Đồ án môn học đề tài thiết kế hệ thống cơ khí robot scara ba bậc tự do

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: Thiết kế hệ thống khí Robot SCARA ba bậc tự Giảng viên hướng dẫn : TS Mạc Thị Thoa Mã học phần : ME4505 Sinh viên thực : Lê Huy Đạt MSSV : 20184379 Lớp : Cơ điện tử 05 – K63 Hà Nội, 2/2022 MỤC LỤC Danh mục hình vẽ Danh mục bảng LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 1.1 Tổng quan đề tài 1.1.1 Giới thiệu chung .6 1.1.2 Robot SCARA 1.2 Nguyên lý hoạt động .7 1.2.1 Cấu tạo 1.2.2 Các chuyển động Robot 1.2.3 Hệ thống truyền động .8 1.2.4 Hệ thống cảm biến 1.2.5 Hệ thống điều khiển .9 1.3 Các thành phần hệ thống thông số kỹ thuật hệ thống CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 11 2.1 Động học Robot SCARA 11 2.1.1 Động học thuận 11 2.1.2 Động học ngược 15 2.2 Động lực học Robot SCARA 16 2.2.1 Động lực học thuận 16 2.2.2 Động lực học ngược .23 2.3 Tính tốn, thiết kế khâu 25 2.3.1 Chọn vật liệu vít me – đai ốc bi 26 2.3.2 Xác định đường kính chân ren 26 2.3.3 Kiểm tra bền Zb 30 2.3.4 Chọn động khâu 31 2.3.5 Thiết kế truyền động khâu 33 2.3.6 Tính chọn ổ bi đỡ chặn vít me - đai ốc bi .39 2.4 Độ phân giải động khâu khâu 40 2.5 Tính tốn, thiết kế khâu 41 2.5.1 Tính tốn mặt cắt ngang khâu 41 2.5.2 Tính tốn đường kính trục nối khâu với khâu 44 2.5.3 Chọn ổ bi đỡ chặn cho trục số 46 2.5.4 Chọn động khâu 48 2.5.5 Chọn hộp giảm tốc cho động khâu .48 2.6 Tính toán, thiết kế khâu 49 2.6.1 Tính tốn mặt cắt ngang khâu 49 2.6.2 Tính tốn đường kính trục khâu 1: .51 2.6.3 Chọn ổ bị đỡ chặn trục số 1: 53 2.6.4 Tính chọn động khâu 1: 54 2.6.5 Chọn hộp giảm tốc cho động khâu .55 2.7 Tính tốn, thiết kế khâu cố định 55 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BẢN VẼ VÀ MÔ PHỎNG 58 3.1 Bản vẽ 3D 58 3.1.1 Bản vẽ khâu cố định .58 3.1.2 Bản vẽ khâu .58 3.1.3 Bản vẽ khâu .59 3.1.4 Bản vẽ khâu .59 3.1.5 Bản vẽ lắp mơ hình 3D 60 3.2 Bản vẽ 2D khâu .60 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN .61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Một số Robot SCARA .7 Hình 2.1 Sơ đồ động học Robot SCARA bậc tự 11 Hình 2.2 Sơ đồ động lực học 16 Hình 2.3 Quy luật vận tốc hình thang .23 Hình 2.4 Vít me đai ốc bi .25 Hình 2.5 Các kích thước vít me – đai ốc bi 27 Hình 2.6 Đồ thi xác định ứng suất lớn 30 Hình 2.7 Sơ đồ lực tay kẹp .31 Hình 2.8 Tay kẹp 31 Hình 2.9 Động Servo 33 Hình 2.10 Thơng số truyền đai 34 Hình 2.11 Chọn chiều rộng đai 35 Hình 2.12 Chọn số bánh nhỏ 35 Hình 2.13 Sơ đồ truyền đai .36 Hình 2.14 Cơ cấu căng đai .38 Hình 2.15 Thông số cấu căng đai 38 Hình 2.16 Sơ đồ tác dụng lực trục 39 Hình 2.17 Thơng số ổ bi trục khâu 40 Hình 2.18 Mơ hình mặt cắt khâu khâu 40 Hình 2.19 Tiết diện khâu .42 Hình 2.20 Biểu đồ nội lực moomen uốn khâu 42 Hình 2.21 Biểu đồ nội lực momen uốn khâu có thêm trục .45 Hình 2.23 Sơ đồ tác dụng lực trục 46 Hình 2.24 Thơng số ổ bi trục khâu 47 Hình 2.24 Động Mitsubishi HG-KR Series .48 Hình 2.25 Kích thước hộp giảm tốc chọn 49 Hình 2.26 Tiết diện khâu .49 Hình 2.27 Biểu đồ nội lực momen khâu 50 Hình 2.28 Biểu đồ nội lực momen uốn khâu có thêm trục .51 Hình 2.29 Sơ đồ lực trục khâu .53 Hình 2.30 Mặt cắt ngang khâu cố định 55 Hình 2.31 Sơ đồ lực momen khâu cố định 56 Hình 3.1 Mơ hình 3D khâu cố định 58 Hình 3.2 Mơ hình 3D khâu 58 Hình 3.3 Mơ hình 3D khâu 59 Hình 3.4 Mơ hình 3D khâu 59 Hình 3.5 Mơ hình lắp 3D .60 Danh mục bảng Bảng 1-1 Thông số yêu cầu thiết kế .10 Bảng 2-1 Bảng D-H .12 Bảng 2-2 Các tham số động học .16 Bảng 2-3 Thông số tay kẹp chọn 31 Bảng 2-4 Thông số động khâu 33 LỜI MỞ ĐẦU Robot công nghiệp lĩnh vực