Giới thiệu Robot Scara
Khái niệm Robot
Thuật ngữ “Robot” đã được sử dụng lần đầu tiên bởi Karel Capek trong vở kịch của ông Rosum’s Universal Robots được xuất bản vào năm
Năm 1921, đây có thể được xem như một gợi ý quan trọng cho các nhà sáng chế kỹ thuật trong việc phát triển các cơ cấu và máy móc mô phỏng các hoạt động của con người.
Robot công nghiệp hiện đại xuất phát từ hai lĩnh vực kỹ thuật sớm hơn: các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) và máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled Machine Tool).
Robot là thiết bị linh hoạt phục vụ con người
– Có hình dạng (cơ cấu) gần giống tay người – Có khả năng thao tác tự động
– Có khả năng bắt chước thao tác con người.
Các bộ phận chính của cánh tay robot
– Cơ cấu chấp hành – Hệ thống dẫn động
– Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt
– Hệ thống thông tin giám sát.
• Tay máy hoạt động được nhờ các động cơ thông qua các bộ truyền như: hộp giảm tốc bánh răng, bánh răng - thanh răng, trục vít, khí nén, …
• Kết cấu tay robot vững chắc, hoạt động tin cậy, dễ dàng đạt đến vị trí của vật thể được tác động.
Thuật ngữ "Scara" lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1979 tại Nhật Bản trong các nghiên cứu lắp ráp tại trường đại học Yamanashi Tên gọi này là viết tắt của cụm từ "Selective Compliance Assembly Robot Arm", có nghĩa là "Cánh tay robot lắp ráp có chọn lọc" trong tiếng Việt.
Scara là một loại tay máy độc đáo với cấu trúc bao gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, tất cả đều có trục song song Cấu trúc của Scara là nối tiếp, nghĩa là động cơ đầu tiên phải dẫn dắt các động cơ còn lại Nếu Scara được thiết kế như đôi cánh tay, hai động cơ đầu tiên sẽ được cố định và có nhiệm vụ điều khiển các động cơ khác.
So với kết cấu theo phương thẳng đứng, kết cấu của robot Scara vững chắc và cứng hơn, nhưng lại kém cứng vững hơn khi so với phương ngang Vùng làm việc của Scara tương tự như một phần của hình trụ rỗng, với cơ chế cử động tay giống như thao tác của con người Robot Scara còn được gọi bằng nhiều tên khác như Scara song song (parallel scara robot) và Scara cánh tay (scara robot arm), và nó cũng có nhiều loại khác nhau.
Scara 2 bậc Scara 3 bậc Robot scara 4 bậc Scara 5 bậc Scara 6 bậc
1.3 Một số ứng dụng của robot scara
- Lắp ráp và thử nghiệm các chi tiết khác nhau, lắp ráp các linh kiện điện tử
- Kiểm tra bảng PC, tự động làm sạch các thành phần mạch
- Ứng dụng tự động trong y tế
Hình 1.2 Robot Scara lắp ráp linh kiện điện thoại di động
Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật
Nguyên lý hoạt động
Robot Scara được thiết kế giống như một cánh tay máy, hoạt động theo nguyên lý tương tự như cánh tay con người Với các chuyển động cơ bản, cánh tay máy này có khả năng tạo ra sự khéo léo và linh hoạt nhờ vào chức năng của cổ tay Bàn tay của robot Scara thực hiện các thao tác trực tiếp trên đối tượng cần tác động, mang lại hiệu quả cao trong quá trình làm việc.
Robot Scara được truyền động bằng nhiều loại động cơ như điện, thủy lực, khí nén, hoặc sự kết hợp của các động cơ này Các nhà sản xuất sẽ thiết kế robot Scara với các hệ thống cảm biến khác nhau tùy theo điều kiện hoạt động Tất cả các robot này đều được điều khiển bởi hệ thống điều khiển Controller, bao gồm các máy tính giám sát và điều khiển hoạt động của robot Scara.
2.1.2 Thông số kỹ thuật quan trọng của robot
-Sức nâng của tay máy.
-Độ cứng vững của robot.
