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 oOo ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ROBOT SCARA BẬC TỰ DO Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Hữu Quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khánh Toàn Mã số sinh viên: 20170939 HÀ NỘI , tháng năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ oOo ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ROBOT SCARA BẬC TỰ DO Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Hữu Quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khánh Toàn Mã số sinh viên: 20170939 HÀ NỘI , tháng năm 2022 BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Hữu Quang Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khánh Toàn Nội dung ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… …………………….……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Nhận xét giáo viên hướng dẫn ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… …………………….……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Hà Nội, ngày……tháng………năm 2022 Giáo viên hướng dẫn ký tên MỤC LỤC MỤC LỤC Danh Mục Hình Ảnh Danh Mục Bảng Biểu Chương Phân tích ngun lí thơng số kỹ thuật Robot Scara 1.1 Giới thiệu Robot Scara 1.2 Thông số kỹ thuật Robot cần thiết kế 1.3 So sánh thông số kỹ thuật Robot cần thiết kế với số Robot loại 10 Phân tích ngun lý thơng số kỹ thuật Robot Denso HM-4A60 .11 2.1 Thông số kỹ thuật .11 2.2 Phân tích nguyên lý 12 Chương Thiết kế hệ thống khí 14 2.1 Động học Robot Scara 14 2.1.1 Động học thuận 14 2.1.2 Động học ngược 18 2.2 Động lực học Robot Scara 20 2.2.1 Bài toán động lực học thuận 20 2.3 Tính tốn thiết kế khâu 29 2.3.1 Thiết kế 29 2.3.2 Tính tốn thiết kế tay kẹp 30 2.3.3 Tính tốn thơng số truyền 32 2.3.4 Kiểm tra bền 35 2.3.5 Chọn động cho trục vít me 36 2.3.6 Chọn truyền động cho khâu .37 2.3.7 Chọn ổ bi đỡ chặn khâu 42 2.3.8 Chọn cấu dẫn hướng cho vít me 45 2.4 Tính tốn thiết kế khâu 46 2.4.1 Tính tốn độ bền sơ 46 2.4.2 Tính toán, thiết kế trục .50 2.4.3 Chọn then cho trục số 52 2.4.4 Chọn ổ bi đỡ chặn cho trục số 54 2.4.5 Chọn động khâu .55 2.4.6 Chọn truyền động khâu 58 2.5 Tính tốn thiết kế khâu 62 2.5.1 Tính tốn độ bền sơ 62 2.5.2 Chọn động khâu .65 2.6 Tính tốn thiết kế khâu 67 Chương Xây dựng vẽ lắp .68 Tổng kết 70 Tài liệu tham khảo 71 Danh Mục Hình Ảnh Hình 1: Robot Scara Hình 2: Mơ hình Robot HM-4A60 10 Hình 3: Sơ đồ động học Robot Scara .11 Hình 4: Sơ đồ động học Robot Scara .13 Hình 5: Hệ tọa độ khối tâm 20 Hình 6: Truyền động vít me - đai ốc bi 28 Hình 7: Đồ thị vận tốc hình thang 29 Hình 8: Phân tích lực tay kẹp 29 Hình 9: Tay gắp CHS2-68 30 Hình 10: Ball screw rotating nut 31 Hình 11: SLT /TLT 20x25 R 34 Hình 12: Thông số chi tiết STL/TTL 25x20 R 34 Hình 13: Đồ thị xác định ứng suất lớn .35 Hình 14: AC servo motor BPA007GCA6D1 36 Hình 15: Đai .36 Hình 16: Thông số đai .37 Hình 17: Chiều rộng đai b 38 Hình 18: Số bánh đai nhỏ 38 Hình 19: Số đai chiều dài đai 39 Hình 20: Ổ bi đỡ - chặn 43 Hình 21: SKF 7208 BECBJ 44 Hình 22: Cơ cấu dẫn hướng cho vít me 44 Hình 23: Tiết diện đứng khâu 46 Hình 24: Tiết diện ngang khâu 49 Hình 25: Đồ thị vận tốc khâu 49 Hình 26: Sơ đồ lực tác dụng lên khâu 51 Hình 27: Kích thước tiết diện then 52 Hình 28: Chọn ổ bi đỡ chặn khâu 54 Hình 