nghiên cứu phát triển mạnh giới nước ta, lĩnh vực mẻ Ngày 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 cơng 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 phương pháp sản xuất tiên tiến, chế tạo loại robot đưa vào quy trình chế tạo để thực nhiều ngun cơng 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 cơng 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 em phần nắm cấu tạo nguyên lý hoạt động số dòng robot ứng dụng chúng cơng việc, lĩnh vực khác Bên cạnh đó,sau hồn thiện Đồ án em có thêm hiểu biết kinh nghiệm để tiếp cận hệ thống điện tử cách nhận thức, tư để thiết kế cách vận hành sản phẩm máy móc, thiết bị điện tử Em xin chân thành cảm ơn tâm huyết thầy TS Mạc Thị Thoa – Bộ môn Cơ điện tử - Viện khí – Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình hướng dẫn bảo, giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho em suốt thời gian hoàn thành đồ án Do kiến thức cịn hạn hẹp thời gian thực khơng nhiều nên q trình thực khơng tránh khỏi thiếu sót Đề tài mong nhận xét góp ý q thầy Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 1.1 Tổng quan đề tài 1.1.1 Giới thiệu chung Từ thập kỷ 18, J.de Vancauson xây dựng bupbe khí chơi nhạc, coi sản phẩm Tự động hố - Robot Các thiết bị điều khiển ghi nhớ tín hiệu điện từ dùng lại với trợ giúp hoạt động khí máy móc cấp chứng nhận vào năm 1950 Anh, Mỹ, Đức Năm 1968 Robot Shakey đời, phát triển loại Robot khác trang bị cảm biến va chạm, camera di chuyển sàn nhà Robot dùng ngơn ngữ lập trình máy tính đời năm 1973 Ngôn ngữ WAVE kết hợp với ngôn ngữ AL thành ngôn ngữ VAL, phát triển mạnh vào thời gian sau Victor Sheinman Bruce Simano Các Robot phục vụ cơng nghiệp khí phát triển từ năm 1974, sau hãng Kawasaki nhận giấy phép Unimation dùng Robot việc hàn hồ quang cho ô tô Ngày nay, Robot sử dụng rộng rãi phát triển ngành kỹ thuật Dưới điều khiển máy tính cho phép Robot có nhiều | ứng dụng Robot cơng nghiệp định nghĩa cấu máy lập trình được, có khả làm việc cách tự động không cần trợ giúp người tay máy hợp tác với 1.1.2 Robot SCARA Từ viết tắt SCARA viết tắt Selective Compliance Assembly Robot Arm Selective Compliance Articulated Robot Arm Năm 1981, Sankyo Seiki , Pentel NEC trình bày khái niệm hồn toàn robot lắp ráp Robot phát triển hướng dẫn Hiroshi Makino , giáo sư Đại học Yamanashi Robot gọi Cánh tay robot lắp ráp tuân thủ có chọn lọc, SCARA Cánh tay địn cứng theo trục Z dễ uốn theo trục XY, cho phép thích ứng với lỗ trục XY Nhờ bố cục khớp trục song song SCARA, cánh tay tuân theo hướng XY cứng theo hướng 'Z', có thuật ngữ: Tuân thủ có chọn lọc Điều thuận lợi cho nhiều kiểu thao tác lắp ráp, tức lắp chốt trịn vào lỗ trịn mà khơng cần ràng buộc Thuộc tính thứ hai SCARA bố cục cánh tay liên kết hai khớp nối tương tự cánh tay người, thuật ngữ thường sử dụng, Articulated Tính cho phép cánh tay mở rộng vào khu vực hạn chế sau thu lại "gấp" lại Điều thuận lợi cho việc chuyển phận từ ô sang ô khác cho trạm xử lý xếp / dỡ bao bọc SCARA thường nhanh hệ thống robot Descartes tương đương Giá treo bệ đơn họ yêu cầu dấu chân nhỏ cung cấp hình thức lắp dễ dàng, khơng bị cản trở Mặt khác, SCARA đắt hệ thống Descartes tương đương phần mềm điều khiển yêu cầu chuyển động học nghịch đảo cho chuyển động nội suy tuyến tính Tuy nhiên, phần mềm thường kèm với SCARA thường minh bạch người dùng cuối Hình 1.1 Một số Robot SCARA 1.2 Nguyên lý hoạt động 1.2.1 Cấu tạo Các Robot công nghiệp ngày thường đặt đế gắn chặt với sàn Cơ thể gắn với để tổ hợp cánh tay nối với thể Cuối cánh tay cổ tay Cổ tay gồm nhiều phần tử cho phép Robot định vị đa dạng