Nghiên Ứu, Thiết Kế Và Mô Phỏng Hoạt Động Ủa Đồ Gá Quay Hai Trụ Dùng Ho Robot.pdf

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thanh Phú NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỒ GÁ QUAY HAI TRỤC DÙNG CHO ROBOT Chuyên ngành Chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ[.]

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện hiện đang sử dụng (ngoại trừ tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm theo bản demo, tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm viết bằng tiếng Anh làm tài liệu tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu được phép sử dụng)

Nội dung nghiên cứu bao gồm: Thiết kế bộ truyền của đồ gá, lựa chọn phương án và thiết kế kết cấu cơ khí, thiết lập bản vẽ chi tiết 2D trên phần mềm Autocad, thiết kế hệ thống điều khiển đồ gá Mô phỏng hoạt động của đồ gá thông qua phần mềm Proengineer

Kết quả giới thiệu trong bản thuyết minh và ghi lại bằng hình ảnh hoàn toàn trung thực

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình

Hà Nội, tháng 0 3 năm 2013

Tác giả

Nguyễn Thanh Phú

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

PHẦN MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ GÁ HÀN 13

1.1 Nhiệm vụ của đồ gá hàn 13

1.2 Đặc điểm của đồ gá hàn so với đồ gá gia công cắt gọt 13

1.3 Các loại đồ gá hàn 14

1.3 Xu hướng thiết kế chế tạo đồ gá hiện nay 16

1.4 Đồ gá dùng cho robot hàn 17

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA ĐỒ GÁ HAI TRỤC QUAY 18

2.1 Thông số đầu vào và hướng thiết kế đồ gá 18

2.2 Tính toán, lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc cho đồ gá 19

2.2.1 Cơ sở lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc 19

2.2.2 Tính chọn động cơ và hộp giảm tốc cho trục 2 20

2.2.3 Tính toán chọn động cơ và hộp giảm tốc cho trục 1 33

2.3 Tính toán, thiết kế trục của đồ gá 47

2.3.1 Tính toán thiết kế trục 2: 47

2.3.2 Tính toán thiết kế trục 1 54

2.4 Tính chọn ổ lăn cho các trục của đồ gá 59

2.4.1 Tính chọn ổ lăn cho trục 2 59

2.4.2 Tính chọn ổ lăn cho trục 1 63

2.5 Thiết kế các chi tiết của đồ gá 66

2.6 Kết luận về chương 2 70

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 71

3.1 Yêu cầu điều khiển đồ gá 71

3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển 72

3.2.1 Máy tính PC 74

3.2.2 Card điều khiển vị trí PCI-1202U-AE (Master Card) 75

3.2.3 Module điều khiển động cơ AMAX-2243/YS2-AE (Slave Card) 80

3.2.4 Bo mạch giao tiếp (Interface Board) 81

3.2.5 Hộp vận hành bằng tay 81

3.2.6 Hệ truyền động xoay chiều servo 81

3.2.8 Ghép nối máy tính PC và card PCI-1202U-AE 83

3.2.9 Ghép nối ADAM-3940 và bộ điều khiển động cơ SGDV 83

3.2.10 Ghép nối bảng điều khiển cầm tay (handheld control panel) và bộ điều khiển PCI-1202U-AE 84

3.3 Kết cấu lắp tủ điều khiển 85

CHƯƠNG 4: 88

MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỒ GÁ QUAY HAI TRỤC 88

4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Proengineer 88

4.1.1 Giao diện phần mềm Proengineer 88

4.1.2 Chức năng thiết kế chi tiết 89

4.1.3 Chức năng lắp ráp chi tiết 90

4.2 Mô phỏng quá trình hoạt động 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

DANH M ỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Số vòng quay định mức ở đầu ra hộp giảm tốc

Mômen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Số vòng quay của động cơ

Số vòng quay trục

Tỷ số truyền của các bộ truyền

bt

η : Hiệu suất truyền động

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc

Vận tốc điều khiển trục 2:

Vận tốc bàn quay đạt được sau quá trình tăng tốc

Gia tốc góc của bàn quay

Gia tốc góc trên trục ra của hộp giảm tốc

Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc

Mômen xoắn lớn nhất gây ra bởi mômen quán tính

Mômen xoắn lớn nhất gây ra khi tải trọng đặt lệch tâm quay

Mômen quán tính của vật quay

Khối lượng của chi tiết

Gia tốc trọng trường

Khoảng lệch tâm lớn nhất

Vận tốc đầu ra của hộp giảm tốc

N1 Vận tốc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn tăng tốc Vận tốc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn giảm tốc

Số vòng quay trung bình ở đầu ra hộp giảm tốc

Mômen xoắn khi tăng tốc;

Mômen xoắn khi vận tốc không đổi;

Mômen xoắn khi giảm tốc;

Mômen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục động cơ

Mômen xoắn thực tác dụng lên trục động cơ

Mômen xoắn thực tác dụng lên hộp giảm tốc

Số vòng quay đầu vào của hộp giảm tốc

Số vòng quay đầu vào của động cơ

Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục động cơ

Mômen xoắn gây ra bởi mômen quán tính

Mômen xoắn gây ra bởi tải trọng

Mômen cản nhớt của hộp giảm tốc

Mômen quán tính của vật quay

Mômen quán tính tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc;

Mômen quán tính của hộp giảm tốc

Momen quán tính của động cơ

Hệ số quán tính

Mômen xoắn tác dụng lên trục 1

Ứng suất xoắn cho phép

Đường kính ngoài của trục

Đường kính trong của trục

Hệ số an toàn cho phép

Hệ số an toàn khi chỉ xét riêng ứng suất tiếp tại tiết diện C

Giới hạn mỏi xoắn ứng với chu kỳ đối xứng

Hệ số kể đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình đến độ bền mỏi Biên độ và trị số trung bình của ứng suất tiếp

Mômen cản xoắn tại C

Hệ số kể đến ảnh hưởng ứng suất trung bình của độ bền mỏi

Hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt

Hệ số tăng bền bề mặt trục

Trị số hệ số tập trung ứng suất thực tế

Trị số của hệ số kích thước với dạng chịu tải xoắn

Khả năng tải động

Q Tải trọng động quy ước

L Tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay

Bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn

DANH M ỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đồ gá hàn thủ công 14

Hình 1.2 Đồ gá quay một trục ứng dụng trong hàn ống 15

Hình 1.3 Một số đồ gá hàn tự động 16

Hình1.4 Đồ gá di trượt dùng cho robot 17

Hình 1.5 Đồ gá quay dùng cho robot 17

Hình2.1 Mô hình thiết kế sơ bộ của đồ gá 18

Hình 2.2 a.Động cơ servo của hãng YASKAWA 19

b Hộp giảm tốc của hãng KUKEN 19

Hình 2.3 Sơ đồ động học của trục 2 20

Hình 2.4 Chu trình tải trọng 21

Hình 2.5 Mô hình bàn quay 23

Hình 2.6 Tải trọng trên trục 2 24

Hình 2.7 Sơ đồ vận tốc và tải trọng theo thời gian trên trục 2 26

Hình 2.8 Thông số của hộp giảm tốc NN120F-225 27

Hình 2.9 Kích thước của hộp giảm tốc NN120F-225 28

Hình 2.10 Hình dáng hộp giảm tốc NN120F- 225 28

Hình 2.11 Thông số cơ bản của động cơ Servo SGMAV-08A 32

Hình 2.12 Thông số kích thước của động cơ Servo SGMAV-08A 33

Hình 2.13 Thiết kế sơ bộ ụ quay giữa và các thông số 34

Hình 2.14 Sơ đồ động học của trục 1 34

Hình 2.15 Vị trí mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc 37

Hình 2.16 Khối lượng và mô men quán tính tác dụng lên trục 2 37

Hình 2.18 Sơ đồ vận tốc và tải trọng theo thời gian 39

Hình 2.19 Các thông số của hộp giảm tốc NN120F- 400 41

Hình 2.20 Thông số động cơ SGMAV-10A 45

Hình 2.21 Thông số kích thước động cơ SGMAV-10A 46

Hình2.22 Vị trí tính trục và sơ đồ lực tác dụng lên trục 2 47

Hình 2.23 Sơ đồ tính phản lực tác dụng lên trục 2 49

Hình 2.24 Biểu dồ momen uốn và xoắn 51

Hình 2.25 Sơ đồ tính phản lực tác dụng lên trục 1 54

Hình 2.26 Sơ đồ tính phản lực tác dụng lên trục 1 56

Hình 2.27 Biểu đồ mômen và kích thước trục 1 57

Hình 2.29 Sơ đồ bố trí ổ lăn trên trục 1 63

Hình 2.30 Thiết kế thân đồ gá 66

Hình 2.31 Thiết kế ụ quay giữa 67

Hình 2.32 Thiết kế bàn quay 67

Hình 2.33 Trục số 1 68

Hình 2.34 Trục số 2 68

Hình 2.35 Đồ gá hai trục quay đã thiết kế 69

Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển thống điều khiển 72

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 73

Hình 3.3 Sơ đồ khối card điều khiển 4 trục PCI-1202U-AE 78

Hình 3.4 Các tín hiệu điều khiển của PCI-1202U-AE 79

Hình 3.5 Module điều khiển động cơ 80

Hình 3.6 Bo mạch giao tiếp ADAM-3940 81

Hình 3.7 Sơ đồ ghép nối ADAM-3940 và bộ điều khiển động cơ SGDV 83

Hình 3.8 Mặt trước tủ điều khiển 85

Hình 3.9 Mặt phải tủ điều khiển 86

Hình 3.10 Mặt trái tủ điều khiển 87

PH ẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật xu thế tự động hoá quá trình sản xuất trong mọi ngành kinh tế đang diễn ra mạnh mẽ, đó thực sự là nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện, môi trường lao động cho đội ngũ công nhân

Đặc biệt đối với những lĩnh vực sản xuất yêu cầu cao về chất lượng sản phẩm đòi hỏi tay nghề của người công nhân Vì thế tự động hoá quá trình sản xuất

là cần thiết và quan trọng vì điều đó sẽ giải phóng được rất nhiều sức lao động cũng như những căng thẳng của người thợ trong quá trình thực hiện công việc đồng thời nâng cao được chất lượng và hiệu quả trong sản xuất Do đó trên thực tế ở Việt Nam hiện nay có nhu cầu rất lớn về các thợ hàn lành nghề và yêu cầu này chưa được đáp ứng Vì vậy tại các công ty đã bắt đầu trang bị cho mình các thiết bị tự động, điển hình là robot hàn

Song trong thực tế, những kết cấu hàn, hay các mẫu sản phẩm cần đạt được lại có các vị trí hàn khá phức tạp Vì vậy yêu cầu của người thiết kế cần phải đưa những vị trí hàn phức tạp về vị trí hàn đơn giản để dễ dàng thực hiện Thuận lợi cho việc lập trình và thiết kế kết cấu hàn, nhằm nâng cao năng suất Vì vậy đồ gá đóng vai trò vô cùng quan trọng

Tuy nhiên do giá thành khá cao, phải nhập từ nước ngoài, nên những đồ gá hiện nay được sử dụng hầu hết là các đồ gá cố định, chưa đáp ứng được việc tự động hóa Vì vậy trong quá trình thực hiện lập trình và hàn bằng rô bốt gặp khá nhiều khó khăn Việc có một đồ gá quay theo hai trục sẽ làm cho vị trí hàn của kết cấu sẽ đơn giản hơn, và lập trình hàn trên rô bốt cũng dễ thực hiện Dẫn đến năng suất và chất lượng mối hàn cao hơn

Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế đồ gá quay hai trục là rất cần thiết sẽ giúp ta bắt kịp với công nghệ này của nước ngoài Giá thành sản phẩm chế tạo sẽ giảm, trong khi tính năng hoạt động thì hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu đặt ra Đặc biệt là khi nền kinh tế của nước ta vẫn còn đang khó khăn Vì vậy tác giả đã chọn đề tài

này để nghiên cứu, thiết kế, và mô phỏng nguyên lý, quá trình hoạt động của đồ gá Đây sẽ là kết quả rất cần thiết để đưa vào chế tạo sản phẩm

Lịch sử nghiên cứu

Sau năm 1990 thì ngành công nghiệp của ta bắt đầu đổi mới, một số cơ sở liên doanh đã nhập ngoại nhiều robot phục vụ cho nhiều công việc như: tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công, lắp ráp các linh kiện điện tử, tháo sản phẩm, đặc biệt trong hàn và trong phun phủ bề mặt v v

Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm đặc biệt trong lĩnh vực hàn: robot hàn hồ quang trong dây truyền hàn vỏ

xe ôtô, khung xe máy, rôbốt dùng trong chế tạo và phục hồi chi tiết máy

Tuy nhiên, việc đầu tư các trang thiết bị đi kèm với rôbốt thì còn nhiều hạn chế do giá thành các trang thiết bị đều rất cao Việc cần một đồ gá quay hai trục để

mở rộng phạm vi công nghệ là hết sức cần thiết Một số đề tài nghiên cứu đã thiết

kế được đồ gá hai trục quay nhưng kết quả vẫn chỉ là những đồ gá đơn giản điều khiển trực tiếp động cơ mà không kết nối với được robot

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận văn:

+ Thiết kế kết cấu cơ khí, hệ thống điều khiển và mô phỏng hoạt động đồ gá hai trục quay nhằm mở rộng khả năng công nghệ của robot công nghiệp, thay thế cho việc nhập khẩu các thiết bị này từ nước ngoài

Phạm vi nghiên cứu:

+ Nghiên cứu, thiết kế hoàn chỉnh đồ gá quay hai trục quay

- Tính toán chọn được bộ truyền động

- Thiết kế kết cấu cơ khí của đồ gá

- Thiết kế hệ thống điều khiển

- Mô phỏng hoạt động của đồ gá

Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả:

- Thiết kế được hoàn chỉnh mô hình đồ gá hai trục quay cho rôbốt hàn

- Xây dựng, và thiết kế được hệ thống điều khiển

Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu thực tiễn các mô hình thiết bị hàn tự động của các hãng trên thế giới

- Tập hợp các ý kiến đóng góp của các chuyên gia về lĩnh vực hàn, tự động hoá và các chuyên gia về công nghệ chế tạo cơ khí

- Thu thập các tài liệu kỹ thuật liên quan triển khai việc tính toán, thiết kế và lựa chọn thiết bị điều khiển của đồ gá

- Ứng dụng kỹ thuật điều khiển số khi thiết kế hệ thống điều khiển

- Ứng dụng phần mềm thiết kế 3D chuyên dụng Proengineer khi thiết kế các chi tiết cơ khí cũng như mô phỏng hoạt động và phần mềm Autocad để xây dựng các bản vẽ kỹ thuật

CHƯƠNG 1

1.1 Nhiệm vụ của đồ gá hàn

- Đảm bảo độ cứng vững để chống lại biến dạng Làm giảm biến dạng cục bộ

do nung nóng và co ngót của kim loại nóng chảy và kết tinh

- Đảm bảo thuận lợi cho quá trình gá đặt theo cữ định trước làm cho việc gá đặt nhanh chóng Thuận tiện cho thao tác của công nhân trở nên đơn giản,không ảnh hưởng đến động tác tại mọi vị trí

- Đảm bảo kích thước như bản vẽ

- Tránh sai sót vị trí của chi tiết

Nhờ có đồ gá, chất lượng kết cấu đảm bảo về mặt hình dạng kích thước,tăng năng suất, giảm thao tác phụ, động tác của công nhân được đơn giản hoá, chỉ cần cho phôi hàn vào những vị trí đã được định trước rồi tiến hành kẹp chặt là có thể hàn được, đồ gá đảm bảo những yêu cầu của kết cấu sẽ cho ra những sản phẩm chính xác, chất lượng cao, công nhân làm việc có năng suất cao

Nâng cao năng suất và độ chính xác gia công vì vị trí của chi tiết so với máy

đã được xác định bằng các đồ gá định vị, không phải rà gá mất nhiều thời gian Độ chính xác gia công được đảm bảo nhờ phương án chọn chuẩn, độ chính xác của đồ

gá và đặc biệt là không phụ thuộc vào tay nghề công nhân

Mở rộng khả năng công nghệ của thiết bị Đồ gá giúp cho việc thực hiện nguyên công khó mà nếu không có đồ gá thì khó hoặc không thể thực hiện được Giảm nhẹ sự căng thẳng và cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, không cần

sử dụng thợ bậc cao

1.2 Đặc điểm của đồ gá hàn so với đồ gá gia công cắt gọt

- Giống nhau: Đồ gá hàn và đồ gá gia công cắt gọt đều làm việc dựa trên nguyên tắc

định vị và kẹp chặt Nhằm đảm bảo cho chính xác các vị trí hay bề mặt gia công

- Khác nhau:

Đồ gá gia công cắt gọt được định vị theo nguyên tắc 6 điểm Tuy nhiên với

đồ gá hàn, do ảnh hưởng của việc biến dạng do nhiệt Nên trong phần lớn các

trường hợp, việc gá kẹp chi tiết đều đưa về bậc siêu tĩnh để tránh cho kết cấu bị biến dạng

Đồ gá gia công cắt gọt chủ yếu chỉ phục vụ gia công cho một chi tiết cụ thể Tuy nhiên, trong khi hàn một chi tiết hoặc một kết cấu nào đó, đồ gá hàn sử dụng nhiều và phức tạp hơn

Đồ gá hàn dựa trên nguyên lý định vị và kẹp chặt, nhưng đa dạng và phong phú hơn so với đồ gá gia công cắt gọt Đồ gá hàn có thể cho từng liên kết hoặc nhiều liên kết cùng một lúc Chúng phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của liên kết hàn

Hình 1.1 Đồ gá hàn thủ công

b)Đồ gá hàn bán tự động

Ưu điểm

+ Nâng cao được độ chính xác gá lắp,

và nâng cao năng suất, tăng tính cạnh

tranh của sản phẩm

Nhược điểm:

+ Vẫn cần có sự tham gia của con

người, năng suất chất lượng mới chỉ

được nâng lên

c) Đồ gá hàn tự động:

Nhằm định vị chính xác vị trí và kẹp chặt kết cấu khi hàn Do đó đảm bảo được độ chính xác của kết cấu Có thể đưa vào sản xuất hàng loạt, nhờ đó nâng cao chất lượng và tăng tính cạnh tranh của sản phẩm Mục đích của đồ gá ngoài việc định vị, kẹp chặt chống biến dạng còn đưa kết cấu về vị trí dễ dàng thực hiện hàn hơn Nên chất lượng liên kết hàn và năng suất hàn được tăng lên rõ rệt

Hình 1.2 Đồ gá quay một trục ứng dụng trong hàn ống

Hình 1.3 Một số đồ gá hàn tự động

1.3 Xu hướng thiết kế chế tạo đồ gá hiện nay

Hiện nay các các sản phẩm cơ khí ngày càng phát triển đa dạng, phong phú

Vì vậy yêu cầu sản phẩm phải có tính cạnh tranh cao Các sản phẩm của ngành hàn ngày càng chiếm tỷ trọng lớn hơn Vì vậy mà đồ gá tự động đang được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng ngày càng nhiều Nhiều loại đồ gá tự động được chế tạo, nhờ

đó mà giá trị sản xuất và chất lượng sản phẩm tăng cao

Trong sản xuất hàn, do có những sản phẩm đòi hỏi cao về chất lượng nên phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người công nhân Nhà sản xuất đã bắt đầu thay thế bằng việc tự động hóa sản xuất Để đáp ứng được quá trình tự động đó thì trang

thiết bị, đồ gá phải được tự động hóa Vì vậy đồ gá tự động đang là xu hướng ứng dụng mới trong sản xuất hiện nay

+ Đồ gá di trượt: là dạng đồ gá mang robot trượt trên ray để hàn được các kết

cấu có chiều dài lớn mà phạm vi robot không với tới được

Hình1.4 Đồ gá di trượt dùng cho robot + Đồ gá quay: Vai trò của đồ gá là đưa các liên kết hàn ở những vị trí khó mà

khi robot làm việc khó có thể với tới được Làm giảm thời gian lập trình, năng suất chất lượng hàn cao lên

Hình 1.5 Đồ gá quay dùng cho robot

CHƯƠNG 2:

2.1 Thông s ố đầu vào và hướng thiết kế đồ gá

 Thông số đầu vào

- Phạm vi góc quay các trục: ±3600

- Số trục quay: 02

- Tải trọng có ích: 120kg (trụ thép tròn có kích thước ∅350x150)

- Tốc độ tối đa: trục 1 là 12vòng/phút và trục 2 là 14 vòng/phút

- Dẫn động: động cơ servo xoay chiều,

- Truyền động: Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh

- Quy mô sản xuất: Đơn chiếc và loạt nhỏ

 Hướng thiết kế đồ gá

Hiện nay, trên thế giới đã có

nhiều hãng thiết kế, chế tạo đồ gá

hai trục quay với hình dáng và kết

cấu khác nhau Tuy nhiên kết cấu đồ

gá gồm hai trục quay bố trí vuông

góc nhau là phù hợp nhất với robot

Phạm vi góc quay của mỗi trục là

0-3600, được dẫn động bởi động cơ

servo Do yêu cầu về điều khiển vận

tốc, mô men và điều khiển vị trí nên

ứng dụng động cơ AC servo trong

2 Động cơ giảm tốc nối với trục 1

3 Trục quay 1(Ụ quay hàn nối với trục

và nối với trục động cơ)

4 Động cơ giảm tốc nối với trục 2

5 Trục quay 2

6 Bàn quay

7 Ổ lăn đỡ hai đầu trục 1

thống điều khiển sử dụng một máy tính và card PCI; sử dụng phần mềm điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C# với giao diện có thể lựa chọn bằng tiếng việt hoặc tiếng anh Đồ gá được kết nối và hoạt động đồng bộ cùng với robot

2.2 Tính toán, lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc cho đồ gá

2.2.1 Cơ sở lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc

Việc nghiên cứu thiết kế đồ gá cho sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ, nên bên cạnh chất lượng của sản phẩm thì giá thành hạ là yếu tố được quan tâm

Ta lựa chọn động cơ servo và hộp giảm tốc bánh răng hành tinh với độ chính xác cao Trên thế giới hiện nay có rất nhiều hãng cung cấp động cơ và hộp giảm tốc, tuy nhiên do yêu cầu về giá thành, nên ta sử dụng động cơ của hãng YASKAWA( Nhật bản), và hộp giảm tốc của hãng KUKEN(Trung quốc) Giá thành của các hãng này phải chăng và được chấp nhận

Chất lượng của động cơ các hãng của Nhật luôn có uy tín cao Đầu ra của hộp giảm tốc được gắn liền với trục quay của đồ gá