-Lực kẹp của tay là bao nhiêu.
-Tầm với của tay máy (Vùng làm việc của tay máy) Đây chính là kích thước, hình dáng vùng mà tay máy có thể với tới khi hoạt động.
-Sự khéo léo của tay máy (khả năng định vị và định hướng tự động của tay máy trong quá trình làm việc)
Các cấp độ của Scara được phân chia dựa trên các thông số kỹ thuật, trong đó tay máy Scara bậc 2 có cấu tạo đơn giản, còn tay máy Scara bậc 6 tự do là hoàn thiện nhất, với khả năng cử động linh hoạt và lực nâng tốt, gần giống như tay người.
- SCARA là một cấu hình tiêu chuẩn giữa các robot Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ, chúng ta có những điểm sau đây:
• Robot SCARA 3 bậc tự do
• Độ chính 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 bộ truyền vít me – đai ốc cho khâu tịnh tiến.
Xác định các thành phần của hệ thống dẫn động
Hình 2.1 Sơ đồ động học robot SCARA 3 bậc tự do
*Các thành phần kết cấu của Robot Scara -Các khâu chính:
Tay robot có 3 bậc tự do, thiết kế cơ khí dạng 2 khớp xoay, 1 khớp tịnh tiến.
Khâu cố định: là thân Robot, đặt thẳng đứng giữ robot cố định khi làm việc, gắn với khâu động 1 qua khớp xoay 1 với trục z 01 thẳng đứng.
Khâu dẫn động nằm ngang vuông góc với trục thẳng đứng trong suốt quá trình hoạt động của robot, cho phép quay quanh trục z 01 thông qua khớp xoay 1.
Khâu 2: Khâu động có khả năng xoay trong mặt phẳng vuông trục thẳng đứng qua khớp xoay 2 nối với khâu 1
Khâu 3: trục vít - đai ốc bi và thanh trượt (trục vít tịnh tiến, đai ốc quay) -Hệ dẫn động:
Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các khớp đều là thẳng đứng –
• Khớp xoay 1, 2 : hệ bánh răng(hộp giảm tốc), truyền động đai…
• Khớp 3: khớp tịnh tiến (trục vít – đai ốc)
CHƯƠNG 3 Thiết kế hệ thống cơ khí
Hình 2.1 Sơ đồ động học robot SCARA 3 bậc tự do
Trong đó : θ 1 , θ 2 , d 3 là các biến khớp Đặt θ 1 =q 1 , θ2 = q 2 Biến khớp: q= q 1 q 2 q 3 T Bảng D-H trở thành:
- Các ma trận biến đổi thuần nhất:
T 1 0 = [ cos sin (q 0 0 (q1) −sin 1) cos 0 0 (q (q 1) 1) 0 0 1 0 a1cos a1sin d 1 1 (q (q 1) 1) ]
T 2 1 = [ cos sin ( 0 0 (q2) −sin q2) cos (q 0 0 (q 2) 2) 0 0 1 0 a1cos a 1sin 0 1 (q (q 2) 2) ]
T 2 0 = [ cos (q1+q2) −sin (q 1+q 2) 0 a1cos (q 1)+a 2cos (q 1+q 2) sin ( q1+q2) cos (q 1+q 2) 0 a1sin (q 1)+a 2sin (q 1+q 2)
T 2 0 = [ cos (q1+q2) −sin (q 1+q 2) 0 a1cos (q 1)+a 2cos (q 1+q 2) sin ( q1+q2) cos (q 1+q 2) 0 a1sin (q 1)+a 2sin (q 1+q 2)
[ cos sin ( (q1+q q1+q2) 0 0 2) −sin cos (q (q 0 0 1+q 1+q 2) 2) 0 0 1 0 a a1sin 1cos (q (q 1)+a2cos 1)+a2sin d 1+d 1 3 (q (q 1+q 1+q 2) 2) ]
- Ma trận biểu diễn hướng của điểm thao tác