vị trí Quan hệ chuyển động phần tử khác thể như: cổ tay, cánh tay thực qua chuỗi khớp nối Các chuyển động bao gồm chuyển động quay chuyển động tịnh tiến Về mặt khí Robot cấu tạo từ nối khớp Các nối ghép với khớp, cho phép Robot có chuyển động đa dạng 1.2.2 Các chuyển động Robot Robot thiết kế để thực nhiệm vụ khác sản xuất Các công việc thực khả chuyển động thể, cánh tay, cổ tay Robot qua chuỗi chuyển động vị trí Cổ tay sử dụng cho Robot thực xác cơng việc Các chuyển động Robot chia làm hai chuyển động chuyển động cổ tay chuyển động toàn thể Các chuyển động riêng lẻ ghép nối gắn chặt với hai dạng chuyển động chúng giới hạn số bậc tự (deggrees of freedom) Các Robot thông thường có đến bậc tự Các chuyển động thực liên kết lượng Với Robot có từ đến bậc tự do, thường có ghép nối với hoạt động cánh tay thể, từ đến khớp nối sử dụng cho hoạt động cổ tay Trong chuỗi chuyển động có liên hệ với Chuyển động đầu có liên hệ với chuyển động đầu vào Các khớp nối sử dụng thiết kế Robot cơng nghiệp điển hình khớp tịnh tiến khớp quay - Khớp tịnh tiến gồm chuyển động trượt di chuyển Có loại khớp quay tay máy Robot: Khớp R (Rotation), khớp T(Twisting), khớp V (Revolving) Cánh tay Robot thiết kế cho phép Robot chuyển động tự giới hạn kích thước Giới hạn chuyển động Robot phụ thuộc: - Hình dạng vật lý Robot Kích thước phần tử: cánh tay, cổ tay Giới hạn chuyển động khớp nối 1.2.3 Hệ thống truyền động Có dạng hệ thống truyền động Robot là: - Truyền động thuỷ lực Truyền động điện Truyền động khí nén Trong truyền động điện truyền động thuỷ lực sử dụng phổ biến Robot tính kinh tế đơn giản Truyền động khí nén thường sử dụng Robot có sổ bậc tự nhỏ, yêu cầu độ tác động nhanh, tải trọng lớn, độ xác không cao 1.2.4 Hệ thống cảm biến Cảm biến sử dụng thiết bị ngoại vi Robot, gồm loại đơn giản như: cơng tắc hành trình hệ thống camera Cảm biến dùng phần tử tích hợp hệ thống phản hồi vị trí Các loại cảm biến thơng dụng: - Cảm biến va chạm: cảm biến phản ứng lại lực va chạm với | vật khác Cảm biến phạm vi gần: thiết bị cảm nhận vật gần Cảm biến hỗn hợp: gồm cảm biến nhiệt độ, áp suất đại | lượng vật lý khác Camera sử dụng thực việc kiểm tra, quan sát Cảm biến phần tử quan trọng hệ thống điều khiển giám sát an toàn 1.2.5 Hệ thống điều khiển Theo nhiệm vụ làm việc Robot chia làm tốn điều khiển: tốn điều khiển thơ tốn điều khiển tinh Giai đoạn vận chuyển chi tiết trình lắp ráp, Robot chuyển động không gian theo quỹ đạo gọi chuyển động tự do, không tiếp xúc với đối tượng Trong giai đoạn điều khiển quỹ đạo, gọi điều khiển thô, tay Robot chuyển động theo quỹ đạo đặt trước Khi tay Robot tiếp xúc với đối tượng, Robot phải sinh lực phù hợp để đưa chi tiết cần lắp ráp vào vị trí, gọi điều khiển tỉnh, liên quan đến điều khiển lực, đồng thời vừa điều khiển quỹ đạo Điều khiển quĩ đạo thơng qua điều khiển quĩ đạo khớp điều khiển trực tiếp quĩ đạo tay 1.3 Các thành phần hệ thống thông số kỹ thuật hệ thống Các khâu chính: Tay Robot có bậc tự do, thiết kế khí dạng khớp quay, khớp tịnh tiến     Thân Robot: khâu cố định, đặt thẳng đứng giữ robot cố định làm việc gắn với khâu động qua khớp quay 1, trục z0 thẳng đứng Khâu 1: khâu dẫn động nằm ngang vng góc với trục thẳng đứng suốt trình làm việc robot, có khả quay xung quanh trục z0 qua khớp quay Khâu 2: khâu động có khả quay mặt phẳng vuông trục thẳng đứng qua khớp quay nối với khâu Khâu 3: trục vít me - đai ốc bi (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    Khâu 1, 2: hệ bánh (hộp giảm tốc) Khâu 3: khâu tịnh tiến (vít me – đai ốc bi) Truyền động đai Động truyền động Số liệu thiết kế: