Điều khiển động họ tay máy khoan lỗ nổ mìn trong thi công các công trình ngầm

Dựa trên những nghiên cứu về cơ học đất đá, các nghiên cứu về phương pháp thi công khoan lỗ nổ mìn tại những điều kiện địa chất khác nhau, các nghiên cứu về kết cấu máy để nâng cao hiệu

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Tìm hiểu và tổng hợp tài liệu kỹ thuật chuyên sâu về robot khoan lỗ và nổ mìn trong thi công các công trình ngầm từ các nguồn tài liệu trong nước và quốc tế, bao gồm các công trình công bố quốc tế Đồng thời, thiết lập phương trình động học cho hệ thống tay máy robot thủy lực 7 bậc tự do trong thi công các công trình ngầm.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN

Ý nghĩa khoa học

Các kết quả của luận văn cung cấp nền tảng quan trọng cho việc phát triển các nghiên cứu sâu hơn về robot thủy lực trong thi công các công trình ngầm, đặc biệt là trong phương pháp khoan lỗ nổ mìn.

Nghiên cứu tổng hợp các mô hình Robot đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và xây dựng các mô hình Robot khoan lỗ nổ mìn, phục vụ cho thi công các công trình ngầm.

Ý nghĩa thực tiễn

Thuật toán và quy trình thiết kế trong luận văn này đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong việc tự động hóa khoan lỗ nổ mìn Thuật toán có thể được áp dụng trong lập trình phần mềm cho Robot, nâng cao độ chính xác và hiệu quả thi công Ngoài ra, nó cũng tạo điều kiện cho việc phát triển các Robot khoan lỗ nổ mìn tích hợp định vị, cho phép tự động hóa quá trình khoan với giám sát từ xa Đây là một hướng nghiên cứu mới cần tiếp tục phát triển trong tương lai.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng số trên máy tính để kiểm chứng tính đúng đắn của lý thuyết đưa ra.

NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày trong 108 trang và 20 trang phụ lục bao gồm mã code chương trình và cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về Robot khoan nổ mìn trong thi công công trình ngâm

Chương này tập trung vào quy trình khoan nổ mìn và nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển tay máy Robot khoan lỗ nổ mìn để nâng cao năng suất lao động Nó trình bày lịch sử phát triển tay máy thủy lực khoan lỗ nổ mìn trên thế giới, các thông số kỹ thuật của những tay máy Robot thủy lực hiện đang thương mại hóa, cùng với nguyên lý hoạt động của chúng Ngoài ra, chương cũng phân tích và tổng hợp tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về cơ học đất đá, hệ thống gia cố đường hầm, và các thiết bị nâng cao hiệu quả khoan lỗ nổ mìn Dựa trên những phân tích này, chương đề ra mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể cho toàn bộ luận văn.

Chương 2: Phân tích động học tay máy

Chương này trình bày mô hình kết cấu và nguyên lý hoạt động của Robot khoan lỗ nổ mìn dựa trên các thông số kỹ thuật đã được xác định Từ mô hình này, chúng tôi tiến hành lược đồ hoá cơ cấu máy, thiết lập phương trình động học và xác định các thông số điều khiển cho tay máy Robot thủy lực.

Từ đó mô phỏng quá trình thi công mặt gương trên phần mềm Visual Studio 2012 bằng ngôn ngữ lập trình C++

Chương 3: Tính toán lựa chọn hệ thống xy lanh thuỷ lực và một số khớp

Trên cơ sở mô hình kết cấu và nguyên lý hoạt động đã được xây dựng ở chương

Chương 3 của luận văn tập trung vào việc lựa chọn xy lanh phù hợp cho các khớp chuyển động chính của tay máy, dựa trên các thông số kỹ thuật như góc hoạt động, trọng lượng và lực tác động Bằng cách áp dụng các công thức hình học, chương này xác định hành trình và áp lực tác động lên xy lanh Từ kết quả tính toán, luận văn phân tích và lựa chọn xy lanh phù hợp với yêu cầu của tay máy Ngoài ra, chương cũng tính toán độ bền, mỏi và các dạng phá hủy của các chi tiết quan trọng như tai và chốt Dựa trên thông số kỹ thuật về vật liệu và kết quả lực đã tính, luận văn đưa ra công thức kiểm nghiệm các thông số cần thiết cho chi tiết chốt, tai và kết cấu chính.

Phần này trình bày các kết quả nghiên cứu của luận văn và đề ra các hướng nghiên cứu để tiếp tục hoàn thiện kết quả nghiên cứu.

TỔNG QUAN VỀ ROBOT KHOAN NỔ MÌN TRONG THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM

Giới thiệu tổng quan về quy trình khoan nổ mìn trong thi công các công trình ngầm bằng tay máy Robot

công trình ngầm bằng tay máy Robot

Quy trình khoan nổ mìn trong đào hầm được mô tả qua các bước trong hình 1.1:

Công tác xác định hộ chiếu nổ mìn là bước quan trọng trong quá trình đào hầm, trong đó kỹ sư địa chất sẽ xác định tọa độ của từng lỗ khoan dựa vào cấu trúc địa hình và kích thước hầm Việc thiết lập các vị trí khoan lỗ nổ mìn, hay còn gọi là hộ chiếu nổ mìn, là cần thiết để đảm bảo hiệu quả và an toàn cho công trình Hình 1.2 dưới đây mô tả một hộ chiếu nổ mìn trong quá trình đào hầm.

Nhóm lỗ khoan trống được khoan vuông góc với mặt gương hầm nhằm làm yếu khối đá trên gương Nhiệm vụ của nhóm lỗ này là rút ngắn đường kháng nổ nhỏ nhất của khối đá kẹp giữa chúng và các lỗ mìn lân cận Việc này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nổ mìn, giúp phá vỡ khối đá kẹp giữa một cách hiệu quả.

Hình 1.1 Mô tả quy trình khoan nổ mìn trong đào hầm

Hình 1.2 Hộ chiếu nổ m ìn trong m ột mặt g ương [14]

Nhóm lỗ tạo bi ên Nhóm lỗ phá phụ

Lỗ khoan trống tạo ra không gian tự do phụ bằng cách đột phá đá xung quanh, giúp giảm đường kháng nổ nhỏ nhất của khối đá còn lại Điều này cho phép nhóm lỗ mìn phá phụ lân cận nổ vi sai tiếp theo, tạo ra sự cộng hưởng các ứng suất, từ đó làm tăng hiệu quả nổ phá đá.

Nhóm lỗ phá phụ thường được bố trí gần các lỗ khoan trống và lỗ mìn đột phá, với hướng khoan vuông góc so với mặt gương hầm Chúng được nổ vi sai sau khi nhóm lỗ mìn đột phá đã nổ, nhưng trước nhóm lỗ mìn nổ tạo biên Mục đích của nhóm lỗ mìn này là phá vỡ khối đá cận kề, tạo không gian tự do phụ, giúp quá trình phá vỡ đá của nhóm lỗ mìn biên nổ vi sai diễn ra thuận lợi hơn.

Nhóm lỗ mìn tạo biên có góc nghiêng từ 85 đến 87 độ so với mặt gương và được hướng xiên vào biên Những lỗ mìn này được điều khiển nổ sau cùng để mở rộng không gian đã nổ vỡ trong lòng hầm lò đến biên cần thiết.

 Công đoạn khoan nổ mìn

Công đoạn khoan lỗ trên mặt hộ chiếu nổ mìn mất nhiều thời gian, với độ sâu khoan từ 2m đến 4m Do đó, việc sử dụng tay máy Robot để đào hầm trở thành giải pháp thực tế hiệu quả.

- Với diện tích hầm từ 7m 2 đến 12m 2 thường sử dụng xe tay khoan tự hành có 1 tay máy Robot khoan đào hầm;

- Với diện tích hầm từ 12m 2 sử dụng xe tay khoan đào hầm tự hành có 2, 3 hoặc 4 tay máy Robot khoan đào hầm

Thông thường người công nhân đào hầm sẽ nạp mìn thủ công vào các lỗ khoan mìn

Vì vậy trên xe tự hành còn tích hợp thêm các giàn thao tác để phục vụ công tác nạp mìn được nhanh chóng

Nổ lần lượt từ vị trí nổ phá đến nổ tạo biên dạng hầm

 Công tác hút khí độc sau nổ mìn

Sau khi nổ mìn, khí độc và bụi được sinh ra rất nhiều, do đó, để đảm bảo an toàn cho con người trong quá trình thao tác và vận chuyển đất đá trong hầm, cần thiết phải có hệ thống cấp khí trong lành và hút khí độc cùng bụi ra khỏi hầm.

Để tạo ra đường hầm sau khi nổ mìn, việc vận chuyển đất đá ra khỏi hầm là rất quan trọng Các thiết bị chuyên dụng như xe xúc lật và xe ben được sử dụng để di chuyển toàn bộ đất đá ra khỏi hầm Đối với các hầm nhỏ, cần thiết lập hệ thống vận chuyển đặc biệt để đảm bảo hiệu quả trong quá trình này.

Sau khi nổ mìn để đào hầm, các vùng đất đá yếu hình thành từ quá trình này có thể gây nguy hiểm cho an toàn lao động của công nhân Trong quá trình thao tác trước khi thu hồi đất đá, cần thực hiện các bước sửa chữa hầm, tạo biên dạng hầm, phá vỡ đất đá yếu và gia cố tạm thời bằng cách gắn gông chữ C và phun vẩy bê tông để đảm bảo an toàn cho người lao động.

 Công tác gia cố tạo đường hầm

Trong quá trình đào hầm, việc gia cố đường hầm là rất quan trọng để đảm bảo an toàn thi công và ngăn chặn sụt lún Để thực hiện điều này, các gông hình móng ngựa được gắn để hỗ trợ tạm thời cho đường hầm Công tác khoan leo gia cố đường hầm được thực hiện bằng tay máy Robot khoan nổ mìn, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình thi công.

Lịch sử quá trình phát triển của khoan nổ mìn

Trong quá trình phát triển của ngành đào hầm cho đến nay được chia thành năm giai đoạn mô tả trong hình 1.3 cụ thể như sau:

Giai đoạn 1 (Từ năm 1900 đến 1940) đánh dấu sự khởi đầu của thi công đường hầm hiện đại, trong đó hầu hết các công việc khoan nổ mìn được thực hiện thủ công bằng sức người.

Giai đoạn 2 (1941-1960) chứng kiến sự phát triển của các giá khoan tự động, cho phép khoan nhiều lỗ cùng một lúc Tuy nhiên, sau mỗi lần khoan xong một mặt gương, công nhân phải tháo toàn bộ hệ thống giàn giáo trước khi tiến hành nổ mìn, như mô tả trong hình 1.1 Quá trình này dẫn đến hai công đoạn chính: lắp đặt và tháo dỡ giàn giáo, gây ra thời gian thi công kéo dài, yêu cầu số lượng nhân công lớn và làm giảm hiệu suất lao động.

Giai đoạn 3 (1961-1980) chứng kiến sự phát triển của công nghệ, dẫn đến sự ra đời và tiến bộ của các tay khoan nổ mìn Mặc dù vậy, trong giai đoạn này, số bậc tự do của các tay máy vẫn còn hạn chế, chưa đạt được tính linh hoạt cao.

Giai đoạn 4 (1990-2000) chứng kiến sự phát triển của các loại xe tự hành ba tay máy, được trang bị hệ thống định vị và máy tính tích hợp với công nghệ xác định hộ chiếu đường hầm.

Giai đoạn 5 (từ năm 2000 đến nay) chứng kiến sự phát triển vượt bậc của công nghệ đào hầm trên toàn cầu Sự ra đời của các loại máy móc và robot đào hầm cỡ lớn đã cách mạng hóa quy trình này, với những chiếc xe tự hành có khả năng khoan lỗ nổ mìn để tạo ra các đường hầm lớn, có đường kính lên đến 100m.

Hình 1.3 Lịch sử phát triển của khoan nổ mìn qua từng giai đoạn [6]

Các loại xe tay máy Robot khoan nổ mìn đào hầm

Các loại tay khoan trong nổ mìn đào hầm:

Trong quá trình phát triển, tay khoan nổ mìn đã được nhiều hãng như Atlas Copco (Mỹ), HANMEX, JOYGLOBAL nghiên cứu và chế tạo với nhiều cấu trúc khác nhau Dưới đây là một số loại xe robot tự hành đào hầm đang được thương mại hóa từ các hãng trên toàn cầu.

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật cơ bản [25]:

Chi tiết Thông số Giá trị Đơn vị

Khoảng sáng gầm xe 280 mm

Chiều dài mũi khoan 4310 mm Độ sâu mũi khoan 4015 mm

Hình 1.4 Tay khoan Robot thủy lực của hãng Atlas Copco 1 tay khoan [25] a) Kích thước tổng thể của xe b) Không gian làm việc của xe

Khối lượng 1750 kg Độ lệch tâm 88 mm

Momen xoắn cực đại 440 -1000 Nm Áp suất không khí tại 2 bar 5- 7 l/s

3.Mũi khoan Tổng chiều dài 4877 mm

Hình 1.5 Xe Robot tự hành thủy lực của hãng Atlas Copco 2 tay khoan [26] a) Kích thư ớc tổng thể xe hai thân a) Không gian làm việc

Chiều dài mũi khoan 6100 mm Độ sâu lỗ khoan 5810 mm

Khối lượng 6724 lbs Độ lệch tâm 88 mm

Mô men xoắn cực đại 1 000 Nm Áp suất không khí tại 2 bar 5 l/s

Hình 1.6 Tay khoan Robot thủy lực của hãng

Atlas Copco 3 tay khoan [27] a) Kích thước tổng thể b) Không gian làm việc

Chiều dài lưỡi khoan 6100 mm Độ sâu lỗ khoan 5810 mm

Cần khoan BUT 35 Độ mở mũi khoan 1800 mm Độ mở cần lực 1600 mm Độ xoay mũi khoan 3600

Khối lượng 2860 kg Độ lệch tâm 84 mm

Momen xoắn cực đại 400 Nm Áp suất không khí tại 2 bar 8 l/s

Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước và trong nước

1.4.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Ngày nay, sự phát triển của khoa học và công nghệ đã thúc đẩy nghiên cứu về hiệu quả khoan lỗ và nổ mìn trong thi công đường hầm Các nhà khoa học, như nhóm A.Petko và R.Ziman, đã nghiên cứu cơ học đất đá dựa trên thực tiễn thi công hầm Vouli ở Phần Lan, từ đó đề xuất quy trình thi công bao gồm hộ chiếu nổ mìn, kỹ thuật khoan, liều lượng thuốc nổ và kỹ thuật nổ Họ đã cung cấp dữ liệu thực nghiệm cho hầm có diện tích 90m², yêu cầu khoan 163,471m lỗ nổ với 157,333kg thuốc nổ Đối với hệ thống gia cố đường hầm, nhóm L.Xuefeng và G.Zhibiao đã chỉ ra rằng khi độ sâu mỏ tăng, việc gia cố vùng đất đá yếu trở nên quan trọng, và họ đã đề xuất giải pháp neo bu lông lưới neo dựa trên nghiên cứu cơ học đất đá Ngoài ra, P.K.Kaiser và M.Cai cũng nhấn mạnh rằng các dư chấn trong thi công hầm sâu khó có thể ngăn chặn, do đó hệ thống gia cố cho hầm có đất đá dễ sạt lở cần được cải tiến để đảm bảo an toàn Cuối cùng, nghiên cứu về thiết bị nâng cao hiệu quả khoan lỗ nổ mìn cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình thi công.

 Về kết cấu: J.Karlinski và các cộng sự [15, 16] đã phát triển tay máy Robot

Hình 1.8 Giải pháp khoan neo bu lông [21]

Sơ đồ bố trí lỗ khoan nổ mìn trong đường hầm Vouli được thiết kế thông qua phần mềm hiện đại, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Phân tích này tuân thủ các điều kiện biên thực tế trong thi công, nhằm mục đích giảm thiểu chi phí thực nghiệm.

Để xác định thông số công nghệ khi khoan, tác giả V.Raghavan đã tiến hành thí nghiệm với búa khoan “Jack Hammer” trong điều kiện địa chất đá cứng Hai trường hợp thí nghiệm được thực hiện: một với búa khoan thông thường và một với búa khoan kết nối với xy lanh khí nén Kết quả cho thấy tốc độ khoan cao hơn khi sử dụng xy lanh khí nén, cụ thể là 1,5m/phút với đá xanh, Syenite, Limestone và 2,5m/phút với đá Biotite ở độ sâu 2,5m với áp lực khí 4 kg/cm² Ngoài ra, tác giả R.Phillips và các cộng sự đã đề xuất sử dụng động cơ điện một chiều thay thế cho khoan khí nén và thủy lực, thử nghiệm thành công trên Robot ExoMars trong dự án hợp tác giữa Roscosmos và ESA nhằm tìm kiếm dấu hiệu sự sống trên hành tinh đỏ.

Ngoài nghiên cứu về phần cứng, phần mềm cũng được chú trọng, đặc biệt là ứng dụng hệ điều khiển phân tán trong thi công Tác giả M Torrngren đã áp dụng công nghệ này để điều khiển thiết bị thi công thủy lực trong dự án “Noddator” vào năm 1989 Trong khi thi công đường hầm Boliden ở Thụy Sĩ và Kemi ở Phần Lan, các tác giả G Nord, J Appelgren và Casper Swart đã phát triển thuật toán ABC nhằm tích hợp hệ thống máy tính và bộ điều khiển, cho phép khoan tự động trong quá trình thi công Hệ thống này cũng hỗ trợ chế độ điều khiển bằng tay khi cần thiết, tương tự như các hệ thống khác.

1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước Ở Việt Nam các nghiên cứu tập trung vào phát triển công nghệ thi công khoan lỗ, nổ mìn Tác giả Đỗ Thụy Đằng [7] đã nghiên cứu để công nghệ khoan nổ mìn lỗ nhỏ trong thi công đường lò với đá liên kết rắn chắc được sạch hơn Ở nước ta, công nghệ này đang chuyển dần lên trình độ khoan nổ mìn vi sai phân đoạn tạo biên có sử dụng các lổ khoan trống Nhưng do chưa có nguyên tắc hợp lý hoá các biện pháp giảm đường cản nhỏ nhất của khối đá theo từng phía của từng lần nổmìn (W) cùng

Phân tích kết cấu tay máy Robot bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho thấy quy trình điều khiển nổ và phát mìn cần được cải thiện để thực hiện hiệu quả các nhiệm vụ như nổ đột phá, nổ phá và nổ tạo biên Tuy nhiên, hiệu quả kinh tế kỹ thuật, an toàn và bảo vệ môi trường vẫn còn hạn chế và không chắc chắn Do đó, công nghệ này cần được làm sạch và nâng cao tính hiệu quả hơn nữa Nghiên cứu này sẽ tập trung vào vấn đề này.

3 vấn đề cơ bản: giảm W, giảm tổng chi phí thuốc nổ để đào đường lò (Q), và tăng tiến độ chu kỳ khoan nổ mìn tiến gương (LCK)

Các nghiên cứu đã chỉ ra chi phí và phân bố thuốc nổ khi khảo sát toàn diện các đường hầm trong vùng đá liên kết rắn Bên cạnh đó, lượng lỗ khoan trong quá trình khoan nổ mìn toàn gương cũng được xác định Ngoài ra, phương pháp xác định số lỗ mìn trên gương thông qua các loạt nổ vi sai tạo biên cũng đã được nghiên cứu.

Sau khi phân tích quy trình khoan lỗ nổ mìn trong thi công công trình ngầm và khả năng ứng dụng tay máy, luận văn nghiên cứu động học của tay máy để thiết kế hệ thống điều khiển hiệu quả Cụ thể, chương 2 và chương 3 sẽ tập trung vào việc phân tích động học tay máy, lựa chọn xy lanh thủy lực và kiểm tra độ bền các chi tiết chủ yếu, nhằm đảm bảo an toàn và ổn định trong quá trình khoan lỗ nổ mìn.

PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC TAY MÁY

Mô tả cấu tạo và nguyên lý của thiết bị

Trong quá trình khoan lỗ nổ mìn, việc định vị chính xác mũi khoan về vị trí và hướng là rất quan trọng Robot cần được trang bị khả năng khoan các lỗ theo phương ngang và lỗ xiên theo mặt gương hộ chiếu nổ mìn Ngoài ra, robot cũng cần có khả năng khoan theo phương thẳng đứng lên nóc hầm để phục vụ cho công tác gia cố đường hầm.

Như vậy, tay máy Robot cần có 07 bậc tự do như sau:

- 06 bậc tự do thực hiện chu trình khoan lỗ trên mặt gương

Thêm một bậc tự do cho robot giúp tăng cường tính linh hoạt khi khoan neo theo phương thẳng đứng, đặc biệt trong công tác gia cố và di chuyển trong các điều kiện đường hầm chật hẹp.

Từ phân tích và yêu cầu như trên, giải pháp thiết kế Robot được mô tả cụ thể như sau:

2.1.1 Mô tả cấu tạo xe tự hành tay máy Robot

Ngành đào hầm có không gian khai thác hạn chế, vì vậy robot cần có những tính năng như nhỏ gọn và linh hoạt Điều này giúp robot đáp ứng các yêu cầu về khoa học nổ mìn Cấu tạo của xe được mô tả như hình 2.1.

Xe hai thân được thiết kế nhằm mục đích giúp việc ra vào hầm và cửa hầm trở nên dễ dàng hơn, đặc biệt khi các cửa hầm thường có kích thước nhỏ và hẹp.

Hình 2.2 Xe di chuy ển trong đ ường hầm nhỏ hẹp [2 6 ]

Giá đỡ thao tác nạp nổ mìn

Hình 2.1 Xe tự hành ba tay máy của hãng AtlasCopco [26]

Tay máy Robot 7 bậc tự do

 Ca bin: Phục vụ người lái và điều khiển quá trình thao tác khoan trong đào hầm

Tay máy Robot thường là tay máy thủy lực với ít nhất 5 bậc tự do và tối đa 8 bậc tự do, không bao gồm hành trình khoan và búa khoan đập xoay.

 Tay khoan: Có chức năng gá khoan và cần khoan Thông thường cần khoan dài từ 2m đến 14m, tùy thuộc vào kích thước tiết diện của đường hầm

 Giá đỡ thao tác nạp nổ mìn: Có chức năng đưa người công nhân đến lỗ nạp mìn.

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tay máy Robot

Nguyên lý hoạt động của tay máy được mô tả như sau:

 Hai xy lanh và có chức năng tạo chuyển động quay quanh khớp vai ➀ ➁ và lật lên xuống

Xy lanh tạo ra chuyển động tịnh tiến giúp cánh tay vươn ra xa trong quá trình làm việc, đồng thời thu hồi khi di chuyển vào hoặc ra khỏi đường hầm.

 Xy lanh ➃ ➄và có chức năng tạo chuyển động lên xuống của cổ tay và xoay ngang cổ tay

 ➅ là động cơ thủy lực có chức năng xoay toàn vòng bộ cần khoan

Hình 2.3 Tay máy khoan nổ mìn

 Xy lanh tạo chuyển động lên xuống của giá đỡ cần khoan, với góc ➆ xoay từ [0 0 ÷ 90 0 ] để phục vụ cho quá trình khoan leo

Xy lanh đóng vai trò quan trọng trong việc thu tay khoan lại một cách gọn gàng, giúp đưa trọng tâm của tay khoan gần với xe sau khi hoàn thành quá trình khoan Điều này cũng hỗ trợ trong việc di chuyển xe đến vị trí an toàn.

Lược đồ hóa cơ cấu máy

Để phân tích động học mỗi tay máy được đưa về dạng cấu trúc cơ cấu như ở hình 2.4

: chuyển động quay lật của khớp

: chuyển động truyền lực của xy lanh

- Các khớp quay 1, 2, 4, 5, 7 được điều khiển thông qua các xy lanh thủy lực;

Chuỗi động học kín được thiết kế theo dạng mạch vòng giúp tăng độ cứng và vững chắc, thường được áp dụng trong các tay máy có tải trọng làm việc lớn.

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của tay máy

Dựa trên sơ đồ hình 2.4, chúng ta có thể giải quyết bài toán động học và động lực học như một Robot chuỗi động học hở thông thường, nhằm xác định vị trí và hướng của giá khoan.

Thiết lập hệ phương trình động học

2.3.1 Phương trình biến đổi tọa độ và hướng từ giá khoan đến hệ quy chiếu gắn trên xe

Dựa vào hình 2.4 và hình 2.5, hai chuỗi động học kín đã được mô hình hóa thành chuỗi động học hở như thể hiện trong hình 2.6, nhằm tăng cường độ cứng vững Các khớp trượt xy lanh 1, 2, 3, 4 được thay thế bằng các khớp quay  1,  2,  4,  5 Hệ quy chiếu được thiết lập theo phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) như mô tả trong hình 2.6, và thông số động học được trình bày trong bảng 1.

Hình 2.5 Các cụm khớp được thiết kế dạng mạch vòng Khớp quay 1

Bảng 2.1 Bảng thông số D-H của tay máy khoan lỗ nổ mìn

- a1, a4, a5, a7, D1, D4, D6, D7 là các thông số kích thước các khâu

Theo tài liệu [18], các ma trận biến đổi tọa độ từ hệ quy chiếu i-1{Oi- xi-1 yi-1 zi-1} sang hệ quy chiếu i{Oi xi yi zi} được xác định bởi: z 1 x 1.

Hình 2 6 Đặt hệ quy chiếu theo phương pháp D-H cho tay máy khoan lỗ nổ mìn 7 bậc tự do

D 1 z 3 cos sin sin sin sin cos sin cos cos cos sin sin

(2.1) Áp dụng công thức (2.1), ta có các ma trận biến đổi cho từng khâu cụ thể như sau:

1 cos 0 sin cos sin 0 cos sin

5 cos sin 0 cos sin cos 0 sin

Như vậy, ma trận biển đổi từ giá khoan của Robot về khâu cố định gắn trên xe:

2.3.2 Phương trình xác định vị trí và hướng của lỗ khoan trên mặt gương

Với a là khoảng cách từ hệ quy chiếu 0{O0 x0 y0 z0} trên xe đến mặt gương

- Ej là tọa độ tâm các lỗ cần khoan trên mặt gương (xem hình 2.7) so với hệ quy chiếu  0 {O0y0 x0} gắn trên Robot ta có:

- 0 R E là ma trận cosin chỉ hướng giữa hệ quy chiếu  Ej {Ejujvjwj} (gắn trên mặt gương) và 0{O0y0 x0} (gắn trên xe tự hành) ta có:

Từ (2.3 và 2.4) ta có ma trận biến đồi từ mặt gương về hệ quy chiếu  0 {O0 x0 y0 z0} trên Robot được cho bởi:

Như vậy, ta có đồng thời hai ma trận thể hiện hướng và vị trí của điểm thao tác so với hệ tọa độ đặt tại đế Robot là:

- Ma trân 0 A7 là ma trận nhận được khi dịch chuyển theo các khâu của Robot

- Ma trận C là ma trận biến đổi vị trí và hướng của các lỗ trên mặt gương so với hệ quy chiếu trên robot

Cân bằng hai phương trình ta (2.2) và (2.5) ta có:

- 3 phương trình về vị trí:

Hình 2.7 Vị trí tương quan giữa hệ quy chiếu điểm chuẩn “ 0 ” trên mặt gương và hệ quy chiếu gắn trên xe z 0 y 0 x 0

Mặt gương thi công Điểm chuẩn “ ” trên mặt 0 gương

Vậy hệ phương trình động học của Robot

Hệ phương trình (2.6) với 7 ẩn và 6 phương trình là bài toán dư dẫn động, do đó cần có một thuật toán để giải quyết vấn đề này Chi tiết về vấn đề này sẽ được trình bày trong mục 2.4 dưới đây.

Xác định thông số biến khớp điều khiển tay may Robot thủy lực

Với 6 bậc tự do là Robot có thể vươn tới mọi vị trí và hướng trong miền làm việc Tuy nhiên, do đặc thù không gian đường hầm chật hẹp [1] do đó Robot cần thêm bậc tự do thứ 7 để tăng tính linh hoạt và phục vụ khoan neo trong công tác gia cố đường hầm

Hộ chiếu nổ mìn do kỹ sư địa chất thiết kế giúp xác định chính xác tọa độ và hướng các lỗ khoan Dựa trên thông tin này, quy luật lập trình cho quá trình khoan được đưa ra một cách hợp lý và hiệu quả.

Robot để đưa giá khoan đến vị trí các lỗ như mô tả trên hình 2.8:

1 cos sin sin sin cos

- Đoạn 1: Đây là khâu thao tác của Robot từ vị trí ban đầu tiến tới lỗ khoan đầu tiên là lỗ khoan dưới đáy hầm

- Đoạn 2: Khoan các lỗ ở dưới chân hầm tạo nhóm lỗ mìm tạo biên ở dưới phương x với góc chếch 5 0

- Đoạn 3: Đây là đoạn khâu thao tác vừa kết thúc đoạn 2, di chuyển sang các lỗ tiếp theo dọc theo trục z

- Đoạn 4: Đoan tạo lỗ để nổ tạo viền hầm Đoạn này được khoan các lỗ khoan cách đều nhau trên một nửa đường tròn

Lỗ phá tạo đường hầm được khoan với các lỗ cách đều nhau, sắp xếp trên một nửa đường tròn có bán kính nhỏ hơn bán kính của đường tròn do các lỗ nổ tạo ra viền hầm.

Đoạn 7 mô tả quá trình dịch chuyển của khâu thao tác cuối từ lỗ cuối cùng ở đoạn 6 sang lỗ tiếp theo Quá trình này diễn ra theo một đường thẳng dọc theo phương x.

- Đoạn 8: Tạo lỗ nổ mìn đột phá Đoạn này được khoan các lỗ khoan cách đều trên đường tròn;

Đoạn 9 là giai đoạn dịch chuyển dọc theo phương x từ lỗ cuối của đoạn 8 đến vị trí tâm của đường tròn đoạn 8, nơi tay máy sẽ thực hiện khoan một lỗ tạo khoảng trống để nâng cao hiệu quả nổ mìn, giúp tối ưu hóa quá trình thi công.

Trong trường hợp này, khớp quay thứ 7 được mặc định là 7 = π/2, dẫn đến hệ phương trình (6) chỉ còn 6 phương trình với 6 ẩn Sử dụng phương pháp số, cụ thể là phương pháp Newton-Raphson, chúng ta có thể tìm ra các nghiệm 1, 2, 3, 4, 5, và 6.

Hình 2.8 Quỹ đạo khâu thao tác y

Thuật giải của phương pháp lặp Newton – Raphson giải hệ phương trính đại số tuyến tính

 Bước 1: khởi gán k = 0, chọn xấp xỉ giá trị ban đầu x (0)

 Bước 2: Tính f ( x (k ) ) Nếu f ( x (k ) )  thì dừng, nếu không thì tiếp tục bước

 Bước 3: Tính ma trận Jacobi tại x (k) , tức là J(x (k) )

 Bước 6: Tăng k, k = k+1 Nếu k > M với M là số bước lặp đã được chọn trước, thì dừng Nếu không quay lại bước 2

Với J ( x (k ) ) là ma trận Jacobi được xác định tại điểm

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trình bày phương pháp xác định các nghiệm điều khiển cho các xy lanh thủy lực trong hệ thống robot Cụ thể, các biến trung gian như  1,  2,  4, và  5 không phải là các thông số điều khiển động học của tay máy robot Đặc biệt, chúng tôi sẽ tập trung vào việc xác định d 3.1 và d 3.2 để điều khiển hai xy lanh thủy lực khớp vai theo góc.

Xét khớp vai được cho trên hình 2.9 Nếu gọi A3.1, A3.2 là hai tâm khớp quay nối khớp trên của xy lanh với cẳng tay khi đó ta có:

Trong nghiên cứu, R x ( , ) và R z ( , ) là các ma trận quay quanh trục x và z của hệ quy chiếu O0x0y0z0, với n = 1 và 2 tương ứng với từng xy lanh của khớp vai Khi tách từng xy lanh theo dạng chuỗi động học hở (hình 2.10) và áp dụng hệ quy chiếu Denavit-Hartenberg (D-H), ta có thể phân tích cấu trúc và động học của hệ thống một cách hiệu quả.

Bảng thông số D-H được mô tả trong bảng 2.2:

Bảng 2.2 Bảng thông số D-H xy lanh truyền động cụm khớp vai

- d3.n, 1.n , 2.n là các biến khớp, với n = 1 2 

- a1.1, d1.1 là các thông số kích thước các khâu Áp dụng công thức (2.1), ta có các ma trận biến đổi cho từng khâu cụ thể như sau:

1.1 cos 0 sin cos sin 0 cos sin

Như vậy, ma trận biển đổi từ Ma trận biển đổi từ A 3 của Robot về A:

Hình 2.10 Tọa độ D-H cho xy lanh truyền động cụm khớp vai z 1 x 1

 (2.9) Giải theo phương pháp D-H tương tự mục 2.3.2 ở trên, cân bằng hai phương trình (2.8) và (2.9) ta có:

 còn d1.1 là thông số kích thước khâu b) Xác định d 3.3, d3.4 điều khiển hai xy lanh thủy lực khớp vai theo góc

Xét khớp cổ tay được cho trên hình 2.11 Nếu gọi B3.1, B3.2 là hai tâm khớp quay nối khớp trên của xy lanh với cẳng tay khi đó ta có:

Trong đó: R x ( , ), ( , ) 5 R z 4 là các ma trận quay quanh trục x và z của hệ quy chiếu

03{O3x03y03z03}, còn n = 1 và 2 (tương ứng với từng xy lanh của khớp vai)

Tách từng xy lanh về dạng chuối động học hở (hình 2.12) và các hệ quy chiếu được đặt theo Denavit-Hartenberg (D – H) [7] ta có:

Hình 2.11 Cụm khớp cổ tay

Bảng thông số D-H được mô tả trong bảng 2.3:

Bảng 2.3 Bảng thông số D-H xy lanh truyền động cụm cẳng tay

- d3.m,  1.m ,  2.m là các biến khớp, với m = 3 3 

- a2.1, d2.1 là các thông số kích thước Áp dụng công thức (2.1), ta có các ma trận biến đổi cho từng khâu cụ thể như sau:

2.1 cos 0 sin cos sin 0 cos sin

Hình 2.12 Tọa độ D-H cho xy lanh truyền động cụm cẳng tay z 1 x 1

Như vậy, ma trận biển đổi từ Ma trận biển đổi từ B 3 của Robot về B:

Giải theo phương pháp D-H tương tự mục 2.3.2 ở trên, cân bằng hai phương trình (2.8) và (2.9) ta có:

 B3, B4 là tọa độ của các khớp quay trên trong hệ quy chiếu

O3{O3xO3 yO3 zO3} gắn trên phần trượt thứ 2 của cẳng tay Robot, d2.1 là thông số kích thước khâu.

Mô phỏng chuyển động

+ Thông số kích thước động học của Robot

D1 = 500 mm; D4 = 35mm; D6 = 620 mm; D7 = 670 mm; a1 = 120 mm; a4 = 70mm; a5 = 155mm; a7 = 800mm; b1 = 1130 mm; b2 = 720 mm

+ Thông số kỹ thuật hộ chiếu nổ mìn

Nhóm lỗ Bán kính [mm] Số lỗ Góc nghiêng

Tạo biên R1 = 2000 21 85 º so với đường tâm hầm

Khoan trồng R2 = 500 4 0 o Đột phá (0, 3500, 400) 1 0 o Điểm chia quỹ đạo dịch chuyển của một tay máy Robot là n = 2774 điểm Giá trị tọa độ và hướng được trình bày ở phụ lục A

Trong quá trình di chuyển giữa các lỗ khoan, việc đảm bảo sự chuyển động của các khớp không bị thay đổi đột ngột là rất quan trọng Do đó, quá trình di chuyển từ lỗ khoan thứ i đến lỗ khoan thứ i + 1 được chia thành n điểm nhỏ, như minh họa trong hình 2.13.

Dựa trên công thức tọa độ khớp đã được giải, kết hợp với bảng thông số biến khớp được tọa độ hóa từ hộ chiếu nổ mìn, chúng ta có thể tính toán các biến khớp của Robot tại từng thời điểm thi công Kết quả cho thấy đồ thị biến khớp θ1, θ2, θ5 và độ dài các xy lanh 1, 2, 3 theo thời gian.

Phần mềm chuyển động tay máy

Để đáp ứng yêu cầu công nghệ thi công khoan lỗ nổ mìn, luận văn đã phân tích và đưa ra giải pháp thiết kế trong chương 1 và chương 2 Mô hình robot và tay máy được thiết kế và xây dựng trên phần mềm SolidWorks, cùng với đồ thị biến khớp d3.

[ m m ] f) Đồ thị biến khớp  6 Thời điểm

Hình 2.14 minh họa đồ thị biến khớp của tay máy trong quá trình hoạt động, với θ 7 = π/2 Lưu ý rằng giá trị θ 7 sẽ thay đổi khi robot thực hiện khoan lỗ neo gia cố cho vòm hầm Bên cạnh đó, đồ thị biến khớp d 3.2 cũng được đề cập.

[ ] m m a) Đồ thị biến khớp xy lanh d 3.1

Để thiết lập hệ trục tọa độ D-H cho các cụm chi tiết trên tay máy, cần xuất các file dưới định dạng stl Những file stl này sẽ được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động trong phần mềm Visual Studio 2012 Giao diện của phần mềm lập trình Visual Studio 2012 được minh họa trong hình 2.16.

1- Module OpenGL quản lý đồ họa

2- Module OpenGL quản lý thông tin Robot

Module OpenGL quản lý đồ họa gồm các lớp cơ bản như sau:

 OpenGLInit.h & OpenGLInit.cpp: Chứa lớp khởi tạo OpenGL

 Color h & Color cpp: Chứa lớp biểu diễn màu sắc

 Light.h & Light.cpp: Chứa lớp quản lý ánh sáng

 Material.h & Material.cpp: Chứa lớp quản lý vật liệu

Hình 2.16 Giao di ện lập tr ình Visual Studio 2012

Kích thước, hình ảnh, sơ đồ

Xây dựng phương tr ình, thiết lập phương trình, giải phương trình

Hình 2.15 Quy trình mô phỏng chuyển động của Robot

 Vec3D.h: Chứa các lớp tiện ích về vector 3D

 STL_File.h & STL_File.cpp: Chứa lớp đọc file STL

 Vector4D.h: Chứa các lớp tiện ích về vector 4D, matrix 4D

 MayaCamera.h: Chứa các lớp về thao tác chuột

Module OpenGL quản lý thông tin Robot gồm các lớp cơ bản như sau:

 Model.h & Model.cpp: Chứa các lớp quản lý các Model chi tiết, thông số D-H

 Robot h & Robot cpp: Chứa các lớp vẽ và đọc dữ liệu của các chi tiết

Dựa trên kết quả giải bài toán động học ngược, chúng tôi đã xây dựng được biểu thức xác định các biến khớp Kết hợp với bảng thông số quỹ đạo trong phụ lục A, dữ liệu các biến khớp được lưu dưới dạng file txt và nạp vào chương trình mô phỏng Hình 2.17 minh họa quá trình khoan lỗ của tay máy Robot, được lập trình bằng ngôn ngữ C++ trong phần mềm Visual Studio 2012.

Chương 2 đã nghiên cứu sâu động học cơ cấu chấp hành, mô hình hóa chuyển động cơ cấu tay máy, xây dựng phương trình động học và xác định được các biến điều khiển tay máy khoan lỗ nổ mìn tay máy khoan lỗ nổ mìn Sau đó phần mềm mô phỏng để kiểm chứng, kết quả đã mô phỏng quỹ đạo của tay máy phản ánh đúng với công nghệ khoan nổ mìn

Hình 2.17 Mô phỏng quá trình khoan của tay máy

TÍNH TOÁN LỰA CHỌN HỆ THỐNG XY LANH THỦY LỰC VÀ MỘT SỐ KHỚP

Đặt vấn đề

Chương này trình bày bốn nhiệm vụ chính đó là:

- Thiết lập biểu thức tính chọn hành trình xy lanh theo yêu cầu về kích thước và công nghệ mà thiết bị cần phải đáp ứng

- Thiết lập biểu thức tính chọn áp lực xy lanh để đáp ứng được yêu cầu về lực

- Phân tích và tính các lực tại một số khớp

- Một số dạng phá huỷ thường gặp của khớp và tính kiểm nghiệm bền cho khớp

Dưới đây là nội dung cụ thể:

Mô hình hoá kết cấu về dạng nguyên lý

1- Khâu cố định của Robot ( gắn trên xe hai thân)

2- Khớp các- đăng tạo góc xoay, lật

3- Hai xy lanh được điều khiển đồng thời tạo chuyển động xoay, lật cánh tay Robot

4- Khớp các-đăng tạo chuyển động xoay trong không gian của hai xy lanh 5- Khâu cẳng tay

6- Khớp các-đăng đỡ cẳng tay tạo chuyển động xoay, lật Để thuận tiện cho quá trình tính toán, cần phải mô hình hóa kết cấu về dạng lược đồ được mô tả ở hình 3.2:

Hình 3.1 Cơ cấu cụm khớp vai trong tay máy Robot

Cơ cấu hoạt động theo nguyên lý sau: Điều khiển cẳng tay gật gù lên xuống được điều khiển nhờ xy lanh

Như vậy nhiệm vụ cần xác định với cơ cấu khớp vai Robot là:

 Xác định hành trình của xy lanh để đảm bảo cẳng tay được gật gù từ [ 1min ÷ 1max ];

 Xác định hành trình của hai xy lanh để đảm bảo cẳng tay quay trái, quay phải ở góc [2min÷2max];

 Xác định áp lực xy lanh để lựa chọn xy lanh đảm bảo nâng được cánh tay theo yêu cầu công nghệ mà Robot đáp ứng

2- Khớp lắp xy lanh thủy lực

4- Khâu cố định được gắn với phần giữa khớp và khớp  

5- Khớp lắp cần pittong của xy lanh thủy lực

Từ kết cấu được mô tả trên hình 3.3 ta có lược đồ của cụm cơ cấu lật khớp vai được mô tả trên hình 3.4:

Hình 3.3 Cơ c ấu cụm cẳ ng tay tay máy

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cụm xoay, lật khớp vai tay máy Robot

Cơ cấu hoạt động theo nguyên lý sau:

Xy lanh thủy lực được lắp đặt bên trong khâu cố định qua hai khớp, giúp tạo ra chuyển động tịnh cho cơ cấu cẳng tay.

Như vậy nhiệm vụ cần xác định với cơ cấu khớp vai Robot:

 Xác định hành trình của xy lanh để đảm bảo cẳng tay vươn tới đúng vị trí yêu cầu

 Xác định áp lực xy lanh để lựa chọn xy lanh đảm bảo nâng được cánh tay theo yêu cầu công nghệ mà Robot đáp ứng

3.2.3 Cụm khớp cổ tay Robot

1- Gối đỡ cố định (gắn trên cánh tay Robot)

2- Khớp các-đăng tạo chuyển động xoay lật

3- Giá đỡ động cơ xoay

4- Khớp các-đăng tạo chuyển động xoay trong không gian của 2 xy lanh 5- Hai xy lanh điều khiển đồng thời tạo chuyển động xoay lật

6- Khớp các-đăng tạo góc xoay lật

Từ kết cấu được mô tả trên hình 3.5 ta có lược đồ chuyển động tịnh tiến cẳng tay Robot được mô tả trên hình 3.6:

Hình 3.5 Cụm cơ cấu khớp cổ tay trong Robot

5 Hình 3.4 Lược đồ cụm cẳng tay Điều khiển cổ tay gật gù lên xuống được điều khiển nhờ xy lanh

Như vậy nhiệm vụ cần xác định với cơ cấu khớp cổ tay Robot:

 Xác định hành trình của hai xy lanh để đảm bảo cẳng tay được gật gù từ [4min÷4max]

 Xác định hành trình của xy lanh để đảm bảo cẳng tay được gật gù từ [5min÷5max]

 Xác định áp lực xy lanh để lựa chọn xy lanh đảm bảo nâng được cổ tay theo yêu cầu công nghệ mà Robot đáp ứng

Từ kết cấu được mô tả trên hình 3.7 ta có sơ đồ nguyên lý của cụm xoay giá đỡ Robot được mô tả trên hình 3.8:

Như vậy nhiệm vụ cần xác định với cơ cấu khớp cổ tay Robot:

 Xác định hành trình của xy lanh để đảm bảo giá khoan quay trái và quay phải từ [ 6min ÷ 6max ]

Hình 3.7 Mô hình không gian của giá đỡ

Hình 3.8 Sơ đ ồ nguy ên lí cơ c ấu cụm xoay giá đỡ

4 Hình 3.6 Lư ợc đồ c ơ cấu xoay, lật khớp cổ tay máy

 Xác định áp lực xy lanh để lựa chọn xy lanh đảm bảo nâng được cổ tay theo yêu cầu công nghệ mà Robot đáp ứng.

Tính hành trình xy lanh khớp quay vai

Trong mặt phẳng Oxz, khớp 2 được giả định là hóa cứng, và khâu cẳng tay xoay quanh trục của khớp 2 Do đó, cơ cấu được mô hình hóa theo dạng lược đồ như hình 3.9.

- H 1 là khoảng cách từ khớp vai đến 2 khớp xy lanh

- L1 là khoảng cách từ khớp vai đến khớp cầu

- 1min là góc gật gù cao nhất

-  1max là góc gật gù thấp nhất

-  12max là chiều dài lớn nhất của hai xy lanh chiếu lên mặt phẳng Oxz

-  12min là chiều dài nhỏ nhất của hai xy lanh chiếu lên mặt phẳng Oxz

- H3 là khoảng cách từ B1 đến B23 chiếu lên mặt Oxz, được xác định bởi công thức: H 3  H 1 2 (O 1 B 1 O 23 B 23 ) 2 ;

- φ là góc được xác định bởi công thức 

Xét ΔO1O2,3A, ta áp dụng định lý hàm số cos, ta có :

 (3.2) Mặt khác, chiếu cơ cấu lên mặt phẳng B2B3A, ta có:

12Hình 3.9 Chuyển động gật gù chiếu trên trục Oxz

- B 2 B 3 là khoảng cách của khớp nối với xy lanh tại mặt bích

- A1A2 là khoảng cách của khớp nối với xy lanh trên khâu 1

-  1 ,  2 là chiều dài xy lanh

AH đã được xác định ở bước trên thông qua xác định  12 max và  12 min thông qua công thức (3.1) và (3.2)

Xét trong mặt phẳng đi qua B2B3A2A1, khi đó 4 điểm B2, B3, A2 và A1 tạo ra một hình thang cân và xét trong các trường hợp sau:

 Trường hợp vị trí cao nhất

Khi đó AH = l12max, chiều dài xy lanh 1 và 2 được tính theo công thức:

Với B3H, AA1 là khoảng cách phụ thuộc vào kích thước kết cấu

Do giá trị chiều dài luôn là giá trị dương, nên ta chọn giá trị dương trong công thức (3.3) là giá trị của  1max và  2max

 Trường hợp vị trí thấp nhất

Khi đó AH =  12min, chiều dài xy lanh 1 và 2 được tính theo công thức:

Với B3H, AA1 là khoảng cách phụ thuộc vào kích thước kết cấu

Do giá trị chiều dài luôn là giá trị dương, nên ta chọn giá trị dương trong công thức (3.4) là giá trị của  1min và  2min

Dựa vào chiều dài xy lanh tại hai vị trí cao nhất theo công thức (3.3) và vị trí thấp nhất theo công thức (3.4), chúng ta có thể xác định hành trình xy lanh tương ứng.

3.3.2 Chuyển động xoay Để đơn giản hóa về mặt mô tả vị trí xoay lật trong từng trường hợp, ta tách khâu 2 (cẳng tay) và xét các vị trí chuyển động trong không gian

- Vị trí (1): Gần nhất, cao nhất;

- Vị trí (2): Gần nhất, thấp nhất;

- Vị trí (3): Xa nhất, thấp nhất;

- Vị trí (4): Xa nhất, cao nhất

Do tính đối xứng của 2 xy lanh, để lựa chọn hành trình trình xy lanh ta tiến hành so sánh hành trình xy lanh ở hai vị trí (1) và (2)

 Vị trí (1) Đặt hệ trục tọa độ O1x1y1z1 tại gốc O1 của mô hình Giả sử cơ cấu quay quanh khớp

Khi một góc bằng  1max, giả thiết khớp (2) được coi là cứng, cơ cấu quay quanh khớp (1) với góc  2max, mô hình hóa cơ cấu như hình 3.12 Chuyển động này có thể được chiếu lên mặt phẳng Oxy x.

 1min b) Chuyển động xoay chiếu lên mặt phẳng Oxz

Hình 3.11 Mô hình hóa chuyển động xoay trái phải của cơ cấu a) Chuyển động xoay gắn trên hệ trục tọa độ Oxyz y z

- H1 là khoảng cách từ khớp vai đến 2 khớp nối với xy lanh

- H2 là khoảng cách giữa 2 chốt dưới xy lanh

- L 1 là khoảng cách từ B 1 đến A

-  1 , 2 là chiều dài hai xy lanh 1 và 2

- O 1 B 1 , O 2 B 2, O 3 B 3 là khoảng cách hai khớp

-  1max là góc gật gù cao nhất

- 2max là góc quay trái phải lớn nhất

Đoạn B1A có độ dài L1, và bằng cách áp dụng phương pháp hình chiếu trong không gian, ta chiếu đoạn O1A lên các trục Ox, Oy, Oz Từ đó, ta xác định được tọa độ của các điểm xA, yA, zA thông qua các công thức tương ứng.

Từ hình 2.8, có thể xác định được tọa độ hai điểm B2[O2B2.cos2max,

Từ tọa độ điểm A, ta có thể xác định tọa độ của điểm A1 là [xA + AA1 sin(θ2max), yA - AA1 cos(θ2max), zA] và tọa độ của điểm A2 là [xA - AA2 sin(θ2max), yA + AA2 cos(θ2max), zA].

Ta sử dụng công thức tính độ dài trong không gian, ta có:

Hình 3.12 Mô hình hóa cơ cấu vị trí (1) H

- (1)  1 là chiều dài xy lanh 1 ở vị trí αmax

- (1)  2 là chiều dài xy lanh 2 ở vị trí αmax

Thay thế tọa độ điểm xA, yA, zA từ các công thức (3.6), (3.7), (3.8) vào công thức tính độ dài trong không gian (3.9) và (3.10), ta có thể xác định được độ dài của xy lanh  1 và  2 trong chuyển động xoay của cơ cấu.

Để tính hành trình xy lanh tại vị trí (2), chúng ta áp dụng phương pháp tương tự như ở vị trí (1), với cơ cấu quay quanh khớp (2) một góc αmin, hóa cứng khớp (2) và quay quanh khớp (1) một góc β Hệ thống được mô hình hóa trong hệ tọa độ Oxyz như hình 3.13.

- H1 là khoảng cách từ khớp vai đến 2 khớp xy lanh

- H 2 là khoảng cách 2 xy lanh

- L1 là khoảng cách từ khớp 2 đến khớp cầu

-  1,  2 là chiều dài hai xy lanh 1 và 2

- O1B1, O2B2, O3B3 là khoảng cách hai khớp

- 1min là góc gật gù thấp nhất

- 2max là góc quay trái phải lớn nhất

Dựa vào mô hình hóa cơ cấu trong không gian, ta dễ dang tìm được vị trí tọa độ điểm A trong hệ trục Oxyz:

1 sin 1min z A  L  (3.13) Theo hình 3.13, ta xác định được tọa độ điểm A 1 và A 2 được xác định A 1 [x A +

Hình 3.13 Mô hình hóa cơ cấu ở vị trí (2)

,điểm B2 và B3 có tọa độ B2[O2B2.cos 2max , O2B2.sin 2max +O2H,-H1] và

B3[O3B3.cos2max, O3B3.sin2max-O3H), -H1] dựa vào công thức tính khoảng cách trong không gian:

- (2)  1 là chiều dài xy lanh 1 ở vị trí αmin ;

- (2)  2 là chiều dài xy lanh 2 ở vị trí αmin

Dựa trên chiều dài xy lanh ở vị trí cao nhất, gần nhất và vị trí thấp nhất, ta xác định hành trình xy lanh (1) và (2) Nhờ tính đối xứng qua mặt phẳng Oxz, chúng ta cũng có thể xác định hành trình xy lanh (3) và (4).

Từ biểu thức (3.14) và (3.15), ta lựa chọn được hành trình của xy lanh trong chuyển động xoay trái phải

Tính toàn hành trình xy lanh khớp cổ tay

Xét trong mặt phẳng Oxz, trong khi đó khớp 1 được giả thiết hóa cứng, khâu cổ tay xoay quanh trục khớp 2:

Góc gật gù cần thiết của giá đỡ động cơ xoay (α) và góc gật gù của tấm đỡ (γ) so với phương Ox là khác nhau, do đó cần xác định mối quan hệ giữa hai góc này để thuận tiện cho việc tính toán Mối quan hệ giữa góc θ4 và γ được thể hiện rõ trong hình 3.15.

Hình 3.14 Chuyển động gật gù trong không gian Oxyz

Tam giác vuông DMC có DN  MC suy ra:

 MDN MCD (3.19) Tam giác BCP có  BCP  90   (3.20)  MCD   DCB   BCP  180  (3.23)

Góc  DCB ta lấy từ thông số của giá đỡ động cơ xoay bằng 120 

Ta có:  120   90    180  (3.24) Vậy ta có được mối quan hệ giữa  và  :

      (3.25) a) Xác định độ dài xy lanh  12 min khi góc đạt giá trị αmax

Ta xét trong trường hợp, xi lanh di chuyển lên vị trí cao nhất khi góc đạt giá trị αmax được mô tả như trên hình 3.16:

- L1 là khoảng cách từ khớp cổ tay gật gù đến khớp xoay của xy lanh

Hình 3.15 Mối quan hệ giữa  4 và 

Hình 3.16 Độ dài  12 min khi góc đạt giá trị  max

- L2 là khoảng cách từ khớp cổ tay đến khớp tạo chuyển động xoay lật của xy lanh

- Góc  ta lấy từ thông số của giá đỡ động cơ xoay

- là góc giữa O23B và mặt phẳng Oxy

Xét tam giác O23AB: max max

 O AB (3.26) Áp dụng định lí hàm số cos ta có:

 (3.27) b) Xác định độ dài xy lanh  12 max khi góc đạt giá trị αmin

Ta xét trong trường hợp, xi lanh di chuyển xuống vị trí thấp nhất khi góc đạt giá trị αmin được mô tả như trên hình 3.17:

Xét tam giác O23AB: min min

 O AB (3.28) Áp dụng định lí hàm số cos ta có:

Mặt khác, chiếu cơ cấu lên mặt phẳng O2O3A ta có:

Hình 3.17 Độ dài  12 max khi góc đạt giá trị  min

- O2O3 là khoảng cách giữa đầu của 2 xy lanh gắn với gối đỡ

- A1A2 là khoảng cách giữa đầu của 2 xylanh gắn với tấm đệm

- O23A đã được xác định thông qua bước tính toán trên và bằng  12

Xét trong mặt phẳng đi qua O2O3A2A1, khi đó 4 điểm O2O3A2A1 tạo thành hình thang cân Ta xét trong các trường hợp:

Khi đó O23A =  12 min và độ dài xy lanh 1 và 2 được tính theo công thức:

 (3.30) với H1,H2 là khoảng cách cho trước

Do chiều dài của xy lanh luôn dương nên ta chọn giá trị của  1 min và  2 min là:

Khi đó O23A =  12 max và độ dài xy lanh 1 và 2 được tính theo công thức:

 (3.32) với H 1 ,H 2 là khoảng cách cho trước

Do chiều dài của xy lanh luôn dương nên ta chọn giá trị của  1 max và  2 max là:

Từ các chiều dài xy lanh tính được ở hai vị trí cao nhất và vị trí thấp nhất, ta xác định được hành trình xy lanh tương ướng:

Hxy lanh được tính theo công thức: Hxy lanh =  1 max  1 min   2 12 max (H 2 H 1 ) 2   2 12 min (H 2 H 1 ) 2 Để đơn giản hóa việc mô tả vị trí xoay lật trong từng trường hợp, chúng ta cần xem xét các vị trí chuyển động của xy lanh trong không gian.

- Vị trí (I): Xa nhất, cao nhất z x y

Hình 3.19 Chuy ển động xoay trong không

- Vị trí (III): Gần nhất, thấp nhất

- Vị trí (IV): Xa nhất, thấp nhất

Do tính đối xứng của hai xylanh, việc lựa chọn hành trình xylanh được thực hiện bằng cách so sánh hành trình ở hai vị trí (I) và (III) Để xác định độ dài xylanh tại góc đạt giá trị  4max và góc xoay trái nhất  5max (vị trí (I)), trước tiên cần xem xét trường hợp cơ cấu với góc đạt giá trị  max và góc xoay trái  bằng không, như mô tả trong hình 3.20.

- a là độ dài của khớp nối O1B

- A3 là hình chiếu của điểm A lên Ox

Tọa độ điểm A được xác định với các công thức: xA = O1A3 = O1B + BA3 = a + L1cos( max + ), yA = 0, và zA = L1sin( max + ) Trong trường hợp xi lanh di chuyển lên vị trí cao nhất và xoay về bên trái nhất ( max và  max), điều này được mô tả trong hình 3.21.

Hình 3.20 Xác định tọa độ điểm A khi góc đạt giá trị  max

- xO2, yO2, zO2 là tọa độ khớp O2

- xO3, yO3, zO3 là tọa độ khớp O3

Để tính độ dài của hai xy lanh,  1 và  2, cần xác định tọa độ các điểm A1 và A2 trong hệ tọa độ Oxzy Để thuận tiện cho việc tính toán, cơ cấu được chiếu lên mặt phẳng Oxy như mô tả trong hình 3.22.

Do cơ cấu quay quanh trục Oz, độ dài đoạn O1A3 không đổi và có giá trị như đã tính ở (3.35) Tọa độ điểm A3 được xác định bởi các giá trị z, x, y.

Hình 3.21 Cơ cấu khi góc xoay trái nhất  max và góc đạt giá trị  max

Hình 3.22 Cơ cấu chiếu lên mặt phẳng Oxy

R x A3 = O 1 A 3 cos 5max = (a + L 1 cos( max ))cos 5max (3.38) yA3 = O1A3.sin 5max = (a + L1cos( max ))sin 5max (3.39)

Dễ thấy tam giác O 1 Rx A1 đồng dạng với tam giác A 1 RA 3 nên có:

Tọa độ điểm A1 được xác định bằng công thức: xA1 = (a + L1cos( max + ))cos 5max - H2 sin 5max và yA1 = (a + L1cos( max + ))sin 5max + H2 cos 5max Tương tự, tọa độ điểm A2 được tính bằng: xA2 = (a + L1cos( max + ))cos 5max + H2 sin 5max và yA2 = (a + L1cos( max + ))sin 5max - H2 cos 5max.

Do cấu trúc quay quanh trục Oz, độ cao của điểm A không thay đổi, dẫn đến z A1 = z A2 = z A = L 1 sin( max + ) Từ đó, tọa độ của điểm A1 và A2 được xác định Độ dài của hai xy lanh được tính theo công thức đã nêu.

Để xác định độ dài của hai xy lanh trong chuyển động xoay trái của cơ cấu, ta thay tọa độ các điểm A1 và A2 vào các công thức (3.41), (3.42), (3.43), (3.44) và (3.45) vào công thức (3.46) và (3.47) Bên cạnh đó, cần xác định độ dài xy lanh khi góc đạt giá trị α min và góc xoay phải nhất β min tại vị trí (III).

Ta xét đến trường hợp cơ cấu ở vị trí thấp nhất ( min ) và xoay sang phải nhất ( min ) được mô tả như trên hình 3.23: z x

5 y Hình 3.23 Chuyển động xoay trong không gian Oxyz

Để tính tọa độ điểm A, ta sử dụng công thức xA = a + L1cos( +  min), yA = 0 và zA = L1sin( +  min) Tiếp theo, chúng ta chiếu cơ cấu lên mặt phẳng Oxy như hình 3.24 để xác định tọa độ A1 và A2.

Tọa độ điểm A3 trong mặt phẳng Oxy được xác định bằng công thức xA3 = (a + L1cos( +  min))cos 5min và yA3 = (a + ( +  min))sin 5min Từ đó, tọa độ điểm A1 được tính toán với xA1 = (a + L1cos( +  min))cos 5min + H2sin 5min và yA1 = (a + ( +  min))sin 5min - H2cos 5min Tương tự, tọa độ điểm A2 được xác định qua xA2 = (a + L1cos( +  min))cos 5min - H2sin 5min và yA2 = (a + ( +  min))sin 5min + H2cos min.

Do cấu trúc quay quanh trục Oz, độ cao của điểm A không thay đổi, tức là zA1 = zA2 = zA = L1sin( +  min) Từ đó, tọa độ của các điểm A1 và A2 được xác định Độ dài của hai xy lanh có thể được tính theo công thức đã nêu.

Bằng cách thay tọa độ các điểm A1 và A2 vào các công thức (3.33), (3.34), (3.35), (3.36) và (3.57), chúng ta có thể áp dụng vào công thức (3.58) và (3.59) để tính toán độ dài của hai xy lanh trong chuyển động xoay phải của cơ cấu.

Hình 3.24 Cơ cấu chiếu lên mặt phẳng Oxy

Dựa trên việc xác định chiều dài xy lanh tại vị trí cao nhất (I) và vị trí thấp nhất (III), chúng ta sẽ lựa chọn hành trình cho xy lanh 1 và 2.

Từ biểu thức (3.60) và (3.61) ta lựa chọn được hành trình xy lanh trong chuyển động xoay trái phải:

Tính chọn xy lanh

3.5.1 Tính toán áp lực lên các xy lanh

 Tính toán áp lực xy lanh 1 và xy lanh 2

Gắn trục tọa độ Oxyz lên mô hình cơ cấu trong không gian giúp chúng ta biểu diễn các lực tác động lên tải cơ cấu, như thể hiện trong hình 3.25.

- P là hợp lực tác dụng lên khâu 1 bao gồm: trọng lực của cụm tay khoan, cổ tay

- P  51 là trọng lực khâu động của cẳng tay

-  P 52 là trọng lực của khâu cố định của cẳng tay

- P  31 , P  32 là trọng lực của xy lanh

- F  1 , F  2 là áp lực 2 xy lanh (1) và (2) phải chịu

Hợp lực F  12 được tạo thành từ hai lực F  1 và F  2 Để tính áp lực lên các xy lanh, cần tách hai xy lanh và thay thế bằng hai phản lực từ chúng, tác động lên hai khớp gắn với khâu 5 tại vị trí A.

Hình 3.25 Biểu diễn lực tác dụng lên khâu 5

Các thành phần lực tác dụng lên hai xy lanh:

Như đã phân tích đây là trường hợp tổng quát để xác định được áp lực xy lanh max

 F và để giải quyết vấn đề này ta cần xét các trường hợp dưới đây a) Trường hợp cẳng tay gật gù

Khi hai xy lanh được điều khiển với cùng độ dài và áp lực đẩy, giá trị của nhau bằng nhau Từ động học, ta có theo dõi hai vị trí của cơ cấu, đó là vị trí cao nhất ( 1max) và vị trí thấp nhất ( 1min).

 Trường hợp cao nhất ( 1max)

Xét trong mặt phẳng xoz ta có hình 3.28 là vị trí cao nhất, vươn xa nhất của cẳng tay

Hình 3.26 Các thành phần tác dụng lên khâu 5 khi bỏ hai xy lanh

Hình 3.27 Biểu diễn lực tác dụng lên xy lanh

- P là hợp lực tác dụng lên khâu 1 bao gồm: trọng lực của cụm tay khoan, cổ tay

 P là trọng lực khâu động của cẳng tay

 P là trọng lực của khâu cố định của cẳng tay

 F là hợp lực của hai xy lanh tác động lên khâu 5

- L1 là khoảng cách tử tâm quay B1 đến khớp cầu

- c1 là khoảng cách từ B1 đến điểm đặt của hợp lực P

- c2 là khoảng cách từ B1 đến điểm đặt của trọng lực 51

- c3 là khoảng cách từ B1 đến điểm đặt của trọng lực 52

P  Để tìm được hợp lực F  12 ta phân tích thành các lực như hình 3.29:

Hình 3.28 Biểu diễn lực tác dụng lên khâu 5 trong trường hợp α max x z

- P là tải trọng tác dụng lên khâu 1 bao gồm: trọng lực của cụm tay khoan, cổ tay

 P là thành phần lực dọc trục khâu 5 của P 

 P là thành phần lực vuông góc khâu 5 của P 

 P là trọng lực khâu động của cẳng tay

 P là thành phần lực dọc trục khâu 5 của 51

 P là thành phần lực vuông góc khâu 5 của 51

 P là trọng lực của khâu cố định của cẳng tay

 P là thành phần lực dọc trục khâu 5 của 52

 P là thành phần lực vuông góc khâu 5 của 52

- F  12 là hợp lực của hai xy lanh tác động lên khâu 5

F 121là thành phần lực dọc trục khâu 5 củaF  12

F 122là thành phần lực vuông góc khâu 5 của F  12

- γ1 là góc hợp giữa phương của 52

- à là gúc tạo giữa phương của F  12 và trục khõu 5

- γ2 là góc hợp giữa phương của 51

Hình 3.29 Phân tích lực tác động lên khâu 5 trong trường hợp α max

- γ 3 là góc hợp giữa phương của P  và phương của 2

Ta có  P 51 và có phương vuông góc với trục ox nên  1  2  3  1max

Ba thông số trên đã được xác định ở phần tính hành trình Áp dụng định lý hàm số cos trong  B 1 B 2 , 3 A ta có:

Ta có phương trình cân bằng mômen đối với tâm quay B 1 :

 m B 1    F  k      P c 52 3 cos 1max  P c 51 2 cos 1max  Pc 1 cos 1max  F L 12 1 sin

(3.65) Để cơ cấu trong trạng thái tĩnh thì tổng mômen bằng 0

Trường hợp thấp nhất ( 1max)

Tương tự với trường hợp cơ cấu ở vị trí cao nhất, các thành phần lực tác dụng lên cơ cấu được biểu diễn như hình 3.30:

Hình 3.30 Lực tác dụng lên cơ cấu trong trường hợp α min

Các thành phần lực tác động lên cơ cấu tương tự như trong phần cơ cấu ở vị trí cao nhất Để xác định lực F12, cần phân tích lực theo hình 3.31.

Trong đó, các thành phần lực đã được xác định tương tự như trong trường hợp cơ cấu ở vị trí cao nhất

Dựa trên cơ sở tính toán các góc đã nêu ở trên, ta viết được phương trình cân bằng momen tại tâm quay B1:

1 52 3 cos 1min 51 2 cos 1min 1 cos 1min 12 1 sin

 (3.68) Để cơ cấu được ở trạng thái tĩnh thì tổng momen bằng 0

 Xác định áp lực xy lanh phải chịu trong từng xy lanh

Dựa trên cơ sở tính toán F 12 ở phần trên chiếu lên mặt phẳng AB 2 B 3 , ta được hình 3.32:

Hình 3.31 Phân tích lực tác dụng lên khâu 5 trong trường hợp α min

Với l 1 = l 1max đã được xác định ở phần xác định tính hành trình xy lanh Từ đó, ta xác định được góc θ:

  (3.72) Theo tính chất 2 góc sole trong bằng nhau, ta tìm dược góc tạo bởi 1

 F Do lực tác dụng lên 2 xy lanh là động thời nên 1 2

F Từ đó ta xác định được áp lực xác định lên 2 xy lanh:

Theo cơ sở xác định tính toán lực F12 đã nêu ở phần trên, ta tìm được lực ở F1 và F 2 tương ứng với trong từng trường hợp α max và α min

Hình 3.32 Mặt phẳng B 2 NB 3 trong trường hợp gật gù

  (3.75) b) Trường hợp xoay trái phải

Để xác định áp lực cần thiết cho hai xy lanh trong chuyển động gật gù, chỉ cần xem xét hai vị trí gần nhất: vị trí cao nhất và vị trí thấp nhất.

 Vị trí cao nhất, gần nhất

Biểu diễn lực tác dụng lên cơ cấu như hình 3.33:

Chiếu lên mặt phẳng π, ta phân tích lực được tác dụng như hình 3.34:

Hình 3.34 Phân tích lực tác động lên khâu 5 trong trư ờng hợp

Hình 3.33 Biểu diễn lực tác dụng lên cơ c ấu trong không gian trong trư ờng hợp cao nhất gần nhất

Dựa vào hình 3.34, ta có thể xác định phương trình cân bằng mômen trong mặt phẳng π tại tâm quay B1, với các góc và giá trị lực được xác định tương tự như phần tính áp lực xy lanh trong chuyển động gật gù.

Từ điều kiện tĩnh là tổng mômen bằng 0:

 Vị trí thấp nhất, gần nhất

Tương tự với vị trí cao nhất, thấp nhất Ta biểu diễn lực tác dụng lên cơ cấu trong không gian như hình 3.35:

Chiếu vào mặt phẳng π, ta được hình phân tích lực tác dụng vào cơ cấu như hình 3.36

Hình 3.36 Phân tích lực tác dụng lên khâu 5 trong trường hợp α min trong mặt phẳng π

Hình 3.35 Lực tác dụng lên cơ c ấu trong trường hợp α min

Tương tự ở vị trí thấp nhất và gần nhất Ta xác định được lực F12 ở vị trí thấp nhất, gần nhất

Chiếu lên mặt NB 2 B 3 ,ta được hình biểu diễn lực như hình 3.37:

Hình 3.37 Mặt phẳng O 2 AO 3 trong trường hợp xoay

FNMQPFNP ΔAA2H, ta có:

Ta cũng có thể tính được:

Từ đó, ta tính được lực F1 và F2 ;

Từ các lực F1 và F2 vừa tìm được, ta tìm được áp lực xy lanh phải chịu

Theo cơ sở tính toán   3 F 12 và   4 F 12 ta có:

Theo cơ sở tính toán ở 2.3 từ đó ta tìm được áp lực lớn nhất tác dụng lên xy lanh là:

F xylanh  (3.91) c) Ví dụ áp dụng

Các thông số về góc cho trước :

Các thông số về khối lượng : m1 = 160 kg, m2 = 100 kg, P = 5000 N

Trường hợp khớp vai xoay lật (β=0):

Trường hợp khớp vai xoay trái phải :

Hình 3.38 Độ thị phân bố áp lực và độ dài xy lanh trường hợp  2 =0

Hình 3.39 Độ thị phân bố áp lực và độ dài xy lanh trường hợp  1 =  1max Áp lực lớn nhất tác động lên xy lanh : Fmax = 33352 N

 Tính toán áp lực xy lanh 3

Từ sơ đồ nguyên lý sự tác dụng của các lực T và R lên cơ cấu cẳng tay được thu gọn về lực F như hình 3.41

- : Là góc nâng lên của khớp dưới

- : Góc giữa tải trọng phụ R và trục x’ 

- T: Tải trọng tác dụng theo phương thẳng đứng

- R: Tải trọng phụ tác dụng theo phương hợp với trục x’ một góc 

- F: Tải trọng tổng hợp tác dụng lên cơ cấu cẳng tay

Tải trọng tổng hợp F được tính theo công thức:

Như vậy sơ đồ lực sau khi đã thu gọn về hợp lực F có thể được mô tả như hình 3.42:

Hình 3.41 Sơ đồ thu gọn lực T và R y x

Hình 3.40 Độ thị phân bố áp lực xy và độ dài xy lanh trường hợp  1 =  1min

- : Góc quay của khớp lật 

- : Góc giữa phương của lực F với trục x’ 

- H1: Hành trình xy lanh đẩy

- P2: Trọng lực của toàn bộ khâu tịnh tiến

Theo yêu cầu thiết kế với:

+ Tải trọng R có phương thẳng đứng

Vậy ta có tổng lực là:

Để xác định lực đẩy mà xy lanh cần đạt được, ta nhận thấy lực đẩy xy lanh đạt lớn nhất khi lực tác dụng lên xy lanh lớn nhất, ứng với khi tổng lực theo phương x' đạt giá trị lớn nhất Do đó, góc theo giá trị cao nhất αmax sẽ là cơ sở để xác định lực đẩy cần thiết của xy lanh.

Lực F chiếu lên hệ tọa độ x’O’y’ gồm 2 thành phần Fx’ và Fy’

Chiếu các lực lên hệ tọa độ x’O’y’ để tính toán lực đẩy Fđ như hình 3.43:

-  max: Góc nâng tối đa của khớp dưới

- : Góc giữa phương của lực F với trục x’ 

- P 2 : Trọng lực của toàn bộ khâu tịnh tiến

Hình 3.43 Sơ đồ tính toán lực đẩy xy lanh

Hình 3.42 Sơ đồ lực đã được thu gọn

- P2x’: Trọng lực của toàn bộ khâu tịnh tiến theo phương x’

- P2y’: Trọng lực của toàn bộ khâu tịnh tiến theo phương y’

- Fx’: Tải trọng tổng hợp tác dụng lên cơ cấu cẳng tay theo phương x’

Tải trọng tổng hợp tác dụng lên cơ cấu cẳng tay theo phương y’ được xác định thông qua độ lớn của các lực P2x’, Fx’ và lực tổng hợp Nx’.

N x  x  x   (3.93) Với P2 không đáng kể so với tổng tải trọng tác dụng F và  max  70 0 nên ta có:

Lực đẩy của xy lanh hướng theo phương trục x’ và ngược với chiều của P2x’ và Fx’, có độ lớn bằng tổng các lực tác động theo phương x’ Để xác định độ lớn của lực đẩy xy lanh, cần thỏa mãn công thức liên quan.

 Tính toán áp lực xy lanh 4, 5

Gắn trục tọa độ khong gian Oxyz lên mô hình cơ cấu trong không gian, ta được các lực mà tải cơ cấu phải chịu tác động như hình 3.44:

- P là hợp lực tác dụng lên khớp lật cổ tay là trọng lực của cụm tay khoan

- P 31 , P 32 , P 33 là trọng lực các phần giá đỡ động cơ xoay

- P 4 là trọng lực khớp các đăng

- P 51 , P 52 là trọng lực của xy lanh

Áp lực F1 và F2 là lực tác động lên hai xy lanh (1) và (2) Để tính toán áp lực trên các xy lanh, cần tách rời hai xy lanh và thay thế bằng hai phản lực từ chúng, tác động lên các khớp gắn tại vị trí A.

Hình 3.44 Biểu diễn lực tác dụng lên khớp lật cổ tay

Tổng hợp hai lực thành phần F 1 và F 2 , ta có lực F 12 được biểu diễn như hình 3.46:

Để tính toán áp lực trong xy lanh, cần xác định các lực F1 và F2 Để giải quyết bài toán này, chúng ta phải xem xét các trường hợp khác nhau, trong đó có trường hợp cẳng tay gật gù.

 Trường hợp cao nhất (  max )

Xét trong mặt phẳng xOz ta có hình 3.47 là vị trí cao nhất, gần nhất của cẳng tay

Hình 3.47 Phân tích lực tác động lên khâu trong trường hợp 

Hình 3.46 Tổng hợp hai lực thành phần F 1 và F 2

Hình 3.45 Các thành phần lực tác dụng lên khâu khi bỏ hai xy lanh

- P, P 31 , P 32 , P 33 , P4 lần lượt là trọng lực khâu công tác và các phần giá đỡ động cơ xoay

Lực F12 là sự kết hợp của hai áp lực xy lanh F1 và F2 Để xác định F12, cần phân tích lực tác động lên khâu và sử dụng các thông số hình học để tính toán trong trường hợp γ max, như minh họa trong hình 3.48.

Gọi lần lượt khoảng cách đoạn BC = C 1 ; CF = C 2 ; AF = C 3 , DE = C 4 , AB L 1 , O 23 B  L 2 , IB=L 3

Phương trình cân bằng mômen với tâm quay B như sau :

Hình 3.48 Phân tích lực tác dụng lên khâu trong trường hợp  max

5 L  h  (3.103) Để cơ cấu trong trạng thái tĩnh thì tổng mômen phải bằng 0

 Trường hợp thấp nhất (  min )

Trong mặt phẳng xOz, hình 3.43 thể hiện vị trí thấp nhất và xa nhất của cẳng tay, tương tự như trường hợp cơ cấu ở vị trí cao nhất Các thành phần tác dụng lực lên cơ cấu được minh họa trong hình 3.49.

- P là hợp lực tác dụng lên khớp lật cổ tay là trọng lực của cụm tay khoan

- P 31 , P 32 , P 33 là trọng lực các phần giá đỡ động cơ xoay

- P 4 là trọng lực khớp các đăng

F12 là tổng hợp của hai áp lực xy lanh F1 và F2 Để xác định F12, cần phân tích lực tác động lên khâu cùng với các thông số hình học, đặc biệt trong trường hợp γ min như được minh họa trong hình 3.50.

Hình 3.50 Phân tích lực tác dụng lên khâu trong trường hợp  min

Hình 3.49 Phân tích lực tác dụng lên khâu trong trường hợp  min

Kí hiệu lượt khoảng cách đoạn BC = C 1 ; CF = C 2 ; AF = C 3 , DE = C 4 , AB L 1 , IB=L 3 và O 23 B  L 2

FCB IBO 1  2 , O 23 AB  3 ,HIB 4 , min 6 min

   Tam giác vuông IBH : min 1

            (3.106) Theo định lý hàm số cos của tam giác AO 23 B:

Ta có phương trình cân bằng mômen với tâm quay B như sau :

5 L  h  (3.113) Để cơ cấu trong trạng thái tĩnh thì tổng mômen phải bằng 0

Chiếu cơ cấu lên mặt phẳng O2O3A 1 A 2 ta có hình 3.50:

Hình 3.51 Mặt phẳng A 1 A 2 O 3 O 2 trong trường hợp gật gù

- O2O3 là khoảng cách giữa đầu của 2 xy lanh gắn với gối đỡ

- A1A2 là khoảng cách giữa đầu của 2 xylanh gắn với tấm đệm

- O23A đã được xác định thông qua bước tính toán trên và bằng  12

Gọi M là giao điểm của và A 2 O 3 , gọi góc  AA 1 M  5 ,  A 1 MA 2  6 ,

O  ,AA 1 H 2 ,A 1 O 2  1 , A 2 O 3  l 2 , NA 1 l 12 tam giác vuông A 1 NO 2 :

 NA (3.115) Xét tam giác vuông O 2 O 23 M, ta có  5   O 2 MO 23  90 

Vì lực F 1 và F 2 hợp với nhau thành một góc  5 Vậy, theo quy tắc hình bình hành, ta có :

Xét trong mặt phẳng đi qua O 2 O 3 A 2 A 1 , ta xét trong các trường hợp sau:

Tại vị trí cao nhất , ta có

Tại vị trí thấp nhất , ta có:

Theo cơ sở xác định tính toán lực F 12 đã nêu ở phần trên, ta tìm được lực F 1 và

F2tương ứng với trong từng trường hợp  max và  min

F (3.120) b) Trường hợp xoay trái phải

Phân tích lực tác động lên một số khớp

3.6.1 Cụm khớp xoay lật vai

 Phân tích lực cụm khớp 6 Để đơn giản trong tính toán, ta kí hiệu các khớp trong cụm khớp vai như hình 3.66:

1- Khâu cố định của Robot (gắn trên xe hai thân)

2- Khớp các-đăng tạo góc xoay, lật

4- Khớp các-đăng tạo chuyển động xoay trong không gian của hai xy lanh 5- Khâu cẳng tay

6- Khớp các-đăng đỡ cẳng tay tạo chuyển động xoay, lật

6.1- Chốt lỗ trên của khớp

Hình 3.66 Cơ cấu xoay, lật khớp vai trong tay máy ầ

6.3- Chốt lỗ dưới của khớp

Để phân tích lực tác dụng lên khâu 5 và khớp tạo chuyển động xoay, lật, ta xem xét trường hợp hai xy lanh chịu áp lực lớn nhất khi cẳng tay ngẩng lên một góc tối đa θ1max và quay sang một góc tối đa θ2max Trong trường hợp này, liên kết tại O1 được coi là một liên kết gồm một gối cố định và một gối di động, trong khi liên kết tại B1 là liên kết bản lề phẳng Để tính toán lực tác dụng lên khớp tại O1 và B1, ta tách riêng khâu 5 và đoạn O1B1 như hình 3.67.

- P  là hợp lực tác dụng lên khâu 1 bao gồm: trọng lực của cụm tay khoan, cổ tay

- P 51 là trọng lực khâu động của cẳng tay

- P 52 là trọng lực khâu cố định của cẳng tay

- F  12 là hợp lực của hai xy lanh tạo thành

- F 12 x là thành phần lực song song với trục O 1 x π của F 12

- F  12 z là thành phần lực vuông góc với trục O1zπ của F12.

- Liên kết tại O1 gồm hai gối đỡ có phản lực liên kết được phân thành:

 Hai thành phần lực cùng phương nhưng ngược chiều nhau là: X  O 1 và

 Một phản lực có phương vuông góc với X  O 1 vàX  ' O 1 là Z  O 1

- Liên kết bản lề phẳng tại B1: Phản lực liên kết được phân tích làm hai thành phần vuông góc với nhau là Z  B 1 và XB 1

- αmax là góc hợp giữa phương của khâu 5 và trục x

- à là gúc hợp giữa phương của lực F  12 và trục khâu 5

- à1 là gúc hợp giữa phương của F 12 x và trục khâu 5

- Tính hai thành phần F 12 x và F  12 z

:: b) Lực tác động l ên đo ạn O 1 B 1 a) Lực tác động l ên khâu 5

Hình 3.67 Lực tác động l ên khâu 5 và đo ạn O 1 B 1

// O1xπ nờn à1 = αmax ( hai gúc đồng vị )

F 12 x  ( 3 ) F 12 cos   max  (3.153) (với ( 3 ) F 12 và à đó được xỏc định ở phần tớnh ỏp lực lờn xy lanh)

: Tổng các lực tác động lên khâu 5 và khớp tại B 1 theo phương O 1 x π :

 F kx  X B 1  F 12 x  P (3.154) Tổng các lực tác động lên khâu 5 và khớp tại B 1 theo phương O 1 z π :

 (3.155) Để cơ cấu cân bằng thì tổng các lực tác động lên khâu 5 và khớp tại điểm B1 theo phương của O1xπ và O1zπ phải bằng 0

 Tách riêng đoạn O1B1 và thay vào hai phản lực là X  B ' 1 và Z  B ' 1 tại B1: Trong đó:

Tổng các lực tác động khớp tại O1 và B1 theo phương O1xπ:

(với X B 1 X B ' 1 ) Tổng các lực tác động lên khớp tại O1 và B1 theo phương O1zπ:

Z  ) Tổng mô men tác động lên khớp tại D:

    (3.160) Để cơ cấu cân bằng thì tổng lực, mô men tác động lên khớp tại O1 và B1 theo phương O 1 x π và O 1 z π phải bằng 0:

 (3.161) Giải hệ phương trình, ta được:

 Phân tích lực cụm khớp 4 Để đơn giản trong tính toán, ta kí hiệu các khớp trong cụm chi tiết số 6 như hình 3.68:

3.1- Xy lanh bị kéo ra

3.2- Xy lanh bị nén vào

4- Khớp các-đăng tạo chuyển động xoay trong không gian của hai xy lanh 4.1- Chốt lỗ trên của khớp

6- Khớp các-đăng đỡ cẳng tay tạo chuyển động xoay, lật Để phân tích lực tác động lên xy lanh và cụm khớp 4 ta sẽ xét trong trường hợp hai xy lanh chịu áp lực lớn nhất là khi cẳng tay ngẩng lên một góc 1max và quay sang một góc  Ở trường hợp này, hai xy lanh sẽ có độ dài khác nhau, xy lanh

Hình 3.68 Cơ cấu xoay, lật khớp vai trong tay máy Robot đào hầm

3.1 bị nén lại và xy lanh 3.2 bị kéo ra mà trong đó xy lanh 3.1 sẽ chịu áp lực lớn hơn Phân tích lực tác động lên cụm khớp 4 và xy lanh 3.1 trong mặt phẳng σ chứa xy lanh 3.1 có gốc tọa độ tại A, trong đó liên kết tại A là một liên kết gồm một gối cố định và một gối di động, liên kết tại G là liên kết bản phẳng, để tính lực tác dụng lên khớp tại A và G ta tách riêng xy lanh và đoạn AGnhư hình 3.69:

- P 31 là trọng lực khâu động của xy lanh

- P 32 là trọng lực khâu cố định của xy lanh

- F  1 là áp lực tác động lên xy lanh 3.1

- F 1 x là thành phần lực song song với trục O 1 x σ củaF  1

- F  1 z là thành phần lực song song với trục O1zσ của F  1

- Liên kết tại Agồm hai gối đỡ có phản lực liên kết được phân thành:

 Hai thành phần lực cùng phương nhưng ngược chiều nhau là : X  A và

 Một phản lực có phương vuông góc với X  A và X ' A là Z  A

- Liên kết bản lề phẳng tại G: Phản lực liên kết được phân tích làm hai thành phần vuông góc với nhau là Z G và X G

- ϴ là góc nghiêng giữa xy lanh 3.1 và trục Axσ đã được xác định ở phần phân tích lực cụm khớp 2 có giá trị bằng

- ϴ3 là góc nghiêng giữa xy lanh 3.1 và trục Azσ nên

: Tổng các lực tác động lên khâu 5 và khớp tại G theo phương O1xπ:

 F kx  X G  F 1 X (3.163) Tổng các lực tác động lên khâu 5 và khớp tại G theo phương O1zπ:

XA A a) Lực tác động lên xy lanh

3.1 b) Lực tác động lên đoạn GA Hình 3.69 Lực tác động lên xy lanh 3.1 và đoạn GA ϴ 3

 (3.164) Để cơ cấu cân bằng thì tổng các lực tác động lên khâu 5 và khớp tại điểm B1 theo phương của O1xπ và O1zπ phải bằng 0

Giải hệ phương trình, ta được:

(với ( 3 ) F 1 đã được xác định ở phần tính áp lực tác động lên xy lanh ở trên)

 Tách riêng đoạn AG và thay vào hai phản lực là X ' G và Z G ' tại G Trong đó:

Tổng các lực tác động khớp tại A và G theo phương Axπ:

Tổng các lực tác động lên khớp tại Avà G theo phương Azπ:

Tổng mô men tác động lên khớp tại K:

 (3.169) Để cơ cấu cân bằng thì tổng lực, mô men tác động lên khớp tại A và G theo phương O3xσ và O3zπ phải bằng 0

 (3.170) Giải hệ phương trình, ta có:

3.1- Xy lanh bị kéo ra

3.2- Xy lanh bị nén vào

4- Khớp các-đăng tạo chuyển động xoay trong không gian của hai xy lanh

6- Khớp các-đăng đỡ cẳng tay tạo chuyển động xoay, lật

Hình 3.70 Cơ cấu xoay, lật khớp vai trong tay máy

3.2 Để phân tích lực tác động lên xy lanh và cụm khớp 2 ta sẽ xét trong trường hợp hai xy lanh chịu áp lực lớn nhất khi cẳng tay ngẩng lên một góc 1max và quay sang một góc  2 max Ở trường hợp này, hai xy lanh sẽ có độ dài khác nhau, xy lanh 3.1 bị nén lại và xy lanh 3.2 bị kéo ra mà trong đó xy lanh 3.1 sẽ có áp lực lớn hơn Phân tích lực tác động lên cụm khớp 2 và xy lanh 3.1 trong mặt phẳng σ chứa xy lanh 3.1 có gốc tọa độ tại O3, trong đó ta coi liên kết tại O3 là một liên kết gồm một gối cố định và một gối di động, liên kết tại B3 là liên kết bản phẳng, Để tính lực tác dụng lên khớp tại O 3 và B 3 ta tách riêng khâu 5 và đoạn O 3 B 3 như hình 3.71:

- F  1 là lực tác động lên xy lanh 3.1

- F  1 x là thành phần lực song song với trục O1xσ của F1

- F  1 z là thành phần lực song song với trục O1zσ của F1.

- Liên kết tại O3 gồm hai gối đỡ có phản lực liên kết được phân thành:

 Hai thành phần lực cùng phương nhưng ngược chiều nhau là : X  O 3 và

 Một phản lực có phương vuông góc với X  O 3 và 3

- Liên kết bản lề phẳng tại B3: Phản lực liên kết được phân tích làm hai thành phần vuông góc với nhau là Z  B 3 và XB 3

- ϴ là góc hợp giữa phương của xy lanh và trục O3xσ.

Tổng các lực tác động lên xy lanh 3.1 và khớp tại B3 theo phương O3xσ:

 F kx  X B 3  F 1 x (3.172) Tổng các lực tác động xy lanh 3.1 và khớp tại B3 theo phương O1zσ: z B kz Z P P F

  (3.173) b) L ực tác động l ên đo ạn O 3 B 3

O 3 a) L ực tác động l ên xy lanh 3.1

Hình 3.71 Lực tác động lên đoạn O 3 B 3 và xy lanh 3.1

Z Để cơ cấu cân bằng thì tổng các lực tác động lên khâu 5 và khớp tại điểm B1 theo phương của O1xπ và O1zπ phải bằng 0

Giải hệ phương trình, ta có:

 Tách riêng đoạn O3B3 và thay vào hai phản lực là X ' B 3 và Z B ' 3 tại B3 :

Tổng các lực tác động khớp tại O1 và B1 theo phương O1xπ:

(với X B 3 X B ' 3 ) Tổng các lực tác động lên khớp tại O1 và B1 theo phương O1zπ:

(với Z B 3 Z B ' 3 ) Tổng mô men tác động lên khớp tại D: m F   F k X O X B Z B b

     (3.178) Để cơ cấu cân bằng thì tổng lực, mô men tác động lên khớp tại O3 và B3 theo phương O 3 x σ và O 3 z π phải bằng 0

3.6.2 Cụm khớp xoay lật cổ tay

 Phân tích lực cụm khớp 6 Để đơn giản trong tính toán, ta kí hiệu các khớp trong cụm khớp vai như hình

1- Gối đỡ cố định (gắn trên cánh tay Rô-bốt)

2- Khớp các-đăng tạo chuyển động xoay lật;

4- Khớp các-đăng tạo chuyển động xoay trong không gian của 2 xy lanh

5- Hai xy lanh điều khiển đồng thời tạo chuyển động xoay lật

6- Khớp các-đăng tạo góc xoay lật

Trong phân tích lực tác động lên xy lanh và cụm khớp, chúng ta xem xét trường hợp hai xy lanh chịu áp lực lớn nhất khi cẳng tay nâng lên một góc tối đa θ4 và quay sang một góc θ Ở tình huống này, độ dài của hai xy lanh sẽ khác nhau, ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng hoạt động của khớp.

Hình 3 72 Cơ cấu xoay, lật khớp cổ tay trong tay máy Robot đào hầm

Trong hệ thống, xy lanh 1 bị nén lại trong khi xy lanh 2 bị kéo ra, dẫn đến việc xy lanh 1 chịu áp lực lớn hơn Phân tích lực tác động lên cụm khớp 6 và xy lanh 1 trong mặt phẳng σ cho thấy sự phân bố áp lực không đồng đều, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống.

Tại điểm A, có một gốc tọa độ với liên kết bao gồm một gối cố định và một gối di động Liên kết tại điểm G là liên kết bản phẳng Để tính toán lực tác dụng lên khớp tại A và G, chúng ta cần tách riêng xy lanh và đoạn AG như minh họa trong hình 3.73.

- F  1 là áp lực tác động lên xy lanh 3.1

- F 1 x là thành phần lực song song với trục Ax σ củaF  1

- F  1 z là thành phần lực song song với trục Azσ của F  1

- Liên kết tại Agồm hai gối đỡ có phản lực liên kết được phân thành:

 Hai thành phần lực cùng phương nhưng ngược chiều nhau là : X  A và

 Một phản lực có phương vuông góc với X  A và X ' A là Z  A

- Liên kết bản lề phẳng tại G: Phản lực liên kết được phân tích làm hai thành phần vuông góc với nhau là Z G và X G

-  là góc nghiêng giữa xy lanh 1 và trục Axσ đã được xác định ở phần phân tích lực cụm khớp 4

-  3 là góc nghiêng giữa xy lanh 1 và trục Azσ nên  3  90 

: Tổng các lực tác động lên khâu 3 và khớp tại G theo phương Ax 

 F kx   X G  F 1 X (3.181) Tổng các lực tác động lên khâu 3 và khớp tại G theo phương Az  :

Hình 3.73 Lực tác động lên đoạn GA và xy lanh 1

3 G b) Lực tác động lên xy a) Lực tác động lên đoạn

P 52 Để cơ cấu cân bằng thì tổng các lực tác động lên khâu 3 và khớp tại điểm G theo phương của Ax  và Az  phải bằng 0

Giải hệ phương trình, ta được:

 Tách riêng đoạn AG và thay vào hai pxxhản lực là X G ' và Z ' G tại G:

Tổng các lực tác động khớp tại A và G theo phương Ax  :

(với X G  X G ' ) Tổng các lực tác động lên khớp tại Avà G theo phương Azπ:

Z  ) Tổng mô men tác động lên khớp tại K:

 (3.187) Để cơ cấu cân bằng thì tổng lực, mô men tác động lên khớp tại A và G theo phương Axσ và Azσ phải bằng 0

 Phân tích lực cụm khớp 4 Để thuận tiện trong việc tính toán, ta kí hiệu các khớp trong cụm chi tiết số 4 như hình 3.74:

1- Gối đỡ cố định (gắn trên cánh tay Rô-bốt)

5- Hai xy lanh điều khiển đồng thời tạo chuyển động xoay lật;

6- Khớp các-đăng tạo góc xoay lật Để phân tích lực tác động lên xy lanh và cụm khớp 4 ta sẽ xét trong trường hợp hai xy lanh chịu áp lực lớn nhất khi cẳng tay ngẩng lên một góc và quay sang một

Hình 3.74 Khớp các-đăng tạo chuyển động xoay trong rô-bốt

Trong trường hợp này, hai xy lanh có độ dài khác nhau, với xy lanh 1 bị nén và xy lanh 2 bị kéo ra, trong đó xy lanh 1 chịu áp lực lớn hơn Phân tích lực tác động lên cụm khớp 4 và xy lanh 1 trong mặt phẳng σ chứa xy lanh 1 với gốc tọa độ tại O3, ta coi liên kết tại O3 là một liên kết gồm một gối cố định và một gối di động, trong khi liên kết tại B3 là liên kết bản phẳng Điều này giúp tính toán lực tác dụng lên khớp tại O3.

B 3 ta tách riêng khâu 3 và đoạn O 3 B 3 như hình 3.75:

- F  1 là lực tác động lên xy lanh 1

- F  1 x là thành phần lực song song với trục O1xσ của F1

- F  1 z là thành phần lực song song với trục O1zσ của F1.

- Liên kết tại O 3 gồm hai gối đỡ có phản lực liên kết được phân thành:

 Hai thành phần lực cùng phương nhưng ngược chiều nhau là : X  O 3 và

 Một phản lực có phương vuông góc với X  O 3 và 3

- Liên kết bản lề phẳng tại B 3 : Phản lực liên kết được phân tích làm hai thành phần vuông góc với nhau là Z  B 3 và XB 3

-  là góc hợp giữa phương của xy lanh và trục O 3 x σ

- Tính hai thành phần F 1x và F 1z: :

Do F12 là tổng hợp từ 2 thành phần F1 và F2 nên góc tạo bởi phương F2 với khâu

4 cũng bằng góc tạo bởi lực F12

F 1 x  F 1 cos   (3.191) (với F 1 và à đó được xỏc định ở phần tớnh ỏp lực lờn xy lanh )

Hình 3.75 Lực tác động lên đoạn O 3 B 3 và xy lanh 3 z 

B 3 a) Lực tác động lên xy lanh 1 b) Lực tác động lên đoạn O 3 B 3

Tổng các lực tác động lên xy lanh 1 và khớp tại B3 theo phương O3xσ:

 F kx   X B 3  F 1 x (3.192) Tổng các lực tác động xy lanh 1 và khớp tại B3 theo phương O3zσ: z B kz Z P P F

 (3.193) Để cơ cấu cân bằng thì tổng các lực tác động lên khâu 3 và khớp tại điểm B3 theo phương của O 3 x σ và O 3 z σ phải bằng 0

Giải hệ phương trình, ta có:

 Tách riêng đoạn O3B3 và thay vào hai phản lực là X ' B 3 và Z B ' 3 tại B3 :

Tổng các lực tác động khớp tại O3 và B3 theo phương O3xσ:

(với X B 3 X B ' 3 ) Tổng các lực tác động lên khớp tại O 1 và B 1 theo phương O 3 z σ :

(với Z B 3 Z B ' 3 ) Tổng mô men tác động lên khớp tại F:

    (3.198) Để cơ cấu cân bằng thì tổng lực, mô men tác động lên khớp tại O 3 và B 3 theo phương O3xσ và O3zπ phải bằng 0

1- Gối đỡ cố định (gắn trên cánh tay Robot)