R 3 0 = [ cosq sin q 1 1 cosq cosq 2 2 + cos q - sin q 0 1 1 sin q sin q 2 2 -cosq cosq 1 1 cosq sin q 2 2 - sin q 0 - s inq 1 1 sin q cos q 2 2 0 0 1 ]
- Vị trí điểm thao tác: r 3 0 = { x=a y=a 2 2 cos(q sin (q z =d 1 1 + q + q 3 + d 2 2 ) + a ) + a 1 1 1 cos(q sin(q 1 1 ) ) suy ra vận tốc điểm cuối tay kẹp: r 3 0
= { x=0.33 cos(q 1 + q 2 ) + 0.37cos (q 1 ) y=0.33sin (q 1 + q 2 ) + 0.37sin (q 1 ) z=d 3 + d 1 Vận tốc dài điểm cuối, gia dài tốc điểm cuối, vận tốc góc các khâu:
Vận tốc điểm cuối: ma trận jacobi tịnh tiến của khâu cuối:
J TE = [ −a a 2 cos 2 sin (q ( q 1+q 1+ q 0 2)−a 2)−a 1 1 cos sin (q (q 1 1 ) ) −a a 2 cos 2 sin (q (q 0 1+q2) 1+q 2) 0 0 1 ]
vận tốc dài điểm tác động cuối: v 3 0 =J TE (q) ˙ q=¿
• Gia tốc dài điểm cuối: a 3 0 = d (v 3 0 ) dt = ¿
vận tốc góc khâu cuối
Ma trận cóin chỉ hướng khâu 3:
A 3 0 = [ cos sin (q (q 0 1+ 1+q q 2) 2) −sin cos (q ( q1+ 0 1+q q2) 2) 0 0 1 ] vector vận tốc góc khâu 3:
• vận tốc góc khâu 3 là: w 3 0 = [ 0 0 q ˙ 1 + ˙ q 2 ] T tương tự ta có:
Để giải bài toán động học ngược của robot, cần xác định tọa độ, vận tốc và gia tốc suy rộng dựa trên vị trí, vận tốc và gia tốc đã cho Việc này giúp hiểu rõ hơn về chuyển động của robot trong không gian.
Từ phương trình (3) ta có:
Bình phương 2 vế phương trình (1) và (2) ta có: ¿ cộng 2 vế của phương trình ta được: x E 2 + y E 2 =a 2 2 + a 1 2 +2 a 1 a 2 [ cos ( q 1 + q 2 ) cos ( q 1 ) +sin (q 1 + q 2 ) sin (q 1 )¿
2a 1 a 2 ) Biến 2 phương trình 1 và 2 trở thành hệ phương trình với 2 ẩn: cos q 1 ,sin q 1
⇔ { (a a 2 sin q 2 cosq 2 cos q 2 +a 1 1 )cosq +(a 2 cosq 1 - a 2 2 sin q + a 1 )cosq 2 sin q 1 1 = = x y E E
Từ các định thức của hệ phương trình bậc nhất 2 ẩn: Δ= | a 2 a cosq 2 sin q 2 +a 2 1 - a a 2 cosq 2 sin q 2 +a 2 1 | =a 2 2 +a 1 2 +2a 1 a 2 cosq 2 =x E 2 + y E 2 ; Δ x = | x y E E - a a 2 cosq 2 sin q 2 +a 2 1 | =a 1 x E + a 2 (x E cos q 2 + y E sin q 2 ) ; Δ y = | a 2 a cosq 2 sin q 2 +a 2 1 x y E E | =a 1 y E + a 2 ( y E cosq 2 −x E sin q 2 ) ;
Giải hệ phưong trình bậc nhất 2 ẩn ta được:
{ cosq sin q 1 1 = = Δ Δ Δ Δ y x = = a a 1 1 y x E e +a + a 2 2 ( (x y x x E E E E cosq cos q 2 2 + + y y E E 2 2 2 2 −x + y E E sin q sin q 2 2 ) )
⇔q 1 =arctan( sin q 1 cos q 1 ) =arctan ( a 1 y e +a 2 ( y e cosq 2 −x e sin q 2 ) a 1 x e +a 2 (x e cos q 2 + y e sin q 2 ) )
3.2 Động lực học Robot SCARA
Dựa vào yêu cầu của đề bài, sơ đồ động học cho robot sẽ được thiết kế Để tính toán động lực học của robot, cần thiết lập phương trình vi phân chuyển động Phương trình vi phân này được xây dựng theo phương trình Lagrange loại II với dạng tổng quát như sau: dt d ( ∂ ∂T q ˙ i ) T −( ∂ T ∂ q i ) T =−¿.
T là động năng của robot Π là thế năng của robot q i là tọa độ suy rông thứ i
Q i kt là lực suy rộng các lực không thế ứng với tọa độ suy rộng q i
Trong thiết kế robot, phương trình Lagrange loại II được biểu diễn dưới dạng ma trận nhằm tối ưu hóa việc sử dụng các công cụ toán học và thực hiện mô phỏng trên máy tính Phương trình vi phân chuyển động của robot có cấu trúc cụ thể, cho phép phân tích và điều khiển hiệu quả.
M là ma trận khối lượng
Q là vecto lực suy rộng của các lực không thế.
Q=U+ J T E F 0 E với U =¿ là lực dẫn động τ i của động cơ đặt tại các khớp.
Với khớp tịnh tiến thì τ i là lực F mi
Với khớp quay thì τ i là ngẫu lực có momen M mi Ở nội dung báo cáo này, nhóm thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho robot dạng ma trận.
Ma trận khối lượng M Đặt cos()=c, sin()=s, cos(q1+q2)=c 12 , sin(q 1 +q 2 )=s 12
Ma trận khối lượng suy rộng được tính theo công thức:
Tọa độ khối tâm O C 1 trong hệ tọa độ 1: u C ( 1) 1 ¿ −l 1 0 0 ¿¿ T , l 1 = a 2 1 là khoảng cách từu khối tâm O C 1 đế gốc O 1
+ Bán kính định vị khối tâm O C 1 : r c1 0
=¿ (a 1 -l 1 )c 1 (a 1 -l 1 )s 1 d 1 ] T + Ma trận Jacobian tịnh tiến :
+Ma trận momen quan tính khối:
Tọa độ khối tâm O C2 trong hệ tọa độ 2: u C ( 1) 2 ¿ −l 2 0 0 ¿¿ T , l 2 = a 2 2 là khoảng cách từu khối tâm O C 2 đế gốc O 2
+ Bán kính định vị khối tâm O C 2 : r C 0 2 = [ a a 1 1 c s 1 1 +(−l +(−l d 2 +d 2 2 +a +a 1 2 2 )c )s 12 12 ]
+ Ma trận Jacobian tịnh tiến :
+Ma trận momen quan tính khối:
Tọa độ khối tâm O C 3 trong hệ tọa độ 3: u C ( 1) 3 ¿ −l 3 0 0 ¿¿ T , l 3 =q 3 +const là khoảng cách từu khối tâm O C3 đế gốc
+ Bán kính định vị khối tâm O C 3 : r C 0 3 = [ q 3 +const a a 1 1 c s 1 1 + + a a + 2 2 d c s 12 2 12 + d 1 ]
+ Ma trận Jacobian tịnh tiến :
+Ma trận momen quan tính khối:
Vậy ma trận khối lượng M được xác định:
M(q)= ∑ k=1 n (J Tk T m k J Tk + J Rk T A k 0 I Ck k A k 0 T J Rk ) = [ m m m 11 21 31 ( ( ( q) q) q) m m m 12 22 32 ( ( ( q) q) q) m m m 13 23 33 (q) (q) (q) ]
Sử dụng phần mềm Maple, ta thu được kết quả tính toán như sau: m 11 (q )=I zz1 + I zz 2 + I zz 3 + m 1 a 1 2
4 ) m 12 (q )=m 21 (q )=I zz 2 + I zz 3 +m 2 ( a 1 a 2 cos 2 ( q 2 ) + a 4 2 2 ) +m 3 (a 1 a 2 cos ( q 2 ) +a 2 2 ) m 13 (q )=m 31 ( q)=m 23 (q)=m 32 (q) = 0 m 22 (q )=I zz2 + I zz 3 +m 2 a 2 2
Ma trận đặc trưng cho lực quán tính Coriolis và lực quán tính li tâm xác định bởi:
C (¿ q,q❑)=¿¿ ˙ Các phần tử của ma trận này được tính theo công thức Christoffel:
Sử dụng phần mềm Maple, kết quả tính toán như sau: c 11 (q , q)=−( ˙ m 2
Chọn gốc thế năng trùng với hệ tọa độ cơ sở.
Lực suy rộng của các lực không thế
Trong đồ án, robot được xem là mô hình lý tưởng, do đó không tính đến lực ma sát và lực cản nhớt Lực không thế chỉ bao gồm lực tác động lên khâu thao tác cuối Xét trường hợp tổng quát với các lực và momen có giá trị.
F 3=[ Fx , Fy , Fz] T ;M 3=[ Mx , My ,Mz] T
Lực suy rộng được được xác định theo công thức:
Trong đó: lực tác động lên khâu cuối là: F E 0 = [ 0 0 −F z ] T
U =¿ là lực dẫn động τ 1 của động cơ đặt tại các khớp.
Vậy:Q= [ −F 0 0 z ] + [ τ τ τ 1 2 3 ] là vector lực suy rộng cần xác định.
Kết luận kết quả của bài toán động lực học:
Hay lực điều khiển tại các khớp:
3.3 Tính toán thiết kế khâu 3:
3.3.1 Tính chọn tay kẹp robot:
Giả sử tải có dạng hình hộp chữ nhật.
Trọng lượng của tải tối đa là 20 kg
Để tay kẹp giữ được vật, điều kiện cần thiết là lực giữ kẹp phải lớn hơn hoặc bằng tổng của lực tác động và lực quán tính Cụ thể, công thức được sử dụng là F ms ≥ P t + F qt, trong đó F ms là lực giữ kẹp, F k là lực giữ kẹp của tay kẹp, và μ là hệ số ma sát giữa tay kẹp và vật Đối với hai bề mặt kim loại, hệ số ma sát được lấy là μ = 0.6.
F qt =m ×a Chọn quỹ đạo vận tốc dạng hình thang: v
Chọn thời gian tăng tốc từ 0 đến v max là 0.29s ¿> a 1 max = v max
Dựa vào yêu cầu trên em chọn tay kẹp CHS2-S68 của hãng TOYO.
Thông số kỹ thuật của tay gắp:
Cơ cấu chuyển động Chuyển động bằng vitme Độ chính xác lặp lại vị trí ±0.01(mm)
Hành trình đóng mở 68 (mm)
Tốc độ đóng mở 10~50(mm/s)
Má kẹp sẽ được chế tạo từ thép CT45 và giới hạn khối lượng sao cho tổng khối lượng tay kẹp và má kẹp là 2 kg.
3.3.2 Tính chọn vít me đai ốc bi:
Khâu 1 và khâu 2 chỉ hoạt động trong mặt phẳng x,y, dẫn đến khâu 3 luôn giữ vị trí thẳng đứng Do đó, trường hợp khâu 3 chịu tải trọng lớn nhất xảy ra khi lực quán tính và trọng lực tác động lên tải cùng chiều.
Khâu 3 sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc bi.
⁺ Quãng đường dịch chuyển: l 0 = 200 mm
Mô hình trục vít me – đai ốc bi Tùy theo dạng chuyển động của vít và đai ốc có thể chia ra các loại:
Vít vừa quay vừa tịnh tiến, đai ốc cố định với giá
Đai ốc quay, vít tịnh tiến
Vít quay, đai ốc tịnh tiến
Đai ốc vừa quay vừa tịnh tiến, vít cố định Đối với khâu 3 em sẽ sử dụng loại vít me đai ốc quay vít tịnh tiến (rotating nut)
- Vận tốc tịnh tiến của vít và số vòng quay trong một phút của đai ốc có liên hệ: v= 60× n Z p 1000
Trong đó: Z – số mối ren p– Bước ren, mm n– tốc độ quay của đai ốc, vòng/phút.