Hình 2.2 a Động cơ servo của hãng YASKAWA

b Hộp giảm tốc của hãng KUKEN

2.2.2 Tính ch ọn động cơ và hộp giảm tốc cho trục 2

 Xác định các điều kiện đầu vào

- Giới hạn góc quay của bàn quay là ± 3600

- Vận tốc đầu ra của trục 2 là 14 (vòng/phút)

- Khoảng lệch tâm lớn nhất tính từ tâm phôi đến bàn gá phôi là 100(mm)

- Phôi có dạng trụ tròn đặc bằng thép có kích thước ∅350x150 (mm) 120kg)

- Chu trình làm việc: 70%

 Sơ đồ kế cấu của trục 2

Sơ đồ động học của trục 2 được mô tả như trên hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ động học của trục 2

2: Hộp giảm tốc nối với động cơ 6: Vật hàn

3: Trục quay nối trục động cơ với bàn quay a: Khoảng lệch tâm lớn nhất 4: Đĩa quay

 Chu trình tải trọng

- Thời gian tăng tốc: t1 = 0,15s

- Thời gian vận tốc không đổi:

 Tính toán và chọn hộp giảm tốc cho trục 2

Ta tính toán chọn hộp giảm tốc trên cơ sở chọn một loại hộp giảm tốc ứng với loại động cơ cần chọn, sau đó tính toán và kiểm nghiệm Khi kết quả thông số của hộp giảm tốc phù hợp với động cơ được chọn thì lựa chọn Chọn động cơ của hãng Yaskawa có số vòng quay Ndm = 3000 (vòng/phút) để tính hộp giảm tốc

Thông số hộp giảm tốc được chọn phải thỏa mãn:

Tmax : Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Ndm : Số vòng quay định mức ở đầu ra hộp giảm tốc

Tm : Mômen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Tp ; Ndm* ; Tn là các giá trị tương ứng của hộp giảm tốc được chọn

 Tính tỷ số truyền của hộp giảm tốc

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc được xác định theo công thức

dc bt

N 1

 Gia tốc góc trên trục ra của hộp giảm tốc

Vận tốc điều khiển trục 2:

𝑉𝑉đ𝑘𝑘 = 𝑉𝑉2.601 360 = 14.601 360 = 84 (độ/giây) Vận tốc bàn quay đạt được sau quá trình tăng tốc:

𝑉𝑉0 = 𝑉𝑉đ𝑘𝑘∙180 = 84 ∙𝜋𝜋 3,14180 = 1,47(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠)Gia tốc góc của bàn quay: ∝𝑇𝑇=𝑉𝑉0

𝑔𝑔1 =1,470,15 = 9,8(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠2) Gia tốc góc trên trục ra của hộp giảm tốc:

∝𝐶𝐶= ∝𝑇𝑇 UR bt= 9,8(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠2)

 Xác định mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc được xác định theo công thức:

Tmax = TA + TB

Trong đó:

Tmax : Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc

TA : Mômen xoắn lớn nhất gây ra bởi mômen quán tính

TB : Mômen xoắn lớn nhất gây ra khi tải trọng đặt lệch tâm quay

Dựa trên sơ đồ của đồ gá và của trục quay 2, ta thấy khi trục 2 ở vị trí nằm ngang và chi tiết hàn được đặt ở vị trí có độ lệch tâm lớn nhất thì khi đó Mômen xoắn tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc lớn nhất Để tính mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc, mâm quay được thiết kế sơ bộ và tính mômen theo mâm quay thiết kế sơ bộ rồi nhân thêm hệ số an toàn

- Mômen xoắn gây bởi trọng lực đặt lệch tâm quay:

Phôi hàn được đặt lệch tâm quay một khoảng lớn nhất a = 100 (mm) cho nên trọng lượng của phôi gây ra một mômen xoắn có giá trị: TB = Pct g.a

Vậy mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc là:

Tmax = TA+TB = 42,04 + 117,6 = 159,64 (N.m)

Do mâm quay có thể thay đổi khối lượng cũng như kết cấu cho phù hợp với thiết kế tổng thể của đồ gá và do trong quá trình làm việc có thể xuất hiện thêm các lực khác như lực ma sát…v.v Nên để đảm bảo hộp giảm tốc lựa chọn có thể làm việc tốt với những thay đổi đó thì mômen xoắn lớn nhất sẽ được nhân thêm với hệ

số an toàn K = 1,3

Vậy mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc là:

Tmax = Tmax K= 159,64.1,3 = 207,53(N.m)

 Số vòng quay trung bình của trục ra hộp giảm tốc

Số vòng quay trung bình ở đầu ra của hộp giảm tốc được xác định theo công thức:

1 1 2 2 3 3 m

t3 : Thời gian giảm tốc ; t3 = 0,15 (s)

Vậy số vòng quay trung bình ở đầu ra hộp giảm tốc là:

𝑁𝑁𝑚𝑚 = 𝑡𝑡1 𝑁𝑁1𝑡𝑡+ 𝑡𝑡2 𝑁𝑁2+ 𝑡𝑡3 𝑁𝑁3

1+ 𝑡𝑡2+ 𝑡𝑡3 = 0,15.6,67 + 360.13,33 + 0,15.6,67 0,15 + 360 + 0,15

= 13,32(Vòng/phút)

 M ômen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Mômen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc được xác định bằng công thức:

10 3

3

i i i

10 13

m 3

i i 1

t N T T

t N

= ∑

∑

Trong đó: T1 : Mômen xoắn khi tăng tốc; T1 = Tmax = 211,27 (N.m)

T2 : Mômen xoắn khi vận tốc không đổi; T2 = TB = 117,6 (N.m)

T3 : Mômen xoắn khi giảm tốc;

𝑇𝑇3 = |𝑇𝑇𝐵𝐵 − 𝑇𝑇𝐴𝐴| = |117,6 − 42,04|=75,56(N.m)

t1 = 0,15 ; t2 = 360 ; t3 = 0,15

Hình 2.7 Sơ đồ vận tốc và tải trọng theo thời gian

NN120F – 225

Hình 2.9 Kích thước của hộp giảm tốc NN120F-225

Các thông số cơ bản của hộp giảm tốc:

Hình 2.10 Hình dáng hộp giảm tốc

NN120F- 225

Điều kiện các thông số tính chọn động cơ:

TMP : Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục động cơ

TMM : Mômen xoắn thực tác dụng lên trục động cơ

NIPHGT : Số vòng quay đầu vào của hộp giảm tốc; NIPHGT = 3000 (vòng/phút)

TMAX ; TRT ; Ndc là các giá trị tương ứng của động cơ được chọn

 Tính mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục động cơ

Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục động cơ được xác định từ công thức:

TMP = TMA + TMB +TCNLR

Trong đó:

TMP : Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục động cơ

TMA : Mômen xoắn gây ra bởi mômen quán tính

TMB : Mômen xoắn gây ra bởi tải trọng

TCNLR : Mômen cản nhớt của hộp giảm tốc; tra trong cataloge với động cơ

có số vòng quay 3000 (vòng/phút), công suất 0,5 -2 (KW) có:

TCNLR ≈ 0,85 (N.m)

Do trong quá trình động cơ làm việc sẽ sinh ra lực ma sát, có thể làm tăng mômen lớn nhất tác dụng lên trục động cơ Nên khi tính chọn động cơ thì mômen lớn nhất tác dụng lên trục động cơ sẽ được nhân thêm với hệ số an toàn K

- Tính mômen xoắn gây ra bởi mômen quán tính:

Mômen xoắn gây bởi mômen quán tính được xác định bằng công thức:

TMA = IML αM [N.m]

+ IM2 : Mômen quán tính của hộp giảm tốc;

Tra cataloge hộp giảm tốc có 4 2

- Mômen xoắn gây bởi tải trọng:

Mômen xoắn gây ra bởi tải trọng được xác định bằng công thức:

B MB

 Tính mômen xoắn thực tác dụng lên trục động cơ

Mômen xoắn thực tác dụng lên động cơ được xác định theo công thức:

- T10 : Mômen xoắn tác dụng lên trục động cơ khi tăng tốc

T10 = TMP = 2,3 (N.m)

- T20 : Mômen xoắn tác dụng lên trục động cơ khi vận tốc không đổi

 Kiểm tra hệ số quán tính và mômen phanh

- Để dễ dàng trong việc điều khiển thì hệ số quán tính C ≤ 5; Hệ số quán tính được xác định bằng công thức: M1 M 2

M3

C I

- Mômen phanh của động cơ luôn lớn hơn mômen lớn nhất cho phép tác dụng lên trục động cơ, Do khi tính chọn ta đã thỏa mãn TMP ≤ TMAX nên mômen phanh sẽ luôn luôn được đảm bảo

Hình 2.11 Thông số cơ bản của động cơ Servo SGMAV-08A

Tóm lược một số thông số của động cơ :

- Công suất của động cơ 0,75KW - Momen phanh tối thiểu: 4,41N.m

- Tốc độ quay định mức 3000 vòng/phút - Đường kính trục động cơ: 19mm

- Tốc độ quay tối đa 6000 vòng/phút - Momen quán tính: 0,769.10-4 kg.m2

- Momen quay định mức 2,39 N.m - Khối lượng: 2,6 kg

- Momen quay lớn nhất 7,16 N.m - Thời gian phanh: 5ms

Hình 2.12 Thông số kích thước của động cơ Servo SGMAV-08A

2.2.3 Tính toán ch ọn động cơ và hộp giảm tốc cho trục 1

 Thông số đầu vào của trục 1

- Phôi có dạng trụ tròn bằng thép có kích thước ∅350x150 (mm)

- Sử dụng bàn quay được thiết kế sơ bộ với các thông số kỹ thuật như hình 2.13

- Giới hạn góc quay của trục 1 là ± 3600

- Vận tốc đầu ra của trục 1 là 12 (vòng/phút)

- Chu trình tải trọng giống như khi tính chọn động cơ, hộp giảm tốc cho trục 2

Tính toán chọn hộp giảm tốc cho trục 1:

Phương pháp tính toán được lựa chọn giống như tính toán chọn hộp giảm tốc cho trục quay 2 Chọn động cơ của hãng Yaskawa có số vòng quay Ndm = 3000

Tmax : Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Ndm : Số vòng quay định mức ở đầu ra hộp giảm tốc

Tm : Mômen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Tp ; Nm* ; Tn là các giá trị tương ứng của hộp giảm tốc được chọn

 Tính tỷ số truyền của hộp giảm tốc

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc được xác định từ công thức

dc bt

N 1

Dựa vào cataloge của hộp giảm tốc, chọn hộp giảm tốc có tỷ số truyền Uhgt =

400, nên ta sẽ sử dụng tỷ số truyền này để tính tiếp các thông số khác

 Tính gia tốc góc trên trục ra của hộp giảm tốc

 Tính mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc được xác định theo công thức: Tmax = TA + TB

Trong đó:

Tmax : Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc

TA : Mômen xoắn lớn nhất gây ra bởi mômen quán tính

TB : Mômen xoắn lớn nhất gây ra bởi tải trọng đặt lệch tâm quay

Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc khi trục 2 mang chi tiết

ở vị trí nằm ngang

- Mômen xoắn gây ra bởi mômen quán tính xác định bởi công thức:

TA = IR.αC (N.m) Trong đó :

C

α : Gia tốc góc trên trục ra hộp giảm tốc, αC = 8,37 (rad/s2)

IR : mômen quán tính của vật quay; sử dụng phần mềm Proengineer để tính IR

Hình 2.15 Vị trí mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc

Hình 2.16 Khối lượng và mô men quán tính tác dụng lên trục 2.

Ta có : - Mômen quán tính : IR = 15,12(kg.m2)

- Độ lệch tâm : e = 0,175 (m)

- Khối lượng các vật quay : P = 232 (kg)

Vậy mômen xoắn gây ra bởi mômen quán tính là:

TA = IR.αC = 15,12 8,37 = 126,55 (N.m)

- Mômen xoắn gây bởi trọng lực khi vật hàn đặt lệch tâm quay:

Do trọng tâm của các vật trên bàn quay đặt lên trục 1 lệch khỏi tâm quay khoảng e = 0,175(m) cho nên trọng lượng của các vật quay sẽ gây ra một mômen xoắn có giá trị:

TB = P g.e Trong đó:

P : Khối lượng của các vật quay ; Pct = 232(kg)

g : Gia tốc trọng trường; g = 9,8 (m/s2)

e : Khoảng lệch tâm lớn nhất; e = 0,175(m)

Thay số vào công thức ta có mômen xoắn gây bởi trọng lực đặt lệch tâm quay là:

TB = P g.e = 232.9,8.0,175 = 397,9 (N.m) Vậy mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc là:

Tmax = TA+TB = 121,27 + 397,9= 519,17(N.m) Mômen xoắn lớn nhất sẽ được nhân thêm với hệ số an toàn K = 1,3, do trong quá trình làm việc có thể xuất hiện thêm các lực khác như lực ma sát…có thể làm tăng thêm mômen quán tính

Vậy mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc là:

Tmax = Tmax K= 519,17 1,3 = 674,9(N.m)

 Tính số vòng quay trung bình của trục ra hộp giảm tốc

Số vòng quay trung bình ở đầu ra của hộp giảm tốc được xác định theo công thức:

1 1 2 2 3 3 m

 Tính mômen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Hình 2.18 Sơ đồ vận tốc và tải trọng theo thời gian

Mômen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc được xác định

bằng công thức:

10 3

3

i i i

10 13

m 3

i i 1

t N T T

t N

= ∑

∑

Trong đó: T1 : Mômen xoắn khi tăng tốc; T1 = Tmax = 674,9 (N.m)

T2 : Mômen xoắn khi vận tốc không đổi; T2 = TB = 397,9 (N.m)

T3 : Mômen xoắn khi giảm tốc;