29: Đồ thị vận tốc khâu 55 Hình 30: Động 130DNMA2-01D5C 56 Hình 31: Thông số đai .57 Hình 32: Chiều rộng đai 58 Hình 33: Số đai chiều dài đai 59 Hình 34: Tiết diện đứng khâu 61 Hình 35: Tiết diện ngang khâu 64 Hình 36: Mặt cắt khâu 66 Hình 37: Bản vẽ lắp 2D 67 Hình 38: Bản vẽ lắp 3D 68 Danh Mục Bảng Biểu Bảng 1: Thông số kỹ thuật Robot cần thiết kế Bảng 2: So sánh thông số số Robot loại 10 Bảng 3: Thông số kỹ thuật Robot HM-4A60 11 Bảng 4: Thông số kỹ thuật CHS2-68 .31 Chương Phân tích nguyên lí thông số kỹ thuật Robot Scara 1.1 Giới thiệu Robot Scara SCARA hay Selective Compliance Assembly Robot Arm phát minh Hiroshi Makino vào năm 1978 ( Hình ) Đây kiểu tay máy có cấu tạo gồm hai khớp quay khớp trượt ba có trục song song với Kết cấu làm cho tay máy cứng vững theo phương thẳng đứng cứng vững theo phương ngang Vì chun dùng cho việc thao tác với vật thể có tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng Do có cấu trúc gồm hai khớp nối tương tự cánh tay người từ cho phép cánh tay mở rộng vào khu vực hạn chế sau thu lại gấp lại Điều thuận lơi cho việc vận chuyển phận từ vị trí sang vị trí khác Đây Robot mang tính cách mạng lĩnh vực Robot công nghiệp tốc độ thiết kế đơn giản Trong nhiều ứng cơng nghiệp địi hỏi hoạt động chọn đặt nhanh chóng cần có Robot người cơng nhân khơng thích hợp để xử lý công việc nhàm chán Robot SCARA lựa chọn để thực nhiệm vụ cách nhanh chóng, xác hiệu với chi phí thấp nhiều loại Robot khác Hình 1: Robot Scara 1.2 Thông số kỹ thuật Robot cần thiết kế Là Robot mang tính cách mạng, Robot Scara loại Robot cơng nghiệp mang tính ứng dụng cao Có nhiều loại Robot Scara, nhiên em chi sâu vào nghiên cứu Robot Scara kết cấu bậc tự Thông số kỹ thuật Robot cần thiết kế: Robot Scara bậc tự ( Denso_HM-G Series ) Bảng 1: Thông số kỹ thuật Robot cần thiết kế Tải trọng (kg) Tầm với (mm) 20 600 Hành trình trục z (mm) 200, 300, 400 Độ chinh xác lặp Vận tốc lớn (x,y) (mm) z (mm) Khâu (°/s) Khâu (°/s) Khâu (mm/s) Tốc độ tổng hợp (mm/s) ±0,02 ±0,01 450 667 2780 8780 Chu kì thời gian ( s) 0,29 (với tải kg) 1.3 So sánh thông số kỹ thuật Robot cần thiết kế với số Robot loại Thông số Tải trọng (kg) Tầm với (mm) Hành trình trục z (mm) Độ (x,y) (mm) xác lặp z (mm) Khâu (°/s) Khâu Vận tốc (°/s) lớn Khâu (mm/s) Tốc độ tổng hợp (mm/s) Chu kì thời gian ( s) Denso HM-4A60 Robot cần thiết kế 20 20 600 600 200, 300, 400 200, 300, 400 ±0,02 ±0,02 ±0,01 ±0,01 450 450 667 667 2780 2780 8780 8780 0,29 ( Với tải kg ) 0,29 ( Với tải kg ) Bảng 2: So sánh thông số số Robot loại Với bước ren ứng với Khi Khi Chọn dựa theo hình 2.25 Hình 33: Số đai chiều dài đai Chiều dài đai Với Xác định lại khoảng cách trục a tương ứng với   Đường kính vịng chia bánh đai , Đường kính bánh đai , Với : Khoảng cách từ đáy đến đường trung bình lớp chịu tải , Số đồng thời ăn khớp bánh đai nhỏ : góc ơm đai Với ( thỏa mãn điều kiện) Kiểm nghiệm đai lực vòng riêng Lực vòng riêng đai phải thỏa mãn điều kiện: Trong đó:   : Vận tốc vịng : Lực vòng  : Hệ số tải trọng động  : Khối lượng mét đai có chiều rộng 10mm  : Lực vòng riêng cho phép ứng với modun (Thỏa mãn) 2.5 Tính tốn thiết kế khâu Các thơng số đầu vào :  Chiều dài khâu 1:  Phạm vi chuyển động:  Vận tốc lớn nhất: (mm) 2.5.1 Tính tốn độ bền sơ Lựa chọn vật liệu: Thép CT45 Khối lượng riêng: Giới hạn chảy : Thiết kế, tính tốn Chọn tiết diện theo phương thẳng đứng khâu có dạng hình chữ U (Hình 34) Ta thực việc tính tốn, kiểm nghiệm độ bền tương tự thực khâu Hình 34: Tiết diện đứng khâu Phần bên ngồi: Diện tích , momen qn tính , trọng tâm Phần bên trong: Diện tích , momen quán tính , trọng tâm Tọa độ trọng tâm C tiết diện: Mơ hình tải trọng lực phân bố khâu 1: Biểu đồ momen : Để đảm bảo tính xác trình điều khiển ta cần kiểm tra điều kiện cứng, tức độ võng phải nhỏ độ võng cho phép khâu ( Để tính chuyển vị ta bỏ hết tải trọng đặt lực Biểu đồ momen ) vào điểm cần tính gây ra: Áp dụng phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin ta tính độ võng Trong đó:  : Modun đàn hồi   (  , tính ) : Momen quán tính theo trục x tiết diện khâu Chọn chiều dày vật liệu , chiều cao tiết diện , Điều kiện cứng: Nhận xét: Khi B tăng B lớn Chọn Khi Vậy với tăng nhanh tử số lại tăng chậm Vì căng nhỏ để lấy dấu (thỏa mãn) thỏa mãn điều kiện cứng khâu Chọn Ta thêm vào khâu đầu nửa hình trụ có tiết diện giống với tiết diện khâu để giúp kết nối khâu với khâu cịn lại Robot (hình 35) Hình 35: Tiết diện ngang khâu Trọng lượng khâu sau thêm: 2.5.2 Chọn động khâu Theo toán động lực học ta xác định momen cần thiết để điều khiển trục khâu Trong đó:     Vậy Cơng suất tính tốn cho động khâu 1: Lựa chọn động cơ: Động Panasonic Servo Minas A6 công suất kW Khối lượng động 6kg 2.6 Tính tốn thiết kế khâu Chọn vật liệu thép C45 Độ bền uốn cho phép: Thiết kế khâu có dạng trụ rỗng, đường kính d, đường kính ngồi D Với - momen uốn lớn khâu Chọn kích thước sau: Mặt cắt khâu 0: Hình 36: Mặt cắt khâu Kiểm tra điều kiện bền uốn: (2.3) => Thỏa mãn điều kiện bền uốn Chương Xây dựng vẽ lắp Bản vẽ lắp 2D robot thiết kế kèm thuyết minh Hình 37: Bản vẽ lắp 2D Bản vẽ lắp 3D thiết kế Solidwork Hình 38: Bản vẽ lắp 3D Tổng kết Đây đề tài mang tính thực tế cao, mà cơng nghiệp ngày phát triển cạnh tranh không ngừng đòi hỏi suất chất lượng phải cải thiện nhờ dây chuyền máy móc đại thay lao động chân tay người Như đồ án mơn học chúng em tìm hiểu cách xây dựng mơ hình robot SCARA, từ thiết kế kết cấu đến lập trình điều khiển hoạt động Cơng việc hồn thành bao gồm sau: - Tổng quan ngành công nghiệp robot Xây dựng kết cấu cho robot Dựng mơ hình 3D Solidworks, Inventor Tính tốn ổ, trục Chọn truyền, động cơ, chọn trục Cách bố trí ổ bi trục Qua đề tài chúng 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 chúng em học nhiều kĩ làm việc nhóm, giải vấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo có ích cho sau Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình Nguyễn Hữu Quang giúp em hoàn thành đề tài Do giới hạn thời gian kiến thức đồ án này, chúng em giải số vấn đề việc thiết kế robot ngồi cịn nhiều vấn đề cần phải giải để có sản phẩm robot hồn thiện chúng em mong q thầy bạn đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo [1]- Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1&2, Nhà xuất Giáo Dục, 2006 [2]- Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy tập 1&2, Nhà xuất Giáo Dục, 2006 [3]- DENSO_HM Series Product Sheet [4]- Ninh Đức Tốn, Dung sai lắp ghép, Nhà xuất Giáo Dục [5]- https://www.skf.com/group [6]- https://precision.nabtesco.com/en/