Lựa chọn vật liệu: ỨNG SUẤT GIỚI HẠN
-Vít, bi: Thép 40CrMn (σ ¿¿ chx5 MPa) ¿
Thép hợp kim kết cấu 40X là lựa chọn lý tưởng cho các bộ phận nặng như trục, trục bánh răng, pít tông và nhiều linh kiện khác Loại thép này cũng được ứng dụng rộng rãi trong các thành phần rèn, lạnh và dập nóng, cũng như trong sản xuất đường ống và bể chứa Thép crom 40X nổi bật với khả năng chịu lực và độ bền cao, phù hợp cho nhiều ngành công nghiệp.
Đai ốc làm từ thép chịu lực 100Cr6 là một loại thép đặc biệt, có khả năng chống lại quá trình cán, kéo và giảm độ mỏi Với thành phần chính là thép carbon và crom cao, loại thép này không chỉ được sử dụng trong chế tạo cơ khí mà còn có khả năng chống ăn mòn, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng chịu lực.
Sơ đồ truyền động trục vit me-đai ốc bi
Các thông số đầu vào:
- Trọng lượng tay kẹp: P kẹp = 2*9.8 = 19.6 N
- Vận tốc lớn nhất của đai ốc v 3 = 2780 mm/s
- Gia tốc lớn nhất của đai ốc a = 9.6 m/s 2
Do vít chỉ chuyển động theo trục thẳng đứng, lực dọc trục đạt giá trị lớn nhất khi lực quán tính của tải cùng chiều với trọng lực Công thức tính lực dọc trục lớn nhất là: F amax = F qt + P.
Trong đó : Động cơ Vít me đai ốc
Tính toán sơ bộ đường kính ren trong d 1 của ren theo độ bền kéo d 1 ≥ √ 4 × π× 1.3× F [ σ K ] a
Trong đó : F a là lực dọc trục d1 là đường kính trong của vít me (mm)
[ σ K ]= [σ 3 ch ] Với σ ch là giới hạn chảy của vật liệu làm vít Trục vít me ở đây được làm từ thép 45, có [ σ ch ] là 360 (MPa) => [ σ K ] = 120 (MPa)
Thay các giá trị vào ta được giá trị của d 1 ≥ √ 4× 1.3 π 120 × 426.8 d 1 ≥ 2.43 mm chọn d 1 # do theo tiêu chuẩn của SKF về vít me đai ốc bi loại rotating nut d0 = 25 (mm)
Vít me đai ốc bi loại rotating nut của hãng SKF bao gồm nhiều loại, trong đó em chọn loại vít me SLT/TLT 25x25R Đặc điểm nổi bật của loại vít này là đường kính chân ren trục vít me.
25 mm, bước vít là 25 mm.
Vít me đai ốc bi loại rotating nut Tính các thông số của bộ truyền
Hình: Các kích thước bộ truyền vít me bi Đường kính bi: d b = (0.08÷0.15) d 1 =0,1.23 =2,3(mm) Chọn d b = 3 (mm)
Bước vít: p = d b + (1÷5) =3+2 =5 (mm) Chọn p= 25 (mm)
Bán kính rãnh lăn: r 1 = (0,51÷0,53) d b = 0.51*3 = 1.53 (mm) Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi c= ( r 1 − d 2 b ) cosβ = ( 1,53− 3 2 ) cos45=0.02 (mm)
Trong đó: β là góc tiếp xúc (45 o ) Đường kính vòng tròn qua các tâm bi
D tb =d 1 + 2 (r 1 -c) = 26.02 (mm) Đường kính trong của ren đai ốc
Chiều cao làm việc của ren h 1 h 1 = (0.3÷0.35) d b = 0.32*3=0.96 (mm) Chọn h 1 = 1 (mm) Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D d= d 1 + 2.h 1 = 25 (mm)
Góc nâng vít γ: γ = arctg ( π D p tb ) =arctg( π × 25 26.02 ) o
Số bi trong các vòng ren làm việc:
3 −1a.67 ≈ 62 viên Với số vòng ren làm việc là K=2.3
Trích sách Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1-Trịnh Chất
Khe hở hướng tâm Δ= D 1 −(2 d b +d 1 )).04 −(2.3+23)= 0.04 mm
Góc ma sát lăn thay thế: φ 1 =arctg ( d 1 2 sin f t β ) =arctg ( 23.sin 4 5 2.0,005 o )=0.035 o
Hệ số ma sát lăn f t =0.005 Hiệu suất lý thuyết biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến: η= tgγ tg ( γ +φ 1 ) = tg 17 o tg (17 o +0.035 0 ) =0.9978
Tính kiểm nghiệm về độ bền Tải trọng riêng dọc trục: q a = Z F a b d b 2 λ = 426.8
62.3 2 0,8 =0.956 (21)Với λ = 0.8 – hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi.
