Nghiên cứu cơ cấu bít me - đai ốc và ứng dụng trong các robot nâng hàng AGV

Bài viết Nghiên cứu cơ cấu bít me - đai ốc và ứng dụng trong các robot nâng hàng AGV trình bày phương pháp lựa chọn tính toán thiết kế bộ truyền vít me-đai ốc một cách đầy đủ và logic nhằm phục vụ cho đồng nghiệp, sinh viên chuyên ngành Chế tạo máy và các nhà kỹ thuật có quan tâm.

NGHIÊN C U C CẤU VÍT ME - AI C VÀ NG D NG TRONG CÁC ROBOT NÂNG HÀNG AGV Lê Thị Lan, Đinh Văn Hiển Khoa Điện - Cơ Email:lanlt@dhhp.edu.vn Ngày nhận bài: 19/5/2022 Ngày PB đánh giá: 20/6/2022 Ngày duyệt đăng: 24/6/2022 TĨM TẮT : Cơ cấu vít me-đai ốc có số ưu điểm sau: kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, kích thước nhỏ gọn, có khả chịu tải cao, không gây tiếng ồn làm việc với độ xác cao Với ưu điểm nên truyền vít me - đai ốc ngày sử dụng nhiều máy gia công đại, Robot AGV loại máy nâng đại vậy, (AGV - Autonomous Guided Vehicles) Robot nâng vận chuyển Robot có nhiều chuyển động phức tạp như: lấy hàng, nâng hàng, đẩy hàng Việc ứng dụng nhiều cấu vít me - đai ốc vào hệ thống động học Robot Robot thực nhiều nhiệm vụ với suất làm việc cao Bài báo trình bày phương pháp lựa chọn tính tốn thiết kế truyền vít me-đai ốc cách đầy đủ logic nhằm phục vụ cho đồng nghiệp, sinh viên chuyên ngành Chế tạo máy nhà kỹ thuật có quan tâm Từ khóa: Vít me-đai ốc, Robot AGV, xe nâng hàng RESEARCH STRUCTURE AND APPLICATION OF THE LEAD SCREW SHAFT IN ROBOT LIFTING AGVs ABSTRACT: The lead screw shaft was widely employed in mechanics, including CNC machines, Robot AGVs, forklifts, and lines, among other things Because the lead screw shaft has a basic structure, is easy to manufacture, is compact in size, has a high load capacity, produces no noise, and works with high precision As a result, incorporating a screw shaft into the Robot's or machine's design allows it to function at a high level of productivity and accuracy In this paper, we propose a comprehensive solution for designing and calculating the lead screw shaft for all typical machines, including robots and other machines, in this work The end result might be an application for industrial manufacture and all of the documentation needed to enroll in Hai Phong University's Machines Specialization Keywords: Screw shaft, Robot AGVs, forklifts TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 23 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện cấu vít me - đai ốc ngày sử dụng làm cấu truyền dẫn máy móc tự động nhiều ưu điểm vượt trội so với truyền thông thường [1] Vấn đề đặt tính tốn, lựa chọn cấu vít me - đai ốc cho đảm bảo đủ bền phù hợp với máy cần thiết kế, báo đưa phương pháp tính tốn thiết kế cấu vít me - đai ốc cách đầy đủ lơgíc nhằm phục vụ cho bạn đọc quan tâm nghiên cứu 2.2 Xây dựng sơ đồ động học robot AGV Từ chuyển động Robot AGV, ta xây dựng sơ đồ động: XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Nguyên lý hoạt động robot AGV [2] Robot AGV chuyển động theo quỹ đạo định trước nhờ vạch dẫn, hệ thống hai bánh xe dẫn động động điện chiều thơng qua mạch điều khiển (hình 1) Các vạch dẫn có màu khác với màu quỹ đạo chuyển động Để robot chuyển động quỹ đạo cần có phận cảm biến, phận có nhiệm vụ phân biệt vạch dẫn màu nền, đưa tín hiệu tương ứng mạch điều khiển Mạch điều khiển có nhiệm vụ thu nhận thơng tin phản hồi từ phận cảm biến từ điều khiển tốc độ chiều quay động điện chiều cho xe bám chuyển động theo vạch dẫn Hình Hình ảnh Robot nâng vận chuyển [2] 24 TR NG ẠI H C HẢI PH NG Hình Sơ đồ động học Robot nâng vận chuyển AGV 1- Bánh xe; 2- Đế robot; 3- Khung robot; 4- Cơ cấu vít me đai ốc đẩy hàng; 5- Cơ cấu vít me đai ốc nâng hàng; 6Khung Robot; 7- Tay đẩy hàng; 8- Hộp điều khiển Hình Cơ cấu vít me - đai ốc nâng hạ Robot AGV [2] cao đơi vít me - đai ốc bị mịn, có khả tải cao, tỷ số truyền lớn tạo lực dọc trục lớn Khi động quay vịng đai ốc dịch chuyển đoạn thẳng bước ren trục vít Do đó, dùng động bước có bước góc nhỏ trục vít có bước ren nhỏ độ xác di chuyển đai ốc cao Hình Cơ cấu vít me - đai ốc đẩy hàng Robot AGV [2] 2.3.2 Bộ truyền vít me - đai ốc với ma sát lăn 2.3 B truy n vít me - c - Bộ truyền vít me - đai ốc làm việc theo nguyên lý ăn khớp cặp ren (giữa ren đai ốc với ren ngồi vít me) để biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến Rãnh thu h i Đai c Tr c vít me - Tuỳ theo tính chất tiếp xúc cặp ren chia truyền làm loại: ma sát trượt ma sát lăn 2.3.1 Bộ truyền vít me - đai ốc với ma sát trượt Vít me gắn đồng trục với động thông qua khớp nối Động vít me gắn cố định Khi động quay, vít me quay làm cho đai ốc di chuyển dọc theo trục vít me Đai ốc gắn chặt vào phận cần chuyển động (hình 5) Đai c Tr c vít me Hình Vít me - đai ốc với ma sát trượt [1] Tốc độ di chuyển đai ốc phụ thuộc vào tốc độ động bước ren trục vít Độ xác chuyển động khơng Hình Vít me - đai ốc với ma sát lăn [1] Trong truyền vít - đai ốc với ma sát lăn hình bề mặt làm việc vít đai ốc lăn thép Điều đem đến ưu điểm: cần lực quay nhỏ làm cho đai ốc chuyển động Bộ truyền sử dụng rộng rãi, đặc biệt cấu chuyển động xác, hệ thống điều khiển truyền lực quan trọng, hiệu suất cao khả chịu tải so với vít me - đai ốc thường Trên vít đai ốc có rãnh xoắn ốc lăn lăn rãnh Để tồn lăn bề mặt ren TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 25 vít đai ốc đầu đai ốc vít người ta nối rãnh thu hồi Rãnh thu hồi nằm đai ốc vít Độ xác di chuyển cao khơng có độ rơ vít me đai ốc 2.3.3 Các ưu, nhược điểm Ưu điểm: Bộ truyền vít me - đai ốc có kết cấu đơn giản, nhỏ gọn dễ chế tạo phù hợp cho máy có kích thước nhỏ Khả tải truyền lớn, độ tin cậy cao, làm việc êm khơng ồn chuyển động chậm với độ xác cao Nhược điểm: Do ma sát lớn nên ren mịn nhanh Bộ truyền vít me - đai ốc với ma sát lăn có hiệu suất cao so với vít me - đai ốc ma sát trượt 2.4 TÍNH TỐN BỘ TRUYỀN VÍT ME -ĐAI ỐC 2.4.1 Xác định lực tay quay nâng, hạ hàng hiệu suất cấu Vì hoạt động Robot AGV nâng (hình 3), nên ta xét trường hợp sau: Khi đai ốc di chuyển ren vít tương tự đẩy vật lên dốc, sơ đồ lực hình Hình Sơ đồ tính lực nâng đai ốc - Tay quay trục vít me; - Đai ốc; - Trục vít me Theo tính tốn thiết kế từ [3-6], nâng phần tử dQ độ dốc  cần tác dụng lực dP theo quan hệ sau: dP = dQ.tg( + ) (1) Trong đó:  = arctg f - góc ma sát tương đương  ; f = 0,1- 0,15 f: hệ số ma sát Để quay đai ốc cần mô men cân bằng: = P1a = M1 = = ∫ + =∫ = + (2) Trong trường hợp hạ xuống ta có: Hình Sơ đồ tải tác dụng lên đai ốc Ở sơ đồ trên, ta có: P - ngoại lực cần thiết (N); Q - trọng lượng trục vít (N); t- bước ren (mm); d - đường kính trung bình ren (mm);  góc nâng ren 26 TR NG ẠI H C HẢI PH NG P2a = M2 = rdQtg( - ) (3) Hiệu suất cấu Vít me - đai ốc tỷ số cơng có ích tổng cơng: (4) Sau vòng quay tải trọng Q nâng lên qng s, cơng có ích là: độ bền mòn xuất phát từ điều kiện áp suất mặt ren không vượt giá trị cho phép xác định thực nghiệm: Trong lực P tác dụng quãng đường 2r với tổng công: (6) (8) Trong đó: Fa - lực dọc trục vít (N); d2 - đường kính trung bình ren (mm); h chiều cao làm việc ren (mm) Thay: h = ht Hiệu suất tăng với góc vít  Theo (3) thấy cấu nâng Vít me - đai ốc yêu cầu tự hãm :  < , hiệu suất trường hợp không vượt 0,5 Để tăng hiệu suất truyền cần giảm  cách bôi trơn tốt dùng vật liệu có hệ số ma sát giảm để chế tạo đai ốc 2.4.2 Tính cơng suất cần thiết nâng Công suất vận tốc truyền vít me-đai ốc xác định theo cơng thức: (6) Trong đó: t - bước ren (mm); h = 0,5 - ren hình thang; h = 0,75 - ren cưa; h = 0,54 - ren tam giác Thay: = ; H - chiều cao đai ốc; (9) Đặt: Trong đó: H = 1,2 ÷1,5 - đai ốc nguyên; H = 2,5 ÷3,5 - đai ốc ghép Từ xác định d2: (7) 2.4.3 Tính tốn trục vít me Thực tế cho thấy truyền động vít međai ốc chủ yếu bị hỏng mòn ren, trường hợp vít chịu tải lớn bị hỏng khơng đủ độ cứng vững, với vít dài bị uốn dọc làm việc không ổn định Do việc tính tốn chọn vít phải tính đến dạng hỏng a-Tính theo độ bền mịn Phương pháp phương pháp để xác định đường kính trục vít chiều cao đai ốc Bộ truyền thiết kế theo độ (10) Trong đó: [p] áp suất cho phép lấy sau: [p] = 11 ÷ 13 Mpa - vật liệu thép tơi - đồng [p] = ÷ 10 MPa - vật liệu thép không - đồng [p] = ÷ MPa - vật liệu thép khơng tơi - gang Từ d2 tính tính kích thước khác ren: d1, d, t … theo bảng Tiêu chuẩn ren TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 27 b) Ren lược a) Ren hình thang cân c) Ren hình vng Hình Profin ren dùng vít me - đai ốc b- Tính tốn độ bền Đối với vít chịu tải lớn cần kiểm nghiệm độ bền Vì làm việc vít vừa chịu mô men xoắn vừa chịu nén (hoặc kéo) nên cần tính theo ứng suất tương đương tđ theo thuyết bền biến đổi hình dáng, cụ thể: (11) Trong đó: mơ men ren; Mn - mô men lực ma sát: Ở d tb /2 trị số bán kính trung bình phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc đầu vít gối tỳ, d tb/2 xác định theo cơng thức: Trong đó: ứng suất cho phép (MPa); c - giới hạn chảy vật liệu; s = - hệ số an toàn : ứng suất lực dọc trục Fa gây nên (12) : ứng suất mô men xoắn Mz gây nên (13) Ở đây: d1 - đường kính ren (mm); Wo - mơ men cản xoắn tiết diện nguy hiểm; Mz - mô men xoắn (Nmm) Mz = Mr + Mn 28 TR NG ẠI H C HẢI PH NG với d n d0 đường kính ngồi đường kính (đường kính lỗ khoét) bề mặt gối tỳ c- Tính tốn ổn định Với vít chịu nén tương đối dài (chiều dài tương đương vít: l >7d1) cần tiến hành kiểm tra theo điều kiện ổn định uốn dọc Công thức kiểm nghiệm Ơle có dạng: (14) Trong đó: So - hệ số an toàn ổn định; F th tải trọng tới hạn; F a - lực nén dọc trục; [So] - hệ số an toàn ổn định cho phép Để xác định tải trọng giới hạn cần dựa vào độ mềm  vít: (15) Trong đó:  - hệ số phụ thuộc vào phương pháp cố định đầu vít, xác định sau:  = hai đầu vít đặt ổ lăn ổ trượt có chiều dài ổ l o ≤ 2do, với đường kính ổ;  = đầu bị ngàm, đầu tự do;  = 0,7 đầu bị ngàm, đầu đặt ổ lăn ổ trượt có l o ≤ 2do ;  = 0,5 hai đầu vít bị ngàm Với ý dùng đai ốc làm gối đỡ thứ coi vít bị ngàm đầu; l - chiều dài tính tốn vít, với vít hai gối đỡ l khoảng cách hai gối; với vít gối đỡ l khoảng cách từ chiều cao đai ốc đến gối đỡ; i - bán kính quán tính tiết diện vít: (16) Khi  ≥ 100 tải trọng tới hạn tính theo cơng thức Ơle sau đây: (17) Trong đó: mơ men qn tính tiết diện vít (mm4); E -mơ đun đàn hồi vật liệu, vít thép: E = 2,1.105 MPa; Khi 60 <  < 100 Fth xác định theo công thức thực nghiệm sau: (18) Trong đó: a,b hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào vật liệu vít; a = 450, b =1,67 thép 45; a = 473, b = 1,87 thép hợp kim, thép tôi; Khi  ≤ 60 : không cần kiểm nghiệm ổn định * Lưu ý: cơng thức bền để tính kích thước cho hai loại vít me - đai ốc ma sát trượt ma sát lăn ma sát trượt có hệ số lớn ma sát lăn; cấu vít me đai ốc bi cần thêm bước tính chọn đường kính viên bi, cụ thể: Đường kính bi: db = (0,08 … 0,15)d1 Bước vít: p = db + (1 … 5) mm KẾT LUẬN Trong nội dung báo nghiên cứu kết cấu truyền vít me - đai ốc hương pháp tính tốn truyền vít me - đai ốc với đầy đủ thơng số cơng thức tính toán Đây nội dung tổng quan truyền vít me - đai ốc Qua báo tác giả hy vọng cung cấp cho nhà chuyên môn tài liệu truyền Vít me - đai ốc để phục vụ cơng tác nghiên cứu Đặc biệt, nội dung trình bày báo sử dụng làm tài liệu hướng dẫn sinh viên thực đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Cơ - Điện tử cần tính tốn thiết kế truyền vít me - đai ốc Tuy nhiên, khn khổ báo có hạn, nên tác giả chưa trình bày chi tiết tính tốn thiết kế truyền Vít me - đai ốc máy tự động Các tác giả hy vọng trình bày nội dung báo chuyên ngành thời gian gần TẠP CH KHOA H C, S 54, tháng - 2022 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO Dương Công Định, (2014) Nghiên cứu thiết kế chế tạo cấu vít me-đai ốc bi dùng cho máy cơng cụ CNC - ĐH Công nghiệp Thái nguyên Nguyễn mạnh Tiến, (2018) Phân Tích Và Điều Khiển Robot Cơng Nghiệp Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Trọng Hiệp, (2005) - Chi tiết máy - Nhà xuất Giáo dục 30 TR NG ẠI H C HẢI PH NG Trịnh Chất (2006) - Cơ sở thiết kế máy chi tiết máy - Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Phạm Đắp, Nguyễn Anh Tuấn (2005) - Thiết kế máy công cụ - Nhà xuất Khoa học - Kỹ thuật N.ACHERKAN.D.SC (1983) Machine Tool Design - Publisher Moscow  ... 2- Đế robot; 3- Khung robot; 4- Cơ cấu vít me đai ốc đẩy hàng; 5- Cơ cấu vít me đai ốc nâng hàng; 6Khung Robot; 7- Tay đẩy hàng; 8- Hộp điều khiển Hình Cơ cấu vít me - đai ốc nâng hạ Robot AGV. .. độ xác di chuyển đai ốc cao Hình Cơ cấu vít me - đai ốc đẩy hàng Robot AGV [2] 2.3.2 Bộ truyền vít me - đai ốc với ma sát lăn 2.3 B truy n vít me - c - Bộ truyền vít me - đai ốc làm việc theo... LUẬN Trong nội dung báo nghiên cứu kết cấu truyền vít me - đai ốc hương pháp tính tốn truyền vít me - đai ốc với đầy đủ thơng số cơng thức tính tốn Đây nội dung tổng quan truyền vít me - đai ốc