5- Hai xy lanh điều khiển đồng thời tạo chuyển động xoay lật,

6- Khớp các-đăng tạo góc xoay lật Để phân tích lực tác dụng lên khâu 3 và khớp tạo chuyển động xoay, lật, ta sẽ xét trong trường hợp hai xy lanh chịu áp lực lớn nhất là khi cẳng tay ngẩng lên một góc 4 max và quay sang một góc  5max Ở trường hợp này ta coi liên kết tại O1 là một

Hình 3.76 Cơ c ấu xoay, lật khớp cổ tay trong tay máy

2.3 phẳng, để tính lực tác dụng lên khớp tại O1 và B ta tách riêng khâu 3 và đoạn O1B như hình 3.77:

 P là tổng hợp hợp lực tác dụng lên khâu 3: trọng lực của cụm tay khoan và phần tay khoan khi hoạt động

- P 31 , P 32 , P 33 là trọng lực các phần của giá đỡ động cơ xoay

- P4 là trọng lực của khớp các đăng

- F12 là hợp lực của hai xy lanh tạo thành

- F12x là thành phần lực song song với trục O1xπ của F12

- F12z là thành phần lực song song với trục O1zπ của F12

- Liên kết tại O 1 gồm hai gối đỡ có phản lực liên kết được phân thành :

+ Hai thành phần lực cùng phương nhưng ngược chiều nhau là : X O 1 và

+ Một phản lực có phương vuông góc với X O 1 vàX ' O 1 là Z O 1

- Liên kết bản lề phẳng tại B: Phản lực liên kết được phân tích làm hai thành phần vuông góc với nhau là Z B và X B

- γ là góc hợp giữa phương của khâu 3 và trục O1xπ

- à là gúc giữa phương của lực F12 và khõu 4

- Tính hai thành phần F12x và F12z::

F 12 x  F 12 cos    (3.202) (với F 12 và à đó được xỏc định ở phần tớnh ỏp lực lờn xy lanh)

- Tính hai thành phần Px và Pz:

P 33 a) Lực tác động lên đoạn b) Lực tác động lên khâu 3

Hình 3.77 Lực tác động lên đoạn O 1 B và khâu 3

Tổng các lực tác động lên khâu 3 và khớp tại Btheo phương O1xπ:

 F kx  X B  F 12 x  P x (3.205) Tổng các lực tác động lên khâu 3 và khớp tại Btheo phương O1zπ: z z B kz Z P P P P F P

 31 32 33 4 12 (3.206) Để cơ cấu cân bằng thì tổng các lực tác động lên khâu 3 và khớp tại điểm B theo phương của O1xπ và O1zπ phải bằng 0

 Tách riêng đoạn O1Bvà thay vào hai phản lực là X B ' và Z B ' tại B :

Tổng các lực tác động khớp tại O1 và B theo phương O1xπ:

Tổng các lực tác động lên khớp tại O1 và B theo phương O1zπ:

Tổng mô men tác động lên khớp tại N: m N   F k X O X B ' 24 Z B ' a

     (3.211) Để cơ cấu cân bằng thì tổng lực, mô men tác động lên khớp tại O1 và B theo phương O1xπ và O1zπ phải bằng 0:

(3.212) Giải hệ phương trình, ta được:

Tính toán kết cấu chốt

Mặt cắt kết cấu khớp được mô tả như hình 3.78:

1- Chốt lỗ trên của khớp;

- R  là lực tác động lên chốt;

-  là chiều dài hai điểm đặt lực;

Đường kính chốt (d) đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán và biểu diễn lực cũng như mômen Lực tác dụng lên trục được đặt tại trung điểm của chốt, dẫn đến việc hình thành hai phản lực tại hai tai trên của khớp các-đăng Chốt chịu lực uốn, điều này cần được xem xét để đảm bảo tính chính xác trong thiết kế và ứng dụng.

Từ đó, ta có thể vẽ được sơ đồ chịu lực của chốt (hình 3.79a), biểu đồ lực cắt Q (hình 3.79b) và biểu đồ momen uốn Mu (hình 3.79c) d

Hình 3.78 Mặt cắt kết cấu khớp

Lực tác động lên chốt được xác định như phần a) có giá trị:

- X  là lực tác động theo phương x;

- Z  là lực tác động theo phương z

Mặt cắt nguy hiểm tại điểm có giá trị M x lớn nhất, theo như biểu đồ momen uốn, ta tìm được giá trị của maxM x : max x 4

(3.215) Ứng suất tương đương theo thuyết bền thế năng biến đổi hình dạng:

-    T là ứng suất cho phép của trục để trục đủ bền

-  td là ứng suất tương đương

Hình 3.7 9 a) Sơ đồ chịu lực của chốt b) Biểu diễn lực cắt Biểu diễn momen uốn c)

Các giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp có thể xác định theo hai công thức dưới đây:

- M là mômen uốn tại mặt cắt đang xét

- Q là lực cắt tại mặt cắt đang xét

Dựa vào các thuyết bền trong sức bền vật liệu, giá trị ứng suất tiếp được bỏ qua, và giá trị ứng suất kéo [σt] được xác định trong khoảng 60 đến 80 MPa, tùy thuộc vào loại vật liệu được chọn làm chốt.

Từ công thức (3.217) ta tìm được đường kính chốt:

Trong đó giá trị M lấy giá trị lớn nhất maxM x đã được xác định ở công thức (3.228), từ đó ta xác chọn được được đường kính chốt thích hợp

 Kiểm nghiệm Để kiểm nghiệm lại tính toán đường kính chốt đã nêu ở trên, ta có hai phương pháp để kiểm nghiệm lại điều kiện bền của chốt

- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng các phần mềm ANSYS, COSMOS…)

- Kiểm nghiệm lại theo công thức (3.218)

Theo công thức (3.218) ta tính được giá trị ứng suất tiếp τ k với giá trị

Để xác định giá trị σtd, ta thay vào biểu thức (3.219) Nếu σtd ≤ [σt], thì đường kính chốt đã chọn là hợp lý Ngược lại, nếu σtd > [σt], cần chọn lại đường kính chốt và kiểm nghiệm lại để đảm bảo sự phù hợp.

Tính toán kết cấu tai

Các thông số kích thước được biểu diễn như hình 3.80: d 6.3

Hình 3.80 Các thông số kích thước của tai

- δ là độ dày vành tai

Do tác động lực của cơ cấu cẳng thay tác dụng lên tai, các dạng phá hủy của tai được biểu diễn như hình 3.81 :

1- Bị dập do lực tác tác dụng của chốt từ trên xuống

2- Bị kéo đứt khi cơ cấu ở có góc α min

Từ các dạng hư hỏng trên chi tiết, chúng ta có thể xác định kích thước các khớp dựa trên các ứng suất cho phép, nhằm ngăn ngừa sự phá hủy của kết cấu.

Lực tác dụng theo phương x lên tai của cơ chi tiết gây ra một vùng bị dập do tác động của lực Tính toán ứng suất dập theo công thức cho kết quả như sau: d   d.

- Q là lực từ chốt tác dụng lên tai

- [σ d ] là ứng suất cho phép theo điều kiện va đập khi làm việc

Từ đó ta chọn được chiều dày tai:

Khi chọn chiều dày tối đa của tai t max = d, cần kiểm nghiệm lại với công thức (3.220) Nếu σ d ≤ [σ d], điều kiện bền là đủ Ngược lại, nếu σ d > [σ d], cần xem xét lại kích thước tai hoặc thay đổi đường kính chốt d.

Hình 3.81 Các dạng phá hủy của tai

Khi cơ cấu ở vị trí góc α = αmin, tai sẽ chịu lực từ dưới lên, dẫn đến hiện tượng kéo đứt hai bên tai Tính toán theo ứng suất kéo cho thấy mức độ tác động này.

- Q là lực từ chốt tác dụng lên tai, lấy

- δ là chiều dày vành tai δ = D – d

- [σk] là ứng suất kéo cho phép

Từ đó, ta xác định giá trị của vành tai δ 6.2 :

Chọn giá trị δ 6.2 phù hợp và kiểm tra lại với công thức (3.222) Nếu kết cấu không đủ bền, có thể điều chỉnh tăng giá trị t6.2 hoặc δ6.2 để đảm bảo độ bền của kết cấu.

Do tác dụng của lực kéo khi kết cấu ở góc α = αmin, ngoài hai vị trí bị kéo đứt như hình 3.11, tai còn bị cắt đứt tại đỉnh do lực tác động Điều kiện bền cắt của tai cần được xác định rõ ràng.

- Q là lực từ chốt tác động lên tai, lấy

- δ 6.2là chiều dày vành tai δ = D – d

- [τc] là ứng suất cắt đứt cho phép

Trong các chương trước, đã tiến hành tính toán và lựa chọn xy lanh phù hợp cho các khớp động của tay máy dựa trên các thông số kỹ thuật như góc lên xuống lớn nhất, góc xoay trái phải, và lực tác động lên tay máy Chương này cũng đã thực hiện kiểm bền các chi tiết quan trọng để đảm bảo sự làm việc an toàn và ổn định cho xy lanh.

Thông số các xy lanh

Lực tác dụng lớn nhất Fmax

[mm] 80 50 50 40 Đường kính cần d [mm] 50 35 35 20

Lưu lượng dầu Q [Lít/phút] 301,6 11,775 11,78 7,536

Với vật liệu chọn là thép C45, có các giá trị ứng suất :

- Lấy hệ số an toàn s = 2

Có công thức tính ứng suất giới hạn :

Do tính toán đều trong trạng thái tĩnh nên tính theo ứng suất chảy

 Cụm khớp xoay lật khớp vai

Trong các trường hợp nghiên cứu, lực tác động lớn nhất lên xy lanh đạt giá trị F12 = 66841,5 N Giá trị lực lớn nhất tác động lên một xy lanh được xác định là Fmax = 33352,06 N, với góc μ = 4,4 độ Đồng thời, góc tác xoay lớn nhất được ghi nhận là αmax = 70 độ.

Cụm khớp 6 Áp dụng các công thức (3.157) và các số liệu tính toán lực, tính được các giá trị lực các động :

Theo công thức công thức (3.162) tính được các giá trị lực :

Các đơn vị của lực tính bằng N

Cụm khớp 4 Áp dụng các công thức (3.166) và các số liệu tính toán lực ở chương 2, tính được các giá trị lực các động :

Thông số Cụm khớp 2 Cụm khớp 4 Cụm khớp 6

 6.3= 82[mm] Đường kính chốt d2.1 = 30[mm] d2.3 = 42[mm] d4.1 = 30[mm] d4.3 = 42[mm] d6.1 = 42[mm] d6.3 = 56[mm]

Chiều dày tai t 2.2 = 15[mm] t2.4 = 15[mm] t 4.2 = 15[mm] t4.4 = 5[mm] t 6.2 = 15[mm] t6.4 = 20[mm]

Chiều dày vành tai δ2.2 = 15[mm] δ2.4 = 15[mm] δ4.2 = 15[mm] δ4.4 = 20[mm] δ6.2 = 15[mm] δ6.4 = 15[mm]

 Cụm khớp xoay lật cổ tay

Xét các trường hợp có lực tác động lên xy lanh là lớn nhất có F12 = 2700 N, giá trị lực lớn nhất tác động lên 1 xy lanh Fmax = 4017 giá trị góc μ = 14 o

Lực tác động Áp dụng các công thức (3.184) và các số liệu tính toán lực ở chương 2, tính được các giá trị lực các động :

Thông số Cụm khớp 2 Cụm khớp 4 Cụm khớp 6

 6.3= 32[mm] Đường kính chốt d2.1 = 24[mm] d2.3 = 34[mm] d4.1 = 20[mm] d4.3 = 30[mm] d6.1 = 16[mm] d6.3 = 34[mm]

Chiều dày tai t 2.2 = 10[mm] t2.4 = 10[mm] t 4.2 = 10[mm] t4.4 = 11[mm] t 6.2 = 10[mm] t6.4 = 5[mm]

Chiều dày vành tai δ 2.2 = 12[mm] δ2.4 = 12[mm] δ 4.2 = 12[mm] δ4.4 = 10[mm] δ 6.2 = 8[mm] δ6.4 = 10[mm]

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Các kết quả của luận văn

Luận văn đã đạt được một số kết quả quan trọng, bao gồm việc tổng hợp và hệ thống hoá tài liệu về công nghệ thi công hầm từ các nguồn học liệu trong và ngoài nước, phục vụ cho nghiên cứu về thi công công trình ngầm và điều khiển Robot khoan lỗ nổ mìn Đặc biệt, luận văn đã phát triển thuật toán điều khiển động học cho tay máy thủy lực 7 bậc tự do, có thể ứng dụng trong việc lập trình điều khiển cho Robot khoan lỗ mìn tự động Ngoài ra, luận văn cũng đưa ra các biểu thức tính toán và quy trình thiết kế, kiểm bền cho các khớp của tay máy Robot thủy lực, đóng góp thiết thực cho việc chế tạo các loại tay máy này.

Những đề xuất tiếp theo

Nghiên cứu từ luận văn này chỉ mới đóng góp một phần nhỏ vào việc tìm hiểu công nghệ khoan lỗ nổ mìn, hướng tới thiết kế và chế tạo Robot phù hợp với công nghệ này Để hoàn thiện luận văn, cần tiếp tục nghiên cứu một số vấn đề như: i) Phát triển thuật điều khiển đồng thời nhiều tay máy cho việc khoan trên hộ chiếu nổ mìn; ii) Tối ưu hóa và hoàn thiện cấu trúc của Robot và cánh tay Robot; iii) Nghiên cứu và hoàn thiện thiết kế cơ khí, hệ thống điện, hệ thống thủy lực, hệ thống định vị và các cảm biến nhằm tự động hóa hoàn toàn quá trình thi công, đồng thời nâng cao độ tin cậy và độ bền của thiết bị tự hành.

Tiêu đề	Điều Khiển Động Học Tay Máy Khoan Lỗ Nổ Mìn Trong Thi Công Các Công Trình Ngầm
Tác giả	Nguyễn Quang Thái
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Hồng Thái
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Cơ Điện Tử
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	142
Dung lượng	5,25 MB