Từ χ =0.0022 và q a = 0.54 từ đồ thị ta xác định được σ max = 1000 MPa
Hình: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σ max σ max < [ σ max ] P00 MPa ⇒ Thỏa mãn độ bền
3.3.4 Tính chọn động cơ điện cho trục vít me:
Chọn tỉ số truyền từ động cơ sang trục vít me là 0.5
- Mô men xoắn cần truyền vào trục vít me:
=> Momen xoắn cần thiết của động cơ là :
- Tính số vòng quay khâu 3: n 3 = 60 v
Z p 336 ¿ Trong đó v = 2780 mm/s, p - bước vít: 25 mm,
=> số vòng quay cần thiết của động cơ là : n đc3 = n 3
- Tính công suất động cơ:
Hiệu suất bộ truyền đai răng η đ = 0.97
Sau khi tham khảo một số động cơ của hãng MotionKing ở trên thì em quyết định chọn động cơ AS80-30-024E25 cho trục vít me.
3.3.1 Tính chọn bộ truyền khâu 3 a Xác định mođun và chiều rộng của đai Xác định môđun m m = 35 √ 3 P n 3 3
P 3 = 682 W ≈ 0.682 KW– công suất trên bánh đai chủ động n 3 = 1668 vòng/ phút–tốc độ quay của bánh đai chủ động
Theo Bảng 4.27 (trang 68, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển) ta chọn m = 3 mm => bước đai p = 9.42 mm
Xác định chiều rộng đai b
Công thức xác định chiều rộng đai dựa theo: b = ϒ d *m Chọn ϒ d dao động từ 6 đến 9.
=> b ÷ 27 (mm) Tiêu chuẩn hóa ta chọn theo bảng sau:
Từ bảng số liệu trên ta chọn b = 20 mm
Xác định chiều rộng bánh đai
B = b + m = 23 mm b Xác định các thông số của bộ truyền
Số răng Z2 của bánh đai nhỏ cần phải lớn hơn giá trị tối thiểu Zmin để đảm bảo tuổi thọ cho đai Điều này là do hai lý do chính: thứ nhất, số răng bánh đai ít dẫn đến tải trọng lớn hơn mỗi răng đai phải chịu; thứ hai, số răng bánh đai nhỏ làm giảm đường kính bánh đai, khiến dây đai bị uốn cong nhiều và dễ hỏng hơn Số răng tối thiểu Z1 được xác định dựa vào môđun và tốc độ quay của bánh đai nhỏ theo bảng quy định.
