứng dụng rộng rãi dây truyền sản xuất đại có linh hoạt cao Vì việc nghiên cứu chế tạo robot cần thiết vơ quan trọng Qua q trình thực Đồ án thiết kế hệ thống khí với đề tài “Thiết kế Robot Scara”, chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tâm huyết thầy TS Bùi Đình Bá – Bộ mơn Cơ điện tử - Viện khí – Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình bảo, giúp đỡ chúng em suốt thời gian hoàn thành đồ án Do kiến thức hạn hẹp thời gian thực khơng nhiều nên q trình thực khơng tránh khỏi thiếu sót Đề tài mong góp ý q thầy Em xin chân thành cảm ơn! Tieu luan CHƯƠNG Giới thiệu Robot Scara 1.1 Khái niệm Robot Thuật ngữ “Robot” sử dụng lần Karel Capek kịch ông Rosum’s Universal Robots xuất vào năm 1921 Co lẽ gợi ý ban đầu cho nhà sáng chế kỹ thuật việc sáng chế cấu, máy móc bắt chước hoạt động người Về mặt kỹ thuật, robot cơng nghiệp ngày có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật đời sớm cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) máy công cụ điều khiển số (NC-Numerially Controoled Machine Toll)  Robot thiết bị linh hoạt phục vụ người – Có hình dạng (cơ cấu) gần giống tay người – Có khả thao tác tự động – Có khả bắt chước thao tác người  Các phận cánh tay robot – Cơ cấu chấp hành – Hệ thống dẫn động – Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả lập trình linh hoạt – Hệ thống thơng tin giám sát • Tay máy hoạt động nhờ động thông qua truyền như: hộp giảm tốc bánh răng, bánh - răng, trục vít, khí nén, … • Kết cấu tay robot vững chắc, hoạt động tin cậy, dễ dàng đạt đến vị trí vật thể tác động 1.2 Khái niệm Robot Scara Thuật ngữ Scara đề xuất lần vào năm 1979 Nhật Bản, hoạt động nghiên cứu lắp ráp trường đại học Yamanashi Nó tên viết tắt Selective Compliance Assembly Robot Arm Dịch tiếng Việt có nghĩa “Cánh tay robot lắp ráp có chọn lọc” Tieu luan Hình mẫu nguyên thủy Scara kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt Nó bao gồm khớp quay, khớp trượt khớp có trục song song với Các cấu trúc Scara cấu trúc nối tiếp Nghĩa động phải mang theo tất động khác sau Nếu Scara thiết kế theo đơi cánh tay động cố định có chức kéo theo, điều khiển động lại So với kết cấu theo phương thẳng đứng, kết cấu vững hơn, cứng Tuy nhiên so với phương ngang lại cứng vững Vùng làm việc Scara phần hình trụ rỗng, theo mơ thức cử động tay thao tác người Cùng với tên gọi robot Scara, cịn gọi với nhiều tên gọi khác Scara song song (parallel scara robot), Scara cánh tay (scara robot arm) Scara có nhiều loại: Scara bậc Scara bậc Robot scara bậc Scara bậc Scara bậc Hình 1.1 Robot Scara 1.3 Một số ứng dụng robot scara - Lắp ráp thử nghiệm chi tiết khác nhau, lắp ráp linh kiện điện tử - Kiểm tra bảng PC, tự động làm thành phần mạch - Đóng gói sản phẩm - Ứng dụng tự động y tế Tieu luan Hình 1.2 Robot Scara lắp ráp linh kiện điện thoại di động Tieu luan CHƯƠNG Phân tích ngun lý thơng số kỹ thuật 2.1 Nguyên lý hoạt động 2.1.1 Phân tích nguyên lý hoạt động Robot Scara chế tạo theo mô hình tay máy Về nguyên lý hoạt động, giống cánh tay người Cánh tay máy tạo nên chuyển động Cổ tay có chức tạo nên khéo léo, linh hoạt Bàn tay trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng cần tác động Scara robot truyền động thông qua động loại Ví dụ điện, thủy lực, khí nén, chí kết hợp động Tùy vào điều kiện hoạt động, nhà sản xuất tiến hành thiết kế robot Scara với hệ thống cảm biến khác Tuy nhiên, tất chúng điều khiển hệ thống điều khiển Controller, máy tính giám sát điều khiển hoạt động Scara 2.1.2 Thông số kỹ thuật quan trọng robot -Sức nâng tay máy -Độ cứng vững robot -Lực kẹp tay -Tầm với tay máy (Vùng làm việc tay máy) Đây kích thước, hình dáng vùng mà tay máy với tới hoạt động -Sự khéo léo tay máy (khả định vị định hướng tự động tay máy trình làm việc) -Các thơng số liên quan đến cấp độ Scara Tay máy có cấu tạo đơn giản Scara bậc Tay máy hoàn thiện Scara bậc tự với độ hoàn thiện gần giống với tay người, cử động linh hoạt, lực nâng tốt - SCARA cấu hình tiêu chuẩn robot Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, có điểm sau đây: • Robot SCARA bậc tự • Tải trọng 20 kg • Tầm với 700 mm • Độ xác lặp: (x, y) = ± 0.02 mm, (z) = ±0.01 mm • Vận tốc cực đại khâu tác động cuối: 2780 mm • Gia tốc cực đại khâu tác động cuối: • Sử dụng truyền vít me – đai ốc cho khâu tịnh tiến Tieu luan 2.2 Xác định thành phần hệ thống dẫn động Hình 2.1 Sơ đồ động học robot SCARA bậc tự *Các thành phần kết cấu Robot Scara -Các khâu chính: Tay robot có bậc tự do, thiết kế khí dạng khớp xoay, khớp tịnh tiến  Khâu cố định: thân Robot, đặt thẳng đứng giữ robot cố định làm việc, gắn với khâu động qua khớp xoay với trục z01 thẳng đứng  Khâu 1: khâu dẫn động nằm ngang vng góc với trục thẳng đứng suốt q trình làm việc robot,có khả quay xung quanh trục z 01 qua khớp xoay  Khâu 2: Khâu động có khả xoay mặt phẳng vuông trục thẳng đứng qua khớp xoay nối với khâu  Khâu 3: trục vít - đai ốc bi trượt (trục vít tịnh tiến, đai ốc quay) -Hệ dẫn động: Cấu trúc động học loại tay máy thuộc hệ sinh, có trục quay, khớp thẳng đứng – • Khớp xoay 1, : hệ bánh răng(hộp giảm tốc), truyền động đai… • Khớp 3: khớp tịnh tiến (trục vít – đai ốc) • Động truyền động *Động *Cảm biến *Trục *Khớp nối *Ổ lăn Tieu luan Số Z1 bánh đai lớn Số Z1 bánh đai lớn xác định theo tỉ số truyền truyền sau chọn trước Z2 z 1=2 Z 2=32 => Đường kính bánh đai: d1 = m.z1 = 96 mm, d2 = m.z2 = 48 mm Khoảng cách trục A số dây đai Khoảng cách trục : a ≤ A ≤ a max a min=0.5 m ( z 1+ z 2) + 2m=78 mm a max=2 m ( z 1+ z )=288 mm Số đai : zđ = 2 a z 1+ z ( z 2−z 1) p + + =41.33 ÷ 85.36 p 40 a Chọn z đ =56 → chiềudài đai :l đ =527.5mm 27 Tieu luan Thayl đ =527.5 mm =>a= λ+ √ λ −8 Δ =161.5 mm 2 Trong λ=ld −p ¿ Δ=m ¿ Đường kính ngồi bánh đai: d a 1=m z1 −2 δ=94.8 mm d a 2=m z 2−2 δ=46.8 mm Với δ=0.6 khoảng cách từ đáy đến đường kính trung bình lớp chịu tải, tra bảng ( ) Z 2−Z × 57.3=1 63.97 độ Góc ơm đai: α 1=180 – m× a Số đồng thời ăn khớp bánh chủ động: z 0=z α1 =14.49>6 => thỏa mãn điều kiện 360 Kiểm nghiệm đai lực vòng riêng: q= kd Ft +q m v ≤ [ q ] =[q0 ] C z Cu b Với: π ⅆ1 n1 =8.38 m/s 60 P 687 ≈ 82 N ⁺ F t= = v 8.38 ⁺ v= ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ b = 23 mm = 0.023 m kd = 1.1 qm = 0.004 kg/mm = kg/m [q0] = 10 N/mm = 10000 N/m Cz = Cu = 0.9 => q = 4202.64 N/m; [q] = 9000 N/m q < [q] => thỏa mãn điều kiện Xác định lực căng đai ban đầu lực tác dụng lên trục: F 0=1.3 F v =1.3 qm b v =8.4 N 28 Tieu luan Bảng xác định hệ số Kđ Bảng xác định qm q0 3.3.1 Thiết kế trục dẫn hướng cho vít me: Cơ cấu vít me đai ốc bi loại rotating nut cần có then dẫn hướng để chống xoay cho trục vít me q trình đai ốc xoay Nếu khơng có việc chống xoay vít me quay đai ốc quán tính Sau tham khảo robot mẫu hãng denso em định chọn phương án chống xoay việc sử dụng thêm dẫn hướng cho trục vít me sau: 29 Tieu luan Em gói gọn việc thiết kế trục dẫn hướng cụm ghép nối liên quan 0.5 kg 3.4 Tính tốn thiết kế khâu 2: Chọn vật liệu làm khâu C45 có khối lượng riêng ρ=7850 Kg/m ứng suất chảy [ σ c ]=360 Mpa Chọn tiết diện khâu hình vẽ đây: y d c a c C C C K h x c b Chọn chiều dài khâu : d2 = 330 mm, a = 120 mm, b = 130 mm, c = 10 mm Phần bên ngồi có kích thước a × b, diện tích S1 = 120*130 = 15600 mm2 , ba =18.72×10 , trọng tâm C1 với NC1 = 60 mm momen quán tính J x1= 12 Phần rỗng bên có kích thước d ×h, diện tích S2 = 110*110 = 12100 dh =12.2 ×10 , trọng tâm C2 với NC2 = 65 mm mm , momen quán tính J x2= 12 Tọa độ trọng tâm C NC ¿ S1 N C 1−S2 N C 15600 ×60−12100× 65 = =42.71 mm S 1−S2 15600−12100 Hệ trục Cxy hệ trục quán tính trung tâm Xác định momen quán tính J x Momen quán tính mặt cắt ngang hình chữ nhật J x ¿ bh 12 Áp dụng công thức chuyển trục song song momen qn tính ta có: 30 Tieu luan J x =J x +S × C C12−( J x2 + S2 ×C C 22) J x =18.72× 106 +15600× 17.292−( 12.2 ×106 +12100 × 22.292 )=5.2 ×106 Sơ đồ phân bố lực sau: F d2/2 P d2/2 Lực F3 bao gồm :  Trọng lượng khâu 3: P3 = m3g , m3 = mvít me + mđc3 + mtay kẹp = 9.46 kg => P3 = m3g = 9.46*9.8 = 92.71 N  Trọng lượng tải : Ptải = 20*9.8 = 196 N Vậy lực F3 = 288.71 N Mx Biểu đồ momen Để đơn giản nhân biểu đồ ta tách biểu đồ thành biểu đồ: bậc bậc sau: Mx + Mx Để tìm chuyển vị M ta tạo trạng thái k biểu đồ momen trạng thái biểu diễn sau: Pk = L2 31 Tieu luan Áp dụng phương pháp nhân biểu đồ ta tính độ võng M: y M= ( 1 3 F L + P L2 E Jx ) Trong đó: L2 = 330(mm ) : tầm với khâu E = 2*105 N/mm2 : mođun đàn hồi [f2] = 0.01 (mm) m2=ρ L2 ( ab−dh )=9.62 (kg) => P2 = 9.62*9.8 = 94.28 N Từ ta tính yM độ võng lớn khâu là: y M= ( ) 1 × 288.71× 3303+ ×94.28 ×330 ¿ 0.0045(mm) 2× 10 ×5.2 ×10 y M < [ f ]=0.01mm => thỏa mãn điều kiện cứng - Ứng suất uốn lớn nhất: M max 65 (N / mm ) Jx M max 35 ( N /mm ) ⁺ Tại mép : σ max 2= Jx ⁺ Tại mép : σ max 1= Với: M max = F3 + P 2 ×288.71+94.28 L2 = ×330=110830.5( Nmm) 2 => σ max 1=1.39 N /mm2=1.39 (MPa), σ max 2=0.75 N /mm 2=0.75(MPa) => σ max=σ max =1.39 MPa [ σ chảy ] 360 =120 MPa 3 σ max2=1.39 MPa F2 = 429.24 (N) F23 = 717.95 (N) Mx Biểu đồ momen 36 Tieu luan Để đơn giản nhân biểu đồ ta tách biểu đồ thành biểu đồ: bậc bậc sau: Mx + Mx Để tìm chuyển vị M ta tạo trạng thái k biểu đồ momen trạng thái biểu diễn sau: Pk = D2 Áp dụng phương pháp nhân biểu đồ ta tính độ võng M: y M= ( 1 F 23 d 13 + P1 d 13 E Jx ) Trong đó: E = 2*105 N/mm2 [f2] = 0.01 (mm) m2=ρ d ( ab−dh )=7.26 (kg) => P2 = 7.26*9.8 = 71.15 N Từ ta tính yM độ võng lớn khâu là: y M= ( ) 1 ×717.95 ×3703 + ×71.15 × 3703 ¿ 0.0097( mm) 2× 10 ×6.5 × 10 y M < [ f ]=0.01mm => thỏa mãn điều kiện cứng - Ứng suất uốn lớn nhất: M max 65 (N /mm2 ) Jx M max 35 ( N /mm ) ⁺ Tại mép : σ max 2= Jx ⁺ Tại mép : σ max 1= Với: M max = F 23+ P1 ×717.95+71.15 d2 = × 370=278804.25 ( Nmm) 2 => σ max1=2.79 N /mm2 =2.79(MPa), σ max 2=1.5 N /mm2 =1.5( MPa) 37 Tieu luan => σ max=σ max =2.79 MPa [ σ chảy ] 360 =120 MPa 3 σ max1=2.79 MPa m = 43.8 (kg) Lực li tâm tác dụng lên khâu là: 2 F ¿=mω1 r 1=43.8× 7.85 × 0.125=337.38( N ) Đây lực hướng tâm lớn tác dụng lên hộp giảm tốc : F ht1 = 337.38 (N) Lực tiếp tuyến lớn tác dụng lên khâu là: F tt =m1 qă1=43.8ì 27.1=1186.98(N ) Momen xon ln nht tỏc dụng lên khâu là: T 1=Ftt r 1=1186.98 × 0.125=148.37(Nm) ω 450 =75 (vòng/phút) Tốc độ tối đa khâu là: n1 = = 6 Từ thông số em chọn sản phẩm hộp giảm tốc mã RV-25N-40-A hãng Nabtesco Sản phẩm có thông số kỹ thuật sau: Tỉ số Mome truyền n xoắn đầu (Nm) 40 171 Công suất vào (KW) 1.28 Tốc độ đầu định mức (rpm) 110 Tốc độ đầu tối đa (rpm) 110 Tải trọng hướng tâm cho phép (N) 6975 Hiệu suất làm việc (%) Khối lượng (kg) 80 3.8 3.5.1 Tính chọn động khâu 1: Công suất cần thiết động là: P1= n T 75 × 148.37 = =1165(W ) 9.55 μ 9.55× 0.8 Tỉ số truyền hộp giảm tốc 40 Momen xoắn cần thiết động khâu là: T đc 1= T 148.37 = =3.71( Nm) 40 40 Tốc độ tối đa cần thiết động khâu là: 38 Tieu luan n đc 1=40 n1=40 × 75=3000 (vịng/phút) Một số động hãng MotionKing Dựa vào thông số sau tham khảo số động servo hãng MotionKing cung cấp em chọn động mang số hiệu AS150-20270E25 3.6 Tính tốn thiết kế thân robot – khâu đế: Mơ hình thân robot dạng trụ tròn rỗng d1 d2 Mặt cắt thân Robot 39 Tieu luan Lựa chọn vật liệu: Gang xám GX12-28 (Khối lượng riêng: ρ gang=7 × 10−6 kg /mm3) Tính tốn, thiết kế: Chọn chiều cao: L0=340 mm Động khâu bố trí khâu hình vẽ Khối lượng tác dụng dọc trục: m123=m1+ m2 +m3 Trong đó:  m1 = mkhâu1 + mđc1 + mgear1 = 8.5+ 3.8+3.8 = 16.1 (kg)  m2 = mkhâu2 + mđc2 + mgear2 = 11 + 3.8+ 3.8 = 18.6 (kg)  m3 = 9.46 (kg) => m123 = 44.16 (kg) Momen uốn: ( ) L1 L2 + m3 × ( L1 + L2 ) +m × L1 + ]× g 2  M 123 =105150 Nmm M 123 =[m1 × Ứng suất uốn: σ uốn= M 123 105150 d d = W x =π × ( 1−α ) , α = , Wx Wx 32 d2 Ứng suất nén: ( m123 +m0 ) × g σ nén= S m0= ρgang × L0 × π , S= (d 22−d 12) π 2 × ( d −d ) [σ uốn=280 N /mm 2] , [σ ¿¿ nén]=120 N /mm2 ¿ 40 Tieu luan Chọn d 1=120 mm , d 2=130 mm  m0 = 4.81 kg => σ uốn=16.73 N , σ nén=0,22 N /mm2 mm => Thỏa mãn điều kiện bền 41 Tieu luan ... gọi khác Scara song song (parallel scara robot) , Scara cánh tay (scara robot arm) Scara có nhiều loại: Scara bậc Scara bậc Robot scara bậc Scara bậc Scara bậc Hình 1.1 Robot Scara 1 .3 Một số... Hình 2.1 Sơ đồ động học robot SCARA bậc tự *Các thành phần kết cấu Robot Scara -Các khâu chính: Tay robot có bậc tự do, thiết kế khí dạng khớp xoay, khớp tịnh tiến  Khâu cố định: thân Robot, đặt... sin q2 ) 3. 2 Động lực học Robot SCARA Dựa vào yêu cầu đề bài, em xin đưa sơ đồ động học cho robot thiết kế: Để tính tốn động lực học Robot, ta thiết lập phương trình vi phân chuyển động Robot Phương