Do tốc độ quay của đai ốc vit me n 3 336 (v / ph) , => Từ bảng số liệu trên chọn số răng bánh đai nhỏ Z 2 = 16 răng
Số răng Z 1 của bánh đai lớn
Số răng Z 1 của bánh đai lớn được xác định theo tỉ số truyền của bộ truyền sau khi chọn trước Z 2 z 1 =2 Z 2 2
=> Đường kính bánh đai: d 1 = m.z 1 = 96 mm, d 2 = m.z 2 = 48 mm
Khoảng cách trục A và số răng dây đai
Khoảng cách trục : a min ≤ A ≤ a max a min =0.5 m ( z 1 + z 2 ) +2mx mm a max =2 m ( z 1 + z 2 ) (8 mm
Trong đó λ =l d −p¿ và Δ=m ¿ Đường kính ngoài của bánh đai: d a 1 =m z 1 −2 δ.8 mm d a 2 =m z 2 −2 δF.8 mm
Với δ =0.6 là khoảng cách từ đáy răng đến đường kính trung bình của lớp chịu tải, tra ở bảng trên
Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh chủ động: z 0 =z 1 α 1
Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng: q= k d F t b +q m v 2 ≤ [ q ] =[q 0 ] C z C u
Xác định lực căng đai ban đầu và lực tác dụng lên trục:
Bảng xác định hệ số K đ
3.3.1 Thiết kế trục dẫn hướng cho vít me:
Cơ cấu vít me đai ốc bi loại rotating nut yêu cầu có then dẫn hướng để ngăn chặn việc xoay của trục vít me trong quá trình đai ốc xoay Nếu không có cơ chế chống xoay, trục vít me sẽ quay theo đai ốc do tác động của quán tính.
Sau khi xem xét mẫu robot của hãng Denso, tôi đã quyết định chọn phương án chống xoay bằng cách sử dụng thanh dẫn hướng bổ sung cho trục vít me.
Em sẽ gói gọn việc thiết kế trục dẫn hướng và các cụm ghép nối liên quan trong 0.5 kg.
3.4 Tính toán thiết kế khâu 2:
Chọn vật liệu làm khâu 2 là C45 có khối lượng riêng ρ x50 Kg/ m 3 và ứng suất chảy là [ σ c ] 60 Mpa.
Chọn tiết diện khâu 2 như hình vẽ dưới đây:
Chọn chiều dài khâu 2 là : d 2 = 330 mm, a = 120 mm, b = 130 mm, c = 10 mm.
Phần bên ngoài có kích thước a× b , diện tích S 1 = 120*130 = 15600 mm 2 , momen quán tính J x1 = b a 3
12 72×10 6 , trọng tâm C 1 với NC 1 = 60 mm Phần rỗng bên trong có kích thước d ×h , diện tích S 2 = 110*110 = 12100 mm 2 , momen quán tính J x2 = d h 12 3 2 ×10 6 , trọng tâm C 2 với NC 2 = 65 mm Tọa độ trọng tâm C
Hệ trục Cxy chính là hệ trục quán tính chính trung tâm
Xác định momen quán tính J x
Momen quán tính mặt cắt ngang hình chữ nhật là J x ¿ b h 3
12 Áp dụng công thức chuyển trục song song của momen quán tính ta có:
Sơ đồ phân bố lực như sau:
Trọng lượng khâu 3: P 3 = m 3 g , m 3 = m vít me + m đc3 + m tay kẹp = 9.46 kg
Trọng lượng tải : P tải = 20*9.8 = 196 N Vậy lực F 3 = 288.71 N
Để đơn giản hóa việc nhân biểu đồ momen, ta có thể chia biểu đồ thành hai phần: bậc nhất và bậc hai Để xác định chuyển vị M, chúng ta tạo ra trạng thái k biểu đồ momen, được biểu diễn cụ thể Bằng cách áp dụng phương pháp nhân biểu đồ, ta có thể tính được độ võng tại M, với công thức y M = 1.
Từ đó ta tính được y M là độ võng lớn nhất trên khâu 2 là: y M = 1
2× 10 5 ×5.2 ×10 6 ( 1 3 × 288.71×330 3 + 1 8 ×94.28 ×330 3 ) ¿0.0045 (mm) y M < [ f 2 ] =0.01mm => thỏa mãn điều kiện cứng.
- Ứng suất uốn lớn nhất:
⁺ Tại mép trên : σ max 1 = M J max x 65 ( N / mm 2 )
⁺ Tại mép dưới : σ max 2 = M J max x 35 (N / mm 2 )
=> σ max1 =1.39 N / mm 2 =1.39 (MPa ) , σ max2 =0.75 N / mm 2 =0.75(MPa)
σ max2 =1.39 MPa